-
Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem mit einer Brennstoffzelle.
-
Brennstoffzellen nutzen die chemische Umsetzung eines Brennstoffs mit Sauerstoff zu Wasser, um elektrische Energie zu erzeugen. Hierfür enthalten Brennstoffzellen als Kernkomponente die sogenannte Membran-Elektroden-Einheit (MEA für membrane electrode assembly), die ein Verbund aus einer protonenleitenden Membran und jeweils einer, beidseitig an der Membran angeordneten Elektrode (Anode und Kathode) ist. Zudem können Gasdiffusionslagen (GDL) beidseitig der Membran-Elektroden-Einheit an den, der Membran abgewandten Seiten der Elektroden angeordnet sein. In der Regel wird die Brennstoffzelle durch eine Vielzahl, im Stapel (englisch: stack) angeordneter MEAs gebildet, deren elektrische Leistungen sich addieren. Im Betrieb der Brennstoffzelle wird der Brennstoff, insbesondere Wasserstoff H2 oder ein wasserstoffhaltiges Gasgemisch der Anode zugeführt, wo eine elektrochemische Oxidation von H2 zu H+ unter Abgabe von Elektronen stattfindet. Über den Elektrolyten oder die Membran, welche die Reaktionsräume gasdicht voneinander trennt und elektrisch isoliert, erfolgt ein (wassergebundener oder wasserfreier) Transport der Protonen H+ aus dem Anodenraum in den Kathodenraum. Die an der Anode bereitgestellten Elektronen werden über eine elektrische Leitung der Kathode zugeleitet. Der Kathode wird Sauerstoff oder ein sauerstoffhaltiges Gasgemisch zugeführt, sodass eine Reduktion von O2 zu O2– unter Aufnahme der Elektronen stattfindet. Gleichzeitig reagieren im Kathodenraum diese Sauerstoffanionen mit den, über die Membran transportierten Protonen unter Bildung von Wasser. Durch die direkte Umsetzung von chemischer in elektrische Energie erzielen Brennstoffzellen gegenüber anderen Elektrizitätsgeneratoren aufgrund der Umgehung des Carnot-Faktors einen verbesserten Wirkungsgrad.
-
Die derzeit am weitesten entwickelte Brennstoffzellentechnologie basiert auf Polymerelektrolytmembranen (PEM), bei denen die Membran selbst aus einem Polymerelektrolyt besteht. Hierbei werden oft säuremodifizierte Polymere, insbesondere perfluorierte Polymere, eingesetzt. Der am weitesten verbreitete Vertreter dieser Klasse von Polymerelektrolyten ist eine Membran aus einem sulfonierten Polytetrafluorethylen-Copolymer (Handelsname: Nafion; Copolymer aus Tetrafluorethylen und einem Sulfonylsäurefluorid-Derivat eines Perfluoralkylvinylethers). Die elektrolytische Leitung findet dabei über hydratisierte Protonen statt, weshalb für die Protonenleitfähigkeit das Vorhandensein von Wasser Bedingung ist und im Betrieb der PEM-Brennstoffzelle ein Anfeuchten der Betriebsgase erforderlich ist. Aufgrund der Notwendigkeit des Wassers ist die maximale Betriebstemperatur dieser Brennstoffzellen bei Normdruck auf unter 100°C beschränkt. In Abgrenzung von Hochtemperatur-Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellen (HT-PEM-Brennstoffzellen), deren elektrolytische Leitfähigkeit auf einen durch elektrostatische Komplexbindung an ein Polymergerüst der Polymerelektrolytmembran gebundenen Elektrolyten beruht (beispielsweise Phosphorsäure-dotierte Polybenzimidazol(PBI)-Membrane) und die bei Temperaturen von 160°C betrieben werden, wird dieser Brennstoffzellentyp auch als Niedertemperatur-Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzelle (NT-PEM-Brennstoffzelle) bezeichnet.
-
Der Anode wird im Betrieb der Brennstoffzelle wie bereits erwähnt Wasserstoff als Anodengas zugeführt. Um eine ausreichende Brennstoffkonzentration sicherzustellen, kann ein Anodengas-Rezirkulationssystem vorgesehen sein. Dieses sorgt dafür, dass aus der Anode ausströmendes Anodengas wieder in die Anode rückgeführt wird. Bei Bedarf wird das Anodengas mit Brennstoff aus einem Brennstofftank angereichert. Von Zeit zu Zeit muss jedoch das rückgeführte Anodengas ersetzt werden, da sich das Anodengas, wie allgemein bekannt, mit Stickstoff anreichert. Zu diesem Zweck wird das Anodengas aus dem Anodengas-Rezirkulationssystem abgeführt, und kann fortan als Anodenabgas bezeichnet werden. Der Vorgang dieses Abführens oder Ablassens wird oft auch als „purgen” (englisch: „to purge”) bezeichnet.
-
Da das Anodenabgas auch einen Anteil an Brennstoff enthält, und insbesondere bei einer Verwendung von Wasserstoff als Brennstoff ein zündfähiges Gemisch vorliegen kann, wurden in der Vergangenheit bereits Maßnahmen ergriffen, um den Wasserstoff kontrolliert abzubauen.
-
Je nach verwendetem Konzept wird Wasserstoff z. B. auf die Kathode abgelassen. Dadurch können kurzzeitig hohe Wasserstoffkonzentrationen auf der Kathode entstehen. Somit müssten einzelne Komponenten eines Brennstoffzellensystems, wie z. B. ein Verdichter, Schläuche, etc., aus Sicherheitsgründen explosionssicher ausgeführt und auch hinsichtlich einer möglichen, durch Wasserstoff begünstigten, Korrosion (Wasserstoffkorrosion) geprüft und ausgelegt werden.
-
Es sind deshalb verschiedenste Lösungsansätze bekannt. Ein Ansatz beinhaltet dabei ein Abführen des Anodenabgases in ein Kathodenabgas, woraufhin die beiden Abgase mitsamt dem darin enthaltenen Wasserstoff der Umgebung zugeführt werden. Um eine Explosionsgefahr im Abgas zu reduzieren, kann eine Verdünnung des Wasserstoffs durch einen erhöhten Luftstrom im Abgas erfolgen. Dies kann insbesondere beim Startvorgang der Brennstoffzelle erfolgen. Der erhöhte Luftstrom ist jedoch mit einem höheren Energieverbrauch durch eine Zuluftfördereinrichtung (z. B. ein Turbo-Verdichter oder ein Gebläse) verbunden. Zudem wird ein Gesamtwirkungsgrad des Brennstoffzellensystems dadurch verringert, dass Wasserstoff ohne energetische Nutzung der Umgebung zugeführt wird.
-
Ferner existieren Ideen zur energetischen Verwertung des Wasserstoffs, z. B. in Form einer katalytischen Verbrennung im Abgas. Jedoch ist kein System auf dem Markt bekannt, welches dieses einsetzt, da hiermit einige Herausforderungen verbunden sind. Beispielsweise sind Zündprobleme aufgrund des Wasseranteils im Kathodenabgas bekannt.
-
Auch ist es möglich, die Wasserstoffverluste anodenseitig so weit wie möglich mittels einer optimierten Betriebsstrategie zu reduzieren. Eine vollständige Vermeidung der Verluste ist jedoch nicht bekannt.
-
Auf Grund der bisher relativ hohen Wasserstoffkonzentration im Kathodenabgas wurden aus Sicherheitsgründen bisher Flammenfilter verwendet.
-
Die
DE 10 2009 009 675 A1 offenbart ein Brennstoffzellensystem, dessen Brennstoffzelle anodenseitig ein Rezirkulationssystem für Wasserstoff aufweist. Über ein Ablassventil wird Anodenabgas aus dem Anodenbereich, welches Restwasserstoff enthält, einer Zuluft der Brennstoffzelle zugeführt. Ferner werden katalytische Einheiten mit einem katalytischen Material zur Umsetzung eines brennstoffhaltigen Gases offenbart. Einer ersten, zuluftseitigen, katalytischen Einheit wird das aus dem Anodenbereich stammende Abgas zugeführt. Der in dem Abgas enthaltene Wasserstoff reagiert dort mit Sauerstoff aus der Zuluft. Es wird außerdem vorgeschlagen, die erste katalytische Einheit in einen Wärmetauscher zu integrieren, welcher die in der katalytischen Einheit erzeugten Abwärme auf einen Abgasstrom der Kathode überträgt.
-
Ferner beschreibt die
DE 10 2009 039 445 A1 eine Steuerung eines Ventils für das Ablassen von Wasser und Stickstoff aus einer anodenseitigen Zirkulationsleitung einer Brennstoffzelle, wobei auch Wasserstoff abgelassen wird. Ein Abströmbereich des Wassers, Stickstoffs und Wasserstoffs, innerhalb welchem die Zuführung zur Kathodenseite erfolgt, befindet sich entweder stromauf oder stromab eines Kathodenbereichs der Brennstoffzelle. Das Ventil wird unter anderem derart gesteuert, dass eine Wasserstoffkonzentration im Kathodenabgas unterhalb eines Grenzwerts bleibt. Zudem wird bei einer Überschreitung eines zulässigen Konzentrationswerts im Kathodenabgas das Ventil geschlossen.
-
Die
DE 10 2005 013 519 A1 beschreibt einen Akkumulator, beispielsweise einen geeigneten Tank, der gespültes Anodenabgas sammelt, sodass es mit relativ niedrigen, nicht brennbaren Wasserstoffkonzentrationen abgegeben werden kann. Ein Ventil ist mit einer aus der Anode führenden Austragsleitung gekoppelt. Das Ventil wird selektiv geöffnet, um zu ermöglichen, dass das Anodenabgas von dem Akkumulator gesammelt werden kann. Ein stromab des Akkumulators angeordnetes, weiteres Ventil wird so betätigt, dass nur eine minimale Menge des Anodenabgases zu einem gegebenen Zeitpunkt von dem Akkumulator austreten kann. Durch selektives Steuern der Menge an Abgas, die von dem Akkumulator austritt, kann die Menge des Gases unterhalb der Brennbarkeitsgrenzen des Wasserstoffs darin gehalten werden. Das Anodenabgas wird mit dem Kathodenabgas oder mit dem Lufteingangsgas an der Kathodeneingangsleitung gemischt.
-
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Brennstoffzellensystem zur Verfügung zu stellen, welches auf einfache und kostengünstig umzusetzende Weise eine sichere Handhabe von abgeführtem Wasserstoff ermöglicht.
-
Erfindungsgemäß wird ein Brennstoffzellensystem mit einer Brennstoffzelle zur Verfügung gestellt. Kennzeichnend ist vorgesehen, dass das Brennstoffzellensystem in einem Kathodengaspfad des Brennstoffzellensystems eine Filtereinrichtung umfasst und ein Anodenabgaspfad des Brennstoffzellensystems stromauf der und/oder in die Filtereinrichtung mündet, wobei die Filtereinrichtung dazu ausgebildet ist, Brennstoff aus einem Anodenabgas herauszufiltern.
-
Dadurch, dass das Anodenabgas der Brennstoffzelle im Betrieb der Brennstoffzelle stromauf der Filtereinrichtung in den Kathodengaspfad oder (direkt) in die Filtereinrichtung eingebracht wird, wird mittels der Filtereinrichtung Brennstoff, insbesondere Wasserstoff aus dem Anodenabgas herausgefiltert. Somit wird während des zeitlich begrenzten Abführens von Anodenabgas (aus dem Englischen auch oft „purgen” genannt) innerhalb der Filtereinrichtung Brennstoff gepuffert. Dadurch gelangt der Brennstoff nicht abrupt in den Kathodengaspfad stromab der Filtereinrichtung, weshalb dort brennbare Brennstoffkonzentrationen verhindert werden können. Zudem wird dadurch auch eine Bauteilkorrosion durch z. B. Wasserstoff verhindert oder zumindest signifikant verringert, sodass ein Korrosionsschutz entfallen kann. Brennstoff, welcher durch einen möglichen Schlupf die Filtereinrichtung durchquert, ist durch die Filtereinrichtung auf eine unkritische Konzentration verringert worden.
-
Gemäß der Alternative, in welcher der Anodenabgaspfad stromauf der Filtereinrichtung mündet, mündet der Anodenabgaspfad unmittelbar stromauf der Filtereinrichtung. Insbesondere mündet der Anodenabgaspfad höchstens 100 cm, bevorzugt höchstens 50 cm, ferner bevorzugt höchstens 25 cm, besonders bevorzugt höchstens 10 cm stromauf der Filtereinrichtung. Je kürzer der Abstand zwischen der Filtereinrichtung und der Einmündung ist, desto geringer ist eine Strecke im Kathodengaspfad mit relativ hohen Brennstoffkonzentrationen. Bei einer kürzeren Strecke sinkt somit auch die Gefährdung durch den Brennstoff. Der Kathodengaspfad ist allgemein eine im Betrieb der Brennstoffzelle gasführende Strecke, welche sich zu oder von einer Kathode der Brennstoffzelle erstreckt.
-
Der in der Filtereinrichtung eingelagerte Brennstoff, insbesondere Wasserstoff wird nach und nach in der Filtereinrichtung mittels Sauerstoff im Kathodengas zu Wasser umgesetzt. Es sind somit keine zusätzlichen aktiven Bauteile (z. B. Ventile) notwendig. Ferner kann der Brennstoff auch, z. B. durch eine Einstellung eines für eine Brennstoffspeicherung in der Filtereinrichtung ungünstigen Druckes, wieder kontrolliert aus der Filtereinrichtung ausgetragen werden.
-
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Filtereinrichtung stromauf eines Kathodeneingangs der Brennstoffzelle angeordnet ist. Somit befindet sich die Filtereinrichtung in einem Zuluftpfad (also ein Kathodeneingangspfad) des Brennstoffzellensystems. Ein Brennstoff, welcher, z. B. aufgrund von Schlupf, die Filtereinrichtung in Strömungsrichtung verlässt, gelangt in der Folge zur Brennstoffzelle und wird dort in einem Kathodenraum der Brennstoffzelle abreagiert.
-
Bevorzugt ist vorgesehen, dass die Filtereinrichtung stromauf einer Zuluftfördereinrichtung des Brennstoffzellensystems angeordnet ist. Durch diese Ausgestaltung wird ein Abführen des Anodenabgases aus der Anode unterstützt, da der Druck stromauf der Zuluftfördereinrichtung (z. B. ein Verdichter, insbesondere ein Turbo-Verdichter oder Gebläse) geringer ist als stromab der Zuluftfördereinrichtung.
-
Ferner ist bevorzugt vorgesehen, dass die Filtereinrichtung als ein Luftfilter zur Filterung von Zuluft der Brennstoffzelle ausgebildet ist. Somit ist ein ohnehin zur Filterung der Zuluft vorhandener Luftfilter zusätzlich zur Filterung von Brennstoff ausgebildet. Dadurch wird ein zusätzlicher Druckverlust, welcher bei Verwendung zweier separater, nacheinander angeordneter Filter entstehen würde, verhindert.
-
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Filtereinrichtung derart ausgebildet ist, dass die Zuluft von unten nach oben durch die Filtereinrichtung strömt. Somit ist die Filtereinrichtung derart ausgebildet, dass innerhalb der Filtereinrichtung gebildetes Produktwasser entgegen einer vorgesehenen Strömungsrichtung der Zuluft aus der Filtereinrichtung abrinnt. Dies ist von besonderem Vorteil, wenn es sich bei der Filtereinrichtung um das am weitesten stromauf gelegene Bauteil im Zuluftpfad befindet. Zudem wird so auch ein Ansaugen von Wasser aus der Umgebung verhindert.
-
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Filtereinrichtung ferner einen Katalysator aufweist, welcher zur katalytischen Verbrennung von Brennstoff, insbesondere Wasserstoff ausgebildet ist. Durch den Katalysator wird eine Umsetzung von Brennstoff innerhalb der Filtereinrichtung und somit eine Regeneration (Entleerung) der Filtereinrichtung beschleunigt.
-
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass der Katalysator eine katalytische Beschichtung eines Filtermaterials der Filtereinrichtung ist. Gemäß dieser Ausgestaltung ist der Katalysator somit direkt an der Oberfläche des Filtermaterials angeordnet. Der im und/oder am Filtermaterial eingelagerte Brennstoff steht somit in direktem Kontakt mit dem Katalysator, z. B. Platin.
-
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Filtermaterial geschüttet vorliegt. Auch in dieser Ausgestaltung kann das Filtermaterial die katalytische Beschichtung aufweisen. Durch den geschütteten Aufbau wird eine besonders kostengünstige Realisierung ermöglicht.
-
Bevorzugt ist vorgesehen, dass der Katalysator und/oder ein Filtermaterial der Filtereinrichtung gemischt geschüttet vorliegen. Somit liegen also sowohl der Katalysator als auch das Filtermaterial geschüttet vor und sind miteinander gemischt. Dadurch wird eine einfache und somit kostengünstige Filtereinrichtung bei gleichzeitig effektiver Filterwirkung bereitgestellt. Die beiden Schüttgüter können zudem annähernd kugelförmig ausgebildet sein, was eine gleichmäßige Verteilung und Umströmung sicherstellt.
-
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Filtereinrichtung als ein Filtermaterial Aktivkohle umfasst. Aktivkohle eignet sich unter anderem aufgrund ihrer großen Oberfläche hervorragend zum Herausfiltern von Brennstoff, insbesondere Wasserstoff.
-
Bevorzugt ist die Ausbildung eines nicht komplett von der Zuluft abgetrennten Bereichs in der Filtereinrichtung (insbesondere einer als Luftfilter ausgebildeten Filtereinrichtung) vorgesehen, in dem der Brennstoff eingebracht wird und nach einer (Teil-)Reaktion mit einem Zuluftmassenstrom von diesem mitgerissen wird. Durch den nicht komplett abgetrennten Bereich ist auch ohne zu hohe Strömungsgeschwindigkeiten eine Zuluftzufuhr sichergestellt.
-
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass der Kathodengaspfad innerhalb der Filtereinrichtung einen Haupt-Kathodengaspfad und einen dazu parallelgeführten Neben-Kathodengaspfad aufweist. Der Neben-Kathodengaspfad ist vorzugsweise mittels einer Drosselstelle derart ausgebildet, dass eine Strömungsgeschwindigkeit durch den Neben-Kathodengaspfad geringer ist als eine Strömungsgeschwindigkeit durch den Haupt-Kathodengaspfad. Somit werden die Bedingungen für eine effektive Einlagerung des Brennstoffs in das Filtermaterial verbessert.
-
Ferner wird ein Kraftfahrzeug umfassend ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem zur Verfügung gestellt. Das Kraftfahrzeug zeichnet sich durch seine erhöhte Betriebssicherheit, verringerte Kosten und eine verringerte Brennstoffemission aus.
-
Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.
-
Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar.
-
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
-
1 ein Brennstoffzellensystem gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung, und
-
2 eine bevorzugte Ausgestaltung einer Filtereinrichtung.
-
1 zeigt ein stark vereinfachtes Brennstoffzellensystem 10 gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung in einer schematischen Ansicht. Es wurden bewusst nur Komponenten dargestellt, welche für ein Verständnis der Erfindung von Belang sind.
-
Das Brennstoffzellensystem 10 umfasst eine Brennstoffzelle 12, z. B. einen Brennstoffzellenstapel mit mehreren aufeinandergestapelten Einzelzellen 14. Die Einzelzellen können jeweils eine Polymerelektrolytmembran (PEM) umfassen, wodurch eine Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle gebildet wird. Die Brennstoffzelle 12 weist einen Anodeneingang 16, einen Anodenausgang 18, einen Kathodeneingang 20 und einen Kathodenausgang 22 zur Versorgung der Brennstoffzelle 12 mit Reaktanten auf. Zudem kann die Brennstoffzelle noch ein nicht dargestelltes Kühlsystem mit entsprechenden Ein- und Ausgängen aufweisen.
-
Das Brennstoffzellensystem kann ein Anodengas-Rezirkulationssystem 24 mit einem Fördermittel 26 (z. B. ein Gebläse oder ein Verdichter) aufweisen, welches den Anodenausgang 18 mit dem Anodeneingang 16 verbindet. Ferner kann das Brennstoffzellensystem einen Brennstofftank 28 aufweisen, welcher mittels eines schalt- oder regelbaren Ventils, dem Zufuhrventil 30, an das Rezirkulationssystem 24 gekoppelt ist. Das Brennstoffzellensystem weist ferner einen Anodenabgaspfad 32 mit einem weiteren schalt- oder regelbaren Ventil, dem Ablassventil 34 auf.
-
Der Anodenabgaspfad 32 mündet im Beispiel stromauf einer Filtereinrichtung 36. Alternativ oder ergänzend kann der Anodenabgaspfad 32 auch in die Filtereinrichtung 36 münden. Die Filtereinrichtung 36 ist in einem Kathodengaspfad 38, in diesem Fall dem Zuluftpfad 40 des Kathodengaspfads 38 angeordnet und dazu ausgebildet, Brennstoff, z. B. Wasserstoff aus einem Anodenabgasstrom herauszufiltern. Zu diesem Zweck kann die Filtereinrichtung 36 Aktivkohle als Filtermaterial aufweisen. Zudem kann die Filtereinrichtung einen Katalysator aufweisen, welcher zur katalytischen Verbrennung von Brennstoff, im Beispiel Wasserstoff, ausgebildet ist. Der Katalysator kann dabei eine katalytische Beschichtung (eine Brennstoff abreagierende Schicht) des Filtermaterials der Filtereinrichtung 36 sein.
-
Zudem ist die Filtereinrichtung 36 im Beispiel als ein Luftfilter zur Filterung von Zuluft der Brennstoffzelle 12 ausgebildet. Die Filtereinrichtung 36 kann dabei derart ausgebildet sein, dass innerhalb der Filtereinrichtung 36 gebildetes Produktwasser entgegen einer vorgesehenen Strömungsrichtung der Zuluft aus der Filtereinrichtung 36 abrinnt. Zu diesem Zweck kann die Filtereinrichtung 36 derart im Brennstoffzellensystem 10 angeordnet sein, dass sie die Zuluft von unten ansaugt und von dieser von unten nach oben durchströmt wird.
-
Stromab der Filtereinrichtung 36 kann zwischen der Brennstoffzelle 12 und der Filtereinrichtung 36 eine Zuluftfördereinrichtung 42 angeordnet sein, welche z. B. über einen Motor 44 mit einer Turbine 46 gekoppelt ist. Die Turbine 46 ist im Kathodengaspfad 38 stromab des Kathodenausgangs 22, also im Kathodenabgaspfad 48 angeordnet. Stromab der Turbine 46 mündet der Kathodenabgaspfad 48 in die Umgebung.
-
Die einzelnen Gaspfade können z. B. mittels Kanälen, Leitungen, und/oder gasleitenden Komponenten realisiert sein.
-
2 zeigt eine bevorzugte Ausgestaltung der Filtereinrichtung 36. Ein Gehäuse 49 der Filtereinrichtung 36 weist ein Filtermaterial 50 (als Schraffur dargestellt), z. B. eine Schüttung von Aktivkohle 52 (einzelne Aktivkohlekörper) auf. Der Einfachheit halber wurde lediglich ein einzelner Aktivkohlekörper (z. B. in einer angenäherten Kugelform) der Aktivkohle 52 vergrößert dargestellt. Die Aktivkohle 52 weist an ihrer Oberfläche eine Beschichtung mit einem Katalysator 54, z. B. Platin auf, welche beispielsweise mittels Bedampfens auf die Aktivkohle 52 aufgebracht wurde.
-
Der Kathodengaspfad 38, in diesem Fall der Zuluftpfad 40 ist innerhalb der Filtereinrichtung 36 in einen Haupt-Kathodengaspfad 56 und einen Neben-Kathodengaspfad 58 unterteilt, wobei der Anodenabgaspfad 32 in den Neben-Kathodengaspfad 58 mündet. Der Haupt-Kathodengaspfad 56 und der Neben-Kathodengaspfad 58 sind also parallelgeführt. Es ist ersichtlich, dass in diesem Fall die Unterteilung in die beiden Kathodengaspfade 56 und 58 eher eine strömungstechnische Unterteilung als eine bauliche Unterteilung ist. Ferner weist die Filtereinrichtung am Anfang des Neben-Kathodengaspfads 58, also an einem Eingang in die Filtereinrichtung 36 eine Drossel 60 auf.
-
2 ist dabei so zu interpretieren, dass der Haupt-Kathodengaspfad 56 innerhalb der Filtereinrichtung vertikal von unten nach oben führt.
-
Folgend soll die Funktionsweise des oben beschriebenen Brennstoffzellensystems gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung erörtert werden.
-
Um mittels der Brennstoffzelle 12 elektrischen Strom zu erzeugen, wird das Zufuhrventil 30 zeitweise geöffnet, um Brennstoff, z. B. Wasserstoff, aus dem unter Druck stehenden Brennstofftank 28 zum Anodeneinlass 16 der Brennstoffzelle 12 zu leiten (vergleiche 1). Anschließend wird das Zufuhrventil 30 geschlossen und der Brennstoff 12 durch Anodenräume (nicht dargestellt) der Brennstoffzelle 12 hindurch geleitet. Bei der Brennstoffzellenreaktion nicht umgesetzter Brennstoff verlässt die Brennstoffzelle 12 durch den Anodenausgang 18 und wird im Anodengas-Rezirkulationssystem 24 durch das Fördermittel 26 wieder zum Anodeneingang 16 im Kreis bewegt.
-
Mit der Zeit reichert sich das Anodengas im Rezirkulationssystem 24 mit Stickstoff an, welcher vom Kathodengaspfad 38 über die Membranen der Brennstoffzelle 12 in das Anodengas diffundiert. Um die Stickstoffkonzentration im Anodengas zu senken, wird bei Bedarf das Ablassventil 34 im Anodenabgaspfad 32 geöffnet. Durch die Druckdifferenz zwischen dem Rezirkulationssystem 24 und dem Kathodengaspfad 38 strömt das Anodengas (ab jetzt als Anodenabgas bezeichnet) durch den Anodenabgaspfad 32 in den Kathodengaspfad 38.
-
Im Ausführungsbeispiel gemäß 2 mündet der Anodenabgaspfad 32 in die Filtereinrichtung 36. Das Anodenabgas 70 wird somit direkt in die Filtereinrichtung 36 eingebracht. Mittels der Zuluftfördereinrichtung 42 wird die Zuluft 72 durch die Filtereinrichtung 36 gesaugt. Zuluft 72, welche durch den Neben-Kathodengaspfad 58 strömt, wird jedoch durch die Drossel 60 angedrosselt. Dennoch mischt sich die Zuluft 72 im Neben-Kathodengaspfad 58 mit dem Anodenabgas 70 und reißt dieses mit. Bei einer Verwendung von Wasserstoff als Brennstoff würde dieser aufgrund seiner – verglichen mit Luft – wesentlich geringeren Dichte auch ohne die Zuluft 72 nach oben in die Filtereinrichtung 36 steigen. Auf dem Weg durch die Filtereinrichtung 36 wird der im Anodenabgas 70 vorhandene Brennstoff von dem Filtermaterial 50, welches gleichzeitig als Luftfilter der Zuluft 72 dient, herausgefiltert und lagert sich somit an und/oder in dem Filtermaterial 50, im gezeigten Beispiel der Aktivkohle 52, ein. Somit weist die Filtereinrichtung einen gesonderten, nicht komplett von dem Haupt-Zuluftpfad 56 abgetrennten Bereich auf, in welchen der Brennstoff eingeleitet wird.
-
Sollte Brennstoff aus dem Anodenabgas 70 trotz des Filtermaterials 50 die Filtereinrichtung 36 passieren, so liegt seine Konzentration, dank der Dimensionierung der Filtereinrichtung 36, innerhalb der Zuluft auf einem Wert unterhalb seiner Zündgrenzen.
-
Durch die ständige Um- und/oder Durchströmung des Filtermaterials 50 wird der eingelagerte Brennstoff ständig mit Sauerstoff aus der Zuluft 72 beaufschlagt, sodass dieser nach und nach unter der Bildung von Wasser zumindest teilweise abreagiert. Dies wird mittels des Katalysators 54 beschleunigt. Das so gebildete Wasser 74 kann durch die spezielle Ausgestaltung der Filtereinrichtung 36 nach unten ablaufen und verlässt auf diesem Wege die Filtereinrichtung 36 und das Brennstoffzellensystem 10.
-
Ein Teil des herausgefilterten Brennstoffs kann auch selbstständig (oder auch durch Zuführen von Wärme) die Filtereinrichtung in einer ausreichend niedrigen Konzentration wieder verlassen. Der Brennstoff strömt somit zusammen mit der Zuluft 72 über die Zuluftfördereinrichtung 42 und durch den Kathodeneingang 20 in die Brennstoffzelle 12. Innerhalb der Brennstoffzelle 12 wird der in der Zuluft 72 befindliche Brennstoff im Wesentlichen vollständig abreagiert. In der Folge verlässt das Kathodenabgas (also Zuluft 72 mit reduziertem Sauerstoffgehalt) durch den Kathodenausgang 22 die Brennstoffzelle 12 und treibt auf ihrem Weg in die Umgebung die Turbine 46 an. Die Turbine 46 oder auch der Motor 44 treibt auf bekanntem Wege die Zuluftfördereinrichtung 42 an.
-
In dem Anodenabgaspfad 32 kann ferner stromab des Ablassventils 34 ein nicht dargestellter Speicher (z. B. eine (Hochdruck-)Leitung oder ein entsprechender (Druck-)Behälter) mit einem ebenso nicht dargestellten, zwischen dem Speicher und dem Kathodengaspfad 38 angeordneten Ventil vorgesehen sein. Um die Filtereinrichtung nicht abrupt mit dem Anodenabgas 70 zu beaufschlagen, kann zunächst das stromab des Speichers angeordnete Ablassventil 34 geschlossen bleiben oder nur leicht geöffnet sein, während das Ablassventil 34 geöffnet ist. Durch das geöffnete Ablassventil 34 strömt das Anodenabgas 72 zunächst in den Speicher und wird dort gesammelt. Anschließend oder zum Teil auch gleichzeitig wird das stromab des Speichers angeordnete Ventil (ein Regelventil) nur so weit geöffnet, dass eine Brennstoffkonzentration in der Zuluft 72 unmittelbar stromab der Filtereinrichtung 36 einen kritischen Wert, z. B. die Zündgrenze, nicht erreicht. Dies kann beispielsweise derart erfolgen, dass eine Wasserstoffkonzentration an einem Ausgang der Filtereinrichtung 36 eine maximale Konzentration von 2% Wasserstoff nicht überschreitet.
-
Der aus der Filtereinrichtung 36 austretende Wasserstoff kann energetisch umgesetzt werden, z. B. direkt in der Brennstoffzelle 12 (katalytische Verbrennung in der relativ trockenen Zuluft 72).
-
Ferner kann im Kathodengaspfad 38 ein nicht dargestellter Wärmetauscher angeordnet sein, welcher den Zuluftpfad 40 und den Kathodenabgaspfad 48 wärmeleitfähig verbindet. Der Wärmetauscher kann dabei mit Vorteil im Zuluftpfad 40 stromab der Zuluftfördereinrichtung 42 und im Kathodenabgaspfad 48 stromauf der Turbine 46 angeordnet sein. Der Wärmetauscher kann eine katalytische Beschichtung aufweisen, welche einen die Filtereinrichtung 36 verlassenden Brennstoff katalytisch verbrennt. Die dabei entstehende Wärme wird auf das Kathodenabgas im Kathodenabgaspfad 48 übertragen. Durch die somit erhöhte Enthalpie des Kathodenabgases, wird eine Leistungsausbeute der Turbine 46 erhöht.
-
Zusammenfassend kann also festgestellt werden, dass der Großteil des abgeführten Brennstoffs (z. B. Wasserstoff) über die Filtereinrichtung 36 abgebaut wird. Dazu ist die Filtereinrichtung 36 entsprechend ausgelegt, sodass eine aus der Filtereinheit 36 austretende Brennstoffkonzentration sicher unterhalb eines kritischen Wertes bleibt. Eine Auslegung der Filtereinheit 36 kann unter anderem über ihre durchströmte Länge und die daraus resultierende Verweildauer des Brennstoffs in der Filtereinrichtung 36 erfolgen.
-
Die Aktivkohle kann in der Filtereinheit 36 gleichzeitig auch zur Filterung der Zuluft 72 dienen, welche stromauf der Filtereinheit 36 aus der Umgebung angesaugt wird. Mit anderen Worten kann also der Luftfilter des Brennstoffzellensystems 10 als ein Brennstoff (Wasserstoff) reduzierendes und somit konzentrationsregelndes Bauteil genutzt werden. Ferner kann aufgrund der auf ungefährliche Werte gesenkten oder gar nicht mehr vorhandenen Wasserstoffkonzentration ein Flammfilter entfallen.
-
Bezugszeichenliste
-
- 10
- Brennstoffzellensystem
- 12
- Brennstoffzelle
- 14
- Einzelzelle
- 16
- Anodeneingang
- 18
- Anodenausgang
- 20
- Kathodeneingang
- 22
- Kathodenausgang
- 24
- Rezirkulationssystem
- 26
- Fördermittel
- 28
- Brennstofftank
- 30
- Zufuhrventil
- 32
- Anodenabgaspfad
- 34
- Ablassventil
- 36
- Filtereinrichtung
- 38
- Kathodengaspfad
- 40
- Zuluftpfad
- 42
- Zuluftfördereinrichtung
- 44
- Motor
- 46
- Turbine
- 48
- Kathodenabgaspfad
- 49
- Gehäuse
- 50
- Filtermaterial
- 52
- Aktivkohle
- 54
- Katalysator
- 56
- Haupt-Kathodengaspfad
- 58
- Neben-Kathodengaspfad
- 60
- Drossel
- 70
- Anodenabgas
- 72
- Zuluft
- 74
- Wasser
-
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 102009009675 A1 [0011]
- DE 102009039445 A1 [0012]
- DE 102005013519 A1 [0013]
