DE102008016372A1

DE102008016372A1 - Brennstoffzellensystem für Kraftfahrzeuge

Info

Publication number: DE102008016372A1
Application number: DE102008016372A
Authority: DE
Inventors: Armin Dipl.-Ing. Mütschele (FH); Stefan Dr. Reiff; Hans-Frieder Dipl.-Ing. Walz (Fh)
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2008-03-29
Filing date: 2008-03-29
Publication date: 2009-10-01

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem (10) mit mindestens einer Brennstoffzelle (16), deren Abgas durch einen gasdurchlässigen, mit einem Trocknungsmittel befüllten Behälter (38, 52) geleitet wird. Vorteilhafterweise ist ein zweiter Trocknungsmittelbehälter so im System angeordnet, dass in zwei alternativen Betriebszuständen jeweils ein Behälter die Feuchtigkeit aus dem Abgas der Brennstoffzelle aufnimmt, während das Trocknungsmittel des anderen Behälters durch einen trockenen Gasstrom regeneriert wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem mit mindestens einer Brennstoffzelle, die einen Abgasauslass zum Abführen von Abgas aufweist.
Brennstoffzellen sind elektrochemische Einrichtungen, in denen ein anodenseitig zugeführtes Brenngas, zumeist Wasserstoff, mit einem kathodenseitig zugeführten Oxidationsgas, bei dem es sich um Luft oder auch reinen Sauerstoff handeln kann, auf elektrochemischem Weg oxidiert wird. Die dabei frei werdende chemische Energie wird mit hohem Wirkungsgrad in elektrische Energie umgewandelt. Bei dem kathodenseitig austretenden Abgas handelt es sich im Fall von Wasserstoffbrennstoffzellen im Wesentlichen um nicht verbrauchtes Oxidationsgas sowie um Wasser, welches je nach Temperaturbedingungen als gasförmiger Wasserdampf oder auch in Form flüssiger Kondensattröpfchen vorliegen kann.
Gerade bei Brennstoffzellen zum Einbau in Kraftfahrzeuge kann dieser Wassergehalt des Abgases ein Problem darstellen. Bei tiefen Außentemperaturen droht zum einen eine Vereisung der abgasführenden Bestandteile des Systems, zum anderen kann der Austrag von flüssigem Wasser auf die Fahrbahn hinter dem Kraftfahrzeug zu deren Vereisung führen und somit die Verkehrssicherheit gefährden.
Die DE 101 10 419 A1 offenbart ein Brennstoffzellensystem mit einer Wassersammelvorrichtung, die Wasser aus einem Abgasstrom der Brennstoffzelle sammelt und in einem Sammelwassertank speichert. Das aus dem Abgas gesammelte Wasser wird in diesem System dazu benutzt über einen Hilfsbefeuchter die Protonenaustauschermembran der Brennstoffzelle zu befeuchten. In der DE 10 2004 046 922 A1 wird weiterhin ein Brennstoffzellensystem mit einem Wärmetauscher offenbart, in dem heiße, von einem Verdichter bereitgestellte Kathodenzuluft das Kathodenabgas erhitzt. Durch die erhöhte Temperatur des Kathodenabgases wird hierbei Kondensatbildung vermieden.
Bestehende Systeme zum Abscheiden von Wasser aus dem Abgas von Brennstoffzellen leiden unter dem Problem mangelnder Frostsicherheit und müssen daher meist aufwändig isoliert, bzw. beheizt werden. Darüber hinaus können solche Systeme durch schwallartig anfallendes Wasser, beispielsweise bei plötzlichen starken Lastwechselvorgängen, überlastet werden und sind dann nicht mehr in der Lage, zuverlässig alles Wasser aus dem Abgas abzuscheiden.
Es ist daher die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Aufgabe, ein Brennstoffzellensystem der eingangs genannten Art derart weiterzubilden, dass eine sichere Abscheidung von Wasser aus dem kathodenseitig austretenden Abgasstrom ermöglicht wird, während gleichzeitig die Frostsicherheit des Systems gewährleistet bleibt.
Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung der eingangs genannten Art gelöst, die dadurch gekennzeichnet ist, dass zumindest in einem ersten Betriebszustand in Strömungsrichtung des Abgases hinter dem Abgasauslass ein gasdurchlässiger, mit einem Trocknungsmittel gefüllter Behälter angeordnet ist. Ein solcher Behälter ist unter dem Namen Trocknerpatrone bekannt und wird z. B. auch in Hydrauliksystemen bei Lastkraftwagen eingesetzt. Durch die Bindung des abgeschiedenen Wassers an ein zumeist in fester Phase vorliegendes Trocknungsmittel ist eine bessere Frostbeständigkeit gewährleistet als bei bekannten Systemen, die das abgeschiedene Wasser in flüssiger Form, z. B. in Sammelwassertanks zwischenspeichern. Die Wasseraufnahmefähigkeit solcher Trocknungsmittel ist in der Regel unabhängig vom Wassergehalt des zugeführten Gasstroms. Damit ist sichergestellt, dass auch bei plötzlichen starken Schwankungen dieses Wassergehalts, wie z. B. als Folge eines plötzlichen Lastwechsels, eine effiziente Entfernung des Wassers aus dem Abgasstrom ermöglicht ist.
Die verwendeten Trocknungsmittel können alle festen, wasserabsorbierenden Substanzen umfassen, insbesondere verschiedene Silikate, wie z. B. Silikagel.
In einer vorteilhaften Ausführungsform ist das verwendete Trocknungsmittel regenerierbar, indem die von ihm aufgenommene Flüssigkeit auf geeignete Weise wieder entfernt werden kann. Dies ermöglicht eine mehrfache Wiederverwendung des Trocknungsmittels, so dass bei vollständiger Sättigung des Trocknungsmittels mit Wasser lediglich eine Regeneration, nicht jedoch ein vollständiger Austausch dieses Trocknungsmittels nötig wird. Um die Wartung des Systems zu erleichtern, kann der Trocknungsmittelbehälter dennoch in vorteilhafter Weise austauschbar angeordnet sein.
In einer weiteren Ausführungsform ist eine Heizeinrichtung zum Beheizen des Trocknungsmittelbehälters bereitgestellt. Dadurch kann auch bei extremen Außentemperaturen eine Vereisung des Systems verhindert werden und somit die Frostsicherheit der gesamten Einrichtung verbessert werden.
In einer weiteren Ausführungsform ist eine Vorrichtung zum Erfassen der verbleibenden Rückhaltekapazität des Trocknungsmittels bereitgestellt. So kann sichergestellt werden, dass rechtzeitig vor Ausschöpfen der Rückhaltekapazität des Trocknungsmittels der Trocknungsmittelbehälter ausgetauscht oder das Trocknungsmittel regeneriert werden kann, so dass eine zuverlässige Wasserabscheidung durch den Trocknungsmittelbehälter gewährleistet bleibt.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform ist ein Umschalten des Systems in einen zweiten Betriebszustand ermöglicht, in dem ein trockener Gasstrom durch den Trocknungsmittelbehälter geleitet wird, der das vorher aufgenommene Wasser aus dem Trocknungsmittel entfernt und somit die volle Rückhaltekapazität des Trocknungsmittels wieder herstellt. Der hierzu benötigte trockene Gasstrom kann von einem Kompressor zu Verfügung gestellt werden. Insbesondere bei Brennstoffzellensystemen zum Einbau in Kraftfahrzeuge kann der trocknende Gasstrom in einer weiteren Ausführungsform auch vom Fahrtwind bei der Bewegung des Kraftfahrzeugs bereitgestellt werden. In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform kann weiterhin die Kühlerabluft eines Kraftfahrzeugs als Gasstrom zum Trocknen des Trocknungsmittels dienen. Durch das Vorwärmen des Trocknungsgases bei der Passage durch einen Kühler des Kraftfahrzeugs wird dessen Wasseraufnahmefähigkeit erhöht und die Regeneration des Trocknungsmittels im Trocknungsmittelbehälter beschleunigt.
Während des Regenerationsvorgangs tritt aus dem Trocknungsmittelbehälter ein befeuchteter Gasstrom aus. Dieser kann in einer weiteren Ausführungsform vorteilhaft zur Brennstoffzelle zurückgeleitet werden und dort auf geeignete Weise zur Befeuchtung der Kathodenzuluft benutzt werden. Insbesondere in Brennstoffzellen mit Protonenaustauschermembranen müssen diese Membranen ständig befeuchtet und auf einen optimalen Feuchtigkeitsgehalt eingestellt werden, um einen optimalen Wirkungsgrad der Brennstoffzelle zu gewährleisten. Die Befeuchtung der Brennstoffzellenmembran durch den während der Regeneration des Trocknungsmittels aus dem Trocknungsmittelbehälter ausströmenden feuchten Gasstrom kann hierbei durch einfaches Einleiten dieses Gasstroms in den Kathodenraum erfolgen. In einer alternativen Ausführungsform kann eine indirekte Befeuchtung erfolgen, indem durch geeignete Mittel wie z. B. Feuchtigkeitstauschermembranen, die Feuchtigkeit aus dem feuchten Regenerationsgas auf das in den Kathodenraum strömende Oxidationsgas übertragen wird.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist ein zweiter gasdurchlässiger, mit einem Trocknungsmittel gefüllter Behälter so im System angeordnet, dass das Abgas des Brennstoffzellensystems mit Hilfe geeigneter Umschaltmittel im ersten Betriebszustand nur durch einen ersten und im zweiten Betriebszustand nur durch einen zweiten Trocknungsmittelbehälter geleitet wird. Des Weiteren sind in dieser Ausführungsform geeignete Umschaltmittel bereitgestellt, die einen zur Regeneration des Trocknungsmittels verwendeten trockenen Gasstrom im ersten Betriebszustand nur durch einen zweiten und im zweiten Betriebszustand nur durch einen ersten Trocknungsmittelbehälter leiten. Hierdurch ist ein alternierender Betrieb der beiden Trocknungsmittelbehälter ermöglicht, so dass sich immer jeweils ein Behälter in Regeneration befindet, während ein anderer Behälter Feuchtigkeit aus dem Abgasstrom der Brennstoffzellenanlage aufnehmen kann. Dies ermöglicht einen kontinuierlichen Betrieb der wasserabscheidenden Einrichtung, ohne dass Unterbrechungen zur Regeneration des Trocknungsmittels, oder zum Austausch des Trocknungsmittelbehälters notwendig werden.
Nachfolgend wird eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung unter Bezug auf die Zeichnung beschrieben, dabei zeigen:
1 eine schematische Darstellung der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung,
2 eine vereinfachte Darstellung der Gasströme im ersten Betriebszustand,
3 eine vereinfachte Darstellung der Gasströme im zweiten Betriebszustand.
In einem im Ganzen mit 10 bezeichneten Brennstoffzellensystem wird ein oxidierbares Brenngas durch eine Leitung 12 in einem Anodenraum 14 eines Brennstoffzellenstapels 16 geleitet. Anodenseitiges Abgas wird durch eine Leitung 18 abgeführt, wobei eine Rezirkulationseinrichtung 20 zur Verfügung steht, die unverbranntes Brenngas wieder dem Anodenraum 14 zuführt. Der Brenngasstrom wird hierbei durch zwei Ventile 22 und 22' geregelt.
Eine Protonenaustauschermembran 24 trennt den Anodenraum 14 von einem Kathodenraum 26. Kathodenseitig wird Oxidationsgas durch eine Leitung 28 dem Brennstoffzellenstapel 16 zugeführt, und das Kathodenabgas wird durch eine Leitung 30 aus dem Kathodenraum 26 abgeführt.
Es gibt nun einen ersten und einen zweiten Betriebszustand. In 2 sind in einem vereinfachten Schema die Gasströme im ersten Betriebszustand dargestellt.
Im ersten Betriebszustand sind die Ventile 32 und 34 geschlossen, während ein Ventil 36 geöffnet ist. Das kathodenseitig abströmende Abgas tritt hierbei in einen ersten Trocknungsmittelbehälter 38 ein und gibt dort seine Feuchtigkeit ab. Durch ein geöffnetes Ventil 40 und eine Leitung 42 wird das getrocknete Abgas schließlich in die Umgebungsluft abgegeben. Weiterhin stellt ein Kompressor 44 trockene verdichtete Luft zur Verfügung. Im ersten Betriebszustand sind die Ventile 46 und 48 geschlossen, während die Ventile 40 und 50 geöffnet sind. Dadurch wird der vom Kompressor 44 bereitgestellte Luftstrom über eine Leitung 45 durch einen zweiten Trocknungsmittelbehälter 52 geleitet und nimmt die in diesem Behälter enthaltene Feuchtigkeit auf, um das Trocknungsmittel zu regenerieren. Der so befeuchtete Luftstrom wird über eine Leitung 53 und durch ein geöffnetes Ventil 54 wieder dem Kathodenraum 26 über die Zuleitung 28 zugeführt.
Im Bereich der Leitungen 30 und 42 sind Feuchtigkeitssensoren 56 und 58 angebracht, die den Feuchtigkeitsgehalt des durchströmenden Gases messen und diese Information an eine Steuereinheit 60 weiterleiten. Wenn nun der erste Trocknungsmittelbehälter 38 seine Kapazitätsgrenze erreicht, steigt der Feuchtigkeitsgehalt das aus ihm ausströmenden Gases, und die Differenz der Messwerte der Feuchtigkeitssensoren 56 und 58 sinkt ab. Auf Grundlage dieser Information kann nun eine Steuereinrichtung 60 die Ventilkonfiguration des Systems dergestalt ändern, dass es in den nachfolgend beschriebenen zweiten Betriebszustand übergeht.
Eine vereinfachte, schematische Darstellung der Gasströme im zweiten Betriebszustand findet sich in 3.
Im zweiten Betriebszustand sind die Ventile 36 und 54 geschlossen, während die Ventile 32 und 34 geöffnet sind. Das aus Leitung 30 aus dem Kathodenraum 26 ausströmende Gas durchströmt nun einen zweiten Trocknungsmittelbehälter 52 und gibt seine Feuchtigkeit an das Trocknungsmittel in diesem Behälter ab. Nach der Passage durch den Trocknungsmittelbehälter 52 strömt das nun wasserfreie Gas durch ein geöffnetes Ventil 48 und wird über eine Leitung 42 an die Außenluft abgegeben. Die Ventile 40 und 50 sind in diesem Betriebszustand geschlossen. Die vom einen Verdichter 44 bereitgestellte Luft strömt über eine Leitung 45 durch ein geöffnetes Ventil 46 in einen ersten Trocknungsmittelbehälter 38, und nimmt dort die vom Trocknungsmittel gebundene Feuchtigkeit auf, so dass dieses regeneriert wird. Der befeuchtete Luftstrom wird dann über eine Leitung 53 durch ein geöffnetes Ventil 34 in den Kathodenraum 26 über eine Zuleitung 28 zurückgeleitet.
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

- DE 10110419 A1 [0004]
- DE 102004046922 A1 [0004]

Claims

Brennstoffzellensystem (10) mit mindestens einer Brennstoffzelle (16), die einen Abgasauslass (30) zum Abführen von Abgas aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest in einem ersten Betriebszustand in Strömungsrichtung des Abgases hinter dem Abgasauslass zumindest ein gasdurchlässiger, mit einem Trocknungsmittel gefüllter Behälter (38, 52) angeordnet ist.
Brennstoffzellensystem (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass von dem Trocknungsmittel aufgenommene Flüssigkeit wieder entfernbar ist.
Brennstoffzellensystem (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mit einem Trocknungsmittel gefüllte Behälter (38, 52) austauschbar ist.
Brennstoffzellensystem (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Heizeinrichtung zum Beheizen des mit einem Trocknungsmittel gefüllten Behälters (38, 52) bereitgestellt ist.
Brennstoffzellensystem (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung zum Erfassen der verbleibenden Rückhaltekapazität des Trocknungsmittels (56, 58).
Brennstoffzellensystem (10) nach einem vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch Umschaltmittel (32, 34, 36, 40, 46, 48, 50, 54) ein Umschalten von dem ersten Betriebszustand in einen zweiten Betriebszustand ermöglicht ist, in welchem ein trockener Gasstrom durch den Behälter geleitet wird.
Brennstoffzellensystem (10) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der trockene Gasstrom im zweiten Betriebszustand durch den Fahrtwind der Bewegung eines Kraftfahrzeugs bereitgestellt wird.
Brennstoffzellensystem (10) nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der trockene Gasstrom im zweiten Betriebszustand von der Kühlerabluft eines Kraftfahrzeugs zur Verfügung gestellt wird.
Brennstoffzellensystem (10) nach Anspruch 6 mit einem Kompressor (44), dadurch gekennzeichnet, dass im zweiten Betriebszustand eine Verbindungsleitung (45) bereitgestellt oder geöffnet ist, über die Kompressorluft zu dem Behälter (38, 52) geleitet wird.
Brennstoffzellensystem (10) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass im zweiten Betriebszustand eine weitere Verbindungsleitung (53) bereitgestellt oder geöffnet ist, die den Behälter mit einem Kathodeneinlass (28) der Brennstoffzelle (16) verbindet.
Brennstoffzellensystem (10) nach einem der Ansprüche 6 bis 10, gekennzeichnet, durch einen zweiten gasdurchlässigen, mit einem Trocknungsmittel gefüllten Behälter (52), wobei die Umschaltmittel (32, 34, 36, 40, 46, 48, 50, 54) bewirken, dass das aus dem Kathodenauslass (30) abgeführte Kathodengas im ersten Betriebszustand nur durch den ersten Behälter (38) und im zweiten Betriebszustand nur durch den zweiten Behälter (52) geleitet wird.
Brennstoffzellensystem (10) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Umschaltmittel (32, 34, 36, 40, 46, 48, 50, 54) bewirken, dass ein trockener Gasstrom im ersten Betriebszustand nur durch den zweiten Behälter (52) und im zweiten Betriebszustand nur durch den ersten Behälter (38) geleitet wird.
Brennstoffzellensystem (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Strömungsrichtung des Abgases hinter dem gasdurchlässigen, mit einem Trocknungsmittel gefüllten Behälter (38, 52) eine weitere Wasserabscheideeinrichtung angeordnet ist.
Brennstoffzellensystem (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest jeder Behälter (38, 52) und bevorzugt auch eine vom Abgasauslass (28) zu dem jeweiligen Behälter führende Verbindungsleitung gegenüber der Umgebungsluft wärmeisoliert ausgeführt ist.
Kraftfahrzeug mit einem Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche.