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Die Erfindung betrifft den Anodenkreislauf eines Brennstoffzellensystems nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.
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Den gattungsgemäßen Stand der Technik bildet die
US 4,769,297 . In dieser Schrift ist eine Brennstoffzelle mit einem sogenannten Anodenkreislauf beschrieben, über welchen nicht verbrauchter Wasserstoff aus der Anode mittels einer Rezirkulationsleitung zum Eingang der Anode zurückgeführt wird. Um die Druckverluste in der Rezirkulationsleitung und in der Anode auszugleichen, ist typischerweise eine sogenannte Rezirkulationsfördereinrichtung vorgesehen. Im gattungsgemäßen Stand der Technik ist dies eine Gasstrahlpumpe, welche durch den frischen Wasserstoff als Treibgasstrom angetrieben wird.
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Um eine große Menge an Wasser auszukondensieren, da das Wasser in der gattungsgemäßen Schrift zur unmittelbaren Befeuchtung der Membranen in flüssiger Form in die Brennstoffzelle eingespritzt wird, ist außerdem ein Wasserabscheider in der Rezirkulationsleitung vorgesehen, welcher aktiv gekühlt wird, um die Menge an abgeschiedenem Wasser möglichst groß zu machen. In der heutigen Zeit ist es prinzipiell immer noch üblich, Anodenkreisläufe mit derartigen Wasserabscheidern vorzusehen. Allerdings werden diese typischerweise nicht mehr aktiv gekühlt, da sie lediglich dazu dienen sollen, Wasser aus dem rezirkulierten Abgas abzuscheiden. Da die Gasströme mit entsprechender Feuchte heute ausreichen, um die Membranen in der Brennstoffzelle ausreichend zu befeuchten, ist das Eindüsen von flüssigem Wasser in die Brennstoffzelle nicht mehr üblich. Vielmehr soll es sogar verhindert werden.
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Die üblichen Aufbauten, insbesondere mit einer Gasstrahlpumpe, haben nun das Problem, dass der frische Wasserstoff typischerweise von seinem Speicherdruck, und hier ist heutzutage ein Nenndruck von 70MPa üblich, auf den Betriebsdruck von ca. 1 bis 2 MPa entspannt wird. Der Wasserstoff kühlt dabei ab. Durch eine Mischung des feuchten rezirkulierten Gasstroms, welcher zu diesem Zeitpunkt jedoch frei von Tröpfchen ist, da er den Wasserabscheider passiert hat, kommt es nun zu einer Absenkung der Temperatur des Gemischs aus frischem Wasserstoff und rezirkuliertem Gasstrom. Hierdurch kommt es zu einem erneuten Auskondensieren von Tröpfchen im Bereich dieses zu der Anode strömenden Gasgemischs. Die Tröpfchen verursachen in der Anode eine Blockade der Gasführungskanäle, sodass nicht die gesamte Fläche der Anode gleichmäßig ausgenutzt wird. Dies kann zu unerwünschten elektrischen Potenzialverteilungen über die Fläche der Anode führen und verschlechtert insgesamt die Performance der Brennstoffzelle.
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Aus dem weiteren Stand der Technik sind Stellen, an welchen eine Kondensation auftreten soll, und welche auch als Soll-Kondensatoren oder Ziel-Kondensatoren bezeichnet werden, in Brennstoffzellensystemen bekannt. Sie dienen gemäß diesen Schriften zum allgemeinen Stand der Technik jedoch insbesondere dazu, das Auskondensieren von Flüssigkeit nach dem Abstellen des Brennstoffzellensystems auf den Bereich dieser Ziel- bzw. Soll-Kondensatoren zu fokussieren, um ein Einfrieren anderer Bauteile zu verhindern. Beispielhaft kann in diesem Zusammenhang auf die
DE 10 2011 109 602 A1 sowie die
DE 10 2004 020 029 A1 hingewiesen werden.
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Ferner ist es aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt, dass der frische Wasserstoff aufgeheizt wird, um so ein Absinken der Temperatur in dem Gemisch zu verhindern. Dies ist energetisch jedoch entsprechend aufwändig und insbesondere bei dynamischen Anforderungen an die elektrische Leistung der Brennstoffzelle, und damit einhergehender dynamischer Versorgung der Brennstoffzelle mit Wasserstoff als Brennstoff, oft nur eingeschränkt möglich, da die Erwärmung träger ist, als die Veränderung des Volumenstroms an Wasserstoff.
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Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht deshalb darin, einen Anodenkreislauf für ein Brennstoffzellensystem anzugeben, welcher die eingangs genannten Nachteile vermeidet.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch einen Anodenkreislauf eines Brennstoffzellensystems mit den Merkmalen im Anspruch 1 gelöst.
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Der erfindungsgemäße Anodenkreislauf sieht es vor, dass der an sich bekannte Ziel-Kondensator in Strömungsrichtung des rezirkulierten Abgases vor dem Wasserabscheider angeordnet ist. Ein solcher Aufbau des Ziel-Kondensators, also eines Bereichs, in dem eine Kondensation beispielsweise durch eine aktive oder passive Kühlung dieses Bereichs unterstützt wird, befindet sich bei dem erfindungsgemäßen Aufbau in Strömungsrichtung vor dem Wasserabscheider. Dies gibt der auskondensierenden Flüssigkeit in dem rezirkulierten Abgas Zeit, um auszukondensieren und insbesondere um eine ausreichend große Tröpfchengröße um jeden der Kondensationskeime auszubilden. Diese in Strömungsrichtung vor dem Wasserabscheider entstehenden Tröpfchen gelangen also erst dann in den Wasserabscheider, wenn zumindest ein Großteil von ihnen eine vergleichsweise große Größe erreicht hat. Die Tröpfchen werden dann in dem Wasserabscheider durch die dort üblichen Techniken wie beispielsweise die Beruhigung/Umlenkung des Gasstroms sehr gut abgeschieden. In dem erfindungsgemäßen Anodenkreislauf treten daher in Strömungsrichtung der Rezirkulationsleitung nach dem Wasserabscheider praktisch keine Tröpfchen mehr auf, auch nicht entsprechend feine Tröpfchen, wie sie im Stand der Technik den Wasserabscheider, auch falls dieser gekühlt sein sollte, sehr leicht passieren können.
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Das rezirkulierte Abgas ist also in dem erfindungsgemäßen Anodenkreislauf nach dem Passieren des Wasserabscheiders im Verhältnis zu seinen Druck- und Temperaturbedingungen vergleichsweise trocken. Durch die Zufuhr des frischen Wasserstoffs in den Anodenkreislauf beispielsweise in Strömungsrichtung nach einem Rezirkulationsgebläse als Rezirkulationsfördereinrichtung und/oder in einer Gasstrahlpumpe als Rezirkulationsfördereinrichtung wird durch den frischen Wasserstoff das entstehende Gasgemisch zwar insgesamt abgekühlt, es kann jedoch kein weiteres Wasser auskondensieren, weil das Abgas deutlich trockener ist als im Stand der Technik. Die Gefahr eines Eintrags von flüssigen Tröpfchen in den Bereich der Anode kann so minimiert werden. Dies gilt insbesondere auch in einem hochdynamischen Betrieb und ermöglicht den gänzlichen Verzicht auf eine Beheizung des zugeführten frischen Wasserstoffs oder erlaubt zumindest eine deutliche Reduzierung der Anforderungen an eine solche Beheizung.
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Insbesondere befindet sich der Ziel-Kondensator dabei nicht unmittelbar vor dem Wasserabscheider, sondern ist um ein gewisses Wegstück der Rezirkulationsleitung beabstandet vor dem Wasserabscheider angeordnet, um der Feuchtigkeit ausreichend Zeit zur Auskondensation zu geben.
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Wie bereits erwähnt, kann als Rezirkulationsfördereinrichtung eine Gasstrahlpumpe verwendet werden. Prinzipiell wäre auch ein Rezirkulationsgebläse oder die Kombination dieser beiden Bauteile denkbar. Auch die Verwendung mehrerer Gasstrahlpumpen, beispielsweise in Stufen hintereinander oder parallel zueinander, um je nach Leistungsanforderung eine oder mehrere der Gasstrahlpumpen zu betreiben, ist denkbar. Der Ziel-Kondensator kann dabei passiv gekühlt werden, indem er sich in einem nicht thermisch isolierten Bereich befindet und/oder über Kühlrippen oder ähnliches verfügt, um die Wärmeabgabe an die Umgebung zu verbessern. Ergänzend oder alternativ hierzu kann er auch aktiv gekühlt werden, beispielsweise über das Kühlmedium eines typischerweise ohnehin vorhandenen Kühlkreislaufs der Brennstoffzelle, über eine Fahrzeugklimaanlage, beim Einsatz des Brennstoffzellensystems in einem Fahrzeug, elektrisch über Peltierelemente oder ähnliches.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Idee ergeben sich ferner aus dem Ausführungsbeispiel, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben ist.
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Dabei zeigen:
- 1 ein prinzipmäßig angedeutetes Brennstoffzellensystem in einer Ausführungsvariante gemäß der Erfindung; und
- 2 eine alternative Ausführungsform des Brennstoffzellensystems gemäß 1.
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In der Darstellung der 1 ist ein Brennstoffzellensystem 1 zu erkennen, welches in einem angedeuteten Fahrzeug 2 zur Bereitstellung von elektrischer Antriebsleistung genutzt werden soll. Den Kern des Brennstoffzellensystems 1 bildet dabei eine Brennstoffzelle 3, welche insbesondere als sogenannte PEM-Brennstoffzelle realisiert sein soll. Die Brennstoffzelle 3 besteht aus einem Stapel von Einzelzellen und wird deshalb auch als Brennstoffzellenstapel bzw. Brennstoffzellenstack bezeichnet. In der Darstellung der Figuren sind rein beispielhaft innerhalb der Brennstoffzelle 3 ein gemeinsamer Anodenraum 4 sowie ein gemeinsamer Kathodenraum 5 angedeutet. Diese sind über eine für Protonen durchlässige Membran 6 voneinander getrennt und weisen einen Kühlwärmetauscher 7 zur Temperierung der Brennstoffzelle 3 auf Betriebstemperatur auf. Dem Kathodenraum 5 der Brennstoffzelle 3 wird über eine Luftfördereinrichtung 8 Luft als Sauerstofflieferant zugeführt. Nicht verbrauchte Abluft gelangt über eine Abluftleitung 9 in dem hier dargestellten und sehr stark vereinfachten Ausführungsbeispiel in die Umgebung.
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Um den Anodenraum 4 der Brennstoffzelle 3 ist ein Anodenkreislauf 10 angeordnet. Dieser Anodenkreislauf 10 hat die Aufgabe, nicht verbrauchten Wasserstoff aus dem Anodenraum 4 über eine Rezirkulationsleitung 11, in welcher ein Wasserabscheider 12 angeordnet ist, zurück zum Anodenraum 4 zu führen. Das zurückgeführte Abgas umfasst dabei neben dem nicht verbrauchten Wasserstoff auch einen Teil des in der Brennstoffzelle 3 entstehenden Produktwassers, typischerweise in Form von Wasserdampf, sowie inerte Gase, welche sich mit der Zeit in dem Anodenkreislauf 10 anreichern und /oder durch die Membran 6 aus dem Kathodenraum 5 in den Anodenraum 4 gelangen. Um die Druckverluste auszugleichen, ist außerdem eine Rezirkulationsfördereinrichtung 13 vorgesehen. In der Darstellung der 1 ist diese Rezirkulationsfördereinrichtung 13 als Gasstrahlpumpe 14 ausgebildet. Sie saugt das Abgas aus der Rezirkulationsleitung 11 an und führt dieses vermischt mit frischem Wasserstoff zu dem Anodenraum 4 zurück. Der frische Wasserstoff gelangt über eine Druckregel- und Dosiereinrichtung 15 aus einem Druckgasspeicher 16 in den Bereich der Gasstrahlpumpe 14. Der Wasserstoff wird in dem Druckgasspeicher 16 bei entsprechend hohem Nenndruck gespeichert, beispielsweise einem Nenndruck von 70 MPa. In der Druckregel- und Dosiereinrichtung 15 wird dieser sogenannte Hochdruck auf einen Arbeitsdruck in Strömungsrichtung vor der Gasstrahlpumpe in der Größenordnung von 1-2 MPa reduziert. Der Wasserstoff kühlt damit ab und vermischt sich mit dem feuchten und warmen Abgas aus der Rezirkulationsleitung 11. Flüssige Tröpfchen in der Rezirkulationsleitung 11 werden über den Wasserabscheider 12 abgeschieden. Die gasförmige Feuchtigkeit ist jedoch hoch, und das Abgas in der Rezirkulationsleitung 11 ist vergleichsweise warm, insbesondere hat es eine Temperatur, welche in der Größenordnung der Betriebstemperatur der Brennstoffzelle 3, bei einer PEM-Brennstoffzelle ca. 80-100° C liegt. Geht man also beispielsweise von einer Temperatur des Abgases von ca. 70° C und einer entsprechend hohen Feuchte aus. Nun wird das Gasgemisch nach der Gasstrahlpumpe 14 abgekühlt, da der zugeführte frische Wasserstoff deutlich kühler ist. Hierdurch wird der Dampfruck des Gases gesenkt und es kommt zu einer Auskondensation von Wasser, zumindest in manchen Betriebspunkten. Dieses auskondensierte Wasser kann dann in den Anodenraum 4 gelangen und dort beispielsweise Gasverteilungskanäle blockieren oder ähnliches. Dies ist höchst unerwünscht.
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Um dieser Problematik entgegenzuwirken, ist es in dem hier dargestellten Anodenkreislauf 10 nun vorgesehen, dass dieser in Strömungsrichtung des Abgases in der Rezirkulationsleitung 11 vor dem Wasserabscheider 12 einen Ziel-Kondensator 17 aufweist. Dieser Ziel-Kondensator 17 wird in dem Ausführungsbeispiel der 1 passiv gekühlt, beispielsweise durch Kühlrippen oder durch die Tatsache, dass dieser außerhalb einer thermischen Isolierung um die Brennstoffzelle 3 angeordnet ist. In seinem Bereich beginnt also die Auskondensation von Flüssigkeit in dem feuchten Abgas des Anodenraums 4. Um die Kondensationskeime bilden sich dabei Tröpfchen. Diese strömen mit dem Gas in der Rezirkulationsleitung 11 durch das in der 1 mit x bezeichnete Wegstück der Rezirkulationsleitung 11 zu dem Wasserabscheider 12. Hier werden die Tröpfchen abgeschieden, beispielsweise durch eine Beruhigung und/oder eine Umleitung der Strömung. Auch andere Techniken zur Abscheidung von Wasser, beispielsweise Prallbleche, zu durchströmende Gitter, Gewebevliese oder ähnliches sind denkbar. Nach dem Wasserabscheider 12 ist das Gas in der Rezirkulationsleitung 11 dann, bezogen auf seinen Druck und seine Temperatur, vergleichsweise trocken, sodass auch durch die Abkühlung aufgrund der Vermischung mit dem frischen Wasserstoff in der Gasstrahlpumpe 13 keine nennenswerte Auskondensation von Flüssigkeit mehr auftritt. Der Anodenraum 4 kann so von flüssigen Tröpfchen freigehalten werden, sodass eine ideale Funktionsweise der Brennstoffzelle 3 gewährleistet werden kann.
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In der Darstellung der 2 ist eine alternative Ausführungsform des Brennstoffzellensystems 1 mit dem Fahrzeug 2 zu erkennen. Dieselben Bauteile sind dabei mit denselben Bezugszeichen versehen. Die Funktion ist im Wesentlichen dieselbe, sodass nachfolgend lediglich auf die Unterschiede weiter eingegangen wird.
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Der erste Unterschied liegt in der eingesetzten Rezirkulationsfördereinrichtung 13. Anstelle der Gasstrahlpumpe 14 als Rezirkulationsfördereinrichtung 13, wie es in der Darstellung der 1 zu erkennen war, wird nun ein Rezirkulationsgebläse 18 als Rezirkulationsfördereinrichtung 13 eingesetzt. Prinzipiell wäre auch eine Kombination dieser Aufbauten denkbar, also die Verwendung sowohl einer oder mehrerer der Gasstrahlpumpen 14 als auch eines Rezirkulationsgebläses 18 als Unterstützung. Darüber hinaus ist der Ziel-Kondensator 17 anders als im Ausführungsbeispiel der 1 in der Darstellung der 2 mit einem Kühlkreislauf 19, welcher auch den Kühlwärmetauscher 7 der Brennstoffzelle 3 kühlt, verbunden. Der Ziel-Kondensator 17 wird hier also aktiv gekühlt, insbesondere durch das Kühlmedium in dem nur teilweise angedeuteten Kühlkreislauf 19 bei seiner tiefsten Temperatur, also bevor dieses in den Kühlwärmetauscher 7 der Brennstoffzelle 3 einströmt. Hierdurch wird eine noch bessere Auskondensation im Bereich des Ziel-Kondensators 17 erreicht, insbesondere wird diese weitgehend unabhängig von den Umgebungsbedingungen erreicht, da durch die aktive Kühlung aufgrund der Einbindung des Ziel-Kondensators 17 in den Kühlkreislauf 19 immer sehr konstante Temperaturbedingungen in dem Ziel-Kondensator 17 gewährleistet werden können.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 4769297 [0002]
- DE 102011109602 A1 [0005]
- DE 102004020029 A1 [0005]
