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Die Erfindung ist gebildet durch eine Brennstoffzellenvorrichtung mit einer Mehrzahl von in einem Brennstoffzellenstapel angeordneter Brennstoffzellen, denen zur Versorgung mit einem Oxidationsgas kathodenseitig ein Verdichter zugeordnet ist, von dem eine Zuleitung durch einen Befeuchter und ein Befeuchter-Bypass zu dem Brennstoffzellenstapel geführt sind. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenvorrichtung sowie ein Kraftfahrzeug mit einer Brennstoffzellenvorrichtung.
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In Brennstoffzellenvorrichtungen wird im Kathodenkreislauf zur Versorgung der Kathodenräume des Brennstoffzellenstapels Luft mit dem darin enthaltenen Sauerstoff durch einen Verdichter komprimiert, so dass relativ warme und trockene komprimierte Luft vorliegt, deren Feuchte für die Verwendung in den Brennstoffzellenstapel für die Membranelektrodeneinheit nicht ausreicht. Um dem abzuhelfen werden Befeuchter genutzt, die im Allgemeinen eingesetzt werden, um bei zwei gasförmigen Medien mit einem unterschiedlichen Feuchtegehalt eine Übertragung der Feuchte auf das trockenere Medium bewirken zu können. Bei derartigen Gas/Gas-Befeuchtern wird die durch den Verdichter bereitgestellte trockene Luft für den Brennstoffzellenstapel befeuchtet, indem sie an einer für wasserdampfdurchlässigen Membran vorbeigeführt wird, deren andere Seite mit der feuchten Abluft aus dem Brennstoffzellenstapel bestrichen wird.
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Zu beachten ist allerdings, dass nicht in allen Betriebszuständen das gleiche Ausmaß an Befeuchtung gewünscht ist, da beispielsweise eine gewünschte Trocknung des Brennstoffzellenstapels vor dem Abstellen der Brennstoffzellenvorrichtung durch eine intensive Befeuchtung erschwert ist, so dass es auch bekannt ist, einen Befeuchter-Bypass zu verwenden, der durch ein schaltbares Ventil bedarfsweise aktiviert werden kann. Durch diese Maßnahmen steigt allerdings die Komplexität der Brennstoffzellenvorrichtung.
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Die
US 2019/0081340 A1 offenbart eine Methode zur Kontrolle des Feuchtezustandes einer Brennstoffzelle, der Kathodengas zugeführt wird, wobei die Möglichkeit geschaffen ist, die Brennstoffzelle in einem Bypass zu umgehen.
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Die
US 2002/0182474 A1 schlägt bei einer Brennstoffzelle vor, einen Feuchtezufuhrpfad zu nutzen, durch den Feuchte direkt der Membran der Membranelektrodeneinheit zugeführt wird, wobei ein einstellbares Ventil genutzt wird, um die Feuchte durch ein Öffnen oder Schließen einzustellen.
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In der
JP 2009231202 A ist ein Brennstoffzellenstapel beschrieben, dem ein durch einen Befeuchter ein Reaktionsgas zugeführt wird, wobei der Befeuchter einen Bypass aufweist, in dem ein Ventil angeordnet ist zur Kontrolle des Durchflusses mittels eines einstellbaren Öffnungsgrads, der entsprechend einem vorgegebenen Durchmesser den Durchfluß kontrolliert.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, den gesteigerten Komplexitätsgrad einer Brennstoffzellenvorrichtung bei Beibehaltung von deren Funktionaliät zu reduzieren. Aufgabe ist weiterhin, ein verbessertes Verfahren zum Betrieb einer Brennstoffzellenvorrichtung anzugeben sowie ein verbessertes Kraftfahrzeug.
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Diese Aufgabe wird durch eine Brennstoffzellenvorichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1, durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 6 und durch ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 7 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Diese Brennstoffzellenvorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass der Querschnitt des Befeuchter-Bypasses größer als der Querschnitt der Zuleitung ist, und dass in einer Kathodenabluftleitung stromab des Brennstoffzellenstapels und stromauf des Befeuchters ein Druckregelteil angeordnet ist. Es kann durch die geeignete Wahl der Querschnitte des Befeuchter-Bypasses und der Zuleitung darauf verzichtet werden, dem Befeuchter-Bypass ein zusätzliches Ventil zuzuordnen, da die Aufteilung des Kathodengasstromes durch das Verhältnis der Querschnitte bestimmt wird und die Größe des dem Brennstoffzellenstapel zugeführten Kathodengasmassenstroms über das Druckregelteil eingestellt werden kann.
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Vorgesehen ist weiterhin, dass stromauf des Brennstoffzellenstapels und stromab von dem Befeuchter-Bypass ein Sperrteil angeordnet ist, und dass in einer stromab des Verdichters vor dem Befeuchter-Bypass abzweigenden Stapel-Bypassleitung ein Regelteil angeordnet ist. Die Komplexität der Brennstoffzellenvorrichtung ist damit auf drei regelbare Teile reduziert und es ergibt sich die Möglichkeit, über die Unterschiede im Querschnitt einen Unterschied im Volumenstrom durch den Befeuchter und den Befeuchter-Bypass zu erzeugen; über das Druckregelteil wird der Druck am Stapeleintritt geregelt, während durch das Regelteil der Volumenstrom durch den Brennstoffzellenstapel insgesamt regelbar ist. Das Sperrteil dient zum vollständigen Absperren des Brennstoffzellenstapels, wenn eine weitere Zufuhr des Kathodengases aufgrund des aktuellen oder erforderlichen Betriebszustandes nicht gewünscht ist.
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Es hat sich als zweckmäßig gezeigt, wenn das Druckregelteil und/oder das Sperrteil und/oder das Regelteil ausgewählt sind aus einer Gruppe, die Klappen, Ventile, Schieber oder Blenden umfasst.
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Vorteilhaft ist es, wenn das Verhältnis der Querschnitte von dem Befeuchter-Bypass und der Zuleitung größer als 1,2, vorzugsweise größer als 1,5 und weiter vorzugsweise größer als 2,5 ist. Durch dieses Verhältnis wird bestimmt, wieviel von dem Kathodengasmassenstrom nach dem Verdichter den Befeuchter durchqueren muß, so dass sich dadurch auch ergibt, wie groß der Befeuchter als teures Bauteil mit einem großen Bauraumbedarf ausgelegt werden muß. Bei einem großen Verhältnis wird ein großer Anteil durch den Befeuchter-Bypass geführt, also ohne Befeuchtung dem Brennstoffzellenstapel zur Verfügung gestellt, da die im Brennstoffzellenstapel durch die Generierung von Produktwasser zur Verfügung stehende Feuchte zur Gewährleistung des erforderlichen Feuchtegrades gleichfalls genutzt werden kann, also nicht erst mit der Kathodenabluft die Feuchte aus dem Brennstoffzellenstapel entfernt und dem Befeuchter zugeführt werden muß.
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Es sind allerdings auch Umstände gegeben, bei denen eine Trocknung des Brennstoffzellenstapels gewünscht ist, beispielsweise bei dessen Abschalten, wenn nachfolgend ein Froststart droht. Dafür ist ein Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenvorrichtung vorgesehen, bei dem zum Zwecke der Trocknung des Brennstoffzellenstapels der Verdichter einen über den Bedarf an Kathodengas liegenden Kathodengasmassenstrom der Abzweigung von der Zuleitung und dem Befeuchter-Bypass zuführt und beide Teilleitungen beaufschlagt. Absolut steht dann ein großer trockener Teilstrom durch den Befeuchter-Bypass zur Verfügung.
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Teil der Erfindung ist auch ein Kraftfahrzeug mit einer vorstehend erörterten Brennstoffzellenvorrichtung, das kostengünstiger herstellbar und effizienter betreibbar ist.
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Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Es sind somit auch Ausführungen als von der Erfindung umfasst und offenbart anzusehen, die in den Figuren nicht explizit gezeigt oder erläutert sind, jedoch durch separierte Merkmalskombinationen aus den erläuterten Ausführungen hervorgehen und erzeugbar sind.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigt:
- 1 eine schematische Darstellung einer Brennstoffzellenvorrichtung auf der der Versorgung mit Kathodengas dienenden Seite.
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In der 1 ist von einer Brennstoffzellenvorrichtung 1 der zur Erläuterung der Erfindung erforderliche Teil gezeigt, wobei die Brennstoffzellenvorrichtung 1 eine Einrichtung zur Feuchteregulierung einer Mehrzahl von in einem Brennstoffzellenstapel 2 zusammengefassten Brennstoffzellen umfasst.
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Jede der Brennstoffzellen umfasst eine Anode und eine Kathode sowie eine die Anode von der Kathode trennende protonenleitfähige Membran. Die Membran ist aus einem lonomer, vorzugsweise einem sulfonierten Tetrafluorethylen-Polymer (PTFE) oder einem Polymer der perfluorierten Sulfonsäure (PFSA) gebildet. Alternativ kann die Membran als eine sulfonierte Hydrocarbon-Membran gebildet sein.
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Den Anoden und/oder den Kathoden kann zusätzlich ein Katalysator beigemischt sein, wobei die Membranen vorzugsweise auf ihrer ersten Seite und/oder auf ihrer zweiten Seite mit einer Katalysatorschicht aus einem Edelmetall oder aus Gemischen umfassend Edelmetalle wie Platin, Palladium, Ruthenium oder dergleichen beschichtet sind, die als Reaktionsbeschleuniger bei der Reaktion der jeweiligen Brennstoffzelle dienen.
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Über Anodenräume innerhalb des Brennstoffzellenstapels 2 wird den Anoden Brennstoff (zum Beispiel Wasserstoff) zugeführt. In einer Polymerelektrolytmembranbrennstoffzelle (PEM-Brennstoffzelle) werden an der Anode Brennstoff oder Brennstoffmoleküle in Protonen und Elektronen aufgespaltet. Die Membran lässt die Protonen (zum Beispiel H+) hindurch, ist aber undurchlässig für die Elektronen (e-). An der Anode erfolgt dabei die folgende Reaktion: 2H2 → 4H+ + 4e- (Oxidation/Elektronenabgabe). Während die Protonen durch die Membran zur Kathode hindurchtreten, werden die Elektronen über einen externen Stromkreis an die Kathode oder an einen Energiespeicher geleitet. Über Kathodenräume innerhalb des Brennstoffzellenstapels 4 kann den Kathoden Kathodengas (zum Beispiel Sauerstoff oder Sauerstoff enthaltende Luft) zugeführt werden, so dass kathodenseitig die folgende Reaktion stattfindet: O2 + 4H+ + 4e- → 2H2O (Reduktion/Elektronenaufnahme).
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Um eine Ionenleitfähigkeit für Wasserstoffprotonen durch die PEM zu gewährleisten, ist das Vorhandensein von Wassermolekülen in der PEM erforderlich. Deshalb wird insbesondere das Kathodengas befeuchtet, bevor es der Brennstoffzelle zugeführt wird, um eine Feuchtigkeitssättigung der PEM herbeizuführen.
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Da in dem Brennstoffzellenstapel 2 mehrere Brennstoffzellen zusammengefasst sind, muss eine ausreichend große Menge an Kathodengas zur Verfügung gestellt werden, so dass durch einen Verdichter 3 ein großer Kathodengasmassenstrom bereitgestellt wird, wobei infolge der Komprimierung des Kathodengases sich dessen Temperatur stark erhöht. Die Konditionierung des Kathodengases, also dessen Einstellung hinsichtlich der im Brennstoffzellenstapel 2 gewünschten Parameter, erfolgt im Befeuchter 4, in den ein Ladeluftkühler integriert sein kann. Dem Befeuchter 4 ist in der Regel ein Befeuchter-Bypass 5 zugeordnet, durch den zum Zwecke der Trocknung des Brennstoffzellenstapels, beispielsweise für die Vorbereitung eines Froststartes, der Befeuchter 4 umgangen werden kann, wobei ein Schaltglied erforderlich ist, um den Befeuchter 4 vollständig aus dem Kathodengasmassenstrom zu entfernen.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung kann auf dieses Schaltglied verzichtet werden, da der Querschnitt des Befeuchter-Bypasses 5 größer als der Querschnitt der Zuleitung 6 für die Befeuchter 4 ist und in einer Kathodenabluftleitung 7 stromab des Brennstoffzellenstapels 2 und stromauf des Befeuchters 4 ein Druckregelteil 8 angeordnet ist. Über den Unterschied in den Querschnitten, insbesondere des Durchmessers bei runden Querschnitten, kann ein Unterschied im Volumenstrom des Kathodengases durch den Befeuchter 4 und den Befeuchter-Bypass 5 eingestellt werden, wobei durch das Druckregelteil 8 der Druck des Kathodengases am Eintritt in den Brennstoffzellenstapel 2 eingestellt wird. Bei dieser Auslegung ist damit eine vollständige Befeuchtung des Kathodengases in dem Befeuchter 4 entbehrlich und der Befeuchter-Bypass 5 kann nicht nur bei bestimmten Rahmenbedingungen, sondern permanent genutzt werden, da eine nachgelagerte Befeuchtung des Kathodengases auch in dem Brennstoffzellenstapel 2 durch das dort generierte Produktwasser möglich ist, also das Produktwasser nicht erst aus dem Brennstoffzellenstapel 2 entfernt und dem Befeuchter 4 zugeführt werden muß, sondern unmittelbar genutzt werden kann.
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Stromauf des Brennstoffzellenstapels 2 und stromab von dem Befeuchter-Bypass 5 ist ein Sperrteil 9 angeordnet, das zum vollständigen Absperren des Brennstoffzellenstapels 2 dient, um zu verhindern, dass Luft als Kathodengas eindringen kann. Weiterhin ist in einer stromab des Verdichters 3 vor dem Befeuchter-Bypass 5 abzweigenden Stapel-Bypassleitung 11 ein Regelteil 10 angeordnet. Das Druckregelteil 8 und/oder das Sperrteil 9 und/oder das Regelteil 10 sind aus einer Gruppe ausgewählt, die Klappen, Ventile, Schieber oder Blenden umfasst.
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Das Verhältnis der Querschnitte von dem Befeuchter-Bypass 5 und der Zuleitung 6 ist so gewählt, dass dieses größer als 1,2, vorzugsweise größer als 1,5 und weiter vorzugsweise größer als 2,5 ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1.
- Brennstoffzellenvorrichtung
- 2.
- Brennstoffzellenstapel
- 3.
- Verdichter
- 4.
- Befeuchter
- 5.
- Befeuchter-Bypass
- 6.
- Zuleitung
- 7.
- Kathodenabluftleitung
- 8.
- Druckregelteil
- 9.
- Sperrteil
- 10.
- Regelteil
- 11.
- Stapel-Bypassleitung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2019/0081340 A1 [0004]
- US 2002/0182474 A1 [0005]
- JP 2009231202 A [0006]
