-
Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem mit einer Brennstoffzelle nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.
-
Brennstoffzellensysteme, beispielsweise Brennstoffzellensysteme mit PEM-Brennstoffzellen zur Erzeugung von elektrischer Antriebsleistung in zumindest teilweise elektrisch angetriebenen Fahrzeugen, sind aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. Derartige Brennstoffzellensysteme können jedoch auch in stationären Anwendungen eingesetzt werden.
-
Problematisch bei Brennstoffzellensystemen ist es immer, dass keine Wasserstoffemissionen an die Umgebung des Brennstoffzellensystems gelangen sollen. Nun muss typischerweise der Anodenraum einer Brennstoffzelle eines solchen Brennstoffzellensystems jedoch mit einem gewissen Wasserstoffüberschuss betrieben werden, um die zur Verfügung stehende Fläche bestmöglichst ausnutzen zu können. Dieser Wasserstoffüberschuss wird dann entweder im Kreislauf um den Anodenraum zurückgeführt oder an die Umgebung abgelassen. Auch bei der Zurückführung in einem sogenannten Anodenkreislauf kommt es mit der Zeit zu einer Anreicherung von unerwünschten inerten Gasen und Wasser in diesem Anodenkreislauf, welche abgelassen werden müssen. Dabei geht unweigerlich immer auch ein Teil des Wasserstoffs mit verloren, sodass in jedem Fall, unabhängig davon, ob ein Anodenkreislauf eingesetzt wird oder nicht, ein Anodenabgas vorliegt, welches zumindest Reste von Wasserstoff aufweist. Um zu verhindern, dass diese Reste von Wasserstoff nun an die Umgebung gelangen, ist es aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt, dass dieser Wasserstoff an katalytischen Einheiten abreagiert oder in Brennern nachverbrannt wird. Typischerweise erfolgt dies zusammen mit dem Abgas aus dem Kathodenraum der Brennstoffzelle in einem Brenner oder insbesondere in einem katalytischen Brenner. Um Druck und Temperatur in den Verbrennungsabgasen nicht ungenutzt zu lassen, weisen die Brennstoffzellensysteme der beschriebenen Art typischerweise eine Turbine in Strömungsrichtung nach dem Brenner auf, welche die in den Verbrennungsabgasen enthaltene Energie zumindest teilweise zurückgewinnt.
-
Ein Aufbau, welcher diesem beschriebenen Aufbau ähnlich ist, ist beispielsweise in der
DE 10 2009 014 592 A1 beschrieben. Dabei wird ein Brenner beziehungsweise katalytischer Brenner vor einer Turbine mit optionalem Brennstoff aus dem Brennstoffspeicher für die Brennstoffzelle betrieben. Wasser und Abgase, welche aus dem Anodenkreislauf abgelassen werden, werden in diesem Ausführungsbeispiel dem Zuluftstrom zum Kathodenraum zugeführt, um an der katalytischen Oberfläche des Kathodenraums abzureagieren. Es ist aus dem allgemeinen Stand der Technik jedoch auch bekannt, diese dem Brenner zuzuführen.
-
Eine Problematik bei dem eingangs beschriebenen Aufbau liegt nun darin, dass eine Turbine vergleichsweise empfindlich auf flüssige Wassertröpfchen reagiert, welche bei den sehr hohen auftretenden Geschwindigkeiten in der Turbine, die Turbine nachhaltig schädigen können. Außerdem kann Wasser im Bereich der Turbine einfrieren und so deren Funktionalität bei einem Start des Brennstoffzellensystems bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts beeinträchtigen. Um dieser Problematik entgegenzuwirken, ist es aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt, vor der Turbine einen Wasserabscheider anzuordnen, um flüssiges Wasser aus dem zu der Turbine strömenden Gasstrom abzuscheiden. Beispielhaft wird für einen solchen – in diesem Fall turbinenintegrierten – Wasserabscheider auf die
DE 10 2007 042 785 A1 verwiesen.
-
Ein weiteres Problem beim Vermeiden von Wasserstoffemissionen aus einem Brennstoffzellensystem an die Umgebung liegt nun darin, dass Wasserstoff sich bekanntermaßen besonders schlecht mit Luft mischen lässt. Um eine saubere Verbrennung beziehungsweise eine hundertprozentige Umsetzung des Restwasserstoffs zu erreichen, ist jedoch ein sehr homogenes Gemisch aus Luft beziehungsweise Restsauerstoff in der Abluft des Kathodenraums und Wasserstoff notwendig. Da die beteiligten Stoffe sich jedoch sehr schlecht mischen, sind entsprechend lange Mischstrecken oder aufwändige Gemischbildungseinheiten notwendig. All dies ist insbesondere beim Einsatz von Brennstoffzellensystemen in Fahrzeugen jedoch ein gravierendes Problem, da es zusätzlichen Bauraum benötigt, Gewicht und Kosten verursacht und im Falle einer zusätzlichen Gemischbildungskomponente eine weitere Komponente mit der Gefahr des Ausfallrisikos erforderlich macht.
-
Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, diesen genannten Nachteilen zu begegnen und ein Brennstoffzellensystem anzugeben, welches diese vermeidet.
-
Erfindungsgemäß wird die genannte Aufgabe durch ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems sind in den hiervon abhängigen Unteransprüchen angegeben.
-
Die erfindungsgemäße Lösung nutzt ähnlich wie der Stand der Technik ein Brennstoffzellensystem, bei dem eine Turbine zur Energierückgewinnung aus Verbrennungsabgasen eingesetzt wird, wobei in einem Leitungselement für das Kathodenabgas zwischen dem Kathodenraum und dem Brenner ein Wasserabscheider vorgesehen ist. Anstelle der bisher üblichen Dosierung des Anodenabgases entweder direkt in den Brenner oder in das Kathodenabgas unmittelbar vor dem Brenner, erfolgt die Zufuhr des Anodenabgases in das Kathodenabgas erfindungsgemäß nun in Strömungsrichtung vor dem Wasserabscheider. Dies hat den entscheidenden Vorteil, dass der Wasserabscheider, welcher typischerweise ohnehin Einbauten zur Umlenkung der Strömung aufweist, um Tröpfchen bestmöglichst abscheiden zu können, gleichzeitig als Komponente zum Vermischen des Anodenabgases mit dem Kathodenabgas genutzt werden kann. Ohne zusätzliche Komponente und ohne ein langes Leitungselement als Mischstrecke wird somit unter Ausnutzung der ohnehin vorhandenen Bauteile eine sehr gute Durchmischung des Anodenabgases mit dem Kathodenabgas erreicht. Damit liegt auch eine sehr gute Durchmischung des Restwasserstoffs in dem Anodenabgas und des Restsauerstoffs in dem Kathodenabgas vor. Nachdem diese Gase sehr gut durchmischt worden sind, strömen sie vom Wasserabscheider in den Brenner und werden dort verbrannt. Aufgrund der guten Durchmischung kann die Verbrennung sehr gut erfolgen, sodass einerseits eine hohe Energieausbeute erzielt wird und andererseits Wasserstoffemissionen an die Umgebung verhindert werden können. Gleichzeitig scheidet der Wasserabscheider, wie bisher auch, flüssiges Wasser aus dem Kathodenabgas, und neu auch aus dem Anodenabgas, ab, sodass dieses nicht in den Bereich des Brenners und insbesondere nicht in den Bereich der Turbine gelangt. Damit lässt sich die Turbine sehr effizient vor Beschädigungen schützen.
-
Insbesondere beim optionalen Einsatz eines katalytischen Brenners als Brenner kann außerdem eine Benetzung der katalytischen Oberfläche mit flüssigem Wasser verhindert werden und somit bei minimaler Baugröße des katalytischen Brenners eine ideale Verbrennung gewährleistet werden.
-
Alternativ zu einem katalytischen Brenner wären selbstverständlich auch andere Brenner, beispielsweise ein Flammbrenner, ein Porenbrenner oder dergleichen, denkbar. Auch diese können, ohne dass flüssiges Wasser in sie eindringt und mitverdampft werden muss, eine bessere Verbrennung.
-
In einer weiteren sehr günstigen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems kann es ferner vorgesehen sein, dass der Wasserabscheider Einbauten zur Durchmischung der ihn durchströmenden Gase aufweist. Zusätzlich zu den ohnehin vorhandenen Einbauten in einem Wasserabscheider, welche eine Umlenkung der Gase erzwingen und so flüssige Tröpfchen aus dem Gasstrom abscheiden, können bei dem erfindungsgemäßen Aufbau weitere zusätzliche Einbauten zur Durchmischung der in dem Wasserabscheider strömenden Gase vorgesehen sein. Diese können beispielsweise in Form von Leitblechen, Gittern, insbesondere jedoch in Form von Gestricken oder Schüttungen ausgebildet sein. Diese Einbauten setzen den den Wasserabscheider durchströmenden Gasen einen vergleichsweise großen Strömungswiderstand entgegen. Allerdings erreichen sie eine sehr gute Durchmischung der sie durchströmenden Gase mit den oben beschriebenen Vorteilen. Zusätzlich wird durch solche Einbauten auch die Abscheidung des flüssigen Wassers in dem Gasstrom verbessert.
-
Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem kann also entsprechend einfach, kompakt und zuverlässig arbeitend aufgebaut werden. Es eignet sich insbesondere für Anwendung, in denen ein kompaktes, leichtes und zuverlässiges System von besonderem Vorteil ist, beispielsweise zur Verwendung in Fahrzeugen. Unter Fahrzeugen im Sinne der hier vorliegenden Erfindung können dabei sämtliche Fahrzeuge auf dem Wasser oder auf dem Lande oder gegebenenfalls auch in der Luft verstanden werden, welche mit oder ohne einen Fahrzeugführer zu Transportzwecken oder für den Individualverkehr eingesetzt werden.
-
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems ergeben sich ferner aus den restlichen abhängigen Patentansprüchen und werden anhand des Ausführungsbeispiels deutlich, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben wird.
-
Dabei zeigen:
-
1 ein Brennstoffzellensystem gemäß der Erfindung in einer ersten Ausführungsform; und
-
2 ein Brennstoffzellensystem gemäß der Erfindung in einer zweiten Ausführungsform.
-
Das in der Darstellung der 1 erkennbare Brennstoffzellensystem 1 weist im Wesentlichen eine Brennstoffzelle 2 zur Erzeugung von elektrischer Leistung auf. Die Brennstoffzelle 2 soll als PEM-Brennstoffzelle ausgebildet sein, bei welcher ein Anodenraum 3 der Brennstoffzelle 2 über eine für Protonen durchlässige Membran 4 von einem Kathodenraum 5 getrennt ausgebildet ist. Typischerweise besteht die Brennstoffzelle 2 dabei aus einer Vielzahl von Einzelzellen, welche zu einem sogenannten Brennstoffzellenstack aufgestapelt sind.
-
Dem Anodenraum 3 der Brennstoffzelle 2 wird Wasserstoff aus einem Druckgasspeicher 6 über ein Druckregel- und Dosierventil 7 zugeführt. Um die in dem Anodenraum 3 zur Verfügung stehende Fläche ideal ausnutzen zu können, wird typischerweise mehr Wasserstoff durch den Anodenraum 3 geleitet, als in diesem elektrochemisch umgesetzt werden kann. Der verbleibende Überschusswasserstoff gelangt in dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel zusammen mit einem geringen Teil des in der Brennstoffzelle 2 entstehenden Produktwassers und gegebenenfalls Inertgasen, welche durch die Membranen 4 vom Kathodenraum 5 in den Anodenraum 3 diffundiert sind, als Anodenabgas in ein Leitungselement 8, über welches es aus dem Kathodenraum 3 abgeführt wird. Während des Betriebs der Brennstoffzelle wird dem Kathodenraum 5 der Brennstoffzelle 2 über eine Luftfördereinrichtung 9 Luft als Sauerstofflieferant zugeführt. Die hinsichtlich ihres Sauerstoffgehalts abgereicherte Abluft wird zusammen mit dem größten Teil des in der Brennstoffzelle 2 entstehenden Produktwassers als Kathodenabgas über ein Leitungselement 1a aus dem Kathodenraum 5 abgeführt. Sie gelangt über eine Turbine 11 in die Umgebung. Die Turbine 11 dient dabei zur Rückgewinnung der in dem Kathodenabgas enthaltenen Energie und ist typischerweise auf einer gemeinsamen Welle 12 mit der Luftfördereinrichtung 9 angeordnet. Der Aufbau aus Turbine 11, Luftfördereinrichtung 9 und gemeinsamer Welle 12 kann außerdem eine elektrische Maschine 13 aufweisen. Dieser Aufbau aus Turbine 11, Luftfördereinrichtung 9 und elektrischer Maschine 13 wird auch als elektrischer Turbolader oder ETC (Electric Turbo Charger) bezeichnet. Diese elektrische Maschine 13 wird typischerweise motorisch betrieben und stellt die für die Luftfördereinrichtung 9 benötigte Energie, abzüglich des von der Turbine 11 gelieferten Anteils, zur Verfügung. In besonderen Fällen kann es auch sein, dass im Bereich der Turbine 11 mehr Energie erzeugt wird, als zum Antrieb der Luftfördereinrichtung 9 benötigt wird. In diesem Fall kann die elektrische Maschine 13 auch generatorisch betrieben werden, um elektrische Leistung zu erzeugen, welche in dem Brennstoffzellensystem 1 oder einem mit ihm ausgerüsteten Fahrzeug anderweitig verwendet werden oder gespeichert werden kann.
-
Um einerseits Wasserstoffemissionen an die Umgebung zu verhindern und andererseits die Energieausbeute im Bereich der Turbine 11 zu erhöhen, ist es nun so, dass das in dem Leitungselement 8 befindliche Anodenabgas mit dem im Leitungselement 10 befindlichen Kathodenabgas vermischt und einem in Strömungsrichtung vor der Turbine 11 angeordneten Brenner 14 zugeführt wird. Der Brenner 14 kann beispielsweise als Flammbrenner oder Porenbrenner, idealerweise jedoch als katalytischer Brenner ausgebildet sein. In dem Brenner 14 wird der in dem Anodenabgas befindliche Restwasserstoff mit dem in Anodenabgas befindlichen Restsauerstoff entsprechend verbrannt. Die Verbrennungsabgase des katalytischen Brenners 14 weisen dann neben dem gegenüber der Umgebung erhöhten Druck außerdem eine erhöhte Temperatur auf. Diese Energie in Form von Druck und Temperatur wird dann größtenteils in der Turbine 11 in Antriebsleistung für die elektrische Maschine 13 und/oder die Luftfördereinrichtung 9 umgewandelt.
-
Um im Bereich des katalytischen Brenners 14 eine gute Verbrennung des in dem Abgas befindlichen Restwasserstoffs mit dem in den Abgasen befindlichen Restsauerstoff gewährleisten zu können, ist eine sehr gute Durchmischung der beiden Abgase notwendig. Insbesondere Wasserstoff mischt sich jedoch sehr schlecht mit Luft, sodass hierfür typischerweise spezielle Gemischbilder oder sehr lange Mischstrecken notwendig sind. Insbesondere beim Einsatz eines Brennstoffzellensystems 1 in einem Fahrzeug ist dies jedoch aufgrund des benötigten Bauraums und des verursachten Gewichts unerwünscht. Der hier beschriebene Aufbau des Brennstoffzellensystems 1 nutzt daher einen typischerweise ohnehin vorhandenen Wasserabscheider 15, dessen Aufgabe es ist, Produktwasser aus dem Kathodenabgas abzuscheiden, um die empfindlichen Schaufeln der sehr schnelllaufenden Turbine 11 vor Wassertröpfchen zu schützen, um eine sehr gute Vermischung des aus dem Leitungselement 10 stammenden Kathodenabgases mit dem aus dem Leitungselement 8 strömenden Anodenabgas zu erreichen. Das Anodenabgas wird dafür in Strömungsrichtung vor dem Wasserabscheider 15 in den Abgasstrom des Kathodenabgases eingebracht. Im Bereich des Wasserabscheiders, welcher typischerweise ohnehin Aufbauten zur Umlenkung der Strömung, um Wassertröpfchen abzuscheiden, aufweist, erfolgt dann eine sehr gute Durchmischung der beiden Abgase, sodass im Bereich des katalytischen Brenners 14 ein sehr homogenes Gemisch von Restwasserstoff und Restsauerstoff sowie Inertgasen und Wasserdampf anlangt. Dies ermöglicht eine sehr gute Verbrennung, mit maximaler Energieausbeute einerseits und verhindert aufgrund der sehr guten Verbrennung des Wasserstoffs andererseits Wasserstoffemissionen an die Umgebung.
-
Die typischerweise ohnehin vorhandenen Einbauten in dem Wasserabscheider 15 reichen in den meisten Fällen aus, um eine sehr gute Durchmischung sicherzustellen. Optional ist es selbstverständlich möglich, weitere Einbauten zur Verbesserung der Durchmischung im Bereich des ohnehin vorhandenen Wasserabscheiders 15 vorzusehen. Diese könnten beispielsweise in Form von metallischen Gestricken, Gittern, Schüttungen oder dergleichen ausgebildet sein. Zwar erhöhen diese Einbauten den Druckverlust in dem Wasserabscheider 15, sie sorgen jedoch für eine sehr gute und gleichmäßige Durchmischung der in den Wasserabscheider 15 eingebrachten Gase und können zusätzlich die Abscheidung des flüssigen Wassers verbessern.
-
In der Darstellung der 2 ist eine alternative Ausführungsform eines Brennstoffzellensystems 1 zu erkennen. Dieses entspricht über weite Teile dem in 1 bereits dargestellten Aufbau, sodass nachfolgend lediglich auf die Unterschiede gegenüber dem oben beschriebenen Brennstoffzellensystem 1 eingegangen werden soll.
-
Der wesentliche Unterschied zwischen den Brennstoffzellensystemen 1 besteht in einem sogenannten Anodenkreislauf 16, welcher Gas aus dem Ausgang des Anodenraums 3 über eine Rezirkulationsleitung 17 sowie eine Rezirkulationsfördereinrichtung 18 zum Eingang des Anodenraums 3 zurückführt und dieses Gas zusammen mit frischem Wasserstoff dem Anodenraum 3 zuführt. Die Rezirkulationsfördereinrichtung 18 kann dabei als Gebläse, als Gasstrahlpumpe und/oder als Kombination hiervon ausgeführt sein.
-
Im Bereich des Anodenkreislaufs 16 reichert sich mit der Zeit der geringe im Anodenraum 3 entstehende Teil des Produktwassers an. Außerdem kommt es zu einer Anreicherung von durch die Membranen 4 hindurch diffundierten Inertgasen. Im Laufe der Zeit wird während des Betriebs also die Wasserstoffkonzentration in dem Anodenkreislauf 16 entsprechend sinken. Von daher muss entweder von Zeit zu Zeit diskontinuierlich oder auch kontinuierlich über eine entsprechende Blende sowohl Wasser als auch Gas aus dem Anodenkreislauf 16 abgelassen werden. Hierzu ist im Bereich des Anodenkreislaufs 16 ein Wasserabscheider 19 angedeutet, welcher hier beispielhaft über eine Ventileinrichtung 20, eine Blende mit kontinuierlicher Durchströmung wäre ebenso denkbar oder parallel zur Ventileinrichtung 20 möglich, mit dem Leitungselement 8 für das Anodenabgas verbunden ist. Das Anodenabgas wird über das Leitungselement 8 analog zum oben beschriebenen Ausführungsbeispiel vor dem Wasserabscheider 15 wiederum mit dem Kathodenabgas in dem Leitungselement 10 vermischt und dem Brenner 14 und der Turbine 11 zugeführt.
-
Bei dem in 2 dargestellten Aufbau des Brennstoffzellensystems 1 soll es nun zusätzlich möglich sein, dem katalytischen Brenner 14 zusätzlichen optionalen Brennstoff zuzuführen. Dafür ist eine Brennstoffleitung 21 mit einer Ventileinrichtung 22 vorgesehen. Die Brennstoffleitung 21 führt bei geöffneter Ventileinrichtung 22 den Brennstoff aus dem Druckgasspeicher 6 in den Bereich des Kathodenabgases, und zwar ebenfalls bevor dieses den Wasserabscheider 15 durchströmt. Also kann auch hier der Wasserabscheider 15 zur Durchmischung des Kathodenabgases mit dem Anodenabgas und/oder dem optionalen Brennstoff aus der Brennstoffleitung 21 genutzt werden. Dieser Aufbau ermöglicht es, durch zusätzlichen Brennstoff, gezielt einen Energieüberschuss im Bereich des katalytischen Brenners 14 und damit im Bereich der Turbine 11 zu generieren. Falls der Restsauerstoff in dem Kathodenabgas nicht ausreicht, kann hierfür außerdem ein sogenannter Systembypass 23 mit einem Systembypassventil 24 genutzt werden. Dieser Systembypass 23, der ohnehin häufig vorhanden ist, um beispielsweise beim Abschalten des Brennstoffzellensystems 1 den unnötigen Eintrag von Restsauerstoff in den Kathodenraum 5 zu verhindern, kann dann ganz oder teilweise geöffnet werden, um zusätzliche Luft und damit zusätzlichen Sauerstoff im Bereich des Leitungselements 10 bereitzustellen und so die Voraussetzungen für die Verbrennung auch einer größeren Menge an Brennstoff in dem katalytischen Brenner 14 zu schaffen.
-
Der Aufbau kann beispielsweise zur Erzeugung einer größeren Wärmemenge im Kaltstartfall genutzt werden, oder beispielsweise auch dazu, im Bereich der Turbine 11 bewusst mehr Leistung bereitzustellen, als die Luftfördereinrichtung 9 benötigt, um die so im Bereich der elektrischen Maschine 13 anfallende elektrische Leistung andersweitig verwenden zu können, beispielsweise um den Antrieb eines Fahrzeugs in einer Phase zu realisieren, indem die Leistung aus der Brennstoffzelle 2 nicht ausreicht, oder aufgrund eines noch erfolgenden Kaltstartvorgangs der Brennstoffzelle 2 noch nicht ausreicht.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- DE 102009014592 A1 [0004]
- DE 102007042785 A1 [0005]
