-
Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem mit wenigstens einer Brennstoffzelle nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art. Außerdem betrifft die Erfindung die Verwendung eines derartigen Brennstoffzellensystems.
-
Ein gattungsgemäßes Brennstoffzellensystem wird beispielsweise in der
DE 100 55 106 B4 beschrieben. Das dort beschriebene Brennstoffzellensystem weist einen Speicher bzw. ein Reservoir für kryogene Medien auf, welches in diesem Fall als Speichertank für flüssigen Wasserstoff ausgebildet ist. Über einen Wärmetauscher und ein in diesem Wärmetauscher befindliches Zwischenvolumen wird der flüssige Wasserstoff dann verdampft, bevor der verdampfte flüssige Wasserstoff einer Brennstoffzelle zugeführt wird. Dieser Aufbau hat sich grundlegend für den Betrieb eines Brennstoffzellensystems mit flüssigem Wasserstoff bewährt, wobei dem Verdampfer idealerweise Wärme zugeführt wird, welche als Abwärme in dem Brennstoffzellensystem ohnehin anfällt, beispielsweise über den Kühlkreislauf des Brennstoffzellensystems bereitgestellte Abwärme.
-
Um der grundlegenden Problematik einer eher geringen Dynamik bei der Brennstoffversorgung durch den beschriebenen Aufbau entgegenzuwirken, schlägt die
JP 2004-316779 A ferner vor, nach dem Zwischenvolumen zum Verdampfen des flüssigen Wasserstoffs ein Speichervolumen vorzusehen, um in der Dynamik der Brennstoffzelle nicht von der Dynamik des Verdampfens des flüssigen Wasserstoffs abhängig zu sein.
-
Die beiden im Stand der Technik beschriebenen Brennstoffzellensysteme haben dabei den Nachteil, dass diese den Wasserstoff vollständig umsetzen müssen, was eine vergleichsweise große aktive Fläche im Bereich der Anode der Brennstoffzelle erforderlich macht. Dies ist aufgrund der benötigten Katalysatoren entsprechend aufwendig und teuer. Wird die Brennstoffzelle dahingegen mit einem Wasserstoffüberschuss betrieben, dann wird Wasserstoff, welcher zuerst aufwendig verflüssigt und in dem Brennstoffzellensystem dann verdampft worden ist, in die Umgebung abgegeben, was ebenfalls höchst unerwünscht ist, einerseits aufgrund der Energieeinbuße durch den abgegebenen Wasserstoff und andererseits aufgrund der unerwünschten Wasserstoffemissionen in die Umgebung.
-
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht nun darin, ein verbessertes Brennstoffzellensystem anzugeben, welches insbesondere die genannten Nachteile vermeidet oder mindert.
-
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale im Anspruch 1 gelöst. Besonders vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen dieser Idee ergeben sich aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen.
-
Die Lösung sieht es vor, dass in dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem in Strömungsrichtung des verdampften flüssigen Wasserstoffs nach dem Zwischenvolumen eine Gasstrahlpumpe angeordnet ist, welcher der verdampfte Wasserstoff als Treibstrahl dient, und welche saugseitig mit einer Anodenrezirkulationsleitung verbunden ist. Die Erfinder haben erkannt, dass eine grundsätzlich ebenfalls aus dem Stand der Technik bekannte Anodenrezirkulation auch bei der Verwendung von flüssigem Wasserstoff als Brennstoff für das Brennstoffzellensystem eingesetzt werden kann. Typischerweise würde eine solche Anodenrezirkulation über ein Gebläse die Druckverluste im rezirkulierten Anodenabgas ausgleichen, was jedoch relativ aufwendig hinsichtlich des Bauraums und des Energiebedarfs ist. Die alternative Lösung über eine Gasstrahlpumpe funktioniert aufgrund der Erfordernisse eines entsprechend hohen Drucks des Treibstrahls für die Gasstrahlpumpe bei herkömmlichen Systemen zur Verwendung mit flüssigem Wasserstoff nicht. Durch die Verwendung eines ausreichend großen Zwischenvolumens wird es, so haben es die Erfinder erkannt, möglich einen entsprechend hohen Druck des verdampften Wasserstoffs aufzubauen. Insbesondere lassen sich so Drücke in der Größenordnung von bis zu 1000 kPa erreichen. Solche Drücke reichen dann aus, um als Treibstrahl die Gasstrahlpumpe anzutreiben und über die Rezirkulationsleitung das verzirkulierte Anodenabgas anzusaugen. Somit wird es über ein geeignetes Zwischenvolumen also möglich, eine passive Anodenrezirkulation zu realisieren, welche hinsichtlich des Energiebedarfs und des erforderlichen Bauraums entscheidende Vorteile gegenüber einer aktiven Anodenrezirkulation über ein Rezirkulationsgebläse ermöglicht.
-
Das Zwischenvolumen, welches gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Idee als druckfestes Rohr oder vorzugsweise druckfester Behälter ausgebildet ist, kann dabei gemäß einer sehr günstigen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems einen Volumeninhalt aufweisen, welcher zur Versorgung der Brennstoffzelle mit Wasserstoff über eine Zeitspanne von mehreren Sekunden im Volllastfall der Brennstoffzelle ausreicht. Das Zwischenvolumen wird bezüglich seines Volumeninhalts also so groß ausgeführt, dass dynamische Schwankungen beim Betrieb der Brennstoffzelle ausgeglichen werden können. Damit ist es möglich, dass die Dynamik der Brennstoffzelle nicht über das Verdampfen des flüssigen Wasserstoffs in dem Zwischenvolumen begrenzt wird. Ein entsprechend großer Volumeninhalt des Zwischenvolumens ermöglicht außerdem einen idealen Druckaufbau in dem verdampften Wasserstoff, so dass die Gasstrahlpumpe mit diesem verdampften Wasserstoff als Treibgasstrom stabil betrieben werden kann.
-
Darüber hinaus ist es über ein derartiges Zwischenvolumen und ein zwischen dem Zwischenvolumen und der Gasstrahlpumpe angeordnetes pulsierend angesteuertes Ventil, welches gleichzeitig auch als Dosierventil genutzt werden kann, aber nicht muss, möglich einen pulsierenden Treibstrahl für die Gasstrahlpumpe zu erzeugen. Ein solcher pulsierender Treibstrahl sorgt für eine pulsierende Wasserstoffdosierung und eine entsprechend pulsierende Ansaugung des rezirkulierten Anodenabgases. Durch die so erzeugten Druckschwankungen innerhalb der Anodenseite der Brennstoffzelle wird insbesondere der Austrag von flüssigem Wasser im Teillastbetrieb der Brennstoffzelle deutlich verbessert, was ein weiterer entscheidender Vorteil hinsichtlich eines zuverlässigen und stabilen Betriebs der Brennstoffzelle ist.
-
Eine weitere außerordentlich günstige und vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems sieht es ferner vor, dass das Zwischenvolumen in wärmeleitendem Kontakt zu wenigstens einem sich im Betrieb erwärmenden Medium in dem Brennstoffzellensystem steht. Ein solches sich erwärmendes Medium kann beispielsweise das Kühlmedium oder die nach dem Verdichter entsprechend heiße zu der Brennstoffzelle strömende Luft sein. Ergänzend oder alternativ dazu ist es auch denkbar, den Wasserstoff bzw. das rezirkulierte Anodenabgas als derartiges Medium einzusetzen. Die hierin enthaltene Wärme wird dann direkt oder mittelbar, beispielsweise über ein flüssiges oder gasförmiges Wärmeträgermedium oder durch direkte Wärmeleitung in den Bereich des Zwischenvolumens gebracht, um so das Verdampfen des flüssigen Wasserstoffs in dem Zwischenvolumen zu begünstigen und zeitlich zu beschleunigen.
-
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems kann es außerdem vorgesehen sein, dass das Zwischenvolumen wenigstens eine Einspritzdüse für den flüssigen Wasserstoff aufweist. Die Dosierung des flüssigen Wasserstoffs in das Zwischenvolumen über eine Einspritzdüse hat den besonderen Vorteil, dass beim Einspritzen der flüssige Wasserstoff typischerweise sehr fein verteilt in das Zwischenvolumen gelangt. Er bietet dementsprechend eine vergleichsweise große Oberfläche und lässt sich durch den Wärmeinhalt des bereits im Zwischenvolumen befindlichen Wasserstoffs und/oder gemäß der oben beschriebenen vorteilhaften Weiterbildung über den externen Wärmeeintrag in den Bereich des Zwischenvolumens sehr schnell und effizient verdampfen.
-
Der Aufbau des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems lässt sich dabei sehr energieeffizient und kompakt ausführen und ist daher insbesondere für den Einsatz in einem Fahrzeug, insbesondere zur Bereitstellung von elektrischer Antriebsleistung und/oder zum Nachladen von elektrischen Batterien für den Antrieb des Fahrzeugs geeignet. Das Brennstoffzellensystem kann also insbesondere die Antriebsleistung für ein Brennstoffzellenfahrzeug bereitstellen, oder kann zur Erhöhung der Reichweite die Batterien eines Elektrofahrzeugs nachladen. Die elektrische Antriebsleistung wird im Fahrzeug also direkt oder mittelbar über die Zwischenspeicherung in den elektrischen Energiespeichern, beispielsweise Batterien und/oder Kondensatoren zur Verfügung gestellt.
-
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems ergeben sich ferner aus dem Ausführungsbeispiel, welches nachfolgend anhand einer Figur näher dargestellt und beschrieben ist.
-
Die einzige beigefügte Figur zeigt ein prinzipmäßig angedeutetes Brennstoffzellensystem, welches beispielsweise zur direkten oder mittelbaren Bereitstellung von elektrischer Antriebsleistung in einem nicht dargestellten Fahrzeug dienen kann.
-
In der Figur ist ein Brennstoffzellensystem 1 schematisch dargestellt. Es umfasst eine Brennstoffzelle 2 in Form eines Brennstoffzellenstapels 2, welcher auch als Stack bezeichnet wird. Dieser Brennstoffzellenstapel 2, welcher vorzugsweise In PEM-Technologie aufgebaut sein soll, umfasst eine Vielzahl von Einzelzellen, welche jeweils einen Anodenbereich und einen Kathodenbereich sowie zwischen den Einzelzellen einen Kühlwärmetauscher aufweisen. Rein beispielhaft sind in dem Brennstoffzellenstapel 2 in der Darstellung der Figur ein Anodenraum 3, ein Kathodenraum 4 und ein Wärmetauscher 5 dargestellt. Der Kathodenraum 4 wird mit Luft als Sauerstofflieferant versorgt. Hierzu dient eine Luftfördereinrichtung 6, welche beispielsweise als Strömungsverdichter ausgebildet sein kann. Die heiße verdichtete und trockene Zuluft strömt dann über einen angedeuteten Ladeluftkühler 7 sowie einen Gas/Gas-Befeuchter 8 in den Kathodenraum 4. Die mit der entstehenden Produktfeuchte beladene Abluft strömt über eine Abluftleitung wiederum in den Gas/Gas-Befeuchter und gibt hier die in ihr enthaltene Feuchtigkeit zur Befeuchtung der Zuluft an diese ab. Anschließend strömt die Abluft in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel über eine Abluftturbine 9 in die Umgebung. Die Abluftturbine 9 ist in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel zusammen mit der Luftfördereinrichtung 6 und einer elektrischen Maschine 10 auf einer gemeinsamen Welle angeordnet. So kann die über die Abluftturbine 9 aus der Abluft zurückgewonnene Energie zur Unterstützung des Antriebs der Luftfördereinrichtung 6 eingesetzt werden. Die typischerweise im regulären Betrieb darüber hinaus benötige Antriebsleistung für die Luftfördereinrichtung 6 stellt die elektrische Maschine 10 im motorischen Betrieb bereit. Wenn im Bereich der Abluftturbine 9 mehr Energie anfällt als von der Luftfördereinrichtung 6 benötigt wird, dann kann die elektrische Maschine 10 auch generatorisch betrieben werden, um diese Energie in elektrische Leistung umzuwandeln und diese ggf. in einer hier nicht dargestellten Batterie zwischen zu speichern oder anderen Nebenverbrauchern des Brennstoffzellensystems 1, welche ebenfalls nicht dargestellt sind, zur Verfügung zu stellen. Die Kathodenseite des Brennstoffzellensystems ist dabei stark vereinfacht dargestellt. Selbstverständlich können hier weitere Komponenten, wie beispielsweise Luftfilter, Wasserabscheider oder dergleichen mit vorgesehen sein. All dies ist dem Fachmann geläufig, so dass auf eine Darstellung verzichtet worden ist.
-
Dem Anodenraum 3 des Brennstoffzellenstapels 2 wird Wasserstoff als Brennstoff zugeführt. Dieser Wasserstoff wird in dem Brennstoffzellensystem 1 in einem Speichertank 11 für flüssigen Wasserstoff gespeichert. Ein solcher Speichertank für kryogene Medien ist grundlegend aus dem Stand der Technik bekannt. Er wird mit flüssigem Wasserstoff gefüllt und muss zum Aufrechterhalten der sehr niedrigen Temperatur des flüssigen Wasserstoffs entsprechend thermisch isoliert ausgebildet sein. Über ein Dosierventil 12 und/oder eine nicht dargestellte Pumpe bzw. Dosierpumpe wird der flüssige Wasserstoff in ein Zwischenvolumen 13 in Form eines Behälters dosiert. Insbesondere kann dies über eine Einspritzdüse erfolgen, so dass der Wasserstoff vergleichsweise fein verteilt, beispielsweise in Form von kleinen Tröpfchen oder Aerosolen in den Behälter als Zwischenvolumen 13 eingespritzt wird. Der Behälter 13 wird außerdem, wie es in der Darstellung der Figur beispielhaft über den mit Q bezeichneten Pfeil angedeutet ist, Wärme zugeführt. Die zugeführte Wärme Q stammt dabei idealerweise aus dem Brennstoffzellensystem 1 selbst, beispielsweise aus einem nicht eingezeichneten Kühlkreislauf des Brennstoffzellensystems, welcher zumindest zur Kühlung der Brennstoffzelle 2 über den Wärmetauscher 5 und insbesondere auch zur Kühlung des Ladeluftkühlers 7 dient. Die dabei anfallende Wärme kann dann – zumindest teilweise – als Wärme Q dem Zwischenvolumen 13 zugeführt werden. Nach dem Zwischenvolumen 13 befindet sich in Strömungsrichtung des verdampften Wasserstoffs ein Ventil 14, welches idealerweise pulsiert angesteuert wird, um einen pulsierenden Treibgasstrom des in dem Zwischenvolumen 13 unter Druck stehenden Wasserstoffs zu einer Gasstrahlpumpe 15 zu leiten. Der verdampfte Wasserstoff dient in der Gasstrahlpumpe 15 als Treibstrahl und sorgt durch Impulsaustausch und/oder Unterdruckeffekte dafür, dass ein Anodenabgas aus einer Anodenrezirkulationsleitung 16 angesaugt wird. Die Anodenrezirkulationsleitung 16 verbindet dabei den Ausgang des Anodenraums 3 mit der Gasstrahlpumpe 15, so dass Abgas aus dem Anodenraum 3 über die Gasstrahlpumpe 15 durch die Anodenrezirkulationsleitung 16 angesaugt und vermischt mit dem frischen verdampften Wasserstoff dem Anodenraum 3 erneut zugeführt wird. Das Funktionsprinzip eines solchen Anodenkreislaufs ist grundlegend aus dem Stand der Technik bekannt. Typischerweise weist dieser zumindest einen Wasserabscheider zum Abscheiden von Produktwasser in dem rezirkulierten Anodenabgas auf, welcher hier zur Vereinfachung der Figur nicht dargestellt ist.
-
Außerdem zweigt aus der Anodenrezirkulationsleitung 16 eine Abblasleitung 17 mit einem Abblasventil 18 ab, welches auch als Purge-Ventil bezeichnet wird. Über dieses Ventil kann von Zeit zu Zeit Gas, also wie ggf. Wasser, wenn es im Bereich des nicht eingezeichneten Wasserabscheiders angeordnet ist, aus dem Anodenkreislauf in die Umgebung abgegeben werden. Da sich mit der Zeit inerte Gase, welche in dem Wasserstoff enthalten waren und welche durch die Membran und vom Kathodenraum 4 in den Anodenraum 3 diffundiert sind, anreichern, sinkt über die Betriebsdauer die Wasserstoffkonzentration im Anodenkreislauf trotz der Zufuhr des frischen Wasserstoffs ab. Um dies auszugleichen, wird beispielsweise von Zeit zu Zeit oder in Abhängigkeit der Wasserstoff- oder Stickstoffkonzentration in dem Anodenkreislauf über das Abblasventil 18 Gas in die Umgebung abgegeben. Auch dies ist so weit aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt, so dass hierauf nicht weiter eingegangen werden muss.
-
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 10055106 B4 [0002]
- JP 2004-316779 A [0003]
