DE102013006151A1

DE102013006151A1 - Brennstoffzellensystem

Info

Publication number: DE102013006151A1
Application number: DE102013006151.2A
Authority: DE
Inventors: Manas Mandal; Christian Dülk
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2013-04-10
Filing date: 2013-04-10
Publication date: 2014-10-16

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem (1) mit wenigstens einer Brennstoffzelle (3), mit einem Kathodenraum (5) und einem Anodenraum (4), mit einer Luftfördereinrichtung (13), welche mit einer Turbine (12) in mechanischer Wirkverbindung steht, mit einer Abgasleitung (9) zur Abfuhr von wasserstoffhaltigem Abgas aus dem Bereich des Anodenraums (4), mit einem katalytischen Brenner (10) zur Nachverbrennung von Wasserstoff, in welchem die Abgasleitung (9) mündet, wobei heiße Abgase des katalytischen Brenners (10) in die Turbine (12) strömen. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass eine weitere Turbine (17) in Wirkverbindung mit der Luftfördereinrichtung (13) vorgesehen ist, welche über eine Abluftleitung (16) mit dem Kathodenraum (4) der Brennstoffzelle (3) verbunden ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem mit wenigstens einer Brennstoffzelle nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.
Aus der gattungsgemäßen US 2012/0237844 A1 ist ein Brennstoffzellensystem bekannt, bei dem eine Luftfördereinrichtung und eine Turbine, in diesem Fall zusammen mit einer elektrischen Maschine, auf einer gemeinsamen Welle angeordnet sind und somit in mechanischer Wirkverbindung miteinander stehen. Gemäß einem der Ausführungsbeispiele ist es dabei vorgesehen, dass ein katalytischer Brenner in Strömungsrichtung vor der Turbine angeordnet ist, welchem zumindest Abgase aus einem Anodenraum der Brennstoffzelle zugeführt werden können. Die heißen Abgase des Brenners werden dann im Bereich der Turbine in Strömungsrichtung nach dem katalytischen Brenner entspannt, um so die im Wasserstoff enthaltene Energie zumindest teilweise in der Turbine zu nutzen. Außerdem werden durch den Brenner Wasserstoffemissionen an die Umgebung verhindert.
Die Anodenseite des Brennstoffzellensystems aus der gattungsgemäßen Schrift verfügt dabei über einen sogenannten Anodenkreislauf, aus welchem Anodenabgase, welche Wasserstoff enthalten, lediglich von Zeit zu Zeit abgelassen werden. Vergleichbares gilt bei einer Brennstoffzelle, welche in einem sogenannten Near-Dead-End-Aufbau realisiert ist. Auch hier werden typischerweise die Abgase aus dem Anodenbereich lediglich von Zeit zu Zeit abgegeben. Für solche Aufbauten ist es nun ein entscheidender Nachteil, wenn der katalytische Brenner ständig von der Abluft aus dem Kathodenraum als Sauerstofflieferant durchströmt wird, da der katalytische Brenner in der Abluft Druckverluste verursacht, sodass die Energieausbeute für die Zeitspannen, in denen kein Wasserstoff vorliegt, entsprechend verringert werden. Außerdem ist es so, dass die Turbine typischerweise als Kompromiss auf Betriebsphasen, in denen lediglich vergleichsweise kalte Abluft einströmt und auf Betriebsphasen, in denen heißes Abgas einströmt, ausgelegt werden muss. Typischerweise führt dies zu einem Kompromiss, welcher für beide Betriebsphasen lediglich einen eher schlechten Wirkungsgrad bereitstellt.
Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, diese Nachteile zu vermeiden und ein Brennstoffzellensystem anzugeben, welches das gattungsgemäße Brennstoffzellensystem in vorteilhafter Weise weiterbildet.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst.
Zusätzlich zu dem bisher beschriebenen Aufbau, wie er auch aus dem Stand der Technik bekannt ist, weist das Brennstoffzellensystem gemäß der Erfindung eine weitere Turbine auf, welche dafür vorgesehen ist, Abluft aus dem Kathodenraum der Brennstoffzelle zu nutzen und bei der Entspannung dieser Abluft, welche typischerweise bei einem Überdruck gegenüber der Umgebung und bei Temperaturen in der Größenordnung von 70–100°C vorliegt, Energie zurückzugewinnen. Darüber hinaus existiert weiterhin eine Turbine, welche mit dem Kat-Brenner in Verbindung steht und die heißen Abgase aus dem Kat-Brenner, in dem das wasserstoffhaltige Abgas des Brennstoffzellensystems nachverbrannt wird, zu entspannen. Der erfindungsgemäße Aufbau mit zwei Turbinen, welche beide in Wirkverbindung mit der Luftfördereinrichtung stehen, ermöglicht es nun, beide Turbinen auf ihren Anwendungsfall hin ideal auszulegen. Die eine erste Turbine, welche mit dem Kat-Brenner in Verbindung steht, kann auf einem kleinen Volumenstrom von heißen Abgasen optimiert ausgelegt werden. Die andere Turbine kann auf einen sehr viel größeren Volumenstrom der sehr viel kühleren Abluft des Kathodenraums optimal ausgelegt werden. Durch den Einsatz der beiden Turbinen ergeben sich so deutliche Wirkungsgradvorteile gegenüber dem bisherigen System und gleichzeitig werden, wie auch beim bisherigen System, Wasserstoffemissionen an die Umgebung sicher und zuverlässig verhindert und die im Wasserstoff enthaltene Energie wird in dem Brennstoffzellensystem genutzt.
Gemäß einer sehr vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems ist es vorgesehen, dass die Abluftleitung nach der weiteren Turbine über ein Leitungselement mit dem Kat-Brenner verbunden ist. Über dieses Leitungselement kann so ein kleiner Teil der bereits entspannten Abluft nach der weiteren Turbine genutzt werden, um in dem Kat-Brenner den benötigten Sauerstoff bereitzustellen und so das Entstehen der heißen Abgase zur Entspannung in der ersten Turbine bereitzustellen. Der Vorteil besteht bei dieser Variation des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems darin, dass dem zur weiteren Turbine strömenden Volumenstrom kein Volumen entnommen wird, sondern dass dieses vollständig über die weitere Turbine entspannt werden kann.
In einer sehr vorteilhaften Weiterbildung hiervon kann es dabei vorgesehen sein, dass ein Kondensator zwischen der weiteren Turbine und dem Abzweig des Leitungselements angeordnet ist. Ein solcher Kondensator sorgt dafür, dass Feuchtigkeit aus der entspannten Abluft nach der weiteren Turbine gesammelt und abgeschieden beziehungsweise auskondensiert wird. Dadurch, dass der Abzweig des Leitungselements in Strömungsrichtung der Abluft nach dem Kondensator angeordnet ist, wird der unnötige Eintrag von Feuchtigkeit in den Bereich des katalytischen Brenners verhindert, sodass dieser sehr effizient und wirkungsvoll den Restwasserstoff aus der Brennstoffzelle umsetzen kann.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems kann es dabei vorgesehen sein, dass eine Rezirkulationsleitung und eine Rezirkulationsfördereinrichtung den Ausgang des Anodenraums mit einer Brennstoffzuleitung zu dem Anodenraum verbindet, wobei die Abgasleitung aus der Rezirkulationsleitung abzweigt. Das Brennstoffzellensystem kann also insbesondere ein solches mit einer sogenannten Anodenrezirkulation sein, da sich insbesondere hier, wenn ein kleiner und/oder nicht kontinuierlicher Wasserstoffstrom vorliegt, die besonderen Vorteile der zwei Turbinen erschließen.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems ergeben sich aus den restlichen abhängigen Unteransprüchen und werden anhand des Ausführungsbeispiels deutlich, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben ist.
Die einzige beigefügte Figur zeigt ein Brennstoffzellensystem in einem prinzipmäßig angedeuteten Fahrzeug.
In der Darstellung der Figur ist ein prinzipmäßig angedeutetes Fahrzeug 1 zu erkennen, welches ein stark schematisiert dargestelltes Brennstoffzellensystem 2 aufweist. Das Brennstoffzellensystem 2 soll elektrische Antriebsleistung für das Fahrzeug bereitstellen. Den Kern des Brennstoffzellensystems 2 bildet eine Brennstoffzelle 3, welche als Brennstoffzellenstapel bzw. Brennstoffzellenstack aufgebaut ist. Dieser Brennstoffzellenstapel soll in PEM-Technologie realisiert sein. Er weist einen Kathodenraum 4 und einen Anodenraum 5 auf. Dem Anodenraum 5 wird Wasserstoff aus einer hier nicht näher spezifizierten Wasserstoffquelle in an sich bekannter Art und Weise zugeführt. Das Abgas aus dem Anodenraum 5 wird über eine Rezirkulationsleitung 6 und eine Rezirkulationsfördereinrichtung 7, welche beispielsweise, wie hier dargestellt, als Rezirkulationsgebläse ausgebildet sein kann, zum Eingang des Anodenraums bzw. zu einer Brennstoffzuleitung 8 zurückgeführt. Alternativ zur Ausbildung der Rezirkulationsfördereinrichtung 7 als Gebläse könnte diese genauso gut als Gasstrahlpumpe bzw. Jetpump ausgebildet sein. In an sich bekannter Art und Weise wird aus diesem sogenannten Rezirkulationskreislauf bzw. Anodenloop von Zeit zu Zeit oder kontinuierlich mit kleinem Volumenstrom Gas abgelassen. Dieses gelangt über eine Abgasleitung 9 in einen katalytischen Brenner 10, welchem außerdem über ein Leitungselement 11 sauerstoffhaltige Abluft des Brennstoffzellensystems zugeführt wird. In dem katalytischen Brenner 10 wird der in dem Abgas enthaltene Wasserstoff verbrannt, wodurch einerseits Wasserstoffemissionen an die Umgebung verhindert werden und andererseits in dem Wasserstoff enthaltene Energie in thermische Energie umgesetzt wird. Diese thermische Energie kann dann in einer Turbine 12 zumindest teilweise zurückgewonnen werden, bevor die Abgase an die Umgebung abströmen.
Dem Kathodenraum 4 der Brennstoffzelle 3 wird Luft über eine Luftfördereinrichtung 13, welche beispielsweise als Strömungsverdichter ausgebildet ist, zugeführt. Die verdichtete Zuluft strömt in der Zuluftleitung 14 durch einen optionalen Ladeluftkühler 15 und gelangt dann in den Kathodenraum 4 der Brennstoffzelle 3. Abluft, welche unverbrauchten Restsauerstoff enthält, gelangt über eine Abluftleitung 16 zu einer weiteren Turbine 17 und wird in dieser entspannt. Dabei wird Druck und Wärme in der Abluft entsprechend genutzt. Die nach der Turbine 17 entspannte Abluft strömt über einen Kondensator 18, bevor sie in die Umgebung abgeleitet wird. Die beiden Turbinen 12, 17 und die Luftfördereinrichtung 13 stehen dabei in mechanischer Wirkverbindung zueinander. In dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel ist dies durch eine gemeinsame Welle 19 realisiert. Genauso gut wäre eine mechanische Wirkverbindung über Getriebeelemente, Kupplungen oder Freiläufe denkbar. Insbesondere wenn die Turbine 12 lediglich von Zeit zu Zeit von heißem Abgas aus dem katalytischen Brenner 10 durchströmt wird, könnte die Anbindung über einen Freilauf sinnvoll sein, sodass die Turbine 12 nicht mitgeschleppt werden muss, wenn in ihrem Bereich kein Abgas vorliegt.
Optional kann nach dem Kondensator 18 außerdem noch ein Druckregelventil 23 angebracht sein. Hierdurch kann der Druck optimalerweise so eingestellt werden, dass der Druck in dem Leitungselement 11 so hoch ist, dass sich ein positives Druckverhältnis für die Turbine 12 einstellt. Hierdurch kann außerdem sichergestellt werden, dass in jedem Fall die beiden Turbinen 12, 17 optimiert zu regeln sind, sodass das Gas auch sicher durch die Turbine 12 strömt und nicht nach der Turbine 17 in die Umgebung abgeleitet wird.
Die in den beiden Turbinen 12, 17, welche ideal auf die jeweiligen Temperaturen und Volumenströme der Gase, welche in den Turbinen 12, 17 entspannt werden, angepasst werden können, wird die Luftfördereinrichtung 13 angetrieben. Für den Fall, dass die im Bereich der Turbinen 12, 17 anfallende Leistung nicht zum Antrieb der Luftfördereinrichtung 13 ausreicht, ist auf der gemeinsamen Welle 19 außerdem eine elektrische Maschine 20 vorgesehen. Diese kann die notwendige zusätzliche Leistung, was im Normalbetrieb der Brennstoffzelle 3 annähernd immer der Fall sein wird, zum Antreiben der Luftfördereinrichtung 13 liefern. In speziellen Situationen kann es auch dazu kommen, dass im Bereich einer der Turbinen 12, 17 oder beider Turbinen 12, 17 überflüssige Leistung anliegt. In diesem Fall kann die elektrische Maschine 20 auch generatorisch betrieben werden, um elektrische Energie zu gewinnen.
Die dem katalytischen Brenner 10 zugeführte Abluft als Sauerstoffquelle wird in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel über das Leitungselement 11 aus der Abluftleitung 16 der Brennstoffzelle 3 nach der Turbine 17 und dem Kondensator 18 abgezweigt. Sie ist damit vergleichsweise trocken, sodass keine Feuchte in den katalytischen Brenner 10 eingetragen wird. Damit wird eine hohe Leistungsfähigkeit des katalytischen Brenners 10 gewährleistet.
Bei dem hier dargestellten Brennstoffzellensystem 2 ist es nun außerdem so, dass Wasser, welches sich in dem Bereich des Kondensators 18 sammelt, über eine Wasserleitung 21 und eine Wasserpumpe 22 in den Bereich der Zuluftleitung 14 gelangt, um dort die Zuluft entsprechend zu befeuchten, sodass durch eine ausreichende Feuchte der Zuluft eine Befeuchtung der in dem Brennstoffzellenstapel 3 verbauten Membranen erzielt wird. Hierdurch wird ein Austrocknen der Membranen verhindert und die Leistungsfähigkeit und Lebensdauer der Brennstoffzelle 3 entsprechend erhöht.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2012/0237844 A1 [0002]

Claims

Brennstoffzellensystem (1) mit wenigstens einer Brennstoffzelle (3), mit einem Kathodenraum (4) und einem Anodenraum (5), mit einer Luftfördereinrichtung (13), welche mit einer Turbine (12) in mechanischer Wirkverbindung steht, mit einer Abgasleitung (9) zur Abfuhr von wasserstoffhaltigem Abgas aus dem Bereich des Anodenraums (5), mit einem katalytischen Brenner (10) zur Nachverbrennung von Wasserstoff, in welchem die Abgasleitung (9) mündet, wobei heiße Abgase des katalytischen Brenners (10) in die Turbine (12) strömen, dadurch gekennzeichnet, dass eine weitere Turbine (17) in Wirkverbindung mit der Luftfördereinrichtung (13) vorgesehen ist, welche über eine Abluftleitung (16) mit dem Kathodenraum (4) der Brennstoffzelle (3) verbunden ist.
Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abluftleitung (16) nach der weiteren Turbine (17) über ein abzweigendes Leitungselement (11) mit dem katalytischen Brenner (10) verbunden ist.
Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kondensator (18) zwischen der weiteren Turbine (17) und dem Abzweig des Leitungselements (11) angeordnet ist.
Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Rezirkulationsleitung (6) und eine Rezirkulationsfördereinrichtung (7) den Ausgang des Anodenraums (5) mit einer Brennstoffzuleitung (8) zu dem Anodenraum (5) verbindet, wobei die Abgasleitung (9) aus der Rezirkulationsleitung (6) abzweigt.
Brennstoffzellensystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Turbinen (12, 17) und die Luftfördereinrichtung (13) mit einer elektrischen Maschine (20) in Wirkverbindung stehen.
Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Turbinen (12, 17), die Luftfördereinrichtung (13) und die elektrische Maschine (20) auf einer gemeinsamen Welle (19) angeordnet sind.
Brennstoffzellensystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine der Turbinen (17, 18) über eine Kupplung und/oder einen Freilauf mit der Luftfördereinrichtung (13) in Wirkverbindung steht.
Brennstoffzellensystem (1) nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Kondensator (18) über eine Wasserpumpe (22) mit der Zuluftleitung (14) der Brennstoffzelle (3) zumindest mittelbar verbunden ist.