WO2011009517A1 - Fuel cell system - Google Patents

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WO2011009517A1
WO2011009517A1 PCT/EP2010/003815 EP2010003815W WO2011009517A1 WO 2011009517 A1 WO2011009517 A1 WO 2011009517A1 EP 2010003815 W EP2010003815 W EP 2010003815W WO 2011009517 A1 WO2011009517 A1 WO 2011009517A1
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WO
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fuel cell
housing
cell stack
cell system
thermally insulating
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Application number
PCT/EP2010/003815
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Patrick Mangold
Stefan Fandel
Martin Heumos
Wolfgang Weger
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Daimler Ag
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    • 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
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
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    • 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
    • H01M8/04119—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying
    • H01M8/04156—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying with product water removal
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    • 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
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    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the fuel cell system The fuel cell system
  • the invention relates to a fuel cell system with at least one
  • Fuel cell stack and with at least one peripheral component for supplying the at least one fuel cell stack, wherein the at least one peripheral component is at least partially disposed in a thermally insulating housing.
  • DE 11 2005 002 768 T5 describes a fuel cell system with a plurality of fuel cell stacks, wherein fuel is used in operating the
  • Fuel cell stack is supplied.
  • partially spent fuel is subsequently added to at least one other in a second stage
  • Fuel cell stack with fuel and oxidant has a
  • the manifold is surrounded by thermal insulation, which limits condensation of moisture in the fuel gas passage. Thereby, a pressure drop in the fuel gas passage is reduced.
  • the object of the present invention is therefore to provide a fuel cell system with improved thermal insulation.
  • Patent claim 1 solved.
  • Fuel cell stack and with at least one peripheral component for supplying the at least one fuel cell stack, wherein the at least one peripheral component is at least partially disposed in a thermally insulating housing, this thermally insulating housing has a lower thermal
  • Insulation effect on as a at least one fuel cell stack thermally insulating another housing. Due to the lower requirement for the thermal insulation effect of the at least one peripheral component thermally insulating housing weight and cost savings in the isolation of the
  • Fuel cell system can be achieved.
  • an application of different insulating materials for the at least one fuel cell stack thermally insulating further housing and the at least one peripheral component at least partially surrounding housing allows, reducing the requirements for the insulating effect of the different insulating materials cost and weight of the insulation
  • Fuel cell system can be reduced.
  • Housing is specifically adapted to the requirements of the respective peripheral component or to the requirements of at least one fuel cell stack.
  • the at least one peripheral component comprises a water separator, wherein the lower thermal
  • Insulation effect of the thermally insulating housing in comparison to the other housing a temperature gradient between the at least one fuel cell stack and the at least one peripheral component is adjustable, by which a predominant condensation of water in the region of the water separator can be achieved during cooling of the fuel cell system. This is based on the finding that, in fuel cell systems known from the prior art, continuous condensation of water in the at least one fuel cell stack can occur while the peripheral component comprising the water separator is already frozen.
  • Fuel cell stack persistently no longer absorb accumulating water and in particular no longer separate it from the fuel cell system.
  • condensation of water in the region of the fuel cell stack can be largely prevented.
  • the temperature gradient causes that in the region of the water separator, a defined heat sink is provided, at which the condensation of the water takes place predominantly, so that the condensed water is particularly effective from the
  • Fuel cell system is separable. This improves the separation of condensed water from the fuel cell system. By creating regions of the fuel cell system with different thermal insulation effects, a heat flow in the fuel cell system can be selectively controlled, and so on
  • the thermally insulating housing are releasably connected to each other, wherein by the releasably interconnected housing a common, the at least one fuel cell stack and the at least one peripheral component at least partially receiving total housing is provided.
  • both the at least one fuel cell stack and the at least one peripheral component of only one housing is at least partially surrounded and the at least one peripheral component and the at least one
  • Fuel cell stacks are thermally coupled.
  • the fuel cell stack and the at least one peripheral component are independent of each other and thus particularly easy to maintain and / or repair. It may be at a maintenance and / or repair on the peripheral component or on the
  • Fuel cell stacks are accessed separately, without disassembly of the entire fuel cell system is necessary.
  • By the mechanical coupling of Peripheral components and fuel cell stack is a cooling of the
  • Fuel cell system in a decommissioning also further reduced.
  • the further housing thermally insulating the at least one fuel cell stack has a greater impermeability to hydrogen gas than the thermally insulating housing in which the at least one peripheral component is arranged at least partially.
  • Fuel cell system should be avoided.
  • the entire housing is sealed to hydrogen gas. This particularly high effort to prevent an uncontrolled leakage of the hydrogen gas into the environment is described in the present case
  • the housing which at least partially surrounds the peripheral component does not have to be impervious to leaks
  • Hydrogen gas can not reach the area of the peripheral components due to the hydrogen gas-tight formation of the further housing which thermally insulates the at least one fuel cell stack. As a result, an expense for explosion-proof design of at least one peripheral component is additionally reducible. Overall, the complexity of the overall housing over one is completely dense compared to hydrogen gas
  • components of the at least one peripheral component often already have high requirements for tightness against access of solids, in particular particles, and water in the components.
  • components of the peripheral components may already belong to protection class IP 67.
  • These components thus belong to a class of protection, which ensures dust-tightness and protection of the component during a brief submersion in water. Therefore, in the presently described fuel cell system, additional sealing of the peripheral component housing, such as that of the prior art known, compared to hydrogen gas dense overall housing not necessary.
  • an additional enclosing with a housing which additionally has a seal against hydrogen gas, not necessary, as far as described as the at least one fuel cell stack insulating further housing has the seal against hydrogen gas.
  • the FIGURE shows a schematic perspective view of a fuel cell system 10 which in the present case comprises a centrally arranged fuel cell stack 12 and peripheral components arranged laterally of the fuel cell stack 12.
  • One of the peripheral components arranged on a cathode side of the fuel cell stack 12 is presently embodied as a humidifier module 14.
  • Fuel cell stack 12 arranged peripheral component is present as
  • Anode module 16 is formed.
  • the cathode side of the fuel cell stack 12 can be supplied with humidified supply air.
  • the anode module 16 serves to pressurize the fuel cell stack 12 with fuel, for example with hydrogen gas.
  • the anode module 16 comprises a water separator not shown in detail.
  • the anode module 16 has a recirculation fan, by means of which an in-circuit-guiding of the fuel is made possible.
  • Anode module 16 also includes a metering valve for metering the fuel into the fuel cell stack 12.
  • the humidifier module 14 has a thermally insulating housing 18. Also, the anode module 16 is surrounded by a thermally insulating housing 20, wherein connection lines 22 emerge from the housing 20.
  • the fuel cell stack 12 is arranged in a further thermally insulating housing 24. Through the housing 18, 20, 24 is provided a fuel cell stack 12 and the peripheral components 14, 16 receiving overall housing.
  • the overall housing has a substantially planar outer contour and is substantially cuboid.
  • the housing 18 of the humidifier module 14 and the housing 20 of the anode module 16 are each detachably connected to the housing 24 of the fuel cell stack 12.
  • Fuel cell stack 12 coupled.
  • Fuel cell stack 12 receiving further housing 24 in the present case has a particularly high thermal insulation effect.
  • this insulating layer 28 formed on the upper side and lower side of the fuel cell stack 12 is sealed against hydrogen gas.
  • Components 14, 16 a lower thermal insulation effect than the insulating layer 28 of the fuel cell stack 12 receiving housing 24.
  • these insulating layers 30 are not formed dense against hydrogen gas.
  • the fuel cell stack 12 is surrounded in a particularly compact manner by the housing 24 having the insulating layers 28.
  • a volume of a cavity provided in the housing 24 is in this case dimensioned such that when hydrogen gas enters the cavity, formation of an explosive atmosphere in the cavity is avoided.
  • a volume of a cavity provided in the housing 20 accommodating the anode module 16 is dimensioned such that upon occurrence of
  • the fuel cell stack 12 receiving housing 24 and / or the anode module 16 receiving
  • Housing 20 can thus be dispensed with, since accumulation of hydrogen gas in cavities of the overall housing, which could lead to the formation of a potentially explosive atmosphere, is avoided.
  • a flame arrester is provided by the housing 24 insulating the fuel cell stack 12.
  • additional safety against explosion of hydrogen gas is provided in the fuel cell system 10.
  • the overall housing is in the present case designed such that the fuel cell stack 12 and the peripheral components 14, 16 are each surrounded at least partially by only one housing 24 or 18, 20. In that a training of a

Abstract

The invention relates to a fuel cell system (10) having at least one fuel cell stack (12) and having at least one peripheral component (14, 16) for supplying the at least one fuel cell stack (12), wherein the at least one peripheral component (14, 16) is arranged at least partly in a thermally insulating housing (18, 20). The thermal insulation effect of said thermally insulating housing (18, 20) is less than that of a further housing (24) thermally insulating the at least one fuel cell stack (12).

Description

Brennstoffzellensystem  The fuel cell system
Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem mit wenigstens einem The invention relates to a fuel cell system with at least one
Brennstoffzellenstapel, und mit wenigstens einer peripheren Komponente zum Versorgen des wenigstens einen Brennstoffzellenstapels, wobei die wenigstens eine periphere Komponente zumindest teilweise in einem thermisch isolierenden Gehäuse angeordnet ist. Fuel cell stack, and with at least one peripheral component for supplying the at least one fuel cell stack, wherein the at least one peripheral component is at least partially disposed in a thermally insulating housing.
Die DE 11 2005 002 768 T5 beschreibt ein Brennstoffzellensystem mit einer Mehrzahl von Brennstoffzellenstapeln, wobei Brennstoff beim Betreiben des DE 11 2005 002 768 T5 describes a fuel cell system with a plurality of fuel cell stacks, wherein fuel is used in operating the
Brennstoffzellensystems in einer ersten Stufe einer ersten Gruppe der Fuel cell system in a first stage of a first group of
Brennstoffzellenstapel zugeführt wird. In der ersten Stufe wird teilweise verbrauchter Brennstoff anschließend in einer zweiten Stufe wenigstens einem weiteren Fuel cell stack is supplied. In the first stage, partially spent fuel is subsequently added to at least one other in a second stage
Brennstoffzellenstapel zugeführt. Ein Verteiler zum Versorgen der einzelnen Fuel cell stack supplied. A distributor for supplying the individual
Brennstoffzellenstapel mit Brennstoff und Oxidationsmittel weist eine Fuel cell stack with fuel and oxidant has a
Brennstoff gaspassage auf, welche den in der ersten Stufe teilweise verbrauchten Fuel gas passage on which the partially consumed in the first stage
Brennstoff dem wenigstens einen Brennstoffzellenstapel der zweiten Stufe zuführt. Der Verteiler ist von einer thermischen Isolierung umgeben, durch welche ein Kondensieren von Feuchtigkeit in der Brennstoffgaspassage beschränkt ist. Dadurch ist ein Druckabfall in der Brennstoffgaspassage verringert. Supplying fuel to the at least one second stage fuel cell stack. The manifold is surrounded by thermal insulation, which limits condensation of moisture in the fuel gas passage. Thereby, a pressure drop in the fuel gas passage is reduced.
Aus dem Stand der Technik ist es des Weiteren bekannt, durch thermisches Isolieren des Brennstoffzellensystems ein rasches Auskühlen des Brennstoffzellensystems zu verhindern. Das Auskühlen des Brennstoffzellensystems führt aufgrund des Betreibens des Brennstoffzellenstapels mit feuchten Medien zum Auskondensieren von It is further known from the prior art to prevent rapid cooling of the fuel cell system by thermal insulation of the fuel cell system. The cooling of the fuel cell system leads to the condensation of water due to the operation of the fuel cell stack with wet media
vergleichsweise großen Mengen an flüssigem Wasser. Insbesondere, wenn eine comparatively large amounts of liquid water. Especially if one
Umgebungstemperatur unter den Gefrierpunkt sinkt, kann hierbei das Gefrieren von flüssigem Wasser in dem Brennstoffzellensystem dessen Funktionstüchtigkeit einschränken oder zum Erliegen bringen. Um eine Kaltstartfähigkeit des Brennstoffzellensystems, also ein In-Betrieb-Nehmen bei tiefen, insbesondere unter dem Gefrierpunkt liegenden, Umgebungstemperaturen zu verbessern, sind an die thermische Isolierung des Brennstoffzellensystems besonders hohe Anforderungen zu stellen. If the ambient temperature falls below freezing point, the freezing of liquid water in the fuel cell system may restrict or stop its functioning. To have a cold start capability of Fuel cell system, ie an in-operation take at low, especially below freezing point, ambient temperatures to improve, are particularly high demands on the thermal insulation of the fuel cell system.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Brennstoffzellensystem mit einer verbesserten thermischen Isolierung bereitzustellen. The object of the present invention is therefore to provide a fuel cell system with improved thermal insulation.
Diese Aufgabe wird durch ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des This object is achieved by a fuel cell system with the characteristics of
Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Patent claim 1 solved. Advantageous embodiments with appropriate
Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Further developments of the invention are specified in the dependent claims.
Bei dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem mit wenigstens einem In the fuel cell system according to the invention with at least one
Brennstoffzellenstapel, und mit wenigstens einer peripheren Komponente zum Versorgen des wenigstens einen Brennstoffzellenstapels, wobei die wenigstens eine periphere Komponente zumindest teilweise in einem thermisch isolierenden Gehäuse angeordnet ist, weist dieses thermisch isolierende Gehäuse eine geringere thermische Fuel cell stack, and with at least one peripheral component for supplying the at least one fuel cell stack, wherein the at least one peripheral component is at least partially disposed in a thermally insulating housing, this thermally insulating housing has a lower thermal
Isolationswirkung auf als ein den wenigstens einen Brennstoffzellenstapel thermisch isolierendes weiteres Gehäuse. Aufgrund der geringeren Anforderung an die thermische Isolationswirkung des die wenigstens eine periphere Komponente thermisch isolierenden Gehäuses können Gewichts- und Kosteneinsparungen bei der Isolierung des Insulation effect on as a at least one fuel cell stack thermally insulating another housing. Due to the lower requirement for the thermal insulation effect of the at least one peripheral component thermally insulating housing weight and cost savings in the isolation of the
Brennstoffzellensystems erreicht werden. Fuel cell system can be achieved.
Des Weiteren ist ein Einsatz jeweils unterschiedlicher Isoliermaterialien für das den wenigstens einen Brennstoffzellenstapel thermisch isolierende weitere Gehäuse und das die wenigstens eine periphere Komponente zumindest teilweise umgebende Gehäuse ermöglicht, wobei durch Reduzierung der Anforderungen an die Isolationswirkung der unterschiedlichen Isoliermaterialien Kosten und Gewicht der Isolierung des Furthermore, an application of different insulating materials for the at least one fuel cell stack thermally insulating further housing and the at least one peripheral component at least partially surrounding housing allows, reducing the requirements for the insulating effect of the different insulating materials cost and weight of the insulation
Brennstoffzellensystems verringerbar sind. Die Isolationswirkung des jeweiligen Fuel cell system can be reduced. The isolation effect of each
Gehäuses ist hierbei gezielt an die Anforderungen der jeweiligen peripheren Komponente bzw. an die Anforderungen des wenigstens einen Brennstoffzellenstapels anpassbar. Somit ist ein Brennstoffzellensystem mit einer vergleichsweise wenig komplexen thermischen Isolierung bereitgestellt und die thermische Isolierung ist so verbessert. Housing is specifically adapted to the requirements of the respective peripheral component or to the requirements of at least one fuel cell stack. Thus, a fuel cell system with a comparatively less complex thermal insulation is provided, and the thermal insulation is improved.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst die wenigstens eine periphere Komponente einen Wasserabscheider, wobei durch die geringere thermische In an advantageous embodiment of the invention, the at least one peripheral component comprises a water separator, wherein the lower thermal
Isolationswirkung des thermisch isolierenden Gehäuses im Vergleich zu dem weiteren Gehäuse ein Temperaturgradient zwischen dem wenigstens einen Brennstoffzellenstapel und der wenigstens einen peripheren Komponente einstellbar ist, durch welchen beim Abkühlen des Brennstoffzellensystems ein überwiegendes Kondensieren von Wasser im Bereich des Wasserabscheiders erreichbar ist. Dem liegt die Erkenntnis zugrunde, dass es bei aus dem Stand der Technik bekannten Brennstoffzellensystemen zu einem fortdauernden Kondensieren von Wasser in dem wenigstens einen Brennstoffzellenstapel kommen kann, während die den Wasserabscheider umfassende periphere Komponente bereits eingefroren ist. Hierbei kann der Wasserabscheider das in dem Insulation effect of the thermally insulating housing in comparison to the other housing a temperature gradient between the at least one fuel cell stack and the at least one peripheral component is adjustable, by which a predominant condensation of water in the region of the water separator can be achieved during cooling of the fuel cell system. This is based on the finding that, in fuel cell systems known from the prior art, continuous condensation of water in the at least one fuel cell stack can occur while the peripheral component comprising the water separator is already frozen. Here, the water separator in the
Brennstoffzellenstapel fortdauernd anfallende Wasser nicht mehr aufnehmen und es insbesondere nicht mehr aus dem Brennstoffzellensystem abscheiden. Fuel cell stack persistently no longer absorb accumulating water and in particular no longer separate it from the fuel cell system.
Durch gezieltes Einstellen des Temperaturgradienten zwischen dem By deliberately setting the temperature gradient between the
Brennstoffzellenstapel und der peripheren Komponente kann ein Kondensieren von Wasser im Bereich des Brennstoffzellenstapels weitgehend unterbunden werden. Hierbei bewirkt der Temperaturgradient, dass im Bereich des Wasserabscheiders eine definierte Wärmesenke bereitgestellt ist, an welcher das Kondensieren des Wassers überwiegend stattfindet, so dass das auskondensierte Wasser besonders wirksam aus dem Fuel cell stack and the peripheral component, condensation of water in the region of the fuel cell stack can be largely prevented. Here, the temperature gradient causes that in the region of the water separator, a defined heat sink is provided, at which the condensation of the water takes place predominantly, so that the condensed water is particularly effective from the
Brennstoffzellensystem abscheidbar ist. Dadurch ist das Abscheiden kondensierten Wassers aus dem Brennstoffzellensystem verbessert. Durch das Schaffen von Bereichen des Brennstoffzellensystems mit unterschiedlichen thermischen Isolationswirkungen ist ein Wärmefluss in dem Brennstoffzellensystem gezielt steuerbar und so das Fuel cell system is separable. This improves the separation of condensed water from the fuel cell system. By creating regions of the fuel cell system with different thermal insulation effects, a heat flow in the fuel cell system can be selectively controlled, and so on
Thermalmanagement des Brennstoffzellensystems verbessert. Thermal management of the fuel cell system improved.
Als weiter vorteilhaft hat es sich gezeigt, wenn die thermisch isolierenden Gehäuse lösbar miteinander verbunden sind, wobei durch die lösbar miteinander verbundenen Gehäuse ein gemeinsames, den wenigstens einen Brennstoffzellenstapel und die wenigstens eine periphere Komponente zumindest teilweise aufnehmendes Gesamtgehäuse bereitgestellt ist. Hierbei ist sowohl der wenigstens eine Brennstoffzellenstapel als auch die wenigstens eine periphere Komponente von lediglich einem Gehäuse zumindest teilweise umgeben und die wenigstens eine periphere Komponente sowie der wenigstens eine As further advantageous, it has been shown, when the thermally insulating housing are releasably connected to each other, wherein by the releasably interconnected housing a common, the at least one fuel cell stack and the at least one peripheral component at least partially receiving total housing is provided. Here, both the at least one fuel cell stack and the at least one peripheral component of only one housing is at least partially surrounded and the at least one peripheral component and the at least one
Brennstoffzellenstapel sind thermisch gekoppelt. Durch das Vorsehen lösbar miteinander verbundener thermisch isolierender Gehäuse für das Brennstoffzellensystem sind der Brennstoffzellenstapel und die wenigstens eine periphere Komponente unabhängig voneinander und somit besonders einfach zu warten und/oder zu reparieren. Es kann bei einer Wartung und/oder Reparatur auf die periphere Komponente oder auf den Fuel cell stacks are thermally coupled. By providing detachably interconnected thermally insulating housing for the fuel cell system, the fuel cell stack and the at least one peripheral component are independent of each other and thus particularly easy to maintain and / or repair. It may be at a maintenance and / or repair on the peripheral component or on the
Brennstoffzellenstapel getrennt zugegriffen werden, ohne dass eine Demontage des gesamten Brennstoffzellensystems notwendig ist. Durch das mechanische Koppeln von peripheren Komponenten und Brennstoffzellenstapel ist ein Auskühlen des Fuel cell stacks are accessed separately, without disassembly of the entire fuel cell system is necessary. By the mechanical coupling of Peripheral components and fuel cell stack is a cooling of the
Brennstoffzellensystems bei einem Außer-Betrieb-Nehmen zudem weiter reduziert. Fuel cell system in a decommissioning also further reduced.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist das den wenigstens einem Brennstoffzellenstapel thermisch isolierende weitere Gehäuse eine größere Dichtigkeit gegenüber Wasserstoffgas auf als das thermisch isolierende Gehäuse, in welchem die wenigstens eine periphere Komponente zumindest teilweise angeordnet ist. Ein unkontrolliertes Austreten von sich in einem Anodenzweig des In a further advantageous embodiment of the invention, the further housing thermally insulating the at least one fuel cell stack has a greater impermeability to hydrogen gas than the thermally insulating housing in which the at least one peripheral component is arranged at least partially. An uncontrolled escape of itself in an anode branch of the
Brennstoffzellenstapels befindenden Wasserstoffgas in die Umgebung des Fuel cell stack located hydrogen gas in the environment of the
Brennstoffzellensystems ist zu vermeiden. Bei einem aus dem Stand der Technik bekannten Brennstoffzellensystem, welches ein gemeinsames Gesamtgehäuse für den wenigstens einen Brennstoffzellenstapel und die wenigstens eine periphere Komponente aufweist, ist daher das Gesamtgehäuse gegenüber Wasserstoffgas dicht ausgebildet. Dieser besonders hohe Aufwand zum Verhindern eines unkontrollierten Austretens des Wasserstoffgases in die Umgebung ist bei dem vorliegend beschriebenen Fuel cell system should be avoided. In a known from the prior art fuel cell system, which has a common overall housing for the at least one fuel cell stack and the at least one peripheral component, therefore, the entire housing is sealed to hydrogen gas. This particularly high effort to prevent an uncontrolled leakage of the hydrogen gas into the environment is described in the present case
Brennstoffzellensystem erheblich reduzierbar. Lediglich das den wenigstens einen Brennstoffzellenstapel thermisch isolierende weitere Gehäuse muss gegenüber Fuel cell system significantly reduced. Only the at least one fuel cell stack thermally insulating further housing must face
Wasserstoffgas dicht ausgebildet sein. Das die periphere Komponente zumindest teilweise umgebende Gehäuse muss hingegen keine Dichtigkeit gegenüber Be hydrogen gas tight. On the other hand, the housing which at least partially surrounds the peripheral component does not have to be impervious to leaks
Wasserstoffgas aufweisen. Have hydrogen gas.
Durch das gegenüber Wasserstoffgas dichte Ausbilden des den wenigstens einen Brennstoffzellenstapel thermisch isolierenden weiteren Gehäuses kann Wasserstoffgas nicht in den Bereich der peripheren Komponenten gelangen. Dadurch ist zusätzlich ein Aufwand für ein explosionsgeschütztes Auslegen der wenigsten einen peripheren Komponente verringerbar. Insgesamt ist die Komplexität des Gesamtgehäuses gegenüber einem vollständig gegenüber Wasserstoffgas dicht ausgebildeten Hydrogen gas can not reach the area of the peripheral components due to the hydrogen gas-tight formation of the further housing which thermally insulates the at least one fuel cell stack. As a result, an expense for explosion-proof design of at least one peripheral component is additionally reducible. Overall, the complexity of the overall housing over one is completely dense compared to hydrogen gas
Gesamtgehäuse deutlich reduziert. Total housing significantly reduced.
Bauteile der wenigstens einen peripheren Komponente weisen häufig bereits hohe Anforderungen an eine Dichtigkeit gegenüber einem Zutritt von Feststoffen, insbesondere Partikeln, und Wasser in die Bauteile auf. Beispielsweise können Bauteile der peripheren Komponenten bereits der Schutzklasse IP 67 angehören. Diese Bauteile gehören somit einer Schutzklasse an, welche Staubdichtigkeit und einen Schutz des Bauteils bei einem kurzzeitigen Untertauchen in Wasser gewährleistet. Daher ist bei dem vorliegend beschriebenen Brennstoffzellensystem ein zusätzliches Abdichten des die periphere Komponente aufnehmenden Gehäuses, etwa durch das aus dem Stand der Technik bekannte, gegenüber Wasserstoffgas dicht ausgebildete Gesamtgehäuse nicht notwendig. Bei diesen Bauteilen, welche einer vergleichsweise hohen Schutz bietenden Schutzklasse angehören, ist ein zusätzliches Umschließen mit einem Gehäuse, welches zusätzlich eine Dichtigkeit gegenüber Wasserstoffgas aufweist, nicht notwendig, sofern wie vorliegend beschrieben das den wenigstens einen Brennstoffzellenstapel isolierende weitere Gehäuse die Dichtigkeit gegenüber Wasserstoffgas aufweist. Components of the at least one peripheral component often already have high requirements for tightness against access of solids, in particular particles, and water in the components. For example, components of the peripheral components may already belong to protection class IP 67. These components thus belong to a class of protection, which ensures dust-tightness and protection of the component during a brief submersion in water. Therefore, in the presently described fuel cell system, additional sealing of the peripheral component housing, such as that of the prior art known, compared to hydrogen gas dense overall housing not necessary. In these components, which belong to a comparatively high protection offering protection class, an additional enclosing with a housing which additionally has a seal against hydrogen gas, not necessary, as far as described as the at least one fuel cell stack insulating further housing has the seal against hydrogen gas.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung. Further advantages, features and details of the invention will become apparent from the following description of a preferred embodiment and from the drawing.
Diese zeigt in einer schematischen Perspektivansicht ein Brennstoffzellensystem mit einem Brennstoffzellenstapel und zwei peripheren Komponenten zum Versorgen des Brennstoffzellenstapels. This shows in a schematic perspective view of a fuel cell system with a fuel cell stack and two peripheral components for supplying the fuel cell stack.
Die Figur zeigt in einer schematischen Perspektivansicht ein Brennstoffzellensystem 10, welches vorliegend einen zentral angeordneten Brennstoffzellenstapel 12 sowie jeweils seitlich des Brennstoffzellenstapels 12 angeordnete periphere Komponenten umfasst. The FIGURE shows a schematic perspective view of a fuel cell system 10 which in the present case comprises a centrally arranged fuel cell stack 12 and peripheral components arranged laterally of the fuel cell stack 12.
Eine der auf einer Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels 12 angeordneten peripheren Komponenten ist vorliegend als Befeuchtermodul 14 ausgebildet. Die weitere, dem Befeuchtermodul 14 gegenüberliegende und auf einer Anodenseite des One of the peripheral components arranged on a cathode side of the fuel cell stack 12 is presently embodied as a humidifier module 14. The other, the humidifier module 14 opposite and on an anode side of the
Brennstoffzellenstapels 12 angeordnete periphere Komponente ist vorliegend als Fuel cell stack 12 arranged peripheral component is present as
Anodenmodul 16 ausgebildet. Mittels des Befeuchtermoduls 14 ist die Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels 12 mit befeuchteter Zuluft versorgbar. Das Anodenmodul 16 dient dem Beaufschlagen des Brennstoffzellenstapels 12 mit Brennstoff, beispielsweise mit Wasserstoffgas. Das Anodenmodul 16 umfasst vorliegend einen nicht im Detail gezeigten Wasserabscheider. Des Weiteren weist das Anodenmodul 16 ein Rezirkulationsgebläse auf, mittels welchem ein Im-Kreislauf-Führen des Brennstoffs ermöglicht ist. Das Anode module 16 is formed. By means of the humidifier module 14, the cathode side of the fuel cell stack 12 can be supplied with humidified supply air. The anode module 16 serves to pressurize the fuel cell stack 12 with fuel, for example with hydrogen gas. In the present case, the anode module 16 comprises a water separator not shown in detail. Furthermore, the anode module 16 has a recirculation fan, by means of which an in-circuit-guiding of the fuel is made possible. The
Anodenmodul 16 umfasst auch ein Dosierventil zum Zudosieren des Brennstoffs in den Brennstoffzellenstapel 12. Anode module 16 also includes a metering valve for metering the fuel into the fuel cell stack 12.
Das Befeuchtermodul 14 weist ein thermisch isolierendes Gehäuse 18 auf. Auch das Anodenmodul 16 ist von einem thermisch isolierenden Gehäuse 20 umgeben, wobei Anschlussleitungen 22 aus dem Gehäuse 20 austreten. Der Brennstoffzellenstapel 12 ist in einem weiteren thermisch isolierenden Gehäuse 24 angeordnet. Durch die Gehäuse 18, 20, 24 ist ein den Brennstoffzellenstapel 12 und die peripheren Komponenten 14, 16 aufnehmendes Gesamtgehäuse bereitgestellt. The humidifier module 14 has a thermally insulating housing 18. Also, the anode module 16 is surrounded by a thermally insulating housing 20, wherein connection lines 22 emerge from the housing 20. The fuel cell stack 12 is arranged in a further thermally insulating housing 24. Through the housing 18, 20, 24 is provided a fuel cell stack 12 and the peripheral components 14, 16 receiving overall housing.
Das Gesamtgehäuse weist vorliegend eine im Wesentlichen ebene Außenkontur auf und ist im Wesentlichen quaderförmig ausgebildet. Das Gehäuse 18 des Befeuchtermoduls 14 und das Gehäuse 20 des Anodenmoduls 16 ist jeweils lösbar mit dem Gehäuse 24 des Brennstoffzellenstapels 12 verbunden. Entsprechende Trennfugen 26 des In the present case, the overall housing has a substantially planar outer contour and is substantially cuboid. The housing 18 of the humidifier module 14 and the housing 20 of the anode module 16 are each detachably connected to the housing 24 of the fuel cell stack 12. Corresponding joints 26 of the
Gesamtgehäuses sind in der Figur dargestellt. Die peripheren Komponenten 14, 16 sind also vorliegend über die Trennfugen 26 mechanisch und thermisch an den Overall housing are shown in the figure. The peripheral components 14, 16 are thus present on the joints 26 mechanically and thermally to the
Brennstoffzellenstapel 12 gekoppelt. Eine Isolierschicht 28 des den Fuel cell stack 12 coupled. An insulating layer 28 of the
Brennstoffzellenstapel 12 aufnehmenden weiteren Gehäuses 24 weist vorliegend eine besonders hohe thermische Isolationswirkung auf. Darüber hinaus ist diese oberseitig und unterseitig des Brennstoffzellenstapels 12 ausgebildete Isolierschicht 28 dicht gegenüber Wasserstoffgas. Fuel cell stack 12 receiving further housing 24 in the present case has a particularly high thermal insulation effect. In addition, this insulating layer 28 formed on the upper side and lower side of the fuel cell stack 12 is sealed against hydrogen gas.
Demgegenüber weisen Isolierschichten 30 der Gehäuse 18, 20 der peripheren In contrast, have insulating layers 30 of the housing 18, 20 of the peripheral
Komponenten 14, 16 eine geringere thermische Isolationswirkung als die Isolierschicht 28 des den Brennstoffzellenstapel 12 aufnehmenden Gehäuses 24 auf. Zudem sind diese Isolierschichten 30 nicht dicht gegenüber Wasserstoffgas ausgebildet. Components 14, 16 a lower thermal insulation effect than the insulating layer 28 of the fuel cell stack 12 receiving housing 24. In addition, these insulating layers 30 are not formed dense against hydrogen gas.
Aufgrund der besonders großen thermischen Masse des Brennstoffzellenstapels 12 kühlt dieser nach einem Außer-Betrieb-Nehmen des Brennstoffzellensystems 10 besonders langsam aus. Das langsame Auskühlen des Brennstoffzellenstapels 12 ist durch die Isolierschicht 28 weiter reduziert. Vorliegend ist durch die geringere thermische Due to the particularly large thermal mass of the fuel cell stack 12 cools this after a decommissioning of the fuel cell system 10 is particularly slow. The slow cooling of the fuel cell stack 12 is further reduced by the insulating layer 28. Present is due to the lower thermal
Isolationswirkung der Gehäuse 18, 24 im Vergleich zu dem Gehäuse 24 ein Insulation effect of the housing 18, 24 in comparison to the housing 24 a
Temperaturgradient zwischen dem Brennstoffzellenstapel 12 und dem Anodenmodul 16 eingestellt, durch welchen beim Abkühlen des Brennstoffzellensystems 10 ein gezieltes Auskondensieren von Wasser im Bereich des Wasserabscheiders des Anodenmoduls 16 erreicht ist. Set temperature gradient between the fuel cell stack 12 and the anode module 16 through which a targeted condensation of water in the region of the water separator of the anode module 16 is achieved during cooling of the fuel cell system 10.
Anforderung an die Isolierschichten 30 der Gehäuse 18, 20 hinsichtlich der thermischen Isolationswirkung und der Dichtigkeit gegenüber Wasserstoffgas sind also vorliegend deutlich reduziert gegenüber einem Gesamtgehäuse, welches das Befeuchtermodul 14, den Brennstoffzellenstapel 12 und das Anodenmodul 16 umgibt und durchgängig dicht gegenüber Wasserstoffgas ausgebildet ist. Im Bereich der Trennfugen 26 ist das vorliegend gezeigte Brennstoffzellensystem 10 an ein Fahrzeug gekoppelt. Requirement for the insulating layers 30 of the housings 18, 20 with regard to the thermal insulation effect and the impermeability to hydrogen gas are therefore significantly reduced in the present case compared with an overall housing which surrounds the humidifier module 14, the fuel cell stack 12 and the anode module 16 and is constructed to be completely sealed against hydrogen gas. In the area of the parting lines 26, the fuel cell system 10 shown here is coupled to a vehicle.
Der Brennstoffzellenstapel 12 ist vorliegend in besonders kompakter Art und Weise von dem die Isolierschichten 28 aufweisenden Gehäuse 24 umgeben. Ein Volumen eines in dem Gehäuse 24 bereitgestellten Hohlraums ist hierbei so bemessen, dass bei einem Zutreten von Wasserstoffgas in den Hohlraum ein Ausbilden einer explosionsfähigen Atmosphäre in dem Hohlraum vermieden ist. In the present case, the fuel cell stack 12 is surrounded in a particularly compact manner by the housing 24 having the insulating layers 28. A volume of a cavity provided in the housing 24 is in this case dimensioned such that when hydrogen gas enters the cavity, formation of an explosive atmosphere in the cavity is avoided.
Auch ein Volumen eines in dem das Anodenmodul 16 aufnehmenden Gehäuse 20 bereitgestellten Hohlraums ist so bemessen, dass bei einem Zutreten von Also, a volume of a cavity provided in the housing 20 accommodating the anode module 16 is dimensioned such that upon occurrence of
Wasserstoffgas ein Ausbilden einer explosionsfähigen Atmosphäre in diesem Hohlraum vermieden ist. Dies ist insbesondere dadurch ermöglicht, dass vorliegend das Hydrogen gas is avoided forming an explosive atmosphere in this cavity. This is made possible in particular by the fact that the present invention
Gesamtgehäuse aus den Gehäusen 18, 24, 20 gebildet ist, welche die in den Gehäusen 18, 24, 20 aufgenommenen Bauteile besonders eng umschließen. Overall housing from the housings 18, 24, 20 is formed, which enclose the housed in the housings 18, 24, 20 components particularly tight.
Auf ein aktives Belüften des Gesamtgehäuses, des den Brennstoffzellenstapel 12 aufnehmenden Gehäuses 24 und/oder des das Anodenmodul 16 aufnehmenden On an active ventilation of the overall housing, the fuel cell stack 12 receiving housing 24 and / or the anode module 16 receiving
Gehäuses 20 kann somit verzichtet werden, da ein Ansammeln von Wasserstoffgas in Hohlräumen des Gesamtgehäuses, welches zum Ausbilden einer explosionsfähigen Atmosphäre führen könnte, vermieden ist. Housing 20 can thus be dispensed with, since accumulation of hydrogen gas in cavities of the overall housing, which could lead to the formation of a potentially explosive atmosphere, is avoided.
Zusätzlich ist durch das den Brennstoffzellenstapel 12 isolierende Gehäuse 24 eine Flammensperre bereitgestellt. Dadurch ist ein Ausbreiten einer Flammenfront in die an das Gehäuse 24 angrenzenden Gehäuse 18, 20, welche die peripheren Komponenten 14, 16 aufnehmen, verhindert. Somit ist eine zusätzliche Sicherheit gegenüber einer Explosion von Wasserstoffgas in dem Brennstoffzellensystem 10 bereitgestellt. In addition, a flame arrester is provided by the housing 24 insulating the fuel cell stack 12. As a result, a spreading of a flame front in the adjacent housing 24 to the housing 18, 20, which receive the peripheral components 14, 16 prevented. Thus, additional safety against explosion of hydrogen gas is provided in the fuel cell system 10.
Das Gesamtgehäuse ist vorliegend derart ausgebildet, dass der Brennstoffzellenstapel 12 sowie die peripheren Komponenten 14, 16 jeweils von lediglich einem Gehäuse 24 bzw. 18, 20 zumindest teilweise umgeben ist. Dadurch, dass ein Ausbilden einer The overall housing is in the present case designed such that the fuel cell stack 12 and the peripheral components 14, 16 are each surrounded at least partially by only one housing 24 or 18, 20. In that a training of a
explosionsfähigen Atmosphäre in dem Brennstoffzellensystem 10 und ein Austreten einer Flammenfront aus dem Gehäuse 24 in die angrenzenden peripheren Komponenten 14, 16 vermieden ist, ist ein Aufwand für ein explosionsgeschütztes Auslegen der peripheren Komponenten 14, 16 reduzierbar. explosive atmosphere in the fuel cell system 10 and a leakage of a flame front from the housing 24 is avoided in the adjacent peripheral components 14, 16, a cost for explosion-proof design of the peripheral components 14, 16 can be reduced.

Claims

Patentansprüche claims
1. Brennstoffzellensystem mit wenigstens einem Brennstoffzellenstapel (12), und mit wenigstens einer peripheren Komponente (14, 16) zum Versorgen des wenigstens einen Brennstoffzellenstapels (12), wobei die wenigstens eine periphere A fuel cell system having at least one fuel cell stack (12), and at least one peripheral component (14, 16) for supplying the at least one fuel cell stack (12), the at least one peripheral one
Komponente (14, 16) zumindest teilweise in einem thermisch isolierenden Gehäuse (18, 20) angeordnet ist,  Component (14, 16) is at least partially disposed in a thermally insulating housing (18, 20),
dadurch gekennzeichnet, dass  characterized in that
dieses thermisch isolierende Gehäuse (18, 20) eine geringere thermische  this thermally insulating housing (18, 20) has a lower thermal
Isolationswirkung aufweist als ein den wenigstens einen Brennstoffzellenstapel (12) thermisch isolierendes weiteres Gehäuse (24).  Insulation effect as a the at least one fuel cell stack (12) thermally insulating further housing (24).
2. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1 , 2. Fuel cell system according to claim 1,
dadurch gekennzeichnet, dass  characterized in that
die wenigstens eine periphere Komponente (16) einen Wasserabscheider umfasst, wobei durch die geringere thermische Isolationswirkung des thermisch isolierenden Gehäuses (20) im Vergleich zu dem weiteren Gehäuse (24) ein Temperaturgradient zwischen dem Brennstoffzellenstapel (12) und der peripheren Komponente (16) einstellbar ist, durch welchen beim Abkühlen des Brennstoffzellensystems (10) ein überwiegendes Kondensieren von Wasser im Bereich des Wasserabscheiders erreichbar ist.  the at least one peripheral component (16) comprises a water separator, wherein a temperature gradient between the fuel cell stack (12) and the peripheral component (16) can be set by the lower thermal insulation effect of the thermally insulating housing (20) compared to the further housing (24) is, by which on cooling of the fuel cell system (10) a predominant condensation of water in the region of the water separator can be achieved.
3. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1 oder 2, 3. Fuel cell system according to claim 1 or 2,
dadurch gekennzeichnet, dass  characterized in that
die thermisch isolierenden Gehäuse (18, 24, 20) lösbar miteinander verbunden sind, wobei durch die lösbar miteinander verbundenen Gehäuse (18, 24, 20) ein gemeinsames, den wenigstens einen Brennstoffzellenstapel (12) und die wenigstens eine periphere Komponente (14, 16) aufnehmendes Gesamtgehäuse bereitgestellt ist. the thermally insulating housing (18, 24, 20) are releasably connected to each other, wherein by the releasably interconnected housing (18, 24, 20) a common, the at least one fuel cell stack (12) and the at least one peripheral component (14, 16) receiving the overall housing is provided.
4. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, 4. Fuel cell system according to one of claims 1 to 3,
dadurch gekennzeichnet, dass  characterized in that
das den wenigstens einen Brennstoffzellenstapel (12) thermisch isolierende weitere Gehäuse (24) eine größere Dichtigkeit gegenüber Wasserstoffgas aufweist als das thermisch isolierende Gehäuse (18, 20), in welchem die wenigstens eine periphere Komponente (14, 16) zumindest teilweise angeordnet ist.  the further housing (24) which thermally insulates the at least one fuel cell stack (12) has a greater impermeability to hydrogen gas than the thermally insulating housing (18, 20) in which the at least one peripheral component (14, 16) is at least partially arranged.
5. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, 5. Fuel cell system according to one of claims 1 to 4,
dadurch gekennzeichnet, dass  characterized in that
durch das den wenigstens einen Brennstoffzellenstapel (12) thermisch isolierende weitere Gehäuse (24) eine Flammensperre bereitgestellt ist  by the at least one fuel cell stack (12) thermally insulating further housing (24) is provided a flame arrester
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