DE102008014788A1

DE102008014788A1 - Brennstoffzellensystem

Info

Publication number: DE102008014788A1
Application number: DE102008014788A
Authority: DE
Inventors: Andreas Dipl.-Ing. Knoop
Original assignee: Daimler AG; Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2008-03-18
Filing date: 2008-03-18
Publication date: 2009-09-24
Also published as: WO2009115183A1

Abstract

Um eine Anode (12) einer Brennstoffzelle (10) sammelt sich störendes Stickstoffgas zusammen mit Wasser an und behindert den für den Betrieb der Brennstoffzelle notwendigen Wasserstoffstrom. Erfindungsgemäß wird das störende Gas von der Anode aktiv durch geeignete Mittel zur Kathode gefördert. Die Mittel zum aktiven Fördern von Gas können eine Pumpe (26) oder einen Expander (28) umfassen. Sie sind bevorzugt in einer Verbindung (24) zwischen Anodenausgang (18) und Kathodeneingang (20) angeordnet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem mit zumindest einer Brennstoffzelle nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
In Brennstoffzellen reagiert Wasserstoff, der an der Anode zugeführt wird, mit Sauerstoff, der in an der Kathode zugeführter Luft enthalten ist. Da der Luftsauerstoff reagiert, verbleibt überschüssiger Stickstoff. Dieser kann, z. B. über Membranen im Brennstoffzellensystem, von der Kathodenseite zur Anode gelangen und sich dort anreichern. Auch das Reaktionsprodukt Wasser kann sich an der Anode ansammeln. Der Stickstoff und das Wasser blockieren den Wasserstoff, wodurch die Funktion der Brennstoffzelle beeinträchtigt ist.
Man könnte daran denken, die Stoffe auf der Anode in die Umgebung abzuführen. Da zusammen mit den störenden Stoffen Stickstoff und Wasser auch Wasserstoffionen forttransportiert werden, können hierbei Probleme auftauchen, denn es sollte vermieden werden, dass Wasserstoffionen, welche noch jederzeit mit Sauerstoff reagieren können, frei in die Umgebung gelangen. Man behilft sich damit, in einem Brennstoffzellensystem einen gesonderten Brenner vorzusehen, dem die Gase auf der Anode, z. B. in regelmäßigen Abständen, zugeführt werden, wobei der Brenner den in den Gasen enthaltenen Wasserstoffanteil verbrennt.
Schließlich ist es auch bekannt, das Anodenabgas dem Kathodeneingang der Brennstoffzelle zuzuführen, damit der mitgeführte Wasserstoff an der Kathode reagieren kann. Der Stickstoff schadet der Kathode nicht und gelangt schließlich zum Kathodenausgang. In der US 6,849,352 B2 wird ein Teil des Anodenabgases in einem Kreislauf, der zum Wiederzuführen des Anodenabgases zum Anodeneingang dient, aus dem Kreislauf abgeführt, und zwar unmittelbar vor der Wasserstoffzufuhr. In der DE 699 202 79 T2 ist eine Leitung beschrieben, die den Anodenausgang mit dem Kathodeneingang verbindet und in der ein Ventil angeordnet ist, das in Reaktion auf einen Entzündbarkeitsensor betrieben werden kann, der sicherstellt, dass die Wasserstoffmenge, die in die Lufteinlassleitung eingeführt wird, ausreichend unterhalb von 4% bleibt, wodurch ein gefährlicher Zustand vermieden wird.
Die Verwendung eines Ventils in einer solchen Verbindungsleitung hat den Nachteil, dass die Leitung einen großen Querschnitt aufweisen muss. Dann muss der Anodendruck beträchtlich größer als der Kathodendruck sein, damit tatsächlich das auf der Anode störende Stickstoffgas oder auch das Wasser über die Leitung abgeführt werden kann. Damit der Betrieb gewährleistet ist, muss also beständig ein Druckgefälle zwischen Anode und Kathode vorhanden sein. Gelegentlich wird dieses sogar künstlich erzeugt.
Aufgabe der Erfindung ist es, die Funktionsweise eines Brennstoffzellensystems zu verbessern, insbesondere indem störender Stickstoff und störendes Wasser auf der Anode effizienter abgeführt wird.
Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass Mittel zum aktiven Fördern von Gas von der Anode zur Kathode bereitgestellt werden. Dieses aktive Fördern wird dadurch möglich, dass die Mittel den Energieinhalt, insbesondere den Druckenergieinhalt, des von der Anode abgeblasenen Gases ändern, also Energie entweder zuführen oder entnehmen. Energie wird beispielsweise durch eine Pumpe zugeführt, Energie durch einen Expander entnommen. Pumpe wie Expander sind geeignete Mittel zum aktiven Fördern von Gas von Anode zur Kathode, insbesondere wenn sie in einer Verbindung zwischen Anodenausgang und Kathodeneingang angeordnet sind. Die Pumpe arbeitet insbesondere auch dann, wenn der Anodendruck niedriger als der Kathodendruck ist, d. h. das System ist weniger fehleranfällig, weil effizient störender Stickstoff von der Anode entfernt wird. Pumpe und Expander ermöglichen es, die Verbindungsleitung zwischen Anodenausgang und Kathodeneingang mit einem kleineren Querschnitt zu versehen, als dies bei Verwendung eines Ventils möglich ist.
Pumpe wie auch Expander haben üblicherweise ein drehbares Bauelement, über das das Gas strömt. Die Drehzahl des drehbaren Bauelements oder auch das auf dieses ausgeübte Drehmoment können dazu dienen, eine Information über die insgesamt vom Anodenausgang zum Kathodeneingang geförderte Gasmenge, und sogar auch über die Zusammensetzung des Gases, liefern. Dementsprechend ist es eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung, durch eine geeignete Einrichtung die Drehzahl bzw. das Drehmoment zu ermitteln. Die Informationen können insbesondere auch einer Regeleinrichtung zugeführt werden, denn aufgrund der oben genannten Informationen kann der Zustand der Brennstoffzelle beschrieben werden. Dies gilt zum einen für die Menge an störenden Stoffen an der Anode, so dass die Regeleinrichtung dann die Pumpe bzw. den Expander geeignet ansteuert. Man kann dies allerdings auch dahingehend weiterführen, dass der gesamte Betrieb des Brennstoffzellensystems in Abhängigkeit von den oben genannten Informationen gesteuert wird, d. h. dass die Regeleinrichtung weitere Bauteile des Brennstoffzellensystems steuert.
Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung unter Bezug auf die Zeichnung beschrieben, wobei
1 durch schematische Darstellung einiger Bauteile eines Brennstoffzellensystems eine erste Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht und
2 durch schematische Darstellung einiger Bauteile eines Brennstoffzellensystems eine zweite Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht.
Ein Brennstoffzellensystem weist eine im Ganzen mit 10 bezeichnete Brennstoffzelle auf, von der vorliegend ihre Anode 12 und ihre Kathode 14 von Interesse sind. Der Anode 12 wird über einen Anodeneingang 16 der Brennstoffzelle 10 Wasserstoff zugeführt, und Abgas von der Anode wird über einen Anodenausgang 18 abgeführt. Der Kathode 14 wird verdichtete Luft über einen Kathodeneingang 20 zugeführt, und die nicht bei einer Reaktion von Wasserstoff mit Luftsauerstoff verbrauchten Anteile der zugeführten Luft werden über einen Kathodenausgang 22 abgeführt. Ein Teil des in der Luft enthaltenen Stickstoffs gelangt, beispielsweise über Membranen in der Brennstoffzelle 10, von der Kathode zur Anode und behindert dort die Ionisation von Wasserstoff sowie einen regelmäßigen Wasserstoffstrom. Es soll nun dieser störende Stickstoff von der Anode abgeführt werden (so genannter „Purge”), wobei vorliegend die Abführung zur Kathode erfolgt, wo dann eventuell mitabgeführter Wasserstoff zur Reaktion gebracht wird, wodurch verhindert wird, dass Wasserstoff in die Umgebung gelangt. Zu dem genannten Zweck des Transportes der Gase von der Anode zur Kathode wird zunächst der Anodenausgang 18 mit dem Kathodeneingang 20 über eine Leitung 24 verbunden. Die Gase würden jedoch nicht ohne weiteres durch die Leitung 24 strömen. Damit das Abführen der Gase definiert erfolgen kann, ist in der Verbindungsleitung 24 eine Pumpe 26 vorgesehen, welche die Gase von der Anode wegsaugt und zur Kathode hinpumpt.
Als Alternative zur Pumpe ist gemäß 2 ein Expander 28 vorgesehen.
Der Pumpe 26 und dem Expander 28 ist gemeinsam, dass es sich um aktiv wirkende Mittel handelt, die das Gas fördern und nicht nur wie im Stand der Technik den Gastransport passiv durch Öffnen eines Ventils ermöglichen.
Pumpe 26 und Expander 28 umfassen ein Pumprad oder eine Turbinenschaufel, dessen Drehzahl zusammen mit dem auf sie ausgeübten Drehmoment Rückschlüsse auf die über die Leitung 24 transportierte Gasmenge und die Zusammensetzung dieses Gases erlauben. Diese Rückschlüsse können einerseits für eine Regelung von Pumpe 26 und Expander 28 selbst oder auch der Brennstoffzelle 10 verwendet werden. Es lässt sich sogar eine Alterung des Brennstoffzellensystems erkennen, so dass die Brennstoffzellen dann gegebenenfalls rechtzeitig ausgetauscht werden können.
Brennstoffzellensysteme mit Brennstoffzellen gemäß 1 finden ihre bevorzugte Anwendung zum Antrieb von Elektromotoren in Kraftfahrzeugen.

10: Brennstoffzelle
12: Anode
14: Kathode
16: Anodeneingang
18: Anodenausgang
20: Kathodeneingang
22: Kathodenausgang
24: Verbindungsleitung
26: Pumpe
28: Expander

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- US 6849352 B2 [0004]
- DE 69920279 T2 [0004]

Claims

Brennstoffzellensystem mit zumindest einer Brennstoffzelle (10), die eine Anode (12) aufweist, der Gas über einen Anodeneingang (16) zuführbar ist und von der Gas über einen Anodenausgang (18) abführbar ist, und die eine Kathode (14) aufweist, der Gas über einen Kathodeneingang (20) zuführbar ist und von der Gas über einen Kathodenausgang (22) abführbar ist, gekennzeichnet durch Mittel (26, 28) zum aktiven Fördern von Gas von der Anode (12) zur Kathode (14).
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (26, 28) zum aktiven Fördern in einer Verbindung (24) zwischen Anodenausgang (18) und Kathodeneingang (20) angeordnet sind.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum aktiven Fördern eine Pumpe (26) umfassen.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zum aktiven Fördern einen Expander (28) umfassen.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 3 oder 4 mit einem drehbaren Bauelement in der Pumpe bzw. dem Expander, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehzahl des drehbaren Bauelements und/oder das auf das drehbare Bauelement ausgeübte Drehmoment ermittelt wird bzw. werden.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch eine Regeleinrichtung, die anhand der ermittelten Drehzahl bzw. des ermittelten Drehmoments die Pumpe bzw. den Expander und/oder weitere Bauteile des Brennstoffzellensystems steuert.