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Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem mit einem eine Kathodenzufuhrleitung und eine Kathodenabgasleitung aufweisenden Brennstoffstapel. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Kraftfahrzeug mit einem Brennstoffzellensystem.
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Brennstoffzellensysteme enthalten als wesentliches Element den Brennstoffzellenstapel mit einer Mehrzahl von Membran-Elektrodenanordnungen mit einer ionenleitenden Membran mit einer auf der einen Seite angeordneten Anode und einer auf der anderen Seite angeordneten Kathode. Der Anode wird in der Regel als Brennstoff Wasserstoff zugeführt, während die Kathode mit Sauerstoff versorgt wird, der in der Regel aus Luft bereitgestellt ist. In einer elektrochemischen Reaktion reagieren der Wasserstoff und der Sauerstoff zu Wasser, wobei elektrische Energie erzeugt wird.
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Brennstoffzellensysteme unterliegen Degradationsmechanismen. Problematisch ist dabei insbesondere eine Startsituation, bei der Sauerstoff an den beiden Elektroden, also an Anode und Kathode vorliegt, was zu einem sogenannten Luft-Luft-Start führen kann. Wird in dieser Konstellation zum Start des Brennstoffzellensystems der Anode Wasserstoff zugeführt, läuft eine H2/O2-Front durch den Brennstoffzellenstapel, die zu hohen Halbzellpotentialen führt, was zur Degradation des Brennstoffzellensystems beiträgt. Aus dem Stand der Technik ist es daher bekannt, die Kathodenzufuhrleitung und die Kathodenabgasleitung durch Klappen gegenüber der Umgebung abzudichten. Die Dichtigkeit der Klappen sowie die Volumina und Längen der Gasstrecken in der Kathodenabgasleitung sowie der Kathodenzufuhrleitung beeinflussen die Zeit, bis aus der Umgebung wieder Sauerstoff in den Kathodenraum gelangt, von der Kathode durch die Membran zur Anode diffundiert und dort den Zustand eines Luft-Luft-Startes bewirkt. Die Zeitdauer, die vom Abschalten des Brennstoffzellensystems vergeht, bis der Zustand des Luft-Luft-Startes erreicht ist, wird als H2-Schutzzeit („hydrogen protection time“) bezeichnet. Es besteht das Bemühen, eine möglichst lange H2-Schutzzeit zu erzielen.
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Eine lange H2-Schutzzeit stellt hohe Anforderungen an die Dichtigkeit der Klappe der Kathodenzufuhrleitung und der Kathodenabgasleitung, wobei dazu bisher Verschleiß unterliegende Elastomer-Dichtungen eingesetzt werden. Auch Kugelventile, die hohe Stellkräfte benötigen, sind hinsichtlich der erforderlichen Kosten und des benötigten Bauraums nachteilig. Zu beachten ist auch, dass Brennstoffzellensysteme unter wechselnden Umweltbedingungen betrieben werden können, so dass insbesondere bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunktes von Wasser an den Klappen kondensiertes Wasser gefriert und weitere Maßnahmen erforderlich sind, um ein sicheres Öffnen der Klappen durch entsprechend hohe Stellkräfte oder durch ein Aufheizen gewährleisten zu können.
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Die
DE 10 2011 007 378 A1 offenbart einen Brennstoffzellenstapel mit einer Wasserablaufanordnung, welche kondensiertes Wasser abführen und verhindern kann, dass Wasser in Elementarzellen fließt.
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In der
DE 10 2015 011 278 A1 ist ein Brennstoffzellensystem gezeigt mit einem Brennstoffzellenstapel, der in einem Stapelgehäuse angeordnet ist, welches einen Einlass für Spülluft und einen Auslass für die Spülluft aufweist, um Kondenswasser aus dem Stapelgehäuse zu entfernen.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Brennstoffzellensystem der eingangs genannten Art so auszubilden, dass eine vorgegebene H2-Schutzzeit mit einfachen Maßnahmen erreicht oder sogar verlängert werden kann. Aufgabe der Erfindung ist es weiterhin, ein Kraftfahrzeug mit einem verbesserten Brennstoffzellensystem bereitzustellen.
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Der das Brennstoffzellensystem betreffende Teil der Aufgabe wird durch ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Der das Kraftfahrzeug betreffende Teil der Aufgabe wird durch ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Diese Erfindung zeichnet sich durch einen sehr einfachen konstruktiven Aufbau auf, bei dem der Leitungsquerschnitt der Kathodenzufuhrleitung und der Kathodenabgasleitung über deren gesamten Querschnitt effektiv gesperrt wird, ohne dass Alterungseffekte einer Klappe oder einer Dichtung auftreten. Die zur Füllung des einen oder der mehreren Siphons erforderliche Flüssigkeit kann in einfacher Weise dabei durch Wasser gebildet sein, nämlich das Produktwasser aus der Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff. Die in den Siphons bereitgestellte Flüssigkeit kann beim Start des Brennstoffzellensystems beispielsweise durch ausreichende Druckbeaufschlagung ausgeblasen werden.
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Im Rahmen der Erfindung ist weiterhin bevorzugt, dass der Siphon jeweils in der Kathodenzufuhrleitung und/oder der Kathodenabgasleitung und/oder im Kathodenflussfeld des Brennstoffzellenstapels angeordnet ist, wobei jeder einzelne Siphon bereits die H2-Schutzzeit erhöht, diese aber maximiert ist, wenn in jeder möglichen Position der Siphon realisiert ist.
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Hinsichtlich der Einfachheit des Aufbaus ist es weiterhin bevorzugt, dass ein an den Siphon anschließender Teilabschnitt der Kathodenzufuhrleitung und/oder ein an dem Siphon anschließender Teilabschnitt der Kathodenabgasleitung geneigt gegen die Horizontale ausgerichtet ist. Dadurch kann in einfacher Weise das Produktwasser oder in den Leitungen angefallenes Kondensat dem Gefälle folgend dem Siphon zugeführt werden. Alternativ besteht die Möglichkeit, dass dem Siphon ein Kühlelement zugeordnet ist, das die Kondensation gezielt im Bereich des Siphons fördert und erhöht.
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Wenn dem Siphon ein Heizelement zugeordnet ist, besteht weiterhin die Möglichkeit, dass bei den Bedingungen des Froststarts darauf verzichtet werden kann, den Siphon bei Unterschreiten einer kritischen Temperatur vorsorglich zu leeren, da gezielt zu Beginn des Starts des Brennstoffzellensystems das im Siphon befindliche gefrorene Wasser geschmolzen bzw. der Eispfropfen soweit reduziert werden kann, dass Gas durch den Siphon strömen kann. Der Einsatz eines Peltier-Elements ermöglicht dabei, mit nur einem Bauteil die beiden Funktionen des Kühlens und Heizens bewirken zu können.
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Im Rahmen der Erfindung vorgesehen ist weiterhin, dass in der Kathodenzufuhrleitung und/oder der Kathodenabgasleitung ein zwischen einer ersten, den Siphon bildenden Position und einer zweiten, eine glatte Wandung bildende Position bewegliches Mittel angeordnet ist, das unterhalb einer Schwellentemperatur von der ersten Position in die zweite Position wechselt. Oder mit anderen Worten ist das bewegliche Mittel in der Kathodenzufuhrleitung und/oder in der Kathodenabgasleitung dann zwischen der ersten, den Siphon bildenden Position und einer zweiten, eine siphonlose Leitung bildenden Position verstellbar. Dieses bewegliche Mittel dient wiederum dazu, bei den Bedingungen eines Froststartes eine ausreichende Betriebssicherheit zu gewährleisten, indem durch das Verstellen des beweglichen Mittels in die zweite Position der Siphon strukturell beseitigt wird und damit auch keine Möglichkeit mehr besteht, dort Wasser zu speichern.
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Es hat sich als zweckmäßig erwiesen, wenn das bewegliche Mittel durch ein Bimetall gebildet ist. Das Bimetall bewirkt eine Modifikation der Struktur der Kathodenzufuhrleitung oder der Kathodenabgasleitung, wobei die konkrete Form eines U-förmigen Siphons in besonders einfacher Weise erzielt werden kann, wenn sowohl stromauf als auch stromab ein Bimetall als bewegliches Mittel in den jeweiligen Leitungen positioniert ist.
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Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass ein Flüssigkeitsreservoir mit dem Siphon über eine eine Pumpe aufweisende Verbindungsleitung verbunden ist, und dass dem Siphon ein Absperrventil zugeordnet ist. Damit besteht die Möglichkeit, gezielt dem Siphon aus dem Flüssigkeitsreservoir bei einem Abschalten des Brennstoffzellensystems zu füllen und vor dem Start des Brennstoffzellensystems wieder die Flüssigkeit aus dem Siphon abzuziehen und den Flüssigkeitsreservoir zuzufügen, womit also keine Notwendigkeit besteht, zur Füllung des Siphons auf das Produktwasser oder in den Leitungen anfallendes Kondensat zurückgreifen zu müssen. Insbesondere wird damit auch die Möglichkeit geschaffen, dass in dem Flüssigkeitsreservoir ein Frostschutzmittel oder eine Flüssigkeit mit einer ausreichend geringen Erstarrungstemperatur bereitgestellt ist, wodurch die Probleme des Froststartes weiter gemildert oder sogar beseitigt werden.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung der zur Erläuterung der Erfindung erforderlichen Teile eines Brennstoffzellensystems,
- 2 eine der 1 entsprechende Darstellung einer alternativen Ausführungsform mit einem über Verbindungsleitungen mit den Siphon in der Kathodenzufuhrleitung und der Kathodenabgasleitung verbundenen Flüssigkeitsreservoir,
- 3 eine der 1 entsprechende Darstellung einer weiteren Ausführungsform mit einem dem Siphon zugeordneten Heizelement,
- 4 eine der 1 entsprechende Darstellung einer Ausführungsform mit einem beweglichen Mittel unterhalb einer Schwellentemperatur, und
- 5 eine schematische perspektivische Darstellung von Siphons im Kathodenflussfeld des Brennstoffzellenstapels.
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In der 1 ist von einem Brennstoffzellensystem schematisch der Brennstoffzellenstapel 1 gezeigt, zu dessen Kathodenräumen eine Kathodenzufuhrleitung 2 führt. Des Weiteren ist eine Kathodenabgasleitung 3 ersichtlich, die aus dem Gehäuse 4 des Brennstoffzellenstapels 1 herausführt. Sowohl über die Kathodenzufuhrleitung 2 als auch über die Kathodenabgasleitung 3 kann Luft aus der Umgebung in den Kathodenraum strömen, wenn das Brennstoffzellensystem abgeschaltet ist. Die im Kathodenraum befindliche Luft kann dann durch die Membran in den Anodenraum diffundieren und so die Bedingungen eines Luft-Luft-Startes schaffen, der zur Degradation des Brennstoffzellenstapels 1 beiträgt. Um einen derartigen Luft-Luft-Start zu vermeiden, ist zur Bereitstellung einer Flüssigkeitsvorlage im Kathodengasströmungspfad (Sauerstoffströmungspfad) ein Siphon 5 vorgesehen, und zwar in dem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel sowohl in der Kathodenzufuhrleitung 2 als auch in der Kathodenabgasleitung 3. Dieser Siphon 5 kann im abgeschalteten Zustand des Brennstoffzellensystems mit einer Flüssigkeit gefüllt werden, wozu bei dem in der 1 gezeigten Ausführungsbeispiel vorgesehen ist, dass ein an dem Siphon 5 anschließender Teilabschnitt 6 der Kathodenzufuhrleitung 2 und ein an den Siphon 5 anschließender Teilabschnitt 6 der Kathodenabgasleitung 3 geneigt gegen die Horizontale ausgerichtet ist, so dass in den Leitungen anfallendes Kondensat dem Gefälle folgend in den zugeordneten Siphon 5 strömt und diesen füllt. Es ist darauf hinzuweisen, dass der gegen die Horizontale geneigte Teilabschnitt 6 sowohl stromauf als auch stromab angeordnet sein kann, wobei in dem gezeigten Ausführungsbeispiel hinsichtlich der Kathodenzuführleitung 2 der Teilabschnitt 6 stromauf von dem Siphon 5 bezogen auf die Strömungsrichtung des Kathodengases liegt. Bei der Kathodenabgasleitung 3 ist der Teilabschnitt 6 bezüglich des Siphon 5 stromab bezogen auf die Strömungsrichtung des Kathodenabgases positioniert.
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Die 2 zeigt eine weitere Ausführungsform, bei der das Mittel zur Füllung des Siphons 5 im ausgeschalteten Zustand mit einer Flüssigkeit realisiert ist durch ein Flüssigkeitsreservoir 7, das über eine eine Pumpe 8 aufweisende Verbindungsleitung 9 mit dem Siphon 5 verbunden ist, wobei dem jeweiligen Siphon 5 ein Absperrventil 10 zugeordnet ist. Damit besteht die Möglichkeit, dass nach dem Abschalten des Brennstoffzellensystems unabhängig vom anfallenden Produktwasser oder zur Verfügung stehenden Kondensat die Siphons 5 mittels der Pumpe 8 aus dem Flüssigkeitsreservoir 7 gefüllt werden, wobei bei ausreichendem Füllstand durch das Absperrventil 10 dieser Füllstand beibehalten und die Pumpe 8 dann abgeschaltet werden kann.
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Drohen die Bedingungen eines Froststartes, besteht die Möglichkeit, die Absperrventile 10 zu öffnen und mittels der Pumpe 8 die Flüssigkeit aus dem Siphon 5 in das Flüssigkeitsreservoir 7 zu entleeren. Zu beachten ist allerdings, dass auch die Möglichkeit besteht, dass die Flüssigkeit in dem Flüssigkeitsreservoir 7 durch ein Frostschutzmittel gebildet ist, so dass auch bei Temperaturen unter dem Gefrierpunkt von Wasser der Siphon 5 mit dem Frostschutzmittel oder eine Flüssigkeit mit einer ausreichend geringen Erstarrungstemperatur gefüllt bleiben kann, also die Möglichkeit besteht, die Temperatur, bei der ein Entleeren des Siphons 5 erforderlich wird, deutlich abzusenken, was sich wiederum günstig auf eine Verlängerung der H2-Schutzzeit auswirkt.
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Die 3 zeigt eine Ausführungsform, bei der ein Entleeren des Siphons 5 bei drohendem Frost nicht erforderlich ist, also der Siphon 5 mit seiner Flüssigkeitsvorlage seine Schutzwirkung bis zum Start des Brennstoffzellensystems erfüllen kann, da zu diesem Zeitpunkt gezielt ein Aufschmelzen der gefrorenen Flüssigkeit mittels eines Heizelements 11 erfolgt.
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4 zeigt eine weitere Ausführungsform, bei der in der Kathodenzuführleitung 2 und der Kathodenabgasleitung 3 ein zwischen einer ersten, den Siphon 5 bildenden Position und einer zweiten eine glatte Wandung bildenden Position bewegliches Mittel 12 angeordnet ist, das unterhalb einer Schwellentemperatur von der ersten Position in die zweite Position wechselt. Die 1 kann diesbezüglich herangezogen werden für die Erläuterung des beweglichen Mittels 12 in der ersten Position, in der der Siphon 5 ausgebildet ist, während die 4 das bewegliche Mittel 14 in der zweiten Position zeigt, wenn unterhalb einer Schwellentemperatur sich die Siphons 5 in der Kathodenzufuhrleitung 2 und der Kathodenabgasleitung 3 eingeebnet haben. Dieses dient wiederum dem Entleeren des jeweiligen Siphons 5 zur Vermeidung des Frierens der Flüssigkeit.
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Das bewegliche Mittel 12 ist dabei durch ein Bimetall gebildet, das in der Kathodenzufuhrleitung 2 und auch in der Kathodenabgasleitung 3 angeordnet ist und deren Verformung bewirkt, wobei selbstverständlich auch die Möglichkeit besteht, sowohl stromauf als auch stromab von dem Siphon 5 jeweils ein Bimetall zu positionieren, um eine besonders prägnante Verformung der Kathodenzufuhrleitung 2 und der Kathodenabgasleitung 3 mit der Ausbildung eines lang ausgedehnten Siphons 5 zu erzielen.
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5 weist auf die Möglichkeit hin, dass alternativ oder zusätzlich in das Kathodenflussfeld 13 des Brennstoffzellenstapels 1 die Siphons 5 eingebracht werden können.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Brennstoffzellenstapel
- 2
- Kathodenzufuhrleitung
- 3
- Kathodenabgasleitung
- 4
- Gehäuse
- 5
- Siphon
- 6
- Teilabschnitt
- 7
- Flüssigkeitsreservoir
- 8
- Pumpe
- 9
- Verbindungsleitung
- 10
- Absperrventil
- 11
- Heizelement
- 12
- Bewegliches Mittel
- 13
- Kathodenflussfeld
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102011007378 A1 [0005]
- DE 102015213641 A1 [0006]
- DE 102015011278 A1 [0007]
