DE102020109141A1

DE102020109141A1 - Brennstoffzellenvorrichtung, Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenvorrichtung sowie Kraftfahrzeug mit einer solchen

Info

Publication number: DE102020109141A1
Application number: DE102020109141.9A
Authority: DE
Inventors: Markus RUF; Hannah Staub
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2020-04-02
Filing date: 2020-04-02
Publication date: 2021-10-07

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzellenvorrichtung (1) mit einem Verdichter (3), einem Befeuchter (5), mindestens einem Brennstoffzellenstapel (2) und einem Drosselventil (7), das stromab des Befeuchters (5) und stromauf einer den Antrieb des Verdichters (3) unterstützenden Turbine (9) in einer Kathodenabgasleitung (6) angeordnet ist. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenvorrichtung sowie Kraftfahrzeug mit einer solchen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzellenvorrichtung mit einem Verdichter, einem Befeuchter, mindestens einem Brennstoffzellenstapel und einem Drosselventil, das stromab des Befeuchters und stromauf einer den Antrieb des Verdichters unterstützenden Turbine in einer Kathodenabgasleitung angeordnet ist. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenvorrichtung sowie Kraftfahrzeug mit einer solchen.
Brennstoffzellen dienen dazu, in einer elektrochemischen Reaktion elektrische Energie bereitzustellen, die beispielsweise zum Betreiben eines Kraftfahrzeugs genutzt werden kann, beispielsweise zur Versorgung des Antriebsstrangs, der mindestens eine elektronische Einheit und mindestens einen als eine Batterie gebildeten Energiespeicher umfasst. Ein Brennstoffzellensystem umfasst dabei eine Mehrzahl von in einem Brennstoffzellenstapel zusammengefassten Brennstoffzellen, denen kathodenseitig über einen mittels eines Verdichtermotors antreibbaren Verdichter Kathodengas, vorzugsweise Luft, und anodenseitig von einem Brennstoffspeicher Brennstoff, vorzugsweise Wasserstoff, zugeführt wird. Der Verdichter kann weiterhin auch durch eine in der Kathodenabgasleitung angeordnete Turbine unterstützend mit einer gemeinsamen Welle angetrieben werden. Problematisch ist dabei, dass das in der Kathodenabgasleitung enthaltene Flüssigwasser die Turbine beschädigt und die Integration eines aufwändigen Regelungsverfahrens mit einem Turbinenbypass nötig ist.
Die DE 10 2015 222 635 A1 und die DE 10 2015 122 144 A1 offenbaren ein Brennstoffzellensystem mit einem in einen Abgaspfad stromabwärts des Befeuchters angeordneten Wasserabscheider und einer stromabwärts des Befeuchters angeordneten Turbine. Das durch den Wasserabscheider abgeschiedene Flüssigwasser wird in einem Wassersammler gesammelt und an die Umgebung abgegeben.
Ein Brennstoffzellensystem mit Ablassventilen in der Anodenabgasleitung zur Abscheidung von Flüssigwasser offenbart die JP 2014089813 A .
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine verbesserte Brennstoffzellenvorrichtung zur Regulierung des Flüssigwassers in der Kathodenabgasleitung, ein verbessertes Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenvorrichtung sowie ein verbessertes Kraftfahrzeug mit einer solchen bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird durch eine Brennstoffzellenvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1, durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 6 und durch ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 9 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Die eingangs genannte Brennstoffzellenvorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass bei positiven Lastsprüngen, also bei einer vorliegenden erhöhten Leistungsanforderung der Brennstoffzellenvorrichtung zwar eine große Menge Flüssigwasser am Brennstoffzellenstapelaustritt auftritt, jedoch durch das Drosselventil der Druck in der Kathodenabgasleitung verringert werden kann, sodass ein geringerer Anteil des Wassers kondensiert und ergänzend ein größerer Anteil des Flüssigwassers wieder verdampft. Es liegt damit eine reduzierte Menge Flüssigwassers vor, so dass ein Turbinenbypass entbehrlich ist oder seltener genutzt werden muss, was die Unterstützung des Verdichters durch die Turbine fördert.
Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn in der Kathodenabgasleitung ein Wasserabscheider stromab des Drosselventils und stromauf der Turbine angeordnet ist. Durch den verringerten Druck in der Kathodenabgasleitung kann die Effizienz des Wasserabscheiders aufgrund des erhöhten Volumenstroms gesteigert werden und so dazu beitragen, dass ein geringerer Anteil des Flüssigwassers die Turbine erreicht. Dies erhöht die Robustheit und die Haltbarkeit der Turbine.
Besonders vorteilhaft ist es, dass die Turbine mit einer variablen Turbinengeometrie ausgestattet ist. Dies erhöht zudem die Effizienz, da auch so das Kathodenabgas nicht über einen Turbinenbypass abgeleitet werden muss, sondern variabel über eine variable Turbinengeometrie eingestellt werden kann.
Vorteilhaft ist es weiterhin, dass in der Kathodenabgasleitung stromab des Befeuchters und stromauf der Turbine mindestens ein Sensor, vorzugsweise mehrere Sensoren zur Detektion von Flüssigwasser angeordnet sind, und dass diese Sensoren als optische Sensoren ausgeführt sind. Auch durch die Verwendung von modellbasierten, die Betriebsbedingungen berücksichtigenden Berechnungen kann das Vorliegen von Flüssigwasser in der Kathodenabgasleitung stromab des Befeuchters und stromauf des Drosselventils bestimmt werden. Dies erhöht die Effizienz der Brennstoffzellenvorrichtung durch eine dynamische Reaktion des Drosselventils auf das Flüssigwasser, da die Turbine nun auch in Zuständen genutzt werden kann, bei denen bisher der Turbinenbypass ausnahmslos genutzt werden musste.
Besonders vorteilhaft ist es, dass der Anteil des in transienten Vorgängen im Brennstoffzellenstapel produzierten Flüssigwassers über eine Druckverminderung durch das Drosselventil reduziert wird. Durch den verminderten Druck in der Kathodenabgasleitung verdampft das Flüssigwasser vermehrt, sodass ein geringerer Anteil des Flüssigwassers an die Turbine gelangt.
Vorteilhaft ist eine Betriebsweise, bei der der Abgasstrom in der Kathodenabgasleitung variabel über eine variable Turbinengeometrie eingestellt wird. Dies ermöglicht eine erhöhte Effizienz, da die Turbine durch die variable Turbinengeometrie auch in Situationen genutzt werden kann, bei denen zuvor der Turbinenbypass benötigt wurde, um die Turbine vor Flüssigwasser zu schützen.
Die vorstehend genannten Vorteile und Wirkungen gelten sinngemäß auch für ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug mit einer derartigen erfindungsgemäßen Brennstoffzellenvorrichtung.
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.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:

1 eine schematisch dargestellte Brennstoffzellenvorrichtung mit einem Drosselventil stromauf einer Turbine im Kathodenabgaspfad,
2 die zeitabhängige Darstellung der Generation von Flüssigwasser ohne Drosselventil (gepunktete Darstellung) und mit Drosselventil (gestrichelte Darstellung),
3 eine Darstellung der Leistung der Turbine in Abhängigkeit von der durch die Brennstoffzellenvorrichtung generierten Leistung (durchgezogene Linie) mit dem Verlust, wenn ein Turbinenbypass verwendet werden muss (gepunktete Linie), und
4 eine zeitabhängige Darstellung des zeitlichen Verlaufs eines Lastsprunges der Brennstoffzellenvorrichtung.

Die 1 zeigt von einer Brennstoffzellenvorrichtung 1 den zur Erläuterung der Erfindung erforderlichen Teil, nämlich einen Verdichter 3, einen Befeuchter 5, einen Brennstoffzellenstapel 2 mit einer Mehrzahl von Brennstoffzellen und ein Drosselventil 7, das stromab des Befeuchters 5 und stromauf einer den Antrieb des Verdichters 3 unterstützenden Turbine 9 in einer Kathodenabgasleitung 6 angeordnet ist.
Jede Brennstoffzelle 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.
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.
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 2 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).
Eine gesteigerte Leistung des Brennstoffzellenstapels 2 führt am Austritt des Brennstoffzellenstapels 2 zu einem erhöhten Flüssigwasseranteil, der dem Befeuchter 5 zugeführt wird. Im Befeuchter 5 nicht zur Befeuchtung genutztes Wasser wird durch die Kathodenabgasleitung 6 nach außen abgegeben. Da allerdings die in der Kathodenabgasleitung 6 vorliegende Strömung durch die Turbine 9 zur Unterstützung des Verdichters 3 genutzt wird und die Turbine 9 empfindlich auf Flüssigwasser reagiert, sind Maßnahmen getroffen, dieses Flüssigwasser zu beseitigen. Dazu ist in der Kathodenabgasleitung 6 ein Wasserabscheider 8 stromab des Drosselventils 7 und stromauf der Turbine 9 angeordnet. Die Turbine 9 ist zudem mit einer variablen Turbinengeometrie ausgestattet. In der 4 ist graphisch der zeitliche Verlauf der Leistungssteigerung der Brennstoffzellenvorrichtung 1 gezeigt, die mit einen erhöhten Anfall von Flüssigwasser korreliert. Diese erhöhte Menge kann durch das Drosselventil 7 wieder reduziert werden, da dadurch der Druck vor der Turbine 9 abgesenkt wird und vorliegendes Flüssigwasser wieder in die Gasphase übergehen kann; verbleibendes Flüssigwasser kann durch den Wasserabscheider 8 abgeschieden werden. Die 2 zeigt, wie der Anteil des in transienten Vorgängen im Brennstoffzellenstapel 2 produzierten Flüssigwassers über eine Druckverminderung durch das Drosselventil 7 reduziert wird, wobei mit gepunkteter Linie das produzierte Flüssigwasser dargestellt ist, das ohne eine Druckminderung durch ein Ventil anfällt.
Zur Detektion von Flüssigwasser und zur Ermittlung der Stärke einer erforderlichen Drosselung durch das Drosselventil 7 sind in der Kathodenabgasleitung 6 stromab des Befeuchters 5 und stromauf der Turbine 9 Sensoren angeordnet. Diese Sensoren sind als optische Sensoren ausgeführt. Auch modellbasierte, die Betriebsbedingungen berücksichtigende Berechnungen können zur Bestimmung des Vorliegens von Flüssigwasser in der Kathodenabgasleitung 6 stromab des Befeuchters 5 und stromauf des Drosselventils 7 genutzt werden.
Der Abgasstrom in der Kathodenabgasleitung 6 kann variabel über eine variable Turbinengeometrie eingestellt werden. Die Vorteile bezüglich der Leistung, die sich daraus ergeben, sind in 3 gezeigt. So führt eine variable Turbinengeometrie zu weniger Leistungsverlusten und einer gesteigerten Turbinenleistung, die bewahrt werden kann durch das Drosselventil 7.
Bezugszeichenliste

1: Brennstoffzellenvorrichtung
2: Brennstoffzellenstapel
3: Verdichter
4: Ladeluftkühler
5: Befeuchter
6: Kathodenabgasleitung
7: Drosselventil
8: Wasserabscheider
9: Turbine mit variabler Turbinengeometrie

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102015222635 A1 [0003]
DE 102015122144 A1 [0003]
JP 2014089813 A [0004]

Claims

Brennstoffzellenvorrichtung (1) mit einem Verdichter (3), einem Befeuchter (5), mindestens einem Brennstoffzellenstapel (2) und einem Drosselventil (7), das stromab des Befeuchters (5) und stromauf einer den Antrieb des Verdichters (3) unterstützenden Turbine (9) in einer Kathodenabgasleitung (6) angeordnet ist.
Brennstoffzellenvorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der Kathodenabgasleitung (6) ein Wasserabscheider (8) stromab des Drosselventils (7) und stromauf der Turbine (9) angeordnet ist.
Brennstoffzellenvorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Turbine (9) mit einer variablen Turbinengeometrie ausgestattet ist.
Brennstoffzellenvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass in der Kathodenabgasleitung (6) stromab des Befeuchters (5) und stromauf der Turbine (9) mindestens ein Sensor zur Detektion von Flüssigwasser angeordnet ist.
Brennstoffzellenvorrichtung (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Sensor als optischer Sensor ausgeführt ist.
Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass durch mindestens einen Sensor und/oder durch modellbasierte, die Betriebsbedingungen berücksichtigende Berechnungen das Vorliegen von Flüssigwasser in der Kathodenabgasleitung (6) stromab des Befeuchters (5) und stromauf des Drosselventils (7) bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil des in transienten Vorgängen im Brennstoffzellenstapel (2) produzierten Flüssigwassers über eine Druckverminderung durch das Drosselventil (7) reduziert wird.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgasstrom in der Kathodenabgasleitung (6) variabel über eine variable Turbinengeometrie eingestellt wird.
Kraftfahrzeug mit einer Brennstoffzellenvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5.