-
Die
Erfindung bezieht sich auf ein Brennstoffzellensystem, das mindestens
einen Brennstoffzellenstapel aufweist und auf Betrieb mit einem
Brenngas sowie einem gasförmigen
Oxidans ausgelegt ist.
-
Als
Brennstoffzellenstapel bezeichnet man eine gestapelte Anordnung
einzelner Brennstoffzellen; diese sind in der Regel elektrisch in
Serie miteinander verbunden und mechanisch miteinander vereinigt.
Die einzelnen Brennstoffzellen sind in der Regel untereinander im
wesentlichen gleich ausgebildet. Jede einzelne Brennstoffzelle besitzt
einen Elektrolytbereich, der zumeist eine schichtartige Konfiguration
hat, einen Anodenbereich auf der einen Seite des Elektrolytbereichs,
und einen Kathodenbereich auf der anderen Seite des Elektrolytbereichs.
Bei den häufigsten
Konfigurationen besitzt der Anodenbereich eine Anodenplatte mit
einem vertieften Strömungskanalmuster
für den
Brennstoff und besitzt der Kathodenbereich eine Kathodenplatte mit
vertieftem Strömungskanalmuster
für das
Oxidans. Zwischen der Anodenplatte und dem Elektrolytbereich befindet sich
die Anode, die auf ihrer dem Elektrolytbereich zugewandten Seite
mit einem Katalysator, in der Regel fein verteilt auf einem Katalysatorträger, versehen ist.
Zwischen der Kathodenplatte und dem Elektrolytbereich befindet sich
eine Kathode, die auf ihrer dem Elektrolytbereich zugewandten Seite
mit einem Katalysator, typischerweise fein verteilt auf einem Katalysatorträger, versehen
ist. In der Regel befindet sich zwischen zwei benachbarten, einzelnen
Brennstoffzellen eine Bipolarplatte, die eine integrale Vereinigung
der Anodenplatte der einen Brennstoffzelle und der Kathodenplatte
der benachbarten Brennstoffzelle darstellt.
-
Bei
einer Ausführungsform
der Erfindung sind die Brennstoffzellen ausgelegt auf Wasserstoff als
Brennstoff und Luft als Oxidans. Der Wasserstoff und die Luft werden
den Brennstoffzellen mit etwas oberhalb des Umgebungsdrucks liegendem
Druck zugeführt.
-
Die
Brennstoffzellen bzw. der Brennstoffzellenstapel werden in der Regel
gekühlt,
z. B. mit Luft oder einer Kühlflüssigkeit.
-
Wenn
der Betrieb eines Brennstoffzellenstapels gestopt wird, befinden
sich im Anodenraum Brenngas, das noch nicht oxidiert worden ist,
und im Kathodenraum Luft. Sobald dem System kein Strom mehr entnommen
wird, stellen sich hohe Elektrodenpotentiale ein, die zu einer raschen
Degradation der Katalysatoren und letztendlich zu einem verfrühten Ausfall
der betreffenden Brennstoffzelle führen können. Außerdem wandert bei gestopptem
System im Laufe der Zeit Luft in die Anodenräume ein. Dadurch kann beim
Neustart des Systems ohne geeignete Maßnahmen im Anodenraum ein Gemisch
aus Brenngas und Luft entstehen, das bei einer Reaktion am Katalysator
zu einer Schädigung
des Katalysators bis hin zur Zerstörung der Brennstoffzelle führen kann.
-
Um
den geschilderten Gefahren zu begegnen, gehört es zum Stand der Technik,
die Anodengasräume
beim Systemstop und/oder vor dem Systemstart mit einem inerten Gas
zu spülen
und zu füllen.
Insbesondere hat man reinen Stickstoff als intertes Gas eingesetzt.
Den Stickstoff hat man einem Druckbehälter entnommen, der periodisch
befüllt oder
ausgetauscht werden musste. Der Stickstoff-Druckbehälter ist
schwer und sperrig. Das Austauschen oder befüllen erfordert Arbeitsaufwand
und Mechanismen zum Aufmerksammachen auf einen rechtzeitigen Austausch
oder eine rechtzeitige Befüllung.
-
Alternativ
hat man auch bereits ins Auge gefasst, die Brennstoffseite des Systems
mit Luft zu spülen.
Dies ist keine überzeugende
Lösung,
da sich während
des Spülens
ein Gemisch von Brenngas und Luft in den Anodenräumen befindet. Ähnliches gilt
auch für
das ins Auge gefasste Spülen
des Systems mit Brennstoff vor dem Systemstart.
-
Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein derart konzipiertes Brennstoffzellensystem
zu schaffen, dass Systemstop und/oder Systemstart ohne die Gefahr
der Verursachung von Schäden
in den Brennstoffzellen ausgeführt
werden können,
wobei der bauliche Aufwand für
die hierfür
benötigten Komponenten sowie
der Arbeitsaufwand für
die Betriebsfähighaltung
des Systems minimiert sind.
-
Zur
Lösung
dieser Aufgabe ist das Brennstoffzellensystem erfindungsgemäß dadurch
gekennzeichnet, dass es als Komponente einen mit Luft versorgten,
physikalisch arbeitenden Sauerstoffabtrenner besitzt und dass die
Abgabeseite des Sauerstoffabtrenners für Sauerstoff-reduziertes Gas
an die Brenngaszuströmseite
des Brennstoffzellenstapels und/oder die Oxidanszuströmseite des
Brennstoffzellenstapels angeschlossen ist.
-
Mit
dem Merkmal ”der
physikalisch arbeitende Sauerstoffabtrenner ist eine Komponente
des Brennstoffzellensystems” soll
zum Ausdruck gebracht werden, dass sich der Sauerstoffabtrenner
in derart räumlicher
Nähe zu
dem Brennstoffzellenstapel bzw. den Brennstoffzellenstapeln des
Brennstoffzellensystems befindet, dass das Sauerstoff-reduzierte
Gas nicht in räumlicher
Distanz von dem Brennstoffzellensystem erzeugt, gespeichert und
zu dem System transportiert werden muss; das Sauerstoff-reduzierte
Gas wird vielmehr auf kurzem Wege, typischerweise durch Leitungen,
der Zuströmseite des
betreffenden Brennstoffzellenstapels zugeleitet.
-
Das
Sauerstoff-reduzierte Gas wird beim Stoppen und/oder Starten des
Systems entweder nur der Brenngas-Gaszuströmungsseite des Brennstoffzellenstapels
oder nur der Oxidans-Gaszuströmseite des
Brennstoffzellenstapels oder sowohl der Brenngas-Gaszuströmseite als
auch der Oxidans-Gaszuströmseite
zugeführt.
-
Wenn
man zunächst
die Brenngas-Gaszuströmseite
betrachtet, dann besteht eine erste Möglichkeit der Zufuhr des Sauerstoff-reduzierten
Gases darin, dieses Gas im wesentlichen direkt den Anodenräumen der
Brennstoffzellen des Stapels zuzuführen. Hierbei wird mit vergleichsweise
geringer Menge des Sauerstoff-reduzierten Gases die gewünschte Spülwirkung
erreicht; allerdings muss ein eigenes Verteilsystem zur Verteilung
dieses Gases auf die einzelnen Brennstoffzellen vorgesehen werden.
-
Eine
zweite Möglichkeit
besteht darin, das Sauerstoff-reduzierte Gas in ein Verteilsystem
einzuspeisen, das zur Zuführung
des Brenngases und zur Verteilung des Brenngases auf die einzelnen
Brennstoffzellen des betreffenden Stapels sowieso vorhanden ist;
bei dieser Möglichkeit
ergibt sich ein besonders geringer Bauaufwand für die Verwirklichung der Lehre
der Erfindung.
-
Eine
dritte Möglichkeit
besteht darin, das Sauerstoff-reduzierte Gas noch weiter stromaufwärts in eine
Brenngas-Zuführungsleitung
einzuspeisen, insbesondere an einer Stelle, die strömungsaufwärts von
der Verzweigung der Brenngaszuführung
auf mehrere Brennstoffzellenstapel des Brennstoffzellensystems liegt.
Entsprechend kann man auch vorgehen, wenn ein Brenngasverteiler
für den
Brennstoffzellenstapel nur eine Teilanzahl der Brennstoffzellen
des Stapels versorgt. Andere Einspeisungsstellen sind möglich, von
funktioneller Bedeutung ist lediglich, dass das Sauerstoff-reduzierte
Gas das in den Anodenräumen
vorhandene Brenngas austreibt und die Anodenräume füllt.
-
Das
in den vorangehenden Absätzen
für die Brenngas-Gaszuströmseite beschrieben
worden ist, gilt erfindungsgemäß entsprechend
auch für
die Oxidans-Gaszuströmseite.
-
Ein
bei der Erfindung besonders bevorzugte, physikalisch arbeitender
Sauerstoffabtrenner ist ein Membran-Trenner. Membran-Trenner sind
als Laborgeräte
bekannt. Bei einer typischen Bauart sind in einem Gehäuse sehr
dünne Kunststoffröhrchen,
auch Hohlfasern genannt, (typischer Außendurchmesser 0,1 bis 1 mm,
typische Wanddicke 10 bis 1000 nm) in großer Vielzahl parallel nebeneinander
in einem Gehäuse
angeordnet. Geeignete Kunststoffe, insbesondere Polymere, für diese
Röhrchen
sind bekannt und am Markt erhältlich,
z. B. Polyethersulfone, Polysulfone oder Polyacrylnitril. Luft unter
Druck wird z. B. dem Inneren der Röhrchen zugeführt. Sauerstoff
und andere ”schnelle
Luftbestandteile” wie
Kohlendioxid passieren die Wände
der Röhrchen
deutlich leichter als Stickstoff, so dass an den strömungsabwärtigen Ende
der Röhrchen
ein Gas ausströmt,
das im wesentlichen aus Stickstoff besteht, wohingegen diejenigen
Gasbestandteile, welche die Wände
der Röhrchen
passiert haben, aus dem Inneren des Gehäuses des Membran-Trenners abgeführt werden
können.
Diese Gastrennung funktioniert bei erhöhter Temperatur effizienter,
so dass man bei Nutzung erhöhter
Temperatur eine gewünschte
Menge an Sauerstoff-reduziertem Gas pro Zeiteinheit mit einem kleineren
Membran-Trenner erzeugen kann. Ein Membran-Trenner hat den Vorteil,
dass man das Sauerstoffreduzierte Gas unter Druck stehend erzeugen
kann.
-
Ein
weiterer, bei der Erfindung bevorzugter, physikalisch arbeitender
Sauerstoffabtrenner ist ein Adsorptions-Trenner. Adsorptions-Trenner
sind für sich
gesehen bekannt. Sie können
insbesondere zur Durchführung
der Druckwechseladsorption (PSA = Pressure Swing Adsorption) ausgeführt sein.
Bei der Druckwechseladsorption wird Luft unter Druck in ein abgeschlossenes
Volumen eingebracht, welches mit dem Adsorbens (das Material, an
welches adsorbiert wird, insbesondere ein Kohlenstoff-Molekularsieb oder
eine Substanz aus der Klasse der Zeolithe) gefüllt ist. Geeignete Adsorbentien
sind an sich bekannt und am Markt erhältlich. Der Sauerstoff der
Luft adsorbiert wesentlich stärker
und schneller an dem Adsorbens als Stickstoff. Wenn man nach einer
geeigneten Adsorptionszeit Gas aus dem abgeschlossenen Volumen ausströmen lässt, enthält dieses
zunächst
fast nur Stickstoff. Mit zunehmender Entnahmemenge und damit abnehmenden
Druck im Behälter
desorbiert auch Sauerstoff in stärkerem
Maße von dem
Adsorbens, so dass mit Abnahme des Drucks bei fortschreitender Entnehme
das entnommene Gas immer reicher an Sauerstoff wird. In der Praxis
der Erfindung wird man das Ablassen von Stickstoff-reichem Gas aus
dem Behälter
nur solange fortsetzen, bis der Sauerstoffgehalt in dem abgelassenen
Gas einen festgelegten Grenzwert überschreitet bzw. bis ein bestimmter
Druck im Behälter
unterschritten wird. Danach wird man das verbleibende, sauerstoffreiche Gas
in die Umgebung ablassen. Dann kann das Spiel mit dem Einbringen
einer neuen Luftmenge unter Druck in dem Behälter von neuem beginnen. In
der Praxis wird man mit mehreren, parallel installierten Behältern arbeiten,
so dass man einen weniger stark über
der Zeit variierenden Volumenstrom an Stickstoff-reichem Gas erhält.
-
Weitere
Bauarten von physikalisch arbeitenden Sauerstoffabtrennern sind
für sich
gesehen bekannt und ebenfalls für
das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem
brauchbar.
-
Es
sei erwähnt,
dass auch schon ins Auge gefasst worden ist, Inertgas zum Zwecke
der Brennstoffzellenspülung
durch chemische Reaktion in den Brennstoffzellen oder in einem separaten
Reaktor zu erzeugen, z. B. durch die Reaktion von Brenngas mit Luft.
Dieser Weg ist sehr aufwendig, weil die zu reagierenden Gase genau
dosiert werden müssen
und die bei der Reaktion frei werdende Wärme gefahrlos abgeleitet werden
muss.
-
Vorzugsweise
ist dem Sauerstoffabtrenner ein Pufferspeicher für Sauerstoff-reduziertes Gas nachgeschaltet.
Dies hat zum einen den Vorteil, dass das Brennstoffzellensystem
ohne Vorlaufzeit und ohne die Notwendigkeit der Fremdenergiezufuhr
sofort startfähig
ist. Zum anderen erreicht man den Vorteil, dass der Sauerstoffabtrenner
kleiner ausgelegt werden kann, weil er über die Zeit aufsummiert die
für den
Stopvorgang und den späteren
Startvorgang des Systems benötigte
Menge an Sauerstoff-reduziertem Gas produzieren kann. Besonders
günstig
ist es, wenn der Pufferspeicher als Druckspeicher ausgebildet ist,
weil er ein kleineres Volumen benötigt und weil das Sauerstoff-reduzierte
Gas sehr bequem mit Überdruck
zu der vorgesehenen Einspeisungsstelle des Systems geleitet und
dort eingespeist werden kann.
-
Die
weiter vorn angesprochenen, aber auch andere, physikalisch arbeitende
Sauerstoffabtrenner benötigen
von ihrer Funktionsweise her eine Eingangs-Luftversorgung mit Überdruck, oder arbeiten zumindest
bei Luftversorgung mit Überdruck
wirkungsvoller. Man kann bei der Erfindung, wie bevorzugt, dem Sauerstoffabtrenner
einen eigenen Luftkompressor vorschalten. In diesem Fall, aber auch
in anderen Fällen,
ist es günstig,
dem Sauerstoffabtrenner einen Druckluftbehälter vorzuschalten, ggf. zwischen
dem genannten Luftkompressor und dem Sauerstoffabtrenner. Aus dem
Druckluftbehälter
kann man auf einfache Weise Luft mit gewünschtem Volumen bzw. Masse
pro Zeit und gewünschtem
Druck dem Sauerstoffabtrenner zuführen, ohne dass regelungstechnisch
für den
Kompressor großer
Aufwand betrieben werden müsste.
-
Alternativ
ist es eine bei der Erfindung bevorzugte Möglichkeit, den Sauerstoffabtrenner
oder einen vorgeschalteten Druckluftbehälter eingangsseitig an einen
Luftkompressor anzuschließen,
der zur Versorgung mindestens eines weiteren Verbrauchers mit Druckluft
genutzt wird oder sogar erforderlich ist.
-
Als
ein typisches Beispiel sei ein Landfahrzeug genannt, das mit dem
erfindungsgemäßen Sytem
ausgestattet ist und für
die Funktion seiner Bremsen Druckluft benötigt. Der dafür sowieso
erforderliche Luftkompressor kann als weitere Aufgabe übernehmen,
den Sauerstoffabtrenner mit Luft zu versorgen, vorzugsweise über den
vorgeschalteten Druckluftbehälter
des Sauerstoffabtrenners.
-
Es
wird auch die besonders bevorzugte Möglichkeit angesprochen, denjenigen
Luftkompressor, der bei Systemen mit unter Überdruck stehender Luft als
Oxidans vorhanden ist, als Luftkompressor zur Versorgung des Sauerstoffabtrenners,
günstig über einen
zwischengeschalteten Druckluftbehälter, mit Luft zu versorgen.
-
Wenn
das System auf Betrieb mit Wasserstoff als Brenngas ausgelegt ist,
liegt die Zündgrenze eines
Wasserstoff/Luft-Gemischs bei mindestens 24,6 Prozent Luft, was
in etwa 5 Prozent Sauerstoff entspricht. Aus diesem Grunde ist bei
der Erfindung vorzugsweise vorgesehen, dass der Sauerstoffabtrenner
auf Lieferung eines Sauerstoff-reduzierten Gases mit unter 5 Vol-%
Sauerstoffgehalt ausgelegt. Es ist jedoch vorteilhaft, die obere
Auslegungsgrenze des Sauerstoffgehalts niedriger zu wählen, vorzugsweise
unter 4,5 Vol-%, noch stärker
bevorzugt unter 4 Vol-%, um Sicherheitsabstand von den genannten 5
Vol-% zu haben und ganz besonders um – auch unterhalb des Risikos
einer heftigen Wasserstoff/Sauerstoff-Reaktion – das Auftreten der auch eingangs schon
angesprochenen, schädlichen,
hohen elektrischen Potentiale in den Brennstoffzellen bei der Beendigung
der Entnahme elektrischer Energie aus dem Brennstoffzellenstapel
zu vermeiden. Die genannten Obergrenzen des Sauerstoffgehalts sind
als Werte im zeitlichen Mittel zu verstehen, also insbesondere einzuhalten
in dem Pufferspeicher für
Sauerstoff-reduziertes Gas. Wenn das von dem Sauerstoffabtrenner
erzeugte, Sauerstoff-reduzierte Gas am Ausgang des Sauerstoffabtrenners
für begrenzte Zeitphasen
einen etwas höheren
Restsauerstoffgehalt hat, ist dies insbesondere bei Vorhandensein
eines Pufferspeichers in der Regel tolerabel.
-
In
Weiterbildung der Erfindung ist ein Fahrzeug (Landfahrzeug, Wasserfahrzeug,
Luftfahrzeug) vorgesehen, welches mit einem Brennstoffzellensystem, wie
es in der vorliegenden Anmeldung offenbart ist, ausgestattet ist.
Bei den Landfahrzeugen kommen sowohl schienengebundene als auch
spurgeführte
als auch nicht-spurgeführte
Fahrzeuge in Betracht, unter den letzteren ganz besonders Nutzfahrzeuge,
insbesondere Lustkraftwagen oder Omnibusse zur Personenbeförderung.
Bei den Wasserfahrzeugen werden insbesondere Schiffe, und unter
diesen Schiffe für
den Verkehr in Häfen
oder für
den Verkehr auf dicht befahrenen Fährenrouten angesprochen.
-
Weiterer
Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zum Inertisieren eines
Brennstoffzellensystems, das mindestens einen Brennstoffzellenstapel
aufweist und auf Betrieb mit einem Brenngas sowie einem gasförmigen Oxidans
ausgelegt ist, beim Stillsetzen und/oder beim Starten des Brennstoffzellensystems,
dadurch gekennzeichnet, dass dem Brennstoffzellensystem zugeordnet
aus Luft durch physikalische Abtrennung ein Sauerstoff-reduziertes Gas
erzeugt wird und dass derartiges, Sauerstoff-reduziertes Gas beim
Stillsetzen und/oder beim Starten des Brennstoffzellensystems durch
die Gasräume auf
der Anodenseite und/oder durch die Gasräume auf der Kathodenseite des
Brennstoffzellenstapels strömen
gelassen wird.
-
Alle
Offenbarungen, die in der Anmeldung im Zusammenhang mit Vorrichtungsmerkmalen
des Systems oder bevorzugten Vorrichtungsmerkmalen des Systems gemacht
werden, gelten sinngemäß auch als
Offenbarung für
entsprechende Verfahrensmerkmale und Verfahrens-Vorzugsmerkmale.
-
Besonders
bevorzugte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den
Ansprüchen
13 bis 19 wiedergegeben.
-
Die
Erfindung und bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung werden nachfolgend
anhand von zeichnerisch dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es
zeigt:
-
1 ein
Brennstoffzellensystem in schematisierter Form;
-
2 ein
Land-Kraftfahrzeug, welches – schematisiert – mit einem
Brennstoffzellensystem ausgestattet ist;
-
3 einen
Ausschnitt eines Brennstoffzellenstapels, nämlich im wesentlichen eine
einzige Brennstoffzelle;
-
4 schematisiert
einen Membran-Trenner im vertikalen Längsschnitt;
-
5 Adsorptions-Trenner
im vertikalen Längsschnitt.
-
Das
in 1 dargestellte Brennstoffzellensystem 2,
im folgenden kurz als ”System 2” bezeichnet,
enthält
als die wesentlichsten Komponenten einen oder mehrere Brennstoffzellenstapel 4,
einen oder mehrere Drucktanks 6 mit Wasserstoff darin,
einen z. B. von einem Elektromotor angetriebenen Luftkompressor 8,
der typischerweise Luft mit einem Überdruck von 0,3 bis 5 bar
liefert, einen physikalisch arbeitenden Sauerstoffabtrenner 10 mit
samt einiger Peripherieeinrichtungen, die weiter unten beschrieben
werden, und Verbindungsleitungen zwischen den einzelnen Komponenten
bzw. Einrichtungen. In 1 ist nur ein einziger Brennstoffzellenstapel 4 gezeichnet
und ist nur ein einziger Gastank 6 gezeichnet. Ein oder
mehrere weitere Brennstoffzellenstapel 4 bzw. Gastanks 6 können z.
B. vor oder hinter der Zeichnungsebene vorhanden sein.
-
2 veranschaulicht
an einem Beispiel, wie das gesamte System 2 in ein Fahrzeug
integriert sein kann. Ein oder mehrere Gastanks 6 sind
liegend auf dem Dach des gezeichneten Omnibusses 12 installiert.
Im unteren Bereich des Heckbereichs des Omnibusses 12 ist
in einem, mit einem Kreuz versehenen Raum 14 das gesamte
System 2 (mit Ausnahme des oder der Gastanks 6)
untergebracht. Mindestens ein Teil der erforderlichen Antriebskraft
für den Omnibus 12 wird
von einem oder mehreren, nicht gezeichneten Elektromotoren geliefert,
die mindestens auf einen Teil der Räder des Omnibusses 12 arbeiten.
Der Akkumulator 16 kann zur Deckung von Spitzen-Leistungsbedarf
der Antriebs-Elektromotoren herangezogen werden, indem er elektrisch
parallel zum Brennstoffzellensystem geschaltet wird. In Betriebsphasen,
in denen das Fahr zeug nur wenig Energie aufnimmt, kann das Brennstoffzellensystem
dagegen überschüssige elektrische
Energie in den Akkumulator laden; so werden unvorteilhafte Betriebszustände des
Brennstoffzellensystems in niedriger Teillast vermieden.
-
In 1 erkennt
man ferner, dass an der in 1 linken
Seite des in Draufsicht z. B. im wesentlichen rechteckigen Brennstoffzellenstapels 4 ein Brenngasverteiler 18 und
ein Luftverteiler 20 vorhanden sind, die sich im wesentlichen
vertikal über
im wesentlichen die gesamte Höhe
des Brennstoffzellenstapels 4 erstrecken. Die Verteiler 18 und 20 sind in 1 sandwichartig
aufeinander gezeichnet. In Wahrheit befinden sich die Verteiler 18 und 20 nebeneinander,
wenn man den Brennstoffzellenstapel 4 von seiner in 1 aus
linken Seite in Richtung des Pfeils A ansieht. Der Brenngasverteiler 18 ist
bei jeder einzelnen Brennstoffzelle 22 (siehe 3)
mit dem weiter unten noch genauer zu beschreibenden Anodenraum 24 verbunden.
Der Luftverteiler 20 ist bei jeder einzelnen Brennstoffzelle 22 mit
dem weiter unten noch genauer zu beschreibenden Kathodenraum 26 verbunden.
Es ist nicht zwingend, dass ein einziger Brenngasverteiler 18 und
ein einziger Luftverteiler 20 den gesamten Brennstoffzellenstapel 4 versorgt.
Diese Funktion kann auch auf mehrere Branngasverteiler und mehrere
Luftverteiler aufgeteilt sein.
-
Auf
der in 1 rechten Seite des Brennstoffzellenstapels 4 verlassen
das Reaktionsprodukt Wasser und nicht umgesetzte Luft und ggf. kleine Mengen
an nicht umgesetzten Wasserstoff den Brennstoffzellenstapel 4.
-
Der
Brenngasverteiler 18 ist über eine Leitung an den Gastank 6 angeschlossen.
Der Luftverteiler 20 ist über eine Leitung an den Luftkompressor 8 angeschlossen.
Gegebenenfalls können
in beiden Systemen Geräte
zur Regelung eines bestimmten, für
den Betrieb der Brennstoffzelle optimalen, Betriebsdrucks vorhanden
sein.
-
In
praktisch allen technischen Ausführungsformen
ist der Brennstoffzellenstapel 4 gekühlt, z. B. mittels Flüssigkeit,
die durch Kanäle
in den Bipolarplatten 28 (siehe 3) strömt. Die
Bestandteile der Kühlungseinrichtung
des Brennstoffzellenstapels 4 sind nicht eingezeichnet
und müssen
hier auch nicht näher beschrieben
werden, weil geeignete Konstruktionen bekannt sind und weil die
Erfindung sich nicht auf die Kühlung
bezieht.
-
Der
physikalisch arbeitende Sauerstoffabtrenner 10 ist vorzugsweise
ein Membran-Trenner (siehe 4) oder
ein Adsorptions-Trenner (siehe 5). Dem
Sauerstoffabtrenner 10 ist ein Druckluftbehälter 30 vorgeschaltet.
Der Druckluftbehälter 30 ist über eine
Leitung mit dem Luftkompressor 8 verbunden. In einer Leitung
zwischen dem Druckluftbehälter 30 und
dem Sauerstoffabtrenner 10 können in der technischen Praxis
ein Wasserabscheider, ein Ventil und/oder ein Mikrofilter angeordnet
sein.
-
Durch
eine Leitung 32 wird Sauerstoff-reduziertes Gas aus dem
Sauerstoffabtrenner 10 herausgeleitet, wohingegen das abgetrennte,
mit Sauerstoff angereicherte Gas, den Sauerstoffabtrenner 10 durch
eine Leitung 34 verlässt.
In der Leitung 32 folgen ein Nadelventil 34 und
Rückschlagventil 36. Dann
schließt
sich ein Pufferspeicher 38 für Sauerstoff-reduziertes Gas
an. Strömungsabwärts ist
der Pufferspeicher 38 über
eine sich verzweigende Leitung 40 mit der Eintrittsseite
des Brenngasverteilers 18 und mit der Eintrittsseite des
Luftverteilers 20 verbunden. In der Leitung 40 kann
ein Druckminderventil 42 vorgesehen sein.
-
An
dem Druckluftbehälter 30 ist
ein Druckschalter 44 vorhanden, der im Zusammenwirken mit einem
Ventil 46 in der zu dem Druckluftbehälter 30 führenden
Leitung 48 dafür
sorgt, dass die in dem Druckluftbehälter 30 vorhandene
Luft unter einem Druck steht, der sich zwischen einer vorbestimmten Obergrenze
und einer vorbestimmten Untergrenze befindet.
-
In
der Zweigleitung 40a zu dem Brenngasverteiler 18 befindet
sich ein Magnetventil 50. In der Zweigleitung 40b zu
dem Luftverteiler 20 befindet sich ein Magnetventil 52.
-
Anhand
von 4 wird nunmehr genauer beschrieben, wie ein Membran-Trenner aufgebaut
ist und arbeitet. Hunderte bis mehrere tausend dünne Röhrchen mit z. B. rundem Querschnitt
aus geeignetem Kunststoffmaterial sind parallel zueinander in Längsrichtung
des Membran-Trenners 54 positioniert. Die Röhrchen 56 erstrecken
sich von einem ersten Boden 58 in linken Endbereich des
Membran-Trenners 54 zu einem zweiten Boden 60 im
rechten Endbereich des Membran-Trenners 54, wobei jedes
Röhrchen 56 jeden
Boden 58 und 60 in einer Bohrung für ein kurzes
Stück durchsetzt
und in der Bohrung abgedichtet ist. Dies geschieht normalerweise
durch Vergießen
der Hohlfasermembranen mit dem noch flüssigen ”Bodenmaterial”; nach
dem Aushärten
des Bodenmaterials sind die Hohlfasern mechanisch fest und gasdicht
in dem Boden verankert. Zwischen der linken Endwand 62 und
dem ersten Boden 58 befindet sich ein Eintritts-Luftverteilungsraum 64.
Zwischen dem zweiten Boden 60 und der rechten Endwand 66 des
Membran-Trenners 54 befindet sich ein Sammelraum 68 für Sauerstoff-reduziertes
Gas, das die Röhrchen 56 an
deren rechtem Ende verlässt.
Der Luftverteilungsraum 64 ist an eine Eintrittsleitung 70 angeschlossen,
der Sammelraum 68 ist an eine Austrittsleitung 72 angeschlossen.
Derjenige Teil des Raums zwischen dem ersten Boden 58 und dem
zweiten Boden 60, der nicht von den Röhrchen 56 eingenommen
wird (sich also zwischen den Röhrchen 56 befindet),
ist an eine Austrittsleitung 74 für mit Sauerstoff angereicherte
Luft angeschlossen.
-
Das
Material der Röhrchen 56 lässt Sauerstoff
(und andere ”schnelle
Gase”)
wesentlich leichter passieren als Stickstoff (und wenige andere ”langsame
Gase”).
Die ”Verweilzeit” der links
zuströmenden Luft
im Membran-Trenner (d. h. die Zeit, die ein Luftquantum durchschnittlich
benötigt,
um vom Eintritt in die Röhrchen 56 zum
Austritt aus den Röhrchen 56 zu
gelangen) wird so abgestimmt, dass das aus den Röhrchen 56 austretende,
dann im Sammelraum 68 befindliche Gas nur noch relativ
geringe Restmengen an Sauerstoff enthält; im allgemeinen Teil der
Beschreibung waren bevorzugte Grenzen von 5 Vol-%, stärker bevorzugt
4,5 Vol-%, noch stärker
bevorzugt 4 Vol-% genannt worden.
-
Es
gibt auch andere Bauarten von Membran-Trennern, insbesondere mit
selektiv durchlässiger
Membran nicht in der Form von Röhrchen-Wänden.
-
Mit
dem in 1 eingezeichneten Nadelventil 34 kann
man die Menge an Sauerstoff-reduziertem Gas einstellen, die pro
Zeiteinheit durch die Leitung 32 zu dem Pufferspeicher 38 strömt, wodurch
man auch die angesprochene Verweilzeit im Membran-Trenner 54 einstellen
kann. Der im Membran-Trenner 54 herrschende, leichte Überdruck
von typischerweise 2 bis 15 bar beschleunigt die Gastrennung im
Membran-Trenner 54.
-
Anhand
von 5 wird nunmehr beschrieben wie ein Adsorptions-Trenner 76 aufgebaut
ist und arbeitet. Der Adsorptions-Trenner 56 wird im wesentlichen
von einem Behälter
gebildet, der einen gewissen Überdruck
aushalten kann. Der Innenraum des Behälters ist größtenteils
von in sich porösen Pellets 78 gefüllt, die
aus einem Material bestehen, welches Sauerstoff viel stärker adsorbiert
als Stickstoff. Der Adsorptions-Trenner 76 wird in Zyklen
betrieben.
-
Zu
Beginn eines Zyklus wird ein Zuströmventil 80 in einer
Zuströmleitung
geöffnet
und der Innenraum des Adsorptions-Trenners 76 mit Druckluft
unter typischerweise mehr als 5 bar Überdruck gefüllt. Nach
einer gewissen Wartezeit, in der praktisch sämtlicher Sauerstoff an die
Pallets 78 adsorbiert wird, wird ein Abströmventil 82 in
einer Abströmleitung 84,
die zu dem Pufferspeicher 38 von 1 führt, geöffnet. Zunächst wird
ein Gas ausströmen, welches
praktisch keinen Sauerstoff enthält.
Im weiteren Verlauf des Abströmens
wird dann aber ein geringer und im Laufe der Zeit weiter ansteigender
Sauerstoffanteil in dem abströmenden
Gas enthalten sein, weil mit abnehmenden Druck Sauerstoff von den
Pellets 78 desorbiert. Ab einer bestimmten, sinnvoll gewählten Grenze
des Sauerstoffgehalts wird das Abströmventil 82 geschlossen
und statt dessen ein anderes Abströmventil 86, welches
z. B. den Weg zur Umgebung frei macht, geöffnet. Das weitere Abströmventil 86 bleibt
so lange geöffnet,
bis im Behälter
Umgebungsdruck erreicht ist und praktisch sämtlicher Sauerstoff von den
Pellets 78 desorbiert ist. Ggf. kann man auch durch Öffnen des
Zuströmventils 80 den
Innenraum des Behälters
spülen.
Dann wird das weitere Abströmventil 86 geschlossen,
und der nächste
Zyklus kann beginnen.
-
In
der technischen Praxis wird man mehrere, parallel geschaltete Adsorptionstrenner 76 verwenden,
damit der Strom von Sauerstoff-reduziertem Gas in Pufferspeicher 38 etwas
besser vergleichmäßigt wird.
-
Zurückgehend
auf 1 wird betont, dass der Sauerstoffabtrenner 10 bzw.
der vorgeschaltete Druckluftbehälter 30 nicht
unbedingt von dem Luftkompressor 8 gespeist werden muss,
dessen Hauptaufgabe ja die Versorgung des Brennstoffzellenstapels 4 mit
Luft ist. Man kann auch irgendeinem anderen, vorhandenen Luftkompressor
die Zusatzaufgabe der Lieferung von Druckluft für den Sauerstoffabtrenner 10 geben,
z. B. dem Kompressor des Fahrzeugs 12 zur Erzeugung von
Druckluft für
das Bremssystem des Fahrzeugs 12. Eine weitere, ebenfalls
bevorzugte Möglichkeit
besteht darin, für
den Sauerstoffabtrenner einen eigenen Luftkompressor 88 vorzusehen,
wie in gestrichelten Linien in 1 eingezeichnet.
Der eigene Luftkompressor 88 kann mit nachgeschaltetem
Druckluftbehälter 30 oder
ohne nachgeschaltetem Druckluftbehälter 30 ausgelegt
sein und liefert typischerweise Druckluft mit einem Überdruck von
3 bis 7 bar.
-
Bezug
nehmend auf 3 wird der Aufbau einer typischen
Brennstoffzelle 22 erläutert.
Oben in 3 sieht man eine Bipolarplatte 28.
Deren untere Hälfte
bildet eine Anodenplatte für
die gezeichnete Brennstoffzelle 22, wohingegen deren obere
Hälfte eine
Kathodenplatte für
die oben anschließende,
ansonsten nicht eingezeichnete Nachbar-Brennstoffzelle bildet. In
der unteren Seite der Bipolarplatte 28 befindet sich ein
vertieftes Strömungskanalmuster (”flow field”), durch
welches sich das Brenngas ausgehend von dem Brenngasverteiler 18 über die
Bipolarplatte 28 ausbreitet.
-
Unten
anschließend
an die Bipolarplatte 28 befindet sich eine Gasdiffusionsanode 90,
die der Verteilung des Brenngases aus den anodenseitigen Kanälen der
Bipolarplatte 28 zu der gesamten Fläche einer anschließenden Polymerelektrolythmembran 92 dient.
-
Auf
der anderen Flachseite der Polymerelektrolythmembran 92 schließt sich
eine Gasdiffusionskathode 94 an. Dann folgt die nächste Bipolarplatte 28', deren in 3 obere
Hälfte
eine Kathodenplatte der Brennstoffzelle 22 mit vertieftem
Strömungsverteilungsmuster
für die
Luft aus dem Luftverteiler 20 bildet.
-
In
der Grenzfläche
zwischen der Gasdiffusionsanode 90 und der Membran 92 befindet
sich ein Katalysator in feiner Verteilung. In der Grenzfläche zwischen
der Membran 92 und der Gasdiffusionskathode 94 befindet
sich ein fein verteilter Katalysator.
-
An
der Gasdiffusionsanode 90 wird der anstehende Wasserstoff
zu Protonen und Elektronen zersetzt. Die Protonen wandern durch
die Membran 92 zur Gasdiffusionskathode 94, wo
sie mit Sauerstoff aus der Luft zu Wasser reagieren. Es bildet sich eine
elektrische Spannung zwischen der unteren Bipolarplatte 28' und der oberen
Bipolarplatte 28. Die einzelnen Brennstoffzellen 22 sind
elektrisch in Reihe geschaltet, so dass sich über den gesamten Brennstoffzellenstapel 4 elektrische
Spannung in sinnvoll nutzbarer Größe ergibt.
-
Die
vertieften Kanäle
an der Unterseite der oberen Bipolarplatte 28, zusammen
mit den Porositätsräumen in
der Gasdiffusionsanode 90, bilden den Anodenraum 24 der
Brennstoffzelle 22. Die vertieften Kanäle an der Oberseite der unteren
Polarplatte 28', zusammen
mit den Porositätsräumen in
der Gasdiffusionskathode 94, bilden den Kathodenraum 26 der Brennstoffzelle 22.
-
Die
Zufuhr von Sauerstoff-reduziertem Gas in den Anodenraum 24 und/oder
in den Kathodenraum 26 bewirkt ein gefahrloses Herausspülen von Rest-Brenngas
und ein Auffüllen
von Anodenraum 24 bzw. Kathodenraum 26 mit einem
Inertgas, so dass es beim Stoppen und/oder beim Starten des Brennstoffzellensystems
nicht zu der am Anfang der Beschreibung geschilderten Entstehung
von schädlich hohen
Potentialen in den einzelnen Brennstoffzellen 22 kommt.