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Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Patentanspruches 1. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Spülen eines Ausgleichsbehälters in einem Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Patentanspruches 10.
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Stand der Technik
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Wasserstoffbasierte Brennstoffzellen gelten als Mobilitätskonzept der Zukunft, da sie nur Wasser als Abgas emittieren, und schnelle Betankungszeiten ermöglichen. Brennstoffzellen werden meistens zu einem Brennstoffzellenstack zusammengebaut. Die Brennstoffzellenstacks brauchen Sauerstoff, zumeist gewonnen aus der einfachen Luft aus der Umgebung, und Brennstoff, zumeist Wasserstoff, für die chemische Reaktion.
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Die Abwärme des Brennstoffzellenstacks wird in mobilen Anwendungen typischerweise über einen Kühlkreis mit einer Kühlflüssigkeit aus einem Wasser-Glykol- Gemisch aus dem Brennstoffzellenstack abgeführt und mit Hilfe eines Wärmetauschers oder Kühlers an die Umgebung abgegeben. Um Dichteschwankungen im Kühlkreis zu kompensieren, werden Ausgleichsbehälter eingesetzt, die zu einem Teil mit Luft gefüllt sind. Erwärmt sich die Kühlflüssigkeit im Betrieb, steigt der Druck im Ausgleichsbehälter. Bei Überschreitung eines Grenzwertes für den Druck öffnet sich ein federbelastetes Ventil im Deckel des Ausgleichsbehälters und lässt die überschüssige Luft ausströmen. Kühlt sich die Kühlflüssigkeit wieder ab, entsteht ein Unterdruck im Ausgleichsbehälter und das federbelastete Ventil öffnet sich in die andere Richtung und erlaubt eine Luftzufuhr in den Ausgleichsbehälter und ermöglicht damit wieder einen Druckausgleich mit der Umgebung.
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Offenbarung der Erfindung
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Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem und das Verfahren zum Spülen eines Ausgleichsbehälters in einem Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen gemäß der unabhängigen Ansprüche hat den Vorteil, dass die Ausbildung einer explosionsfähigen Atmosphäre, aufgrund von Wasserstoff, im Ausgleichsbehälter verhindert wird.
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Durch die Spülleitung findet ein Austausch der Luft im Ausgleichsbehälter gegen Luft aus dem Abgaspfad statt. Das Gasvolumen im Ausgleichsbehälter wird zeitweise mit Luft aus dem Abgaspfad gespült.
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In der Luft bzw. im Gasvolumen des Ausgleichsbehälters kann sich Wasserstoff ansammeln. Die Passagen des Kühlkreises innerhalb des Brennstoffzellenstacks sind zwar durch Dichtungen von den Gaspassagen getrennt, jedoch können aufgrund der hohen Mobilität der Wasserstoffmoleküle auch bei intakten Dichtungen kleinste Mengen von Wasserstoff in den Kühlkreis gelangen und sich mit der Zeit in der Luft des Ausgleichsbehälters ansammeln. Versagen die Dichtungen zwischen den Gaspassagen und den Passagen des Kühlkreises innerhalb des Brennstoffzellenstacks kann es sogar zu einer großen Ansammlung von Wasserstoff in der Luft des Ausgleichsbehälters kommen. Somit besteht die Gefahr, dass sich im Ausgleichsbehälter ein explosionsfähiges Gemisch von Luft und Wasserstoff bildet, welches sich, wenn es direkt in die Umgebung abgelassen wird, entzünden kann.
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In den abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems und des Verfahrens zum Spülen angegeben.
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Es ist von Vorteil, wenn die Zuströmleitung und die Abströmleitung in einem oberen Bereich des Ausgleichsbehälters, welcher vornehmlich mit Gas gefüllt ist, angeordnet sind, da auf diese Weise vermieden wird, dass Kühlflüssigkeit in die Spülleitung und damit in den Abgaspfad gelangt.
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Ein Mittel zur Durchflusskontrolle in der Zuströmleitung ist vorteilhaft, da auf diese Weise nur ein Spülen des Ausgleichsbehälters stattfindet, wenn eine benötigte Druckdifferenz an der ersten Zweigstelle 61 vorliegt.
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Es ist vorteilhaft, wenn die Zuströmleitung mit einer ersten Zweigstelle des Abgaspfades verbunden ist und die Abströmleitung mit einer zweiten Zweigstelle des Abgaspfades verbunden ist, wobei zwischen der ersten Zweigstelle und der zweiten Zweigstelle eine Vorrichtung zur Druckanpassung angeordnet ist, da mit Hilfe der Vorrichtung zur Druckanpassung die für den Spülvorgang benötigte Druckdifferenz zwischen der ersten Zweigstelle und der zweiten Zweigstelle leichter erreicht werden kann.
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Aufgrund seiner kostengünstigen Ausführung ist eine Vorrichtung zur Druckanpassung die als Drossel ausgebildet ist und/oder eine im Abgaspfad angeordnete Komponente des Brennstoffzellensystems, welche einen Druckabfall bewirkt, von Vorteil.
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Besonders vorteilhaft ist als Vorrichtung zur Druckanpassung eine elektrisch ansteuerbare Drossel, da mit Hilfe der elektrisch ansteuerbaren Drossel eine hohe oder niedrige Druckdifferenz zwischen der ersten und zweiten Zweigstelle flexibel einstellbar ist. Abhängig von der Druckdifferenz zwischen erster und zweiter Zweigstelle wird das Verfahren zum Spülen eingeleitet.
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Ein in der Abströmleitung angeordnetes Rückschlagventil ist von Vorteil, weil es sicherstellt, dass Luft aus dem Ausgleichsbehälter nur über die Abströmleitung in den Abgaspfad strömen kann, wenn der Druck im Ausgleichsbehälter einen vorgegebenen Wert überschritten hat.
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Ein besonderer Vorteil ergibt sich, wenn im Abgaspfad ein H2-Sensor angeordnet ist, wobei der H2-Sensor zwischen einem Auslass des Abgaspfades und der zweiten Zweigstelle angeordnet ist, da der H2-Sensor gleichzeitig die H2-Konzentration der Luft aus dem Ausgleichsbehälter und der Abluft aus dem Brennstoffzellenstack messen kann und somit eine Aussage über die gesamte H2-Konzentration, welche in die Umgebung gelangt, machen kann. Ist der H2-Sensor zwischen dem Spülpunkt und dem Auslass angeordnet ist dies vorteilhaft, da auch die Wasserstoffkonzentration der Anoden-Spülleitung gemessen werden kann.
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Eine Anordnung der ersten Zweigstelle zwischen dem Brennstoffzellenstack und einer Vorrichtung zur Druckanpassung ist vorteilhaft, da auf diese Weise der Druck im Abgaspfad und der Druck im Kühlkreislauf über das Mittel zur Durchflusskontrolle miteinander gekoppelt sind. Bei einem hohen Druck im Abgaspfad kann auch der Druck im Kühlkreislauf höher sein, als bei einem niedrigen Druck im Abgaspfad.
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Aufgrund seiner kostengünstigen Ausgestaltung ist ein federbelastetes Druckdifferenzventil als Mittel zur Durchflusskontrolle von Vorteil.
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Es ist vorteilhaft, wenn das Mittel zur Durchflusskontrolle ein regelbares Ventil ist, da jederzeit bei Bedarf eine Verbindung zwischen Abgaspfad und Ausgleichsbehälter geöffnet werden kann, so dass eine Druckregulierung im Brennstoffzellensystem stattfindet.
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Es ist von Vorteil, dass bei einer gewünschten Druckerhöhung im Kühlkreislauf der Druck an der ersten Zweigstelle erhöht wird und bei einer gewünschten Druckreduzierung im Kühlkreislauf der Druck an der ersten Zweigstelle reduziert wird, da die Drücke in den Teilsystemen, wie dem Luftsystem mit Abgaspfand und dem Kühlsystem mit Kühlkreis immer in einem ähnlichen Verhältnis zueinanderstehen sollten. Dies bedeutet, dass bei einer Erhöhung des Druckes im Luftsystem auch der Druck im Kühlsystem durch den Spülvorgang erhöht wird.
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Ein besonderer Vorteil ergibt sich, wenn bei einer zu hohen Wasserstoffkonzentration am H2-Sensor das Mittel zur Durchflusskontrolle geschlossen wird oder die Zuleitung eines Gasgemisches aus einer Anoden-Spülleitung unterbrochen wird, da auf diese Weise das Risiko eines explosionsfähigen Gemisches aus Luft und Wasserstoff am Auslass des Abgaspfades reduziert wird. Gleichzeitig besteht die Möglichkeit, den Luftmassenstrom kurzzeitig, ggf. durch Teil-Bypassierung des Brennstoffzellenstacks, zu erhöhen und so für eine Verdünnung des Wasserstoff-Luft-Gemisches zu sorgen.
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Figurenliste
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Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem und das erfindungsgemäße Verfahren werden nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen jeweils schematisch:
- 1 eine schematische Topologie eines Brennstoffzellensystems gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
- 2 eine schematische Topologie eines Brennstoffzellensystems gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung und
- 3 eine schematische Topologie eines Brennstoffzellensystems gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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In der 1 ist ein Brennstoffzellensystem 100 gezeigt mit mindestens einem Brennstoffzellenstack 101. Der mindestens eine Brennstoffzellenstack 101 weist eine Sauerstoffversorgung 10, einen Abgaspfand 12, eine Brennstoffversorgung 20 und einen Kühlkreislauf 30 auf. Der mindestens eine Brennstoffzellenstack 101 kann für mobile Anwendungen mit hohem Leistungsbedarf, bspw. in LKW's, oder für stationäre Anwendungen, bspw. in Generatoren, eingesetzt werden.
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Die Sauerstoffversorgung 10 dient als Zuluftleitung zum Brennstoffzellenstack 101. In der Sauerstoffversorgung 10 können Komponenten angeordnet sein, welche für den Betrieb der Brennstoffzelle 101 benötigt werden. Es können in der Sauerstoffversorgung 10 beispielsweise ein Filter und/oder ein Kompressor und/oder ein Luftverdichter und/oder ein Luftbefeuchter und/oder ein Wärmetauscher und/oder Ventile vorgesehen sein. Über die Sauerstoffversorgung 10 wird dem Brennstoffzellenstack 101 sauerstoffhaltige Luft bereitgestellt.
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Des Weiteren weist das Brennstoffzellensystem 100 eine Abluftleitung 12 auf, in welcher Luft der Sauerstoffversorgung 10 nach dem Durchgang durch den Brennstoffzellenstacks 101 beinhaltet ist.
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Das Brennstoffzellensystem 100 weist des Weiteren einen Kühlkreislauf 30 auf, welcher zur Kühlung des Brennstoffzellenstacks 101 ausgebildet ist. Die Versorgung des Brennstoffzellenstacks 101 mit Kühlmittel, welches sich im Kühlkreislauf 30 befindet, sorgt dafür, dass der Brennstoffzellenstack 101 während des Betriebes auf eine vorteilhafte Betriebstemperatur temperiert wird.
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Der Kühlkreislauf 30 umfasst einen Wärmetauscher 32, sowie eine Kühlmittelpumpe 31, welche in Strömungsrichtung bevorzugt nach dem Wärmetauscher 32 angeordnet ist. Der Wärmetauscher 32 kann beispielsweise mit einem weiteren Kühlkreislauf des Fahrzeuges oder direkt mit dem Fahrzeugkühler in Verbindung stehen.
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Als ein Kühlmittel kann im Kühlkreislauf 30 ein Wasser-Glykol-Gemisch eingesetzt werden, welches Wärme aus dem Brennstoffzellenstack 101 abführt und mit Hilfe des Wärmetauschers 32 an die Umgebung abgibt.
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Der Kühlkreislauf 30 umfasst des Weiteren einen Ausgleichsbehälter 33. Der Ausgleichsbehälter 33 dient zur Kompensation von Dichteschwankungen und ist zum Teil mit Luft gefüllt. Erwärmt sich das Kühlmittelmittel steigt der Druck im Ausgleichsbehälter 33. Kühlt sich das Kühlmittel ab, kann ein Unterdruck im Ausgleichsbehälter 33 entstehen.
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Gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist eine Spülleitung 40 zwischen dem Ausgleichsbehälter 33 und dem Abgaspfad 12 angeordnet. Die Spülleitung weist eine Zuströmleitung 41 und eine Abströmleitung 42 auf. Die Zuströmleitung 41 ist über eine erste Zweigstelle 61 mit der Abgasleitung 12 verbunden und ermöglicht ein Zuströmen von Luft aus der Abgasleitung 12 in den Ausgleichsbehälter 33.
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Die Abströmleitung 42 ist über eine zweite Zweigstelle 61 mit der Abgasleitung 12 verbunden und ermöglicht ein Abströmen von Luft aus der Abgasleitung 12 in den Ausgleichsbehälter 33.
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Die erste Zweigstelle 61 ist innerhalb der Abströmleitung 12 näher am Brennstoffzellenstack 101 angeordnet, als die zweite Zweigstelle 62. Folglich passiert Luft, welche aus dem Brennstoffzellenstack 101 über die Abgasleitung 12 in die Umgebung geleitet wird zuerst die erste Zweigstelle 62 und dann die zweite Zweigstelle 62.
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Die Zuströmleitung 41 und die Abströmleitung 42 können in einem oberen Bereich des Ausgleichsbehälter 33, welcher vornehmlich mit Gas gefüllt ist, angeordnet sein.
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Des Weiteren weist die Zuströmleitung 41 ein Mittel zur Durchflusskontrolle 45 auf. Das Mittel zur Durchflusskontrolle 45, kann den Durchfluss von Luft aus dem der Abluftleitung 12 in den Ausgleichsbehälter 33 kontrollieren. Ist das Mittel zur Durchflusskontrolle 45 geöffnet, kann Luft aus dem Abgaspfad 12 über die Zuströmleitung 41 in den Ausgleichsbehälter 33 strömen. Ist das Mittel zur Durchflusskontrolle 45 geschlossen, kann keine Luft aus dem Abgaspfad 12 in den Ausgleichsbehälter 33 strömen.
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Im Eingang der Brennstoffversorgung 20 befinden sich ein Hochdrucktank 21 und ein Absperrventil 22. Es können weitere Komponenten in der Brennstoffversorgung angeordnet sein, um die Brennstoffzelle 101 nach Bedarf mit Brennstoff zu versorgen.
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Um die Anode des Brennstoffzellenstacks 101 immer ausreichend mit Brennstoff zu versorgen besteht die Notwendigkeit einer überstöchiometrischen Dosierung von Brennstoff über die Brennstoffversorgung 20. Der überschüssige Brennstoff, sowie gewisse Mengen von Wasser und Stickstoff, die durch die Zellmembranen auf die Anodenseite diffundieren, werden in einem Rezirkulationskreis 50 zurückgeführt und mit dem zudosierten Brennstoff aus der Brennstoffversorgung 20 vermischt.
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Zum Antrieb des Rezirkulationskreises 50 können verschiedene Komponenten, wie beispielsweise eine mit dem zudosierten Brennstoff betriebene Strahlpumpe 51 oder ein Gebläse 52 verbaut sein. Auch eine Kombination von Strahlpumpe 51 und Gebläse 52 sind möglich. Da die Menge an Wasser und Stickstoff mit der Zeit immer weiter ansteigt, muss der Rezirkulationskreis 50 von Zeit zu Zeit gespült werden. Dabei wird ein Spülventil 53 für eine kurze Zeit geöffnet und das Gasgemisch über eine Anoden-Spülleitung 54 in den Abgaspfad 12 geleitet.
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Die Anoden-Spülleitung 54 mündet an einem Spülpunkt 55 in den Abgaspfad 12. Der Spülpunkt 55 ist bevorzugt zwischen der zweiten Zweigstelle 62 und dem Auslass 16 angeordnet, so dass kein wasserstoffhaltiges Gasgemisch aus der Anoden-Spülleitung 54 in den Ausgleichsbehälter 33 gelangen kann.
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Damit an der ersten Zweigstelle 61 ein höherer Druck anliegt, als an der zweiten Zweigstelle 62 ist zwischen der ersten Zweigstelle 61 und der zweiten Zweigstelle 62 eine Vorrichtung zur Druckanpassung 18 angeordnet.
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Die Vorrichtung zur Druckanpassung 18 kann als eine Drossel und/oder als eine im Abgaspfad angeordnete Komponente des Brennstoffzellensystems 100 ausgebildet sein. Auf diese Weise stellt sich eine Druckdifferenz zwischen der ersten Zweigstelle 61 und der zweiten Zweigstelle 62 ein und führt bei einem geöffneten Mittel zur Durchflusskontrolle 45 zu einer Strömung vom Abgaspfad 12 über die Zuströmleitung 41 in den Ausgleichsbehälter 33 und über die Abströmleitung 42 zurück in den Abgaspfad. Es findet folglich eine Spülung des Ausgleichsbehälters 33 statt, bei der die bisherige Luft, die sich im Ausgleichsbehälter 33 befand in den Abgaspfad 12 transportiert wird und durch Luft aus dem Abgaspfad 12 ersetzt wird.
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Die Vorrichtung zur Druckanpassung 18 kann auch als elektrisch angesteuerte Vorrichtung zur Druckanpassung ausgebildet sein, welche je nach Bedarf angesteuert werden kann, um je nach Bedarf einen größeren oder kleineren Druckabfall zwischen erster Zweigstelle 61 und zweiter Zweigstelle 62 zu bewirken.
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Im Kühlkreislauf 30 kann sich Wasserstoff aus dem Brennstoffzellenstack 101 ansammeln, welcher auch in den Ausgleichsbehälter 33 und hier vornehmlich in die Luft des Ausgleichsbehälters 33 gelangen kann. Um zu vermeiden, dass eine zu hohe Konzentration von Wasserstoff über den Abgaspfad 12 in die Umgebung gelangt, kann im Abgaspfad 12 ein H2-Sensor 14 angeordnet sein.
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Dieser H2-Sensor 14 ist bevorzugt zwischen einem Auslass 16 des Abgaspfades 12 und der zweiten Zweigstelle 62 angeordnet. Auf diese Weise wird sowohl der Wasserstoffgehalt der Luft aus dem Ausgleichsbehälter 33 gemessen, als auch der Wasserstoffgehalt der durch die Rückführung von Luft aus dem Brennstoffzellenstack in den Abgaspfad 12 gelangt.
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Wird eine zu hohe Wasserstoffkonzentration am H2-Sensor 14 gemessen, kann das Mittel zur Durchflusskontrolle 45 geschlossen werden, so dass die wasserstoffhaltige Luft aus dem Ausgleichsbehälter 33 nicht mehr zur Steigerung der Wasserstoffkonzentration beiträgt.
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In einer alternativen Ausführungsform ist der H2-Sensor zwischen dem Auslass 16 des Abgaspfades 12 und dem Spülpunkt 55 angeordnet, so dass auch der Wasserstoffgehalt des Gasgemisches aus der Anoden-Spülleitung 54 gemessen wird. um zu vermeiden, dass sich am Auslass 16 keine explosionsfähige Atmosphäre bildet, kann bei einer zu hohen Wasserstoffkonzentration am H2-Sensor 14 das Mittel zur Durchflusskontrolle 45 geschlossen werden oder die Zuleitung des Gasgemisches aus einer Anoden-Spülleitung 54 unterbrochen werden.
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In 2 ist ein Ausführungsbeispiel gezeigt, in dem das Mittel zur Durchflusskontrolle 42 durch ein federbelastetes Druckdifferenzventil 43 realisiert wurde, welches öffnet, wenn eine vorgegebene Druckdifferenz überschritten wird.
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In 3 ist ein Ausführungsbeispiel gezeigt, in dem das Mittel zur Durchflusskontrolle 42 durch ein ansteuerbares Ventil 46 realisiert wurde. Das ansteuerbare Ventil 46 öffnet oder schließt abhängig von der jeweiligen Ansteuerung die Verbindung in der Verbindungsleitung 40.
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In einer alternativen Ausführungsform kann in der Abströmleitung 12 zusätzlich ein Rückschlagventil 44 angeordnet ist. Das Rückschlagventil 44 stellt sicher, dass Luft aus dem Ausgleichsbehälter 33 nur über die Abströmleitung 42 in den Abgaspfad 12 strömen kann, wenn der Druck im Ausgleichsbehälter 33 einen vorgegebenen Wert überschritten hat.
