DE102017215738A1 - Brennstoffzellenanordnung sowie Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenanordnung - Google Patents

Brennstoffzellenanordnung sowie Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenanordnung Download PDF

Info

Publication number
DE102017215738A1
DE102017215738A1 DE102017215738.0A DE102017215738A DE102017215738A1 DE 102017215738 A1 DE102017215738 A1 DE 102017215738A1 DE 102017215738 A DE102017215738 A DE 102017215738A DE 102017215738 A1 DE102017215738 A1 DE 102017215738A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
fuel cell
anode
outlet
inlet
fluid
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
DE102017215738.0A
Other languages
English (en)
Inventor
Perry Betzler
Christoph Tapp
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Audi AG
Original Assignee
Audi AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Audi AG filed Critical Audi AG
Priority to DE102017215738.0A priority Critical patent/DE102017215738A1/de
Publication of DE102017215738A1 publication Critical patent/DE102017215738A1/de
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H01M8/04119Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying
    • H01M8/04156Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying with product water removal
    • H01M8/04164Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying with product water removal by condensers, gas-liquid separators or filters
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzellenanordnung (1), mit einer eine Anode (4) und eine Kathode (3) aufweisenden Brennstoffzelle (2), wobei die Anode (4) einen Anodenfluideinlass (7) und einen Anodenfluidauslass (8) aufweist und der Anodenfluidauslass (8) zum Durchspülen der Anode (4) mit Wasserstoff mit einer Spülleitung (9) strömungsverbindbar ist. Dabei ist vorgesehen, dass strömungstechnisch zwischen dem Anodenfluidauslass (6) und der Spülleitung (9) ein Wasserabscheider (11) angeordnet ist, der einen Einlassanschluss (12), einen Auslassanschluss (13) und einen Rückführanschluss (14) aufweist, wobei der Einlassanschluss (12) und der Auslassanschluss (13) über einen von einer wasserstoffpermeablen und wasserimpermeablen Membran eingefassten Strömungsweg unmittelbar miteinander strömungsverbunden sind und der Rückführanschluss (14) einerseits über die Membran an den Strömungsweg angeschlossen ist und andererseits mit dem Anodenfluideinlass (7) strömungsverbindbar ist. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenanordnung (1).

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzellenanordnung, mit einer eine Anode und eine Kathode aufweisenden Brennstoffzelle, wobei die Anode einen Anodenfluideinlass und einen Anodenfluidauslass aufweist und der Anodenfluidauslass zum Durchspülen der Anode mit Wasserstoff mit einer Spülleitung strömungsverbindbar ist. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenanordnung.
  • Die Brennstoffzellenanordnung beziehungsweise die Brennstoffzelle dient der Bereitstellung von elektrischer Energie unter Verwendung eines Brennstoffs und eines Oxidators. Als Brennstoff kommt üblicherweise Wasserstoff zur Verwendung, als Oxidator dient Sauerstoff, insbesondere Luftsauerstoff. Die Brennstoffzelle weist die Anode und die Kathode auf, wobei der Anode zur Bereitstellung der elektrischen Energie der Brennstoff und der Kathode der Oxidator zugeführt wird. Die Kathode weist hierzu beispielsweise einen Kathodenfluideinlass und einen Kathodenfluidauslass auf, wobei ihr der Oxidator durch den Kathodenfluideinlass zugeführt wird und während des Durchlaufens der Brennstoffzelle durch Brennstoff und Oxidator entstehende Produkte durch den Kathodenfluidauslass aus der Kathode austreten. Die Anode hingegen verfügt über den Anodenfluideinlass und den Anodenfluidauslass. Über den Anodenfluideinlass kann der Anode der Brennstoff, nämlich Wasserstoff, zugeführt werden. Über den Anodenfluidauslass werden der Anode wiederum während des Durchlaufens der Brennstoffzelle durch den Oxidator und den Brennstoff entstehende Produkte entnommen.
  • Während eines Betriebs der Brennstoffzellenanordnung, jedoch auch während die Brennstoffzellenanordnung außer Betrieb ist, kann es zu einer Ansammlung von Verunreinigungen an beziehungsweise in der Anode der Brennstoffzelle kommen. Dies verringert den Wirkungsgrad der Brennstoffzelle. Aus diesem Grund ist es vorgesehen, die Anode von Zeit zu Zeit mit reinem Wasserstoff zu durchspülen, um die Verunreinigungen zu entfernen.
  • Hierzu ist der Anodenfluidauslass mit der Spülleitung strömungsverbindbar. Liegt die Strömungsverbindung vor, so kann der Wasserstoff die Anode von dem Anodenfluideinlass bis hin zu dem Anodenfluidauslass durchströmen und anschließend in die Spülleitung eintreten. Dies hat jedoch zur Folge, dass der zum Spülen verwendete Wasserstoff nicht zum Bereitstellen der elektrischen Energie zur Verfügung steht, sondern vielmehr ungenutzt abgeführt wird. Zudem ist es grundsätzlich wünschenswert, während des Betriebs der Brennstoffzelle entstehendes Wasser abzuführen.
  • Aus dem Stand der Technik ist beispielsweise die Druckschrift DE 10 2013 203 213 A1 bekannt. Diese 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.
  • Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Brennstoffzellenanordnung vorzuschlagen, welche gegenüber bekannten Brennstoffzellenanordnungen Vorteile aufweist, insbesondere in der Brennstoffzellenanordnung anfallendes Wasser zuverlässig und effektiv abführt.
  • Dies wird erfindungsgemäß mit einer Brennstoffzellenanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 erreicht. Dabei ist vorgesehen, dass strömungstechnisch zwischen dem Anodenfluidauslass und der Spülleitung ein Wasserabscheider angeordnet ist, der einen Einlassanschluss, einen Auslassanschluss und einen Rückführanschluss aufweist, wobei der Einlassanschluss und der Auslassanschluss über einen von einer wasserstoffpermeablen und wasserimpermeablen Membran eingefassten Strömungsweg unmittelbar miteinander strömungsverbunden sind und der Rückführanschluss einerseits über die Membran an den Strömungsweg angeschlossen ist und andererseits mit dem Anodenfluideinlass strömungsverbindbar ist.
  • Das Abführen des während des Durchspülens der Anode aus dem Anodenfluidauslass austretenden Spülfluids wird also dem Wasserabscheider zugeführt und gelangt erst durch diesen in die Spülleitung. Über die Spülleitung kann das Spülfluid anschließend abgeführt, beispielsweise einer Außenumgebung der Brennstoffzellenanordnung zugeführt werden. Der Wasserabscheider dient dem Abscheiden von Wasser aus dem Spülfluid und zusätzlich dem Rückführen von Wasserstoff, welcher unter Umständen noch in dem Spülfluid enthalten ist, um ihn nachfolgend zur Bereitstellung der elektrischen Energie mittels der Brennstoffzelle heranzuziehen. Das bedeutet, dass der zurückzuführende Wasserstoff schlussendlich dem Anodenfluideinlass der Brennstoffzelle (erneut) zuführbar ist.
  • Zu dem genannten Zweck ist der Wasserabscheider vorgesehen, welcher strömungstechnisch zwischen dem Anodenfluidauslass und der Spülleitung angeordnet ist. Der Wasserabscheider verfügt über den Einlassanschluss, den Auslassanschluss und den Rückführanschluss. Über den Einlassanschluss wird dem Wasserabscheider das Spülfluid zugeführt, das während des Durchspülens der Anode aus dem Anodenfluidauslass austritt. Der Auslassanschluss hingegen ist an die Spülleitung angeschlossen, über welches das Spülfluid schlussendlich abgeführt wird.
  • An dem Rückführanschluss wird der aus dem Spülfluid abgeschiedene Wasserstoff bereitgestellt, beispielsweise um ihn nachfolgend dem Anodenfluideinlass zuzuführen. Hierzu kann der Rückführanschluss unmittelbar mit dem Anodenfluideinlass strömungsverbunden sein, beispielsweise über ein Brennstofffördermittel, insbesondere ein Gebläse und/oder eine Pumpe, bevorzugt eine Saugstrahlpumpe. Alternativ kann der Rückführanschluss an einen Zwischenspeicher für Brennstoff angeordnet sein, in welchem der abgeschiedene Wasserstoff zur nachfolgenden Verwendung in der Brennstoffzelle zwischengespeichert wird.
  • In dem Wasserabscheider liegt die Membran vor, welche den Strömungsweg zwischen dem Einlassanschluss und dem Auslassanschluss einfasst. Über den von der Membran gebildeten Strömungsweg sind der Einlassanschluss und der Auslassanschluss unmittelbar strömungstechnisch miteinander verbunden. Das bedeutet insbesondere, dass die Membran nicht in dem Strömungsweg vorliegt, sondern diesen lediglich ausbildet. Die Membran dient insoweit zur Fluidführung durch den Wasserabscheider. Der Rückführanschluss hingegen ist ausschließlich über die Membran an den Strömungsweg strömungstechnisch angeschlossen. Wird dem Einlassanschluss das Spülfluid zugeführt, so kann dieses von der Membran ungefiltert aus dem Auslassanschluss austreten. Während des Durchströmens des Strömungswegs tritt jedoch in dem Spülfluid enthaltener Wasserstoff durch die Membran hindurch und gelangt zu dem Rückführanschluss, insbesondere zur Verwertung in der Brennstoffzelle.
  • Die Membran ist wasserstoffpermeabel und wasserimpermeabel. Das bedeutet, dass die Membran einerseits durchlässig für Wasserstoff ist, Wasser jedoch andererseits nicht durch sie hindurchtreten kann. Durch den Einlassanschluss mit dem Spülfluid eintretendes Wasser durchläuft insoweit den Wasserabscheider vollständig bis hin zu dem Auslassanschluss und gelangt in die Spülleitung, durch welche es schlussendlich abgeführt ist. Lediglich Wasserstoff wird mittels der Membran von dem Spülfluid separiert und dem Rückführanschluss zugeführt. Die Membran kann grundsätzlich aus einem beliebigen Material bestehen, sofern dieses beständig gegenüber den in dem Wasserabscheider anfallenden Stoffen ist. Beispielsweise besteht die Membran aus Polyethylenglycol, Polyamid, Polyethersulfon, Polyetherimid oder Polysulfon oder weist diese Stoffe zumindest auf. Auch Polytetrafluorethylen kann für die Membran zum Einsatz kommen.
  • Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Membran zusätzlich stickstoffimpermeabel ist. Dies hat den Vorteil, dass in der Anode während des Betriebs der Brennstoffzellenanordnung anfallender Stickstoff während des Durchspülens der Anode abgeführt und der Spülleitung zugeführt wird. Mithilfe des Wasserabscheiders, welcher insoweit allgemein als Abscheider bezeichnet werden kann, wird insoweit zusätzlich zu dem Wasser auch Stickstoff aus der Brennstoffzellenanordnung abgeführt. Der Abscheider kombiniert insoweit die Funktionalität eines Wasserabscheiders mit der Funktionalität eines Stickstoffabscheiders und sorgt zusätzlich für das Rückführen des Wasserstoffs.
  • Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der Einlassanschluss und der Auslassanschluss mittels einer Vielzahl aus der Membran gebildeten Fluidleitungen verbunden sind, die in einem mit dem Rückführanschluss strömungsverbundenen Sammelraum des Wasserabscheiders angeordnet sind. Der Strömungsweg durch den Wasserabscheider wird von den Fluidleitungen gebildet, welche aus der Membran bestehen. Jede der Fluidleitungen weist im Querschnitt bezüglich ihrer jeweiligen Längsmittelachse eine in Umfangsrichtung durchgehende Wand auf.
  • Die Wand besteht zumindest teilweise aus der Membran, besonders bevorzugt vollständig. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass die Wand lediglich teilweise aus der Membran besteht und ein weiterer Bereich der Wand von einem von der Membran verschiedenen Wandmaterial gebildet ist. Mit einer derartigen Ausgestaltung der Fluidleitungen kann die Abscheidewirkung des Wasserabscheiders auf den jeweiligen Einsatzzweck angepasst werden.
  • Die Fluidleitungen sind in dem Sammelraum des Wasserabscheiders angeordnet beziehungsweise durchgreifen diesen. Der Sammelraum ist strömungstechnisch an den Rückführanschluss angeschlossen. Der in dem die Fluidleitungen während des Durchspülens der Anode durchströmenden Spülfluid enthaltene Wasserstoff kann durch die Membran in den Sammelraum austreten und gelangt durch diesen zu dem Rückführanschluss.
  • Eine bevorzugte weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Fluidleitungen über die gesamte Längserstreckung gerade verlaufen. Das bedeutet, dass jegliche Umlenkung des Spülfluids in dem Wasserabscheider vermieden wird. Dies hat den Vorteil, dass in dem Spülfluid enthaltenes Wasser ohne weiteres durch die Fluidleitungen hindurch zu dem Auslassanschluss gelangen kann. Im Falle einer Umlenkung könnte sich das Wasser in den Fluidleitungen ansammeln. Dies wird durch die gerade Ausgestaltung der Fluidleitungen vermieden.
  • Eine bevorzugte weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Fluidleitungen beabstandet voneinander in dem Sammelraum angeordnet sind. Durch die beabstandete Anordnung der Fluidleitungen kann der Wasserstoff ungehindert durch die Membran hindurchtreten und durch den Sammelraum hindurch in Richtung des Rückführanschlusses strömen. Aufgrund der beabstandeten Anordnung der Fluidleitungen wird insoweit die Rückführwirkung für den Wasserstoff während des Durchspülens der Anode verbessert.
  • Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Fluidleitungen eine Einlasskammer und eine Auslasskammer strömungstechnisch miteinander verbinden, die jeweils mittels eines die Fluidleitungen haltenden Einsatzes strömungstechnisch von dem Sammelraum getrennt sind. In dem Wasserabscheider liegen die Einlasskammer, die Auslasskammer und der Sammelraum vor. Beispielsweise sind die Einlasskammer und die Auslasskammer auf gegenüberliegenden Seiten des Sammelraums angeordnet, beispielsweise in axialer Richtung bezüglich einer Längsmittelachse des Wasserabscheiders. Die strömungstechnische Trennung des Sammelraums von der Einlasskammer und der Auslasskammer wird jeweils mittels eines Einsatzes erzielt, welcher gleichzeitig als Halterung für die Fluidleitungen dient. Die Fluidleitungen sind an beiden Einsätzen jeweils befestigt, welche wiederum jeweils zwischen dem Sammelraum und der Einlasskammer oder der Auslasskammer angeordnet sind.
  • Eine weitere Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass der Wasserabscheider derart angeordnet ist, dass Wasser durch Schwerkrafteinfluss in Richtung des Auslassanschlusses gedrängt wird. Hierdurch wird eine weiter verbesserte Abführwirkung für das Wasser aus der Brennstoffzellenanordnung erzielt. Insbesondere sind die Fluidleitungen in Einbaulage des Wasserabscheiders senkrecht angeordnet, sodass das Wasser ausgehend von dem Einlassanschluss durch die auf es wirkende Schwerkraft in Richtung des unterhalb des Einlassanschlusses liegenden Auslassanschlusses gefördert wird.
  • Eine weitere Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass der Einlassanschluss und der Auslassanschluss koaxial zueinander an einem Abscheidergehäuse des Wasserabscheiders angeordnet sind. Die koaxiale Anordnung der beiden Anschlüsse an dem Abscheidergehäuse hat den Vorteil, dass Umlenkungen in dem Wasserabscheider vermieden werden, sodass das Wasser ohne weiteres durch den Wasserabscheider hindurchtreten und durch die Spülleitung abgeführt werden kann. Besonders bevorzugt ist das Abscheidergehäuse zylindrisch, insbesondere kreiszylindrisch ausgestaltet, wobei der Einlassanschluss und der Auslassanschluss an gegenüberliegenden Stirnseiten des Wasserabscheiders vorliegen und der Rückführanschluss eine diese miteinander verbindende Mantelfläche des Abscheidergehäuses durchgreift. Der Rückführanschluss ist insoweit vorzugsweise senkrecht bezüglich einer gemeinsamen Längsmittelachse von Einlassanschluss und Auslassanschluss an dem Abscheidergehäuse ausgebildet.
  • Schließlich kann im Rahmen einer besonders bevorzugten weiteren Ausführungsform der Erfindung vorgesehen sein, dass der Auslassanschluss strömungstechnisch an ein Spülventil angeschlossen, insbesondere über das Spülventil mit einer Außenumgebung strömungsverbindbar ist. Zur gezielten Entlüftung der Brennstoffzellenanordnung beziehungsweise zum gezielten Durchspülen der Anode ist das Spülventil vorgesehen. In einer ersten Schaltstellung des Spülventils ist der Auslassanschluss mit der Spülleitung strömungsverbunden, wohingegen in einer zweiten Schaltstellung die Strömungsverbindung zwischen dem Auslassanschluss und der Spülleitung unterbrochen ist. Bevorzugt ist der Auslassanschluss über das Spülventil mit der Außenumgebung strömungsverbindbar. Entsprechend ist die Spülleitung in diesem Fall einerseits an das Spülventil angeschlossen und mündet andererseits in die Außenumgebung ein. Dies ermöglicht ein einfaches Abführen des Spülfluids nach dessen Durchlaufen des Wasserabscheiders.
  • Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenanordnung, insbesondere einer Brennstoffzellenanordnung gemäß den vorstehenden Ausführungen, wobei die Brennstoffzellenanordnung über eine eine Anode und eine Kathode aufweisende Brennstoffzelle verfügt, und wobei die Anode einen Anodenfluideinlass und einen Anodenfluidauslass aufweist und der Anodenfluidauslass zum Durchspülen der Anode mit Wasserstoff mit einer Spülleitung strömungsverbindbar ist.
  • Dabei ist vorgesehen, dass strömungstechnisch zwischen dem Anodenfluidauslass und der Spülleitung ein Wasserabscheider angeordnet ist, der einen Einlassanschluss, einen Auslassanschluss und einen Rückführanschluss aufweist, wobei der Einlassanschluss und der Auslassanschluss über einen von einer wasserstoffpermeablen und wasserimpermeablen Membran eingefassten Strömungsweg unmittelbar miteinander strömungsverbunden sind und der Rückführanschluss einerseits über die Membran an den Strömungsweg angeschlossen ist und andererseits mit dem Anodenfluideinlass strömungsverbunden werden kann.
  • Auf die Vorteile einer derartigen Ausgestaltung der Brennstoffzellenanordnung beziehungsweise einer derartigen Vorgehensweise wurde bereits hingewiesen. Sowohl die Brennstoffzellenanordnung als auch das Verfahren zu ihrem Betreiben können gemäß den vorstehenden Ausführungen weitergebildet sein, sodass insoweit auf diese verwiesen wird.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert, ohne dass eine Beschränkung der Erfindung erfolgt. Dabei zeigt:
    • 1 eine schematische Darstellung eines Bereichs einer Brennstoffzellenanordnung, die zusätzlich zu einer Brennstoffzelle einen Wasserabscheider aufweist, sowie
    • 2 eine schematische Teilschnittdarstellung des Wasserabscheiders.
  • Die 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Brennstoffzellenanordnung 1, die eine Brennstoffzelle 2 aufweist. Die Brennstoffzelle 2 verfügt über eine Kathode 3 und eine Anode 4. Die Kathode 3 weist wiederum einen Kathodenfluideinlass 5 und einen Kathodenfluidauslass 6 auf, wohingegen die Anode 4 einen Anodenfluideinlass 7 und einen Anodenfluidauslass 8 aufweist. Über den Kathodenfluideinlass 5 ist der Kathode 3 der Brennstoffzelle 2 ein Oxidator, insbesondere Sauerstoff, zuführbar. Über den Anodenfluideinlass 7 ist hingegen der Anode 4 der Brennstoffzelle 2 ein Brennstoff, nämlich Wasserstoff, zuführbar. Aufgrund einer chemischen Reaktion des Brennstoffs mit dem Oxidator in der Brennstoffzelle 2 stellt diese elektrischen Strom zur Verfügung, welcher beispielsweise zum Antreiben eines Kraftfahrzeugs herangezogen werden kann.
  • Während des Betriebs der Brennstoffzellenanordnung 1 sammeln sich insbesondere in der Anode 4 Fremdstoffe, insbesondere Stickstoff, an. Diese sollen von Zeit zu Zeit aus der Brennstoffzellenanordnung 1 entfernt werden, um einen dauerhaft hohen Wirkungsgrad der Brennstoffzelle 2 sicherzustellen. Zu diesem Zweck ist der Anodenfluidauslass 8 mit einer Spülleitung 9 strömungsverbindbar, wobei die Strömungsverbindung bevorzugt mittels eines Spülventils 10 herstellbar ist. Strömungstechnisch zwischen dem Anodenfluidauslass 8 und der Spülleitung 9 beziehungsweise dem Spülventil 10 ist zudem ein Wasserabscheider 11 angeordnet, welcher dem Abführen von Wasser aus der Brennstoffzellenanordnung 1 dient.
  • Während eines Durchspülens der Anode 4 mit Wasserstoff, welcher ihr über den Anodenfluideinlass 7 zugeführt wird, tritt aus dem Anodenfluidauslass 8 ein Spülfluid aus, welches sich aus dem Wasserstoff und den Fremdstoffen zusammensetzt. Das Spülfluid wird dem Wasserabscheider 11 zugeführt, nämlich über einen Einlassanschluss 12 des Wasserabscheiders. Das Spülfluid durchströmt den Wasserabscheider 11 und tritt durch einen Auslassanschluss 13, der an die Spülleitung 9 beziehungsweise das Spülventil 10 strömungstechnisch angeschlossen ist, aus.
  • Zusätzlich weist der Wasserabscheider 11 einen Rückführanschluss 14 auf, durch welchen in dem Spülfluid eventuell enthaltener Wasserstoff von dem Spülfluid separiert wird, insbesondere um ihn erneut der Brennstoffzelle 2 zuzuführen. Das Zurückführen des Wasserstoffs, welcher von dem Wasserabscheider 11 an den Rückführanschluss 14 bereitgestellt wird, erfolgt vorzugsweise mittels einer Fördereinrichtung 15, welche bevorzugt als Fluidpumpe vorliegt.
  • Die 2 zeigt eine schematische Teilschnittdarstellung des Wasserabscheiders 11. Zu erkennen sind der Einlassanschluss 12, der Auslassanschluss 13 sowie der Rückführanschluss 14. Der Wasserabscheider 11 verfügt über ein vorzugsweise kreiszylindrisch ausgestaltetes Abscheidergehäuse 16, an dem die Anschlüsse 12, 13 und 14 ausgebildet sind. Vorzugsweise liegen die Einlassanschlüsse 12 und 13 koaxial zueinander an dem Abscheidergehäuse 16 vor, wohingegen der Rückführanschluss 14 bevorzugt senkrecht auf einer die beiden Anschlüsse 12 und 13 miteinander verbindenden Längsmittelachse des Abscheidergehäuses 16 steht.
  • In dem Abscheidergehäuse 16 liegt eine Einlasskammer 17 vor, in die der Einlassanschluss 12 unmittelbar einmündet. An die Einlasskammer 17 grenzt ein Sammelraum 18 an, der strömungstechnisch unmittelbar mit dem Rückführanschluss 14 verbunden ist. Auf der der Einlasskammer 17 gegenüberliegenden Seite des Sammelraums 18 liegt eine hier nicht erkennbare Auslasskammer vor, in welche der Auslassanschluss 13 einmündet. Der Sammelraum 18 ist von der Einlasskammer 17 und der Auslasskammer jeweils mittels eines Einsatzes 19 strömungstechnisch separiert, welcher gleichzeitig als Halter für den Sammelraum 18 durchgreifende Fluidleitungen 20 dient.
  • Von den Fluidleitungen 20 sind hier lediglich einige beispielhaft gekennzeichnet. Die Fluidleitungen 20 erstrecken sich von der Einlasskammer 17 bis hin zu der Auslasskammer, stellen also eine Strömungsverbindung zwischen dem Einlassanschluss 12 und dem Auslassanschluss 13 her. Die Fluidleitungen 12 bestehen zumindest teilweise, insbesondere vollständig, aus einer Membran, welche wasserstoffpermeabel und wasserimpermeabel ist. Zusätzlich ist die Membran bevorzugt stickstoffimpermeabel. Das bedeutet, das aus dem die Fluidleitungen 20 durchströmenden Spülfluid Wasserstoff durch die Membran aus den Fluidleitungen 20 in den Sammelraum 18 und mithin zu dem Rückführanschluss 14 gelangen kann, wohingegen Wasser und vorzugsweise zusätzlich Stickstoff von der Membran in den Fluidleitungen 20 gehalten werden, sodass sie die gesamte Fluidleitung 20 bis hin zu der Auslasskammer durchströmen und nachfolgend durch den Auslassanschluss 13 aus dem Wasserabscheider 11 austreten.
  • Das Durchspülen der Anode 4 der Brennstoffzelle 2 geht folglich einerseits mit geringen Wasserstoffverlusten einhergeht und andererseits werden Wasser und Stickstoff zuverlässig aus der Brennstoffzellenanordnung 1 abgeführt. Insbesondere integriert also der Wasserabscheider 11 die Funktionalität des Wasserabscheidens und des Stickstoffabscheidens aus der Brennstoffzellenanordnung 1 in einer einzigen Einrichtung.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102013203213 A1 [0005]

Claims (10)

  1. Brennstoffzellenanordnung (1), mit einer eine Anode (4) und eine Kathode (3) aufweisenden Brennstoffzelle (2), wobei die Anode (4) einen Anodenfluideinlass (7) und einen Anodenfluidauslass (8) aufweist und der Anodenfluidauslass (8) zum Durchspülen der Anode (4) mit Wasserstoff mit einer Spülleitung (9) strömungsverbindbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass strömungstechnisch zwischen dem Anodenfluidauslass (8) und der Spülleitung (9) ein Wasserabscheider (11) angeordnet ist, der einen Einlassanschluss (12), einen Auslassanschluss (13) und einen Rückführanschluss (14) aufweist, wobei der Einlassanschluss (12) und der Auslassanschluss (13) über einen von einer wasserstoffpermeablen und wasserimpermeablen Membran eingefassten Strömungsweg unmittelbar miteinander strömungsverbunden sind und der Rückführanschluss (14) einerseits über die Membran an den Strömungsweg angeschlossen ist und andererseits mit dem Anodenfluideinlass (7) strömungsverbindbar ist.
  2. Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran zusätzlich stickstoffimpermeabel ist.
  3. Brennstoffzellenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Einlassanschluss (12) und der Auslassanschluss (13) mittels einer Vielzahl aus der Membran gebildeten Fluidleitungen (20) verbunden sind, die in einem mit dem Rückführanschluss (14) strömungsverbundenen Sammelraum (18) des Wasserabscheiders (11) angeordnet sind.
  4. Brennstoffzellenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fluidleitungen (20) über ihre gesamte Längserstreckung gerade verlaufen.
  5. Brennstoffzellenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fluidleitungen (20) beabstandet voneinander in dem Sammelraum (18) angeordnet sind.
  6. Brennstoffzellenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fluidleitungen (20) eine Einlasskammer (17) und eine Auslasskammer strömungstechnisch miteinander verbinden, die jeweils mittels eines die Fluidleitungen (20) haltenden Einsatz (19) strömungstechnisch von dem Sammelraum (18) getrennt sind.
  7. Brennstoffzellenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wasserabscheider (11) derart angeordnet ist, dass Wasser durch Schwerkrafteinfluss in Richtung des Auslassanschlusses (13) gedrängt wird.
  8. Brennstoffzellenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Einlassanschluss (12) und der Auslassanschluss (13) koaxial zueinander an einem Abscheidergehäuse (16) des Wasserabscheiders (11) angeordnet sind.
  9. Brennstoffzellenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Auslassanschluss (13) strömungstechnisch an ein Spülventil (10) angeschlossen, insbesondere über das Spülventil (10) mit einer Außenumgebung strömungsverbindbar, ist.
  10. Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenanordnung (1), insbesondere einer Brennstoffzellenanordnung (1) nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Brennstoffzellenanordnung (1) über eine eine Anode (4) und eine Kathode (3) aufweisende Brennstoffzelle (2) verfügt, und wobei die Anode (4) einen Anodenfluideinlass (7) und einen Anodenfluidauslass (8) aufweist und der Anodenfluidauslass (8) zum Durchspülen der Anode (4) mit Wasserstoff mit einer Spülleitung (9) strömungsverbindbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass strömungstechnisch zwischen dem Anodenfluidauslass (8) und der Spülleitung (9) ein Wasserabscheider (11) angeordnet ist, der einen Einlassanschluss (12), einen Auslassanschluss (13) und einen Rückführanschluss (14) aufweist, wobei der Einlassanschluss (12) und der Auslassanschluss (13) über einen von einer wasserstoffpermeablen und wasserstoffimpermeablen Membran eingefassten Strömungsweg unmittelbar miteinander strömungsverbunden sind und der Rückführanschluss (14) einerseits über die Membran an den Strömungsweg angeschlossen ist und andererseits mit dem Anodenfluideinlass (7) strömungsverbunden werden kann.
DE102017215738.0A 2017-09-07 2017-09-07 Brennstoffzellenanordnung sowie Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenanordnung Pending DE102017215738A1 (de)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102017215738.0A DE102017215738A1 (de) 2017-09-07 2017-09-07 Brennstoffzellenanordnung sowie Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenanordnung

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102017215738.0A DE102017215738A1 (de) 2017-09-07 2017-09-07 Brennstoffzellenanordnung sowie Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenanordnung

Publications (1)

Publication Number Publication Date
DE102017215738A1 true DE102017215738A1 (de) 2019-03-07

Family

ID=65363571

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE102017215738.0A Pending DE102017215738A1 (de) 2017-09-07 2017-09-07 Brennstoffzellenanordnung sowie Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenanordnung

Country Status (1)

Country Link
DE (1) DE102017215738A1 (de)

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102013203213A1 (de) 2012-06-19 2013-12-19 Shimano Inc. Fahrrad-Bremsbaueinheit
DE102013203313A1 (de) * 2013-02-27 2014-08-28 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Brennstoffzellensystem

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102013203213A1 (de) 2012-06-19 2013-12-19 Shimano Inc. Fahrrad-Bremsbaueinheit
DE102013203313A1 (de) * 2013-02-27 2014-08-28 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Brennstoffzellensystem

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE102014223520A1 (de) Befeuchtungsvorrichtung für Brennstoffzelle und Brennstoffzellensystem mit derselben
DE102015224202A1 (de) Membranbefeuchter für eine brennstoffzelle
DE102014114023A1 (de) Batteriesystem
DE102008014155A1 (de) Modulares Batteriesystem mit Kühlsystem
DE102006037799B4 (de) Vorrichtung zur Rezirkulation von Anodenabgasen einer Brennstoffzelle
DE102017221302A1 (de) Gas-Flüssigkeitsabscheider zum Abscheiden von zumindest einem flüssigen Bestandteil von einem gasförmigen Bestandteil
DE102015205227A1 (de) Separator und Brennstoffzelle mit demselben
DE102012023682A1 (de) Flüssigkeitsabscheider für ein Brennstoffzellensystem
DE102016013666A1 (de) Vorrichtung zum Abscheiden von Flüssigkeit
EP2280440B1 (de) Brennstoffzellenvorrichtung mit mehreren Kaskadenstufen
DE102017222010A1 (de) Aufbereitungseinrichtung zum Anschluss an ein Brennstoffzellenkühlsystem und zur Entionisierung des Kühlmittels, kompatibles Brennstoffzellensystem und Verwendung der Aufbereitungseinrichtung
DE102019003386A1 (de) Vorrichtung zur Rezirkulation von Abgas
DE102017215738A1 (de) Brennstoffzellenanordnung sowie Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenanordnung
EP4189761B1 (de) Redox-flow batterie mit einer messeinrichtung
DE102007033203A1 (de) Baueinheit für ein Brennstoffzellensystem und Brennstoffzellensystem
AT523896B1 (de) Prüfstandsystem zum Prüfen von zumindest einer Brennstoffzelle
DE112008003551T5 (de) Brennstoffzellensystem
DE102008002363B4 (de) Brennstoffzellensystem und dessen Flusssteuerungsmechanismus
DE112018000942T5 (de) Brennstoffzellenstapel unde Fahrzeug mit einem Brennstoffzellenstapel
DE102016104645B4 (de) Wägevorrichtung mit Schaltschrank
DE102019126379A1 (de) Fluidzusammenfluss-Verbindungsstelle
DE102019205813A1 (de) Brennstoffzellenstapel mit einer hygroskopischen Struktur
DE102020214814A1 (de) Brennstoffzellensystem
DE102015224178A1 (de) Redox-Brennstoffzellensystem
DE102013212180A1 (de) Leitungsvorrichtung für eine Brennstoffzelle, Brennstoffzelle sowie Brennstoffzellenstapel

Legal Events

Date Code Title Description
R163 Identified publications notified
R082 Change of representative

Representative=s name: HENTRICH PATENT- & RECHTSANWALTSPARTNERSCHAFT , DE

Representative=s name: HENTRICH PATENT- & RECHTSANWAELTE PARTG MBB, DE

Representative=s name: HENTRICH PATENTANWAELTE PARTG MBB, DE