DE19630842C1 - Vorrichtung zur schnellen Abschaltung von Brennstoffzellen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Brennstoffzelle mit den Merkmalen des Oberbegriffs gemäß Hauptanspruch.

Brennstoffzellen wie z. B. Membranbrennstoffzellen (PEFC) oder alkalische Brennstoffzellen (AFC) sind üb­ licherweise modular aufgebaut. Dies bedeutet, daß viele Einzelzellen in Stacks (Stapeln) hintereinander, d. h. elektrisch in Reihe, geschaltet werden, um die verfügbare Spannung zu erhöhen. An jeder Einzelzelle entsteht näherungsweise die gleiche Einzelzellspannung. Durch den Stack und jede Einzelzelle fließt der gleiche Strom.

Üblicherweise werden die Einzelzellen oder zumindest Gruppen von Einzelzellen gastechnisch parallel geschal­ tet und durch große Gaszuführungsleitungen mit den Brenngasen Wasserstoff und Sauerstoff bzw. Luft ver­ sorgt. Die Gas- und Wasserabführung erfolgt ebenfalls über groß dimensionierte Gasabführungsleitungen. Folg­ lich sind die Einzelzellen über Gasleitungen miteinan­ der verbunden. Diese werden im folgenden Gasleitungs­ verbindungen genannt.

Bei Brennstoffzellen können durch verunreinigtes Gas (H₂/O₂-Gemisch) oder durch eine Flammenfront, ausgehend von einer beschädigten Zelle, Störfälle auftreten. Ein­ zelzellspannungen sinken dann stark ab. Derartige Stör­ fälle werden üblicherweise durch Überwachung der Ein­ zelzellspannungen, Druck oder Temperatur detektiert. Zwecks Schadensbegrenzung wird die Gasversorgung für den gesamten Stack bei Auftreten eines Störfalls unter­ brochen.

Aus der Druckschrift JP 07-272 740 A ist ein Brennstoffzellenstapel bekannt, dessen Einzelzellen miteinander in Verbindung stehen. Die Vorrichtung wird abgeschaltet, indem zunächst die Reaktionsgaszufuhr abgeschaltet und anschließend der Stapel mit Inertgas geflutet wird.

Mittel zur Notabschaltung der Brennstoffzelle bei Auf­ treten eines Störfalls setzen sich gemäß Stand der Technik aus Detektoren zur Feststellung eines auf­ getretenen Störfalles sowie aus Mitteln zur Abschaltung der Brennstoffzelle, die im Fall der Feststellung eines Störfalles abschalten, zusammen.

Nachteilhaft werden beim Stand der Technik bei einem Störfall trotz Notabschaltung der Gaszufuhr regelmäßig mehrere Einzelzellen beschädigt.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer Vorrich­ tung mit verbesserter Notabschaltung, die bei Auftreten eines Störfalls eine Verminderung der Schäden an der Brennstoffzelle im Vergleich zum vorgenannten Stand der Technik bewirkt.

Die Aufgabe wird durch eine Brennstoffzelle mit den Merkmalen des Hauptanspruchs gelöst.

Anspruchsgemäß sind Mittel zur Unterbrechung der Gas­ leitungsverbindungen als Notabschaltmittel vorgesehen. Hierdurch werden die Einzelzellen bei Auftreten eines Störfalls gastechnisch voneinander abgekoppelt. Die Einzelzellen sind also nach der Notabschaltung nicht mehr über Gasleitungen miteinander verbunden.

Die Abkopplung bewirkt im Vergleich zum eingangs ge­ nannten Stand der Technik eine sehr viel schnellere Ab­ schaltung interner Vorgänge in der Brennstoffzelle, da die Einzelzellen unmittelbar und separat "abgeschaltet" werden. Eine in einer Einzelzelle aufgetretene Gasver­ unreinigung oder eine Flamme kann bei Notabschaltung nicht mehr über die verbindenden Gasleitungen in andere Einzelzellen weitergetragen werden. Die Schadensaus­ breitung- und vergrößerung wird folglich im Vergleich zum Stand der Technik stark eingeschränkt.

Bei einer einfachen und zuverlässig funktionierenden Ausführungsform der Erfindung sind Mittel zur Unterbre­ chung der Gasleitungsverbindungen wie folgt konstru­ iert.

In der Brennstoffzelle befinden sich zylindrische Hauptgaskanäle. Von den Hauptgaskanälen zweigen Kanäle zu den Einzelzellen ab. Diese werden im folgenden Ab­ zweigungskanäle genannt.

In einem Hauptgaskanal befindet sich ein Rohr. Das Rohr weist seitliche Öffnungen auf. Die Öffnungen sind so angebracht, daß sie sich während des Betriebes über den Enden der in den Hauptgaskanal mündenden Abzweigungska­ näle befinden. Gase können dann ungehindert über die Öffnungen zu- oder austreten.

Das Rohr ist dreh- oder verschiebbar gelagert. Bei Feststellung eines Störfalls wird das Rohr durch An­ triebsmittel automatisch derart verschoben oder ver­ dreht, daß die Abzweigungskanäle verschlossen werden.

Vorteilhaft ist für jeden ein separates Mittel zur Un­ terbrechung der Gasleitungsverbindungen vorgesehen. Bei der vorgenannten Ausführungsform werden dann pro Brenn­ gashauptleitung (H₂ und O₂/Luft) jeweils zwei Rohre und zwar sowohl in die Zu- als auch in die Abführungslei­ tung eingesetzt. Jede Einzelzelle wird dann im Fall ei­ ner detektierten Störung gastechnisch hermetisch ver­ schlossen. Gas kann in eine Einzelzelle weder hinein- noch herausströmen. Der vollständige Verschluß erhöht daher die Sicherheit und beschleunigt weiter den Ab­ schaltvorgang interner Geschehnisse in der Brennstoff­ zelle.

Die Rohre werden entweder aus der Brennstoffzelle her­ ausgeführt und dort angetrieben, oder sie werden durch eine zellinterne Mechanik bewegt.

Es gibt Brennstoffzellen-Stapel, die kaskadiert aufge­ baut sind. Sie bestehen dann aus mehreren innerhalb des Gesamtstapels elektrisch in Reihe geschalteten "Teilstapeln". Dann werden nicht alle Einzelzellen pa­ rallel mit Gas versorgt, sondern jeweils nur ein Teil­ stapel. Das "Abgas" des ersten Teilstapels wird als Brenngas durch den nächsten Teilstapel gegeben usw . . Üblicherweise verringert sich die Zahl der Einzelzellen pro folgendem Teilstapel immer um den Faktor zwei. Als Beispiel sei hier eine Folge von 16, 8, 4, 2, 1 Zellen bei insgesamt 31 Zellen genannt.

Im Fall dieser Konstruktion wird das jeweilig einge­ setzte Rohr durch den gesamten Block hindurchgeführt, wobei alle Teilstapel durchmessen werden. An der Stelle des Durchtritts von einem Stapel zum nächsten ist das Rohr z. B. durch einen O-Ring nach außen abge­ dichtet und innen durch ein Verschlußmittel verschlos­ sen, so daß nur die Dreh- oder Schubbewegung weiterge­ geben wird. Hiermit werden bei Drehung oder Verschie­ bung des Rohres ebenfalls alle Einzelzellen verschlos­ sen. Die Sicherheit aller Zellen ist gewährleistet.

Die Ausführungsform mit dem dreh- oder verschiebbar ge­ lagerten Rohr weist folgende weitere Vorteile auf.

Zur Untersuchung einer notfallmäßig abgeschalteten Brennstoffzelle wird diese vorteilhaft langsam druck­ entlastet, mit Inertgas gespült und schließlich ausge­ baut. Die langsame Druckentlastung wird durch derarti­ ges Verdrehen eines der eingesetzten Rohre erreicht, daß nur eine kleine Öffnung mit geringem Strömungsquer­ schnitt freigegeben wird. Dadurch kann das Gas sehr langsam in eine Hauptleitung entweichen, wobei die Hauptleitung schon vorher mit Inertgas gespült werden kann. Diese erfindungsgemäß mögliche behutsame Vorge­ hensweise vermeidet weitere Folgeschäden, die andern­ falls auftreten könnten.

Alternativ zur vorgenannten Verfahrensweise wird die Hauptleitung zuerst mit Inertgas gespült, leicht unter erhöhten Druck gesetzt und dann das Rohr derart ver­ dreht, daß eine Öffnung mit geringem Strömungsquer­ schnitt freigegeben wird. Auf diese Weise gelangt Inertgas langsam in alle Einzelzellen und verringert dort jeweils die Brand- oder Zündgefahr. Anschließend erfolgt dann ebenfalls eine Druckentlastung in eine der Hauptleitungen.

Es zeigen

Fig. 1a, b Ausführungsform mit drehbar gelagertem, in einem Hauptgaskanal eingesetzten Rohr;

Fig. 2 Ausführungsform mit verschiebbar gelagertem, in einem Hauptgaskanal eingesetzten Rohr bei einer Brennstoffzelle in Kaskadenschaltung.

Fig. 1a zeigt einen Schnitt durch eine Brennstoff­ zelle.

Gezeigt werden zwei Brenngashauptleitungen 1, die der Zu- sowie der Abführung von Brenngas in bzw. aus der Brennstoffzelle dienen. In die Brenngashauptleitungen 1 münden Abzweigungskanäle 2 ein. Jeder Abzweigungskanal 2 führt zu einer Einzelzelle. Zwei Einzelzellen stehen über Abzweigungskanäle 2 und Hauptleitungen 1 "gastechnisch" miteinander in Verbindung. Eine Gaslei­ tungsverbindung zwischen zwei Einzelzellen wird durch zwei Abzweigungskanäle 2 zusammen mit einer Hauptlei­ tung 1 gebildet.

Dargestellt ist ein Rohr 3, welches sich gemäß Fig. 1a in der "oberen" Hauptleitung 1 befindet, die der Zu­ führung von Brenngas dient. Das Rohr 3 ist drehbar ge­ lagert. Die drehbare Lagerung wird durch zwei Pfeile am rechten und linken Rohrende angedeutet. Das Rohr weist seitliche Öffnungen 4 auf. Der Abstand zwischen den zwei dargestellten Öffnungen 4 ist gleich dem Abstand zwischen den beiden Einmündungen der Abzweigungskanäle 2 in das Zentralrohr 1 hinein.

Durch Drehen des Rohres 3 können die Einmündungen der Abzweigungskanäle 2 in das Zentralrohr I freigegeben oder verschlossen werden. Dieser Sachverhalt wird durch einen geeigneten Querschnitt des Rohres 3 gemäß Fig. 1b verdeutlicht. In Fig. 1b wird in der oberen Abbildung die Stellung des Rohres 3 bei freigegebener Öffnung ge­ zeigt. Darunter ist die im Vergleich hierzu gedrehte Stellung des Rohres 3 nach einer störfallbedingten Notabschaltung abgebildet. Hier ist die Gasleitungsver­ bindung unterbrochen.

Nicht dargestellt wurde ein weiteres Rohr 3 in der un­ teren Hauptleitung 1, die der Abführung von Brenngas dient. Ist auch hier ein Rohr 3 vorgesehen, so ist es möglich, jede Einzelzelle vorteilhaft zusätzlich zu verschließen.

In Fig. 2 ist ein Schnitt durch eine Brennstoffzelle gezeigt, die aus zwei innerhalb des Gesamtstapels elek­ trisch in Reihe geschalteten "Teilstapeln" 5 und 6 be­ steht. Jeweils ein Teilstapel wird parallel mit Gas versorgt. Das "Abgas" des ersten Teilstapels 5 wird als Brenngas durch den nächsten Teilstapel 6 gegeben. Der Gasweg durch diese Brennstoffzelle wird durch den eingezeichneten Pfad 7 verdeutlicht. Der erste Stapel 5 wird durch zwei Einzelzellen und der zweite "Stapel" 6 durch eine Einzelzelle gebildet.

Ein Rohr 3 befindet sich in der Hauptleitung 1, die der Gaszuführung zum ersten Stapel 5 sowie der Gasabführung aus dem zweiten Stapel 6 dient. Es "durchmißt" die bei­ den Stapel 5 und 6. Um die Doppelfunktion bezüglich Gaszu- und Gasabführung erfüllen zu können, weist das Rohr 3 ein Verschlußmittel 8 auf. Das Verschlußmittel 8 und der abdichtend wirkende O-Ring 9 trennen den Gas zu­ führungsbereich zum ersten Stapel 5 vom Gasableitungs­ bereich aus dem zweiten Stapel 6.

Besteht eine Brennstoffzelle aus mehreren derartigen Stapeln gemäß Fig. 2, so weist das jeweilige Rohr 3 entsprechend mehrere Verschlüsse 8 sowie O-Ringe 9 auf.

Das Rohr ist verschiebbar angeordnet. Die verschiebbare Lagerung wird durch den Doppelpfeil 10 angedeutet. Durch Verschieben des Rohres ist es möglich, offene Verbindungsleitungen zu unterbrechen und umgekehrt.

Claims (1)

1. Brennstoffzelle mit mehreren, über Gasleitungen (1, 2) miteinander in Verbindung stehenden Einzelzellen, mit Mitteln zur Notabschaltung der Brennstoffzelle bei Auftreten eines Störfalls, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel (3) zur Unterbrechung der Gasleitungsverbin­ dungen (2, 3) als Notabschaltmittel vorgesehen sind, die die Einzelzellen bei einer Notabschaltung gastechnisch voneinander abkoppeln.