DE102008016578A1

DE102008016578A1 - Brennstoffzelleneinrichtung und Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzelleneinrichtung

Info

Publication number: DE102008016578A1
Application number: DE102008016578A
Authority: DE
Inventors: Ralf Dipl.-Ing. Nüßle (FH)
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2008-04-01
Filing date: 2008-04-01
Publication date: 2009-10-08
Also published as: WO2009121561A1; EP2258016A1; CN101981743A; US20110027678A1; JP2011517021A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzelleneinrichtung (1) mit zumindest einer Brennstoffzelle (2), welche einen Anodenraum (4) und einen Kathodenraum (3) aufweist und in einem Gehäuse (6) angeordnet ist, bei der ein Spülmedium zum Spülen des Gehäuses (6) in das Gehäuse (6) in einen Raum (7) außerhalb der Brennstoffzelle (2) einleitbar ist, wobei das Spülmedium ein im Betrieb der Brennstoffzelle (2) im Katodenraum (3) erzeugtes Abgas ist. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Brennstoffzelleneinrichtung (1).

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzelleneinrichtung mit zumindest einer Brennstoffzelle, welche einen Anodenraum und einen Kathodenraum aufweist und in einem Gehäuse angeordnet ist. Ein Spülmedium zum Spülen des Gehäuses ist in das Gehäuse außerhalb der Brennstoffzelle einleitbar. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzelleneinrichtung, bei dem ein Spülmedium zum Spülen des Gehäuses, in dem eine Brennstoffzelle angeordnet ist, in das Gehäuse außerhalb der Brennstoffzelle eingeleitet wird.
Eine derartige Brennstoffzelleneinrichtung und ein derartiges Verfahren sind aus der WO 2005/099017 A2 bekannt. Dort wird als Spülmedium Umgebungsluft von außen zugeführt.
Bei Brennstoffzellensystemen ist es üblich, die Brennstoffzelle bzw. einen Brennstoffzellenstapel mit mehreren Brennstoffzellen in einem Gehäuse unterzubringen. Dieses Gehäuse dient zum einen dazu, den Brennstoffzellenstapel vor äußeren Einflüssen wie Schmutz, Staub, Wasser etc. zu schützen, zum anderen dient das Gehäuse dazu, etwaige Undichtigkeiten des Brennstoffzellenstapels, insbesondere der Anode, und die damit verbundenen Wasserstoffemissionen aufzufangen und gezielt an einen bestimmten Ort zu leiten. Problematisch dabei ist allerdings, dass es durch die Undichtigkeit des Brennstoffzellenstapels innerhalb des Gehäuses zu Gasgemischen kommen kann, die aufgrund ihrer Zusammensetzung ein brennbares oder explosives Gasgemisch bilden. Dies soll im Stand der Technik dadurch vermieden werden, dass das Gehäuse permanent mit Frischluft durchströmt wird, welche mittels eines Gebläses oder Ventilators aus der Umgebung in das Gehäuse gefördert wird. Dabei dient das Gebläse der Brennstoffzelleneinrichtung gemäß WO 2005/099017 A2 auch der Luftversorgung der Kathode. Neben der Zuströmleitung ist am Gehäuse eine Abströmleitung angeordnet, die beispielsweise in einem Abluft- bzw. Abgaskanal mündet. Durch das permanente Durchströmen des Gehäuses mit Frischluft soll gewährleistet werden, dass sich kein unerwünschtes Wasserstoff-Luftgemisch im Gehäuse bildet. Ein Problem hierbei ist, dass extra ein separates Gebläse vorgesehen sein muss, um die Durchströmung realisieren zu können. Dieses Gebläse muss entsprechend mit einem Motor angetrieben werden, was sich negativ auf den Gesamtwirkungsgrad des Systems auswirkt. Es leistet jedoch keinerlei Beitrag zur Energieumwandlung. Das Gebläse hat üblicher Weise eine eingeschränkte Leistungsfähigkeit und kann somit nur einen bestimmten, relativ kleinen Luftstrom fördern, wodurch ein permanenter Betrieb erforderlich wird.
Des Weiteren kann innerhalb des Gehäuses ein Sensor angeordnet sein, welcher die Wasserstoffkonzentration im Gehäuse misst. Ist diese Konzentration oberhalb eines bestimmten Grenzwerts, erfolgt die Abschaltung des gesamten Brennstoffzellensystems, da das Gebläse gegebenenfalls nicht mehr oder nicht ausreichend fördern kann, um die Wasserstoffkonzentration im Gehäuse entsprechend senken zu können. Eine Spülung mit Umgebungsluft ist außerdem u. a. deshalb nachteilig, weil sie ca. 21% Sauerstoff enthält, der letztendlich eine Komponente des Gasgemisches darstellt, das bei entsprechender Wasserstoff-Konzentration potentiell explosionsfähig sein kann. Des Weiteren kann bei einem permanenten Betrieb des Gebläses die Geräuschentwicklung des Gebläses als störend empfunden werden insbesondere, wenn das Fahrzeug steht und keine anderen Geräusche dieses Geräusch akustisch überdecken.
In diesem Zusammenhang sind auch Brennstoffzellensysteme bekannt, bei denen beispielsweise hinter einer Luftfiltereinheit in der Ansaugstrecke des Kompressors für den Kathodenraum des Brennstoffzellensystems eine Leitung abzweigt, welche in das Gehäuse mündet. In dieser Leitung ist ebenfalls ein Gebläse angeordnet, welches die abgezweigte Luft in das Gehäuse fördert. Das dann aus dem Gehäuse wieder abgeleitete Medium wird vor dem Kompressor in die Ansaugstrecke für den Kathodenraum eingeleitet. Das Gasgemisch des Gehäuses wird somit dem Kompressor zugeführt, welcher das Gasgemisch ansaugt und dem Kathodenraum der Brennstoffzelle zuführt. Der eventuell sehr geringe Anteil an Wasserstoff, der aus dem Gehäuse mit ausgefördert wird, wird dann nochmals durch die Ansaugluft des Kompressors aus der Umgebung verdünnt. Der Gasstrom wird dann verdichtet und der Kathode zugeführt, wo dann der sehr geringer Anteil an Wasserstoff chemisch abreagiert. Damit soll gewährleistet werden, dass keinerlei Wasserstoffemissionen nach außen bzw. in die Umgebung gelangen. Für das Gebläse in dieser abzweigenden Leitung gilt das bereits oben Gesagte, wobei auch hier das Gebläse permanent an einem stationären Punkt betrieben wird und das Gehäuse permanent durchspült wird.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Brennstoffzelleneinrichtung und ein Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzelleneinrichtung zu schaffen, bei der bzw. dem ein effizientes Spülen des Gehäuses außerhalb der Brennstoffzelle ohne eine störende Geräuschbeeinträchtigung, wie sie durch ein eigens dafür vorgesehenes Gebläse auftritt, gewährleistet werden kann, und bei der bzw. dem darüber hinaus durch das Spülen kein unerwünschtes Brennstoff-Oxidationsmittel-Gemisch erzeugt wird.
Diese Aufgabe wird durch eine Brennstoffzelleneinrichtung, welche die Merkmale nach Anspruch 1 aufweist, und ein Verfahren, welches die Merkmale nach Anspruch 21 aufweist, gelöst.
Eine erfindungsgemäße Brennstoffzelleneinrichtung umfasst zumindest eine Brennstoffzelle, welche einen Anodenraum und einen Kathodenraum aufweist. Darüber hinaus umfasst die Brennstoffzelleneinrichtung ein Gehäuse, in dem die Brennstoffzelle angeordnet ist. Die Brennstoffzelleneinrichtung ist darüber hinaus so ausgebildet, dass ein Spülmedium zum Spülen des Gehäuses in das Gehäuse außerhalb der Brennstoffzelle einleitbar ist. Das Spülmedium ist ein im Betrieb der Brennstoffzelle im Kathodenraum erzeugtes Abgas. Durch diese Ausgestaltung der Brennstoffzelleneinrichtung kann ein Spülvorgang ermöglicht werden, welcher die Bildung eines unerwünschten Brennstoff-Oxidationsmittel-Gemisches in dem Gehäuse außerhalb der Brennstoffzelle vermeidet. Daher können unerwünschte brennbare oder auch explosive Gasgemische beim Spülen vermieden werden.
Durch die erfindungsgemäße Brennstoffzelleneinrichtung ist es nicht mehr erforderlich, extra ein Gebläse zur Belüftung des Gehäuses vorzusehen. Stattdessen kann die Abluft, die am Brennstoffzellenaustritt der Kathode anfällt, zur Belüftung verwendet werden. Dies ist deshalb besonders vorteilhaft, weil es sich hierbei um abgereicherte Luft handelt, die durch die elektrochemische Umsetzung in der Brennstoffzelle einen Sauerstoffgehalt von deutlich unter 21%, (etwa 21% beträgt der Anteil an Sauerstoff in Frischluft aus der Umgebung) und einen erhöhten Stickstoffgehalt, welcher größer als 70% (etwa 70% beträgt der Anteil an Stickstoff in Frischluft aus der Umgebung) ist, aufweist. Dies bedeutet, dass mehr inertes Gas in das Gehäuse gefördert wird, was die Wahrscheinlichkeit der Bildung eines unerwünschten Gasgemisches deutlich reduzieren kann. Alternativ dazu kann dadurch aber auch insgesamt ein geringeres Volumen an Spülmedium eingesetzt werden, was sich positiv auf den Wirkungsgrad der Brennstoffzelleneinrichtung auswirkt.
Vorzugsweise umfasst die Brennstoffzelleneinrichtung eine Vorrichtung zur Erfassung der Konzentration von Brennstoff in dem Gehäuse außerhalb der Brennstoffzelle. Vorzugsweise ist diese Vorrichtung innerhalb des Gehäuses und außerhalb der Brennstoffzelle angeordnet. Insbesondere kann die Vorrichtung zumindest einen Sensor zur Konzentrationserfassung aufweisen. Durch diese Vorrichtung kann ermöglicht werden, dass zumindest zeitweise, vorzugsweise permanent, eine Messung der Wasserstoffkonzentration durchgeführt wird, wodurch permanent überwacht werden kann, ob die Wasserstoffkonzentration und somit auch die Brennstoffkonzentration in diesem Gehäuse außerhalb der Brennstoffzelle zu hoch ist und es dadurch erforderlich ist, diesen Gehäuseraum zu spülen. Dadurch kann gewährleistet werden, dass der Innenraum des Gehäuses außerhalb der Brennstoffzelle nicht permanent gespült werden muss, sondern die Spülung bedarfsabhängig durchgeführt werden kann. Das Kathodenabgas ist somit vorzugsweise situationsspezifisch einleitbar, insbesondere abhängig von der Konzentration des Brennstoffs in dem Gehäuse außerhalb der Brennstoffzelle.
Insbesondere umfasst die Brennstoffzelleneinrichtung eine Spülmediumzuleitung, welche von einer Abgasleitung des Kathodenraums abzweigt und in das Gehäuse mündet. Einfach und aufwandsarm kann somit das im Kathodenraum erzeugte Abgas von dem Kathodenraum über die Abgasleitung abgeführt und dieses Abgas in einfacher und aufwandsarmer Weise zumindest anteilig über die Spülmediumzuleitung in das Gehäuse eingeleitet werden.
Vorzugsweise zweigt die Spülmediumzuleitung in Strömungsrichtung des Abgases des Kathodenraums nach einem mit der Abgasleitung des Kathodenraums verbundenen Abscheider von der Abgasleitung ab. Dies ist besonders vorteilhaft, weil die Entnahme des Kathodenabgases hinter einem Abscheider erfolgt und somit nicht mehr unnötig viel Feuchtigkeit in dem Abgas enthalten ist. Da ein Abscheider quasi zur Entfeuchtung des Abgases vorgesehen ist, ist somit eine besonders trockene Abgasströmung nach dem Abscheider vorhanden, so dass so ein besonders trockener Abgasstrom über die Spülmediumzuleitung in das Gehäuse gefördert werden kann.
Vorzugsweise zweigt vom Abscheider eine Umgehungsleitung ab, die nach der Abzweigung der Spülmediumzuleitung von der Abgasleitung des Kathodenraums in diese Abgasleitung einmündet. Es ist somit quasi eine Bypass-Vorrichtung geschaffen, welche die Abzweigung der Spülmediumzuleitung von der Abgasleitung umgeht. Dadurch lassen sich strömungsspezifische Vorgänge im Hinblick auf die Leitung des Abgasstroms anteilig in die Umgebung und anteilig über die Spülmediumzuleitung geeignet einstellen.
Vorzugsweise erstreckt sich die Spülmediumzuleitung im Gehäuse. Besonders zweckmäßig erweist es sich, wenn die Spülmediumzuleitung vollständig im Gehäuse angeordnet ist und sich vollständig innerhalb des Gehäuses erstreckt. Bei einer derartigen Ausgestaltung zweigt somit die Spülmediumzuleitung auch innerhalb des Gehäuses und außerhalb der Brennstoffzelle von der Abgasleitung ab und der Auslass der Spülmediumzuleitung befindet sich ebenfalls im Innenraum des Gehäuses außerhalb der Brennstoffzelle. Dadurch kann ein kompakter Aufbau ermöglicht und eine Komponentenintegration im Gehäuse erreicht werden. Nicht zuletzt kann dadurch gegebenenfalls auch eine geeignete Anordnung der Komponenten im Hinblick auf eine Bauraumreduzierung gewährleistet werden, und ferner ein Schutz vor Verschmutzung etc. erreicht werden.
Es kann auch vorgesehen sein, dass die Spülmediumzuleitung außerhalb des Gehäuses von der Abgasleitung abzweigt und sich außerhalb des Gehäuses erstreckt. In diesem Zusammenhang ist dann die Spülmediumzuleitung vollständig außerhalb des Gehäuses angeordnet und quasi lediglich an der Einmündung mit dem Gehäuse verbunden.
Es kann auch vorgesehen sein, dass der Abscheider im Gehäuse oder außerhalb des Gehäuses angeordnet ist. Auch dadurch kann bauspezifisch und bedarfsabhängig eine jeweils geeignete Anbringung der beiden Komponenten Abscheider und Spülmediumzuleitung ausgebildet werden.
Vorzugsweise ist in der Spülmediumzuleitung eine Einheit zur Reduzierung des Strömungsquerschnitts, insbesondere ein Ventil oder eine Drosselklappe, angeordnet. Insbesondere sind diese Einheit zur Reduzierung des Strömungsquerschnitts und die Vorrichtung zur Erfassung der Konzentration des Brennstoffs mit einer Steuer- und/oder Regeleinheit signal- bzw. datenleitend verbunden. Dies ist dahingehend eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung, dass damit eine hoch präzise und sehr effiziente Einstellung des über die Spülmediumzuleitung dem Gehäuseinnenraum zugeführten Abgasstroms ermöglicht werden kann.
Die Brennstoffzelleneinrichtung umfasst vorzugsweise darüber hinaus eine Mediumabführleitung zum Abführen des Mediumgemisches aus dem Gehäuse. Vorzugsweise mündet diese Mediumabführleitung in eine Zuführleitung zum Zuführen von Oxidationsmittel zum Kathodenraum. Die Mediumabführleitung mündet vorzugsweise in Strömungsrichtung des Oxidationsmittels vor einer mit der Zuführleitung verbundenen Fördereinheit, insbesondere einem Gebläse oder Verdichter, in die Zuführleitung.
Die Brennstoffzelleneinrichtung umfasst in vorteilhafter Weise eine Abzweigleitung, welche von der zum Kathodenraum führenden Zuführleitung abzweigt. Die Abzweigleitung mündet außerhalb der Brennstoffzelle in das Gehäuse. Diese Abzweigleitung kann sich vollständig in dem Gehäuse erstrecken. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass die Abzweigleitung außerhalb des Gehäuses von der Zuführleitung abzweigt und außerhalb in das Gehäuse einmündet. In dieser Ausgestaltung befindet sich die Abzweigleitung quasi vollständig außerhalb des Gehäuses.
Die Abzweigleitung zweigt vorzugsweise stromab einer mit der Zuführleitung verbundenen Fördereinheit von der Zuführleitung ab.
Auch in der Abzweigleitung kann eine Einheit zur Reduzierung des Strömungsquerschnitts angeordnet bzw. vorgesehen sein.
Vorzugsweise wird abhängig von der Konzentration des Brennstoffs, welche insbesondere durch eine geeignete Sensorik erfasst wird, im Inneren des Gehäuses und außerhalb der Brennstoffzelle die Einheit zur Reduzierung des Strömungsquerschnitts in der Spülmediumzuführleitung durch die Steuer- und/oder Regeleinheit so angesteuert, dass das in das Gehäuse zu fördernde Abgas mengenmäßig und/oder zeitmäßig entsprechend zugeführt wird. Insbesondere erfolgt dies solange, bis ein vorgebbarer Schwellenwert für diese Konzentration des Brennstoffs im Gehäuse außerhalb der Brennstoffzelle nicht mehr überschritten ist. Dies hat den besonderen Vorteil, dass nur bei einer entsprechenden Notwendigkeit, also ab einer bestimmten Brennstoffkonzentration im Gehäuse, das Gehäuse gespült wird und die Spülung nicht permanent erfolgt. Dies ergibt auch die Möglichkeit, auf größere unerwünschte Leckagen reagieren zu können. Es ist auch möglich, das komplette Abgas des Kathodenraums zur Spülung heranzuziehen und somit den kompletten Abgasstrom aus dem Kathodenraum über die Spülmediumzuführleitung in das Gehäuse einzuleiten. Sollte also beispielsweise kurzzeitig eine Konzentrationsspitze von Brennstoff im Gehäuse auftreten, kann damit über eine entsprechende Erhöhung des Spülstroms und somit des Kathodenabgases reagiert werden.
Es ist also kein extra Gebläse und ein dafür erforderliches Antriebsaggregat mehr notwendig, wodurch der Gesamtwirkungsgrad der Brennstoffzelleneinrichtung nicht unnötig beeinträchtigt wird und somit Kosten, Gewicht und Bauraum reduziert werden können.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzelleneinrichtung mit zumindest einer Brennstoffzelle, welche einen Anodenraum und einen Kathodenraum aufweist und welche in einem Gehäuse angeordnet ist, wird ein Spülmedium zum Spülen des Gehäuses in das Gehäuse außerhalb der Brennstoffzelle eingeleitet. Als Spülmedium wird ein im Betrieb der Brennstoffzelle im Kathodenraum erzeugtes Abgas in das Gehäuse eingeleitet. Die damit erzielbaren Vorteile sind bereits vorstehend zum erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem bzw. zur erfindungsgemäßen Brennstoffzelleneinrichtung genannt worden.
Zweckmäßig erweist es sich, wenn das Kathodenabgas in seiner Menge und/oder in der Zeitdauer in das Gehäuse abhängig von einer außerhalb der Brennstoffzelle im Gehäuse detektierten Konzentration an Brennstoff eingeleitet wird. Sowohl die zeitmäßige als auch die mengenmäßige Zugabe bzw. Zuführung des Kathodenabgases in das Gehäuse kann dadurch effizient und bedarfsspezifisch sehr präzise durchgeführt werden.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Brennstoffzelleneinrichtung sind auch als vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens anzusehen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgen anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Brennstoffzelleneinrichtung;
2 ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Brennstoffzelleneinrichtung;
3 ein drittes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Brennstoffzelleneinrichtung; und
4 ein viertes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Brennstoffzelleneinrichtung.
In den Figuren werden gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel in 1 ist eine Brennstoffzelleneinrichtung 1 gezeigt, welche als mobiles Brennstoffzellensystem ausgebildet ist. Die Brennstoffzelleneinrichtung 1 ist in einem Fahrzeug angeordnet. Das Brennstoffzellensystem bzw. die Brennstoffzelleneinrichtung 1 umfasst zumindest eine Brennstoffzelle 2, vorzugsweise einen Brennstoffzellenstapel mit einer Mehrzahl derartiger Brennstoffzellen 2. Die Brennstoffzelle 2 ist als PEM (Proton Exchange Membrane)-Brennstoffzelle ausgebildet. Die Brennstoffzelle 2 umfasst einen Kathodenraum 3 und einen Anodenraum 4, welche durch eine PEM 5 voneinander separiert sind. Die Brennstoffzelle 2 ist in einem Gehäuse 6 angeordnet, welches so dimensioniert ist, dass ein Freiraum 7 außerhalb der Brennstoffzelle 2 als Innenraum des Gehäuses 6 gebildet ist.
Im Hinblick auf die Darstellung der Brennstoffzelleneinrichtung 1 sei betont, dass lediglich die für die Erläuterung der Verbindung ausreichenden Komponenten gezeigt sind, die Brennstoffzelleneinrichtung 1 jedoch eine Mehrzahl darüber hinausgehender und nicht gezeigter Komponenten aufweisen kann.
Die Brennstoffzelleneinrichtung 1 umfasst einen Behälter 8, in dem Brennstoff, insbesondere Wasserstoff oder wasserstoffhaltiges Gas, enthalten ist. Dieser Brennstoff wird über eine Zuführleitung 9 dem Anodenraum 4 zugeführt. Ein im Betrieb der Brennstoffzelleneinrichtung 1 im Anodenraum 4 erzeugtes Abgas wird über eine Abgasleitung 10 vom Anodenraum 4 abgeführt und aus dem Gehäuse 6 und auch aus der Brennstoffzelleneinrichtung 1 heraus in die Umgebung geleitet. Der Behälter 8, die Zuführleitung 9 und auch die Abführleitung bzw. Abgasleitung 10 sind einem Anodenzweig der Brennstoffzelle 2 zugeordnet.
Darüber hinaus umfasst die Brennstoffzelleneinrichtung 1 einen Kathodenzweig. Diesem Kathodenzweig ist eine Zuführleitung 11 zum Zuführen von Oxidationsmittel, insbesondere Sauerstoff oder sauerstoffhaltiges Gas wie z. B. Umgebungsluft, zum Kathodenraum 3 zugeordnet. Die zum Kathodenraum 3 führende Zuführleitung 11 ist mit einem Luftfilter 12 verbunden. Darüber hinaus ist die Zuführleitung 11 mit einem Kompressor 13, welcher über einen Motor 14 angetrieben wird, verbunden. Mittels dieses Kompressors 13 wird das Oxidationsmittel zum Kathodenraum 3 gefördert.
Darüber hinaus umfasst die Brennstoffzelleneinrichtung 1 eine dem Kathodenzweig zugeordnete Abgasleitung 15, mittels welcher das im Betrieb der Brennstoffzelle 2 im Kathodenraum 3 erzeugte Abgas aus dem Gehäuse 6 und auch aus der Brennstoffzelleneinrichtung 1 heraus in die Umgebung geleitet wird.
In der in 1 gezeigten Ausführung der Brennstoffzelleneinrichtung 1 ist ein Abscheider 16 innerhalb des Gehäuses 6 und außerhalb der Brennstoffzelle 2 angeordnet und mit der Abgasleitung 15 verbunden bzw. in dieser angeordnet.
Stromab des Abscheiders 16 zweigt eine Spülmediumzuleitung 17 an der Abzweigung 18 von der Abgasleitung 15 ab. In der Spülmediumzuleitung 17 ist eine Einheit 19 zur Reduzierung des Strömungsquerschnitts, beispielsweise ein Ventil, eine Drosselklappe oder dergleichen, angeordnet.
Die Spülmediumzuleitung 17 mündet in den Innenraum bzw. Freiraum 7. Gemäß der Darstellung in 1 ist auch die Spülmediumzuleitung 17 vollständig in dem Gehäuse 6 angeordnet.
Eine Umgehungsleitung 20, welche vom Abscheider 16 abzweigt und stromab der Abzweigung 18 in der Einmündung 21 in die Abgasleitung 15 mündet, ist als Bypass-Vorrichtung zur Umgehung der Abzweigung 18 ausgebildet. Sie dient der Ableitung der im Abscheider 16 abgeschiedenen Flüssigkeit.
Des Weiteren umfasst die Brennstoffzelleneinrichtung 1 eine Vorrichtung 22 zur Erfassung der Konzentration des Brennstoffs, insbesondere des Wasserstoffs, in dem Freiraum 7. Vorzugsweise ist die Vorrichtung 22 als Sensor oder als Einheit mit mehreren Sensoren, ausgebildet. Die Vorrichtung 22 und die Einheit 19 sind mit einer Steuer- und/oder Regeleinheit 23 signal- bzw. datenleitend verbunden. Die Vorrichtung 22 ist vollständig im Gehäuse 6 und außerhalb der Brennstoffzelle 2 angeordnet und vorzugsweise bezüglich des Höhenniveaus der Brennstoffzelle 2 nahe der oberen Abdeckung des Gehäuses 6 angeordnet.
Die Brennstoffzelleneinrichtung 1 umfasst darüber hinaus eine Mediumabführleitung 24, mittels welcher das im Freiraum 7 gebildet Mediumgemisch aus dem Gehäuse 6 abgeleitet wird. Das Mediumgemisch enthält insbesondere das Spülmedium und somit das Kathodenabgas und auch den im Freiraum 7 ggf. vorhandenen Brennstoff.
Die Mediumabführleitung 24 mündet an der Einmündung 25 in die Zuführleitung 11. Die Mediumabführleitung 24 mündet somit stromauf des Hauptkompressors 13 in die Zuführleitung 11.
Abhängig davon, welche Konzentration des Brennstoffs in dem Freiraum 7 durch den Sensor bzw. die Vorrichtung 22 detektiert wird, wird die Einheit 19 durch die Steuer- und/oder Regeleinheit 23 geöffnet oder geschlossen. Gerade dann, wenn ein vorgegebener Grenzwert dieser Brennstoffkonzentration im Freiraum 7 überschritten wird, kann die Einheit 19 vollständig oder zumindest teilweise geöffnet werden. Die Zuleitung von Kathodenabgas über die Spülmediumzuleitung 17 kann damit dosiert erfolgen, wobei dies durch die Steuer- und/oder Regeleinheit 23 eingestellt wird. Die Menge des Kathodenabgases und/oder die Zeitdauer, wie lange diese Zuführung des Kathodenabgases in dem Freiraum 7 erfolgen soll, kann somit bedarfsabhängig sehr exakt eingestellt werden.
In diesem Zusammenhang kann vorgesehen sein, dass lediglich ein Teil des über die Abgasleitung 15 abtransportierten Kathodenabgases über die Spülmediumzuleitung 17 in den Freiraum 7 eingeleitet wird. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass der gesamte Kathodenabgasstrom über die Spülmediumzuleitung 17 in den Freiraum 7 eingeleitet wird.
Das im Freiraum 7 ggf. enthaltene Luft-Wasserstoff-Gemisch wird durch diese Zugabe des Kathodenabgases quasi verdünnt. Dies kann intermittierend oder aber auch dauerhaft erfolgen. Es wird insbesondere solange durchgeführt, bis von der Vorrichtung 22 im Freiraum 7 eine Brennstoffkonzentration detektiert wird, die unterhalb, insbesondere deutlich unterhalb des festgelegten Grenzwerts liegt. Um nicht zusätzlich Feuchtigkeit und Wasserdampf bzw. Wasser in den Freiraum 7 des Gehäuses 6 einzutragen, ist der Abscheider 16 vorgesehen, wobei diesbezüglich vorteilhaft die Abzweigung 18 stromab dieses Abscheiders 16 angeordnet ist, so dass relativ trockene Abgasströme über die Spülmediumzuführleitung 17 in den Freiraum 7 geleitet werden. Durch den Abscheider 18 wird Wasser bzw. Kondensat aus dem Abgasstrom entfernt. Das Wasser bzw. das Kondensat wird nach der Luftentnahme d. h. stromab der Abzweigung 18 wieder der verbliebenen Abluft zugeführt indem es wieder in die Abgasleitung 15 eingeleitet wird. Nachfolgend wird es an die Umgebung abgeführt. Dies erfolgt über die Umgehungsleitung 20.
In 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Brennstoffzelleneinrichtung 1 gezeigt, wobei bei dieser Ausführung im Unterschied zur Darstellung in 1 die Komponenten Abscheider 16, Umgehungsleitung 20, Spülmediumzuleitung 17 und Einheit 19 außerhalb des Gehäuses 6 angeordnet sind.
In 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Brennstoffzelleneinrichtung 1 gezeigt. Bei dieser Ausführung ist im Unterschied zur Darstellung gemäß 2 eine Abzweigleitung 26 vorgesehen. Die Abzweigleitung 26 zweigt vor der Brennstoffzelle 2 und nach dem Hauptkompressor 13 von der Zuführleitung 11 an der Abzweigung 27 ab. Die Abzweigleitung 26 mündet in das Gehäuse 6 bzw. in den Freiraum 7.
Die Abzweigleitung 26 erstreckt sich in der Ausführung gemäß 3 somit quasi vollständig außerhalb des Gehäuses 6. In der Abzweigleitung 26 ist eine Einheit 28 zur Reduzierung des Strömungsquerschnitts der Abzweigleitung 26 angeordnet. Die Einheit 28 kann ein Ventil, eine Drosselklappe oder dergleichen sein. Durch diese Ausgestaltung gemäß 3 kann eine ergänzende Option für den Fall geschaffen werden, dass es zu Leckagen im Gehäuse 6 kommt, wenn der Brennstoffkreislauf druckbeaufschlagt ist, was beispielsweise im Start-Stopp-Betrieb der Brennstoffzelleneinrichtung 1 sein kann und dann Brennstoff im Brennstoffkreislauf quasi „eingesperrt” ist. Bei einer derartigen Situation ist der Hauptkompressor 13 des Kathodenzweigs und somit des Luftkreislaufs ausgeschaltet. Tritt nun eine Brennstoffkonzentration im Gehäuse 6 auf, die den festgelegten Grenzwert überschreitet, wird der Kompressor 13 für einen kurzen Zeitraum gestartet. Über die Einheit 28 kann die verdichtete Luft ins Gehäuse 6 und somit in den Freiraum 7 geleitet werden und muss nicht zwingend erst durch die Kathode bzw. den Kathodenraum 3 der Brennstoffzelle 2 geführt werden. Dennoch wird auch hier weiterhin das im Kathodenraum 3 erzeugte Abgas über die Spülmediumzuleitung 17 bedarfsabhängig in den Freiraum 7 geleitet.
In 4 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel gezeigt, welches im Unterschied zur Ausgestaltung in 3 derart ausgebildet ist, dass die Abzweigleitung 26 vollständig im Freiraum 7 des Gehäuses 6 angeordnet ist.
Selbstverständlich kann auch bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 vorgesehen sein, dass eine Abzweigleitung 26 mit vorzugsweise einer Einheit 28 ausgebildet ist. Auch bei einer derartigen Ausgestaltung kann die Brennstoffzelleneinrichtung 1 gemäß 1 dann so ausgebildet sein, dass diese Abzweigleitung 26 gemäß der Darstellung in 3 außerhalb oder gemäß der Darstellung in 4 innerhalb des Gehäuses 6 angeordnet ist.
Darüber hinaus sei angemerkt, dass Merkmale oder Merkmalskombinationen der einzelnen Ausführungen jeweils für sich oder aber auch in Kombination mit anderen Merkmalen bei den jeweils anderen Ausführungen vorhanden sein können.

1: Brennstoffzelleneinrichtung
2: Brennstoffzelle
3: Kathodenraum
4: Anodenraum
5: PEM
6: Gehäuse
7: Freiraum
8: Behälter
9, 11: Zuführleitung
10: Abführleitung
12: Luftfilter
13: Kompressor
14: Motor
15: Abgasleitung
16: Abscheider
17: Spülmediumzuleitung
18: Abzweigung
19: Einheit
20: Umgehungsleitung
21: Einmündung
22: Vorrichtung
23: Steuer- und/oder Regeleinheit
24: Mediumabführleitung
25: Einmündung
26: Abzweigleitung
27: Abzweigung
28: Einheit

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- WO 2005/099017 A2 [0002, 0003]

Claims

Brennstoffzelleneinrichtung mit zumindest einer Brennstoffzelle (2), welche einen Anodenraum (4) und einen Kathodenraum (3) aufweist und in einem Gehäuse (6) angeordnet ist, bei der ein Spülmedium zum Spülen des Gehäuses (6) in das Gehäuse (6) in einen Raum (7) außerhalb der Brennstoffzelle (2) einleitbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Spülmedium ein im Betrieb der Brennstoffzelle (2) im Kathodenraum (3) erzeugtes Abgas ist.
Brennstoffzelleneinrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung (22) zur Erfassung der Konzentration von Brennstoff in dem Freiraum (7) des Gehäuses (6) außerhalb der Brennstoffzelle (2).
Brennstoffzelleneinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (22) innerhalb des Gehäuses (6) und außerhalb der Brennstoffzelle (2) angeordnet ist.
Brennstoffzelleneinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kathodenabgas situationsspezifisch, bevorzugt abhängig von der Konzentration des Brennstoffs in dem Gehäuse (6) außerhalb der Brennstoffzelle (2), in das Gehäuse (6) einleitbar ist.
Brennstoffelleneinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Spülmediumzuleitung (17) von einer Abgasleitung (15) des Kathodenraums (3) abzweigt und in das Gehäuse (6) einmündet.
Brennstoffzelleneinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Spülmediumzuleitung (17) in Strömungsrichtung des Abgases des Kathodenraums (3) nach einem mit der Abgasleitung (15) des Kathodenraums (3) verbundenen Abscheider (16) von der Abgasleitung (15) abzweigt.
Brennstoffzelleneinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass vom Abscheider (16) eine Umgehungsleitung (20) abzweigt, die nach der Abzweigung (18) der Spülmediumzuleitung (17) von der Abgasleitung (15) des Kathodenraums (3) in die Abgasleitung (15) einmündet.
Brennstoffzelleneinrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Spülmediumzuleitung (17) im Gehäuse (6), bevorzugt vollständig im Gehäuse (6), außerhalb der Brennstoffzelle (2) erstreckt.
Brennstoffzelleneinrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Spülmediumzuleitung (17) außerhalb des Gehäuses (6) von der Abgasleitung (15) abzweigt und sich außerhalb des Gehäuses (6) erstreckt.
Brennstoffzelleneinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Abscheider (16) im Gehäuse (6) angeordnet ist.
Brennstoffzelleneinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Abscheider (16) außerhalb des Gehäuses (6) angeordnet ist.
Brennstoffzelleneinrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass in der Spülmediumzuleitung (17) eine Einheit (19) zur Reduzierung des Strömungsquerschnitts, bevorzugt ein Ventil, angeordnet ist.
Brennstoffzelleneinrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Einheit (19) und die Vorrichtung (22) zur Erfassung der Konzentration des Brennstoffs mit einer Steuer- und/oder Regeleinheit (23) signal- bzw. datenleitend verbunden sind.
Brennstoffzelleneinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mediumabführleitung (24) zum Abführen des Mediumge misches im Raum (7) des Gehäuses (6) in eine Zuführleitung (11) zum Zuführen von Oxidationsmittel zum Kathodenraum (3) einmündet.
Brennstoffzelleneinrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Mediumabführleitung (24) in Strömungsrichtung des Oxidationsmittels vor einer mit der Zuführleitung (11) verbundenen Fördereinheit (13), bevorzugt einem Kompressor, in die Zuführleitung (11) mündet.
Brennstoffzelleneinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Abzweigleitung (26) von der zum Kathodenraum (3) führenden Zuführleitung (11) abzweigt und in das Gehäuse (6) außerhalb der Brennstoffzelle (2) mündet.
Brennstoffzelleneinrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Abzweigleitung (26) vollständig in dem Gehäuse (6) erstreckt.
Brennstoffzelleneinrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Abzweigleitung (26) außerhalb des Gehäuses (6) von der Zuführleitung (11) abzweigt und von außerhalb in das Gehäuse (6) einmündet.
Brennstoffzelleneinrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Abzweigleitung (26) stromab einer mit der Zuführleitung (11) verbundenen Fördereinheit (13) von der Zuführleitung (11) abzweigt.
Brennstoffzelleneinrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass in der Abzweigleitung (26) eine Einheit (28) zur Reduzierung des Strömungsquerschnitts angeordnet ist.
Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzelleneinrichtung (1) mit zumindest einer Brennstoffzelle (2), welche einen Anodenraum (4) und einen Kathodenraum (3) aufweist und in einem Gehäuse (6) angeordnet ist, bei dem ein Spülmedium zum Spülen eines Raums (7) des Gehäuses (6) in das Gehäuse (6) außerhalb der Brennstoffzelle (2) eingeleitet wird, dadurch gekennzeichnet, dass als Spülmedium ein im Betrieb der Brennstoffzelle (2) im Kathodenraum (3) erzeugtes Abgas in das Gehäuse (6) eingeleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass das Kathodenabgas hinsichtlich Menge und/oder Zeitdauer abhängig von einer außerhalb der Brennstoffzelle (2) im Gehäuse (6) detektierten Konzentration an Brennstoff in das Gehäuse (6) eingeleitet wird.