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Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle für ein Kraftfahrzeug mit einer Kathodenseite, bei der eine Luftzuführung zum Zuführen von Zuluft zu der Kathodenseite und eine Luftabführung zum Abführen von Abluft von der Kathodenseite vorgesehen sind. Ferner betrifft die Erfindung die Verwendung einer Brennstoffzelle an einem Kraftfahrzeug.
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Brennstoffzellen, insbesondere solche von Hybrid-Kraftfahrzeugen, sind in bekannter Weise mit einer Kathodenseite bzw. einer Vielzahl Kathoden, einer Anodenseite bzw. einer Vielzahl Anoden und jeweils einer dazwischen angeordneten Membran versehen. Sie weisen ferner einen Druckluftförderer bzw. Druckluftkompressor zum Fördern von Druckluft auf, mit dem aus der Umgebung der Brennstoffzelle an den Kathoden ausreichend Sauerstoff für den Betrieb der zugehörigen Brennstoffzelle bereitgestellt wird. Diese Luftzuführung an der Brennstoffzelle erfolgt unter Druck, wobei ein entsprechend dimensionierter und regelbarer Kompressor bzw. Luftpresser vorhanden sein muss. Dieser Kompressor senkt aufgrund seines Leistungsbedarfs den Gesamtwirkungsgrad der Brennstoffzelle.
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Gemäß der Erfindung ist eine Brennstoffzelle für ein Kraftfahrzeug geschaffen, mit einer Kathodenseite, bei der eine Luftzuführung zum Zuführen von Zuluft zu der Kathodenseite und eine Luftabführung zum Abführen von Abluft von der Kathodenseite vorgesehen sind. Dabei sind erfindungsgemäß die Luftzuführung und die Luftabführung zu einer Luftrezirkulation zusammengeschlossen.
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Mit dem erfindungsgemäßen Zusammenschluss von Luftzuführung und Luftabführung ist eine Rezirkulation von Luft an der Brennstoffzelle unter Hochdruck möglich. Es muss daher von dem zugeordneten Kompressor beim Fördern der Zuluft zu der Brennstoffzelle ein geringerer Druckunterschied überwunden werden, als wenn der Kompressor die Zuluft als Frischluft aus der Umgebung der Brennstoffzelle fördern müsste. Das Druckniveau, das so ständig auf der Zuluftseite der Brennstoffzelle gehalten werden kann, beträgt 2 bar und mehr. Es kann daher für die erfindungsgemäße Brennstoffzelle ein reiner Hochdruckkompressor verwendet werden, der zwar ebenfalls einen vergleichsweise hohen Förderdruck erbringen kann, dabei aber nur eine verhältnismäßig kleine Fördermengenleistung erbringen muss. An der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle entstehen also geringere Druckverluste. Damit weist die Brennstoffzelle insgesamt einen höheren Gesamtwirkungsgrad auf.
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Die derartige erfindungsgemäße Brennstoffzelle ist vorzugsweise in der Luftrezirkulation mit einer Anreicherungseinrichtung zum Anreichern der Abluft mit Sauerstoff versehen. Die Anreicherungseinrichtung dient dazu, den Gehalt an Sauerstoff, der durch die Luftrezirkulation an der Zuluftseite der Brennstoffzelle zugeführt wird, auf das Niveau anzuheben, das für den Betrieb der Brennstoffzelle erforderlich ist. Die Sauerstoffanreicherung erhält das an der Zuluftseite der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle bestehende Hochdruckniveau. Besonders bevorzugt ist die Anreicherungseinrichtung mit einer Membran gestaltet, durch die hindurch Sauerstoff in die Luftrezirkulation eintreten kann.
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Die Anreicherungseinrichtung ist dabei vorzugsweise mit einer Luftdurchleitung zum Durchleiten von Frischluft aus der Umgebung der Brennstoffzelle durch die Anreicherungseinrichtung versehen. Die mit der Luftdurchleitung herangeführte Frischluft bzw. Außenluft führt eine vergleichsweise große Menge an Sauerstoff mit, der in die in der Luftrezirkulation zirkulierende Luft übergeleitet werden kann. Vorteilhaft wird für diese Überleitung von Sauerstoff in die rezirkulierte Luft ein Gasgefälle genutzt, das zwischen der rezirkulierten Luft und der Frischluft besteht (Partialdruckgefälle). So enthält das aus der Brennstoffzelle austretende Gas bzw. die austretende Luft einen höheren Anteil an Stickstoff (N2), weil aus dieser Luft in der Brennstoffzelle Sauerstoff (O2) verbraucht worden ist. So ergibt sich zwischen der austretenden Luft und der Frischluft ein Stickstoff-Gefälle von vorteilhaft 1,8 bar zu 0,8 bar nach außen. Zugleich beträgt das Sauerstoff-Gefälle kleiner 0,2 bar innen zu größer 0,2 bar außen. Dieses Gefälle kann genutzt werden, damit zum einen Stickstoff aus der austretenden Luft in die Frischluft übertragen wird und zum anderen Sauerstoff aus der Frischluft in die eintretende Luft übertragen wird. Stickstoff wird also ausgetragen, während zugleich teilweise Sauerstoff eingetragen wird. Zugleich wird das Produktwasser aus der Reaktion innerhalb der Brennstoffzelle wieder zum Eingang der Kathodenseite gebracht, wodurch die Leitfähigkeit in der bzw. den Membranen der Brennstoffzelle erhöht wird.
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Die Anreicherungseinrichtung ist vorteilhaft auch mit einer Zuführeinrichtung zum Zuführen von Frischluft aus der Umgebung der Brennstoffzelle in die Anreicherungseinrichtung unter Druck versehen. Mit dem Zuführen von Frischluft unter Druck in die Anreicherungseinrichtung steigt das Druckgefälle zwischen der rezirkulierten Luft und der Frischluft. Damit steigt auch der Übertrag von Sauerstoff aus der Frischluft in die rezirkulierte Luft. Ein solches Einspeisen von Frischluft unter Druck ist insbesondere bei Leistungsspitzen der Brennstoffzelle vorteilhaft. Zum Einspeisen von Frischluft in die Anreicherungseinrichtung ist vorteilhaft ein eigens regelbarer Kompressor/Lüfter vorgesehen.
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Die Luftabführung ist bevorzugt auch mit einer Zuführeinrichtung zum Zuführen von Frischluft aus der Umgebung der Brennstoffzelle vor bzw. stromauf von der Anreicherungseinrichtung versehen. Eine solche Einspeisung von Frischluft erhöht den Sauerstoffgehalt in der abgeführten Luft, welche nachfolgend dann rezirkuliert wird. Für das Zuführen der Frischluft muss dabei nur jener Druck erreicht werden, den die abgeführte Luft aufweist. Die derartige Zuführung von Frischluft kann daher mit einem vergleichsweise leistungsschwachen, kleinen Kompressor erreicht werden.
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Vorteilhaft ist ferner bei der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle die Luftabführung mit einer Abführeinrichtung zum Abführen von Abluft aus der Luftabführung in die Umgebung der Brennstoffzelle versehen. Die Abführeinrichtung dient dazu, bei Bedarf austretende Luft in die Umgebung der Brennstoffzelle ablassen zu können, um damit zugleich das Druckgefälle an der Anreicherungseinrichtung zu erhöhen. Mit zunehmendem Druckgefälle wird der Zustrom von Frischluft durch die Anreicherungseinrichtung verstärkt. Die Abführeinrichtung ist dazu in vorteilhafter Weise mit einem steuerbaren Ventil zur Luftabführung versehen.
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In ähnlicher Weise ist vorteilhaft die Luftzuführung mit einer Zuführeinrichtung zum Zuführen von Frischluft aus der Umgebung der Brennstoffzelle in die Luftzuführung, also hinter bzw. stromab von der Anreicherungseinrichtung, versehen. Mit einer solchen Zuführeinrichtung kann insbesondere bei hoher Last Frischluft direkt hinter die Anreicherungseinrichtung eingespeist werden. Diese Frischluft trägt sehr kurzfristig zu einer weiteren Erhöhung der bereitgestellten Sauerstoffmenge bei. Leistungsspitzen können so schneller erreicht und auch überwunden werden. Die derartige zusätzliche Frischlufteinspeisung kann vorteilhaft mit einem separaten Kompressor bzw. Lüfter zum Einspeisen der Frischluft erzielt werden. Vorteilhaft ist ein solcher Kompressor ein Hochdruckkompressor, der bei zwar hohem Druck nur eine vergleichsweise geringe Förderleistung aufweisen muss.
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Erfindungsgemäß ist es ferner vorgesehen, eine solche Brennstoffzellenanordnung mit deren Luftzuführung und Luftabführung, welche zu einer Luftrezirkulation zusammengeschlossen sind, an einem Kraftfahrzeug zu verwenden.
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Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Lösung anhand der beigefügten schematischen Zeichnung näher erläutert. Es zeigt die Fig. ein stark vereinfachtes Schaltbild einer erfindungsgemäßen Brennstoffzelle mit zugehöriger Luftzuführung und Luftabführung.
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In der Fig. ist eine Brennstoffzelle 10 veranschaulicht, die eine Kathodenseite 12 mit einer Vielzahl Kathoden (nicht näher veranschaulicht) sowie einer Anodenseite 14 mit einer Vielzahl Anoden (ebenfalls nicht näher veranschaulicht) aufweist. Die Kathoden und Anoden sind dabei gestapelt mit jeweils einer dazwischen liegenden Membran 16 nebst Kühlung (hier stark vereinfacht dargestellt) gestaltet.
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An der Kathodenseite 12 ist eine Luftzuführung 18 unter anderem mit einer ersten Luftzuführleitung 20 gestaltet, durch die Luft und damit Sauerstoff für den Betrieb der Brennstoffzelle 10 an der Kathodenseite 12 bereitgestellt werden kann. Ferner ist an der Kathodenseite 12 eine Luftabführung 22 vorgesehen, bei der durch eine erste Luftabführleitung 24 Abluft aus der Brennstoffzelle 10 abgeführt werden kann. Die Luftzuführung 18 und die Luftabführung 22 sind zu einer Luftrezirkulation zusammengeschlossen, indem die Luftabführleitung 24 mit der Luftzuführleitung 20 mittels einer Anreicherungseinrichtung 26 zum Anreichern der durchgeführten Luft mit Sauerstoff strömungstechnisch verbunden ist.
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In der Luftzuführleitung 20 ist dabei ein erster Lüfter bzw. Kompressor 28 zum Zuführen von mit Sauerstoff angereicherter Abluft aus der Luftabführleitung 24 und der Anreicherungseinrichtung 26 in die Luftzuführleitung 20 vorgesehen. Der Lüfter 28 erhöht den Druck der derart zugeführten Luft vorliegend auf ca. 2,2 bar. In Strömungsrichtung hinter bzw. stromab von der Kathodenseite 12, also in der Luftabführleitung 24 verbleiben von diesem Druck ca. 2,0 bar. Dieser Druck von 2,0 bar bleibt in der Anreicherungseinrichtung 26 in einer durch diese hindurchführenden Anreicherungsleitung 30 erhalten.
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Die Anreicherungseinrichtung 26 weist dazu eine weitere Leitung in Form einer Luftdurchleitung 32 auf, welche sich unmittelbar an der Anreicherungsleitung 30 erstreckt und mit dieser mittels einer für Sauerstoff durchlässigen Membran (nicht im Detail dargestellt) verbunden ist. Dabei ist ein zweiter Lüfter bzw. Kompressor 34 als Zuführeinrichtung zum Zuführen von Frischluft aus der Umgebung der Brennstoffzelle 10 unter Druck in die Luftdurchleitung 32 vorgesehen. Der Lüfter 34 führt diese Frischluft mit einem Druck von bis zu ca. 1,5 bar zu.
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An der Kathodenseite 12 wurde der zugeführten Luft Sauerstoff entzogen, so dass die in der Luftabführleitung 24 abgeführte Abluft zwar einen Gesamtdruck von ca. 2,0 bar aufweist, dieser aber von einem Stickstoff-Partialdruck von vorliegend ca. 1,8 bar und einem Sauerstoff-Partialdruck von ca. 0,2 bar gebildet wird. In der durch die Luftdurchleitung 32 zugeführten, aus der Umgebung der Brennstoffzelle 10 entnommenen Frischluft liegt hingegen ein Stickstoff-Partialdruck von ca. 0,8 bar und ein Sauerstoff-Partialdruck von ca. 0,2 bar vor, wobei diese Partialdrücke mittels des Lüfters 34 auf ca. 1,2 bar bzw. 0,3 bar erhöht werden. Somit ergibt sich zwischen der Luftdurchleitung 32 und der Anreicherungsleitung 30 ein Partialdruckgefälle mittels dessen Stickstoff aus der Anreicherungsleitung 30 in die Luftdurchleitung 32 gelangt. Auf dieser Weise wird die aus der Luftabführleitung 24 abgeführte Abluft mit Sauerstoff angereichert und nachfolgend mittels des Lüfters 28 in die Luftzuführleitung 20 rezirkuliert. Dabei muss der Lüfter 28 nur das Druckgefälle von ca. 0,2 bar der Brennstoffzelle 10 selbst überwinden und nicht etwa Luft mit einem Druck von ca. 1,0 bar aus der Umgebung auf einen Druckwert von 2,2 bar für die Brennstoffzelle 10 komprimieren.
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Für eine weitere Regelung der derartigen Luftführung und zum kurzfristigen sowie auch kurzzeitigen Bereitstellen besonders großer Mengen an Sauerstoff an der Luftzuführleitung 20 ist ferner eine zweite Luftzuführleitung 36 vorgesehen. In diese Luftzuführleitung 36 kann mittels eines dritten Lüfters bzw. Kompressors 38 insbesondere bei Bedarf einer besonders hohen Leistung der Brennstoffzelle 10 Frischluft aus der Umgebung mit einem entsprechend hohen Sauerstoffgehalt eingespeist werden. Die Frischluft wird durch die Luftzuführleitung 36 stromauf von der Anreicherungseinrichtung 26 in die Luftabführleitung 24 eingespeist, wobei der Druck dieser Frischluft nach dem Durchströmen der Anreicherungseinrichtung 26 von dem Lüfter 28 weiter erhöht wird. Alternativ kann Frischluft derart unmittelbar stromab bzw. hinter der Anreicherungseinrichtung 26 stromauf bzw. vor dem Lüfter 28 eingespeist werden. An dem Lüfter 38 ist ferner eine dritte Luftzuführleitung 40 vorgesehen, durch die Frischluft wahlweise auch hinter dem Lüfter 28 in die Luftzuführleitung 20 eingespeist werden kann.
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An der Luftabführung 22 ist an die Luftabführleitung 24 stromauf von der Anreicherungseinrichtung 26 eine zweite Luftabführleitung 42 angeschlossen. In dieser Luftabführleitung 42 ist ein Ventil 44 angeordnet, mit dem Abluft im Bedarfsfall wahlweise direkt in die Umgebung der Brennstoffzelle 10 abgelassen werden kann.
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Mit der derartigen Führung von Zuluft und Abluft an der Brennstoffzelle 10 wird bei einem nur geringen Leistungsbedarf der Brennstoffzelle 10 deren Gesamtwirkungsgrad erhöht, denn es kann dann mit besonders geringer Kompressorleistung gearbeitet werden. Zugleich ist mit der rezirkulierten Luft für eine gute Befeuchtung der einströmenden Gase und damit der Membran 16 innerhalb der Brennstoffzelle 10 gesorgt. Feuchtigkeit, welche sonst mit der Abluft abgeführt würde, bleibt mit der Rezirkulation der Abluft in der Zuluft erhalten. Die erfindungsgemäße Rezirkulation kann daher als ein Bypass an einem (hier nicht dargestellten) Luftbefeuchter bzw. Humidifier verwendet werden. Der dabei vorgesehene Luftbefeuchter kann ebenfalls leistungsschwächer gestaltet sein.
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Zugleich wird mit der erfindungsgemäßen Lösung der Druckverlust am Lüfter 28 verringert, wodurch dieser kleiner und kostengünstiger ausgeführt sein kann.
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Auch im hohen Leistungsbereich ist mit der Rezirkulation die insgesamt erforderliche Kompressorleistung reduziert. Für den rezirkulierten Fluss muss nicht der Druckgradient aufgewendet werden, der sonst erforderlich wäre, sondern es müssen nur kleine Druckunterschiede bei kleinen Fördermengen von dem Lüfter 38 beigesteuert werden.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Brennstoffzelle
- 12
- Kathodenseite
- 14
- Anodenseite
- 16
- Membran
- 18
- Luftzuführung
- 20
- erste Luftzuführleitung
- 22
- Luftabführung
- 24
- erste Luftabführleitung
- 26
- Anreicherungseinrichtung
- 28
- erster Lüfter
- 30
- Anreicherungsleitung
- 32
- Luftdurchleitung
- 34
- zweiter Lüfter
- 36
- zweite Luftzuführleitung
- 38
- dritter Lüfter
- 40
- dritte Luftzuführleitung
- 42
- zweite Luftabführleitung
- 44
- Ventil
