DE102011100839A1

DE102011100839A1 - Brennstoffzellenanordnung

Info

Publication number: DE102011100839A1
Application number: DE102011100839A
Authority: DE
Inventors: Nils Brandau; Oliver Berger; Sven Schmitz
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2011-05-07
Filing date: 2011-05-07
Publication date: 2012-11-08
Anticipated expiration: 2031-05-08
Also published as: DE102011100839B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzellenanordnung (10), umfassend einen Brennstoffzellenstapel (12) mit einer Kathodengaszufuhr (14) zur Versorgung eines Kathodenraums des Brennstoffzellenstapels (12) mit einem sauerstoffhaltigen Gasgemisch und mit einer Kathodengasabfuhr (16), wobei die Kathodengaszufuhr (14) eine in einer Zufuhrleitung (18) angeordnete Luftfördereinrichtung (22) aufweist sowie eine Sauerstoffanreicherungsvorrichtung (28) zur Anhebung eines Sauerstoffanteils in dem sauerstoffhaltigen Gasgemisch. Es ist vorgesehen, dass die Kathodengaszufuhr (14) eine Rezirkulationsleitung (32) aufweist, die stromab der Luftfördereinrichtung (22) von der Zufuhrleitung (18) abzweigt und stromauf der Luftfördereinrichtung (22) wieder in die Zufuhrleitung (18) mündet, wobei die Sauerstoffanreicherungsvorrichtung (28) in der Rezirkulationsleitung (32) angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzellenanordnung, die einen Brennstoffzellenstapel umfasst mit einer Kathodengaszufuhr zur Versorgung eines Kathodenraums des Brennstoffzellenstapels mit einem sauerstoffhaltigen Gasgemisch und mit einer Kathodengasabfuhr.
Brennstoffzellen nutzen die chemische Umsetzung eines Brennstoffs mit Sauerstoff zu Wasser, um elektrische Energie zu erzeugen. Hierfür enthalten Brennstoffzellen als Kernkomponente die so genannte Membran-Elektroden-Einheit (MEA für membrane electrode assembly), die ein Verbund aus einer protonenleitenden Membran und jeweils einer beidseitig an der Membran angeordneten Gasdiffusionselektrode (Anode und Kathode) ist. Daneben sind auch Brennstoffzellentypen bekannt, die statt einer Membran einen Flüssigelektrolyten aufweisen. In der Regel wird die Brennstoffzelle durch eine Vielzahl, im Stapel (stack) angeordneter MEA gebildet, deren elektrische Leistungen sich addieren. Im Betrieb der Brennstoffzelle wird der Brennstoff, insbesondere Wasserstoff H₂ oder ein wasserstoffhaltiges Gasgemisch, der Anode zugeführt, wo eine elektrochemische Oxidation von H₂ zu H⁺ unter Abgabe von Elektronen stattfindet. Über die Membran bzw. den Elektrolyten, welche die Reaktionsräume gasdicht voneinander trennt und elektrisch isoliert, erfolgt ein (wassergebundener oder wasserfreier) Transport der Protonen H⁺ aus dem Anodenraum in den Kathodenraum. Die an der Anode bereitgestellten Elektronen werden über eine elektrische Leitung der Kathode zugeleitet. Der Kathode wird Sauerstoff oder ein sauerstoffhaltiges Gasgemisch zugeführt, sodass eine Reduktion von O₂ zu O^2– unter Aufnahme der Elektronen stattfindet. Gleichzeitig reagieren im Kathodenraum diese Sauerstoffanionen mit den über die Membran transportierten Protonen unter Bildung von Wasser. Durch die direkte Umsetzung von chemischer in elektrische Energie erzielen Brennstoffzellen gegenüber anderen Elektrizitätsgeneratoren aufgrund der Umgehung des Carnot-Faktors einen verbesserten Wirkungsgrad.
Die derzeit am weitesten entwickelte Brennstoffzellentechnologie basiert auf Polymerelektrolytmembranen (PEM), bei denen die Membran selbst aus einem Polymerelektrolyt besteht. Hierbei werden oft säuremodifizierte Polymere, insbesondere perfluorierte Polymere, eingesetzt. Der am weitesten verbreitete Vertreter dieser Klasse von Polymerelektrolyten ist eine Membran aus einem sulfonierten Polytetrafluorethylen-Copolymer (Handelsname: Nafion; Copolymer aus Tetrafluorethylen und einem Sulfonylsäurefluorid-Derivat eines Perfluoralkylvinylethers). Die elektrolytische Leitung findet dabei über hydratisierte Protonen statt, weshalb für die Protonenleitfähigkeit das Vorhandensein von Wasser Bedingung ist und im Betrieb der PEM-Brennstoffzelle ein Anfeuchten der Betriebsgase erforderlich ist. Aufgrund der Notwendigkeit des Wassers ist die maximale Betriebstemperatur dieser Brennstoffzellen bei Normdruck auf unter 100°C beschränkt. In Abgrenzung von Hochtemperatur-Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellen (HT-PEM-Brennstoffzellen), deren elektrolytische Leitfähigkeit auf einem durch elektrostatische Komplexbindung an ein Polymergerüst der Polymerelektrolytmembran gebundenen Elektrolyten beruht (beispielsweise Phosphorsäure-dotierte Polybenzimidazol(PBI)-Membranen) und die bei Temperaturen von 160°C betrieben werden, wird dieser Brennstoffzellentyp auch als Niedertemperatur-Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzelle (NT-PEM-Brennstoffzelle) bezeichnet.
Daneben sind auch Brennstoffzellentypen bekannt, die statt einer Membran einen Flüssigelektrolyten aufweisen.
Im Stand der Technik ist bekannt, Brennstoffzellen auf ihrer Kathodenseite mit einem Betriebsgas zu versorgen, das einen gegenüber der Umgebungsluft erhöhten Sauerstoffanteil enthält (vergleiche. EP 1 371 106 B1 , EP 1 357 625 A2 , US 5,925,322 , DE 10 2005 054 888 A1 und US 6,868,677 B2 ). Die Sauerstoffanreicherung kann dadurch realisiert sein, dass die Gasversorgung mit besonderen Betriebsgasen erfolgt, beispielsweise mit reinem Sauerstoff, welche beispielsweise in speziellen Druckgasflaschen bevorratet werden. In den meisten Fällen werden aber Methoden vorgeschlagen, welche den Sauerstoffanteil (bzw. den Sauerstoffpartialdruck) in der zur Verfügung stehenden Umgebungsluft anreichern. Der aus der Sauerstoffanreicherungsvorrichtung austretende, sauerstoffangereicherte Luftstrom wird der Kathodenseite der Brennstoffzelle zugeführt, während der austretende, sauerstoffabgereicherte Teilluftstrom in die Umgebungsluft oder in die Abgasleitung der Brennstoffzelle ausgelassen wird (siehe 2).
Als Sauerstoffanreichungsvorrichtung kommen beispielsweise Gassorptions-Wechseleinrichtungen zum Einsatz oder semipermeable Membranen, die unterschiedliche Durchlässigkeiten für Sauerstoff O₂ und Stickstoff N₂ aufweisen.
DE 196 29 265 A1 beschreibt ein Brennstoffzellensystem, bei der die Betriebsgaszuführung zur Kathode eine Kombination aus einer Sauerstoffanreicherungseinrichtung und einem Verdichtungssystem umfasst. Die Sauerstoffanreicherungseinrichtung kann als Membraneinheit, Druckwechsel-Absorptionseinheit, Gaszentrifugaleinheit oder Kryoeinheit ausgestaltet sein. Das Verdichtungssystem kann ein Lüfter oder ein Turbokompressor-Expander-System sein. Das Brennstoffzellensystem ermöglicht eine kontinuierliche Regelung der Leistung, sodass diese an den variablen Bedarf angepasst werden kann.
Aus DE 10 2004 010 401 A1 ist ein Aggregat aus Verbrennungsmotor und Brennstoffzelle bekannt, bei dem die Brennstoffzelle mit einer durch einen Abgasturbolader komprimierten und mittels einer sauerstoffpermeablen Membran sauerstoffangereicherten Luft versorgt wird. Das Nebenauslassprodukt der Membraneinheit, d. h. die sauerstoffabgereicherte (sauerstoffarme) Luft, wird dem Verbrennungsmotor als Verbrennungsluft zugeführt, wodurch die Stickoxidentstehung im motorischen Verbrennungsprozess vermindert wird.
JP 2006-066204 A beschreibt ebenfalls eine Brennstoffzelle, die mit einer sauerstoffangereicherten Luft versorgt wird. Dabei ist eine Bypassleitung vorgesehen, welche die Sauerstoffanreicherungseinrichtung umgeht, wobei die Luftmenge der Bypassleitung in Abhängigkeit von der Brennstoffzellenleistung gesteuert werden kann.
Aus EP 0 878 859 A1 ist eine magnetische Sauerstoffanreicherungseinrichtung für Brennstoffzellen bekannt, welche den Paramagnetismus von Sauerstoff ausnutzt, um diesen im magnetischen Feld von Stickstoff zu separieren.
US 5,925,322 beschreibt unter anderem einen chemischen Festbettreaktor, der Luftsauerstoff chemisch bindet und durch Wärmezufuhr durch die Brennstoffzelle wieder freisetzt, um so sauerstoffangereicherte Kathodenluft für die Brennstoffzelle zu liefern. Insbesondere werden hier die Substanzen PbO und Ag eingesetzt, um den Sauerstoff in Form der Oxide Pb₃O₄ bzw. Ag₂O reversibel chemisch zu binden.
Ferner ist bekannt, nicht den gesamten, von einer Luftfördereinrichtung aus der Umgebungsluft geförderten Luftstrom in die kathodenseitige Gasversorgung einer Brennstoffzelle einzuleiten, sondern einen Teil davon über eine Bypassleitung in die Abgasleitung der Brennstoffzelle oder direkt in die Umgebungsluft abzuleiten (vergleiche DE 10 2009 050 934 A1 ). Eine solche Anordnung ist in 1 wiedergegeben. Grund für diese Vorgehensweise sind die unterschiedlichen Leistungsanforderungen an die Brennstoffzelle. Bei hoher Leistungsanforderung wird ein hoher Gasdurchsatz der Versorgungsluft benötigt, während bei geringerer Leistungsanforderung ein entsprechend reduzierter Durchsatz erforderlich ist. Die zur Verfügung stehenden Luftfördereinrichtungen besitzen häufig jedoch Luftfördermengenbereiche, in denen sie nicht oder mit einem nur schlechten Wirkungsgrad arbeiten können, oder sie sind sogar auf eine konstante Förderleistung ausgelegt. In solchen Fällen kann durch Ausleitung eines Teils der durch die Luftfördereinrichtung geförderten Luft durch die Bypassleitung die der Brennstoffzelle zugeführte Luftmenge an die aktuelle Anforderung angepasst werden.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Brennstoffzellenanordnung bereitzustellen, deren Kathodenseite mit einem sauerstoffangereicherten Gasgemisch versorgt wird und die mit einem hohen Betriebsgasdruck beziehungsweise hohem Betriebsgasmassenstrom betrieben werden kann und die gleichzeitig im dynamischen Betrieb schnell auf einen Lastwechsel der Brennstoffzelle angepasst werden kann.
Diese Aufgabe wird durch eine Brennstoffzellenanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.
Die erfindungsgemäße Brennstoffzellenanordnung umfasst einen Brennstoffzellenstapel mit einer Kathodengaszufuhr zur Versorgung eines Kathodenraumes des Brennstoffzellenstapels mit einem sauerstoffhaltigen Gasgemisch und mit einer Kathodengasabfuhr. Dabei weist die Kathodengaszufuhr eine, in einer Zufuhrleitung angeordnete Luftfördereinrichtung auf sowie eine Sauerstoffanreicherungsvorrichtung zur Anhebung eines Sauerstoffanteils in dem sauerstoffhaltigen Gasgemisch. Erfindungsgemäß weist die Kathodengaszufuhr eine Rezirkulationsleitung auf, die stromab der Fördereinrichtung von der Zufuhrleitung abzweigt und stromauf der Luftfördereinrichtung wieder in die Zufuhrleitung mündet. Dabei ist die Sauerstoffanreicherungsvorrichtung in der Rezirkulationsleitung angeordnet. Dadurch, dass die Sauerstoffanreichungsvorrichtung nicht, wie im Stand der Technik üblich, in der Hauptzufuhrleitung stromab der Luftfördereinrichtung angeordnet ist, sondern parallel zu letzterer, ist es möglich, lediglich einen Teilstrom der von der Luftfördereinrichtung geförderten Gasfördermenge über die Sauerstoffanreichungsvorrichtung zu leiten und mit dem restlichen Teilstrom den Kathodenraum des Brennstoffzellenstapels zu beaufschlagen. Dadurch entfällt der in der Regel beträchtliche Strömungswiderstand, der durch die Sauerstoffanreicherungsvorrichtung üblicherweise verursacht wird in der kathodischen Zufuhrleitung. Gleichzeitig kann durch kurzfristige Einflussnahme auf den Anteil der rezirkulierten Gasgemischmenge schnell auf Lastwechsel des Brennstoffzellenstapels reagiert werden. Der über die in der Rezirkulationsleitung angeordnete Sauerstoffanreicherungsvorrichtung geführte Teilstrom wird hinsichtlich seines Sauerstoffgehalts beziehungsweise Sauerstoffpartialdrucks angereichert und anschließend erneut über die Luftfördereinrichtung geleitet und wiederum teilweise rückgeführt und erneut angereichert. Es entsteht im stationären Betrieb nach Einstellung eines Gleichgewichtszustands ein konstanter erhöhter Sauerstoffanteil in dem System.
Im Rahmen der vorliegenden Anmeldung wird unter dem Begriff „sauerstoffangereichertes Gasgemisch” ein Gemisch gasförmiger Bestandteile verstanden, dessen Sauerstoffgehalt bzw. Sauerstoffpartialdruck gegenüber dem ursprünglichen Gasgemisch erhöht ist. Wenn es sich bei dem Gasgemisch um Umgebungsluft mit einem Sauerstoffanteil von etwa 21% handelt, wie dies üblicherweise der Fall sein wird, so weist das sauerstoffangereicherte Gasgemisch einen Sauerstoffanteil von > 21% auf. Entsprechend gilt für ein „sauerstoffabgereichertes Gasgemisch”, das es im Falle von Umgebungsluft weniger als 21% Sauerstoff enthält.
Nach einer bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung ist eine steuer- oder regelbare Verteilereinrichtung zur Einstellung eines Anteils des durch die Rezirkulationsleitung rezirkulierten Gasgemischs vorgesehen. Beispielsweise kann es sich hier um ein Mehrwegeventil handeln, das elektromotorisch oder magnetisch gestellt werden kann. Diese Verteilereinrichtung ist vorzugsweise an der Abzweigungsstelle der Rezirkulationsleitung von der kathodischen Zufuhrleitung angeordnet. Die steuer- oder regelbare Verteilereinrichtung erlaubt eine schnelle Einflussnahme auf das Teilungsverhältnis des in der Rezirkulationsleitung rückgeführten Gasgemischs einerseits und des dem Brennstoffzellenstapel zugeführten Gasgemischs andererseits. So kann bei einer relativ hohen Brennstoffzellenlast ein vergleichsweise höherer Anteil der Gesamtfördermenge dem Kathodenraum zugeführt werden, um somit den Strömungswiderstand der Sauerstoffanreicherungsvorrichtung zu umgehen.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist die Sauerstoffanreicherungsvorrichtung eine Nebenproduktauslassleitung auf, durch welche sauerstoffabgereichertes Gasgemisch, das heißt relativ sauerstoffarmes Gasgemisch, aus der Sauerstoffanreicherungsvorrichtung abgeleitet wird. Die Nebenproduktauslassleitung der Sauerstoffanreicherungsvorrichtung kann entweder unmittelbar in die Umwelt, bevorzugt jedoch in die Kathodengasabfuhr, das heißt in den kathodischen Abgasstrom der Brennstoffzelle, münden.
Mit Vorteil kann stromab der Luftfördereinrichtung eine Bypassleitung vorgesehen sein, welche die kathodische Zufuhrleitung und eine Abfuhrleitung der Kathodengasabfuhr miteinander verbindet („kurzschließt”). Dabei kann eine zweite steuer- oder regelbare Verteilereinrichtung vorgesehen sein, die einen Anteil des durch die Bypassleitung geleiteten Gasgemischs einstellt. Die Bypassleitung ermöglicht eine noch flexiblere Reaktion auf verschiedene Lastzustände der Brennstoffzelle. So kann etwa in einem Niedrig- oder Teillastbereich ein Teilstrom des komprimierten Gasgemischs in das Abgas eingeleitet werden, um eine der Lastanforderung entsprechende niedrige Kathodengasversorgung einzustellen. Gleichzeitig kann die Luftfördereinrichtung unverändert in einem wirkungsgradoptimierten Bereich arbeiten, ohne heruntergesteuert zu werden. Die Bypassleitung kann stromauf oder stromab der Abzweigungsstelle für die Rezirkulationsleitung von der kathodischen Zufuhrleitung abzweigen.
Als Sauerstoffanreichungsvorrichtung können praktisch sämtliche im Stand der Technik bekannten Einrichtungen Einsatz finden, beispielsweise Membraneinrichtungen, Gassorptions-Wechseleinrichtungen, Magnetvorrichtungen, Kryoeinrichtungen oder chemische Festbettreaktoren. Membraneinrichtungen basieren auf semipermeablen Membranen, die unterschiedliche Durchlässigkeiten für Sauerstoff und Stickstoff aufweisen. Üblicherweise weisen die Membranen eine höhere Durchlässigkeit für Sauerstoff auf („sauerstoffpermeable Membranen”), so dass im Permeat der Membran ein sauerstoffangereichertes Luftgemisch vorliegt und auf der anderen Seite der Membran ein sauerstoffangereichertes Luftgemisch (Retentat). Das Permeat wird dann der Brennstoffzelle zugeführt, während des Retentat abgeleitet wird. Gassorptions-Wechseleinrichtungen arbeiten üblicherweise mit zwei oder mehr alternierend betriebenen Säulen eines porösen Materials, das Stickstoff und Sauerstoff in unterschiedlichem Maße reversibel adsorbiert, so dass das Eluat entweder sauerstoffangereichertes oder abgereichertes Gasgemisch enthält. Nach Sättigung einer der Säulen, wird der Gasstrom auf die andere Säule gelenkt und die adsorbierte Gaskomponente durch erhöhte Temperatur und/oder verringerten Druck von der ersten Säule wieder freigesetzt. Geeignete Magnetvorrichtungen nutzen hingegen den Paramagnetismus von Sauerstoff aus, so dass in einem magnetischen Feld Sauerstoff von dem nicht paramagnetischen Stickstoff separiert werden kann. Eine derartige Vorrichtung ist etwa in EP 0 878 859 A1 beschrieben. Im Falle chemischer Festbettreaktoren wird der Luftsauerstoff chemisch, beispielsweise durch Oxidbildung reversibel gebunden und kann durch anschließende Wärmezufuhr wieder freigesetzt werden. Auch hier werden üblicherweise zwei oder mehr Säulen im alternierenden Betrieb eingesetzt. Ein solcher chemischer Festbettreaktor ist etwa in US 5,925,322 beschrieben. Von den genannten Sauerstoffanreicherungsvorrichtungen wird vorliegend die Membraneinrichtung unter Verwendung einer O₂-semipermeablen Membran bevorzugt eingesetzt, da diese passiv arbeitet und keinen externen Energiebedarf aufweist.
Als Luftfördereinrichtungen kommen beispielsweise Lüfter, Pumpen oder Verdichter in Frage, wobei letztere elektromotorisch oder durch einen Abgasstrom betrieben werden können.
Die erfindungsgemäße Brennstoffzellenanordnung ist vorzugsweise mit einer Steuereinrichtung ausgestattet, welche eingerichtet ist, die Verteilereinrichtung zur Einstellung des Anteils des rezirkulierten Gasgemischs sowie gegebenenfalls die zweite Verteilereinrichtung in Abhängigkeit von einer Leistungsanforderung des Brennstoffzellenstapels anzusteuern.
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
1 eine Brennstoffzellenanordnung gemäß Stand der Technik;
2 eine Brennstoffzellenanordnung mit einer Sauerstoffanreicherungseinrichtung gemäß Stand der Technik;
3 eine erfindungsgemäße Brennstoffzellenanordnung mit einer Sauerstoffanreicherungseinrichtung.
In 1 ist eine insgesamt mit 10 bezeichnete Brennstoffzellenanordnung gemäß Stand der Technik schematisch dargestellt, wie sie etwa in DE 10 2009 050 934 A beschrieben ist.
Die Brennstoffzellenanordnung 10 umfasst einen Brennstoffzellenstapel 12 (vorliegend auch einfach als Brennstoffzelle bezeichnet), dessen Kathodenraum über eine Kathodengaszufuhr 14 mit einem sauerstoffhaltigen Gasgemisch, insbesondere mit Luft, versorgt wird. Eine Kathodengasabfuhr 16 leitet das Abgas des Kathodenraums ab. Zu diesem Zweck verfügen die Kathodengaszufuhr 14 und die Kathodengasabfuhr 16 über eine kathodenseitige Zufuhrleitung 18 beziehungsweise eine kathodenseitige Abfuhrleitung 20, welche mit dem Kathodenraum der Brennstoffzelle 12 in Verbindung stehen. Die Kathodengaszufuhr 14 weist eine Luftfördereinrichtung 22 auf, welche in der Zufuhrleitung 18 angeordnet ist und die Umgebungsluft fördert und komprimiert.
Stromab der Luftfördereinrichtung 22 zweigt eine Bypassleitung 24 ab, welche die Zufuhrleitung 18 mit der Abfuhrleitung 20 miteinander verbindet, wobei das Teilungsverhältnis des durch die Bypassleitung 24 abgezweigten Teilluftstroms und des der Brennstoffzelle zugeführten Teilluftstroms durch ein Mehrwegeventil 26 eingestellt wird. Diese Anordnung erlaubt, die die Brennstoffzelle beaufschlagende Luftmenge schnell auf eine aktuelle Lastanforderung einstellen zu können. So wird bei einem niedrigen Leistungsbedarf eine vergleichsweise geringe Luftmenge der Brennstoffzelle 12 zugeführt und der restliche geförderte Luftstrom durch die Bypassleitung direkt in das Kathodenabgas abgeleitet.
Eine weitere Brennstoffzellenanordnung 10 gemäß Stand der Technik (z. B. US 5,925,322 ) zeigt schematisch 2, in der übereinstimmende Elemente mit übereinstimmenden Bezugszeichen wie in 1 gekennzeichnet sind. In diesem Fall weist die Kathodengaszufuhr 14 eine in ihrer Zufuhrleitung 18 stromab der Luftfördereinrichtung 22 angeordnete Sauerstoffanreicherungsvorrichtung 28 auf. Diese trennt den geförderten Luftstrom in einen sauerstoffangereicherten Teilluftstrom, der dem Kathodenraum der Brennstoffzelle 12 zugeführt wird, sowie in einen sauerstoffabgereicherten Teilluftstrom, der direkt in die Umgebung oder – wie dargestellt – über eine Nebenproduktauslassleitung 30 in die Abfuhrleitung 20 und somit in den Abgasstrom der Kathode abgeleitet wird. Durch die Sauerstoffanreicherung der der Brennstoffzelle 12 zugeführten Luft wird eine Leistungssteigerung der Brennstoffzelle 12 erzielt.
3 stellt schematisch eine Brennstoffzellenanlage 10 gemäß der vorliegenden Erfindung nach einer bevorzugten Ausgestaltung dar, wobei auch hier übereinstimmende Elemente mit übereinstimmenden Bezugszeichen wie in 1 und 2 gekennzeichnet sind.
Die Brennstoffzellenanlage 10 umfasst einen Brennstoffzellenstapel 12, der üblicherweise eine Vielzahl von parallel geschalteten Einzelzellen umfasst, deren Leistungen sich addieren. Jede Einzelzelle weist eine vorliegend nicht dargestellte Membran-Elektroden-Einheit (MEA) auf, die jeweils eine protonenleitende Polymerelektrolytmembran umfasst sowie zwei sandwichartig an die beiden äußeren Membranflächen anschließende Elektroden, nämlich Anode und Kathode. Ferner umfassen die Einzelzellen zwischen jeweils zwei MEA angeordnete Bipolarplatten, die beidseitig den MEA-Verbund elektrisch kontaktieren und die einzelnen MEA im Brennstoffzellenstapel 12 gasdicht voneinander trennen. Die Bipolarplatten sind mit einer Vielzahl von Transportkanälen ausgestattet, die der Zufuhr der Reaktionsgase (im Fall der Anode der Brennstoff, z. B. Wasserstoff, und im Fall der Kathode ein sauerstoffhaltiges Gasgemisch, z. B. Luft) und der Ableitung der Abgase und kathodenseitig ferner der Abfuhr des Produktwassers dienen. Im Falle von Niedertemperatur-PEM-Brennstoffzellen handelt es sich bei der Membran der MEA beispielsweise um ein perfluoriertes Polymer, insbesondere ein sulfoniertes Polytetrafluorethylen-Copolymer (Handelsname: Nafion), Derartige NT-Polymerelektrolytmembrane benötigen für den Protonentransport eine gewisse Feuchtigkeit. Das benötigte Wasser wird einerseits im Betrieb der Brennstoffzelle durch das kathodenseitige gebildete Produktwasser erhalten und kann andererseits auch extern zugeführt werden, beispielsweise über eine gezielte Befeuchtung der Reaktionsgase. Im Falle von HT-PEM-Brennstoffzellen hingegen werden Membranen aus Polymeren eingesetzt, welche ihre Protonenleitfähigkeit einem Elektrolyten verdanken, mit welchem das Polymermaterial imprägniert ist. Hier kommen vor allem basische N-heteroaromatische Polymere wie Polybenzimidazol zum Einsatz, die mit Säuren wie Phosphorsäure imprägniert sind.
Wie bereits im Zusammenhang mit 1 beschrieben, wird der Kathodenraum der Brennstoffzelle 12 nach 3 über eine kathodenseitige Zufuhrleitung 18 der Kathodengaszufuhr 14 mit einem sauerstoffhaltigen Gasgemisch, insbesondere mit Luft, versorgt und eine Kathodengasabfuhr 16 leitet über eine kathodenseitige Abfuhrleitung 20 das Abgas des Kathodenraums ab. Selbstverständlich umfasst die Brennstoffzellenanordnung 10 auch ein entsprechendes Anodengaszufuhr- und -abfuhrsystem zur Versorgung des Anodenraums der Brennstoffzelle 12 mit einem Brennstoff, beispielsweise Wasserstoff, beziehungsweise zur Abfuhr des anodischen Abgases. Dieses anodenseitige Versorgungssystem ist vorliegend jedoch nicht dargestellt.
In der Zufuhrleitung 18 der Kathodengaszufuhr 14 ist eine Luftfördereinrichtung 22 eingerichtet, die etwa als Lüfter (insbesondere im Falle von Anlagen 10 niedriger Leistungsanforderungen), als Pumpe oder Verdichter ausgestaltet sein kann.
Gegenüber dem in 2 gezeigten Stand der Technik zeichnet sich die Brennstoffzellenanlage 10 gemäß der vorliegenden Erfindung dadurch aus, dass die Sauerstoffanreicherungsvorrichtung 28 nicht in der Zufuhrleitung 18 der Kathodengaszufuhr 14 angeordnet ist, sondern in einer Rezirkulationsleitung 32, die stromab der Luftfördereinrichtung 22 von der kathodischen Zufuhrleitung 18 abzweigt und stromauf der Luftfördereinrichtung 22 wieder in die Zufuhrleitung 18 mündet. Somit wird ein Teil des insgesamt von der Luftfördereinrichtung 22 geförderten Gesamtluftmenge mittels der Sauerstoffanreicherungsvorrichtung 28 sauerstoffangereichert und erneut der Zufuhrleitung 18 stromauf der Luftfördereinrichtung 22 zugeführt, wo sie mit der Umgebungsluft vermischt und teilweise erneut der Luftfördereinrichtung 22 zugeführt wird. Dabei ist das Teilungsverhältnis des der Brennstoffzelle 12 zugeführten Teilstroms und des rezirkulierten Teilstroms über eine Verteilereinrichtung 34, beispielsweise ein Mehrwegeventil, einstellbar. Vorzugsweise ist die Verteilereinrichtung 34 steuerbar oder regelbar, so dass der rückgeführte Teilstrom bedarfsgerecht eingestellt werden kann.
Es entsteht ersichtlich ein Rezirkulationsprozess zwischen der Sauerstoffanreicherungsvorrichtung 28 und der Luftfördereinrichtung 22, der aber nur einen Teil der insgesamt von der Luftfördereinrichtung 22 geförderten Luftmenge umfasst. Hieraus resultiert letztendlich eine Gasversorgung der Kathodenseite der Brennstoffzelle 12, die einen gegenüber der Umgebungsluft erhöhten Sauerstoffanteil sicherstellt. Der Anreicherungsgrad ergibt sich im Wesentlichen aus dem durch das Mehrwegeventil 34 eingestellte Teilungsverhältnis der Teilluftströme, die von der Luftfördereinrichtung 22 einerseits direkt in die Brennstoffzelle 12 und andererseits in die Sauerstoffanreicherungsvorrichtung 28 eingeleitet werden, und weiterhin aus dem O₂-Anreicherungsgrad des aus der Sauerstoffanreicherungsvorrichtung 28 austretenden Teilluftstroms. Nach kurzer Betriebszeit entsteht ein entsprechendes Fließgleichgewicht auf der Kathodeneingangsseite der Brennstoffzelle 12 mit erhöhtem Sauerstoffanteil gegenüber dem ursprünglichen Luftgemisch (Umgebungsluft). In praktischen Ausführungsbeispielen konnten in Abhängigkeit von dem mittels Rezirkulationsventil 34 eingestellten Teilungsverhältnis und der Effizienz der verwendeten Membraneinrichtung 28 eine Sauerstoffanreicherung auf ≤ 30% gegenüber ca. 21% der Umgebungsluft verbunden mit einer entsprechenden Wirkungsgradverbesserung der Brennstoffzelle 12 realisiert werden.
Als Sauerstoffanreicherungsvorrichtung 28 kann grundsätzlich jede bekannte Vorrichtung, die eine Sauerstoffanreicherung im geförderten sauerstoffhaltigen Gasgemisch zu bewirken vermag, Einsatz finden, beispielsweise Membraneinrichtungen, Gassorptions-Wechseleinrichtungen, Magnetvorrichtungen, Kryovorrichtungen oder chemische Festbettreaktoren. Vorzugsweise wird jedoch eine Membraneinrichtung, insbesondere mit einer für Sauerstoff semipermeablen Membran eingesetzt, die in 3 durch die unterbrochenen Diagonale in der Sauerstoffanreicherungsvorrichtung 28 angedeutet ist. In diesem Fall diffundiert der Sauerstoff der Luft in stärkerem Maß durch die Membran als die anderen Bestandteile, so dass im Permeat ein erhöhter Sauerstoffanteil vorliegt, der wieder in die Zufuhrleitung 18 eingespeist wird. Im Retentat hingegen liegt ein relativ sauerstoffarmes (sauerstoffabgereichertes) Gasgemisch vor, das entweder direkt in die Umgebung, vorzugsweise jedoch über eine Nebenproduktauslassleitung 30 in die kathodische Abfuhrleitung 20 abgeführt wird.
Membraneinrichtungen und auch andere Sauerstoffanreicherungsvorrichtungen 28 stellen üblicherweise einen hohen Strömungswiderstand dar, der sich in einem verminderten Massenstrom des Kathodenbetriebsgases und einer verminderten Brennstoffzellenleistung auswirkt. Indem erfindungsgemäß die Sauerstoffanreicherungsvorrichtung 28 jedoch in der Rezirkulationsleitung 32 angeordnet ist, kann der Druckabfall im Kathodenbetriebsgas vermieden werden.
Stromab der Luftfördereinrichtung 22, insbesondere stromab der Abzweigung der Rezirkulationsleitung 32, zweigt eine Bypassleitung 24 ab, welche die kathodische Zufuhrleitung 18 mit der der kathodischen Abfuhrleitung 20 verbindet, wobei der über die Bypassleitung 24 geleitete Teilluftstrom mittels einer weiteren Verteilereinrichtung 26, beispielsweise eines Mehrwegeventils, einstellbar ist. Vorzugsweise ist auch diese Verteilereinrichtung 26 ebenso wie die Verteilereinrichtung 34 steuerbar oder regelbar, so dass der in den Kathodenabgasstrom abgeführte Teilstrom bedarfsgerecht eingestellt werden kann.
Die Steuerung der Brennstoffzelle 10 sowie ihrer angeschlossenen Komponenten erfolgt durch eine elektronische Steuereinrichtung 36. Diese erhält über verschiedene Signalleitungen Eingangsdaten verschiedener Komponenten der Anordnung 10, die von geeigneten Sensoren und Messeinrichtungen (nicht dargestellt) erfasst werden. Beispielsweise kann eine aktuelle Ausgangsleistung der Brennstoffzelle 10 sowie eine angeforderte Leistung eines elektrischen Verbrauchers, beispielsweise eines durch die Brennstoffzelle 12 angetriebenen Elektromotors, von der Steuereinrichtung 36 eingelesen. Handelt es sich bei dem Verbraucher um einen Elektromotor eines Fahrzeugs, kann beispielsweise die angeforderte Leistung über die Betätigung eines Fahrpedals durch den Fahrer mittels eines Pedalwertgebers erfasst werden. Ferner können eine Zellspannung U, ein Zellstrom I und eine Zelltemperatur der Brennstoffzelle 10 in das Steuereinrichtung 36 eingehen sowie ein Ladezustand SOC eines Energiespeichers. In Abhängigkeit der Eingangsdaten steuert die Steuereinrichtung 36 den Betrieb der Brennstoffzelle 12. Insbesondere ist die Steuereinrichtung 36 eingerichtet, den Betrieb der Kathodengaszufuhr 14 der Brennstoffzelle 12 zu steuern. So wird das Mehrwegeventil 34 (Rezirkulationsventil) sowie gegebenenfalls das Mehrwegeventil 26 (Bypassventil) sowie die Luftfördereinrichtung 22 durch die Steuereinrichtung 36 in Abhängigkeit der angeforderten Leistung der Brennstoffzelle 12 angesteuert, so dass die Brennstoffzelle 12 stets mit einem Optimum an Sauerstoffmassenstrom versorgt wird.
Die erfindungsgemäße Einfügung der Sauerstoffanreicherungsvorrichtung 28 in die Rezirkulationsleitung 32 und die Installation des Rezirkulationsprozesses gemäß 3 und vorstehender Beschreibung hat gegenüber der direkten Einfügung einer Sauerstoffanreicherungsvorrichtung in die kathodischen Zufuhrleitung 18 gemäß 2 einige Vorteile:

• Die Brennstoffzelle 12 kann einfacher mit einem erhöhten Gasversorgungsdruck und -durchsatz betrieben werden, da die Sauerstoffanreicherungsvorrichtung 28 mit ihrem betrachtlichen Strömungswiderstand nicht in der Gasversorgungsleitung 18 anfällt.
• Ferner ist es problemlos möglich, Sauerstoffanreicherungsvorrichtungen 28, die deutlich unterschiedliche Betriebsdrücken erfordern als die Brennstoffzelle 12, in das Gesamtsystem einzubinden, da der Druck in der Rezirkulationsleitung 32 mittels des Ventils 34 gesondert eingestellt werden kann. Für eine Sauerstoffanreicherungsvorrichtung 28, die lediglich einem geringeren Betriebdruck ausgesetzt werden darf oder bei einem geringeren Betriebdruck ihren optimalen Betriebsbereich aufweist, wird ein relativ geringes Abzweigungsverhältnis am Ventil 34 (Rezirkulationsventil) gewählt und/oder zusätzlich ein Druckminderer der Sauerstoffanreicherungsvorrichtung 28 vorgeschaltet. Erfordert oder verträgt die Sauerstoffanreicherungsvorrichtung 28 hingegen einen höheren Druck als die Brennstoffzelle 12, gilt entsprechend Umgekehrtes, wobei in diesem Fall noch ein Verdichter in der Sauerstoffanreicherungsvorrichtung 28 vorgeschaltet werden kann.
• Ferner kann die erfindungsgemäße Anordnung 10 schneller und flexibler auf Lastwechsel reagieren, als das System gemäß 2. Bei einem Lastwechsel der Brennstoffzelle 12, insbesondere wenn relativ schnell ein deutlich erhöhter oder erniedrigter Leistungsbedarf angefordert wird, muss die zugeführte Menge sauerstoffhaltigen Gasgemischs entsprechend schnell angepasst werden. Dem steht in der Anordnung nach 2 die Sauerstoffanreicherungsvorrichtung 28 mit ihrem oft hohen Strömungswiderstand entgegen. Auch reagiert der aus der Vorrichtung 28 nach 2 austretende O₂-angereicherte und in die Kathodenseite der Brennstoffzelle 12 direkt eingespeiste Teilluftstrom bei einem Wechsel der Fördermenge oft nur verzögert. Da bei der Neuerung gemäß 3 zumindest ein Teil der der von der Luftfördereinrichtung 22 geförderte Gasgemischmenge direkt in die Brennstoffzelle 12 eintritt, kann hier das System schneller reagieren und zudem insgesamt höhere Massenströme zur Kathodenversorgung darstellen (s. erster Punkt). Zusätzlich kann zudem das Rezirkulationsventil 34 geregelt ausgelegt sein, so dass zum Beispiel bei plötzlicher Leistungs- und somit Gasanforderung der über die Sauerstoffanreicherungsvorrichtung 28 rezirkulierte Gasanteil verringert wird, zugunsten eines erhöhten direkten Gaszustroms in die Brennstoffzelle 12.
• Eine Regelung des Aufteilungsverhältnisses über das Rezirkulationsventil 34 eröffnet darüber hinaus noch zusätzliche Möglichkeiten: Beispielsweise kann bei einem Systemstart, wenn etwa vor dem Losfahren eines mit der Brennstoffzelle betriebenen Elektrofahrzeugs die geforderte elektrische Leistung der Brennstoffzelle 12 noch relativ gering ist, das Rezirkulationsventil 34 so gesteuert werden, dass ein relativ großer Anteil der geförderten Gesamtluftmenge in die Sauerstoffanreicherungsvorrichtung 28 eintritt, um so den Sauerstoffanteil im Rezirkulationssystem rasch zu erhöhen. Wenn anschließend der Fahrbetrieb des Fahrzeugs beginnt, steht bereits ein Gasgemisch für die Kathodenseite der Brennstoffzelle 12 mit stark erhöhtem Sauerstoffanteil zur Verfügung.

Bezugszeichenliste

10: Brennstoffzellenanordnung
12: Brennstoffzellenstapel
14: Kathodengaszufuhr
16: Kathodengasabfuhr
18: kathodenseitige Zufuhrleitung
20: kathodenseitige Abfuhrleitung
22: Luftfördereinrichtung
24: Bypassleitung
26: zweite Verteilereinrichtung/Mehrwegeventil
28: Sauerstoffanreicherungsvorrichtung
30: Nebenproduktauslassleitung
32: Rezirkulationsleitung
34: erste Verteilereinrichtung/Mehrwegeventil
36: Steuergerät

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1371106 B1 [0005]
EP 1357625 A2 [0005]
US 5925322 [0005, 0011, 0020, 0030]
DE 102005054888 A1 [0005]
US 6868677 B2 [0005]
DE 19629265 A1 [0007]
DE 102004010401 A1 [0008]
JP 2006-066204 A [0009]
EP 0878859 A1 [0010, 0020]
DE 102009050934 A1 [0012]
DE 102009050934 A [0027]

Claims

Brennstoffzellenanordnung (10), umfassend einen Brennstoffzellenstapel (12) mit einer Kathodengaszufuhr (14) zur Versorgung eines Kathodenraums des Brennstoffzellenstapels (12) mit einem sauerstoffhaltigen Gasgemisch und mit einer Kathodengasabfuhr (16), wobei die Kathodengaszufuhr (14) eine in einer Zufuhrleitung (18) angeordnete Luftfördereinrichtung (22) aufweist sowie eine Sauerstoffanreicherungsvorrichtung (28) zur Anhebung eines Sauerstoffanteils in dem sauerstoffhaltigen Gasgemisch, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathodengaszufuhr (14) eine Rezirkulationsleitung (32) aufweist, die stromab der Luftfördereinrichtung (22) von der Zufuhrleitung (18) abzweigt und stromauf der Luftfördereinrichtung (22) wieder in die Zufuhrleitung (18) mündet, wobei die Sauerstoffanreicherungsvorrichtung (28) in der Rezirkulationsleitung (32) angeordnet ist.
Brennstoffzellenanordnung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste steuer- oder regelbare Verteilereinrichtung (34) zur Einstellung eines Anteils des durch die Rezirkulationsleitung (32) rezirkulierten Gasgemischs vorgesehen ist.
Brennstoffzellenanordnung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sauerstoffanreicherungsvorrichtung (28) eine Nebenproduktauslassleitung (30) aufweist, durch welche sauerstoffabgereichertes Gasgemisch aus der Sauerstoffanreicherungsvorrichtung (28) abgeleitet wird.
Brennstoffzellenanordnung (10) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Nebenproduktauslassleitung (30) der Sauerstoffanreicherungsvorrichtung (28) in eine Abfuhrleitung (20) der Kathodengasabfuhr (16) mündet.
Brennstoffzellenanordnung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass stromab der Luftfördereinrichtung (22) eine Bypassleitung (24) die Zufuhrleitung (18) der Kathodengaszufuhr (14) und eine Abfuhrleitung (20) der Kathodengasabfuhr (16) miteinander verbindet.
Brennstoffzellenanordnung (10) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine zweite steuer- oder regelbare Verteilereinrichtung (26) zur Einstellung eines Anteils des durch die Bypassleitung (24) geleiteten Gasgemischs vorgesehen ist.
Brennstoffzellenanordnung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sauerstoffanreicherungsvorrichtung (28) eine Membraneinrichtung, eine Gassorptions-Wechseleinrichtung, eine Magnetvorrichtung und/oder einen chemischen Festbettreaktor umfasst.
Brennstoffzellenanordnung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftfördereinrichtung (22) einen Lüfter, eine Pumpe oder einen Verdichter umfasst.
Brennstoffzellenanordnung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuereinrichtung (36) vorgesehen ist, welche eingerichtet ist, die erste Verteilereinrichtung (34) zur Einstellung des Anteils des rezirkulierten Gasgemischs in Abhängigkeit von einer Leistungsanforderung an den Brennstoffzellenstapel (12) anzusteuern.