DE102005029536A1

DE102005029536A1 - Brennstoffzellensystem sowie Verfahren zum Betreiben des Brennstoffzellensystems

Info

Publication number: DE102005029536A1
Application number: DE102005029536A
Authority: DE
Inventors: Rolf Dr. Helber; Hans-Ulrich Dr. Ing. Huss
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2005-06-25
Filing date: 2005-06-25
Publication date: 2006-12-28

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem sowie ein Verfahren zum Betreiben des Brennstoffzellensystems. DOLLAR A Um den Austritt von flüssigem Wasser 4 aus einem Brennstoffzellensystem zu minimieren, wird im Brennstoffzellenabgas befindliches Wasser 4 mittels Ultraschall zerstäubt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem sowie ein Verfahren zum Betreiben des Brennstoffzellensystems.

Brennstoffzellensysteme werden bei vielen Anwendungen, insbesondere mobilen Anwendungen, wie beispielsweise in Fahrzeugen für den Antrieb oder sonstige Aggregate, als Energiequelle verwendet. Am weitesten verbreitet sind hier Brennstoffzellen mit Protonenaustauschmembran (PEM), bei denen die Anode der Brennstoffzelle mit Wasserstoff als Brennstoff und die Kathode mit Sauerstoff beziehungsweise Luft als Oxidationsmittel versorgt wird. Anode und Kathode sind durch eine protonendurchlässige, elektrisch nicht leitfähige Membran getrennt. Die Membran benötigt zum Transport der Protonen Wasser. Aus diesem Grund sollte die Membran feucht gehalten werden.

Bei der elektrochemischen Reaktion des Wasserstoffs und des Sauerstoffs zu Wasser wird elektrische Energie erzeugt, die durch Elektroden an Anode und Kathode abgegriffen wird. Mehrere einzelne elektrisch in Reihe geschaltete Brennstoffzellen werden zu einem Brennstoffzellenstapel zusammengefasst.

Die Membran kann sowohl durch befeuchteten Wasserstoff, durch befeuchteten Sauerstoff beziehungsweise Luft, aber auch durch das in der Kathode entstehende Produktwasser aus der Sauerstoff-Wasserstoff-Reaktion befeuchtet werden. Ist zu viel Wasser in der Brennstoffzelle, insbesondere in der Kathode, so reduziert sich durch einen gestörten Gastransport die Leistung der Brennstoffzelle.

Das aus der elektrochemischen Reaktion entstandene Wasser wird zusammen mit überschüssiger Luft aus der Kathode in Form von flüssigem Wasser oder Wasserdampf über eine Brennstoffzellenabgasableitung aus dem Brennstoffzellensystem ausgeleitet. Hierbei kann der Wasserdampf, beispielsweise in der Warmlaufphase oder bei tiefen Außentemperaturen, in der Brennstoffzellenabgasableitung kondensieren.

Die Abgase der Anode, die einen wesentlich geringeren Wasseranteil aufweisen, werden ebenfalls durch die Brennstoffzellenabgasableitung aus dem Brennstoffzellensystem abgeführt.

Der Austritt von Wasser in flüssiger Form aus einem Brennstoffzellensystem ist allerdings aus verschiedenen Gründen nicht wünschenswert, insbesondere bei Brennstoffzellensystemen in mobilen Anwendungen, da es hier aufwendiger ist, das austretende Wasser aufzufangen. Beispielsweise ist es bei der Verwendung eines Brennstoffzellensystems in einem Fahrzeug nicht wünschenswert, dass flüssiges Wasser auf die Fahrbahn gelangt und dort eventuell bei niedrigen Temperaturen zu Glatteis führt.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Brennstoffzellensystem sowie ein Verfahren zum Betreiben des Brennstoffzellensystems vorzusehen, bei dem der Austritt von flüssigem Wasser aus dem Brennstoffzellensystem reduziert wird.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren sowie ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 beziehungsweise des Anspruchs 9 gelöst.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird dadurch gelöst, dass sich im Brennstoffzellenabgas befindliches Wasser mittels Ultraschall zerstäubt wird.

Dies hat den Vorteil, dass durch die Vermeidung beziehungsweise Reduzierung des Austritts von flüssigem Wasser aus einem Brennstoffzellensystem dieses vielfältiger eingesetzt werden kann, ohne dass ein Behältnis zum Auffangen des Wassers bereitgestellt werden muss. Des Weiteren wird bei der Verwendung eines solchen Brennstoffzellensystems in einem Fahrzeug die Sicherheit des Straßenverkehrs nicht durch schmierige oder eisglatte Fahrbahn beeinträchtigt.

Wird bei einer Zerstäubung des Wassers mittels Luftschall die Luftsäule in der Brennstoffzellenabgasableitung zu Eigenschwingungen mit hohem Tangentialanteil für die Schnelle im Wandbereich der Brennstoffzellenabgasableitung angeregt, so erfolgt eine besonders effiziente Zerstäubung des Wassers.

Eine vorteilhafte asymmetrische Anordnung mehrerer Piezo-Elemente an der Wandinnenseite verhindert die Ausbildung von für die Zerstäubung des Wassers nachteiligen stehenden Wellen und erhöht somit die Effizienz.

Bei einer Zerstäubung des Wassers mittels Körperschall kann die Brennstoffzellenabgasableitung vorteilhaft in einem nichtmetallischen Werkstoff, beispielsweise Kunststoff, ausgeführt werden.

Ein vorteilhafter Gestaltungsspielraum für die Wahl des Resonatormaterials bei einer Zerstäubung des Wassers mittels Körperschall ergibt sich durch eine geeignete Wahl der Resonatordicke.

Weitere Vorteile der Erfindung gehen aus der Beschreibung und den Zeichnungen hervor. Konkrete Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen
1 eine Seitenansicht einer Brennstoffzellenabgasableitung mit Luftschall erzeugenden Piezo-Elementen,
2 die Brennstoffzellenabgasableitung aus 1 im Querschnitt,
3 eine Seitenansicht einer Brennstoffzellenabgasableitung mit einem Piezo-Element und eines zur Erzeugung von Körperschall als Platte ausgeformten Resonators, und
4 die Brennstoffzellenabgasableitung aus 3 im Querschnitt.
Bei dem Betrieb eines Brennstoffzellensystems mit einer Brennstoffzelle mit Protonenaustauschmembran (PEM) wird der Anode der Brennstoffzelle Wasserstoff als Brennstoff und der Kathode Luft als Oxidationsmittel zugeführt. Nach der elektrochemischen Reaktion des Wasserstoffs und des Sauerstoffs zu Wasser, bei der elektrische Energie erzeugt wird, werden die Abgase anoden- und kathodenseitig aus der Brennstoffzelle ausgeleitet. Es ist möglich, das Anodenabgas abhängig von der Reinheit des Wasserstoffs teilweise in die Anode zurückzuführen. Bei reinem Wasserstoff wäre eine vollständige Rückführung des Anodenabgases in die Anode möglich. Aus dem Brennstoffzellensystem kann das Anoden- und Kathodenabgas gemeinsam in einer Brennstoffzellenabgasableitung 1 ausgeleitet werden. Ist also im Folgenden von einem aus der Brennstoffzelle kommenden Luftstrom die Rede, so kann dieser Luftstrom auch Anodenabgas beinhalten.
1 und 2 zeigen eine Brennstoffzellenabgasableitung 1 mit vier Piezo-Elementen 2, die an einer Wandinnenseite 6 der kreisrunden Brennstoffzellenabgasableitung 1 angeordnet sind. Der Pfeil 3 in 1 deutet den von der nicht dargestellten Brennstoffzelle kommenden Luftstrom an, der Wasser 4 und Wasserdampf mit sich führt. Ist die Wand 6 der Brennstoffzellenabgasableitung 1 kälter als der Luftstrom bzw. der Wasserdampf, so kondensiert dieser an der Wand 6. Hierdurch befindet sich der überwiegende Teil des Wassers 4 in der Nähe der Wand 6. Das kondensierte sowie im Luftstrom mitgeführte Wasser 4 befindet sich dann aufgrund der Schwerkraft am tiefsten Punkt der kreisrunden Brennstoffzellenabgasableitung 1.
Der von den Piezo-Elementen 2 erzeugte Ultraschall reißt die Wasseroberfläche auf und zerstäubt somit das Wasser 4.
Vorzugsweise wird die Luftsäule in der Brennstoffzellenabgasableitung 1 mit geeigneten Frequenzen zu Eigenschwingungen (Resonanzschwingungen) mit hohem Tangentialanteil für die Schnelle im Wandbereich 6 angeregt. Diese Schwingformen sind besonders geeignet, das Wasser in der Nähe der Wand 6 zu zerstäuben.
Die in 1 und 2 dargestellte Brennstoffzellenabgasableitung 1 weist beispielhaft einen kreisförmigen Querschnitt auf. Bei der Verwendung von Brennstoffzellensystemen in Fahrzeugen ergibt sich dieser kreisförmige Querschnitt der Brennstoffzellenabgasableitung 1 durch den gewünschten Gebrauch von bereits vorhandenen Bauteilen der Fahrzeugbaureihen, nämlich der Abgasanlagen von Fahrzeugen mit konventionellem verbrennungsmotorischem Antrieb. Des Weiteren ist ein kreisförmiger Querschnitt besonders geeignet Resonanzschwingungen herbeizuführen. Allerdings ist es auch möglich, die vorliegende Erfindung bei Brennstoffzellenabgasableitungen 1 mit anderem oder veränderlichem Querschnitt anzuwenden.
Für eine Brennstoffzellenabgasableitung 1 mit kreisförmigem Querschnitt ergeben sich die geeigneten Frequenzen zur Anregung von Resonanzfrequenzen mit hohem Tangentialanteil für die Schnelle im Wandbereich 6 aus folgender Gleichung:
wobei gilt:

f:: Frequenz
c:: effektive Schallgeschwindigkeit
R:: Radius des Querschnitts
j:: tangentiale Modenordnung
k:: radiale Modenordnung
λ_j,k:: transversale Eigenwerte

Transversale Eigenwerte λ_j,k:
Somit ergibt sich beispielsweise bei einer Schallgeschwindigkeit c = 340 m/s und einem Radius R = 15 mm sowie den Modenordnungen j = 3 und k = 3 eine Anregungsfrequenz von 55 kHz. Mögliche Abstimmungen sind durch die Auswahl der Modenkombination entsprechend der Eigenwerte und den Radius gegeben.
Die Einstellung der bevorzugten Moden ist abhängig von der Geometrie der Brennstoffzellenabgasableitung 1.
Die Anordnung der Piezo-Elemente 2 erfolgt bevorzugt- wie in 2 beispielhaft dargestellt – asymmetrisch, um die Ausbildung von nachteiligen stehenden Wellen zu vermeiden.
Der von den Piezo-Elementen 2 erzeugte Luftschall ist durch die Pfeile in 2 angedeutet.
3 und 4 zeigen eine Brennstoffzellenabgasableitung 1 mit einem Piezo-Element 2 und einem zur Erzeugung von Körperschall als Platte ausgeformten Resonator 5. Die Platte 5 weist zwei parallele Flächen in Richtung der Schallausbreitung auf und ist derart angeordnet, dass sie in Wirkverbindung mit dem Piezo-Element 2 steht und den Querschnitt der Brennstoffzellenabgasableitung 1 so unterteilt, dass ein Teil das Piezo-Element 2 beinhaltet und in diesen Teil kein Wasser gelangen kann. Vorteilhaft ist die Platte 5 quaderförmig ausgebildet, wobei die untere Fläche der Platte 5 dicht gegen die Wand 6 abgeschlossen ist. 4 zeigt eine bevorzugte Ausführung der Platte 5, bei der die Platte 5 über ihre gesamte Dicke dicht mit der Wand 6 abgeschlossen ist, und sich somit sämtliches Wasser 4 oberhalb der Platte 5 befindet. Das Piezo-Element 2 ist jeweils angrenzend zwischen der Platte 5 und der Wandinnenseite 6 angeordnet.
Vorteilhaft ist die Platte 5 waagerecht ausgerichtet, damit sich das Wasser 4 gleichmäßig auf der Platte 5 verteilt.
Das Piezo-Element 2 regt die Platte 5 derart an, dass sich Dicken-Resonanzschwingungen in der Platte 5 ausbilden. Durch die entsprechenden Schwingungen der Platte 5 wird das Wasser 4 besonders effizient zerstäubt.
Zur Anregung von beispielsweise der ersten Dickenresonanz sind die folgenden Gleichungen maßgebend:
wobei gilt:

c:: Schallgeschwindigkeit in der Platte (longitudinal)
f:: Frequenz
λ:: Wellenlänge in der Platte (longitudinal)
E:: E-Modul der Platte
ρ:: Dichte der Platte
D:: Dicke der Platte.

So erhält man beispielsweise bei der Vorgabe einer Frequenz f = 50 kHz und einer Dicke der Platte von D = 5 mm für das zu wählende Material E/ρ = 2,5·10⁵ m/s. Diese Kennwertkombination entspricht einem weichen Polymerwerkstoff. Durch geeignete Festlegung der Anregungsfrequenz f und der Plattendicke D erhält man einen Gestaltungsspielraum für die Auswahl des Plattenmaterials.
Der von dem Piezo-Element 2 und dem Resonator 5 erzeugte Körperschall ist durch den Pfeil in 4 angedeutet.
Durch die Übertragung des Ultraschalls durch den Resonator 5 ist es auch möglich, die Brennstoffzellenabgasableitung 1 aus Kunststoff auszuführen.

Claims

Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems mit mindestens einer Brennstoffzelle und einer Brennstoffzellenabgasableitung (1), wobei sich im Brennstoffzellenabgas befindliches Wasser mittels Ultraschall zerstäubt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ultraschall durch mindestens ein Piezo-Element (2) erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das im Brennstoffzellenabgas befindliche Wasser (4) mittels Luftschall zerstäubt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftsäule in der Brennstoffzellenabgasableitung (1) zu Eigenschwingungen mit hohem Tangentialanteil für die Schnelle im Wandbereich (6) der Brennstoffzellenabgasableitung (1) angeregt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das im Brennstoffzellenabgas befindliche Wasser (4) mittels Körperschall zerstäubt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Körperschall über einen in der Brennstoffzellenabgasableitung (1) angeordneten Körper (5), der mit dem Ultraschallerzeuger (2) in Wirkverbindung steht, auf das Wasser (4) übertragen wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der den Körperschall übertragende Körper (5) zu Resonanzschwingungen angeregt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der als Platte ausgebildete den Körperschall übertragende Körper (5) zu Dicken-Resonanzschwingungen angeregt wird.
Brennstoffzellensystem mit mindestens einer Brennstoffzelle und einer Brennstoffzellenabgasableitung (1), die eine Vorrichtung (2, 5) zur Zerstäubung des im Brennstoffzellenabgas befindlichen Wassers (4) mittels Ultraschall aufweist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (2, 5) zur Zerstäubung des im Brennstoffzellenabgas befindlichen Wassers (4) mindestens ein Piezo-Element (2) aufweist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Piezo-Element (2) an der Innenseite der Wand (6) der Brennstoffzellenabgasableitung (1) angeordnet ist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Piezo-Elemente (2) an der Innenseite der Wand (6) der Brennstoffzellenabgasableitung (1) asymmetrisch angeordnet sind.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Piezo-Element (2) mit einem den Ultraschall übertragenden Körper (5) in Wirkverbindung steht.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der den Ultraschall übertragende Körper (5) als Platte ausgeführt ist, die derart angeordnet ist, dass sie die Brennstoffzellenabgasableitung (1) im Querschnitt unterteilt und ein Teil das mindestens eine Piezo-Element (2) enthält.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Brennstoffzellensystem ein mobiles Brennstoffzellensystem ist.