-
Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art. Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Brennstoffzellensystems.
-
Brennstoffzellensysteme sind aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. Sie können beispielsweise zur Erzeugung von elektrischer Antriebsleistung in Fahrzeugen, welche dann im Allgemeinen als Brennstoffzellenfahrzeuge bezeichnet werden, eingesetzt sein. Geeignete Typen von Brennstoffzellen sind beispielsweise sogenannte PEM-Brennstoffzellen, bei welchen ein Anodenraum der Brennstoffzelle über eine protonenleitende Membran von einem Kathodenraum der Brennstoffzelle getrennt ausgeführt ist. Als Beispiel für derartige Brennstoffzellen soll auf die
DE 695 15 132 T2 verwiesen werden. Das dort beschriebene Brennstoffzellensystem zeigt einen bei derartigen Brennstoffzellensystemen an sich bekannten und üblichen Aufbau einer sogenannten Anodenrezirkulation. Hierbei wird Wasserstoff vom Ausgang des Anodenraums zum Eingang des Anodenraums zurückgeführt und dem Anodenraum vermischt mit frischem Wasserstoff erneut zugeführt. Dies erlaubt einen vergleichsweise hohen Volumenstrom durch den Anodenraum, welcher neben der guten Versorgung aller elektrochemisch aktiven Flächenteile innerhalb des Anodenraums insbesondere auch dafür sorgt, dass im Anodenraum entstehendes Produktwasser und Inertgase, welche durch die Membranen vom Kathodenraum in den Anodenraum diffundiert sind, sicher und zuverlässig ausgetragen werden.
-
Als Rezirkulationsfördereinrichtung kommt dabei eine Gasstrahlpumpe zum Einsatz, welche über den Druck des Wasserstoffs, der ohnehin unter hohem Druck in einem Druckgasspeicher bevorratet werden muss, angetrieben wird. Problematisch ist es nun, dass Gasstrahlpumpen typischerweise auf einen bestimmten Lastpunkt ausgelegt sein müssen, bei welchem sie eine ideale Pumpwirkung und damit eine ideale Rezirkulation des Gasstroms gewährleisten. Nun ist es jedoch so, dass bei der Brennstoffzelle der Volumenstrom an zugeführtem Wasserstoff in Abhängigkeit der Last der Brennstoffzelle variiert werden muss, da je nach Lastanforderungen an die Brennstoffzelle unterschiedliche Mengen an Wasserstoff verbraucht werden. Da sich eine Gasstrahlpumpe schlecht über den gesamten Leistungsbereich des Brennstoffzellensystems auslegen lässt, bei hohen Lasten jedoch einen entsprechend hohen Wirkungsgrad aufweisen muss, um keinen unnötigen Strömungsdruckverlust zu verursachen, ist es in der genannten Schrift vorgeschlagen, dass über den Vordruck des Treibstrahls der Gasstrahlpumpe eine derartige Anpassung erfolgt. Dies ist insbesondere im oberen Lastbereich eine sehr gute Anpassung, nicht jedoch im unteren Lastbereich.
-
Um dieser Problematik entgegenzuwirken, ist es aus der
DE 11 2009 000 984 T5 nun außerdem bekannt, zusätzlich zu der Gasstrahlpumpe ein Wasserstoffrezirkulationsgebläse vorzusehen. Die Gasstrahlpumpe ist dabei auf die hohen Lasten ausgelegt, das Rezirkulationsgebläse unterstützt die Rezirkulation im Bereich der unteren Lasten, da insbesondere hier eine Rezirkulation unbedingt notwendig ist, da aufgrund des ohnehin schon geringeren Volumenstroms ansonsten der Austrag von Produktwasser und inerten Gasen nachhaltig gestört sein kann. Der Aufbau ist jedoch außerordentlich komplex und benötigt neben der Gasstrahlpumpe eine weitere Rezirkulationsfördereinrichtung in Form des Gebläses. Dieses benötigt entsprechenden Bauraum, erhöht das Gewicht des Brennstoffzellensystems und hat einen vergleichsweise hohen Energiebedarf. Darüber hinaus verursacht ein derartiges Gebläse im Betrieb Lärm, welcher insbesondere im Teillastbetrieb, wenn der Rest des Systems vergleichsweise leise ist, höchst unerwünscht ist.
-
Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, ein Brennstoffzellensystem anzugeben, welches diese Nachteile vermeidet. Außerdem ist es die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Betreiben eines derartigen Brennstoffzellensystems anzugeben.
-
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch das Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen. Die verfahrensgemäße Lösung ist im Anspruch 5 beschrieben. Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich ebenfalls aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen.
-
Bei dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem ist es vorgesehen, dass die Rezirkulation über eine Gasstrahlpumpe erfolgt. Die Gasstrahlpumpe ist dabei, anders als bei den Brennstoffzellensystemen gemäß dem Stand der Technik, auf Teillast ausgelegt. Dies bedeutet, dass die Gasstrahlpumpe im Teillastbetrieb ihren idealen Betriebspunkt hat und damit im Teillastbetrieb mit sehr hohem Wirkungsgrad den gewünschten Rezirkulationsstrom bereitstellt. Hierdurch wird vor allem im hinsichtlich der Austrags von Wasser und Inertgas kritischen Teillastbetrieb erreicht, dass eine sehr gute Rezirkulation stattfindet.
-
In einer besonders günstigen und vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems ist es dabei vorgesehen, dass die Gasstrahlpumpe auf 20–50%, vorzugsweise auf ca. 40% des Volllastvolumenstroms als idealer Betriebspunkt ausgelegt ist. Eine solche Auslegung auf ca. 40% des Volllastvolumenstroms hat sich dabei als ideale Teillastauslegung erwiesen, da insbesondere in diesem Bereich der Last, welcher insbesondere beim Betreib von Brennstoffzellensystemen in Fahrzeugen sehr häufig vorkommt, die ideale Rezirkulation und damit das ideale Freispülen des Anodenraums der Brennstoffzelle erzielt werden kann.
-
Gemäß einer besonders günstigen Weiterbildung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems ist es ferner vorgesehen, dass die Gasstrahlpumpe als einzige Rezirkulationsfördereinrichtung in der Rezirkulationsleitung vorgesehen ist. Insbesondere kann bei dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem auf eine weitere Rezirkulationsfördereinrichtung, beispielsweise ein Wasserstoffrezirkulationsgebläse, verzichtet werden. Dies ermöglicht die Einsparung von Gewicht und Bauraum und reduziert die für das Brennstoffzellensystem anfallenden Kosten.
-
In einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems kann es außerdem vorgesehen sein, dass die Rezirkulationsleitung vor der Rezirkulationsfördereinrichtung über eine Ventileinrichtung mit einer Abgasleitung verbindbar ist. Eine solche Verbindung zu einer Abgasleitung vor der Rezirkulationsfördereinrichtung erlaubt es, das Brennstoffzellensystem über die Ventileinrichtung gesteuert bei Bedarf einerseits mit Rezirkulation zu betreiben und andererseits auf die Rezirkulation zu verzichten und das Brennstoffzellensystem als sogenanntes Near-Dead-End-Brennstoffzellensystem zu verwenden.
-
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es nun vorgesehen, dass das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem mit zunehmender Last so betrieben wird, dass der Vordruck von frischem Wasserstoff vor der Gasstrahlpumpe erhöht wird. Da bei Brennstoffzellensystemen typischerweise der frische Wasserstoff als Treibgasstrom für die Gasstrahlpumpe eingesetzt wird, erzielt eine solche Druckerhöhung des frischen Wasserstoffs in Abhängigkeit der Last eine Vergrößerung der Spreizung des Lastbereichs der Gasstrahlpumpe, sodass trotz der Auslegung der Gasstrahlpumpe, vorzugsweise auf ca. 40% der Volllast, eine entsprechend hohe Lastspreizung erzielt werden kann.
-
Gemäß einer besonders günstigen und vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt die Druckerhöhung dabei linear zur Last der Brennstoffzelle. Eine solche linear zur Last der Brennstoffzelle verlaufende Druckerhöhung ermöglicht trotz der Auslegung der Gasstrahlpumpe auf Teillast einen sich steigernden Massenstrom innerhalb der Gasstrahlpumpe. Damit ist sichergestellt, dass die Gasstrahlpumpe zumindest im Teillastbereich sehr gut arbeitet und in diesem für den Betrieb des Brennstoffzellensystems besonders kritischen Bereich für einen zuverlässigen Austrag von Inertgasen und Wasser aus dem Anodenraum sorgt. Auch bei höheren Lasten wird durch die Erhöhung des Vordrucks sichergestellt, dass eine Rezirkulation zumindest noch bis zu einem gewissen Grad stattfinden kann. Hierdurch wird bei dem bei höheren Lasten ohnehin höheren Massenstrom und die dann nach wie vor stattfindende Rezirkulation, welche gegebenenfalls jedoch etwas eingeschränkt sein kann, ein ausreichender Austrag von Wasser und Inertgasen aus dem Anodenraum erreicht.
-
In einer besonders günstigen und vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann es außerdem vorgesehen sein, dass die Brennstoffzelle bei höheren Lasten ohne Rezirkulation von Anodenabgas betrieben wird. Bei dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem kann, wie oben bereits erwähnt, eine Ventileinrichtung im Bereich der Rezirkulationsleitung vorgesehen sein, welche die Rezirkulationsleitung in einem Bereich vor der Rezirkulationsfördereinrichtung mit einer Abgasleitung verbinden kann. Wird diese Ventileinrichtung nun bei höheren Lasten, insbesondere bei Lasten von mehr als 60–80% der Volllast geöffnet, dann wechselt der Betrieb der Brennstoffzelle vom Betrieb mit Anodenrezirkulation in einen sogenannten Near-Dead-End-Betrieb ohne Anodenrezirkulation. Dieser ist jedoch bei den hohen Lasten ausreichend, da aufgrund des höheren Volumenstroms nach wie vor ausreichend viel Wasser aus dem Bereich des Anodenraums ausgetragen und die Inertgase ausgespült werden. Der Betrieb kann also bei höheren Lasten auch problemlos als Near-Dead-End-Betrieb realisiert werden, sodass ein Betrieb der Gasstrahlpumpe mit der Drucküberhöhung bis zu diesen höheren Lasten ausreichend ist.
-
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es dabei vorgesehen, dass bei niedrigeren Lasten der Wasserstoffüberschuss gegenüber dem Wasserstoffbedarf der Brennstoffzelle auf mehr als 10%, vorzugsweise auf ca. 20% eingestellt wird, das also der Anodenraum mit der 1,2-fachen Menge an Wasserstoff versorgt wird. Bei höheren Lasten, insbesondere dann, wenn auf die Rezirkulation verzichtet wird, kann gemäß des erfindungsgemäßen Verfahrens dann der Wasserstoffüberschuss gegenüber dem Wasserstoffbedarf der Brennstoffzelle auf unter 10%, vorzugsweise auf etwa 5% eingestellt werden. Ein solcher Wasserstoffüberschuss von ca. 1,05 reicht dabei aufgrund des an sich sehr hohen Volumenstroms aus, um die Anode ausreichend zu durchspülen und stellt andererseits sicher, dass der Wasserstoffverlust, welcher im Near-Dead-End-Betrieb nicht gänzlich zu vermeiden ist, entsprechend gering ausfällt.
-
Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems sowie des Verfahrens zum Betreiben eines derartigen Brennstoffzellensystems ergeben sich aus den restlichen abhängigen Unteransprüchen und werden anhand der Zeichnung deutlich, welche zur Beschreibung des nachfolgenden Ausführungsbeispiels dient.
-
Dabei zeigt die einzige beigefügte Figur ein Brennstoffzellensystem in einer Prinzipdarstellung in einem Fahrzeug.
-
Die einzige beigefügte Figur zeigt ein Brennstoffzellensystem 1 in einem für die Erfindung relevanten Ausschnitt. Es ist in einer Prinzipdarstellung in einem angedeuteten Fahrzeug 2 zu erkennen. Den Kern des Brennstoffzellensystems 1 bildet dabei eine Brennstoffzelle 3, welche einen Anodenraum 4 und einen Kathodenraum 5 aufweist. Dem Kathodenraum 5 wird über eine Luftfördereinrichtung 6 Luft als Sauerstofflieferant zugeführt. Dies ist für die hier vorliegende Erfindung von untergeordnetem Interesse, sodass auf die Luftseite nicht weiter eingegangen werden muss.
-
Dem Anodenraum 4 der Brennstoffzelle 3 wird Wasserstoff aus einem Druckgasspeicher 7 über eine Druckregel- und Dosiereinrichtung 8 zugeführt. Der Wasserstoff strömt dann in den Anodenraum 4 und gelangt über eine Rezirkulationsleitung 9 zu einer Gasstrahlpumpe 10. Im Bereich dieser Gasstrahlpumpe 10 wird der Wasserstoff von dem frischen aus dem Druckgasspeicher 7 bzw. der Druckregel- und Dosiereinrichtung 8 stammenden Wasserstoff als Treibgasstrom angesaugt bzw. durch Impulsaustausch beschleunigt, sodass die beiden Gasströme, also der Gasstrom des frischen Wasserstoffs und der Gasstrom des zurückgeführten Wasserstoffs, gemeinsam erneut in den Anodenraum 4 einströmen. Da im Anodenraum 4 auch unweigerlich Wasser anfällt, welches von dem rezirkulierten Gasstrom in gewünschter Art und Weise aus dem Anodenraum 4 ausgespült wird, ist im Bereich der Rezirkulationsleitung 9 typischerweise ein Wasserabscheider 11 vorgesehen, welcher über eine Ventileinrichtung 12 mit einer Ablassleitung bzw. Abgasleitung 13 verbunden werden kann, um das flüssige Wasser aus dem Wasserabscheider 11 abzulassen. Nachdem das Wasser aus dem Wasserabscheider 11 abgeströmt ist, kann bei geöffneter Ventileinrichtung 12 außerdem ein Teil des Gases aus der Rezirkulationsleitung 9 entweichen. Dies ist während des Betriebs mit der Rezirkulation allgemein bekannt und üblich und wird als sogenannter Purge bezeichnet. Dabei wird ein Teil des Gases abgelassen, da sich in der Rezirkulationsleitung immer inerte Gase wie vor allem Stickstoff, welcher durch die Membranen der Brennstoffzelle 3 aus dem Kathodenraum 5 in den Anodenrum 4 diffundiert ist, ansammelt. Dieser muss von Zeit zu Zeit abgelassen werden, um die Wasserstoffkonzentration in der Rezirkulationsleitung 9 bzw. dem Rezirkulationskreislauf ausreichend hoch zu halten, sodass die Brennstoffzelle 3 weiterhin gut arbeitet.
-
Die Gasstrahlpumpe 10 als Rezirkulationsversorgereinrichtung in der Versorgungsleitung 9 ist nun so ausgelegt, dass diese ihren idealen Betriebspunkt im Teillastbereich der Brennstoffzelle 3 hat, vorzugsweise zwischen 20 und 50%, besonders bevorzugt bei ca. 40% Volllast. Eine solche Auslegung garantiert eine sehr gute Funktionalität der Gasstrahlpumpe 10 im Teillastbereich. Dieser Teillastbetrieb des Brennstoffzellensystems 1 ist dabei insbesondere beim Einsatz von Brennstoffzellensystemen 1 im Fahrzeug 2 besonders häufig. Kommt es zu höheren Lasten in der Brennstoffzelle 3, dann kann über eine entsprechende Druckerhöhung des Drucks des frischen zugeführten Wasserstoffs, also des Treibgasstroms der Gasstrahlpumpe 10, eine Rezirkulation auch bei höheren Lasten weiterhin erreicht werden. So kann beispielsweise der Druck linear beginnend bei 2 bar bei sehr niedrigen Lasten bzw. knapp oberhalb des Leerlaufs bis hin zu ca. 25 bar bei höheren Lasten gesteigert werden. Mit einer entsprechend klein ausgelegten Gasstrahlpumpe kann so eine vergleichsweise gute Funktionalität erzielt werden. Eine weitere Drucksteigerung stellt auch über den Auslegepunkt der Gasstrahlpumpe hinaus eine gewisse Rezirkulation sicher. Da es so ist, dass in dem Brennstoffzellensystem 1 die Notwendigkeit einer guten Rezirkulation von Anodenabgas zum Ausspülen von Wasser und inerten Gasen aus dem Anodenraum 4 mit zunehmendem Volumenstrom und damit auch zunehmender Last sinkt, ist diese Funktionalität der Gasstrahlpumpe 10 ausreichend.
-
In einer Weiterbildung des Betriebsverfahrens kann es außerdem vorgesehen sein, dass oberhalb einer Last von ca. 60–80% der Volllast, wenn die Rezirkulation durch die Gasstrahlpumpe einen vergleichsweise schlechten Rezirkulationsgrad erreicht, zusätzlich durch ein Öffnen der Ventileinrichtung 12 die Brennstoffzelle 3 in einen Near-Dead-End-Betrieb geschaltet werden kann. In dieser Situation wird dann auf die Rezirkulation gänzlich verzichtet und das aus der Brennstoffzelle 3 abströmende Abgas gelangt direkt durch den Wasserabscheider und die in diesem Fall geöffnete Ventileinrichtung 12 in die Abgasleitung 13. Ergänzend oder alternativ zur Ausführung der Ventileinrichtung 12 im Wasserabscheider 11 kann es außerdem vorgesehen sein, dass eine eigene Verbindung zwischen der Ablassleitung 13 und der Rezirkulationsleitung 9 über eine entsprechende Ventileinrichtung realisiert ist. Im Prinzip hat auch diese dieselbe Funktionalität. Die Brennstoffzelle 3 wird jetzt im Near-Dead-End-Betrieb betrieben.
-
Der überschüssige Wasserstoff, welcher in dieser Situation vorzugsweise auf ca. 5% an Überschuss reduziert wird, gelangt nach dem Durchströmen des Anodenraums 4 der Brennstoffzelle 3 über die Ablassleitung bzw. Abgasleitung 13 an die Umgebung. Um Wasserstoffemissionen zu verhindern und den Energieverlust durch den überschüssigen Wasserstoff einzuschränken, kann es dabei in an sich bekannter Art und Weise vorgesehen sein, dass der Wasserstoff entsprechend nachverbrannt wird, beispielsweise zusammen mit der Abluft aus dem Kathodenraum 5 der Brennstoffzelle 3. Die bei dieser Verbrennung entstehenden Abgase können dann mit der Abluft beispielsweise über eine hier nicht dargestellte aber im Abluftstrang von Brennstoffzellensystemen 1 an sich bekannte Turbine zumindest teilweise wieder in Nutzenergie umgesetzt werden. Die Turbine kann insbesondere mit der Luftfördereinrichtung 6 und einer elektrischen Maschine gekoppelt sein und als sogenannter elektrischer Turbolader bzw. ETC (Electric Turbo Charger) ausgebildet werden. Ein solcher ist jedoch in allen Details aus dem Stand der Technik bekannt, sodass auch hierauf nicht näher eingegangen werden muss. Alternativ zu einer Nachverbrennung des Restwasserstoffs beispielsweise durch einem katalytischen Brenner wäre es auch denkbar, und so auch aus dem Stand der Technik bekannt, das Abgas nach der Ventileinrichtung 12 über die Abgasleitung 13 beispielsweise in die Zuluft zum Kathodenraum 5 der Brennstoffzelle 3 einzubringen. Da im Bereich des Kathodenraums 5 entsprechende Katalysatoren vorhanden sind, könnte der Restwasserstoff auch im Kathodenraum 5 der Brennstoffzelle 3 umgesetzt werden. Auch hierdurch werden Wasserstoffemissionen an die Umgebung sicher und zuverlässig verhindert.
-
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 69515132 T2 [0002]
- DE 112009000984 T5 [0004]
