Titel

Brennstoffzellensystem mit einer Umlenkung im Anodenpfad

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem nach dem Oberbegriff des unabhängigen Vorrichtungsanspruches.

Stand der Technik

Brennstoffzellensysteme wandeln Wasserstoff mithilfe von Sauerstoff, zumeist aus der einfachen Umgebungsluft, in elektrische Energie, Abwärme und Wasser um. Die Brennstoffzellensysteme weisen zumeist mehrere Brennstoffzellen auf, die zu einem Stapel, sog. Stack, verbaut sind. Zum Versorgen der Brennstoffzellensysteme mit Reaktanten sind Versorgungskanäle vorgesehen, die die einzelnen Brennstoffzellen mit Wasserstoff und Luft versorgen und die abgereicherte feuchte Abluft sowie das abgereicherte Anodenabgas abtransportieren. In den Versorgungsleitungen mit Wasserstoff werden zumeist Rezirkulationspumpen, bspw. in Form von Strahlpumpen oder Hybridlösungen aus Strahlpumpen und Wasserstoffgebläsen, verwendet, um den unverbrauchten Wasserstoff aus dem Anodenabgas zurück an die Brennstoffzellen zu schicken. Durch diese Prozesse gelangt auch Wasser auf die Anodenseite der Brennstoffzellen. Wasser stellt für die in der Brennstoffzelle stattfindende elektrochemische Reaktion ein Hindernis dar. Gasförmig reduziert es die Zellspannung und kann, wenn es in hoher Konzentration vorliegt, die Zellen schädigen, da diese nicht mehr ausreichend mit Wasserstoff versorgt werden. Flüssig kann es aktive Schichten an den Membranen blockieren und so Teile der Brennstoffzellen von der Wasserstoffversorgung lokal abschneiden. Hierbei entstehen schädigende Nebenreaktionen. Ein anfallendes Produktwasser wird daher am Austritt aus den Brennstoffzellen mithilfe von Wasserabscheidern aus dem Anodenabgas abgetrennt. Üblicherweise geschieht dies direkt am Anodenaustritt des Brennstoffzellenstacks. Die Wasserabscheider schaffen jedoch nicht das ganze Wasser aus dem Anodengas zu entfernen.

Offenbarung der Erfindung

Die Erfindung sieht gemäß einem Aspekt ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des unabhängigen Vorrichtungsanspruches, insbesondere aus dem kennzeichnenden Teil, vor. Weitere Vorteile, Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit unterschiedlichen erfindungsgemäßen Aspekten beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit den anderen erfindungsgemäßen Aspekt und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.

Die vorliegende Erfindung sieht ein Brennstoffzellensystem vor, aufweisend mindestens eine Brennstoffzelle und einen Anodenpfad zum Bereitstellen eines brennstoff haltigen Reaktanten an die mindestens eine Brennstoffzelle, wobei der Anodenpfad eine Eintrittsleitung zum Bereitstellen des brennstoff haltigen Reaktanten zu der mindestens einen Brennstoffzelle und eine Austrittsleitung zum Abführen des brennstoffhaltigen Reaktanten aus der mindestens einen Brennstoffzelle aufweist, und wobei zwischen der Eintrittsleitung und der Austrittsleitung eine Rezirkulationsvorrichtung vorgesehen ist, um den unverbrauchten Brennstoff zurück an die Brennstoffzelle bereitzustellen. In der Eintrittsleitung ist erfindungsgemäß an einem Brennstoffzelleneingang eine Umlenkung (oder mit anderen Worten ein Umlenkungsabschnitt, der ununterbrochen und/oder materialeinheitlich mit der Eintrittsleitung ausgebildet ist) vorgesehen, um Wasser, insbesondere ein in die Austrittsleitung durchgesickertes Produktwasser oder auf irgendeine andere Weise, bspw. durch Kondensation, gelangtes Wasser, vorzugsweise durch eine Gewichtskraft des Wassers und/oder durch ein Druckgefälle infolge der Strömung des brennstoffhaltigen Reaktanten, abzuscheiden. Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem kann in Form eines Brennstoffzellenstapels, eines sog. Brennstoffzellenstacks, mit mehreren gestapelten Wiederholeinheiten in Form einzelner Brennstoffzellen, vorzugsweise PEM-Brennstoffzellen, ausgeführt sein.

Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem kann vorteilhafterweise für mobile Anwendungen, wie bspw. in Kraftfahrzeugen, oder für stationäre Anwendungen, wie bspw. in Generatoranlagen, verwendet werden.

Die Umlenkung ist ein monolithischer Teil bzw. Abschnitt der Eintrittsleitung, der am Eingang in die mindestens eine Brennstoffzelle auf eine spezielle erfindungsgemäße Weise ausgebildet ist, und zwar derart, dass das Wasser, umfassend das in die Austrittsleitung durchgesickerte Produktwasser, abgeschieden wird. Die Umlenkung bzw. dieser Abschnitt der Eintrittsleitung ist derart ausgebildet, dass die Gewichtskraft des Wassers und/oder ein Druckgefälle infolge der Strömung des brennstoffhaltigen Reaktanten das Wasser weg von dem Brennstoffzelleneingang befördert, wo es aufgefangen wird und/oder nach draußen und/oder in eine Abluftleitung eines Kathodenpfades, ggf. gesteuert durch ein Ablassventil, abtransportiert wird. Hinzu kann ein primärer Wasserabscheider in der Austrittsleitung kommen. Grundsätzlich ist es jedoch denkbar, dass die Umlenkung auch ohne den Wasserabscheider in der Austrittsleitung oder nur mit einer Unterstützung durch den Wasserabscheider in der Austrittsleitung das Wasser sicher abtransportieren kann.

Der Erfindungsgedanke liegt dabei darin, dass anodenseitiges flüssiges Wasser, insbesondere stromabwärts eines primären Wasserabscheiders und einer Frischgasdosierung, aus der Eintrittsleitung abgetrennt wird. Die Umlenkung wird erfindungsgemäß nach der Rezirkulationsvorrichtung, bspw. in Form einer Strahlpumpe, vorgesehen. Die Umlenkung kann vorteilhafterweise in Form eines Rohrbogenabscheiders ausgeführt sein. An der Umlenkung kann mindestens eine erste Ablaufbohrung vorgesehen sein. Die Umlenkung kann vorzugsweise überstehende Kanten, bspw. umfangsseitig, zumindest tlw. oder vollumfänglich, aufweisen. Optional kann die Umlenkung an ihrem tiefsten Punkt einen zweiten Wasserabscheider und ggf. eine zweite Ablaufbohrung aufweisen. Das Flüssigwasser wird durch die Umlenkung gezwungen durch ein treibendes Druckgefälle über der Rezirkulationsvorrichtung, bspw. direkt in den ersten Wasserabscheider mit treibendem Druckgefälle oder in den Ablauf des ersten Wasserabscheiders abzufließen. Weiterhin kann eine Sammelrinne innerhalb der Umlenkung und vorzugsweise koaxial zur Umlenkung vorgesehen sein, sodass die Eintrittsleitung in diesem Bereich ein doppelwandiges Rohr bildet, bspw. in Form eines umgedrehten Trichters oder eines umgedrehten Kegelstumpfes. Die Sammelrinne kann ein evtl, herunterrinnendes Flüssigwasser aus dem Brennstoffzelleneingang am Umfang der Eintrittsleitung sammeln und gezielt, bspw. in die erste Ablaufbohrung der Umlenkung leiten. Treibende Kraft ist dabei die Gewichtskraft des Wassers.

Die mindestens eine Brennstoffzelle im Sinne der Erfindung ist vorzugsweise über dem Anodenpfad mit der Eintrittsleitung und der Austrittsleitung angeordnet, um die Gewichtskraft des Wassers durch die erfindungsgemäße Umlenkung auszunutzen.

Das Abfließen des Wassers durch die erfindungsgemäße Umlenkung kann vorzugsweise in die entgegengesetzte Flussrichtung zur Flussrichtung des brennstoff haltigen Reaktanten ermöglicht werden.

Ferner kann die Erfindung bei einem Brennstoffzellensystem vorsehen, dass die Umlenkung in Form eines Rohrbogenabscheiders ausgeführt ist. Somit kann die Umlenkung auf eine einfache und kostengünstige Weise realisiert werden.

Weiterhin kann die Erfindung bei einem Brennstoffzellensystem vorsehen, dass die Umlenkung in Form eines umgedrehten Trichters und/oder eines umgedrehten Kegelstumpfes (in die Hochrichtung bzw. Stapelrichtung des Brennstoffzellensystems gesehen) ausgeführt ist, der vorzugsweise mit der engsten Stelle in Richtung des Brennstoffzelleneingangs zeigt und mit der breitesten Stelle von dem Brennstoffzelleneingang abgewandt ist. Somit kann ein Abfließen des Wassers begünstigen kann.

Des Weiteren kann die Erfindung bei einem Brennstoffzellensystem vorsehen, dass die Umlenkung ein Kragenelement aufweist, das vorzugsweise umfangsseitig von der Eintrittsleitung absteht, und das insbesondere tiefer liegt als der Brennstoffzelleneingang. Somit kann die Strömung des leichteren brennstoff haltigen Reaktanten durch die engere Öffnung am Brennstoffzelleneingang durchfließen, während das schwerere Wasser am Kragenelement abprallt und abgeschieden wird.

Außerdem kann die Erfindung bei einem Brennstoffzellensystem vorsehen, dass die Umlenkung, insbesondere am Kragenelement, (mindestens) eine erste Ablaufbohrung aufweist, die vorzugsweise von dem Brennstoffzelleneingang abgewandt ist (bzw. wegführt) und die insbesondere bogenförmig oder im Wesentlichen senkrecht (in die Hochrichtung bzw. Stapelrichtung des Brennstoffzellensystems gesehen) abfallend ist. Somit kann das abgefangene Wasser aus der Eintrittsleitung ablaufen.

Ferner kann die Erfindung bei einem Brennstoffzellensystem vorsehen, dass an der Umlenkung eine (umfangsseitig zumindest zum Teil innerhalb der Eintrittsleitung im Bereich der Umlenkung ausgeformte) Sammelrinne für ein rinnendes Wasser in Richtung weg von dem Brennstoffzelleneingang und insbesondere in Richtung einer ersten Ablaufbohrung vorgesehen ist. Die Sammelrinne kann vorteilhafterweise das Auffangen des Wassers begünstigen.

Weiterhin kann die Erfindung bei einem Brennstoffzellensystem vorsehen, dass die Sammelrinne an der engsten Stelle einen kleineren Durchmesser aufweist als der Brennstoffzelleneingang und ein Brennstoffzellenausgang. Somit kann sozusagen eine Düse am Brennstoffzelleneingang bereitgestellt werden.

Des Weiteren kann die Erfindung bei einem Brennstoffzellensystem vorsehen, dass die Sammelrinne in Form eines umgedrehten Trichters und/oder eines umgedrehten Kegelstumpfes ausgeführt ist, der vorzugsweise mit der engsten Stelle in Richtung eines Brennstoffzelleneingangs zeigt und mit der breitesten Stelle von dem Brennstoffzelleneingang abgewandt ist. Somit kann durch die Sammelrinne und die Umlenkung ein doppelwandiges Rohr gebildet werden, welches zwischen den Wänden das Wasser (im Wesentlichen nach unten) strudelartig abfließen lässt und das innerhalb des inneren Rohres einen Durchfluss des brennstoffhaltigen Reaktanten in die umgekehrte Richtung (im Wesentlichen nach oben) mit einem Düseneffekt ermöglicht. Zudem kann die Erfindung bei einem Brennstoffzellensystem vorsehen, dass im Bereich der Umlenkung die Sammelrinne (zumindest zum Teil umfangsseitig) koaxial zur Eintrittsleitung angeordnet ist, und/oder im Bereich der Umlenkung die Sammelrinne und die Eintrittsleitung ein doppelwandiges Rohrstück bilden. Die Sammelrinne kann somit die Funktionalität der Umlenkung auf eine vorteilhafte Weise verbessern.

Außerdem kann die Erfindung bei einem Brennstoffzellensystem vorsehen, dass in der Austrittsleitung ein erster bzw. primärer Wasserabscheider vorgesehen ist. Der primäre Wasserabscheider kann vorteilhafterweise zusätzlich zur Umlenkung im Sinne der Erfindung vorgesehen sein.

Ferner kann die Erfindung bei einem Brennstoffzellensystem vorsehen, dass zwischen der Umlenkung und der Rezirkulationsvorrichtung ein zweiter bzw. sekundärer Wasserabscheider vorgesehen ist. Der zweite Wasserabscheider kann als Teil der Umlenkung ausgeführt sein, bspw. in Form einer Senke an der tiefsten Stelle der Umlenkung. In dem zweiten Wasserabscheider kann das Wasser aufgefangen werden, bevor es, insbesondere kontrolliert und/oder gesteuert, bspw. durch ein Ablassventil, abläuft.

Nach einem weiteren Vorteil kann in dem primären und/oder sekundären Wasserabscheider ein wasserabsorbierendes Material vorgesehen sein.

Weiterhin kann die Erfindung bei einem Brennstoffzellensystem vorsehen, dass die Umlenkung, insbesondere am zweiten Wasserabscheider, eine zweite Ablaufbohrung aufweist, die vorzugsweise von dem Brennstoffzelleneingang abgewandt ist und die insbesondere im Wesentlichen senkrecht (insbesondere in die Hochrichtung gesehen) abfallend ist.

Im Rahmen der Erfindung ist es des Weiteren möglich, dass eine erste Ablaufbohrung und/oder eine zweite Ablaufbohrung der Umlenkung direkt an dem ersten Wasserabscheider in der Austrittsleitung oder an einen Ablauf aus dem ersten Wasserabscheider in der Austrittsleitung angeschlossen ist. Auf diese Weise können die Druckgefälle innerhalb und/oder oberhalb des ersten Wasserabscheiders ausgenutzt werden.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele:

Die Erfindung und deren Weiterbildungen sowie deren Vorteile werden nachfolgend anhand der Figur näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems im Sinne der Erfindung.

Die Figur 1 zeigt ein Brennstoffzellensystem 100 im Sinne der Erfindung. Das Brennstoffzellensystem 100 weist dabei mindestens eine Brennstoffzelle 101 oder mit mehreren gestapelten Wiederholeinheiten in Form einzelner Brennstoffzellen 101 und einen Anodenpfad 10 zum Bereitstellen eines brennstoffhaltigen Reaktanten an die mindestens eine Brennstoffzelle 101 auf, wobei der Anodenpfad 10 eine Eintrittsleitung 11 zum Bereitstellen des brennstoff haltigen Reaktanten zu der mindestens einen Brennstoffzelle 101 und eine Austrittsleitung 12 zum Abführen des brennstoffhaltigen Reaktanten aus der mindestens einen Brennstoffzelle 101 aufweist, und wobei zwischen der Eintrittsleitung 11 und der Austrittsleitung 12 eine Rezirkulationsvorrichtung 14 vorgesehen ist, um den unverbrauchten Brennstoff zurück an die Brennstoffzelle 101 bereitzustellen, insbesondere zu befördern.

Gemäß der Erfindung ist in der Eintrittsleitung 11 an einem Brennstoffzelleneingang E eine Umlenkung 20 (oder mit anderen Worten ein Umlenkungsabschnitt, der ununterbrochen und/oder materialeinheitlich mit der Eintrittsleitung 11 ausgebildet ist) vorgesehen, um Wasser H20, insbesondere ein in die Austrittsleitung durchgesickertes Produktwasser oder auf irgendeine andere Weise, bspw. durch Kondensation, gelangtes Wasser H20, vorzugsweise durch eine Gewichtskraft des Wassers H20 und/oder durch ein Druckgefälle infolge der Strömung des brennstoffhaltigen Reaktanten, abzuscheiden. Das gezeigte Brennstoffzellensystem 101 kann vorteilhafterweise in mobilen Anwendungen, wie bspw. in Kraftfahrzeugen, oder in stationären Anwendungen, wie bspw. in Generatoranlagen, verwendet werden.

Wie es die Figur 1 andeutet, ist die Umlenkung 20 als ein monolithischer Teil bzw. Abschnitt der Eintrittsleitung 11 ausgebildet. Dieser Teil bzw. Abschnitt ist am Brennstoffzelleneingang E in die mindestens eine Brennstoffzelle 101 derart ausgebildet bzw. ausgeformt, dass das Wasser H20, sicher abgeschieden wird. Dieser Teil bzw. Abschnitt ist so ausgebildet, dass das Wasser durch die Gewichtskraft des Wassers H20 und/oder durch ein Druckgefälle infolge der Strömung des brennstoffhaltigen Reaktanten aus dem Brennstoffzelleneingang E sicher abtransportiert wird. Der Abtransport des Wassers H20 kann (ggf. über einen primären Wasserabscheiders W1 und weiter) nach draußen in die Umgebung und/oder in eine Abluftleitung eines Kathodenpfades, wo es mit der Abluft vermischt wird, um ungewollte Ansammlungen an Brennstoff zu vermeiden, erfolgen. Der Abtransport des Wassers H20 kann vorzugsweise gesteuert, bspw. durch ein Ablassventil V erfolgen.

Die Figur 1 zeigt zwar einen primären Wasserabscheider W1 in der Austrittsleitung 12, grundsätzlich ist es jedoch denkbar, dass die Umlenkung 20 das Wasser auch ohne den primären Wasserabscheider W1 in der Austrittsleitung 12 oder nur mit seiner Unterstützung sicher abtransportieren kann.

Wie es die Figur 1 weiterhin zeigt, ist die erfindungsgemäße Umlenkung 20 stromabwärts eines primären Wasserabscheiders Wl, der Rezirkulationsvorrichtung 14, bspw. in Form einer Strahlpumpe, und einer Frischgasdosierung 15 in der Eintrittsleitung 11 angeordnet.

Wie die Figur 1 zudem zeigt, ist die Umlenkung 20 in Form eines Rohrbogenabscheiders ausgeführt.

An der Umlenkung 20 kann mindestens eine erste Ablaufbohrung Al vorgesehen sein. Die Umlenkung kann vorzugsweise überstehende Kanten bzw. ein überstehendes Kragenelement 21 aufweisen, das bspw. umfangsseitig, zumindest tlw. oder vollumfänglich, an der Eintrittsleitung 11 im Bereich der Umlenkung 20 ausgeformt ist.

Optional kann die Umlenkung 20 an ihrem tiefsten Punkt einen zweiten Wasserabscheider W2, bspw. in Form einer Rinne oder eines Tellers oder einer Absenkung, ggf. mit einer zweiten Ablaufbohrung A2 aufweisen.

Das Wasser H20 wird durch die Umlenkung 20 gezwungen in umgekehrte Richtung zur Flussrichtung des brennstoffhaltigen Reaktanten abzufließen, bspw. direkt in den ersten Wasserabscheider W1 oder in den Ablauf aus dem ersten Wasserabscheider Wl.

Weiterhin zeigt die Figur 1, dass innerhalb der Umlenkung 20, vorzugsweise koaxial zur Umlenkung 20 eine (vollumfängliche oder zum Teil umfangseitige umlaufende) Sammelrinne 22 vorgesehen sein kann, sodass die Eintrittsleitung 11 in diesem Bereich ein doppelwandiges Rohr bildet.

Sowohl die Umlenkung 20 als auch die Sammelrinne 22 können in diesem Bereich in Form eines umgedrehten Trichters oder eines umgedrehten Kegelstumpfes ausgeformt sein, um ein doppelwandiges Rohr zu bilden.

Die Sammelrinne 22 kann ein evtl, herunterrinnendes Wasser H20 aus dem Brennstoffzelleneingang E am Umfang der Eintrittsleitung 11 sammeln und gezielt, bspw. in die erste Ablaufbohrung Al der Umlenkung 20, leiten.

Die mindestens eine Brennstoffzelle 101 ist vorzugsweise über dem Anodenpfad 10 mit der Eintrittsleitung 11 und der Austrittsleitung 12 positioniert, um die Gewichtskraft des Wassers H20 durch die erfindungsgemäße Umlenkung 20 ausnutzen zu können.

Wie es in der Figur 1 mit den Pfeilen angedeutet ist, kann das Abfließen des Wassers H20 durch die erfindungsgemäße Umlenkung 20 vorzugsweise in die entgegengesetzte Flussrichtung zur Flussrichtung des brennstoffhaltigen Reaktanten erfolgen.

Die Sammelrinne 22 kann wiederum an der engsten Stelle einen kleineren Durchmesser aufweisen als der Brennstoffzelleneingang E und der Brennstoffzellenausgang A, um an der Sammelrinne 22 ein besseres Abfließen des Wassers H20 hervorzurufen.

Die Sammelrinne 22 kann vorzugsweise in Form eines umgedrehten Trichters und/oder eines umgedrehten Kegelstumpfes ausgeführt sein, der vorzugsweise mit der engsten Stelle in Richtung eines Brennstoffzelleneingangs E zeigt und mit der breitesten Stelle von dem Brennstoffzelleneingang E abgewandt ist. Durch die Sammelrinne 22 und die Umlenkung 20 wird ersichtlich der Figur 1 ein doppelwandiges Rohr gebildet, welches zwischen den Wänden das Wasser H20 (im Wesentlichen nach unten) abfließen lässt und das innerhalb des inneren Rohres einen Durchfluss des brennstoff haltigen Reaktanten in die umgekehrte Richtung (im Wesentlichen nach oben) mit einem Düseneffekt ermöglicht.

Denkbar ist weiterhin, dass in dem primären und/oder sekundären Wasserabscheider Wl, W2 ein wasserabsorbierendes Material vorgesehen sein kann.

Weiterhin kann die Umlenkung 20 am Boden des zweiten Wasserabscheiders W2 eine zweite Ablaufbohrung A2 aufweisen.

Wie es die Figur 1 andeutet, kann die erste Ablaufbohrung Al und/oder die zweite Ablaufbohrung A2 der Umlenkung 20 direkt an dem ersten Wasserabscheider Wl in der Austrittsleitung 12 oder an einen Ablauf A3 aus dem ersten Wasserabscheider Wl in der Austrittsleitung 12 angeschlossen werden.

Die voranstehende Beschreibung der Figuren beschreibt die vorliegende Erfindung ausschließlich im Rahmen von Beispielen. Selbstverständlich können einzelne Merkmale der Ausführungsformen, sofern es technisch sinnvoll ist, frei miteinander kombiniert werden, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.