DE102015014562A1

DE102015014562A1 - Brennstoffzellensystem

Info

Publication number: DE102015014562A1
Application number: DE102015014562.2A
Authority: DE
Inventors: Andreas Knoop
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Cellcentric GmbH and Co KG
Priority date: 2015-11-11
Filing date: 2015-11-11
Publication date: 2017-05-11

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem (1) mit wenigstens einer Brennstoffzelle (3), mit einer Luftfördereinrichtung (6), welche einen Kathodenbereich (4) der wenigstens einen Brennstoffzelle (3) Luft über eine Zuluftleitung (8) zuführt, mit einem Brennstoffzellengehäuse (12), welches die wenigstens eine Brennstoffzelle (3) umgibt, wobei das Brennstoffzellengehäuse (12) über eine Spüllufteinströmöffnung zumindest mittelbar mit der Umgebung verbunden ist, wobei das Brennstoffzellengehäuse (12) mit einer Spülluftableitung (14) verbunden ist, in deren Bereich eine Gasstrahlpumpe (15) angeordnet ist. Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem ist dadurch gekennzeichnet, dass die Gasstrahlpumpe (15) über eine Treibgasleitung (16) mit der Druckseite der Luftfördereinrichtung (6) verbunden ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem mit wenigstens einer Brennstoffzelle nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art. Außerdem betrifft die Erfindung die Verwendung eines derartigen Brennstoffzellensystems.
Der gattungsgemäße Stand der Technik wird durch die DE 10 2008 016 579 A1 beschrieben. Gemäß dieser Schrift ist in dem Brennstoffzellensystem um die Brennstoffzelle herum ein Brennstoffzellengehäuse vorgesehen. Dieses Gehäuse hat einerseits die Aufgabe, die Brennstoffzelle mechanisch zu schützen und hat andererseits die Aufgabe, eventuelle, und insbesondere bei Wasserstoff nie gänzlich zu vermeidende Gasleckagen der Brennstoffzelle aufzufangen. Die Gasleckagen gelangen zusammen mit beispielsweise im Betrieb der Brennstoffzelle in dem Gehäuse verdampfter Feuchtigkeit über Spülluft aus dem Brennstoffzellengehäuse. Die Spülluft strömt über einen Filter durch eine Spüllufteinströmöffnung in das Brennstoffzellengehäuse und wird über eine Spülluftableitung, welche mit einer Gasstrahlpumpe in Verbindung steht, aus dem Brennstoffzellengehäuse abgezogen. Als Treibgasstrom für die Gasstrahlpumpe dient dabei die aus der Brennstoffzelle abströmende Abluft, sodass die Spülluft zusammen mit der Abluft in die Umgebung gelangt, wobei eventuelle Leckagen an Wasserstoff entsprechend verdünnt werden.
Problematisch kann es hier sein, wenn es zu größeren Leckagen kommt, dass diese in die Umgebung gelangen.
Aus der DE 10 2007 042 784 A1 ist ein Aufbau bekannt, welcher dieser Problematik dadurch entgegenwirkt, dass die Spülluft aus dem Brennstoffzellengehäuse zusammen mit der Zuluft im Kathodenbereich der Brennstoffzelle zugeführt wird, wodurch eventueller Restwasserstoff in der Spülluft am Kathodenkatalysator der Brennstoffzelle mit Luftsauerstoff reagiert, sodass Wasserstoffemissionen sicher und zuverlässig vermieden werden können. Ein vergleichbarer Aufbau ist auch aus der DE 10 2013 003 470 A1 bekannt.
Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, ein gattungsgemäßes Brennstoffzellensystem gegenüber dem Stand der Technik weiter zu verbessern.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sowie eine besonders bevorzugte Verwendung eines derartigen Brennstoffzellensystems ergeben sich aus den hiervon abhängigen Ansprüchen.
Bei dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem ist es vorgesehen, dass – vergleichbar wie bei dem Brennstoffzellensystem im gattungsgemäßen Stand der Technik – eine Gasstrahlpumpe zur Förderung des Spülluftstroms eingesetzt wird. Um einen einfachen, kleinen und effizienten Aufbau der Gasstrahlpumpe zu gewährleisten, ist es dabei vorgesehen, dass die Gasstrahlpumpe über eine Treibgasleitung mit der Druckseite der Luftfördereinrichtung verbunden ist. Als Treibgasstrom für die Gasstrahlpumpe wird also auf der Druckseite der Luftfördereinrichtung unter entsprechend hohem Druck vorliegende Luft eingesetzt. Hierdurch kann mit vergleichsweise geringem Energieaufwand eine ausreichende Strömung in der Spülluft erzeugt werden, welche dafür sorgt, dass Feuchtigkeit und Gase sicher und zuverlässig aus dem Brennstoffzellengehäuse abgeführt werden.
Dabei kann es gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Idee vorgesehen sein, dass die Treibgasleitung aus der Zuluftleitung zu der Brennstoffzelle in Strömungsrichtung der Zuluft nach der Luftfördereinrichtung abzweigt. Von der verdichteten zur Brennstoffzelle strömenden Zuluft wird also nur ein gewisser Anteil als Treibgas genutzt. Hierdurch lässt sich eine entsprechend kompakte, kleine und effiziente Gasstrahlpumpe realisieren.
Gemäß einer weiteren sehr günstigen Ausgestaltung der Idee kann es ferner vorgesehen sein, dass die Spülluftableitung in Strömungsrichtung der Spülluft nach der Gasstrahlpumpe in Strömungsrichtung der Zuluft zwischen der Luftfördereinrichtung und der Brennstoffzelle in die Zuluftleitung mündet. Durch dieses Einbringen der Spülluft in die Zuluftleitung, und zwar idealerweise zwischen der Luftfördereinrichtung und der Brennstoffzelle, wird eine Durchmischung der abgesaugten Spülluft mit der Zuluft erreicht, sodass im Kathodenbereich der Brennstoffzelle eventueller Restwasserstoff mit dem Sauerstoff abreagieren kann. Hierdurch werden Wasserstoffemissionen in die Umgebung sicher und zuverlässig ausgeschlossen.
Gemäß einer weiteren sehr vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems kann es ferner vorgesehen sein, dass die Gasstrahlpumpe in eine Abströmöffnung für die Spülluft des Brennstoffzellengehäuses integriert ausgebildet ist. Eine solche Integration der Gasstrahlpumpe in die Abströmöffnung für die Spülluft aus dem Brennstoffzellengehäuse ermöglicht einen einfachen und kompakten Aufbau. Insbesondere kann auf zusätzliche Verbindungselemente und die dabei notwendige Abdichtung verzichtet werden.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Idee ist es dabei vorgesehen, dass eine Venturidüse der Gasstrahlpumpe in die Abströmöffnung eingesetzt ist. Ein Aufbau, welcher beispielsweise aus einem Rohrelement mit innenliegender Venturidüse besteht, kann in einfacher und vorteilhafter Weise in die Abströmöffnung des Brennstoffzellengehäuses eingesetzt werden. Der Aufwand zur konstruktiven Realisierung der Gasstrahlpumpe wird dadurch minimiert. Gleichzeitig kann auf weitere Abdichtelemente und Verbindungselemente wie beispielsweise eine Schlauchleitung zwischen dem Brennstoffzellengehäuse und der Gasstrahlpumpe verzichtet werden.
Gemäß einer weiteren sehr vorteilhaften Ausgestaltung der Idee kann es dabei ferner vorgesehen sein, dass die Gasstrahlpumpe einen Flansch oder einen Anschlussstutzen für die Spülluftableitung ausbildet. Die Gasstrahlpumpe selbst kann also idealerweise so in das Brennstoffzellengehäuse integriert werden, dass diese, vorteilhafterweise an ihrem anderen dem Gehäuse angewandten Ende, einen Flansch oder einen Anschlussstutzen für die Spülluftableitung ausbildet. Beispielsweise kann es gemäß der oben beschriebenen vorteilhaften Ausgestaltung so sein, dass eine in ein Rohr integrierte Venturidüse in die Abströmöffnung des Brennstoffzellengehäuses eingesetzt ist. Durch radiale oder axiale Dichtelemente kann eine Abdichtung zwischen dem Brennstoffzellengehäuse und dem die Venturidüse aufweisenden Rohr erzielt werden. Gleichzeitig ragt das Rohr an seinem anderen Ende ein Stück über das Brennstoffzellengehäuse hinaus und kann dann idealerweise als Anschlussstutzen für eine Spülluftableitung in Form eines Schlauchs dienen. Der Aufbau wird dann außerordentlich einfach und kompakt, was zahlreiche Vorteile sowohl hinsichtlich der Herstellungs- und Montagekosten als auch hinsichtlich des Gewichts und des Bauraumbedarfs bietet.
Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem lässt sich einfach, leicht und hinsichtlich der Gefahr eventueller Wasserstoffemissionen sehr sicher aufbauen. Es eignet sich daher insbesondere für die Verwendung in einem Fahrzeug, in welchem das Brennstoffzellensystem zumindest einen Teil der Antriebsleistung bereitstellt, da bei Fahrzeuganwendungen Gewicht, Bauraum und Sicherheit immer von besonderes großer Bedeutung sind.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems ergeben sich aus den weiteren abhängigen Unteransprüchen und werden anhand des Ausführungsbeispiels deutlich, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben ist.
Dabei zeigen:
1 ein prinzipmäßig angedeutetes Brennstoffzellensystem in einer möglichen Ausführungsvariante gemäß der Erfindung; und
2 die Ausgestaltung der Gasstrahlpumpe in einer möglichen Ausführungsform gemäß der Erfindung.
In der Darstellung der 1 ist ein prinzipmäßig angedeutetes Brennstoffzellensystem 1 zu erkennen, welches zur Bereitstellung von zumindest einem Teil der Antriebsleistung in einem angedeuteten Fahrzeug 2 dienen soll. Den Kern des Brennstoffzellensystems 1 bildet dabei eine mit 3 bezeichnete Brennstoffzelle, welche beispielsweise als PEM-Brennstoffzelle aufgebaut ist. Die Brennstoffzelle 3 ist dabei in der typischen Art und Weise als Stapel von Einzelzellen, als sogenannter Brennstoffzellenstapel bzw. Brennstoffzellenstack, realisiert. Rein beispielhaft ist in der Darstellung der 1 ein gemeinsamer Kathodenbereich 4 sowie ein gemeinsamer Anodenbereich 5 angedeutet. Dem Kathodenbereich 4 wird Luft als Sauerstofflieferant über eine Luftfördereinrichtung 6, beispielsweise einen Strömungsverdichter, zugeführt. Die Luft wird über einen Luftfilter 7 aus der Umgebung angesaugt und gelangt über eine Zuluftleitung 8 und einen optionalen darin angeordneten Befeuchter 9 zum Kathodenbereich 4 der Brennstoffzelle 3. Die Abluft gelangt über eine Abluftleitung 10 wiederum über den optionalen Befeuchter 9, welcher als Gas/Gas-Befeuchter ausgebildet sein kann, in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel in die Umgebung. Die Abluftleitung 10 könnte weitere Elemente wie beispielsweise Wasserabscheider, eine Abluftturbine oder ähnliches aufweisen. All dies ist dem Fachmann bekannt, sodass hierauf nicht weiter eingegangen werden muss.
Im Anodenbereich 5 der Brennstoffzelle 3 wird Wasserstoff H₂ zugeführt. Über eine Abgasleitung 11 gelangt der Wasserstoff in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel aus dem System. Auch dies ist stark vereinfacht dargestellt. Dem Fachmann ist selbstverständlich klar, dass die Brennstoffzelle 3 mit einem sogenannten Anodenkreislauf betrieben werden könnte, bei dem Abgas rezirkuliert wird. Auch der Betreib als sogenannte Dead-End-Brennstoffzelle wäre prinzipiell denkbar, sodass es zu keinen Wasserstoffemissionen in die Umgebung kommt.
Um die Brennstoffzelle 3 einerseits mechanisch zu schützen und eventuelle Leckagen sowie im Umfeld der Brennstoffzelle 3 verdampfendes Kondensat aufzufangen, ist um die Brennstoffzelle 3 herum ein Brennstoffzellengehäuse 12 angeordnet, welches auch als Stackgehäuse bezeichnet wird. Das Brennstoffzellengehäuse 12 wird, wie es aus dem Stand der Technik an sich bekannt ist, mit Spülluft durchströmt. Hierzu kann die Spülluft über eine Spüllufteinströmöffnung direkt aus der Umgebung in das Brennstoffzellengehäuse 12 einströmen. Alternativ dazu, und so ist es hier dargestellt, ist eine Spülluftzuleitung 13 vorgesehen, welche aus der Zuluftleitung 8 in Strömungsrichtung nach dem Luftfilter 7 und vor der Luftfördereinrichtung 6 abzweigt. Hierdurch kann durch den Luftfilter 7 gereinigte Luft über die Spülluftzuleitung 13 in das Brennstoffzellengehäuse 12 einströmen. Die Spülluft aus dem Brennstoffzellengehäuse 12 wird über eine Spülluftableitung 14 wieder aus dem Brennstoffzellengehäuse 12 abgesaugt, wozu eine Gasstrahlpumpe 15 vorgesehen ist. In dieser wird über Impulsaustausch und Unterdruckeffekte eine Strömung in der Spülluftableitung 14 erzeugt, sodass die Spülluft durch die Spülluftableitung 14 abgesaugt und über einen nach der Gasstrahlpumpe 15 liegenden Teil der Spülluftableitung 14 der Zuluftleitung 8 zugeführt wird. Zusammen mit der Zuluft in der Zuluftleitung 8 strömt die Spülluft dann in den Kathodenbereich 4 der Brennstoffzelle 3 ein. Typischerweise unvermeidliche Wasserstoffemissionen aus der Brennstoffzelle 3, welche in dem Brennstoffzellengehäuse 12 aufgefangen worden sind, gelangen so in den Kathodenbereich 4 und können am dortigen Katalysator mit Luftsauerstoff zu Wasser abreagieren. Hierdurch ist es möglich, Wasserstoffemissionen in die Umgebung zu verhindern.
Um die Gasstrahlpumpe 15 nun möglichst klein und effizient ausbilden zu können, ist es vorgesehen, dass ein Treibgasstrom für die Gasstrahlpumpe 15 über eine Treibgasleitung 16 zur Gasstrahlpumpe 15 gelangt. Typischerweise reicht dabei eine vergleichsweise geringe Luftmasse des Treibgasstroms, welche in der Regel lediglich 1/6 bis 1/10 der Luftmasse des Spülluftstroms beträgt, aus, um den Spülluftstrom über die Spülluftableitung 14 aus dem Brennstoffzellengehäuse 12 abzusaugen und in die Zuluftleitung 8 zu fördern. Durch die vergleichsweise geringe Luftmasse bzw. das vergleichsweise geringe Luftvolumen des Treibgasstroms in der Treibgasleitung 16 lässt sich so ein sehr einfacher, kompakter und hinsichtlich des Energiebedarfs sehr effizienter Aufbau realisieren.
Einen besonders bevorzugten Aufbau der Gasstrahlpumpe 15 zeigt nun die in 2 beispielhaft dargestellte Ausführung. Dabei ist ein Teil des Brennstoffzellengehäuses 12 zu erkennen. Dieser Teil des Brennstoffzellengehäuses 12 weist in dem dargestellten Abschnitt eine Abströmöffnung 17 für die Spülluft auf, welche durch zwei mit der Bezeichnung SPL bezeichnete Pfeile angedeutet ist. In dem Bereich dieser Abströmöffnung 17 ragt von oben ein Rohrabschnitt 18 radial hinein. Dieser Rohrabschnitt 18 ist an seinem Ende entsprechend verschlossen und weist lediglich eine in axialer Richtung der Abströmöffnung 17 liegende Öffnung auf, welche eine Düse 19 ausbildet, durch welche der über die Treibgasleitung 16 in den Rohrabschnitt 18 zugeführte Treibgasstrom austritt. Er ist in diesem Bereich durch einen Pfeil angedeutet, welcher mit der Bezeichnung TG gekennzeichnet ist. In Strömungsrichtung des Treibgasstroms TG und der Spülluft SPL schließt sich dann ein in die Abströmöffnung 17 eingestecktes Rohr 20 an. dieses Rohr 20 kann beispielsweise zwei unterschiedliche Außendurchmesser oder einen Flansch aufweisen, um so einen Anschlag auszubilden. Es kann beispielsweise eingepresst, eingeklebt oder auch durch einen hier nicht dargestellten Flansch in seiner axialen Richtung mit dem Brennstoffzellengehäuse 12 verbunden sein. Über angedeutete Dichtelemente wird eine Abdichtung zwischen dem Brennstoffzellengehäuse 12 bzw. seiner Abströmöffnung 17 und dem Rohr 20 erreicht. Im Inneren ist das Rohr 20 in der Art einer mit 22 bezeichneten Venturidüse ausgebildet. Es bildet damit zusammen mit der Düse 18 für den Treibgasstrom TG die Gasstrahlpumpe 15 aus. Durch Impulsaustausch und Unterdruckeffekte wird über den Treibgasstrom TG die Spülluft angesaugt, sodass im Bereich der Venturidüse 22 und in Strömungsrichtung danach eine gemischte Strömung aus Treibgas TG und Spülluft SPL vorliegt. Idealerweise ist es nun so, dass das in die Abströmöffnung 17 eingesteckte Rohr 20 gleichzeitig einen Flansch bzw. einen Anschlussstutzen für die Spülluftableitung 14 ausbildet. Die Spülluftableitung 14 ist in der Darstellung der 2 als Schlauchleitung beispielhaft dargestellt und von außen auf das Rohr 20 aufgeschoben. Über eine angedeutete Schlauchschelle 23 kann der Aufbau dichtend verbunden werden.
Insgesamt ist dieser Aufbau außerordentlich einfach, kompakt und hinsichtlich der benötigten Schnittstellen innerhalb des Systems sehr effizient. Er lässt sich einfach montieren und erlaubt somit eine kostengünstige Herstellung des Brennstoffzellensystems 1 in dem Fahrzeug 2.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102008016579 A1 [0002]
DE 102007042784 A1 [0004]
DE 102013003470 A1 [0004]

Claims

Brennstoffzellensystem (1) mit wenigstens einer Brennstoffzelle (3), mit einer Luftfördereinrichtung (6), welche einen Kathodenbereich (4) der wenigstens einen Brennstoffzelle (3) Luft über eine Zuluftleitung (8) zuführt, mit einem Brennstoffzellengehäuse (12), welches die wenigstens eine Brennstoffzelle (3) umgibt, wobei das Brennstoffzellengehäuse (12) über eine Spüllufteinströmöffnung zumindest mittelbar mit der Umgebung verbunden ist, wobei das Brennstoffzellengehäuse (12) mit einer Spülluftableitung (14) verbunden ist, in deren Bereich eine Gasstrahlpumpe (15) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasstrahlpumpe (15) über eine Treibgasleitung (16) mit der Druckseite der Luftfördereinrichtung (6) verbunden ist.
Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Treibgasleitung (16) aus der Zuluftleitung (8) zu der Brennstoffzelle (3) in Strömungsrichtung der Zuluft nach der Luftfördereinrichtung (6) abzweigt.
Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Spülluftzuleitung (13) in Strömungsrichtung der Zuluft nach einem Luftfilter (7) und vor der Luftfördereinrichtung (6) aus der Zuluftleitung (8) abzweigt und mit der Spüllufteinströmöffnung verbunden ist.
Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Spülluftableitung (14) in Strömungsrichtung der Spülluft nach der Gasstrahlpumpe (15) in Strömungsrichtung der Zuluft zwischen der Luftfördereinrichtung (6) und der Brennstoffzelle (3) in die Zuluftleitung (8) mündet.
Brennstoffzellensystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Treibgasleitung (16) radial in das Innere der Gasstrahlpumpe (15) ragt, und über wenigstens eine hinsichtlich der Durchströmung der Gasstrahlpumpe (15) axiale Öffnung (Düse 19) in Strömungsrichtung der Spülluft (SPL) vor einer Venturidüse (22) verfügt.
Brennstoffzellensystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasstrahlpumpe (15) in eine Abströmöffnung (17) für die Spülluft (SPL) des Brennstoffzellengehäuses (12) integriert ausgebildet ist.
Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Venturidüse (22) der Gasstrahlpumpe (15) in die Abströmöffnung (17) eingesetzt ist.
Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasstrahlpumpe (15) einen Flansch oder einen Anschlussstutzen für die Spülluftableitung (14) ausbildet.
Verwendung des Brennstoffzellensystems (1) nach einem der Ansprüche 1 oder 8, zur Bereitstellung zumindest eines Teils der Antriebsleistung für ein Fahrzeug (2).