WO2008086819A1 - Beschichtung von komponenten in einem brennstoffzellensystem zum verbesserten ausrag von produktwasser - Google Patents

Beschichtung von komponenten in einem brennstoffzellensystem zum verbesserten ausrag von produktwasser Download PDF

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Definitions

  • the present invention relates to a fuel cell system having the features of the preamble of patent claim 1.
  • Fuel cell systems are, for example, in motor vehicles an emission-free alternative to combustion engines using fossil fuels.
  • Fuel cell reaction exothermic and thus automatically heats the fuel cell system, its temperature drops after switching off.
  • the dew point falls below the dew point, especially at low temperatures, and the gaseous water in the system condenses out.
  • DE 10 2004 005 935 A1 shows a method for cold starting a fuel cell system at minus temperatures, wherein a coolant system, which is provided for cooling the fuel cell system during operation, has an additional circuit for warming up the coolant and thus the fuel cell system.
  • the formation of a drop can be prevented if such, for example, in very narrow tubes, could hinder the passage of gas both in liquid and to a particular extent in the frozen state.
  • the corresponding components in the line system which are provided with a hydrophobic coating, are preferably pipes with a free cross-section which is larger than a condensed water droplet, movable elements for flow guidance, the latter being preferably valves, and pumps for conveying the gas stream, preferably blower and compressor.
  • Fig. 2 shows a pipeline in this fuel cell system in cross section.
  • Water entrained by the hydrogen flow from the fuel cell reaction may be deposited on a condenser 34.
  • a residual moisture remains in the piping system of the fuel cell system 10. This is particularly due to the fact that the fuel cell system as a rule and due to the exothermic reaction at a comparatively high Temperature is driven, resulting in a correspondingly high water absorption capacity of the gases used.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoff Zeilensystem, mit zumindest einem Brennstoff zellenstapel und einem Leitungssystem mit dem die Edukte der Brennstoff Zellenreaktion den Brennstoffzellen zugeführt und die Reaktionsprodukte aus den Brennstoffzellen abgeführt werden können, wobei einzelne Rohrleitungen (60) oder Komponenten des Leitungssystems an ihren überströmten Oberflächen zumindest teilweise eine hydrophile (64) oder eine hydrophobe (62) Beschichtung aufweisen, um die Bildung von Wasser oder Eis an kritischen Stellen des Systems zu verhindern und damit die Freeze-Start-Eigenschaf ten des Brennstoff Zeilensystems zu verbessern. Bevorzugt befindet sich die hydrophile Beschichtung (64) in Schwerkraftrichtung unterhalb des Bereiches mit der hydrophoben (62) Beschichtung.

Description

BESCHICHTUNG VON KOMPONENTEN IN EINEM BRENNSTOFFZELLENSYSTEM ZUM VERBESSERTEN AUSRAG VON PRODUKTWASSER
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1.
Brennstoffzellensysteme sind beispielsweise in Kraftfahrzeugen eine abgasfreie Alternative zu Verbrennungsmotoren mit Nutzung fossiler Brennstoffe.
Der Start eines Brennstoffzellensystems bei niedrigen Temperaturen, das heißt insbesondere bei Temperaturen deutlich unter 0 0C, ist problematisch, da in dem Brennstoffzellensystem Wasser befindlich ist. Dieses Wasser stammt insbesondere aus der BrennstoffZellenreaktion, kann aber auch mit den Edukten der Brennstoffzellenreaktion in das System eingeführt worden sein. Da die
Brennstoffzellenreaktion exotherm verläuft und somit das Brennstoffzellensystem automatisch aufheizt, sinkt dessen Temperatur nach dem Abschalten. Bei der Abkühlung des Systems kommt es insbesondere bei tiefen Temperaturen zu einem Unterschreiten des Taupunktes und zu einem Auskondensieren des im System befindlichen gasförmigen Wassers.
Bei entsprechend tiefen Temperaturen gefriert dieses Wasser und kann in dem Leitungssystem und in verfahrenstechnischen Bauteilen zu strömungstechnischen und/oder mechanischen Blockaden führen. Auch kann es beim Antauen der mit Eis bedeckten Oberflächen in dem durchströmten System zu Beschädigungen durch von der Strömung losgerissenen und sich im System bewegenden Eis-Teilchen kommen.
Die DE 10 2004 005 935 Al zeigt ein Verfahren zum Kaltstarten eines Brennstoffzellensystems bei Minustemperaturen, wobei ein Kühlmittelsystem, das zur Kühlung des Brennstoffzellensystems im Betrieb vorgesehen ist, eine zusätzliche Schaltung zum Aufwärmen des Kühlmittels und somit des Brennstoffzellensystems aufweist.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Brennstoffzellensystem so auszubilden, dass die Kaltstarteigenschaften mit einem Minimum an zusätzlichen Komponenten verbessert werden können. Zur Lösung dieser Aufgabe wird bei einem gattungsgemäßen Brennstoffzellensystem eine Ausbildung mit dem Merkmalen des Kennzeichens des Patentanspruchs 1 vorgeschlagen.
Der erfindungsgemäße Lösungsansatz beruht auf der Eigenschaft von Oberflächen, wasseranziehend oder wasserabweisend zu wirken, und der Möglichkeit, durch entsprechende Oberflächen die Ansammlung von flüssigem Wasser an bestimmten Punkten des Systems steuern zu können.
Der Einsatz wasserabweisender Oberflächen zum Verhindern des Eindringens von Wasser in Schall absorbierende Materialien sowie zur Verhinderung des Zufrierens beispielsweise eines Drosselventils, ist in der Anwendung beim Kraftfahrzeug bereits aus der JP 2000-069190 beziehungsweise JP 2000- 0673785 bekannt. Bei der erfindungsgemäßen Anwendung in einem Brennstoffzellensystem wird das Phänomen, dass Wasser eine hydrophob beschichtete Oberfläche nur gering benetzt, auf Grund seiner eigenen, hohen Oberflächenspannung weitgehend kugelförmig an einer derartigen Oberfläche haftet und infolgedessen leicht von dieser abperlt und sich ferner im Gegensatz dazu auf hydrophilen Oberflächen großflächig verteilt, dazu genutzt, die Feuchtigkeit von bestimmten Bereichen des Leitungssystems fern zu halten und in anderen Bereichen zu binden. Der wasserabweisende Effekt der Beschichtungen basiert dabei auf chemischen oder physikalischen Effekten, die die Oberflächenbenetzung mit Flüssigkeitstropfen stark reduzieren, wobei die jeweilige Oberfläche der Schichten so vergrößert ist, dass der Kontakt zwischen Wasser und Feststoff reduziert ist, die Adhäsionskräfte minimiert sind und die Wassertropfen daher auf Grund ihrer eigenen Oberflächenspannung Kugelform annehmen und nicht mehr an den Oberflächen anhaften.
Durch das Vorsehen einer hydrophilen Oberfläche kann auch die Ausbildung eines Tropfens verhindert werden, wenn ein solcher, beispielsweise in sehr engen Röhren, den Gasdurchtritt sowohl in Flüssigkeit als auch in besonderem Maße in gefrorenem Zustand behindern könnte.
In Weiterbildung der Erfindung sind die Komponenten des Leitungssystems mit einer hydrophoben Beschichtung versehen, bei denen eine Anlagerung von kondensiertem Wasser unerwünscht ist. Das Auskondensieren von Wasser kann zwar mit einer hydrophoben Beschichtung nicht verhindert werden, aber durch die hydrophobe Beschichtung haftet das auskondensierte Wasser in Tropfenform an den entsprechenden Komponenten des Leitungssystems und perlt infolgedessen leicht ab, wobei diese Tropfen von dem Gasstrom in dem Leitungssystem zu unkritischen und eventuell mit einer hydrophilen Beschichtung ausgestatteten Bereichen weiter transportiert beziehungsweise mit dem Gasstrom aus dem Brennstoffzellensystem ausgeführt werden können. Die an einer hydrophoben Oberfläche entstehenden oder befindlichen Wassertropfen weisen in der Regel einerseits einen ausreichend hohen Strömungswiderstand und andererseits eine entsprechend hohe Oberflächenspannung auf, die diesen Transport mittels des Gasstroms in dem Brennstoffzellensystem möglich machen.
Die entsprechenden Komponenten in dem Leitungssystem, die mit einer hydrophoben Beschichtung ausgestattet werden, sind dabei bevorzugt Rohrleitungen mit einem freien Querschnitt, der größer als ein auskondensierter Wassertropfen ist, bewegliche Elemente zur Strömungsführung, wobei letztgenannte bevorzugt Ventile sind, sowie Pumpen zur Förderung des Gasstroms, vorzugsweise Gebläse und Verdichter.
Eine weitere Komponente, bei der die dauerhafte Anlagerung von Wassertropfen, insbesondere wegen der Gefahr des Gefrierens bei entsprechenden Temperaturen, unerwünscht ist, und die daher bevorzugt mit einer hydrophoben Beschichtung versehen sind, sind die Verteilerkanäle im Bereich des Einlasses des Brennstoffzellenstapels bzw. der einzelnen Brennstoffzellen .
Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Ausgestaltung ist auch, dass die Lösung mit einer dünnen Bauteilbeschichtung nahezu gewichtsneutral realisiert werden kann, und auf aufwändige konstruktive Zusatzbauteile wie etwa zur Beheizung der Bauteile und/oder zur Abscheidung von Wasser verzichtet werden kann. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist eine Rohrleitung in einer Querschnittsebene der Rohrleitung sowohl einen Bereich mit einer hydrophilen als auch einen Bereich mit einer hydrophoben Beschichtung auf. Dies führt dazu, dass an einem Teil des Innenumfangs des Rohrs sich auskondensierendes Wasser tropfenförmig an der hydrophoben Beschichtung anlagert, während in einem zweiten Bereich des Innenumfangs sich das auskondensierende Wasser flächig auf der hydrophilen Beschichtung verteilt. Die Rohrleitung weist somit in einer Querschnittsebene verschiedene Benetzbarkeiten ihrer Innenoberfläche durch Wasser auf.
Weiter mit Vorteil ist dabei der Bereich mit der hydrophilen Beschichtung in Schwerkraftrichtung unterhalb des Bereiches mit der hydrophoben Beschichtung angeordnet, so dass an der hydrophoben Beschichtung anlagernde Wassertropfen unter Schwerkraftwirkung in den Bereich mit der hydrophilen Beschichtung wandern können, und sich dort flächig verteilen.
In einer alternativen Ausbildung der Erfindung sind die Komponenten mit einer hydrophilen Beschichtung Rohrleitungen des Leitungssystems mit einem Durchmesser in der Größenordnung eines auskondensierten Wassertropfens oder kleiner. In Rohrleitungen oder auch Verteilerkanälen mit einem solchen Durchmesser ist es vorteilhaft, wenn das auskondensierende Wasser an der Oberfläche keine Tropfen bildet sondern sich flächig auf der gesamten Oberfläche verteilt. Wenn die sich bildenden Tropfen den Rohrquerschnitt weitgehend ausfüllen, ist auf Grund der auftretenden Kapillarwirkung bereits bei Temperaturen, in denen Wasser flüssig ist, das Problem gegeben, dass diese Wassertropfen nur unter erheblichen Schwierigkeiten durch einen Gasstrom bewegt werden können. Bei entsprechend niedrigen Temperaturen wird ein solcher Wassertropfen zu einem die Rohrleitung möglicherweise mechanisch blockierenden Eiselement.
Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung können der nachstehenden Beschreibung und dem in der Zeichnung wiedergegebenen Ausführungsbeispiel sowie den Patentansprüchen im Einzelnen entnommen werden.
Es zeigt:
Fig. 1 ein BrennstoffZeilensystem in einer schematisierten Darstellung,
Fig. 2 eine Rohrleitung in diesem Brennstoffzellensystem im Querschnitt.
Das in Figur 1 schematisch dargestellte
Brennstoffzellensystem 10 zeigt einen Brennstoffzellenstapel 20, der eine Mehrzahl von einzelnen Brennstoffzellen umfasst, die jeweils eine Anode 23a und eine Kathode 24a aufweisen, an denen die Strom erzeugende Brennstoffzellenreaktion stattfindet. Bei dieser Brennstoffzellenreaktion wird als Brennstoff zugeführter Wasserstoff an der Anode oxidiert und gleichzeitig an der Kathode Sauerstoff reduziert, wobei die entstehenden Ionen sich zu Wassermolekülen verbinden. Die Anode 22a grenzt an einen Anodengasraum 22 an, dem über eine Leitung 30 Wasserstoff zugeführt wird, während die Kathode 24a an einen Kathodengasraum 24 angrenzt, der über eine Leitung 40 mit Sauerstoff, vorzugsweise durch Zuführen von Luft, versorgt wird.
Das bei der Brennstoffzellenreaktion gebildete Wasser entsteht überwiegend im Kathodengasraum 24 und wird mit der an Sauerstoff abgereicherten Luft über eine Leitung 42 abgeführt, während die Luft über einen Befeuchter 44 zur Rückgewinnung des bei der exothermen Brennstoffzellenreaktion entstehenden Wassers an die Atmosphäre abgegeben wird, wird der nicht verbrannte Wasserstoff in einem geschlossenen Kreislauf mit einem Gebläse 38 zum Einlass des Brennstoffzellenstapels 20 zurückgeführt. Anstelle des Gebläses 38 kann auch eine Pumpe, z.B. Gasstrahlpumpe oder dergelichen, eingesetzt werden. Verbrauchter Wasserstoff kann diesem Kreislauf dabei über einen Vorratstank 50 und ein zwischengeschaltetes Ventil 52 zugeführt werden.
Von dem Wasserstoffström mitgeführtes Wasser aus der Brennstoffzellenreaktion kann an einem Kondensator 34 abgeschieden werden. Trotz dieser Maßnahmen zum Entfeuchten der Gasströme beziehungsweise zum Ausführen des bei der Brennstoffzellenreaktion entstehenden Wassers, verbleibt eine Restfeuchtigkeit in dem Rohrleitungssystem des Brennstoffzellensystems 10. Dies ist insbesondere auch dadurch begründet, dass das Brennstoffzellensystem in aller Regel und auf Grund der exothermen Reaktion bei einer vergleichsweise hohen Temperatur gefahren wird, was zu einem entsprechend hohen Wasseraufnahmevermögen der verwendeten Gase führt. Beim Abschalten der Brennstoffzelle und entsprechend sinkenden Temperaturen, wie sie beispielsweise und insbesondere bei der Verwendung eines Brennstoffzellenantriebs bei einem Fahrzeug im Winter auftreten können, besteht das Problem, dass das Wasseraufnahmevermögen des im Brennstoffzellensystem befindlichen Gases sinkt und dass Wasser bei Unterschreiten des Taupunktes auskondensiert.
Dieses flüssige Wasser beziehungsweise nach weiterer Abkühlung das daraus resultierende feste Eis ist an bestimmten Stellen des Brennstoffzellensystems 10 unerwünscht. Bei Temperaturen unter 0 0C betrifft dies unter anderem alle Teile in dem System, die mechanisch bewegbar sein müssen, beispielsweise Pumpen oder Ventile, wobei diese mechanische Bewegbarkeit durch Eis behindert oder gar blockiert werden kann. Dies gilt in gleichem Maße auch für die Komponenten, die zu einer Gleichverteilung des Gasstroms bei Eingang in den Brennstoffzellenstapel 20 sorgen.
Auskondensierte Flüssigkeit kann auch bereits bei Temperaturen oberhalb des Gefrierpunkts problematisch sein, wenn durch die Flüssigkeit der Gasdurchtritt durch mit entsprechend kleinem Durchmesser ausgebildete Rohrleitungen oder Kapillarröhren blockiert ist.
Durch eine geschickte hydrophile beziehungsweise hydrophobe Beschichtung der Oberflächen kann auskondensierendes Wasser von freezing-kritischen Bereichen zu freezing-unkritischen Bereichen gelenkt und so die Eisbildung an den kritischen Stellen verhindert werden. So wird durch hydrophobe Oberflächen beispielsweise auch das Ausblasen der Rohrleitung bei einer geregelten Abschaltung der Brennstoffzelle zum Austreiben des auskondensierten Wassers unterstützt, indem sich das Wasser an den hydrophoben Oberflächen tropfenförmig und damit von dem Gasstrom leicht mitnehmbar anlagert.
Dagegen kann es an dünnen Rohren oder dünnen Kanälen eines Gasverteilers sinnvoll sein, diesen mit einer hydrophilen Oberfläche zu versehen, da durch diese Beschichtung die Oberflächeneigenschaften bzgl. des Wassers dahingehend beeinflusst werden, dass es sich auf der inneren Oberfläche des Rohres verteilt, ohne einen das Rohr möglicherweise blockierenden Tropfen auszubilden. Figur 2 zeigt die Kombination von hydrophiler und hydrophober Beschichtung in einer Querschnittsebene eines Rohres 60. Während sich das Wasser im Bereich der hydrophilen Beschichtung 64 flächig ausbreitet, bildet es im Bereich der hydrophoben Beschichtung 62 einen Tropfen aus, der an der Wandung der Rohrleitung, beispielsweise unter Schwerkraft, in den Bereich der hydrophilen Beschichtung wandern kann, wobei das Wasser in diesem Bereich seine Tropfenform verliert und sich flächig auf der hydrophil beschichteten Oberfläche verteilt. Auf diese Weise bleibt immer zumindest ein Teilquerschnitt des Rohres für den Gasstrom frei. Welcher Anteil des Innenumfangs des Rohres in der Querschnittsebene hydrophil und welcher Anteil hydrophob beschichtet wird, hängt maßgeblich von der räumlichen Orientierung des Rohres im Schwerkraftfeld, von der zu erwartenden Wassermenge als auch von der Längenerstreckung des hydrophil beschichteten Bereiches des Rohres ab.
Insgesamt bietet die Erfindung die Möglichkeit, die Freeze- Start-Eigenschaften eines BrennstoffZeilensystems allein durch eine entsprechende Beschichtung der überströmten Oberflächen günstig zu beeinflussen, wobei herkömmliche Beschichtungen wie PTFE oder Beschichtungen mit Mikro- oder Nanoteilchen eingesetzt werden können, ohne dass das zusätzliche Vorsehen von Beheizungsbauteilen und/oder Abscheidebauteilen zur Verhinderung eines Einfrierens des Brennstoffzellensystems notwendig sind. Damit wird nicht nur die Systemzuverlässigkeit bei Minusgraden erhöht, sondern auch die Lebensdauer der Brennstoffzelle, da die mit der Eisbildung einhergehenden Nachteile und Beeinträchtigungen zumindest reduziert sind.
Die vorstehend beschriebenen zumindest teilweisen hydrophilen und/oder hydrophoben Beschichtungen der Oberflächen von Komponenten (z.B. Pumpen, Ventile und dergleichen) und/oder Rohrleitungen können nicht nur wie vorstehend beschrieben bei BrennstoffZeilensystemen eingesetzt werden, sondern auch bei anderen Systemen, wie z.B. verbrennungsmotorische Antriebe und dergleichen, bei denen ebenfalls das Problem der Verstopfung und/oder Beschädigung durch auskondensiertes und/oder gefrorenes Wasser besteht.

Claims

Patentansprüche
1. BrennstoffZeilensystem, mit zumindest einem Brennstoffzellenstapel und einem Leitungssystem zur Zuleitung der Edukte einer BrennstoffZellenreaktion zu den einzelnen Brennstoffzellen und zur Ableitung der Produkte der Brennstoffzellenreaktion der nicht reagierten Edukte von den einzelnen Brennstoffzellen, wobei das Leitungssystem verschiedene Mittel zur Strömungsführung aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Strömungsführung an ihren überströmten Oberflächen zumindest teilweise eine hydrophobe und/oder eine hydrophile Beschichtung (62, 64) aufweisen.
2. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Strömungsführung mit hydrophober Beschichtung Rohrleitungen (60) mit einem freien Querschnitt größer als ein auskondensierter Wassertropfen sind.
3. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Strömungsführung mit hydrophober Beschichtung bewegliche Elemente zur Strömungsführung sind.
4. BrennstoffZeilensystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die beweglichen Elemente zur Strömungsführung Pumpen und/oder Ventile sind.
5. BrennstoffZeilensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Strömungsführung mit hydrophober Beschichtung Verteilerkanäle im Bereich des Einlasses des Brennstoffzellenstapels (20) sind.
6. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Strömungsführung mit einer hydrophilen Beschichtung Rohrleitungen mit einem Durchmesser in der Größenordnung eines auskondensierenden Wassertropfens oder kleiner sind.
7. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Rohrleitung (60) des Leitungssystems in einer Querschnittsebene sowohl einen Bereich (62) mit einer hydrophilen als auch einen Bereich (64) mit einer hydrophoben Beschichtung aufweist.
8. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Bereich (64) der hydrophilen Beschichtung in Schwerkraftrichtung unterhalb des Bereichs (62) mit der hydrophoben Beschichtung angeordnet ist.
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