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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellenstapels mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Des Weiteren betrifft die Erfindung einen Brennstoffzellenstapel, der zur Durchführung des Verfahrens geeignet ist bzw. nach dem Verfahren betreibbar ist.
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Stand der Technik
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Ein Brennstoffzellenstapel, insbesondere ein Brennstoffzellenstapel für mobile Anwendungen, umfasst in der Regel eine Vielzahl an Brennstoffzellen, beispielsweise mehrere Hundert. Im Betrieb muss jede Brennstoffzelle mit den notwendigen Reaktionsgasen versorgt werden. Die Versorgung erfolgt dabei über Kanäle, die den Brennstoffzellenstapel durchziehen und über sogenannte „Ports“ mit den einzelnen Brennstoffzellen verbunden sind. Die Entsorgung der Reaktionsgase erfolgt ebenfalls über Kanäle, die parallel zu den erstgenannten Kanälen verlaufen und ebenfalls über Ports an die Brennstoffzellen angebunden sind. Die Kanäle werden auch als Steig- und als Fallleitungen bezeichnet, da sich diese in der üblichen Einbaulage des Brennstoffzellenstapels vertikal durch diesen erstrecken.
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Im Fall von besonders leistungsstarken Brennstoffzellenstapeln, die eine hohe Anzahl an Brennstoffzellen und damit eine beträchtliche Höhe aufweisen, kann jedoch aus Platzgründen ein liegender Einbau erforderlich sein. Das heißt, dass die Brennstoffzellen nicht übereinander, sondern nebeneinander zu liegen kommen. Dies bedeutet ferner, dass die zum Einleiten und Ausleiten der Reaktionsgase vorgesehenen Kanäle nicht mehr vertikal, sondern horizontal verlaufen. Dies erschwert das Abführen von Wasser, wobei es sich insbesondere um Produktwasser und/oder Kondensat handeln kann, das sich in den Kanälen sammelt. Anders als bei vertikal verlaufenden Kanälen kann das Wasser nicht schwerkraftgetrieben abgeführt werden. Verbleibt das Wasser in den Kanälen, besteht die Gefahr, dass im Abstellfall bei tiefen Außentemperaturen das Wasser gefriert und die Brennstoffzellen beschädigt. Ferner kann nicht ausgeleitetes Wasser die Kanäle und/oder Ports verstopfen, so dass die Versorgung der Brennstoffzellen mit den benötigten Reaktionsgasen gefährdet ist. Entsprechend sinkt die Leistung des Brennstoffzellenstapels.
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Bei horizontal verlaufenden Kanälen kommt erschwerend hinzu, dass bei einer Berg- oder Talfahrt der Brennstoffzellenstapel eine Schieflage einnimmt, die dazu führt, dass sich in den Kanälen vorhandenes Wasser an einem Tiefpunkt sammelt und der Kanal von dort aus vollläuft, bis der Flüssigkeitsspiegel so hoch ist, dass der Auslass des Kanals erreicht wird.
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Die vorliegende Erfindung ist daher mit der Aufgabe befasst, ein Verfahren zum Betreiben eines liegend eingebauten Brennstoffzellenstapels anzugeben, das eine zuverlässige und zugleich kostengünstige Entwässerung ermöglicht, so dass die vorstehend beschriebenen Probleme vermieden werden.
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Zur Lösung der Aufgabe werden das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie der Brennstoffzellenstapel mit den Merkmalen des Anspruchs 7 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den jeweiligen Unteransprüchen zu entnehmen.
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Offenbarung der Erfindung
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Bei dem vorgeschlagenen Verfahren zum Betreiben eines liegend eingebauten Brennstoffzellenstapels, der mindestens einen Versorgungskanal und einen Entsorgungskanal für ein Reaktionsgas aufweist, wird erfindungsgemäß mit Hilfe mindestens eines in den Versorgungs- und/oder Entsorgungskanal eingeführten Schlauchs Wasser, das sich im Versorgungs- bzw. Entsorgungskanal angesammelt hat, ausgeleitet.
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Mit Hilfe des Schlauchs kann Wasser gezielt entfernt werden, so dass es nicht zu kritischen Wasseransammlungen in einem Kanal kommt. Durch Verwendung eines einfachen Schlauchs kann die Entwässerung zudem besonders kostengünstig realisiert werden.
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Der Schlauch wird an einer Seite des Brennstoffzellenstapels in den Entsorgungskanal eingeführt. Dabei kann ein bereits vorhandener Anschluss genutzt werden, so dass am Brennstoffzellenstapel selbst keine Modifizierungen vorgenommen werden müssen. Demzufolge können bereits vorhandene Brennstoffzellenstapel durch Einführen eines Schlauchs ertüchtigt werden, so dass sie zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet sind.
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Da im Betrieb des Brennstoffzellenstapels sowohl kathodenseitig als auch anodenseitig Wasser anfällt, kann der Schlauch in einen kathodenseitigen oder anodenseitigen Versorgungs- und/oder Entsorgungskanal eingeführt sein. Es können auch mehrere Schläuche zur Entwässerung mehrerer Versorgungs- und/oder Entsorgungskanäle eingesetzt werden. Sofern nur ein Kanal entwässert werden soll, handelt es sich vorzugsweise um einen kathodenseitigen Entsorgungskanal, über den die Kathodenabluft ausgeleitet wird. Denn in diesem Bereich auftretende Wasseransammlungen sind besonders kritisch und können die Funktionsfähigkeit des Brennstoffzellenstapels gefährden.
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In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass mit Hilfe des mindestens einen Schlauchs Wasser von einem Tiefpunkt, vorzugsweise vom geodätisch tiefsten Punkt, des Versorgungs- und/oder Entsorgungskanals ausgeleitet wird. Das heißt, dass der Schlauch bis zum Tief- bzw. Tiefstpunkt eingeführt ist, um von dort Wasser anzusaugen. Dadurch ist sichergestellt, dass die Entwässerung des jeweiligen Kanals auch bei einer ungünstigen Schräglage des Brennstoffzellenstapels funktioniert und es nicht zu kritischen Wasseransammlungen am Tief- bzw. Tiefstpunkt des Kanals kommt.
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Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass im mindestens einen Schlauch, zumindest temporär, ein Unterdruck erzeugt wird, über den Wasser aus dem Versorgungs- und/oder Entsorgungskanal angesaugt wird. Dies ist insbesondere von Vorteil, wenn sich der Brennstoffzellenstapel in einer ungünstigen Schräglage befindet, und sich im Kanal vorhandenes Wasser schwerkraftgetrieben an einem entfernt von einem Einlass bzw. Auslass des Kanals liegenden Tiefstpunkt sammelt. Die über den Unterdruck bewirkte Saugkraft ersetzt eine aktive Pumpe, so dass die Kosten gering bleiben.
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Der Unterdruck im Schlauch kann beispielsweise mit Hilfe einer Drossel erzeugt werden. Im Schlauch herrscht dann dauerhaft ein Unterdruck gegenüber dem Druck im Versorgungs- und/oder Entsorgungskanal.
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Alternativ oder ergänzend wird vorgeschlagen, dass im Versorgungs- und/oder Entsorgungskanal, zumindest temporär, ein Überdruck erzeugt wird, so dass der Druck im Schlauch unter dem Druck im jeweiligen Kanal liegt. Auch auf diese Weise kann über die bestehende Druckdifferenz eine Saugkraft generiert werden, mit deren Hilfe Wasser effizient ausleitbar ist.
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Bevorzugt wird das Ausleiten von Wasser mit Hilfe eines am oder im Schlauch angeordneten schaltbaren Ventils gesteuert. Durch gezieltes Öffnen des Ventils kann Wasser kontrolliert aus dem Versorgungs- bzw. Entsorgungskanal ausgeleitet werden. Das Ventil kann beispielsweise bei Bedarf geöffnet werden. Dies setzt voraus, dass die vorhandene Wassermenge im Versorgungs- bzw. Entsorgungskanal aus Betriebsdaten abgeleitet oder sensorisch erfasst wird. Alternativ oder ergänzend kann das Ventil nach Zeitablauf, das heißt zyklisch, geöffnet werden. Der Zyklus wird so gewählt, dass sichergestellt ist, dass es nicht zu kritischen Wasseransammlungen kommt.
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Vorteilhafterweise wird die im Versorgungs- und/oder Entsorgungskanal vorhandene Wassermenge mit Hilfe eines Sensors, beispielsweise mit Hilfe eines Flüssigkeitssensors, erfasst. Das vorgeschlagene Verfahren kann dann bei Bedarf durchgeführt werden, das heißt immer dann, wenn kritische Wasseransammlungen detektiert werden.
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Der darüber hinaus zur Lösung der eingangs genannten Aufgabe vorgeschlagene Brennstoffzellenstapel umfasst mindestens einen Versorgungskanal und einen Entsorgungskanal für ein Reaktionsgas, wobei in den Versorgungs- und/oder Entsorgungskanal mindestens ein Schlauch zum Ausleiten von Wasser eingeführt ist. Das heißt, dass der vorgeschlagene Brennstoffzellenstapel zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet bzw. nach diesem Verfahren betreibbar ist. Somit können dieselben Vorteile erzielt werden. Insbesondere kann eine sichere und zugleich kostengünstige Entwässerung bewirkt werden.
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Der Schlauch kann in mindestens einen kathodenseitig und/oder anodenseitig angeordneten Kanal eingeführt sein. Ferner können sowohl ein kathodenseitiger als auch ein anodenseitiger Versorgungs- und/oder Entsorgungskanal mit Hilfe jeweils eines eingeführten Schlauchs entwässert werden.
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Bevorzugt ist der Schlauch bis zu einem Tiefpunkt, vorzugsweise bis zum geodätisch tiefsten Punkt, des Versorgungs- und/oder Entsorgungskanals eingeführt. Mit Hilfe des Schlauchs kann somit Wasser vom Tief- bzw. Tiefstpunkt angesaugt werden, so dass es dort nicht zu kritischen Wasseransammlungen kommt. Diese Gefahr besteht insbesondere bei einer Schieflage des Brennstoffzellenstapels, beispielsweise während einer Berg- oder Talfahrt eines Brennstoffzellenfahrzeugs, in das der Brennstoffzellenstapel liegend eingebaut ist.
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Ferner bevorzugt ist am oder im Schlauch ein schaltbares Ventil angeordnet, mit dessen Hilfe das Ausleiten von Wasser steuerbar ist. Wird das Wasseraufkommen überwacht oder erfasst, kann das Ventil bei Bedarf geöffnet werden. Andernfalls besteht die Möglichkeit das Ventil in einem aufgrund der Betriebsbedingungen vorgegebenen Zyklus zu öffnen.
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Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass der mindestens eine Schlauch über einen Port und/oder eine Anschlussplatte des Brennstoffzellenstapels in den Versorgungs- und/oder Entsorgungskanal eingeführt ist. Am Brennstoffzellenstapel selbst müssen dann keine Änderungen vorgenommen werden, um den Schlauch in den jeweiligen Kanal einführen zu können. Bestehende Brennstoffzellenstapel können somit einfach nachgerüstet werden.
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Die Erfindung und ihre Vorteile werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:
- 1 eine stark vereinfachte perspektivische Darstellung eines liegenden Brennstoffzellenstapels und
- 2 einen vereinfachten Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapel.
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Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
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Der 1 ist ein Brennstoffzellenstapel 1 mit mehreren Brennstoffzellen 10 in liegender Anordnung zu entnehmen. Durch den Brennstoffzellenstapel 1 erstrecken sich mehrere Versorgungskanäle 2 sowie Entsorgungskanäle 3, die jeweils über Ports 4, 5 an die einzelnen Brennstoffzellen 10 angeschlossen sind. Über die Versorgungskanäle 2 und die Ports 4 sind den Brennstoffzellen 10 die erforderlichen Reaktionsgase zuführbar, beispielsweise Wasserstoff und Sauerstoff. Die aus den Brennstoffzellen 10 austretenden Reaktionsgase werden über entsprechende Ports 5 und Entsorgungskanäle 3 abgeführt.
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Im Beispiel der 1 ist für jedes Reaktionsgas jeweils ein Versorgungskanal 2 sowie ein Entsorgungskanal 3 vorgesehen. Über einen weiteren Versorgungskanal 2 sowie einen weiteren Entsorgungskanal 3 kann ein Kühlmedium eingeleitet bzw. ausgeleitet werden. Die Anzahl der Kanäle 2, 3 sowie deren Anordnung ist lediglich beispielhaft gewählt und kann von der Darstellung der 1 abweichen. Mit Hilfe der 1 soll vorrangig verdeutlicht werden, dass bei liegender Anordnung des Brennstoffzellenstapels 1 die Entwässerung der Kanäle 2, 3 erschwert ist, da diese horizontal und nicht vertikal - wie sonst üblich - verlaufen.
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Insbesondere in mobilen Anwendungen kann es zudem zu einer Schräglage des Brennstoffzellenstapels 1 kommen, wie beispielhaft in der 2 dargestellt. Die Schräglage entspricht hier einer Neigung von 15° gegenüber einer horizontalen Ebene E. Dies hat üblicherweise zur Folge, dass im Reaktionsgas enthaltenes Produktwasser und/oder Kondensat sich an einem Tiefpunkt 7 eines Versorgungs- und/oder Entsorgungskanals 2, 3 sammelt und der Flüssigkeitsspiegel soweit ansteigt, bis er einen Auslass 11 in einer Anschlussplatte 9 erreicht. Bei dem in der 2 dargestellten erfindungsgemäßen Brennstoffzellenstapel 1 ist jedoch in den Entsorgungskanal 3 ein Schlauch 6 eingeführt, und zwar bis zu einem Tiefpunkt 7, der dem geodätisch tiefsten Punkt entspricht. Zudem herrscht im Schlauch 6 ein Unterdruck, so dass Wasser W angesaugt und über den Schlauch 6 abgeleitet wird, wenn ein am Schlauch 6 angeordnetes schaltbares Ventil 8 geöffnet wird. Auf diese Weise wird ein ansteigender Flüssigkeitsspiegel im Entsorgungskanal 3 vermieden.
