DE102014215480A1

DE102014215480A1 - Brennstoffzellensystem mit einer Fördereinrichtung für Anodenabgas

Info

Publication number: DE102014215480A1
Application number: DE102014215480.4A
Authority: DE
Inventors: Theodoor van der Hoeven
Original assignee: AVL Schrick GmbH
Current assignee: AVL Schrick GmbH
Priority date: 2014-08-05
Filing date: 2014-08-05
Publication date: 2016-02-11

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem, beispielsweise für Kraftfahrzeuge oder andere stationäre oder mobile Anwendungen,
– mit einer Brennstoffzelle (10) zur Stromerzeugung aus Brenngas und einem Oxidationsmittel, beispielsweise Luft,
– mit einem Kathodeneingang (11) und einem Kathodenausgang (12), sowie einem Anodeneingang (13) und einem Anodenausgang (14),
– mit einer von einem Oxidationsmittelverdichter (17) oder einer Oxidationsmittel-Druckquelle (28) zum Kathodeneingang (11) führenden Oxidationsmittelzuleitung (15) und einer zum Anodeneingang (13) führenden Brenngaszuleitung (16),
– mit einer Rezirkulationsleitung (19) zum Rückführen von Anodenabgas in die Brenngaszuleitung (16) und
– mit einer Fördereinrichtung (20) mit einem Verdichter (22) und einer Turbine (23) zur Förderung des Anodenabgases.
Erfindungsgemäß ist die Turbine (23) der Fördereinrichtung (20) für das Anodenabgas stromabwärts des Oxidationsmittelverdichters (17) oder der Oxidationsmittel-Druckquelle (28) in der Oxidationsmittelzuleitung (15) angeordnet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem, beispielsweise für Kraftfahrzeuge oder andere stationäre oder mobile Anwendungen, mit einer Brennstoffzelle zur Stromerzeugung aus Brenngas und einem Oxidationsmittel, beispielsweise Luft; mit einem Kathodeneingang und einem Kathodenausgang, sowie einem Anodeneingang und einem Anodenausgang; mit einer von einem Oxidationsmittelverdichter (bzw. Oxidationsmittel-Druckquelle) zum Kathodeneingang führenden Oxidationsmittelzuleitung und einer zum Anodeneingang führenden Brenngaszuleitung; mit einer Rezirkulationsleitung zum Rückführen von Anodenabgas in die Brenngaszuleitung und mit einer Fördereinrichtung mit einem Verdichter und einer Turbine zur Förderung des Anodenabgases.
Bei Brennstoffzellensystemen mit einer Anodenrezirkulationsleitung wird üblicherweise die Anodenrezirkulation mit einem Verdichter oder einem Kompressor betrieben, welcher mit einem Elektromotor angetrieben wird. Nachteilig dabei ist es, dass die Lagerung und der Rotor des Elektromotors temperaturanfällig ist. Das bedeutet, dass entweder das rückgeführte Anodenabgas oder der Kompressor gekühlt werden müssen, um die temperaturbelasteten Komponenten zu schützen. Für das Kühlen des Anodenabgases werden zusätzliche Wärmetauscher benötigt, weiter führt die Kühlung des Anodenabgases bzw. des Verdichters zu unterwünschten Energieverlusten.
Eine mögliche Lösung dieses Problems besteht darin, die Distanz zwischen dem Elektromotor und dem Verdichter zu vergrößern, was allerdings zur unerwünschten Vergrößerung von Volumen und Masse der Gesamtstruktur führt.
Aus der US 2008/0 187 796 A1 ist in diesem Zusammenhang ein Brennstoffzellensystem bekannt geworden, welches einen Brennstoffzellen-Stack aufweist, der einen Kompressor zur Verdichtung der zugeführten Luft aufweist, wobei in einer Anodenrezirkulationsleitung ausgangsseitig der Anode ein Lüfter angeordnet ist. Der Kompressor und der Lüfter befinden sich auf einer gemeinsamen Welle eines Elektromotors, der von einer Kontrolleinrichtung angesteuert wird. Nachteilig ist – wie bereits oben erwähnt – die Temperaturbelastung des Elektromotors durch den von heißen Anodenabgasen beaufschlagten Lüfter auf der gemeinsamen Welle.
Aus der EP 2 462 647 B1 ist ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems bekannt geworden. Die Luftfördereinrichtung zum Betrieb der Brennstoffzelle weist einen Verdichter auf, der über eine Turbine in der Kathodenabgasleitung angetrieben wird. Der Verdichter kann bei Bedarf zusätzlich von einer elektrischen Maschine angetrieben werden, wobei die Luftfördereinrichtung als ETC (Electric Turbo Charger) ausgeführt ist. Über die Turbine des ETC wird das Kathodenabgas entspannt, so dass die aus dem Abgasstrom zurückgewonnene Energie für den Strömungsverdichter in der Zuluftleitung zur Verfügung gestellt werden kann. Die Anodenrezirkulation wird unabhängig von der Luftfördereinrichtung über ein separates Gebläse angetrieben.
In der DE 10 2008 027 753 A1 wird ein Brennstoffzellensystem beschrieben, das einen Kathodenabgasstrom nutzt, um eine Brennstoffrückführungspumpe anzutreiben, die die Brennstoffrückführung von einem Anodenauslasskanal zu einem Anodenzufuhrkanal erleichtert. Die Turbine eines Turboladers ist im Kathodenauslasskanal angeordnet und treibt die auslassseitig der Anode situierte Brennstoffrückführungspumpe an, wobei der Druck und damit die Drehzahl der Turbine mit einem Drosselventil im Kathodenauslasskanal geregelt werden kann. Über eine Bypassleitung, die die Brennstoffzelle umgeht, kann mittels eines Umgehungsventils der Druck im Kathodenauslasskanal angepasst werden. Das führt allerdings zu einem Verlust des über das Umgehungsventil geführten Oxidationsmittels.
Schließlich offenbart die EP 1 855 342 A2 ein Brennstoffzellensystem mit einer Fördereinrichtung zum Antreiben des Anodenabgases in einer Rezirkulationsleitung, die an die Anodenabgasleitung angeschlossen ist. Die Fördereinrichtung wird durch einen Abgasturbolader gebildet, der in üblicher Weise einen Verdichter und eine damit antriebsgekoppelte Turbine aufweist. Der Verdichter bildet den Heißgasförderer der Fördereinrichtung und die Turbine ist in die Abgasleitung eines Restgasbrenners eingebunden, welcher mit dem Anodenabgas und dem Kathodenabgas beaufschlagt wird.
Aufgabe der Erfindung ist es, bei einem Brennstoffzellensystem mit einer Anodenrezirkulation eine im Wesentlichen wartungsfreie und kostengünstige Fördereinrichtung vorzuschlagen, bei welcher der Regel- und Steueraufwand gering gehalten werden kann.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Turbine der Fördereinrichtung für das Anodenabgas stromabwärts des Oxidationsmittelverdichters oder der Oxidationsmittel-Druckquelle in der Oxidationsmittelzuleitung angeordnet ist. Bei der Erfindung bezieht die Fördereinrichtung für das heiße Anodenabgas seine Antriebsenergie direkt aus dem Oxidationsmittelstrom, wobei der Oxidationsmittelverdichter stromaufwärts und mit Abstand zur Fördereinrichtung problemlos und ohne Kühlprobleme elektromotorisch betrieben werden kann.
Anstelle des Oxidationsmittelverdichters kann auch eine Oxidationsmittel-Druckquelle, beispielsweise eine Druckluftquelle, vorgesehen sein.
In vorteilhafter Weise kann die Fördereinrichtung für das Anodenabgas als Turbolader ausgebildet sein, dessen Verdichter in der Brenngaszuleitung vor dem Anodeneingang und dessen Turbine in der Oxidationsmittelzuleitung vor dem Kathodeneingang angeordnet ist. Diese Parallelanordnung, im Wesentlichen unmittelbar vor dem anodenseitigen bzw. kathodenseitigen Eingang der Brennstoffzelle, hat den Vorteil, dass eine Erhöhung des Drucks in der Oxidationsmittelzuleitung durch Anhebung der Förderleistung des Oxidationsmittelverdichters mit Hilfe des in den beiden Zuleitungen angeordneten Turboladers unmittelbar zu einer Erhöhung des Drucks in der Brenngaszuleitung führt. Bei entsprechende Auslegung des Turboladers kann damit der Differenzdruck in der Brennstoffzelle klein gehalten werden.
Erfindungsgemäß kann der Verdichter des Turboladers auch in der Rezirkulationsleitung für das Anodenabgas angeordnet sein.
Bei den eingangs beschriebenen, bekannten Brennstoffzellensystemen, bei welchen für die Anodenrezirkulation ebenfalls teilweise Turbolader zum Einsatz kommen, ist dieser jedoch nicht derart in das System integriert, dass dessen Turbine eingangsseitig der Kathode angeordnet ist.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Turbolader einen den Verdichter und die Turbine umfassenden Rotor aufweist, dessen Axial- und/oder Radiallager als Luftlager ausgebildet sind. Luftlager zeichnen sich durch eine relativ niedrige Reibleistung aus, was zu einer sehr hohen Standzeit bzw. Lebensdauer führt. Weiters sind Luftlager praktisch wartungsfrei und für den Betrieb bei höheren Temperaturen bestens geeignet.
Die erfindungsgemäße Lösung benötigt keine Flüssigkeits- oder Gaskühlung, wobei geringfügige Wärmeverluste über die Welle des Turboladers vom Oxidationsmittelstrom aufgenommen werden und diese Energie der Brennstoffzelle kathodenseitig wieder zugeführt wird.
Weiters kann das System vollständig abgedichtet werden, wobei geringfügige Gasleckagen aufgrund des Druckgefälles einen Gasstrom von der Oxidationsmittelseite zur Brenngasseite auslösen. Dadurch bietet sich, insbesondere bei einer Luftlagerung der Welle des Turboladers, eine Möglichkeit zur Kühlung der Luftlager durch das Oxidationsmittel.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsvarianten näher erläutert. Es zeigen:
1 ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem in einer schematischen Darstellung, sowie
2 bis 5 unterschiedliche Ausführungsvarianten des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems gemäß 1.
Das in 1 dargestellte Brennstoffzellensystem weist eine Brennstoffzelle 10 bzw. einen Brennstoffzellen-Stack auf, die bzw. der zur Stromerzeugung aus Brenngas und einem Oxidationsmittel, beispielsweise Luft L, dient. Die Brennstoffzelle 10 weist einen Kathodenbereich K und einen Anodenbereich A auf, die durch eine Membran M getrennt sind. Der Kathodeneingang der Brennstoffzelle ist mit 11, der Kathodenausgang mit 12, sowie der Anodeneingang mit 13 und der Anodenausgang mit 14 bezeichnet. Das Oxidationsmittel wird mit einer von einem Oxidationsmittelverdichter 17 zum Kathodeneingang 11 führenden Oxidationsmittelzuleitung 15 in den Kathodenbereich K der Brennstoffzelle 10 eingespeist, weiters ist eine zum Anodeneingang 13 führende Brenngaszuleitung 16 dargestellt, die das Brenngas in den Anodenbereich A leitet. Eine Rezirkulationsleitung 19 dient zum Rückführen heißer Anodenabgase in die Brenngaszuleitung 16, wobei eine allgemein mit 20 bezeichnete Fördereinrichtung zur Förderung des Anodenabgases vorgesehen ist, die einen Verdichter 22 und eine Turbine 23 aufweist.
Die Turbine 23 der Fördereinrichtung 20 bezieht ihre Energie aus dem verdichteten Oxidationsmittel in der Oxidationsmittelzuleitung 15, wobei die Verdichtung des Oxidationsmittel mit einem Oxidationsmittelverdichter 17 erfolgt, der z.B. durch einen Elektromotor 18 angetrieben wird.
Wie in 2 dargestellt, kann eingangs der Oxidationsmittelzuleitung 15 anstelle des Oxidationsmittelverdichters 17 eine Oxidationsmittel-Druckquelle 28, beispielsweise eine Druckluftquelle (z.B. Druckluftflasche), vorgesehen sein.
Die Fördereinrichtung 20 für das Anodenabgas ist bevorzugt als Turbolader 21 ausgebildet, dessen Verdichter 22 in den Ausführungsvarianten gemäß 1 und 2 in der Brenngaszuleitung 16 im Wesentlichen unmittelbar vor dem Anodeneingang 13 und dessen Turbine 23 in der Oxidationsmittelzuleitung 15 im Wesentlichen unmittelbar vor dem Kathodeneingang 11 angeordnet ist. Durch diese spezielle Anordnung der Fördereinrichtung 20 unmittelbar vor der Brennstoffzelle 10 bzw. dem Brennstoffzellen-Stack und dem Antrieb über das komprimierte Oxidationsmittel ergeben sich einige wesentliche Vorteile gegenüber herkömmlichen Brennstoffzellensystemen:

– Keine Wasserkühlung notwendig, Wärmeverluste vom Verdichter 22 zur Turbine 23 werden vom Oxidationsmittel aufgenommen
– Kostengünstige Lösung, da keine Elektroantriebe und Regelungen notwendig sind
– System kann vollständig abgedichtet werden, wobei über allfällige Gasleckagen durch das Druckgefälle von der Oxidationsmittelseite zur Brenngasseite eine Möglichkeit zur Luftkühlung der Lager des Turboladers 21 gegeben ist.

Diese Vorteile werden insbesondere dann schlagend, wenn der Turbolader 21 einen den Verdichter 22 und die Turbine 23 umfassenden Rotor aufweist, dessen Axial- und/oder Radiallager 24, 24' als Luftlager ausgebildet sind. Diese sind auch für einen Betrieb bei höheren Temperaturen geeignet.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Welle des Turboladers 21 zwischen Verdichter 22 und Turbine 23 als Luftlager 24 ausgebildet ist.
Erfindungsgemäß kann in der Oxidationsmittelzuleitung 15 eine die Turbine 23 der Fördereinrichtung 20 für das Anodenabgas überbrückende, über ein Bypassventil 27 regelbare Bypassleitung 25 vorgesehen sein. Damit kann die Förderleistung der Fördereinrichtung 20 an unterschiedliche Betriebszustände des Brennstoffzellensystems angepasst werden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsvariante kann die Turbine 23 der Fördereinrichtung 20 für das Anodenabgas eine variable Turbinengeometrie (z.B. VTG-Lader) aufweisen. Diese Maßnahme kann alternativ oder auch in Kombination mit einer Bypassleitung 25 eingesetzt werden. Die Turbine kann beispielsweise über verstellbare Leitschaufeln oder einstellbare Zufuhrkanäle verfügen, womit die Förderleistung der Fördereinrichtung 20 mit geringem Aufwand regelbar ist.
Eine variable Turbinengeometrie führt zu einer besseren Regelbarkeit der Menge an Anodenrezirkulat und weist einen besseren Wirkungsgrad auf als ein Bypassventil. Folgende Aspekte müssen berücksichtigt werden:
Die Menge an Anodenrezirkulat wird von der Drehzahl der Turboladers 21 beeinflusst. Die Drehzahl des Turboladers 21 folgt aus einer Leistungsbilanz zwischen Verdichter 22 und Turbine 23. Um die Leistung der Turbine 23 regeln zu können gibt es drei Möglichkeiten: 1) Bypassleitung 25 samt Bypassventil 27; 2) Änderung der Gesamtmenge an Oxidationsmittel; 3) Änderung der Turbinengeometrie bzw. des Arbeitspunktes der Turbine 23.
Option 1) führt zu Verlusten durch ein Drosseleffekt im Bypassventil. Option 2) beeinflusst potentiell die Wirkung der Kathode. Option 3) weist keinen der genannten Nachteile auf. Im Vergleich zu Option 1) wird durch Option 3) die Regelaufwand nicht wesentlich geändert.
Eine Turbine mit variabler Turbinengeometrie führt per se zu keiner Änderung der Wartungsfreiheit, weil auch variablen Turbinen für hohe Lebensdauer ausgelegt werden können.
Gemäß einer weiteren, vorteilhaften Ausführungsvariante der Erfindung kann in der Oxidationsmittelzuleitung 15 stromabwärts des Oxidationsmittelverdichters 17, vor oder nach der Turbine 23 der Fördereinrichtung 20 ein Wärmetauscher 26, 26' angeordnet sein.
Der Wärmetauscher 26 vor Turbine 23 (siehe z.B. 1 oder 2) hat den Vorteil, dass der Enthalpie des Oxidationsmittels vor Turbine 23 erhöht und damit das notwendige Druckgefälle über die Turbine gesenkt wird. Nachteilig ist, dass das Oxidationsmittel nicht mehr so gut zur Lagerkühlung verwendet werden kann. Hierzu wäre eine zusätzliche Oxidationsmittelleitung von einem Bereich vor dem Wärmetauscher 26 bis zum Lager 24 denkbar.
Der Wärmetauscher 26' nach Turbine 23 (siehe 3) hat den Vorteil, dass das Oxidationsmittel in der Turbine 23 seine kühlende Wirkung auf das Lager 24 entfalten kann.
Die Wärmestromrichtung in der Fördereinrichtung 20 stellt sich abhängig davon ein, ob das Oxidationsmittel in der Turbine 23 eine niedrigere oder höhere Temperatur aufweist, als das Anodegas im Verdichter 22. In beiden Fällen können die Wärmeströme nicht als Energieverlust angesehen werden.
Gemäß der in 4 dargestellten Ausführungsvariante der Erfindung kann der Verdichter 22 des Turboladers 21 auch in der Rezirkulationsleitung 19 für das Anodenabgas angeordnet sein. Dadurch kann die Verdichterleistung auf den Massenstrom in der Rezirkulationsleitung 19 beschränkt werden.
Schließlich zeigt 5 eine Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems, bei welchem in der Brenngaszuleitung 16 vor oder nach dem Verdichter 22 der Fördereinrichtung 20 für das Anodenabgas ein Reformer 29 zur Herstellung des Brenngases aus Kraftstoffen, beispielsweise aus Diesel, angeordnet ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2008/0187796 A1 [0004]
EP 2462647 B1 [0005]
DE 102008027753 A1 [0006]
EP 1855342 A2 [0007]

Claims

Brennstoffzellensystem, beispielsweise für Kraftfahrzeuge oder andere stationäre oder mobile Anwendungen, – mit einer Brennstoffzelle (10) zur Stromerzeugung aus Brenngas und einem Oxidationsmittel, beispielsweise Luft, – mit einem Kathodeneingang (11) und einem Kathodenausgang (12), sowie einem Anodeneingang (13) und einem Anodenausgang (14), – mit einer von einem Oxidationsmittelverdichter (17) oder einer Oxidationsmittel-Druckquelle (28) zum Kathodeneingang (11) führenden Oxidationsmittelzuleitung (15) und einer zum Anodeneingang (13) führenden Brenngaszuleitung (16), – mit einer Rezirkulationsleitung (19) zum Rückführen von Anodenabgas in die Brenngaszuleitung (16) und – mit einer Fördereinrichtung (20) mit einem Verdichter (22) und einer Turbine (23) zur Förderung des Anodenabgases, dadurch gekennzeichnet, dass die Turbine (23) der Fördereinrichtung (20) für das Anodenabgas stromabwärts des Oxidationsmittelverdichters (17) oder der Oxidationsmittel-Druckquelle (28) in der Oxidationsmittelzuleitung (15) angeordnet ist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Fördereinrichtung (20) für das Anodenabgas als Turbolader (21) ausgebildet ist, dessen Turbine (23) stromaufwärts des Kathodeneingangs (11) angeordnet ist und dessen Verdichter (22) in der Brenngaszuleitung (16) vor dem Anodeneingang (13) oder in der Rezirkulationsleitung (19) für das Anodenabgas angeordnet ist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Turbolader (21) einen den Verdichter (22) und die Turbine (23) umfassenden Rotor aufweist, dessen Axial- und/oder Radiallager (24, 24') als Luftlager ausgebildet sind.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle des Turboladers (21) zwischen Verdichter (22) und Turbine (23) als Luftlager (24) ausgebildet ist.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass in der Oxidationsmittelzuleitung (15) eine die Turbine (23) der Fördereinrichtung (20) für das Anodenabgas überbrückende, regelbare Bypassleitung (25) vorgesehen ist.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Turbine (23) der Fördereinrichtung (20) für das Anodenabgas eine variable Turbinengeometrie aufweist.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass in der Oxidationsmittelzuleitung (15) stromabwärts des Oxidationsmittelverdichters (17), vor oder nach der Turbine (23) der Fördereinrichtung (20) für das Anodenabgas ein Wärmetauscher (26, 26') angeordnet ist, welcher der Zufuhr von Abwärme der Brennstoffzelle (10) in das Oxidationsmittel dient.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass in der Brenngaszuleitung (16) vor oder nach dem Verdichter (22) der Fördereinrichtung (20) für das Anodenabgas ein Reformer (29) angeordnet ist.