WO2004034484A2 - Brennstoffzellensystem mit einem kühlkreislauf - Google Patents

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WO2004034484A2
WO2004034484A2 PCT/EP2003/010148 EP0310148W WO2004034484A2 WO 2004034484 A2 WO2004034484 A2 WO 2004034484A2 EP 0310148 W EP0310148 W EP 0310148W WO 2004034484 A2 WO2004034484 A2 WO 2004034484A2
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coolant
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Uli Paulus
Dirk Schröter
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Daimlerchrysler Ag
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    • 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

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for cooling a fuel cell system with a fuel cell which has an anode space to which a hydrogen-containing gas is supplied and a cathode space to which an oxygen-containing gas is supplied via an air intake system, a cooling device being arranged at least in the fuel cell which is part of a cooling circuit in which a liquid coolant is moved.
  • fuel cell is understood to mean both a single and a stack of several fuel cells, which form a stack, a so-called stack.
  • a power generation system with a fuel cell system which has an electrochemical fuel cell which contains an anode compartment and a cathode compartment which are separated by a proton-conducting membrane. Oxygen-containing gas, in particular air, is fed to the cathode compartment and a hydrogen-containing gas is fed to the anode compartment.
  • the fuel cell is designed as a fuel cell stack and contains a cooling device or a heat exchanger which is part of a closed cooling circuit in which a pump moves the coolant water.
  • the cooling circuit contains a reservoir which is connected with an inlet to an outlet of the cooling device of the fuel cell and with an outlet to the pump which feeds the water into the inlet of the cooling device of the fuel cell (EP 0800 708 B1).
  • the problem is solved according to the invention in a method of the type described in the introduction in that gaseous constituents contained in the liquid coolant are separated off in the cooling circuit outside the fuel cell and are fed to the air intake system via an outlet channel which does not contain any ignition sources for an ignitable mixture.
  • the invention is based on the principle of supplying the gas possibly contained in the coolant to the air intake system, in which it is mixed with a very large air flow. As a result of this mixing, the content of a gas in the air mass flow that possibly originates from the fuel cell and forms an ignitable mixture with oxygen at a certain ratio is reduced to such an extent that an ignitable mixture can no longer arise. No ignitable mixture can form in the liquid coolant due to the solution of the gases or the formation of gas bubbles of the smallest order of magnitude floating in the liquid coolant.
  • the coolant emerging from the outlet of the cooling device of the fuel cell is fed to a sedimentation tank, from which gas is discharged at a previously set overpressure value and is fed via the discharge channel to the oxygen-containing gas mass flow of the air intake system and which at a pressure below the overpressure value to avoid the Escape of gas to the discharge channel is closed.
  • gases penetrate from the fuel cell into the coolant the way it dissolves also changes due to its heating, so that dissolved gases are converted into floating bubbles of the smallest order of magnitude.
  • This mixture enters the sedimentation tank, in which the gas bubbles are separated.
  • the gas flows upwards into a gas collection area in the calming tank, whereby a gas pressure builds up.
  • any gas that may be present in the coolant is separated from the liquid coolant in front of the calming container and fed into the calming container. In this way, very good degassing of the coolant is achieved with two methods.
  • Gases from the discharge duct are preferably supplied to the air mass flow in the region of an air filter of the air intake system. This ensures good, even mixing.
  • the exhaust gases from the fuel cell are monitored for the hydrogen content with a hydrogen sensor, the concentration of hydrogen in the exhaust gas being reduced below the limit value when a preset limit value for the gas content is reached by admixing hydrogen-free gas.
  • the hydrogen gas content can be reduced to a very low value.
  • the exhaust gases from the fuel cell are passed over a catalytic converter which reduces the concentration of hydrogen in the exhaust gases.
  • a compressor in the air intake system for feeding air into the fuel cell is expediently set to run on for a predefinable period of time. This removes any fuel gas or hydrogen that may still be present by purging the air intake system.
  • a calming container for the liquid coolant with a gas collection area is connected downstream of the outlet or exit of the cooling device of the fuel cell, a gas outlet valve being arranged at a predetermined gas volume or at the gas collection area
  • Gas pressure in the still tank can be actuated and is connected on the outlet side to the intake system for the oxygen-containing gas via an outlet channel which has no ignition sources for an ignitable gas mixture.
  • the oxygen-containing gas is generally air.
  • vent line is preferably arranged between the outlet or outlet of the cooling device of the fuel cell and the gas collection area of the calming container. Vent line is also to be understood as a line with which gases, not just air, are separated from a liquid. With this further embodiment and the A very effective degassing of the coolant is achieved in two different ways.
  • the discharge channel emanating from the sedimentation tank opens into the area of a gas filter in the gas intake system for the oxygen-containing gas, since this results in a uniform mixing of the gases with the oxygen-containing gas, preferably air.
  • the oxygen-containing gas preferably air.
  • any gas that may have been introduced from the fuel cell via the cooling circuit is reduced to a very great extent in the concentration in the gas stream supplied to the fuel cell.
  • Any fuel gas present in the oxygen-containing gas stream enters the fuel cell, i.e. into the cathode compartment and leaves it with the resulting exhaust gases via the exhaust outlet.
  • a sensor for measuring the fuel gas content in the exhaust gas stream is provided in the exhaust gas line for the reaction products of the fuel cell and is connected to a control unit in which a limit value for the fuel gas content in the exhaust gas stream is set and by which a valve in an access to the exhaust gas line can be controlled, which opens an opening in the exhaust gas line for the admixture of air when the set limit value is reached.
  • a catalytic converter for reducing the fuel gas in the exhaust gas flow is present in the course of the exhaust gas line.
  • a redundant reduction in the content of fuel gas, in particular hydrogen, is therefore provided in the exhaust gas stream, as a result of which great security is ensured for the reduction of the fuel gas.
  • the calming container, the gas outlet valve and the discharge channel expediently consist of antistatic materials, as a result of which static charges and the generation of electrical discharges are avoided.
  • the invention is described below with reference to an embodiment shown in a drawing, from which further details, features and advantages result.
  • the drawing schematically shows a fuel cell system with a fuel cell that has a cooling device or a heat exchanger inside, the cooling device being arranged in a cooling circuit with a moving liquid coolant.
  • the fuel cell system for the generation of electrical energy contains a fuel cell 1, which is designed in particular as a so-called fuel cell stack with numerous individual fuel cells.
  • the fuel cell 1 contains an anode compartment 2 and a cathode compartment 3, which are separated by a proton-conducting membrane 4. Through an electrochemical reaction between the anode and the cathode, the fuel cell 1 generates an electrical voltage that can be tapped at the output lines 5, 6.
  • Fuel gas, in particular hydrogen is oxidized at the anode and oxygen, which is contained in particular in the air, is reduced at the cathode.
  • the anode compartment 2 is from a fuel gas source, in particular a hydrogen source, for. B.
  • An intake system for an oxygen-containing gas, in particular air has an air filter 12 arranged downstream of an opening 10 of an intake duct 11. In the further course of the intake duct 11 there is a compressor 13, from which compressed air, the pressure of which is measured with a corresponding sensor 14, is fed into the anode compartment.
  • the fuel cell 1 has a cooling device 15 or a heat exchanger, through which a liquid coolant, in particular water, mixed with an antifreeze is moved.
  • the inlet or inlet 16 of the cooling device 15 is connected via a line 17 to a cooler or heat exchanger and a coolant pump 18.
  • the outlet 19 or outlet of the cooling device 15 is connected to a ventilation line 20, which draws in the form of small bubbles of admixed or dissolved gases from the coolant which leaves the fuel cell 1 via the outlet 19 and via line 21 into a gas collection area 22 feeds a calming tank 23.
  • the vent line 20 also runs with respect to the coolant to the settling tank 23 and opens below the liquid level into the tank 23, which has an outlet (not specified in more detail) below the liquid level. This output is connected via a line 24 to the suction inlet of the coolant pump 18.
  • the gas collecting area 22 is connected at an outlet or outlet to a pressure relief valve 25, from which a discharge duct 26 or a pipe runs to the air intake system.
  • a moisture separator 27 can be arranged, from which separated coolant is fed back into the calming tank 23 via a line 28.
  • the pipe 26 opens into the housing with the air filter 12.
  • the pressure relief valve 25, the discharge channel 26, the moisture separator 27 and the calming tank 23 are made of antistatic materials.
  • a filler line 29 provided with a valve and an outlet line 30 provided with a valve are provided on the calming tank 23.
  • the fuel cell 1 has an outlet or outlet 31 for reaction products or gases which, via a pipeline 32, reach a moisture separator 33 which extracts water from the reaction products, which water can be fed back into the fuel cell system or discharged into the atmosphere , examples for example, part of the water can be supplied to the intake air, which should have a certain moisture content when flowing into the fuel cell 1 in order to keep the membrane 4 moist.
  • a catalyst 34 is connected downstream of the moisture separator 33 in a housing (not designated in any more detail), through which the hydrogen gas contained in the exhaust gas stream is oxidized.
  • a sensor 35 at the outlet of the housing of the catalyst 34 detects the hydrogen content in the exhaust gas stream and transmits the measured values to a control unit 36.
  • the outlet of the housing of the catalyst 34 is connected to an outlet line 37 which has an inlet line 38 in which one of the control unit 36 actuable valve 39 or a slide is arranged.
  • the cooler 41 arranged between the coolant pump 18 and the inlet 16 in the course of the line 17 can be supplied with cooling air by a fan 42.
  • the coolant When the coolant flows through the fuel cell 1, the coolant is heated. Hydrogen and / or air can get into the liquid coolant through diffusion and / or leakage.
  • the penetration of hydrogen is particularly critical since it can form an ignitable mixture with oxygen in certain concentrations.
  • the amount of hydrogen and / or oxygen or air that can be penetrated into the coolant cannot be determined.
  • the invention prevents the cooling circuit from being endangered by the penetration of hydrogen and / or air into the coolant.
  • the coolant in which hydrogen and / or air may be contained in bubbles of the smallest order of magnitude, passes from the cooling device 15 into the vent line 20.
  • the coolant hits a bubble separator in the vent line 20.
  • the gases separated in the vent line 20 flow into the gas collection space 22 of the calming container 23.
  • the coolant flows out of the ventilation line 20 into the calming container 23, in which it again encounters a bubble separator, through which gas bubbles in the liquid are excreted.
  • the excreted gas rises upward into the gas collection space 22.
  • the greater the heating of the coolant the faster the coolant is freed from the gases.
  • the gas escaping from the coolant generates increasing pressure in the calming tank 23.
  • the pressure relief valve 25 opens, as a result of which gas flows into the discharge duct 26 with the moisture separator 27.
  • the gas can contain hydrogen and / or oxygen in various concentrations, which depend on the diffusion or leak rate in the fuel cell 1. Ignition of this gas mixture is avoided due to the antistatic materials of the components with which the gas mixture comes into contact. In the housing of the air filter 12, the gas mixture is mixed with the air stream, the mass of which far exceeds the mass of the gas mixture supplied. Therefore a very strong dilution of the gas mixture is achieved, ie even with hydrogen gas its concentration in the air stream is reduced to a very low value.
  • any hydrogen present in the air stream enters the cathode chamber 3 with the air stream and leaves it with the reaction gases via the outlet 31. After the water has been separated off in the moisture separator 33, the remaining reaction gas with a possibly low hydrogen content flows over the catalyst 34, which further increases the hydrogen content is reduced.
  • the hydrogen content of the gas behind the catalytic converter 34 measured by the sensor 35 is compared in the control unit 36 with a stored, predetermined value. If this value is reached or exceeded, then open the control unit 36 net the valve 39 and turns on the fan 40, whereby the exhaust gas flow is mixed with air. By mixing it with air, the hydrogen content in the exhaust gas stream can be reduced to non-critical values that are harmless to the environment.
  • a fuel cell system of the type described above with the cooling device and the cooling circuit is particularly suitable as an energy source in a mobile device such as an electric vehicle.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Kühlen eines Brennstoffzellensystems. Das System enthält eine Brennstoffzelle (1). Wenigstens in der Brennstoffzelle ist eine Kühleinrichtung (15) vorhanden, die Bestandteil eines Kühlkreislaufs mit einem flüssigen Kühlmittel ist. Im Kühlkreislauf ausserhalb der Brennstoffzelle (1) sind Mittel vorgesehen, mit denen Gase, die aus der Brennstoffzelle (1) eventuell in das flüssige Kühlmittel eindringen, ausgeschieden und dem Gasmassenstrom des sauerstoffhaltigen Gases, das in die Brennstoffzelle eingespeist wird, zugeführt werden.

Description

Brennstoffzellensystem mit einem Kühlkreislauf
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Kühlen eines Brennstoffzellensystems mit einer Brennstoffzelle, die einen Anodenraum, dem ein Wasserstoffhaltiges Gas zugeführt wird, und einen Kathodenraum aufweist, dem über ein Luftansaugsystem ein sauerstoffhaltiges Gas zugeführt wird, wobei wenigstens in der Brennstoffzelle eine Kühleinrichtung angeordnet ist, die Teil eines Kühlkreislaufs ist, in dem ein flüssiges Kühlmittel bewegt wird. Unter Brennstoffzelle ist hierbei sowohl eine einzelne als auch ein Stapel von mehreren Brennstoffzellen zu verstehen, die einen Stapel, ein sog. Stack, bilden.
Es ist ein Energieerzeugungssystem mit einem Brennstoffzellensystem bekannt, das eine elektrochemische Brennstoffzelle aufweist, die einen Anodenraum und einen Kathodenraum enthält, die von einer protonenleitenden Membran getrennt sind. Dem Kathodenraum wird sauerstoffhaltiges Gas, insbesondere Luft, und dem Anodenraum ein wasserstoffhaltiges Gas zugeführt. Die Brennstoffzelle ist als Brennstoffzellenstack ausgebildet und enthält eine Kühleinrichtung bzw. einen Wärmetauscher, der Bestandteil eines geschlossenen Kühlkreislaufs ist, in dem eine Pumpe das Kühlmittel Wasser bewegt. Der Kühlkreislauf enthält ein Reservoir das mit einem Einlass an einen Ausgang der Kühleinrichtung der Brennstoffzelle und mit einem Auslass an die Pumpe angeschlossen ist, die in den Eingang der Kühleinrichtung der Brennstoffzelle das Wasser einspeist (EP 0800 708 Bl) .
Während des Betriebs einer Brennstoffzelle mit einer in deren Innerem angeordneten Kühleinrichtung kann es unter Umständen zum Eindringen von wasserstoffhaltigem Brenngas und/oder Luft in das Kühlmittel kommen. Ursache für das Eindringen dieser Gase in das Kühlmittel können Leckagen oder eine Diffusion sein. Hier setzt die Erfindung ein, der das Problem zugrunde liegt, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Kühlen eines Brennstoffzellensystems mit wenigstens einem in einer Brennstoffzelle angeordneten, in einem Kreislauf von einem flüssigen Kühlmittel durchflossenen Wärmetauscher anzugeben, in dem trotz Eindringen von Gasen aus dem Anoden- und/oder Kathodenraum der Brennstoffzelle eine Gefährdung durch die Entstehung eines zündfähigen Gemisch von Gasen vermieden wird.
Das Problem wird bei einem Verfahren der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass in dem Kühl- kreislauf außerhalb der Brennstoffzelle im flüssigen Kühlmittel enthaltene gasförmige Bestandteile abgeschieden und über einen Ausleitungskanal, der keine Zündguellen für ein zündfähiges Gemisch enthält, dem Luftansaugsystem zugeführt werden. Die Erfindung beruht auf dem Prinzip, das eventuell im Kühlmittel enthaltene Gas dem Luftansaugsystem zuzuführen, in dem es mit einem sehr großen Luftstrom vermischt wird. Durch diese Vermischung wird der Gehalt eines eventuell aus der Brennstoffzelle stammenden, mit Sauerstoff bei einem bestimmten Verhältnis ein zündfähiges Gemisch bildenden Gases im Luft- massestrom so stark herabgesetzt, dass kein zündfähiges Gemisch mehr entstehen kann. In dem flüssigen Kühlmittel kann sich aufgrund der Lösung der Gase bzw. der Bildung von im flüssigen Kühlmittel schwimmenden Gasblasen kleinster Größenordnung kein zündfähiges Gemisch ausbilden.
Bei einer zweckmäßigen Ausführungsform wird das aus dem Ausgang der Kühleinrichtung der Brennstoffzelle austretende Kühlmittel einem Beruhigungsbehälter zugeführt, aus dem bei einem vorab eingestellten Überdruckwert Gas abgeführt und über den Ausleitungskanal dem sauerstoffhaltigen Gasmassenstrom des Luftansaugsystems zugeführt wird und der bei einem den Überdruckwert unterschreitenden Druck zur Vermeidung des Austritts von Gas zum Ausleitungskanal hin geschlossen ist. Beim Eindringen von Gasen aus der Brennstoffzelle in das Kühlmittel wird dieses in seinem Lösungsverhalten auch aufgrund seiner Erwärmung so verändert, dass gelöste Gase in schwimmenden Blasen kleinster Größenordnung verwandelt werden. Dieses Gemisch gelangt in den Beruhigungsbehälter, in dem die Gasblasen abgesondert werden. Das Gas tritt im Beruhigungsbehälter nach oben in einen Gassammelbereich, wobei sich ein Gasdruck aufbaut. Bei Erreichen eines vorgegebenen Druckwerts, der vorab eingestellt ist, wird der Ausleitungs- kanal für die Ausleitung des Gases freigegeben und nach dem Absinken des Drucks im Beruhigungsbehälter unter einen vorgebbaren Wert wieder gesperrt, so dass keine Kühlflüssigkeit in den Ausleitungskanal gelangen kann.
Bei einer günstigen Ausführungsform wird aus dem flüssigen Kühlmittel vor dem Beruhigungsbehälter mit einer Entlüftungs- leitung im Kühlmittel eventuell vorhandenes Gas abgeschieden und in den Beruhigungsbehälter eingespeist. Auf diese Weise wird mit zwei Methoden eine sehr gute Entgasung des Kühlmittels erzielt.
Vorzugsweise werden Gase aus dem Ausleitungskanal im Bereich eines Luftfilters des Luftansaugsystems dem Luftmassestrom zugeführt. Damit wird eine gute gleichmäßige Vermischung erreicht .
Bei einer weiteren zweckmäßigen Ausführungsform werden die Abgase aus der Brennstoffzelle mit einem Wasserstoffsensor auf den Gehalt an Wasserstoff überwacht, wobei bei Erreichen eines voreingestellten Grenzwerts des Gasgehalts durch Beimischung von wasserstofffreiem Gas die Konzentration von Wasserstoff im Abgas unter den Grenzwert gesenkt wird. Mit dieser Maßnahme kann der Gehalt an Wasserstoffgas auf einen sehr niedrigen Wert herabgesetzt werden.
Bei einer anderen günstigen Ausführungsform werden die Abgase aus der Brennstoffzelle über einen Katalysator geleitet, mit dem die Konzentration an Wasserstoff in den Abgasen reduziert wird.
Zweckmäßigerweise wird nach dem Abschalten der Brennstoffzelle und abgestelltem Kühlmittelumlauf ein Kompressor im Luft- ansaugsystem für die Lufteinspeisung in die Brennstoffzelle auf Nachlauf für eine vorgebbare Zeitdauer eingestellt. Damit wird das Luftansaugsystem von eventuell noch vorhandenem Brenngas bzw. Wasserstoff durch Spülung gereinigt.
Bei einer Vorrichtung der eingangs beschriebenen Art wird das Problem erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass dem Auslass bzw. Ausgang der Kühleinrichtung der Brennstoffzelle ein Beruhigungsbehälter für das flüssige Kühlmittel mit einem Gassammelbereich nachgeschaltet ist, wobei am Gassammelbereich ein Gasauslassventil angeordnet ist, das bei einem vorgebbaren Gasvolumen oder Gasdruck im Beruhigungsbehälter betätigbar und ausgangsseitig über einen Ausleitungskanal, der keine Zündquellen für ein zündfähiges Gasgemisch aufweist, mit dem Ansaugsystem für das sauerstoffhaltige Gas verbunden ist. Bei dem sauerstoffhaltigen Gas handelt es sich im allgemeinen um Luft. Mit der erfindungsgemäßen Kühleinrichtung wird verhindert, dass aus der Brennstoffzelle z. B. durch Diffusion oder Leckagen in das Kühlmittel eindringende Gase an Zündquellen gelangen, wo bei einer kritischen Konzentration gegebenenfalls eine explosionsartige Verbrennung stattfinden könnte. Mit der Kühleinrichtung der vorstehend beschriebenen Art wird trotz des Eindringens von Gasen aus der Brennstoffzelle in das Kühlmittel eine ungefährliche Arbeitsweise der Brennstoffzelle und des Kühlkreislaufs erzielt.
Vorzugsweise ist zwischen dem Ausgang bzw. Auslass der Kühleinrichtung der Brennstoffzelle und dem Gassammelbereich des Beruhigungsbehälters eine Entlüftungsleitung angeordnet. Unter Ξntlüftungsleitung ist auch eine Leitung zu verstehen, mit der aus einer Flüssigkeit Gase, also nicht nur Luft abgeschieden werden. Mit dieser weiteren Ausführungsform und dem Beruhigungsbehälter wird auf zwei verschiedene Arten eine sehr wirksame Entgasung des Kühlmittels erreicht.
Besonders günstig ist es, wenn der vom Beruhigungsbehälter ausgehende Ausleitungskanal im Bereich eines Gasfilters im Gasansaugsystem für das sauerstoffhaltige Gas mündet, da damit eine gleichmäßige Mischung der Gase mit dem sauerstoff- haltigen Gas, vorzugsweise Luft, stattfindet. Durch die Vermischung wird ein eventuell aus der Brennstoffzelle über den Kühlkreislauf eingeschlepptes Gas sehr stark in der Konzentration in dem der Brennstoffzelle zugeführten Gasstrom vermindert. Das in dem sauerstoffhaltigen Gasstrom gegebenenfalls vorhandene Brenngas gelangt in die Brennstoffzelle, d.h. in den Kathodenraum und verlässt diesen mit den in diesem entstehenden Abgasen über den Abgasausgang.
Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform ist in der Ab- gasleitung für die Reaktionsprodukte der Brennstoffzelle ein Sensor für die Messung des Gehalts an Brenngas im Abgasstrom vorgesehen und mit einer Steuereinheit verbunden, in der ein Grenzwert für den Gehalt an Brenngas im Abgasstrom eingestellt ist und durch den ein Ventil in einem Zugang zur Ab- gasleitung steuerbar ist, das beim Erreichen des eingestellten Grenzwerts eine Öffnung in der Abgasleitung für die Beimischung von Luft freigibt.
Bei einer günstigen Ausführungsform ist im Zuge der Abgasleitung ein Katalysator für die Reduzierung des Brenngases im Abgasstrom vorhanden. Es ist also eine redundante Reduzierung des Gehalts an Brenngas, insbesondere Wasserstoff, im Abgasstrom vorgesehen, wodurch eine große Sicherheit für die Reduzierung des Brenngases gewährleistet wird.
Zweckmäßigerweise bestehen der Beruhigungsbehälter, das Gasauslassventil und der Ausleitungskanal aus antistatischen Werkstoffen, wodurch statische Aufladungen und die Entstehung elektrischer Entladungen vermieden werden. Die Erfindung wird im folgenden an Hand eines in einer Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher beschrieben, aus dem sich weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile ergeben.
In der Zeichnung ist schematisch ein Brennstoffzellensystem mit einer Brennstoffzelle dargestellt, die im Inneren eine Kühleinrichtung bzw. einen Wärmetauscher aufweist, wobei die Kühleinrichtung in einem Kühlkreislauf mit einem bewegten flüssigen Kühlmittel angeordnet ist.
Das Brennstoffzellensystem für die Erzeugung elektrischer E- nergie enthält eine Brennstoffzelle 1, die insbesondere als sog. Brennstoffzellenstack mit zahlreichen einzelnen Brennstoffzellen ausgebildet ist. Die Brennstoffzelle 1 enthält eine Anodenraum 2 und einen Kathodenraum 3 , die von einer protonenleitenden Membran 4 getrennt sind. Durch eine elektrochemische Reaktion zwischen Anode und Kathode erzeugt die Brennstoffzelle 1 eine elektrische Spannung, die an Ausgangsleitungen 5, 6 abgreifbar ist. An der Anode wird Brenngas, insbesondere Wasserstoff oxidiert und an der Kathode Sauerstoff, der insbesondere in der Luft enthalten ist, reduziert. Dem Anodenraum 2 wird aus einer Brenngasquelle, insbesondere Wasserstoffquelle, z. B. aus einem Tank 7, in dem unter Druck der Wasserstoff gespeichert ist, über eine Speiseleitung 8 in deren Zug ein Druckregelventil 9 angeordnet ist, Wasserstoff zugeführt . Der Druck des Wasserstoffs am Einlass des Anodenraums 2 wird mit einem nicht näher bezeichneten Drucksensor gemessen. Ein Ansaugsystem für ein sauerstoffhaltiges Gas, insbesondere Luft, weist ein einer Öffnung 10 eines Ansaugkanals 11 nachgeschaltetes Luftfilter 12 auf. Im weiteren Verlauf des Ansaugkanals 11 befindet sich ein Kompressor 13, von dem aus komprimierte Luft, deren Druck mit einem entsprechenden Sensor 14 gemessen wird, in den Anodenraum eingespeist wird. Die Brennstoffzelle 1 weist eine Kühleinrichtung 15 bzw. einen Wärmetauscher auf, durch die bzw. den ein flüssiges Kühlmittel, insbesondere Wasser, gemischt mit einem Frostschutzmittel, hindurchbewegt wird. Der Eingang bzw. Einlass 16 der Kühleinrichtung 15 ist über eine Leitung 17 mit einem Kühler bzw. Wärmetauscher und einer Kühlmittelpumpe 18 verbunden. Der Auslass 19 bzw. Ausgang der Kühleinrichtung 15 ist an eine Entlüftungsleitung 20 angeschlossen, die dem Kühlmittel, das die Brennstoffzelle 1 über den Auslass 19 verläßt, eventuell in Form von feinen Bläschen beigemischte bzw. gelöste Gase entzieht und über eine Leitung 21 in einen Gassammelbereich 22 eines Beruhigungsbehälters 23 einspeist. Die Entlüftungsleitung 20 verläuft in Bezug auf das Kühlmittel ebenfalls zum Beruhigungsbehälter 23 und mündet unterhalb des Flüssigkeitsspiegels in den Behälter 23, der einen nicht näher bezeichneten Ausgang unterhalb des Flüssigkeitsspiegels aufweist. Dieser Ausgang ist über eine Leitung 24 mit dem Ansaugeingang der Kühlmittelpumpe 18 verbunden.
Der Gassammelbereich 22 ist an einem Ausgang bzw. Auslass mit einem Überdruckventil 25 verbunden, von dem aus ein Ausleitungskanal 26 bzw. eine Rohrleitung zum Luftansaugsystem verläuft. Im Zuge des Ausleitungskanals 26 kann ein Feuchtigkeitsseparator 27 angeordnet sein, von dem aus abgeschiedenes Kühlmittel über eine Leitung 28 in den Beruhigungsbehälter 23 zurückgespeist wird. Die Rohrleitung 26 mündet in das Gehäuse mit dem Luftfilter 12. Das Überdruckventil 25, der Ausleitungskanal 26, der Feuchtigkeitsseparator 27 und der Beruhigungsbehälter 23 bestehen aus antistatischen Werkstoffen. Am Beruhigungsbehälter 23 sind eine mit einem Ventil versehene Einfülleitung 29 und eine mit einem Ventil versehene Auslassleitung 30 vorgesehen. Die Brennstoffzelle 1 weist am Kathodenraum 3 einen Ausgang bzw. Auslass 31 für Reaktionsprodukte bzw. Gase auf, die über eine Rohrleitung 32 in einen Feuch- tigkeitsseparatpr 33 gelangen der den Reaktionsprodukten Wasser entzieht, der in das Brennstoffzellensystem zurückgespeist oder in die Atmosphäre ausgestoßen werden kann. Bei- spielsweise kann ein Teil des Wassers der angesaugten Luft zugeführt werden, die beim Einströmen in die Brennstoffzelle 1 einen gewissen Feuchtigkeitsgehalt haben soll, um die Membran 4 feuchtzuhalten.
Dem Feuchtigkeitsseparator 33 ist in einem nicht näher bezeichneten Gehäuse ein Katalysator 34 nachgeschaltet, durch den im Abgasstrom enthaltenes Wasserstoffgas oxidiert wird.
Ein Sensor 35 am Ausgang des Gehäuses des Katalysators 34 er- fasst den Wasserstoffanteil im Abgasstrom und überträgt die Messwerte zu einer Steuereinheit 36. Der Ausgang des Gehäuses des Katalysators 34 ist an eine Ausgangsleitung 37 angeschlossen, die eine Zulaufleitung 38 aufweist, in der ein von der Steuereinheit 36 betätigbares Ventil 39 bzw. ein Schieber angeordnet ist. Am Eingang der Zulaufleitung 38 befindet sich ein Ventilator 40, der von der Steuereinheit 36 ein- und ausgeschaltet wird. Der zwischen der Kühlmittelpumpe 18 und dem Einlass 16 im Zuge der Leitung 17 angeordnete Kühler 41 kann von einem Lüfter 42 mit Kühlluft versorgt werden.
Beim Durchfluss des Kühlmittels durch die Brennstoffzelle 1 wird das Kühlmittel erwärmt. Es kann durch Diffusion und/oder Leckagen Wasserstoff und/oder Luft in das flüssige Kühlmittel gelangen. Kritisch ist insbesondere das Eindringen von Wasserstoff, da dieser in bestimmten Konzentrationen mit Sauerstoff ein zündfähiges Gemisch bilden kann. Die in das Kühlmittel eindringbare Menge an Wasserstoff und /oder Sauerstoff bzw. Luft ist nicht bestimmbar. Mit der Erfindung wird verhindert, dass eine Gefährdung des Kühlkreislaufs durch das Eindringen von Wasserstoff und/oder Luft in das Kühlmittel eintritt .
Das Kühlmittel, in dem gegebenenfalls Wasserstoff und/oder Luft in Bläschen kleinster Größenordnung enthalten sind, gelangt aus der Kühleinrichtung 15 in die Entlüftungsleitung 20. Eine derartige Leitung ist an sich auch als Debubbling- Leitung bekannt. In der Entlüftungsleitung 20 trifft das Kühlmittel auf einen Blasenseparator. Die in der Entlüftungsleitung 20 abgeschiedenen Gase strömen in den Gassammeiraum 22 des Beruhigungsbehälters 23. Das Kühlmittel strömt aus der Entlüftungsleitung 20 in den Beruhigungsbehälters 23, in dem es wiederum auf einen Blasenseparator trifft, durch den Gas- blasen in der Flüssigkeit ausgeschieden werden. Das ausgeschiedene Gas steigt nach oben in den Gassammeiraum 22. Je größer die Erwärmung des Kühlmittels ist, desto schneller wird das Kühlmittel von den Gasen befreit. Das aus dem Kühlmittel ausgetretene Gas erzeugt im Beruhigungsbehälter 23 ansteigenden Druck. Wird ein am Überdruckventil 25 eingestellter Druckgrenzwert erreicht oder überschritten, dann öffnet das Überdruckventil 25, wodurch Gas in den Ausleitungskanal 26 mit dem Feuchtigkeitsseparator 27 einströmt. Das Gas kann Wasserstoff und/oder Sauerstoff in verschiedenen Konzentrationen enthalten, die von der Diffusions- oder Leckrate in der Brennstoffzelle 1 abhängen. Eine Entzündung dieses Gasgemisches wird aufgrund der antistatischen Werkstoffe der Bauteile, mit denen das Gasgemisch in Berührung kommt, vermieden. Im Gehäuse des Luftfilters 12 wird das Gasgemisch mit dem Luftstrom vermischt, dessen Masse die Masse des zugeführten Gasgemischs weit übersteigt. Deshalb wird eine sehr starke Verdünnung des Gasgemischs erzielt, d. h. selbst bei Wasserstoffgas wird dessen Konzentration im Luftstrom auf einen sehr geringen Wert reduziert .
Eventuell im Luftstrom vorhandener Wasserstoff gelangt mit dem Luftstrom in den Kathodenraum 3 und verlässt diesen mit den Reaktionsgasen über den Auslass 31. Nach der Wasserab- scheidung im Feuchtigkeitsseparator 33 strömt das verbliebene Reaktionsgas mit eventuellem geringem Wasserstoffanteil über den Katalysator 34, wodurch der Wasserstoffgehalt noch weiter verringert wird. Der vom Sensor 35 gemessene Wasserstoffge- halt des Gases hinter dem Katalysator 34 wird in der Steuereinheit 36 mit einem gespeicherten, vorgegebenen Wert verglichen. Wird dieser Wert erreicht oder überschritten, dann öff- net die Steuereinheit 36 das Ventil 39 und schaltet den Ventilator 40 ein, wodurch der Abgasstrom mit Luft vermischt wird. Der Wasserstoffgehalt im Abgasstrom lässt sich durch die Vermischung mit Luft auf unkritische Werte vermindern, die für die Umwelt unschädlich sind.
Vor der Inbetriebnahme der Kühleinrichtung wird über die Einlassleitung 29 Luft in den Beruhigungsbehälter 23 gepumpt, wodurch der Behälter und der Ausleitungskanal 26 bis zum Luftfilter 12 gespült werden. Nach dem Ausschalten der Kühlmittelpumpe 18 wird der Kompressor 13 noch für kurze Zeit in Betrieb gehalten, wodurch eventuell im Luftansaugsystem vorhandener Wasserstoff ausgespült wird.
Ein Brennstoffzellensystem der oben beschriebenen Art mit der Kühleinrichtung und dem Kühlkreislauf eignet sich besonders als Energiequelle in einer mobilen Vorrichtung wie einem Elektrofahrzeug .

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Kühlen eines Brennstoffzellensystems mit einer Brennstoffzelle, die einen Anodenraum, dem ein wasserstoffhaltiges Gas zugeführt wird, und einen Kathodenraum aufweist, dem über ein Luftansaugsystem ein sauerstoffhaltiges Gas zugeführt wird, wobei wenigstens in der Brennstoffzelle eine Kühleinrichtung angeordnet ist, die Teil eines Kühlkreislaufs ist, in dem ein flüssiges Kühlmittel bewegt wird, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass in dem Kühlkreislauf außerhalb der Brennstoffzelle im flüssigen Kühlmittel enthaltene gasförmige Bestandteile abgeschieden und über einen Ausleitungskanal, der keine Zündquellen für ein zündfähiges Gasgemisch enthält, dem Luftansaugsystem zugeführt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , d a du r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass das aus dem Ausgang der Kühleinrichtung der Brennstoffzelle austretende Kühlmittel einem Beruhigungsbehälter zugeführt wird, aus dem bei einem vorab eingestellten Überdruckwert Gas abgeführt und über den Ausleitungskanal dem sauerstoff- haltigen Gasmassenstrom des Luftansaugsystems zugeführt wird und der bei einem den Überdruck- wert unterschreitenden Druck zur Vermeidung des Austritts von Gas zum Ausleitungskanal hin geschlossen ist .
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass aus dem flüssigen Kühlmittel vor dem Beruhigungsbehälter mit einer Entlüftungsleitung im Kühlmittel eventuell vorhandenes Gas abgeschieden und in den Beruhigungsbehälter eingespeist wird.
4. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass
Gase aus dem Ausleitungskanal im Bereich eines Luftfilters des Luftansaugsystems dem Luftmassestrom zugeführt werden.
5. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Abgase aus der Brennstoffzelle mit einem Wasserstoffsen- sor auf den Gehalt an Wasserstoff überwacht werden und dass bei Erreichen eines voreingestellten Grenzwerts des Gasgehalts durch Beimischung von wasserstofffreiem Gas die Konzentration von Wasserstoff im Abgas unter den Grenzwert abgesenkt wird.
6. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Abgase der Brennstoffzelle über einen Katalysator geleitet werden, mit dem die Konzentration an Wasserstoff in den Abgasen reduziert wird.
7. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass nach dem Abschalten der Brennstoffzelle und abgestelltem Kühlmittelumlauf ein Kompressor im Luftansaugsystem für die Lüfteinspeisung in die Brennstoffzelle auf Nachlauf für eine vorgebbare Zeitdauer eingeschaltet bleibt .
8. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass vor dem Ingangsetzen des Kühlmittelkreislaufs der Beruhigungsbehälter mit Luft gespült wird.
9. Vorrichtung zum Kühlen eines Brennstoffzellensystems mit einer Brennstoffzelle, die einen Anodenraum, dem ein wasserstoffhaltiges Gas zugeführt wird, und einen Kathodenraum aufweist, dem über ein Luftansaugsystem ein sauerstoffhaltiges Gas zugeführt wird, wobei wenigstens in der Brennstoffzelle eine Kühleinrichtung angeordnet ist, die Teil eines Kühl- kreislaufs ist, in dem ein flüssiges Kühlmittel bewegt wird, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass dem Auslass (19) bzw. Ausgang der Kühleinrichtung (15) der Brennstoffzelle (1) ein Beruhigungsbehälter (23) für das flüssige Kühlmittel mit einem Gassammelbereich (22) nachgeschaltet ist, dass am Gassammelbereich (22) ein Gasauslassventil (25) angeordnet ist, das bei einem vorgebbaren Gasvolumen oder Gasdruck im Beruhigungsbehälter (23) betätigbar und ausgangsseitig über einen Ausleitungskanal (26) , der keine Zündquellen für ein zündfähiges Gasgemisch aufweist, mit dem Ansaugsystem für das sauerstoffhaltige Gas verbunden ist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass zwischen dem Ausgang bzw. Auslass (19) der Kühleinrichtung (15) der Brennstoffzelle (1) und dem Gassammelbereich (22) des Beruhigungsbehälters (23) eine Entlüftungsleitung (20) angeordnet ist.
11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass der vom Beruhigungsbehälter (23) ausgehende Ausleitungskanal (26) im Bereich eines Gasfilters (12) im Gasansaugsystem für das sauerstoffhaltige Gas mündet.
12. Vorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 9 bis 11, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass in der Abgasleitung (37) für die Reaktionsprodukte der Brennstoffzelle (1) ein Sensor (37) für die Messung des Gehalts an Brenngas im Abgasstrom vorgesehen und mit einer Steuereinheit (36) verbunden ist, in der ein Grenzwert für den Gehalt an Brenngas im Abgasstrom eingestellt ist und durch die ein Ventil (38) in einem Zugang zur Abgasleitung (37) steuerbar ist, das beim Erreichen des Grenzwerts eine Öffnung zur Beimischung von Luft zum Abgasstrom freigibt .
13. Vorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 9 bis 12 , d a d u r c h g e k e n n z e i c hn e t, dass im Zuge der Abgasleitung (37) ein Katalysator für die Reduzierung des Brenngases im Abgasstrom vorhanden ist .
14. Vorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 9 bis 13, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass der Beruhigungsbehälter (23) , das Gasauslassventil (25) und der Gasleitungskanal (26) aus antistatischen Werkstoffen bestehen.
15. Vorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 9 bis 14, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass im Zuge des Ausleitungskanals (26) ein Feuchtigkeitsseparator (27) aus antistatischem Werkstoff angeordnet ist.
16. Vorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 9 bis 14, g e k e n n z e i c h n e t durch die Anordnung in einer mobilen Vorrichtung.
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