WO2005041336A2 - Brennstoffzellensystem - Google Patents

Brennstoffzellensystem Download PDF

Info

Publication number
WO2005041336A2
WO2005041336A2 PCT/DE2004/002267 DE2004002267W WO2005041336A2 WO 2005041336 A2 WO2005041336 A2 WO 2005041336A2 DE 2004002267 W DE2004002267 W DE 2004002267W WO 2005041336 A2 WO2005041336 A2 WO 2005041336A2
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
fuel cell
gas
fuel
cell system
housing
Prior art date
Application number
PCT/DE2004/002267
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
WO2005041336A3 (de
Inventor
Holger Klos
Ralf Wolters
David Dallinger
Original Assignee
P21 - Power For The 21St Century Gmbh
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 P21 - Power For The 21St Century Gmbh filed Critical P21 - Power For The 21St Century Gmbh
Priority to DE212004000047U priority Critical patent/DE212004000047U1/de
Priority to DE112004002487T priority patent/DE112004002487D2/de
Publication of WO2005041336A2 publication Critical patent/WO2005041336A2/de
Publication of WO2005041336A3 publication Critical patent/WO2005041336A3/de

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04201—Reactant storage and supply, e.g. means for feeding, pipes
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23N—REGULATING OR CONTROLLING COMBUSTION
    • F23N5/00—Systems for controlling combustion
    • F23N5/24—Preventing development of abnormal or undesired conditions, i.e. safety arrangements
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/06—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
    • H01M8/0662—Treatment of gaseous reactants or gaseous residues, e.g. cleaning
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24—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
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23K—FEEDING FUEL TO COMBUSTION APPARATUS
    • F23K2203/00—Feeding arrangements
    • F23K2203/10—Supply line fittings
    • F23K2203/103—Storage devices
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23K—FEEDING FUEL TO COMBUSTION APPARATUS
    • F23K2400/00—Pretreatment and supply of gaseous fuel
    • F23K2400/20—Supply line arrangements
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the fuel cell system The fuel cell system
  • the present invention relates to a fuel cell system, comprising at least one fuel cell and a fuel supply system for the fuel cell (s).
  • Fuel cell systems have been known for a long time and have become significantly more important in recent years. Similar to battery systems, fuel cells generate electrical energy chemically, with the individual reactants being fed continuously and the reaction products being continuously discharged.
  • a fuel cell basically consists of an anode part to which a fuel is supplied. Furthermore, the fuel cell has a cathode part, to which an oxidizing agent is supplied. The anode and cathode parts are spatially separated by the electrolyte.
  • an electrolyte can be, for example, a membrane. Such membranes have the ability to pass ions but retain gases. The electrons released during the oxidation can be conducted as electrical current through a consumer.
  • hydrogen as fuel and oxygen as oxidizing agent can be used as gaseous reactants for the fuel cell.
  • fuel such as natural gas, propane, methanol, gasoline, diesel or other hydrocarbons
  • This device for producing / processing a fuel consists, for example, of a metering unit with an evaporator, a reactor for reforming, for example for steam reforming, gas cleaning and frequently also at least one catalytic burner for providing the process heat for the endothermic processes, for example the reforming process.
  • a fuel cell system generally consists of several fuel cells, which in turn can be formed from individual layers, for example.
  • the fuel cells are preferably arranged one behind the other, for example stacked one above the other in a sandwich.
  • a trained one is preferably arranged one behind the other, for example stacked one above the other in a sandwich.
  • the fuel cell system is then referred to as a fuel cell stack or fuel cell stack.
  • Fuel cells can be designed as mobile, but also as stationary systems and can be used in a wide variety of areas. For example, think of the area of heating technology or the area of uninterruptible power supply (emergency power supply). Other possible uses can be found in the field of vehicle technology and the like. Of course, other areas of application are also conceivable, so that the invention is of course not limited to the examples mentioned.
  • DE 101 24 853 A1 describes a fuel cell which is arranged within a gas-tight housing in order to avoid unexpected gas leakage.
  • the housing has suitable line approaches for the supply and discharge of media, which must be sealed in a special way.
  • DE 100 65 269 C1 discloses a fuel cell arrangement with at least one fuel cell, various peripheral devices and a fuel supply system in the form of a hydrogen source.
  • the hydrogen source and its associated peripheral devices are arranged within a closed housing.
  • DE 101 50 385 A1 discloses a fuel cell system in which its components are arranged in a housing.
  • this known solution provides that so-called recombiner devices are provided within the housing for recombining the escaping hydrogen. According to this known solution, this should make it possible to reduce active ventilation of the housing to a minimum.
  • a fuel cell system is provided with at least one fuel cell and with a fuel supply system for the fuel cell.
  • the fuel cell system is characterized in that the at least one fuel cell and the fuel supply system are designed as subsystems of the fuel cell system which are independent of one another and in that the at least one fuel cell and the fuel supply system are separably connected to one another.
  • a basic aspect of the invention is to separate the fuel supply system from the at least one fuel cell, so that, in particular, two subsystems that are independent of one another are created. Each subsystem can initially be manufactured and sealed accordingly. When assembling the subsystems, it is then only necessary to seal at the respective connection point.
  • the fuel cell system initially has at least one fuel cell.
  • the invention is not restricted to a specific number of fuel cells. For example, several fuel cells can be provided, which are then combined in one or more fuel cell stacks.
  • the invention is also not restricted to certain types of fuel cells. For example, these can be so-called PEM fuel cells. These are fuel cells that have a proton-conducting membrane.
  • the fuel supply system has at least one tank for holding the fuel.
  • the invention is not limited to the use of certain fuels.
  • Hydrogen or a hydrogen-rich gas can advantageously be used as fuel.
  • the starting material of the fuel can be, for example, natural gas, methanol, propane, gasoline, diesel or another hydrocarbon.
  • the hydrocarbon must first be converted into a hydrogen-rich gas in a device for producing / processing the fuel in a so-called reforming process.
  • the fuel cell system according to the invention can advantageously be used in particular for those fuel cell applications in which a low-pressure supply with gases is necessary.
  • the at least one fuel cell and the fuel supply system are designed as independent subsystems. If a component of a subsystem is to be exchanged, the entire subsystem is advantageously exchanged in each case. This can prevent unintentional leaks when components are replaced, which can cause toxic or flammable gases to escape. In addition, the design effort is considerably reduced, since only entire subsystems have to be exchanged as modules. Appropriate sealing then only has to be implemented between the individual subsystems. To accomplish this, the at least one fuel cell and the fuel supply system - that is, the two subsystems of the fuel cell system - are separably connected to one another.
  • the two subsystems are arranged in a housing as described in more detail below, in principle no separate seal is required at all if the housing itself is adequately ventilated, so that the amount of undesired gases - for example fuel - within the housing , below a limit value - for example below the ignition limit or explosion limit of the fuel - remains.
  • a ventilation flow with a sufficiently high volume flow the gas in the housing can then be diluted such that its content in the housing is harmless.
  • the two subsystems are connected via a suitable line connection.
  • This can advantageously be at least one fuel line, the material of which is resistant to the fuel flowing through it.
  • the line connection between the fuel supply system and the fuel cell (s) is preferably flexible.
  • the fuel supply system has a pressure container for holding the fuel, a device for pressure reduction connected to the pressure container and a sensor device for pressure measurement.
  • the device for reducing the pressure is preferably inseparably connected to the pressure vessel.
  • the device for reducing the pressure can be designed in various ways, so that the invention is not restricted to specific designs. For example, the device for reducing pressure can be different
  • Components have, for example at least one pressure reducer, at least one pressure relief valve, at least one solenoid valve and the like.
  • at least one pressure reducer at least one pressure relief valve, at least one solenoid valve and the like.
  • further pressure sensor elements can also be provided.
  • the fuel supply system can thus be implemented, for example, by a concept for a pressure vessel with an integrated device for pressure reduction and sensors.
  • the device for reducing the pressure ensures that only defined pressures are introduced into the fuel cell (s).
  • the sensor technology enables communication or control options between the fuel cell (s) and the fuel supply system.
  • the Pressure vessel is advantageously inextricably linked to the device for reducing pressure. In particular when a plurality of pressure vessels are used, a single central device for reducing the pressure can be provided, which is connected to all pressure vessels. If the at least one pressure vessel is arranged in a housing, the device for reducing the pressure and possibly also the sensor device for pressure measurement can be arranged centrally in the housing.
  • the device for reducing the pressure means that the pressure still present at the outlet cannot exceed a limit value.
  • the pressure can be limited to 0.5 bar above atmospheric pressure.
  • the filling quantity inside the pressure container can be measured via the sensor device for pressure measurement.
  • a corresponding sensor element can be provided, for example, in the pressure vessel and / or the device for reducing the pressure.
  • a sensor signal is sent via a line, radio or the like - preferably to a control device described in more detail below - if the pressure prevailing in the pressure vessel exceeds and / or falls below a certain value.
  • the sensor device for pressure measurement can advantageously have an electromechanical sensor, which makes it possible to tap the measured pressure-dependent signal, for example via an electrical signal.
  • an electromechanical sensor which makes it possible to tap the measured pressure-dependent signal, for example via an electrical signal.
  • a device for reducing the pressure which is a device for reducing the pressure of gases, is consequently characterized in that it contains at least one device for measuring the gas pressure (sensor device) on its input side, or at least interacts with one for a time. This device could also be provided in the pressure vessel itself.
  • the device for reducing the pressure of gases is furthermore advantageously characterized in that the at least one device for measuring the gas pressure (sensor device) has a device for the electrical output of the measured signal.
  • the device for measuring the gas pressure or the sensor device for measuring the pressure can be designed in a wide variety of ways.
  • it can contain a piezoelectric sensor. It is also conceivable that this contains a membrane sensor.
  • At least partial areas of the fuel supply system and / or at least partial areas of the at least one fuel cell can advantageously be arranged under a gas exhaust hood and / or within a gas-tight housing.
  • each individual subsystem is arranged separately for itself or at least individual subsystems of the fuel cell system under a gas exhaust hood and / or within a housing.
  • both subsystems or all of the fuel cell system are arranged under a common gas exhaust hood and / or within a common gas-tight housing.
  • a housing in which the fuel supply system is arranged it can act, for example, a bottle cabinet for holding pressure bottles.
  • the fuel cell system can advantageously have a gas-tight housing, the at least one fuel cell and the fuel supply system being arranged within the housing.
  • the entire fuel cell system can be sealed with a gas-tight envelope.
  • the gas-tight housing also advantageously has corresponding supply air and exhaust air supply systems.
  • air is transported into the housing via the supply system, in order to preferably dilute fuel escaping into the housing below a certain limit and to remove it from the housing.
  • Other gases can be used instead of air.
  • the use of a certain gas results primarily from the use of the fuel, although the use of air, in particular outside air, is preferred.
  • the gas exhaust hood and / or the gas-tight housing advantageously has at least one gas discharge opening. At least one gas discharge opening is provided at the highest point of the gas extractor hood or the gas-tight housing and has at least one gas outlet point. If gases that are lighter than air are used as fuel, they rise up inside the gas extractor hood or inside the housing, where they can then escape to the outside.
  • guide elements can be provided in the ceiling area of the gas extractor hood or the housing, which guide the gas to the corresponding gas discharge opening. This can be, for example, correspondingly beveled partial areas of the ceiling.
  • the gas extractor hood which can generally have a shape based on the principle of a funnel, collects the fuel and guides it then via the at least one gas discharge opening. If a gas-tight housing is used, the same principle can be used in that, due to air circulation, for example natural convection, no fuel remains in the working space of the fuel cell system, but is discharged via the at least one gas discharge opening.
  • the gas exhaust hood and / or the gas-tight housing has at least one gas supply opening.
  • the gas extractor hood is the wide inlet area of the hood.
  • the at least one gas supply opening can preferably be arranged in the region facing the housing base, so that gas circulation can arise within the housing.
  • the gas exhaust hood and / or the gas-tight housing can advantageously be connected to an exhaust system of the fuel cell system via at least one exhaust air line.
  • the exhaust air line is advantageously connected to at least one gas discharge opening.
  • the fuel in particular the hydrogen, can be removed via the gas hood or in the
  • An exhaust air line of the gas extractor hood or of the housing advantageously opens into an exhaust air system which discharges the exhaust air from the fuel cell system to the outside air.
  • the exhaust air line can advantageously be designed as a Venturi line. This means that a volume flow with the speed v1 is generated in a first exhaust air line.
  • a further exhaust air line which is arranged at least in its end region within the first exhaust air line and runs parallel to it in the flow direction and has a gas flow at the speed v2, is influenced by the larger air flow at the speed v1 such that a Negative pressure arises, which results from the adaptation of the speeds v1 and v2 to one another.
  • the exhaust system can have an exhaust pipe and the exhaust duct can open into the exhaust pipe.
  • At least one sensor device for measuring the fuel content can preferably be provided in the gas exhaust hood and / or in the gas-tight housing and / or in the exhaust air line and / or in the exhaust air system.
  • This can be, for example, a hydrogen sensor that detects the
  • Openings can be provided in the gas-tight housing for the purpose of air circulation in the lower region of the housing facing the housing base and / or in the upper region facing the housing cover. These then provide access to the outside air outside the housing and thus cause continuous air circulation.
  • the openings can be formed in at least one side wall of the housing and / or in the housing cover or in the housing base itself.
  • the gas-tight housing for the purpose of
  • Air circulation can be provided in the lower housing area facing the housing base and at least one gas inlet and in the upper housing area facing the housing cover at least one gas outlet. These can be formed in at least one side wall of the housing and / or in the housing cover or in the housing base itself. In particular, this enables passive ventilation concepts to be implemented with a gas inlet at the bottom and overhead gas outlet.
  • the aim here is that any natural gas that is escaping is diluted by the gas introduced, for example air, to such an extent that no explosive or ignitable mixture is formed.
  • Means for setting a gas circulation with a predetermined gas volume flow can advantageously be provided in the gas exhaust hood and / or in the gas-tight housing.
  • no additional seal between the two subsystems fuel cell (s) on the one hand and fuel distribution system on the other hand would be required if the volume flow of the circulating gas is so high that the fuel escaping into the housing is always diluted below the ignition limit or explosion limit .
  • the means can be, for example, specially designed and dimensioned openings, which have already been described above and to which, if required, suitable conveying devices - blowers, fans and the like - can optionally be assigned.
  • At least one sensor device for measuring the fuel content can advantageously be provided in the area of at least individual openings. This sensor device constantly checks the fuel content, for example the
  • Hydrogen content If a critical value is reached (for example shortly before the lower explosion limit), the entire fuel cell system switches off, for example. When the system is switched off, all ignition sources are eliminated and the fuel (hydrogen) can escape through the air holes without the risk of an explosion.
  • the gas exhaust hood and / or the gas-tight housing can have an oblique course in the direction of the at least one gas discharge opening.
  • the beveling is therefore advantageously carried out so that the fuel - for example
  • Hydrogen - (the low density causes the fuel (hydrogen) to rise) in the direction of the upper gas discharge opening (s).
  • An advantageously provided sensor in the upper area of the housing or the gas exhaust hood constantly checks the fuel content.
  • the inclined surface can advantageously have a bevel angle W of between 4 and 15 degrees with respect to the horizontal.
  • the aforementioned embodiment of the fuel cell system can advantageously be used when using hydrogen as fuel.
  • this can also be used if the fuel cell system is operated with fuels other than hydrogen that are lighter than air. If fuels that are heavier than air are used, suitable conveying devices, such as fans or the like, could possibly be used.
  • a control device for controlling the at least one fuel cell and the fuel supply system.
  • the control device is advantageously at least temporarily connected to the sensor devices located in the fuel cell system and communicates with them.
  • the control device can thus on the one hand enable communication and control options between the fuel cell (s) and the fuel supply system.
  • the operation of the fuel cell system can be continuously and dynamically monitored, so that the fuel cell system can be switched off or reversed immediately if dangers arise.
  • the fuel cell system according to the invention as described above can advantageously be used as a unit for uninterruptible power supply (emergency power supply unit).
  • the fuel cell system can advantageously be a 2 kW fuel cell system.
  • the fuel cell system can preferably also be constructed in a modular manner from a plurality of fuel cell systems, in which case each fuel cell subsystem is advantageously a 2 kW system.
  • the present invention relates, inter alia, to a supply system for supplying fuel to a fuel cell.
  • the aim of the invention is to ensure a secure supply for fuel cell systems. For this, it is advantageous to separate the fuel supply system from the fuel cell (s), so that two independent systems are created. For safety reasons, when the fuel supply system is designed accordingly, it is advantageous to always change the unit comprising the pressure vessel, the device for reducing the pressure and the sensor device when exchanging the fuel.
  • the product definition is very much determined by the fuel, for example hydrogen.
  • Corresponding key factors are, for example, safety, reliability, energy content and logistics, H2 tightness, ignition limits (4 to 75% H2 in air), 101, 50I-H2 pressure vessels, H2 bundles (6 x 50I, 12 x 50I or the like) , Supply and exhaust air for the product and the like.
  • the energy density in the H2 pressure vessels determines the size and duration of the electrical output of the product.
  • pressure vessels are replaced during operation of the fuel cell system, it may be advantageous to have at least one additional pressure vessel connected in parallel to the first pressure vessel in addition to the pressure vessel in operation.
  • a suitable switching mechanism between the pressure vessels can then ensure uninterrupted operation when an empty pressure vessel is replaced by a full one.
  • a module can, for example, each have the fuel cell (s) and the associated ones
  • FIG. 1 shows a schematic overview of a fuel cell system
  • Figure 2 is a schematic representation of a fuel cell system according to the invention, consisting of fuel cell (s) and fuel supply system
  • FIG. 3 shows a further schematic illustration of a fuel cell system according to the invention
  • FIG. 4 shows a schematic, perspective illustration of a housing for a fuel cell system
  • Figure 5 is an enlarged partial view of the housing shown in Figure 4
  • FIG. 6 shows a schematic, perspective illustration of another housing for a fuel cell system
  • Figure 7 is a sectional view taken along section line A-A in Figure 6; and FIG. 8 shows a plan view of the housing according to FIG. 6.
  • a fuel cell system 10 is shown in general form in FIG. 1, which initially has at least one fuel cell stack 11 with a number of fuel cells 12.
  • the fuel cells 11, as well as all following The components described are located in a housing 30 in order to prevent undesired leakage of fuel, in the present example hydrogen.
  • To the left and right of the fuel cell stack 11 are moisture heat exchangers 13, 14 which are connected to suitable conveying devices 16, 17, for example suitable fans, in order to find a suitable one
  • the housing 30 has a central supply air inlet line 18 in the region of the housing base. Furthermore, the housing 30 has a central exhaust air outlet line 19 in the region of the housing cover. This is connected to a conveying device 20, in the present example a (exhaust air) blower in suction mode. Alternatively, a suitable delivery device could also be provided, for example, in the supply air inlet line 18.
  • a cooling system 15 is provided for cooling the fuel cell system 10.
  • An air pressure switch 21 or flow straightener and a sensor element 22 for measuring the hydrogen content are also provided in the area of the exhaust air line 19. Since hydrogen is lighter than air, it rises in the housing 30 and collects in the area of the housing cover. The sensor element 22 is provided in this area. If this detects a hydrogen content that is above a defined limit value, the fuel cell system is automatically retracted or even shut down by means of a control device (not shown).
  • the fuel cell system 10 shown in FIG. 2 initially consists of the fuel cells 12 or at least one fuel cell stack 11. Furthermore, a fuel supply system 50 is provided.
  • the two subsystems of the fuel cell system 10 are connected to one another via a suitable line 40, for example a flexible fuel line.
  • the two subsystems are separably interconnected, so that - in particular two - independent systems are created.
  • the fuel supply system 50 initially consists of at least one pressure container 51, for example a pressure bottle, in which the hydrogen can be stored, for example, at a pressure of 200 bar.
  • the pressure vessel thus represents a high-pressure system.
  • the fuel cells on the other hand, require a low-pressure supply of fuel.
  • the pressure container 51 is permanently connected to a device for reducing the pressure 52, so that the fuel leaving the fuel supply system 50 has a pressure suitable for fuel cell operation, which pressure does not exceed, for example, 0.5 bar.
  • a sensor device 53 for pressure measurement is provided in the device for reducing the pressure 52, which generates a corresponding sensor signal 54 that can be forwarded to a control device, not shown.
  • the sensor device 53 can be an electromagnetic sensor, for example, which makes it possible, for example, to tap a measured pressure-dependent signal via a corresponding electrical signal.
  • Sensor device 53 can - preferably via the control device - enable communication or regulation between the fuel cells 11, 12 and the fuel supply system 50.
  • the fuel supply system also has a suitable metering valve 55 for metering the fuel into the fuel cell (s).
  • the fuel cell system shown in FIG. 3 consists of a number of fuel cells 12, which are combined in at least one fuel cell stack 11.
  • the fuel cells 12 are supplied with a suitable fuel, for example hydrogen, via a fuel line 40.
  • a suitable valve 25 can be provided for metering.
  • the fuel cells 12 are connected to an air supply line 23.
  • the air flow can be regulated via a suitable conveying device 24, for example a blower.
  • the exhaust air is transported away from the fuel cells 12 via an exhaust air system 62. This initially has an exhaust air line 64 in which a valve 26 is provided for metering purposes.
  • an exhaust air pipe 63 is provided, into which the exhaust air line 64 opens.
  • the fuel cell system 10 also has a fuel supply system 50, which is designed in a similar manner to that in FIG. 2, so that reference is first made to the statements relating to FIG. 2 in this regard.
  • the fuel supply system 50 has a pressure bottle 51, a device for pressure reduction 52 that is inseparably connected to this, one in the device for
  • Pressure reduction device 52 located for pressure measurement and a metering valve 55.
  • the fuel supply system 50 is preferably connected to the fuel cells 12 via a flexible fuel line 40.
  • At least partial areas of the fuel supply system 50 can be arranged under a gas exhaust hood 60, the gas exhaust hood 60 being connected to the exhaust air system 62 of the fuel cell system 10 via at least one exhaust air line 61.
  • the gas extractor hood 60 can be a funnel-shaped structure.
  • the gas extractor hood has a single, large gas supply opening 34a, via which the gas enters the gas extractor hood 60.
  • a gas discharge opening 34b is provided on the opposite side of the gas exhaust hood 60.
  • the walls of the gas exhaust hood 60 have an oblique course 35 from the gas supply opening 34a to the gas discharge opening 34b so that the fuel escaping from the fuel supply system 50 can actually be supplied to the exhaust air line 61.
  • the fuel in particular the hydrogen
  • the gas exhaust hood 60 can be taken up directly via the gas exhaust hood 60 and can be safely led to the outside air.
  • the exhaust line 61 of the gas exhaust hood 60 opens into the exhaust system 62, which from the Fuel cell system 10 removes the exhaust air to the outside air.
  • the exhaust air line can advantageously be designed as a Venturi line.
  • At least one sensor device 22 for measuring the fuel content is / are advantageously provided in the gas exhaust hood 60 and / or in the exhaust air line 61 and / or in the exhaust air system 62, preferably in the exhaust air pipe 63.
  • it can be a hydrogen sensor that measures the hydrogen concentration in the exhaust air.
  • FIGS. 4 to 8 show various configurations of gas-tight housings 30 in which the individual subsystems of the fuel cell system 10, for example the fuel supply system 50 and / or the fuel cells 11, 12, can be arranged either individually or together.
  • the gas extractor hood shown in FIG. 3 can be dispensed with, since the housing takes over this functionality, as will be described below.
  • embodiments are also conceivable in which both a gas extractor hood and a gas-tight housing are used.
  • FIGS. 4 and 5 show a first embodiment of a housing 30 to accommodate the components of the fuel cell system 10 described above.
  • 5 shows an enlarged partial section marked X in FIG.
  • the entire fuel cell system 10 is sealed with a gas-tight envelope.
  • openings 34 are provided in the lower region of the housing 30 facing the housing base 31 and in the upper region facing the housing cover 32. These form an access to the outside air outside the housing 30 and thus bring about a continuous air circulation.
  • the lower openings 34 are gas supply openings 34a, while the upper openings are gas discharge openings 34b.
  • Housing 30 is diluted fuel until a predetermined limit, which is advantageously below the ignition limit or explosion limit, is reached or fallen below.
  • At least one sensor device for measuring the fuel content can advantageously be provided in the area of at least individual openings 34, in particular individual gas discharge openings 34b. This sensor device constantly checks the fuel content, for example the hydrogen content.
  • the housing cover 32 advantageously has an oblique course in the direction of the openings 34b.
  • the cover 32 of the housing 30 is therefore chamfered so that the fuel - such as hydrogen (the low density causes the fuel (hydrogen) to rise) to be discharged towards the upper air holes 34, the gas discharge openings 34b.
  • the invention is not limited to certain bevel angles W.
  • Advantageous angular ranges can be between 4 and 15 degrees.
  • the gas discharge openings 34b are formed directly on the transition edge between the housing cover 32 and the housing wall 33, so that no dead fuel volume can arise in the housing 30 remains. If the gas discharge openings 34b are formed at a certain distance from the housing cover 32 in the housing wall 33, a bend region (not shown) can be provided in the region of the openings 34b. This area in the transition between the housing cover 32 and the housing wall 33 is advantageously filled, so that fuel is prevented from being in it
  • Housing corner and above the openings 34 can accumulate.
  • the oblique course 35 of the housing cover can then have a bent guide area in the kink area, this guide area being aligned with the upper boundary of the openings 34. This ensures that the exhaust air flowing upwards is in any case transported to the openings 34 and through them to the outside of the housing 30.
  • a housing 30 is shown in FIGS. 6 to 8, which likewise has a beveled housing cover 32.
  • the housing shown in FIGS. 4 and 5. This time, however, only a single gas discharge opening 34b is provided for discharging gas, which is located in the uppermost region of the housing cover 32, so that no dead fuel volume can arise.
  • the individual components of the housing cover 32 have an oblique course 35 in such a way that they form a type of guide surface which guides the exhaust air located in the housing 30 to the gas discharge opening 34b.
  • the gas discharge openings 34b of the housings shown in FIGS. 4 to 8 can be connected to a suitable exhaust system of the fuel cell system. LIST OF REFERENCE NUMBERS

Landscapes

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

Abstract

Es wird ein Brennstoffzellensystem (10) beschrieben, mit wenigstens einer Brennstoffzelle (11, 12) und mit einem Kraftstoff-Versorgungssystem (50) für die Brennstoffzelle(n) (11, 12). Um ein konstruktiv einfach aufgebautes Brennstoffzellensystem bereitzustellen, bei dem dennoch keine Gefahr besteht, dass unerwünscht toxische oder brennbare Gase austreten können, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die wenigstens eine Brennstoffzelle (11, 12) und das Kraftstoff-Versorgungssystem (50) als voneinander unabhängige Teilsysteme des Brennstoffzellensystems (10) ausgebildet sind und dass die wenigstens eine Brennstoffzelle (11, 12) und das Kraftstoff-Versorgungssystem (50) trennbar miteinander verbunden sind.

Description

Beschreibung
Brennstoffzellensystem
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem, aufweisend wenigstens eine Brennstoffzelle sowie ein Kraftstoff-Versorgungssystem für die Brennstoffzelle(n).
Brennstoffzellensysteme sind bereits seit langem bekannt und haben in den letzten Jahren erheblich an Bedeutung gewonnen. Ähnlich wie Batteriesysteme erzeugen Brennstoffzellen elektrische Energie auf chemischem Wege, wobei die einzelnen Reaktanten kontinuierlich zugeführt und die Reaktionsprodukte kontinuierlich abgeführt werden.
Bei einer Brennstoffzelle werden die zwischen elektrisch neutralen Molekülen oder Atomen ablaufenden Oxidations- und Reduktionsprozesse in der Regel über einen Elektrolyten räumlich getrennt. Eine Brennstoffzelle besteht grundsätzlich aus einem Anodenteil, an den ein Kraftstoff zugeführt wird. Weiterhin weist die Brennstoffzelle einen Kathodenteil auf, an dem ein Oxidationsmittel zugeführt wird. Räumlich getrennt sind der Anoden- und Kathodenteil durch den Elektrolyten. Bei einem derartigen Elektrolyten kann es sich beispielsweise um eine Membran handeln. Solche Membranen haben die Fähigkeit, Ionen durchzuleiten, Gase jedoch zurückzuhalten. Die bei der Oxidation abgegebenen Elektronen lassen sich als elektrischer Strom durch einen Verbraucher leiten.
Als gasförmige Reaktionspartner für die Brennstoffzelle können beispielsweise Wasserstoff als Kraftstoff und Sauerstoff als Oxidationsmittel verwendet werden. Will man die Brennstoffzelle mit einem leicht verfügbaren oder leichter zu speichernden Kraftstoff wie etwa Erdgas, Propan, Methanol, Benzin, Diesel oder anderen Kohlenwasserstoffen betreiben, muss man den Kohlenwasserstoff in einer Vorrichtung zum Erzeugen/Aufbereiten eines Kraftstoffs in einem sogenannten Reformierungsprozess zunächst in ein wasserstoffreiches Gas umwandeln. Diese Vorrichtung zum Erzeugen/Aufbereiten eines Kraftstoffs besteht beispielsweise aus einer Dosiereinheit mit Verdampfer, einem Reaktor für die Reformierung, beispielsweise für die Wasserdampfreformierung, einer Gasreinigung sowie häufig auch wenigstens einem katalytischen Brenner zur Bereitstellung der Prozesswärme für die endothermen Prozesse, beispielsweise den Reformierungsprozess.
Ein Brennstoffzellensystem besteht in der Regel aus mehreren Brennstoffzellen, die beispielsweise wiederum aus einzelnen Schichten gebildet sein können. Die Brennstoffzellen sind vorzugsweise hintereinander angeordnet, beispielsweise sandwichartig übereinander gestapelt. Ein derart ausgebildetes
Brennstoffzellensystem wird dann als Brennstoffzellenstapel beziehungsweise Brennstoffzellenstack bezeichnet.
Brennstoffzellen können als mobile, aber auch als stationäre Systeme ausgestaltet sein und auf den unterschiedlichsten Gebieten zum Einsatz kommen. Zu denken ist hier beispielsweise an das Gebiet der Heizungstechnik oder das Gebiet der unterbrechungsfreien Stromversorgung (Notstromversorgung). Andere Einsatzmöglichkeiten finden sich im Bereich der Fahrzeugtechnik und dergleichen. Natürlich sind auch noch weitere Anwendungsgebiete denkbar, so dass die Erfindung selbstverständlich nicht auf die genannten Beispiele beschränkt ist.
Für den Betrieb eines Brennstoffzellensystems ist es wichtig, dass aus dem Brennstoffzellensystem keine toxischen oder brennbaren Gase unkontrolliert austreten können. Um dies zu gewährleisten, sind im Stand der Technik bereits verschiedene Lösungen bekannt geworden. In der DE 101 24 853 A1 etwa ist eine Brennstoffzelle beschrieben, die zur Vermeidung eines unerwarteten Austritts von Gasen innerhalb eines gasdichten Gehäuses angeordnet ist. Das Gehäuse weist für die Zuführung und Abführung von Medien geeignete Leitungsansätze auf, die in besonderer Weise abgedichtet werden müssen.
Die DE 100 65 269 C1 offenbart eine Brennstoffzellenanordnung, mit wenigstens einer Brennstoffzelle, diversen Peripheriegeräten sowie einem Kraftstoff- Versorgungssystem in Form einer Wasserstoffquelle. Die Wasserstoffquelle sowie deren dazugehörige Peripheriegeräte sind innerhalb eines geschlossenen Gehäuses angeordnet.
In der DE 101 50 385 A1 schließlich ist ein Brennstoffzellensystem offenbart, bei dem dessen Komponenten in einem Gehäuse angeordnet sind. Um nicht zu vermeidende Leckagen von Wasserstoff in das Gehäuse hinein kompensieren zu können, ist nach dieser bekannten Lösung vorgesehen, dass innerhalb des Gehäuses so genannte Rekombinatoren zum Rekombinieren des austretenden Wasserstoffs vorgesehen sind. Damit soll es gemäß dieser bekannten Lösung möglich werden, eine aktive Belüftung des Gehäuses auf ein Minimum zu reduzieren.
Derartige bekannte Systeme sind aber bezüglich der Abdichtungsproblematik konstruktiv aufwendig. Es existiert jeweils eine ganze Reihe von Einzelkomponenten des Brennstoffzellensystems, bei denen unkontrolliert beziehungsweise unerwünscht Gase austreten können. Zur Vermeidung unerwünschter Gasaustritte sind daher entweder besondere Abdichtungsmaßnahmen erforderlich, oder aber es sind zusätzliche Elemente wie Rekombinatoren oder dergleichen erforderlich.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein konstruktiv einfach aufgebautes Brennstoffzellensystem bereitzustellen, bei dem dennoch keine Gefahr besteht, dass unerwünscht toxische oder brennbare Gase austreten können. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch das Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 1. Weitere Vorteile, Details, Merkmale, Aspekte und Effekte der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung sowie den Zeichnungen.
Erfindungsgemäß wird ein Brennstoffzellensystem bereitgestellt, mit wenigstens einer Brennstoffzelle und mit einem Kraftstoff-Versorgungssystem für die Brennstoffzelle. Das Brennstoffzellensystem ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Brennstoffzelle und das Kraftstoff- Versorgungssystem als voneinander unabhängige Teilsysteme des Brennstoffzellensystems ausgebildet sind und dass die wenigstens eine Brennstoffzelle und das Kraftstoff-Versorgungssystem trennbar miteinander verbunden sind.
Ein grundlegender Aspekt der Erfindung besteht darin, das Kraftstoff- Versorgungssystem von der wenigstens einen Brennstoffzelle zu trennen, so dass, insbesondere zwei, voneinander unabhängige Teilsysteme entstehen. Jedes Teilsystem kann an sich zunächst hergestellt und entsprechend abgedichtet werden. Beim Zusammensetzten der Teilsysteme muss dann nur noch an dem jeweiligen Verbindungspunkt abgedichtet werden.
Erfindungsgemäß weist das Brennstoffzellensystem zunächst wenigstens eine Brennstoffzelle auf. Dabei ist die Erfindung nicht auf eine bestimmte Anzahl von Brennstoffzellen beschränkt. Beispielsweise können aber mehrere Brennstoffzellen vorgesehen sein, die dann in einem oder mehreren Brennstoffzellenstacks zusammengefasst sind. Auch ist die Erfindung nicht auf bestimmte Brennstoffzellentypen beschränkt. Beispielsweise kann es sich dabei um so genannte PEM-Brennstoffzellen handeln. Dies sind Brennstoffzellen, die eine Protonen leitende Membran aufweisen. Das Kraftstoff-Versorgungssystem weist wenigstens einen Tank zur Aufnahme des Kraftstoffs auf. Dabei ist die Erfindung nicht auf die Verwendung bestimmter Kraftstoffe beschränkt. Vorteilhaft kann als Kraftstoff Wasserstoff oder ein wasserstoffreiches Gas verwendet werden. Im letztgenannten Fall kann es sich bei dem Ausgangsmaterial des Kraftstoffs beispielsweise um Erdgas, Methanol, Propan, Benzin, Diesel oder einen anderen Kohlenwasserstoff handeln. Allerdings muss man den Kohlenwasserstoff dann in einer Vorrichtung zum Erzeugen/Aufbereiten des Kraftstoffs in einem so genannten Reformierungsprozess zunächst in ein wasserstoffreiches Gas umwandeln.
Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem kann vorteilhaft insbesondere für solche Brennstoffzellenanwendungen eingesetzt werden, bei denen eine Niedrigdruck-Versorgung mit Gasen notwendig ist.
Erfindungsgemäß sind die wenigstens eine Brennstoffzelle sowie das Kraftstoff- Versorgungssystem als voneinander unabhängige Teilsysteme ausgebildet. Wenn eine Komponente eines Teilsystems ausgetauscht werden soll, wird vorteilhaft jeweils das gesamte Teilsystem ausgetauscht. Somit kann verhindert werden, dass es beim Austausch von Komponenten zu unbeabsichtigten Undichtigkeiten kommt, über die toxische oder brennbare Gase entweichen können. Außerdem wird der konstruktive Aufwand erheblich verringert, da immer nur ganze Teilsysteme als Module ausgetauscht werden müssen. Eine entsprechende Abdichtung muss dann nur zwischen den einzelnen Teilsystemen realisiert werden. Um dies zu bewerkstelligen, sind die wenigstens eine Brennstoffzelle und das Kraftstoff- Versorgungssystem - also die beiden Teilsysteme des Brennstoffzellensystems - trennbar miteinander verbunden. Wenn die beiden Teilsysteme in einem wie weiter unten noch näher beschriebenen Gehäuse angeordnet sind, ist im Prinzip überhaupt keine separate Abdichtung erforderlich, wenn das Gehäuse selbst in ausreichender Weise belüftet wird, so dass der Mengengehalt an unerwünschten Gasen - beispielsweise an Kraftstoff - innerhalb des Gehäuses, unterhalb eines Grenzwerts — beispielsweise unterhalb der Zündgrenze oder Explosionsgrenze des Kraftstoffs - bleibt. Durch einen Belüftungsstrom mit ausreichend hohem Volumenstrom kann dann das im Gehäuse befindliche Gas derart verdünnt werden, dass sein Gehalt im Gehäuse unschädlich ist.
Die Verbindung der beiden Teilsysteme erfolgt dabei über eine geeignete Leitungsverbindung. Hierbei kann es sich vorteilhaft um wenigstens eine Kraftstoffleitung handeln, deren Material gegen den sie durchströmenden Kraftstoff resistent ist. Die Leitungsverbindung zwischen Kraftstoff-Versorgungssystem und Brennstoffzelle(n) ist vorzugsweise flexibel ausgeführt.
Nachfolgend wird ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel eines Kraftstoff- Versorgungssystems beschrieben, ohne dass die Erfindung jedoch auf dieses konkrete Beispiel beschränkt wäre. Vorteilhaft kann demgemäß vorgesehen sein, dass das Kraftstoff-Versorgungssystem einen Druckbehälter zur Aufnahme des Kraftstoffs, eine mit dem Druckbehälter verbundene Einrichtung zur Druckminderung sowie eine Sensorvorrichtung zur Druckmessung aufweist. Die Einrichtung zur Druckminderung ist vorzugsweise untrennbar mit dem Druckbehälter verbunden. Die Einrichtung zur Druckminderung kann auf verschiedene Weise ausgestaltet sein, so dass die Erfindung nicht auf bestimmte Ausgestaltungsformen beschränkt ist. Beispielsweise kann die Einrichtung zur Druckminderung verschiedene
Komponenten aufweisen, etwa wenigstens einen Druckminderer, wenigstens ein Überdruckventil, wenigstens ein Magnetventil und dergleichen. Zusätzlich können neben der Sensorvorrichtung zur Druckmessung auch noch weitere Drucksensorelemente vorgesehen sein.
Das Kraftstoff-Versorgungssystem kann somit beispielsweise durch ein Konzept für einen Druckbehälter mit integrierter Einrichtung zur Druckminderung und Sensorik realisiert werden. Die Einrichtung zur Druckminderung bewirkt, dass in die Brennstoffzelle(n) ausschließlich definierte Drücke eingeleitet werden. Über die Sensortechnik wird eine Kommunikations- beziehungsweise Reglungsmöglichkeit zwischen Brennstoffzelle(n) und Kraftstoff-Versorgungssystem ermöglicht. Der Druckbehälter ist vorteilhaft mit der Einrichtung zur Druckminderung unlösbar verbunden. Insbesondere dann, wenn mehrere Druckbehälter verwendet werden, kann eine einzige zentrale Einrichtung zur Druckminderung vorgesehen sein, die mit allen Druckbehältern verbunden ist. Wenn der wenigstens eine Druckbehälter in einem Gehäuse angeordnet ist, können die Einrichtung zur Druckminderung und eventuell auch die Sensorvorrichtung zur Druckmessung zentral in dem Gehäuse angeordnet sein. Die Einrichtung zur Druckminderung bewirkt, dass der am Ausgang noch vorhandene Druck einen Grenzwert nicht überschreiten kann. Beispielsweise kann der Druck auf 0,5 bar über Atmosphärendruck begrenzt werden. Bei Austausch kann beispielsweise immer die Einheit aus Druckbehälter, Einrichtung zur Druckminderung und Sensorvorrichtung gewechselt werden.
Über die Sensorvorrichtung zur Druckmessung kann beispielsweise die Füllmenge innerhalb des Druckbehälters gemessen werden. Dazu kann ein entsprechendes Sensorelement beispielsweise in dem Druckbehälter und/oder der Einrichtung zur Druckminderung vorgesehen sein.
Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf eine bestimmte Ausgestaltung der Sensorvorrichtung beschränkt. Nachfolgend werden diesbezüglich einige nicht ausschließliche Beispiele näher erläutert.
Zur Regelung kann beispielsweise vorgesehen sein, dass über eine Leitung, über Funk oder dergleichen ein Sensorsignal abgesendet wird - vorzugsweise zu einer weiter unten noch näher beschriebenen Steuereinrichtung - wenn der im Druckbehälter herrschende Druck einen bestimmten Wert über- und/oder unterschreitet.
Die Sensorvorrichtung zur Druckmessung kann vorteilhaft einen elektromechanischen Sensor aufweisen, wodurch ermöglicht wird, beispielsweise über ein elektrisches Signal, das gemessene druckabhängige Signal abzugreifen. Mit dieser Sensortechnik kann dann eine Kommunikations- beziehungsweise Regelungsmöglichkeit zwischen Brennstoffzelle(n) und Kraftstoff-Versorgungssystem geschaffen werden.
Eine Einrichtung zur Druckminderung, bei der es sich um eine Vorrichtung zur Druckminderung von Gasen handelt, ist folglich dadurch gekennzeichnet, dass diese mindestens eine Vorrichtung zur Messung des Gasdrucks (Sensorvorrichtung) auf deren Eingangsseite enthält, oder aber mit einer solchen zumindest zeitweilig zusammenwirkt. Diese Vorrichtung könnte aber auch im Druckbehälter selbst vorgesehen sein.
Vorteilhaft ist die Einrichtung zur Druckminderung von Gasen weiterhin dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Vorrichtung zur Messung des Gasdrucks (Sensorvorrichtung) eine Vorrichtung zur elektrischen Ausgabe des gemessenen Signals besitzt.
Die Vorrichtung zur Messung des Gasdrucks, beziehungsweise die Sensorvorrichtung zur Druckmessung kann auf unterschiedlichste Weise ausgebildet sein. Beispielsweise kann diese einen piezoelektrischen Sensor enthalten. Auch ist denkbar, dass diese einen Membran-Sensor enthält.
Vorteilhaft können zumindest Teilbereiche des Kraftstoff-Versorgungssystems und/oder zumindest Teilbereiche der wenigstens einen Brennstoffzelle unter einer Gasabzugshaube und/oder innerhalb eines gasdichten Gehäuses angeordnet sein. Dabei sind unterschiedliche Realisierungsmöglichkeiten denkbar. So kann vorgesehen sein, dass jedes einzelne Teilsystem separat für sich oder zumindest einzelne Teilsysteme des Brennstoffzellensystems unter einer Gasabzugshaube und/oder innerhalb eines Gehäuses angeordnet ist. Es sind jedoch auch Fälle denkbar, in denen beide Teilsysteme beziehungsweise alle des Brennstoffzellensystems unter einer gemeinsamen Gasabzugshaube und/oder innerhalb eines gemeinsamen gasdichten Gehäuses angeordnet sind. Bei einem Gehäuse, in dem das Kraftstoff-Versorgungssystem angeordnet ist, kann es sich beispielsweise um einen Flaschenschrank zur Aufnahme von Druckflaschen handeln.
Vorteilhaft kann das Brennstoffzellensystem ein gasdichtes Gehäuse aufweisen, wobei die wenigstens eine Brennstoffzelle sowie das Kraftstoff-Versorgungssystem innerhalb des Gehäuses angeordnet sind. In diesem Fall kann das gesamte Brennstoffzellensystem mit einer gasdichten Umhüllung verschlossen sein.
Das gasdichte Gehäuse weist weiterhin vorteilhaft auch entsprechende Zuluft- und Abiuftversorgungssysteme auf. Über das Versorgungssystem wird beispielsweise Luft in das Gehäuse transportiert, um vorzugsweise in das Gehäuse austretenden Kraftstoff bis unter einen bestimmten Grenzwert zu verdünnen und aus dem Gehäuse zu entfernen. Anstelle von Luft können auch andere Gase verwendet werden. Die Verwendung eines bestimmten Gases ergibt sich in erster Linie nach der Verwendung des Kraftstoffs, wobei jedoch die Verwendung von Luft, insbesondere von Außenluft, bevorzugt ist.
Vorteilhaft weist die Gasabzugshaube und/oder das gasdichte Gehäuse wenigstens eine Gasableitungsöffnung auf. Wenigstens eine Gasableitungsöffnung ist an der höchsten Stelle der Gasabzugshaube oder des gasdichten Gehäuses vorgesehen und weist wenigstens einen Gasaustrittspunkt auf. Wenn als Kraftstoff Gase verwendet werden, die leichter als Luft sind, steigen diese innerhalb der Gasabzugshaube oder innerhalb des Gehäuses nach oben, wo sie dann nach außen austreten können. Vorteilhaft können im Deckenbereich der Gasabzugshaube oder des Gehäuses Leitelemente vorgesehen sein, die das Gas zu der entsprechenden Gasableitungsöffnung hinleiten. Hierbei kann es sich beispielsweise um entsprechend abgeschrägte Teilbereiche der Decke handeln.
Wenn der Kraftstoff - etwa Wasserstoff - leichter als Luft ist und nach oben steigt/strömt, sammelt die Gasabzugshaube, die generell eine Form nach dem Prinzip eines Trichters aufweisen kann, den Kraftstoff ein und führt diesen anschließend über die wenigstens eine Gasableitungsöffnung ab. Wenn ein gasdichtes Gehäuse verwendet wird, kann man sich dasselbe Prinzip zunutze machen, indem durch Luftzirkulation, beispielsweise natürliche Konvektion, kein Kraftstoff im Arbeitsraum des Brennstoffzellensystems verbleibt, sondern über die wenigstens eine Gasableitungsöffnung abgeführt wird.
In weiterer Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass die Gasabzugshaube und/oder das gasdichte Gehäuse wenigstens eine Gaszuleitungsöffnung aufweist. Bei der Gasabzugshaube handelt es sich dabei um den breiten Eintrittsbereich der Haube. Beim Gehäuse kann die wenigstens eine Gaszuleitungsöffnung vorzugsweise in dem dem Gehäuseboden zugewandten Bereich angeordnet sein, so dass eine Gaszirkulation innerhalb des Gehäuses entstehen kann.
Vorteilhaft kann die Gasabzugshaube und/oder das gasdichte Gehäuse über wenigstens eine Abluftleitung mit einem Abluftsystem des Brennstoffzellensystems verbunden sein. Die Abluftleitung ist dabei vorteilhaft mit wenigstens einer Gasableitungsöffnung verbunden.
Im Fall einer fehlerhaften Handhabung oder eines technischen Fehlers kann der Kraftstoff, insbesondere der Wasserstoff, über die Gasabzugshaube oder im
Gehäuse direkt aufgenommen und sicher an die Außenluft geführt werden. Eine Abluftleitung der Gasabzugshaube beziehungsweise des Gehäuses mündet vorteilhaft in ein Abluftsystem, welches aus dem Brennstoffzellensystem die Abluft an die Außenluft abführt.
Vorteilhaft kann die Abluftleitung als Venturileitung ausgebildet sein. Das bedeutet, dass in einer ersten Abluftleitung ein Volumenstrom mit der Geschwindigkeit v1 erzeugt wird. Eine weitere Abluftleitung, welche zumindest in ihrem Endbereich innerhalb der ersten Abluftleitung angeordnet ist und in dieser in Strömungsrichtung parallel dazu verläuft sowie einen Gasstrom mit der Geschwindigkeit v2 besitzt, wird durch den größeren Luftstrom mit der Geschwindigkeit v1 derart beeinflusst, dass ein Unterdruck entsteht, welcher aus der Anpassung der Geschwindigkeiten v1 und v2 aneinander resultiert.
In vorteilhafter Ausgestaltung kann das Abluftsystem ein Abluftrohr aufweisen und die Abluftleitung in das Abluftrohr einmünden.
Vorzugsweise kann/können in der Gasabzugshaube und/oder in dem gasdichten Gehäuse und/oder in der Abluftleitung und/oder in dem Abluftsystem wenigstens eine Sensorvorrichtung zur Messung des Kraftstoffgehalts vorgesehen sein. Dabei kann es sich beispielsweise um einen Wasserstoffsensor handeln, der die
Wasserstoffkonzentration in der Abluft misst. Bei Erreichen der unteren und/oder oberen Zündgrenzen des Kraftstoffs oder aber entsprechender toxischer Grenzwerte wird das gesamte System kontrolliert abgeschaltet und möglicherweise ein Zuluftstrom eines geeigneten Mediums soweit erhöht, dass die Sicherheit jederzeit erreicht wird.
In dem gasdichten Gehäuse können zum Zwecke der Luftzirkulation in dem dem Gehäuseboden zugewandten unteren und/oder in dem dem Gehäusedeckel zugewandten oberen Bereich des Gehäuses Öffnungen vorgesehen sein. Diese bilden dann einen Zugang zur Außenluft außerhalb des Gehäuses und bewirken somit eine kontinuierliche Luftzirkulation. Die Öffnungen können in wenigstens einer Seitenwand des Gehäuses und/oder im Gehäusedeckel beziehungsweise im Gehäuseboden selbst ausgebildet sein.
In anderer Ausgestaltung kann im gasdichten Gehäuse zum Zwecke der
Luftzirkulation in dem dem Gehäuseboden zugewandten unteren Gehäusebereich wenigstens ein Gaseinlass und in dem dem Gehäusedeckel zugewandeten oberen Gehäusebereich wenigstens ein Gasauslass vorgesehen sein. Diese können in wenigstens einer Seitenwand des Gehäuses und/oder im Gehäusedeckel beziehungsweise im Gehäuseboden selbst ausgebildet sein. Dadurch lassen sich insbesondere passive Lüftungskonzepte realisieren, mit unten liegendem Gaseinlass und oben liegendem Gasauslass. Ziel dabei ist es, dass durch natürliche Konvektion eventuell austretender Kraftstoff durch das eingeleitete Gas, beispielsweise Luft soweit verdünnt wird, dass kein explosionsfähiges oder zündfähiges Gemisch entsteht.
Vorteilhaft können in der Gasabzugshaube und/oder im gasdichten Gehäuse Mittel zur Einstellung einer Gaszirkulation mit vorgegebenem Gas-Volumenstrom vorgesehen sein. In einem solchen Fall würde auch keine zusätzliche Abdichtung zwischen den beiden Teilsystemen Brennstoffzelle(n) einerseits und Kraftstoff- Verteilungssystem andererseits benötigt, wenn der Volumenstrom des zirkulierenden Gases so hoch ist, dass der in das Gehäuse austretende Kraftstoff immer unterhalb der Zündgrenze oder Explosionsgrenze verdünnt wird. Bei den Mitteln kann es sich beispielsweise um besonders ausgestaltete und dimensionierte Öffnungen handeln, die vorstehend bereits beschrieben wurden und denen bei Bedarf optional noch geeignete Fördereinrichtungen - Gebläse, Lüfter und dergleichen- zugeordnet sein können.
Vorteilhaft kann im Bereich zumindest einzelner Öffnungen wenigstens eine Sensorvorrichtung zur Messung des Kraftstoffgehalts vorgesehen sein. Diese Sensorvorrichtung überprüft ständig den Kraftstoffgehalt, beispielsweise den
Wasserstoffgehalt. Wenn ein kritischer Wert erreicht wird (zum Beispiel kurz vor der unteren Explosionsgrenze), schaltet sich das gesamte Brennstoffzellensystem beispielsweise ab. Mit dem Abschalten des Systems werden alle Zündquellen beseitigt und der Kraftstoff (Wasserstoff) kann ohne die Gefahr einer Explosion durch die Luftlöcher entweichen.
In weiterer Ausgestaltung kann die Gasabzugshaube und/oder das gasdichte Gehäuse (beispielsweise der Gehäusedeckel) in Richtung der wenigstens einen Gasableitöffnung einen zumindest bereichsweise schrägen Verlauf aufweisen. Die Abschrägung wird vorteilhaft deshalb vorgenommen, damit der Kraftstoff - etwa
Wasserstoff - (die geringe Dichte bewirkt, dass der Kraftstoff (Wasserstoff) aufsteigt) in Richtung der oberen Gasableitöffnung(en) abgeleitet wird. Ein vorteilhaft vorgesehener Sensor im oberen Bereich des Gehäuses beziehungsweise der Gasabzugshaube überprüft ständig den Kraftstoffstoffgehalt. Die schräge Fläche kann in Bezug auf die Waagerechte vorteilhaft einen Abschrägwinkel W zwischen 4 und 15 Grad aufweisen.
Die vorgenannte Ausgestaltung des Brennstoffzellensystems kann vorteilhaft bei Verwendung von Wasserstoff als Kraftstoff zur Anwendung kommen. Natürlich kann diese auch zur Anwendung kommen, wenn das Brennstoffzellensystem mit anderen Kraftstoffen als Wasserstoff betrieben wird, die leichtrer als Luft sind. Werden Kraftstoffe verwendet, die schwerer als Luft sind, könnte gegebenenfalls mit geeigneten Fördereinrichtungen, etwa Ventilatoren oder dergleichen, gearbeitet werden.
Vorzugsweise kann weiterhin vorgesehen sein, dass eine Steuereinrichtung zum Steuern der wenigstens einen Brennstoffzelle sowie des Kraftstoff- Versorgungssystems vorgesehen ist. Die Steuereinrichtung ist vorteilhaft zumindest zeitweilig mit den im Brennstoffzellensystem befindlichen Sensorvorrichtungen verbunden und kommuniziert mit diesen. Die Steuereinrichtung kann somit zum einen eine Kommunikations- und Regelungsmöglichkeit zwischen Brennstoffzelle(n) und Kraftstoff-Versorgungssystem ermöglichen. Des Weiteren kann der Betrieb des Brennstoffzellensystems kontinuierlich und dynamisch überwacht werden, so dass das Brennstoffzellensystem bei auftretenden Gefahren unverzüglich abgestellt oder zurückgefahren werden kann.
Vorteilhaft kann das wie vorstehend beschriebene erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem als Aggregat zur unterbrechungsfreien Stromversorgung (Notstromversorgungsaggregat) verwendet werden. Natürlich ist die Erfindung nicht auf diese konkrete Verwendungsmöglichkeit beschränkt. Bei dem Brennstoffzellensystem kann es sich vorteilhaft um ein 2 kW Brennstoffzellensystem handeln. Dabei kann das Brennstoffzellensystem vorzugsweise auch modulartig aus mehreren Brennstoffzellenun ersystemen aufgebaut sein, wobei dann jedes Brennstoffzellenuntersystem vorteilhaft jeweils ein 2 kW System ist.
Wie weiter oben bereits ausgeführt wurde, betrifft die vorliegende Erfindung unter anderem ein Versorgungssystem zur Kraftstoffversorgung für eine Brennstoffzelle. Ziel der Erfindung ist es, eine sichere Versorgung für Brennstoffzellensysteme zu gewährleisten. Hierfür ist es vorteilhaft, das Kraftstoff-Versorgungssystem von der/den Brennstoffzelle(n) zu trennen, so dass zwei voneinander unabhängige Systeme entstehen. Aus Sicherheitsgründen ist es bei entsprechender Ausgestaltung des Kraftstoff-Versorgungssystems vorteilhaft, beim Austausch immer die Einheit aus Druckbehälter, Einrichtung zur Druckminderung und Sensorvorrichtung zu wechseln.
Nachfolgend werden Schlüsselfaktoren für die Definition von Produkten beschrieben. Die Produktdefinition wird sehr stark durch den Kraftstoff, beispielsweise den Wasserstoff, bestimmt. Entsprechende Schlüsselfaktoren sind beispielsweise Sicherheit, Zuverlässigkeit, Energieinhalt und Logistik, H2-Dichtigkeit, Zündgrenzen (4 bis 75% H2 in Luft), 101-, 50I-H2-Druckbehälter, H2-Bündel (6 x 50I, 12 x 50I oder dergleichen), Zu- und Abluft für das Produkt und dergleichen. Die Energiedichte in den H2-Druckbehältern bedingt die Größe und Dauer der elektrischen Leistung des Produktes.
Wenn die Druckbehälter im Betrieb des Brennstoffzellensystems ausgetauscht werden kann es vorteilhaft sein, neben dem im Betrieb befindlichen Druckbehälter wenigstens einen weiteren Druckbehälter parallel zum ersten Druckbehälter angeschlossen zu haben. Über einen geeigneten Umschaltmechianismus zwischen den Druckbehältern kann dann ein unterbrechungsfreier Betrieb sichergestellt werden, wenn ein leerer Druckbehälter gegen einen gefüllten Druckbehälter ausgetauscht wird.
Einzelne Brennstoffzellensysteme können modulartig aufgebaut sein. Ein Modul kann beispielsweise jeweils die Brennstoffzelle(n) und die dazugehörigen
Peripheriegeräte, sowie eine Kraftstoffversorgung aufweisen. Für den Betrieb eines Moduls ist weiterhin wenigstens eine Steuereinrichtung mit entsprechender Leistungselektronik und Kontrolleinrichtungen erforderlich. Werden mehrere Module eingesetzt, kann es aber ausreichend sein, dass nur eine Steuereinrichtung eingesetzt werden muss.
Die Erfindung wird nun exemplarisch anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 eine schematische Übersichtsdarstellung eines Brennstoffzellensystems; Figur 2 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems, bestehend aus Brennstoffzelle(n) und Kraftstoff- Versorgungssystem; Figur 3 eine weitere schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems;
Figur 4 eine schematische, perspektivische Darstellung eines Gehäuses für ein Brennstoffzellensystem; Figur 5 eine vergrößerte Teilansicht des in Figur 4 dargestellten Gehäuses; Figur 6 eine schematische, perspektivische Darstellung eines anderen Gehäuses für ein Brennstoffzellensystem;
Figur 7 eine Schnittansicht entlang der Schnittlinie A-A in Figur 6; und Figur 8 eine Draufsicht auf das Gehäuse gemäß Figur 6.
In Figur 1 ist in allgemeiner Form ein Brennstoffzellensystem 10 dargestellt, das zunächst über wenigstens einen Brennstoffzellenstack 11 mit einer Anzahl von Brennstoffzellen 12 verfügt. Die Brennstoffzellen 11 , sowie alle nachfolgend beschriebenen Komponenten befinden sich in einem Gehäuse 30, um einen unerwünschten Austritt von Kraftstoff, im vorliegenden Beispiel Wasserstoff, zu verhindern. Links und rechts vom Brennstoffzellenstack 11 befinden sich Feuchtewärmetauscher 13, 14, die mit geeigneten Fördereinrichtungen 16, 17 in Verbindung stehen, beispielsweise geeigneten Gebläsen, um ein geeignetes
Feuchtigkeitsmanagement innerhalb des Brennstoffzellensystems 10 zu realisieren.
Das Gehäuse 30 verfügt über eine zentrale Zuluft-Eintrittsleitung 18 im Bereich des Gehäusebodens. Weiterhin verfügt das Gehäuse 30 im Bereich des Gehäusedeckels über eine zentrale Abluft-Austrittsleitung 19. Diese steht in Verbindung mit einer Fördereinrichtung 20, im vorliegenden Beispiel einem (Abluft-)Gebläse im Saugbetrieb. Alternativ könnte eine geeignete Fördereinrichtung beispielsweise auch in der Zuluft-Eintrittsleitung 18 vorgesehen sein. Zur Kühlung des Brennstoffzellensystems 10 ist ein Kühlsystem 15 vorgesehen. Im Bereich der Abluftleitung 19 sind weiterhin ein Luftdruckschalter 21 oder Strömungsrichter sowie ein Sensorelement 22 zur Messung des Wasserstoffgehalts vorgesehen. Da Wasserstoff leichter als Luft ist, steigt dieser im Gehäuse 30 nach oben und sammelt sich im Bereich des Gehäusedeckels. In diesem Bereich ist das Sensorelement 22 vorgesehen. Sofern dieses einen Wasserstoffgehalt detektiert, der oberhalb eines festgelegten Grenzwerts liegt, wird das Brennstoffzellensystem mittels einer nicht dargestellten Steuereinrichtung automatisch zurückgefahren, oder gar heruntergefahren.
Das in Figur 2 dargestellte Brennstoffzellensystem 10 besteht zunächst aus den Brennstoffzellen 12 beziehungsweise wenigstens einem Brennstoffzellenstack 11. Weiterhin ist ein Kraftstoff-Versorgungssystem 50 vorgesehen. Die beiden Teilsysteme des Brennstoffzellensystems 10 sind über eine geeignete Leitung 40, beispielsweise eine flexible Kraftstoffleitung, miteinander verbunden. Die beiden Teilsysteme sind trennbar miteinander verbunden, so dass - insbesondere zwei - voneinander unabhängige Systeme entstehen. Das Kraftstoff-Versorgungssystem 50 besteht zunächst aus wenigstens einem Druckbehälter 51 , beispielsweise einer Druckflasche, in der der Wasserstoff beispielsweise mit einem Druck von 200 bar gespeichert werden kann. Der Druckbehälter stellt somit ein Hochdrucksystem dar. Die Brennstoffzellen hingegen benötigen eine Niedrigdruck-Versorgung mit Kraftstoff. Aus diesem Grund ist der Druckbehälter 51 unlösbar mit einer Einrichtung zur Druckminderung 52 verbunden, so dass der das Kraftstoff-Versorgungssystem 50 verlassende Kraftstoff einen für den Brennstoffzellenbetrieb geeigneten Druck hat, der beispielsweise 0,5 bar nicht übersteigt. Zur Feststellung der Füllmenge im Druckbehälter 51 ist in der Einrichtung zur Druckminderung 52 eine Sensorvorrichtung 53 zur Druckmessung vorgesehen, die ein entsprechendes Sensorsignal 54 erzeugt, dass an eine nicht dargestellte Steuereinrichtung weitergeleitet werden kann. Bei der Sensorvorrichtung 53 kann es sich beispielsweise um einen elektromagnetischen Sensor handeln, der es ermöglicht, beispielsweise über ein entsprechendes elektrisches Signal, ein gemessenes druckabhängiges Signal abzugreifen. Durch die Verwendung der
Sensorvorrichtung 53, sowie noch weiterer Sensorelemente, die im weiteren Verlauf der Figurenbeschreibung noch näher erläutert werden, kann - vorzugsweise über die Steuereinrichtung - eine Kommunikations- beziehungsweise Regelungsmöglichkeit zwischen den Brennstoffzellen 11 , 12 und dem Kraftstoff-Versorgungssystem 50 ermöglicht werden. Zusätzlich verfügt das Kraftstoff-Versorgungssystem noch über ein geeignetes Dosierventil 55 zum Zudosieren des Kraftstoffs in die Brennstoffzelle(n).
Das in Figur 3 dargestellte Brennstoffzellensystem besteht aus einer Anzahl von Brennstoffzellen 12, die in wenigstens einem Brennstoffzellenstack 11 zusammengefasst sind. Über eine Kraftstoffleitung 40 werden die Brennstoffzellen 12 mit einem geeigneten Kraftstoff, beispielsweise Wasserstoff, versorgt. Zur Dosierung kann dazu ein geeignetes Ventil 25 vorgesehen sein. Weiterhin sind die Brennstoffzellen 12 mit einer Luftzuleitung 23 verbunden. Der Luftstrom kann über eine geeignete Fördereinrichtung 24, beispielsweise ein Gebläse, reguliert werden. Das Abtransportieren der Abluft aus den Brennstoffzellen 12 erfolgt über ein Abluftsystem 62. Dieses verfügt zunächst über eine Abluftleitung 64, in der zu Dosierzwecken ein Ventil 26 vorgesehen ist. Weiterhin ist ein Abluftrohr 63 vorgesehen, in welches die Abluftleitung 64 einmündet.
Das Brennstoffzellensystem 10 verfügt ferner über ein Kraftstoff-Versorgungssystem 50, das in ähnlicher Weise wie in Figur 2 ausgebildet ist, so dass diesbezüglich zunächst auf die Ausführungen zu Figur 2 verwiesen wird. Das Kraftstoff- Versorgungssystem 50 verfügt über eine Druckflasche 51 , eine untrennbar mit dieser verbundene Einrichtung zur Druckminderung 52, eine in der Einrichtung zur
Druckminderung 52 befindliche Sensorvorrichtung 53 zur Druckmessung sowie ein Dosierventil 55. Das Kraftstoff-Versorgungssystem 50 ist vorzugsweise über eine flexible Kraftstoffleitung 40 mit den Brennstoffzellen 12 verbunden.
Vorteilhaft können zumindest Teilbereiche des Kraftstoff-Versorgungssystems 50 unter einer Gasabzugshaube 60 angeordnet sein, wobei die Gasabzugshaube 60 über wenigstens eine Abluftleitung 61 mit dem Abluftsystem 62 des Brennstoffzellensystems 10 verbunden ist. Bei der Gasabzugshaube 60 kann es sich um ein trichterförmiges Gebilde handeln. Die Gasabzugshaube weist eine einzige, große Gaszuleitungsöffnung 34a auf, über die das Gas in die Gasabzugshaube 60 eintritt. Auf der gegenüberliegenden Seite der Gasabzugshaube 60 ist eine Gasableitungsöffnung 34b vorgesehen. Die Wandungen der Gasabzugshaube 60 weisen von der Gaszuleitungsöffnung 34a zur Gasableitungsöffnung 34b hin einen schrägen Verlauf 35 auf, damit der dem Kraftstoff-Versorgungssystem 50 entweichende Kraftstoff auch tatsächlich der Abluftleitung 61 zugeführt werden kann.
Im Fall einer fehlerhaften Handhabung oder eines technischen Fehlers kann der Kraftstoff, insbesondere der Wasserstoff, über die Gasabzugshaube 60 direkt aufgenommen und sicher an die Außenluft geführt werden. Die Abluftleitung 61 der Gasabzugshaube 60 mündet in das Abluftsystem 62, welches aus dem Brennstoffzellensystem 10 die Abluft an die Außenluft abführt. Vorteilhaft kann die Abluftleitung als Venturileitung ausgebildet sein.
Vorteilhaft ist/sind in der Gasabzugshaube 60 und/oder in der Abluftleitung 61 und/oder in dem Abluftsystem 62, vorzugsweise in dem Abluftrohr 63, wenigstens eine Sensorvorrichtung 22 zur Messung des Kraftstoffgehalts vorgesehen. Dabei kann es sich beispielsweise um einen Wasserstoffsensor handeln, der die Wasserstoffkonzentration in der Abluft misst. Bei Erreichen der unteren und/oder oberen Zündgrenzen des Kraftstoffs oder aber entsprechender toxischer Grenzwerte wird das gesamte Brennstoffzellensystem 10 kontrolliert abgeschaltet oder zurückgefahren.
In den Figuren 4 bis 8 schließlich sind verschiedene Ausgestaltungsformen von gasdichten Gehäusen 30 dargestellt, in denen die einzelnen Teilsysteme des Brennstoffzellensystems 10, beispielsweise das Kraftstoff-Versorgungssystem 50 und/oder die Brennstoffzellen 11 , 12, entweder einzeln oder gemeinsam angeordnet sein können.
Wenn ein solches Gehäuse 30 verwendet wird, kann auf die in Figur 3 dargestellte Gasabzugshaube verzichtet werden, da das Gehäuse, wie nachfolgend beschrieben wird, diese Funktionalität übernimmt. Natürlich sind auch Ausführungsformen denkbar, bei denen sowohl eine Gasabzugshaube als auch ein gasdichtes Gehäuse verwendet werden.
In den Figuren 4 und 5 ist eine erste Ausführungsform eines Gehäuses 30 dargestellt, um die zuvor beschriebenen Komponenten des Brennstoffzellensystems 10 aufzunehmen. Dabei zeigt Figur 5 einen in Figur 4 mit X gekennzeichneten vergrößerten Teilausschnitt. In diesem Beispiel wird das gesamte Brennstoffzellensystem 10 mit einer gasdichten Umhüllung verschlossen. Zum Zwecke der Luftzirkulation sind in dem dem Gehäuseboden 31 zugewandten unteren und in dem dem Gehäusedeckel 32 zugewandten oberen Bereich des Gehäuses 30 Öffnungen 34 vorgesehen. Diese bilden einen Zugang zur Außenluft außerhalb des Gehäuses 30 und bewirken somit eine kontinuierliche Luftzirkulation. Bei den unteren Öffnungen 34 handelt es sich um Gaszuleitungsöffnungen 34a, während es sich bei den oberen Öffnungen um Gasableitungsöffnungen 34b handelt.
Wenn aus dem Brennstoffzellensystem 10 unerwünscht Kraftstoff ausströmt, der leichter als Luft ist (zum Beispiel Wasserstoff), steigt dieser zum Gehäusedeckel 32 auf. Durch die über die Gaszuleitungsöffnungen 34a zugeleitete Luft wird der im
Gehäuse 30 befindliche Kraftstoff soweit verdünnt, bis eine vorgegebene Grenze, die vorteilhafterweise unter der Zündgrenze oder Explosionsgrenze liegt, erreicht beziehungsweise unterschritten ist.
Vorteilhaft kann im Bereich zumindest einzelner Öffnungen 34, insbesondere einzelner Gasableitungsöffnungen 34b, wenigstens eine Sensorvorrichtung zur Messung des Kraftstoffgehalts vorgesehen sein. Diese Sensorvorrichtung überprüft ständig den Kraftstoffgehalt, beispielsweise den Wasserstoffgehalt.
Vorteilhaft weist der Gehäusedeckel 32 in Richtung der Öffnungen 34b einen schrägen Verlauf auf. Der Deckel 32 des Gehäuses 30 wird deshalb abgeschrägt, damit der Kraftstoff - etwa Wasserstoff - (die geringe Dichte bewirkt, dass der Kraftstoff (Wasserstoff) aufsteigt) in Richtung der oberen Luftlöcher 34, der Gasableitungsöffnungen 34b, abgeleitet wird.
Die Erfindung ist nicht auf bestimmte Abschrägungswinkel W beschränkt. Vorteilhafte Winkelbereiche können zwischen 4 und 15 Grad liegen.
Wie insbesondere in Figur 5 dargestellt ist, sind die Gasableitungsöffnungen 34b direkt an der Übergangskante zwischen Gehäusedeckel 32 und Gehäusewand 33 ausgebildet, damit kein Kraftstoff-Totvolumen entstehen kann, das im Gehäuse 30 verbleibt. Sofern die Gasableitungsöffnungen 34b mit einem gewissen Abstand vom Gehäusedeckel 32 in der Gehäusewand 33 ausgebildet sind, kann im Bereich der Öffnungen 34b ein Abknickbereich (nicht dargestellt) vorgesehen sein. Dieser Bereich im Übergang zwischen Gehäusedeckel 32 und Gehäusewand 33 ist vorteilhaft ausgefüllt, so dass verhindert wird, dass sich Kraftstoff in dieser
Gehäuseecke und oberhalb der Öffnungen 34 ansammeln kann. Der schräge Verlauf 35 des Gehäusedeckels kann dann im Abknickbereich einen abgeknickten Leitbereich aufweisen, wobei dieser Leitbereich mit der oberen Begrenzung der Öffnungen 34 fluchtet. Somit wird sichergestellt, dass die nach oben strömende Abluft auf jeden Fall zu den Öffnungen 34 und durch diese nach außen aus dem Gehäuse 30 transportiert wird.
In den Figuren 6 bis 8 ist ein Gehäuse 30 dargestellt, das ebenfalls einen abgeschrägten Gehäusedeckel 32 aufweist. Zum Grundaufbau des Gehäuses wird zunächst auf das in den Figuren 4 und 5 dargestellte Gehäuse verwiesen. Zur Ableitung von Gas ist diesmal jedoch nur eine einzige Gasableitungsöffnung 34b vorgesehen, die sich im obersten Bereich des Gehäusedeckels 32 befindet, damit kein Kraftstoff-Totvolumen entstehen kann. Die einzelnen Bestandteile des Gehäusedeckels 32 weisen einen schrägen Verlauf 35 auf, derart, dass diese eine Art Leitflächen bilden, die die im Gehäuse 30 befindliche Abluft zu der Gasableitungsöffnung 34b leiten.
Die Gasableitungsöffnungen 34b der in den Figuren 4 bis 8 dargestellten Gehäuse können mit einem geeigneten Abluftsystem des Brennstoffzellensystems verbunden sein. Bezugszeichenliste
10 Brennstoffzellensystem
11 Brennstoffzellenstack
12 Brennstoffzelle
13 Feuchtewärmetauscher
14 Feuchtewärmetauscher
15 Kühlsystem
16 Fördereinrichtung
17 Fördereinrichtung
18 Zuluftleitung
19 Abluftleitung
20 Fördereinrichtung
21 Luftdruckschalter
22 Sensorvorrichtung zur Messung des Kraftstoffgehalts
23 Zuleitung
24 Fördereinrichtung
25 Ventil
26 Ventil
30 Gehäuse
31 Gehäuseboden
32 Gehäusedeckel
33 Gehäusewand
34 Öffnungen
34a Gaszuleitungsöffnung
34b Gasableitungsöffnung
35 Schräger Verlauf des Gehäusedeckels
40 Leitung Kraftstoff-Versorgu ngssystem
Druckbehälter
Einrichtung zur Druckminderung
Sensorvorrichtung zur Druckmessung
Sensorsignal
Dosierventil
Gasabzugshaube
Abluftleitung
Abluftsystem
Abluftrohr
Abluftleitung
Abschrägwinkel

Claims

Patentansprüche
1. Brennstoffzellensystem, mit wenigstens einer Breri nstoffzelle (11 , 12) und mit einem Kraftstoff-Versorgungssystem (50) für die Brennstoffzelle(n) (11 , 12), dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Brennstoffzelle (11 , 12) und das Kraftstoff-Versorgungssystem (50) als voneinander unabhängige Teilsysteme des Brennstoffzellensystems (10) ausgebildet sind und dass die wenigstens eine Brennstoffzelle (11 , 12) und das Kraftstoff- Versorgungssystem (50) trennbar miteinander verbunden sind.
2. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Kraftstoff-Versorgungssystem (50) einen Druckbehälter (51 ) zur Aufnahme des Kraftstoffs, eine mit dem Druckbehälter (51) verbundene Einrichtung zur Druckminderung (52) sowie eine Sensorvorrichtung (53) zur Druckmessung aufweist.
3. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest Teilbereiche des Kraftstoff-Versorgungssystems (50) und/oder zumindest Teilbereiche der wenigstens einen Brennstoffzelle (11 , 12) unter einer Gasabzugshaube (60) und/oder innerhalb eines gasdichten Gehäuses (30) angeordnet sind.
4. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasabzugshaube (60) und/oder das gasdichte Gehäuse (30) wenigstens eine Gasableitungsöffnung (34b) aufweist.
5. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasabzugshaube (60) und/oder das gasdichte Gehäuse (30) wenigstens eine Gaszuleitungsöffnung (34a) aufweist.
6. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasabzugshaube (60) und/oder das gasdichte Gehäuse (30) über wenigstens eine Abluftleitung (61 , 19) mit einem Abluftsystem (62) des Brennstoffzellensystems (10) verbunden ist.
7. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Abluftleitung (61) als Venturileitung ausgebildet ist.
8. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Abluftsystem (62) ein Abluftrohr (63) aufweist und dass die Abluftleitung (61 ) in das Abluftrohr (63) einmündet.
9. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass in der Gasabzugshaube (60) und/oder im gasdichten Gehäuse (30) und/oder in der Abluftleitung (61) und/oder in dem Abluftsystem (62) wenigstens eine Sensorvorrichtung (22) zur Messung des Kraftstoffgehalts vorgesehen ist/sind.
10. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass im gasdichten Gehäuse (30) zum Zwecke der Luftzirkulation in dem dem Gehäuseboden (31) zugewandten unteren und/oder in dem dem Gehäusedeckel (32) zugewandten oberen Bereich des Gehäuses (30) Öffnungen (34, 34a, 34b) vorgesehen sind.
11. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass im gasdichten Gehäuse (30) zum Zwecke der Luftzirkulation in dem dem Gehäuseboden (31 ) zugewandten unteren Gehäusebereich ein Gaseinlass (18) und in dem dem Gehäusedeckel (32) zugewandten oberen Gehäusebereich ein Gasauslass (19) vorgesehen ist.
12. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 3 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass in der Gasabzugshaube (60) oder im gasdichten Gehäuse (30) Mittel zur Einstellung einer Gaszirkulation mit einem vorgegebenen Gasvolumenstrom vorgesehen sind.
13. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich zumindest einzelner Öffnungen (34) wenigstens eine Sensorvorrichtung zur Messung des Kraftstoffgehalts vorgesehen ist.
14. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 4 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasabzugshaube (60) und/oder das gasdichte Gehäuse (30) in Richtung der wenigstens einen Gasableitungsöffnung (34b) zumindest bereichsweise einen schrägen Verlauf (35) aufweist.
15. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuereinrichtung zum Steuern der wenigstens einen Brennstoffzelle (11 , 12) sowie des Kraftstoff- Versorgungssystems (50) vorgesehen ist.
16. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung mit den im Brennstoffzellensystem (10) befindlichen Sensorvorrichtungen zumindest zeitweilig verbunden ist und mit diesen kommuniziert.
PCT/DE2004/002267 2003-10-13 2004-10-12 Brennstoffzellensystem WO2005041336A2 (de)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE212004000047U DE212004000047U1 (de) 2003-10-13 2004-10-12 Brennstoffzellensystem
DE112004002487T DE112004002487D2 (de) 2003-10-13 2004-10-12 Brennstoffzellensystem

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE10347531 2003-10-13
DE10347531.1 2003-10-13

Publications (2)

Publication Number Publication Date
WO2005041336A2 true WO2005041336A2 (de) 2005-05-06
WO2005041336A3 WO2005041336A3 (de) 2006-04-27

Family

ID=34484743

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/DE2004/002267 WO2005041336A2 (de) 2003-10-13 2004-10-12 Brennstoffzellensystem

Country Status (2)

Country Link
DE (1) DE112004002487D2 (de)
WO (1) WO2005041336A2 (de)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102006002512A1 (de) * 2006-01-16 2007-07-26 Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. Brennstoffzellensystem und Verfahren zur Bereitstellung von Brennstoff und/oder Oxidator an einen Brennstoffzellenblock
WO2010075602A1 (de) 2008-12-30 2010-07-08 Fronius International Gmbh Verfahren und vorrichtung zum austragen verbrauchter und zum teil explosionsfähiger betriebsmedien einer brennstoffzelle
JP2015038863A (ja) * 2013-07-19 2015-02-26 日本特殊陶業株式会社 燃料電池

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002056864A (ja) * 2000-08-10 2002-02-22 Mitsubishi Heavy Ind Ltd 燃料電池装置、及び、燃料電池装置の運転方法
JP2002367648A (ja) * 2001-06-06 2002-12-20 Toyota Motor Corp 燃料電池用ケース
US20030008185A1 (en) * 2001-07-04 2003-01-09 Honda Giken Kogyo Kabushiki Kaisha Fuel cell operation method
US20030022031A1 (en) * 2001-07-25 2003-01-30 Ballard Power Systems Inc. Fuel cell system automatic power switching method and apparatus
US20030190502A1 (en) * 2000-09-22 2003-10-09 Dieter Illner Method for monitoring the discharge of media out of fuel cell, and a fuel cell system

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0831436A (ja) * 1994-07-13 1996-02-02 Toshiba Corp パッケージ型燃料電池発電プラント

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002056864A (ja) * 2000-08-10 2002-02-22 Mitsubishi Heavy Ind Ltd 燃料電池装置、及び、燃料電池装置の運転方法
US20030190502A1 (en) * 2000-09-22 2003-10-09 Dieter Illner Method for monitoring the discharge of media out of fuel cell, and a fuel cell system
JP2002367648A (ja) * 2001-06-06 2002-12-20 Toyota Motor Corp 燃料電池用ケース
US20030008185A1 (en) * 2001-07-04 2003-01-09 Honda Giken Kogyo Kabushiki Kaisha Fuel cell operation method
US20030022031A1 (en) * 2001-07-25 2003-01-30 Ballard Power Systems Inc. Fuel cell system automatic power switching method and apparatus

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
PATENT ABSTRACTS OF JAPAN Bd. 1996, Nr. 06, 28. Juni 1996 (1996-06-28) -& JP 08 031436 A (TOSHIBA CORP), 2. Februar 1996 (1996-02-02) *
PATENT ABSTRACTS OF JAPAN Bd. 2002, Nr. 06, 4. Juni 2002 (2002-06-04) & JP 2002 056864 A (MITSUBISHI HEAVY IND LTD), 22. Februar 2002 (2002-02-22) *
PATENT ABSTRACTS OF JAPAN Bd. 2003, Nr. 04, 2. April 2003 (2003-04-02) -& JP 2002 367648 A (TOYOTA MOTOR CORP), 20. Dezember 2002 (2002-12-20) *

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102006002512A1 (de) * 2006-01-16 2007-07-26 Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. Brennstoffzellensystem und Verfahren zur Bereitstellung von Brennstoff und/oder Oxidator an einen Brennstoffzellenblock
WO2010075602A1 (de) 2008-12-30 2010-07-08 Fronius International Gmbh Verfahren und vorrichtung zum austragen verbrauchter und zum teil explosionsfähiger betriebsmedien einer brennstoffzelle
RU2488922C2 (ru) * 2008-12-30 2013-07-27 Фрониус Интернэшнл Гмбх Способ и устройство для выведения отработанных и отчасти способных взрываться рабочих сред топливного элемента
US8722262B2 (en) 2008-12-30 2014-05-13 Fronius International Gmbh Method and apparatus for discharging used operating media of a fuel cell some of which are explosive
JP2015038863A (ja) * 2013-07-19 2015-02-26 日本特殊陶業株式会社 燃料電池

Also Published As

Publication number Publication date
WO2005041336A3 (de) 2006-04-27
DE112004002487D2 (de) 2006-08-24

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE10201668B4 (de) On-Board-Brennstoffzellensystem und Verfahren zum Abgeben von Wasserstoffabgas sowie seine Verwendung in einem Fahrzeug
DE102015203077B4 (de) Brennstoffzellenfahrzeug
DE102006049031B4 (de) Tragbehälter einer Energieversorgungseinheit mit Brennstoffzellen, dessen Verwendung und Verfahren zur Gefährdungsreduzierung
DE4234093A1 (de) Bauelement zum Einbau in eine verfahrenstechnische Einrichtung
WO1998054777A1 (de) Brennstoffzellensystem
DE102005037637A1 (de) Behälter für Gasspeichertanks in einem Fahrzeug
DE102008019981A1 (de) Modulares Brennstoffzellensystem integriert in einen Schrank wie einen Schaltschrank
EP3799667B1 (de) Verfahren zur behandlung wasserstoffhaltiger und sauerstoffhaltiger restgase von brennstoffzellen sowie restgasbehandlungssystem
DE102011109644A1 (de) Brennstoffzellensystem mit wenigstens einer Brennstoffzelle
WO2006079331A1 (de) Brennstoffzellensystem mit druckluftbetrieb
EP2371023B1 (de) Verfahren und vorrichtung zum austragen verbrauchter und zum teil explosionsfähiger betriebsmedien einer brennstoffzelle
EP1739779B1 (de) Gerät zur Bereitstellung thermischer und elektrischer Energie
DE212004000047U1 (de) Brennstoffzellensystem
WO2005041336A2 (de) Brennstoffzellensystem
WO2010108606A1 (de) Brennstoffzellensystem mit anodenseitiger auslassöffnung
DE102016224652A1 (de) Mischvorrichtung und eine Brennstoffzelle mit einer derartigen Mischvorrichtung
WO2001009969A1 (de) Kühlsystem für brennstoffzellen
DE10112074A1 (de) Brennstoffzelle mit gleichmäßiger Verteilung von Betriebsmitteln
WO2002097908A2 (de) Interkonnektor für eine brennstoffzelle
EP2811229B1 (de) Transportable Anlage zur Verbrennung von unerwünschten Gasen
DE102009048247A1 (de) Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems
DE102016200523B4 (de) Entschwefler und diesen enthaltendes Brennstoffzellensystem
DE10262172B4 (de) On-Board-Brennstoffzellensystem zum Abgeben von Wasserstoffabgas
DE102020215987A1 (de) Brennstoffzellensystem
DE112020004187T5 (de) Brennstoffzellensystem

Legal Events

Date Code Title Description
AK Designated states

Kind code of ref document: A2

Designated state(s): AE AG AL AM AT AU AZ BA BB BG BR BW BY BZ CA CH CN CO CR CU CZ DE DK DM DZ EC EE EG ES FI GB GD GE GH GM HR HU ID IL IN IS JP KE KG KP KR KZ LC LK LR LS LT LU LV MA MD MG MK MN MW MX MZ NA NI NO NZ OM PG PH PL PT RO RU SC SD SE SG SK SL SY TJ TM TN TR TT TZ UA UG US UZ VC VN YU ZA ZM ZW

AL Designated countries for regional patents

Kind code of ref document: A2

Designated state(s): BW GH GM KE LS MW MZ NA SD SL SZ TZ UG ZM ZW AM AZ BY KG KZ MD RU TJ TM AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HU IE IT LU MC NL PL PT RO SE SI SK TR BF BJ CF CG CI CM GA GN GQ GW ML MR NE SN TD TG

121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application
WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 2120040000473

Country of ref document: DE

REF Corresponds to

Ref document number: 112004002487

Country of ref document: DE

Date of ref document: 20060824

Kind code of ref document: P

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 112004002487

Country of ref document: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase