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Die Erfindung betrifft einen Anodenkreislauf mit einer Gasstrahlpumpe und einem Gebläse nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art. Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zum Betreiben eines derartigen Anodenkreislaufs. Die Erfindung betrifft letztlich auch ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems mit einem derartigen Anodenkreislauf und seinem Betriebsverfahren.
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Den nächstliegenden Stand der Technik in der Sache beschreibt die
DE 102 51 878 A1 . Dort sind verschiedene Verschaltungen der Kombination zwischen einer Gasstrahlpumpe, welche auch als Jet Pump oder Ejektor bezeichnet werden kann, und einem Gebläse zur Rezirkulation von Wasserstoff in einem Anodenkreislauf beschrieben. Der für die hier vorliegende Erfindung nächstliegende Stand der Technik ist dabei in der
9 gezeigt. Dort wird eine Gasstrahlpumpe zusammen mit einem Gebläse, welches dieser in Reihe nachgeschaltet ist, im Anodenkreislauf eines Brennstoffzellensystems vorgesehen. Über ein aktiv schaltbares Ventil lässt sich das Gebläse in einer Bypassleitung umgehen. In der Praxis ist dies relativ aufwendig und bedarf exakter Schaltpunkte sowohl des Gebläses als auch der Ventileinrichtung in der Bypassleitung. Außerdem kann es in bestimmten Punkten zu einer Rückströmung in Richtung des Gebläses kommen. Ferner kann das Gebläse in diesem Aufbau von den über die Jet Pump geförderten Gasen mit angetrieben werden, sodass insbesondere auch dann ein Verschleiß in dem Gebläse auftritt, wenn dieses eigentlich gar nicht gebraucht wird und ungewollt mitläuft, insbesondere auch für den Fall, dass das Gebläse einen Freilauf aufweist. Der Lagerverschleiß in dem Gebläse ist in dieser Situation annähernd so hoch wie im regulären Betrieb, sodass zwar elektrische Energie zum Antreiben des Gebläses eingespart werden kann, seine Lebensdauer jedoch unverändert kurz sein wird, auch wenn das Gebläse häufig nicht betrieben werden sollte.
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Hinsichtlich der Verfahren findet sich der nächstliegende Stand der Technik in der
US 2009/0155102 A1 , bei welcher eine Anodenrezirkulation bei niedriger Last über das Gebläse und bei hoher Last über eine Kombination von Gasstrahlpumpe und Gebläse betrieben wird. Auch hier ist es so, dass die Gasstrahlpumpe quasi zur Unterstützung des Gebläses bei hoher Last fungiert. Das Gebläse läuft damit quasi ständig und ist einem entsprechend hohen Energiebedarf und Verschleiß unterworfen.
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Ein weiterer Aufbau mit Gebläse und Gasstrahlpumpe ist aus der
DE 10 2006 037 799 A1 bekannt. Hier ist der Aufbau so, dass das Gebläse im Wesentlichen für die hohe Last verwendet wird, während bei niedriger Last ausschließlich die Gasstrahlpumpe zum Einsatz kommt. Dies ist aufgrund der Leistungs-Performance einer Gasstrahlpumpe über der Last vergleichsweise ungewöhnlich und in der Praxis wenig geeignet, um ohne die Unterstützung des Gebläses die erforderliche Rezirkulationsrate zu realisieren.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht nun darin, den Aufbau aus dem nächstliegenden Stand der Technik weiter zu verbessern und einen Anodenkreislauf anzugeben, welcher mit minimalem Aufwand und minimalen Druckverlusten eine hohe Lebensdauer des Gebläses ermöglicht. Außerdem ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Betriebsverfahren für einen derartigen Anodenkreislauf ebenso wie ein Betriebsverfahren für ein Brennstoffzellensystem mit einem derartigen Anodenkreislauf anzugeben.
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Erfindungsgemäß werden diese Aufgaben durch einen Anodenkreislauf mit den Merkmalen im Anspruch 1, und hier insbesondere im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst. Ein Verfahren zum Betreiben eines derartigen Anodenkreislaufs ergibt sich aus dem Anspruch 4. Im Anspruch 5 ist ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems mit einem Anodenkreislauf und einem derartigen Verfahren beschrieben. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Anodenkreislaufs ergeben sich außerdem aus den vom Anspruch 1 abhängigen Unteransprüchen.
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Der erfindungsgemäße Anodenkreislauf erweitert den Aufbau, wie er aus dem gattungsgemäßen Stand der Technik bekannt ist, dadurch, dass er nun sowohl in der Bypassleitung um das Gebläse als auch in der Leitung mit dem Gebläse in dem parallel zur Bypassleitung verlaufenden Zweig eine Ventileinrichtung anordnet. Ausgehend von der Gasstrahlpumpe strömt das Gas also parallel durch die Leitung mit dem Gebläse und die Bypassleitung, je nach Druckverhältnissen und je nachdem, ob das Gebläse in Betrieb ist oder nicht. In beiden Leitungen befindet sich eine Ventileinrichtung, sodass die maximale Flexibilität gegeben ist. Ferner ist es mit dem erfindungsgemäßen Anodenkreislauf möglich, den Pfad des Gebläses gänzlich zu blockieren, um so eine Durchströmung des Gebläses und eine damit einhergehende Abnutzung von Elementen, wie insbesondere Lagern, in dem Gebläse zu vermeiden.
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Gemäß einer außerordentlich vorteilhaften Weiterbildung der Idee sind die beiden Ventileinrichtungen dabei in Form von passiven Rückschlagventilen ausgebildet. Sie verhindern eine Rückströmung des Gases in Richtung der Gasstrahlpumpe und des Gebläses. Solche passiven Rückschlagventile haben dabei den entscheidenden Vorteil, dass ihr Aufbau sehr einfach, effizient und Platz sparend realisiert werden kann. Sie müssen insbesondere nicht angesteuert werden, sodass auch auf Aktuatoren und Steuerleitungen verzichtet werden kann. Der Anodenkreislauf lässt sich damit kompakt, einfach und wartungsfrei realisieren. Da die Rückschlagventile nur eine prinzipielle Funktionalität aufweisen müssen, um die Rückströmung von Gasen in unerwünschter Art und Weise zu verhindern, können sie gemäß einer weiteren sehr vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Anodenkreislaufs als federlose Rückschlagventile ausgebildet sein. Solche federlosen Rückschlagventile erlauben es die Rückströmung von größeren Gasmengen entgegen der gedachten Durchströmungsrichtung einigermaßen zuverlässig zu verhindern. Sie sind häufig nicht so dicht wie federbelastete Rückschlagventile, was hier auch nicht notwendig ist. Typischerweise haben sie jedoch einen sehr viel geringeren Druckverlust in Durchströmungsrichtung als federbelastete Rückschlagventile, sodass die federlosen Rückschlagventile gemäß dieser sehr vorteilhaften Ausgestaltung des Anodenkreislaufs zur Energieeffizienz des Gesamtsystems entscheidend beitragen können.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben eines derartigen Anodenkreislaufs in einer der oben beschriebenen Ausgestaltungen sieht es nun vor, dass das Gebläse beim Start und bei Niederlast betrieben wird, wobei bei höheren Lasten nur die Gasstrahlpumpe alleine betrieben wird. Der Wechsel zwischen niedriger Last und höherer Last lässt sich dabei anhand der Rezirkulations-Performance des Gebläses und der Gasstrahlpumpe einschätzen. Trägt man über der Leistung des Brennstoffzellensystems die Rezirkulations-Performance des Gebläses auf, ist dies im Wesentlichen eine Gerade. Die Rezirkulations-Performance der Gasstrahlpumpe ist dahingegen nicht linear. Sie steigt zu Beginn langsam an, dann schneller und nähert sich bei hoher Leistung der Brennstoffzelle und entsprechend hoher Rezirkulationsrate bzw. -Performance dann wieder langsam einem Maximum an. Die Schwelle, zwischen welcher der Wechsel von Niederlast zu normaler oder höherer Last bei dem Verfahren erfolgen soll, liegt nun in dem Bereich, in dem die beiden Performance-Kurven über der Leistung sich schneiden.
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Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es damit möglich, die Anforderungen an die Rezirkulation des Brennstoffzellensystems durch den Betrieb des erfindungsgemäßen Anodenkreislaufs auch bei niedriger Last sicherzustellen. Gleichzeitig wird bei hoher Last ausschließlich die Gasstrahlpumpe eingesetzt, sodass das Gebläse in dieser Situation abgeschaltet und durch die spezielle Anordnung des Anodenkreislaufs aus dem Betrieb herausgenommen ist, und zwar ohne aktive Ansteuerung, außer dem Abschalten des Antriebsmotors des Gebläses. Das Gebläse lässt sich damit maximal schonen und erreicht eine sehr gute Lebensdauer, was die Gasstrahlpumpe prinzipbedingt ohnehin tut, da sie auf bewegliche Teile gänzlich verzichtet.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems mit einem solchen Anodenkreislauf und dem eben beschriebenen Verfahren sieht es nun vor, dass das Brennstoffzellensystem beim Start mit Betrieb des Gebläses im Anodenkreislauf hochgefahren wird, wobei das Brennstoffzellensystem danach bis zu einem Abstellen mit mittlerer und höherer Last ausschließlich mit der Gasstrahlpumpe betrieben wird. Das Brennstoffzellensystem wird also beim Hochfahren mit dem Gebläse betrieben. Diese betreibt die Rezirkulation bis zu dem eben angesprochenen sich aus der Performance der Gasstrahlpumpe und des Gebläses ergebenden Lastpunkt. Ab diesem Lastpunkt wird das Brennstoffzellensystem bzw. sein Anodenkreislauf ausschließlich mit der Gasstrahlpumpe betrieben, was dazu führt, dass über dem größten Teil des Betriebs des Brennstoffzellensystems quasi ausschließlich die Gasstrahlpumpe die Rezirkulation übernimmt. Das Gebläse, welches lediglich für das Starten des Brennstoffzellensystems notwendig ist, wird damit maximal geschont und kann entsprechend einfach und kostengünstig realisiert werden.
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Das Verfahren bedeutet dabei den Verzicht des Betriebs des Brennstoffzellensystems im Leerlauf und bei sehr niedrigen Lasten. Dies ist insbesondere dann sinnvoll, wenn das Brennstoffzellensystem Teil eines hybridisierten Leitungserzeugers mit Brennstoffzellensystem und elektrischer Energiespeichereinrichtung, wie beispielsweise Batterie ist, sodass das Brennstoffzellensystem immer dann, wenn es mit niedriger Leistungsanforderung betrieben werden müsste, abgeschaltet wird. Das Brennstoffzellensystem kann so immer mit entsprechend hoher Last, insbesondere im oder oberhalb eines Leistungspunkts mit optimalem Wirkungsgrad für das Brennstoffzellensystem betrieben werden. Wird mehr Last benötigt, kann diese aus der Batterie zugeschossen werden, wird weniger Last benötigt, kann das Brennstoffzellensystem dennoch im Betriebspunkt des optimalen Wirkungsgrads betrieben werden, um dann mit der anfallenden Überschussleistung die elektrische Energiespeichereinrichtung nachzuladen. Wird noch weniger Leistung benötigt, wird es abgeschaltet und die Batterie liefert die Leistung alleine.
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Das Verfahren eignet sich insbesondere, wenn das Brennstoffzellensystem zusammen mit der elektrischen Energiespeichereinrichtung in einem Fahrzeug eingesetzt wird. Das Brennstoffzellensystem dient dann in dem primär elektrisch angetriebenen Fahrzeug als sogenannter Range Extender, vergrößert also durch den gespeicherten Wasserstoff, welcher in dem Brennstoffzellensystem in an sich bekannter Art und Weise in elektrische Leistung umgesetzt wird, die Reichweite des Fahrzeugs, welche bei rein elektrischem Betrieb typischerweise eher gering ist.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Anodenkreislaufs und der erfindungsgemäßen Verfahren ergeben sich auch aus dem Ausführungsbeispiel, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben ist.
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Dabei zeigen:
- 1 ein prinzipmäßig angedeutetes Brennstoffzellensystem mit einem Anodenkreislauf gemäß der Erfindung; und
- 2 ein Diagramm der Rezirkulations-Performance R über der Brennstoffzellenleistung P.
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In der Darstellung der 1 ist ein mit 1 bezeichnetes Brennstoffzellensystem schematisch angedeutet. Den Kern des Brennstoffzellensystems 1 bildet dabei eine mit 2 bezeichnete Brennstoffzelle, ein sogenannter Brennstoffzellenstapel oder Brennstoffzellenstack, also ein Aufbau aus Einzelzellen. Dieser Brennstoffzellenstapel oder Brennstoffzellenstack 2 kann beispielsweise in PEM-Technologie als Niedertemperaturbrennstoffzelle realisiert sein. Er verfügt über einen mit 3 bezeichneten Kathodenbereich und einen mit 4 bezeichneten Anodenbereich. Dem Kathodenbereich 3 wird Luft als Sauerstofflieferant über eine Luftfördereinrichtung 5 zugeführt. Die nicht verbrauchte Abluft gelangt in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel über eine Abluftturbine 6 in die Umgebung. Die Abluftturbine 6 kann dabei Druck und Wärmeenergie aus der Abluft zurückgewinnen. Diese wird der Luftfördereinrichtung 5 zum Antrieb zur Verfügung gestellt. Dafür ist die Abluftturbine 6 zusammen mit der Luftfördereinrichtung 5 auf einer gemeinsamen Welle 7 angeordnet. Auf dieser gemeinsamen Welle 7 befindet sich außerdem eine mit 8 bezeichnete elektrische Maschine. Diese kann motorisch betrieben werden, um die weitere benötigte Leistung für die Luftfördereinrichtung 5 zur Verfügung zu stellen, wenn die in der Abluftturbine 6 anfallende Leistung, so wie es typischerweise der Fall sein wird, nicht ausreicht. Liegt die in der Abluftturbine 6 anfallende Leistung über der von der Luftfördereinrichtung 5 benötigten Leistung, dann kann die elektrische Maschine 8 auch generatorisch betrieben werden. Dieser ganze Aufbau ist soweit aus dem Stand der Technik bekannt und wird als elektrischer Turbolader 9 oder motorunterstützter Turbolader 9 bezeichnet.
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Dem Anodenbereich 4 der Brennstoffzelle 2 wird Wasserstoff aus einem mit 10 bezeichneten Druckgasspeicher zur Verfügung gestellt. Über ein Druckregel- und Dosierventil 11 strömt dieser Wasserstoff in den Anodenbereich 4 und wird dort zumindest teilweise umgesetzt. Nachdem er den Anodenbereich 4 passiert hat, wird er in einem sogenannten Anodenkreislauf 12, welcher dem Fachmann prinzipiell bekannt ist, zu dem Anodenbereich 4 zurückgeführt. Hierfür dient eine Rezirkulationsleitung 21, welche mit einer Rezirkulationsfördereinrichtung versehen ist. In dem hier dargestellten Anodenkreislauf 12 ist es nun so, dass die Rezirkulationsfördereinrichtung im Wesentlichen aus zwei Elementen gebildet wird. Dies ist zum einen eine mit 13 bezeichnete Gasstrahlpumpe, welche auch als Jet Pump oder Ejektor bezeichnet werden könnte. Über Unterdruckeffekte und Impulsaustausch wird durch das nach dem Druckregel- und Dosierventil 11 durch die Gasstrahlpumpe 13 strömende Gas genutzt, um Gas aus der Rezirkulationsleitung 13 anzusaugen und zu dem Anodenbereich 4 zurückzufördern. Nach der Gasstrahlpumpe 13 kann das geförderte Gas einerseits über eine mit 14 bezeichnete Bypassleitung oder parallel dazu über ein mit 15 bezeichnetes Gebläse strömen. Je nach Betriebssituation kann dabei die Gasstrahlpumpe 13 oder das Gebläse 15 die Rezirkulationsfördereinrichtung bilden.
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Sowohl in der mit 16 bezeichneten Leitung, in welcher das Gebläse 15 angeordnet ist, als auch in der Bypassleitung 14 befindet sich dabei eine Ventileinrichtung 17, 18, welche gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung jeweils als federloses Rückschlagventil, wie es in 1 angedeutet ist, ausgebildet ist. Die beiden federlosen Rückschlagventile 17, 18 als Ventileinrichtungen ermöglichen dabei eine sehr gute Durchströmung in der Förderrichtung des Gases mit geringen Druckverlusten. Beim Betrieb des Gebläses 15 ist eine Rückströmung durch die jeweils andere parallele Leitung ebenso ausgeschlossen wie beim Betrieb der Gasstrahlpumpe 13. Durch die beiden Ventileinrichtungen 17, 18 in den Leitungen 14, 16 wird so der alleinige Betrieb entweder der Gasstrahlpumpe 13 oder des Gebläses 15 in idealer Art und Weise unterstützt. Das Gebläse 15, welches vorzugsweise elektromotorisch angetrieben wird, auch wenn dies hier nicht dargestellt ist, kann so abgeschaltet werden, wenn es nicht benötigt wird. Es läuft dann nicht mit und wird auch durch den Druck in den Leitungen 14, 16 nicht ungewollt bewegt, sodass ein Verschleiß an Lagern und dergleichen sicher und zuverlässig ausgeschlossen werden kann.
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In dem Anodenkreislauf 12 bzw. in der Rezirkulationsleitung 21 ist dabei in an sich bekannter Art und Weise außerdem ein Wasserabscheider 19 angeordnet, in welchem Wasser, welches als Produktwasser zum Teil im Anodenbereich 4 der Brennstoffzelle 2 entsteht, abgeschieden wird. Dieses Produktwasser kann, insbesondere zusammen mit inerten Gasen, welche sich im Laufe des Betriebs im Anodenkreislauf 12 anreichern, über ein Ablassventil 20 von Zeit zu Zeit abgelassen werden, beispielsweise in die Umgebung oder zur Verdünnung der unweigerlich immer mit abgelassenen Restwasserstoffmengen in die aus dem Brennstoffzellensystem 1 abströmende Abluft.
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In dem in 2 dargestellten Diagramm ist auf der y-Achse die Rezirkulationsrate bzw. Performance der Rezirkulation R aufgetragen. Auf der x-Achse ist die Leistung des Brennstoffzellensystems 1 angedeutet. Dabei befindet sich rechts der Punkt P2. Er symbolisiert eine hohe Leistung P des Brennstoffzellensystems 1, beispielsweise eine Leistung P im Bereich der Maximalleistung des Brennstoffzellensystems 1. Ganz links befindet sich ein mit P0 gekennzeichneter Punkt, welcher die Leerlaufleistung des Brennstoffzellensystems 1 beschreibt. Dazwischen befindet sich der Punkt P1. Dieser beschreibt den Übergang zwischen niedriger Leistung und mittlerer bzw. höherer Leistung im Sinne der hier vorliegenden Erfindung.
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In dem Diagramm ist nun in strichzweipunktierter Linie die Druckcharakteristik des Brennstoffzellenstacks 2 eingezeichnet. Mit strichpunktierter Linie ist als linearer Verlauf die Charakteristik des Gebläses 15 eingezeichnet, während mit gestrichelter Linie die Charakteristik der Gasstrahlpumpe 13 eingezeichnet ist. Das Brennstoffzellensystem 1 soll nun insbesondere Teil einer hybriden Leistungserzeugung mit dem Brennstoffzellensystem 1 und einer hier nicht dargestellten elektrischen Energiespeichereinrichtung, beispielsweise einer Batterie, sein. Diese kann in einem primär elektrisch angetriebenen Fahrzeug zum Einsatz kommen. Für diesen Fall ist es nun vorgesehen, dass der Betrieb der Rezirkulation entsprechend der durchgezogenen Linie erfolgt. Vom Start weg aus dem Betrieb mit Leerlaufleistung wird zuerst ausschließlich das Gebläse 15 eingesetzt, da die Gasstrahlpumpe 13 hier ohnehin noch nicht in der Lage wäre, die erforderliche Druckcharakteristik für den Brennstoffzellenstapel 2 zu liefern. Am Punkt P1, also am Wechsel von niedriger Last auf mittlere und höhere Last des Brennstoffzellensystems 1, findet dann ein Wechsel von dem Gebläse 15, welches bei höheren Lasten abgeschaltet wird, auf die Gasstrahlpumpe 13 statt, welche zuvor ohnehin bis zu einem gewissen Grad an der Rezirkulation beteiligt war, da sie bei jeder Dosierung von Wasserstoff in den Anodenbereich 4 ohnehin durchströmt wird. Ab dem Punkt P1 wird nun das Gebläse 15 ausgeschaltet. Aufgrund der Druckverhältnisse und der passiven Rückschlagventile 17, 18 ergibt sich dann die Situation so, dass das Gebläse 15 über die Bypassleitung 14 ganz umgangen wird, und die Rezirkulation nun ausschließlich mit der Gasstrahlpumpe 13 realisiert wird.
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Da Brennstoffzellensysteme 1, welche beispielsweise als Range Extender eingesetzt werden, typischerweise nie unterhalb der Leistung P1 betrieben werden, da die Brennstoffzellensysteme 1 bei höherer Leistung einen besseren Wirkungsgrad haben und im Idealfall im Leistungspunkt ihres optimalen Wirkungsgrads betrieben werden, tritt der Fall einer Leistungsabgabe des Brennstoffzellensystems 1 zwischen den Leistungen Po und P1 nach dem Start quasi nicht mehr auf. Das Gebläse 15 unterstützt also lediglich den Start, während das Brennstoffzellensystem 1 dann im weiteren Verlauf des Betriebs ausschließlich mit der Gasstrahlpumpe 13 betrieben wird, sodass der Verschleiß bei den Rezirkulationsfördereinrichtungen auf ein absolutes Minimum reduziert wird und der Anodenkreislauf 12 eine hohe Lebensdauer erreicht. Nach dem Betrieb, also beim Abstellen des Brennstoffzellensystems 1, beispielsweise, weil ausreichend elektrische Leistung in der elektrischen Energiespeichereinrichtung zur Verfügung steht, erfolgt dann keine Rezirkulation mehr. Erst beim nächsten Start ist beim Hochfahren des Brennstoffzellensystems wieder das Gebläse 15 notwendig, bis das Brennstoffzellensystem 1 auf eine Leistung oberhalb der Leistung P1 hochgefahren worden ist und dann während des Betriebs wieder dort oder bei höheren Leistungen P ausschließlich mit der Gasstrahlpumpe 13 betrieben wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10251878 A1 [0002]
- US 2009/0155102 A1 [0003]
- DE 102006037799 A1 [0004]
