DE102017210588A1

DE102017210588A1 - Brennstoffzellensystem

Info

Publication number: DE102017210588A1
Application number: DE102017210588.7A
Authority: DE
Inventors: Johannes Dawidziak
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2017-06-23
Filing date: 2017-06-23
Publication date: 2018-12-27

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem, insbesondere für ein Kraftfahrzeug zur Bereitstellung elektrischer Energie zum Antrieb des Kraftfahrzeugs, sowie ein Verfahren zum Betreiben des Brennstoffzellensystems. Das Brennstoffzellensystem umfasst einen Brennstoffzellenstapel und ein kathodenseitiges Zuleitungssystem zum Versorgen des Brennstoffzellenstapels mit Umgebungsluft.

Description

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem, insbesondere für ein Kraftfahrzeug zur Bereitstellung elektrischer Energie zum Antrieb des Kraftfahrzeugs, sowie ein Verfahren zum Betreiben des Brennstoffzellensystems. Das Brennstoffzellensystem umfasst einen Brennstoffzellenstapel und ein kathodenseitiges Zuleitungssystem zum Versorgen des Brennstoffzellenstapels mit Umgebungsluft.
Brennstoffzellen nutzen die chemische Umsetzung eines Brennstoffs mit Sauerstoff zu Wasser, um elektrische Energie zu erzeugen. Im Betrieb der Brennstoffzelle wird der Brennstoff, insbesondere Wasserstoff H₂ oder ein wasserstoffhaltiges Gasgemisch, 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 Sauerstoff oder ein sauerstoffhaltiges Gasgemisch zugeführt, so dass eine Reduktion von O₂ zu O^2- unter Aufnahme der Elektronen stattfindet. Gleichzeitig reagieren im Kathodenraum diese Sauerstoffanionen mit den über die Membran transportierten Protonen unter Bildung von Wasser.
Typischerweise wird als Sauerstoffquelle Umgebungsluft der Brennstoffzelle zugeführt. Die Luft wird dabei über einen Lüfter oder Verdichter eines (die Brennstoffzelle umfassenden) Brennstoffzellensystems in die Brennstoffzelle zugeführt. Häufig werden auch sogenannte elektrische Turbolader eingesetzt, welche die elektrische angetriebene Luftfördereinrichtung (Verdichter) mit einer Turbine verbinden, welche Energie beispielsweise aus dem Abgas der Brennstoffzelle zurückgewinnt. Diese zurückgewonnene Leistung unterstützt dann den elektrischen Antrieb der Luftfördereinrichtung.
Brennstoffzellensysteme haben sehr hohe Sauberkeitsanforderungen an die am Prozess beteiligten Medien. Um eine Kontamination von Bauteilen des Brennstoffzellensystems mit Partikeln und anderen Schadstoffen, die in der zugeführten Luft zwangsläufig enthalten sind, zu verhindern, wird sämtliche Luft zunächst durch ein Filterelement geführt.
Aus der DE 10 2012 004 767 A1 ist ein Fahrzeug mit einem Brennstoffzellensystem bekannt, bei dem Luft über einen Luftfilter angesaugt und mit einem elektrischen Turbolader verdichtet wird. Die komprimierte Luft wird einer Brennstoffzelle zugeführt.
Die DE 10 2014 221 242 A1 offenbart ein Fahrzeug mit einem Brennstoffzellensystem, in dem ein elektrischer Turbolader Luft durch mehrere parallel geschaltete Ansaugpfade über einen Luftfilter mit integriertem Schadstoffabsorber ansaugt, verdichtet, und die gereinigte, komprimierte Luft einer Brennstoffzelle zuführt.
DE 10 2011 114 720 A1 schlägt eine Luftversorgungsvorrichtung für eine Brennstoffzelle vor, in der zur Luftversorgung der Brennstoffzelle zwei in Reihe angeordnete Luftfördereinrichtungen eingesetzt werden, die von elektrischen Motoren mit unterschiedlichem Spannungsniveau angetrieben werden. In einer Ausführungsform ist vor beiden Luftfördereinrichtungen ein Luftfilter vorgesehen, um zu verhindern, dass verschmutzte Luft in den Bereich der Brennstoffzelle gelangt.
Die Filterelemente führen im Luftpfad zu hohen Druckverlusten. Diese Druckverluste verringern die effektive Leistung des Brennstoffzellensystems.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es, ein Brennstoffzellensystem zur Verfügung zu stellen, in dem die durch Filterelemente verursachte Verlustleistung verringert und somit der Wirkungsgrad des Brennstoffzellensystems gesteigert ist.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Aufteilung des Filters in einen vor dem Verdichter angeordneten Vorfilter und einen nach dem Verdichter angeordneten Feinfilter. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung umfasst der Begriff Verdichter sowohl Strömungsmaschinen als auch Verdrängermaschinen.
Gegenstand der Erfindung ist ein Brennstoffzellensystem, insbesondere für ein Kraftfahrzeug zur Bereitstellung elektrischer Energie zum Antrieb des Kraftfahrzeugs, welches einen Brennstoffzellenstapel und ein kathodenseitiges Luftversorgungssystem zum Versorgen des Brennstoffzellenstapels mit Umgebungsluft umfasst, wobei das Luftversorgungssystem einen Verdichter umfasst und stromaufwärts und stromabwärts des Verdichters jeweils ein Luftfilter angeordnet ist.
Dem Brennstoffzellenstapel wird über ein Luftversorgungssystem Luft zugeführt. Hierfür umfasst das Luftversorgungssystem eine Luftfördereinrichtung, nämlich einen Verdichter oder Kompressor, über welche Luft aus der Umgebung des Fahrzeugs über einen stromaufwärts angeordneten Luftfilter angesaugt wird.
In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems ist der Verdichter Teil eines elektrischen Turboladers (ETL), der auch eine Turbine und eine elektrische Maschine umfasst. Elektrische Turbolader sind dem Fachmann im Prinzip bekannt.
In einer Ausführungsform umfasst das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem einen stromabwärts des Verdichters angeordneten Ladeluftkühler (LLK). Der Ladeluftkühler führt Wärme aus dem durch den Kompressionsvorgang im Verdichter aufgeheizten Luftstrom ab. In einer Ausführungsform ist der Ladeluftkühler zwischen dem Verdichter und einem stromabwärts des Verdichters angeordneten Luftfilter angeordnet.
In einer Ausführungsform umfasst das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem einen Luftbefeuchter. Der Luftstrom passiert den Luftbefeuchter sowohl vor dem Eintritt in den Kathodenraum des Brennstoffzellenstapels als auch nach dem Austritt aus dem Kathodenraum. Der Luftbefeuchter regelt den Feuchtigkeitsgehalt des Luftstroms. Er befeuchtet die dem Kathodenraum des Brennstoffzellenstapels zugeführte Luft und senkt den Feuchtigkeitsgehalt der Abluft aus dem Kathodenraum des Brennstoffzellenstapels. In einer Ausführungsform ist stromabwärts des Luftbefeuchters ein Kondensatabscheider angeordnet, um flüssiges Wasser aus dem Abgasstrom abzuscheiden. Anschließend kann der Abgasstrom in einer Turbine, z.B. der Turbine eines ETL, entspannt werden, um verbleibende thermische Energie und Druckenergie zumindest teilweise aus der Abluft zurückzugewinnen. Die Turbine wird zum Antrieb des Verdichters mitgenutzt. Da die im Bereich der Turbine anfallende Leistung zum Antrieb des Verdichters typischerweise nicht ausreicht, ist außerdem eine elektrische Maschine vorgesehen, welche die Leistungsdifferenz ausgleicht. Bei einem Leistungsüberschuss im Bereich der Turbine kann die elektrische Maschine auch generatorisch betrieben werden, um zusätzlich elektrische Leistung für das Fahrzeug bzw. sein Bordnetz bereitzustellen.
In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems weist der stromaufwärts des Verdichters angeordnete Luftfilter (Vorfilter) einen geringeren Druckverlust auf als der stromabwärts des Verdichters angeordnete Luftfilter (Feinfilter). Der Vorfilter weist nur einen geringen Druckverlust auf, z.B. 10 mbar. Er ist beispielsweise als Partikelfilter ausgelegt, um grobe Partikel zurückzuhalten. Der Feinfilter muss dagegen auch feine Partikel wie Staub, Ruß, Pollen etc. zurückhalten und zudem Schadstoffe aus dem Luftstrom adsorbieren können. Er weist daher einen höheren Druckverlust auf, z.B. 100 mbar.
In einer Ausführungsform beträgt der Druckverlust über den Vorfilter maximal ein Drittel, beispielsweise maximal ein Fünftel, insbesondere maximal ein Zehntel, oder sogar maximal ein Zwanzigstel des Druckverlusts über den Feinfilter. In einer weiteren Ausführungsform beträgt der Anteil des Vorfilters an der Summe des Druckverlusts über Vor- und Feinfilter maximal 20%, z.B. maximal 10% oder sogar maximal 5%.
Durch die erfindungsgemäße Kombination eines Vorfilters mit geringem Druckverlust vor dem Verdichter und eines Feinfilters mit hohem Druckverlust nach dem Verdichter verringert sich gegenüber einer Anordnung mit dem Feinfilter vor dem Verdichter das erforderliche Verdichtungsverhältnis.
Dies bringt eine Reihe von Vorteilen mit sich: die Anforderungen an das Verdichterkennfeld sind geringer, die elektrische Leistung des Verdichters kann reduziert werden, die abzuführende Wärme sowohl im LLK als auch am ETL ist reduziert und der Wirkungsgrad des Brennstoffzellensystems wird verbessert.
Gegenstand der Erfindung ist auch ein Verfahren zum Betreiben des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems. In dem Verfahren wird Umgebungsluft durch einen stromaufwärts eines Verdichters angeordneten Luftfilter angesaugt. Der Luftfilter (Vorfilter) hält Grobpartikel aus dem Luftstrom zurück. Die angesaugte Luft wird in dem Verdichter, der in einer Ausführungsform der Verdichter eines elektrischen Turboladers (ETL) ist, komprimiert. Dadurch wird der für den Betrieb des Brennstoffzellenstapels erforderliche Betriebsdruck aufgebaut. Nach Verlassen des Verdichters wird der Luftstrom durch einen stromabwärts des Verdichters angeordneten Luftfilter (Feinfilter) geleitet, der feinteilige Partikel und Schadstoffe zurückhält. Der gereinigte Luftstrom wird anschließend dem Anodenraum eines Brennstoffzellenstapels zugeführt. In einer Ausführungsform des Verfahrens ist der Druckverlust des Luftstroms über den stromaufwärts des Verdichters angeordneten Luftfilter (Vorfilter) geringer als der Druckverlust des Luftstroms über den stromabwärts des Verdichters angeordneten Luftfilter (Feinfilter). Dadurch verringert sich das für die Kompression erforderliche Verdichtungsverhältnis.
In einer Ausführungsform beträgt der Druckverlust über den Vorfilter maximal ein Drittel, beispielsweise maximal ein Fünftel, insbesondere maximal ein Zehntel, oder sogar maximal ein Zwanzigstel des Druckverlusts über den Feinfilter. In einer weiteren Ausführungsform beträgt der Anteil des Vorfilters an der Summe des Druckverlusts über Vor- und Feinfilter maximal 20%, z.B. maximal 10% oder sogar maximal 5%.
In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der komprimierte Luftstrom durch einen stromabwärts des Verdichters angeordneten Ladeluftkühler geleitet, um den durch den Kompressionsvorgang im Verdichter aufgeheizten Luftstrom abzukühlen.
In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der gereinigte Luftstrom vor der Einleitung in den Kathodenraum des Brennstoffzellenstapels durch einen Luftbefeuchter geführt. In einer weiteren Ausführungsform wird der den Kathodenraum verlassende Abluftstrom ebenfalls durch den Luftbefeuchter geführt.
In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Abgasstrom in einer Turbine, z.B. der Turbine eines ETL, entspannt, um verbleibende thermische Energie und Druckenergie aus der Abluft zurückzugewinnen.
Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Die Erfindung ist anhand von Ausführungsformen in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen weiter beschrieben. Es zeigt:

1 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems des Standes der Technik;
2 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems.

1 zeigt ein Brennstoffzellensystem 10 des Standes der Technik. Einem Brennstoffzellenstapel 11 wird über ein Luftversorgungssystem 12 Luft zugeführt. Hierfür umfasst das Luftversorgungssystem 12 einen elektrischen Turbolader 15, welcher Luft aus der Umgebung über einen Luftfilter 16 ansaugt und über einen Ladeluftkühler 18 und einen Luftbefeuchter 19 einem Kathodenraum des Brennstoffzellenstapels 11 zuführt. Die an Sauerstoff abgereicherte Abluft wird ebenfalls über den Luftbefeuchter 19 geleitet und gibt die in dem Brennstoffzellenstapel 11 aufgenommene Feuchte an den trockenen Zuluftstrom ab. Der Abgasstrom wird in der Turbine des Turboladers 15 entspannt, um verbleibende thermische Energie und Druckenergie zumindest teilweise aus der Abluft zurückzugewinnen. Dann wird der Abluftstrom aus dem Brennstoffzellensystem 10 ausgeleitet. Die Strömungsrichtung der geförderten Luft ist in der Abbildung über Pfeile angedeutet.
2 zeigt eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems 20. Einem Brennstoffzellenstapel 21 wird über ein Luftversorgungssystem 22 Luft zugeführt. Hierfür umfasst das Luftversorgungssystem 22 einen elektrischen Turbolader (ETL) 25 mit einen Verdichter 23 und einer Turbine 24. Der ETL saugt Luft aus der Umgebung über einen Luftfilter 26 an und verdichtet im Verdichter 23 den Luftstrom auf den für den Betrieb des Brennstoffzellenstapels 21 erforderlichen Druck. Der verdichtete Luftstrom wird über einen Ladeluftkühler 28 abgekühlt und durchströmt einen zweiten Luftfilter 27. Der gereinigte Luftstrom wird über einen Luftbefeuchter 29 einem Kathodenraum des Brennstoffzellenstapels 21 zuführt. Die an Sauerstoff abgereicherte Abluft wird ebenfalls über den Luftbefeuchter 29 geleitet und gibt darin die in dem Brennstoffzellenstapel 21 aufgenommene Feuchte an den trockenen Zuluftstrom ab. Der Abgasstrom wird in der Turbine 24 des Turboladers 25 entspannt, um verbleibende thermische Energie und Druckenergie zumindest teilweise aus der Abluft zurückzugewinnen. Dann wird der Abluftstrom aus dem Brennstoffzellensystem 20 ausgeleitet. Die Strömungsrichtung der geförderten Luft ist in der Abbildung über Pfeile angedeutet.
Beim Abstellen oder zur Vorbereitung auf einen späteren Wiederstart kann die Luft außerdem auch der Anodenseite des Brennstoffzellenstapels 21 über geeignete Ventile, welche hier nicht dargestellt sind, zugeführt werden, um das Brennstoffzellensystem 20 mit Luft zu durchspülen.
Die Vorteile des in 2 dargestellten erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems 20 gegenüber dem in 1 gezeigten Brennstoffzellensystem 10 des Standes der Technik sollen anhand einer Beispielrechnung verdeutlicht werden.
Der Druck der Umgebungsluft betrage jeweils 1.000 mbar, der Druck nach dem Verdichter 13 bzw. 23 sei 3.000 mbar. Der Druckverlust über den Vorfilter 26 betrage 10 mbar, der Druckverlust über den Feinfilter 16 bzw. 27 100 mbar.
Es ergibt sich dann für das Brennstoffzellensystem 10 ein Verdichtungsverhältnis für den ETL 15 von $\begin{matrix} PI = Luftdruck nach Verdichter 13/Luftdruck vor Verdichter 13 \\ = 3.000 mbar/ (1.000 mbar - 100 mbar) \\ = 3,33 \end{matrix}$
Für das Brennstoffzellensystem 20 ergibt sich ein Verdichtungsverhältnis für den ETL 25 von $\begin{matrix} PI = Luftdruck nach Verdichter 23/Luftdruck vor Verdichter 23 \\ = (3.000 mbar + 100 mbar) / (1.000 mbar - 100 mbar) \\ = 3,13 \end{matrix}$
Es zeigt sich, dass trotz eines insgesamt höheren Druckverlusts durch zwei Filter im System (Druckverlust Vorfilter 26: 10 mbar + Druckverlust Feinfilter 27: 100 mbar) das benötigte Verdichtungsverhältnis für den ETL 25 des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems 20 kleiner ist als für den ETL 15 des Brennstoffzellensystems 10 des Standes der Technik.
Dies führt dazu, dass die Anforderungen an das Verdichterkennfeld geringer sind, die elektrische Leistung des Verdichters reduziert werden kann, die abzuführende Wärme sowohl im LLK als auch am ETL reduziert wird und der Wirkungsgrad des Brennstoffzellensystems verbessert wird.
Bezugszeichenliste

10: Brennstoffzellensystem
11: Brennstoffzellenstapel
12: Luftversorgungssystem
13: Verdichter
14: Turbine
15: elektrischer Turbolader (ETL)
16: Luftfilter
18: Ladeluftkühler (LLK)
19: Befeuchter
20: Brennstoffzellensystem
21: Brennstoffzellenstapel
22: Luftversorgungssystem
23: Verdichter
24: Turbine
25: elektrischer Turbolader (ETL)
26: Vorfilter
27: Feinfilter
28: Ladeluftkühler (LLK)
29: Befeuchter

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 102012004767 A1 [0005]
DE 102014221242 A1 [0006]
DE 102011114720 A1 [0007]

Claims

Brennstoffzellensystem (20), insbesondere für ein Kraftfahrzeug zur Bereitstellung elektrischer Energie zum Antrieb des Kraftfahrzeugs, welches einen Brennstoffzellenstapel (21) und ein kathodenseitiges Luftversorgungssystem (22) zum Versorgen des Brennstoffzellenstapels (21) mit Umgebungsluft umfasst, wobei das Luftversorgungssystem (22) einen Verdichter (23) umfasst und stromaufwärts und stromabwärts des Verdichters (23) jeweils ein Luftfilter (26,27) angeordnet ist.
Brennstoffzellensystem (20) nach Anspruch 1, worin der Verdichter (23) Teil eines elektrischen Turboladers (25) ist.
Brennstoffzellensystem (20) nach Anspruch 1 oder 2, welches einen stromabwärts des Verdichters (23) angeordneten Ladeluftkühler (28) umfasst.
Brennstoffzellensystem (20) nach Anspruch 3, worin der Ladeluftkühler (28) zwischen dem Verdichter (23) und einem stromabwärts des Verdichters (23) angeordneten Luftfilter (27) angeordnet ist.
Brennstoffzellensystem (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, welches einen Luftbefeuchter (29) umfasst.
Brennstoffzellensystem (20) nach einem der voranstehenden Ansprüche, worin der stromaufwärts des Verdichters (23) angeordnete Luftfilter (26) einen geringeren Druckverlust aufweist als der stromabwärts des Verdichters (23) angeordnete Luftfilter (27).
Brennstoffzellensystem (20) nach einem der voranstehenden Ansprüche, worin der Druckverlust des stromaufwärts des Verdichters (23) angeordneten Luftfilters (26) maximal ein Zehntel des Druckverlusts des stromabwärts des Verdichters (23) angeordnete Luftfilters (27) beträgt.
Brennstoffzellensystem (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, worin der Druckverlust des stromaufwärts des Verdichters (23) angeordneten Luftfilters (26) maximal 10% der Summe des Druckverlusts der Luftfilter (26, 27) beträgt.
Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems (20), bei dem Umgebungsluft durch einen stromaufwärts eines Verdichters (23) angeordneten Luftfilter (26) angesaugt, in dem Verdichter (23) komprimiert, durch einen stromabwärts des Verdichters (23) angeordneten Luftfilter (27) geleitet, und anschließend dem Anodenraum eines Brennstoffzellenstapels (21) zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 9, bei dem der Druckverlust des Luftstroms über den stromaufwärts des Verdichters (23) angeordneten Luftfilter (26) geringer ist als der Druckverlust des Luftstroms über den stromabwärts des Verdichters (23) angeordneten Luftfilter (27).