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Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem, z.B. ein Brennstoffzellensystem für ein Fahrzeug. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Brennstoffzellensystem mit Mitteln zum Schutz vor Überdruck. Ein Straßenkraftfahrzeug kann ein Brennstoffzellensystem mit einem Brennstoffzellenstapel mit ein oder mehreren Brennstoffzellen aufweisen, wobei das Brennstoffzellensystem auf Basis eines Brennstoffs wie z.B. Wasserstoff elektrische Energie für den Betrieb, insbesondere für den Antrieb, des Fahrzeugs generiert. Der Brennstoff kann in einem oder mehreren Drucktanks des Fahrzeugs gespeichert werden.
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Während des Betriebs eines Brennstoffzellensystems kann es zu Situationen mit erhöhten Brennstoffdruck kommen (z.B. infolge eines Unfalls). In einer solchen Situation ist es typischerweise erforderlich, den Brennstoff in kontrollierter Weise abzuführen, um z.B. eine Beschädigung des Brennstoffzellenstapels zu verhindern.
DE 11 2005 001 162 B4 beschreibt in diesem Zusammenhang die Verwendung von Überdruckventilen. Die Verwendung von derartigen Überdruckventilen ist jedoch mit zusätzlichen Kosten, Gewicht und Bauraum verbunden. Die Druckschriften
DE 11 2010 005 734 T5 ,
US 2013 / 0 288 160 A1 ,
DE 10 2007 050 600 B4 und
DE 10 2015 002 024 A1 sind Stand der Technik.
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Das vorliegende Dokument befasst sich mit der technischen Aufgabe, ein Brennstoffzellensystem bereitzustellen, das kosten-, gewichts-, und bauraumeffiziente Mittel zur Abführung des Brennstoffs bei Vorliegen einer Überdrucksituation aufweist.
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Die Aufgabe wird durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen werden u.a. in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
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Gemäß einem Aspekt wird ein Brennstoffzellensystem beschrieben. Das Brennstoffzellensystem umfasst einen Brennstoffzellenstapel mit ein oder mehreren Brennstoffzellen. Dabei können die ein oder mehreren Brennstoffzellen zwischen zwei Endplatten angeordnet sein. Die Endplatten können dazu verwendet werden, die ein oder mehreren Brennstoffzellen zusammenzupressen bzw. zusammenzuhalten. Die ein oder mehreren Brennstoffzellen können elektrisch in Reihe zueinander geschaltet sein. Zu diesem Zweck kann die Kathode einer ersten Brennstoffzelle mit der Anode einer direkt benachbarten zweiten Brennstoffzelle elektrisch gekoppelt sein. Des Weiteren kann der Brennstoffzellenstapel ein oder mehrere Bipolarplatten aufweisen, wobei eine Bipolarplatte auf einer ersten Seite die Kathode einer ersten Brennstoffzelle und auf einer zweiten Seite die Anode einer direkt benachbarten zweiten Brennstoffzelle bildet. Die Bipolarplatten können auf der jeweiligen Seite Kanäle aufweisen, um den Brennstoff, das Oxidationsmittel und/oder Abgase einer Brennstoffzelle zu führen.
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Außerdem umfasst das Brennstoffzellensystem zumindest eine anodenseitige Komponente, die mit zumindest einer Anode der ein oder mehreren Brennstoffzellen gekoppelt ist und die zur Führung von Brennstoff ausgelegt ist. Typischerweise ist die anodenseitige Komponente mit allen Anoden der ein oder mehreren Brennstoffzellen gekoppelt (z.B. um Brennstoff zu den Anoden hin oder von den Anoden weg zu führen). Die anodenseitige Komponente kann zwischen einem Drucktank für Brennstoff und den Anoden der ein oder mehreren Brennstoffzellen angeordnet sein. Alternativ oder ergänzend kann die anodenseitige Komponente zwischen den Anoden der ein oder mehreren Brennstoffzellen und einem Rezirkulationsförderer angeordnet sein, um unverbrauchten Brennstoff zurück zu den Anoden der ein oder mehreren Brennstoffzellen zu fördern. Dabei kann der Brennstoff in der anodenseitigen Komponente einen relativ hohen Druck aufweisen. Insbesondere kann es ggf. zu einem Überdruck von Brennstoff innerhalb der anodenseitigen Komponente kommen. Ein derartiger Überdrück könnte den Brennstoffzellenstapel beschädigen.
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Die anodenseitige Komponente kann beispielsweise eine Brennstoff-Zuleitung umfassen, die eingerichtet ist, Brennstoff zu dem Brennstoffzellenstapel zu führen. Alternativ oder ergänzend kann die anodenseitige Komponente eine Brennstoff-Ableitung umfassen, die eingerichtet ist, unverbrauchten Brennstoff aus dem Brennstoffzellenstapel zu führen. Alternativ oder ergänzend kann die anodenseitige Komponente einen Wasserabscheider umfassen, der eingerichtet ist, Spülprodukte, insbesondere Wasser, einer Anodenspülung aus Gasen der Brennstoff-Ableitung zu filtern.
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Außerdem umfasst das Brennstoffzellensystem eine kathodenseitige Komponente, die mit einer Kathode der ein oder mehreren Brennstoffzellen gekoppelt ist und die zur Führung von Abgasen der ein oder mehreren Brennstoffzellen ausgelegt ist. Beispielsweise kann die kathodenseitige Komponente eine Reaktionsprodukt-Ableitung umfassen, die eingerichtet ist, Reaktionsprodukte (z.B. Wasser) und/oder nichtreagierende Medien (Stickstoff und Restsauerstoff) von dem Brennstoffzellenstapel wegzuführen.
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Die anodenseitige Komponente und die kathodenseitige Komponente weisen eine gemeinsame Wand mit einer Sollbruchstelle auf. Dabei liegt die Sollbruchstelle bevorzugt in einem örtlich begrenzten Teilbereich der gemeinsamen Wand zwischen der anodenseitigen Komponente und der kathodenseitigen Komponente. Beispielsweise kann die gemeinsame Wand zwischen der anodenseitigen Komponente und der kathodenseitigen Komponente im Bereich der Sollbruchstelle eine reduzierte Druckbeständigkeit, eine reduzierte Wandstärke und/oder eine vom Rest der Wand abweichende Materialzusammensetzung aufweisen. Es kann somit (bei Überdruck) an der Sollbruchstelle zu einer (ggf. lokal begrenzten) Öffnung in der Wand zwischen der anodenseitigen Komponente und der kathodenseitigen Komponente kommen.
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Typischerweise ist die Sollbruchstelle derart ausgelegt, dass das Brechen der Sollbruchstelle zu einer Zerstörung eines Teilbereichs der gemeinsamen Wand zwischen der anodenseitigen Komponente und der kathodenseitigen Komponente führt. Dabei kann die durch das Brechen der Sollbruchstelle bewirkte Öffnung typischerweise nicht reversibel wieder verschlossen werden. Insbesondere kann die durch das Brechen der Sollbruchstelle bewirkte Öffnung typischerweise nur durch einen Austausch der gemeinsamen Wand zwischen der anodenseitigen Komponente und der kathodenseitigen Komponente bzw. durch einen Austausch der anodenseitigen Komponente und der kathodenseitigen Komponente insgesamt wieder verschlossen werden. Die Sollbruchstelle unterscheidet sich somit substantiell von einem Ventil, das typischerweise bei Bedarf wieder verschlossen werden kann, das jedoch typischerweise zusätzlichen Bauraum erfordert und zusätzliche Kosten und zusätzliches Gewicht verursacht. Darüber hinaus kann durch die Bereitstellung einer Sollbruchstelle eine vergleichsweise große Querschnittsfläche, insbesondere im Vergleich zu einem Ventil, geschaffen werden, um einen schnellen Übertritt eines Mediums von der anodenseitigen Komponente zu der kathodenseitigen Komponente und damit einen schnellen Druckabbau zu ermöglichen.
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Die Sollbruchstelle ist bevorzugt ausgelegt, bei Erreichen und/oder Überschreiten eines Grenzdrucks zu brechen und dabei eine Öffnung zwischen der anodenseitigen Komponente und der kathodenseitigen Komponente zu schaffen. Der Grenzdruck kann dabei kleiner oder gleich dem Druck sein, der zu einer Beschädigung des Brennstoffzellenstapels führen würde. Der Rest der Wand zwischen der anodenseitigen Komponente und der kathodenseitigen Komponente (außerhalb des Teilbereichs der Sollbruchstelle) kann derart ausgelegt sein, dass die Wand dem Grenzdruck standhält (z.B. bis zu einem Druck der mindestens 2, 3, 4, 5 mal größer als der Grenzdruck ist).
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Die Bereitstellung einer Sollbruchstelle zwischen einer anodenseitigen Komponente und einer kathodenseitigen Komponente ermöglicht es, in effizienter Weise Brennstoff in einer Überdrucksituation in den Kathodenpfad des Brennstoffzellensystems zu überführen, um den Brennstoffzellenstapel des Brennstoffzellensystems zu schützen. Außerdem kann durch die Überführung von Brennstoff in die kathodenseitige Komponente (durch die mittels der Sollbruchstelle geschaffene Öffnung) Brennstoff in zuverlässiger und sicherer Weise aus dem Brennstoffzellensystem geführt werden. Dies ist besonders von Vorteil, da der Kathodenabgasmassenstrom in der kathodenseitigen Komponente den Brennstoff aus der anodenseitigen Komponente effizient verdünnen kann, um ein ggf. zündfähiges Gemisch zu verhindern. Ferner ist der Abgastrakt eines Brennstoffzellenfahrzeugs, d.h. die kathodenseitige Komponente, typischerweise derartig ausgelegt, dass der Abgastrakt Gasgemische effizient vom Fahrzeug weg fördert und Druckanstiegen (infolge des Bruchs der Sollbruchstelle) standhält.
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Wie bereits oben dargelegt können die ein oder mehreren Brennstoffzellen zwischen zwei Endplatten des Brennstoffzellenstapels angeordnet sein. Dabei kann der Brennstoffzellenstapel derart aufgebaut sein, dass sowohl die anodenseitige Komponente als auch die kathodenseitige Komponente über die gleiche Endplatte mit dem Brennstoffzellenstapel gekoppelt sind. So wird ein besonders bauraumeffizientes Brennstoffzellensystem ermöglicht. Insbesondere können so in besonders bauraumeffizienter Weise eine anodenseitige Komponente und eine kathodenseitige Komponente mit einer gemeinsamen Wand bereitgestellt werden.
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Das Brennstoffzellensystem kann einen Sensor umfassen, der eingerichtet ist, Sensordaten in Bezug auf einen Zustand der Sollbruchstelle zu erfassen. Der Sensor kann z.B. eine elektrisch leitende Verbindung umfassen, die unterbrochen wird, wenn die Sollbruchstelle bricht.
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Außerdem kann das Brennstoffzellensystem eine Steuereinheit umfassen, die eingerichtet ist, auf Basis der Sensordaten zu bestimmen, ob die Sollbruchstelle gebrochen ist. Des Weiteren kann die Steuereinheit eingerichtet sein, ein oder mehrere Schutzmaßnahmen einzuleiten, wenn bestimmt wurde, dass die Sollbruchstelle gebrochen ist. Dabei können die ein oder mehreren Schutzmaßnahmen eine Maßnahme umfassen (z.B. das Schließen eines Drucktankventils), um eine Zufuhr von Brennstoff zu der anodenseitigen Komponente zu reduzieren und/oder zu unterbinden. Alternativ oder ergänzend können die ein oder mehreren Schutzmaßnahmen eine Maßnahme umfassen (z.B. das Erhöhen eines Massenstroms an Oxidationsmittel), um einen Abgasmassenstrom in der kathodenseitigen Komponente zu erhöhen. So kann die Sicherheit des Brennstoffzellensystems weiter erhöht werden.
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Weiter vorteilhaft kann die Sollbruchstelle so ausgeführt sein, dass während und nach dem Brechen der Sollbruchstelle keine Teile der Wand (z.B. als Splitter) abgelöst werden. So kann verhindert werden, dass abgelöste Teile der Sollbruchstelle Funktionen und/oder Komponenten des Abgassystems beeinträchtigen beschädigen (z.B. Expanderschaufeln des Brennstoffzellensystems). Beispielsweise kann dies konstruktiv derart gelöst werden, dass bei dem Bruch der Sollbruchstelle mindestens eine Seite nicht bricht und sich somit eine Klappe ausbildet. Alternativ oder ergänzend können metallische und/oder faserförmige Verstärkungen eine Sollbruchstelle ermöglichen, bei der sich keine Wandteile lösen.
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Die Sollbruchstelle kann somit derart ausgelegt sein, dass sich beim Brechen der Sollbruchstelle substantiell kein Teil der gemeinsamen Wand von der gemeinsamen Wand löst. Insbesondere kann durch das Brechen der Sollbruchstelle eine Art Klappe innerhalb der gemeinsamen Wand gebildet werden, wobei die Klappe an zumindest einer Seite mit dem Rest der gemeinsamen Wand verbunden ist.
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Der Brennstoff kann in dem Brennstoffzellensystem vor einem Druckminderer (z.B. am Ausgang des Drucktanks) einen relativ hohen Druck (z.B. einen Hochdruck von ca. 700bar) und nach einem Druckminderer (z.B. am Eingang des Brennstoffzellenstapels) einen relativ niedrigen Druck (z.B. einen Mitteldruck) aufweisen. Die anodenseitige Komponente kann dabei Brennstoff mit einem relativ hohen Druck oder mit einem relativ niedrigen Druck aufweisen. Es kann somit ein Schutz im Hochdruckbereich und/oder im Mitteldruckbereich eines Brennstoffzellensystems bereitgestellt werden.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Fahrzeug (insbesondere ein Straßenfahrzeug z.B. ein Personenkraftwagen oder ein Lastkraftwagen) beschrieben, das das in diesem Dokument beschriebene Brennstoffzellensystem umfasst.
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Es ist zu beachten, dass die in diesem Dokument beschriebenen Vorrichtungen und Systeme sowohl alleine, als auch in Kombination mit anderen in diesem Dokument beschriebenen Vorrichtungen und Systemen verwendet werden können. Des Weiteren können jegliche Aspekte der in diesem Dokument beschriebenen Vorrichtungen und Systemen in vielfältiger Weise miteinander kombiniert werden. Insbesondere können die Merkmale der Ansprüche in vielfältiger Weise miteinander kombiniert werden.
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Im Weiteren wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Dabei zeigen
- 1 ein beispielhaftes Brennstoffzellensystem mit einem Brennstoffzellenstapel;
- 2 einen beispielhaften Aufbau einer Brennstoffzelle;
- 3 einen beispielhaften Brennstoffzellenstapel in einer Seitenansicht;
- 4 einen beispielhaften Brennstoffzellenstapel in einer Frontansicht; und
- 5 eine beispielhafte anodenseitige Komponente und eine beispielhafte kathodenseitige Komponente mit einer gemeinsamen Trennwand.
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Wie eingangs dargelegt, befasst sich das vorliegende Dokument mit der effizienten Abführung von Brennstoff aus einem Brennstoffzellensystem bei Vorliegen einer Überdrucksituation.
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1 zeigt ein Brennstoffzellensystem 100 mit einem Brennstoffzellenstapel 102 mit mindestens einer Brennstoffzelle 101. Das Brennstoffzellensystem 100 ist beispielsweise für mobile Anwendungen wie Kraftfahrzeuge gedacht, insbesondere zur Bereitstellung der Energie für mindestens eine Antriebsmaschine zur Fortbewegung eines Kraftfahrzeugs. Eine Brennstoffzelle 101 ist ein elektrochemischer Energiewandler, der Brennstoff und Oxidationsmittel in Reaktionsprodukte umwandelt und dabei Elektrizität und Wärme produziert. Eine Brennstoffzelle 100 umfasst (wie in 2 dargestellt) eine Anode 201 und eine Kathode 202, die durch einen ionenselektiven bzw. ionenpermeablen Separator 203 getrennt sind. Die Anode 201 wird mit Brennstoff 211 versorgt. Bevorzugte Brennstoffe 211 sind: Wasserstoff, niedrigmolekularer Alkohol, Biokraftstoffe, oder verflüssigtes Erdgas. Die Kathode 202 wird mit Oxidationsmittel 212 versorgt. Bevorzugte Oxidationsmittel 212 sind: Luft, Sauerstoff und Peroxide. Der ionenselektive Separator 203 kann bspw. als Protonenaustauschmembran (proton exchange membrane, PEM) ausgebildet sein. Bevorzugt kommt eine kationenselektive Polymerelektrolytmembran zum Einsatz. Materialien für eine solche Membran sind beispielsweise: Nafion®, Flemion® und Aciplex®.
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Ein Brennstoffzellensystem 100 umfasst neben der mindestens einen Brennstoffzelle 101 periphere Systemkomponenten (BOP-Komponenten), die beim Betrieb der mindestens einen Brennstoffzelle 101 zum Einsatz kommen können. In der Regel sind mehrere Brennstoffzellen 101 zu einem Brennstoffzellenstapel bzw. Stack 102 zusammengefasst. Des Weiteren umfasst das Brennstoffzellensystem 100 typischerweise zumindest einen Drucktank 110, der dazu verwendet werden kann, den Brennstoff 211 für die ein oder mehreren Brennstoffzellen 101 bereitzustellen. Der Drucktank 110 ist über Leitungen 112 mit den ein oder mehreren Brennstoffzellen 101 verbunden.
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Die Anode 201 und die Kathode 202 einer Brennstoffzelle 101 bzw. eines Brennstoffzellenstapels 102 können mit Kontaktteilen 204 verbunden sein. Zwischen den Kontaktteilen 204 liegt typischerweise eine Betriebsspannung an (z.B. ca. 1V für eine Brennstoffzelle 101) und es kann ein Strom bereitgestellt werden. Durch die Reihenschaltung von mehreren Brennstoffzellen 101 (d.h. durch die Bereitstellung eines Stacks bzw. Brennstoffzellenstapels 102) kann die Betriebsspannung eines Brennstoffzellenstapels 102 erhöht werden.
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Die Brennstoffzellen 101 des Brennstoffzellenstapels 102 umfassen i.d.R. jeweils zwei Separatorplatten (nicht dargestellt). Der ionenselektive Separator 203 einer Brennstoffzelle 101 ist i.d.R. jeweils zwischen zwei Separatorplatten angeordnet. Die eine Separatorplatte bildet zusammen mit dem ionenselektiven Separator 203 die Anode 201 aus. Die auf der gegenüberliegenden Seite des ionenselektiven Separators 203 angeordnete weitere Separatorplatte bildet indes zusammen mit dem ionenselektiven Separator 203 die Kathode 202 aus. In den Separatorplatten sind bevorzugt Gaskanäle für Brennstoff 211 bzw. für Oxidationsmittel 212 vorgesehen.
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Die Separatorplatten können als Monopolarplatten und/oder als Bipolarplatten ausgebildet sein. Mit anderen Worten weist eine Separatorplatte zweckmäßig zwei Seiten auf, wobei die eine Seite zusammen mit einem ionenselektiven Separator 203 die Anode 201 einer ersten Brennstoffzelle 101 ausbildet und die zweite Seite zusammen mit einem weiteren ionenselektiven Separator 203 einer benachbarten zweiten Brennstoffzelle 101 die Kathode 202 der zweiten Brennstoffzelle 101 ausbildet.
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Zwischen den ionenselektiven Separatoren 203 und den Separatorplatten sind i.d.R. noch sogenannte Gasdiffusionsschichten bzw. Gasdiffusionslagen (GDL) vorgesehen.
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3 zeigt den Aufbau eines beispielhaften Brennstoffzellenstapels 102 in einer Seitenansicht. Der Brennstoffzellenstapel 102 umfasst Endplatten 301 zwischen denen mehrere Brennstoffzellen 101 angeordnet sind. Die Endplatten 301 können dazu verwendet werden, die Brennstoffzellen 101 des Brennstoffzellenstapels 102 zusammenzuhalten bzw. zusammenzudrücken. Wie oben dargelegt, kann eine Brennstoffzelle 101 durch jeweils eine Seite von zwei benachbarten Bipolarplatten 303 gebildet werden. Zwischen zwei benachbarten Bipolarplatten 303 kann eine Elektrode-Membran-Einheit (Engl. Membrane Electrode Assembly, MEA) 304 angeordnet sein, die ggf. die o.g. Gasdiffusionsschicht umfassen kann. Außerdem umfasst der Brennstoffzellenstapel 102 Leitungen 302 durch die Brennstoff 211 und/oder Oxidationsmittel 212 über die Bipolarplatten 303 zu den einzelnen Brennstoffzellen 101 geführt werden kann, und über die ein oder mehreren Reaktionsprodukte (wiederum über die Bipolarplatten 303) aus den einzelnen Brennstoffzellen 101 geführt werden können.
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Die Zugänge zu den einzelnen Leitungen 302 befinden sich zur Reduzierung des Bauraums typischerweise nur an einer Seite eines Brennstoffzellenstapels 102. 4 zeigt einen beispielhaften Brennstoffzellenstapel 102 in einer Frontansicht. Insbesondere zeigt 4 die Endplatte 301 eines Brennstoffzellenstapels 102, an der sich die Zugänge für die unterschiedlichen Leitungen 302 des Brennstoffzellenstapels 102 befinden. Der Brennstoffzellenstapel 102 kann eine Brennstoffzuleitung 401 aufweisen, über die Brennstoff 211 zu den einzelnen Brennstoffzellen 101 geführt werden kann. Des Weiteren kann der Brennstoffzellenstapel 102 eine Oxidationsmittelzuleitung 402 aufweisen, über die Oxidationsmittel 212 zu den einzelnen Brennstoffzellen 101 geführt werden kann. Außerdem kann der Brennstoffzellenstapel 102 eine Reaktionsproduktableitung 403 aufweisen, über die Reaktionsprodukte der Brennstoffzellen 101 abgeführt werden können (z.B. zusammen mit überschüssigem Oxidationsmittel 212 bzw. Luft). Ferner kann der Brennstoffzellenstapel 102 eine Brennstoffableitung 404 aufweisen, über die nicht verbrauchter Brennstoff 211 aus den Brennstoffzellen 101 abgeführt werden kann (z.B. im Rahmen einer Anodenspülung).
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Das Brennstoffzellensystem 100 umfasst ein Anodensubsystem (mit ein oder mehreren anodenseitigen Komponenten), das von den brennstoffführenden Bauelementen des Brennstoffzellensystems 100 ausgebildet wird. Ein Anodensubsystem kann mindestens einen Druckbehälter 110, mindestens ein Tankabsperrventil (=TAV), mindestens einen Druckminderer, mindestens eine zum Anodeneinlass führende Anodenzuleitung 401, einen Anodenraum im Brennstoffzellenstapel 102, mindestens eine vom Anodenauslass wegführende Anodenabgasleitung 404, mindestens einen Wasserabscheider (= AWS), mindestens ein Anodenspülventil (= APV), mindestens einen aktiven oder passiven Brennstoff-Rezirkulationsförderer (= ARE bzw. ARB) und/oder mindestens eine Rezirkulationsleitung sowie weitere Elemente aufweisen. Hauptaufgabe des Anodensubsystems ist die Heranführung und Verteilung von Brennstoff 211 an die elektrochemisch aktiven Flächen des Anodenraums und die Abfuhr von Anodenabgas.
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Des Weiteren umfasst das Brennstoffzellensystem 100 ein Kathodensubsystem (mit ein oder mehreren kathodenseitigen Komponenten). Das Kathodensubsystem wird aus den oxidationsmittelführenden Bauelementen gebildet. Ein Kathodensubsystem kann mindestens einen Oxidationsmittelförderer 205, mindestens eine zum Kathodeneinlass führende Kathodenzuleitung 402, mindestens eine vom Kathodenauslass wegführende Kathodenabgasleitung 403, einen Kathodenraum im Brennstoffzellenstapel 102, sowie weitere Elemente aufweisen. Hauptaufgabe des Kathodensubsystems ist die Heranführung und Verteilung von Oxidationsmittel 212 an die elektrochemisch aktiven Flächen des Kathodenraums und die Abfuhr von unverbrauchtem Oxidationsmittel 212 und/oder von Reaktionsprodukten.
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Ein Brennstoffzellensystem 100 umfasst typischerweise mindestens einen Kühlkreislauf (nicht dargestellt), der eingerichtet ist, den Brennstoffzellenstapel 102 des Brennstoffzellensystems 100 zu temperieren. Der Kühlkreislauf umfasst zweckmäßig mindestens einen Wärmetauscher, mindestens einen Kühlmittelförderer und den Brennstoffzellenstapel 102, der von dem Kühlmittel durchflossen wird. Der mindestens eine Wärmetauscher ist bspw. ein Kühler, der von Luft durchströmt und durch einen Ventilator unterstützt werden kann. Der Kühlkreislauf ist i.d.R. derart ausgebildet, dass Kühlmittel zwischen dem Wärmetauscher und der mindestens einen Brennstoffzelle 101 des Brennstoffzellenstapels 102 zirkulieren kann. Insbesondere kann das in einer Brennstoffzelle 101 erwärmte Kühlmittel von der Brennstoffzelle 101 in den mindestens einen Wärmetauscher fließen, wo es sich dann abkühlt, bevor es anschließend wieder in die Brennstoffzelle 101 strömt.
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Es sei darauf hingewiesen, dass auch wenn hier von Kühlmittel die Rede ist, das Kühlmittel nicht nur auf das Kühlen beschränkt ist. Vielmehr kann das Kühlmittel auch zum Erwärmen oder allgemein zum Temperieren einer Brennstoffzelle 101 eingesetzt werden. Bevorzugt kommt als Kühlmittel Wasser, ggf. mit Additiven, zum Einsatz. Das Kühlsystem kann auch zur Wärmegleichverteilung (d.h. die Vermeidung von höheren Temperaturgradienten) innerhalb der Brennstoffzellen 101 bzw. innerhalb des Brennstoffzellenstapels 102 genutzt werden.
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Das Brennstoffzellensystem 100 kann ein Zellüberwachungssystem umfassen. Das Zellüberwachungssystem (englisch: cell voltage monitoring system bzw. CVM-System) kann ausgebildet sein, den Zustand von mindestens einer Zelle 101 zu überwachen. I.d.R. überwacht das Zellüberwachungssystem den Zustand einer Vielzahl an Brennstoffzellen 101. Überwachen bedeutet in diesem Zusammenhang, dass das System direkt oder indirekt den Zustand der überwachten Zellen 101 bestimmen kann. Vorteilhaft können somit eine auftretende Degradation bzw. ein Zellausfall frühzeitig erkannt und entsprechende Gegenmaßnahmen eingeleitet werden. Es kann dadurch die Lebensdauer einer Brennstoffzelle 101 erhöht werden und/oder durch geeignete Gegenmaßnahmen die Performance der Zellgesamtheit gesteigert werden.
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Vorteilhaft kann mindestens eine Messgröße bezüglich des Zustands einer Brennstoffzelle 101 direkt oder indirekt erfasst werden. Die Messgröße kann insbesondere die elektrische Spannung der überwachten Zelle 101 sein. Vorteilhaft werden die Einzelzellspannungen von mehreren bzw. allen Zellen 101 sowie die Gesamtspannung ermittelt. Bevorzugt wird ferner der durch den Brennstoffzellenstapel 102 fließende Strom bestimmt. Aus den gemessenen Spannungen kann das CVM-System beispielsweise einen der folgenden Werte bestimmen: Min-, Max- und Mittelwert der Einzelzellspannung. Vorteilhaft können somit Spannungsabweichungen zwischen den Einzelzellen bzw. zu einem Mittelwert der Einzelzellspannungen erkannt werden. Bevorzugt werden weitere Einzelzellanalyseverfahren durchgeführt, wie beispielsweise eine Impedanzberechnung (z.B.: elektrochemische Impedanzspektroskopie).
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Bevorzugt umfasst das Zellüberwachungssystem mindestens ein Zellüberwachungsmodul (FCSC). Das Zellüberwachungsmodul kann beispielsweise einen Analog-Digital Wandler umfassen, der ein analoges Signal einer Brennstoffzelle 101 in ein digitales Signal umwandelt. Z.B. kann als analoges Eingangssignal die Spannung erfasst werden, die in ein digitales Signal, z.B. ein 12-Bit Signal, konvertiert wird. Vorteilhaft kann das Modul mindestens einen Multiplexer umfassen. Der Multiplexer kann ausgebildet sein, die Messsignale der einzelnen Brennstoffzellen 101 einer Zellgruppe (z.B. eines Brennstoffzellenstapels 102) zu erfassen und diese analogen Signale dann dem Analog-Digital-Wandler zu senden. Eine solche Einheit kann beispielsweise als Analog Digital Converter Modul (ADC-Modul) bezeichnet werden. Im Falle einer Brennstoffzelle 101 kann man auch von einem Fuel Cell Supervisory Circuit (FCSC) sprechen. Bevorzugt kann das Zellüberwachungsmodul weitere Analysefunktionalitäten des Zellüberwachungssystems umfassen, insbesondere durch Betrachtung von Differenzspannungen unmittelbar benachbarter Separatoren 203.
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Das mindestens eine Zellüberwachungsmodul ist in der Regel über einen Datenbus mit mindestens einem Steuergerät verbunden. Als Datenbus kann hier beispielsweise eingesetzt werden: Serial Peripheral Interface (SPI), ggf. ohne Chip-Select, isoSPI, Controller Area Network (CAN), FlexRay, MOST, Local Interconnect Network (LIN).
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Das hier offenbarte System 100 umfasst ferner mindestens ein Steuergerät 103 (auch als Steuereinheit bezeichnet). Das Steuergerät 103 ist u.a. ausgebildet, über den Datenbus mit dem mindestens einen Zellüberwachungsmodul (=Busteilnehmer) bzw. dem Zellüberwachungssystem zu kommunizieren. Das Steuergerät 103 kann u.a. ausgebildet sein, die Zellüberwachung zu regeln und/oder zu steuern. Es kann sich dabei um eine Engine Control Unit (ECU) handeln. Beispielsweise kann das Steuergerät 103 für ein Brennstoffzellensystem 100 auch als Stack Management Unit (SMU) bezeichnet werden.
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Wie in 2 dargestellt umfasst ein Brennstoffzellensystem 100 mindestens einen Oxidationsmittelförderer 205. Der Oxidationsmittelförderer 205 ist eingerichtet, das an der elektrochemischen Reaktion beteiligte Oxidationsmittel 212 zu den ein oder mehreren Brennstoffzellen 101 zu fördern. Der Oxidationsmittelförderer 205 (auch Fluidfördereinrichtung genannt) kann beispielsweise als Kompressor bzw. Verdichter ausgebildet sein, besonders bevorzugt als luftgelagerter Turbokompressor, Turboverdichter, bzw. Kreiselverdichter. Bevorzugt weist der Oxidationsmittelförderer 205 einen Arbeits-Drehzahlbereich von ca. 15.000 U/min bis ca. 170.000 U/min, und besonders bevorzugt von ca. 25.000 U/min bis ca. 130.000 U/min auf.
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Zum Schutz eines Brennstoffzellenstapels 102 darf der dem Brennstoffzellenstapel 102 zugeführte Brennstoff 211 typischerweise einen bestimmten Grenzdruck nicht überschreiten. Es kann daher z.B. an der Brennstoffzuleitung 401 ein Überdruckventil angeordnet sein, das bei einem überhöhten Druck öffnet und so den Brennstoff 211 freigibt. Dabei belegt ein Überdruckventil zusätzlichen Bauraum und verursacht zusätzliches Gewicht und zusätzliche Kosten. Des Weiteren kann durch ein Überdruckventil nicht gewährleistet werden, dass der austretende Brennstoff 211 sicher von dem Brennstoffzellenstapel 102 (insbesondere aus einem Fahrzeug) weggeführt wird.
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Bei dem in 3 und 4 dargestellten Brennstoffzellenstapel 102 sind die unterschiedlichen Zuleitungen 401, 402 und Ableitungen 402, 404 auf derselben Seite des Brennstoffzellenstapels 102 und damit in unmittelbarer Nähe zueinander angeordnet. Eine Brennstoff 211 führende Leitung 401, 404 bzw. eine anodenseitige Leitung 401, 404 kann somit in effizienter Weise derart angeordnet werden, dass die Brennstoff 211 führende bzw. anodenseitige Leitung 401, 404 eine gemeinsame Trennwand mit einer kathodenseitigen Leitung 403, insbesondere mit der Reaktionsprodukt-Ableitung 403, aufweist.
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5 zeigt beispielhaft den Wasserabscheider 510, der am Ausgang der Brennstoff-Ableitung 404 dazu genutzt wird, Wasser aus dem Anodenabgas 504 zu extrahieren, z.B. um unverbrauchten Brennstoff 211 für den Brennstoff-Rezirkulationsförderer bereitzustellen. Der Wasserabscheider 510 bzw. die Brennstoff-Ableitung 404 können dabei eine gemeinsame Trennwand 511 mit der Reaktionsprodukt-Ableitung 403 aufweisen, wobei über Reaktionsprodukt-Ableitung 403 Reaktionsprodukte 503 (d.h. Abgase) aus dem Brennstoffzellensystem 100 gefördert werden können.
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Die gemeinsame Wand 511 zwischen einer Komponente 401, 404 des Anodensubsystems (d.h. zwischen einer anodenseitigen Komponente 401, 404) und einer Komponente 403 des Kathodensubsystems (d.h. einer kathodenseitigen Komponente 403) kann eine Sollbruchstelle 512 aufweisen, die derart ausgelegt ist, dass die Sollbruchstelle 512 in der Wand 511 nachgibt, wenn der Druck in der Komponente 401, 404 des Anodensubsystems einen vordefinierten Grenzdruck überschreitet, und so eine direkte Verbindung zwischen der Komponente 401, 404 des Anodensubsystems und der Komponente 403 des Kathodensubsystems schafft. Als Folge daraus kann Brennstoff 211 aus dem Anodensubsystem direkt in das Kathodensubsystems, insbesondere direkt in die Reaktionsprodukt-Ableitung 403, geführt werden, so dass der Druck in dem Anodensubsystem reduziert wird. Außerdem wird so eine sichere Abfuhr des Brennstoffs 211 gewährleistet.
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In einem Brennstoffzellenstapel 102 können somit mindestens eine Brennstoff führende Komponente 401, 404 mit mindestens einer Luft bzw. Abgas führenden Komponente 403 benachbart sein und insbesondere eine gemeinsame Trennwand 511 aufweisen. Die beiden Komponenten können in mindestens einem Bereich von einer Sollbruchstelle 512 getrennt sein. Insbesondere kann die gemeinsame Trennwand 511 eine Sollbruchstelle 512 aufweisen.
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Durch die Bereitstellung einer Sollbruchstelle 512 kann insbesondere bei einer Druckerhöhung in der Brennstoff-führenden Komponente 401, 404 die Sollbruchstelle 512 brechen, um den Brennstoffzellenstapel 102 zu schützen. Es wird dann über die gebrochene Sollbruchstelle 512 kontrolliert Brennstoff 211 in den Kathodenpfad geleitet.
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Für die Bereitstellung einer Sollbruchstelle 512 können Komponenten verwendet werden, die sich in örtlicher Nähe zueinander befinden. Beispielsweise benötigt der Anodenwasserabscheider 510 eine Verbindung zu der Kathode, um die Abfallprodukte einer Anodenspülung (z.B. Wasser und/oder Stickstoff) abführen zu können. Der Anodenwasserabscheider 510 kann daher vorteilhaft in unmittelbarer Nähe zu einer kathodenseitigen Komponente 403 angeordnet werden. Des Weiteren kann in vorteilhafter Weise eine Sollbruchstelle 512 zwischen dem Anodenwasserabscheider 510 und einer kathodenseitigen Komponente 403 bereitgestellt werden.
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Das Brennstoffzellensystem 100 kann einen Sensor 513 umfassen, der eingerichtet ist, zu bestimmen, ob die Sollbruchstelle 512 gebrochen ist oder nicht. Beispielsweise kann ein Messdraht als Sensor 513 an der Sollbruchstelle 512 angeordnet sein, wobei der Messdraht reist und somit ein Kontakt unterbrochen wird, wenn die Sollbruchstelle 512 bricht. Die Steuereinheit 103 des Brennstoffzellensystems 100 kann ein oder mehrere Schutzmaßnahmen veranlassen, wenn detektiert wird, dass die Sollbruchstelle 512 gebrochen ist. Beispielsweise kann der Oxidationsmittelförderer 205 veranlasst werden (z.B. durch Erhöhung der Drehzahl des Kompressors) den Massenstrom durch den Brennstoffzellenstapel 102 zu erhöhen (um die Konzentration an Brennstoff 211 im Abgas 503 zu reduzieren). Des Weiteren können ein oder mehrere Ventile der Brennstoffversorgung geschlossen werden (um die Zufuhr von Brennstoff 211 zu unterbinden). Außerdem kann die Warnblinkanlage eines Fahrzeugs aktiviert werden. Die Überwachung der Auslösung einer Sollbruchstelle 512 ist bevorzugt derart ausgelegt, dass die Überwachung der Auslösung einer Sollbruchstelle 512 und die Einleitung von ein oder mehreren Schutzmaßnahmen auch im Fall eines Unfalls erfolgt.
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Die Bereitstellung einer Sollbruchstelle 512 kann für kathodenseitige Komponenten in unterschiedlichen Druckebenen (Hochdruck (vor dem Druckminderer) oder Mitteldruck (nach dem Druckminderer)) bereitgestellt werden.
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Durch die in diesem Dokument beschriebenen Maßnahmen kann ein Brennstoffzellenstapel 102 in effizienter und zuverlässiger Weise vor einer Überdrucksituation geschützt werden. Dabei kann eine kontrollierte und sichere Abfuhr von Brennstoff 211 erfolgen. Insbesondere kann eine Verdünnung von Brennstoff 211 mit Kompressorluft erfolgen.
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Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die gezeigten Ausführungsbeispiele beschränkt. Insbesondere ist zu beachten, dass die Beschreibung und die Figuren nur das Prinzip der vorgeschlagenen Vorrichtungen und Systeme veranschaulichen sollen.
