DE102016119814A1

DE102016119814A1 - Brennstoffzellensystem

Info

Publication number: DE102016119814A1
Application number: DE102016119814.5A
Authority: DE
Inventors: Christian Lucas; Natalja Ermatschenko
Original assignee: Audi AG; Volkswagen AG
Current assignee: Audi AG; Volkswagen AG
Priority date: 2016-10-18
Filing date: 2016-10-18
Publication date: 2018-04-19

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem (100), das zumindest einen Brennstoffzellenstapel (10) mit einer Vielzahl von Brennstoffzellen (11); eine Kathodenversorgung (30) mit einer Kathodenversorgungsleitung (31) und einer Kathodenabgasleitung (32) und eine Anodenversorgung (20) mit einer Anodenversorgungsleitung (21), einer Anodenabgasleitung (22) und einer die Anodenversorgungsleitung (21) mit der Anodenabgasleitung verbindenden Rezirkulationsleitung (24) aufweist. Ferner ist in der Rezirkulationsleitung (24) eine Rezirkulationsfördereinrichtung (25) angeordnet und ist in der Anodenversorgungsleitung (21) eine Strahlpumpe (28) mit in der Rezirkulationsleitung (27) angeordneter Saugseite positioniert. Erfindungsgemäß weist das Brennstoffzellensystem (100) ferner eine Bypassleitung (28) auf, welche die Anodenabgasleitung (22) oder die Rezirkulationsleitung (24) stromaufwärts der Rezirkulationsfördereinrichtung (25) mit der Rezirkulationsleitung (24) stromabwärts der Rezirkulationsfördereinrichtung (25) verbindet. Ein Rückschlagventil (29) ist in der Bypassleitung (28) angeordnet und verhindert ein Rückströmen von der Anodenversorgungsleitung (21) in die Anodenabgasleitung (22). Erfindungsgemäß ermöglicht diese Anordnung die Verwendung einer nicht überströmbaren Verdrängermaschine, bevorzugt eines Root-Gebläses als Rezirkulationsfördereinrichtung (25). Bevorzugt sind Bypassleitung (28) und Rückschlagventil (29) in die Rezirkulationsfördereinrichtung (25) integriert und/oder sind die Rezirkulationsfördereinrichtung (25) und das Rückschlagventil (29) thermisch gekoppelt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem, insbesondere die Anodenversorgung eines Brennstoffzellensystems, sowie ein Fahrzeug mit diesem Brennstoffzellensystem.
Brennstoffzellen nutzen die chemische Umsetzung eines Brennstoffs mit Sauerstoff zu Wasser zum Erzeugen elektrischer Energie. Hierfür weisen Brennstoffzellen als Kernkomponente eine Membran-Elektroden-Anordnung (MEA - membrane electrode assembly) mit einer Membran-Elektroden-Einheit auf. Letztere wird durch eine protonenleitende Membran gebildet, an der beidseitig katalytische Elektroden angeordnet sind. Dabei trennt die Membran den der Anode zugeordneten Anodenraum und den der Kathode zugeordneten Kathodenraum voneinander und isoliert diese elektrisch. Auf den nicht der Membran zugewandten Seiten der Elektroden können zudem Gasdiffusionslagen angeordnet sein.
Im Betrieb der Brennstoffzelle wird ein wasserstoffhaltiger Brennstoff der Anode zugeführt, an der eine elektrochemische Oxidation von H₂ zu H⁺ unter Abgabe von Elektronen erfolgt. Über die elektrolytische Membran 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 ein sauerstoffhaltiges Betriebsmedium zugeführt, sodass dort eine Reduktion von O₂ zu O2^- unter Aufnahme der Elektronen erfolgt. Diese Sauerstoffanionen reagieren im Kathodenraum mit den über die Membran transportierten Protonen unter Bildung von Wasser. Die direkte Umsetzung von chemischer in elektrische Energie ist nicht durch den Carnot-Faktor limitiert und weist daher gegenüber anderen Wärmekraftmaschinen einen verbesserten Wirkungsgrad auf.
Ein Brennstoffzellenstapel ist in der Regel durch eine Vielzahl in einem Stapel (stack) angeordneter MEA gebildet, deren elektrische Leistungen sich addieren. Zwischen den Membran-Elektroden-Anordnungen sind üblicherweise Bipolarplatten angeordnet, die eine Versorgung der einzelnen MEA mit den Reaktanten und einer Kühlflüssigkeit sicherstellen sowie als elektrisch leitfähiger Kontakt zu den Membran-Elektroden-Anordnungen fungieren.
Die Versorgung des Brennstoffzellenstapels mit seinen Betriebsmedien, also dem Anodenbetriebsgas (zum Beispiel Wasserstoff), dem Kathodenbetriebsgas (zum Beispiel Luft) und dem Kühlmittel, erfolgt über Hauptversorgungskanäle, die den Stapel in seiner gesamten Stapelrichtung durchsetzen und von denen die Betriebsmedien über die Bipolarplatten den Einzelzellen zugeführt werden. Für jedes Betriebsmedium sind mindestens zwei solcher Hauptversorgungskanäle vorhanden, nämlich einer zur Zuführung und einer zur Abführung des jeweiligen Betriebsmediums. Jede Membran-Elektroden-Anordnung und jede Bipolarplatte weist somit Betriebsmitteldurchgangsöffnungen zum Ausbilden der Hauptversorgungskanäle auf.
Um den Brennstoffzellenstapel insgesamt mit den Betriebsmitteln zu versorgen, weist das Brennstoffzellensystem eine Anodenversorgung zum Zu- und Abführen des Anodenbetriebsmittels, eine Kathodenversorgung zum Zu- und Abführen des Kathodenbetriebsmittels und einen Kühlmittelkreislauf auf. Bei den Betriebsmitteldurchgangsöffnungen im Stapel handelt es sich somit um eine Anodeneinlassöffnung zum Zuführen des Anodengases und eine Anodenauslassöffnung zum Abführen des Anodengases, um eine Kathodeneinlassöffnung zum Zuführen des Kathodengases und eine Kathodenauslassöffnung zum Abführen des Kathodengases und um eine Kühlmitteleinlassöffnung zum Zuführen des Kühlmittels und eine Kühlmittelauslassöffnung zum Abführen des Kühlmittels. In einem Brennstoffzellenstapel sind diese Betriebsmitteldurchgangsöffnungen deckungsgleich zueinander ausgerichtet und bilden die durch den gesamten Stapel verlaufenden Hauptversorgungskanäle der Betriebsmittel.
Es ist üblich, zumindest eine Rezirkulationsleitung in der Anodenversorgung eines Brennstoffzellensystems anzuordnen, um in dem anodenseitigen Abgas des Brennstoffzellenstapels enthaltenen Wasserstoff erneut dem Stapel zuzuführen. Da der Brennstoff übestöchiometrisch eingesetzt wird, kann somit der Wirkungsgrad eines Brennstoffzellensystems deutlich gesteigert werden. Zum Rückführen des nicht umgesetzten Wasserstoffs in den Brennstoffzellenstapel kann eine Kombination aus einem Verdichter und einer Strahlpumpe in der Rezirkulationsleitung verbaut sein. Als Verdichter werden in der Regel Strömungsmaschinen oder Verdrängermaschinen eingesetzt, welche stets einen zusätzlichen Verbraucher des Brennstoffzellensystems darstellen. Es wäre somit vorteilhaft, den Verdichter aus dem System zu entfernen und die Rezirkulation allein mittels der Strahlpumpe zu realisieren. Dies ist jedoch nicht möglich, da die Strahlpumpe bei niedrigen Lastpunkten und während des Startvorgangs, insbesondere unter Frostbedingungen, eine ausreichende Fördermenge in der Rezirkulationsleitung nicht mit ausreichender Sicherheit allein realisieren kann.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, die Nachteile des Standes der Technik zu überwinden und ein Brennstoffzellensystem bereitzustellen, das die Rezirkulation von nicht verbrauchtem Brennstoff mit verbesserter Energieeffizienz sicher realisiert.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Brennstoffzellensystem, aufweisend einen Brennstoffzellenstapel mit einer Vielzahl von Brennstoffzellen, eine Kathodenversorgung mit einer Kathodenversorgungsleitung und einer Kathodenabgasleitung und eine Anodenversorgung. Die Anodenversorgung weist eine Anodenversorgungsleitung, eine Anodenabgasleitung und eine die Anodenversorgungsleitung mit der Anodenabgasleitung verbindende Rezirkulationsleitung auf. Ferner ist eine Rezirkulationsfördereinrichtung in der Rezirkulationsleitung angeordnet und ist eine Strahlpumpe in der Anodenversorgungsleitung angeordnet. Die Saugseite der Strahlpumpe ist mit der Rezirkulationsleitung verbunden. In dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem verbindet eine Bypassleitung die Anodenabgasleitung oder die Rezirkulationsleitung stromaufwärts der Rezirkulationsfördereinrichtung mit der Rezirkulationsleitung stromabwärts der Rezirkulationsfördereinrichtung. Zudem ist ein Rückschlagventil in der Bypassleitung angeordnet, das nur in Richtung der Anodenversorgungsleitung durchlässig ist.
Mit diesem Aufbau wird im Brennstoffzellensystem gemäß der Erfindung ein zusätzlicher Strömungsweg bereitgestellt, um eine in der Rezirkulationsleitung angeordnete Rezirkulationsfördereinrichtung in solchen Betriebszuständen zu umgehen, in denen eine Rezirkulation nicht verbrauchten Brennstoffs allein mittels der Strahlpumpe möglich ist. Es hat sich gezeigt, dass in den Lastbereichen des Brennstoffzellensystems, in denen eine Rezirkulation mittels der Strahlpumpe allein nicht möglich ist, dennoch vergleichsweise geringe Masseströme durch die Rezirkulationsleitung gefördert werden müssen. Es hat sich ferner gezeigt, dass Verdrängermaschinen zu diesem Einsatzzweck und allgemeiner für vergleichsweise kleine Fördermengen energetisch vorteilhaft sind und dabei zudem so ausgelegt werden können, dass sie weniger Bauraum benötigen als ebenfalls einsetzbare Strömungsmaschinen.
Im Gegensatz zu Strömungsmaschinen sind Verdrängermaschinen jedoch nicht überströmbar. Damit wäre der maximale Rezirkulationsstrom in allen Lastbereichen durch den Fördermassenstrom der Verdrängermaschine limitiert. Dies ist problematisch, dafür besagte Lastpunkte nur wenig Masse gefördert werden muss und die Strahlpumpe prinzipiell mit einer stark verkleinerten Rezirkulationsfördereinrichtung ergänzt werden könnte. Das Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden Erfindung löst dieses Problem durch die zusätzlich in der Anodenversorgung bereitgestellte und ventilgesicherte Bypassleitung, die ein Überströmen der Rezirkulationsfördereinrichtung ermöglicht. Dies ermöglicht auf einfache Weise den Einsatz der für besagte Lastbereiche optimalen Verdrängermaschinen in einem Brennstoffzellensystem.
In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems sind die Bypassleitung und das Rückschlagventil, insbesondere aber das Rückschlagventil, in die Rezirkulationsfördereinrichtung integriert. Dabei bilden die Rezirkulationsfördereinrichtung, die Bypassleitung und das Rückschlagventil ein gemeinsames Bauteil, insbesondere ein gemeinsam gehäustes Bauteil. Somit ist der Bauraumbedarf der Bauteilgruppe und somit des Brennstoffzellensystems optimiert. Ferner ermöglicht die Integration des Rückschlagventils und der Bypassleitung in die Rezirkulationsfördereinrichtung eine bessere thermische Isolation des Rückschlagventils. Dieses ist somit besser vor Frost geschützt und die Gefahr eines Einfrierens des Ventils ist minimiert beziehungsweise wird das Einfrieren verzögert. Zudem ermöglicht die Integration der vorgenannten Bauteile eine thermische Kopplung von Rezirkulationsfördereinrichtung und Rückschlagventil, wie im Folgenden noch detailliert erläutert.
Ebenfalls bevorzugt handelt es sich bei der Rezirkulationsfördereinrichtung um eine nicht überströmbare Verdrängermaschine. Wie bereits beschrieben sind diese Fördereinrichtungen für besagte Lastbereiche, in denen die Strahlpumpe zur alleinigen Rezirkulation ungenügend ist, optimal geeignet. Prinzipiell ist das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem jedoch auch für den Einsatz einer Strömungsmaschine als Rezirkulationsfördereinrichtung geeignet und bietet auch hierbei Vorteile. Insbesondere ermöglicht die Bypassleitung ein vereinfachtes Überströmen der Rezirkulationsfördereinrichtung. Beispielsweise kann durch geeignet große Leitungsquerschnitte der Strömungswiderstand der Bypassleitung im Vergleich zu dem der Rezirkulationsfördereinrichtung deutlich geringer sein. Somit kann die Strahlpumpe beim gleichen saugseitigen Ansaugdruck größere Fördermengen realisieren.
Besonders bevorzugt handelt es sich bei der Rezirkulationsfördereinrichtung um ein Roots-Gebläse. Alternativ bevorzugt handelt es sich bei der Rezirkulationsfördereinrichtung um eine Kreiskolbenpumpe, eine Wälzkolbenpumpe, eine Zahnradpumpe, eine Drehschieberpumpe, einen Schraubenverdichter, einen Spiralverdichter oder eine Drehkolbenpumpe. Das Roots-Gebläse bietet den Vorteil, dass es besonders gut verkleinerbar ist und somit für die besagten Lastbereiche optimal ausgelegt werden kann. Da Roots-Gebläse ohne innere Verdichtung arbeiten, sind sie, insbesondere aufgrund geringerer Anforderungen an deren Abdichtung, günstiger in der Herstellung als vergleichbare Verdichterpumpen. Somit kann auch das Brennstoffzellensystem günstiger hergestellt werden.
Wie bereits erwähnt, vereinfacht die Integration der Bypassleitung und des Rückschlagventils in die Rezirkulationsfördereinrichtung die thermische Kopplung von Rückschlagventil und Rezirkulationsfördereinrichtung, ist jedoch keine Vorrausetzung hierfür. Besonders bevorzugt sind ein die Rezirkulationsfördereinrichtung antreibender Motor und das Rückschlagventil thermisch gekoppelt. Dies ermöglicht das Auftauen eines eingefrorenen Rückschlagventils durch die Abwärme des die Rezirkulationsfördereinrichtung antreibenden Motors. Während des Startvorgangs werden dem Brennstoffzellenstapel zunächst nur geringe Brennstoffmengen zugeführt. Somit arbeitet die Strahlpumpe nicht optimal und die Rezirkulationsfördereinrichtung ist zur Rezirkulation des Brennstoffs notwendig. Somit ergibt sich vorteilhaft eine geringe Zeitspanne, in der das Rückschlagventil mittels des Motors der Rezirkulationsfördereinrichtung aufgetaut werden kann. Die vorgeschlagene Wärmekopplung ist somit der energetisch optimale Weg zur Inbetriebnahme des Brennstoffzellensystems.
Es existieren zwei bevorzugte Möglichkeiten, die Abwärme des die Rezirkulationsfördereinrichtung antreibenden Motors dem Rückschlagventil zuzuführen. Die erste Möglichkeit besteht in der direkten Ankopplung des Rückschlagventils oder eines Gehäuses des Rückschlagventils an den Motor oder an ein Gehäuse des Motors. Die Wärmeleitung vom Motor auf das Rückschlagventil kann durch die Wahl geeigneter Materialien, beispielsweise von Kupfer in einem Kopplungsbereich und weniger wärmeleitfähigen Materialien in den restlichen Bereichen, weiter optimiert werden. Die zweite Möglichkeit besteht darin, einen Kühlkreislauf der Rezirkulationsfördereinrichtung beziehungsweise von deren Motor thermisch mit dem Rückschlagventil zu koppeln, sodass eine Wärmeübertragung von dem dort eingesetzten Kühlmittel auf das Rückschlagventil erfolgt. Auch hierbei kann die Wärmeübertragung durch die Wahl geeigneter Materialien und Kühlmittel optimiert werden.
Die beiden genannten Möglichkeiten zur thermischen Kopplung von Rückschlagventil und Rezirkulationsfördereinrichtung beziehungsweise deren Motor können durch die Verwendung von Heat-Pipes optimiert werden. Diese ermöglichen eine bessere Auskopplung der Wärme aus dem Motor oder dem Kühlmittel und deren Übertragung über größere Distanzen. Dies erhöht die Freiheit beim Anordnen von Rückschlagventil und Motor in dem Brennstoffzellensystem. Ebenfalls bevorzugt wird gemäß der beiden bevorzugten Möglichkeiten die Wärme insbesondere dem Ventilsitz des Rückschlagventils zugeführt, der besondere in Gefahr steht zu gefrieren. Hierzu ist der Ventilsitz ferner bevorzugt mit einem besonders thermisch leitfähigen Material ausgebildet.
Für das Übertragen der Abwärme des Motors auf das Rückschlagventil mittels des Kühlmittels des Motors wird der Kühlmittelkreislauf des Motors bevorzugt zum Rückschlagventil geführt. Insbesondere wird das Rückschlagventil dabei nach dem Motor nahe des Kühlmittelkreislaufs angeordnet. Besonders bevorzugt ist das Rückschlagventil stromabwärts des die Rezirkulationsfördereinrichtung antreibenden Motors in dessen Kühlkreislauf angeordnet und wird von dessen Kühlmittel überströmt. Letzteres stellt eine ebenfalls einfach zu realisierende Möglichkeit zur thermischen Anbindung von Ventil und Motor dar. Hierfür ist lediglich eine gute Abdichtung von Bypassleitung und Rückschlagventil gegenüber dem Kühlmittel erforderlich.
Ebenfalls Gegenstand der Erfindung ist ein Fahrzeug, insbesondere ein elektromotorisch angetriebenes Fahrzeug mit einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem, wie vorstehend beschrieben. Das Brennstoffzellensystem dient dabei bevorzugt der Energieversorgung des Elektromotors und somit dem Antrieb des Fahrzeugs.
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 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems gemäß dem Stand der Technik;
2 eine schematische Darstellung einer Anodenversorgung eines Brennstoffzellensystems gemäß einer ersten Ausführungsform;
3 eine schematische Darstellung des in 2 hervorgehobenen Bauteilbereichs der Anodenversorgung gemäß einer zweiten Ausführungsform;
4 eine schematische Darstellung des in 2 hervorgehobenen Bauteilbereichs der Anodenversorgung gemäß einer dritten Ausführungsform;
5 eine schematische Darstellung des in 2 hervorgehobenen Bauteilbereichs der Anodenversorgung gemäß einer vierten Ausführungsform;
6 eine schematische Darstellung des in 2 hervorgehobenen Bauteilbereichs der Anodenversorgung gemäß einer fünften Ausführungsform; und
7 eine schematische Darstellung des in 2 hervorgehobenen Bauteilbereichs der Anodenversorgung gemäß einer sechsten Ausführungsform.

1 zeigt ein insgesamt mit 100 bezeichnetes Brennstoffzellensystem gemäß dem Stand der Technik. Das Brennstoffzellensystem 100 ist Teil eines nicht weiter dargestellten Fahrzeugs, insbesondere eines Elektrofahrzeugs, das einen Elektrotraktionsmotor aufweist, der durch das Brennstoffzellensystem 100 mit elektrischer Energie versorgt wird.
Das Brennstoffzellensystem 100 umfasst als Kernkomponente einen Brennstoffzellenstapel 10, der eine Vielzahl von in Stapelform angeordneten Einzelzellen 11 aufweist, die durch abwechselnd gestapelte Membran-Elektroden-Anordnungen (MEA) 14 und Bipolarplatten 15 ausgebildet werden (siehe Detailausschnitt). Jede Einzelzelle 11 umfasst somit jeweils eine MEA 14 mit einer hier nicht näher dargestellten ionenleitfähigen Polymerelektrolytmembran sowie beidseits daran angeordneten katalytischen Elektroden. Diese Elektroden katalysieren die jeweilige Teilreaktion der Brennstoffumsetzung. Die Anoden- und Kathodenelektrode sind als Beschichtung auf der Membran ausgebildet und weisen ein katalytisches Material auf, beispielsweise Platin, das auf einem elektrisch leitfähigen Trägermaterial großer spezifischer Oberfläche, beispielsweise einem kohlenstoffbasierten Material, geträgert vorliegt.
Wie in der Detaildarstellung der 1 gezeigt, ist zwischen einer Bipolarplatte 15 und der Anode ein Anodenraum 12 ausgebildet und ist zwischen der Kathode und der nächsten Bipolarplatte 15 der Kathodenraum 13 ausgebildet. Die Bipolarplatten 15 dienen der Zuführung der Betriebsmittel in die Anoden- und Kathodenräume 12, 13 und stellen ferner die elektrische Verbindung zwischen den einzelnen Brennstoffzellen 11 her. Optional können Gasdiffusionslagen zwischen den Membran-Elektroden-Anordnungen 14 und den Bipolarplatten 15 angeordnet sein.
Um den Brennstoffzellenstapel 10 mit den Betriebsmitteln zu versorgen, weist das Brennstoffzellensystem 100 einerseits eine Anodenversorgung 20 und andererseits eine Kathodenversorgung 30 auf.
Die Anodenversorgung 20 des in 1 gezeigten Brennstoffzellensystems 100 umfasst einen Anodenversorgungspfad 21, welcher der Zuführung eines Anodenbetriebsmittels (dem Brennstoff), beispielsweise Wasserstoff, in die Anodenräume 12 des Brennstoffzellenstapels 10 dient. Zu diesem Zweck verbinden die Anodenversorgungspfade 21 einen Brennstoffspeicher 23 mit einem Anodeneinlass des Brennstoffzellenstapels 10. Die Anodenversorgung 20 umfasst ferner einen Anodenabgaspfad 22, der das Anodenabgas aus den Anodenräumen 12 über einen Anodenauslass des Brennstoffzellenstapels 10 abführt. Der Anodenbetriebsdruck auf den Anodenseiten 12 des Brennstoffzellenstapels 10 ist über ein Dosierventil (nicht dargestellt) in dem Anodenversorgungspfad 21 einstellbar.
Darüber hinaus weist die Anodenversorgung 20 des in 1 gezeigten Brennstoffzellensystems eine Rezirkulationsleitung 24 auf, welche den Anodenabgaspfad 22 mit dem Anodenversorgungspfad 21 verbindet. Die Rezirkulation von Brennstoff ist üblich, um den überstöchiometrisch eingesetzten Brennstoff dem Brennstoffzellenstapel 10 zurückzuführen. In der Rezirkulationsleitung 24 ist eine Rezirkulationsfördereinrichtung 25, vorzugsweise ein Rezirkulationsgebläse, angeordnet.
In der Anodenversorgung 22 des Brennstoffzellensystems ist ferner ein Wasserabscheider 26 verbaut, um das aus der Brennstoffzellenreaktion entstehende Produktwasser abzuleiten. Ein Ablass des Wasserabscheiders kann mit der Kathodenabgasleitung 32, einem Wassertank oder einer Abgasanlage verbunden sein.
Die Kathodenversorgung 30 des in 1 gezeigten Brennstoffzellensystems 100 umfasst einen Kathodenversorgungspfad 31, welcher den Kathodenräumen 13 des Brennstoffzellenstapels 10 ein sauerstoffhaltiges Kathodenbetriebsmittel zuführt, insbesondere Luft, die aus der Umgebung angesaugt wird. Die Kathodenversorgung 30 umfasst ferner einen Kathodenabgaspfad 32, welcher das Kathodenabgas (insbesondere die Abluft) aus den Kathodenräumen 13 des Brennstoffzellenstapels 10 abführt und dieses gegebenenfalls einer nicht dargestellten Abgasanlage zuführt. Zur Förderung und Verdichtung des Kathodenbetriebsmittels ist in dem Kathodenversorgungspfad 31 ein Verdichter 33 angeordnet. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Verdichter 33 als ein hauptsächlich elektromotorisch angetriebener Verdichter 33 ausgestaltet, dessen Antrieb über einen mit einer entsprechenden Leistungselektronik 35 ausgestatteten Elektromotor 34 erfolgt.
Das in 1 gezeigte Brennstoffzellensystem 100 weist ferner ein stromaufwärts des Verdichters 33 in der Kathodenversorgungsleitung 31 angeordnetes Befeuchtermodul 39 auf. Das Befeuchtermodul 39 ist einerseits so in dem Kathodenversorgungspfad 31 angeordnet, dass es von dem Kathodenbetriebsgas durchströmbar ist. Andererseits ist es so in dem Kathodenabgaspfad 32 angeordnet, dass es von dem Kathodenabgas durchströmbar ist. Ein Befeuchter 39 weist typischerweise eine Mehrzahl von wasserdampfpermeablen Membranen auf, die entweder flächig oder in Form von Hohlfasern ausgebildet sind. Dabei wird eine Seite der Membranen von dem vergleichsweise trockenen Kathodenbetriebsgas (Luft) überströmt und die andere Seite von dem vergleichsweise feuchten Kathodenabgas (Abgas). Getrieben durch den höheren Partialdruck an Wasserdampf in dem Kathodenabgas kommt es zu einem Übertritt von Wasserdampf über die Membran in das Kathodenbetriebsgas, das auf diese Weise befeuchtet wird. Das Brennstoffzellensystem 100 weist ferner einen die Kathodenversorgungsleitung stromaufwärts und stromabwärts des Befeuchters 39 miteinander verbindenden Befeuchterbypass 37 mit einem darin angeordneten Bypassstellmittel 38 auf.
Verschiedene weitere Einzelheiten der Anoden- und Kathodenversorgung 20, 30 sind in 1 aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht gezeigt. Beispielsweise kann die Anodenabgasleitung 22 in die Kathodenabgasleitung 32 münden, sodass das Anodenabgas und das Kathodenabgas über eine gemeinsame Abgasanlage abgeführt werden.
Die 2 zeigt eine schematische Darstellung einer Anodenversorgung 20 eines Brennstoffzellensystems 100 gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem 100 unterscheidet sich von dem in der 1 gezeigten, indem in der Anodenversorgung 20 eine zusätzliche Bypassleitung 28 angeordnet ist. Diese Bypassleitung 28 verbindet die Rezirkulationsleitung 24 stromaufwärts der Rezirkulationsfördereinrichtung 25 mit der Rezirkulationsleitung 24 stromabwärts der Rezirkulationsfördereinrichtung 25. Alternativ könnte die Bypassleitung 28 auch die Anodenabgasleitung 22 stromaufwärts der Rezirkulationsfördereinrichtung 25 mit der Rezirkulationsleitung 24 stromabwärts der Rezirkulationsfördereinrichtung 25 verbinden.
Die in 2 gezeigte Anodenversorgung unterscheidet sich ferner von der in 1 gezeigten, indem in der Anodenversorgungsleitung 21 eine Strahlpumpe 27 angeordnet ist, deren Saugseite sich in der Rezirkulationsleitung 24 befindet. Unabhängig davon ist die Anodenversorgung 20 bevorzugt in einem Brennstoffzellensystem 100, wie in 1 dargestellt, angeordnet.
Die in 2 gezeigte Anodenversorgung 20 ermöglicht somit zwei Möglichkeiten der Rezirkulation nicht verbrauchten Brennstoffs. Zum einen kann die Rezirkulation mittels der Strahlpumpe 27 als Ejektor erfolgen. Diese saugt mit dem aus dem Brennstofftank 23 frisch zugeführten Brennstoff als Treibmittel über die Rezirkulationsleitung 24 Anodenabgas aus der Anodenabgasleitung 22 an. Die Saugleistung der Strahlpumpe 27 hängt jedoch von der Menge frisch zugeführten Brennstoffs ab und ist insbesondere während des Starts und geringer Lastanfragen zu niedrig, um eine ausreichende Rezirkulation zu gewährleisten. Daher weist die Anodenversorgung die Rezirkulationsfördereinrichtung 25 auf, die in diesen Zuständen aktiv Anodenabgas aus der Anodenabgasleitung 22 über die Rezirkulationsleitung 24 in die Anodenversorgungsleitung 21 fördert.
Um auch nicht überströmbare Rezirkulationsfördereinrichtungen 25 einsetzen zu können, weist die Anodenversorgung 20 ferner ein in der Bypassleitung 24 angeordnetes Rückschlagventil 29 auf. Das Rückschlagventil 29 verhindert, dass frisch aus dem Wasserstoffspeicher 23 der Anodenversorgungsleitung 21 zugeführter Brennstoff über die Bypassleitung 28 unmittelbar in die Anodenabgasleitung 22 entweicht.
Wie in 2 dargestellt, wird die Rezirkulationsfördereinrichtung 25 durch einen Motor 51, insbesondere durch einen Elektromotor 51, angetrieben. Gemäß der in 2 gezeigten ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems 100 sind der Motor 51, die Rezirkulationsfördereinrichtung 25 und das Rückschlagventil 29 als gemeinsames Bauteil ausgeführt, wie mittels der Bauteilgrenze 50 angedeutet ist.
Der Motor 51 der Rezirkulationsfördereinrichtung 25 wird mittels eines Kühlmittelstroms 61 gekühlt, der durch geeignete Kühlmittelleitungen (nicht dargestellt) geführt wird. Der Kühlmittelstrom 61 kreuzt die Bypassleitung 28 außerhalb der Bauteilgrenze beziehungsweise des Bauteilbereichs 50, derart, dass ein das Rückschlagventil 29 durchströmendes Betriebsmittel stromaufwärts des Rückschlagventils 29 von dem Kühlmittel 61 erwärmt werden kann. Dies kann zu einem Abtauen des Rückschlagventils 29 beitragen. Jedoch ist insbesondere während des Startvorgangs die Ansaugleitung der Strahlpumpe 27 gering, so der Volumenstrom durch das Rückschlagventil 29 ebenfalls sehr gering ist. Das Erwärmen des Ventils 29 allein durch Erwärmen der Rezirkulationsleitung 28 stromaufwärts des Rückschlagventils 29 ist daher in der Regel unzureichend.
3 zeigt den in der 2 gezeigten Bauteilbereich 50 gemäß einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems 100. Der Bauteilbereich 50 zeigt die Gesamtheit der zu einem Bauteil kombinierten Komponenten einer Anodenversorgung, insbesondere die in einem gemeinsamen Gehäuse integrierten Komponenten der Anodenversorgung. Der Bauteilbereich 50 ist bevorzugt in einer wie in 2 dargestellten Anodenversorgung 20 angeordnet, wobei die Rezirkulationsleitung 24 außerhalb des in 3 dargestellten Bauteilbereichs 50 mit der Anodenabgasleitung 22 (links) und in Strömungsrichtung durch die Rezirkulationsleitung 24 (rechts) nachfolgend mit der Anodenversorgungsleitung 21 verbunden ist.
Im Gegensatz zu der in 2 gezeigten Ausführungsform ist gemäß 3 die Bypassleitung 28 gemeinsam mit der Rezirkulationsfördereinrichtung 25 und dem Rückschlagventil 29 in ein gemeinsames Bauteil 50, insbesondere in ein gemeinsames Gehäuse, integriert. Dies ermöglicht eine bessere thermische Kopplung von Rückschlagventil 29 und Rezirkulationsfördereinrichtung 25 sowie die Verringerung des benötigten Bauraums.
Wie in 3 dargestellt, weist die Rezirkulationsfördereinrichtung 25 einen Motor 51 als Antriebsmittel auf, der über Wellen 55 und ein Getriebe 52 mit einem Aktor 56 der Rezirkulationsfördereinrichtung 25 verbunden ist. Bei dem Aktor handelt es sich insbesondere um einen der beiden Läufer 56 eines Root-Gebläses, die gemäß 3 beidseitig der Abtriebswelle 55 des Getriebes 52 angeordnet sind. Innerhalb des Roots-Gebläses läuft die Welle 55 in dem Lager 54. Der Welleneingang ist getriebeseitig mittels der Dichtung 53 abgedichtet.
Wie in 3 dargestellt, erfolgt die thermische Kopplung, indem der Motor 51 unmittelbar neben dem Rückschlagventil 29 angeordnet ist. Somit erfolgt eine Wärmeleitung vom Gehäuse des Motors 51 zu dem Gehäuse des Rückschlagventils 29. Dieses weist eine Feder 57 auf, die ein Dichtelement 58 gegen einen Ventilsitz 59 presst, sofern der Strömungsdruck im Bereich des Ventilsitzes 59 den Anpressdruck der Feder 57 unterschreitet. Insbesondere der Kontaktbereich von Dichtelement 58 und Ventilsitz 59 ist gefährdet zu gefrieren und somit zu blockieren.
Bevorzugt weisen daher das Rückschlagventil 29 und der Motor 51 einem gemeinsamen Kontaktbereich nahe des Ventilsitzes 59 auf, der aus einem Material mit höherer Wärmeleitfähigkeit gebildet ist als andere Gehäuseteile. Somit erfolgt die Wärmeleitung gezielt in Richtung des Ventilsitzes 59. Der Motor 51 gibt jedoch stets über alle Oberflächen Wärme ab und heizt somit den gesamten Bauteilbereich 50 auf. Durch die Kombination von Motor 51, Bypassleitung 28 und Rückschlagventil 29 in einem gemeinsamen Bauteilbereich 50 ist folglich die Gefahr des Einfrierens des Rückschlagventils 29 von vorneherein minimiert.
4 zeigt den in der 2 gezeigten Bauteilbereich 50 gemäß einer dritten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems 100. Der gezeigte Bauteilbereich 50 entspricht dabei im Wesentlichen dem in der 3 gezeigten Bauteilbereich 50. Im Unterschied zu diesem weist das in 4 gezeigte Rückschlagventil 29 einen verstärkten Ventilsitz 59 aus einem besonderen leitfähigen Material auf. Zudem ist der Ventilsitz 59 über Heat-Pipes 60 mit dem Motor 51 verbunden und bekommt über diese die Abwärme des Motors 51 zugeführt. Dabei sind die Heat-Pipes 60 insbesondere in das Innere des Motors 51 geführt und weisen einen deutlichen Überlappungsbereich mit dem Ventilsitz 59 auf. Somit ist die Wärmeübertragung vom Motor 51 auf den Ventilsitz 59 deutlich verbessert.
5 zeigt den in der 2 gezeigten Bauteilbereich 50 gemäß einer vierten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems 100. Der gezeigte Bauteilbereich 50 unterscheidet sich von den zuvor dargestellten darin, dass die Rezirkulationsleitung 28 mit dem Rückschlagventil 29 in einer anderen Ebene als die Getriebe 52 und Roots-Gebläse 56 verbindende Welle 55 angeordnet ist. Zudem weist der Motor 51 ein eigenes Kühlsystem beziehungsweise einen eigenen Kühlmittelkreislauf auf, über den ihm ein Kühlmittel 61 zugeführt wird. In Strömungsrichtung des Kühlmittels 61 stromabwärts des Motors 51 ist eine Kühlmittelleitung entlang des Ventilsitzes 59 des Rückschlagventils 29 geführt. Somit kann das Kühlmittel 61 die vom Motor 51 aufgenommene Wärme an den Ventilsitz 59 abgeben und diesen und das Rückschlagventil 29 damit enteisen. Die 6 zeigt eine im Wesentlichen identische Ausführungsform des Bauteilbereichs 50 gemäß einer fünften Ausführungsform, wobei jedoch die in einer anderen Ebene dargestellte Welle 55 nicht dargestellt ist und eine Leitung des Kühlmittels 61 stromabwärts des Motors 51 über Heat-Pipes 60 mit dem Ventilsitz 59 verbunden ist, der aus einem besonders wärmeleitfähigen Material gebildet ist.
7 zeigt den in der 2 gezeigten Bauteilbereich 50 gemäß einer sechsten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems 100. Erneut wurde auf die Darstellung der Welle 55 zwischen Getriebe 52 und den Läufern 56 des Roots-Gebläses verzichtet. Ferner ist eine Leitung des zur Kühlung des Motors 51 eingesetzten Kühlmittels stromabwärts des Motors 51 aufgeweitet und ist das Rückschlagventil 29 gemeinsam mit Teilen der Rezirkulationsleitung 28 in dieser Aufweitung angeordnet. Somit überströmt das Kühlmittel stromabwärts des Motors das gesamte Rückschlagventil 29 und Teile der Rezirkulationsleitung 28 und kann so die vom Motor 51 aufgenommene Wärme an den Ventilsitz 59 des Rückschlagventils 29 abgeben. Somit können Ventilsitz 59 und Dichtelement 58 enteist und somit voneinander getrennt werden.
Bezugszeichenliste

100: Brennstoffzellensystem
10: Brennstoffzellenstapel
11: Einzelzelle
12: Anodenraum
13: Kathodenraum
14: Membran-Elektroden-Anordnung (MEA)
15: Bipolarplatte (Separatorplatte, Flussfeldplatte)
20: Anodenversorgung
21: Anodenversorgungspfad
22: Anodenabgaspfad
23: Brennstofftank
24: Rezirkulationsleitung
25: Rezirkulationsfördereinrichtung
26: Wasserabscheider
27: Strahlpumpe
28: Bypassleitung
29: Rückschlagventil
30: Kathodenversorgung
31: Kathodenversorgungspfad
32: Kathodenabgaspfad
33: Verdichter
34: Elektromotor
35: Leistungselektronik
36: Turbine
37: Befeuchterbypass
38: Befeuchterbypassstellmittel
39: Befeuchter
40: Kühlkreislauf
41: Kühlmittelfördereinrichtung
42: Kühlmittelleitung
50: Bauteilgrenze
51: Motor
52: Getriebe
53: Dichtung
54: Lager
55: Welle
56: Läufer
57: Feder
58: Dichtelement
59: Ventilsitz
60: Heat-Pipes
61: Kühlmittel

Claims

Brennstoffzellensystem (100), aufweisend: einen Brennstoffzellenstapel (10) mit einer Vielzahl von Brennstoffzellen (11); eine Kathodenversorgung (30) mit einer Kathodenversorgungsleitung (31) und einer Kathodenabgasleitung (32); eine Anodenversorgung (20) mit einer Anodenversorgungsleitung (21), einer Anodenabgasleitung (22) und einer die Anodenversorgungsleitung (21) mit der Anodenabgasleitung verbindenden Rezirkulationsleitung (24); eine in der Rezirkulationsleitung (24) angeordnete Rezirkulationsfördereinrichtung (25); und eine in der Anodenversorgungsleitung (21) angeordnete Strahlpumpe (28) mit in der Rezirkulationsleitung (27) angeordneter Saugseite, dadurch gekennzeichnet, dass eine Bypassleitung (28) die Anodenabgasleitung (22) oder die Rezirkulationsleitung (24) stromaufwärts der Rezirkulationsfördereinrichtung (25) mit der Rezirkulationsleitung (24) stromabwärts der Rezirkulationsfördereinrichtung (25) verbindet und ein Rückschlagventil (29) in der Bypassleitung (28) angeordnet ist.
Brennstoffzellensystem (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bypassleitung (28) und das Rückschlagventil (29) in die Rezirkulationsfördereinrichtung (25) integriert sind.
Brennstoffzellensystem (100) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Rezirkulationsfördereinrichtung (25) eine nicht überströmbare Verdrängermaschine ist.
Brennstoffzellensystem (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rezirkulationsfördereinrichtung (25) ein Root-Gebläse ist.
Brennstoffzellensystem (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein die Rezirkulationsfördereinrichtung (25) antreibender Motor (51) und das Rückschlagventil (29) thermisch gekoppelt sind.
Brennstoffzellensystem (100) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kühlmittel (61) eines die Rezirkulationsfördereinrichtung (25) antreibenden Motors (51) und das Rückschlagventil (29) thermisch gekoppelt sind.
Brennstoffzellensystem (100) nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Kopplung am Ventilsitz (59) des Rückschlagventils (29) erfolgt.
Brennstoffzellensystem (100) nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Kopplung mittels Heat Pipes (60) erfolgt.
Brennstoffzellensystem (100) nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Rückschlagventil (29) stromabwärts des die Rezirkulationsfördereinrichtung (27) antreibenden Motors (51) in dessen Kühlkreislauf angeordnet ist und von dessen Kühlmittel (61) überströmt wird.
Fahrzeug mit einem Brennstoffzellensystem (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 9.