WO2011141554A1 - Explosionsgeschützte brennstoffzelle - Google Patents

Explosionsgeschützte brennstoffzelle Download PDF

Info

Publication number
WO2011141554A1
WO2011141554A1 PCT/EP2011/057711 EP2011057711W WO2011141554A1 WO 2011141554 A1 WO2011141554 A1 WO 2011141554A1 EP 2011057711 W EP2011057711 W EP 2011057711W WO 2011141554 A1 WO2011141554 A1 WO 2011141554A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
fuel cell
cell assembly
assembly according
heat balance
cell stack
Prior art date
Application number
PCT/EP2011/057711
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Thomas Horn
Ulrich Johannesmeyer
Anton Schimmele
Original Assignee
Bundesrepublik Deutschland, vertreten durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie, dieses vertreten durch den Präsidenten der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt
R. Stahl Schaltgeräte 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 Bundesrepublik Deutschland, vertreten durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie, dieses vertreten durch den Präsidenten der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt, R. Stahl Schaltgeräte GmbH filed Critical Bundesrepublik Deutschland, vertreten durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie, dieses vertreten durch den Präsidenten der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt
Priority to US13/697,571 priority Critical patent/US20130209910A1/en
Publication of WO2011141554A1 publication Critical patent/WO2011141554A1/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
    • H01M8/04007—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids related to heat exchange
    • H01M8/04029—Heat exchange using liquids
    • 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
    • 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
    • H01M8/04007—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids related to heat exchange
    • H01M8/04052—Storage of heat in the fuel cell system
    • 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
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/0432—Temperature; Ambient temperature
    • H01M8/04343—Temperature; Ambient temperature of anode exhausts
    • 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
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/0432—Temperature; Ambient temperature
    • H01M8/0435—Temperature; Ambient temperature of cathode exhausts
    • 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
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/0432—Temperature; Ambient temperature
    • H01M8/04358—Temperature; Ambient temperature of the coolant
    • 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
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/04664—Failure or abnormal function
    • H01M8/04679—Failure or abnormal function of fuel cell stacks
    • 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 invention relates to a fuel cell assembly for use in potentially explosive atmospheres.
  • Fuel cells are used to generate electrical energy by oxidation of a suitable fuel, ie reducing agent, such as hydrogen with air or oxygen. During normal operation of the fuel cell, waste heat is generated. The waste heat is generated on individual elements, such as the electrodes, a proton exchange membrane or other elements. Cooling systems are often used to remove waste heat.
  • a suitable fuel ie reducing agent, such as hydrogen with air or oxygen.
  • waste heat is generated on individual elements, such as the electrodes, a proton exchange membrane or other elements. Cooling systems are often used to remove waste heat.
  • a Zellstructsumpolung for example, as a result of Edukte-depletion or overcurrents, cause the cell in question in the stack provides no electric ⁇ cal power, but rather absorbs, whereby the temperature of this cell can rise sharply.
  • a local increase in temperature of a fuel cell represents a potential ignition source when the fuel cell is used in a potentially explosive atmosphere.
  • the use of fuel cells in hazardous areas is proposed by DE 103 46 852 AI, in which there are arranged inside a containment, both the fuel cell and to be associated ⁇ hydrogen storage.
  • the containment is beauf ⁇ strike with an inert gas such as nitrogen or clean air to include the fuel cell and it contains the hydrogen storage in a pressurized enclosure.
  • the fuel cell can be provided with a cooling device in order to release heat to the environment and, if necessary, optionally to a hydrogen hybrid storage.
  • the pressurized enclosure of a fuel cell can be used to keep a potentially explosive atmosphere from the fuel cell.
  • the overpressure Encapsulation can be realized only with a relatively high outlay because, at least if the containment is not hermetically sealed, it requires constant flushing or compensation of the leakage losses.
  • it must be ensured during the start-up phase by repeated rinsing that no more explosive mixture is contained in the containment before the electrical activation is permitted at all.
  • complex monitoring and control ⁇ devices are necessary, which must be protected as well as the Abschaltein ⁇ direction, for example in flameproof enclosure.
  • clean air or inert gas is not available on-site and must be supplied from outside the potentially explosive atmosphere. In mobile applications, this is usually not possible.
  • the fuel cell assembly according to the invention comprises a fuel cell stack with at least one input for an oxidant, at least one input for a Re ⁇ dutechnischskar (fuel), at least one output for reaction products and / or residual gases and at least two electrical connections.
  • the fuel cell stack preferably comprises a plurality of individual fuel cells, which are connected via a corresponding distributor to the respective inputs and outputs and connected to electrical terminals.
  • the oxidizing agent is, for example, air or oxygen.
  • the reducing agent is hydrogen or another fuel.
  • the fuel cell assembly according to the invention is provided with a heat balance jacket which serves to equalize the heat distribution on the outer surface in contact with the potentially explosive atmosphere in order to avoid hot spots.
  • the heat balance jacket can be used as an integral part of the
  • Fuel cell stacks may be formed within the same or alternatively as an outer jacket thereof.
  • the fuel cell arrangement according to the invention comprises a containment housing which encloses the fuel cell stack and is filled with a heat balance fluid to surround the heat balance jacket which surrounds the fuel cell stack on all sides, ie on the 6 sides.
  • a layer of heat balance fluid is arranged in each direction between the surface of the fuel cell stack and the containment ⁇ housing.
  • the layer thickness is preferably so large that the capacity of the cherrieskapa ⁇ present in the layer réelleausretesfluid- volume sufficient to receive heat released quantities within safe temperature limits in case of failure at the surface of the fuel cell stack.
  • the heat balance fluid is preferably an electrically insulating fluid with high heat storage capacity. It can also find water (eg pure water) or an aqueous solution application.
  • a heat storage capacity is considered, which is at least 1/3, preferably at least half as large as the heat storage capacity of water.
  • the heat balance fluid is a liquid with low Viscosity ⁇ ⁇ worth understood a viscosity that is lower than twice the visco ⁇ sity of water.
  • a heat balance fluid can also be a highly viscous Be liquid or a gel with high thermal conductivity can be provided, which is able to share the temperature of hot spots of the fuel cell quickly evenly ver ⁇ .
  • the latter requires the separation from the cooling ⁇ circulation.
  • a "high thermal conductivity" is a thermal conductivity which is so great that the heat emanating from hot spots is distributed in such a way that no troublesome temperatures occur at the con ⁇ tainment housing.
  • the fuel cell stack is kept spaced in the containment housing from all walls of the containment housing. In this way, each localthermner ⁇ heating of the fuel cell stack is initially meausretesfluid absorbed by the heat and fixed (buffered). In any case, the passing of the locally heated spot on ⁇ amount of heat is not concentrated given to the containment housing ⁇ further, but the same on large areas distributed.
  • the surface warming of Containmentge ⁇ koruses is therefore much lower than for direct contact between the fuel cell stack and containment housing so that hot spots avoided and no dangerous tempera ⁇ ren can be achieved.
  • the fuel cell stack by individual may, preferably not or poorly heat-conductive elements, such as plastic webs, ceramic webs or Me ⁇ tallstege or the like, held in the interior of the containment housing and supported be.
  • the fuel cell arrangement according to the invention may have at least one cooling channel through which a cooling medium flows. This serves for the operational cooling of the fuel cell stack and can, for example, with a be connected external cooler to establish a cooling circuit.
  • the cooling fluid in the cooling passage may be the same fluid as the heat balance fluid. However, it is also possible to choose a different fluid.
  • the cooling circuit can be guided separately from the heat balance fluid, in another variant it communicates with the heat balance fluid in the interior of the containment ⁇ housing.
  • the heat balance fluid can be kept under pressure in the containment housing .
  • the containment housing is in this case closed against the environment. It is also possible to provide a Druckentlas ⁇ tung opening of the containment housing to equalize the pressure between the surroundings and the interior of the containment housing. In the pressure relief opening, a flame arrester can be arranged.
  • a temperature sensor for detecting the temperature of the heat balance fluid can be provided, which can be connected to an evaluation device. If local heating occurs on the surface of the fuel cell, the associated heating of the heat balance fluid can be evaluated as an error signal and used to initiate an emergency shutdown sequence.
  • the electric load Notfallabschaltsequenz the Jerusalem smoke, or (preferably thereafter) can be closed.
  • the exhaust gas temperature be monitored of the fuel cell stack.
  • a shutdown sequence can be initiated.
  • the cooling coil may for example be arranged in the heat balance fluid. Alternatively, it can be connected to the cooling circuit.
  • FIG. 1 shows a fuel cell arrangement according to the invention with fluid-filled containment, in a schematic principle representation.
  • FIG. 5 shows a fuel cell system with a fuel cell arrangement according to one of Figures 1 to 4 and further components, of which one or separately several or, together with the fuel cell arrangement are arranged in a filled with fluid containment, in schematic ⁇ tarraer schematic diagram.
  • FIG. 1 illustrates a fuel cell arrangement 10, which is arranged in a potentially explosive environment 11.
  • the fuel cell assembly 10 is part of a system that is designed explosion-proof and in addition to the fuel cell assembly also includes other components such as radiator and fan, compressors, a battery, sensors and actuators and a controller, which are preferably also carried explosion-proof.
  • the Brennstoffzel ⁇ lenstack 14 includes a plurality, preferably many individual fuel cells (in a stack fachorderlich:
  • Each of these fuel ⁇ fuel cells includes an anode, a cathode, an interposed solid or liquid electrolyte or ⁇ game as a proton exchange membrane and gas supply and derivation means with corresponding fluid passages.
  • each 1 is an anode block 16 for all anodes, a cathode block 17 for all cathodes, and a cooling block 18 for all cooling elements, but it goes without saying that individual ⁇ NEN anodes are arranged cathodes and cooling elements in the stack from ⁇ changing.
  • the fuel cell stack 14 forms, for example, a cuboid or otherwise shaped, for example cylindrical structure. In appropriate places connections are attached. These include at least one input 19 for an oxidant, such as air or oxygen, an input 20 for a Reduktionsmit- tel (ie, the fuel), such as methanol, Metha ⁇ noldampf, hydrogen or the like, at least one output 21, 22 for products and / or (anode) Residual gases as well as at least one electrical terminal 23 and a further electrical connection 24. Alternatively, one of the Connections 23, 24 may be formed by the housing of the fuel cell stack 14 itself.
  • an oxidant such as air or oxygen
  • an input 20 for a Reduktionsmit- tel ie, the fuel
  • the fuel such as methanol, Metha ⁇ noldampf, hydrogen or the like
  • at least one output 21, 22 for products and / or (anode) Residual gases as well as at least one electrical terminal 23 and a further electrical connection 24.
  • the containment housing 15 encloses an interior 25 in which the fuel cell stack 14 is arranged without surface contact with the containment housing 15.
  • a heat balance fluid 26 which encloses the fuel cell stack 14 on all sides, that is 6-sided.
  • the heat balance fluid can be, for example, water, preferably mineral-free water or else another preferably electrically non-conductive low vis ⁇ kose fluid with high heat capacity.
  • the fuel cell stack 14 is held in the interior 25 by suitable holders 27, 28, 29, 30 from all walls, in particular also the bottom wall 31 of the containment container 15 at a distance.
  • the holder 27 to 30 may be formed of plastic, ceramic or a metal. Preferably, they are designed by their choice of material or by constructive measures so that they have no significant heat conduction. Besides, they are on the fuel cell stack 14 preferably arranged at those locations where local heating is not expected.
  • holder 27 to 30 may be formed on the inner side of the containment housing 15, on which the fuel cell stack 14 is mounted selectively or with a small contact surface.
  • the holders 27 to 30 may also be formed as elements of the fuel cell stack 14.
  • the terminals 19, 20 are connected to lines 32, 33 connected ver ⁇ leading out of the containment housing 15 out.
  • valves 34, 35 may be provided in all the embodiments described here and below in order to shut off the supply of oxidizing agent and / or reducing agent, if necessary.
  • the valves 34, 35 can be ge ⁇ controlled by a monitoring unit 36th
  • the outputs 21, 22 are connected to lines 37, 38 is closed ⁇ leading out the resulting reaction products and / or residual gases from the containment vessel 15 °.
  • Both the line 37 and the line 38 may, if necessary, lead through a corresponding cooling device, for example in the form of a cooling coil 39, 40.
  • the cooling ⁇ snake 39, 40 may be disposed in the interior 25 to be in contact with the heat balance fluid 26 and to be cooled by this.
  • other cooling devices for the lines 37, 38 flowing media can be provided in and / or outside the Containmentge ⁇ reheats 15th
  • the fuel cell stack 14 is preferably provided with a cooling, to which Figure 1 shows the cooling block 18. This can be connected via a feed line 41 and a return line 42 to a radiator 43. In the cooling circuit thus formed may also be arranged a circulation pump 44. Preferably, the cooling circuit is ge ⁇ closed, ie in the flowing cooling fluid is separated from the heat compensating medium 26th
  • the cooling fluid may be water, oil or the like.
  • the electrical connections 23, 24 of the fuel cell stack 14 are connected to electrical lines 45, 46 which are led out of the containment housing 15.
  • the lines 45, 46 may be connected to an electrical shell 47, with which the current flow in the lines 45, 46 can be interrupted.
  • the switch 47 may be controlled by the monitoring unit 36, for example.
  • the switch 47 is optional in this and each subsequent embodiment. It can be arranged inside or outside of the containment housing 15.
  • the monitoring unit 36 may be connected to temperature sensors, such as a temperature sensor 48, for detecting the temperature of the furnishedaus GmbHsfluids 26.
  • a temperature sensor 48 for detecting the temperature of the furnishedaus GmbHsfluids 26.
  • One or more other temperature sensors 49, 50 for example, for monitoring the exhaust gas temperature of the fuel cell stack 14 on the lines 37, 38 vorgese ⁇ hen .
  • the temperature sensors 49, 50 can be arranged inside or outside the containment container 15. They may be arranged in front of or behind the cooling coils 39, 40 with respect to the fluid flow direction.
  • the containment vessel 14 may be provided with a pressure relief port 51 which is preferably mounted on its top. In this, if necessary, a flame arrester 52 may be arranged. These can be switched either above or un ⁇ terrenz the fluid level of the heat balance fluid 26 be ordered. Alternatively, the containment housing 15 may be open at its top.
  • the fuel cell assembly 10 described so far operates as follows:
  • oxidants and reducing agents are conducted into the fuel cell stack 14 via the lines 32, 33 when the valves 34, 34 are open.
  • the switch 47 When the switch 47 is closed, the generated current flows via the lines 45, 46 to supply a load which is not further illustrated.
  • About the lines 37, 38 of the product flow ⁇ te leaves the fuel cell stack.
  • the evaluation device 36 monitors the temperatures of the heat balance fluid 26 and the product flow.
  • the order ⁇ circulation pump 44 continuously conveys the cooling medium through the cooling channels, which are symbolized by the cooling block 18th
  • the heat balance fluid 26 causes any hot spots on the surface of the fuel cell stack 14 no direct effect on the temperature distribution the surface of the containment container 15 have.
  • the thermal compensation fluid is a thermal buffer over its heat capacity.
  • the evaluation device 36 If the evaluation device 36 detects heating of the heat balance fluid 26 above a given limit value hi ⁇ naus, it can close the valves 34, 35 and / or open the switch 47 (load shedding). It can be driven an orderly shutdown sequence. The same can be done when the monitoring device 36 with the aid of the temperature sensors 49, 50 detects an excessively high exhaust gas temperature.
  • the fuel cell assembly 10 so far described may be subject to numerous modifications, which are exemplified below. For this purpose, the previous description is assumed to be given. The same reference numerals are used for this purpose.
  • the switch 47 can be dispensed with in any of the embodiments described above or below. It is also possible to dispense with the valves 34, 35. If the monitoring device 36 then determines a fault occurs, an error signal may be generated and sent to other, not shown parts of the plant, such as the connected load or be sene Schlos ⁇ fuel source, passed to this JE because to disable.
  • the heat balance system formed by the heat balance fluid 26 may be connected to the cooling system formed by the cooling block 18, the flow line 41, the return line 42 and optionally the radiator 43 and the circulation pump 44.
  • the coupling of the two systems can be done, for example, that the return line 42 is connected to the containment container 15 and communicates with the interior 25 in connection.
  • the entrance 53 of the cooling block 18 may then be open in the interior 25.
  • the cooling fluid and the heat balance fluid are identical in this case.
  • the cool medium first enters the interior 25 and from there via the cooling block 18 and the flow line 41 back to the radiator 43.
  • the connection can alternatively be created on the flow line 41 in the same way.
  • FIG. 3 shows, can be an additional means of increasing the flow inside the heat from ⁇ equalization 26 provided in each of the embodiments described above and below, for example in the form of a circulation pump 54 which may be arranged inside or outside the containment ⁇ ment container 15th
  • Another modification that may be used in any of the embodiments described above relates to the cooling of the products dispensed from the fuel cell stack 14.
  • the cooling can be omitted completely.
  • heat exchanger 55, 56 provided, which are cooled for example by the cooling medium of the cooling circuit. They may be arranged in parallel or in series with each other in the return line 42 or in the flow line 41. In addition, they may be cooled with a separate dedicated refrigeration cycle to remove the heat from the product stream of lines 37 and / or 38.
  • a cooling module includes 57, for example, as described above, cooler 43 and pump 44, an air supply module 58, a fuel supply module 59, a fuel storage 60 (for example, a hydrogen storage), and a control module 61st
  • the latter may include a control unit 62 (eg PLC), a rechargeable battery 63 and an energy management module 64.
  • the power management module 64 may include a plurality of blocks, eg, a DC / AC converter and a block that monitors and regulates the power distribution.
  • the containment ⁇ housing 15 may, for example, only the fuel cell assembly 10, or alternatively, additional blocks, such as the air supply module 58, the fuel supply module 59, the
  • a fuel cell stack 14 which may be provided with a cooling system, in a containment tank 15 which is filled with a heat balance fluid 26.
  • the heat balance fluid 26 flows around the fuel cell stack 14 on all sides and prevents direct concentrated heat. Means transition from the surface of the fuel cell stack 14 to the containment housing 15.
  • the heat balance fluid 26 buffers and distributes local outgoing from the fuel cell stack 14 heat peaks and thus eliminates ignition sources.
  • Temperature compensator fluid temperature sensor Exhaust gas temperature sensor Exhaust gas temperature sensor Pressure equalization port

Abstract

Zum Einsatz von Brennstoffzellen in explosionsgefährdeten Umgebungen wird vorgesehen, einen Brennstoffzellenstack (14), der mit einem Kühlsystem versehen sein kann, zusätzlich in einem Containmentbehälter (15) unterzubringen, der mit einem Wärmeausgleichsfluid (26) gefüllt ist. Das Wärmeausgleichsfluid (26) umspült den Brennstoffzellenstack (14) allseitig und verhindert einen direkten konzentrierten Wärmeübergang von der Oberfläche des Brennstoffzellenstacks (14) auf das Containmentgehäuse (15). Das Wärmeausgleichsfluid (26) puffert und verteilt lokale von dem Brennstoffzellenstack (14) ausgehende Wärmespitzen und beseitigt somit Zündquellen.

Description

Explosionsgeschützte Brennstoffzelle
Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzellenanordnung zum Einsatz in explosionsgefährdeten Bereichen.
Brennstoffzellen dienen der Erzeugung von elektrischer Energie durch Oxidation eines geeigneten Brennstoffs, also Reduktionsmittels, wie beispielsweise Wasserstoff mit Luft oder Sauerstoff. Bei normalem Betrieb der Brennstoffzelle entsteht Abwärme. Die Abwärme entsteht dabei an einzelnen Elementen, wie beispielsweise den Elektroden, einer Proto- nenaustauschmembran oder an anderen Elementen. Zur Abfuhr von Abwärme werden häufig Kühlsysteme eingesetzt.
Durch atypische Betriebsweisen und Störungen oder Schädigungen der Brennstoffzelle kann es an der Brennstoff¬ zelle zu einer lokalen Temperaturerhöhung kommen, die von einem Betriebskühlsystem nicht ausreichend unterbunden werden. Beispielsweise kann sich die Brennstoffzelle oder Tei¬ le derselben an Stellen erwärmen, die mit der explosionsfähigen Umgebungsatmosphäre in Berührung kommen. Problema¬ tisch in Bezug auf den Explosionsschutz ist dabei vor allem, dass durch die lokalen Temperaturerhöhungen Heißpunkte an der äußeren Oberfläche der Brennstoffzelle entstehen können, deren Lage nicht vorhersehbar ist.
Innerhalb der Brennstoffzelle können verschiedene Feh¬ lerszenarien zur Entstehung solcher lokaler Temperaturüberhöhungen führen. Beispielsweise wird bei einer degradati¬ onsbedingten Schädigung einer Polymerelektrolytmembran deren sicherheitsrelevante Funktion der Gasseparation und e- lektrischer Isolation zwischen den Elektroden aufgehoben. Tritt in der Folge interner Gasübertritt, also eine interne Leckage auf, ergibt sich eine direkte exotherme Umsetzung des beispielsweise sich bildenden Wasserstoff-Luftgemisch an der aktiven Schicht der Elektrode. Auch ist ein direkter Kontakt der beiden sich gegenüber liegenden Elektroden nicht auszuschließen. Eine lokale Aufheizung der Kontaktstelle durch erhöhte Stromdichten oder Übergangswiderstände kann die Folge sein.
Auch kann eine Zellspannungsumpolung, beispielsweise infolge einer Edukte-Verarmung oder von Überströmen, dazu führen, dass die betreffende Zelle im Stack keine elektri¬ sche Leistung liefert, sondern vielmehr aufnimmt, wodurch die Temperatur dieser Zelle stark ansteigen kann. Eine lokale Temperaturerhöhung einer Brennstoffzelle stellt jedoch eine potentielle Zündquelle dar, wenn die Brennstoffzelle in explosionsgefährdeter Umgebung eingesetzt wird.
Der Einsatz von Brennstoffzellen in explosionsgefährdeten Bereichen wird von der DE 103 46 852 AI vorgeschlagen, wobei dort sowohl die Brennstoffzelle als auch der zu¬ gehörige WasserstoffSpeicher innerhalb eines Containments angeordnet sind. Das Containment ist mit einem Inertgas, wie beispielsweise Stickstoff oder sauberer Luft beauf¬ schlagt, um die darin enthaltene Brennstoffzelle und den WasserstoffSpeicher in einer Überdruckkapselung einzuschließen. Die Brennstoffzelle kann mit einer Kühleinrichtung versehen sein, um Wärme an die Umgebung und bedarfsweise gegebenenfalls an einen Wasserstoffhybridspeicher abzugeben .
Die Überdruckkapselung einer Brennstoffzelle kann dazu benutzt werden, eine explosionsgefährdete Atmosphäre von der Brennstoffzelle fernzuhalten. Jedoch ist die Überdruck- Kapselung nur mit einem relativ hohen Aufwand realisierbar, weil sie, zumindest wenn das Containment nicht hermetisch dicht ist, ein ständiges Durchspülen oder Ausgleich der Leckverluste verlangt. Hinzu kommt, dass in der Anlaufphase durch mehrmaliges Durchspülen sichergestellt werden muss, dass kein explosionsfähiges Gemisch mehr im Containment enthalten ist, bevor das elektrische Einschalten überhaupt zulässig ist. Dazu sind komplexe Überwachungs- und Steuer¬ einrichtungen notwendig, die ebenso wie die Abschaltein¬ richtung z.B. in druckfester Kapselung geschützt werden müssen. Außerdem ist in vielen Anwendungen saubere Luft o- der Inertgas nicht Vorort verfügbar und muss von außerhalb des explosionsgefährdeten Bereichs zugeführt werden. Bei mobilen Anwendungen ist dies meist gar nicht möglich.
Davon ausgehend ist es Aufgabe der Erfindung, ein Konzept zum explosionssicheren Einsatz von Brennstoffzellen anzugeben .
Diese Aufgabe wird mit der Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 1 gelöst:
Die erfindungsgemäße Brennstoffzellenanordnung umfasst ein Brennstoffzellenstack mit mindestens einem Eingang für ein Oxidationsmittel , mindestens einem Eingang für ein Re¬ duktionsmittel (Brennstoff) , mindestens einem Ausgang für Reaktionsprodukte und/oder Restgase und mit mindestens zwei elektrischen Anschlüssen. Der Brennstoffzellenstack umfasst vorzugsweise mehrere einzelne Brennstoffzellen, die über einen entsprechenden Verteiler an die jeweiligen Eingänge und Ausgänge angeschlossen und mit elektrischen Anschlüssen verbunden sind. Das Oxidationsmittel ist beispielsweise Luft oder Sauerstoff. Das Reduktionsmittel ist Wasserstoff oder ein anderer Brennstoff. Die erfindungsgemäße BrennstoffZeilenanordnung ist mit einem Wärmeausgleichsmantel versehen, der dazu dient, die Wärmeverteilung an der äußeren, mit der potenziell explosionsfähigen Atmosphäre in Berührung stehenden Oberfläche zu egalisieren, um Hot Spots zu vermeiden. Der Wärmeausgleichsmantel kann als integraler Bestandteil des
Brennstoffzellenstacks innerhalb desselben oder alternativ als äußerer Mantel desselben ausgebildet sein.
In der zweitgenannten Variante umfasst die erfindungs¬ gemäße Brennstoffzellenanordnung ein Containmentgehäuse, das den Brennstoffzellenstack umschließt und zur Ausbildung des Wärmeausgleichsmantels mit einem Wärmeausgleichsfluid gefüllt ist, das den Brennstoffzellenstack allseits, d.h. 6-seitig umgibt. Damit ist in jeder Richtung zwischen der Oberfläche des Brennstoffzellenstacks und dem Containment¬ gehäuse eine Schicht Wärmeausgleichsfluid angeordnet. Die Schichtdicke ist vorzugsweise so groß, dass die Wärmekapa¬ zität des in der Schicht vorhandenen Wärmeausgleichsfluid- volumens ausreicht, um im Fehlerfalle an der Oberfläche des Brennstoffzellenstacks freiwerdende Wärmemengen innerhalb sicherer Temperaturgrenzen aufzunehmen. Das Wärmeaus- gleichsfluid ist vorzugsweise eine elektrisch isolierende Flüssigkeit mit hohem Wärmespeichervermögen. Es kann auch Wasser (z.B. reines Wasser) oder eine wässrige Lösung Anwendung finden. Als ein „hohes Wärmespeichervermögen" wird in obigem Sinne ein Wärmespeichervermögen angesehen, das mindestens 1/3, vorzugsweise mindesten halb so groß ist wie das Wärmespeichervermögen von Wasser. Vorzugsweise ist das Wärmeausgleichsfluid eine Flüssigkeit mit niedriger Visko¬ sität. Unter „niedriger Viskosität" wird ein Viskositäts¬ wert verstanden, der niedriger ist als die doppelte Visko¬ sität von Wasser.
Als Wärmeausgleichsfluid kann auch ein eine hochvisko- se Flüssigkeit oder ein Gel mit hoher Wärmeleitfähigkeit vorgesehen sein, das in der Lage ist, die Temperatur von Heißpunkten der Brennstoffzelle schnell gleichmäßig zu ver¬ teilen. Letzteres setzt allerdings die Trennung vom Kühl¬ kreislauf voraus. Ein „hohes Wärmeleitvermögen" ist dabei ein Wärmeleitvermögen, das so groß ist, dass die von Hei߬ punkten ausgehende Wärme so verteilt wird, dass an dem Con¬ tainmentgehäuse keine gefählichen Temperaturen auftreten.
Der Brennstoffzellenstack ist in dem Containmentgehäuse von allen Wänden des Containmentgehäuses beabstandet gehalten. Auf diese Weise wird jede lokale Oberflächener¬ wärmung des Brennstoffzellenstacks zunächst von dem Wär- meausgleichsfluid aufgenommen und beseitigt (gepuffert) . Jedenfalls aber wird die an der lokal erwärmten Stelle auf¬ tretende Wärmemenge nicht konzentriert an das Containment¬ gehäuse weiter gegeben, sondern auf große Flächen desselben verteilt. Die oberflächliche Erwärmung des Containmentge¬ häuses ist somit weitaus geringer als bei direktem Kontakt zwischen Brennstoffzellenstack und Containmentgehäuse, so dass Heißpunkte vermieden und keine gefährlichen Temperatu¬ ren erreicht werden können.
Um den Brennstoffzellenstack in dem Containmentgehäuse von in Wänden des Containmentgehäuses beabstandet zu hal¬ ten, kann der Brennstoffzellenstack durch einzelne, vorzugsweise nicht oder schlecht wärmeleitende Elemente wie beispielsweise KunststoffStege, Keramikstege oder auch Me¬ tallstege oder dergleichen, in den Innenraum des Containmentgehäuses gehalten und abgestützt sein.
Die erfindungsgemäße Brennstoffzellenanordnung kann mindestens einen von einem Kühlmedium durchflossenen Kühlkanal aufweisen. Dieser dient der betriebsmäßigen Kühlung des Brennstoffzellenstacks und kann zum Beispiel mit einem externen Kühler verbunden sein, um einen Kühlkreislauf zu etablieren. Das Kühlfluid in dem Kühlkanal kann das gleiche Fluid sein wie das Wärmeausgleichsfluid . Es kann jedoch auch ein anderweitiges Fluid gewählt werden.
Der Kühlkreislauf kann von dem Wärmeausgleichsfluid getrennt geführt werden, in einer anderen Variante steht er mit dem Wärmeausgleichsfluid im Innenraum des Containment¬ gehäuses in Verbindung.
Das Wärmeausgleichsfluid kann in dem Containmentgehäu¬ se unter Überdruck gehalten sein. Das Containmentgehäuse ist in diesem Fall gegen die Umgebung abgeschlossen. Es ist auch möglich, an dem Containmentgehäuse eine Druckentlas¬ tungsöffnung vorzusehen, um einen Druckausgleich zwischen der Umgebung und dem Innenraum des Containmentgehäuses herzustellen. In der Druckentlastungsöffnung kann eine Flammensperre angeordnet sein.
Die Anordnung des Brennstoffzellenstacks innerhalb ei¬ nes Wärmeausgleichsmediums, das den Brennstoffzellenstack allseitig umgibt, schafft die Möglichkeit einer integrati- ven Temperaturüberwachung. Beispielsweise kann ein Temperatursensor zur Erfassung der Temperatur des Wärmeausgleichs- fluid vorgesehen werden, der mit einer Auswerteeinrichtung verbunden sein kann. Treten an der Oberfläche der Brennstoffzelle lokale Erwärmungen auf, kann die damit einherge¬ hende Erwärmung des Wärmeausgleichsfluids als Fehlersignal gewertet und zum Initiieren einer Notfallabschaltsequenz benutzt werden. Im Rahmen der Notfallabschaltsequenz kann beispielsweise die elektrische Last von der Brennstoffzelle getrennt und/oder (vorzugsweise danach) die Prozessgaszu¬ fuhr geschlossen werden.
Zusätzlich oder alternativ kann die Abgastemperatur des Brennstoffzellenstacks überwacht werden. Bei Über¬ schreitung einer Temperaturgrenze kann eine Abschaltsequenz eingeleitet werden.
Weiter ist es möglich, die Reaktionsprodukte oder Restgase durch eine Kühlschlange zu leiten, bevor sie die BrennstoffZeilenanordnung verlassen. Die Kühlschlange kann beispielsweise in dem Wärmeausgleichsfluid angeordnet sein. Alternativ kann sie an den Kühlkreislauf angeschlossen sein .
Weitere Einzelheiten vorteilhafter Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus der Zeichnung, der Beschreibung und/oder Unteransprüchen.
Es zeigen:
Figur 1 eine erfindungsgemäße Brennstoffzellenanord- nung mit Fluid gefülltem Containment, in schematisierter Prinzipdarstellung .
Figur 2-4 abgewandelte Ausführungsbeispiele der Fluid- brennstoffZeilenanordnung mit fluidgefülltem Containmentgehäuse, jeweils in schematisierter Prinzipdarstellung, und
Figur 5 ein Brennstoffzellensystem mit einer BrennstoffZeilenanordnung nach einer der Figuren 1 bis 4 und weiteren Komponenten, von denen eine oder mehrere gesondert oder zusammen mit der BrennstoffZeilenanordnung in einem mit Fluid gefülltem Containment angeordnet sind, in schema¬ tisierter Prinzipdarstellung. In Figur 1 ist eine BrennstoffZeilenanordnung 10 veranschaulicht, die in einer explosionsgefährdeten Umgebung 11 angeordnet ist. Die Brennstoffzellenanordnung 10 gehört zu einem System, das explosionsgeschützt ausgebildet ist und außer der Brennstoffzellenanordnung noch weitere Komponenten, wie Kühler und Lüfter, Kompressoren, einen Akku, Sensoren und Aktoren sowie eine Steuerung umfasst, die vorzugsweise ebenfalls explosionsgeschützt ausgeführt sind.
Kernstück der Brennstoffzellenanordnung 10 sind ein Brennstoffzellenstack 14 und ein diesen (zumindest fünfseitig) einhausendes Containmentgehäuse 15. Der Brennstoffzel¬ lenstack 14 umfasst mehrere, vorzugsweise viele, einzelne Brennstoffzellen, die zu einem Stapel (fachsprachlich:
„Stack") zusammengefasst sind. Jede einzelne dieser Brenn¬ stoffzellen umfasst eine Anode, eine Katode, ein dazwischen angeordnetes festes oder flüssiges Elektrolyt oder bei¬ spielsweise eine Protonenaustauschmembran sowie Gaszu- und ableitungsmittel mit entsprechenden Fluidkanälen . Außerdem können zu einer oder mehreren Brennstoffzellen jeweils Kühlelemente gehören. Die einzelnen Brennstoffzellenelemen- te sind über nicht weiter veranschaulichte Fluidverteiler zu einem Stack zusammengefasst . Symbolisch sind in Figur 1 für alle Anoden ein Anodenblock 16, für alle Katoden ein Katodenblock 17 und für alle Kühlelemente eine Kühlblock 18 veranschaulicht. Es versteht sich jedoch, dass die einzel¬ nen Anoden die Katoden und die Kühlelemente im Stack ab¬ wechselnd angeordnet sind.
Der Brennstoffzellenstack 14 bildet beispielsweise einen quaderförmigen oder auch anderweitig geformten, beispielsweise zylindrischen Aufbau. An geeigneten Stellen sind Anschlüsse angebracht. Zu diesen gehören mindestens ein Eingang 19 für ein Oxidationsmittel , wie beispielsweise Luft oder Sauerstoff, ein Eingang 20 für ein Reduktionsmit- tel (d.h. Brennstoff) wie beispielsweise Methanol, Metha¬ noldampf, Wasserstoff oder dergleichen, mindestens ein Ausgang 21, 22 für Produkte und/oder (Anoden- ) Restgase sowie mindestens ein elektrischer Anschluss 23 und ein weiterer elektrischer Anschluss 24. Alternativ kann einer der Anschlüsse 23, 24 durch das Gehäuse des Brennstoffzellen- stacks 14 selbst gebildet sein.
Das Containmentgehäuse 15 umschließt einen Innenraum 25, in dem der Brennstoffzellenstack 14 ohne Flächenberührung zu dem Containmentgehäuse 15 angeordnet ist. Der In¬ nenraum 25 ist mit einem Wärmeausgleichsfluid 26 gefüllt, das den Brennstoffzellenstack 14 allseitig, d.h. 6-seitig umschließt. Damit steht die Oberfläche des Brennstoffzel- lenstacks 14 allseitig mit dem Wärmeausgleichsfluid 26 in Berührung. Das Wärmeausgleichsfluid kann beispielsweise Wasser, vorzugsweise mineralienfreies Wasser oder auch eine andere vorzugsweise elektrisch nicht leitende niedrig vis¬ kose Flüssigkeit mit hoher Wärmekapazität sein.
Es kann aber auch ein Gel mit hoher Wärmeleitfähigkeit zum Wärmeausgleich an dem Brennstoffzellenstack Verwendung finden, das in der Lage ist, die Temperatur von Heißpunkten der Brennstoffzelle schnell gleichmäßig zu verteilen. Letz¬ teres setzt allerdings die Trennung vom Kühlkreislauf vor¬ aus .
Der Brennstoffzellenstack 14 ist in dem Innenraum 25 durch geeignete Halter 27, 28, 29, 30 von allen Wänden, insbesondere auch der Bodenwand 31 des Containmentbehälters 15 im Abstand gehalten. Die Halter 27 bis 30 können aus Kunststoff, Keramik oder auch einem Metall ausgebildet sein. Vorzugsweise sind sie von ihrer Materialwahl oder auch durch konstruktive Maßnahmen so ausgestaltet, dass sie keine wesentliche Wärmeleitung haben. Außerdem sind sie an dem Brennstoffzellenstack 14 vorzugsweise an solchen Stellen angeordnet, an denen lokale Erwärmungen nicht zu erwarten sind.
Anstelle der Halter 27 bis 30 können an der Innenseite des Containmentgehäuses 15 auch entsprechende Vorsprünge ausgebildet sein, auf denen der Brennstoffzellenstack 14 punktuell oder mit kleiner Auflagefläche gelagert ist. Auch können die Halter 27 bis 30 als Elemente des Brennstoffzel- lenstacks 14 ausgebildet sein.
Die Anschlüsse 19, 20 sind mit Leitungen 32, 33 ver¬ bunden, die aus dem Containmentgehäuse 15 heraus führen. In diesen Leitungen 32, 33 können bei allen hier und nachstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen optional Ventile 34, 35 vorgesehen sein, um die Zufuhr von Oxidationsmittel und/oder Reduktionsmittel im Bedarfsfall abzusperren. Die Ventile 34, 35 können von einer Überwachungseinheit 36 ge¬ steuert sein.
Die Ausgänge 21, 22 sind an Leitungen 37, 38 ange¬ schlossen, die die entstehenden Reaktionsprodukte und/oder Restgase aus dem Containmentbehälter 15 herausführen. Sowohl die Leitung 37 als auch die Leitung 38 kann bedarfsweise durch eine entsprechende Kühleinrichtung führen, beispielsweise in Gestalt einer Kühlschlange 39, 40. Die Kühl¬ schlange 39, 40 kann in dem Innenraum 25 angeordnet sein, um mit dem Wärmeausgleichsfluid 26 in Berührung zu stehen und von diesem gekühlt zu werden. Alternativ können auch andere Kühlvorrichtungen für die in den Leitungen 37, 38 strömenden Medien in und/oder außerhalb des Containmentge¬ häuses 15 vorgesehen sein.
Der Brennstoffzellenstack 14 ist vorzugsweise mit einer Kühlung versehen, wozu Figur 1 den Kühlblock 18 zeigt. Dieser kann über eine Vorlaufleitung 41 und eine Rücklaufleitung 42 an einen Kühler 43 angeschlossen sein. In dem so gebildeten Kühlkreislauf kann außerdem eine Umwälzpumpe 44 angeordnet sein. Vorzugsweise ist der Kühlkreislauf ge¬ schlossen, d.h. das in diesem strömende Kühlfluid ist von dem Wärmeausgleichsmedium 26 getrennt. Das Kühlfluid kann Wasser, Öl oder dergleichen sein.
Die elektrischen Anschlüsse 23, 24 des Brennstoffzel- lenstacks 14 sind mit elektrischen Leitungen 45, 46 verbunden, die aus dem Containmentgehäuse 15 herausgeführt sind. Optional können die Leitungen 45, 46 mit einem elektrischen Schaler 47 verbunden sein, mit dem sich der Stromfluss in den Leitungen 45, 46 unterbrechen lässt. Der Schalter 47 kann zum Beispiel von der Überwachungseinheit 36 gesteuert werden. Der Schalter 47 ist bei dieser und jedem nachfolgenden Ausführungsbeispiel optional. Er kann innnerhalb o- der außerhalb des Containmentgehäuses 15 angeordnet sein.
Die Überwachungseinheit 36 kann mit Temperatursensoren verbunden sein, wie beispielsweise einem Temperatursensor 48, zur Erfassung der Temperatur des Wärmeausgleichsfluids 26. Ein oder mehrere weitere Temperatursensoren 49, 50 können beispielsweise zur Überwachung der Abgastemperatur des Brennstoffzellenstacks 14 an den Leitungen 37, 38 vorgese¬ hen sein. Die Temperatursensoren 49, 50 können innerhalb oder außerhalb des Containmentbehälters 15 angeordnet sein. Sie können bezüglich der Fluiddurchströmungsrichtung vor oder hinter den Kühlschlangen 39, 40 angeordnet sein.
Der Containmentbehälter 14 kann mit einer Druckentlastungsöffnung 51 versehen sein, die vorzugsweise an seiner Oberseite angebracht ist. In dieser kann bedarfsweise eine Flammensperre 52 angeordnet sein. Diese kann ober- oder un¬ terhalb des Fluidspiegels des Wärmeausgleichsfluids 26 an- geordnet sein. Alternativ kann das Containmentgehäuse 15 an seiner Oberseite offen sein.
Die insoweit beschriebene Brennstoffzellenanordnung 10 arbeitet wie folgt:
Im Betrieb werden über die Leitungen 32, 33 bei offenen Ventilen 34, 35 Oxidationsmittel und Reduktionsmittel in den Brennstoffzellenstack 14 geleitet. Über die Leitungen 45, 46 fließt bei geschlossenem Schalter 47 der erzeugte Strom zur Versorgung einer nicht weiter veranschaulichten Last ab. Über die Leitungen 37, 38 verlässt der erzeug¬ te Produktstrom den Brennstoffzellenstack . Die Auswerteeinrichtung 36 überwacht die Temperaturen des Wärmeausgleichs- fluids 26 und des Produktstroms. Außerdem fördert die Um¬ wälzpumpe 44 ständig Kühlmedium durch die Kühlkanäle, die durch den Kühlblock 18 symbolisiert werden.
Bei ordnungsgemäßem Betrieb führt das Kühlsystem über den Kühler 43 die Verlustwärme des Brennstoffzellenstacks 14 sicher ab. Tritt jedoch ein Fehlerszenario ein, das zu einer lokalen Wärmeerzeugung an dem Brennstoffzellenstack 14 führt, kann diese lokale Erwärmung von dem Kühlkreislauf allein nicht in jedem Fall mit letzter Sicherheit abgeführt werden. Es kann deshalb zu einem Wärmestrom aus dem Brennstoffzellenstack 14 heraus kommen, der an der Oberfläche des Brennstoffzellenstacks eine lokale Erwärmung verur¬ sacht. Der Wärmestrom tritt an dieser Stelle in das Wär- meausgleichsfluid 26 über und wird von diesem aufgenommen und verteilt. Das Wärmeausgleichsfluid umschließt den
Brennstoffzellenstack 14 und verhindert den direkten Kontakt zur explosionsfähigen Atmosphäre der Umgebung 11. Außerdem bewirkt das Wärmeausgleichsfluid 26, dass etwaige heiße Stellen der Oberfläche des Brennstoffzellenstacks 14 keine direkten Auswirkungen auf die Temperaturverteilung an der Oberfläche des Containmentbehälters 15 haben. Über Kon- vektionsvorgänge lässt sich praktisch im gesamten Volumen des Containmentgehäuses 15 eine homogene Temperaturvertei¬ lung verwirklichen. Das Wärmeausgleichsfluid stellt über seine Wärmekapazität einen thermischen Puffer dar. Somit kann der von dem Brennstoffzellenstack 14 ausgehende Wärmestrom die Temperatur des Containmentgehäuses 15 nicht sprunghaft ändern. Ferner bietet die Umschließung des
Brennstoffzellenstacks 14 durch das Wärmeausgleichsfluid in Verbindung mit der im Vergleich zu dem Brennstoffzellenstack 14 größeren Oberfläche des Containmentgehäuses 14 ei¬ nen zusätzlichen Kühleffekt.
Stellt die Auswerteeinrichtung 36 eine Erwärmung des Wärmeausgleichsfluids 26 über einen gegebenen Grenzwert hi¬ naus fest, kann sie die Ventile 34, 35 schließen und/oder den Schalter 47 öffnen (Lastabwurf) . Es kann eine geordnete Abschaltsequenz gefahren werden. Gleiches kann erfolgen, wenn die Überwachungseinrichtung 36 mit Hilfe der Temperatursensoren 49, 50 eine zu hohe Abgastemperatur feststellt.
Die insoweit beschriebene BrennstoffZeilenanordnung 10 kann zahlreichen Abwandlungen unterliegen, die im Nachfolgenden beispielhaft erläutert werden. Dazu wird jeweils die vorige Beschreibung als gegeben vorausgesetzt. Es werden dazu gleiche Bezugszeichen eingesetzt.
Wie Figur 2 zeigt, kann bei jeder der zuvor oder nachstehend beschriebenen Ausführungsformen auf den Schalter 47 verzichtet werden. Ebenso ist es möglich, auf die Ventile 34, 35 zu verzichten. Stellt die Überwachungseinrichtung 36 dann einen Fehlerfall fest, kann ein Fehlersignal erzeugt und an andere nicht weiter dargestellte Anlagenteile, wie beispielsweise die angeschlossene Last oder die angeschlos¬ sene Brennstoffquelle, weitergegeben werden, um diese je- weils zu deaktivieren.
Außerdem kann bei jeder der vorstehend und nachstehend beschriebenen Ausführungsformen, das von dem Wärmeaus- gleichsfluid 26 gebildete Wärmeausgleichssystem mit dem Kühlsystem verbunden werden, das durch den Kühlblock 18 die Vorlaufleitung 41, die Rücklaufleitung 42 sowie gegebenenfalls den Kühler 43 und die Umwälzpumpe 44 gebildet wird. Die Verkopplung der beiden Systeme kann zum Beispiel dadurch erfolgen, dass die Rücklaufleitung 42 an den Containmentbehälter 15 angeschlossen ist und mit dessen Innenraum 25 in Verbindung steht. Der Eingang 53 des Kühlblocks 18 kann dann in dem Innenraum 25 offen sein. Das Kühlfluid und das Wärmeausgleichsfluid sind in diesem Fall identisch. Ü- ber die Vorlaufleitung 42 gelangt das kühle Medium zunächst in den Innenraum 25 und von diesem über den Kühlblock 18 und die Vorlaufleitung 41 zurück zum Kühler 43. Die Verbindung kann alternativ auch an der Vorlaufleitung 41 in gleicher Weise geschaffen sein.
Wie Figur 3 zeigt, können bei jeder der vorstehend und nachstehend beschriebenen Ausführungsformen zusätzliche Mittel zur Erhöhung der Strömung innerhalb des Wärmeaus¬ gleichs 26 vorgesehen sein, beispielsweise in Gestalt einer Umwälzpumpe 54, die innerhalb oder außerhalb des Contain¬ mentbehälters 15 angeordnet sein kann.
Eine weitere Abwandlung, die bei jeder der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen zur Anwendung kommen kann, betrifft die Kühlung der von dem Brennstoffzellenstack 14 abgegebenen Produkte. Die Kühlung kann ganz entfallen. Es ist jedoch auch möglich, wie dargestellt, in der zumindest einen Leitung 37 und/oder 38 Wärmetauscher anzuordnen. Diese können mit der Luft der Umgebung 11 in Verbindung stehen um von dieser gekühlt zu werden. Es ist auch möglich Wärme- tauscher 55, 56 vorzusehen, die beispielsweise durch das Kühlmedium des Kühlkreislaufs gekühlt werden. Sie können parallel oder in Serie zueinander in der Rücklaufleitung 42 oder auch in der Vorlaufleitung 41 angeordnet sein. Außerdem können sie mit einem gesonderten eigenen Kühlkreislauf gekühlt sein, um die Wärme aus dem Produktstrom der Leitungen 37 und/oder 38 abzuführen.
In Figur 5 ist das gesamte Brennstoffzellensystem in einem Blockbild dargestellt. Wie ersichtlich ist die Brenn¬ stoffzellenanordnung 10 Teil eines Gesamtsystems, das ins¬ gesamt explosionsgeschützt ausgebildet ist. Zu dem Gesamt¬ system können die folgenden Komponenten gehören: ein Kühlmodul 57 z.B. wie oben beschrieben Kühler 43 und Pumpe 44, ein Luftversorgungsmodul 58, ein BrennstoffVersorgungsmodul 59, ein BrennstoffSpeicher 60 (z.B. ein WasserstoffSpeicher) sowie ein Steuerungsmodul 61 gehören. Letzterer kann eine Steuereinheit 62 (z.B. SPS), einen Akku 63 und ein E- nergiemanagementmodul 64 umfassen. Das Energiemanagementmo¬ dul 64 kann mehrere Blöcke enthalten, z.B. einen Gleich- spannungs/Wechselspannungs-Wandler und einen Block, der die Energieverteilung überwacht und reguliert. Das Containment¬ gehäuse 15 kann z.B. nur die Brennstoffzellenanordnung 10 oder alternativ auch weitere Blöcke, z.B. das Luftversorgungsmodul 58, das BrennstoffVersorgungsmodul 59, den
BrennstoffSpeicher 60 und/oder das Steuerungsmodul 61 ins¬ gesamt oder Teile desselben enthalten.
Zum Einsatz von Brennstoffzellen in explosionsgefährdeten Umgebungen wird vorgesehen, einen Brennstoffzellenstack 14, der mit einem Kühlsystem versehen sein kann, zusätzlich in einem Containmentbehälter 15 unterzubringen, der mit einem Wärmeausgleichsfluid 26 gefüllt ist. Das Wär- meausgleichsfluid 26 umspült den Brennstoffzellenstack 14 allseitig und verhindert einen direkten konzentrierten Wär- meübergang von der Oberfläche des Brennstoffzellenstacks 14 auf das Containmentgehäuse 15. Das Wärmeausgleichsfluid 26 puffert und verteilt lokale von dem Brennstoffzellenstack 14 ausgehende Wärmespitzen und beseitigt somit Zündquellen.
Bezugs zeichenliste :
10 BrennstoffZeilenanordnung
11 Explosionsgefährdete Umgebung
12
13
14 Brennstoffzellenstack
15 Containmentgehäuse
16 Anodenblock
17 Katodenblock
18 Kühlblock
19 Eingang für Oxidationsmittel
20 Eingang für Reduktionsmittel
21 Ausgang für Reaktionsprodukte oder Restgas
22 Ausgang für Reaktionsprodukte oder Restgas
23 Elektrischer Anschluss mit Verbindung zu den Anoden
24 Elektrischer Anschluss mit Verbindung zu den Katoden
25 Innenraum
26 Wärmeausgleichsfluid
27 Halter
28 Halter
29 Halter
30 Halter
31 Bodenwand
32 Leitung für Oxidationsmittel
33 Leitung für Reduktionsmittel
34 Ventil für Oxidationsmittel
35 Ventil für Reduktionsmittel
36 Überwachungseinheit
37 Erste Leitung für Produkte und/oder Restgase
38 Zweite Leitung für Produkte und/oder Restgase
39 Kühlschlange
40 Kühlschlange
41 Vorlaufleitung des Kühlsystems Rücklaufleitung des Kühlsystems
Kühler
Umwälzpumpe
Elektrische Leitung
Elektrische Leitung
Schalter
Temperatursensor für das Wärmeausgleichsfluid Temperatursensor für die Abgastemperatur Temperatursensor für die Abgastemperatur Druckausgleichsöffnung
Flammensperre
Eingang
Umwälzpumpe
Wärmetauscher
Wärmetauscher
Kühlmodul
Luftversorgungsmodul
BrennstoffVersorgungsmodul
BrennstoffSpeicher
Steuerungsmodul
Steuereinheit
Akku
Energiemanagementmodul

Claims

Patentansprüche :
1. Explosionsgeschützte BrennstoffZeilenanordnung (10) mit einem Brennstoffzellenstack (14), der mindestens einen Eingang (19) für ein Oxidationsmittel , mindes¬ tens einen Eingang (20) für ein Reduktionsmittel, min¬ destens einen Ausgang (21) für Reaktionsprodukte und/oder Restgase und mindestens zwei elektrische An¬ schlüsse (23, 24) aufweist, mit einem den Brennstoffzellenstack (14) umschließenden Wärmeausgleichsmantel (15, 25, 26).
2. BrennstoffZeilenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zu dem Wärmeausgleichsmantel ein Containmentgehäuse (15) gehört, das den Brennstoffzel¬ lenstack (14) umschließt und dessen Innenraum (25) mit einem Wärmeausgleichsfluid (26) gefüllt ist, das den Brennstoffzellenstack (14) allseits umgibt , wobei das das Wärmeausgleichsfluid (26) vorzugsweise eine Sub- stabz mit hohem Wärmespeichervermögen oder ein Gel mit hohem Wärmeleitvermögen ist.
3. Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoffzellenstack (14) mindestens einen von einem Kühlmedium durchflossenen Kühlkanal (18) aufweist.
4. Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkanal (18) an einen exter¬ nen Kühler (43) angeschlossen ist.
5. BrennstoffZeilenanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkanal (18) von dem Innen¬ raum (25) getrennt ist.
6. Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkanal (18) mit dem Innen¬ raum (25) verbunden ist.
7. Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeausgleichsfluid (26) ein flüssiges Medium oder ein Gel ist.
8. Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeausgleichsfluid (26) unter einem permanenten Überdruck steht.
9. Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeausgleichsfluid (26) mit der Umgebungsluft in Berührung steht.
10. Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Containmentgehäuse (15) mit ei¬ ne Umwälzpumpe für das Wärmeausgleichsfluid (26) ver¬ bunden ist.
11. Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Temperatursensor (48) zur Erfassung der Temperatur des Wärmeausgleichsfluids (26) vorgesehen ist, der an eine Überwachungseinheit (36) angeschlossen ist.
12. Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Temperatursensor (49) zur Erfassung der Temperatur der Reaktionsprodukte und/oder Restgase vorgesehen ist, der an eine Überwachungseinrichtung (36) angeschlossen ist.
13. BrennstoffZeilenanordnung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Überwachungseinheit (36) mit einer elektrischen Trenneinrichtung (47) verbunden ist, die mit wenigstens einem der elektrischen Anschlüsse (23, 24) verbunden ist.
14. BrennstoffZeilenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Überwachungseinheit (36) mit einer Fluidabsperreinrichtung (34, 35) verbunden ist, die an den Eingang (32) für das Oxidationsmittel und oder an den Eingang (20) für das Reduktionsmittel an¬ geschlossen ist.
15. BrennstoffZeilenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgang (21) für Reaktionspro¬ dukte und/oder Restgas an eine Kühleinrichtung (39 und/oder 55) angeschlossen ist.
PCT/EP2011/057711 2010-05-14 2011-05-12 Explosionsgeschützte brennstoffzelle WO2011141554A1 (de)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US13/697,571 US20130209910A1 (en) 2010-05-14 2011-05-12 Explosion-protected fuel cell

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102010016957A DE102010016957A1 (de) 2010-05-14 2010-05-14 Explosionsgeschützte Brennstoffzelle
DE102010016957.9 2010-05-14

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2011141554A1 true WO2011141554A1 (de) 2011-11-17

Family

ID=44279751

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP2011/057711 WO2011141554A1 (de) 2010-05-14 2011-05-12 Explosionsgeschützte brennstoffzelle

Country Status (3)

Country Link
US (1) US20130209910A1 (de)
DE (1) DE102010016957A1 (de)
WO (1) WO2011141554A1 (de)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20130273448A1 (en) * 2011-02-03 2013-10-17 Utc Power Corporation Freeze tolerant fuel cell fuel pressure regulator
CN107134831A (zh) * 2017-06-29 2017-09-05 包头市北工机械有限公司 一种矿用锂离子蓄电池电源

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9450265B2 (en) * 2012-04-24 2016-09-20 Audi Ag Compact fuel cell system with fuel cell in fluid tank
DE102019217856A1 (de) * 2019-11-20 2021-05-20 Robert Bosch Gmbh Brennstoffzellensystem
CN113928121B (zh) * 2021-09-22 2023-02-17 广西科技大学 一种新能源汽车用氢燃料电池防爆防护舱

Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS6261276A (ja) * 1985-09-12 1987-03-17 Inoue Japax Res Inc エネルギ供給装置
JPS6266581A (ja) * 1985-09-18 1987-03-26 Hitachi Ltd 燃料電池
US5178969A (en) * 1990-07-06 1993-01-12 Kabushiki Kaisha Toshiba Fuel cell powerplant system
US20010001287A1 (en) * 1997-12-22 2001-05-17 Masataka Ueno Fuel cell system
JP2002190313A (ja) * 2000-12-22 2002-07-05 Fuji Electric Co Ltd 固体高分子電解質形燃料電池
EP1482254A1 (de) * 2003-05-28 2004-12-01 Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. Heizungssystem mit Brennstoffzelleneinrichtung und Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzelleneinrichtung
DE10346852A1 (de) 2003-10-09 2005-05-19 Rag Ag Brennstoffzelle im untertätigen Bergbau
DE102007051816A1 (de) * 2006-11-03 2008-05-29 GM Global Technology Operations, Inc., Detroit Rückkopplungsbasierte Steuerung einer PEM-Brennstoffzelle zum Schutz bei hoher Temperatur
DE102008050987A1 (de) * 2008-10-09 2010-04-15 Daimler Ag Brennstoffzellensystem
US20100112428A1 (en) * 2007-02-20 2010-05-06 Izumi Takahashi Power supply apparatus

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5750280A (en) * 1994-08-23 1998-05-12 Osaka Gas Co., Ltd. Fuel cell system
US7258083B2 (en) * 2005-08-31 2007-08-21 Caterpillar Inc. Integrated cooling system

Patent Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS6261276A (ja) * 1985-09-12 1987-03-17 Inoue Japax Res Inc エネルギ供給装置
JPS6266581A (ja) * 1985-09-18 1987-03-26 Hitachi Ltd 燃料電池
US5178969A (en) * 1990-07-06 1993-01-12 Kabushiki Kaisha Toshiba Fuel cell powerplant system
US20010001287A1 (en) * 1997-12-22 2001-05-17 Masataka Ueno Fuel cell system
JP2002190313A (ja) * 2000-12-22 2002-07-05 Fuji Electric Co Ltd 固体高分子電解質形燃料電池
EP1482254A1 (de) * 2003-05-28 2004-12-01 Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. Heizungssystem mit Brennstoffzelleneinrichtung und Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzelleneinrichtung
DE10346852A1 (de) 2003-10-09 2005-05-19 Rag Ag Brennstoffzelle im untertätigen Bergbau
DE102007051816A1 (de) * 2006-11-03 2008-05-29 GM Global Technology Operations, Inc., Detroit Rückkopplungsbasierte Steuerung einer PEM-Brennstoffzelle zum Schutz bei hoher Temperatur
US20100112428A1 (en) * 2007-02-20 2010-05-06 Izumi Takahashi Power supply apparatus
DE102008050987A1 (de) * 2008-10-09 2010-04-15 Daimler Ag Brennstoffzellensystem

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20130273448A1 (en) * 2011-02-03 2013-10-17 Utc Power Corporation Freeze tolerant fuel cell fuel pressure regulator
US10658686B2 (en) * 2011-02-03 2020-05-19 Audi Ag Freeze tolerant fuel cell fuel pressure regulator
CN107134831A (zh) * 2017-06-29 2017-09-05 包头市北工机械有限公司 一种矿用锂离子蓄电池电源
CN107134831B (zh) * 2017-06-29 2023-07-18 包头市北工机械有限公司 一种矿用锂离子蓄电池电源

Also Published As

Publication number Publication date
DE102010016957A1 (de) 2011-11-17
US20130209910A1 (en) 2013-08-15

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE10202807B4 (de) Vorrichtung zur Temperierung von Hochleistungs-Sekundärbatterien für Fahrzeuganwendungen
DE112012007185B4 (de) Elektrische Speichervorrichtung
EP2795713B1 (de) Batteriemodul mit batteriemodulgehäuse und batteriezellen
DE102007045183A1 (de) Temperierte Batterieeinrichtung und Verfahren hierzu
DE69839213T2 (de) Anordnung und verfahren zur thermischer verwaltung einer feststoffenergiespeichervorrichtung
WO2011141554A1 (de) Explosionsgeschützte brennstoffzelle
EP2502291B1 (de) Batterie mit einer mehrzahl von batteriezellen
DE102008041547A1 (de) Batteriemodul
DE102009034675A1 (de) Elektrochemischer Energiespeicher und Verfahren zum Kühlen oder Erwärmen eines elektrochemischen Energiespeichers
EP2950379A1 (de) Elektrischer Energiespeicher
EP2442390B1 (de) Batterie mit verminderter Brandgefahr
DE102014208499A1 (de) Kühlkreislauf mit Bypass-Fließpfad zur Kühlung eines Umrichterinnenraums
DE102011082562A1 (de) Batteriemodul mit zumindest einer Batteriezelle und direkter Kühlmittelkühlung sowie Kraftfahrzeug
EP2422397B1 (de) Brennstoffzellensystem
DE102017217024A1 (de) Batteriemodul mit einer Mehrzahl an Batteriezellen
EP2909873B1 (de) Energiespeicherzelle und energiespeichermodul
WO2015007680A1 (de) Systemanordnung mit hochtemperaturbatterie mit getrennten fluidkreisläufen
DE102008048002A1 (de) Aggregat mit wenigstens einer Funktionszelle sowie Temperaturregeleinrichtung
DE102014118826A1 (de) Einrichtung mit einer Brennstoffzelle und Verwendung von Produktwasser einer Brennstoffzelle
DE60131353T2 (de) Brennstoffzellenstapel mit einer Durchtrittsvorrichtung für ein Temperaturregulierungsmedium
WO2014131738A1 (de) Zuschaltbares batteriemodul
WO2015062949A1 (de) Thermisches speichersystem mit hochtemperaturbatterie
WO2017102619A1 (de) Energiesystem
WO2020043768A1 (de) Batteriesystem mit mindestens einem lüfter
DE102017219553A1 (de) Sicherheitselement, Batteriezelle sowie Propagationsschutzelement

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 11719023

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 13697571

Country of ref document: US

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 11719023

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1