EP2258018A1 - Brennstoffzelleneinrichtung und verfahren zum betreiben einer brennstoffzelleneinrichtung - Google Patents

Brennstoffzelleneinrichtung und verfahren zum betreiben einer brennstoffzelleneinrichtung

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EP2258018A1
EP2258018A1 EP09727278A EP09727278A EP2258018A1 EP 2258018 A1 EP2258018 A1 EP 2258018A1 EP 09727278 A EP09727278 A EP 09727278A EP 09727278 A EP09727278 A EP 09727278A EP 2258018 A1 EP2258018 A1 EP 2258018A1
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EP
European Patent Office
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fuel cell
space
housing
cell device
medium
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP09727278A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Ralf NÜSSLE
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Mercedes Benz Group AG
Original Assignee
Daimler 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 Daimler AG filed Critical Daimler AG
Publication of EP2258018A1 publication Critical patent/EP2258018A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/2465—Details of groupings of fuel cells
    • H01M8/247—Arrangements for tightening a stack, for accommodation of a stack in a tank or for assembling different tanks
    • H01M8/2475—Enclosures, casings or containers of fuel cell stacks
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
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    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the invention relates to a fuel cell device having at least one fuel cell, which has an anode space and a cathode space and is arranged in a housing.
  • a flushing medium for flushing the housing can be introduced into the housing outside the fuel cell.
  • the invention relates to a method for operating a fuel cell device, in which a flushing medium for flushing the housing, in which a fuel cell is arranged, is introduced into the housing outside the fuel cell.
  • Such a fuel cell device and such a method is known from WO 2005/099017 A2. There is supplied as flushing medium ambient air from the outside.
  • the housing serves to catch any leaks in the fuel cell stack, in particular the anode, and the associated hydrogen emissions and to direct it to a specific location in order to protect fuel cell stacks from external influences such as dirt, dust, water, etc.
  • the problem here is that it is due to the leakage of the fuel cell stack Within the housing can come to gas mixtures, which form a combustible or explosive gas mixture due to their composition.
  • the fan of the fuel cell device according to WO 2005/099017 A2 also serves to supply air to the cathode.
  • a discharge line is arranged on the housing, which opens, for example, in an exhaust air or exhaust gas channel.
  • a problem here is that extra a separate blower must be provided in order to realize the flow can. This fan must be driven accordingly with a motor, which has a negative effect on the overall efficiency of the system. However, it does not contribute to energy conversion.
  • the blower usually has a limited capacity and thus can only promote a certain, relatively small air flow, whereby a permanent operation is required.
  • a sensor can be arranged within the housing, which measures the hydrogen concentration in the housing. If this concentration is above a certain limit, the entire fuel cell system is switched off, as the fan may not be able to deliver more or not sufficiently to reduce the hydrogen concentration in the housing accordingly.
  • a flushing with ambient air is, inter alia, disadvantageous because it contains about 21% oxygen, which ultimately represents a component of the gas mixture, which can be potentially explosive with appropriate hydrogen concentration.
  • the noise of the fan can be distracting.
  • fuel cell systems are also known in which, for example, branches behind an air filter unit in the intake of the compressor for the cathode compartment of the fuel cell system, a line which opens into the housing.
  • a fan is also arranged, which promotes the branched air into the housing.
  • the then again derived from the housing medium is introduced before the compressor in the intake path for the cathode compartment.
  • the gas mixture of the housing is thus supplied to the compressor, which sucks the gas mixture and supplies the cathode space of the fuel cell.
  • the possibly very small amount of hydrogen, which is discharged from the housing with, is then diluted again by the intake air of the compressor from the environment.
  • the gas stream is then compressed and fed to the cathode, where then reacts the very small proportion of hydrogen chemically. This is to ensure that no hydrogen emissions come to the outside or into the environment.
  • the blower in this branching line what has already been said above applies, whereby here too the blower is permanently operated at a stationary point and the housing is permanently flushed through.
  • a fuel cell device comprises at least one fuel cell, which has an anode space and a cathode space and is arranged in a housing.
  • a flushing medium for flushing the housing can be introduced into the housing in a space outside the fuel cell.
  • the fuel cell device comprises a device for diverting the medium mixture contained in the space and having the flushing medium, the device being connected to the interior of the housing and to an exhaust pipe leading away from the cathode space.
  • the device is designed so that when diverting the medium mixture from the space of the housing, the space and thus also the medium mixture is fluidly coupled to the exhaust gas flowing in the exhaust pipe.
  • a component can be provided by means of which flushing can be carried out more easily and without a quasi-actively operating component, such as a fan, and in addition it can also be achieved that undesired medium mixtures, in particular undesired hydrogen-air mixtures, are produced. Mixtures in which space is created.
  • the device is thus, so to speak, a passive unit, whereby a higher reliability can be achieved compared to actively operating units.
  • the device is thus designed so that it uses fluidic relationships to allow the discharge or the suction of the medium contained in the medium mixture.
  • An active component for example a fan, can therefore be completely dispensed with in order to divert this mixed medium from the housing.
  • the flushing medium is preferably fresh air introduced from the environment.
  • the device is designed so that the exhaust gas flow is a propulsion jet through whose streams the medium mixture is automatically sucked out of the room.
  • the device is designed as a pump, preferably as a jet pump.
  • a jet pump enables the particularly effective implementation of the fluidic relationships with regard to the automatic suction of the medium mixture from the room in conjunction with the flowing exhaust gas flow.
  • the device in particular the jet pump, preferably has a constriction with a flow cross section which is reduced in comparison to the flow cross section before and after the constriction.
  • the device is thus designed with regard to its bottleneck - that widens the flow cross section before the bottleneck and also after the bottleneck respectively. In terms of flow, this can also ensure a nozzle effect, for example as with a Laval nozzle.
  • the device has a line which opens into the space, which branches off from this constriction.
  • the opening into the space opening of the line is oriented to the side.
  • the line can quasi side, in particular horizontally, open into the room. It can also be provided that the opening into the space opening of the line is oriented upward and the line extends in particular vertically upwards (with respect to the direction of gravity).
  • the upwardly settling in the housing fuel, especially hydrogen or hydrogen-containing gas can be particularly suitably sucked and thus the housing can be flushed particularly effective.
  • the device discharges the medium mixture out of the space, in particular the line of this device, above (with respect to the direction of gravity) of the fuel cell in the room.
  • This embodiment also allows the aspect to be taken into account that the fuel settles upwards in the space and thus the upwardly depositing fuel emerging from the fuel cell, for example due to leakages, can be flushed out particularly well.
  • the housing has an opening for supplying the flushing medium, which is formed below (with respect to the direction of gravity) of the fuel cell.
  • the rinsing effect can be favored, as quasi by the inflow from below or at a level below the fuel cell, the fuel can be driven upwards and there accordingly flushed or derived from the housing.
  • the housing has an opening for supplying the flushing medium, which is formed above (with respect to the direction of gravity) of the fuel cell.
  • the opening can advantageously be closed by a closure element, wherein the closure element is in particular electronically controllable.
  • the closure element is in particular electronically controllable.
  • This concentration of the fuel can preferably be determined by means of a device for detecting this concentration, in particular a suitable sensor system.
  • This sensor is preferably arranged in the housing outside of the fuel cell. In particular, this sensor is located from the height level above (with respect to the direction of gravity) of the fuel cell, preferably adjacent to the upper cover of the housing.
  • the device is in particular arranged completely in the housing. As a result, a compact design can be achieved.
  • a bypass line for bypassing this device is formed, which branches off from the exhaust pipe of the cathode chamber.
  • a bypass configuration can be achieved, which makes it possible that the exhaust gas flow is diverted according to the situation and demand.
  • the required for the realization of the fluidic principle proportion of exhaust gas flow can thus be metered very precisely.
  • the entire exhaust gas flow can be conducted via the device and, on the other hand, it can also be made possible that only a partial flow is passed through the device or the entire exhaust gas flow is conducted via the bypass line.
  • the portions of the exhaust gas stream flowing through the device for discharging the medium mixture and via the bypass line are adjustable.
  • these are Components of the exhaust gas flow depending on a concentration of fuel in the space of the housing adjustable.
  • the fuel cell device has an adjusting element which can change the flow cross sections of the exhaust gas line with the device on the one hand and the flow cross sections of the bypass line on the other hand.
  • this adjustment is electronically controlled and the position can be changed accordingly. This can also be done in particular as a function of the concentration of the fuel in the space in which the medium mixture is located.
  • the adjusting element is arranged at the branch between the exhaust pipe and the bypass line.
  • the fuel cell device has a catalyst, through which the medium mixture derived from the space can be conducted.
  • the catalyst is disposed in the conduit extending between the space and the throat of the device for discharging the mixed medium.
  • the catalyst can also be arranged at a different location on the way between the housing and the environment, whereby the medium mixture is passed over this way.
  • a flushing medium for flushing a space of the housing is introduced into the housing outside the fuel cell.
  • a flowing in an exhaust pipe of the cathode space exhaust stream is fluidly through a device so with the Coupled space that the medium contained in the space and having the flushing medium aspirated from the room, in particular is automatically sucked.
  • the device for discharging the mixed medium from the space is released depending on a concentration of fuel in the space for aspirating the medium mixture.
  • this device is not permanently active, but is used and used only in specific required operating phases accordingly.
  • the space of the housing is flushed with the medium mixture with fresh air.
  • the device for deriving the medium mixture in particular a jet pump
  • no "active" but a “passive” component or concept is used, which causes increased reliability.
  • the use of the advantageous jet pump requires only a minimum of additional weight and space compared to a system without ventilation of the housing and a considerable less effort in terms of space and weight compared to a system with auxiliary fan and drive motor.
  • By not having to permanently drive a fan such a jet pump system is more efficient in terms of energy and thus has an increased efficiency over systems known in the art.
  • the resulting by the jet pump larger pressure drop, which occurs due to the required higher pumping power, can be countered that the exhaust air flow or exhaust gas bypasses the jet pump through the bypass line and so the way of a very low pressure drop in the exhaust air path is selected.
  • the adjusting element, in particular a flap, is in this case then set if necessary so that the exhaust gas flow is passed through the jet pump and the medium mixture, in particular the gas mixture, sucks from the housing.
  • Fuel cell device is designed so that the exhaust gas flow generated in the cathode compartment and the exhaust gas flow generated in the anode compartment are passed through the jet pump and advantageously used catalyst element need not necessarily be arranged in the connecting the space with the medium mixture with the device for discharging the medium mixture suction line, but also somewhere else in the region of the exhaust air line in which the exhaust air of the cathode, the purged fuel of the anode and the intercepted leaks are passed together via such a catalyst element.
  • FIG. 1 shows a first embodiment of a BrennstoffZellen setup invention
  • FIG. 2 shows a second embodiment of a fuel cell device according to the invention
  • FIG. 3 shows a third embodiment of a fuel cell device according to the invention
  • 4 shows a fourth exemplary embodiment of a fuel cell device according to the invention
  • 5 shows a fifth embodiment of a fuel cell device according to the invention
  • 6 shows a sixth embodiment of a fuel cell device according to the invention
  • FIG. 7 shows a seventh exemplary embodiment of a fuel cell device according to the invention.
  • a fuel cell device 1 which is designed as a mobile fuel cell system and arranged in a vehicle.
  • Fuel cell device 1 comprises a fuel cell 2, which has a cathode space 3 and an anode space 4.
  • the cathode compartment 3 and the anode compartment 4 are separated from each other by a PEM (proton exchange membrane) 5.
  • the fuel cell 2 is formed in the embodiment as a PEM fuel cell.
  • the fuel cell device 1 comprises a fuel cell stack with preferably a plurality of fuel cells 2. In the exemplary embodiment, for the sake of clarity, only one fuel cell 2 is shown.
  • This fuel cell 2 is arranged in a housing 6, which protects the fuel cell 2 from dirt, external influences and damage.
  • the anode chamber 4 is supplied via an anode branch fuel, in particular hydrogen or a hydrogen-containing gas. This is in one Storage reservoir or container 8 is stored and is supplied via a feed line 9 to the anode compartment 4.
  • the anode exhaust gas can be completely or partially fed back to the anode via a return line and a recirculation device, for example a pump (not shown).
  • An anode exhaust gas generated during operation of the fuel cell 2 in the anode compartment 4 is discharged via an exhaust pipe 10 from the anode compartment 4 and in particular also discharged into the environment.
  • the fuel cell device 1 also comprises a cathode branch with a supply line 11 via which oxidizing agents, in particular oxygen or oxygen-containing gas, such as e.g. Ambient air is conveyed to the cathode compartment 3.
  • oxidizing agents in particular oxygen or oxygen-containing gas, such as e.g. Ambient air
  • an air filter 12 Downstream of the air filter 12, a compressor 13 is arranged, which is driven by a motor 14 and which promotes the oxidant via the supply line 11 to the cathode space 3.
  • the BrennstoffZellen Anlagen 1 and in particular the cathode branch comprises an exhaust pipe 15, via which the cathode exhaust gas generated in the cathode compartment 3 during operation of the fuel cell 2 is derived. This too is derived in the environment.
  • a recirculation device can be provided both on the cathode branch and on the anode branch, by means of which the exhaust gas of the cathode chamber 3 is fed back into the supply line 11 or the anode exhaust gas into the supply line 9.
  • the fuel cell device further comprises a device for discharging the medium formed in the space 7, which comprises the collected fuel and the flushing medium, out of the space 7.
  • the device is designed in the embodiment as a jet pump 16.
  • the jet pump 16 is provided with a sub-element in the exhaust pipe 15 arranged or connected thereto.
  • the jet pump 16 is designed as a passive component. Due to fluidic relationships can be achieved by a suitable design of the jet pump 16 that the medium contained in space 7 can be extracted automatically depending on demand and situation specific.
  • the jet pump 16 is on the one hand connected to the space 7 via a line 17 and on the other hand to the exhaust pipe 15.
  • the effluent from the cathode chamber 3 exhaust gas or the effluent exhaust gas stream flows through the exhaust pipe 15 and thus also through the jet pump 16.
  • the device or jet pump 16 comprises an element 18 which has a constriction 19.
  • the element 18 is designed so that it is formed in an axial direction and thus in its longitudinal direction and in this context also in the longitudinal direction of the exhaust pipe 15 with a varying flow cross-section.
  • the constriction 19 has a flow cross section which is smaller than the flow cross section before and after this constriction 19.
  • the element 18 of the jet pump 16 is thus formed before and after the constriction 19 with a respective expanded flow cross section, whereby a Principle according to a Laval nozzle can be realized.
  • the line 17 opens, see. Entry 20.
  • the conduit 17 branches off from a location of the housing 6 which, with regard to the observation of the height level (y-direction) above (with respect to the direction of gravity) of Fuel cell 2 is located. This is advantageous because the fuel flowing out of the fuel cell 2 rises upwards in the space 7 (positive y-axis). Direction) settles.
  • the line 17 is oriented so that it emerges quasi horizontally from the housing 6 whereby the opening 21 is quasi-side oriented and thus a lateral suction from the space 7 takes place.
  • the jet pump 16 is thus arranged downstream of the fuel cell 2 and connected to the space 7 and to the exhaust pipe 15.
  • fresh air 22 is introduced via an opening 23 in the housing 6 from the outside or from the environment.
  • the opening 23 is formed on an underside or on a bottom of the housing 6 and thus realized with respect to the height level below (with respect to the direction of gravity) of the fuel cell 2.
  • the jet pump 16 is arranged outside the housing 6. Moreover, in the embodiment of the fuel cell device 1 shown in FIG. 1, a permanent flushing of the housing 6 is realized. In addition, the medium mixture formed in space 7 is permanently sucked by the jet pump 16 and permanently.
  • a catalyst 24 is provided, through which the medium mixture extracted from the space 7 is passed.
  • the catalyst 24 in the conduit 17 which connects the space 7 and the housing 6 with the element 18 of the jet pump 16, respectively.
  • the hydrogen contained in the fuel-oxidizer mixture or hydrogen-air mixture reacts, so that no or only a very small proportion of hydrogen can get into the environment.
  • this catalyst 24 may also be arranged at another point of the flow path of the medium mixture.
  • Fig. 3 a further embodiment is shown, which is realized in contrast to the illustration of FIG. 1 to the effect that the jet pump 16 is arranged in the housing 6.
  • the conduit 17 extends vertically upward (with respect to the direction of gravity) so that the opening 21 is oriented upwardly.
  • This opening 21 is thus located in the upper region of the housing 6, ie where potentially hydrogen accumulates. As a result, the hydrogen accumulated there can be sucked off particularly effectively.
  • an additional bypass line 25 is provided.
  • the bypass line 25 branches off at the branch 26 upstream of the jet pump 16 from the exhaust gas line 15.
  • the jet pump 16 can be bypassed.
  • the exhaust gas stream flowing in the exhaust gas line 15 can thus be at least partially directed as needed.
  • an adjusting element which is designed as a flap 27 in the embodiment, is electronically controlled adjustable.
  • the flap 27 is arranged in the embodiment directly to the branch 26 and can be adjusted by a servomotor 28. The adjustment can be done continuously. It is preferably provided that the portions of the exhaust gas flow are derived in accordance with a concentration of the fuel in the space 7 accordingly.
  • the configuration with the bypass line 25 has the advantage that during the predominant operating time of the fuel cell device 1, the effluent from the cathode compartment 3 exhaust gas flow along the path of the lower flow resistance can be performed, which is realized by the discharge via the bypass line 25.
  • This is the more effective process in terms of compressor performance.
  • intermittent actuation of the flap 27, the exhaust gas stream from the cathode side or the cathode chamber 3 can be repeatedly led over the primary exhaust gas line 15a and thus also via the jet pump 16, so that the medium mixture is sucked out of the chamber 7 or drawn in can be.
  • the jet pump 16 and also the bypass 25 and the branch 26 are arranged outside the housing 6.
  • a further embodiment is shown, in which, in contrast to the illustration of FIG. 4, the branch 26 and the jet pump 16 and a part of the bypass line 25 are disposed within the housing 6.
  • a control unit 29 is shown in Fig. 5, which is electronically connected to the servo motor 28 and with a device for detecting the concentration of the fuel in the space 7, in particular the sensor 30, signal or data leading.
  • the flap 27 can be adjusted depending on demand by the activatable by the control and / or regulating unit 29 servomotor 28.
  • a signal is sent to the control unit. and / or control unit 29.
  • This unit 29 processes the signal and then actuates the flap 27 by means of which the path of the exhaust gas stream from the cathode chamber 3 via the jet pump 16 and thus via the exhaust pipe 15a predetermined and thereby the medium mixture from the space 7 of the housing. 6 can be sucked off.
  • the actuation of the flap 27 and thus the path of the exhaust gas flow of the cathode chamber 3 is thus regulated as a function of the hydrogen concentration in the space 7.
  • the control of the flap 27 can also be controlled or regulated by other or further parameters.
  • the air mass flow and the compressor speed of the compressor 13 may be mentioned.
  • the inflow of fresh air 22 takes place here via the attached opening 23 in the bottom of the housing.
  • Fig. 6 another embodiment is shown in which no opening 23 is formed in the bottom of the housing 6, but an opening 31 at a lateral location of the housing 6, which in terms of height level above (with respect to the direction of gravity ) of the fuel cell 2 is arranged.
  • the opening 31 can be closed by means of a closure element 32, wherein the closure element 32 can be controlled by means of the control and / or regulating unit 29.
  • the closure element 32 can be actuated magnetically.
  • a signal or data-conducting connection is realized by means of a signal line, as in the signal or data-conducting connection to the sensor 30 and the servomotor 28.
  • FIG. 7 an embodiment of the fuel cell device 1 is shown, in which, in contrast to the embodiment in Fig. 6, the closure element 32 is shown in the open state.
  • the flap 27 is shown in a state in which the bypass line 25 is completely closed and the exhaust gas flow emerging from the cathode chamber 3 is conducted completely via the exhaust gas line 15a and thus also via the jet pump 16.

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Abstract

Brennstoff Zelleneinrichtung mit zumindest einer Brennstoffzelle (2), welche einen Anodenraum (4) und einen Kathodenraum (3) aufweist und in einem Gehäuse (6) angeordnet ist, bei der ein Spülmedium zum Spülen des Gehäuses (6) in das Gehäuse (6) in einen Raum (7) außerhalb der Brennstoffzelle (2) einleitbar ist. Gemäß der Erfindung ist eine Vorrichtung (16, 17, 18, 19) zum Ableiten des in Raum (7) enthaltenen und das Spülmedium aufweisenden Mediumgemischs vorgesehen, welche mit dem Raum (7) und einer vom Kathodenrapm (3) abführenden Abgasleitung (15, 15a) verbunden ist und welche so ausgebildet ist, dass das Ableiten des Mediumgemischs mit dem in der Abgasleitung (15, 15a) strömenden Abgasstrom strömungstechnisch gekoppelt ist. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Brennstoff Zelleneinrichtung.

Description

BrennstoffZeileneinrichtung und Verfahren zum Betreiben einer BrennstoffZelleneinrichtung
Die Erfindung betrifft eine BrennstoffZelleneinrichtung mit zumindest einer Brennstoffzelle, welche einen Anodenraum und einen Kathodenraum aufweist und in einem Gehäuse angeordnet ist. Ein Spülmedium zum Spülen des Gehäuses ist in das Gehäuse außerhalb der Brennstoffzelle einleitbar. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer BrennstoffZelleneinrichtung, bei dem ein Spülmedium zum Spülen des Gehäuses, in dem eine Brennstoffzelle angeordnet ist, in das Gehäuse außerhalb der Brennstoffzelle eingeleitet wird.
Eine derartige BrennstoffZelleneinrichtung und ein derartiges Verfahren ist aus der WO 2005/099017 A2 bekannt. Dort wird als Spülmedium Umgebungsluft von außen zugeführt.
Bei BrennstoffZeilensystemen ist es üblich, die Brennstoffzelle bzw. einen Brennstoffzellenstapel mit mehreren Brennstoffzellen in einem Gehäuse unterzubringen. Dieses Gehäuse dient zum einen dazu, den
Brennstoffzellenstapel vor äußeren Einflüssen wie Schmutz, Staub, Wasser etc. zu schützen, zum anderen dient es dazu, etwaige Undichtigkeiten des Brennstoffzellenstapels, insbesondere der Anode, und die damit verbundenen Wasserstoffemissionen aufzufangen und gezielt an einen bestimmten Ort zu leiten. Problematisch dabei ist allerdings, dass es durch die Undichtigkeit des Brennstoffzellenstapels innerhalb des Gehäuses zu Gasgemischen kommen kann, die aufgrund ihrer Zusammensetzung ein brennbares oder explosives Gasgemisch bilden. Dies soll im Stand der Technik dadurch vermieden werden, dass das Gehäuse permanent mit Frischluft durchströmt wird, welche mittels eines Gebläses oder Ventilators aus der Umgebung in das Gehäuse gefördert wird. Dabei dient das Gebläse der BrennstoffZelleneinrichtung gemäß WO 2005/099017 A2 auch der Luftversorgung der Kathode. Neben der Zuströmleitung ist am Gehäuse eine Abströmleitung angeordnet, die beispielsweise in einem Abluft- bzw. Abgaskanal mündet. Durch das permanente Durchströmen des Gehäuses mit Frischluft soll gewährleistet werden, dass sich kein unerwünschtes Wasserstoff-Luftgemisch im Gehäuse bildet. Ein Problem hierbei ist, dass extra ein separates Gebläse vorgesehen sein muss, um die Durchströmung realisieren zu können. Dieses Gebläse muss entsprechend mit einem Motor angetrieben werden, was sich negativ auf den Gesamtwirkungsgrad des Systems auswirkt. Es leistet jedoch keinerlei Beitrag zur Energieumwandlung. Das Gebläse hat üblicher Weise eine eingeschränkte Leistungsfähigkeit und kann somit nur einen bestimmten, relativ kleinen Luftstrom fördern, wodurch ein permanenter Betrieb erforderlich wird.
Des Weiteren kann innerhalb des Gehäuses ein Sensor angeordnet sein, welcher die Wasserstoffkonzentration im Gehäuse misst. Ist diese Konzentration oberhalb eines bestimmten Grenzwerts, erfolgt die Abschaltung des gesamten Brennstoffzellensystems, da das Gebläse gegebenenfalls nicht mehr oder nicht ausreichend fördern kann, um die Wasserstoffkonzentration im Gehäuse entsprechend senken zu können. Eine Spülung mit Umgebungsluft ist außerdem u.a. deshalb nachteilig, weil sie ca. 21 % Sauerstoff enthält, der letztendlich eine Komponente des Gasgemisches darstellt, das bei entsprechender Wasserstoff-Konzentration potentiell explosionsfähig sein kann. Des Weiteren kann bei einem permanenten Betrieb des Gebläses die Geräuschentwicklung des Gebläses als störend empfunden werden. In diesem Zusammenhang sind auch Brennstoffzellensysteme bekannt, bei denen beispielsweise hinter einer Luftfiltereinheit in der Ansaugstrecke des Kompressors für den Kathodenraum des Brennstoffzellensystems eine Leitung abzweigt, welche in das Gehäuse mündet. In dieser Leitung ist ebenfalls ein Gebläse angeordnet, welches die abgezweigte Luft in das Gehäuse fördert. Das dann aus dem Gehäuse wieder abgeleitete Medium wird vor dem Kompressor in die Ansaugstrecke für den Kathodenraum eingeleitet. Das Gasgemisch des Gehäuses wird somit dem Kompressor zugeführt, welcher das Gasgemisch ansaugt und dem Kathodenraum der Brennstoffzelle zuführt. Der eventuell sehr geringe Anteil an Wasserstoff, der aus dem Gehäuse mit ausgefördert wird, wird dann nochmals durch die Ansaugluft des Kompressors aus der Umgebung verdünnt. Der Gasstrom wird dann verdichtet und der Kathode zugeführt, wo dann der sehr geringe Anteil an Wasserstoff chemisch abreagiert. Damit soll gewährleistet werden, dass keinerlei Wasserstoffemissionen nach außen bzw. in die Umgebung gelangen. Für das Gebläse in dieser abzweigenden Leitung gilt das bereits oben Gesagte, wobei auch hier das Gebläse permanent an einem stationären Punkt betrieben wird und das Gehäuse permanent durchspült wird.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine BrennstoffZelleneinrichtung und ein Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzelleneinrichtung zu schaffen, bei der bzw. dem ein effizientes Spülen des Gehäuses außerhalb der Brennstoffzelle ohne eine störende Geräuschbeeinträchtigung, wie sie durch ein eigens dafür vorgesehenes Gebläse auftritt, gewährleistet werden kann, und bei der bzw. dem darüber hinaus durch das Spülen kein unerwünschtes Brennstoff- Oxidationsmittel-Gemisch erzeugt wird.
Diese Aufgabe wird durch eine BrennstoffZeileneinrichtung, welche die Merkmale nach Anspruch 1 aufweist, und ein Verfahren, welches die Merkmale nach Anspruch 22 aufweist, gelöst.
Eine erfindungsgemäße BrennstoffZelleneinrichtung umfasst zumindest eine Brennstoffzelle, welche einen Anodenraum und einen Kathodenraum aufweist und in einem Gehäuse angeordnet ist. Ein Spülmedium zum Spülen des Gehäuses ist in das Gehäuse in einen Raum außerhalb der Brennstoffzelle einleitbar. Die BrennstoffZelleneinrichtung umfasst eine Vorrichtung zum Ableiten des in dem Raum enthaltenen und das Spülmedium aufweisenden Mediumgemischs, wobei die Vorrichtung mit dem Innenraum des Gehäuses und einer vom Kathodenraum abführenden Abgasleitung verbunden ist. Darüber hinaus ist die Vorrichtung so ausgebildet, dass beim Ableiten des Mediumgemischs aus dem Raum des Gehäuses der Raum und somit auch das Mediumgemisch mit dem in der Abgasleitung strömenden Abgasstrom strömungstechnisch gekoppelt ist. Durch die Vorrichtung kann somit eine Komponente bereitgestellt werden, mittels welcher das Spülen einfacher und ohne eine quasi aktiv arbeitende Komponente, wie es beispielsweise ein Gebläse ist, erfolgen kann und darüber hinaus auch erreicht werden kann, dass ungewünschte Mediumgemische, insbesondere unerwünschte Wasserstoff-Luft-Gemische, in dem Raum erzeugt werden.
Die Vorrichtung ist somit quasi eine passiv arbeitende Einheit, wodurch gegenüber aktiv arbeitenden Einheiten eine höhere Zuverlässigkeit erreicht werden kann. Die Vorrichtung ist somit so konzipiert, dass sie strömungstechnische Zusammenhänge nutzt, um das Ableiten bzw. das Absaugen des im Raum enthaltenen Mediumgemischs zu ermöglichen. Eine aktive Komponente, beispielsweise ein Gebläse, kann daher zum Ableiten dieses Mediumgemischs aus dem Gehäuse vollständig entfallen.
Vorzugsweise ist das Spülmedium aus der Umgebung eingeleitete Frischluft. Vorzugsweise ist die Vorrichtung so ausgebildet, dass der Abgasstrom ein Treibstrahl ist, durch dessen Strömen das Mediumgemisch automatisch aus dem Raum absaugbar ist.
Insbesondere ist die Vorrichtung als Pumpe, bevorzugt als Strahlpumpe, ausgebildet. Diese ist besonders einfach ausgelegt und konzeptionell äußerst zuverlässig. Eine derartige Strahlpumpe ermöglicht die besonders effektive Umsetzung der strömungstechnischen Zusammenhänge im Hinblick auf das automatische Absaugen des Mediumgemischs aus dem Raum in Verbindung mit dem strömenden Abgasstrom.
Vorzugsweise weist die Vorrichtung, insbesondere die Strahlpumpe, eine Engstelle mit einem in Vergleich zum Strömungsquerschnitt vor und nach der Engstelle reduzierten Strömungsquerschnitt auf. Die Vorrichtung ist somit im Hinblick auf ihre Engstelle so konzipiert,- dass sich der Strömungsquerschnitt vor der Engstelle und auch nach der Engstelle jeweils aufweitet. Strömungstechnisch kann dies auch einen Düseneffekt, beispielsweise wie bei einer Laval- Düse, gewährleisten. Durch das Hindurchströmen des Abgasstroms durch diese Engstelle kann die strömungstechnische Kopplung zum Absaugen des Mediumgemischs aus dem Raum durch Verbindung dieser Engstelle mit dem Raum besonders geeignet erfolgen.
Insbesondere ist in diesem Zusammenhang vorgesehen, dass die Vorrichtung eine in den Raum mündende Leitung aufweist, welche von dieser Engstelle abzweigt.
Insbesondere ist die in den Raum mündende Öffnung der Leitung zur Seite hin orientiert. In diesem Zusammenhang kann die Leitung quasi seitlich, insbesondere waagrecht, in den Raum einmünden. Es kann auch vorgesehen sein, dass die in den Raum mündende Öffnung der Leitung nach oben hin orientiert ist und die Leitung sich insbesondere senkrecht nach oben (in Bezug auf die Richtung der Schwerkraft) erstreckt. Gerade durch die zweite Lösung kann ermöglicht werden, dass sich der im Gehäuse nach oben hin absetzende Brennstoff, insbesondere Wasserstoff oder wasserstoffhaltiges Gas, besonders geeignet abgesaugt werden kann und somit das Gehäuse besonders effektiv gespült werden kann.
Vorzugsweise mündet die Vorrichtung zum Ableiten des Mediumgemischs aus dem Raum, insbesondere die Leitung dieser Vorrichtung, oberhalb (in Bezug auf die Richtung der Schwerkraft) der Brennstoffzelle in den Raum. Auch durch diese Ausgestaltung kann dem Aspekt Rechnung getragen werden, dass sich der Brennstoff in dem Raum nach oben hin absetzt und somit der aus der Brennstoffzelle beispielsweise aufgrund von Leckagen austretende sich nach oben absetzende Brennstoff besonders gut ausgespült werden kann. Vorzugsweise weist das Gehäuse eine Öffnung zum Zuleiten des Spülmediums auf, welche unterhalb (in Bezug auf die Richtung der Schwerkraft) der Brennstoffzelle ausgebildet ist. Auch durch diese Ausgestaltung kann der Spüleffekt begünstigt werden, da quasi durch das Einströmen von unten oder auf einem Niveau unterhalb der Brennstoffzelle der Brennstoff zusätzlich nach oben getrieben werden kann und dort entsprechend aus dem Gehäuse gespült bzw. abgeleitet werden kann. Es kann auch vorgesehen sein, dass das Gehäuse eine Öffnung zum Zuleiten des Spülmediums aufweist, welche oberhalb (in Bezug auf die Richtung der Schwerkraft) der Brennstoffzelle ausgebildet ist .
Die Öffnung kann vorteilhafterweise durch ein Verschlusselement verschließbar sein, wobei das Verschlusselement insbesondere elektronisch steuerbar ist. Durch diese Ausgestaltung kann erreicht werden, dass die Öffnung nicht permanent offen ist, sondern bedarfsabhängig geöffnet und geschlossen werden kann. Insbesondere ist vorgesehen, dass die verschließende oder öffnende Stellung des Verschlusselements abhängig von der Konzentration des Brennstoffs in dem Raum des Gehäuses außerhalb der Brennstoffzelle erfolgt.
Vorzugsweise kann diese Konzentration des Brennstoffs mittels einer Vorrichtung zur Erfassung dieser Konzentration, insbesondere einer geeigneten Sensorik, bestimmt werden. Diese Sensorik ist vorzugsweise im Gehäuse außerhalb der Brennstoffzelle angeordnet. Insbesondere ist diese Sensorik vom Höhenniveau her oberhalb (in Bezug auf die Richtung der Schwerkraft) der Brennstoffzelle, vorzugsweise benachbart zur oberen Abdeckung des Gehäuses angeordnet.
Die Vorrichtung ist insbesondere vollständig in dem Gehäuse angeordnet. Dadurch kann eine kompakte Ausgestaltung erzielt werden.
Insbesondere ist stromauf der Vorrichtung zum Ableiten des Mediumgemischs aus dem Gehäuse eine Umgehungsleitung zum Umgehen dieser Vorrichtung ausgebildet, welche von der Abgasleitung des Kathodenraums abzweigt. Dadurch kann eine Bypass-Ausgestaltung erreicht werden, welche es ermöglicht, dass situations- und bedarfsabhängig der Abgasstrom entsprechend umgeleitet wird. Der für die Realisierung des strömungstechnischen Prinzips erforderliche Anteil eines Abgasstroms kann somit sehr präzise dosiert werden. So kann betriebsphasenabhängig der gesamte Abgasstrom über die Vorrichtung geleitet werden und es kann andererseits auch ermöglicht werden, dass lediglich ein Teilstrom über die Vorrichtung geleitet wird oder der gesamte Abgasstrom über die Umgehungsleitung geleitet wird.
Insbesondere sind die über die Vorrichtung zum Ableiten des Mediumgemischs und über die Umgehungsleitung strömenden Anteile des Abgasstroms einstellbar. Vorzugsweise sind diese Anteile des Abgasstroms abhängig von einer Konzentration an Brennstoff in dem Raum des Gehäuses einstellbar. Besonders bevorzugt ist in diesem Zusammenhang vorgesehen, dass die BrennstoffZeileneinrichtung ein Einstellelement aufweist, welches die Strömungsquerschnitte der Abgasleitung mit der Vorrichtung einerseits und die Strömungsquerschnitte der Umgehungsleitung andererseits ändern kann. Vorzugsweise ist diese Einstellelement elektronisch steuerbar und die Position entsprechend veränderbar. Auch dies kann insbesondere in Abhängigkeit der Konzentration des Brennstoffs in dem Raum, in dem sich das Mediumgemisch befindet, erfolgen. Insbesondere ist das Einstellelement an der Abzweigung zwischen der Abgasleitung und der Umgehungsleitung angeordnet .
Vorzugsweise weist die BrennstoffZelleneinrichtung einen Katalysator auf, durch welchen das aus dem Raum abgeleitete Mediumgemisch leitbar ist. Durch diesen Katalysator kann dann in bevorzugter Weise die Abreicherung des in dem Mediumgemisch enthaltenen Brennstoffs ermöglicht und somit das Ausleiten eines Mediumgemischs mit unerwünscht hohem Anteil an Brennstoff verhindert werden. Vorzugsweise ist der Katalysator in der sich zwischen dem Raum und der Engstelle der Vorrichtung zum Ableiten des Mediumgemischs erstreckenden Leitung angeordnet. Selbstverständlich kann der Katalysator auch an einer anderen Stelle auf dem Weg zwischen dem Gehäuse und der Umgebung angeordnet sein, wobei über diesen Weg das Mediumgemisch geleitet wird.
Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben einer BrennstoffZelleneinrichtung mit zumindest einer Brennstoffzelle, welche einen Anodenraum und einen Kathodenraum aufweist und in einem Gehäuse angeordnet ist, wird ein Spülmedium zum Spülen eines Raums des Gehäuses in das Gehäuse außerhalb der Brennstoffzelle eingeleitet. Ein in einer Abgasleitung des Kathodenraums strömender Abgasstrom wird strömungstechnisch durch eine Vorrichtung so mit dem Raum gekoppelt, dass das im Raum enthaltene und das Spülmedium aufweisende Mediumgemisch aus dem Raum abgesaugt, insbesondere automatisch abgesaugt wird. Durch diese Vorgehensweise ist es nicht mehr erforderlich, ein aktives Element, beispielsweise ein Gebläse, vorzusehen, um diese Spülung und das Ableiten des Mediumgemischs erreichen zu können. Die erfindungsgemäße Vorgehensweise ermöglicht aufgrund strömungstechnischer Prinzipien die Realisierung einer passiven Vorgehensweise, wodurch Bauteilkomponenten eingespart werden können und der Wirkungsgrad der Brennstoffzelleneinrichtung durch derartig aktive Komponenten nicht verschlechtert wird.
Vorzugsweise wird die Vorrichtung zum Ableiten des Mediumgemischs aus dem Raum abhängig von einer Konzentration an Brennstoff in dem Raum zum Absaugen des Mediumgemischs freigegeben. Dadurch kann ermöglicht werden, dass diese Vorrichtung nicht permanent aktiv ist, sondern lediglich in spezifischen erforderlichen Betriebsphasen entsprechend genutzt und verwendet wird.
Insbesondere wird der Raum des Gehäuses mit dem Mediumgemisch mit Frischluft gespült.
Vorteilhafte Ausführungen der erfindungsgemäßen Brennstoffzelleneinrichtung und insbesondere die Funktionsweise und die Zusammenhänge der gegenständlichen Merkmale sind auch als vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens anzusehen.
Gemäß der Erfindung wird somit durch die Vorrichtung zum Ableiten des Mediumgemischs, insbesondere einer Strahlpumpe, kein „aktives", sondern ein „passives" Bauteil bzw. Konzept verwendet, was eine erhöhte Zuverlässigkeit bewirkt. Der Einsatz der vorteilhaften Strahlpumpe erfordert nur einen minimalen Mehraufwand an Gewicht und Bauraum gegenüber einem System ohne Belüftung des Gehäuses und einen erheblich geringeren Aufwand an Bauraum und Gewicht gegenüber einem System mit Zusatzgebläse und Antriebsmotor. Dadurch, dass nicht permanent ein Gebläse angetrieben werden muss, ist ein solches System mit Strahlpumpe energetisch betrachtet effizienter und weist somit einen erhöhten Wirkungsgrad gegenüber Systemen auf, die aus dem Stand der Technik bekannt sind. Dem sich durch die Strahlpumpe ergebenden größeren Druckabfall, der aufgrund der erforderlichen höheren Pumpleistung auftritt, kann damit begegnet werden, dass der Abluftstrom bzw. Abgasstrom die Strahlpumpe durch die Umgehungsleitung hindurch umgeht und so der Weg eines sehr geringen Druckabfalls in der Abluftstrecke gewählt wird. Das Einstellelement, insbesondere eine Klappe, wird hierbei dann bei Bedarf so gestellt, dass der Abgasstrom über die Strahlpumpe geführt wird und das Mediumgemisch, insbesondere das Gasgemisch, aus dem Gehäuse ansaugt. Da dies vorzugsweise immer dann erfolgt, wenn eine bestimmte Konzentration des Brennstoffs, insbesondere des Wasserstoffs,- in dem Raum des Gehäuses mit dem Mediumgemisch festgestellt wird und die übrige Zeit der Abluftstrom über die Bypass-Leitung bzw. Umgehungsleitung geführt wird, was einen geringeren Druckabfall und eine geringere Pumparbeit des Verdichters ermöglicht, ist diese Möglichkeit höchst effizient, da der kurzzeitige energetische Aufwand sehr gering ist. Des Weiteren ergibt sich durch die vorzugsweise im Abgasstrom angeordnete Klappe auch die Möglichkeit, zumindest teilweise das Druckniveau im Brennstoffzellenstapel anzuheben, was zwar insgesamt ineffizienter sein kann, dafür aber die Möglichkeit bietet, durch den erhöhten Druck im Kathodenraum die Leistung bzw. die Leistungsdichte der Brennstoffzelle zu erhöhen. Dies ist insbesondere bei Verwendung der
BrennstoffZelleneinrichtung in Höhenlagen mit niedrigeren Drücken der Fall. Dies bedeutet auch, dass selbst bei Verwendung der Strahlpumpe ohne die Bypassleitung Effizienzverluste nur relativ gering sind, da der erhöhte Aufwand an Pumpleistung bei einem höheren Druckabfall, also wenn der Abgasstrom über die Strahlpumpe geführt wird, durch den erhöhten Druck im Kathodenraum und den damit höheren Wirkungsgrad des Brennstoffzellenstapels zumindest zum Teil ausgeglichen werden kann.
Es kann auch vorgesehen sein, dass die
BrennstoffZeileneinrichtung so ausgestaltet ist, dass der im Kathodenraum erzeugte Abgasstrom und der im Anodenraum erzeugte Abgasstrom über die Strahlpumpe geleitet werden und das vorteilhaft eingesetzte Katalysatorelement nicht zwingend in der den Raum mit dem Mediumgemisch mit der Vorrichtung zum Ableiten des Mediumgemischs verbindenden Saugleitung angeordnet sein muss, sondern auch irgendwo sonst im Bereich des Abluftstrangs, in dem die Abluft der Kathode, der gespülte Brennstoff der Anode und die aufgefangenen Leckagen gemeinsam über ein solches Katalysatorelement geleitet werden.
Es kann eine Sicherheitsphilosophie auch dahingehend vorgesehen sein, dass das Einstellelement in der Abgasleitung des Kathodenraums stromlos so gestellt ist, dass der Abgasstrom des Kathodenraums in diesem Zustand immer über die Vorrichtung zum Ableiten des Mediumgemischs aus dem Raum strömt und somit das Mediumgemisch aus dem Gehäuse ansaugt. Dies würde sicherstellen, dass bei einem Defekt des Aktuators zum Einstellen des Einstellelements, insbesondere der Klappe, trotzdem eine Absaugung des Mediengemischs aus dem Gehäuse gewährleistet ist.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen BrennstoffZelleneinrichtung;
Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen BrennstoffZelleneinrichtung;
Fig. 3 ein drittes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen BrennstoffZelleneinrichtung; Fig. 4 ein viertes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen BrennstoffZelleneinrichtung; Fig. 5 ein fünftes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Brennstoffzelleneinrichtung; Fig. 6 ein sechstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen BrennstoffZelleneinrichtung; und Fig. 7 ein siebtes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen BrennstoffZelleneinrichtung.
In den Figuren werden gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
In Fig. 1 ist eine BrennstoffZelleneinrichtung 1 gezeigt, welche als mobiles Brennstoffzellensystem ausgebildet und in einem Fahrzeug angeordnet ist. Die
BrennstoffZelleneinrichtung 1 umfasst eine Brennstoffzelle 2, welche einen Kathodenraum 3 und einen Anodenraum 4 aufweist. Der Kathodenraum 3 und der Anodenraum 4 sind durch eine PEM (proton exchange membrane) 5 voneinander separiert. Die Brennstoffzelle 2 ist im Ausführungsbeispiel als PEM- Brennstoffzelle ausgebildet. Die BrennstoffZelleneinrichtung 1 umfasst einen Brennstoffzellenstapel mit vorzugsweise einer Mehrzahl an Brennstoffzellen 2. Im Ausführungsbeispiel ist der Übersichtlichkeit halber lediglich eine Brennstoffzelle 2 gezeigt .
Diese Brennstoffzelle 2 ist in einem Gehäuse 6 angeordnet, welches die Brennstoffzelle 2 vor Schmutz, äußeren Einflüssen und Beschädigungen schützt.
In einem inneren Raum 7 des Gehäuses 6 außerhalb der Brennstoffzelle 2 kann sich im Betrieb der Brennstoffzelle 2 aufgrund von Leckagen der Brennstoffzelle 2 oder anderweitiger Prozesse Brennstoff ansammeln, welcher aus dem Raum 7 ausgespült werden soll. Dem Anodenraum 4 wird über einen Anodenzweig Brennstoff, insbesondere Wasserstoff oder ein wasserstoffhaltiges Gas, zugeführt. Dieses ist in einem Vorratsspeicher bzw. -behälter 8 gespeichert und wird über eine Zuführleitung 9 dem Anodenraum 4 zugeführt. Das Anodenabgas kann über eine Rückleitung und eine Rezirkulationseinrichtung, z.B. eine Pumpe, ganz oder teilweise wieder der Anode zugeführt werden (nicht dargestellt) . Ein im Betrieb der Brennstoffzelle 2 im Anodenraum 4 erzeugtes Anodenabgas wird über eine Abgasleitung 10 vom Anodenraum 4 abgeleitet und insbesondere auch in die Umgebung abgeführt.
Darüber hinaus umfasst die BrennstoffZelleneinrichtung 1 auch einen Kathodenzweig mit einer Zuführleitung 11, über welche Oxidationsmittel, insbesondere Sauerstoff oder sauerstoffhaltiges Gas wie z.B. Umgebungsluft, zum Kathodenraum 3 gefördert wird. In dem Kathodenzweig und mit der Zuführleitung 11 verbunden bzw. darin angeordnet ist ein Luftfilter 12. Stromab des Luftfilters 12 ist ein Kompressor 13 angeordnet, welcher über einen Motor 14 angetrieben wird und welcher das Oxidationsmittel über die Zuführleitung 11 zum Kathodenraum 3 fördert.
Darüber hinaus umfasst die BrennstoffZelleneinrichtung 1 und insbesondere der Kathodenzweig eine Abgasleitung 15, über welche das im Kathodenraum 3 im Betrieb der Brennstoffzelle 2 erzeugte Kathodenabgas abgeleitet wird. Auch dieses wird in die Umgebung abgeleitet. Selbstverständlich kann sowohl auf dem Kathodenzweig als auch auf dem Anodenzweig eine Rezirkulationseinrichtung vorgesehen sein, mittels welcher das Abgas des Kathodenraums 3 in die Zuführleitung 11 bzw. das Anodenabgas in die Zuführleitung 9 zurückgeführt wird.
Die BrennstoffZeileneinrichtung umfasst des Weiteren eine Vorrichtung zum Ableiten des in dem Raum 7 gebildeten Mediums, welches den gesammelten Brennstoff und das Spülmedium umfasst, aus dem Raum 7 heraus. Die Vorrichtung ist im Ausführungsbeispiel als Strahlpumpe 16 konzipiert. Die Strahlpumpe 16 ist mit einem Teilelement in der Abgasleitung 15 angeordnet bzw. mit dieser verbunden. Die Strahlpumpe 16 ist als passives Bauteil ausgebildet. Aufgrund strömungstechnischer Zusammenhänge kann durch eine geeignete Ausgestaltung der Strahlpumpe 16 erreicht werden, dass das in Raum 7 enthaltene Mediumgemisch bedarfsabhängig und situationsspezifisch automatisch abgesaugt werden kann. Die Strahlpumpe 16 ist dazu einerseits mit dem Raum 7 über eine Leitung 17 und andererseits mit der Abgasleitung 15 verbunden. Das aus dem Kathodenraum 3 ausströmende Abgas bzw. der daraus ausströmende Abgasstrom strömt durch die Abgasleitung 15 und somit auch durch die Strahlpumpe 16. Durch diesen strömenden Abgasstrom und die Verbindung der Strahlpumpe 16 mit dem Raum 7 kann aufgrund strömungstechnischer Zusammenhänge das Absaugen des Mediumgemischs aus Raum 7 ermöglicht werden. Dies erfolgt besonders vorteilhaft dadurch, dass die Vorrichtung bzw. Strahlpumpe 16 ein Element 18 umfasst, welches eine Engstelle 19 aufweist. Das Element 18 ist so ausgebildet,- dass es in einer axialen Richtung und somit in seiner Längsrichtung und in diesem Zusammenhang auch in Längsrichtung der Abgasleitung 15 mit einem variierenden Strömungsquerschnitt ausgebildet ist. In diesem Zusammenhang ist vorgesehen, dass die Engstelle 19 einen Strömungsquerschnitt aufweist, welcher kleiner ist als der Strömungsquerschnitt vor und nach dieser Engstelle 19. Das Element 18 der Strahlpumpe 16 ist somit vor und nach der Engstelle 19 mit einem jeweils aufgeweiteten Strömungsquerschnitt ausgebildet, wodurch ein Prinzip gemäß einer Laval-Düse realisiert werden kann.
An dieser Engstelle 19 mündet die Leitung 17 ein, vgl. Einmündung 20. Wie in der Darstellung in Fig. 1 gezeigt ist, zweigt die Leitung 17 von einer Stelle des Gehäuses 6 ab, welche im Hinblick auf die Betrachtung des Höhenniveaus (y- Richtung) oberhalb (in Bezug auf die Richtung der Schwerkraft) der Brennstoffzelle 2 liegt. Dies ist vorteilhaft, da sich der aus der Brennstoffzelle 2 ausströmende Brennstoff in dem Raum 7 nach oben (positive y- Richtung) absetzt. Bei der gezeigten Ausführung ist die Leitung 17 so orientiert, dass sie quasi waagrecht aus dem Gehäuse 6 austritt wodurch die Öffnung 21 quasi seitlich orientiert ist und somit ein seitliches Absaugen aus dem Raum 7 erfolgt. Die Strahlpumpe 16 ist somit stromab der Brennstoffzelle 2 angeordnet und mit dem Raum 7 sowie mit der Abgasleitung 15 verbunden.
Zum Spülen des Raums 7 wird von außen bzw. aus der Umgebung Frischluft 22 über eine Öffnung 23 in das Gehäuse 6 eingeleitet. Die Öffnung 23 ist gemäß der Ausführung in Fig. 1 an einer Unterseite bzw. an einem Boden des Gehäuses 6 ausgebildet und somit im Hinblick auf das Höhenniveau unterhalb (in Bezug auf die Richtung der Schwerkraft) der Brennstoffzelle 2 realisiert.
Der aus dem Kathodenraum 3 ausströmende Abgasstrom, welcher in der Abgasleitung 15 strömt, fungiert in der Strahlpumpe 16 als Treibstrahl, wodurch aufgrund der strömungstechnischen Kopplung das Absaugen des Mediumgemischs, welches die Frischluft 22 und den im Raum 7 angesammelten Brennstoff aufweist, automatisch und passiv erfolgt.
Gemäß der Darstellung Fig. 1 ist zu erkennen, dass die Strahlpumpe 16 außerhalb des Gehäuses 6 angeordnet ist. Darüber hinaus ist bei dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel der BrennstoffZelleneinrichtung 1 eine permanente Spülung des Gehäuses 6 realisiert. Darüber hinaus wird auch permanent das in Raum 7 gebildete Mediumgemisch durch die Strahlpumpe 16 abgesaugt.
Im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 ist im Unterschied zur Darstellung gemäß Fig. 1 ein Katalysator 24 vorgesehen, durch welchen das aus dem Raum 7 abgesaugte Mediumgemisch hindurch geleitet wird. In der gezeigten Fig. 2 ist der Katalysator 24 in der Leitung 17, welche den Raum 7 bzw. das Gehäuse 6 mit dem Element 18 der Strahlpumpe 16 verbindet, angeordnet. In dem Katalysator 24 reagiert der im Brennstoff- Oxidationsmittel-Gemisch bzw. Wasserstoff-Luft-Gemisch enthaltene Wasserstoff ab, so dass kein oder nur ein sehr geringer Anteil an Wasserstoff in die Umgebung gelangen kann.
Selbstverständlich kann dieser Katalysator 24 auch an einer anderen Stelle des Strömungswegs des Mediumgemischs angeordnet sein.
In Fig. 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel gezeigt, welches im Unterschied zur Darstellung gemäß Fig. 1 dahingehend realisiert ist, dass die Strahlpumpe 16 in dem Gehäuse 6 angeordnet ist. Darüber hinaus erstreckt sich die Leitung 17 in vertikaler Richtung nach oben (in Bezug auf die Richtung der Schwerkraft) , so dass die Öffnung 21 nach oben hin orientiert ist. Diese Öffnung 21 befindet sich somit im oberen Bereich des Gehäuses 6, also dort wo sich potentiell Wasserstoff ansammelt. Dadurch kann der dort angesammelte Wasserstoff besonders effektiv abgesaugt werden.
In Fig. 4 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel gezeigt, bei dem im Unterschied zur Ausgestaltung gemäß Fig. 2 eine zusätzliche Umgehungsleitung 25 vorgesehen ist. Die Umgehungsleitung 25 zweigt an der Abzweigung 26 stromauf der Strahlpumpe 16 von der Abgasleitung 15 ab. Durch diese Umgehungsleitung 25 kann die Strahlpumpe 16 umgangen werden. Über die Umgehungsleitung 25 kann somit der in der Abgasleitung 15 strömende Abgasstrom bedarfsabhängig zumindest teilweise geleitet werden. Dazu ist vorgesehen, dass ein Einstellelement, welches im Ausführungsbeispiel als Klappe 27 ausgebildet ist, elektronisch gesteuert verstellbar ist. Die Klappe 27 ist im Ausführungsbeispiel direkt an der Abzweigung 26 angeordnet und kann über einen Stellmotor 28 verstellt werden. Die Verstellung kann dabei kontinuierlich erfolgen. Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Anteile des Abgasstroms abhängig von einer Konzentration des Brennstoffs im Raum 7 entsprechend abgeleitet werden.
Darüber hinaus hat die Ausgestaltung mit der Umgehungsleitung 25 den Vorteil, dass während der überwiegenden Betriebszeit der Brennstoffzelleneinrichtung 1 der aus dem Kathodenraum 3 ausströmende Abgasstrom entlang des Weges des geringeren Strömungswiderstands geführt werden kann, welcher durch die Abführung über die Umgehungsleitung 25 realisiert ist. Dies ist bezüglich der Verdichterleistung der etwas effektivere Prozess. Über ein beispielsweise intermittierendes Betätigen der Klappe 27 kann der Abgasstrom aus der Kathodenseite bzw. dem Kathodenraum 3 kurzzeitig immer wieder über die primäre Abgasleitung 15a und somit auch über die Strahlpumpe 16 geführt werden, so dass damit das Mediumgemisch aus dem Raum 7 abgesaugt bzw. angesaugt werden kann. Bei der Ausgestaltung gemäß Fig. 4 ist die Strahlpumpe 16 und auch die Umgehungsleitung 25 und die Abzweigung 26 außerhalb des Gehäuses 6 angeordnet.
In Fig. 5 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel gezeigt, bei dem im Unterschied zur Darstellung gemäß Fig. 4 die Abzweigung 26 und die Strahlpumpe 16 und ein Teil der Umgehungsleitung 25 innerhalb des Gehäuses 6 angeordnet sind. Darüber hinaus ist in Fig. 5 eine Steuereinheit 29 gezeigt, welche elektronisch mit dem Stellmotor 28 und mit einer Vorrichtung zur Erfassung der Konzentration des Brennstoffs in dem Raum 7, insbesondere dem Sensor 30, signal- bzw. datenleitend verbunden ist. Abhängig von der mittels des Sensors 30 erfassten Konzentration des Brennstoffs kann die Klappe 27 bedarfsabhängig durch den durch die Steuer- und/oder Regeleinheit 29 aktivierbaren Stellmotor 28 eingestellt werden.
Bei Detektion eines bestimmten, festgelegten Grenzwerts der Konzentration an Brennstoff erfolgt ein Signal an die Steuer- und/oder Regeleinheit 29. Diese Einheit 29 verarbeitet das Signal und betätigt dann die Klappe 27 mittels welcher der Weg des Abgasstroms aus dem Kathodenraum 3 über die Strahlpumpe 16 und somit über die Abgasleitung 15a vorgegeben und dadurch das Mediumgemisch aus dem Raum 7 des Gehäuses 6 abgesaugt werden kann. Die Betätigung der Klappe 27 und damit der Weg des Abgasstroms des Kathodenraums 3 wird somit in Abhängigkeit der Wasserstoffkonzentration im Raum 7 geregelt. Des Weiteren kann die Steuerung der Klappe 27 auch von anderen oder weiteren Parametern gesteuert bzw. geregelt werden. In diesem Zusammenhang sei als Parameter beispielsweise der Luftmassenstrom und die Kompressordrehzahl des Kompressors 13 genannt. Die Zuströmung von Frischluft 22 erfolgt hierbei über die im Boden des Gehäuses 6 angebrachte Öffnung 23.
In Fig. 6 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel gezeigt, bei dem keine Öffnung 23 im Boden des Gehäuses 6 ausgebildet ist, sondern eine Öffnung 31 an einer seitlichen Stelle des Gehäuses 6, welche im Hinblick auf das Höhenniveau oberhalb (in Bezug auf die Richtung der Schwerkraft) der Brennstoffzelle 2 angeordnet ist. Bei dieser Ausgestaltung ist die Öffnung 31 mittels eines Verschlusselements 32 verschließbar, wobei das Verschlusselement 32 mit Hilfe der Steuer- und/oder Regeleinheit 29 gesteuert werden kann. Beispielsweise kann das Verschlusselement 32 magnetisch betätigt werden. Auch hier ist eine signal- bzw. datenleitende Verbindung mittels einer Signalleitung realisiert, wie bei der signal- bzw. datenleitenden Verbindung zu dem Sensor 30 und dem Stellmotor 28. Wird eine Konzentration des Brennstoffs im Raum 7 detektiert, die einen bestimmten Grenzwert überschreitet, erfolgt ein Signal vom Sensor 30 zur Einheit 29. Diese verarbeitet das Signal entsprechend und es erfolgt ein Signal an die Klappe 27 und ein Signal an das Verschlusselement 32, welches die Öffnung 31 freigibt. Nach Absinken der Konzentration des Brennstoffs in Raum 7 des Gehäuses 6 oder nach einer festgelegten Zeit erfolgt wieder die Herstellung des Normalzustands über die entsprechende Ansteuerung der Klappen 27 und des Verschlusselements 32. Dies bedeutet, dass das Gehäuse 6 wieder geschlossen wird, indem einerseits die Öffnung 31 durch das Verschlusselement 32 verschlossen wird und andererseits die Strahlpumpe 16 umgangen wird, indem die Klappe 27 so eingestellt wird, dass der aus dem Kathodenraum 3 austretende Abgasstrom vollständig über die Umgehungsleitung 25 geleitet wird. Diese geschlossene Stellung des Verschlusselements 32 und die die Abgasleitung 15a verschließende Stellung des Klappenelements 27 sind in Fig. 6 gezeigt.
In Fig. 7 ist ein Ausführungsbeispiel der BrennstoffZelleneinrichtung 1 gezeigt, bei welchem im Unterschied zur Ausgestaltung in Fig. 6 das Verschlusselement 32 im geöffneten Zustand dargestellt ist. Darüber hinaus ist die Klappe 27 in einem Zustand gezeigt, bei dem die Umgehungsleitung 25 vollständig verschlossen ist und der aus dem Kathodenraum 3 austretende Abgasstrom vollständig über die Abgasleitung 15a und somit auch über die Strahlpumpe 16 geleitet wird.
Einzelne Merkmale oder Merkmalskombinationen eines spezifischen Ausführungsbeispiels sind mit Merkmalen und Merkmalskombinationen anderer Beispiele selbstverständlich verbindbar, um weitere Ausführungsbeispiele zu generieren. Darüber hinaus sind in den Ausführungsbeispielen nicht genannte Merkmale oder Merkmalskombinationen selbstverständlich als Ergänzungen zu den jeweiligen Ausführungsbeispielen zu verstehen. Bezugszeichenliste
1 BrennstoffZelleneinrichtung
2 Brennstoffzelle
3 Kathodenraum
4 Anodenraum
5 PEM
6 Gehäuse
7 Raum
8 Vorratsspeicher 9,11 Zuführleitungen 10,15 Abgasleitungen
12 Luftfilter
13 Kompressor
14 Motor
16 Strahlpumpe
17 Leitung
18 Element
19 Engstelle
20 Einmündung
21 Öffnung
22 Frischluft 23,31 Öffnungen
24 Katalysator
25 Umgehungsleitung 26 Abzweigung
27 Klappe
28 Stellmotor
29 Steuereinheit
30 Sensor
32 Verschlusselement

Claims

20Patentansprüche
1. BrennstoffZelleneinrichtung mit zumindest einer Brennstoffzelle (2), welche einen Anodenraum (4) und einen Kathodenraum (3) aufweist und in einem Gehäuse (6) angeordnet ist, bei der ein Spülmedium zum Spülen des Gehäuses (6) in das Gehäuse (6) in einen Raum (7) außerhalb der Brennstoffzelle (2) einleitbar ist, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung (16, 17, 18, 19) zum Ableiten des im Raum (7) enthaltenen und das Spülmedium aufweisenden Mediumgemischs, welche mit dem Raum (7) und einer vom Kathodenraum (3) abführenden Abgasleitung (15, 15a) verbunden ist und welche so ausgebildet ist, dass das Ableiten des Mediumgemischs mit dem in der Abgasleitung (15, 15a) strömenden Abgasstrom strömungstechnisch gekoppelt ist.
2. BrennstoffZelleneinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Spülmedium aus der Umgebung eingeleitete Frischluft ist.
3. BrennstoffZelleneinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (16, 17, 18, 19) so ausgebildet ist, dass der Abgasstrom ein Treibstrahl ist, durch dessen Strömen 21
das Mediumgemisch automatisch aus dem Raum (7) absaugbar ist.
4. BrennstoffZeileneinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (16, 17, 18, 19) eine Strahlpumpe (16) umfasst .
5. BrennstoffZeileneinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (16, 17, 18, 19) eine Engstelle (19) mit einem im Vergleich zum Strömungsquerschnitt vor und nach der Engstelle (19) reduziertem Strömungsquerschnitt aufweist .
6. BrennstoffZeileneinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (16, 17, 18, 19) eine in den Raum (7) mündende Leitung (17) aufweist, welche von der Engstelle (19) abzweigt.
7. BrennstoffZelleneinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die in den Raum (7) mündende Öffnung (21) der Leitung (17) in Bezug auf die Richtung der Schwerkraft zur Seite hin orientiert ist.
8. BrennstoffZelleneinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass 22
die in den Raum (7) mündende Öffnung (21) der Leitung (17) in Bezug auf die Richtung der Schwerkraft nach oben hin orientiert ist.
9. Brennstoffzelleneinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (16, 17, 18, 19), insbesondere die Leitung (17), in Bezug auf die Richtung der Schwerkraft oberhalb der Brennstoffzelle (2) mit dem Gehäuse (6) verbunden ist und in den Raum (7) mündet.
10. Brennstoffzelleneinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (6) eine Öffnung (23) zum Zuleiten des Spülmediums (22) aufweist, welche in Bezug auf die Richtung der Schwerkraft unterhalb der Brennstoffzelle (2) ausgebildet ist.
11. Brennstoffzelleneinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (6) eine Öffnung (31) zum Zuleiten des Spülmediums (22) aufweist, welche in Bezug auf die Richtung der Schwerkraft oberhalb der Brennstoffzelle (2) ausgebildet ist.
12. Brennstoffelleneinrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnung (23, 31) durch ein Verschlusselement (32) verschließbar ist, welches elektronisch steuerbar ist. 23
13. BrennstoffZelleneinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (16, 17, 18, 19) vollständig in dem
Gehäuse (6) angeordnet ist.
14. BrennstoffZeileneinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass stromauf der Vorrichtung (16, 17, 18, 19) eine Umgehungsleitung (25) zum Umgehen der Vorrichtung (16, 17, 18, 19) von der Abgasleitung (15, 15a) abzweigt.
15. Brennstoffzelleneinrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die über die Vorrichtung (16, 17, 18, 19) und über die Umgehungsleitung (25) strömenden Anteile des Abgasstroms einstellbar sind.
16. Brennstoffzelleneinrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Anteile abhängig von einer Konzentration des Brennstoffs in dem Raum (7) einstellbar sind.
17. Brennstoffzelleneinrichtung nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Anteile mittels eines verstellbaren, bevorzugt elektronisch steuerbaren, Einstellelements (27) einstellbar sind.
18. Brennstoffzelleneinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch 24
einen Katalysator (24), durch welchen das aus dem Raum (7) abgeleitete Mediumgemisch hindurch leitbar ist.
19. BrennstoffZelleneinrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Katalysator (24) in der sich zwischen dem Raum (7) und der Engstelle (19) der Vorrichtung (16, 17, 18, 19) erstreckenden Leitung (17) angeordnet ist.
20. BrennstoffZelleneinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung (22) zur Erfassung der Konzentration an Brennstoff in dem Raum (7) des Gehäuses (6) außerhalb der Brennstoffzelle (2) .
21. BrennstoffZelleneinrichtung nach Änspruch20, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (22) innerhalb des Gehäuses (6) und außerhalb der Brennstoffzelle (2) angeordnet ist.
22. Verfahren zum Betreiben einer BrennstoffZelleneinrichtung
(1) mit zumindest einer Brennstoffzelle (2), welche einen Anodenraum (4) und einen Kathodenraum (3) aufweist und in einem Gehäuse (6) angeordnet ist, bei dem ein Spülmedium (22) zum Spülen eines Raums (7) des Gehäuses (6) in das Gehäuse (6) außerhalb der Brennstoffzelle (2) eingeleitet wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein in einer Abgasleitung (15, 15a) des Kathodenraums (3) strömender Abgasstrom strömungstechnisch durch eine Vorrichtung (16, 17, 18, 19) so mit dem Raum (7) gekoppelt wird, dass das im Raum (7) enthaltene und das 25
Spülmedium (22) aufweisende Mediumgemisch aus dem Raum (7) abgesaugt wird.
23. Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (16, 17, 18, 19) abhängig von einer Konzentration des Brennstoffs in dem Raum (7) zum Absaugen des Mediumgemischs freigegeben wird.
24. Verfahren nach Anspruch 22 oder 23, dadurch gekennzeichnet, dass der Raum (7) mit Frischluft gespült wird.
25. Verfahren nach einem der Ansprüche 22 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass der aus dem Kathodenraum (3) ausströmende Abgasstrom bedarfsabhängig, bevorzugt abhängig von der Konzentratic von Brennstoff in dem Raum (7), über die Abgasleitung (15, 15a) und/oder eine von der Abgasleitung (15, 15a) stromauf der Vorrichtung (16, 17, 18, 19) abzweigende Umgehungsleitung (25) geleitet wird.
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