DE102013203316A1 - Brennstoffzellensystem - Google Patents

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem mit mehreren, zu einem Brennstoffzellenstapel zusammengefassten Brennstoffzellen, wobei der Brennstoffzellenstapel an jedem Ende von einem Stromabnehmer begrenzt ist, an welchem eine Endplatte anliegt. Um ein Brennstoffzellensystem der eingangs genannten Art zu schaffen, das mit einfachen Mitteln relativ schnell auf eine optimale Betriebstemperatur erwärmt werden kann, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass an dem Stromabnehmer auf der von dem Brennstoffzellenstapel abgewandten Seite eine Brennkammer angeordnet ist.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem mit mehreren, zu einem Brennstoffzellenstapel zusammengefassten Brennstoffzellen, wobei der Brennstoffzellenstapel an jedem Ende von einem Stromabnehmer begrenzt ist, an welchem eine Endplatte anliegt.
  • Einzelne Brennstoffzellen werden in der Regel in Reihe zu einem Brennstoffzellenstapel geschaltet, um eine höhere Spannung zu erreichen. An jedem Ende eines Brennstoffzellenstapels befindet sich eine Endplatte, welche eine gleichmäßige Flächenpressung auf die Brennstoffzellen ermöglicht, um eine Trennung der Fluidströme und eine Dichtheit nach außen zu gewährleisten. Zwischen der Endplatte und dem Brennstoffzellenstapel befindet sich ein Stromabnehmer (meist aus Kupfer), der den elektrischen Strom aller Brennstoffzellen sammelt und vom Brennstoffzellenstapel ableitet. Diese sind durch eine Isolationsschicht getrennt, welche den Stromabnehmer von der Endplatte thermisch und elektrisch isoliert.
  • Eine PEM-Brennstoffzelle (Niedertemperatur-Protonenaustauschmembran-Brennstoffzelle) hat eine ideale Betriebstemperatur zwischen 60 und 80°C. Wenn die Temperatur, bei der die chemische Reaktion in den Brennstoffzellen gestartet wird, deutlich darunter liegt, sinkt die Leistung des gesamten Brennstoffzellenstapels stark ab. Um schnell akzeptable Leistungswerte zu erreichen, muss daher die Temperatur der Brennstoffzellen bei einem Kaltstart möglichst schnell angehoben werden. Die thermische Masse der in einer Brennstoffzelle vorhandenen Bipolarplatten und der Membran-Elektroden-Einheit ist sehr gering, wodurch die einzelne Brennstoffzelle an sich verhältnismäßig schnell erwärmt werden kann. Die Stromabnehmer am Ende des Brennstoffzellenstapels haben jedoch eine sehr hohe thermische Masse, so dass sehr viel Wärmeenergie notwendig ist, um diese zu erwärmen. Die thermische Energie zur Erwärmung des Stromabnehmers muss von den direkt an diesen anliegenden Brennstoffzellen aufgebracht werden, weshalb sich diese selbst ebenfalls sehr langsam erwärmen, da eine direkte Kopplung des Stromflusses über den Stromabnehmer und die Wärmekapazität des Stromabnehmers besteht. Durch die Reihenschaltung der Brennstoffzellen wirkt sich die geringe Leistungsfähigkeit der wenigen Brennstoffzellen am Ende allerdings negativ auf den gesamten Brennstoffzellenstapel aus. Dadurch ist die Leistung bei einem Kaltstart des Brennstoffzellenstapels erst nach einigen Minuten auf einem akzeptablen Level. Diese hohe Anlaufzeit ist bei einer mobilen Anwendung – beispielsweise in einem Automobil – nicht tragbar.
  • Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Brennstoffzellensystem der eingangs genannten Art zu schaffen, das mit einfachen Mitteln relativ schnell auf eine optimale Betriebstemperatur erwärmt werden kann.
  • Diese Aufgabe wird bei einem Brennstoffzellensystem mit mehreren, zu einem Brennstoffzellenstapel zusammengefassten Brennstoffzellen, wobei der Brennstoffzellenstapel an jedem Ende von einem Stromabnehmer begrenzt ist, an welchem eine Endplatte anliegt, erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass an dem Stromabnehmer auf der von dem Brennstoffzellenstapel abgewandten Seite eine Brennkammer angeordnet ist.
  • Aufgrund der erfindungsgemäßen Ausgestaltung kann das Brennstoffzellensystem mit einfachen Mitteln relativ schnell auf eine optimale Betriebstemperatur erwärmt werden. Denn in der Brennkammer kann Wärme erzeugt werden, welche zur Erwärmung des Stromabnehmers und der anliegenden Brennstoffzellen verwendet werden kann.
  • Die Unteransprüche beinhalten vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung.
  • Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung ist die Brennkammer in einer Ausnehmung der Endplatte angeordnet.
  • Um die Wärmeverluste der Brennkammer zu reduzieren, kann die Brennkammer auch in einer Ausnehmung einer Isolationsplatte angeordnet sein, welche zwischen der Endplatte und dem Stromabnehmer angeordnet ist.
  • In der Brennkammer ist vorteilhafterweise eine Faser- oder Schaumstruktur angeordnet ist, auf die ein Katalysator aufgebracht ist. Die Faser- oder Schaumstruktur kann beispielsweise aus Kohlenstoff, Edelstahl, Nickel o. dgl. bestehen.
  • Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist die Brennkammer mit je einer Zuführung für Wasserstoff und für Luft versehen. Der Wasserstoff kann vorteilhafterweise aus dem gleichen Tank stammen aus dem auch die Anode der Brennstoffzelle versorgt wird.
  • Um die Brennkammer nur in einem vorgegebenen Temperaturbereich zum Einsatz zu bringen, sind gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung die Zuführungen mit regelbaren Ventilen versehen. Alternativ können die Zuführungen auch mit einem Verschlusssystem versehen sein, welches die Volumenänderung eines bestimmten Materials bei verschiedenen Temperaturen nutzt.
  • Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung ist die Brennkammer mit einem Abfluss versehen. Über diesen Abfluss kann Wasser, das bei dem in der Brennkammer ablaufenden Prozess entsteht, abgeführt oder der Abluft der Kathode zugeführt werden.
  • Der Ablass für das Wasser kann auch mit der Zuführung für die Luft kombiniert werden, z. B. unter Verwendung eines Ventils.
  • Aufgrund der erfindungsgemäßen Lösung ergeben sich folgende Vorteile:
    • – Die Idealleistung des Brennstoffzellenstapels wird wesentlich schneller erreicht.
    • – Die Temperatur für einen möglichen Kaltstart ist deutlich niedriger als ohne Brennkammer.
    • – Die einzelnen Brennstoffzellen, vor allem die äußeren Brennstoffzellen, haben eine höhere Lebensdauer, da eine Eisbildung in den Poren der Membran durch die schnellere Temperaturzunahme verringert wird. Denn die gefrorenen Wassermoleküle würden durch ihre Volumenvergrößerung beim Übergang vom flüssigen zum gefrorenen Zustand die Struktur der Membran zerstören, wodurch die Leitfähigkeit der Membran stark verringert würde.
  • Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung anhand der Zeichnungen. Es zeigen:
  • 1 einen Querschnitt durch einen erfindungsgemäß ausgestalteten Brennstoffzellenstapel,
  • 2 ein Spannungsdiagramm eines Brennstoffzellenstapels gemäß dem Stand der Technik ohne Brennkammer, und
  • 3 ein Spannungsdiagramm eines Brennstoffzellenstapels gemäß der Erfindung mit Brennkammer.
  • In den Figuren sind nur die hier interessierenden Teile des Brennstoffzellensystems oder Brennstoffzellenstapels dargestellt, alle übrigen Elemente sind der Übersichtlichkeit halber weggelassen.
  • Gemäß 1 besteht das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem aus mehreren, zu einem Brennstoffzellenstapel 1 zusammengefassten Brennstoffzellen 2, wobei der Brennstoffzellenstapel 1 an jedem Ende von einem Stromabnehmer 3 begrenzt ist, an welchen eine Endplatte 4 angeordnet ist.
  • An dem Stromabnehmer 3 ist auf der den Brennstoffzellen 2 abgewandten Seite eine Brennkammer 5 angeordnet, die in einer Ausnehmung einer Isolationsplatte 6 angeordnet ist, welche zwischen der Endplatte 4 und dem Stromabnehmer 3 angeordnet ist.
  • Alternativ – aber nicht dargestellt – kann die Brennkammer 5 auch in einer Ausnehmung der Endplatte 4 angeordnet sein.
  • In der Brennkammer 5 ist eine Faser- oder Schaumstruktur aus Kohlenstoff, Edelstahl, Nickel o. dgl. angeordnet, auf die ein optionaler Katalysator aufgebracht sein kann. Weiterhin ist die Brennkammer 5 auf der einen Seite mit einer Zuführung für Wasserstoff 7 und einer Zuführung für Luft 8 und auf der gegenüberliegenden Seite mit einem Ablass 9 versehen.
  • Über die Zuführungen 7, 8 kann der Brennkammer 5 Wasserstoff und Luft zugeführt werden. Der Wasserstoff, der vorzugsweise aus dem Tank für die Anoden der Brennstoffzellen 2 kommt, wird während der Startphase vom Kathodenstrom abgezweigt und der Brennkammer 5 zugeführt. Ebenso wird der Brennkammer 5 Sauerstoff bzw. Luft zugeführt. Beim Einströmen in die Brennkammer 5 vermischt sich der Wasserstoff mit der Luft, und es erfolgt ein katalytischer Oxidationsprozess im Inneren der Brennkammer 5. Dadurch wird eine Reaktion schon bei geringen Wasserstoffkonzentrationen möglich. Der Wasserstoff reagiert mit dem Sauerstoff in der Luft zu Wasser, welches über den Ablass 9 wieder aus der Brennkammer 5 abgeleitet wird. Die entstehende Wärmeenergie erhitzt den Stromabnehmer 3 und die anliegenden Brennstoffzellen 2. Das produzierte Wasser aus der Reaktion kann der Abluft der Kathodenseite zugeführt werden.
  • Damit die Reaktion kontrolliert nur bei geringen Temperaturen stattfindet, sind die Zuführungen 7, 8 entweder mit regelbaren Ventilen (z. B. Thermostatventilen) oder mit einem Verschlusssystem versehen, welches die Volumenänderung eines Materials bei verschiedenen Temperaturen nutzt, um den Volumenstrom zur Brennkammer 5 zu steuern. Die Ventile bzw. das Verschlusssystem sollten bei ca. 10°C und darüber keinen Durchfluss mehr zulassen und bei ca. –40°C den höchsten Strömungsquerschnitt aufweisen.
  • 2 zeigt ein Spannungsdiagramm eines Brennstoffzellensystems ohne Brennkammer. Dabei ist zu erkennen, dass die äußersten Brennstoffzellen eine deutlich geringere Spannung haben als die Brennstoffzellen in der Mitte. Der Gesamtstrom des Brennstoffzellenstapels wird allerdings immer an die Brennstoffzelle mit der geringsten Spannung angepasst. Dabei ist eine Spannung Umin ausschlaggebend, bei welcher der Brennstoffzellenstapel wenig lebensdauerkritisch anläuft. Diese ist in dem Diagramm gemäß 2 0,2 V. Die beiden äußersten Brennstoffzellen sind somit der limitierende Faktor des gesamten Brennstoffzellenstapels, während die hohe Spannung in den mittleren Brennstoffzellen ungenutzt bleibt. Zum Zeitpunkt t1 fließt beim Brennstoffzellenstapel ohne Brennkammer ein Gesamtstrom von 0,2 A/cm2.
  • 3 zeigt ein Spannungsdiagramm eines Brennstoffzellensystems mit einer Brennkammer. Dabei wurde der Brennstoffzellenstapel kalt gestartet. Zum gleichen Zeitpunkt t1 ist das ΔU zwischen den äußeren und mittleren Brennstoffzellen deutlich geringer. Dadurch kann mehr Strom pro Fläche abgenommen werden, in diesem Fall 0,6 A/cm2. Somit ist die elektrische Leistung (P = U·I) des Brennstoffzellenstapels mit Brennkammer in der Anlaufphase 3× so hoch wie ohne Brennkammer.
  • Die entstehende Wärme (Verlustleistung) in den mittleren Brennstoffzellen ist bei Verwendung einer Brennkammer wesentlich höher. Diese trägt entscheidend zum schnelleren Aufwärmprozess bei, welcher bis zu 5× schneller stattfindet wie bei einem Brennstoffzellensystem ohne Brennkammer.
  • Das vorbeschriebene Brennstoffzellensystem findet vorzugsweise in einem Kraftfahrzeug Verwendung. Es kann für alle Brennstoffzellentypen und alle Brennmedien (Anodenmedien) verwendet 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
    Brennstoffzellenstapel
    2
    Brennstoffzelle
    3
    Stromabnehmer
    4
    Endplatte
    5
    Brennkammer
    6
    Isolationsplatte
    7
    Zuführung für Wasserstoff
    8
    Zuführung für Luft
    9
    Ablass

Claims (11)

  1. Brennstoffzellensystem mit mehreren, zu einem Brennstoffzellenstapel zusammengefassten Brennstoffzellen, wobei der Brennstoffzellenstapel an jedem Ende von einem Stromabnehmer begrenzt ist, an welcher eine Endplatte anliegt, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Stromabnehmer (3) auf der von dem Brennstoffzellenstapel (1) abgewandten Seite eine Brennkammer (5) angeordnet ist.
  2. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkammer (5) in einer Ausnehmung der Endplatte (4) angeordnet ist.
  3. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkammer (5) in einer Ausnehmung einer Isolationsplatte (6) angeordnet ist, welche zwischen der Endplatte (4) und dem Stromabnehmer (3) angeordnet ist.
  4. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass in der Brennkammer (5) eine Faser- oder Schaumstruktur angeordnet ist, auf die ein Katalysator aufgebracht ist.
  5. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Faser- oder Schaumstruktur aus Kohlenstoff, Edelstahl, Nickel o. dgl. besteht.
  6. Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkammer (5) mit je einer Zuführung (7, 8) für Wasserstoff und für Luft versehen ist.
  7. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuführungen (7, 8) mit regelbaren Ventilen versehen sind.
  8. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuführungen (7, 8) mit einem Verschlusssystem versehen sind, welches die Volumenänderung des Materials bei verschiedenen Temperaturen nutzt.
  9. Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkammer (5) mit einem Ablass (9) versehen ist.
  10. Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Brennmedien alle Anodenmedien verwendet werden können.
  11. Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es in einem Kraftfahrzeug verwendet wird.
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