DE102020110604A1

DE102020110604A1 - Brennstoffzellenvorrichtung, Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenvorrichtung und Kraftfahrzeug mit einer solchen

Info

Publication number: DE102020110604A1
Application number: DE102020110604.1A
Authority: DE
Inventors: Markus RUF; Hannah Staub
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2020-04-20
Filing date: 2020-04-20
Publication date: 2021-10-21

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellenvorrichtung (1) mit mindestens einem Brennstoffzellenstapel (7), einem Verdichter (2), einem Befeuchter (6) und einer ersten zuluftseitigen Bypassleitung (3), die stromauf des Befeuchters (6) aus einer Kathodenzuluftleitung (11) abzweigt und stromab des Befeuchters (6) und stromauf des Brennstoffzellenstapels (7) in die Kathodenzuluftleitung (11) mündet, einer zweiten abluftseitigen Bypassleitung (4), die stromab des Befeuchters (6) aus der Kathodenzuluftleitung (11) abzweigt und stromab des Brennstoffzellenstapels (7) und stromauf des Befeuchters (6) in eine Kathodenabluftleitung (12) mündet. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenvorrichtung (1) und ein Kraftfahrzeug mit einer solchen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzellenvorrichtung mit mindestens einem Brennstoffzellenstapel, einem Verdichter, einem Befeuchter und einer ersten zuluftseitigen Bypassleitung, die stromauf des Befeuchters aus einer Kathodenzuluftleitung abzweigt und stromab des Befeuchters und stromauf des Brennstoffzellenstapels in die Kathodenzuluftleitung mündet, einer zweiten abluftseitigen Bypassleitung, die stromab des Befeuchters aus der Kathodenzuluftleitung abzweigt und stromab des Brennstoffzellenstapels und stromauf des Befeuchters in eine Kathodenabluftleitung mündet. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenvorrichtung und ein Kraftfahrzeug mit einer solchen.
Befeuchter im Allgemeinen werden eingesetzt, um bei zwei gasförmigen Medien mit einem unterschiedlichen Feuchtegehalt eine Übertragung der Feuchte auf das trockenere Medium bewirken zu können. Derartige Gas/Gas-Befeuchter finden insbesondere Anwendung in Brennstoffzellenvorrichtungen, bei denen im Kathodenkreislauf zur Versorgung der Kathodenräume des Brennstoffzellenstapels Luft mit dem darin enthaltenen Sauerstoff verdichtet wird, so dass relativ warme und trockene komprimierte Luft vorliegt, deren Feuchte für die Verwendung in den Brennstoffzellenstapeln für die Membranelektrodeneinheit nicht ausreicht. Die durch den Verdichter bereitgestellte trockene Luft für den Brennstoffzellenstapel wird befeuchtet, indem sie an einer für Wasserdampf durchlässigen Membran vorbeigeführt wird, deren andere Seite mit der feuchten Abluft aus dem Brennstoffzellenstapel bestrichen wird. Für die Konditionierung der den Kathodenräumen des Brennstoffzellenstapels zuzuführenden Luft ist auch deren Temperierung erforderlich, wozu in der Regel ein nach dem Verdichter positionierter Ladeluftkühler eingesetzt wird. Wird die Brennstoffzellenvorrichtung aber bei tiefen Temperaturen abgestellt, so kann es zu Eisbildungen und dadurch zu Schädigungen innerhalb des Befeuchters führen. Insbesondere Hohlfaserbefeuchter werden durch die Eisbildung beschädigt.
Die US 20100021783 A1 , die DE 10219626 B4 und die US 20060029837 A1 beschreiben ein Brennstoffzellensystem mit einer integrierten zuluftseitigen Befeuchter-Bypassleitung, durch die die Luft direkt zu dem Brennstoffzellenstapel umgeleitet werden kann, ohne dass sie vorher durch den Befeuchter geleitet wird.
Die US 20090047551 A1 offenbart ein Brennstoffzellensystem mit einer abgasseitigen Bypassleitung, die den Befeuchter umgeht.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine verbesserte Brennstoffzellenvorrichtung, ein verbessertes Verfahren zu dessen Betrieb und ein verbessertes Kraftfahrzeug mit einer solchen bereit zu stellen.
Diese Aufgabe wird durch eine Brennstoffzellenvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1, durch Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 5 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 durch die zweite Bypassleitung im Zusammenwirken mit der ersten Bypassleitung direkt die vom Verdichter bereit gestellte warme und trockene Luft in den Befeuchter geleitet werden kann, und zwar auf die Seite, auf der im Normalbetrieb die feuchte Kathodenabluft durch geleitet wird. Es besteht damit die Möglichkeit, den Befeuchter gezielt zu trocknen, was Vorteile insbesondere für einen möglichen nachfolgenden Froststart bietet. Auch werden im Befeuchter vorliegende Hohlfasern vor Beschädigung durch Frost geschützt .
Vorteilhaft ist es auch, wenn die Brennstoffzellenvorrichtung eine dritte Bypassleitung aufweist, die aus der Kathodenabluftleitung stromab der zweiten Bypassleitung und des Brennstoffzellenstapels und stromauf des Befeuchters abzweigt zu einer Mündung in der Kathodenabluftleitung stromab des Befeuchters, wodurch die Kathodenabluft am Befeuchter vorbei geleitet wird und so die Feuchte am Befeuchtereintritt über das Abgas reguliert werden kann.
Weiterhin ist es vorteilhaft, dass in der ersten Bypassleitung, in der zweiten Bypassleitung und in der dritten Bypassleitung je ein Ventil angeordnet ist und diese unabhängig voneinander durch ein Steuergerät schaltbar sind. So ist im Normalbetrieb das erste Ventil derartig eingestellt, dass am Brennstoffzellenstapeleintritt das gewünschte Feuchteniveau erreicht wird. Das zweite Ventil ist so eingestellt, dass der Luftmassenstrom für den Brennstoffzellenstapeleintritt geregelt wird und das dritte Ventil ist geschlossen. Wird der Brennstoffzellenstapel in Betrieb genommen, so wird das dritte Ventil geöffnet, sodass der Luftstrom den Befeuchter abluftseitig umgeht, wodurch kein weiteres Wasser eingetragen wird. Soll der Befeuchter zuluftseitig getrocknet werden, wird das erste Ventil geschlossen und das zweite und dritte Ventil wird geöffnet. Auch ist es möglich den Befeuchter abluftseitig zu trocknen, indem das erste und zweite Ventil geöffnet und das dritte Ventil geschlossen wird. Durch das Öffnen des ersten, zweiten und dritten Ventils wird der Befeuchter insgesamt getrocknet, sodass keine Restfeuchte im Befeuchter verbleibt. Diese Einstellung ist besonders vorteilhaft für einen Froststart.
Weiterhin können die Ventile durch das Steuergerät so geschaltet werden, dass nur der Befeuchter oder nur der Brennstoffzellenstapel durchströmt wird. Dies ermöglicht die Konditionierung eines Bauteils, ohne dass das jeweilige andere Bauteil beeinflusst wird. Besonders sinnvoll ist dieses Vorgehen, wenn eine lange Standphase oder durch tiefe Temperaturen eine Eisbildung im Befeuchter erwartet wird.
Auch ist es vorteilhaft, dass während eines Abstellvorgangs der Brennstoffzellenvorrichtung eine Konditionierung des Befeuchters und des Brennstoffzellenstapels unabhängig voneinander oder seriell nacheinander erfolgt.
Weiterhin ermöglicht die eingangs genannte Erfindung, dass während eines Startvorgangs der Brennstoffzellenvorrichtung im Brennstoffzellenstapel generiertes flüssiges Wasser am Befeuchter vorbei durch den dritten Bypass direkt in das Kathodenabgas geleitet wird. Dadurch wird ein schnelleres Starten ermöglicht und eine Verblockung beziehungsweise eine Schädigung der Brennstoffzellenvorrichtung verhindert.
Besonders vorteilhaft ist, dass durch geöffnete Ventile der ersten Bypassleitung und der zweiten Bypassleitung und einem geöffneten oder geschlossenen Ventil der dritten Bypassleitung der Befeuchter getrocknet wird. So werden das erste Ventil und das zweite Ventil in einer ersten Phase geöffnet, das enthaltene flüssige Wasser aus Hohlfasern entfernt und in einer zweiten Phase werden das zweite Ventil und das dritte Ventil geöffnet, wodurch zuluftseitig das verbliebene Wasser ausgetragen wird. Durch eine zeitliche Abfolge der Ventilschließung und Öffnung kann der Befeuchter systematisch beispielsweise zuerst zuluftseitig, dann abluftseitig und abschließend durch ein geöffnetes zweites Ventil und einem geschlossenen ersten und zweiten Ventil beide Seiten des Befeuchters getrocknet werden. Auch ist eine zeitliche Entkopplung oder nur eine Durchströmung der Hohlfasern durchführbar. Auch diese Anwendung ist vorteilhaft für einen Froststart. Im Niederlastbetrieb ist es weiterhin möglich, dass das im Befeuchter gespeicherte Wasser für die Befeuchtung des Luftstroms genutzt wird. Das Abgas kann daraufhin durch die dritte Bypassleitung den Befeuchter umgehen. Dies führt zu minimierten Druckverlusten stromab des Brennstoffzellenstapels.
Die vorstehend genannten Vorteile und Wirkungen gelten sinngemäß auch für ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug mit der verbesserten 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 Zeichnung. Dabei zeigt:

1 eine Brennstoffzellenvorrichtung mit den drei dem Befeuchter zugeordneten Bypässen.

Die 1 zeigt eine Brennstoffzellenvorrichtung 1 mit mindestens einem Brennstoffzellenstapel 7, einem Verdichter 2, einem Befeuchter 6 und einer ersten zuluftseitigen Bypassleitung 3, die stromauf des Befeuchters 6 aus einer Kathodenzuluftleitung 11 abzweigt und stromab des Befeuchters 6 und stromauf des Brennstoffzellenstapels 7 in die Kathodenzuluftleitung 11 mündet, einer zweiten abluftseitigen Bypassleitung 4, die stromab des Befeuchters 6 aus der Kathodenzuluftleitung 11 abzweigt und stromab des Brennstoffzellenstapels 7 und stromauf des Befeuchters 6 in eine Kathodenabluftleitung 12 mündet. Auch enthält die gezeigte Brennstoffzellenvorrichtung 1 eine dritte Bypassleitung 5, die aus der Kathodenabluftleitung 12 stromab der zweiten Bypassleitung 4 und des Brennstoffzellenstapels 1 und stromauf des Befeuchters 6 abzweigt zu einer Mündung in der Kathodenabluftleitung 12 stromab des Befeuchters 6. In der ersten Bypassleitung 3 ist ein erstes Ventil 8, in der zweiten Bypassleitung 4 ist ein zweites Ventil 9 und in der dritten Bypassleitung 5 ist ein drittes Ventil 10 angeordnet. Die Ventile 8, 9, 10 sind unabhängig voneinander durch ein Steuergerät schaltbar, wodurch unterschiedliche Bauteile durchströmt und konditioniert werden können. Die Ventile 8, 9, 10 können durch das Steuergerät so geschaltet werden, dass nur der Befeuchter 6 oder nur der Brennstoffzellenstapel 7 durchströmt wird unter Ausnutzung der Strömungswiderstände im Befeuchter 6 und im Brennstoffzellenstapel 7. Auch wird ermöglicht, dass während eines Abstellvorgangs der Brennstoffzellenvorrichtung 1 eine Konditionierung des Befeuchters 6 und des Brennstoffzellenstapels 7 unabhängig voneinander oder seriell nacheinander erfolgt. Ebenfalls kann während eines Startvorgangs der Brennstoffzellenvorrichtung 1, insbesondere gleichzeitig im Brennstoffzellenstapel 7 generiertes flüssiges Wasser am Befeuchter 6 vorbei durch die dritte Bypassleitung 5 direkt in das Kathodenabgas geleitet werden. Ein weitere Anwendungsmöglichkeit besteht darin, dass durch geöffnete Ventile 8, 9 der ersten Bypassleitung 3 und der zweiten Bypassleitung 4 und einem geöffneten oder geschlossenen Ventil 10 der dritten Bypassleitung 5 der Befeuchter 6 getrocknet wird.
Bezugszeichenliste

1: Brennstoffzellenvorrichtung
2: Verdichter
3: erste Bypassleitung
4: zweite Bypassleitung
5: dritte Bypassleitung
6: Befeuchter
7: Brennstoffzellenstapel
8: erstes Ventil
9: zweites Ventil
10: drittes Ventil
11: Kathodenzuluftleitung
12: Kathodenabluftleitung

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

US 20100021783 A1 [0003]
DE 10219626 B4 [0003]
US 20060029837 A1 [0003]
US 20090047551 A1 [0004]

Claims

Brennstoffzellenvorrichtung (1) mit mindestens einem Brennstoffzellenstapel (7), einem Verdichter (2), einem Befeuchter (6) und einer ersten zuluftseitigen Bypassleitung (3), die stromauf des Befeuchters (6) aus einer Kathodenzuluftleitung (11) abzweigt und stromab des Befeuchters (6) und stromauf des Brennstoffzellenstapels (7) in die Kathodenzuluftleitung (11) mündet, einer zweiten abluftseitigen Bypassleitung (4), die stromab des Befeuchters (6) aus der Kathodenzuluftleitung (11) abzweigt und stromab des Brennstoffzellenstapels (7) und stromauf des Befeuchters (6) in eine Kathodenabluftleitung (12) mündet.
Brennstoffzellenvorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine dritte Bypassleitung (5) aus der Kathodenabluftleitung (12) stromab der zweiten Bypassleitung (4) und des Brennstoffzellenstapels (7) und stromauf des Befeuchters (6) abzweigt zu einer Mündung in der Kathodenabluftleitung (12) stromab des Befeuchters (6).
Brennstoffzellenvorrichtung (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass in der ersten Bypassleitung (3) ein erstes Ventil (8), in der zweiten Bypassleitung (4) ein zweites Ventil (9) und in der dritten Bypassleitung (5) drittes Ventil (10) angeordnet ist.
Brennstoffzellenvorrichtung (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten, zweiten und dritten Ventile (8, 9, 10) unabhängig voneinander durch ein Steuergerät schaltbar sind.
Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenvorrichtung (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten, zweiten und dritten Ventile (8, 9, 10) durch das Steuergerät so geschaltet werden, dass nur der Befeuchter (6) oder nur der Brennstoffzellenstapel (7) durchströmt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass während eines des Abstellvorgangs der Brennstoffzellenvorrichtung (1) eine Konditionierung des Befeuchters (6) und des Brennstoffzellenstapels (7) unabhängig voneinander oder seriell nacheinander erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass während eines Startvorgangs der Brennstoffzellenvorrichtung (1) im Brennstoffzellenstapel (7) generiertes flüssiges Wasser am Befeuchter (6) vorbei durch die dritte Bypassleitung (5) direkt in das Kathodenabgas geleitet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass durch geöffnete oder geschlossene erste und zweite Ventile (8, 9) der ersten Bypassleitung (3) und der zweiten Bypassleitung (4) und einem geöffneten oder geschlossenen dritten Ventil (10) der dritten Bypassleitung (5) der Befeuchter entweder zuluftseitig, abluftseitig oder beidseitig (6) getrocknet wird.
Kraftfahrzeug mit einer Brennstoffzellenvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4.