DE102008050846A1

DE102008050846A1 - Brennstoffzelleneinrichtung mit zumindest einer Brennstoffzelle und Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzelleneinrichtung

Info

Publication number: DE102008050846A1
Application number: DE102008050846A
Authority: DE
Inventors: Hans-Jörg Dr. rer. nat. Heidrich; Simon Dipl.-Ing. Hollnaicher; Gerald Dipl.-Ing. Hornburg
Original assignee: Daimler AG; Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2008-10-08
Filing date: 2008-10-08
Publication date: 2010-04-15
Also published as: WO2010040513A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzelleneinrichtung mit zumindest einer Brennstoffzelle (2) und einer Vorrichtung (3) zum Zuführen eines Reaktionsmediums zur und zum Abführen von Abführmedium von der Brennstoffzelle (2), und einem Befeuchter (6), welcher mit der Vorrichtung (3) und der Brennstoffzelle (2) verbunden ist, wobei die Vorrichtung (3) eine Umgehungsleitung (7, 13) aufweist, welche in Strömungsrichtung eines der Medien vor dem Befeuchter (6) von einer Hauptleitung (4, 12) der Vorrichtung (3) abzweigt, und ein passiv arbeitendes Ventil (10) in der Umgebungsleitung (7, 13) und/oder ein passiv arbeitendes Ventil (10) in der Hauptleitung (4, 12) angeordnet ist. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzelleneinrichtung.

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzelleneinrichtung mit zumindest einer Brennstoffzelle und einer Vorrichtung zum Zuführen eines Reaktionsmediums zur und zum Abführen von Abführmedium von der Brennstoffzelle, sowie einem Befeuchter, welcher mit der Vorrichtung und der Brennstoffzelle verbunden ist. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzelleneinrichtung mit zumindest einer Brennstoffzelle.
Aus der US 6,884,534 B2 ist ein Brennstoffzellensystem bekannt, bei dem einem Brennstoffzellenstapel ein Reaktionsmedium zugeführt wird, wobei dazu ein Kompressor vorgesehen ist, welcher stromauf der Brennstoffzelle angeordnet ist. Darüber hinaus ist ein Befeuchter stromauf der Brennstoffzelle angeordnet, wobei auch eine Umgehungsleitung um den Befeuchter herum geführt ist, in welcher ein aktiv elektronisch gesteuertes Ventil angeordnet ist.
Darüber hinaus ist aus der DE 101 10 419 A1 ein Brennstoffzellensystem bekannt, welches ebenfalls eine Brennstoffzelle sowie einen Befeuchter umfasst. Von einer von der Brennstoffzelle wegführenden Abführleitung, welche durch den Befeuchter verläuft, zweigt stromabwärts des Befeuchters ein Bypass ab, in welchem ein Rückschlagventil angeordnet ist. Diese als Rückführeinrichtung ausgebildete Bypassvorrichtung kann entweder zwischen dem Befeuchter und der Brennstoffzelle in eine Zuführleitung zum Zuführen von Reaktionsmedium zur Brennstoffzelle einmünden oder kann zwischen dem Befeuchter und der Brennstoffzelle in die Abführleitung rückgeführt werden. In allen Ausführungen ist daher vorgesehen, dass das von der Brennstoffzelle abgeführte Medium zunächst in unveränderter Weise durch den Befeuchter gelangt und erst danach abgezweigt wird. Eine spezifische Befeuchtung bzw. eine Ausgestaltung, in welchem Maß und mit welcher Feuchte Medium durch den Befeuchter strömt, kann dadurch nicht oder nur sehr unzureichend erfolgen.
Darüber hinaus sind aktiv gesteuerte Ventile, wie sie aus dem erstgenannten Stand der Technik bekannt sind, sehr aufwendig und fehleranfällig und es werden aufwendige Regelkreise benötigt. Daher ist auch die Ausfallwahrscheinlichkeit sehr hoch und die Funktionsfähigkeit eingeschränkt.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Brennstoffzelleneinrichtung sowie ein Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzelleneinrichtung zu schaffen, bei der bzw. bei dem die Funktionsweise zur Steuerung der Befeuchtung der Brennstoffzelle robuster und mit geringerem Aufwand ausgebildet ist. Darüber hinaus soll die betriebszustandsabhängige Befeuchtung von zugeführtem Medium zur Brennstoffzelle präziser und bedarfsgerechter ermöglicht werden.
Diese Aufgaben werden durch eine Brennstoffzelleneinrichtung, welche die Merkmale nach Anspruch 1 aufweist, und ein Verfahren, welches die Merkmale nach Anspruch 15 aufweist, gelöst.
Eine erfindungsgemäße Brennstoffzelleneinrichtung umfasst zumindest eine Brennstoffzelle und eine Vorrichtung zum Zuführen eines Reaktionsmediums zur Brennstoffzelle und zum Abführen von Abführmedium von der Brennstoffzelle. Des Weiteren umfasst die Brennstoffzelleneinrichtung einen Befeuchter, welcher mit der Vorrichtung und der Brennstoffzelle verbunden ist. Mittels dieses Befeuchters wird das Reaktionsmedium und/oder das Abführmedium befeuchtet. Die Vorrichtung umfasst darüber hinaus eine Umgehungsleitung, welche in Strömungsrichtung eines der Medien vor dem Befeuchter von einer Hauptleitung der Vorrichtung abzweigt, wobei ein passiv arbeitendes Ventil in der Umgehungsleitung und/oder ein passiv arbeitendes Ventil in der Hauptleitung angeordnet ist. Durch eine derartige Ausgestaltung einer Brennstoffzelleneinrichtung kann eine bedarfsgerechtere Einstellung des Feuchtegrads eines der Medien, insbesondere des der Brennstoffzelle zugeführten Reaktionsmediums, erreicht werden. Darüber hinaus ist es nicht mehr erforderlich, aufwendig zu steuernde aktive Ventile zu verwenden, wodurch auch die Robustheit des Brennstoffzellensystems im Hinblick auf die korrekte Einstellung des Feuchtegrads verbessert werden kann. Diesbezüglich können somit die Fehleranfälligkeit bei der Feuchteeinstellung und die Ausfallwahrscheinlichkeit reduziert werden.
Diesbezüglich weist darüber hinaus die Vorrichtung eine Umgehungsleitung oder einen Bypass auf, welcher in Strömungsrichtung eines der Medien vor dem Befeuchter von einer Hauptleitung abzweigt. Diesbezüglich ist somit diese Umgehungsleitung so konzipiert, dass das Medium nicht wie aus dem bekannten Stand der Technik rückgeführt wird, wie es dort durch Abzweigung einer Bypassleitung nach dem Befeuchter von der Hauptleitung erfolgt, sondern es soll quasi eine Möglichkeit geschaffen werden, mit der der Befeuchter umgangen werden kann, so dass sogar in einem Extremfall gar kein Medium mehr durch den Befeuchter über diese zugeordnete Hauptleitung, mit der die Umgehungsleitung verbunden ist, geleitet wird. Prinzipiell haben somit diese Ausgestaltung einer Umgehungsleitung und der Verwendungszweck funktionell eine ganz andere Ausrichtung, als dies im Stand der Technik vorgesehen ist.
Die Umgehungsleitung ist so angeordnet und ausgebildet, dass Medium zur oder von der Brennstoffzelle vor dem Befeuchter zumindest anteilig abgezweigt wird und am Befeuchter vorbeigeleitet wird, ohne dass es vorher (oder nachher) durch den Befeuchter geleitet ist. Nur dadurch kann eine Feuchteeinstellung, insbesondere eine Feuchtereduzierung, erreicht werden. Im Stand der Technik ist dies nicht möglich, da immer zuerst durch den Befeuchter geleitet wird, also immer befeuchtet wird, und dann eine Rückführung erfolgt.
Insbesondere ist vorgesehen, dass die Brennstoffzelleneinrichtung einen Brennstoffzellenstapel mit einer Mehrzahl von Brennstoffzellen aufweist. Vorzugsweise ist eine Brennstoffzelle als PEM(proton exchange membrane)-Brennstoffzelle konzipiert. Insbesondere ist die Brennstoffzelleneinrichtung als mobiles Brennstoffzellensystem ausgebildet, und kann insbesondere in einem Fahrzeug, vorzugsweise einem Kraftfahrzeug, angeordnet sein.
Gerade zum Betrieb von PEM-Brennstoffzellen ist es erforderlich, die der Brennstoffzelle zugeführte Luft bzw. das Oxidationsmittel durch einen Befeuchter zu befeuchten. Allerdings darf der erforderliche Feuchtegehalt der der Brennstoffzelle zugeführten Luft für eine optimale Betriebsweise des Brennstoffzellenstapels nicht immer konstant sein, sondern er muss in Abhängigkeit des Betriebszustandes veränderlich sein. Dies kann beispielsweise in Abhängigkeit der Höhe der Stromlast, beispielsweise einer Teillast oder einer Volllast, oder in Abhängigkeit von spezifischen weiteren Betriebsphasen, wie beispielsweise einem Start-up oder einem Shut-down, der Brennstoffzelleneinrichtung durchgeführt werden.
Gerade durch diese spezifische Ausgestaltung und Anordnung der Umgehungsleitung sowie insbesondere durch die Verwendung von zumindest einem passiv arbeitenden Ventil kann gerade diesem Erfordernis in besonders zuverlässiger und dennoch aufwandsarmer Weise Genüge getan werden.
Unter einem passiv arbeitenden Ventil wird ein derartiges verstanden, welches nicht elektronisch gesteuert wird, sondern welches durch die Fluidströmung bzw. die Mediumströmung selbst gesteuert wird. Ein Öffnen und Schließen dieses Ventils erfolgt somit in Abhängigkeit von der Fluidströmung, insbesondere dem Druck der Fluidströmung.
Insbesondere ist das passiv arbeitende Ventil ein passiv arbeitendes Rückschlagventil. Dies ist eine besonders robuste Ausgestaltung, welche darüber hinaus auch relativ kostengünstig realisiert werden kann.
Darüber hinaus ermöglicht eine derartige Ausgestaltung die Verwendung bei unterschiedlichsten Umgebungsbedingungen, was gerade bei dem Einsatz eines Brennstoffzellensystems in einem Fahrzeug an unterschiedlichsten Orten und unter unterschiedlichsten Umgebungsbedingungen, wie beispielsweise Temperatur und Witterung, zuverlässig funktioniert.
Vorzugsweise ist das passiv arbeitende System so ausgebildet, dass es bei einer Druckverlustschwelle zwischen 10 mbar und 200 mbar, vorzugsweise zwischen 100 mbar und 200 mbar, insbesondere bei 150 mbar, automatisch öffnet. Gerade bei derartigen Drücken ist es bei der Verwendung von einer Brennstoffzelleneinrichtung in einem Fahrzeug besonders vorteilhaft, die betriebsphasenspezifische Einstellung eines Feuchtegehalts in Kombination mit der Umgehungsleitung und der Anordnung des passiv arbeitenden Ventils in der Umgehungsleitung und/oder der Hauptleitung präzise ermöglichen zu können.
Vorzugsweise ist in der Umgehungsleitung das passiv arbeitende Ventil angeordnet und in der Hauptleitung ist ein aktiv arbeitendes Ventil, insbesondere ein elektronisch gesteuertes Absperrventil, angeordnet. Bei einer derartigen Ausgestaltung ist somit einerseits in der Umgehungsleitung, andererseits in der Hauptleitung jeweils zumindest ein Ventil angeordnet, wobei diese Ventile im Hinblick auf ihre funktionelle Ausgestaltung und ihre Arbeitsweise unterschiedlich ausgelegt sind.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass das aktiv arbeitende Ventil in der Hauptleitung nach der Abzweigung der Umgehungsleitung von der Hauptleitung und vor dem Befeuchter angeordnet ist.
Durch diese Ausgestaltung kann in spezifischen Betriebsphasen erreicht werden, dass der Weg durch den Befeuchter über die Hauptleitung vollständig abgesperrt ist und somit grundsätzlich überhaupt kein Medium mehr durch den Befeuchter gelangen kann. Dies ist dann besonders vorteilhaft, wenn eine völlig trockene Luft bzw. ein völlig trockenes Medium für die Brennstoffzelle erforderlich ist. Dadurch kann ein Auskondensieren von Wasser in dem Medium verhindert werden, wodurch auch bei tiefen Umgebungstemperaturen ein Einfrieren von derartigem Wasser in der Brennstoffzelle verhindert werden kann. Gerade bei dem Start-up-Szenario oder dem Shut-down-Szenario der Brennstoffzelleneinrichtung ist dies besonders vorteilhaft, da dann nur noch äußerst trockenes Medium, insbesondere äußerst trockene Luft, durch die Brennstoffzelle geleitet wird.
Das Rückschlagventil kann eine Membran und/oder eine Feder aufweisen.
Insbesondere ist vorgesehen, dass die Brennstoffzelleneinrichtung darüber hinaus noch eine Fördereinrichtung aufweist, mittels welcher das Reaktionsmedium und/oder das Abführmedium in einen Strömungszustand versetzt werden kann. Vorzugsweise ist diese Fördereinrichtung als Gebläse oder Kompressor ausgebildet, welcher stromauf der Brennstoffzelle angeordnet ist.
Mit zunehmendem Mediumstrom, insbesondere zunehmendem Gasstrom, von dieser Fördereinrichtung steigt der Druckverlust über den Befeuchter an. Ab einer bestimmten Druckverlustschwelle, die beispielsweise bei 150 mbar liegen kann, öffnet das passiv arbeitende Ventil automatisch, so dass Gas um den Befeuchter herum durch den Bypass bzw. die Umgehungsleitung geleitet wird. Zusätzlich kann ein normales Absperrventil in Form eines aktiv arbeitenden Ventils in der Hauptleitung von der Fördereinrichtung zum Befeuchter stromabwärts der Abzweigung der Umgehungsleitung von der Hauptleitung angeordnet sein. Insbesondere ist in einem Normalbetrieb der Brennstoffzelleneinrichtung dieses aktiv arbeitende Ventil geöffnet, so dass das Reaktionsmedium, insbesondere das Oxidationsmittel, durch den Befeuchter gelangt und somit befeuchtet wird. Gerade in den bereits genannten spezifischen Betriebsphasen des Start-ups und des Shut-downs muss die Feuchte des durch die Brennstoffzelle geleiteten Mediums geringer sein als in diesem genannten Normalbetrieb, um ein Auskondensieren oder Einfrieren von Wasser in der Brennstoffzelle verhindern zu können. Vorzugsweise wird gerade in diesen Fällen das aktiv arbeitende Ventil dann vollständig geschlossen. Die Mediumströmung strömt nun vollständig durch die Umgehungsleitung mit dem passiv arbeitenden Ventil, das nach kurzem Druckanstieg automatisch öffnet. Dadurch strömt sehr trockene Luft in die Brennstoffzelle und ein Auskondensieren oder Einfrieren von Wasser in der Brennstoffzelle wird verhindert.
In einer weiteren Ausführung kann auch vorgesehen sein, dass das passiv arbeitende Ventil in der Hauptleitung angeordnet ist und die Umgehungsleitung ventilfrei ausgebildet ist. Dies bedeutet, dass in der Umgehungsleitung zumindest kein passiv arbeitendes Ventil angeordnet ist, insbesondere grundsätzlich kein Ventil angeordnet ist.
Vorzugsweise ist das aktiv arbeitende Ventil in der Hauptleitung nach der Abzweigung der Umgehungsleitung von der Hauptleitung und vor dem Befeuchter angeordnet.
Auch bei dieser Ausgestaltung kann das vorzugsweise als passiv arbeitendes Rückschlagventil ausgebildete Ventil eine Membran und/oder eine Feder umfassen. Auch hier ist vorgesehen, dass ab einer bestimmten Druckverlustschwelle (beispielsweise ab 10 mbar, vorzugsweise ab 150 mbar) dieses Rückschlagventil automatisch öffnet, so dass Gas durch den Befeuchter geleitet wird. Die Gasmengen, die durch den Befeuchter und durch den Bypass bzw. die Umgehungsleitung strömen, hängen dabei von den jeweiligen Druckverlusten des Befeuchters und der Umgehungsleitung ab. Unterhalb der genannten Druckverlustschwelle, d. h. bei kleineren Strömungsgeschwindigkeiten, wird das der Brennstoffzelle zugeführte Medium vollständig um den Befeuchter herum durch die Umgehungsleitung geleitet. Dies ist insbesondere der Fall bei dem genannten Start-up-Szenario oder bei dem Shut-down-Szenario, bei dem die Brennstoffzelle mit geringerer Leistung und damit geringerer Luftmenge betrieben wird.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass zusätzlich in der Umgehungsleitung eine Druckverlusteinstelleinrichtung, beispielsweise in Form einer Drosselklappe oder einer Blende oder eines weiteren Ventils, angeordnet ist. Dadurch können die jeweiligen Luftstrommengen durch die Umgehungsleitung und durch den Befeuchter den gegebenen Druckverlusten des Befeuchters besser angepasst werden.
Vorzugsweise ist bei diesen genannten Ausführungen die Hauptleitung eine zur Kathode der Brennstoffzelle führende Zuführleitung.
Insbesondere ist vorgesehen, dass die Umgehungsleitung nach dem Befeuchter in die Hauptleitung wieder einmündet.
Es kann auch vorgesehen sein, dass die Hauptleitung eine Abführleitung zum Abführen von Abgas von der Brennstoffzelle ist. Insbesondere ist vorgesehen, dass die Vorrichtung zum Zuführen eines Reaktionsmediums zur und zum Abführen von Abführmedium von der Brennstoffzelle sowohl eine Zuführleitung als auch eine Abführleitung aufweist.
Auch dann, wenn die Hauptleitung eine Abführleitung zum Abführen von Abgas von der Brennstoffzelle ist, kann die entsprechende Anordnung des passiv arbeitenden Ventils in der Umgehungsleitung und/oder die Anordnung eines aktiv arbeitenden Ventils in der Hauptleitung vorgesehen sein. Ebenso kann auch hier eine Ausgestaltung vorgesehen sein, bei der die Umgehungsleitung ventilfrei ausgebildet ist und das passiv arbeitende Ventil in der Hauptleitung zwischen dem Befeuchter und der Abzweigung der Umgehungsleitung von der Hauptleitung angeordnet ist.
Alternativ zu den Ausführungen, bei denen die Hauptleitung die Zuluftleitung darstellt, kann somit auch eine Umgehungsleitung um die Abluftseite des Befeuchters herum angeordnet sein.
Besonders vorteilhaft ist bei den Ausführungen, bei denen die Hauptleitung die Zuführleitung zum Zuführen eines Reaktionsmediums zur Brennstoffzelle ist, und die Umgehungsleitung von dieser Zuführleitung abzweigt, eine vorteilhafte Ventilanordnung diesbezüglich vorgesehen, da dann die Ventile vorteilhaft im trockenen Zuluftstrom der Brennstoffzelle angeordnet sind, so dass auch dadurch eine Korrosion der Ventile oder ein Einfrieren der Ventile zumindest deutlich reduziert werden kann.
Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzelleneinrichtung mit zumindest einer Brennstoffzelle und einer Vorrichtung, mit welcher ein Reaktionsmedium zur Brennstoffzelle zugeführt und ein Abführmedium von der Brennstoffzelle abgeführt und das Reaktionsmedium und/oder das Abführmedium durch einen Befeuchter geführt wird, welcher mit einer Hauptleitung der Vorrichtung verbunden ist, wobei die Vorrichtung eine Umgehungsleitung aufweist, welche in Strömungsrichtung eines Mediums vor dem Befeuchter von einer Hauptleitung der Vorrichtung abgezweigt wird, und ein passiv arbeitendes Ventil in der Umgehungsleitung und/oder ein passiv arbeitendes Ventil in der Hauptleitung angeordnet wird, wird dieses passiv arbeitende Ventil abhängig von einem Übersteigen einer Druckverlustschwelle am Befeuchter und/oder am Ventil selbst geöffnet. Durch diese Vorgehensweise kann eine wesentlich bedarfsgerechtere und präzisere Einstellung des Feuchtegrads der durch die Brennstoffzelle geleiteten Medien erreicht werden, wobei dies durch wesentlich robustere, weniger aufwendige Komponenten, insbesondere durch das passiv arbeitende Ventil, gewährleistet werden kann.
Vorteilhafte Ausführungen der erfindungsgemäßen Brennstoffzelleneinrichtung sind als vorteilhafte Ausführungen des erfindungsgemäßen Verfahrens anzusehen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert.
Dabei zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Brennstoffzelleneinrichtung;
2 ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Brennstoffzelleneinrichtung;
3 ein drittes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Brennstoffzelleneinrichtung; und
4 ein viertes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Brennstoffzelleneinrichtung.
In den Figuren werden gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
In den nachfolgenden Figuren sind lediglich die für die Erläuterung der Erfindung ausreichenden Komponenten einer Brennstoffzelleneinrichtung gezeigt. Selbstverständlich umfasst eine Brennstoffzelleneinrichtung auch darüber hinausgehende Komponenten, welche hier jedoch nicht im Vordergrund stehen und daher im Weiteren auch nicht gezeigt oder erläutert sind.
In 1 ist ein erstes Ausführungsbeispiel einer Brennstoffzelleneinrichtung 1 gezeigt, welche als mobile Brennstoffzelleneinrichtung ausgebildet ist und in einem Fahrzeug angeordnet sein kann. Die Brennstoffzelleneinrichtung 1 umfasst zumindest eine Brennstoffzelle 2, welche als PEM-Brennstoffzelle ausgebildet ist. Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Brennstoffzelleneinrichtung 1 einen Brennstoffzellenstapel mit einer Mehrzahl derartiger Brennstoffzellen 2 aufweist.
Die Brennstoffzelleneinrichtung 1 umfasst darüber hinaus eine Vorrichtung 3 zum Zuführen eines Reaktionsmediums, insbesondere eines Oxidationsmittels, zur Brennstoffzelle 2, insbesondere zu dem Kathodenraum. Das Oxidationsmittel ist vorzugsweise Sauerstoff oder ein sauerstoffhaltiges Gas.
Die Vorrichtung 3 umfasst ein Leitungssystem mit einer Hauptleitung 4, welche mit einem Kompressor 5 verbunden ist. Darüber hinaus ist die Hauptleitung 4 mit der Brennstoffzelle 2, insbesondere dem Kathodenraum der Brennstoffzelle 2, verbunden. Des Weiteren ist die Hauptleitung 4 mit einem Befeuchter 6 verbunden, welcher zum Befeuchten der der Brennstoffzelle 2 zugeführten Medien, im Ausführungsbeispiel gemäß 1 insbesondere des Oxidationsmittels, ausgebildet ist. Diesbezüglich ist bei der Ausführung gemäß 1 die Hauptleitung 4 mit dem Zuluftbereich des Befeuchters 6 zur Zuführung des Oxidationsmittels zur Brennstoffzelle 2 verbunden.
Die Vorrichtung 3 umfasst darüber hinaus eine Umgehungsleitung 7, welche an einer Abzweigung 8 von der Hauptleitung 4 abzweigt und an einer Einmündung 9 in die Hauptleitung 4 einmündet. Die Abzweigung 8 ist zwischen dem Kompressor 5 und dem Befeuchter 6 ausgebildet, wobei die Einmündung 9 zwischen dem Befeuchter 6 und der Brennstoffzelle 2 ausgebildet ist. Darüber hinaus umfasst die Brennstoffzelleneinrichtung 1 ein passiv arbeitendes Ventil, welches in der gezeigten Ausführung als passiv arbeitendes Rückschlagventil 10 realisiert ist. Dieses passiv arbeitende Rückschlagventil 10 ist in der Umgehungsleitung 7 angeordnet. Das passiv arbeitende Rückschlagventil 10 weist vorzugsweise eine Membran und/oder eine Feder auf. Darüber hinaus ist es so ausgestaltet, dass es bei einer Druckverlustschwelle zwischen 10 mbar und 200 mbar, vorzugsweise zwischen 100 mbar und 200 mbar, insbesondere bei 150 mbar, automatisch öffnet. Das passiv arbeitende Rückschlagventil 10 wird somit nicht elektronisch gesteuert oder geregelt, sondern wird lediglich durch die Fluidströmung quasi gesteuert. Das Öffnen und Schließen hängt somit lediglich von der Fluidströmung bzw. dem durch die Fluidströmung erzeugten Druck ab.
Die Hauptleitung 4 ist in der gezeigten Ausführung eine Zuführleitung zum Zuführen eines Oxidationsmittels zur Brennstoffzelle 2, wobei die Hauptleitung 4 in dieser Ausführung mit dem Zuluftbereich des Befeuchters 6 gekoppelt ist.
Darüber hinaus ist die Hauptleitung 4 mit einem aktiv arbeitenden Ventil 11 verbunden, welches als Absperrventil ausgebildet ist. Das aktiv arbeitende Ventil 11 ist in der Hauptleitung 4 nach der Abzweigung 8 und vor dem Befeuchter 6 angeordnet.
Die Vorrichtung 3 ist so ausgebildet, dass das von dem Kompressor 5 mit einer Strömungsgeschwindigkeit beaufschlagte Oxidationsmittel in der Hauptleitung 4 und/oder in der Umgehungsleitung 7 strömt. Dazu ist die Umgehungsleitung 7 so ausgeführt, dass abhängig von einem Betriebszustand der Brennstoffzelleneinrichtung 1 zumindest ein gewisser Anteil dieses Oxidationsmittels über die Umgehungsleitung 7 um den Befeuchter 6 herum geleitet wird, wobei diesbezüglich die Ventile 10 und 11 entsprechend eingestellt werden.
Bei der oben genannten Druckverlustschwelle öffnet das passiv arbeitende Rückschlagventil 10 automatisch, so dass Oxidationsmittel um den Befeuchter 6 herum durch die Umgehungsleitung 7 geleitet wird. Insbesondere in Betriebsphasen, bei denen die Brennstoffzelleneinrichtung 1 hochgefahren wird (Start-up-Phase), oder in einer Phase, in der die Brennstoffzelleneinrichtung 1 heruntergefahren wird (Shut-down-Phase), muss die Feuchte der der Brennstoffzelle 2 zugeführten Medien geringer als in einem Normalbetrieb sein, um ein Auskondensieren oder Einfrieren von Wasser in der Brennstoffzelle 2 verhindern zu können. In diesen Fällen wird das aktiv arbeitende Ventil 11 entsprechend angesteuert geschlossen. Das Oxidationsmittel strömt nun ausschließlich und vollständig durch die Umgehungsleitung 7 und somit um den Befeuchter 6 herum und wird an der Einmündung 9 wieder in die Hauptleitung 4 vor der Brennstoffzelle 2 eingeleitet.
Zusätzlich zu der in 1 gezeigten Hauptleitung 4, welche dort als Zuführleitung zum Zuführen eines Reaktionsmediums zur Brennstoffzelle 2 ausgebildet ist, kann die Vorrichtung 3 auch eine Abführleitung zum Abführen eines von der Brennstoffzelle 2 abgegebenen Mediums, insbesondere Abgas, aufweisen. Diese Abführleitung ist dann vorzugsweise auch von der Brennstoffzelle 2 kommend durch den Befeuchter 6, insbesondere dessen Abluftseite, geführt.
In 2 wird ein weiteres Ausführungsbeispiel gezeigt, bei dem im Unterschied zur Ausgestaltung in 1 die Umgehungsleitung 7 vollständig ventilfrei ausgebildet ist. Dies bedeutet, dass in der Umgehungsleitung 7 kein Ventil, insbesondere kein passiv arbeitendes Ventil 10, angeordnet ist. Bei dieser Ausgestaltung in 2 ist demgegenüber vorgesehen, dass ein passiv arbeitendes Ventil 10 in der Hauptleitung 4 angeordnet ist. Insbesondere ist dabei vorgesehen, dass dieses passiv arbeitende Ventil 10 in der Hauptleitung 4, welche in der gezeigten Ausführung ebenfalls die Zuführleitung zum Zuführen eines Oxidationsmittels zur Brennstoffzelle 2 ist, zwischen der Abzweigung 8 und dem Befeuchter 6 angeordnet ist.
Bei beiden Ausführungen gemäß 1 und 2 kann zusätzlich vorgesehen sein, dass in der Umgehungsleitung 7 eine Einrichtung zum Einstellen eines Druckverlusts am Befeuchter 6 vorgesehen ist. Diese Einrichtung kann eine Drosselklappe oder eine Blende oder ein weiteres Ventil umfassen. Durch diese zusätzliche Einrichtung können die jeweiligen Luftstrommengen durch die Umgehungsleitung 7 und den Befeuchter 6 den gegebenen Druckverlusten des Befeuchters 6 besser angepasst werden.
In 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Brennstoffzelleneinrichtung 1 gezeigt. Auch hier umfasst die Brennstoffzelleneinrichtung 1 zumindest eine Brennstoffzelle 2, den Kompressor 5, eine Zuführleitung 4 zum Zuführen von Oxidationsmittel von dem Kompressor 5 über den Befeuchter 6 zum Kathodenraum der Brennstoffzelle 2. Insbesondere ist diese Zuführleitung 4 der Vorrichtung 3 zugeordnet. Darüber hinaus umfasst die Vorrichtung 3 eine als Hauptleitung 12 ausgebildete Abführleitung zum Abführen des von der Brennstoffzelle 2 ausströmenden Abgases. Von dieser Hauptleitung bzw. Abführleitung 12 zweigt eine Umgehungsleitung 13 an der Abzweigung 14 vor dem Befeuchter 6 ab und mündet in diese Abführleitung 12 an der Einmündung 15 nach dem Befeuchter 6 wieder ein. Das von der Brennstoffzelle 2 austretende Abgas wird somit bedarfsabhängig über die Abführleitung 12 durch den Befeuchter 6 oder zumindest anteilig über die Umgehungsleitung 13 um den Befeuchter 6 herum geleitet. In dem in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel ist ein passiv arbeitendes Ventil, welches als passiv arbeitendes Rückschlagventil 10 ausgebildet ist, in der Umgehungsleitung 13 angeordnet. Des Weiteren ist vorgesehen, dass ein aktiv arbeitendes Ventil 11, welches als Absperrventil ausgebildet ist und elektronisch angesteuert wird, in der Abführleitung 12 nach der Abzweigung 14 vor dem Befeuchter 6 angeordnet ist. Im Hinblick auf die Ausgestaltung der Ventile 10 und 11 sei auf die Ausführungen zu 1 und 2 verwiesen, da diesbezüglich eine analoge Ausgestaltung insbesondere vorgesehen ist.
Die Gasmengen, die durch den Befeuchter 6 und durch den Bypass bzw. die Umgehungsleitung 7 zum Umgehen des Befeuchters 6 strömen, hängen dabei von den jeweiligen Druckverlusten des Befeuchters 6 und der Umgehungsleitung 7 ab. Unterhalb einer Druckverlustschwelle, d. h. bei relativ kleinen Strömungsgeschwindigkeiten des Mediums in den Leitungen 4 und 12, wird das von der Brennstoffzelle 2 austretende Abgas vollständig um den Befeuchter 6 herum durch die Umgehungsleitung 7 geleitet. Dies ist insbesondere im Fall des so genannten Start-ups und des Shut-downs der Brennstoffzelleneinrichtung 1 der Fall, bei dem die Brennstoffzelle 2 mit geringerer Leistung und damit geringerer Luftmenge betrieben wird.
In 4 ist ein Ausführungsbeispiel einer Brennstoffzelleneinrichtung 1 gezeigt, bei welcher im Unterschied zur Ausgestaltung in 3 vorgesehen ist, dass das passiv arbeitende Rückschlagventil 10 in der Abführleitung 12 und dort insbesondere zwischen der Abzweigung 14 und dem Befeuchter 6 angeordnet ist. Darüber hinaus ist die Umgehungsleitung 13 ventilfrei ausgebildet.
Bei den Ausführungen gemäß 3 und 4 kann darüber hinaus ähnlich wie bei den Ausführungen gemäß 1 und 2 vorgesehen sein, dass in der Umgehungsleitung 7 eine Druckverlusteinstelleinrichtung beispielsweise in Form einer Drosselklappe oder einer Blende oder eines weiteren Ventils ausgebildet ist.
Bei allen Ausführungen wird somit zumindest ein passiv arbeitendes Ventil 10 eingesetzt, welches anstelle von bei den bekannten Brennstoffzellsystemen eingesetzten Regelventilen in der Umgehungsleitung 7 bzw. 13 oder in einer Zuführleitung 4 oder in einer Abführleitung 12 angeordnet ist.

1: Brennstoffzelleneinrichtung
2: Brennstoffzelle
3: Vorrichtung
4: Hauptleitung
5: Kompressor
6: Befeuchter
7: Umgehungsleitung
8: Abzweigung
9: Einmündung
10: passiv arbeitendes Rückschlagventil
11: aktiv arbeitendes Ventil
12: Hauptleitung
13: Umgehungsleitung
14: Abzweigung
15: Einmündung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- US 6884534 B2 [0002]
- DE 10110419 A1 [0003]

Claims

Brennstoffzelleneinrichtung mit zumindest einer Brennstoffzelle (2) und einer Vorrichtung (3) zum Zuführen eines Reaktionsmediums zur und zum Abführen von Abführmedium von der Brennstoffzelle (2), und einem Befeuchter (6), welcher mit der Vorrichtung (3) und der Brennstoffzelle (2) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (3) eine Umgehungsleitung (7, 13) aufweist, welche in Strömungsrichtung eines der Medien vor dem Befeuchter (6) von einer Hauptleitung (4, 12) der Vorrichtung (3) abzweigt, und ein passiv arbeitendes Ventil (10) in der Umgehungsleitung (7, 13) und/oder ein passiv arbeitendes Ventil (10) in der Hauptleitung (4, 12) angeordnet ist.
Brennstoffzelleneinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das passiv arbeitende Ventil ein Rückschlagventil (10) ist.
Brennstoffzelleneinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das passiv arbeitende Ventil (10) bei einer Druckverlustschwelle zwischen 10 mbar und 200 mbar, bevorzugt zwischen 100 mbar und 200 mbar, besonders bevorzugt bei 150 mbar, automatisch öffnet.
Brennstoffzelleneinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Umgehungsleitung (7, 13) das passiv arbeitende Ventil (10) angeordnet ist und in der Hauptleitung (4, 12) ein aktiv arbeitendes Ventil (11), insbesondere ein elektronisch gesteuertes Absperrventil, angeordnet ist.
Brennstoffzelleneinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das aktiv arbeitende Ventil (11) in der Hauptleitung nach der Abzweigung (8, 14) der Umgehungsleitung (7, 13) von der Hauptleitung (4, 12) und vor dem Befeuchter (6) angeordnet ist.
Brennstoffzelleneinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das passiv arbeitende Ventil (10) in der Hauptleitung (4, 12) angeordnet ist und die Umgehungsleitung (7, 13) ventilfrei ausgebildet ist.
Brennstoffzelleneinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das passiv arbeitende Ventil (10) nach der Abzweigung (8, 14) der Umgehungsleitung (7, 13) von der Hauptleitung (4, 12) und vor dem Befeuchter (6) angeordnet ist.
Brennstoffzelleneinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Umgehungsleitung (7, 13) nach dem Befeuchter (6) in die Hauptleitung (4, 12) mündet.
Brennstoffzelleneinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hauptleitung eine Zuführleitung (4) zum Zuführen eines Reaktionsmediums zur Brennstoffzelle (2) ist.
Brennstoffzelleneinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Hauptleitung (4, 12) eine Abführleitung (12) zum Abführen von Abgas von der Brennstoffzelle (2) ist.
Brennstoffzelleneinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Umgehungsleitung (7, 13) eine Einrichtung zum Einstellen eines Druckverlusts am Befeuchter (6) angeordnet ist.
Brennstoffzelleneinrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung eine Drosselklappe oder eine Blende oder ein weiteres Ventil umfasst.
Brennstoffzelleneinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hauptleitung (4, 12) mit dem Kathodenraum der Brennstoffzelle (2) verbunden ist.
Brennstoffzelleneinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Fördereinheit, insbesondere ein Kompressor (5), stromauf der Abzweigung (8, 14) der Umgehungsleitung (7, 13) von der Hauptleitung (4, 12) mit der Hauptleitung (4, 12) verbunden ist.
Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzelleneinrichtung (1) mit zumindest einer Brennstoffzelle (2) und einer Vorrichtung (3), mit welcher ein Reaktionsmedium zur Brennstoffzelle (2) zugeführt und ein Abführmedium von der Brennstoffzelle (2) abgeführt und das Reaktionsmedium und/oder das Abführmedium durch einen Befeuchter (6) geführt wird, welcher mit einer Hauptleitung (4, 12) der Vorrichtung (3) verbunden ist, wobei die Vorrichtung (3) eine Umgehungsleitung (7, 13) aufweist, welche in Strömungsrichtung von einem der Medien vor dem Befeuchter (6) von der Hauptleitung (4, 12) der Vorrichtung (3) abgezweigt wird, und ein passiv arbeitendes Ventil (10) in der Umgehungsleitung (7, 13) und/oder ein passiv arbeitendes Ventil (10) in der Hauptleitung (4, 12) angeordnet wird, welches abhängig von einem Übersteigen einer Druckverlustschwelle geöffnet wird.