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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.
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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.
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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.
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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.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Brennstoffzellenanordnung
anzugeben, welche einen zuverlässigen
und einfachen Betrieb ermöglicht.
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Die
genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die im Anspruch 1
angegebenen Merkmale. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung
sind Gegenstand der Unteransprüche.
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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.
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Vorzugsweise
ist in der Rückführung ein steuer-
oder regelbares Ventil zur Einstellung einer Strömungsmenge des in der Rückführung strömenden Reaktionsproduktes
angeordnet.
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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.
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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.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung werden anhand einer Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen:
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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,
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2 schematisch
ein Ausführungsbeispiel für einen
Luftversorger gemäß 1 im
Detail,
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3 schematisch
ein alternatives Ausführungsbeispiel
für eine
Brennstoffzellenanordnung mit einer im Gleichstrom- oder Gegenstromprinzip
betreibbaren Rückführung, und
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4 schematisch
ein Ausführungsbeispiel für eine in
der Rückführung angeordnete
Entwässerungsvorrichtung.
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Einander
entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen
versehen.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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In
einer vom Diffusor 3.3 in den Brennstoffzellenstapel 2 mündenden
Eingangsleitung 11 kann darüber hinaus gegebenenfalls ein
Ladeluftkühler 15 angeordnet
sein.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.