DE102013203313A1 - Brennstoffzellensystem - Google Patents

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem mit mehreren, zu einem Stapel zusammengefassten Bipolarplatten und einem Rezirkulationskreislauf, der mit einer Anodenseite des Stapels von Bipolarplatten verbunden ist. Um ein Brennstoffzellensystem der eingangs genannten Art zu schaffen, welches die geschilderten Nachteile überwindet, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass in dem Rezirkulationskreislauf eine Einrichtung angeordnet ist, welche die sich auf der Anodenseite sammelnden Stickstoffmoleküle entfernt.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem mit mehreren, zu einem Stapel zusammengefassten Bipolarplatten und einem Rezirkulationskreislauf, der mit einer Anodenseite des Stapels von Bipolarplatten verbunden ist.
  • Brennstoffzellensysteme entfernen den sich auf der Anodenseite ansammelnden Stickstoff, der von der Kathodenseite durch die Membran diffundiert, über eine regelmäßige Ausspülung, bei welcher der Stickstoff zusammen mit dem Wasserstoff entfernt wird. Ferner werden aktive (z. B. Rezirkulationspumpe) und passive Rezirkulationsmaßnahmen (z. B. Venturidüse) verwendet.
  • Der durch die Ausspülung verlorene Wasserstoff kann 1% und mehr des Gesamtwasserstoffverbrauchs betragen. Sicherheitstechnisch ist emittierter Wasserstoff immer problematisch und daher grundsätzlich zu minimieren. Auch die Verdünnung der Ausspülung mit Kathodenabluft ist nicht unproblematisch und kann deshalb den Grenzwert von 4 Vol.-% Wasserstoff in der Abluft überschreiten. Folglich werden technische Maßnahmen benötigt, um den Grenzwert einzuhalten.
  • Im Ausspülungsgas ist nur anteilig Stickstoff enthalten (ca. 20%), wobei das restliche Gas, der Wasserstoff, durch die Ausspülung verloren geht und somit den Gesamtsystemwirkungsgrad senkt. Ferner birgt der durch die Ausspülung austretende Wasserstoff ein Sicherheitsrisiko (Ansammlung unter oder im Fahrzeug, lokale Bildung zündfähiger Gemische durch pulsartiges ausströmen des Wasserstoffs zur Kathodenabluft oder der Umgebungsluft).
  • Eine aktive Rezirkulation senkt den Systemwirkungsgrad. Ohne Rezirkulation bilden sich jedoch lokale Konzentrationsverarmungen von Wasserstoff und senken ebenfalls den Wirkungsgrad. Hohe Ausspülungs- (ca. < 1 s–1) und Rezirkulationsraten sind notwendig, um die ansammelnde Stickstoffmenge zu entfernen.
  • Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Brennstoffzellensystem der eingangs genannten Art zu schaffen, welches die geschilderten Nachteile überwindet.
  • Diese Aufgabe wird bei einem Brennstoffzellensystem mit mehreren, zu einem Stapel zusammengefassten Bipolarplatten und einem Rezirkulationskreislauf, der mit einer Anodenseite des Stapels von Bipolarplatten verbunden ist, erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass in dem Rezirkulationskreislauf eine Einrichtung angeordnet ist, welche die sich auf der Anodenseite sammelnden Stickstoffmoleküle entfernt.
  • Die Unteransprüche beinhalten vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung.
  • Die Einrichtung kann gemäß einer ersten Ausführungsform vorteilhafterweise mit einer Filtereinheit versehen sein, in der eine vorzugsweise Wasserstoff oder Wasserstoff + Wasser durchlassende Membran angeordnet ist.
  • Alternativ kann die Einrichtung mit einer Filtereinheit versehen sein, in der eine vorzugsweise Stickstoff durchlassende Membran angeordnet ist.
  • Da sich der zurückgehaltene Stickstoff vor der Membran staut, ist das vor der Membran befindliche Gasvolumen mit Stickstoff angereichert. Um dieses Volumen gezielt und getaktet abführen zu können, ist gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung die Filtereinheit an eine Spülleitung angeschlossen, die vor der Membran in die Filtereinheit mündet.
  • Alternativ kann die Einrichtung auch als eine vorzugsweise Wasserstoff oder Wasserstoff + Wasser durchlassende Absorbereinheit ausgebildet sein.
  • Weiterhin alternativ kann die Einrichtung auch als eine vorzugsweise Stickstoff durchlassende Absorbereinheit ausgebildet sein.
  • Die Absorbereinheit ist vorteilhafterweise mit einem Material gefüllt, welches in der Lage ist, selektiv Stickstoff einzulagern, zu absorbieren, chemisch zu binden, umzusetzen oder sonst wie zurückzuhalten.
  • Die Absorbereinheit kann aus einem einzigen Absorber bestehen, der optional von einer in dem Rezirkulationskreislauf angeordneten Bypassleitung umgangen werden kann.
  • Alternativ kann die Absorbereinheit auch zwei parallel geschaltete Absorber aufweisen.
  • Da nach einem bestimmten Zeitintervall das Material in der Absorbereinheit regeneriert werden muss, wird durch eine Änderung der äußeren Bedingungen, z. B. eine Druckerniedrigung oder eine Temperaturerhöhung der von dem Material absorbierte Stickstoff wieder in die Gasphase überführt. Dieses Gas kann gemäß einer bevorzugten Weiterbildung über eine an die Absorbereinheit angeschlossene Spülleitung in die Umgebung oder in die Abgasleitung eingeleitet werden.
  • Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem kann auch mit einer Wasserabscheideeinheit kombiniert sein.
  • Aufgrund der erfindungsgemäßen Lösung ergeben sich folgende Vorteile:
    • – Geringere Rezirkulationsraten, da der Stickstoff nicht rezirkuliert, sondern vorher entnommen wird. Daraus ist eine geringere Leistung für die Rezirkulationspumpe erforderlich, was wiederum zu einem besseren Systemwirkungsgrad führt.
    • – Die hohe Stickstoffkonzentration im Absorber/Filter führt zu niedrigeren Ausspülungsraten.
    • – Der geringere Verlust an Wasserstoff führt zu einem höheren Systemwirkungsgrad (+(1–2)%) oder zu deutlich kleineren Stapeln von Bipolarplatten (ca. 10–15% bei gleichem Systemwirkungsgrad). Darüber hinaus verringert sich durch die Minimierung der Wasserstoffemission das Sicherheitsrisiko und weiterhin lassen sich die Grenzwerte für die Konzentration von Wasserstoff in der Abluft ohne großen technischen Aufwand einhalten.
  • Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung anhand der Zeichnungen. Es zeigen:
  • 1 eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems gemäß einer ersten Ausführungsform,
  • 2 eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems gemäß einer zweiten Ausführungsform,
  • 3 eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems gemäß einer dritten Ausführungsform,
  • 4 eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems gemäß einer vierten Ausführungsform,
  • 5 eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems gemäß einer fünften Ausführungsform, und
  • 6 eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems gemäß einer sechsten Ausführungsform.
  • In den Figuren sind nur die hier interessierenden Teile des Brennstoffzellensystems dargestellt, alle übrigen Elemente sind der Übersichtlichkeit halber weggelassen.
  • In allen Figuren ist das Brennstoffzellensystem 1 durch eine Kathode 2, eine Anode 3 und einen dazwischen liegenden Kühlkanal 4 symbolisiert. Die Katode 2 ist mit einer Luftversorgung 5, die Anode 3 mit einem Rezirkulationskreislauf 6 für den Wasserstoff und der Kühlkanal 4 mit einer Kühlwasserversorgung 7 verbunden.
  • In dem Rezirkulationskreislauf 6 ist eine Einrichtung angeordnet, welche die sich auf der Anodenseite sammelnden Stickstoffmoleküle aus dem Wasserstoff entfernt.
  • Gemäß einer ersten, in 1 dargestellten Ausführungsform besteht die Einrichtung aus einer Absorbereinheit 8, die einen einzigen Absorber aufweist, der mit einem Material gefüllt ist, welches in der Lage ist, selektiv Stickstoff einzulagern, zu absorbieren, chemisch zu binden, umzusetzen oder sonst wie zurückzuhalten, z. B. Zeolith.
  • Da das Material, z. B. Zeolith nach einem bestimmten Zeitintervall regeneriert werden muss, wird durch eine Änderung der äußeren Bedingungen, z. B. eine Druckerniedrigung oder eine Temperaturerhöhung, der von dem Material absorbierte Stickstoff wieder in die Gasphase überführt. Dieses Stickstoffgas kann in eine an die Absorbereinheit 8 angeschlossene Spülleitung 9 eingeleitet werden. Dazu ist in der Spülleitung 9 ein Ventil 10 angeordnet, über welches das Stickstoffgas in die Umgebung oder in die Abgasleitung abgegeben werden kann.
  • In dem Rezirkulationskreislauf 6 ist weiterhin eine Bypassleitung 11 vorgesehen, welche die Absorbereinheit 8 umgeht.
  • Vor und hinter der Absorbereinheit 8 sowie in der Bypassleitung 11 sind Ventile 12 angeordnet, über welche der jeweilige Strömungsweg (durch die Absorbereinheit 8 bzw. die Bypassleitung 11) gewählt werden kann.
  • Von der Absorbereinheit 8 führt der Rezirkulationskreislauf 6 zu einer Venturidüse bzw. einer Rezirkulationspumpe 13 und von dort zurück zu der Anode 3. Hinter der Venturidüse bzw. der Rezirkulationspumpe 13 ist der Rezirkulationskreislauf 6 noch mit einer Wasserstoff-Versorgungsleitung 14 verbunden.
  • In 2 ist eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems 1 dargestellt. Diese unterscheidet sich von der Ausführungsform nach 1 dadurch, dass die Bypassleitung 11 fehlt, dafür besteht die Absorbereinheit 8 aus zwei parallel geschalteten Absorbern, die gemeinsam an die Spülleitung 9 angeschlossen sind. Der übrige Aufbau entspricht dem nach 1.
  • In den in den 1 und 2 gezeigten Ausführungsbeispielen dient die Absorbereinheit 8 zur Ab-/Adsorption von Stickstoff, der zurückgehalten wird, während der Wasserstoff durchgelassen wird. Grundsätzlich könnte die Absorbereinheit 8 aber auch so ausgebildet sein, das der Wasserstoff zurückgehalten und der Stickstoff durchgelassen wird.
  • In 3 ist eine dritte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems 1 dargestellt. Diese unterscheidet sich von der Ausführungsform nach 1 und 2 durch eine andere Ausgestaltung der Einrichtung, welche die sich auf der Anodenseite sammelnden Stickstoffmoleküle aus dem Wasserstoff entfernt.
  • Gemäß den 1 und 2 besteht diese Einrichtung aus einer Absorbereinheit 8, gemäß 3 ist diese Einrichtung mit einer Filtereinheit 15 versehen, in der eine Membran 16 angeordnet ist, die vorzugsweise Wasserstoff (H2) oder Wasserstoff + Wasser (H2 + H2O) durchlässt. Diese Membran 16 ist in der Lage, den Stickstoff aufzuhalten, so dass sich dieser in dem Raum vor der Membran 16 staut. Dadurch wird das vor der Membran 16 befindliche Gasvolumen mit Stickstoff angereichert. Um dieses Volumen getaktet, kontinuierlich und/oder semi-kontinuierlich abführen zu können, ist die Filtereinheit 15 – wie bei der Ausführungsform nach den 1 und 2 – über das Ventile 10 an die Spülleitung 9 angeschlossen, die vor der stickstoffselektiven Membran 16 in die Filtereinheit 15 mündet.
  • Von der Filtereinheit 15 führt der Rezirkulationskreislauf 6 wie bei der Ausführungsform nach den 1 und 2 zu der Venturidüse bzw. der Rezirkulationspumpe 13 und von dort zurück zu der Anode 3. Hinter der Venturidüse bzw. der Rezirkulationspumpe 13 mündet die Wasserstoff-Versorgungsleitung 14 in den Rezirkulationskreislauf 6.
  • Die vorbeschriebenen Ausführungsformen können auch dazu verwendet werden, den zusammen mit dem Stickstoff ausgeschiedenen Wasserstoff zurückzugewinnen.
  • Um den Wasserstoff zurückzugewinnen, wird dieser gemäß 4 zusammen mit dem Stickstoff über den Rezirkulationskreislauf 6 in die Filtereinheit 15 geleitet, die über die Membran 16 in zwei Bereiche geteilt wird. In einem Bereich wird über die Venturidüse bzw. die Rezirkulationspumpe 13 ein Unterdruck erzeugt, um den durch die Membran 16 tretenden Wasserstoff zurück in die Wasserstoff-Versorgungsleitung 14 zu speisen. Im anderen Bereich bleibt der Stickstoff zurück. Dieser wird einer stickstoffdurchlässigen Membran 17 zugeführt und kann periodisch direkt in die Umgebung oder die Abgasleitung abgelassen werden. Bei dieser Ausführungsform ist die Filtereinheit 15 somit eine Kombination aus einer Wasserstoff- und einer Stickstoffabscheideeinheit.
  • In 4 sind die wasserstoffdurchlässige Membran 16 und die stickstoffdurchlässige Membran 17 in getrennten Gehäusen dargestellt, beide Membranen 16, 17 können jedoch auch in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht sein.
  • Da bei dieser Ausführungsform infolge der Verwendung einer zweiten stickstoffdurchlässigen Membran 17 auf das gemäß der Ausführungsform nach 3 notwendige Ventil 10 verzichtet werden kann, arbeitet dieses Prinzip passiv.
  • Eine andere Möglichkeit ist in 5 gezeigt. Dabei wird der Wasserstoff zusammen mit dem Stickstoff über den Rezirkulationskreislauf 6 in die Filtereinheit 15 geleitet, die Puffereigenschaften besitzt und über die Membran 16 in zwei Bereiche geteilt wird. In einem Bereich wird über die Venturidüse bzw. die Rezirkulationspumpe 13 ein Unterdruck erzeugt, um den durch die Membran 16 tretenden Wasserstoff zurück in die Wasserstoff-Versorgungsleitung 14 zu speisen. Im anderen Bereich bleibt der Stickstoff zurück und kann periodisch, kontinuierlich und/oder semi-kontinuierlich über das Ventil 10 direkt in die Umgebung oder die Abgasleitung abgelassen werden. Eine entsprechende Ausgestaltung ist in 5 gezeigt.
  • Analog dazu kann der Wasserstoff zusammen mit dem Stickstoff über den Rezirkulationskreislauf 6 in die Absorbereinheit 8 geleitet werden. Nach einer Verweildauer ist ein Großteil des Stickstoffs in das Adsorbermaterial übergegangen. Der verbleibende Wasserstoff kann über die Venturidüse bzw. die Rezirkulationspumpe 13 der Wasserstoff-Versorgungsleitung 14 zugeführt werden. Der in der Absorbereinheit 8 verbleibende Stickstoff kann anschließend über einen Regenerationsschritt an die Umgebung oder die Abgasleitung gegeben werden.
  • Eine entsprechende Ausgestaltung ist in 6 gezeigt. Da sich diese Ausgestaltung nur durch die Betriebsweise und die Durchflussmenge von der Ausgestaltung nach 1 unterscheidet, ist auch gemischter Betrieb möglich.
  • Die vorbeschrieben Prinzipien der Abscheidung von Wasserstoff und Stickstoff können auch insoweit abgewandelt werden, als dass die Membran 16 nicht den Wasserstoff durchlässt und den Stickstoff zurückhält, sondern den Stickstoff durchlässt und den Wasserstoff zurückhält.
  • Bei den in den 3 und 4 gezeigten Ausführungsformen wird das Brennstoffzellensystem 1 so betrieben, dass nur geringfügig mehr Wasserstoff am Einlass der Brennstoffzelle zur Verfügung gestellt wird, als für die Reaktion notwendig ist. In kurzen Zeitintervallen wird am Auslass der Brennstoffzelle Wasserstoff mit seinen Verunreinigungen (Stickstoff, der in den Wasserstoff eindiffundiert ist, etc.) abgelassen; sog. „purgen”. Hierbei wird schubweise eine hohe Konzentration in geringen Mengen der Filtereinheit 15 zugeführt. Der Wasserstoff wird durch die Membran 16 gefiltert und dem Einlassstrom der Brennstoffzelle zugeführt. Dies führt zu hohen Rezirkulationsraten und einem im Wesentlichen kontinuierlichen Betrieb.
  • Bei der in 5 gezeigten Ausführungsform wird 1,5 bis 3-mal so viel Wasserstoff am Einlass der Brennstoffzelle zur Verfügung gestellt, als für die Reaktion notwendig ist. Eine sehr große Menge an Fluidstrom mit geringer Verunreinigungskonzentration steht an der Filtereinheit 15 an, die in diesem Fall als Puffer wirkt. Der gefilterte Wasserstoff wird wieder dem Einlassstrom der Brennstoffzelle zugeführt. Dies führt zu niedrigen Rezirkulationsraten.
  • Alle Varianten, die auf Membran-/Filtersystemen basieren, können von oberflächenvergrößernden Maßnahmen und Formen profitieren (z. B. Hohlfaser usw.)
  • Die Ventilkonfiguration ist je nach Anforderung variabel, wobei Konfigurationen mit 3-Wege-Ventilen oder komplexeren Systemen möglich sind.
  • Das vorbeschriebene Brennstoffzellensystem kann auch mit einer Wasserabscheideeinheit kombiniert werden.
  • Die vorhergehende Beschreibung der vorliegenden Erfindung dient nur zu illustrativen Zwecken und nicht zum Zwecke der Beschränkung der Erfindung. Im Rahmen der Erfindung sind verschiedene Änderungen und Modifikationen möglich, ohne den Umfang der Erfindung sowie ihrer Äquivalente zu verlassen.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Brennstoffzellensystem
    2
    Kathode
    3
    Kühlkanal
    4
    Anode
    5
    Luftversorgung
    6
    Rezirkulationskreislauf
    7
    Kühlwasserversorgung
    8
    Absorbereinheit
    9
    Spülleitung
    10
    Ventil
    11
    Bypassleitung
    12
    Ventil
    13
    Venturidüse bzw. Rezirkulationspumpe
    14
    Wasserstoff-Versorgungsleitung
    15
    Filtereinheit
    16
    Membran
    17
    stickstoffdurchlässige Membran

Claims (12)

  1. Brennstoffzellensystem mit mehreren, zu einem Stapel zusammengefassten Bipolarplatten und einem Rezirkulationskreislauf, der mit einer Anodenseite des Stapels von Bipolarplatten verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Rezirkulationskreislauf (6) eine Einrichtung angeordnet ist, welche die sich auf der Anodenseite sammelnden Stickstoffmoleküle entfernt.
  2. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung mit einer Filtereinheit (15) versehen ist, in der eine vorzugsweise Wasserstoff oder Wasserstoff + Wasser durchlassende Membran (16) angeordnet ist.
  3. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung mit einer Filtereinheit (15) versehen ist, in der eine vorzugsweise Stickstoff durchlassende Membran (16) angeordnet ist.
  4. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Filtereinheit (15) an eine Spülleitung (9) angeschlossen ist, die vor der Membran (16) in die Filtereinheit (15) mündet.
  5. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung als eine vorzugsweise Wasserstoff oder Wasserstoff + Wasser durchlassende Absorbereinheit (8) ausgebildet ist.
  6. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung als eine vorzugsweise Stickstoff durchlassende Absorbereinheit (8) ausgebildet ist.
  7. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Absorbereinheit (8) mit einem Material gefüllt ist, welches in der Lage ist, selektiv Stickstoff bzw. Wasserstoff einzulagern, zu absorbieren, chemisch zu binden, umzusetzen oder zurückzuhalten.
  8. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Absorbereinheit (8) einen einzigen Absorber aufweist.
  9. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die in dem Rezirkulationskreislauf (6) eine Bypassleitung (11) zur Umgehung des Absorbers angeordnet ist.
  10. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Absorbereinheit (8) zwei parallel geschaltete Absorber aufweist.
  11. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Absorbereinheit (8) an eine Spülleitung (9) angeschlossen ist.
  12. Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Wasserabscheideeinheit vorgesehen ist.
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