DE19916386A1 - Brennstoffzellensystem sowie Verfahren zum Regenerieren eines Filterelements und zum Durchführen einer Leckdiagnose in einem Brennstoffzellensystem - Google Patents

Brennstoffzellensystem sowie Verfahren zum Regenerieren eines Filterelements und zum Durchführen einer Leckdiagnose in einem Brennstoffzellensystem

Info

Publication number
DE19916386A1
DE19916386A1 DE19916386A DE19916386A DE19916386A1 DE 19916386 A1 DE19916386 A1 DE 19916386A1 DE 19916386 A DE19916386 A DE 19916386A DE 19916386 A DE19916386 A DE 19916386A DE 19916386 A1 DE19916386 A1 DE 19916386A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
fuel
fuel cell
filter element
cell system
oxidizing agent
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
DE19916386A
Other languages
English (en)
Other versions
DE19916386C2 (de
Inventor
Wolfgang Herdeg
Holger Klos
Martin Sattler
Franz Reichenbach
Hans-Dieter Wilhelm
Juergen Habrich
Karl Eck
Markus Keutz
Thomas Zapp
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
P21 - POWER FOR THE 21ST CENTURY GMBH, 85649 BRUNN
Original Assignee
Mannesmann AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Mannesmann AG filed Critical Mannesmann AG
Priority to DE19916386A priority Critical patent/DE19916386C2/de
Priority to JP2000095078A priority patent/JP2000323158A/ja
Priority to US09/539,006 priority patent/US6403243B1/en
Publication of DE19916386A1 publication Critical patent/DE19916386A1/de
Application granted granted Critical
Publication of DE19916386C2 publication Critical patent/DE19916386C2/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Fee Related legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M25/00—Engine-pertinent apparatus for adding non-fuel substances or small quantities of secondary fuel to combustion-air, main fuel or fuel-air mixture
    • F02M25/08—Engine-pertinent apparatus for adding non-fuel substances or small quantities of secondary fuel to combustion-air, main fuel or fuel-air mixture adding fuel vapours drawn from engine fuel reservoir
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/06—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
    • H01M8/0606—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants
    • H01M8/0612—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants from carbon-containing material
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2250/00—Fuel cells for particular applications; Specific features of fuel cell system
    • H01M2250/20—Fuel cells in motive systems, e.g. vehicle, ship, plane
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04007—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids related to heat exchange
    • H01M8/04014—Heat exchange using gaseous fluids; Heat exchange by combustion of reactants
    • H01M8/04022—Heating by combustion
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T90/00—Enabling technologies or technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02T90/40—Application of hydrogen technology to transportation, e.g. using fuel cells

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

Es wird ein Brennstoffzellensystem (10) beschrieben, das eine Brennstoffzelle (11) mit einer Zuleitung (12) und einer Ableitung (13) für einen Brennstoff sowie eine Zuleitung (14) und eine Ableitung (15) für ein Oxidationsmittel aufweist. Weiterhin ist ein Kraftstofftank (20) vorgesehen, in dem sich beispielsweise Benzin oder Methanol zur Herstellung des Brennstoffs für die Brennstoffzelle (11) befindet. Zur Vermeidung der Freisetzung von Kohlenwasserstoffen aus dem getankten Kraftstoff ist ein Filterelement (30), beispielsweise ein Aktivkohlefilter, mit dem Kraftstofftank (20) verbunden. Um das Filterelement (30) regenerieren zu können, ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß das Filterelement (30) mit der Ableitung (15) für das Oxidationsmittel und/oder der Ableitung (13) für den Brennstoff verbunden ist. Über den Abgasstrom aus der Brennstoffzelle (11) wird das Filterelement (30) regeneriert. Vorzugsweise ist das Filterelement (30) über eine Verbindungsleitung (31) mit einem Brenner (40) verbunden, so daß die vom Abgasstrom aufgenommenen Kohlenwasserstoffe in diesem verbrannt werden können. Weiterhin kann über eine entsprechende Ausgestaltung des Brennstoffzellensystems (10) auch eine Leckdiagnose im Kraftstofftank (20) vorgenommen werden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem, mit einer Brennstoffzelle, die eine Zuleitung und eine Ableitung für einen Brennstoff sowie eine Zuleitung und eine Ableitung für ein Oxidationsmittel aufweist, und mit einem Kraftstofftank für einen aus Kohlenwasserstoffen bestehenden Kraftstoff, der mit einem Filterelement zur Verhinderung der Freisetzung von Kohlenwasserstoffen, insbesondere einem Aktivkohlefilter, verbunden ist. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Regenerieren eines Filterelements in einem Brennstoffzellensystem, sowie ein Verfahren zum Durchführen einer Leckdiagnose im Kraftstofftank eines Brennstoffzellensystems.
Brennstoffzellen sind bereits bekannt und haben insbesondere im Bereich der Automobilindustrie in den letzten Jahren erheblich an Bedeutung gewonnen.
Ähnlich wie Batteriesysteme erzeugen Brennstoffzellen elektrische Energie auf chemischem Wege, wobei die einzelnen Reaktanten kontinuierlich zugeführt und das Reaktionsprodukt kontinuierlich abgeführt werden. Dabei liegt den Brennstoffzellen das Wirkprinzip zu Grunde, daß sich elektrisch neutrale Moleküle oder Atome miteinander verbinden und dabei Elektronen austauschen. Dieser Vorgang wird als Redoxprozeß bezeichnet. Bei einer Brennstoffzelle sind die Oxidations- und Reduktionsprozesse räumlich getrennt. Die bei der Reduktion abgegebenen Elektronen lassen sich als Strom durch einen Verbraucher leiten, beispielsweise den Elektromotor eines Automobils.
Als gasförmige Reaktionspartner für die Brennstoffzelle werden beispielsweise Wasserstoff als Brennstoff (Anodengas) und Sauerstoff (Kathodengas) als Oxidationsmittel verwendet. Will man die Brennstoffzellen mit einem leicht verfügbaren und zu speichernden Kraftstoff wie Erdgas oder Methanol betreiben, muß man den Kohlenwasserstoff zunächst durch Reformierung in ein wasserstoffreiches Gas umwandeln.
Beim Betanken eines Kraftstofftanks mit einem Kraftstoff, der aus Kohlenwasserstoffen besteht und anschließend etwa durch eine Dampfreformierung oder dergleichen in den Brennstoff für die Brennstoffzelle umgewandelt wird sowie auch bei der Entlüftung des Kraftstofftanks werden ungewollt Kohlenwasserstoffe freigesetzt. Da die Kohlenwasserstoffe für die Umwelt schädlich sind und darüber hinaus auch im Brennstoffzellensystem zu Beschädigungen führen können, müssen sie auf geeignete Weise gebunden werden. Dies geschieht in der Regel über ein Filterelement, beispielsweise einen Aktivkohlefilter. Dieses Filterelement muß von Zeit zu Zeit regeneriert werden, um seine Funktionsfähigkeit sicherzustellen. Wird eine rechtzeitige Regenerierung unterlassen, können die Kohlenwasserstoffe ungehindert durch das Filterelement in die Atmosphäre gelangen.
Ebenso können Kohlenwasserstoffe auch durch Gaslecks im Tanksystem in die Atmosphäre gelangen.
Die Gesetzgebung schreibt jedoch vor, daß keine oder nur eine sehr geringe Menge an Kohlenwasserstoffen in die Atmosphäre gelangen darf.
Ausgehend vom genannten Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Brennstoffzellensystem der eingangs genannten Art derart weiterzubilden, daß die beschriebenen Nachteile vermieden werden. Insbesondere soll ein Brennstoffzellensystem bereitgestellt werden, bei dem das Filterelement auf einfache und zuverlässige Weise regeneriert werden kann. Darüber hinaus soll auch auf einfache Weise eine Überprüfung des Kraftstofftanks auf etwaige Gaslecks möglich sein. Schließlich sollen auch ein verbessertes Verfahren zum Regenerieren eines Filterelements sowie ein verbessertes Verfahren zum Durchführen einer Leckdiagnose in einem Kraftstofftank bereitgestellt werden.
Die Aufgabe wird gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung durch die Weiterbildung des eingangs beschriebenen Brennstoffzellensystems gelöst, das erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet ist, daß das Filterelement mit der Ableitung für das Oxidationsmittel und/oder der Ableitung für den Brennstoff verbunden ist.
Durch das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem kann zunächst das Filterelement auf einfache und kostengünstige Weise regeneriert werden. Dazu wird der Abgasstrom des Oxidationsmittels (Kathodengas) und/oder des Brennstoffs (Anodengas) durch das Filterelement hindurchgeleitet. Die Regenerierung des Filterelements erfolgt dadurch, daß der durchgeleitete Abgasstrom die Kohlenwasserstoffmoleküle mitreißt. Diese können dann nach dem Austritt aus dem Filterelement beispielsweise in einer weiter unten näher beschriebenen Vorrichtung verbrannt werden.
Durch die Verwendung des Abgasstroms aus der Brennstoffzelle, der in der Regel beim Verlassen der Brennstoffzelle noch unter Überdruck steht, zum Regenerieren des Filterelements kann auf eine eigene Pumpe hierfür verzichtet werden. Bei herkömmlichen Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor erfolgt die Regeneration des Filterelements durch Unterdruck in einem Saugrohr. Bei Fahrzeugen mit Brennstoffzellen gibt es einen solchen Unterdruck nicht mehr.
Als Filterelement kann vorteilhaft ein Aktivkohlefilter verwendet werden. Je nach Bedarf und Anwendungsfall sind jedoch auch andere Filtertypen denkbar, so daß die Erfindung nicht auf Aktivkohlefilter beschränkt ist.
Das Filterelement kann mit der Ableitung für das Oxidationsmittel oder, mit der Ableitung für den Brennstoff oder auch mit beiden Ableitungen verbunden sein. Allerdings muß gewährleistet werden, daß der Abgasstrom die im Filterelement befindlichen Kohlenwasserstoffe mitreißen kann. In vorteilhafter Ausgestaltung ist das Filterelement deshalb mit der Ableitung für das Oxidationsmittel verbunden, insbesondere dann, wenn als Oxidationsmittel Sauerstoff verwendet wird, der immer in ausreichender Menge vorhanden ist.
Als Kraftstoff für die Brennstoffzellen, aus dem in nachfolgenden Prozessen Wasserstoff hergestellt wird, kann beispielsweise, jedoch nicht ausschließlich, Methanol, Benzin, Methan, Erdgas, Kohlegas, Biogas oder dergleichen verwendet werden. Als geeignetes Oxidationsmittel kann beispielsweise in Luft befindlicher Sauerstoff verwendet werden.
Bevorzugte Ausgestaltungsformen des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Vorteilhaft kann das Filterelement über eine Verbindungsleitung mit einer Anordnung zum Aufbereiten/Erzeugen von Brennstoff für die Brennstoffzelle aus dem im. Kraftstofftank befindlichen Kraftstoff verbunden sein. Auf diese Weise kann der Abgasstrom aus der Brennstoffzelle, nachdem er das Filterelement durchströmt und die Kohlenwasserstoffe gebunden hat, bei der Herstellung des Brennstoffs - beispielsweise Wasserstoff weiter verwendet werden.
Vorteilhaft ist das Filterelement über eine Verbindungsleitung mit einem Brenner verbunden. In diesem Brenner, der beispielsweise als katalytischer Brenner ausgebildet sein kann, wird der Abgasstrom aus der Brennstoffzelle, der nach Verlassen des Filterelements auch Kohlenwasserstoffe enthält, verbrannt. Die dabei entstehende Abwärme kann bei der Erzeugung/Aufbereitung des Brennstoffs, etwa zum Verdampfen des Kraftstoffs in einer Vorrichtung zur Gasaufbereitung, eingesetzt werden.
Somit hat die Weiterleitung des kohlenwasserstoffhaltigen Abgasstroms den zusätzlichen Vorteil, daß die schädlichen Kohlenwasserstoffe verbrannt werden und daß die entstehende Abwärme nicht verloren geht, sondern genutzt werden kann. Weiterhin besteht keine direkte Verbindung zwischen dem Filterelement und der Atmosphäre, so daß ein ungewolltes Austragen von Kohlenwasserstoffen in die Atmosphäre im Betrieb des Fahrzeugs verhindert wird.
In weiterer Ausgestaltung kann in der Verbindungsleitung zwischen Filterelement und dem Brenner ein Ventil, insbesondere ein Absperrventil, vorgesehen sein. Ein solches Absperrventil ist dann von Vorteil, wenn eine Leckdiagnose im Kraftstofftank durchgeführt wird. In diesem Fall muß das Absperrventil geschlossen sein. Auf die Funktionsweise einer solchen Leckdiagnose wird weiter unten näher eingegangen.
Vorteilhaft kann der Kraftstofftank über eine Leitung mit dem Filterelement verbunden sein, wobei in der Leitung ein Ventil, insbesondere ein als Überdruckventil ausgebildetes Tankschutzventil, vorgesehen ist. Über das Tankschutzventil wird verhindert, daß im Kraftstofftank ein zu großer Überdruck entsteht.
Vorzugsweise ist in der mit dem Filterelement verbundenen Ableitung für den Brennstoff und/oder das Oxidationsmittel ein Ventil, insbesondere ein Rückschlagventil, vorgesehen. Das Rückschlagventil schützt die Brennstoffzelle davor, daß Kohlenwasserstoffe aus dem Filterelement in die Brennstoffzelle gelangen und diese beschädigen (vergiften) können.
In weiterer Ausgestaltung kann in der mit dem Filterelement verbundenen Ableitung für das Oxidationsmittel und/oder den Brennstoff ein Druckminderer vorgesehen sein. Wird das Brennstoffzellensystem mit Hochdruck betrieben, wird über den Druckminderer der in der Ableitung herrschende Druck vermindert. Ein Überschuß des Abgasstroms kann in diesem Fall beispielsweise über eine entsprechende Leitung der Anordnung zur Erzeugung/Aufbereitung von Brennstoff, insbesondere dem Brenner, zugeführt werden. Vorteilhaft ist der Druckminderer verschließbar, beispielsweise elektrisch verschließbar, ausgebildet. Insbesondere, wenn eine weiter unten näher beschriebene Leckdiagnose im Kraftstofftank durchgeführt werden soll, muß der Druckminderer verschlossen werden können.
Vorteilhaft kann die Ableitung für den Brennstoff und/oder die Ableitung für das Oxidationsmittel mit der Anordnung zum Erzeugen/Aufbereiten von Brennstoff, insbesondere mit dem Brenner, verbunden sein.
In weiterer Ausgestaltung ist im Kraftstofftank wenigstens ein Drucksensor vorgesehen. Über den Drucksensor kann beispielsweise bei der Leckdiagnose im Kraftstofftank ein in diesem stattfindender Druckabfall gemessen werden.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Regenerieren eines Filterelements, insbesondere eines Aktivkohlefilters, bereitgestellt, wobei das Filterelement in einem wie vorstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem vorgesehen ist und wobei das Filterelement mit einem Kraftstofftank leitungsmäßig verbunden ist. Das Verfahren ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß der Abgasstrom des Oxidationsmittels und/oder des Brennstoffs aus der Brennstoffzelle in das Filterelement eingeleitet wird.
Dadurch wird eine einfache und kostengünstige Möglichkeit geschaffen, das Filterelement mit den oben beschriebenen Vorteilen zu regenerieren. Zu den Vorteilen, Wirkungen, Effekten und der Funktionsweise des erfindungsgemäßen Verfahrens wird auf die vorstehenden Ausführungen zum erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem vollinhaltlich Bezug genommen und hiermit verwiesen.
Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Vorzugsweise kann der durch das Filterelement hindurchgeleitete Abgasstrom des Oxidationsmittels und/oder des Brennstoffs anschließend in eine Vorrichtung zum Erzeugen/Aufbereiten von Brennstoff, insbesondere in einen Brenner, eingeleitet werden. Auf diese Weise wird der Abgasstrom zum Regenerieren des Filterelements zunächst durch dieses hindurchgeleitet und anschließend zusammen mit den desorbierten Kohlenwasserstoffen aus dem Filterelement beispielsweise im Brenner verbrannt. Die schädlichen Kohlenwasserstoffe werden unter Nutzung der entstehenden Abwärme verbrannt. Eine Freisetzung der Kohlenwasserstoffe aus dem Filterelement in die Umgebung wird verhindert.
In weiterer Ausgestaltung kann der Druck des in das Filterelement eingeleiteten Abgasstroms bei Bedarf über einen Druckminderer gezielt eingestellt werden, was zu den weiter oben beschriebenen Vorteilen führt.
Gemäß einem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Durchführen einer Leckdiagnose in einem Kraftstofftank eines wie vorstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems bereitgestellt, wobei der Kraftstofftank mit einem Filterelement verbunden ist. Das Verfahren ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß ein in der mit dem Filterelement leitungsmäßig verbundenen Ableitung für das Oxidationsmittel und/oder den Brennstoff aus der Brennstoffzelle eingebauter Druckminderer geschlossen wird, daß der Kraftstofftank mit einem bestimmten Überdruck beaufschlagt wird und daß der Druckabfall im Kraftstofftank über einen Drucksensor gemessen wird.
Der Grundgedanke des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß zum Prüfen der Dichtheit des Kraftstofftanks dieser mit einem bestimmten Druck beaufschlagt wird.
Da der Druckminderer geschlossen ist, kann der Druck bei ordnungsgemäßem Zustand des Kraftstofftanks nicht entweichen. Ein Druckabfall im Kraftstofftank kann demnach nur bei Vorhandensein eines Lecks auftreten. Der mögliche Druckabfall wird über den Drucksensor im Kraftstofftank gemessen. Vorteilhaft wird die Leckdiagnose während der Warmlaufphase des Brennstoffzellensystems durchgeführt.
Zu den Vorteilen, Wirkungen, Effekten und der Funktionsweise des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ebenfalls auf die vorstehenden Ausführungen zum erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem und zum Verfahren zum Regenerieren des Filterelements vollinhaltlich Bezug genommen und hiermit verwiesen.
Bevorzugte Ausführungsformen des Verfahrens ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Vorteilhaft kann, wenn das Filterelement über eine Verbindungsleitung mit einer Anordnung zum Aufbereiten/Erzeugen von Brennstoff, insbesondere einem Brenner, verbunden ist, ein in der Verbindungsleitung eingebautesVentil, insbesondere ein Absperrventil, ebenfalls geschlossen werden. Damit kann der im Kraftstofftank aufgebaute Druck nicht über das Filterelement entweichen.
In weiterer Ausgestaltung kann das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem zum Betreiben eines Fahrzeugs, insbesondere für den elektrischen Fahrantrieb verwendet werden. Ebenso können die erfindungsgemäßen Verfahren bevorzugt für ein Brennstoffzellensystem zum Betreiben eines solchen Fahrzeugs verwendet werden.
Die Brennstoffzellentechnologie im Fahrzeugsektor stellt das bevorzugte Einsatzgebiet der Erfindung dar. Dennoch sind auch andere Einsatzmöglichkeiten denkbar. Zu nennen sind hier beispielsweise Brennstoffzellensysteme für mobile Geräte bis hin zu Kraftwerksanlagen, bei denen der Wasserstoff aus Methanol, Benzin oder dergleichen hergestellt wird. Auch eignet sich die Brennstoffzellentechnik für die dezentrale Energieversorgung von Häusern, Industrieanlagen oder dergleichen.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf besondere Brennstoffzellentypen beschränkt, so daß die Erfindung in Verbindung mit allen Brennstoffzellentypen verwendet werden kann. Derartige Brennstoffzellen sind beispielsweise alkalische Brennstoffzehen (AFC), Brennstoffzellen mit Polymermembran (PEMFC oder DMFC = Direktmethanolbrennstoffzelle), phosphorsaure Brennstoffzellen (PAFC), Schmelzkarbonat-Brennstoffzellen (MCFC), Festoxid-Brennstoffzellen (SOFC), oder dergleichen. Die verschiedenen Brennstoffzellentypen arbeiten auf unterschiedlichen Niveaus von Druck und Temperatur.
In besonders bevorzugter Weise kann die vorliegende Erfindung jedoch in Verbindung mit Brennstoffzellen mit Polymermembranen (PEM oder DMFC) verwendet werden. Diese Brennstoffzellen haben einen hohen elektrischen Wirkungsgrad, verursachen nur minimale Emissionen, weisen ein optimales Teillastverhalten auf und sind im wesentlichen frei von mechanischem Verschleiß.
Die Erfindung wird nun auf exemplarische Weise anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert. Es zeigt die einzige Figur in schematischer Ansicht ein Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden Erfindung.
In der Figur ist ein Brennstoffzellensystem 10 dargestellt, das zum Betreiben eines Fahrzeugs eingesetzt wird. Das Brennstoffzellensystem weist eine Brennstoffzelle 11 auf, die üblicherweise aus einer Vielzahl von Brennstoffzellen-Elementen besteht und ein Kathodenteil und ein Anodenteil aufweist. Das Kathodenteil und das Anodenteil sind durch eine Membran voneinander getrennt. In dem Anodenteil finden die für die Erzeugung der elektrischen Energie erforderlichen Reduktionsprozesse statt, während im Kathodenteil die entsprechenden Oxidationsprozesse stattfinden.
Das Anodenteil wird über eine Zuleitung 12 mit einem Brennstoff, hier Wasserstoff, gespeist. Das Kathodenteil wird über eine Zuleitung 14 mit einem Oxidationsmittel, hier Sauerstoff, gespeist. Nach Durchlaufen der Brennstoffzelle 11 werden der Brennstoff und das Oxidationsmittel (einschließlich der gebildeten Reaktionsprodukte) über entsprechende Brennstoffzellen-Ableitungen 13, 15 aus der Brennstoffzelle 11 abgeleitet.
Das Brennstoffzellensystem 10 weist weiterhin einen Kraftstofftank 20 auf, in dem als Kraftstoff Benzin oder Methanol gespeichert ist. Die Kohlenwasserstoffe des Kraftstoffs werden in einer nicht dargestellten Anordnung zum Erzeugen/Aufbereiten von Brennstoff für die Brennstoffzelle in ein wasserstoffreiches Gas umgewandelt.
Da beim Betanken und Be-/Entlüften des Kraftstofftanks 20 Kohlenwasserstoffe aus dem Kraftstofftank entweichen, ist ein Filterelement 30, im vorliegenden Fall ein Aktivkohlefilter, vorgesehen, das über eine Leitung 21 mit dem Kraftstofftank 20 verbunden ist. Im Filterelement 30 werden die freigesetzten Kohlenwasserstoffe gebunden, so daß sie nicht in die Umgebung gelangen.
Um zu verhindern, daß im Kraftstofftank 20 ein zu großer Überdruck entsteht, ist in der Leitung 21 ein Tankschutzventil 23 (Überdruckventil) vorgesehen, das bei zu großem Druck im Filterelement 30 schließen kann. Zur Messung des Drucks im Kraftstofftank 20 ist ein Drucksensor 22 vorgesehen.
Das Filterelement 30 ist über die Ableitung 15 für das Oxidationsmittel (Kathodenabgas) weiterhin mit der Brennstoffzelle 11 verbunden. Um zu verhindern, daß Kohlenwasserstoffe aus dem Filterelement 30 in die Brennstoffzelle 11 eindringen können, ist in der Ableitung 15 ein entsprechendes Rückschlagventil 16 vorgesehen. Darüber hinaus weist die Ableitung 15 einen Druckminderer 17 auf, der den Abgasstrom der Brennstoffzelle 11, wenn das Brennstoffzellensystem 10 mit Hochdruck betrieben wird, auf einen für das Filterelement 30 geeigneten Druck vermindert. Ein dabei vorhandener Überschuß an Abgas kann über eine Leitung 18 einem Brenner 40, beispielsweise einem katalytischen Brenner einer Anordnung zum Erzeugen/Aufbereiten von Brennstoff zugeführt werden.
Ebenso ist die Ableitung 13 für den Brennstoff (Anodenabgas) mit dem Brenner 40 verbunden. Der Brenner 40 wiederum ist über eine Leitung 41 mit einer nicht dargestellten Vorrichtung zur Gasaufbereitung verbunden. In der Gasaufbereitung wird dann der Wasserstoff produziert, der als Brennstoff der Brennstoffzelle 11 anschließend über die Zuleitung 12 zugeführt wird.
Das Filterelement ist über eine Verbindungsleitung 31, in der ein Absperrventil 32 vorgesehen ist, mit dem Brenner 40 verbunden.
Nachfolgend wird nun die Funktionsweise des Verfahrens zum Regenerieren des Filterelements 30 beschrieben.
Das als Aktivkohlefilter ausgebildete Filterelement 30 nimmt die während der Betankung und Entlüftung des Kraftstofftanks 20 freigesetzten Kohlenwasserstoffe durch Adsorption auf. Um das Filterelement 30 zu regenerieren, wird der Abgasstrom des Oxidationsmittels aus der Brennstoffzelle über die Ableitung 15 in das Filterelement 30 geleitet, wo der Abgasstrom die adsobierten Kohlenwasserstoffe freisetzt und mitreißt. Die über der Umgebungstemperatur liegende Temperatur des Abgasstroms aus der Brennstoffzelle ist für die Desorption des Filterelements 30 förderlich. Der Abgasstrom wird durch das Filterelement 30 hindurchgeleitet und anschließend dem Brenner 40 zugeführt. Hier werden die Kohlenwasserstoffe und der Abgasstrom katalytisch verbrannt. Die dabei entstehende Abwärme wird der Gasaufbereitung über die Leitung 41 zugeführt. Durch diese Art des Regenerierens werden die schädlichen Kohlenwasserstoffe verbrannt, bevor sie in die Atmosphäre austreten können. Durch die entsprechende Ausgestaltung des Brennstoffzellensystems 10 wird verhindert, daß Kohlenwasserstoffe aus dem Filterelement 30 in die Umgebung gelangen. Da der Abgasstrom der Brennstoffzelle 11 in der Regel unter Überdruck in das Filterelement 30 eingeleitet wird, kann eine gesonderte Pumpe zum Transportieren des Abgasstroms entfallen.
Der im Kraftstofftank 20 gespeicherte Kraftstoff steht in der Regel unter Überdruck. Darum ist es sinnvoll, in regelmäßigen Abständen eine Leckdiagnose für den Kraftstofftank 20 durchzuführen. Eine solche Leckdiagnose wird vorteilhaft in der Warmlaufphase des Brennstoffzellensystems 10 durchgeführt.
Dazu wird im Kraftstofftank 20 zunächst ein bestimmter Druck aufgebaut. Vorteilhaft wird der Kraftstofftank 20 mit einem Druck beaufschlagt, der niedriger als der Schließdruck des Tankschutzventils 23 ist. Um zu verhindern, daß der Druck aus dem Kraftstofftank 20 über die Leitung 21 und das Filterelement 30 entweichen kann, wird das Absperrventil 32 in der Verbindungsleitung 31 geschlossen. Gleichzeitig wird auch der Druckminderer 17 in der Ableitung 15 geschlossen.
Der im Kraftstoffbehälter 20 eingestellte Druck könnte in einem solchen Fall nur über ein entsprechendes Leck entweichen. Die Messung eines möglichen Druckabfalls im Kraftstofftank 20 erfolgt über den Drucksensor 22.
Bezugszeichenliste
10
Brennstoffzellensystem
11
Brennstoffzelle
12
Zuleitung Brennstoff
13
Ableitung Brennstoff
14
Zuleitung Oxidationsmittel
15
Ableitung Oxidationsmittel
16
Rückschlagventil
17
Druckminderer
18
Leitung
20
Kraftstofftank
21
Leitung
22
Drucksensor
23
Tankschutzventil
30
Filterelement
31
Verbindungsleitung
32
Absperrventil
40
Brenner
41
Zuleitung zur Gasaufbereitung

Claims (16)

1. Brennstoffzellensystem, mit einer Brennstoffzelle (11), die eine Zuleitung (12) und eine Ableitung (13) für einen Brennstoff, sowie eine Zuleitung (14) und eine Ableitung (15) für ein Oxidationsmittel aufweist, und mit einem Kraftstofftank (20) für einen aus Kohlenwasserstoffen bestehenden Kraftstoff, der mit einem Filterelement (30) zur Verhinderung der Freisetzung von Kohlenwasserstoffen, insbesondere einem Aktivkohlefilter, verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Filterelement (30) mit der Ableitung (15) für das Oxidationsmittel (Kathodenabgas) und/oder der Ableitung (13) für den Brennstoff (Anodenabgas) verbunden ist.
2. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Filterelement (30) über eine Verbindungsleitung (31) mit einer Anordnung zum Aufbereiten/Erzeugen von Brennstoff für die Brennstoffzelle (11) aus dem im Kraftstofftank (20) befindlichen Kraftstoff verbunden ist.
3. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Filterelement (30) über eine Verbindungsleitung (31) mit einem Brenner (40) verbunden ist.
4. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß in der Verbindungsleitung (31) ein Ventil, insbesondere ein Absperrventil (32), vorgesehen ist.
5. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Kraftstofftank (20) über eine Leitung (21) mit dem Filterelement (30) verbunden ist und daß in der Leitung (21) ein Absperrventil, insbesondere ein als Überdruckventil ausgebildetes Tankschutzventil (23), vorgesehen ist.
6. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß in der mit dem Filterelement (30) verbundenen Ableitung (15, 13) für das Oxidationsmittel und/oder den Brennstoff ein Ventil, insbesondere ein Rückschlagventil (16), vorgesehen ist.
7. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß in der mit dem Filterelement (30) verbundenen Ableitung (15, 13) für das Oxidationsmittel und/oder den Brennstoff ein Druckminderer (17) vorgesehen ist.
8. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Ableitung (13) für den Brennstoff und/oder die Ableitung (15) für das Oxidationsmittel mit der Anordnung zum Erzeugen/Aufbereiten von Brennstoff, insbesondere mit dem Brenner (40) dieser Anordnung verbunden ist.
9. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß im Kraftstofftank (20) wenigstens ein Drucksensor (22) vorgesehen ist.
10. Verfahren zum Regenerieren eines Filterelements, insbesondere eines Aktivkohlefilters, das in einem Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 9 vorgesehen ist, wobei das Filterelement mit einem Kraftstofftank verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Abgasstrom des Oxidationsmittels und/oder des Brennstoffs aus der Brennstoffzelle durch das Filterelement hindurchgeleitet wird.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der durch das Filterelement hindurchgeleitete Abgasstrom des Oxidationsmittels und/oder des Brennstoffs anschließend in eine Vorrichtung zum Erzeugen/Aufbereiten von Brennstoff, insbesondere in einen Brenner dieser Vorrichtung eingeleitet wird.
12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck des in das Filterelement eingeleiteten Abgasstroms über einen Druckminderer eingestellt wird.
13. Verfahren zum Durchführen einer Leckdiagnose in einem Kraftstofftank eines Brennstoffzellensystems nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei der Kraftstofftank leitungsmäßig mit einem Filterelement verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein in der mit dem Filterelement verbundenen Ableitung für das Oxidationsmittel und/oder den Brennstoff eingebauter Druckminderer geschlossen wird, daß der Kraftstofftank mit einem bestimmten Überdruck beaufschlagt wird und daß der Druckabfall im Kraftstofftank über einen Drucksensor gemessen wird.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß, wenn das Filterelement über eine Verbindungsleitung mit einer Anordnung zum Aufbereiten/Erzeugen von Brennstoff für die Brennstoffzelle, insbesondere einem Brenner dieser Anordnung verbunden ist, ein in der Verbindungsleitung vorgesehenes Absperrventil ebenfalls geschlossen wird.
15. Verwendung eines Brennstoffzellensystems nach einem der Ansprüche 1 bis 9 zum Betreiben eines Fahrzeugs, insbesondere eines Fahrzeugs mit elektrischem Fahrantrieb.
16. Verwendung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 10 bis 12 und/oder eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 13 oder 14 für ein Brennstoffzellensystem zum Betreiben eines Fahrzeugs, insbesondere eines Fahrzeugs mit elektrischem Fahrantrieb.
DE19916386A 1999-03-31 1999-03-31 Brennstoffzellensystem sowie Verfahren zum Regenerieren eines Filterelements in einem Brennstoffzellensystem Expired - Fee Related DE19916386C2 (de)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE19916386A DE19916386C2 (de) 1999-03-31 1999-03-31 Brennstoffzellensystem sowie Verfahren zum Regenerieren eines Filterelements in einem Brennstoffzellensystem
JP2000095078A JP2000323158A (ja) 1999-03-31 2000-03-30 燃料電池システム及びフィルタ部材を再生するための方法
US09/539,006 US6403243B1 (en) 1999-03-31 2000-03-30 Fuel cell system and method of regenerating a filter element in a fuel cell system

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE19916386A DE19916386C2 (de) 1999-03-31 1999-03-31 Brennstoffzellensystem sowie Verfahren zum Regenerieren eines Filterelements in einem Brennstoffzellensystem

Publications (2)

Publication Number Publication Date
DE19916386A1 true DE19916386A1 (de) 2000-10-05
DE19916386C2 DE19916386C2 (de) 2001-10-31

Family

ID=7904239

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE19916386A Expired - Fee Related DE19916386C2 (de) 1999-03-31 1999-03-31 Brennstoffzellensystem sowie Verfahren zum Regenerieren eines Filterelements in einem Brennstoffzellensystem

Country Status (3)

Country Link
US (1) US6403243B1 (de)
JP (1) JP2000323158A (de)
DE (1) DE19916386C2 (de)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2003052854A2 (en) * 2001-12-17 2003-06-26 Nissan Motor Co., Ltd. Fuel cell system
DE10063648B4 (de) * 2000-12-20 2006-12-14 Nucellsys Gmbh Brennstoffzellensystem und Verfahren zum Betreiben des Brennstoffzellensystems

Families Citing this family (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE19958829C1 (de) * 1999-11-30 2001-08-02 Mannesmann Ag Brennstoffzellensystem mit einer Vorrichtung zum Zuleiten von Brennstoff
DE10062965B4 (de) * 2000-12-16 2009-06-25 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Brennstoffzellensystem in einem Fahrzeug mit einem Verbrennungsmotor und Verfahren zu dessen Betrieb
US7037615B2 (en) * 2001-02-12 2006-05-02 Delphi Technologies, Inc. Trapping method and system for energy conversion devices
US6591926B2 (en) * 2001-05-03 2003-07-15 Ford Motor Company System and method for recovering energy of a hydrogen gas fuel supply for use in a vehicle
WO2004055930A2 (en) * 2002-12-02 2004-07-01 Donaldson Company, Inc. Various filter elements for hydrogen fuel cell
US7306641B2 (en) 2003-09-12 2007-12-11 Hewlett-Packard Development Company, L.P. Integral fuel cartridge and filter
US7241521B2 (en) 2003-11-18 2007-07-10 Npl Associates, Inc. Hydrogen/hydrogen peroxide fuel cell
US7350604B2 (en) * 2004-03-04 2008-04-01 Ford Global Technologies, Llc Gaseous fuel system for automotive vehicle
JP2006196415A (ja) * 2005-01-17 2006-07-27 Hitachi Ltd 燃料電池検査システム
JP2007035489A (ja) * 2005-07-28 2007-02-08 Toshiba Corp 燃料電池システム及び燃料電池システムの制御方法
US10693165B1 (en) 2015-09-18 2020-06-23 University Of Hawai'i Environmental sensor array for fuel cell air filtration systems
FR3083013A1 (fr) * 2018-06-26 2019-12-27 Valeo Systemes Thermiques Dispositif de regeneration d'un filtre absorbant pour pile a combustible

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE69126321T2 (de) * 1990-11-23 1998-04-02 Vickers Shipbuilding & Eng Anwendung von brennstoffzellen in stromversorgungssystemen

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3682142A (en) * 1971-05-06 1972-08-08 Intern Materials Method and means for generating hydrogen and a motive source incorporating same
US5141823A (en) * 1984-03-03 1992-08-25 Vickers Shipbuilding And Engineering Limited Electrical generating plant
US5964089A (en) * 1997-06-27 1999-10-12 Lynntech, Inc Diagnostics and control of an on board hydrogen generation and delivery system

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE69126321T2 (de) * 1990-11-23 1998-04-02 Vickers Shipbuilding & Eng Anwendung von brennstoffzellen in stromversorgungssystemen

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10063648B4 (de) * 2000-12-20 2006-12-14 Nucellsys Gmbh Brennstoffzellensystem und Verfahren zum Betreiben des Brennstoffzellensystems
WO2003052854A2 (en) * 2001-12-17 2003-06-26 Nissan Motor Co., Ltd. Fuel cell system
WO2003052854A3 (en) * 2001-12-17 2005-02-24 Nissan Motor Fuel cell system
US6974645B2 (en) 2001-12-17 2005-12-13 Nissan Motor Co., Ltd. Fuel cell system

Also Published As

Publication number Publication date
US6403243B1 (en) 2002-06-11
JP2000323158A (ja) 2000-11-24
DE19916386C2 (de) 2001-10-31

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE19916386C2 (de) Brennstoffzellensystem sowie Verfahren zum Regenerieren eines Filterelements in einem Brennstoffzellensystem
DE10065459B4 (de) Ein Entlüftungssystem und ein Verfahren zur gestuften Entlüftung eines Brennstoffzellensystems bei Schnellabschaltung
DE10231208B4 (de) Verfahren zur Untersuchung eines Brennstoffzellensystems
EP2791007B1 (de) Luftfahrzeug mit einem triebwerk, einem brennstofftank und einer brennstoffzelle
DE10065458B4 (de) Verfahren zur Detektion des Abschaltzustandes während der Abschaltung eines Brennstoffzellensystems mit Anodendrucksteuerung
DE10295963T5 (de) Brennstoffzellensystem und Spülsystem für das Brennstoffzellensystem
DE102012222816A1 (de) Voraktivierungsverfahren für einen brennstoffzellenstapel
DE102007006963A1 (de) Brennstoffzellensystem für ein Fahrzeug
CH696413A5 (de) Brennstoffzellenanlage.
DE10039797B4 (de) Brennstoffzellenanlage mit einer Reformereinheit und deren Verwendung
DE112008002705T5 (de) Brennstoffzellensystem und Aktivierungsverfahren für eine Brennstoffzelle
AT518955B1 (de) Generatoreinheit mit einer Brennstoffzellenvorrichtung, Fahrzeug mit einer solchen Generatoreinheit und Verfahren zur Überwachung einer Generatoreinheit
WO2001095415A2 (de) Brennstoffzellensystem und verfahren zum hochfahren eines brennstoffzellensystems
DE102007015955A1 (de) Vorrichtung zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems
DE10235430A1 (de) Reformer-Brennstoffzellen-System und Verfahren zum Abschalten und Starten desselben
EP1942537B1 (de) Brennstoffzellensystem mit einer Regenerationseinrichtung für einen Reformer und zugehöriges Verfahren
DE102015216343A1 (de) Anoden-Kathoden-Versorgungseinrichtung
DE102015213917A1 (de) Verfahren und System zum Ablassen von Anodenabgas einer Brennstoffzelle
DE102014115096A1 (de) System zur versorgung eines fahrzeugs mit elektrischer energie
DE102017220362A1 (de) Befeuchtermodul für ein Brennstoffzellensystem, Brennstoffzellensystem, Verfahren zum Regenerieren eines Befeuchtermoduls sowie Fahrzeug
DE102016118202A1 (de) Verfahren zum Detektieren eines Fluidaustritts
DE102019133089A1 (de) Brennstoffzellenvorrichtung, Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenvorrichtung sowie Kraftfahrzeug mit einer Brennstoffzellenvorrichtung
DE102007033151A1 (de) Betriebsverfahren für ein Brennstoffzellensystem
DE102020102719A1 (de) Verfahren zum Inertisieren eines ein Brenngas enthaltenden Tankbehälters, Tankbehälter sowie Brennstoffzellenvorrichtung mit einem Tankbehälter
DE102021214058A1 (de) Verfahren zum Konditionieren einer Brennstoffzelle

Legal Events

Date Code Title Description
OP8 Request for examination as to paragraph 44 patent law
D2 Grant after examination
8364 No opposition during term of opposition
8327 Change in the person/name/address of the patent owner

Owner name: P21 - POWER FOR THE 21ST CENTURY GMBH, 85649 BRUNN

8339 Ceased/non-payment of the annual fee