DE102016004823A1

DE102016004823A1 - Brennstoffzellensystem mit Anodengasmanagementmodul und Brennstoffzellenmedienadapterplatte

Info

Publication number: DE102016004823A1
Application number: DE102016004823.9A
Authority: DE
Inventors: Quirin Meder; Achim Lanzinger
Original assignee: Proton Motor Fuel Cell GmbH
Current assignee: Proton Motor Fuel Cell GmbH
Priority date: 2016-04-21
Filing date: 2016-04-21
Publication date: 2017-10-26

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Anodengasmanagementmodul (1) für Brennstoffzellen, die Wasserstoff als Anodenbetriebsgas verwenden, aufweisend einen beheizbaren Grundkörper (2), in dessen Inneren sich Hohlräume befinden, die miteinander in Fluidverbindung stehen und die ein Gas-Leitungssystem mit Leitungen für Wasserstoff und Leitungen für Anodenabgas, einen Wasserabscheider (8) zur Abtrennung von Wasser aus dem Anodenabgas, und einen Kanal (9) zum Ablassen des Wassers aus dem Wasserabscheider bilden, Ventile, Messeinrichtungen und Regeleinrichtungen, die an dem Grundkörper (2) angebracht sind und mit dem Gas-Leitungssystem, dem Wasserabscheider (8) oder dem Kanal (9) in Verbindung stehen, zum Messen und Regeln der Temperatur des Grundkörpers (2), der Wassermenge in dem Wasserabscheider (8), und der Menge und/oder des Drucks des in dem Gas-Leitungssystem strömenden Gases, und Sitze für die Ventile, Messeinrichtungen und Regeleinrichtungen an dem Grundkörper (2). Das Anodengasmanagementmodul (1) wird mittels einer Adapterplatte, die Anschlüsse zur Zuleitung und Ableitung der für den Betrieb von Brennstoffzellen benötigten Medien aufweist, an eine Brennstoffzellenanordnung (71) angeschlossen. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems (70), wobei die Brennstoffzellenmedien der Brennstoffzellenanordnung (71) mittels des Anodengasmanagementmoduls (1) und der Adapterplatte (40) zugeführt werden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Anodengasmanagementmodul, in das die zur Zuleitung und Ableitung von Anodenbetriebsgas erforderlichen Leitungen, Sensoren und Aktoren integriert sind, dessen Anbindung an eine Brennstoffzelle bzw. einen Brennstoffzellenstapel mittels einer Adapterplatte, ein Brennstoffzellensystem mit Anodengasmanagementmodul und Adapterplatte, sowie ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems mit Anodengasmanagementmodul und Adapterplatte.
Brennstoffzellen erzeugen elektrische Energie aus Wasserstoff und Sauerstoff. Außerdem benötigen sie Wasser zur Kühlung und ggf. zur Befeuchtung des Elektrolyten, beispielsweise einer Polymerelektrolytmembran. Diese Brennstoffzellenmedien müssen den Brennstoffzellen zugeführt und nach dem Durchströmen der Brennstoffzellen auch wieder abgeführt werden. Kühlwasser wird meist in einem Kühlwasserkreislauf geführt und nur gelegentlich ergänzt oder abgelassen und neu aufgefüllt. Sauerstoff wird typischerweise in Form von Luft kontinuierlich zugeführt, und die nach dem Durchströmen der Brennstoffzellen an Sauerstoff verarmte Luft wird kontinuierlich wieder abgeführt. Bei den meisten Brennstoffzellenanwendungen ist sowohl die Versorgung mit Luft und Wasser als auch deren Entsorgung relativ unproblematisch, da Luft und Wasser reichlich vorhanden und ungefährlich sind.
Anders verhält es sich mit Wasserstoff. Wasserstoff muss aus einem Vorratsbehälter zugeführt werden, beispielsweise aus einer Druckflasche oder einem Flüssiggastank. Der Wasserstoff muss auf den für den Betrieb der Brennstoffzellen geeigneten Druck gebracht und bei diesem Druck gehalten werden, und nach dem Durchströmen der Brennstoffzellen kann unverbrauchter Wasserstoff nicht einfach in die Umgebung entlassen werden. Das wäre einerseits gefährlich und andererseits zu teuer. Deshalb wird das Anodenabgas rezirkuliert und dem frischen Wasserstoff, der den Brennstoffzellen zugeführt wird, wieder beigemischt. Allerdings enthält Anodenabgas nicht nur unverbrauchten Wasserstoff, sondern auch Wasserdampf, Stickstoff, Kohlendioxid und Spuren weiterer gasförmiger Verunreinigungen, die teilweise schon als Verunreinigungen in dem frisch zugeführten Wasserstoff vorhanden waren, teilweise bei der Brennstoffzellenreaktion entstanden sind, und teilweise von der Kathodenseite her durch den Elektrolyten oder aus dem Kühlwasser in das Anodenabgas gelangt sind. Würde das Anodenabgas einfach kontinuierlich rezirkuliert werden, würden sich diese Verunreinigungen immer mehr anreichern, die Brennstoffzellenleistung würde sinken, und irgendwann würde die Brennstoffzellenreaktion ganz zum Erliegen kommen. Deshalb wird kontinuierlich Wasser aus dem Anodenabgas abgetrennt, und von Zeit zu Zeit wird ein Teil des Anodenabgases nicht rezirkuliert, sondern mit Hilfe von frischem Wasserstoff ausgespült.
Es ist also ein Leitungssystem zur Zuführung von frischem Wasserstoff und zur Behandlung, Rezirkulierung und Abführung von Anodenabgas mit Sensoren zur Überwachung des Gasdrucks und/oder der Gas-Strömungsmengen, mit Aktoren wie Ventilen oder Reglern, mit Sicherheitsschaltern und Behandlungseinrichtungen wie einem Wasserabscheider erforderlich. Die Montage eines solchen „Wasserstoffkreises”, d. h. aller erforderlichen Leitungen, Sensoren, Aktoren und Behandlungseinrichtungen ist zeitaufwendig und umständlich sowie abdichtungstechnisch anspruchsvoll, da Wasserstoff eine hohe Diffusionstendenz hat.
Ein weiteres Problem ist, dass Brennstoffzellen häufig in einem breiten Temperaturbereich zum Einsatz kommen. Brennstoffzellen in Kraftfahrzeugen sollten etwa einen Einsatzbereich zwischen –40°C und +85°C bewältigen können. Bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts von Wasser ist es erforderlich, Vorkehrungen zu treffen, um die Bauteile, d. h. Leitungen, Sensoren, Aktoren (Ventile, Regler, etc.) eisfrei zu halten bzw. bei einem Anfahren des Brennstoffzellensystems sehr schnell von Eis zu befreien. Deshalb ist es üblich, alle vereisungsgefährdeten Bauteile mit einer Einrichtung zum Beheizen auszustatten. Zu diesem Zweck werden die vereisungsgefährdeten Bauteile für gewöhnlich mit Heizdrähten umwickelt.
Bei konventionellen Brennstoffzellensystemen werden Zuleitungen und Ableitungen für Anodenbetriebsgas (Wasserstoff), Kathodenbetriebsgas (Sauerstoff bzw. Luft) und Kühlwasser jeweils einzeln an einen Brennstoffzellenstapel herangeführt, der Wasserstoffkreis aus seinen einzelnen Bauteilen wie Leitungen, Sensoren, Ventilen, Reglern, Wasserabscheider, etc. zusammengesetzt, und schließlich alle vereisungsgefährdeten Bauteile mit Heizwicklungen ausgestattet. Diese Vorgehensweise ist umständlich, zeitaufwendig und teuer, und außerdem ist das Ergebnis oft auch optisch unbefriedigend.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, die Nachteile des Stands der Technik zu vermeiden und die Zuleitung und Ableitung der zum Betrieb von Brennstoffzellen erforderlichen Medien konstruktiv zu vereinfachen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es insbesondere, die Konstruktion des Wasserstoffkreises und seine Abdichtung zu vereinfachen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es ferner, die Einsatzbereitschaft von Brennstoffzellensystemen bei Temperaturen unter dem Gefrierpunkt des Wassers zu verbessern.
Die Aufgaben werden gelöst durch das Anodengasmanagementmodul mit den Merkmalen, wie sie in Anspruch 1 angegeben sind, durch die Adapterplatte zum Anbringen des erfindungsgemäßen Anodengasmanagementmoduls an einer Brennstoffzelle mit den Merkmalen, wie sie in Anspruch 10 angegeben sind, durch die Kombination von erfindungsgemäßem Anodengasmanagementmodul und erfindungsgemäßer Adapterplatte mit den Merkmalen, wie sie in Anspruch 13 angegeben sind, durch das Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen, wie sie in Anspruch 14 angegeben sind, und durch das Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems mit den Merkmalen, wie sie in Anspruch 15 angegeben sind. Ausführungsformen der Erfindung sind in den jeweiligen abhängigen Ansprüchen angegeben.
Erfindungsgemäß wird der Wasserstoffkreis mit allen Sensoren, Ventilen, Reglern, Sicherheitseinrichtungen, wie Sicherheitsschaltern, und Behandlungseinrichtungen, wie einem Wasserabscheider, in einem einzigen Bauteil, dem „Anodengasmanagementmodul” zusammengefasst. Lediglich die zum Rezirkulieren des Anodenabgases erforderliche Rezirkulationspumpe ist nicht in das Anodengasmanagementmodul integriert. Das erfindungsgemäße Anodengasmanagementmodul ist zentral beheizbar, und ist mittels einer Adapterplatte an eine Brennstoffzelle bzw. einen Brennstoffzellenstapel anschließbar. Die Adapterplatte enthält Leitungen und Anschlüsse zur Anbindung des Gaseingangs und des Gasausgangs des Anodengasmanagementmoduls an den Gasausgang und den Gaseingang der Brennstoffzelle bzw. des Brennstoffzellenstapels, sowie durchgehende Öffnungen und ggf. Befestigungseinrichtungen zur Zuleitung und Ableitung von Kathodenbetriebsgas und Kühlwasser zu der Brennstoffzelle/dem Brennstoffzellenstapel. Die Adapterplatte ist an die Brennstoffzelle/den Brennstoffzellenstapel anschließbar.
Eine miteinander verbundene Kombination des erfindungsgemäßen Anodengasmanagementmoduls und der erfindungsgemäßen Adapterplatte enthält alle Anschlüsse zur Zuleitung und Ableitung der für den Betrieb der Brennstoffzellen erforderlichen Medien sowie einen nahezu vollständigen (abgesehen von der Rezirkulationspumpe) Wasserstoffkreis. Dasselbe Gasmanagementmodul kann für verschiedene Brennstoffzellenstapel, deren Anschlüsse für die Zuleitung und Ableitung von Brennstoffzellenmedien sich an verschiedenen Stellen befinden, verwendet werden, indem das Anodengasmanagementmodul mit unterschiedlichen Adapterplatten kombiniert wird. Die Adapterplatten werden jeweils so konstruiert, dass sie das Anodengasmanagementmodul mit einem bestimmten Brennstoffzellenstapel verbinden können.
Das erfindungsgemäße Anodengasmanagementmodul besteht aus einem Grundkörper, an dem Grundkörper angebrachten Ventilen, Mess- und Regeleinrichtungen, sowie Anschlüssen zur Zu- und Ableitung von Gas und zur Anbindung an die Medienadapterplatte. Der Grundkörper ist bevorzugt ein massiver Block, beispielsweise aus Metall oder Kunststoff, durch den Leitungen für Wasserstoff, Anodenabgas und aus dem Anodenabgas abgetrenntes Wasser führen. Beim Betrieb eines erfindungsgemäß mit Anodengasmanagementmodul und Medienadapterplatte ausgestatteten Brennstoffzellensystems wird frischer Wasserstoff durch einen Wasserstoffeinlass in den Grundkörper geleitet, und strömt durch eine Wasserstoffzuführleitung zu einem Wasserstoffauslass, und von dort weiter in die Medienadapterplatte und schließlich zu den Brennstoffzellen. In die Wasserstoffzuführleitung integriert ist ein Ventil zum Absperren des Wasserstoffs sowie eine Einrichtung zur Regelung des Wasserstoffdrucks, beispielsweise ein Druckminderer mit Proportionalventil.
Die Brennstoffzellen verlassendes Anodenabgas gelangt durch die Medienadapterplatte zu dem Anodenabgaseinlass des Grundkörpers, und strömt durch eine Anodenabgasleitung zu einer im Inneren des Grundkörpers ausgebildeten Einrichtung zur Abscheidung von flüssigem Wasser aus dem Anodenabgas, beispielsweise zu einem Drallabscheider, mit einem Reservoir zum Auffangen des abgeschiedenen Wassers. Eine weitere Leitung führt von dem Wasserabscheider zu einer Rezirkulationspumpe, die das Anodenabgas in die Zuführleitung für frischen Wasserstoff rezirkuliert. Diese Leitung verläuft nur teilweise innerhalb des Grundkörpers, da die Rezirkulationspumpe außen an dem Grundkörper angebracht ist. In die Wasserstoffzuführleitung und/oder die Anodenabgasrezirkulierungsleitung und/oder die Anodenabgasleitung integriert sind Wasserstoff-Drucksensoren und Überdruckschalter, die den in dem Leitungssystem herrschenden Gasdruck überwachen und bei einem Überschreiten des vorgegebenen Maximaldrucks das System über eine Sicherheitsschaltung in einen sicheren Zustand schalten. Drucksensoren und Überdruckschalter können in dem Wasserstoff- oder Anodenabgasleitungssystem direkt oder in einer oder mehreren Messzweigleitungen vorgesehen werden.
Von der Anodenabgasleitung zweigt eine Anodenabgasentlassungsleitung ab. Diese Anodenabgasentlassungsleitung ist während des Brennstoffzellenbetriebs meist durch ein Ventil verschlossen. Das Ventil wird periodisch geöffnet, um einen Teil des in dem System befindlichen Anodenabgases aus dem System auszuspülen. Auf diese Weise wird eine Anreicherung störender Gase in dem Anodenabgas verhindert. Das ausgespülte Gas wird entweder in die Umwelt entlassen (wenn der Betriebsort des Brennstoffzellensystems dies erlaubt) oder aufgefangen und gespeichert oder einer Einrichtung zugeleitet, die den ausgespülten Wasserstoff verwertet.
Das Wasserreservoir des Wasserabscheiders ist mit einem Füllstandsschalter und einem Kanal zum Ablassen des Wassers aus dem Reservoir ausgestattet. Wasserabscheider, Reservoir und Kanal befinden sich im Inneren des Grundkörpers. Durch den Wasserkanal kann das abgeschiedene Wasser den Grundkörper verlassen. Der Wasserkanal ist normalerweise durch ein Ventil verschlossen, das jeweils geöffnet wird, wenn der Füllstandsschalter anzeigt, dass das Wasserreservoir seinen maximalen Füllstand erreicht hat. Das Wasserablassventil wird geschlossen, bevor das gesamte Wasser aus dem Reservoir abgelassen ist, um ein Entweichen von Gas zu verhindern. Zur Sicherstellung des rechtzeitigen Schließens kann ein weiterer Füllstandsschalter vorgesehen werden.
Ein wesentliches Merkmal des erfindungsgemäßen Anodengasmanagementmoduls ist, dass nicht einzelne vereisungsgefährdete Bauteile beheizt werden, sondern der Grundkörper insgesamt. Zu diesem Zweck werden in den Grundkörper Heizeinrichtungen integriert, beispielsweise Heizstäbe, die so angeordnet sind, dass eine möglichst gleichmäßige Beheizung des gesamten Grundkörpers möglich ist, wobei die Heizeinrichtungen bevorzugt in der Nähe besonders vereisungsgefährdeter Bauteile vorgesehen werden. Um eine rasche und gleichmäßige Aufheizung des Grundkörpers zu ermöglichen, wird der Grundkörper bevorzugt aus einem gut wärmeleitenden Material hergestellt, beispielsweise aus Metall, z. B. Aluminium. Zur Vermeidung einer möglichen Überheizung wird ein Temperaturschalter in den Grundkörper integriert, der die Temperatur kontinuierlich überwacht und die Heizeinrichtung bei drohender Überheizung rechtzeitig abschaltet. Der Grundkörper wird bevorzugt aus Metall oder einem Kunststoff hergestellt, woraus leicht ein massiver Block mit miteinander verbundenen Hohlräumen für die erforderlichen Leitungen für Gas und Wasser, für den Wasserabscheider, und für Sitze für Ventile und Mess- und Regeleinrichtungen gegossen werden kann. Alternativ kann der Grundkörper auch im 3D-Druckverfahren hergestellt werden.
Die erfindungsgemäße Adapterplatte bildet die Schnittstelle zwischen dem Anodengasmanagementmodul und der Brennstoffzelle. Es wird darauf hingewiesen, dass die Bezeichnung „eine Brennstoffzelle” im Sinne von „mindestens eine Brennstoffzelle” zu verstehen ist, d. h. der Begriff soll Brennstoffzellenstapel sowie Brennstoffzellenanordnungen mit mehreren Brennstoffzellenstapeln umfassen. Derartige Brennstoffzellenanordnungen weisen typischerweise Eingänge für die Betriebsgase Wasserstoff und Sauerstoff bzw. Luft sowie für Kühlwasser auf, durch die das betreffende Medium in ein Verteilersystem eingespeist wird. Außerdem weisen die Brennstoffzellenanordnungen Ausgänge für verbrauchte Betriebsgase und für Kühlwasser auf, durch die diese Medien, von entsprechenden Sammeleinrichtungen kommend, entlassen werden. Die Adapterplatte dient einerseits der Befestigung des Anodengasmanagementmoduls an der Brennstoffzelle, und andererseits verbindet sie den Wasserstoffauslass des Anodengasmanagementmoduls mit dem Wasserstoffeingang der Brennstoffzellenanordnung sowie den Anodenabgasausgang der Brennstoffzellenanordnung mit dem Anodenabgaseinlass des Anodengasmanagementmoduls. Entsprechende Hohlräume bzw. Leitungen für Wasserstoff und Anodenabgas führen durch die Adapterplatte hindurch. Außerdem enthält die Adapterplatte Durchführungen und Anschlüsse zur Zuleitung und Ableitung von Kathodenbetriebsgas und Kühlwasser. Auf diese Weise kann durch Anbringung der erfindungsgemäßen Kombination von Anodengasmanagementmodul und Adapterplatte an einer Brennstoffzelle in einem einzigen Schritt die Versorgung mit den für den Brennstoffzellenbetrieb benötigten Medien sowie deren Behandlung und Entsorgung bewerkstelligt werden.
Die Adapterplatte wird bevorzugt aus Metall, z. B. aus Aluminium, oder aus einem Kunststoff hergestellt, wobei Herstellungsverfahren wie Gießen oder 3D-Druck geeignet sind. So lässt sich leicht ein massiver Block mit den benötigen Hohlräumen herstellen.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Zeichnungen näher beschrieben. Es wird darauf hingewiesen, dass die Zeichnungen nicht maßstabsgetreu sind und jeweils nur die zum Verständnis der vorliegenden Erfindung wesentlichen Merkmale zeigen. Es versteht sich, dass jeweils weitere Merkmale vorhanden sein können, und dass die dargestellten Einrichtungen ggf. in einer anderen Anordnung oder in Kombination mit anderen Merkmalen vorliegen können. Maßgeblich ist jeweils das Verständnis des Fachmanns. Gleiche Bezugsziffern bezeichnen jeweils gleiche oder entsprechende Elemente. Es zeigen:
1 eine schematische, stark vereinfachte Darstellung eines erfindungsgemäßen Anodengasmanagementmoduls,
2, 3, 4 Perspektivansichten, aus verschiedenen Richtungen gesehen, einer erfindungsgemäßen Kombination von Anodengasmanagementmodul und Adapterplatte,
5 eine Aufsicht auf ein an einer Adapterplatte befestigtes Anodengasmanagementmodul,
6 eine Ansicht einer erfindungsgemäßen Adapterplatte, von der Brennstoffzellenseite her gesehen, und
7 eine Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems mit Anodengasmanagementmodul und Adapterplatte.
1 zeigt schematisch den Aufbau eines erfindungsgemäßen Anodengasmanagementmoduls 1. Das Anodengasmanagementmodul weist einen Grundkörper 2 auf, typischerweise einen massiven Körper aus Metall oder Kunststoff. Der Grundkörper 2 enthält in seinem Volumen integriert die zur Zuführung von frischem Wasserstoff zu einer Brennstoffzelle und zur Abführung und Behandlung von Anodenabgas aus einer Brennstoffzelle erforderlichen Leitungen, Behandlungseinrichtungen, Anschlüsse, Sensoren und Aktoren, bzw. Sitze für Sensoren und Aktoren, die miteinander in Fluidverbindung stehen. Bei der dargestellten Ausführungsform führt ein Hohlraum 3, der als Wasserstoffzuführleitung dient, von einer Öffnung 11 durch den Grundkörper 2 hindurch zu einer Öffnung 12. Wenn sich das Anodengasmanagementmodul 1 in Betrieb befindet, wird frischer Wasserstoff aus einer (nicht dargestellten) Wasserstoffquelle durch den Einlass 11 in die Leitung 3 eingespeist und verlässt den Grundkörper 2 wieder durch die Auslassöffnung 12. Durch Betätigung eines Absperrventils 21 in der Leitung 3 wird die Zuleitung von frischem Wasserstoff je nach Bedarf begonnen bzw. beendet. Zwischen dem Wasserstoff-Absperrventil 21 und dem Wasserstoff-Auslass 12 befindet sich ein Druckminderer 22, der zur Einstellung des für den Brennstoffzellenbetrieb benötigten Wasserstoffdrucks dient.
Ein weiterer Hohlraum 4, 4' führt von einer Öffnung 13 zu einer Öffnung 14. Durch die Öffnung 13 wird Anodenabgas aus den Brennstoffzellen in den Grundkörper 2 eingeleitet und zunächst einem Wasserabscheider 8, der sich ebenfalls im Inneren des Grundkörpers 2 befindet, zugeführt. Das abgeschiedene Wasser sammelt sich in dem Wasserreservoir des Wasserabscheiders, das ebenfalls als Hohlraum in dem Grundkörper ausgebildet ist. Wasserabscheider und Wasserreservoir sind in 1 als eine Einheit dargestellt. Ein Hohlraum 9 verbindet das Reservoir des Wasserabscheiders mit einer Öffnung 19. Dieser Kanal 9 ist normalerweise durch ein Ventil 29 verschlossen. Wenn ein mit dem Wasserreservoir in Verbindung stehender Füllstandsschalter 28 anzeigt, dass der maximale Füllstand des Reservoirs erreicht ist, wird das Wasserablassventil 29 geöffnet und ein Teil des Wassers durch den Wasserkanal 9 und den Wasserauslass 19 aus dem Grundkörper des Anodengasmanagementmoduls 1 entlassen.
Das Anodenabgas verlässt den Wasserabscheider durch den Hohlraum 4' in dem Grundkörper 2, der zu der Öffnung 14 führt. Hier verlässt das Anodenabgas das Anodengasmanagementmodul 1, und wird durch eine Rezirkulierungsleitung 20 einer Rezirkulationspumpe 10 zugeführt, die es durch eine Rezirkulierungsleitung 30 außerhalb des Grundkörpers sowie eine Rezirkulierungsleitung 5, die als Hohlraum innerhalb des Grundkörpers ausgebildet ist, in die Wasserstoff-Zuführleitung 3 zurückzirkuliert. Das zurückzirkulierte Anodenabgas tritt durch die Öffnung 15 in den Grundkörper und durch die Mündung 16 in die Wasserstoffzuführleitung 3 ein.
Zur Überwachung des Wasserstoffdrucks bzw. des Anodenabgasdrucks in den Leitungen für frischen Wasserstoff und Anodenabgas sind Drucksensoren vorgesehen, und zur Sicherstellung, dass ein vorbestimmter Maximaldruck nicht überschritten wird, sind Überdruckschalter vorgesehen. In der dargestellten Ausführungsform befinden sich ein Drucksensor 23 sowie zwei Überdruckschalter 24, 25 (aus Sicherheitsgründen redundant) in einer Messzweigleitung 7, die von der Anodenabgasrezirkulierungsleitung 5 abzweigt. Die Messzweigleitung 7 ist ebenfalls ein Hohlraum in dem Grundkörper 2. Alternativ können der Wasserstoff-Drucksensor und die Überdruckschalter jedoch auch an anderen Stellen des Leitungssystems angebracht sein, beispielsweise in der Anodenabgasleitung 4' oder der Anodenabgasrezirkulierungsleitung 5. Der Drucksensor 23 ermittelt kontinuierlich den Druck in dem Leitungssystem. Liegt der ermittelte Druck unterhalb des vorgegebenen Solldrucks, wird das Ventil des Druckminderers 22 so weit geöffnet, dass der Solldruck gehalten wird. Die Überdruckschalter 24, 25 überwachen den Druck in dem Leitungssystem und schalten bei Überschreiten eines vorgegebenen Maximaldrucks das System über eine Sicherheitsschaltung in einen sicheren Zustand, beispielsweise durch Schließen des Wasserstoff-Absperrventils 21.
Von Zeit zu Zeit muss Anodenabgas aus dem Leitungssystem ausgespült werden, um eine Anreicherung unerwünschter Gase wie Stickstoff oder Kohlendioxid in dem Anodenabgas zu verhindern. Das Ausspülen geschieht über eine Anodenabgasentlassungsleitung 6, d. h. über einen Hohlraum in dem Grundkörper 2, der an einer Stelle 17 von der Anodenabgasleitung 4' abzweigt und zu einem Anodenabgasauslass 18 führt. Ein Spülventil 26 verschließt die Anodenabgasentlassungsleitung 6 und wird während des Brennstoffzellenbetriebs regelmäßig zum Ausspülen von Anodenabgas geöffnet.
Optional kann in der Wasserstoff-Zuführleitung 3 ein Partikelfilter 27 vorgesehen werden, der möglichst unmittelbar nach dem Eintreten des Wasserstoffs in den Grundkörper 2 etwaige in dem Wasserstoff enthaltene störende Partikel aus der Wasserstoffströmung ausfiltert.
An mehreren Stellen befinden sich in dem Grundkörper 2 Ausnehmungen zur Aufnahme von Heizstäben 31, 32, 33. In 1 sind die Heizstäbe schematisch nebeneinander dargestellt, aber tatsächlich sollten die Heizstäbe möglichst so in dem Grundkörper angebracht werden, dass sie diesen gleichmäßig aufheizen. Alternativ können sie auch möglichst nahe an besonders vereisungsgefährdeten Bauteilen angebracht werden. Die Leistung der Heizstäbe oder anderer Heizeinrichtungen wird so gewählt, dass sie den Grundkörper ausreichend schnell auf eine ausreichende Temperatur aufheizen können. Bevorzugt sollte der Grundkörper innerhalb von 3 bis 4 Minuten an jeder Stelle von etwa –20°C auf etwa +3°C aufheizbar sein. Bei typischen Grundkörper-Abmessungen und 3 Heizstäben ist eine Leistung pro Heizstab von etwa 150–170 Watt erforderlich. Typische Grundkörper-Abmessungen liegen im Bereich von etwa 12–18 cm × 13–19 cm × 4–7 cm, beispielsweise 15 × 17 × 6 cm (Breite × Höhe × Tiefe).
Die Heizstäbe werden in Betrieb genommen, wenn die Umgebungstemperatur unter den Gefrierpunkt von Wasser sinkt. Mit dem Einlassen von Wasserstoffgas in das Anodengasmanagementmodul 1 wird erst begonnen, wenn der Grundkörper 2 eine Temperatur oberhalb des Gefrierpunkts von Wasser angenommen hat. Die Temperatur des Grundkörpers wird mittels eines Temperaturschalters 36 kontinuierlich überwacht. Überschreitet die Temperatur einen vorgegebenen Höchstwert, schaltet der Temperaturschalter 36 die Heizstäbe ab. Der Temperaturschalter 36 ist, wie die Überdruckschalter 24, 25, die den Gasdruck in dem Leitungssystem überwachen und bei Überschreiten des vorgegebenen zulässigen Maximaldrucks das System über eine Sicherheitsschaltung in einen sicheren Zustand schalten, der Drucksensor 23, der Druckminderer 22, der Füllstandsschalter 28 und die Ventile 21, 26 und 29, ein Bestandteil des Anodengasmanagementmoduls 1. Der Anodengasmanagementmodul-Grundkörper 2 verfügt über entsprechende Sitze und Befestigungseinrichtungen zur dauerhaften Anbringung dieser Sensoren und Aktoren.
Die 2, 3 und 4 sind perspektivische Ansichten einer Kombination eines erfindungsgemäßen Anodengasmanagementmoduls 1 mit einer erfindungsgemäßen Adapterplatte 40, d. h. eines auf eine Adapterplatte montierten Anodengasmanagementmoduls. Deutlich erkennbar in den perspektivischen Ansichten sind das Wasserstoff-Absperrventil 21, der Wasserstoff-Druckminderer 22 mit Regleraufsatz, der Wasserstoff-Drucksensor 23, die Überdruckschalter 24, 25, das Wasserstoff-Spülventil 26, der Füllstandsschalter 28, das Wasserablassventil 29, die Heizstäbe 31, 32, 33 und der Temperaturschalter 36.
In den 2, 3 und 4 noch nicht dargestellt sind die Anschlüsse zum Verbinden der Gaseingänge und Gasausgänge bzw. des Wasserauslasses des Grundkörpers mit Leitungen zur Zuleitung bzw. Ableitung von Gas und Wasser.
Die Adapterplatte 40 hat eine erste Hauptfläche (Oberseite) 41 und eine zweite Hauptfläche (Unterseite) 42, sowie Schmalseiten 49a, 49b, 49c und 49d. Das Anodengasmanagementmodul 1 ist auf die Oberseite 41 montiert, während die Unterseite 42 zur Montage an einer Brennstoffzellenanordnung vorgesehen ist. Wie aus den 2, 3 und 4 ersichtlich ist, weist die Adapterplatte 40 durchgehende Öffnungen 52, 53, 56 und 57 auf. Diese durchgehenden Öffnungen dienen zur Durchführung und Befestigung von Anschlüssen zur Zuleitung von Sauerstoff bzw. Luft zu der Brennstoffzellenanordnung und zur Ableitung von Sauerstoff bzw. Luft aus der Brennstoffzellenanordnung, und zur Zuleitung von Kühlwasser zu der Brennstoffzellenanordnung und zur Ableitung von Kühlwasser aus der Brennstoffzellenanordnung. An der Unterseite 42 der Adapterplatte 40 (s. 3) sind Öffnungen 45, 47 erkennbar, in die Leitungen an den Mündungsstellen 45' bzw. 47' einmünden. Dabei handelt es sich um die Mündungen der Leitung 43 und der Leitung 46, die in der Adapterplatte 40 ausgebildet sind, und die frischen Wasserstoff aus dem Anodengasmanagementmodul zu einem Wasserstoff-Anschluss der Brennstoffzellenanordnung hinleiten und Anodenabgas von einem entsprechenden Anschluss der Brennstoffzellenanordnung zu dem Anodengasmanagementmodul leiten. An den Öffnungen 45, 47 der Adapterplatte 40 werden die Anschlüsse zur Verbindung der Wasserstoff-Versorgungsleitung 43 und der Anodenabgasentsorgungsleitung 46 mit der Brennstoffzellenanordnung befestigt.
Die Bezugsziffer 61 bezeichnet den elektrischen Anschluss für die Heizstäbe 31, 32, 33, die Bezugsziffer 62 bezeichnet Aussparungen in der Adapterplatte 40 zur Anbringung von Verspannungsstäben des Brennstoffzellenstapels, die Bezugsziffer 63 bezeichnet eine Aussparung für eine Kabeldurchführung, und die Bezugsziffer 64 bezeichnet Befestigungsschrauben für das Reservoir des Wasserabscheiders 8. Weitere in den Figuren dargestellte Befestigungsschrauben, bspw. zur Verschraubung des Anodengasmanagementmodul-Grundkörpers 2 mit der Adapterplatte 40, zur Befestigung des Druckminderers 22, etc., tragen die Bezugsziffer 65.
Die Anschlüsse für die Zuleitung und Ableitung der Brennstoffzellenmedien Wasserstoff, Sauerstoff/Luft und Kühlwasser, sowie der Verlauf der Wasserstoff-Versorgungsleitung 43 und der Anodenabgasentsorgungsleitung 46, die als Kanäle in der ansonsten massiven Adapterplatte ausgebildet sind, sind in den 5, 6, 7 dargestellt.
Die Darstellung von 5 ist ähnlich der Darstellung von 4. In der Darstellung gemäß 5 sind jedoch das Anodengasmanagementmodul und die Adapterplatte, anders als bei 4, vollständig fertiggestellt, d. h. mit allen Anschlüssen ausgestattet. An dem Grundkörper-Wasserstoffeinlass 11 ist ein Anschluss 37 angebracht, an dem Grundkörper-Abgasauslass 18 ist ein Anschluss 38 angebracht, an dem Grundkörper-Rezirkulationsauslass 14 ist ein Anschluss 34 angebracht, an dem Grundkörper-Rezirkulationseinlass 15 ist ein Anschluss 35 angebracht, und an dem Grundkörper-Wasserauslass 19 ist ein Anschluss 39 angebracht. In der Adapterplatte 40 ist die Öffnung 52 zur Zuführung von Oxidationsmittel zu der Brennstoffzellenanordnung mit Anschlussstutzen 54 zum Anschließen an einen Brennstoffzellen-Oxidationsmitteleingang, und mit Anschlussstutzen 54' zum Anschließen an eine Oxidationsmittelquelle, beispielsweise ein Gebläse, ausgestattet. Analog ist die Öffnung 53 zur Abführung von verbrauchtem Oxidationsmittel aus der Brennstoffzellenanordnung mit Anschlussstutzen 55, 55' ausgestattet, während die Öffnung 56 zur Zuführung von Kühlwasser zu der Brennstoffzellenanordnung mit Anschlussstutzen 58, 58' ausgestattet ist und die Öffnung 57 zur Ableitung von Kühlwasser aus der Brennstoffzellenanordnung mit Anschlussstutzen 59, 59' ausgestattet ist.
In 6 ist die Kombination von Anodengasmanagementmodul und Adapterplatte, die in 5 in Aufsicht auf die Oberseite 41 der Adapterplatte 40 dargestellt ist, in Aufsicht auf die Unterseite 42 der Adapterplatte 40 dargestellt, wobei die Adapterplatte 40 transparent dargestellt ist, so dass die im Inneren der massiven Adapterplatte als Kanäle ausgebildeten Leitungen 43, 46 sichtbar sind. Der Grundkörper 2 des Anodengasmanagementmoduls 1 ist in 6 als Umriss 2' dargestellt.
Frischer Wasserstoff aus dem Anodengasmanagementmodul 1 tritt durch einen Wasserstoffeinlass 44 in die Wasserstoffversorgungsleitung 43 ein und durch den Wasserstoffauslass 45, der mit einem Anschluss 50 zum Anschließen an den Wasserstoffeingang der Brennstoffzellenanordnung ausgestattet ist, wieder aus. Umgekehrt tritt Anodenabgas durch den Anodenabgaseinlass 47, der mit einem Anschluss 51 zum Anschließen an einen Anodenabgasauslass einer Brennstoffzellenanordnung ausgestattet ist, in die Anodenabgasentsorgungsleitung 46 ein und durch einen Anodenabgasauslass 48 wieder aus. Der Einlass 44 für frischen Wasserstoff und der Auslass 48 für Anodenabgas werden mit dem Grundkörper-Wasserstoffauslass 12 bzw. mit dem Grundkörper-Anodenabgaseinlass 13 verbunden. Auf diese Weise entsteht ein vollständiger Wasserstoffkreis, wobei alle wesentlichen Komponenten des Wasserstoffkreises Bestandteile des Anodengasmanagementmoduls 1 sind und als Gesamtheit auf unterschiedliche Brennstoffzellenanordnungen montiert werden können.
7 ist eine schematische Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems, das eine Brennstoffzellenanordnung 71, ein erfindungsgemäßes Anodengasmanagementmodul 1 und eine erfindungsgemäße Adapterplatte 40 aufweist. Die Schnittdarstellung der 7 zeigt den Anschluss 12' des Grundkörper-Wasserstoffauslasses 12 an den Wasserstoff-Einlass 44 der Adapterplatte 40 und den Anschluss 13' des Grundkörper-Anodenabgaseinlasses 13 an den Anodenabgasauslass 48 der Adapterplatte 40. Gut erkennbar ist auch die Zuleitung und Ableitung von Oxidationsmittel (Öffnungen 52, 53) und die Zuleitung und Ableitung von Kühlwasser (Öffnungen 56, 57).
Bei der vorliegenden Erfindung ist fast der komplette Wasserstoffkreis in einem einzigen Bauteil zusammengefasst. Dieses Bauteil ist kompakt und kann mit Hilfe verschiedener Adapterplatten an unterschiedlichen Brennstoffzellenanordnungen angebracht werden. Durch die integrierte Bauweise wird die Zuführung von Brennstoffzellenmedien vereinfacht und Dichtungsprobleme minimiert. Die zentrale Beheizbarkeit gewährleistet auch bei Temperaturen unter 0°C, dass der gesamte Wasserstoffkreis problemlos eisfrei gehalten werden kann bzw. bei einem Anfahren des Brennstoffzellensystems schnell komplett von Eis befreit werden kann.

Claims

Anodengasmanagementmodul (1) für Brennstoffzellen, die Wasserstoff als Anodenbetriebsgas verwenden, aufweisend • einen beheizbaren Grundkörper (2), in dessen Inneren sich Hohlräume befinden, die miteinander in Fluidverbindung stehen und die ein Gas-Leitungssystem mit Leitungen für Wasserstoff und Leitungen für Anodenabgas, einen Wasserabscheider (8) zur Abtrennung von Wasser aus dem Anodenabgas, und einen Kanal (9) zum Ablassen des Wassers aus dem Wasserabscheider bilden, • Ventile, Messeinrichtungen und Regeleinrichtungen, die an dem Grundkörper (2) angebracht sind und mit dem Gas-Leitungssystem, dem Wasserabscheider (8) oder dem Kanal (9) in Verbindung stehen, zum Messen und Regeln der Temperatur des Grundkörpers (2), der Wassermenge in dem Wasserabscheider (8), und der Menge und/oder des Drucks des in dem Gas-Leitungssystem strömenden Gases, und • Sitze für die Ventile, Messeinrichtungen und Regeleinrichtungen an dem Grundkörper (2).
Anodengasmanagementmodul (1) nach Anspruch 1, bei dem das Gas-Leitungssystem eine Wasserstoff-Zuführleitung (3), eine Anodenabgasleitung (4, 4'), eine Anodenabgasrezirkulierungsleitung (5) und eine Anodenabgasentlassungsleitung (6) aufweist, wobei die Wasserstoff-Zuführleitung (3) von einem Grundkörper-Wasserstoffeinlass (11) zu einem Grundkörper-Wasserstoffauslass (12) führt, die Anodenabgasleitung (4, 4') von einem Grundkörper-Abgaseinlass (13) zu einem Grundkörper-Rezirkulationsauslass (14) führt, die Anodenabgasrezirkulierungsleitung (5) von einem Grundkörper-Rezirkulierungseinlass (15) zu der Wasserstoff-Zuführleitung (3) führt und in sie mündet, und die Anodenabgasentlassungsleitung (6) von der Anodenabgasleitung (4') abzweigt und zu einem Grundkörper-Abgasauslass (18) führt.
Anodengasmanagementmodul (1) nach Anspruch 1 oder 2, bei dem in die Wasserstoff-Zuführleitung (3) ein Wasserstoff-Absperrventil (21) und ein Wasserstoff-Druckminderer mit Druckregler (22) integriert sind.
Anodengasmanagementmodul (1) nach Anspruch 2 oder 3, bei dem in die Anodenabgasleitung (4) ein Wasserabscheider (8), der optional mit einem Füllstandsschalter (28) ausgestattet ist, integriert ist, wobei ein Wasserkanal (9) mit einem Wasserablassventil (29) von dem Wasserabscheider (8) zu einem Grundkörper-Wasserauslass (19) führt.
Anodengasmanagementmodul (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, bei dem die Anodenabgasleitung (4') und die Anodenabgasrezirkulierungsleitung (5) über eine Rezirkulierungsleitung (20, 30) mit einer Rezirkulationspumpe (10) miteinander verbindbar sind.
Anodengasmanagementmodul (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 5, bei dem in die Wasserstoff-Zuführleitung (3) und/oder die Anodenabgasleitung (4, 4') und/oder die Anodenabgasrezirkulierungsleitung (5) und/oder eine Zweigleitung (7), die von einer der Leitungen (3, 4, 4', 5) abzweigt, ein Wasserstoff-Drucksensor (23) und ein Wasserstoff-Überdruckschalter (24, 25) integriert sind.
Anodengasmanagementmodul (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem der Grundkörper (2) ausgestattet ist mit einem Anschluss (37) am Grundkörper-Wasserstoffeinlass (11) zum Anschließen an eine Wasserstoffquelle, einem Anschluss (38) am Grundkörper-Abgasauslass (18) zum Anschließen an eine Anodenabgasentsorgungsleitung, Anschlüssen (34, 35) am Grundkörper-Rezirkulationsauslass (14) und am Grundkörper-Rezirkulationseinlass (15) zum Anschließen einer Rezirkulationspumpe (10), und einem Anschluss (39) am Grundkörper-Wasserauslass (19) zum Anschließen an eine Abwasserleitung.
Anodengasmanagementmodul (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem der Grundkörper (2) ausgestattet ist mit einem Anschluss (12') am Grundkörper-Wasserstoffauslass (12) und einem Anschluss (13') am Grundkörper-Anodenabgaseinlass (13), wobei die Anschlüsse (12', 13') zur gasdichten Verbindung der Wasserstoff-Zuführleitung (3) und der Anodenabgasleitung (4) mit einem weiteren Leitungssystem geeignet sind.
Anodengasmanagementmodul (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem in den Grundkörper (2) mindestens eine Heizeinrichtung (31, 32, 33), bevorzugt zwei oder drei Heizeinrichtungen, und ein Temperaturschalter (36), der die mindestens eine Heizeinrichtung bei Überschreiten einer vorgegebenen Maximaltemperatur des Grundkörpers abschaltet, integriert sind.
Adapterplatte (40) zum Anbringen eines Anodengasmanagementmoduls (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9 an einer Brennstoffzellenanordnung (71), wobei die Adapterplatte (40) aufweist: • eine in ihrem Inneren verlaufende Wasserstoffversorgungsleitung (43) zum Verbinden der Wasserstoff-Zuführleitung (3) des Anodengasmanagementmoduls (1) mit einem Wasserstoffverteilungssystem der Brennstoffzellenanordnung (71), • eine in ihrem Inneren verlaufende Anodenabgasentsorgungsleitung (46) zum Verbinden der Anodenabgasleitung (4) des Anodengasmanagementmoduls (1) mit einem Anodenabgassammelsystem einer Brennstoffzellenanordnung (71), • durchgehende Öffnungen (52, 53) zur Zuleitung von frischem Kathodenbetriebsgas zu der Brennstoffzellenanordnung (71) und Ableitung von verbrauchtem Kathodenbetriebsgas aus der Brennstoffzellenanordnung (71), und • durchgehende Öffnungen (56, 57) zur Zuleitung von frischem Kühlwasser zu der Brennstoffzellenanordnung (71) und zur Ableitung von gebrauchtem Kühlwasser aus der Brennstoffzellenanordnung (71).
Adapterplatte (40) nach Anspruch 10, aufweisend Anschlusseinrichtungen (54, 54') an der Öffnung (52), Anschlusseinrichtungen (55, 55') an der Öffnung (53), Anschlusseinrichtungen (58, 58') an der Öffnung (56), Anschlusseinrichtungen (59, 59') an der Öffnung (57), eine Anschlusseinrichtung (50) an einer Öffnung (45), in die die Wasserstoffversorgungsleitung (43) mündet, und eine Anschlusseinrichtung (51) an einer Öffnung (47), in die die Anodenabgasentsorgungsleitung (46) mündet.
Anodengasmanagementmodul (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 oder Adapterplatte (40) nach Anspruch 10 oder 11, aufweisend Befestigungsmittel zum Anbringen und Fixieren des Anodengasmanagementmoduls und/oder der Adapterplatte an einem anderen Bauteil.
Anodengasmanagementmodul-Adapterplatten-Kombination (60) aufweisend ein Anodengasmanagementmodul (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 und eine Adapterplatte (40) nach Anspruch 10 oder 11, wobei das Anodengasmanagementmodul und die Adapterplatte aneinander befestigt sind und die Wasserstoff-Zuführleitung (3) des Anodengasmanagementmoduls (1) mit der Wasserstoffversorgungsleitung (43) der Adapterplatte (40) verbunden ist, und die Anodenabgasleitung (4) des Anodengasmanagementmoduls (1) mit der Anodenabgasentsorgungsleitung (46) der Adapterplatte (40) verbunden ist.
Brennstoffzellensystem (70) aufweisend eine Brennstoffzellenanordnung (71) und eine Adapterplatte (40) nach einem der Ansprüche 10 bis 12 oder eine Anodengasmanagementmodul-Adapterplatten-Kombination (60) nach Anspruch 13, wobei die Brennstoffzellenanordnung (71) und die Adapterplatte (40) aneinander befestigt sind und zwischen der Adapterplatte (40) und der Brennstoffzellenanordnung (71) Verbindungen zum Einleiten von frischem Wasserstoff, frischem Kathodenbetriebsgas und frischem Kühlwasser in die Brennstoffzellenanordnung (71) hinein und zum Ausleiten von Anodenabgas, Kathodenabgas und gebrauchtem Kühlwasser aus der Brennstoffzellenanordnung (71) heraus bestehen.
Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems (70) mit einer Brennstoffzellenanordnung (71), einem Anodengasmanagementmodul (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9 und einer Adapterplatte (40) gemäß einem der Ansprüche 10 bis 12, folgende Schritte aufweisend: Einleiten von Wasserstoff in die Brennstoffzellenanordnung (71) durch die Wasserstoff-Zuführleitung (3) des Anodengasmanagementmoduls (1) und die Wasserstoff-Versorgungsleitung (43) der Adapterplatte (40), Ausleiten von Anodenabgas aus der Brennstoffzellenanordnung (71) durch die Anodenabgasentsorgungsleitung (46) der Adapterplatte (40) und die Anodenabgasleitung (4) des Anodengasmanagementmoduls (1), Rezirkulieren des Anodenabgases durch eine Anodenabgasleitung (4'), eine Rezirkulationspumpe (10) und eine Anodenabgasrezirkulierungsleitung (5) in die Wasserstoff-Zuführleitung (3), Einleiten von Kathodenbetriebsgas in die Brennstoffzellenanordnung (71) und Ausleiten von Kathodenbetriebsgas aus der Brennstoffzellenanordnung (71) durch die Adapterplatte (40), Einleiten von Kühlwasser in die Brennstoffzellenanordnung (71) und Ausleiten von Kühlwasser aus der Brennstoffzellenanordnung (71) durch die Adapterplatte (40), Abscheiden von flüssigem Wasser aus dem Anodenabgas mittels eines Wasserabscheiders (8) in der Anodenabgasleitung (4) des Anodengasmanagementmoduls (1), optional periodisch Entlassen des Anodenabgases und/oder des Wassers in dem Wasserabscheider (8) aus dem Anodengasmanagementmodul (1), Beheizen des Grundkörpers (2) des Anodengasmanagementmoduls (1) mittels Heizeinrichtungen (31, 32, 33) in dem Grundkörper (2) zumindest bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts von Wasser, und Messen und Regeln der Temperatur des Grundkörpers (2), der Menge und/oder des Drucks des in dem Grundkörper (2) strömenden Wasserstoffs und Anodenabgases, und der Wassermenge in dem Wasserabscheider (8) durch in den Grundkörper (2) integrierte Messeinrichtungen und Regeleinrichtungen.