DE102007028743A1 - Brennstoffzellenanordnung - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzellenanordnung (1), umfassend einen Luftversorger (3) mit einem mittels eines Elektromotors (3.1) betriebenen Verdichter (3.2) und einem diesem nachgeschalteten Diffusor (3.3), dessen Austritt (3.9) in einen kathodenseitigen Eingang eines Brennstoffzellenstapels (2) mündet, wobei eine ausgangsseitig vom Brennstoffzellenstapel (2) abgehende Rückführung (4) für ein Reaktionsprodukt direkt in den Luftversorger (3) mündet.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzellenanordnung, umfassend einen Luftversorger mit einem mittels eines Elektromotors betriebenen Verdichter und einem diesen nachgeschalteten Diffusor, dessen Austritt in einen kathodenseitigen Eingang eines Brennstoffzellenstapels mündet.
  • Eines der großen Probleme beim Einsatz von Brennstoffzellenstapeln zur Energieerzeugung ist deren eingeschränkte Lebensdauer bzw. eine zum Teil sehr starke, mit entsprechenden Leistungsverlusten verbundene Degradation der Einzelzellen des Brennstoffzellenstapels mit zunehmender Betriebsdauer. Die Hauptursache dafür wird in Korrosionsvorgängen gesehen, welche zu einer Schädigung von Gasverteilern, Bipolarplatten, Katalysatoren und zumindest beim Einsatz von Membranelektrolyten auch zu einer Schädigung der Membran bzw. des Elektrolyten führen können. Derartige schädliche Vorgänge treten überwiegend dann auf, wenn die Temperatur in dem Brennstoffzellenstapel hoch ist und die Potenziale der Einzelzellen über einem kritischen Spannungswert liegen. Letzteres ist vor allem dann der Fall, wenn die elektrische Belastung des Brennstoffzellenstapels sehr niedrig ist.
  • Im Detail wird in Abhängigkeit vom Brennstoffzellentyp dem Brennstoffzellenstapel im Allgemeinen kathodenseitig in einen Kathodenraum über ein Luftversorgungssystem als ein Ausgangsstoff ein Oxidationsmittel, insbesondere Luft oder Sauerstoff zugeführt. Darüber hinaus wird der Brennstoffzelle oder dem Brennstoffzellenstapel als weiterer Ausgangsstoff ein Brennstoff, z. B. Wasserstoff, ein wasserstoffhaltiges Gas oder Methanol, zur Reaktion mit Luft oder Sauerstoff zugeführt. Als Reaktionsprodukt entsteht dabei Wasser. Zusätzlich bleibt Stickstoff als inertes Gas neben den reagierenden Ausgangsstoffen auch im Reaktionsprodukt unverändert erhalten.
  • Aus der DE 10 2004 057 140 A1 ist ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellenstapels bekannt, bei welchem das Oxidationsmittel zumindest teilweise verdünnt wird, wodurch in dem Oxidationsmittel ein derartiger Sauerstoffpartialdruck einstellbar ist, dass die von jeder der Einzelzellen abgegebene Spannung unter einem kritischen Spannungswert bleibt. Hierzu erfolgt die Verdünnung des Oxidationsmittels mit rezirkuliertem Kathodenabgas. Zur Einstellung der Menge an rezirkuliertem Kathodenabgas ist eine in der Rückführung angeordnete Ventileinrichtung bekannt. Bei der aus dem Stand der Technik bekannten Anordnung bleibt unberücksichtigt, dass es im Brennstoffzellenstapel zu einem Druckverlust kommt.
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Brennstoffzellenanordnung anzugeben, welche einen zuverlässigen und einfachen Betrieb ermöglicht.
  • Die genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • Bei der erfindungsgemäßen Brennstoffzellenanordnung mit einem Luftversorger, der einen mittels eines Elektromotors betriebenen Verdichter und einen diesem nachgeschalteten Diffusor umfasst, dessen Austritt in einen kathodenseitigen Eingang eines Brennstoffzellenstapels mündet, führt eine ausgangsseitig vom Brennstoffzellenstapel abgehende Rückführung für ein Reaktionsprodukt direkt in den Luftversorger. Dabei ist der Eingang der Rückführung in den Luftversorger vorzugsweise im Bereich des Verdichterrades, insbesondere unmittelbar am Verdichterrad-Austritt vorgesehen, da am Verdichterrad-Austritt und somit vor dem Diffusoreintritt ein Verdichter-Ausgangsdruck gegeben ist, der deutlich unterhalb des Brennstoffzellen-Ausgangsdruckes des Brennstoffzellenstapels liegt. Durch die am Verdichterrad-Austritt auftretenden hohen Strömungsgeschwindigkeiten im Zusammenhang mit einem noch relativ geringen statischen Verdichter-Ausgangsdruck wirken der betreffende Verbindungsbereich zwischen Verdichteraustritt und Diffusoreintritt, in welchen die Rückführung mündet, und der nachfolgende Diffusor als Ejektor zur Ansaugung des in der Rückführung strömenden Reaktionsproduktes (= Kathodenabgas) und Einströmen und Mischen dieses in das bzw. in dem Oxidationsmittel. Somit sind aufwendige Reduzierungen von Turbinenleitgitterquerschnitten für ein stärkeres Aufstauen der Strömung des Reaktionsproduktes zur Erzielung einer ausreichenden Strömung in der Rückführung bzw. zusätzlich pumpende Verbrennungsmotoren sicher vermieden.
  • Vorzugsweise ist in der Rückführung ein steuer- oder regelbares Ventil zur Einstellung einer Strömungsmenge des in der Rückführung strömenden Reaktionsproduktes angeordnet.
  • Alternativ kann die Rückführung, welche im Gegenstromprinzip zum Brennstoffzellenstapel durchströmt wird, im Gleichstrom- Prinzip betrieben werden. Hierzu ist ausgangsseitig des Diffusors vorzugsweise eine Abzweigleitung angeordnet, die in die Rückführung mündet.
  • Eine weitere Ausführungsform der Erfindung sieht in der Rückführung eine Entwässerungsvorrichtung vor. Diese dient insbesondere des Auffangens von im rückzuführenden Reaktionsprodukt enthaltenen Fluiden, insbesondere von Wassertröpfchen.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand einer Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen:
  • 1 schematisch ein Ausführungsbeispiel für eine Brennstoffzellenanordnung mit einem Brennstoffzellenstapel und einem diesem vorgeschalteten Luftversorger und einer in diesen mündenden Rückführung für ein Reaktionsprodukt des Brennstoffzellenstapels,
  • 2 schematisch ein Ausführungsbeispiel für einen Luftversorger gemäß 1 im Detail,
  • 3 schematisch ein alternatives Ausführungsbeispiel für eine Brennstoffzellenanordnung mit einer im Gleichstrom- oder Gegenstromprinzip betreibbaren Rückführung, und
  • 4 schematisch ein Ausführungsbeispiel für eine in der Rückführung angeordnete Entwässerungsvorrichtung.
  • Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
  • 1 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel für eine Brennstoffzellenanordnung 1 mit einem Brennstoffzellenstapel 2 und einem diesem vorgeschalteten Luftversorger 3 und einer in diesen mündenden Rückführung 4 für ein Reaktionsprodukt, insbesondere ein Kathodenabgas des Brennstoffzellenstapels 2. Dabei zeigt die 1 nur eine Hälfte der Brennstoffzellenanordnung 1, insbesondere die oberhalb einer Längsachse L verlaufende obere Hälfte.
  • Der Brennstoffzellenstapel 2 (auch als Brennstoffzellenstack bezeichnet) ist üblicherweise in nicht näher dargestellter Art und Weise aus einer Vielzahl von parallel angeordneten Einzelzellen gebildet. Der Brennstoffzellenstapel 2 ist stark schematisiert dargestellt und setzt sich im Wesentlichen aus einem Kathodenraum 2.1 und einem Anodenraum 2.2 zusammen, welche beispielsweise bei so genannten PEM-Brennstoffzellen als Einzellen durch eine Membran-Elektroden-Anordnung 2.3 getrennt sind. In den Anodenraum 2.2 strömt ein Brennstoff, im Allgemeinen Wasserstoff oder ein wasserstoffhaltiges Gas. Dieser Brennstoff reagiert in der Membran-Elektroden-Anordnung 2.3 unter Erzeugung von elektrischer Energie mit dem im Kathodenraum 2.1 strömenden Oxidationsmittel. Als Oxidationsmittel kann dabei Sauerstoff oder bevorzugt Luft eingesetzt werden.
  • Das Oxidationsmittel, bevorzugt Luft, wird über den Luftversorger 3 zu dem Kathodenraum 2.1 gefördert. Der Luftversorger 3 umfasst einen mittels eines Elektromotors 3.1 betriebenen Verdichter 3.2 mit bevorzugt einem Verdichterrad 3.2.1 und einen dem Verdichter 3.2 nachgeschalteten Diffusor 3.3. Der Außendurchmesser des Verdichters 3.2 ist vorzugsweise nicht größer als der Durchmesser der Außenwandung 3.1.1 des Elektromotors 3.1. Die Größe des Außendurchmessers des Verdichters 3.2 wird dabei maßgeblich durch dessen Aufbau bestimmt. Der Diffusor 3.3 ist bevorzugt als ein Radialdiffusor oder eine Kombination von Radial- und Axialdiffusor ausgeführt. Das in dieser 1 gezeigte Luftversorgungssystem des Brennstoffzellenstapels 2 ist darüber hinaus mit einer als Expansionsturbine ausgebildeten Turbine 5, insbesondere eine Varioturbine ausgestattet. Dadurch wird der Wirkungsgrad der Verdichterabblasung durch die Expansion des Abblasestroms in der Turbine 5 verbessert.
  • Zur Verdünnung des dem Kathodenraum 2.1 zuzuführenden Oxidationsmittel wird ausgangsseitig des Brennstoffzellenstapels 2 von einer Ausgangsleitung 6 die Rückführung 4 (auch Kathodenloop oder Kathodenabgas-Rückführung genannt) abgezweigt, die direkt in einen Eingang 3.4 in den Luftversorger 3 mündet.
  • Dabei weist das aus dem Brennstoffzellenstapel 2 austretenden Reaktionsprodukt, insbesondere das Kathodenabgas einen Brennstoffzellen-Ausgangsdruck p1 auf. Der Eingang 3.4 der Rückführung 4 in den Luftversorger 3 ist vorzugsweise in einem Verbindungsbereich 3.5 zwischen dem Austritt des Verdichterrades 3.2.1 und dem Eintritt in den Diffusor 3.3 vorgesehen, da am Verdichterrad-Austritt und somit vor dem Diffusoreintritt ein Verdichter-Ausgangsdruck p2 gegeben ist, der deutlich unterhalb des Brennstoffzellen-Ausgangsdruckes p1 des Brennstoffzellenstapels 2 liegt. Die hohen Strömungsgeschwindigkeiten des direkt aus dem Verdichterrad ausströmenden Oxidationsmittels stehen im Zusammenhang mit einem noch relativ geringen statischen Verdichter-Ausgangsdruck p2, wodurch der Verbindungsbereich 3.5 in Verbindung mit dem nachfolgenden Diffusor 3.3 als Ejektor zur Ansau gung des vom Brennstoffzellen-Austritt rückgeführten Reaktionsproduktes, insbesondere eines höher stickstoffhaltigen Gases genutzt werden kann.
  • Zur Steuerung und/oder Regelung der Menge an zurückgeführtem und dem Oxidationsmittel zu zumischendem Gas (auch Kathodenabgas genannt) im Eingang 3.4 des Luftversorgers 3 ist eine Verarbeitungseinheit 7, mit z. B. implementierter Steuerung und/oder Regelung, vorgesehen, die entsprechend auf Komponenten der Brennstoffzellenanordnung 1 wirkt. So wird beispielsweise durch die Verarbeitungseinheit 7 über eine Steuerleitung 9.1 die Position eines in der Rückführung 4 angeordneten, steuer- oder regelbaren Ventils 8 beeinflusst. Darüber hinaus können mittels der Verarbeitungseinheit 7 über weitere entsprechende Steuerleitungen 9.2 bis 9.4 der Verdichter 3.2, der Elektromotor 3.1 bzw. die Turbine 5 gesteuert und/oder geregelt werden. Dabei kann vorteilhafterweise das Druckverhältnis p1/p2 des Brennstoffzellen-Ausgangsdrucks p1 zum Verdichter-Ausgangsdruck p2 und somit die Strömungs- oder Triebkraft beispielsweise entsprechende Einstellung des Verdichterbetriebspunktes, der Verdichterdrehzahl, im Zusammenspiel mit der Turbine 5 bei vorliegendem Druckverlust im Brennstoffzellenstapel 2 und einer nach dem Brennstoffzellenstapel 2 angeordneten Entwässerungsvorrichtung 10 bestimmt und eingestellt werden.
  • In einer vom Diffusor 3.3 in den Brennstoffzellenstapel 2 mündenden Eingangsleitung 11 kann darüber hinaus gegebenenfalls ein Ladeluftkühler 15 angeordnet sein.
  • 2 zeigt im Detail den Luftversorger 3. Dabei sind die wesentlichen Elemente des Luftversorgers 3 dargestellt: Der Verdichter 3.2 mit dem Verdichterrad 3.2.1, dass drehbar um eine Rotationsachse R angeordnet ist. In radialer Richtung außerhalb des Verdichterrads 3.2.1 ist der als Radialdiffusor ausgebildete Diffusor 3.5 angeordnet, der von zwei parallelen Seitenflächen begrenzt ist. Der Diffusor 3.5 kann variabel einstellbar gestaltet werden, indem eine der Seitenflächen verstellbar ausgebildet ist. Der Diffusor 3.5 ist über einen Umlenkkanal 3.6 mit einem axialen Ringraum 3.7 (auch Axialdiffusor genannt) verbunden, welcher wiederum in eine Spirale 3.8 (auch Sammelspirale genannt) mündet, die nach innen zur Rotationsachse R gerichtet ausgebildet ist. Die Richtung der Luftansaugung ist durch den rechts dargestellten Pfeil P1 gezeigt.
  • Durch das Verdichterrad 3.2.1 wird das Oxidationsmittel, z. B. Luft, angesaugt und in den Radialdiffusor 3.5, in welchem in nicht näher dargestellter Art und Weise eine Radialbeschaufelung angeordnet ist, befördert. Diesem Oxidationsmittel wird im Verbindungsbereich zum Radialdiffusor 3.5 über den Eingang 3.4 das vom Brennstoffzellenstapel-Ausgang zurückgeführte Gas zugemischt. Im Radialdiffusor 3.5 wird dann das Mischprodukt aus Oxidationsmittel und zurückgeführtem Gas nach außen befördert und dabei in Folge des sich nach außen vergrößernden Radialumfangs verzögert. Im Umlenkkanal 3.6 wird das beförderte Mischprodukt um 90 Grad in den axialen Ringraum 3.7 umgelenkt.
  • Der axiale Ringraum 3.7 ist als parallelwandiger Diffusor (auch Axialdiffusor genannt) ausgebildet, in welchem eine nicht näher dargestellte Axialbeschaufelung angeordnet ist. Der axiale Ringraum 3.7 kann parallelwandig ausgebildet sein, wobei das beförderte Mischprodukt durch die Beschaufelung axial gerichtet wird und eine weitere Verzögerung erfährt. Am Übergang zwischen axialem Ringraum 3.7 und Spirale 3.8 wird das beförderte Mischprodukt über den gesamten Umfang des axialen Ringraums 3.7 in die Spirale 3.8 befördert, wo sie durch Strömungsüberlagerung eine Richtungskomponente in Umfangsrichtung erfährt und über einen Austritt 3.9 ausströmt. Die Spirale 3.8 ist ähnlich einer Windung eines Schneckenhauses ausgebildet.
  • Aus der 3 ist eine alternative Ausführungsform für eine Brennstoffzellenanordnung 1 gezeigt. Dabei ist eine optimierte Entwässerungsvorrichtung 10 mit geringen Druckverlusten nach dem Brennstoffzellenstapel 2 in der Rückführung 4 angeordnet. Die Entwässerung des Hauptgasstromes nach dem Brennstoffzellenstapel 2 lässt sich auch in der Expansionsturbine durchführen.
  • Eine weitere Ausführungsform sieht vor, dass die Rückführung 4 mit einem entsprechend ausgebildeten Ventil 8 zumindest abschnittsweise im Gleichstromprinzip oder im Gegenstromprinzip zum Brennstoffzellenstapel 2 durchströmt werden kann. Hierzu ist wie in 3 gezeigt, eine Richtungsumkehr des Gasstromes mittels des angepassten Ventils 8 und einer nach dem Diffusor 3.3, insbesondere nach der Strömungsdiffusion von der Eingangsleitung 11 abgehenden Abzweigleitung 12 ermöglicht, die über das Ventil 8 in die Rückführung 4 mündet. Durch die Abzweigleitung 12 nach dem Diffusor 3.3, also nach der Strömungsdiffusion, mit einem entsprechenden Diffusor-Ausgangsdruck p3 liegt eine entsprechende Strömungs- oder Triebkraft aufgrund des Druckverlustes im Brennstoffzellenstapel 2 in Richtung "vor der Turbine 5" vor. Somit sind die Eigenschaft der Lambda-Beeinflussung der kalten Verbrennung über die Rückführung 4 und die Eigenschaft der Brennstoffzellen-Umführung, z. B. zur Vermeidung des Verdichterpumpens oder zum Warmfahren der Brennstoffzelle beeinflussbar. Eine Umführung (= Bypass) sowohl des Brennstoffzellenstapels 2 als auch der Rückführung 4 und Wiedereinführen des Mischproduktes am Eingang 3.4 über das Ventil 8 – wie durch den Pfeil P2 gezeigt, ist ebenfalls möglich.
  • In 4 ist im Detail die Entwässerungsvorrichtung 10 dargestellt, welche unmittelbar am Ausgang des Brennstoffzellenstapels 2 (3) oder in der Rückführung 4, insbesondere vor dem Eingang 3.4 (1) angeordnet sein kann. Die Entwässerungsvorrichtung 10 ist in Art eines Filters aus einer Anzahl von in Reihen oder in einer anderen geeigneten Form angeordneten Rohren 13 mit zugehörigen Öffnungen 13.1 gebildet, in welche die sich im Gas enthaltenden Wassertröpfchen aufgefangen werden. Vorteilhafterweise wird man die Rohre 13 durchgängig porös gestalten, um eine zusätzliche Kapillarwirkung über den Rohrumfang auf die feuchte Luft auszuüben. Das absorbierte Wasser fließt mit Hilfe der Schwerkraft g über einen Auslass 14 in Richtung der Umgebung ab. Da das in der Rückführung 4 zurückgeführte Gas stromab dem Verdichterrad 3.2.1 in den Diffusor 3.3 einströmt, wird an das Niveau des Entwässerungswirkungsgrades eine geringere Anforderung gestellt, da eine Erosion des Verdichterrades 3.2.1 durch zurück fließendes Wasser mit geringerer Wahrscheinlichkeit zu erwarten ist. Dem Rückfließen des auskondensierten Wassers lässt sich auch durch die Einbaulage der Drehachse entgegenwirken, die im Grenzfall auch parallel zum Erdanziehungsvektor orientiert werden könnte, also gegenüber der üblichen Orientierung -senkrecht zum Erdanziehungsvektorum 90° verdreht.
  • Zur Verwirklichung von variantenreichen Betriebsstrategien hinsichtlich der Nutzung der Kathodenabgasrückführung wird die Eigenschaft des quasi durch den Diffusor 3.3 mit dem Eingang 3.4 im Verbindungsbereich 3.5 gebildeten Ejektor kennfeldmäßig in vorgebbaren und gespeicherten Kennfeldern abgebildet. Die Verarbeitungseinheit 7 verknüpft nun die wesentlichen Sollgrößen des gewünschten Brennstoffzellen-Betriebspunktes, wie z. B. die Verdichterdrehzahl, die Leitgitterposition der Expansionsturbine 5 und die Position des Ventils 8, um die optimale Brennstoffzellen-Eintrittsgaszusammensetzung zu erhalten. Hierbei greift die Verarbeitungseinheit 7 für die Speisung des betreffenden Algorithmus auch auf die hinterlegten Kennfelder des Ejektors zurück.

Claims (4)

  1. Brennstoffzellenanordnung (1), umfassend einen Luftversorger (3) mit einem mittels eines Elektromotors (3.1) betriebenen Verdichter (3.2) und einem diesem nachgeschalteten Diffusor (3.3), dessen Austritt (3.9) in einen kathodenseitigen Eingang eines Brennstoffzellenstapels (2) mündet, dadurch gekennzeichnet, dass eine ausgangsseitig vom Brennstoffzellenstapel (2) abgehende Rückführung (4) für ein Reaktionsprodukt direkt in den Luftversorger (3) mündet.
  2. Brennstoffzellenanordnung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der Rückführung (4) ein steuer- oder regelbares Ventil (8) zur Einstellung einer Strömungsmenge eines in der Rückführung (4) strömenden Reaktionsproduktes angeordnet ist.
  3. Brennstoffzellenanordnung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ausgangsseitig des Diffusors (3.3) eine Abzweigleitung (12) angeordnet ist, die in die Rückführung (4) mündet. (Gleichstromprinzip).
  4. Brennstoffzellenanordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass in der Rückführung (4) eine Entwässerungsvorrichtung (10) angeordnet ist.
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