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Dokumentenidentifikation DE102004013689A1 10.11.2005
Titel Filtervorrichtung, insbesondere für einen Brennstoffzellenstapel
Anmelder Behr GmbH & Co. KG, 70469 Stuttgart, DE
Erfinder Kaiser, Wolfram, 79848 Bonndorf, DE;
Watzlawski, Markus, 73760 Ostfildern, DE
DE-Anmeldedatum 18.03.2004
DE-Aktenzeichen 102004013689
Offenlegungstag 10.11.2005
Veröffentlichungstag im Patentblatt 10.11.2005
IPC-Hauptklasse F02M 37/22
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft eine Filtervorrichtung zum Filtern eines Betriebsmediums, das einem Brennstoffzellenstapel (1) über eine Zuleitung (6) zugeführt wird, mit mindestens einem Filter (5), wobei der Filter (5) in die Zuleitung (6) oder zumindest einen Teil der Zuleitung (6) integriert ist.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Filtervorrichtung, insbesondere für einen Brennstoffzellenstapel, gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Die Umwandlung von chemischer in elektrische Energie mittels Polymerelektrolyt-Brennstoffzellen stellt eine besonders effiziente und umweltfreundliche Methode zur Gewinnung von elektrischem Strom aus den Betriebsmedien Wasserstoff und Sauerstoff dar. Dabei finden zwei räumlich getrennte Elektrodenreaktionen statt, bei denen Elektronen freigesetzt bzw. gebunden werden: H2 => 2H+ + 2e(Anodische Reaktion) 2H+ + 2e + ½ O2 => H2O(Kathodische Reaktion)

Durch elektrische Verbindung der räumlich getrennten Reaktionszonen kann ein Teil der dabei umgesetzten Reaktionsenthalpie direkt als elektrischer Strom gewonnen werden.

Eine Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle besteht im wesentlichen aus einer als Elektrolyt fungierenden Polymermembran, welche die Reaktanden Wasserstoff und Sauerstoff voneinander trennt und eine (H+-)Protonenleitfähigkeit aufweist, sowie aus zwei mit Katalysatormaterial belegten Elektroden, die unter anderem zum Abgriff des von der Brennstoffzelle erzeugten elektrischen Stroms erforderlich sind. Elektroden und Polymermembran werden gewöhnlich zu einer Membran-Elektroden-Anordnung (MEA) kompaktiert. Zur technischen Realisierung zweier durch den Elektrolyt voneinander getrennten, elektrisch über einen Außenleiter verbundenen Gasräume werden Bipolarplatten verwendet, die aus elektrisch leitfähigem Material bestehen und mit Gasverteilerstrukturen versehen sind, die den An- und Abtransport der Reaktionsedukte und Reaktionsprodukte ermöglichen. Die Verteilerstrukturen in den einzelnen Brennstoffzellen weisen meist eine mäanderförmige Geometrie auf, um die MEA optimal mit den Betriebsmedien zu versorgen und eine günstige Abfuhr zu ermöglichen.

Somit besteht eine technische Brennstoff-Einzelzelle aus einer MEA, sowie zwei Bipolarplatten, die über Versorgungsanschlüsse mit den Betriebsmedien beaufschlagt und über die das Reaktionswasser abgeführt werden und die den beim Prozess auftretenden elektrischen Strom transportieren können.

Da die maximal erzielbare Zellenspannung einer Einzel-Brennstoffzelle physikalisch begrenzt ist und im Anwendungsfall regelmäßig unter 1 V, typischerweise im Bereich von 0,5 bis 0,7 V liegt, werden zur Herstellung höherer Spannungen und Leistungen mehrere Einzel-Brennstoffzellen in Form einer elektrischen Serienschaltung zusammengeschaltet. Dieser im Folgenden als Stapelaufbau bezeichnete Komplex, welcher auch als Brennstoffzellenstack bezeichnet wird, besteht aus einer oder mehreren aufeinandergestapelten und in einer elektrischen Serienschaltung angeordneten, planaren Einzel-Brennstoffzellen.

Zur Versorgung der einzelnen Brennstoffzellen im Brennstoffzellenstapel mit den jeweiligen Betriebsmedien werden große Hauptleitungen, sogenannte Ports, verwendet, welche axial durch den Stapelaufbau hindurchgeführt werden und welche die einzelnen Brennstoffzellen durch seitlich über Stichleitungen abzweigende Kanalstrukturen mit den Betriebsmedien versorgen.

Auf Grund der großen Menge an Reaktionsluft, die der Brennstoffzelle zur Versorgung der Brennstoffzellenreaktion mit Sauerstoff zugeführt werden muss, und in Hinblick auf die relative Empfindlichkeit der katalytisch aktiven Bereiche und der damit verbundenen Gasdiffusionszonen gegenüber einer Kontamination durch Giftstoffe und Blockade durch Partikel ist die Filterung der zugeführten Umgebungsluft unbedingt erforderlich.

Gemäß dem in 3 schematisch dargestellten Stand der Technik findet der Filtervorgang durch einen Filter statt, der zwischen zwei Teilstücken der Zuführungsleitung 102 in einem Gehäuse 101 zwischen Brenstoffzellenstapel 103 und Luftkompressor 104 oder Lüfter (bei Niederdruckzellen) angeordnet ist, wobei die Luft von aus der Umgebung, in 3 mit dem Bezugszeichen 105 bezeichnet, angesaugt wird. Im Anschluss an die Zuführungsleitung 102 ist im Inneren des Brennstoffzellenstapels 103 eine Hauptleitung (nicht dargestellt) mit den oben genannten Stichleitungen und Kanalstrukturen vorgesehen.

Für den Einsatz bei Anwendungen, die eine sehr kompakte Bauweise erfordern, wie beispielsweise im Kraftfahrzeugsektor, ergibt sich die Aufgabe, den Brennstoffzellenstapel mit Filtervorrichtung möglichst klein auszuführen. Dabei sollen jedoch die Druckverluste mit Blick auf höhere erforderliche Kompressorleistungen, sinkende Wirkungsgrade und längere Wartungsintervalle möglichst klein gehalten werden.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Filtervorrichtung zur Verfügung zu stellen, die insbesondere minimal zusätzlichen Bauraum erfordert, eine gleichwertige Filterleistung bei einem minimalen Druckverlust aufweist und möglichst kostengünstig herzustellen ist.

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Filtervorrichtung mit den Merkmalen des Anspruches 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Erfindungsgemäß ist eine Filtervorrichtung zum Filtern eines Betriebsmediums, das dem Brennstoffzellenstapel zugeführt wird, mit einem Filter vorgesehen, bei welchem der Filter insbesondere in die außerhalb des Brennstoffzellenstapels verlaufende Zuleitung integriert ist. Durch die Integration des Filters in die Zuleitung wird der zusätzliche Bauraumbedarf für einen externen Filter, wie gemäß dem Stand der Technik vorgesehen, verringert. Insbesondere bei einer flexiblen Ausgestaltung des Filters und der Zuleitung lässt sich der vorhandene Bauraum optimal ausnutzen und an eine Vielzahl verschiedener Einbauvarianten anpassen. Ferner lässt sich die Zahl der Anschlüsse um zwei verringern, da ein Anschluss der Zuleitung an das Filtergehäuse zur Zuleitung und Ableitung des zu filternden Betriebsmediums entfällt, wodurch der Druckabfall verringert werden kann.

Auf Grund der großen Filterfläche ergibt sich ein sehr geringer Druckverlust, der in Verbindung mit dem Aufwachsen des Filterkuchens verlängerte Wartungsintervalle ermöglicht.

Der Filter ist bevorzugt koaxial zur Zuleitung angeordnet, wobei zwischen der Außenfläche des Filters und der Wandung der Zuleitung ein Spalt vorgesehen ist, so dass über eine möglichst große Fläche eine Filterung erfolgen kann. Die Positionierung erfolgt bevorzugt mittels im Spalt angeordneter Stütz- und Positionierungselemente, welche eine mittige Anordnung gewährleisten. Die Stütz- und Positionierungselemente können an der Innenwand der Zuleitung und/oder an der Außenwand des Filters ausgebildet sein und/oder durch getrennt ausgebildete, insbesondere auf den Filter aufgesteckte Elemente gebildet sein. Dabei sind insbesondere in Längsrichtung verlaufende, sternförmig angeordnete Rippen geeignet. Die zwischen den einzelnen Rippen angeordneten Kanäle können mittels Unterbrechungen der Rippen verbunden sein, so dass ein Strömungsausgleich möglich ist, um ein Druckgefälle beispielsweise in Folge eines einseitig stark angewachsenen Filterkuchens, auszugleichen. Bevorzugt sind vier Rippen in äquidistanten Abständen vorgesehen. Ebenfalls sind verteilt angeordnete Noppen möglich, wodurch die Filterfläche möglichst groß gehalten werden kann.

Der Filter weist bevorzugt ein hohlzylindrisches Profil auf, jedoch sind prinzipiell auch andere Ausgestaltungen möglich.

Zur Erhöhung der Lebensdauer eines Filters ist bevorzugt eine Reinigungseinrichtung vorgesehen, welche insbesondere durch eine elektrische Beheizbarkeit des Filters gebildet ist.

Der Filter kann in einem austauschbaren Modul angeordnet sein, so dass er einfach und ohne Beschädigungen beim Einbau ausgetauscht werden kann. Das austauschbare Modul kann insbesondere durch den entsprechenden, die Filtervorrichtung bildenden Teil der Zuleitung mit dem hierin angeordneten Filter sowie entsprechender Anschlüsse an das Gebläse oder die gebläseseitige Zuleitung und an den Brennstoffzellenstapel gebildet sein.

Bevorzugt ist der Filter zumindest bereichsweise hygroskopisch ausgebildet und/oder weist Kapillaren auf, die auftretendes Kondenswasser aufnehmen und/oder eine Befeuchtung des Betriebsmediums, insbesondere in Startphasen des Brennstoffzellenstapels, ermöglichen.

Vor dem Brennstoffzellenstapel kann ein Vorfilter angeordnet sein, welcher insbesondere größere Partikel ausfiltert, so dass der Filter im Inneren des Brennstoffzellenstapels möglichst lange seine Funktion erfüllen kann.

Der Filter kann zur Vergrößerung der Filterfläche auch in den Brennstoffzellenstapel hineinragen und zumindest teilweise in einer hierin vorgesehenen Hauptleitung aufgenommen sein.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen, teilweise unter Bezugnahme auf die Zeichnung, im Einzelnen erläutert. In der Zeichnung zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines Filters gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel,

2a eine schematische Darstellung der Funktion des Filters,

2b eine schematische Darstellung des teilweise aufgeschnittenen Brennstoffzellenstapels ohne Darstellung des Filters, und

3 eine schematische Darstellung einer herkömmlichen Filtervorrichtung gemäß dem Stand der Technik.

Ein Brennstoffzellenstapel 1, wie er in 1 und 2b angedeutet ist, besteht aus einer Mehrzahl von Einzel-Brennstoffzellen, welche ihrerseits aus zwei Bipolarplatten und einer dazwischen angeordneten MEA aufgebaut sind (nicht dargestellt). Die Einzel-Brennstoffzellen werden über je eine oder je mehrere, gemeinsame Hauptleitungen 3 und hiervon in Form von Stichleitungen abgehenden Abzweigungen 4 mit Betriebsmedien, insbesondere mit Kühlmittel, sowie Wasserstoff (H2) und Luft (insbesondere O2) versorgt, welche für die oben beschriebene Reaktion erforderlich sind. Im Folgenden wird nur auf die Luftversorgungs-Hauptleitung 3 eingegangen.

Ein Filter 5 zur Filterung der als Betriebsmedium dienenden Umgebungsluft ist hohlzylindrisch ausgebildet, wobei die zu filternde Luft den Filter 5 in Längsrichtung durchströmt und durch die Seitenwände über im Wesentlichen die gesamte Länge und den gesamten Umfang des Hohlzylinders austritt. Der hohlzylindrische Filter 5 ist etwa konzentrisch in einer ebenfalls im Wesentlichen zylinderförmig ausgebildeten Zuleitung 6 angeordnet, wobei abgesehen von Stütz- und Positionierungselementen (nicht dargestellt) ein Ringspalt zwischen der Außenmantelfläche des Filters 5 und der Innenfläche der Zuleitung 6 vorgesehen ist, so dass eine möglichst große Ausströmfläche gewährleistet ist. Der Filter 5 weist annähernd die gleiche Länge wie die Zuleitung 6 auf, wobei Abdichtungen am vorderen und hinteren Ende des Filters 5 vorgesehen sind und die Zuleitung 6 direkt in die Hauptleitung 3 des Brennstoffzellenstapels 1 mündet.

Gemäß einem zweiten, nicht in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Filter elektrisch beheizbar und besteht aus einem temperaturbeständigen Filtermaterial. Steigt der Druckabfall auf Grund eines wachsenden Filterkuchens über einen vorgegebenen Wert oder ist auf Grund einer Sättigung des Filters mit Schadstoffen eine Erneuerung erforderlich, so kann durch Umkehrung des Gasflusses in Verbindung mit der Beheizung des Filters ein „Abbrennen" der Schadstoffe und/oder ausgefilterten Partikel erfolgen und dadurch der Filter gereinigt werden. Die Anordnung des Filters in der Zuleitung des Betriebsmediums zum Brennstoffzellenstapel entspricht der des ersten Ausführungsbeispiels.

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel, das nicht in der Zeichnung dargestellt ist, ist vor einer Filtervorrichtung gemäß einem der zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele ein Vorfilter angeordnet, wobei die Anordnung und der Aufbau des Vorfilters einem solchen gemäß dem Stand der Technik entspricht. Ein Vorfilter ist insbesondere bei stark und/oder mit großen Partikeln verschmutzten Betriebsmedien sinnvoll, so dass bevorzugt eine Vorreinigung in einem groben Vorfilter erfolgt und der feine Filter im Inneren des Brennstoffzellenstapels nicht durch grobe Partikel zugesetzt wird. Natürlich kann auch der Vorfilter selbstreinigend ausgebildet sein.

Zur weiteren Vergrößerung der Filterfläche ist gemäß einem weiteren nicht in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel der hohlzylindrische Filter derart verlängert ausgebildet, dass er über die Zuleitung in die Hauptleitung des Brennstoffzellenstapels hineinragt, so dass auch gemäß diesem Ausführungsbeispiel lediglich ein den Strömungsquerschnitt verkleinernder und damit den Druckabfall vergrößernder Übergang von Zuleitung zum Filter bzw. Brennstoffzellengehäuse vorgesehen ist. Hierbei wie auch bei den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen ist der Filter wie auch der Schlauch bevorzugt elastisch ausgebildet, so dass bei vergrößerter Filterfläche eine optimale und flexible Anpassung an den vorhandenen Bauraum möglich ist.


Anspruch[de]
  1. Filtervorrichtung zum Filtern eines Betriebsmediums, das insbesondere einem Brennstoffzellenstapel (1) über eine Zuleitung (6) zuführbar ist, mit mindestens einem Filter (5), dadurch gekennzeichnet, dass der Filter (5) in die Zuleitung (6) oder zumindest einen Teil der Zuleitung (6) integriert ist.
  2. Brennstoffzellenstapel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Filter (5) und die Zuleitung (6) zumindest im Bereich des Filters (5) flexibel ausgebildet sind.
  3. Filtervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Außenfläche des Filters (5) und der Wandung der Zuleitung (6) ein Spalt vorgesehen ist.
  4. Filtervorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass im Spalt Stütz- und Positionierungselemente angeordnet sind.
  5. Filtervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Filter (5) und/oder die Zuleitung (6) hohlzylindrisch ausgebildet sind.
  6. Filtervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Reinigungseinrichtung für den Filter (5) vorgesehen ist.
  7. Filtervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Filter (5) elektrisch beheizbar ist.
  8. Filtervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Filter (5) in einem austauschbaren Modul angeordnet ist.
  9. Filtervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Filter (5) zumindest bereichsweise hygroskopisch ausgebildet ist und/oder Kapillaren aufweist, die auftretendes Kondenswasser aufnehmen und/oder eine Befeuchtung des Betriebsmediums ermöglichen.
  10. Filtervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor der Zuleitung (6) mit dem hierin angeordneten Filter (5) ein Vorfilter angeordnet ist.
Es folgen 3 Blatt Zeichnungen






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