DE102008014314B4

DE102008014314B4 - Brennstoffzellensystem

Info

Publication number: DE102008014314B4
Application number: DE102008014314A
Authority: DE
Inventors: Volker Drünert; Uwe Hannesen
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2007-03-19
Filing date: 2008-03-14
Publication date: 2012-07-12
Anticipated expiration: 2028-03-15
Also published as: US20080233448A1; DE102008014314A1; US7846603B2

Abstract

Brennstoffzellensystem (10, 50) umfassend:
einen Brennstoffzellenstapel (12);
einen Verdichter (14), der Kathodeneinlassluft zu einer Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels (12) bereitstellt;
einen Kühlmittelkreislauf (22) in Fluidverbindung mit Kühlfluid-Strömungskanälen in dem Brennstoffzellenstapel (12), wobei der Kühlmittelkreislauf (22) ein Kühlfluid (30) außerhalb des Brennstoffzellenstapels (12) strömen lässt, das zu dem Brennstoffzellenstapel (12) zurückgeleitet wird;
einen Behälter (28) in Fluidverbindung mit dem Kühlmittelkreislauf (22), wobei der Behälter (28) einen Vorrat des Kühlfluids (30) und eine Gastasche (42) umfasst; und
einen Luftkasten (32) in Gasverbindung mit der Gastasche (42) in dem Behälter (28);
dadurch gekennzeichnet, dass
der Luftkasten (32) eine Lufteinlassleitung (36) aufweist, durch die von dem Verdichter (14) ein Luftstrom ohne Durchströmen des Behälters (28) durch den Luftkasten (32) gesaugt wird, sodass Gas aus der Gastasche (42) in dem Behälter (28) gesaugt und zur Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels (12) geleitet wird.

Description

Hintergrund der Erfindung
1. Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung betrifft allgemein ein Brennstoffzellensystem, das die Merkmale des Anspruchs 1 oder des Anspruchs 9 aufweist. Solch ein Brennstoffzellensystem ist beispielsweise aus der DE 11 2004 000 984 T5 bekannt geworden.
2. Beschreibung des Stands der Technik
Wasserstoff ist ein sehr interessanter Brennstoff, da er sauber ist und zum effizienten Erzeugen von elektrischem Strom in einer Brennstoffzelle verwendet werden kann. Eine Wasserstoff-Brennstoffzelle ist eine elektrochemische Vorrichtung, die eine Anode und eine Kathode mit einem Elektrolyten dazwischen aufweist. Die Anode erhält Wasserstoffgas und die Kathode erhält Sauerstoff oder Luft. Das Wasserstoffgas wird in der Anode aufgespalten, um freie Protonen und Elektronen zu erzeugen. Die Protonen bewegen sich durch den Elektrolyten zur Kathode. Die Protonen reagieren mit dem Sauerstoff und den Elektronen in der Kathode, um Wasser zu erzeugen. Die Elektronen von der Anode können nicht den Elektrolyten passieren und werden daher zum Erbringen von Arbeit durch eine Last geleitet, bevor sie zur Kathode zurückgeleitet werden.
Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen (PEMFC, vom engl. Proton Exchange Membrane Fuel Cells) sind eine gängige Brennstoffzelle bei Fahrzeugen. Die PEMFC umfasst im Allgemeinen eine Protonen leitende Festpolymer-Elektrolytmembran, beispielsweise eine Perfluorsulfonsäure-Membran. Die Anode und Kathode umfassen üblicherweise fein verteilte katalytische Partikel, für gewöhnlich Platin (Pt), die von Kohlenstoffpartikeln getragen werden und mit einem Ionomer gemischt sind. Die katalytische Mischung ist auf gegenüberliegenden Seiten der Membran aufgebracht. Die Kombination aus der katalytischen Mischung der Anode, der katalytischen Mischung der Kathode und der Membran bildet eine Membranelektrodeneinheit (MEA, vom engl. Membrane Electrode Assembly). MEAs sind in der Herstellung verhältnismäßig teuer und erfordern für effektiven Betrieb bestimmte Bedingungen.
In einem Brennstoffzellen-Stapel werden zum Erzeugen der gewünschten Leistung üblicherweise mehrere Brennstoffzellen kombiniert. Ein typischer Brennstoffzellenstapel kann zum Beispiel zweihundert oder mehr gestapelte Brennstoffzellen haben. Der Brennstoffzellenstapel erhält ein Kathodeneingangsreaktantengas, üblicherweise eine mittels eines Verdichters durch den Stapel zwangsweise geleitete Luftströmung. Von dem Stapel wird nicht der gesamte Sauerstoff aufgebraucht, und ein Teil der Luft wird als Kathodenabgas ausgestoßen, das Wasser als Stapelnebenprodukt enthalten kann. Der Brennstoffzellen-Stapel erhält auch ein Anoden-Wasserstoffreaktantengas, das in die Anodenseite des Stapels strömt. Der Stapel enthält auch Strömungskanäle, durch die ein Kühlfluid strömt.
Der Brennstoffzellenstapel umfasst eine Reihe von Bipolarplatten, die zwischen den mehreren MEAs in dem Stapel positioniert sind, wobei die Bipolarplatten und die MEAs zwischen zwei Endplatten positioniert sind.
Die Bipolarplatten umfassen eine Anodenseite und eine Kathodenseite für benachbarte Brennstoffzellen im Stapel. An der Anodenseite der Bipolarplatten sind Anodengas-Strömungskanäle vorgesehen, die das Anodenreaktantengas zu der jeweiligen MEA strömen lassen. Kathodengas-Strömungskanäle sind an der Kathodenseite der Bipolarplatten vorgesehen, die das Kathodenreaktantengas zu der jeweiligen MEA strömen lassen. Eine Endplatte umfasst Anodengas-Strömungskanäle und die andere Endplatte umfasst Kathodengas-Strömungskanäle. Die Bipolarplatten und die Endplatten bestehen aus einem leitenden Material, wie zum Beispiel Edelstahl, oder einem leitenden Verbundstoff. Die Endplatten leiten den von den Brennstoffzellen erzeugten elektrischen Strom aus dem Stapel heraus. Die Bipolarplatten umfassen auch Strömungskanäle, durch die ein Kühlfluid strömt.
Brennstoffzellensysteme nutzen thermische Subsysteme, die die Temperatur in dem Brennstoffzellenstapel steuern. Insbesondere wird ein Kühlfluid durch die Kühlfluid-Strömungskanäle in den Bipolarplatten in dem Stapel gepumpt. Bekannte thermische Subsysteme versuchen, die Temperatur des Kühlfluids, das zu dem Brennstoffzellenstapel geleitet wird, und den Temperaturunterschied zwischen dem Kühlfluid in den Stapel hinein und dem Kühlfluid aus dem Stapel heraus zu steuern, wobei die Kühlfluid-Strömrate den Temperaturunterschied steuert. Das thermische Subsystem umfasst typischerweise einen Behälter, der eine Speichermöglichkeit für Kühlfluidverlust und Volumenausdehnung infolge von Temperaturunterschieden vorsieht. Typischerweise ist das Kühlfluid eine Flüssigkeit, die Korrosion in dem Stapel hemmt, bei kalter Umgebung nicht gefriert und nicht leitend ist. Es ist erforderlich, dass das Kühlfluid nicht leitend ist, so dass elektrischer Strom nicht über die Kühlfluidkanäle in dem Stapel fließt. Ein Beispiel für ein geeignetes Kühlfluid ist ein deionisiertes Wasser- und Glykolgemisch.
Es ist erwünscht, dass die Verteilung von Wasserstoff in den Anodenströmungskanälen in dem Brennstoffzellenstapel für einen ordnungsgemäßen Betrieb des Brennstoffzellenstapels im Wesentlichen konstant ist. Daher ist es aus dem Stand der Technik bekannt, mehr Wasserstoff in den Brennstoffzellenstapel zu geben, als für eine bestimmte Ausgangslast des Stapels erforderlich ist, damit die Anodengasverteilung ordnungsgemäß ist. Es wird aber nicht der gesamte Wasserstoff von dem Stapel verbraucht.
Wasserstoffmoleküle sind äußerst klein und lassen sich nur schwierig in einer umschlossenen Umgebung zurückhalten. Aus dem Stand der Technik ist bekannt, dass Wasserstoff Stapel- und Plattenmaterialien in dem Brennstoffzellenstapel durchdringen kann, insbesondere um die Platten des Stapels herum. Wasserstoff leckt in die Kühlfluidkanäle, wo er in dem Kühlfluid aufgelöst wird oder in dem Kühlfluid in Form von Wasserstoffblasen eingeschlossen wird. Die Wasserstoffblasen sammeln sich für gewöhnlich in einer Gastasche in dem Kühlfluidbehälter.
Es ist erforderlich, den Wasserstoff aus der Gastasche in dem Behälter zu entfernen, um einen Druckaufbau zu verhindern und um das Risiko von potentiell entzündbaren Wasserstoffkonzentrationen zu beseitigen. Es ist bekannt, eine Luftpumpe vorzusehen, die Luft in die Gastasche pumpt, wo das vorhandene Luft/Wasserstoff-Gemisch in der Gastasche durch ein Auslassrohr aus dem Behälter abgelassen wird. Dieser Vorgang entfernt das Wasserstoffgas aus dem Behälter, während die erforderliche Gastasche beibehalten wird. Durch ständiges Pumpen von Luft in den Behälter kann aber das Kühlfluid in dem Behälter mit Schmutz und dergleichen verunreinigt werden. Ferner lässt die Luft von der Pumpe einen Teil des Kühlfluids verdampfen, was erfordert, dass der Behälter von Zeit zu Zeit gefüllt wird. Ferner muss die Pumpe erwärmt werden, so dass sie nicht bei einer Umgebung von unter Null gefriert. Ferner verschlechtert sich das Kühlfluid infolge von Kontakt mit Sauerstoff. Des Weiteren erfordert das Entlüftungssystem komplexe elektrische Systeme zum Gewährleisten des Betriebs des Systems für Sicherheitszwecke. Da der Kühlmittelbehälter zudem zur Umgebung hin offen ist, bestehen Druckunterschiede zwischen der Anode und der Kathode des Stapels im Verhältnis zu dem Kühlmittelkreislauf, die die Lebensdauer des Stapels verkürzen könnten.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Brennstoffzellensystem anzugeben, das eine Technik zum sicheren Entfernen von Wasserstoffgas verwendet, das sich in einem Kühlfluidbehälter sammelt.
Zusammenfassung der Erfindung
Diese Aufgabe wird mit einem Brennstoffzellensystem gelöst, das die Merkmale des Anspruchs 1 oder des Anspruchs 9 aufweist.
Das Brennstoffzellensystem umfasst einen Brennstoffzellenstapel und einen Verdichter zum Bereitstellen einer Luftströmung zu der Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels. Das System umfasst auch einen Luftkasten mit einem Luftfilter, der in Fluidverbindung mit einer Gastasche in dem Behälter steht. Die zu dem Verdichter eingelassene Luft strömt durch den Luftkasten und saugt das Gas aus dem Behälter, das dann zur Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels geleitet wird, um durch die elektrochemische Reaktion darin zu Wasser umgewandelt zu werden.
Weitere Merkmale der vorliegenden Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen in Verbindung mit den Begleitzeichnungen hervor.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 ist ein schematisches Blockdiagramm eines Brennstoffzellensystems, das eine Technik zum sicheren Entfernen von Wasserstoffgas, das sich in einem Kühlfluidbehälter sammelt, nach einer erfindungsgemäßen Ausführungsform vorsieht;
2 ist ein schematisches Blockdiagramm eines Brennstoffzellensystems, das eine Technik zum sicheren Entfernen von Wasserstoffgas, das sich in einem Kühlfluidbehälter sammelt, nach einer anderen erfindungsgemäßen Ausführungsform vorsieht.
Eingehende Beschreibung der Ausführungsformen
Die folgende Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung, die auf ein Brennstoffzellensystem gerichtet sind, das eine Technik zum Entfernen von Wasserstoffgas aus einem Kühlfluidbehälter verwendet, ist lediglich beispielhafter Natur und soll die Erfindung oder ihre Anwendungen oder Einsatzmöglichkeiten in keiner Weise beschränken.
1 ist ein schematisches Blockdiagramm eines Brennstoffzellensystems 10, das einen Brennstoffzellenstapel 12 umfasst. Das Brennstoffzellensystem 10 umfasst einen Verdichter 14, der eine druckbeaufschlagte Luftströmung zur Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels 12 an der Kathodeneingangsleitung 16 bereitstellt. Ein Kathodenabgas wird von dem Brennstoffzellenstapel 12 an der Kathodenausgangsleitung 18 ausgestoßen. Das Brennstoffzellensystem 10 umfasst ein thermisches Subsystem, das die Temperatur des Brennstoffzellenstapels 12 steuert. Das thermische Subsystem umfasst einen Kühlmittelkreislauf 22, durch den ein Kühlfluid von einer Pumpe 24 und durch die Kühlfluid-Strömungskanäle in dem Brennstoffzellenstapel 12 gepumpt wird. In dem Kühlmittelkreislauf 22 ist ein Kühler 26 vorgesehen, um die Temperatur des aus dem Stapel 12 austretenden Kühlfluids zu senken, so dass es zurück zu dem Stapel 12 geleitet werden kann, um erneut Abwärme aufzunehmen. Das thermische Subsystem umfasst einen Behälter 28, in dem ein Vorrat des Kühlfluids 30 vorgesehen ist, der Kühlfluidverluste und Volumenausdehnung des Kühlfluids infolge von Temperaturänderungen ausgleicht.
Das thermische Subsystem umfasst weiterhin einen Luftkasten 32 mit einem Luftfilter 34. Die von dem Verdichter 14 angesaugte Luftströmung strömt von einer Lufteinlassleitung 36 durch den Luftkasten 32, um zu dem Verdichter 14 in der Luftleitung 38 geleitet zu werden. Der Luftkasten 32 steht mittels eines Rohrs 40 mit einer Gastasche 42 in dem Behälter 28 in Gasverbindung.
Wie vorstehend beschrieben leckt eine kleine Menge Wasserstoffgas während normalen Systembetriebs in das Kühlfluid. Weiterhin kann eine größere Menge an Wasserstoff infolge eines Defekts, beispielsweise eines Berstens einer Dichtung, eines Risses in einer Bipolarplatte, etc., in das Kühlfluid lecken. Der Wasserstoff, der sich in dem Kühlfluid sammelt, strömt schließlich in den Behälter 28 und sammelt sich in der Gastasche 42. Während des Betriebs des Brennstoffzellensystems 10 dient die Luftströmung durch den Luftkasten 32 infolge des Betriebs des Verdichters 14 zum Saugen oder Abführen von Gas aus der Lufttasche 42 durch das Rohr 40 und in den Luftkasten 32, um mit der Kathodeneinlassluft zusammengeführt zu werden. Dieses Gas wird dann mit der Kathodeneinlassluft zu der Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels 12 geleitet, wo der Wasserstoff darin durch die elektrochemische Reaktion an der Kathode des Brennstoffzellenstapels 12 in Wasser umgewandelt wird. Die maximale Gasmenge, die von dem Behälter 28 durch den Luftkasten 32 geleitet werden kann, kann durch den Durchmesser des Rohrs 40 oder eine Öffnung 20 in Verbindung mit der Drehzahl des Verdichters 14 festgelegt werden, um sicherzustellen, dass bei Zusammenführen mit der Luft in dem Luftkasten 32 eine ausreichende Verdünnung des Wasserstoffgases unter dem Wasserstoffverbrennungsgrenzwert liegt. Wenn das Brennstoffzellensystem 10 und der Verdichter 14 abgeschaltet sind, können kleine Mengen von verbleibendem Wasserstoff in den Luftkasten 32 freigesetzt werden. Diese kleinen Mengen an Wasserstoff werden aber nicht als gefährlich betrachtet.
Der Behälter 28 kann ein geschlossenes System sein, wobei wie vorstehend beschrieben nur Gas, das in der Gastasche 42 festgehalten wird, in den Luftkasten 32 freigesetzt werden darf. Optional umfasst der Behälter 28 eine Lüftungsöffnung 44 mit einer spritzwasserdichten Abdeckung 48, die das Saugen von Luft in die Gastasche 42 zulässt, wenn der Verdichter 14 Gas aus der Gastasche 42 in den Luftkasten 32 saugt. Eine andere Option kann das Vorsehen eines Überdruckventils 46 sein, das auf einen bestimmten Druck in der Lufttasche 42 kalibriert ist, was ein automatisches Öffnen des Ablassventils 46 bewirkt, wenn der Druckwert überschritten wird. Bei dieser Auslegung würde das Gas, einschließlich Wasserstoffgas, an die Atmosphäre abgelassen werden.
2 ist ein schematisches Blockdiagramm eines Brennstoffzellensystems 50 ähnlich dem Brennstoffzellensystem 10, wobei ähnliche Elemente durch das gleiche Bezugszeichen bezeichnet sind. Das System 50 umfasst ein Überdruck/Druckregelventil 52 in dem Rohr 40, das den Druck in dem Behälter 28 unter einem bestimmten Wert hält. Wenn der Druck in dem Behälter 28 über den Grenzwert steigt, öffnet das Ventil 52 automatisch und lässt das überschüssige Gas in den Luftkasten 32 ab, das wie vorstehend beschrieben in den Stapel 12 gesaugt wird. Eine Umgehungsleitung 56 umgeht das Ventil 52, um während normalen Betriebs, wenn der Druck in dem Behälter 28 unter dem Grenzwert liegt, der das Ventil 52 öffnen würde, das Gas in dem Behälter 28 in den Luftkasten 32 saugen zu lassen.
Das Ventil 52 kann mit einem Sensor 54 ausgestattet sein, der detektiert, wann das Ventil 52 offen ist. Anomale Druckanstiege können die Folge von anomalen Temperaturanstiegen über den Siedepunkt des Kühlfluids hinaus oder einer übermäßigen Freisetzung von Wasserstoff in den Kühlmittelkreislauf 22 infolge eines Defekts sein. Die Detektion solcher Fehlerzustände durch den Sensor 54 kann wertvolle Informationen für die Sicherheit des Brennstoffzellensystems 50 liefern. Abhängig von der bestimmten Auslegung des Ventils 52 und des Sensors 54 kann eine quantitative oder qualitative Prognose der während des Auftretens eines anomalen Überdrucks freigesetzten Wasserstoffmenge ermittelt werden.

Claims

Brennstoffzellensystem (10, 50) umfassend: einen Brennstoffzellenstapel (12); einen Verdichter (14), der Kathodeneinlassluft zu einer Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels (12) bereitstellt; einen Kühlmittelkreislauf (22) in Fluidverbindung mit Kühlfluid-Strömungskanälen in dem Brennstoffzellenstapel (12), wobei der Kühlmittelkreislauf (22) ein Kühlfluid (30) außerhalb des Brennstoffzellenstapels (12) strömen lässt, das zu dem Brennstoffzellenstapel (12) zurückgeleitet wird; einen Behälter (28) in Fluidverbindung mit dem Kühlmittelkreislauf (22), wobei der Behälter (28) einen Vorrat des Kühlfluids (30) und eine Gastasche (42) umfasst; und einen Luftkasten (32) in Gasverbindung mit der Gastasche (42) in dem Behälter (28); dadurch gekennzeichnet, dass der Luftkasten (32) eine Lufteinlassleitung (36) aufweist, durch die von dem Verdichter (14) ein Luftstrom ohne Durchströmen des Behälters (28) durch den Luftkasten (32) gesaugt wird, sodass Gas aus der Gastasche (42) in dem Behälter (28) gesaugt und zur Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels (12) geleitet wird.
Brennstoffzellensystem (10, 50) nach Anspruch 1, wobei der Luftkasten (32) einen Luftfilter (34) umfasst, durch den der angesaugte Luftstrom und das Gas aus dem Behälter (28) strömen.
Brennstoffzellensystem (10, 50) nach Anspruch 1, weiterhin umfassend: ein in einem Rohr (40) positioniertes Druckregelventil (52), durch das das Gas von dem Behälter (28) zu dem Luftkasten (32) strömt, wobei das Druckregelventil (52) automatisch geöffnet wird, wenn der Druck in der Gastasche (42) in dem Behälter (28) über einen vorbestimmten Schwellendruck steigt.
Brennstoffzellensystem (10, 50) nach Anspruch 3, weiterhin umfassend: einen mit dem Druckregelventil (52) gekoppelten Sensor (54), wobei der Sensor (54) ein Signal liefert, wenn das Druckregelventil (52) öffnet.
Brennstoffzellensystem (10, 50) nach Anspruch 3, weiterhin umfassend: eine Umgehungsleitung (56) um das Druckregelventil (52) herum.
Brennstoffzellensystem (10, 50) nach Anspruch 1, wobei der Behälter (28) einen Lufteinlass (44) zum Strömenlassen von Luft in die Gastasche (42) umfasst.
Brennstoffzellensystem (10, 50) nach Anspruch 6, wobei der Lufteinlass (44) eine spritzwasserdichte Abdichtung (48) umfasst.
Brennstoffzellensystem (10, 50) nach Anspruch 1, wobei der Behälter (28) ein Druckablassventil (46) in Gasverbindung mit der Gastasche (42) umfasst, wobei das Druckablassventil (46) Gas aus der Gastasche (42) ablässt, wenn der Druck in dem Behälter (28) über einen vorbestimmten Schwellendruck steigt.
Brennstoffzellensystem (10, 50) umfassend: einen Brennstoffzellenstapel (12); einen Verdichter (14), der Kathodeneinlassluft zu einer Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels (12) bereitstellt; einen Behälter (28) mit einer Gastasche (42); und einen durch ein Rohr (40) in Gasverbindung mit der Gastasche (42) in dem Behälter (28) stehenden Luftkasten; dadurch gekennzeichnet, dass der Luftkasten (32) eine Lufteinlassleitung (36) aufweist, durch die von dem Verdichter (14) ein Luftstrom ohne Durchströmen des Behälters (28) durch den Luftkasten (32) gesaugt wird, sodass Gas aus der Gastasche (42) in dem Behälter (28) gesaugt und zur Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels (12) geleitet wird.
Brennstoffzellensystem (10, 50) nach Anspruch 9, weiterhin umfassend: ein in dem Rohr (40) positioniertes Druckregelventil (52), wobei das Druckregelventil (52) automatisch geöffnet wird, wenn der Druck in der Gastasche (42) in dem Behälter (28) über einen vorbestimmten Schwellendruck steigt.
Brennstoffzellensystem (10, 50) nach Anspruch 10, weiterhin umfassend: einen mit dem Druckregelventil (52) gekoppelten Sensor (54), wobei der Sensor (54) ein Signal liefert, wenn das Druckregelventil (52) öffnet.
Brennstoffzellensystem (10, 50) nach Anspruch 10, weiterhin umfassend: eine Umgehungsleitung (56) um das Druckregelventil (52) herum.
Brennstoffzellensystem (10, 50) nach Anspruch 9, wobei der Behälter (28) einen Lufteinlass (44) zum Strömenlassen von Luft in die Gastasche (42) umfasst.
Brennstoffzellensystem (10, 50) nach Anspruch 13, wobei der Lufteinlass (44) eine spritzwasserdichte Abdeckung (48) umfasst.
Brennstoffzellensystem (10, 50) nach Anspruch 9, wobei der Behälter (28) ein Druckablassventil (46) in Fluidverbindung mit der Gastasche (42) umfasst, wobei das Druckablassventil (46) Gas aus der Gastasche (42) ablässt, wenn der Druck in dem Behälter (28) über einen vorbestimmten Schwellendruck steigt.