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Die Erfindung betrifft eine Konditionierungseinheit zur Konditionierung eines gasförmigen Betriebsmediums für eine Brennstoffzelle, wobei die Konditionierungseinheit einen Befeuchter zur Befeuchtung des Betriebsmediums sowie einen Wärmetauscher aufweist, wobei der Befeuchter und der Wärmetauscher zu einer Einheit zusammengefasst sind, sowie eine Brennstoffzellenanordnung, die eine solche Konditionierungseinheit umfasst.
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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 ionenleitenden (meist 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 (stack) angeordneter MEA gebildet, deren elektrische Leistungen sich addieren. Zwischen den einzelnen Membran-Elektroden-Einheiten sind in der Regel Bipolarplatten (auch Flussfeldplatten genannt) angeordnet, welche eine Versorgung der Einzelzellen mit den Betriebsmedien, also den Reaktanten, sicherstellen und üblicherweise auch der Kühlung dienen. Zudem sorgen die Bipolarplatten für einen elektrisch leitfähigen Kontakt zu den Membran-Elektroden-Einheiten.
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Im Betrieb der Brennstoffzelle wird der Brennstoff, insbesondere Wasserstoff H2 oder ein wasserstoffhaltiges Gasgemisch, über ein anodenseitiges offenes Flussfeld der Bipolarplatte 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 über ein kathodenseitiges offenes Flussfeld der Bipolarplatte Sauerstoff oder ein sauerstoffhaltiges Gasgemisch (zum Beispiel Luft) zugeführt, sodass eine Reduktion von O2 zu O2- unter Aufnahme der Elektronen stattfindet. Gleichzeitig reagieren im Kathodenraum die Sauerstoffanionen mit den über die Membran transportierten Protonen unter Bildung von Wasser.
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Um Brennstoffzellen mit ihren Betriebsmedien, also den Reaktanten, zu versorgen, weisen sie eine Betriebsmedienversorgung auf. Diese umfasst einerseits eine Anodengasversorgung, welche den Anoden den Brennstoff, beispielsweise Wasserstoff, zuführt, sowie eine Kathodengasversorgung, welche die Kathodenräume der Brennstoffzelle mit einem Oxidationsmittel, beispielsweise Luft, versorgt.
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Die Betriebsmedien werden üblicherweise in mehrfacher Hinsicht konditioniert, ehe sie der Brennstoffzelle zugeführt werden. So wird die Luft, die dem Brennstoffzellenstapel zugeführt wird, zuvor über einen Ladeluftkühler gekühlt, insbesondere auch wegen der Aufheizung bei Förderung durch einen Verdichter, und darauffolgend üblicherweise mittels eines Befeuchters befeuchtet. Die Befeuchtung des oder der Betriebsgase ist erforderlich, da viele Polymerelektrolytmembranen von Brennstoffzellen für eine vorschriftsmäßige Funktion feucht gehalten werden müssen. Zwischen Ladeluftkühler und Befeuchter kann es notwendig sein, einen Teil des Luftmassenstroms am Befeuchter vorbeizuführen oder als Lagerluft wieder dem Verdichter zuzuführen.
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Durch diese Ausgestaltung aus verschiedenen Bauteilen für die jeweilige Konditionierung und den dafür notwendigen Anschlüssen resultieren zunächst erhöhte Bauraum- und Materialbedarfe, jedoch auch eine negativ beeinflusste Strömungsführung. Letztere bedingt zum einen eine Ausbildung von Hot Spots, weil der Luftstrom teilweise nicht ausreichend gekühlt wird. Diese führen zur frühzeitigen Alterung bzw. Beschädigung der Befeuchter Membranen. Zum anderen eine verminderte Gleichverteilung des Luftmassenstroms durch den Befeuchter, wodurch die Feuchteübertragungsfähigkeit negativ beeinflusst wird und schlussendlich die Auslegung des Befeuchters in Richtung größerer effektiver Volumina verschiebt, um die Nachteile zu kompensieren.
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Um diese Probleme zu umgehen, wird in der
DE 10 2014 205 029 A1 eine in der Kathodenversorgung eines Brennstoffzellensystems angeordnete Konditionierungseinheit beschrieben, die zumindest einen Befeuchter, eine Filtereinrichtung sowie eine Kühleinrichtung umfasst, wobei eine starke Homogenisierung des Strömungsbildes in der Kathodenversorgung erzielt wird. Auch in der
DE 10 2009 051 476 A1 wird ein Bauteil offenbart, das einen Ladeluftkühler und einen Befeuchter in sich vereint.
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Durch diese Bauteile, die unterschiedliche Konditionierungsmaßnahmen ermöglichen, können Totvolumina zwischen den sonst üblicherweise separat angeordneten Bauteilen vermieden werden. Möglichkeiten zum Abgriff von Massenströmen, insbesondere von gekühltem Massenstrom, beispielsweise für einen Bypass des Befeuchters oder für Lagerluft sind nicht vorgesehen.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Konditionierungseinheit für ein Betriebsmedium für eine Brennstoffzelle zur Verfügung zu stellen, welche zumindest einige der Probleme des Standes der Technik vermindert.
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Diese Aufgabe wird durch eine Konditionierungseinheit sowie eine Brennstoffzellenanordnung mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die Konditionierungseinheit zur Konditionierung eines gasförmigen Betriebsmediums für eine Brennstoffzelle umfasst:
- - einen Befeuchter zur Befeuchtung des Betriebsmediums, welcher vorzugsweise ein erstes Strömungsfeld zur Durchleitung des zu befeuchtenden gasförmigen Betriebsmediums sowie ein zweites Strömungsfeld zur Durchleitung eines feuchten Gases umfasst sowie vorzugsweise wenigstens eine wasserdampfpermeable Membran, welche das erste und das zweite Strömungsfeld voneinander trennt, sowie
- - einen Wärmetauscher, insbesondere einen Ladeluftkühler zur Kühlung eines Betriebsgases, vorzugsweise des Kathodenbetriebsgases,
wobei der Befeuchter und der Ladeluftkühler zu einer Einheit zusammengefasst sind.
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Erfindungsgemäß sind der Befeuchter und der Wärmetauscher oder der Ladeluftkühler derart formschlüssig angeordnet oder zu einer Einheit verbunden, dass der Wärmetauscher oder der Ladeluftkühler in zumindest eine Raumrichtung eine größere Erstreckung aufweist als der Befeuchter, wobei der Wärmetauscher oder der Ladeluftkühler im Bereich der größeren Erstreckung zumindest einen Anschluss zum Abgriff eines Luftmassenstroms aufweist.
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Wenn nachfolgend in der Beschreibung der Begriff Ladeluftkühler verwendet wird, ist stattdessen auch stets der Begriff Wärmetauscher gemeint.
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Vorzugsweise ist der zumindest eine Anschluss dabei derart angeordnet, dass dieser nicht über die Fluchtlinien der Konditionierungseinheit hinausragt.
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Bei der erfindungsgemäßen Konditionierungseinheit ist vorteilhafterweise nicht nur kein Totvolumen zwischen Ladeluftkühler und Befeuchter existent, da beide Bauteile direkt aneinandergrenzend ausgestaltet sind, sondern es ist auch zumindest ein Anschluss für den Abgriff eines Luftmassenstroms vorgesehen, der durch die erfindungsgemäße Anordnung nicht über die Außenflächen der Konditionierungseinheit hinausragt. Daher ist vorteilhafterweise eine raumsparende und strömungsoptimale Luftmassenführung möglich.
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Der Befeuchter und der Ladeluftkühler können als Einzelkomponenten quaderförmig sein, wodurch vorteilhafterweise eine kostengünstige Fertigung ermöglicht wird. Bis auf die größere oder geringere Erstreckung des Ladeluftkühlers ist die erfindungsgemäße Konditionierungseinheit bis auf den resultierenden Versatz mit dem zumindest einen Anschluss ebenfalls quaderförmig.
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Ebenso ist es möglich, die Konditionierungseinheit zylindrisch auszugestalten, wobei ein zylindrischer Befeuchter von dem Ladeluftkühler, der als hohlzylindrischer Körper ausgestaltet ist, umfangen wird oder umgekehrt, je nach den Erfordernissen des Gesamtsystems. Diese Ausführungsform weist vorteilhafterweise ein gutes thermisches Verhalten aufgrund der Kompaktheit auf und besitzt weniger Totgebiete (Ecken), woraus eine erhöhte Effizienz des Befeuchter resultiert. Zudem kann es als sehr kleines Bauteil realisiert werden.
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Mittels der erfindungsgemäßen Konditionierungseinheit können ein oder mehrere Teilmassenströme des Kathodengases zwischen Ladeluftkühler und Befeuchter geführt werden, wobei vorteilhafterweise die abgegriffenen Teilmassenströme durch den Ladeluftkühler gekühlt sind.
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Anschlüsse sind vorzugsweise für einen Systembypass zur Berücksichtigung der Pumpgrenze eines Turboverdichters und zur Verdünnung von Kathodenabgasen oder für die Kühlung der Gleitlager eines Turboverdichters („Lagerluft“) vorzusehen.
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Bei dem für die Konditionierungseinheit vorgesehenen Befeuchter ist keine Festlegung auf einen bestimmten Typ, beispielsweise auf vorgenannte bevorzugte Ausführungsform, gegeben. Entsprechende Befeuchter sind dem Fachmann aus dem Stand der Technik bekannt.
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Die Vorteile der erfindungsgemäßen Konditionierungseinheit bestehen ansonsten in der kompakten Bauweise, wodurch geringe thermische Massen und eine kurze Systemaufwärmzeit gegeben sind. Es resultieren geringere Druckverluste und damit ein geringer Verbrauch.
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Durch die gleichmäßige Strömungsverteilung erfolgt eine optimale Ausnutzung der Ladeluftkühler- und Befeuchter-Potentiale hinsichtlich Effizienz und Leistung. Außerdem ist eine Gleichverteilung (Vermeidung von Hot Spots), beispielsweise des Temperaturfeldes zwischen Ladeluftkühler und Befeuchter hinsichtlich der Lebensdauer des Befeuchters relevant, da niedrigere Temperaturmaximalwerte erhalten werden, welche ansonsten in einen kritischen Temperaturbereich mit der Folge von Materialschädigung des Befeuchters ansteigen könnten. Das könnte in einer Systemauslegung mit einem größeren Ladeluftkühler kompensiert werden, was dann wiederum ein Nachteil wäre bezogen auf Bauraumbedarf, Kosten und Druckverluste.
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Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine Brennstoffzellenanordnung mit einer Brennstoffzelle sowie einer Betriebsmedienversorgung der Brennstoffzelle. Die Betriebsmedienversorgung umfasst eine Anodengasversorgung sowie eine Kathodengasversorgung, wobei die Anoden- und/oder die Kathodengasversorgung eine Konditionierungseinheit gemäß der vorliegenden Erfindung aufweist. Vorzugsweise weist zumindest die Kathodengasversorgung eine solche Konditionierungseinheit auf.
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Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar.
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Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
- 1 ein Blockschaltbild eines Brennstoffzellensystems gemäß dem Stand der Technik;
- 2 eine schematische Darstellung der Anordnung eines Befeuchters und eines Ladeluftkühlers nach dem Stand der Technik;
- 3 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Anordnung eines Befeuchters und eines Ladeluftkühlers in einer Einheit;
- 4 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Anordnung eines Befeuchters und eines Ladeluftkühlers in einer Einheit nach einer zweiten Ausführungsform; und
- 5 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Anordnung eines Befeuchters und eines Ladeluftkühlers in einer Einheit nach einer dritten Ausführungsform.
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1 zeigt ein insgesamt mit 100 bezeichnetes Brennstoffzellensystem gemäß dem Stand der Technik. Das Brennstoffzellensystem 100 kann Teil eines nicht weiter dargestellten Fahrzeugs, insbesondere eines Elektrofahrzeugs sein, das einen Elektrotraktionsmotor aufweist, der durch das Brennstoffzellensystem 100 mit elektrischer Energie versorgt wird.
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Das Brennstoffzellensystem 100 umfasst als Kernkomponente einen Brennstoffzellenstapel 10, der eine Vielzahl von in Stapelform angeordneten, hier jedoch nicht dargestellten Einzelzellen aufweist, die durch abwechselnd gestapelte Membran-Elektroden-Anordnungen (MEA) und Bipolarplatten 15 ausgebildet werden, wobei die Membran-Elektroden-Anordnungen katalytische Elektroden, nämlich eine Anode und eine Kathode, welche die jeweilige Teilreaktion der Brennstoffzellenumsetzung katalysieren, aufweisen.
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Um den Brennstoffzellenstapel 10 mit den Betriebsmedien zu versorgen, weist das Brennstoffzellensystem 100 einerseits eine hier nicht dargestellte Anodenversorgung und eine Kathodenversorgung 12 auf.
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Die Kathodenversorgung 12 umfasst einen Kathodenversorgungspfad 14, welcher den Kathodenräumen des Brennstoffzellenstapels 10 ein sauerstoffhaltiges Kathodenbetriebsmedium zuführt, insbesondere Luft, die aus der Umgebung angesaugt wird. Zur Förderung und Verdichtung des Kathodenbetriebsmediums ist in dem Kathodenversorgungspfad 14 ein Verdichter 16 angeordnet, dem stromauf ein Ladeluftkühler 18 nachgeordnet ist. Durch den Ladeluftkühler 18 wird ein Teil der Wärme abgeführt, die durch die Verdichtung der Luft im Verdichter 18 entsteht. Mittels einer stromab des Ladeluftkühlers 18 angeordneten Rückführleitung 20, die zum Verdichter 16 führt, kann abgekühlte Luft als „Lagerluft“ wieder zum Verdichter 16 zurückgeleitet werden.
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Die Kathodenversorgung 12 umfasst ferner einen Kathodenabgaspfad 22, welcher das Kathodenabgas aus den Kathodenräumen des Brennstoffzellenstapels 10 abführt und dieses gegebenenfalls einer nicht dargestellten Abgasanlage zuführt.
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Das Brennstoffzellensystem 100 weist zudem einen Befeuchter 24 auf. Der Befeuchter 24 ist einerseits so in dem Kathodenversorgungspfad 12 angeordnet, dass er von dem Kathodenbetriebsgas durchströmbar ist. Andererseits ist er so in dem Kathodenabgaspfad 22 angeordnet, dass er von dem Kathodenabgas durchströmbar ist. Der Befeuchter 24 kann typischerweise eine Mehrzahl von hier nicht dargestellten, wasserdampfpermeablen Membranen aufweisen. 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.
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Um den Befeuchter 24 gegebenenfalls auch umgehen und damit die Befeuchtung des Kathodengases steuern zu können, ist in der Kathodenversorgung 12 eine Befeuchter-Bypass-Leitung 26 mit einem Stellmittel 28 vorgesehen. Als weitere Ausführungsform ist es möglich, als Stellmittel 28 eine Doppelklappe oder zwei einzelne Klappen anzuordnen, das heißt, dass neben dem Stellmittel 28 eine weitere Klappe nach dem Austritt aus dem Befeuchter 24 auf der Kathodenzuluftseite befindlich ist.
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Die Kathodenversorgung 12 kann ferner eine Wastegate-Leitung 30 aufweisen, welche den Kathodenversorgungspfad 14 mit dem Kathodenabgaspfad 22 verbindet, also einen Bypass des Brennstoffzellenstapels 10 darstellt. Die Wastegate-Leitung 30 erlaubt, überschüssigen Luftmassenstrom an dem Brennstoffzellenstapel 10 vorbeizuführen, ohne den Verdichter 16 herunterzufahren. Ein in der Wastegate-Leitung 30 angeordnetes Stellmittel 32 dient der Steuerung der Menge des den Brennstoffzellenstapel 10 umgehenden Kathodenbetriebsmediums.
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Sämtliche Stellmittel 28, 32 des Brennstoffzellensystems 100 können als regelbare oder nicht regelbare Ventile oder Klappen ausgebildet sein. Entsprechende weitere Stellmittel können in dem Brennstoffzellensystem vorgesehen sein.
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2 stellt schematisch die räumliche Situation hinsichtlich des Befeuchters 24 und des Ladeluftkühlers 18 in einem Brennstoffzellensystem nach dem Stand er Technik dar.
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Zum direkten Vergleich mit der erfindungsgemäßen Situation ist die 3 gegenübergestellt. In 2 sind Befeuchter 24 und Ladeluftkühler 18 beabstandet angeordnet, sodass ein Totvolumen V resultiert. Ladeluftkühler 18 und Befeuchter 24 sind mit einem Verbindungsstück 36 miteinander verbunden, an dem ein Anschluss 34 zum Abgriff eines Luftmassenstroms vorgesehen ist. Ladeluftkühler 18 und Befeuchter 24 weisen gemeinsam eine Länge x auf.
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Demgegenüber weisen Ladeluftkühler 18 und Befeuchter 24 gemäß 3, die gemeinsam eine Konditionierungseinheit 40 ausbilden, eine Länge x + y auf, da der Ladeluftkühler 18 eine geringfügig größere Erstreckung in eine Raumrichtung (Länge y) aufweist, sodass in diesem Bereich das Verbindungsstück 36 (dieses kann hier auch entfallen) mit einem Anschluss 34 angeordnet werden kann. So wird vorteilhafterweise eine sehr kompakte Bauweise einer Konditionierungseinheit 40 erreicht, bei der auch ein Anschluss 34 nicht außerhalb der Flucht liegt. Die Länge y beansprucht zwar auch Bauraum, jedoch entfällt das Totvolumen V, wodurch die Konditionierungseinheit 40 sich um die Höhendifferenz D (entspricht dem Totvolumen V) geringer in den Raum erstreckt, sodass insgesamt ein deutlicher Bauraumgewinn gegeben ist. Je nach Umfang des abgegriffenen Luftmassenstroms kann die Länge y jedoch auch sehr klein ausfallen.
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4 und 5 zeigen jeweils eine zylindrische Ausführungsform der Konditionierungseinheit 40, die dementsprechend eine Symmetrieachs beziehungsweise Rotationsachse 38 aufweisen.
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So ist in 4 der Befeuchter 24 als Hohlzylinder ausgeformt, in dem der zylindrische Ladeluftkühler 18 angeordnet ist. An einer Seite des Befeuchters 24 ragt der Ladeluftkühler 18 aus diesem heraus. An diesem Ende des Ladeluftkühlers 18 ist der Anschluss 34, der den Ladeluftkühler 18 umfasst, vorgesehen. In 5 sind Ladeluftkühler 18 und Befeuchter 24 vertauscht angeordnet, sodass der Befeuchter 24 vom Ladeluftkühler 18 umfangen wird. Da sich der Ladeluftkühler in eine Raumrichtung geringfügig weiter erstreckt als der Befeuchter 24, ergibt sich an dem entsprechenden Ende der Konditionierungseinheit 40 ein Raum, in dem der Anschluss 34 vorgesehen ist.
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Übliche sonstige Einrichtungen eines Brennstoffzellensystems, die dem Fachmann bekannt sind, sind nicht dargestellt.
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Die Bezugszeichen werden für alle Figuren, unabhängig ob sie den Stand der Technik oder die Erfindung darstellen, einheitlich verwendet.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Brennstoffzellensystem
- 10
- Brennstoffzellenstapel
- 12
- Kathodenversorgung
- 14
- Kathodenversorgungspfad
- 16
- Verdichter
- 18
- Ladeluftkühler
- 20
- Rückführleitung für Lagerluft
- 22
- Kathodenabgaspfad
- 24
- Befeuchter
- 26
- Befeuchterbypass-Leitung
- 28
- Stellmittel
- 30
- Wastegate-Leitung
- 32
- Stellmittel
- 34
- Anschluss
- 36
- Verbindungsstück
- 38
- Rotationsachse
- 40
- Konditionierungseinheit
- V
- Totvolumen
- D
- Höhendifferenz
- X
- Länge x
- Y
- Länge y
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102014205029 A1 [0007]
- DE 102009051476 A1 [0007]
