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Die
Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem mit wenigstens einem
Brennstoffzellenstapel, und mit wenigstens einer peripheren Komponente zum
Versorgen des wenigstens einen Brennstoffzellenstapels, wobei die
wenigstens eine periphere Komponente zumindest teilweise in einem
thermisch isolierenden Gehäuse angeordnet ist.
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Die
DE 11 2005 002 768
T5 beschreibt ein Brennstoffzellensystem mit einer Mehrzahl
von Brennstoffzellenstapeln, wobei Brennstoff beim Betreiben des
Brennstoffzellensystems in einer ersten Stufe einer ersten Gruppe
der Brennstoffzellenstapel zugeführt wird. In der ersten
Stufe wird teilweise verbrauchter Brennstoff anschließend
in einer zweiten Stufe wenigstens einem weiteren Brennstoffzellenstapel
zugeführt. Ein Verteiler zum Versorgen der einzelnen Brennstoffzellenstapel
mit Brennstoff und Oxidationsmittel weist eine Brennstoffgaspassage
auf, welche den in der ersten Stufe teilweise verbrauchten Brennstoff
dem wenigstens einen Brennstoffzellenstapel der zweiten Stufe zuführt.
Der Verteiler ist von einer thermischen Isolierung umgeben, durch
welche ein Kondensieren von Feuchtigkeit in der Brennstoffgaspassage
beschränkt ist. Dadurch ist ein Druckabfall in der Brennstoffgaspassage
verringert.
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Aus
dem Stand der Technik ist es des Weiteren bekannt, durch thermisches
Isolieren des Brennstoffzellensystems ein rasches Auskühlen
des Brennstoffzellensystems zu verhindern. Das Auskühlen
des Brennstoffzellensystems führt aufgrund des Betreibens
des Brennstoffzellenstapels mit feuchten Medien zum Auskondensieren
von vergleichsweise großen Mengen an flüssigem
Wasser. Insbesondere, wenn eine Umgebungstemperatur unter den Gefrierpunkt
sinkt, kann hierbei das Gefrieren von flüssigem Wasser
in dem Brennstoffzellensystem dessen Funktionstüchtigkeit
einschränken oder zum Erliegen bringen. Um eine Kaltstartfähigkeit
des Brennstoffzellensystems, also ein In-Betrieb-Nehmen bei tiefen,
insbesondere unter dem Gefrierpunkt liegenden, Umgebungstemperaturen
zu verbessern, sind an die thermische Isolierung des Brennstoffzellensystems
besonders hohe Anforderungen zu stellen.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Brennstoffzellensystem
mit einer verbesserten thermischen Isolierung bereitzustellen.
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Diese
Aufgabe wird durch ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen
des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen
mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung
sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem mit
wenigstens einem Brennstoffzellenstapel, und mit wenigstens einer
peripheren Komponente zum Versorgen des wenigstens einen Brennstoffzellenstapels,
wobei die wenigstens eine periphere Komponente zumindest teilweise
in einem thermisch isolierenden Gehäuse angeordnet ist,
weist dieses thermisch isolierende Gehäuse eine geringere
thermische Isolationswirkung auf als ein den wenigstens einen Brennstoffzellenstapel
thermisch isolierendes weiteres Gehäuse. Aufgrund der geringeren
Anforderung an die thermische Isolationswirkung des die wenigstens
eine periphere Komponente thermisch isolierenden Gehäuses
können Gewichts- und Kosteneinsparungen bei der Isolierung
des Brennstoffzellensystems erreicht werden.
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Des
Weiteren ist ein Einsatz jeweils unterschiedlicher Isoliermaterialien
für das den wenigstens einen Brennstoffzellenstapel thermisch
isolierende weitere Gehäuse und das die wenigstens eine periphere
Komponente zumindest teilweise umgebende Gehäuse ermöglicht,
wobei durch Reduzierung der Anforderungen an die Isolationswirkung
der unterschiedlichen Isoliermaterialien Kosten und Gewicht der
Isolierung des Brennstoffzellensystems verringerbar sind. Die Isolationswirkung
des jeweiligen Gehäuses ist hierbei gezielt an die Anforderungen der
jeweiligen peripheren Komponente bzw. an die Anforderungen des wenigstens
einen Brennstoffzellenstapels anpassbar. Somit ist ein Brennstoffzellensystem
mit einer vergleichsweise wenig komplexen thermischen Isolierung
bereitgestellt und die thermische Isolierung ist so verbessert.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst die wenigstens
eine periphere Komponente einen Wasserabscheider, wobei durch die geringere
thermische Isolationswirkung des thermisch isolierenden Gehäuses
im Vergleich zu dem weiteren Gehäuse ein Temperaturgradient
zwischen dem wenigstens einen Brennstoffzellenstapel und der wenigstens
einen peripheren Komponente einstellbar ist, durch welchen beim
Abkühlen des Brennstoffzellensystems ein überwiegendes
Kondensieren von Wasser im Bereich des Wasserabscheiders erreichbar
ist. Dem liegt die Erkenntnis zugrunde, dass es bei aus dem Stand
der Technik bekannten Brennstoffzellensystemen zu einem fortdauernden
Kondensieren von Wasser in dem wenigstens einen Brennstoffzellenstapel
kommen kann, während die den Wasserabscheider umfassende
periphere Komponente bereits eingefroren ist. Hierbei kann der Wasserabscheider
das in dem Brennstoffzellenstapel fortdauernd anfallende Wasser
nicht mehr aufnehmen und es insbesondere nicht mehr aus dem Brennstoffzellensystem
abscheiden.
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Durch
gezieltes Einstellen des Temperaturgradienten zwischen dem Brennstoffzellenstapel
und der peripheren Komponente kann ein Kondensieren von Wasser im
Bereich des Brennstoffzellenstapels weitgehend unterbunden werden.
Hierbei bewirkt der Temperaturgradient, dass im Bereich des Wasserabscheiders
eine definierte Wärmesenke bereitgestellt ist, an welcher
das Kondensieren des Wassers überwiegend stattfindet, so
dass das auskondensierte Wasser besonders wirksam aus dem Brennstoffzellensystem
abscheidbar ist. Dadurch ist das Abscheiden kondensierten Wassers
aus dem Brennstoffzellensystem verbessert. Durch das Schaffen von
Bereichen des Brennstoffzellensystems mit unterschiedlichen thermischen
Isolationswirkungen ist ein Wärmefluss in dem Brennstoffzellensystem
gezielt steuerbar und so das Thermalmanagement des Brennstoffzellensystems
verbessert.
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Als
weiter vorteilhaft hat es sich gezeigt, wenn die thermisch isolierenden
Gehäuse lösbar miteinander verbunden sind, wobei
durch die lösbar miteinander verbundenen Gehäuse
ein gemeinsames, den wenigstens einen Brennstoffzellenstapel und
die wenigstens eine periphere Komponente zumindest teilweise aufnehmendes
Gesamtgehäuse bereitgestellt ist. Hierbei ist sowohl der
wenigstens eine Brennstoffzellenstapel als auch die wenigstens eine periphere
Komponente von lediglich einem Gehäuse zumindest teilweise
umgeben und die wenigstens eine periphere Komponente sowie der wenigstens eine
Brennstoffzellenstapel sind thermisch gekoppelt. Durch das Vorsehen
lösbar miteinander verbundener thermisch isolierender Gehäuse
für das Brennstoffzellensystem sind der Brennstoffzellenstapel
und die wenigstens eine periphere Komponente unabhängig
voneinander und somit besonders einfach zu warten und/oder zu reparieren.
Es kann bei einer Wartung und/oder Reparatur auf die periphere Komponente
oder auf den Brennstoffzellenstapel getrennt zugegriffen werden,
ohne dass eine Demontage des gesamten Brennstoffzellensystems notwendig
ist. Durch das mechanische Koppeln von peripheren Komponenten und
Brennstoffzellenstapel ist ein Auskühlen des Brennstoffzellensystems
bei einem Außer-Betrieb-Nehmen zudem weiter reduziert.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist das
den wenigstens einem Brennstoffzellenstapel thermisch isolierende
weitere Gehäuse eine größere Dichtigkeit
gegenüber Wasserstoffgas auf als das thermisch isolierende
Gehäuse, in welchem die wenigstens eine periphere Komponente
zumindest teilweise angeordnet ist. Ein unkontrolliertes Austreten
von sich in einem Anodenzweig des Brennstoffzellenstapels befindenden
Wasserstoffgas in die Umgebung des Brennstoffzellensystems ist zu
vermeiden. Bei einem aus dem Stand der Technik bekannten Brennstoffzellensystem,
welches ein gemeinsames Gesamtgehäuse für den
wenigstens einen Brennstoffzellenstapel und die wenigstens eine
periphere Komponente aufweist, ist daher das Gesamtgehäuse
gegenüber Wasserstoffgas dicht ausgebildet. Dieser besonders
hohe Aufwand zum Verhindern eines unkontrollierten Austretens des
Wasserstoffgases in die Umgebung ist bei dem vorliegend beschriebenen
Brennstoffzellensystem erheblich reduzierbar. Lediglich das den
wenigstens einen Brennstoffzellenstapel thermisch isolierende weitere
Gehäuse muss gegenüber Wasserstoffgas dicht ausgebildet
sein. Das die periphere Komponente zumindest teilweise umgebende
Gehäuse muss hingegen keine Dichtigkeit gegenüber
Wasserstoffgas aufweisen.
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Durch
das gegenüber Wasserstoffgas dichte Ausbilden des den wenigstens
einen Brennstoffzellenstapel thermisch isolierenden weiteren Gehäuses kann
Wasserstoffgas nicht in den Bereich der peripheren Komponenten gelangen.
Dadurch ist zusätzlich ein Aufwand für ein explosionsgeschütztes
Auslegen der wenigsten einen peripheren Komponente verringerbar.
Insgesamt ist die Komplexität des Gesamtgehäuses
gegenüber einem vollständig gegenüber
Wasserstoffgas dicht ausgebildeten Gesamtgehäuse deutlich
reduziert.
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Bauteile
der wenigstens einen peripheren Komponente weisen häufig
bereits hohe Anforderungen an eine Dichtigkeit gegenüber
einem Zutritt von Feststoffen, insbesondere Partikeln, und Wasser
in die Bauteile auf. Beispielsweise können Bauteile der peripheren
Komponenten bereits der Schutzklasse IP 67 angehören. Diese
Bauteile gehören somit einer Schutzklasse an, welche Staubdichtigkeit
und einen Schutz des Bauteils bei einem kurzzeitigen Untertauchen
in Wasser gewährleistet. Daher ist bei dem vorliegend beschriebenen
Brennstoffzellensystem ein zusätzliches Abdichten des die
periphere Komponente aufnehmenden Gehäuses, etwa durch
das aus dem Stand der Technik bekannte, gegenüber Wasserstoffgas
dicht ausgebildete Gesamtgehäuse nicht notwendig. Bei diesen
Bauteilen, welche einer vergleichsweise hohen Schutz bietenden Schutzklasse angehören,
ist ein zusätzliches Umschließen mit einem Gehäuse,
welches zusätzlich eine Dichtigkeit gegenüber
Wasserstoffgas aufweist, nicht notwendig, sofern wie vorliegend
beschrieben das den wenigstens einen Brennstoffzellenstapel isolierende weitere
Gehäuse die Dichtigkeit gegenüber Wasserstoffgas
aufweist.
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Weitere
Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus
der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels
sowie anhand der Zeichnung.
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Diese
zeigt in einer schematischen Perspektivansicht ein Brennstoffzellensystem
mit einem Brennstoffzellenstapel und zwei peripheren Komponenten
zum Versorgen des Brennstoffzellenstapels.
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Die
Figur zeigt in einer schematischen Perspektivansicht ein Brennstoffzellensystem 10,
welches vorliegend einen zentral angeordneten Brennstoffzellenstapel 12 sowie
jeweils seitlich des Brennstoffzellenstapels 12 angeordnete
periphere Komponenten umfasst.
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Eine
der auf einer Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels 12 angeordneten
peripheren Komponenten ist vorliegend als Befeuchtermodul 14 ausgebildet.
Die weitere, dem Befeuchtermodul 14 gegenüberliegende
und auf einer Anodenseite des Brennstoffzellenstapels 12 angeordnete
periphere Komponente ist vorliegend als Anodenmodul 16 ausgebildet.
Mittels des Befeuchtermoduls 14 ist die Kathodenseite des
Brennstoffzellenstapels 12 mit befeuchteter Zuluft versorgbar.
Das Anodenmodul 16 dient dem Beaufschlagen des Brennstoffzellenstapels 12 mit
Brennstoff, beispielsweise mit Wasserstoffgas. Das Anodenmodul 16 umfasst
vorliegend einen nicht im Detail gezeigten Wasserabscheider. Des
Weiteren weist das Anodenmodul 16 ein Rezirkulationsgebläse
auf, mittels welchem ein Im-Kreislauf-Führen des Brennstoffs
ermöglicht ist. Das Anodenmodul 16 umfasst auch
ein Dosierventil zum Zudosieren des Brennstoffs in den Brennstoffzellenstapel 12.
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Das
Befeuchtermodul 14 weist ein thermisch isolierendes Gehäuse 18 auf.
Auch das Anodenmodul 16 ist von einem thermisch isolierenden
Gehäuse 20 umgeben, wobei Anschlussleitungen 22 aus
dem Gehäuse 20 austreten. Der Brennstoffzellenstapel 12 ist
in einem weiteren thermisch isolierenden Gehäuse 24 angeordnet.
Durch die Gehäuse 18, 20, 24 ist ein
den Brennstoffzellenstapel 12 und die peripheren Komponenten 14, 16 aufnehmendes
Gesamtgehäuse bereitgestellt.
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Das
Gesamtgehäuse weist vorliegend eine im Wesentlichen ebene
Außenkontur auf und ist im Wesentlichen quaderförmig
ausgebildet. Das Gehäuse 18 des Befeuchtermoduls 14 und
das Gehäuse 20 des Anodenmoduls 16 ist
jeweils lösbar mit dem Gehäuse 24 des
Brennstoffzellenstapels 12 verbunden. Entsprechende Trennfugen 26 des
Gesamtgehäuses sind in der Figur dargestellt. Die peripheren
Komponenten 14, 16 sind also vorliegend über
die Trennfugen 26 mechanisch und thermisch an den Brennstoffzellenstapel 12 gekoppelt.
Eine Isolierschicht 28 des den Brennstoffzellenstapel 12 aufnehmenden
weiteren Gehäuses 24 weist vorliegend eine besonders hohe
thermische Isolationswirkung auf. Darüber hinaus ist diese
oberseitig und unterseitig des Brennstoffzellenstapels 12 ausgebildete
Isolierschicht 28 dicht gegenüber Wasserstoffgas.
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Demgegenüber
weisen Isolierschichten 30 der Gehäuse 18, 20 der
peripheren Komponenten 14, 16 eine geringere thermische
Isolationswirkung als die Isolierschicht 28 des den Brennstoffzellenstapel 12 aufnehmenden
Gehäuses 24 auf. Zudem sind diese Isolierschichten 30 nicht
dicht gegenüber Wasserstoffgas ausgebildet.
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Aufgrund
der besonders großen thermischen Masse des Brennstoffzellenstapels 12 kühlt
dieser nach einem Außer-Betrieb-Nehmen des Brennstoffzellensystems 10 besonders
langsam aus. Das langsame Auskühlen des Brennstoffzellenstapels 12 ist durch
die Isolierschicht 28 weiter reduziert. Vorliegend ist
durch die geringere thermische Isolationswirkung der Gehäuse 18, 24 im
Vergleich zu dem Gehäuse 24 ein Temperaturgradient
zwischen dem Brennstoffzellenstapel 12 und dem Anodenmodul 16 eingestellt,
durch welchen beim Abkühlen des Brennstoffzellensystems 10 ein
gezieltes Auskondensieren von Wasser im Bereich des Wasserabscheiders
des Anodenmoduls 16 erreicht ist.
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Anforderung
an die Isolierschichten 30 der Gehäuse 18, 20 hinsichtlich
der thermischen Isolationswirkung und der Dichtigkeit gegenüber
Wasserstoffgas sind also vorliegend deutlich reduziert gegenüber
einem Gesamtgehäuse, welches das Befeuchtermodul 14,
den Brennstoffzellenstapel 12 und das Anodenmodul 16 umgibt
und durchgängig dicht gegenüber Wasserstoffgas
ausgebildet ist.
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Im
Bereich der Trennfugen 26 ist das vorliegend gezeigte Brennstoffzellensystem 10 an
ein Fahrzeug gekoppelt.
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Der
Brennstoffzellenstapel 12 ist vorliegend in besonders kompakter
Art und Weise von dem die Isolierschichten 28 aufweisenden
Gehäuse 24 umgeben. Ein Volumen eines in dem Gehäuse 24 bereitgestellten
Hohlraums ist hierbei so bemessen, dass bei einem Zutreten von Wasserstoffgas
in den Hohlraum ein Ausbilden einer explosionsfähigen Atmosphäre
in dem Hohlraum vermieden ist.
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Auch
ein Volumen eines in dem das Anodenmodul 16 aufnehmenden
Gehäuse 20 bereitgestellten Hohlraums ist so bemessen,
dass bei einem Zutreten von Wasserstoffgas ein Ausbilden einer explosionsfähigen
Atmosphäre in diesem Hohlraum vermieden ist. Dies ist insbesondere
dadurch ermöglicht, dass vorliegend das Gesamtgehäuse
aus den Gehäusen 18, 24, 20 gebildet
ist, welche die in den Gehäusen 18, 24, 20 aufgenommenen
Bauteile besonders eng umschließen.
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Auf
ein aktives Belüften des Gesamtgehäuses, des den
Brennstoffzellenstapel 12 aufnehmenden Gehäuses 24 und/oder
des das Anodenmodul 16 aufnehmenden Gehäuses 20 kann
somit verzichtet werden, da ein Ansammeln von Wasserstoffgas in Hohlräumen
des Gesamtgehäuses, welches zum Ausbilden einer explosionsfähigen
Atmosphäre führen könnte, vermieden ist.
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Zusätzlich
ist durch das den Brennstoffzellenstapel 12 isolierende
Gehäuse 24 eine Flammensperre bereitgestellt.
Dadurch ist ein Ausbreiten einer Flammenfront in die an das Gehäuse 24 angrenzenden
Gehäuse 18, 20, welche die peripheren
Komponenten 14, 16 aufnehmen, verhindert. Somit
ist eine zusätzliche Sicherheit gegenüber einer
Explosion von Wasserstoffgas in dem Brennstoffzellensystem 10 bereitgestellt.
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Das
Gesamtgehäuse ist vorliegend derart ausgebildet, dass der
Brennstoffzellenstapel 12 sowie die peripheren Komponenten 14, 16 jeweils
von lediglich einem Gehäuse 24 bzw. 18, 20 zumindest teilweise
umgeben ist. Dadurch, dass ein Ausbilden einer explosionsfähigen
Atmosphäre in dem Brennstoffzellensystem 10 und
ein Austreten einer Flammenfront aus dem Gehäuse 24 in
die angrenzenden peripheren Komponenten 14, 16 vermieden
ist, ist ein Aufwand für ein explosionsgeschütztes
Auslegen der peripheren Komponenten 14, 16 reduzierbar.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 112005002768
T5 [0002]
