-
Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzellenvorrichtung mit einer Brennstoffzelle und einem Anodengaspfad, der einen Anodengaszuflussabschnitt und einen Anodengasabflussabschnitt aufweist und sich zwischen dem Anodengaszuflussabschnitt und dem Anodengasabflussabschnitt anodenseitig durch die Brennstoffzelle erstreckt, und der einen Rezirkulationsabschnitt aufweist, der den Anodengasabflussabschnitt Anodengas leitend mit dem Anodengaszuflussabschnitt verbindet. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenvorrichtung mit einer Brennstoffzelle.
-
Brennstoffzellenvorrichtungen und Verfahren zum Betreiben von Brennstoffzellenvorrichtungen sind allgemein bekannt. Beispielsweise offenbart die
DE 10 2011 114 719 A1 eine solche Brennstoffzelle.
-
Beim Betrieb der Brennstoffzelle und insbesondere bei deren Inbetriebnahme ist darauf zu achten, dass die Anode eine vorgegebene Feuchtigkeit aufweist. Insbesondere bei einem Heißstart der Brennstoffzelle, bei dem diese beispielsweise kurz nach einer Außerbetriebnahme wieder gestartet wird, kann es jedoch vorkommen, dass die Anode aufgrund der hohen Betriebstemperatur der Brennstoffzelle austrocknet und der Betrieb der Brennstoffzellenvorrichtung nicht mehr sicher gewährleistet werden kann.
-
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Brennstoffzellenvorrichtung und ein Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenvorrichtung bereitzustellen, wobei einer Anode der Brennstoffzelle einfach Feuchtigkeit zugeführt werden kann.
-
Für die eingangs genannte Brennstoffzellenvorrichtung ist die Aufgabe dadurch gelöst, dass der Anodengasabflussabschnitt flüssiges Produktwasser der Brennstoffzelle übertragend mit dem Rezirkulationsabschnitt verbunden ist. Die Aufgabe ist für das eingangs genannte Verfahren dadurch gelöst, dass einem zur Brennstoffzelle geleiteten Anodengas Wasser hinzugefügt wird, das als flüssiges Produktwasser dem Anodenabgas der Brennstoffzelle entnommen wird.
-
Durch diese einfachen Maßnahmen ist sichergestellt, dass der Wassergehalt der Anode nicht unter einen vorgegebenen Sollwert sinken kann, da der Anode fehlendes Wasser mit dem Anodengas zugeführt werden kann. Der Rezirkulationsabschnitt wird vielfach verwendet, um noch im Anodenabgas enthaltendes Betriebsgas, beispielsweise Wasserstoff, erneut der Brennstoffzelle zuzuführen. Um den Aufwand für die Befeuchtung der Anode weiter zu verringern, verbindet der Rezirkulationsabschnitt vorzugsweise den Anodengasabflussabschnitt Wasser leitend mit dem Anodengaszuflussabschnitt. Folglich kann das Produktwasser anodenseitig aus der Brennstoffzelle entnommen und zusammen mit dem zurück zur Brennstoffzelle zu leitenden Anodengas der Anode zugeführt werden. Das entnommene Produktwasser kann zumindest teilweise dem der Brennstoffzelle zugeleiteten Anodengas hinzugefügt und vom Anodengas zur Anode geleitet werden, um diese zu befeuchten. Dadurch, dass das Wasser dem Anodengas im Anodengaszuflussabschnitt zugeführt wird, braucht die Brennstoffzelle konstruktiv nicht geändert zu werden.
-
Die erfindungsgemäße Lösung kann durch verschiedene, jeweils für sich vorteilhafte, und, sofern nicht anders ausgeführt, beliebig miteinander kombinierbare Ausgestaltungen weiter verbessert werden. Auf diese Ausgestaltungsformen und die mit ihnen verbundenen Vorteile ist im Folgenden eingegangen.
-
So kann der Anodengaszuflussabschnitt Wasserdampf vom Rezirkulationsabschnitt empfangend mit diesem verbunden sein. Weist die Anode eine zu geringe Feuchtigkeit auf, kann diese somit einfach durch Verwendung von Produktwasser der Brennstoffzelle befeuchtet werden. Das Produktwasser wird im Betrieb der Brennstoffzelle durch den Anodengasabflussabschnitt abgeleitet und kann zumindest teilweise zur Befeuchtung der Anode verwendet werden. Hinzufügen von Wasser aus einer externen Quelle ist somit nicht erforderlich. Dem Anodengas, insbesondere wenn es durch den Anodengaszuflussabschnitt strömt, kann also Produktwasser der Brennstoffzelle hinzugefügt werden.
-
Der Rezirkulationsabschnitt kann einen Anodengasverdichter aufweisen, um gewährleisten zu können, dass zwischen einem Anodengaseingang und einem Anodenabgasauslass der Brennstoffzelle ein vorgegebener Druckunterschied abfällt. Eingangsseitig ist dem Anodengasverdichter Anodenabgas zugeführt. Ausgangsseitig ist der Anodengasverdichter mit dem Anodengaszuflussabschnitt Gas leitend verbunden. Ferner ist dem Anodenabgasverdichter eingangsseitig Wasser, insbesondere Produktwasser, zuführbar. Das Produktwasser kann dem Anodenabgasverdichter zusammen mit dem Anodenabgas zugeleitet werden, sodass zusätzliche Leitungen nicht notwendig sind. Das Produktwasser wird vorzugsweise zusammen mit dem Anodenabgas aus der Brennstoffzelle ausgetragen, sodass die Brennstoffzelle nicht konstruktiv geändert werden braucht. Der Anodengasverdichter transportiert nicht nur das Wasser zum Anodengaszuflussabschnitt, vielmehr wird das Wasser vor dem Hinzufügen zum zur Brennstoffzelle geleiteten Anodengas verdampft, wobei das Verdampfen insbesondere durch den Anodenabgasverdichter hervorgerufen werden kann. Beim Verdichten des Anodenabgases entsteht nämlich Wärme, durch die das Wasser verdampft werden kann.
-
Die Brennstoffzellenvorrichtung kann einen Wasserabscheider aufweisen, durch den sich der Anodengasabflussabschnitt zwischen der Brennstoffzelle und dem Rezirkulationsabschnitt erstreckt. Folglich kann das von der Brennstoffzelle erzeugte Produktwasser wahlweise abgeschieden oder dem Anodengaszuflussabschnitt zugeführt werden.
-
Der Wasserabscheider ist vorzugsweise ausgebildet, die Menge an dem Anodengaszuflussabschnitt zugeführtem Wasser vorzugeben. Folglich kann durch den Wasserabscheider einfach die der Anode zuzuführende Menge an Feuchtigkeit eingestellt werden. Hierzu kann der Wasserabscheider ein Ventil, zum Beispiel ein Sperr- oder ein Regelventil, aufweisen, durch das das Produktwasser wahlweise von der Brennstoffzelle weg oder zum Anodengaszuflussabschnitt beziehungsweise zum Rezirkulationsabschnitt leitbar ist.
-
Gerade bei einem Heißstart der Brennstoffzelle, bei dem diese beispielsweise kurz nach einer Außerbetriebnahme erneut gestartet wird, kann die Anode mithilfe der erfindungsgemäßen Brennstoffzellenvorrichtung beziehungsweise des erfindungsgemäßen Verfahrens effizient befeuchtet werden, ohne dass die Komplexität der Brennstoffzellenvorrichtung oder des Verfahrens zum Betreiben der Brennstoffzelle ansteigt.
-
Die Erfindung ist nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
-
1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Brennstoffzellenvorrichtung, und
-
2 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens.
-
Im Folgenden ist die Erfindung beispielhaft anhand von Ausführungsformen in Bezug auf die Zeichnungen erläutert. Die unterschiedlichen Merkmale der Ausführungsformen können dabei unabhängig voneinander kombiniert werden, wie es bei den einzelnen vorteilhaften Ausgestaltungen bereits dargelegt wurde.
-
Zunächst sind Aufbau und Funktion einer erfindungsgemäßen Brennstoffzellenvorrichtung mit Bezug auf das Ausführungsbeispiel der 1 beschrieben.
-
1 zeigt die Brennstoffzellenvorrichtung 1 schematisch mit einer Brennstoffzelle 2, einem Anodengaspfad 3 und einem Abschnitt eines Kathodengaspfades 4. Der Anodengaspfad 3 erstreckt sich anodenseitig und der Kathodengaspfad 4 kathodenseitig durch die Brennstoffzelle 2.
-
Der Anodengaspfad 3 weist einen Eingang 5 auf, durch den Anodengas, beispielsweise Wasserstoff, zur Brennstoffzelle 2 strömen kann. Der Eingang 5 ist beispielsweise als ein Eingang eines Anodengasfilters 6 ausgestaltet. In einer Zuflussrichtung Z kann das Anodengas vom Eingang 5 in Richtung auf die Brennstoffzelle 2 zu durch den Anodengaspfad 3 strömen. In der Zuflussrichtung Z hinter dem Eingang 5 erstreckt sich ein Anodengaszuflussabschnitt 7 zwischen dem Eingang 5 und der Brennstoffzelle 2. Durch den Anodengaszuflussabschnitt 7 strömt im Betrieb der Brennstoffzellenvorrichtung 1 Anodengas zur Brennstoffzelle, um dort mit Kathodengas zu reagieren.
-
Der Anodengaszuflussabschnitt 7 erstreckt sich beispielhaft zunächst durch wenigstens ein, und beispielsweise zwei Absperrventile 8, 9, die miteinander in Reihe geschaltet sind. Hinter den Absperrventilen 8, 9 ist eine Pumpe 10 dargestellt, durch die sich der Anodengaszuflussabschnitt 7 erstreckt und mit der das Anodengas zur Brennstoffzelle 2 gefördert werden kann. Von der Pumpe 10 kann das Anodengas direkt zu einem Anodengaseingang 11 der Brennstoffzelle 2 geleitet werden. Nachdem das Anodengas durch die Brennstoffzelle 2 geströmt ist, tritt es durch einen Anodengasausgang 12 wieder aus der Brennstoffzelle 2 aus. Das durch den Anodengasausgang 12 geströmte Anodenabgas strömt durch einen Anodengasabflussabschnitt 13 des Anodengaspfades 3 weg von der Brennstoffzelle 2.
-
In der Abflussrichtung A hinter dem Anodenausgang 12 erstreckt sich der Anodengasabflussabschnitt 13 durch einen Wasserabscheider 14, mit dem Produktwasser der Brennstoffzelle 2 aus dem Anodenabgas abscheidbar ist. Das abgeschiedene Produktwasser kann durch ein Sperrventil 15 des Wasserabscheiders 14 und eine Abwasserleitung 16 abgeleitet werden. Ferner kann das Anodenabgas durch den Anodengasabflussabschnitt 13 abgeführt und beispielsweise an die Umgebung oder an weitere Einrichtungen der Brennstoffzellenvorrichtung 1 geleitet werden.
-
Um noch im Anodenabgas enthaltenes Betriebsgas, zum Beispiel Wasserstoff, der Brennstoffzelle 2 erneut zuführen zu können, weist der Anodengaspfad einen Rezirkulationsabschnitt 17 auf, der den Anodengasabflussabschnitt 13 Anodenabgas leitend mit dem Anodengaszuflussabschnitt 7 verbindet. Insbesondere verbindet der Rezirkulationsabschnitt 17 den Anodengaszuflussabschnitt 7 Anodenabgas empfangend mit dem Anodengasabflussabschnitt 13. Der Rezirkulationsabschnitt 17 kann durch einen Verdichter 18 verlaufen. Eingansseitig des Verdichters 18 weist das Anodenabgas einen geringeren Druck auf als ausgangsseitig. Insbesondere entspricht der Anodenabgasdruck ausgangsseitig des Verdichters im Wesentlichen dem Druck des Anodengases im Anodengaszuflussabschnitt 7. Ausgangsseitig des Verdichters 18 kann der Rezirkulationsabschnitt 17 das Anodenabgas zur Pumpe 7 leiten, mit der der Verdichter 18 Gas übertragend verbunden sein kann. Die Pumpe 10 ist beispielsweise eine Strahlpumpe, in der die Pumpenwirkung durch das vom Eingang 5 zur Brennstoffzelle 2 strömende Anodengas erzeugt wird. Das Anodenabgas kann mithilfe der Pumpe 10 einfach gefördert und mit dem durch den Eingang 5 geleiteten Anodengas vermischt werden.
-
Der Rezirkulationsabschnitt 17 kann einen Umgehungsabschnitt 19 aufweisen, der den Verdichter 18 ausgangsseitig der Pumpe 10 mit dem Anodengaszuflussabschnitt 7 verbinden kann. Der Umgehungsabschnitt 19 kann sich durch ein Ventil 20, zum Beispiel ein Rückschlagventil, erstrecken, welches beispielsweise öffnet, wenn der Druck zwischen dem Verdichter 18 und dem Ventil 20 größer ist als ein vorgegebener Maximaldruck. Sinkt der Gasdruck wieder ab, kann das Ventil 20 automatisch oder sogar selbsttätig schließen.
-
Damit das Anodenabgas zum Anodengaszuflussabschnitt 7 geleitet werden kann, kann sich der Anodengasabflussabschnitt 13 durch ein weiteres Ventil 21, beispielsweise ein Sperrventil, erstrecken. Der Rezirkulationsabschnitt 17 zweigt vorzugsweise zwischen dem Wasserabscheider 14 und dem Ventil 21 vom Anodengasabflussabschnitt 13 ab. Wird das Ventil 21 zumindest teilweise oder sogar vollständig geschlossen, so kann das Anodenabgas in Richtung auf den Anodengaszuflussabschnitt 7 strömen. Ist das Ventil 21 geöffnet, so kann das Anodenabgas zumindest teilweise oder sogar vollständig durch den Anodengasabflussabschnitt 13 abfließen.
-
Ist das Sperrventil 15 zumindest teilweise oder sogar vollständig geschlossen, so kann das Produktwasser nicht oder nicht vollständig vom Wasserabscheider 14 zur Abwasserleitung 16 geleitet werden. Das Produktwasser kann folglich zumindest abschnittsweise durch den Anodengasabflussabschnitt 13 strömen. Ist nun ebenfalls das Ventil 21 zumindest teilweise oder sogar vollständig geschlossen, so kann das Produktwasser nicht durch den Anodengasabflussabschnitt 13 abfließen. Vielmehr wird das Produktwasser durch den Rezirkulationsabschnitt 17 in Richtung auf den Anodengaszuflussabschnitt 7 geleitet. Der Anodengaszuflussabschnitt 7 kann das Produktwasser zum Anodengaseingang 11 leiten. Dabei kann die Brennstoffzellenvorrichtung 1 so ausgebildet sein, dass das Produktwasser durch die Schwerkraft zum Anodengaszuflussabschnitt 7, zum Rezirkulationspfad 17 oder zum Verdichter 18 gefördert wird. In der Brennstoffzelle kann die Anode mithilfe des Produktwassers befeuchtet werden, falls die Anode im Betrieb der Brennstoffzelle 2 oder bei einem Start der Brennstoffzelle 2 auszutrocknen droht.
-
Wird das Produktwasser in flüssigem Zustand der Brennstoffzelle zugeführt, kann hierdurch die bereitstellbare Menge an elektrischer Leistung absinken. Folglich ist es vorteilhaft, das Produktwasser zu verdampfen, bevor es der Brennstoffzelle 2 und insbesondere dem Anodengaszuflussabschnitt 7 zugeführt wird. Beispielsweise kann das Produktwasser im Verdichter 18 verdampft werden. Verdichtet der Verdichter 18 nämlich das Anodenabgas, so steigt dessen Temperatur. Wird das Produktwasser zum Verdichter 18 geleitet, kann dieses ohne weitere Vorrichtungen zum Verdampfen des Produktwassers verdampft werden.
-
2 zeigt ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenvorrichtung 1 schematisch als Flussdiagramm. Für Elemente der Brennstoffzellenvorrichtung 1, die im Folgenden genannt sind, sind dieselben Bezugszeichen verwendet.
-
Das Verfahren 30 zum Betreiben der Brennstoffzellenvorrichtung 1 startet mit einem ersten Verfahrensschritt 31. Beispielsweise wird die Brennstoffzellenvorrichtung 1 im Verfahrensschritt 31 in Betrieb genommen oder gestartet. In einem folgenden Verfahrensschritt 32 kann die Feuchte der Anode der Brennstoffzelle 2 direkt oder indirekt ermittelt werden. Beispielsweise kann die Temperatur der Brennstoffzelle 2 beziehungsweise der Anode und die Feuchte des der Brennstoffzelle 2 zugeführten Anodengases bestimmt und dadurch die Feuchte der Anode ermittelt werden.
-
Im nun folgenden Verfahrensschritt 33 wird entschieden, ob die Anode zu befeuchten ist. Ist der Wassergehalt der Anode ausreichend, kann auf den Verfahrensschritt 33 der Verfahrensschritt 32 folgen, in dem die Feuchte der Anode bestimmt wird. Ist die Anode zu befeuchten, weil sie auszutrocknen droht oder sogar bereits zu trocken ist, so schließt sich an den Verfahrensschritt 33 der Verfahrensschritt 34 an. Im Verfahrensschritt 34 wird Wasser zum Befeuchten der Anode bereitgestellt. Insbesondere kann hierfür von der Brennstoffzelle 2 abgegebenes Produktwasser, das beispielsweise durch den Anodengasausgang 12 abgegeben werden kann, bereitgestellt werden.
-
Soll das Wasser zum Befeuchten der Anode dieser verdampft zugeführt werden, kann es im dem Verfahrensschritt 34 nachgeordneten Verfahrensschritt 35 verdampft werden. Zum Verdampfen des Wassers kann dieses nach dem Bereitstellen dem Verdichter 18 zugeführt werden. Der optionale Verfahrensschritt 36, in dem das Wasser dem Verdichter zugeführt wird, ist zwischen den Verfahrensschritten 34 und 35 durchgeführt.
-
Nach dem Verfahrensschritt 34 oder dem Verfahrensschritt 35 wird das Wasser im Verfahrensschritt 37 zum Anodengaszuflussabschnitt 7 geleitet. Mit dem Anodengas wird das flüssige oder dampfförmige Wasser im nun folgenden Verfahrensschritt 38 zur Brennstoffzelle 2 und insbesondere zu deren Anode geleitet, wo es von der Anode aufgenommen werden kann. Der Wassergehalt des der Brennstoffzelle 2 zugeführten Anodengases ist vorzugsweise hoch genug, um die Anode ausreichend befeuchten zu können, und bevorzugt zu niedrig, um in der Brennstoffzelle 2 zu kondensieren.
-
Im Verfahrensschritt 39 endet das Verfahren 30. Beispielsweise kann erneut die Feuchte der Anode bestimmt oder die Brennstoffzellenvorrichtung 1 außer Betrieb genommen werden.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Brennstoffzellenvorrichtung
- 2
- Brennstoffzelle
- 3
- Anodengaspfad
- 4
- Kathodengaspfad
- 5
- Eingang des Anodengaspfades
- 6
- Anodengasfilter
- 7
- Anodengaszuflussabschnitt
- 8, 9
- Absperrventil
- 10
- Pumpe
- 11
- Anodengaseingang der Brennstoffzelle
- 12
- Anodengasausgang der Brennstoffzelle
- 13
- Anodengasabflussabschnitt
- 14
- Wasserabscheider
- 15
- Sperrventil
- 16
- Abwasserleitung
- 17
- Rezirkulationsabschnitt des Anodengaspfades
- 18
- Verdichter
- 19
- Umgehungsabschnitt
- 20, 21
- Ventil
- 30
- Verfahren
- 31
- Start
- 32
- Feuchte der Anode bestimmen
- 33
- Anode befeuchten?
- 34
- Wasser bereitstellen
- 35
- Wasser verdampfen
- 36
- Wasser dem Verdichter zuführen
- 37
- Wasser zum Anodengaszuflussabschnitt leiten
- 38
- Wasser zur Anode leiten
- 39
- Ende
- A
- Abflussrichtung
- Z
- Zuflussrichtung
-
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 102011114719 A1 [0002]
