DE10205272A1

DE10205272A1 - Vorrichtung zur Versorgung eines Brennstoffzellensystems mit einem Betriebsmittel

Info

Publication number: DE10205272A1
Application number: DE10205272A
Authority: DE
Inventors: Erich K Erdle
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2002-02-08
Filing date: 2002-02-08
Publication date: 2003-08-21

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Aufnahmevorrichtung für Betriebsmittel für ein Brennstoffzellensystem, welches einen Kraftstoff-Vorratstank aufweist. Dem Brennstoffzellensystem ist eine Einfüllöffnung zur Zuführung von Betriebsmitteln zugeordnet, wobei die Einfüllöffnung eine Betriebsmittel-Zuführleitung und eine Wasser-Zuführleitung aufweist. Dabei ist die Kraftstoff-Zuführleitung mit dem Kraftstoff-Vorratstank und die Wasser-Zuführleitung mit einem Wasser-Vorratstank verbunden, aus welchen das Brennstoffzellensystem im Betrieb mit Wasser und Kraftstoff versorgbar ist. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Zuführvorrichtung von Medien zur Aufnahmevorrichtung sowie ein System aus Aufnahmevorrichtung und Zuführvorrichtung.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Versorgung eines Brennstoffzellensystems mit einem Betriebsmittel gemäß dem Oberbegriff der unabhängigen Ansprüche.

Brennstoffzellensysteme in Fahrzeugen werden mit wasserstoffhaltigem Kraftstoff versorgt, welches in einem fahrzeugseitigen Tank mitgeführt wird. Dies kann entweder ein Wasserstofftank sein oder ein Tank für ein wasserstoffhaltiges Medium, aus dem an Bord des Fahrzeugs Wasserstoff auf chemischem Weg extrahiert wird. Das für den Prozeß notwendige Wasser wird aus dem Brennstoffzellenabgas zurückgewonnen. Dabei ist der Wasserhaushalt im System ein wesentliches Element. Sowohl für Reformierungsreaktionen in einem bordeigenen Gaserzeugungssystem zur Wasserstofferzeugung als auch zur Befeuchtung der Brennstoffzellenmembran ist die Zufuhr von Wasser notwendig, so daß eine ausgeglichene Wasserbilanz angestrebt wird.

Aus der DE-A1-199 29 732 ist ein Brennstoffzellensystem bekannt, bei dem das Brennstoffzellensystem einen Reformer zum Erzeugen von Wasserstoffgas enthaltendem reformierten Gas aus einem Gemisch aus Wasser und Methanol umfaßt, und einen Methanoltank zur Aufnahme von Methanol, einen Wasserrückgewinnungstank zur Aufnahme von Wasser, welches aus der Brennstoffzelle anfällt, sowie einen Tank zur Aufnahme von Methanol/Wassergemisch, welches dem Reformer zugeführt wird. Das Wasser kann bei Bedarf vollständig aus dem Wasserrückgewinnungstank abgelassen werden. Um das Wasser, das aus der Brennstoffzelle anfällt, aus dem Brennstoffzellenabgas zurückzugewinnen, sind üblicherweise große Anstrengungen notwendig, wobei eine ausgeglichene Wasserbilanz auch bei ungünstigen Betriebszuständen gegeben sein muß. Dies ist teuer und energetisch aufwendig.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine einfache und kundenfreundliche Einrichtung zur Versorgung eines Brennstoffzellensystems mit Betriebsmitteln sicherzustellen und eine ausreichende Versorgung des Brennstoffzellensystems mit Wasser zu gewährleisten.

Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung mit den Merkmalen der Ansprüche 1 bzw. 7 gelöst.

Der Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung besteht darin, daß Wasser nicht an Bord des Fahrzeugs aus dem System zurückgewonnen werden muß. Das Fahrzeug kann mit einem vereinfachten Brennstoffzellensystem ausgestattet sein. Die Zufuhr von Wasser kann einfach über das Befüllen des Kraftstofftanks erfolgen.

Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.

Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus den weiteren Ansprüchen und der Beschreibung hervor.

Die Erfindung ist nachstehend anhand einer Zeichnung näher beschrieben, wobei die Figuren zeigen:

Fig. 1 eine schematische Ansicht eines bevorzugten Fahrzeugs und

Fig. 2 eine schematische Ansicht eines bevorzugten Fahrzeugs mit einer bevorzugten Befülleinrichtung.

In Fig. 1 ist ein bevorzugtes Fahrzeug 1 dargestellt. Das Fahrzeug 1 weist ein Brennstoffzellensystem 8, welches zumindest eine Brennstoffzelleneinheit zur Stromerzeugung aus Wasserstoff und Sauerstoff umfaßt, sowie ein Gaserzeugungssystem, in dem Wasserstoffgas aus einem Kraftstoff 9 erzeugt wird. Der Sauerstoff kann z. B. aus der Umgebungsluft gewonnen werden. Details des Brennstoffzellensystems 8 oder weitere übliche Komponenten des Systems, die die Luftversorgung oder Kühleinrichtungen oder dergleichen betreffen, sind nicht dargestellt.

Weiterhin weist das Fahrzeug eine Einfüllöffnung 10 auf, über die Betriebsmittel in das Fahrzeug 1 zugeführt werden können. Zum einen wird der Kraftstoff 9 zugeführt, zum anderen wird Wasser (H₂O) zugeführt. Der Kraftstoff 9, vorzugsweise Methanol, ein anderer Alkohol, Ether, Kohlenwasserstoffe wie etwa Benzin oder Diesel, oder andere reformierbare Medien, welche als Wasserstofflieferant dienen können, gelangt über die Einfüllöffnung 10 in die Kraftstoff-Zuführleitung 2 und von dort in einem Kraftstoff-Vorratstank 4. Das Wasser gelangt über die Einfüllöffnung 10 in die Wasser-Zuführleitung 3 und von dort in einen Wasser-Vorratstank 5. Von dort aus können die Betriebsmittel über eine Wasser-Versorgungsleitung 7 bzw. über eine Kraftstoff-Versorgungsleitung 6 zum Brennstoffzellensystem 8 gelangen und dort in bekannter und üblicher Weise eingesetzt werden.

Es ist jedoch auch möglich, die beiden Betriebsmittel in einem gemeinsamen Vorratstank zu mischen. Dabei kann etwa Wasser und Kraftstoff von vornherein mit einem festgelegten Mischungsverhältnis über die Einfüllöffnung 10 in einen gemeinsamen Tank statt zwei getrennten Tanks 4, 5 gefüllt werden. Das Brennstoffzellensystem 8 könnte in diesem Fall mit einem fest eingestellten Kraftstoff/Wassergemisch versorgt werden. Dies ist besonders günstig, wenn etwa das Brennstoffzellensystem 8 zur elektrischen Versorgung von Nebenaggregaten vorgesehen ist, wozu nur eine beschränkte elektrische Leistung im Fahrzeug 1 nötig ist und die geringer ist als zur Versorgung eines elektrischen Traktionsantriebs notwendig wäre, bzw. wenn Dynamikanforderungen an das Brennstoffzellensystem 8 vorzugsweise gering sind. Ein Vorteil ist, daß ein Vorratstank mit einem Kraftstoff/Wassergemisch praktisch einfriersicher ist.

Ein Kraftstoff/Wassergemisch kann jedoch auch im Fahrzeug 1 in einem zusätzlichen Gemischtank aus den beiden Vorratstanks 4, 5 hergestellt werden, wobei das Mischungsverhältnis auch variabel sein kann. Damit kann die Betriebsweise des Brennstoffzellensystems flexibler sein als mit fest eingestelltem Mischungsverhältnis.

Bevorzugt sind die Zuführungen 2, 3 für Betriebsmittel und Wasser zumindest im Bereich der Einfüllöffnung 10 möglichst eng benachbart. Dies ermöglicht eine besonders einfache Befüllung des Fahrzeugs 1 mit den Betriebsmitteln, vor allem, wenn das Einfüllen von Wasser und Kraftstoff 9 gleichzeitig, aber räumlich voneinander getrennt erfolgen soll.

Vorzugsweise sind die Zuführungen 2, 3 im Bereich der Einfüllöffnung 10 als Rohrstutzen zugänglich, die nebeneinander oder auch konzentrisch angeordnet sein können. Die Querschnittsform ist vorzugsweise kreisrund sein, kann aber auch andere Formen wie eckig oder oval aufweisen. Es ist günstig, wenn die Zuführungen 2, 3 verwechslungssicher ausgeführt sind, etwa durch verschiedene Querschnittsflächen und/oder Querschnittsformen. Damit ist die Betriebssicherheit erhöht, da ein versehentliches Einfüllen etwa von Wasser in den Kraftstofftank 4 vermieden werden kann.

Besonders günstig ist, dass die Befüllung z. B. mit einer einzigen Zapfpistole erfolgen kann, welche zwei Medienanschlüsse aufweist, wobei einer für Wasser und der andere für Kraftstoff vorgesehen ist. Dies hat den Vorteil, dass die Füllmenge des Wassers immer leicht auf die Füllmenge des Kraftstoffs 9 abgestimmt werden kann. Wasser wird dann immer gleichzeitig mit dem Kraftstoff 9 getankt, so daß beide Betriebsmittel immer gleichzeitig im Fahrzeug verfügbar sind. Ist eines aufgebraucht, ist auch das andere verbraucht. Eine aufwendige, für beide Betriebsmittel getrennte Überwachungsmimik ist daher nicht notwendig. Zweckmäßigerweise ist die Tankgröße für die beiden Medien jeweils entsprechend angepaßt.

Beim Befüllen kann jeder Tank einzeln auf seine Füllhöhe überwacht werden. Ist ein Tank voll, so wird das Befüllen des vollen Tanks gestoppt. Dies kann wie bei konventionellen Betankungsanlagen etwa durch das Sensieren eines Gegendrucks über die Tankpistole erfolgen. Der andere Tank wird solange weiterbefüllt, bis auch dieser voll ist.

In Fig. 2 ist schematisch das Befüllen eines bevorzugten Fahrzeugs 1 mit einer bevorzugten Tankpistole 11 dargestellt. Die Tankpistole weist zwei Anschlußstutzen 13, 12 auf, wobei der eine Stutzen 13 zur Zufuhr von Wasser zum Fahrzeug 1 und der andere Stutzen 12 zur Zufuhr des Kraftstoffs 9 dient. Der Wasser-Zuführstutzen 13 ist über eine Leitung 15 mit einem Vorratstank 17, der Kraftstoff-Zuführstutzen 12 über eine Kraftstoff-Zuführleitung 14 mit einem Kraftstofftank 16 der Tankanlage verbunden.

Die zwei Stutzen 13, 12 sind komplementär zu den Zuführungen 2, 3 für Betriebsmittel und Wasser ausgeführt, so dass die Stutzen 13, 12 mit den Zuführungen 2, 3 verwechslungssicher in Wirkkontakt gebracht werden können. Die Stutzen 12, 13 sind geometrisch auf die Einfüllöffnung 10 abgestimmt, so daß die Tankpistole 11 leicht in die Einfüllöffnung einführbar ist und leicht mit einer Hand von einer Person bedient werden kann.

Besonders günstig ist ein System bestehend aus einer Aufnahmevorrichtung 1 und einer Zuführvorrichtung 11, welche die gleichzeitige Betankung eines Brennstoffzellensystems mit mehreren Betriebsmitteln erlaubt, welche in Vorratstanks bevorratet werden, die einem vorzugsweisen mobilen Brennstoffzellensystem 8 zugeordnet sind.

Der besondere Vorteil ist, dass die Zuführvorrichtung zum Befüllen der Tanks 4, 5 zwei an sich unabhängige Tankvorrichtungen in einem einzigen Handgriff integriert, so dass ein Kunde etwa ein Brennstoffzellenfahrzeug bequem betanken kann.

Auf eine Wasserrückgewinnung im Brennstoffzellensystem 8 kann vollständig verzichtet werden, da das für den Betrieb des Brennstoffzellensystems notwendige Wasser immer wieder, vorzugsweise gleichzeitig mit dem Betriebsmittel 9, nachgefüllt, wird. Damit entfallen eine Anzahl von Komponenten zur Auskondensation von Wasser oder zum Abscheiden von flüssigem Wasser.

Ein Kühlkreislauf im Brennstoffzellensystem 8 wird nicht mit der im wesentlichen bei der Rückgewinnung des Wassers anfallenden Abwärme des Brennstoffzellenabgases belastet. Die Kühlkapazität steht den anderen Komponenten damit zur Verfügung. Im einfachsten Fall kann sogar das gesamte Brennstoffzellenabgas abgeführt werden, was das Brennstoffzellensystem 8 erheblich vereinfacht. Das Brennstoffzellensystem 8 wird kleiner und leichter und damit preiswerter. Dies ist besonders beim Einsatz eines Brennstoffzellensystems in einem Fahrzeug wünschenswert.

Claims

1. Aufnahmevorrichtung (1) für Betriebsmittel für ein Brennstoffzellensystem (8), welches einen Kraftstoff- Vorratstank (4) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass dem Brennstoffzellensystem (8) eine Einfüllöffnung (10) zur Zuführung von Betriebsmitteln zugeordnet ist, wobei die Einfüllöffnung (10) eine Betriebsmittel-Zuführleiung (2) und eine Wasser-Zuführleitung (3) aufweist, wobei die Kraftstoff- Zuführleitung (2) mit dem Kraftstoff-Vorrratstank (4) und die Wasser-Zuführleitung (3) mit einem Wasser-Vorratstank (5) verbunden sind, aus welchen das Brennsoffzellensystem (8) im Betrieb mit Wasser und Kraftstoff versorgbar ist.

2. Aufnahmevorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wasser-Zuführleitung (3) und die Kraftstoff- Zuführleitung (2) in der Einfüllöffnung (10) eng benachbart sind.

3. Aufnahmevorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der Einfüllöffnung (10) die Wasser- Zuführleitung (3) und die Kraftstoff-Zuführleitung (2) als Rohrstutzen ausgebildet sind, die unterschiedliche Durchmesser und/oder Querschnittsformen aufweisen.

4. Aufnahmevorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der Einfüllöffnung (10) die Zuführleitungen (2, 3) nebeneinander liegend angeordnet sind.

5. Aufnahmevorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich der Einfüllöffnung (10) die Zuführleitungen (2, 3) konzentrisch zueinander angeordnet sind.

6. Zuführvorrichtung zur Zufuhr von Medien zu einer Aufnahmevorrichtung (1) für Betriebsmittel für ein Brennstoffzellensystem (8), welches einen Kraftstoff- Vorratstank (4) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass Anschlußstutzen (13, 12) zur Zufuhr von Wasser und Kraftstoff (9) in einer Art Tankpistole zusammengefaßt sind.

7. Zuführvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Anschlußstutzen (13, 12) zur Zufuhr von Wasser und Kraftstoff (9) komplementär zu Zuführleitungen (2, 3) für Wasser und Betriebsmittel (9) in einer Einfüllöffnung (10) des Brennstoffzellensystems (8) ausgebildet sind.

8. Zuführvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Anschlußstutzen (13, 12) und die Zuführleitungen (2, 3) verwechslungssicher zueinander angeordnet sind.

9. System mit einer Aufnahmevorrichtung (1) und einer Zuführvorrichtung (11), wobei die Aufnahmevorrichtung (1) eine Betriebsmittel-Zuführleiung (2) und eine Wasser-Zuführleitung (3) aufweist und die Kraftstoff-Zuführleitung (2) mit einem Kraftstoff-Vorratstank (4) und die Wasser-Zuführleitung (3) mit einem Wasser-Vorratstank (5) verbunden sind, aus welchen ein Brennstoffzellensystem (8) im Betrieb mit Wasser und Kraftstoff versorgbar ist, wobei die Zuführvorrichtung (11) Anschlußstutzen (13, 12) zur Zufuhr von Wasser und Kraftstoff (9) aufweist.

10. System nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Anschlußstutzen (13, 12) komplementär zur Betriebsmittel-Zuführleiung (2) und Wasser-Zuführleitung (3) ausgebildet sind.

11. Fahrzeug mit einem Brennstoffzellensystem (8), welches einen Kraftstoff-Vorratstank (4) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass dem Brennstoffzellensystem (8) eine Einfüllöffnung (10) zur Zuführung von Betriebsmitteln zugeordnet ist, wobei die Einfüllöffnung (10) eine Betriebsmittel-Zuführleiung (2) und eine Wasser-Zuführleitung (3) aufweist, wobei die Kraftstoff- Zuführleitung (2) mit dem Kraftstoff-Vorratstank (4) und die Wasser-Zuführleitung (3) mit einem Wasser-Vorratstank (5) verbunden sind, aus welchen das Brennstoffzellensystem (8) im Betrieb mit Wasser und Kraftstoff versorgbar ist.