DE102017220632A1 - Brennstoffzellensystem - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem (1), mit einem eine Vielzahl von Brennstoffzellen (3) aufweisenden Brennstoffzellenstapel (2), der durch Endplatten (4) begrenzt ist, mit einer Anodengasversorgung (18) und mit einer Kathodengasversorgung (17), die eine Kathodengaszuleitung (5) und eine Kathodenabgasleitung (6) umfasst, zur Durchleitung eines Kathodengases durch den Brennstoffzellenstapel (2) in einer Strömungsrichtung (7). Zwischen der Kathodengaszuleitung (5) und der Kathodenabgasleitung (6) ist eine Bypassleitung (8) vorgesehen, durch die der Fluss des Kathodengases durch den Brennstoffzellenstapel (2) zumindest teilweise überbrückbar ist. Der Bypassleitung (8) ist ein thermostatisches Element (9) zugeordnet, das zwischen einer den Durchfluss durch die Bypassleitung (8) ermöglichenden Bypassstellung und einer Verschlussstellung verstellbar ist, in der die Bypassleitung (8) gesperrt ist.
Description
- Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem, mit einem eine Vielzahl von Brennstoffzellen aufweisenden Brennstoffzellenstapel, der durch Endplatten begrenzt ist, mit einer Anodengasversorgung und mit einer Kathodengasversorgung, die eine Kathodengaszuleitung und eine Kathodenabgasleitung umfasst, zur Durchleitung eines Kathodengases durch den Brennstoffzellenstapel in einer Strömungsrichtung, wobei zwischen der Kathodengaszuleitung und der Kathodenabgasleitung eine Bypassleitung vorgesehen ist, durch die der Fluss des Kathodengases durch den Brennstoffzellenstapel zumindest teilweise überbrückbar ist.
- Aus der
DE 11 2006 002 715 B4 ist ein derartiges Brennstoffzellensystem bekannt, bei dem zwischen der kathodenseitigen Zuleitung und dem korrespondierenden Kathodenabgaskanal ein Bypasskanal mit einem korrespondierenden Ventil ausgebildet ist. Hierdurch ist es möglich, kathodenseitig Luft von der Zuleitung direkt in den Abluftstrang umzuleiten, wodurch auf der Kathodenseite auftretender Wasserstoff verdünnt und dessen Konzentration im Abgas der Kathode reduziert wird. Zudem wird es durch die gezielte Luftverarmung auch möglich, die Brennstoffzellen mit einem verschlechterten Wirkungsgrad anzusteuern, wodurch beispielsweise bei einem Froststart eine beschleunigte Erwärmung des Brennstoffzellensystems erreicht wird. - Hierbei hat es sich jedoch als nachteilig erwiesen, dass bei dem aus dem Stand der Technik bekannten System eine Regelung und aktive Verstellung des Ventils erfolgen muss, was neben dem Einsatz eines Aktors, mit dem das Ventil verstellt wird, insbesondere eine aufwändige Steuerung erforderlich macht.
- Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Brennstoffzellensystem bereitzustellen, mit dem ein vereinfachter Bypass bereitgestellt ist.
- Diese Aufgabe wird gemäß Erfindung bei einem Brennstoffzellensystem der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass der Bypassleitung ein thermostatisches Element zugeordnet ist, das zwischen einer den Durchfluss durch den Bypass ermöglichende Bypassstellung und einer Verschlussstellung verstellbar ist, in der der Bypass gesperrt ist.
- Durch die Verwendung eines thermostatischen Elements ist es möglich, den Bypass zu sperren, ohne einen Aktor mit einer aufwendigen Steuerung verwenden zu müssen, da das thermostatische Element passiv ausgebildet ist. Somit muss lediglich in die Bypassleitung das thermostatische Element eingebracht werden.
- Als besonders günstig hat es sich hierbei auch erwiesen, wenn das thermostatische Element bei der Überschreitung einer Grenztemperatur des Brennstoffzellenstapels aus der Bypassstellung in die Verschlussstellung verstellt wird. Wenn das Brennstoffzellensystem unterhalb der Grenztemperatur - beispielsweise bei einem Froststart - mit reduziertem Wirkungsgrad betrieben wird, so wird hierdurch insbesondere sichergestellt, dass der von der Anode auf die Kathode geförderte Wasserstoff durch das durch die Bypassleitung strömende Kathodengas ausreichend verdünnt wird, um die gesetzlichen Anforderungen hinsichtlich der Wasserstoffemission erfüllen zu können. Wird die Grenztemperatur erreicht, so wird das thermostatische Element aus der Bypassstellung in die Verschlussstellung verstellt, wodurch der Bypass geschlossen wird und das System mit verbessertem Wirkungsgrad betrieben werden kann. Da hierbei dann auch kein Wasserstoff von der Anode auf die Kathode gefördert wird, kann auf eine zusätzliche Verdünnung des Kathodenabgases mit dem Kathodengas verzichtet werden.
- Bewährt hat es sich hierbei insbesondere auch, wenn das thermostatische Element thermisch leitend mit einem den Brennstoffzellenstapel kühlenden Kühlmittel verbunden ist. Insbesondere kann hierbei das thermostatische Element im Bereich des Kühlkopf-Headers angeordnet sein. Da die Temperatur des Kühlmittels mit der Temperatur des Brennstoffzellenstapels korreliert ist, kann aus dem Temperaturanstieg des Kühlmittels auf die Temperaturerhöhung des Brennstoffzellenstapels selbst zurückgeschlossen werden, so dass das thermostatische Element bei einer mit der Grenztemperatur korrelierenden Kühlmitteltemperatur aus der Bypass- in die Verschlussstellung überführt werden kann.
- Ein besonders kompakter Aufbau lässt sich insbesondere dann erreichen, wenn die Bypassleitung in einer der Endplatten des Brennstoffzellenstapels ausgebildet ist. Hierdurch wird insbesondere auch gewährleistet, dass das thermostatische Element möglichst unmittelbar benachbart zu dem Brennstoffzellenstapel angeordnet ist, so dass die Temperaturerhöhung des Brennstoffzellenstapels auf das thermostatische Element übergeleitet wird. Hierbei hat sich insbesondere die Ausgestaltung der Endplatte aus Metall bewährt aufgrund der hiermit verbundenen verbesserten Wärmeübertragung. Alternativ ist es im Rahmen der Erfindung jedoch auch vorgesehen, dass die Bypassleitung außerhalb des Brennstoffzellenstapels angeordnet ist, wobei in diesem Fall darauf zu achten ist, dass die thermisch leitende Verbindung zwischen dem thermostatischen Element und dem den Brennstoffzellenstapel kühlenden Kühlmittel gewährleistet ist.
- Als besonders günstig hat es sich auch erwiesen, wenn dem thermostatischen Element ein Dichtelement zugeordnet ist, und wenn in der Bypassleitung ein zu dem Dichtelement korrespondierender Dichtungssitz ausgebildet ist, gegen den das Dichtelement in der Verschlussstellung abgedichtet ist. Hierdurch wird auf einfache, gleichwohl effektive Art und Weise gewährleistet, dass in der Verschlussstellung das Prozessmedium nicht durch die Bypassleitung abgeführt wird.
- Als vorteilhaft hat es sich zudem auch erwiesen, wenn das thermostatische Element beim Verstellen in die Verschlussstellung in der Strömungsrichtung verstellbar ist. Somit wird durch das einströmende Prozessmedium die Verstellung des thermostatischen Elements in die Verschlussstellung begünstigt. Alternativ ist es im Rahmen der Erfindung jedoch auch vorgesehen, dass das thermostatische Element beim Verstellen in die Verschlussstellung senkrecht zu der Strömungsrichtung verstellbar ist. Hierdurch wird insbesondere eine besonders einfache Montage des thermostatischen Elements gewährleistet.
- In diesem Zusammenhang hat es sich insbesondere bewährt, wenn in der Endplatte eine Aufnahme ausgebildet ist zur Aufnahme des thermostatischen Elements, somit kann das thermostatische Element einfach in der Endplatte befestigt werden, wobei sich hierzu insbesondere die Verwendung einer Schraubverbindung bewährt hat.
- Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:
-
1 eine Schnittansicht durch eine erste Ausführungsform eines Brennstoffzellenstapels eines Brennstoffzellensystems, -
2 eine Schnittansicht durch eine zweite Ausführungsform eines Brennstoffzellenstapels des Brennstoffzellensystems, und -
3 eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform eines Brennstoffzellensystems. -
1 zeigt eine geschnittene Ansicht durch einen Brennstoffzellenstapel2 , der Teil eines Brennstoffzellensystems1 ist. Der Brennstoffzellenstapel2 , in dem eine Vielzahl von Brennstoffzellen3 stapelweise angeordnet sind, ist durch Endplatten4 begrenzt. In einer der Endplatten4 ist in dem gezeigten Ausführungsbeispiel jeweils das Ende einer Kathodengaszuleitung5 und einer Kathodenabgasleitung6 ausgebildet durch die ein Kathodengas - im vorliegenden Fall Luft - von einer Kathodengasversorgung17 durch den Brennstoffzellenstapel2 in einer Strömungsrichtung7 geleitet werden können. Zwischen der Kathodengaszuleitung5 und der Kathodenabgasleitung6 ist eine Bypassleitung8 in der Endplatte4 ausgebildet, in der ein thermostatisches Element9 angeordnet ist, das zwischen einer den Durchfluss durch die Bypassleitung8 ermöglichenden Bypassstellung, die in der1 dargestellt ist, und einer Verschlussstellung verstellbar ist, in der die Bypassleitung8 gesperrt ist. Das thermostatische Element9 ist dabei passiv ausgestaltet und wird, wenn die Temperatur des Brennstoffzellenstapels2 bzw. der darin zusammengefassten Brennstoffzellen3 eine Grenztemperatur überschreitet, aus der Bypassstellung, bei der ein Teil des durch die Kathodengaszuleitung5 einströmenden Kathodengases durch die Bypassleitung8 hindurchströmt und somit den Brennstoffzellenstapel2 umgeht, in die Verschlussstellung überführt. Das thermostatische Element9 ist dabei mit dem durch den Brennstoffzellenstapel2 strömenden Kühlmittel thermisch leitend verbunden, dessen Kühlmitteltemperatur einem Temperaturanstieg innerhalb des Brennstoffzellenstapels2 folgt. Wenn daher die Kühlmitteltemperatur einen Grenzwert überschreitet, so wird das thermostatische Element9 aus der Bypassstellung in die Verschlussstellung verstellt. Hierbei wird das thermostatische Element9 ausdehnt, wodurch ein Dichtelement10 , das diesem zugeordnet ist, gegen einen in der Bypassleitung8 angeordneten Dichtungssitz11 verstellt wird, wodurch eine Abdichtung zwischen dem thermostatischen Element9 und der Bypassleitung8 erfolgt, so dass diese gesperrt ist und kein Kathodengas mehr von der Kathodengaszuleitung5 zu der Kathodenabgasleitung6 strömen kann, ohne zuvor durch den Brennstoffzellenstapel2 geleitet zu werden. Bei dem in der1 dargestellten Ausführungsbeispiel wird das thermostatische Element9 beim Verstellen aus der Bypassstellung in die Verschlussstellung in Strömungsrichtung7 verstellt. -
2 zeigt eine zweite Ausführungsform eines Brennstoffzellenstapels2 , bei dem ebenfalls in einer der Endplatten4 eine Bypassleitung8 ausgebildet ist. Bei dem darin gezeigten Ausführungsbeispiel ist das thermostatische Element9 jedoch senkrecht zu der Strömungsrichtung7 verstellbar in der Bypassleitung8 angeordnet und hierzu in einer Aufnahme12 in der Wandung der Endplatte4 aufgenommen und durch eine Schraubverbindung13 darin gesichert. Durch die Aufnahme12 lässt sich das thermostatische Element9 einfach in der Endplatte4 befestigen, wodurch - insbesondere wenn diese aus Metall gefertigt ist - auch eine thermisch leitende Verbindung mit dem den Brennstoffzellenstapel2 kühlenden Kühlmittel erreicht wird. -
3 zeigt in einer vereinfachten schematischen Darstellung den Aufbau des Brennstoffzellensystems1 , bei dem außerhalb des Brennstoffzellenstapels2 die Bypassleitung8 mit dem darin aufgenommenen thermostatischen Element9 , das als Ventil dient, angeordnet sind. Bei dem in der3 gezeigten Brennstoffzellensystem1 wird die als Kathodengas dienende Luft die durch die Kathodengasversorgung17 von einem Verdichter14 kommend über den Ladeluftkühler15 einem Befeuchteter16 zugeführt. Von dort strömt das Kathodengas durch den Brennstoffzellenstapel2 und - sofern die Temperatur des Brennstoffzellenstapels2 unterhalb der Grenztemperatur liegt - auch durch das thermostatische Element9 , dass sich dann in der Bypassstellung befindet. Werden die Brennstoffzellen3 luftarm betrieben, also mit einem verschlechterten Wirkungsgrad, so erwärmen sich die Brennstoffzellen3 und es wird der anodenseitig durch eine Anodengasversorgung18 dem Brennstoffzellenstapel2 zugeführte Wasserstoff von der Anodenseite durch die Brennstoffzellen3 hindurch auf die Kathodenseite gepumpt. Hierbei wird dann durch die Luft, die durch die Bypassleitung8 strömt, der der Kathodenabgasleitung6 zugeführte Wasserstoff verdünnt, um die gesetzlichen Anforderungen an die Wasserstoffkonzentration in dem Kathodenabgas erfüllen zu können. - Bezugszeichenliste
-
- 1
- Brennstoffzellensystem
- 2
- Brennstoffzellenstapel
- 3
- Brennstoffzelle
- 4
- Endplatte
- 5
- Kathodengaszuleitung
- 6
- Kathodenabgasleitung
- 7
- Strömungsrichtung
- 8
- Bypassleitung
- 9
- thermostatisches Element
- 10
- Dichtelement
- 11
- Dichtungssitz
- 12
- Aufnahme
- 13
- Schraubverbindung
- 14
- Verdichter
- 15
- Ladeluftkühler
- 16
- Befeuchter
- 17
- Kathodengasversorgung
- 18
- Anodengasversorgung
- 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 112006002715 B4 [0002]
Claims (10)
- Brennstoffzellensystem (1), mit einem eine Vielzahl von Brennstoffzellen (3) aufweisenden Brennstoffzellenstapel (2), der durch Endplatten (4) begrenzt ist, mit einer Anodengasversorgung (18) und mit einer Kathodengasversorgung (17), die eine Kathodengaszuleitung (5) und eine Kathodenabgasleitung (6) umfasst, zur Durchleitung eines Kathodengases durch den Brennstoffzellenstapel (2) in einer Strömungsrichtung (7), wobei zwischen der Kathodengaszuleitung (5) und der Kathodenabgasleitung (6) eine Bypassleitung (8) vorgesehen ist, durch die der Fluss des Kathodengases durch den Brennstoffzellenstapel (2) zumindest teilweise überbrückbar ist, dadurch gekennzeichnet dass der Bypassleitung (8) ein thermostatisches Element (9) zugeordnet ist, das zwischen einer den Durchfluss durch die Bypassleitung (8) ermöglichenden Bypassstellung und einer Verschlussstellung verstellbar ist, in der die Bypassleitung (8) gesperrt ist.
- Brennstoffzellensystem (1) nach
Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das thermostatische Element (9) bei der Überschreitung einer Grenztemperatur des Brennstoffzellenstapels (2) aus der Bypassstellung in die Verschlussstellung verstellt wird. - Brennstoffzellensystem (1) nach
Anspruch 1 oder2 , dadurch gekennzeichnet, dass das thermostatische Element (9) thermisch leitend mit einem den Brennstoffzellenstapel (2) kühlenden Kühlmittel verbunden ist. - Brennstoffzellensystem (1) nach einem der
Ansprüche 1 bis3 , dadurch gekennzeichnet, dass die Bypassleitung (8) in einer der Endplatten (4) ausgebildet ist. - Brennstoffzellensystem (1) nach einem der
Ansprüche 1 bis3 , dadurch gekennzeichnet, dass die Bypassleitung (8) außerhalb des Brennstoffzellenstapels (2) angeordnet ist. - Brennstoffzellensystem (1) nach einem der
Ansprüche 1 bis5 , dadurch gekennzeichnet, dass dem thermostatischen Element (9) ein Dichtelement (10) zugeordnet ist, und dass in der Bypassleitung (8) ein zu dem Dichtelement (10) korrespondierender Dichtungssitz (11) ausgebildet ist, gegen den das Dichtelement (10) in der Verschlussstellung abgedichtet ist. - Brennstoffzellensystem (1) nach einem der
Ansprüche 1 bis6 , dadurch gekennzeichnet, dass das thermostatische Element (9) beim Verstellen in die Verschlussstellung in der Strömungsrichtung (7) verstellbar ist. - Brennstoffzellensystem (1) nach einem der
Ansprüche 1 bis6 , dadurch gekennzeichnet, dass das thermostatische Element (9) beim Verstellen in die Verschlussstellung senkrecht zu der Strömungsrichtung (7) verstellbar ist. - Brennstoffzellensystem (1) nach einem der
Ansprüche 4 bis8 , dadurch gekennzeichnet, dass in der Endplatte (4) eine Aufnahme (12) ausgebildet ist zur Aufnahme des thermostatischen Elements (9). - Brennstoffzellensystem (1) nach
Anspruch 9 , dadurch gekennzeichnet, dass das thermostatische Element (9) in der Aufnahme (12) durch eine Schraubverbindung (13) gesichert ist.
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DE102017220632.2A DE102017220632A1 (de) | 2017-11-17 | 2017-11-17 | Brennstoffzellensystem |
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DE102017220632.2A DE102017220632A1 (de) | 2017-11-17 | 2017-11-17 | Brennstoffzellensystem |
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DE102017220632A1 true DE102017220632A1 (de) | 2019-05-23 |
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DE112006002715B4 (de) | 2005-10-21 | 2017-05-04 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | Brennstoffzellensystem mit einer Vorrichtung zum Abschätzen der erzeugten Wasserstoffgasmenge und Verfahren zum Abschätzen der erzeugten Wasserstoffgasmenge |
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2017
- 2017-11-17 DE DE102017220632.2A patent/DE102017220632A1/de active Pending
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