DE102007042784A1 - Method and apparatus for operating a fuel cell assembly - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betreiben einer Brennstoffzellenanordnung (1) mit mehreren zu einem Stapel (2) zusammengesetzten Brennstoffzellen mit einem gemeinsamen Kathodeneingang (3.1) und Kathodenausgang (3.2) sowie Anodeneingang (4.1) und Anodenausgang (4.2) sowie mit ersten, die Brennstoffzellen mit Reaktionsstoffen versorgenden Komponenten und zweiten, Reaktionsprodukte (RP) der Brennstoffzellen verarbeitenden Komponenten. Dabei wird erfindungsgemäß eine Wasserstoff enthaltende Abluft (AL) aus zumindest einem Gehäuse (12.1 bis 12.3), in welchem ein oder mehrere der Komponenten und/oder die Brennstoffzellen angeordnet sind, abgeführt und in eine Kathodenzuleitung (5) des Kathodeneingangs (3.1) geführt.The invention relates to a method and a device for operating a fuel cell arrangement (1) with a plurality of fuel cells assembled into a stack (2) with a common cathode input (3.1) and cathode output (3.2) and anode input (4.1) and anode output (4.2) and with the first , the fuel cells with reactants supplying components and second, reaction products (RP) of the fuel cell processing components. In this case, according to the invention, a hydrogen-containing exhaust air (AL) from at least one housing (12.1 to 12.3), in which one or more of the components and / or the fuel cells are arranged, removed and fed into a cathode feed line (5) of the cathode input (3.1).
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betreiben einer Brennstoffzellenanordnung mit mehreren, zu einem Stapel zusammengesetzten Brennstoffzellen mit einem gemeinsamen Kathodeneingang und Kathodenausgang sowie Anodeneingang und Anodenausgang und mit ersten, die Brennstoffzellen mit Reaktionsstoffen versorgenden Komponenten und zweiten, Reaktionsprodukte der Brennstoffzelle verarbeitenden Komponenten.The The invention relates to a method and an apparatus for operating a fuel cell assembly having a plurality, assembled into a stack Fuel cells with a common cathode input and cathode output as well as anode input and anode output and with first, the fuel cells reactants supplying components and second, reaction products the fuel cell processing components.
Brennstoffzellenanordnungen mit mehreren Brennstoffzellen oder einzelne Brennstoffzellen dienen einer schadstoffarmen Erzeugung von Elektrizität. Dabei werden die jeweils eine Anode und Kathode aufweisenden Brennstoffzellen einerseits mit einem Wasserstoff enthaltenen Reaktionsstoff als Brennstoff und andererseits mit einem Sauerstoff enthaltenen Reaktionsstoff als Oxidationsmittel beaufschlagt. Als Reaktionsprodukt der Oxidationsvorgänge in der Brennstoffzelle ist ein aus der Brennstoffzelle austretender Luftstrom mit Wasserdampf und auskondensiertem Wasser befrachtet.fuel cell assemblies Serve with multiple fuel cells or individual fuel cells a low-emission generation of electricity. there become each an anode and cathode having fuel cells on the one hand with a hydrogen-containing reactant as fuel and on the other hand with an oxygen-containing reactant acted as oxidant. As a reaction product of the oxidation processes in the fuel cell is one emerging from the fuel cell Air stream laden with water vapor and condensed water.
Dabei wird bei der Gasversorgung der Kathode als Oxidationsmittel Frischluft zunächst in einem Verdichter komprimiert und dann in einem Ladeluftkühler abgekühlt. Im Weiteren strömt die Luft in ein Befeuchtermodul, in welchem sie Wasserdampf aus einem kathodenseitig ausströmenden Kathodenabgas der Brennstoffzelle oder eines Brennstoffzellenstapels aufnimmt. Danach wird die befeuchtete Frischluft in die Brennstoffzelle oder den Brennstoffzellenstapel geleitet und nimmt dort an der elektrochemischen Reaktion teil. Das kathodenseitig ausströmende Kathodenabgas wird dann dem Befeuchtermodul zugeführt, wo es Wasserdampf an die der Kathode zuführende Luft abgibt. Anschließend wird das Kathodenabgas einer Abgasturbine zugeführt. Der Anode der Brennstoffzellenanordnung wird beispielsweise über ein Dosierventil überstöchiometrischer Wasserstoff als Brennstoff aus einem Wasserstoffspeicher zugeführt. Nicht umgesetzter Wasserstoff und an der Kathode übergetretener Stickstoff und Wasserdampf werden mittels eines Gebläses (auch Rezirkulationsgebläse genannt) wieder auf das Druckniveau des Frischgases verdichtet und über eine Rückführung erneut in den Wasserstoffzustrom eingespeist.there is the supply of gas to the cathode as the oxidant fresh air first compressed in a compressor and then in one Intercooler cooled. Further flows the air into a humidifier module, where they expel water vapor a cathode side effluent cathode exhaust gas of the fuel cell or a fuel cell stack. Then the humidified fresh air directed into the fuel cell or fuel cell stack and participates in the electrochemical reaction there. The cathode side effluent cathode exhaust gas is then the humidifier module supplied, where it supplies water vapor to the cathode supplying Gives off air. Subsequently, the cathode exhaust gas is a Exhaust gas supplied. The anode of the fuel cell assembly becomes more than stoichiometric via a metering valve, for example Hydrogen supplied as fuel from a hydrogen storage. Unreacted hydrogen and overreached at the cathode Nitrogen and water vapor are removed by means of a blower (also Rezirkulationsgebläse called) back to the pressure level of the fresh gas and via a return fed back into the hydrogen flow.
Üblicherweise sind einzelne oder mehrere der Komponenten-Wasserspeicher, einzelne Brennstoffzellen, zu einem Stapel zusammengeschaltete Brennstoffzellen, Befeuchter, Ladeluftkühler, Brennstoffspeicher, Kühlmittelspeicher und/oder elektronische Steuerungen – von einem gemeinsamen oder jeweils von einem separaten Gehäuse zum Schutz vor mechanischen Beschädigungen und/oder Umwelteinflüssen wie beispielsweise Spritzwasser oder Schmutz umgeben. Dabei ist das den Gehäuseinnenraum mit der oder den Komponenten umgebende Gehäuse im Allgemeinen belüftet. Hierzu ist das Gehäuse mit einer Vorrichtung zum Luftaustausch versehen, die eingangsseitig Frischluft dem Gehäuse zuführt und ausgangsseitig über eine Abluftleitung Abluft in die Umgebung abführt. Durch betriebsbedingte Emissionen von gasförmigem Wasserstoff aus Abgasleitungen der Brennstoffzelle/n im Betrieb der Brennstoffzelle oder Brennstoffzellenanordnung können sich zündfähige Gemische in der Umgebung der Abluftleitung des Gehäuses bilden.Usually are single or multiple of the component water storage, single Fuel cells, stacked fuel cells, Humidifier, intercooler, fuel storage, coolant reservoir and / or electronic controls - from a common one or each of a separate housing for protection mechanical damage and / or environmental influences such as splashes or dirt surrounded. It is the housing surrounding the housing or with the components surrounding the housing generally ventilated. This is the case provided with a device for air exchange, the input side Fresh air feeds the housing and the output side over an exhaust duct discharges exhaust air into the environment. By operational emissions of gaseous hydrogen from exhaust pipes of the fuel cell / s during operation of the fuel cell or Fuel cell assembly may become flammable Mixtures in the vicinity of the exhaust pipe of the housing form.
Darüber hinaus ist der aus der Brennstoffzelle austretende Luftstrom mit Wasserdampf und auskondensiertem Wasser als Reaktionsprodukt der Oxidationsvorgänge in der Brennstoffzelle befrachtet. Die auskondensierten Wassertropfen können sich aufgrund einer Leckage infolge von Beschädigungen oder Alterungsprozessen der Brennstoffzellen oder des Leitungssystems im Innenraum des Gehäuses niederschlagen. Dies kann zu einer Erosion an den Brennstoffzellen und/oder an Zu- und Abführungsleitungen führen. Ferner kann die Wasserkondensation und daraus resultierendes, im Gehäuseinnenraum vorhandenes Wasser auch Auswirkungen auf die Leitfähigkeit der Gehäuseinnenatmosphäre und die Isolierwirkung haben und somit die Sicherheit der Brennstoffzelle oder Brennstoffzellenanordnung hinsichtlich einzuhaltender Vorgaben, wie beispielsweise Kurzschlusssicherheit, Gas- und/oder Wasserdichtheit, beeinträchtigen.About that In addition, the emerging from the fuel cell air flow with Water vapor and condensed water as the reaction product of the oxidation processes freighted in the fuel cell. The condensed water drops may be due to leakage due to damage or aging processes of the fuel cells or the piping system precipitate in the interior of the housing. This can be too an erosion of the fuel cells and / or to supply and discharge lines to lead. Furthermore, the water condensation and resulting, in the housing interior existing water also affects the conductivity of the internal atmosphere of the housing and have the insulating effect and thus the safety of the fuel cell or fuel cell arrangement with regard to specifications to be complied with, such as short circuit safety, gas and / or watertightness, affect.
Aus
der
Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Verfahren zum Betrieb einer Brennstoffzellenanordnung anzugeben, bei welchem die Bildung von zündfähigen Gasgemischen im Bereich der Gehäuseumgebung weitgehend vermieden wird. Darüber hinaus ist eine geeignete Vorrichtung zum Betrieb einer Brennstoffzellenanordnung anzugeben.It is therefore an object of the invention, an improved method to indicate the operation of a fuel cell assembly in which the formation of ignitable gas mixtures in the range the housing environment is largely avoided. About that In addition, a suitable device for operating a fuel cell assembly specify.
Hinsichtlich des Verfahrens wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst. Hinsichtlich der Vorrichtung wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch die im Anspruch 7 angegebenen Merkmale gelöst.With regard to the method, the object is achieved by the angege in claim 1 Benen features solved. With regard to the device, the object is achieved by the features specified in claim 7.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.advantageous Further developments of the invention are the subject of the dependent claims.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenanordnung mit mehreren, zu einem Stapel zusammengesetzten Brennstoffzellen mit einem gemeinsamen Kathodeneingang und Kathodenausgang sowie Anodeneingang und Anodenausgang und mit ersten, die Brennstoffzellen mit Reaktionsstoffen versorgenden Komponenten und zweiten, Reaktionsprodukte der Brennstoffzellen verarbeitenden Komponenten, wird eine Wasserstoff und Wasserdampf enthaltende Abluft aus zumindest einem Gehäuse, in welchem ein oder mehrere der Komponenten und/oder die Brennstoffzellen angeordnet sind, abgeführt und in eine Kathodenzuleitung des Kathodeneingangs geführt. Durch die Abführung der Abluft des Gehäuses in die Kathodenzuleitung kann der gegebenenfalls in der Abluft enthaltende Wasserstoff durch katalytische Oxidation an der Kathode der Brennstoffzelle abgebaut werden. Hierdurch ist die Bildung von zündfähigen Gemischen durch Freisetzung von Wasserstoff enthaltender Abluft (= Brenngas) aus dem Gehäuse sicher vermieden. Zudem ist eine mögliche Wasserkondensation im Gehäuseinnenraum aufgrund einer Leckage weitgehend vermieden, in dem der im Abgas enthaltende Wasserdampf durch Abführung und Wiederzuführung in die Kathode zuverlässig abgebaut und weitgehend vollständig reduziert wird.At the inventive method for operating a Fuel cell assembly with multiple, assembled into a stack Fuel cells with a common cathode input and cathode output as well as anode input and anode output and with first, the fuel cells reactants supplying components and second, reaction products the fuel cell processing components, becomes a hydrogen and water vapor-containing exhaust air from at least one housing, in which one or more of the components and / or the fuel cells are arranged, discharged and in a cathode supply line led the cathode input. Through the exhaustion the exhaust air of the housing in the cathode feed line can optionally in the exhaust air containing hydrogen by catalytic Oxidation at the cathode of the fuel cell are degraded. hereby is the formation of ignitable mixtures by Release of hydrogen-containing exhaust air (= fuel gas) from safely avoided the housing. In addition, one possible Water condensation in the housing interior largely due to leakage avoided, in which the water vapor contained in the exhaust gas by discharge and re-feeding into the cathode reliably degraded and largely completely reduced.
In einer einfachen Ausführungsform wird die aus dem Gehäuse abgeführte Abluft vor dem Kathodeneingang mit einem sauerstoffhaltigen Gas, z. B. Frischluft oder Sauerstoff, gemischt. Anschließend wird das gemischte Gas der Kathode als sauerstoffhaltiges Gas zugeführt. Dabei wird nachfolgend der in der Abluft enthaltende Wasserstoff durch katalytische Oxidation an Kathoden der Brennstoffzellen weitgehend abgebaut, so dass einerseits eine Wasserkondensation im Gehäuseinnenraum und andererseits die Bildung von zündfähigen Gemischen sicher vermieden werden. Dabei werden anstelle von zusätzlichen Reinigungselementen, wie Rekombinatoren, Komponenten der Brennstoffzellenanordnung selbst, wie die Kathoden zur katalytischen Umsetzung des abgeführten Wasserstoffs verwendet. Hierdurch ist eine einfache und sichere Reduzierung des abgeführten Wasserstoffs unter Vermeidung eines aufwändigen Umwälzkreises ermöglicht.In a simple embodiment, the out of the housing discharged exhaust air in front of the cathode inlet with an oxygen-containing Gas, e.g. As fresh air or oxygen, mixed. Subsequently, will the mixed gas is supplied to the cathode as the oxygen-containing gas. In the following, the hydrogen contained in the exhaust air is used by catalytic oxidation at the cathode of the fuel cell largely degraded, so that on the one hand a water condensation in the housing interior and on the other hand the formation of ignitable mixtures safely avoided. Thereby instead of additional Cleaning elements, such as recombiners, components of the fuel cell assembly itself, as the cathodes for the catalytic conversion of the discharged Hydrogen used. This is a simple and secure Reduction of the discharged hydrogen while avoiding allows a complex Umwälzkreises.
In einer möglichen Ausführungsform wird die Abluft vor oder nach einem in der Kathodenzuleitung angeordneten Verdichter in die Kathodenzuleitung eingeführt. Insbesondere wird die Abluft im Bereich vor einem Kathodeneingang (= Eingangsport) dem sauerstoffhaltigen Gas zugemischt. Dies ermöglicht eine zuverlässige und schnelle Abführung und Mischung des Wasserstoffs und eine zuverlässige und schnelle Beseitigung des Wasserstoffs in der Kathode.In a possible embodiment, the exhaust air before or after a compressor arranged in the cathode feed line introduced into the cathode feed line. In particular, will the exhaust air in the area in front of a cathode inlet (= input port) admixed with the oxygen-containing gas. This allows a reliable and fast exhaustion and mixing of hydrogen and a reliable and fast elimination of the hydrogen in the cathode.
Zweckmäßigerweise wird dem Gehäuse als Zuluft Umgebungsluft (= Frischluft) und/oder ein in einem Kathodenkreislauf, insbesondere in der Kathodenzuleitung geführtes sauerstoffhaltiges Gas zugeführt. Insbesondere durch die Verwendung des im Kathodenkreislauf oder in der Kathodenzuleitung geführten sauerstoffhaltigen Gases als Spülmedium für den Gehäuseinnenraum ist ein einfacher und wenige Zuführungen und/oder Komponenten erforderlicher Aufbau gegeben. Durch die reduzierte Anzahl von Komponenten in einem derartigen offenen Spülkreislauf ist die Anzahl von durch die Gehäusespülung bedingten Wartungsintervallen deutlich reduziert.Conveniently, is the housing as supply air ambient air (= fresh air) and / or in a cathode circuit, in particular in the cathode feed line supplied oxygen-containing gas supplied. Especially by the use of the cathode circuit or in the Kathodenzuleitung Guided oxygen-containing gas as flushing medium for the housing interior is a simple and few feeders and / or components required construction where. Due to the reduced number of components in such a open purge cycle is the number of through the housing purge significantly reduced conditional maintenance intervals.
Vorzugsweise wird die Zuluft nach einem im Kathodenkreislauf oder in der Kathodenzuleitung angeordneten Luftfilter abgezweigt und dem Gehäuse zugeführt. Somit wird dem Gehäuse weitgehend gereinigte Luft zugeführt, wodurch eine Bildung von zündfähigen Gasgemischen am Abluftabgang des Gehäuses weiter reduziert wird.Preferably the supply air is after a in the cathode circuit or in the Kathodenzuleitung arranged branched air filter and fed to the housing. Thus, the housing is supplied largely purified air, whereby a formation of ignitable gas mixtures is further reduced at the exhaust outlet of the housing.
Hinsichtlich der Vorrichtung zum Betreiben der Brennstoffzellenanordnung ist vorgesehen, das von einem ein oder mehrere Komponenten und/oder die Brennstoffzellenanordnung umgebenden Gehäuse eine Abluftleitung zum Abführen von Wasserstoff enthaltender Abluft abgeht, die in eine Kathodenzuleitung des Kathodeneingangs mündet. Eine derartige direkte Verbindung von Abluftleitung des Gehäuses in Kathodenzuleitung der Kathode stellt eine zuverlässige Reduzierung und Beseitigung des in der Abluft enthaltenden Wasserstoffs sicher. Bevorzugt mündet dabei die Abluftleitung vor dem Kathodeneingang in die Kathodenzuleitung.Regarding the apparatus for operating the fuel cell assembly is provided by one or more components and / or the Fuel cell assembly surrounding housing an exhaust duct for discharging hydrogen-containing exhaust air, which opens into a cathode feed line of the cathode input. Such a direct connection of exhaust duct of the housing in Kathodenzuleitung the cathode provides a reliable Reduction and elimination of the hydrogen contained in the exhaust air for sure. Preferably, the exhaust duct opens before Cathode input into the cathode feed line.
Je nach Ausführungsform der Belüftung oder Spülung des Gehäuses als offenes und/oder geschlossenes System kann in der Abluftleitung eine Luftfördereinrichtung, z. B. ein Kompressor, angeordnet sein.ever after embodiment of the aeration or rinsing of the housing as an open and / or closed system can in the exhaust duct an air conveyor, z. As a compressor, be arranged.
In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Abluftleitung vor oder nach einem in der Kathodenzuleitung angeordneten Verdichter in die Kathodenzuleitung mündet. Hierdurch wird die Abluft mit dem in der Kathodenzuleitung geführten sauerstoffhaltigen Gas gut gemischt der Kathode zugeführt.In A further embodiment provides that the Exhaust line before or after arranged in the cathode feed line Compressor opens into the cathode supply line. This will the exhaust air with the guided in the cathode supply oxygen-containing Gas mixed well fed to the cathode.
Zur Belüftung des Gehäuses mündet vorzugsweise in dieses eine Zuluftleitung. Dabei kann der Zuluftleitung direkt Umgebungsluft zugeführt werden. Alternativ kann die Zuluftleitung von einem Kathodenkreislauf oder von der Kathodenzuleitung abzweigt sein und in das Gehäuse mündet. In diesem Fall wird zum Belüften des Gehäuses das im Kathodenkreislauf oder in der Kathodenzuleitung geführte sauerstoffhaltige Gas verwendet. Des Weiteren zweigt die Zuluftleitung vom Kathodenkreislauf nach einem im Kathodenkreislauf angeordneten Luftfilter ab. Hierdurch ist sichergestellt, dass zum Spülen oder Lüften des Gehäuses ein gereinigtes Gas oder gereinigte Umgebungsluft verwendet wird.For ventilation of the housing preferably opens into this a supply air line. In this case, the supply air can be supplied directly ambient air. Alternatively, the supply air line from a Ka thodenkreislauf or branched off from the cathode feed line and opens into the housing. In this case, the oxygen-containing gas guided in the cathode circuit or in the cathode feed line is used to ventilate the housing. Furthermore, the supply air line branches off from the cathode circuit to an air filter arranged in the cathode circuit. This ensures that a purified gas or purified ambient air is used to flush or ventilate the housing.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand einer Zeichnung näher erläutert.embodiments The invention will be explained in more detail with reference to a drawing.
Dabei zeigt:there shows:
Die
Kathoden
Als Reaktionsstoffe werden der Brennstoff BS und das Oxidationsmittel OM eingesetzt. Meist werden gasförmige Reaktionsstoffe (kurz: Reaktionsgase) eingesetzt, z. B. Wasserstoff oder ein Wasserstoff enthaltenes Gas (z. B. Reformatgas) als Brennstoff BS und Sauerstoff oder ein Sauerstoff enthaltenes Gas (z. B. Luft) als Oxidationsmittel OM. Unter Reaktionsstoffe werden alle an der elektrochemischen Reaktion beteiligten Stoffe verstanden, einschließlich der Reaktionsprodukte RP, wie ein Luftstrom mit Wasserdampf und auskondensiertem Wasser.When Reactants become the fuel BS and the oxidant OM used. Most are gaseous reactants (in short: reaction gases) used, for. As hydrogen or a hydrogen contained gas (eg reformate gas) as fuel BS and oxygen or an oxygen-containing gas (eg, air) as the oxidizing agent OM. Reactants are all involved in the electrochemical reaction understood substances involved, including the reaction products RP, like a stream of air with water vapor and condensed water.
Zur
Versorgung der Brennstoffzellen mit dem Oxidationsmittel OM, insbesondere
Frisch- oder Umgebungsluft mündet in den Kathodeneingang
Der
Brennstoff BS wird der jeweiligen Anode
Je
nach Aufbau der Brennstoffzellenanordnung
Zur
Vermeidung der Bildung von zündfähigen Gasgemischen
und/oder von Wasserkondensationen kann das jeweilige Gehäuse
Dabei
mündet die Abluftleitung
Als
Zuluft ZL kann dem jeweiligen Gehäuse
Zur
Förderung der Abluft AL aus dem jeweiligen Gehäuse
- 11
- BrennstoffzellenanordnungA fuel cell assembly
- 22
- Stapelstack
- 33
- Kathodecathode
- 3.13.1
- Kathodeneingangcathode input
- 3.23.2
- Kathodenausgangcathode output
- 44
- Anodeanode
- 4.14.1
- Anodeneinganganode input
- 4.24.2
- Anodenausganganode output
- 55
- Kathodenzuleitungcathode lead
- 66
- Luftfilterair filter
- 77
- Verdichtercompressor
- 88th
- Anodenzuleitunganode lead
- 99
- SpeicherStorage
- 1010
- Rückführungreturn
- 1111
- Rezirkulationspumperecirculation pump
- 12.1 bis 12.312.1 until 12.3
- Gehäusecasing
- 1313
- Abluftleitungexhaust duct
- 1414
- Zuluftleitungair supply
- 1515
- LuftfördereinrichtungAir conveyor
- ALAL
- Abluftexhaust
- BSBS
- Brennstofffuel
- OMOM
- Oxidationsmitteloxidant
- RPRP
- Reaktionsproduktreaction product
- ZLZL
- Zuluftsupply air
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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