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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Aufbereitung von zu einer Brennstoffzelle strömender Zuluft nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.
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Eine gattungsgemäße Vorrichtung ist aus der japanischen
JP 2007-122953 A bekannt. Für eine Brennstoffzelle wird Luft dabei über einen Befeuchter oder alternativ hierzu in einem Bypass um den Befeuchter geleitet. Die beiden Stoffströme werden nach dem Befeuchter und in Strömungsrichtung vor der Brennstoffzelle in einem Mischer miteinander vermischt, um dann der Brennstoffzelle zugeführt zu werden. Der Bypass ermöglicht so durch die Mischung von befeuchteter und unbefeuchteter Zuluft das Einstellen einer gewünschten Befeuchtung der Zuluft für die Brennstoffzelle.
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Aus dem weiteren allgemeinen Stand der Technik ist es außerdem bekannt, Gas aus dem Bereich der Anodenseite der Brennstoffzelle, beispielsweise Abgas aus der Brennstoffzelle oder aus einem sogenannten Anodenkreislauf, welcher Abgas zum Eingang des Anodenraums zurückführt, und aus welchem von Zeit zu Zeit Abgas abgelassen wird, in den Bereich der Zuluft zu der Brennstoffzelle einzubringen, da hierdurch in dem Anodenabgas unweigerlich enthaltener Restwasserstoff an dem Katalysator des Kathodenraums der Brennstoffzelle abreagiert und so Wasserstoffemissionen in die Umgebung sicher und zuverlässig vermieden werden können.
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Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, eine Vorrichtung zur Aufbereitung von zu einer Brennstoffzelle strömender Zuluft gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 weiterzubilden und zu verbessern.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen. Im Anspruch 10 ist außerdem eine bevorzugte Verwendung angegeben.
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Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es vorgesehen, dass diese, vergleichbar wie die gattungsgemäße Vorrichtung im Stand der Technik eine Zuluftleitung, einen Befeuchter, eine steuerbare um den Befeuchter verlaufende Bypassleitung sowie einen Mischer in den Zuluftstrom in Strömungsrichtung nach dem Befeuchter aufweist. Erfindungsgemäß ist es so, dass der wenigstens eine Mischer in Strömungsrichtung zwischen dem Befeuchter und der Einmündung der Bypassleitung angeordnet ist. Eine solche Anordnung des Mischers unmittelbar nach dem vorzugsweise als Gas/Gas-Befeuchter ausgebildeten Befeuchter stellt in jedem Fall sicher, dass der befeuchtete Zuluftstrom in dem Mischer vermischt und homogenisiert wird. Die Feuchte ist dann in dem befeuchteten Zuluftstrom sehr homogen verteilt, auch wenn sie innerhalb des Befeuchters typischerweise nicht außerordentlich homogen eingetragen wird. Sie gelangt beispielsweise bei einem Membranbefeuchter vor allem in die Luftschichten, welche unmittelbar an den Membranen entlangströmen. Eine homogene Verteilung der Feuchte in dem befeuchteten Luftstrom nach dem Mischer ermöglicht eine einfache und effiziente Mischung mit dem gegebenenfalls im Bypass um den Befeuchter herum geführten Bypassluftstrom, ohne dass hier weitere Mischer oder andere den Strömungswiderstand erhöhende Maßnahmen nötig sind. Dennoch wird eine sehr gute Verteilung der Feuchte in dem Zuluftstrom zu der Brennstoffzelle erzielt, sodass die Membranen in der Brennstoffzelle sehr gleichmäßig befeuchtet werden. Hierdurch können punktuelle Austrocknungen ebenso vermieden werden, wie ein punktuelles Auskondensieren, falls stellenweise zu viel Feuchtigkeit in dem Zuluftstrom vorhanden ist.
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In einer weiteren sehr günstigen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann es entsprechend vorgesehen sein, dass der Mischer baulich in den Abströmbereich des Befeuchters integriert ausgebildet ist. Eine solche bauliche Integration des Mischers beispielsweise in den Abströmbereich des Befeuchters oder unmittelbar nach dem Befeuchter, beispielsweise in einen Anschlussstutzen für die weiterführende Zuluftleitung zu der Brennstoffzelle, ermöglicht einen sehr einfachen und kompakten Aufbau mit einer geringen Anzahl an Teilen und einer geringen Anzahl an benötigten Schnittstellen. Dies ermöglicht ein sehr kompaktes und einfach aufgebautes System, welches dennoch die Vorteile eines Mischers nutzen kann.
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In einer weiteren Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann es nun außerdem vorgesehen sein, dass in Strömungsrichtung nach der Einmündung der Bypassleitung und vor der Brennstoffzelle ein weiterer Mischer angeordnet ist. Ein solcher weiterer Mischer in Strömungsrichtung, nachdem die Bypassleitung in die Zuluftleitung eingemündet ist, ist im Prinzip ebenfalls denkbar. Der in dem zuerst genannten Mischer vorgemischte befeuchtete Luftstrom wird dann nochmals sehr gut mit dem über die Bypassleitung strömenden unbefeuchteten Luftstrom vermischt, sodass die Homogenität der Feuchteverteilung in dem Luftstrom nochmals verbessert wird. Der weitere Mischer kann dabei in einer besonders günstigen Weiterbildung dieser Idee weniger Druckverlust aufweisen, als der andere Mischer zwischen dem Befeuchter und der Einmündung der Bypassleitung. Der weitere Mischer kann also als vergleichsweise kleiner Mischer ausgebildet sein, da er durch den sehr homogen vorgemischten befeuchteten Anteil auch bei sehr kurzer Baulänge und damit sehr wenig Druckverlusten eine sehr gute Durchmischung erreichen kann.
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In einer weiteren sehr günstigen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann es nun außerdem vorgesehen sein, dass eine Abblasleitung von einer Anodenseite der Brennstoffzelle in Strömungsrichtung vor wenigstens einem der Mischer in die Zuluftleitung mündet. Eine solche Abblasleitung, welche auch als Purge-Leitung bezeichnet wird, ist aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. Sie kann beispielsweise aus einem Anodenkreislauf oder beim Betrieb der Anode als Near-Dead-End-Aufbau direkt aus dem Anodenraum der Brennstoffzelle kommen. Über diese Leitung wird entweder kontinuierlich oder auch von Zeit zu Zeit oder in Abhängigkeit einer Konzentration, so wie es beispielsweise bei einem Anodenkreislauf der Fall ist, Gas abgelassen. Dieses Abgas wird je nach Aufbau der Anodenseite entweder Wasserstoff sein, oder, falls die Anodenseite einen Anodenkreislauf aufweist, in jedem Fall Restwasserstoff enthalten. Durch das Einbringen des Wasserstoffs bzw. Restwasserstoffs in den Zuluftstrom wird der enthaltene Wasserstoff im Bereich des Katalysators des Kathodenraums der Brennstoffzelle oxidiert, sodass Wasserstoffemissionen an die Umgebung verhindert werden. Über das Einmünden der Abblasleitung in Strömungsrichtung vor wenigstens einem der Mischer wird nun eine sehr gleichmäßige Vermischung des Restwasserstoffs mit der zugeführten Zuluft erzielt. Durch die so entstehende sehr gleichmäßige Vermischung von Wasserstoff und Sauerstoff gelangt das Gemisch sehr homogen in den Bereich des Katalysators des Kathodenraums. Hierdurch kommt es zu einer gleichmäßigen Reaktion, welche sich über einen Großteil der Fläche des Kathodenkatalysators verteilt. Somit können punktuelle Überhitzungen des Katalysators, beispielsweise da an einer Stelle mit sehr hoher Wasserstoffkonzentration eine sehr starke Reaktion stattfindet, vermieden werden. Alles in allem schont der beschriebene Aufbau die Brennstoffzelle und ermöglicht bei denselben Betriebsbedingungen eine bessere Leistungsfähigkeit und insbesondere eine längere Lebensdauer der Brennstoffzelle.
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In einer sehr günstigen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es dabei vorgesehen, dass der wenigstens eine Mischer als statischer Mischer ausgebildet ist. Ein solcher statischer Mischer ermöglicht eine sehr gute Durchmischung der eingebrachten gasförmigen Stoffströme untereinander bei gleichzeitig geringen Druckverlusten. In einer weiteren sehr günstigen Ausgestaltung kann es außerdem vorgesehen sein, dass der wenigstens eine Mischer mehrere in Strömungsrichtung in wenigstens einer Richtung schräg in den Volumenstrom ragende Leitelemente aufweist. Über solche schräg in den Volumenstrom ragende Leitelemente wird ein Aufbau erzielt, welcher mit geringen Druckverlusten eine ausreichend gute Durchmischung der Gasströme sicherstellt.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung lässt sich wie erwähnt entsprechend einfach, kompakt und mit zuverlässiger Wirkung aufbauen. Durch ihren sehr kompakten Aufbau und eine Wirkungsweise, welche zur Verlängerung der Lebensdauer der Brennstoffzelle und/oder zur Steigerung der Leistungsfähigkeit der Brennstoffzelle beiträgt, eignet sich die erfindungsgemäße Vorrichtung insbesondere zur Verwendung in einem Brennstoffzellensystem, welches zur Bereitstellung von elektrischer Antriebsleistung in einem Fahrzeug vorgesehen ist. Insbesondere in solchen in Fahrzeugen eingesetzten Brennstoffzellensystemen ist ein sehr kompakter Aufbau bei guter Versorgung der Brennstoffzelle mit Edukten und entsprechend hoher Leistung und Lebensdauer der Brennstoffzelle ein entscheidender Punkt.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sowie ihrer Verwendung ergeben sich aus den restlichen abhängigen Unteransprüchen und werden anhand des Ausführungsbeispiels deutlich, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben ist.
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Dabei zeigen:
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1 ein beispielhaftes Brennstoffzellensystem in einem angedeuteten Fahrzeug;
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2 eine Kathodenseite des Brennstoffzellensystems in einer möglichen Ausgestaltung gemäß der Erfindung;
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3 eine dreidimensionale Ansicht eines beispielhaften Mischers; und
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4 eine dreidimensionale Ansicht eines weiteren beispielhaften Mischers.
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In der Darstellung der 1 ist sehr stark schematisiert ein Fahrzeug 1 zu erkennen, welches seine elektrische Antriebsleistung von einem Brennstoffzellensystem 2 bezieht. Das Brennstoffzellensystem 2 ist ebenfalls prinzipmäßig angedeutet, wobei im Kern lediglich auf die für die Erfindung relevanten Komponenten näher eingegangen wird. Der weitere Aufbau ist rein beispielhaft zu verstehen und kann von einem Fachmann entsprechend dem allgemeinen Stand der Technik auch in andere Ausführungsvarianten variiert werden.
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Den Kern des Brennstoffzellensystems 2 bildet dabei eine Brennstoffzelle 3, welche typischerweise als Stapel von Einzelzellen, beispielsweise in PEM-Technologie, aufgebaut ist. Jede der Einzelzellen umfasst einen Anodenbereich und einen Kathodenbereich sowie eine Protonenaustauschmembran zwischen diesen Bereichen. In der Darstellung der 1 ist der Brennstoffzellenstack 3 rein beispielhaft so dargestellt, dass ein Anodenraum 4, ein Kathodenraum 5 sowie eine protonenleitende Membran 6 zwischen dem Anodenraum 4 und dem Kathodenraum 5 angedeutet ist. Dem Anodenraum 4 wird Wasserstoff aus einem Druckgasspeicher 7 zugeführt. Der Wasserstoff gelangt über eine Druckregel- und Dosiereinrichtung 8 zu dem Anodenraum 4. Nicht verbrauchter Wasserstoff aus dem Anodenraum 4 wird in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel über eine Rezirkulationsleitung 9 vom Ausgang des Anodenraums 4 zum Eingang des Anodenraums 4 zurückgeführt und wird dem Anodenraum 4 vermischt mit frischem Wasserstoff erneut zugeführt. Dieser Aufbau wird auch als Anodenrezirkulation bezeichnet. Um die Druckverluste in dem Anodenraum 4 und der Rezirkulationsleitung 8 auszugleichen, ist dabei eine Rezirkulationsfördereinrichtung 10 in dem Anodenkreislauf vorgesehen. Dieser ist in der Darstellung der 1 rein beispielhaft als Rezirkulationsgebläse 10 angedeutet. Sie könnte genauso gut als Gasstrahlpumpe oder als Kombination aus einem Gebläse und einer Gasstrahlpumpe ausgebildet sein.
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Im Bereich der Rezirkulationsleitung
8 ist außerdem ein Wasserabscheider
11 angeordnet. Über eine Ventileinrichtung
12 steht dieser mit einer Abblasleitung
13 in Verbindung. Dem Wasserabscheider
11 wird Wasser aus dem Abgasstrom des Anodenraums
4 abgeschieden und kann über die Abblasleitung
13 und die Ventileinrichtung
12 beispielsweise von Zeit zu Zeit oder in Abhängigkeit des Füllstands abgelassen werden. Bei diesem Aufbau kann außerdem Gas aus dem Anodenkreislauf mit abgelassen werden. Dies ist beispielsweise von Zeit zu Zeit oder in Abhängigkeit einer Konzentration beispielsweise von Stickstoff und/oder von Wasserstoff in dem Anodenkreislauf notwendig, da Stickstoff und andere inerte Gase durch die Membranen
6 vom Kathodenraum
5 in den Anodenraum
4 diffundieren und gegebenenfalls auch in dem Wasserstoff, welcher in dem Druckgasspeicher
7 gespeichert ist, vorhanden sind. Diese Gase reichern sich mit der Zeit an. Hierdurch fällt die Wasserstoffkonzentration in dem mit konstantem Volumen ausgebildeten Anodenkreislauf ab. Um dies zu verhindern und eine ausreichend hohe Wasserstoffkonzentration zum Betrieb des Brennstoffzellensystems
2 aufrechtzuerhalten, müssen beispielsweise von Zeit zu Zeit Gase abgelassen werden. Dies kann beispielsweise über den Wasserabscheider
11 und die Ventileinrichtung
12 sowie die Abblasleitung
13 miterfolgen, wie es hier angedeutet ist. Dies ist im Prinzip aus der internationalen Veröffentlichung
WO 2008/052578 A1 bekannt. Genauso gut wäre jedoch auch ein getrenntes Ablassen von Wasser und Abblasen von Gasen denkbar. In den abgeblasenen Gasen befindet sich dabei in jedem Fall eine Restmenge an Wasserstoff. Die Abblasleitung
13 mündet deshalb in einer Zuluftleitung
14 zu dem Kathodenraum
5 der Brennstoffzelle
3, sodass der Restwasserstoff vermischt mit der Zuluft am Katalysator des Kathodenraums
5 abreagieren kann. Hierdurch werden Wasserstoffemissionen in die Umgebung sicher und zuverlässig vermieden.
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Dem Kathodenraum 5 wird über die Zuluftleitung 14, wie bereits erwähnt, Zuluft zugeführt. Die Zuluft wird beispielsweise über einen Strömungsverdichter 15 gefördert und gelangt nach dem Strömungsverdichter 15 in einen Befeuchter 16, bevor sie in den Kathodenraum 5 einströmt. Die Abluft aus dem Kathodenraum 5 gelangt über eine Abluftleitung 17 aus dem Kathodenraum 5 wiederum durch den als Gas/Gas-Befeuchter ausgebildeten Befeuchter 16 und in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel über eine Turbine 18 in die Umgebung. Die Turbine 18 ist dabei zusammen mit einer elektrischen Maschine 19 auf einer gemeinsamen Welle mit der Luftfördereinrichtung 15 angeordnet. Dieser optional zu verstehende Aufbau wird auch als elektrischer Turbolader bezeichnet und ermöglicht eine Unterstützung des Antriebs der Luftfördereinrichtung 15 durch die elektrische Maschine 19 mit der in der Turbine 18 zurückgewonnenen Leistung. Falls im Bereich der Turbine 18 mehr Leistung zurückgewonnen wird, als durch die Luftfördereinrichtung 15 verbraucht wird, dann kann außerdem über die elektrische Maschine 19, dann im generatorischen Betrieb, Leistung in elektrischer Form zurückgewonnen und beispielsweise in einer hier nicht dargestellten Energiespeichereinrichtung gespeichert werden.
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Der Befeuchter 16 weist angedeutete Membranen 20 auf, welche zwar nicht für die Gase der Zuluft bzw. Abluft durchlässig sind, jedoch für dampfförmiges Wasser. Hierdurch wird durch den mit dem Produktwasser der Brennstoffzelle 3 beladenen Volumenstrom in der Abluftleitung 17 Feuchtigkeit durch die Membranen 20 hindurch auf den in der Zuluftleitung 14 strömenden Volumenstrom übertragen. Dieser wird entsprechend befeuchtet, was letztlich zur Schonung der Membranen 6 in der Brennstoffzelle 3 dient.
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In der Darstellung der 1 ist die Luftstrecke lediglich beispielhaft angedeutet und in einer sehr einfachen Variante ausgeführt. Nun ist es so, dass bei dem hier beschriebenen Brennstoffzellensystem 2 die Zuluftseite entsprechend komplexer ausgebildet ist, wie es in der Darstellung der 2 angedeutet ist. Der in 2 dargestellte Abschnitt der Zuluftstrecke stellt eine Vorrichtung 21 zur Aufbereitung der zu der Brennstoffzelle 3 bzw. ihrem Kathodenraum 5 strömenden Zuluft dar. Teil dieser Vorrichtung 21 ist der bereits angesprochene Befeuchter 16 mit seinen für Feuchte durchlässigen Membranen 20. Dieser wird auf seiner einen Seite über die Zuluftleitung 14 mit der aus der Luftfördereinrichtung 15 sowie gegebenenfalls einem dieser nachgeschalteten Ladeluftkühler, welcher hier nicht dargestellt ist, entsprechend abgekühlten Zuluft durchströmt. Um die Feuchtigkeit der in die Brennstoffzelle 3 bzw. den Kathodenraum 5 einströmenden Zuluft einstellen zu können, ist um den Befeuchter 16 außerdem eine Bypassleitung 22 mit einem Bypassventil 23 angeordnet. Dieses könnte auch als 3/2-Wegeventil am Abzweig der Bypassleitung 22 realisiert sein. Hierdurch ist es möglich, die Zuluft entsprechend aufzuteilen in einen zu befeuchtenden Volumenstrom und einen um den Befeuchter 16 herumgeführten trockenen Volumenstrom. Nach dem Befeuchter 16 folgt ein Mischer 24, welcher insbesondere als statischer Mischer 24 ausgebildet ist. Er sorgt dafür, dass die in dem Befeuchter 16 befeuchtete Zuluft entsprechend durchmischt wird, um den Feuchtegehalt in der gesamten befeuchteten Zuluft zu homogenisieren. Dies ist notwendig, da die Luftschichten, welche unmittelbar entlang der Membranen 20 strömen, typischerweise mehr Feuchtigkeit aufnehmen, als die die auf einer den Membranen abgewandten Seite durch den Befeuchter 16 strömen. Nach dem Mischer 24 liegt dann ein sehr homogener gleichmäßig befeuchteter Volumenstrom vor.
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Im Bereich einer Einmündung 25 wird dann die Bypassleitung 22 wieder mit der Leitung aus dem Befeuchter 16 zusammengeführt. Die nun wieder gemeinsame Zuluftleitung 14 führt weiter in die Brennstoffzelle 3 bzw. ihren Kathodenraum 5. In dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel ist es dabei vorgesehen, dass nach der Einmündung 25 der Bypassleitung 22 eine Einmündung 26 der Abblasleitung 13 aus dem Anodenkreislauf ausgebildet ist. Der befeuchtete und danach homogen durchmischte Luftstrom wird also zuerst im Bereich der Einmündung 25 und anschließend im Bereich der Einmündung 26 zuerst mit dem in der Bypassleitung 22 um den Befeuchter 16 geführten trockenen Luftstrom und anschließend mit dem den Restwasserstoff enthaltenen Gasstrom aus der Abblasleitung 13 zusammengeführt. In dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel kann dann ein weiterer optionaler Mischer 27 folgen, in welchem diese drei Gasströme nochmals miteinander vermischt werden, um sowohl die Feuchtigkeit als auch den Wasserstoff möglichst homogen in dem Zuluftstrom zu dem Kathodenraum 5 der Brennstoffzelle 3 zu verteilen. Hierdurch wird einerseits eine gute und gleichmäßige Befeuchtung der Membranen 6 in der Brennstoffzelle 3 sichergestellt und andererseits eine sehr gleichmäßige Reaktion des Wasserstoffs und des Sauerstoffs, welcher in dem Zuluftstrom mitgeführt ist, an den Katalysatoren der Brennstoffzelle 3, sodass punktuelle Überhitzungen und eine damit einhergehende Schädigung des Katalysators sicher und zuverlässig ausgeschlossen werden können.
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Der Mischer 24 kann dabei ebenso wie der weitere Mischer 27 als statischer Mischer ausgebildet sein. Der Mischer 27 ist insbesondere kleiner bzw. kürzer und mit weniger Druckverlust ausgebildet, als der Mischer 24, da die Aufgabe zur Vermischung hier typischerweise nicht mehr so anspruchsvoll ist, wie unmittelbar nach dem Befeuchter 16, sodass ein einfacherer Aufbau ausreicht, welcher dementsprechend weniger Druckverluste verursacht.
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In den Darstellungen der 3 und 4 sind zwei beispielhafte Mischer 24, 27 in einer dreidimensionalen Darstellung zu erkennen. Sie können beispielsweise so ausgebildet sein, dass sie in Anschlussstutzen beispielsweise der Einmündung 26 bzw. der Leitung am Ausgang des Befeuchters 16 integriert werden können, sodass kein oder nur ein minimaler zusätzlicher Bauraumbedarf mit den Mischern 24, 27 einhergeht. Der in 3 dargestellte Mischer weist dabei einzelne schräg in den von unten nach oben den Mischer 24, 27 durchströmenden Volumenstrom ragende Leitelemente 28 auf, welche insbesondere als Leitbleche ausgebildet sein können. Ebenso sind Kunststoffmaterialien zur Herstellung der Mischer denkbar. In der Darstellung der 4 ist der Mischer 24, 27 als sogenannter Helix-Mischer ausgebildet, welcher über gebogene Leitelemente 28 verfügt, welche der Strömung einen Drall aufprägen und diese dadurch vermischen. Durch eine im Zentrum des Mischers 24, 27 in der Ausgestaltung sowohl gemäß 3 als auch gemäß 4 verbleibende Öffnung 29, in deren Bereich keine Leitelemente 28 angeordnet sind, wird dabei, trotz guter Vermischung der Gasströme, eine Verringerung des Druckverlusts erzielt, sodass beide Ausführungsvarianten der Mischer 24, 27, welche rein beispielhaft zu verstehen sind, eine sehr gute Effizienz in dem Brennstoffzellensystem 2 gewährleisten.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- JP 2007-122953 A [0002]
- DE 102009050062 A1 [0003]
- WO 2008/052578 A1 [0021]
