DE102018006748A1

DE102018006748A1 - Anodenkreislauf

Info

Publication number: DE102018006748A1
Application number: DE102018006748.4A
Authority: DE
Inventors: Matthias Jesse; Christian Schick; Joachim Karnahl; Peter WISSHAK; Uwe Pasera; Thomas Winkeler
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Cellcentric GmbH and Co KG
Priority date: 2018-08-24
Filing date: 2018-08-24
Publication date: 2020-02-27

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Anodenkreislauf (14) für eine Brennstoffzelle (2) mit einem Wasserabscheider (12) und einer Gasstrahlpumpe (10) als wenigstens eine Rezirkulationsfördereinrichtung, welche in den Wasserabscheider (12) integriert ausgeführt ist. Der erfindungsgemäße Anodenkreislauf ist dadurch gekennzeichnet, dass eine Düse (17) und ein Ansaugbereich (19) in dem Volumen (15) des Wasserabscheiders (12) zentral positioniert sind.

Description

Die Erfindung betrifft einen Anodenkreislauf für eine Brennstoffzelle nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.
Aus dem allgemeinen Stand der Technik sind Brennstoffzellensysteme mit Anodenkreislauf bekannt. Dabei ist in dem Brennstoffzellensystem wenigstens eine Brennstoffzelle vorhanden. Diese weist eine Kathodenseite und eine Anodenseite auf. Über den sogenannten Anodenkreislauf wird Abgas der Anodenseite zum Eingang der Anodenseite zurückgeführt und der Anode mit frischem Brennstoff vermischt erneut zugeführt. Hierdurch wird eine sehr gute Ausnutzung des eingesetzten Brennstoffs bei gleichzeitiger hoher Durchströmung der Anode erreicht. Hierdurch wird die Gefahr, dass Kanäle im Anodenbereich beispielsweise durch entstehendes Produktwasser verstopfen oder eine aktive Fläche der Brennstoffzelle ungenutzt bleibt, weitgehend verhindert.
Allgemein bekannt und üblich ist es dabei, in dem Anodenkreislauf einen Wasserabscheider zum Abscheiden von in dem Abgas mitgeführtem flüssigem Produktwasser und eine Rezirkulationsfördereinrichtung zum Ausgleich der Druckverluste vorzusehen. Die Rezirkulationsfördereinrichtung kann beispielsweise als Gasstrahlpumpe ausgebildet sein, welche auch als Saugstrahlpumpe oder Ejektor bezeichnet wird. Sie fördert den angesaugten Abgasstrom durch Unterdruckeffekte und/oder Impulsaustausch mit einem in ein Venturirohr eingedüsten Treibgasstrom, welcher typischerweise durch den frisch zugeführten Brennstoff, beispielsweise Wasserstoff, gebildet wird.
Nachteilig bei derartigen Aufbauten ist es nun, dass zur Optimierung des Wassermanagements die Saugstrahlpumpe typischerweise fallend angebracht wird und über eine fallende Leitung der Wasserabscheider in dem Anodenkreislauf eingebunden ist. Hierdurch entsteht ein erheblicher Bauraumbedarf, welcher insbesondere eine sehr große Bauhöhe des Anodenkreislaufs erforderlich macht. Die DE 10 2010 009 004 A1 versucht dieser Problematik entgegenzuwirken, indem sie eine Gasstrahlpumpe in Strömungsrichtung vor einem Wasserabscheider anordnet, und zwar so, dass das Venturirohr der Gasstrahlpumpe im bestimmungsgemäßen Einsatz schräg nach unten führt und in das Volumen des Wasserabscheiders mündet. Der Aufbau lässt sich hierdurch ein wenig kompakter als im allgemeinen Stand der Technik ausführen. Er ist jedoch weiterhin mit einer vergleichsweise großen Bauhöhe belastet. Außerdem entsteht der zusätzliche Nachteil, dass in dem Volumen des Wasserabscheiders typischerweise vorhandene Einbauten, um die Strömung zu beruhigen und flüssiges Wasser abzuscheiden, in Strömungsrichtung vor der Gasstrahlpumpe angeordnet sind. Dies stellt einen erheblichen Nachteil hinsichtlich der hierdurch erzeugten Strömungsdruckverluste dar, da die Gasstrahlpumpe diese Druckverluste zusätzlich ausgleichen muss und diese entsprechend hoch ausfallen, da die Einbauten sowohl vom Abgasstrom als auch von dem zu diesem Zeitpunkt bereits mit dem Abgasstrom vermischten frischen Gasstrom angeströmt werden. Sie sorgen also in beiden Gasströmen für einen hierdurch entsprechend höheren Druckverlust.
Ein ähnlicher Aufbau mit im Bezug auf die Schwerkraft parallel, also im bestimmungsgemäßen Gebrauch vertikal angeordneter Gasstrahlpumpe, ist aus der DE 10 2011 009 988 A1 bekannt.
Den nächstliegenden Stand und die bisher ideale Integration einer Gasstrahlpumpe in einen Wasserabscheider beschreibt die DE 10 2013 014 978 A1 . Der dortige Aufbau positioniert den möglichst offenen Ansaugbereich und die Düse innerhalb des Wasserabscheiders, während das Venturirohr zum Teil aus dem Wasserabscheider herausragt und Teil der weiterführenden Dosierleitung zu der Brennstoffzelle ist. Auch hier kann vorzugsweise ein schräger Aufbau gewählt werden, bei dem das Venturirohr nach oben gerichtet ist, um potenziell auskondensierende Feuchtigkeit durch die Schwerkraft nach unten in den Wasserabscheider zurückzuleiten. Ansonsten setzt der Aufbau auf eine möglichst vollständige Integration, um Anschlusselemente und Bauraum einzusparen. Es bleibt jedoch die prinzipielle Gefahr, dass Feuchtigkeit relativ leicht in dem Venturirohr und damit auch in der im Bereich der Ansaugöffnung positionierten Düse kondensieren kann. Im Falle einer späteren Abkühlung des Gesamtsystems auf Temperaturen unter den Gefrierpunkt könnte dieses Kondensat einfrieren und die Funktion der Gasstrahlpumpe bei der Wiederinbetriebnahme des Systems entsprechend beeinträchtigen bzw. die Wiederinbetriebnahme verzögern, was insbesondere bei Fahrzeuganwendungen ein gravierender Nachteil ist.
Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, einen Anodenkreislauf anzugeben, welcher diese Nachteile vermeidet.
Die erfindungsgemäße Lösung sieht es vor, dass eine Düse und ein Ansaugbereich in dem Volumen des Wasserabscheiders zentral positioniert sind. Anders als im Stand der Technik, bei dem die Gasstrahlpumpe überwiegend im Außenbereich oder im Seitenbereich des Wasserabscheiders gezeigt ist, soll diese nun zentral in dem Volumen des Wasserabscheiders positioniert sein. Dies kann sich dabei auf das Gesamtvolumen des Bauteils beziehen, sodass zentral im volumenmäßigen Schwerpunkt bedeutet. Es kann sich jedoch insbesondere auf das primäre Volumen des Wasserabscheiders, also ohne Abzweigungen, Ableitbereiche oder dergleichen beziehen, sodass die Anordnung zentral in eben diesem primären Volumen ist. Dies hat den entscheidenden Vorteil, dass je weiter im Inneren des Volumens man sich befindet, die Temperatur entsprechend höher ist und später abkühlt. Damit bleibt der Bereich der Düse und der Ansaugbereich, welche hinsichtlich der durchströmbaren Querschnitte hinsichtlich eines Blockierens mit Wasser und Eis besonders kritisch sind, in einem Bereich, in dem der Aufbau sehr lange warm ist. Eventueller Wasserdampf wird damit nicht in diesem Bereich sondern in benachbarten Bereichen, beispielsweise im Bereich der Wandungen des Wasserabscheiders, kondensieren, sodass die zentrale Anordnung der Düse und des Ansaugbereichs einen entscheidenden Vorteil hinsichtlich der Minimierung der Gefahr des Einfrierens mit sich bringt.
In einer sehr günstigen Weiterbildung der Idee kann es außerdem vorgesehen sein, dass der Ansaugbereich als offener Ringspalt realisiert ist. Ein solcher offener Ringspalt, bei dem von allen Seiten das in dem Wasserabscheider bzw. seinem Volumen gesammelte Gas angesaugt und rezirkuliert werden kann, ermöglicht eine sehr gute Funktionalität und einen guten Wirkungsgrad der Gasstrahlpumpe. Der Aufbau wird möglich, indem die Düse in der einen Seitenwand und das Venturirohr in der anderen Seitenwand positioniert ist, sodass diese im Ansaugbereich in der exakt gewünschten Position angeordnet werden können, ohne dass im Ansaugbereich selbst eine Verbindung zwischen der Düse und dem Venturirohr notwendig ist, welche ja immer die Strömung des angesaugten Gases in irgendeiner Weise beeinflussen würde.
Eine weitere sehr günstige Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Anodenkreislaufs sieht es nun außerdem vor, dass die Gasstrahlpumpe im bestimmungsgemäßen Einsatz senkrecht zur Richtung der Schwerkraft in dem Wasserabscheider angeordnet ist. Die Gasstrahlpumpe ist also nicht geneigt angeordnet wie im gattungsgemäßen Stand der Technik, sondern horizontal. Durch die Ausgestaltung des sich erweiternden Querschnitts des Venturirohrs reicht dies aus, um sich im Venturirohr sammelnde Flüssigkeit in den Wasserabscheider zurückzuleiten. Gleichzeitig wird verhindert, dass sich sammelnde Flüssigkeit mit relativ hoher Geschwindigkeit, wie im gattungsgemäßen Stand der Technik, aufgrund der Neigung bewegt. Hierdurch wird verhindert, dass Spritzer von Flüssigkeit in den Bereich der Düse gelangen, welche in diesem Fall, sofern ihr Betrieb beispielsweise schon eingestellt ist, durch das Wasser benetzt werden könnte und, falls die Temperaturen bis unterhalb des Gefrierpunkts fallen, dementsprechend einfrieren würde.
In einer sehr günstigen Weiterbildung dieser Idee kann es dabei vorgesehen sein, dass die Gasstrahlpumpe in dem Wasserabscheider zumindest teilweise von einer Einrichtung zur Vermeidung einer gerichteten Anströmung des Ansaugbereichs umgeben ist. Als solche kann gemäß einer sehr günstigen Ausführungsform der Idee z.B. ein gelochtes Tauchrohr dienen, welches die Gasstrahlpumpe umgibt. Ein solche Einrichtung schützt die Gasstrahlpumpe in dem Wasserabscheider vor Beeinträchtigungen durch sich eventuell lösende Teile und insbesondere vor eventuellem Spritzwasser, welches sich im unteren Bereich des Volumens des Wasserabscheiders sammeln kann. Außerdem wird durch eine solche Einrichtung vor allem eine sehr homogene Anströmung des Ansaugbereichs erreicht. Beispielsweis die umlaufend angeordneten Löcher des gelochten Tauchrohrs als bevorzugt Variante der Einrichtung verhindern nämlich eine (ziel-)gerichtete Anströmung des Ansaugbereichs in den Wasserabscheider und damit letztlich das Ansaugen von Wassertropfen. Bei einer Fahrzeuganwendung, bei der Schräglagen, starke Beschleunigungsvorgänge und dergleichen nie gänzlich zu vermeiden sind, ist dies ein entscheidender Vorteil, um die Benetzung des Ansaugbereichs und der Düse mit flüssigem Wasser, welches bei solchen Fahrmanövern bis zur Gasstrahlpumpe hochspritzen könnte, zu vermeiden.
Eine weitere alternative oder insbesondere ergänzende Ausgestaltung sieht ferner ein Lochblech oder Filtersieb in dem Wasserabscheider zwischen einem Teilvolumen desselben zum Sammeln des Wasser für das Ablassen und der Gasstrahlpumpe vor. Auch hierdurch kann die Gefahr einer Benetzung der Gasstrahlpumpe verringert oder ganz ausgeschlossen werden.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Anodenkreislaufs ergeben sich auch aus dem Ausführungsbeispiel, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben und erläutert wird.
Dabei zeigen:

1 eine Prinzipdarstellung eines Brennstoffzellensystems mit einem Anodenkreislauf; und
2 der Anodenkreislauf in einer möglichen Ausführungsform gemäß der Erfindung.

In der Darstellung der 1 ist ein angedeutetes Fahrzeug 1 gezeigt, welches über ein darin befindliches Brennstoffzellensystem 2 mit elektrischer Antriebsleistung versorgt werden soll. Insbesondere bei Fahrzeugen 1 ist dabei ein kompakter Aufbau des Brennstoffzellensystems 2 entscheidend. Den Kern des Brennstoffzellensystems 2 bildet eine Brennstoffzelle 3, welche einen Kathodenbereich 4 und einen Anodenbereich 5 umfasst. Der Kathodenbereich 4 wird in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel über eine Luftfördereinrichtung 6 mit Luft als Sauerstofflieferant versorgt. Auf eine detaillierte Ausgestaltung der Kathodenseite ist in der Darstellung der 1 verzichtet worden. Dies ist für die hier vorliegende Erfindung von untergeordneter Bedeutung. Die Kathodenseite ist dem Fachmann jedoch geläufig und er kann sie in verschiedenen Arten ausgestalten, beispielsweise mit Ladeluftkühlern, Befeuchtern, Abluftturbinen oder dergleichen.
Dem Anodenraum 5 wird Wasserstoff als Brennstoff aus einem Druckgasspeicher 7 zugeführt. Über eine an sich bekannte und daher nicht näher dargestellte Druckreduziereinrichtung 8 wird der Wasserstoff über ein Dosierventil 9 und eine Gasstrahlpumpe 10 zu dem Anodenbereich 5 gefördert. Abgas verlässt den Anodenbereich 5 über eine Rezirkulationsleitung 11, über welches es zu der Gasstrahlpumpe 10 zurückgeführt ist. Das Abgas wird von der Gasstrahlpumpe 10 angesaugt und gelangt vermischt mit dem frischen Wasserstoff wieder in den Anodenbereich 5. In der Rezirkulationsleitung 11 ist außerdem ein Wasserabscheider 12 angeordnet, in welchem flüssiges Wasser, welches von dem Abgas des Anodenbereichs 5 mitgeführt wird, abgeschieden wird. In dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel ist im Bereich des Wasserabscheiders 12 außerdem eine Ventileinrichtung 13 zum Ablassen des Wassers beispielsweise in Abhängigkeit des Wasserstands vorgesehen.
Die Darstellung in 2 greift nun die für das hier beschriebene Brennstoffzellensystem 2 wesentlichen Merkmale des Anodenkreislaufs 14 auf. Dabei handelt es sich um den Wasserabscheider 12, dessen Volumen in der prinzipmäßigen Schnittdarstellung zu erkennen ist. Dieses mit dem Bezugszeichen 15 bezeichnete Volumen dient dazu, Wasser, welches mit dem Abgas vom Anodenbereich 5 kommt, abzuscheiden. In dem Volumen 15 des Wasserabscheiders 12 können dafür an sich bekannte Einbauten vorgesehen sein. Dabei kann es sich beispielsweise um einen Füllstandssensor und/oder eine Ventileinrichtung bzw. ein Schwimmerventil handeln, welches beispielsweise in einem Teilvolumen 16, welches dem Ablassen des Wassers aus dem Wasserabscheider 12 dient, angeordnet sein können. Weitere Einbauten sind ebenfalls denkbar, hier jedoch nicht dargestellt. In der Darstellung der 2 ist nun außerdem zu erkennen, dass in dem Volumen des Wasserabscheiders 12 Teile der Gasstrahlpumpe 10 angeordnet sind. Der Aufbau ist dabei so gewählt, dass eine Düse 17 als Treibstrahldüse, welche mit Wasserstoff nach dem Dosierventil 9 versorgt wird, ebenso wie ein Teil eines Venturirohrs 18 der Gasstrahlpumpe 10 innerhalb des Volumens 15 des Wasserabscheiders 12 angeordnet sind. Der innerhalb des Volumens 15 des Wasserabscheiders 12 angeordnete Bereich des Venturirohrs 18 wird auch als Ansaugbereich bezeichnet und ist mit dem Bezugszeichen 19 versehen. Dieser Ansaugbereich steht unmittelbar mit dem aus der Düse 17 austretenden Wasserstoffstrom in Verbindung. Er ist außerdem direkt mit dem Volumen 15 des Wasserabscheiders 12 verbunden. Durch Unterdruckeffekte und Impulsaustausch kommt es nun zu einem Ansaugen des in dem Volumen 15 des Wasserabscheiders 12 befindlichen Gases durch den Wasserstoffstrom nach der Düse 17, wobei dieser Effekt durch das Venturirohr 18 verstärkt wird. Gemeinsam gelangen die sich innerhalb des Venturirohrs 18 weitgehend vermischenden Gase dann zu dem Anodenbereich 5.
Der Ansaugbereich 19 kann als offener Ringspalt realisiert sein, in dem die Düse 17 in der einen Wand des Wasserabscheiders 12 und das Venturirohr 18 in der anderen Wand angeordnet wird. Ohne eine direkte Verbindung zwischen diesen beiden Bauteilen benötigen zu müssen, kann so die exakte Position der Bauteile zueinander gewährleistet werden. Entscheidend ist es nun jedoch, dass die Düse 17 und der Ansaugbereich 18, also der Bereich, in dem die Spitze der Düse 17 im definierten Abstand zu dem Venturirohr 18 positioniert ist, zentral in dem Volumen 15 des Wasserabscheiders 12 angeordnet ist. In der Darstellung der 2 ist dies durch vier jeweils mit x bezeichnete Pfeile angedeutet, welche jeweils, im Rahmen üblicher Fertigungs- und Einbautoleranzen gleich lang sein sollen, sodass der Ansaugbereich 19 und die Spitze der Düse 17 in etwa mittig in dem Volumen 15 positioniert sind. Damit befindet sich dieser hinsichtlich der Benetzung und des Einfrierens mit Wasser kritische Bereich zentral in dem Bauteil des Wasserabscheiders 12 und kühlt so im Vergleich zu beispielsweise den Wandungen des Wasserabscheiders 12 am langsamsten ab. Hierdurch wird die Gefahr eines Einfrierens minimiert, da durch die langsamere Abkühlung im Zentrum des Volumens 15 eine Auskondensation von verbleibender Feuchtigkeit im Bereich der Wandungen des Wasserabscheiders 12 gegenüber dem zentralen Bereich, welcher ja noch dementsprechend wärmer ist, favorisiert ist.
Die Gasstrahlpumpe 10 innerhalb des Wasserabscheiders 12 ist ferner durch ein gelochtes Tauchrohr 20 vor mechanischen Einflüssen und Spritzwasser geschützt, ohne dass durch das Tauchrohr und seine Lochung die Gasansaugung am Saugbereich 19 nachteilig beeinflusst wird. Vielmehr geht von dem Tauchrohr 20 als Einrichtung zur Vermeidung einer gerichteten Anströmung des Ansaugbereichs 19 sogar ein sehr positiver Effekt aus. Es sorgt für eine sehr homogene Anströmung des Ansaugbereichs 19 mit Gas, da es durch seine Löcher die zielgerichtete Anströmung mit Wasserstoffen unterbindet.
Optional kann zwischen den Volumen 15 und dem Teilvolumen 16 des Wasserabscheiders 12 außerdem eine Lochblech oder Filtersieb 21 vorgesehen sein, um ein hochspritzen von bereits abgeschiedenem Wasser bis zu der Gasstrahlpumpe 10 bzw. dem Tauchrohr 20 zu vermeiden.
Der Aufbau bietet außerdem den entscheidenden Vorteil, dass beispielsweise in dem Bereich, in dem die Düse 17 im Bereich der Wandungen des Wasserabscheiders 12 angeordnet ist, die Wasserstoffzufuhr und insbesondere das Druckregel- und Dosierventil 9 mit angeordnet sein können, während das der Düse 17 abgewandte Ende des Venturirohrs 18 gleichzeitig den Anschlussflansch für die zu dem Anodenraum 5 führende Leitung ausbildet. Hierdurch wird die Anzahl an Schnittstellen innerhalb des Anodenkreislaufs 14 reduziert, was einerseits Vorteile hinsichtlich der Montage des Aufbaus, des benötigten Bauraums und des Gewichts mit sich bringt und andererseits hinsichtlich der Dichtheit, da insbesondere bei wasserstoffführenden Elementen jeder Verzicht auf eine abzudichtende Schnittstelle einen entscheidenden Vorteil hinsichtlich der Dichtheit des Gesamtsystems ermöglicht.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102010009004 A1 [0004]
DE 102011009988 A1 [0005]
DE 102013014978 A1 [0006]

Claims

Anodenkreislauf (14) für eine Brennstoffzelle (2) mit einem Wasserabscheider (12) und einer Gasstrahlpumpe (10) als wenigstens eine Rezirkulationsfördereinrichtung, welche in den Wasserabscheider (12) integriert ausgeführt ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Düse (17) und ein Ansaugbereich (19) in dem Volumen (15) des Wasserabscheiders (12) zentral positioniert sind.
Anodenkreislauf (14) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ansaugbereich (19) als offener Ringspalt realisiert ist.
Anodenkreislauf (14) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasstrahlpumpe (10) im bestimmungsgemäßen Einsatz senkrecht zur Richtung der Schwerkraft (g) in dem Wasserabscheider (12) angeordnet ist.
Anodenkreislauf (14) nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasstrahlpumpe (10) in dem Wasserabscheider (12) zumindest teilweise von einer Einrichtung zur Vermeidung einer gerichteten Anströmung des Ansaugbereichs (19) umgeben ist.
Anodenkreislauf (14) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur Vermeidung einer gerichteten Anströmung des Ansaugbereichs (19) als gelochtes Tauchrohr (20), welches die Gasstrahlpumpe (10) umgibt ausgebildet ist.
Anodenkreislauf (14) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Lochblech oder Filtersieb (21) in dem Wasserabscheider (12) zwischen einem Teilvolumen (16) desselben zum Sammeln von Wasser für das Ablassen und der Gasstrahlpumpe (10) vorgesehen ist.