DE102007042785B4

DE102007042785B4 - Verfahren zum Betrieb einer Brennstoffzelle

Info

Publication number: DE102007042785B4
Application number: DE102007042785.0A
Authority: DE
Inventors: Dipl.-Ing. Stute Manfred; Dipl.-Ing. Sumser Siegfried
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Cellcentric GmbH and Co KG
Priority date: 2007-09-07
Filing date: 2007-09-07
Publication date: 2020-07-02
Anticipated expiration: 2027-09-08
Also published as: WO2009033599A1; DE102007042785A1

Abstract

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,wobei dem Luftstrom (L) in einem Entfeuchtungsbereich (5) zwischen der Brennstoffzelle (14) und dem Turbinenrad (2) Wasser entzogen wirdindem der Luftstrom (L) im Entfeuchtungsbereich (5) in Rotation versetzt wird und das Wasser an einer Wandung (6) des Entfeuchtungsbereichs (5) abgeschieden wird unddas Wasser an der zumindest abschnittsweise porös ausgebildeten Wandung (6) des Entfeuchtungsbereichs (5) abgeschieden und einem Sammelraum (7) zugeführt wird.

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.
Aus der US 2005 / 0 014 045 A1 ist ein Verfahren zum Betrieb einer Brennstoffzelle bekannt, bei dem ein Luftstrom durch die Brennstoffzelle geleitet und anschließend einer Turbine mit mindestens einem Turbinenrad zugeführt wird, wobei dem Luftstrom in einem Entfeuchtungsbereich zwischen der Brennstoffzelle und dem Turbinenrad Wasser entzogen wird.
Die US 2006 / 0 134 471 A1 beschreibt ein Verfahren zum Betrieb einer Brennstoffzelle, bei welchem das Kathodenabgas einer Turbine zugeführt wird. Dabei wird dem Luftstrom in einem Entfeuchtungsbereich zwischen der Brennstoffzelle und der Turbine Wasser entzogen.
Aus der EP 0 375 983 A1 ist es in einem anderen Zusammenhang, nämlich bei Dampfturbinen, bekannt, Feuchtigkeit in mit Gasströmen betriebenen Turbinen zu entfernen, um eine erhöhte Korrosiongefahr der Turbinenräder durch die Wassertropfen zu vermeiden.
Die JP H08- 200 007 A zeigt eine Turbine bei der die Wassertropfen mittels eines hygroskopischen Materials entfernt werden.
In den WO 2003/ 073 547 A2 und WO 2003/ 081 704 A2 wird dargestellt, einen Sammelraum für auskondensiertes Wasser zu beheizen, um eine Eisbildung zu vermeiden.
Es ist 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 indem der Luftstrom (L) im Entfeuchtungsbereich (5) in Rotation versetzt wird und das Wasser an einer zumindest abschnittsweise porös ausgebildeten Wandung (6) des Entfeuchtungsbereichs (5) abgeschieden und einem Sammelraum (7) zugeführt wird. 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 aus 1, bei der zusätzlich im Sammelraum ein hygroskopisches Material angeordnet ist,
3 eine Turbine ähnlich der in 1 gezeigten, bei der die Wandung mit Wasserfang-Öffnungen versehen ist,
4 eine Schnittansicht der Turbine aus 1 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 Turbine 1 gezeigt, in der ein Luftstrom L einem Turbinenrad 2 zugeführt wird, das mit Schaufeln 3 versehen und um eine Drehachse 4 rotierbar ist. Ein dem Turbinenrad 2 im Luftstrom L vorgelagerter Entfeuchtungsbereich 5 ist spiralförmig so gestaltet, dass der Luftstrom L in Rotation versetzt wird. Im Luftstrom befindliches auskondensiertes Wasser, beispielsweise aus einer der Turbine 1 im Luftstrom L vorgelagerten Brennstoffzelle (nicht gezeigt), setzt sich infolge von Trägheit an einer Wandung 6 zwischen dem Entfeuchtungsbereich 5 und einem Sammelraum 7 ab. Während die Wandung 6 aus einem porösen Material gebildet ist, ist eine Außenwandung 8 des Sammelraums 7 gasdicht gestaltet. Die Porosität der Wandung 6 führt zu einer Kapillarwirkung, wodurch das an der Wandung 6 angelagerte Wasser einem Konzentrationsgefälle folgend in den Sammelraum 7 transportiert wird, aus dem es durch eine Abflussöffnung 9 der Schwerkraft $\vec{g}$
folgend abfließt. Die Porosität der Wandung 7 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 Turbine 1 aus 1, bei der zusätzlich im Sammelraum 7 ein hygroskopisches Material 10 angeordnet ist. Dadurch wird eine Feuchte bzw. ein Wasserdampfdruck im Sammelraum 7 so reduziert, dass sich das Konzentrationsgefälle vergrößert, um den Wassertransport durch die Wandung zu verbessern und/oder zu beschleunigen. Das hygroskopische Material 10 kann ein Feststoff sein und/oder den Sammelraum 7 teilweise oder vollständig ausfüllen. Beispielsweise kann Kieselgel als hygroskopisches Material 10 verwendet werden.
In 3 ist eine Turbine 1 ähnlich der in 1 gezeigten dargestellt, bei der die Wandung 6 nicht porös gebildet, sondern mit Wasserfang-Öffnungen versehen ist, durch die das Wasser der Zentrifugalkraft folgend in den Sammelraum 7 gelangt. Auch in dieser Ausführungsform kann ein hygroskopisches Material 10 im Sammelraum 7 angeordnet sein.
4 zeigt eine Schnittansicht der Turbine 1 aus 1 mit Schnittrichtung längs der Drehachse 4. Die Turbine 1 ist als eine Axialschieberturbine mit einer verstellbaren Matrize 12 gebildet, mittels derer eine effektive Höhe der Schaufeln 3 bzw. maßgebende engste Querschnitte in einem Turbinenleitgitter mit einer Leitschaufel 13 eingeregelt werden können. Das Turbinenrad 2 ist ein Walzenrad mit konstantem Durchmesser in der Außenkontur. Das aus der Abflussöffnung 9 austretende Wasser wird einem nicht gezeigten Sammelbehälter zugeführt. Der Sammelraum 7 ist gegenüber dem Entfeuchtungsbereich 5 kälteisolierend ausgebildet, um dem Problem der Auskondensation und infolge dessen Erosion an den Schaufeln 3 des Turbinenrads 2 entgegen zu wirken.
5 zeigt eine Brennstoffzelle 14 mit einem Verdichter 15 und einer Turbine 1. Im Verdichter 15 wird der Luftstrom L durch Verdichten erzeugt und der Brennstoffzelle 14 zugeführt. Dort nimmt der Luftstrom L Wasser als Reaktionsprodukt auf und wird zur Turbine 1 weiter geleitet. Vor Erreichen des Turbinenrads 2 wird dem Luftstrom L Wasser entzogen, wie in den 1 bis 4 beschrieben. Das Wasser wird dem Sammelbehälter 16 zugeführt, wo es mittels eines geregelten Austrittsventils 17 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 Entfeuchtungsbereich 5 und im Sammelraum 7 nur geringfügig unterscheiden. Der Gasdruck wird also genutzt, um eine geregelte Teilentleerung des Sammelbehälters 16 zu bewirken.
Zum Enteisen oder zur Vermeidung von Eisbildung ist ein Wärmetauscher 18 oder eine Heizung um den Sammelbehälter 16 vorgesehen. Auch der Sammelraum 7 kann beheizt sein. Der Verdichter 15 ist mittels eines Elektromotors 19 angetrieben. Die Turbine 1 trägt ebenfalls zum Antrieb des Verdichters 15 bei. Der Elektromotor wird über einen Umrichter 20 mit Energie aus der Brennstoffzelle 14 gespeist. Zum Steuern und/oder Regeln der Brennstoffzelle 14, der verstellbaren Matrize 12, des Wärmetauschers 18 bzw. der Heizung und des Austrittsventils ist ein Regler 21 vorgesehen.
Bezugszeichenliste

1: Turbine
2: Turbinenrad
3: Schaufel
4: Drehachse
5: Entfeuchtungsbereich
6: Wandung
7: Sammelraum
8: Außenwandung
9: Abflussöffnung
10: hygroskopisches Material
12: verstellbare Matrize
13: Leitschaufel
14: Brennstoffzelle
15: Verdichter
16: Sammelbehälter
17: Austrittsventil
18: Wärmetauscher
19: Elektromotor
20: Umrichter
21: Regler
: Schwerkraft
L: Luftstrom

Claims

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, wobei dem Luftstrom (L) in einem Entfeuchtungsbereich (5) zwischen der Brennstoffzelle (14) und dem Turbinenrad (2) Wasser entzogen wird indem der Luftstrom (L) im Entfeuchtungsbereich (5) in Rotation versetzt wird und das Wasser an einer Wandung (6) des Entfeuchtungsbereichs (5) abgeschieden wird und das Wasser an der zumindest abschnittsweise porös ausgebildeten Wandung (6) des Entfeuchtungsbereichs (5) abgeschieden und einem Sammelraum (7) zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, 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.