DE102007042785A1 - Verfahren zum Betrieb einer Brennstoffzelle - Google Patents
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Abstract
Description
- Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Brennstoffzelle, insbesondere zur Verwendung in einem Kraftfahrzeug.
- Brennstoffzellen, insbesondere zur Verwendung in Kraftfahrzeugen, werden im Betrieb gewöhnlich mit einem Luftstrom aus einem Kompressor belüftet. Ein erforderlicher Gegendruck kann durch eine Gegendruckklappe an der Brennstoffzelle erzeugt werden. Eine bessere Möglichkeit zur Erzeugung des Gegendrucks ist die Anordnung einer Turbine im aus der Brennstoffzelle austretenden Luftstrom, mittels derer ein Teil der Antriebsenergie für den Kompressor zurück gewonnen werden kann. Problematisch ist, dass der aus der Brennstoffzelle austretende Luftstrom mit Wasserdampf und auskondensiertem Wasser als Reaktionsprodukt der Oxidationsvorgänge in der Brennstoffzelle befrachtet ist und die auskondensierten Wassertropfen zu einer Erosion der Schaufeln des Turbinenrads führen können. Die Folge kann eine Verschlechterung des Wirkungsgrads und der Zuverlässigkeit der Turbine sein, da durch ungleichmäßige Erosion Unwuchten verursacht werden, die Lagerschäden nach sich ziehen können. Das Problem verschärft sich mit zunehmender Drehzahl der Turbine. Besonders groß ist das Problem der Wasserkondensation in Kaltstartphasen.
- Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Verfahren zum Betrieb einer Brennstoffzelle anzugeben.
- Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
- Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
- Beim erfindungsgemäßen Verfahren zum Betrieb einer Brennstoffzelle wird ein Luftstrom durch die Brennstoffzelle geleitet und anschließend einer Turbine mit mindestens einem Turbinenrad zugeführt. Dem Luftstrom wird in einem Entfeuchtungsbereich zwischen der Brennstoffzelle und dem Turbinenrad Wasser entzogen. Auf diese Weise wird vermieden, dass auskondensierte Wassertropfen das Turbinenrad bzw. dessen Schaufeln erodieren und in der Folge Unwuchten des Turbinenrads entstehen und eine Lagerung des Turbinenrads Schaden nimmt.
- Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
- Dabei zeigen:
-
1 eine Schnittansicht einer Turbine mit Schnittrichtung senkrecht zu einer Drehachse, wobei ein Luftstrom in einem Entfeuchtungsbereich vor einem Turbinenrad in Rotation versetzt wird und eine Wandung zwischen dem Entfeuchtungsbereich und einem Sammelraum porös ausgebildet ist, -
2 die Turbine aus1 , bei der zusätzlich im Sammelraum ein hygroskopisches Material angeordnet ist, -
3 eine Turbine ähnlich der in1 gezeigten, bei der die Wandung mit Wasserfang-Öffnungen versehen ist, -
4 eine Schnittansicht der Turbine aus1 mit Schnittrichtung längs der Drehachse, und -
5 eine Brennstoffzelle mit einem Verdichter und einer Turbine. - Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
- In
1 ist eine Turbine1 gezeigt, in der ein Luftstrom L einem Turbinenrad2 zugeführt wird, das mit Schaufeln3 versehen und um eine Drehachse4 rotierbar ist. Ein dem Turbinenrad2 im Luftstrom L vorgelagerter Entfeuchtungsbereich5 ist spiralförmig so gestaltet, dass der Luftstrom L in Rotation versetzt wird. Im Luftstrom befindliches auskondensiertes Wasser, beispielsweise aus einer der Turbine1 im Luftstrom L vorgelagerten Brennstoffzelle (nicht gezeigt), setzt sich infolge von Trägheit an einer Wandung6 zwischen dem Entfeuchtungsbereich5 und einem Sammelraum7 ab. Während die Wandung6 aus einem porösen Material gebildet ist, ist eine Außenwandung8 des Sammelraums7 gasdicht gestaltet. Die Porosität der Wandung6 führt zu einer Kapillarwirkung, wodurch das an der Wandung6 angelagerte Wasser einem Konzentrationsgefälle folgend in den Sammelraum7 transportiert wird, aus dem es durch eine Abflussöffnung9 der Schwerkraft g → folgend abfließt. Die Porosität der Wandung7 kann durch Sinterwerkstoffe mit metallischen und/oder keramischen Komponenten erreicht werden. Die Kapillarwirkung kann mittels radial gerichteter Kapillarkanäle erreicht werden. Idealerweise sind diese Kapillarkanäle rohrförmig mit sehr kleinem Durchmesser gebildet. -
2 zeigt die Turbine1 aus1 , bei der zusätzlich im Sammelraum7 ein hygroskopisches Material10 angeordnet ist. Dadurch wird eine Feuchte bzw. ein Wasserdampfdruck im Sammelraum7 so reduziert, dass sich das Konzentrationsgefälle vergrößert, um den Wassertransport durch die Wandung zu verbessern und/oder zu beschleunigen. Das hygroskopische Material10 kann ein Feststoff sein und/oder den Sammelraum7 teilweise oder vollständig ausfüllen. Beispielsweise kann Kieselgel als hygroskopisches Material10 verwendet werden. - In
3 ist eine Turbine1 ähnlich der in1 gezeigten dargestellt, bei der die Wandung6 nicht porös gebildet, sondern mit Wasserfang-Öffnungen11 versehen ist, durch die das Wasser der Zentrifugalkraft folgend in den Sammelraum7 gelangt. Auch in dieser Ausführungsform kann ein hygroskopisches Material10 im Sammelraum7 angeordnet sein. -
4 zeigt eine Schnittansicht der Turbine1 aus1 mit Schnittrichtung längs der Drehachse4 . Die Turbine1 ist als eine Axialschieberturbine mit einer verstellbaren Matrize12 gebildet, mittels derer eine effektive Höhe der Schaufeln3 bzw. maßgebende engste Querschnitte in einem Turbinenleitgitter mit einer Leitschaufel13 eingeregelt werden können. Das Turbinenrad2 ist ein Walzenrad mit konstantem Durchmesser in der Außenkontur. Das aus der Abflussöffnung9 austretende Wasser wird einem nicht gezeigten Sammelbehälter zugeführt. Der Sammelraum7 ist gegenüber dem Entfeuchtungsbereich5 kälteisolierend ausgebildet, um dem Problem der Auskondensation und infolge dessen Erosion an den Schaufeln3 des Turbinenrads2 entgegen zu wirken. -
5 zeigt eine Brennstoffzelle14 mit einem Verdichter15 und einer Turbine1 . Im Verdichter15 wird der Luftstrom L durch Verdichten erzeugt und der Brennstoffzelle14 zugeführt. Dort nimmt der Luftstrom L Wasser als Reaktionsprodukt auf und wird zur Turbine1 weiter geleitet. Vor Erreichen des Turbinenrads2 wird dem Luftstrom L Wasser entzogen, wie in den1 bis4 beschrieben. Das Wasser wird dem Sammelbehälter16 zugeführt, wo es mittels eines geregelten Austrittsventils17 innerhalb eines vorgegebenen Wasserstandsniveaus gehalten wird. Ein Durchblasen von Gas oder Wasserdampf in eine Umgebung wird im Allgemeinen während des Normalbetriebs mit Rücksicht auf einen Wirkungsgrad nicht erfolgen, wodurch sich der erhöhte Druck im Entfeuchtungsbereich5 und im Sammelraum7 nur geringfügig unterscheiden. Der Gasdruck wird also genutzt, um eine geregelte Teilentleerung des Sammelbehälters16 zu bewirken. - Zum Enteisen oder zur Vermeidung von Eisbildung ist ein Wärmetauscher
18 oder eine Heizung um den Sammelbehälter16 vorgesehen. Auch der Sammelraum7 kann beheizt sein. Der Verdichter15 ist mittels eines Elektromotors19 angetrieben. Die Turbine1 trägt ebenfalls zum Antrieb des Verdichters15 bei. Der Elektromotor wird über einen Umrichter20 mit Energie aus der Brennstoffzelle14 gespeist. Zum Steuern und/oder Regeln der Brennstoffzelle14 , der verstellbaren Matrize12 , des Wärmetauschers18 bzw. der Heizung und des Austrittsventils ist ein Regler21 vorgesehen. -
- 1
- Turbine
- 2
- Turbinenrad
- 3
- Schaufel
- 4
- Drehachse
- 5
- Entfeuchtungsbereich
- 6
- Wandung
- 7
- Sammelraum
- 8
- Außenwandung
- 9
- Abflussöffnung
- 10
- hygroskopisches Material
- 11
- Wasserfang-Öffnung
- 12
- verstellbare Matrize
- 13
- Leitschaufel
- 14
- Brennstoffzelle
- 15
- Verdichter
- 16
- Sammelbehälter
- 17
- Austrittsventil
- 18
- Wärmetauscher
- 19
- Elektromotor
- 20
- Umrichter
- 21
- Regler
- g →
- Schwerkraft
- L
- Luftstrom
Claims (3)
- Verfahren zum Betrieb einer Brennstoffzelle (
14 ), bei dem ein Luftstrom (L) durch die Brennstoffzelle (14 ) geleitet und anschließend einer Turbine (1 ) mit mindestens einem Turbinenrad (2 ) zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass dem Luftstrom (L) in einem Entfeuchtungsbereich (5 ) zwischen der Brennstoffzelle (14 ) und dem Turbinenrad (2 ) Wasser entzogen wird. - Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Luftstrom (L) im Entfeuchtungsbereich (
5 ) in Rotation versetzt wird und das Wasser an einer Wandung (6 ) des Entfeuchtungsbereichs (5 ) abgeschieden wird und/oder dass das Wasser an der zumindest abschnittsweise porös ausgebildeten Wandung (6 ) des Entfeuchtungsbereichs (5 ) abgeschieden und einem Sammelraum (7 ) zugeführt wird und/oder dass ein Konzentrationsgefälle des Wassers mittels eines im Sammelraum (7 ) angeordneten hygroskopischen Materials (10 ) erzielt wird. - Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Entfeuchtungsbereich (
5 ) und/oder der Sammelraum (7 ) beheizt werden.
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