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Die Erfindung betrifft eine Festoxid-Brennstoffzellenvorrichtung mit einem Brennstoffzellenstapel und mit einem Verdichter, der mit dem Brennstoffzellenstapel kathodenseitig über eine Kathodenzufuhrleitung verbunden ist, in die ein Luftvorwärmer eingebunden ist, durch welchen eine Kathodenabgasleitung zur Übertragung von Wärme aus dem Kathodenabgas auf das Kathodenfrischgas geführt ist. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Brennstoffzellen-Fahrzeug.
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Brennstoffzellen dienen dazu, in einer chemischen Reaktion zwischen einem wasserstoffhaltigen Brennstoff und einem sauerstoffhaltigen Oxidationsmittel, in der Regel Luft, elektrische Energie bereitzustellen. Bei einer Festoxid-Brennstoffzelle (Solid Oxide Fuel Cell SOFC) besteht dabei eine Elektrolytschicht aus einem namensgebenden festen Werkstoff, z.B. keramischen yttriumdotierten Zirkoniumdioxid, der in der Lage ist, Sauerstoffionen zu leiten, während Elektronen nicht geleitet werden. Die Elektrolytschicht ist zwischen zwei Elektrodenschichten aufgenommen, nämlich der Kathodenschicht, der die Luft zugeführt wird, und der Anodenschicht, die mit dem Brennstoff versorgt wird, der durch H2, CO, CH4, C3H8 oder ähnliche Kohlenwasserstoffe gebildet sein kann. Wird die Luft durch die Kathodenschicht zu der Elektrolytschicht geführt, nimmt der Sauerstoff zwei Elektronen auf und die gebildeten Sauerstoffionen O2" bewegen sich durch die Elektrolytschicht zu der Anodenschicht, wobei die Sauerstoffionen dort mit dem Brennstoff reagieren unter Bildung von Wasser und CO2. Kathodenseitig findet die folgende Reaktion statt: ½ O2 + 2e- → 2O2- (Reduktion/Elektronenaufnahme). An der Anode erfolgen die folgenden Reaktionen: H2 + O2- → H2O + 2 e- sowie CO + O2- → CO2 + 2e- (Oxidation/Elektronenabgabe).
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Festoxid-Brennstoffzellen benötigen hohe Temperaturen, meist über 700°C, bei denen sie betrieben werden, so dass auch die Verwendung der Bezeichnung Hochtemperatur-Brennstoffzelle üblich ist. Somit liegen also auch hohe Temperaturen bei den aus dem Brennstoffzellenstapel austretenden Abgasen vor. Obwohl dem Kathodenabgas üblicherweise mittels des Luftvorwärmers Wärme entzogen wird, liegen am Austritt des Luftvorwärmers noch immer Temperaturen von mehr als 400 Grad Celsius, ungefähr 450 Grad Celsius vor. Es ist gefährlich, ein so heißes Abgas an die Umgebung aus dem System auszuleiten.
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Die
DE 10 2017 215 514 A1 beschreibt eine Polymerelektrolyt-Brennstoffzellenvorrichtung, die nicht als eine bei hohen Temperaturen betriebene Festoxid-Brennstoffzellenvorrichtung ausgestaltet ist und damit keine Probleme aufgrund hoher Abgastemperaturen aufweist. Hierbei ist eine Saugstrahlpumpe in den Anodenkreislauf eingebunden, wobei eine Berechnungsmethode zur Ermittlung des Brennstoffverbrauchs angegeben wird. Die
DE 10 2014 219 836 A1 beschreibt eine Polymerelektrolyt-Brennstoffzellenvorrichtung, die also nicht als eine bei hohen Temperaturen betriebene Festoxid-Brennstoffzellenvorrichtung ausgestaltet ist und deshalb auch keine Probleme aufgrund hoher Abgastemperaturen aufweist. Sie bindet aber eine Strahlpumpe in die Kathodenabgasleitung ein, um etwaige Gasansammlungen im Brennstoffzellengehäuse mit Hilfe des durch die Treibdüse strömenden Abgases an der Saugdüse der Strahlpumpe anzusaugen, welche strömungsmechanisch mit dem Brennstoffzellengehäuse verbunden ist. Alternativ oder ergänzend kann die Saugdüse auch Umgebungsluft ansaugen, um das Abgas zu verdünnen.
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In der
DE 196 37 207 A1 wird eine Festoxid-Brennstoffzellenvorrichtung beschrieben, die mit zwei Brennstoffzellenstapeln ausgerüstet ist, und bei der das heiße Kathodenabgas des ersten Stapels für die Reformierung des Brennstoffs für den zweiten Stapel genutzt wird.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Festoxid-Brennstoffzellenvorrichtung bereit zu stellen, bei der das Abgas mit einer niedrigeren Temperatur an die Abgasanlage bzw. an die Umgebung abgegeben wird. Aufgabe ist es weiterhin, ein verbessertes Brennstoffzellen-Fahrzeug bereit zu stellen.
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Diese Aufgabe wird durch eine Festoxid-Brennstoffzellenvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch ein Brennstoffzellen-Fahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Erfindungsgemäß ist in die Kathodenabgasleitung stromab des Luftvorwärmers eine Strahlpumpe derart eingebunden, dass ihre Treibdüse vom Kathodenabgas und ihre Saugdüse von Umgebungsluft gespeist ist. Auf diese Weise lässt sich das Kathodenabgas nach seinem Austritt aus der Treibdüse, beispielsweise mittels des Diffusors der Strahlpumpe entspannen und dadurch abkühlen, wobei sich die Abgastemperatur zusätzlich aufgrund der Durchmischung des Kathodenabgases mit der kühleren Umgebungsluft im Mischrohr der Strahlpumpe ebenfalls senkt. Auf diese Weise ist es beispielsweise möglich, die Temperatur des Abgases auf weniger als 150 Grad Celsius zu senken.
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Dabei ist die Möglichkeit gegeben, dass die Treibdüse der Strahlpumpe mit einem fest vorgegebenen, unveränderlichen Strömungsquerschnitt gebildet ist. Damit ist der Vorteil gegeben, dass nur ein geringer Bauraum für die Einbindung der Strahlpumpe in die Abgasstrecke benötigt wird. Der Einsatz dieser Ausgestaltungsvariante zeichnet sich insbesondere bei Festoxid-Brennstoffzellenvorrichtungen aus, die bei gleichbleibenden Lastpunkten betrieben werden, so dass die Geometrie der Strahlpumpe nur einmalig an den gegebenen Lastpunkt angepasst werden muss. Gleichbleibende Lastpunkte werden üblicherweise bei stationären Festoxid-Brennstoffzellenvorrichtung gewählt.
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Für mobile Anwendungen, beispielsweise in einem Kraftfahrzeug, zeichnet sich eine solche Festoxid-Brennstoffzellenvorrichtung aus, deren Strahlpumpe als eine regelbare Strahlpumpe zur Einstellung des Strömungsquerschnitts der Treibdüse vorliegt. Dabei lässt sich also der Treibdüsenquerschnitt der Strahlpumpe einstellen und damit an die sich verändernden Lastpunkte anpassen.
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Um die Festoxid-Brennstoffzellenvorrichtung noch flexibler derart auszugestalten, dass diese auch bei Massenströmen betrieben werden kann, die über dem eigentlichen Niveau des Normalbetriebs liegen, hat es sich als vorteilhaft gezeigt, wenn der Kathodenabgasleitung eine Bypassleitung zur zumindest teilweisen strömungsmechanischen Umgehung der Strahlpumpe zugeordnet ist. Auf diese Weise lassen sich Start- und/oder Abschaltprozeduren unter Nutzung des Bypasses um die Strahlpumpe durchführen.
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Hierbei kann es zur Vermeidung von einem Überdruck bereits ausreichend sein, wenn der Strömungsquerschnitt der Bypassleitung geringer ist als der nutzbare Strömungsquerschnitt der Kathodenabgasleitung, aus welcher die Bypassleitung abgezweigt ist. Eine verbesserte Regelbarkeit des Bypassmassenstroms lässt sich jedoch dadurch realisieren, dass in die Bypassleitung ein Regelventil eingebunden ist.
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Vorzugsweise liegt stromab des Brennstoffzellenstapels eine Anodenrezirkulationsleitung vor, wobei mit der Anodenrezirkulationsleitung ein Abzweig verbunden ist, der die Anodenrezirkulationsleitung strömungsmechanisch mit der Kathodenabgasleitung verbindet. Auf diese Weise kann das anodenseitige Abgas/Abgasgemisch auf die Kathodenseite überführt werden, um dort verwertet zu werden. In diesem Zusammenhang ist es ferner sinnvoll, wenn der Abzweig in einen Einlass eines Nachbrenners mündet, dessen Auslass mit der Kathodenabgasleitung verbunden ist. Es ist bevorzugt, wenn dabei der Nachbrenner in einen Kathodenbypass zur zumindest teilweisen strömungsmechanischen Umgehung des Brennstoffzellenstapels eingebunden ist, denn auf diese Weise können das Kathodenfrischgas und der abgasseitige Brennstoff zur zusätzlichen Erwärmung im Nachbrenner genutzt werden, insbesondere bei der Durchführung einer Aufwärmprozedur.
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Den Festoxid-Brennstoffzellen wird der Brennstoff und auch das Oxidationsmittel überstöchiometrisch zugeführt, um deren Effizienz zu maximieren. An den Festoxid-Brennstoffzellen nicht abreagierter Brennstoff wird zur Ressourcenschonung in einem Anodenkreislauf rezirkuliert, d.h. den Brennstoffzellen erneut zugeführt. Zur Förderung des Brennstoffes wird vorliegend vorzugsweise ein Rezirkulationsgebläse verwendet. Der alternative oder zusätzliche Einsatz einer Saugstrahlpumpe ist ebenfalls möglich.
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Die in Verbindung mit der erfindungsgemäßen Festoxid-Brennstoffzellenvorrichtung genannten Ausgestaltungen, Vorteile und Wirkungen gelten in gleichem Maße auch für das erfindungsgemäße Brennstoffzellen-Fahrzeug, das sich durch eine geringere Temperatur seiner an die Umgebung abgegebenen Abgase auszeichnet.
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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 Zeichnung. Dabei zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung einer Festoxid-Brennstoffzellenvorrichtung einer in die Kathodenabgasleitung integrierten Strahlpumpe,
- 2 eine der 1 entsprechende Darstellung einer alternativen Ausgestaltung mit einer regelbaren Strahlpumpe, und
- 3 eine der 1 entsprechende Darstellung einer alternativen Ausgestaltung mit einer Bypassleitung zur strömungsmechanischen Umgehung der Strahlpumpe.
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In den 1 bis 3 ist eine Festoxid-Brennstoffzellenvorrichtung 1 mit einem aus Festoxid-Brennstoffzellen gebildeten Brennstoffzellenstapel 2 gezeigt. Die Festoxid-Brennstoffzellenvorrichtung 1 kann beispielsweise Teil eines nicht näher dargestellten Brennstoffzellen-Fahrzeugs sein.
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Jede der Brennstoffzellen umfasst eine Anode und eine Kathode sowie eine die Anode von der Kathode trennende ionenleitfähige Membran. Aus einem Brennstofftank 3, nämlich einem Gasdruckspeicher für Methan wird über eine Anodenzufuhrleitung 4 der Brennstoff, nämlich Wasserstoff enthaltendes Methan, zunächst einem Reformer 5 und dann über Anodenräume innerhalb des Brennstoffzellenstapels 2 den Anoden zugeführt. Nicht verbrauchter Brennstoff wird über eine Anodenrezirkulationsleitung 6 wieder in die Anodenzufuhrleitung 4 zurück geführt, wobei eine Rezirkulationsgebläse 18 dazu genutzt wird, um den nicht abreagierten Brennstoff zu rezirkulieren. Es besteht alternativ oder ergänzend die Möglichkeit, eine Saugstrahlpumpe für die Rezirkulation zu verwenden. Über Kathodenräume innerhalb des Brennstoffzellenstapels 2 kann den Kathoden Kathodenfrischgas, insbesondere Sauerstoff enthaltende Luft über eine Kathodenzufuhrleitung 8 zugeführt werden, die aus einem Verdichter 9 gespeist wird.
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Da die Festoxid-Brennstoffzellen hohe Temperaturen über 700°C benötigen, ist zur Vorerwärmung der Luft stromab des Verdichters 9 ein Luftvorwärmer 10 in die Kathodenzufuhrleitung 8 eingebunden, der auch vom Kathodenabgas durchströmt wird, um die Wärme des Abgases auf das Frischgas zu übertragen. Kathodenseitig ist ferner ein Nachbrenner 11 vorhanden, der vorliegend in einen Kathodenbypass 20 strömungsmechanisch eingebunden ist, in welchen stromauf des Nachbrenners 11 außerdem ein Bypassventil 21 integriert ist, um den Massenstrom des Kathodenfrischgases einzustellen, der den Brennstoffzellenstapel 2 umgeht. Der Nachbrenner 11 ist dabei zwischen den kathodenseitigen Auslass des Brennstoffzellenstapels 2 und den Luftvorwärmer 10 geschaltet, wobei zusätzlich ein Abzweig 13 aus der Anodenrezirkulationsleitung 6 vorliegt, damit anodenseitig nicht verbrauchter Brennstoff zur weiteren Erwärmung des Kathodenabgases dem Nachbrenner 11 zugeführt werden kann. Dem Abzweig 13 ist ein Ablassventil 19 zugeordnet, das lediglich bedarfsweise geöffnet werden kann, um den Anodenkreislauf zu spülen. Stromab des Nachbrenners 11 mündet der Kathodenbypass 20 in die Kathodenabgasleitung 12, vorliegend stromauf des Luftvorwärmers 10. Es sei aber angemerkt, dass der Nachbrenner 11 - unter Verzicht auf den Kathodenbypass 20 - auch unmittelbar in die Kathodenabgasleitung 12 eingebunden sein könnte.
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Obwohl dem Kathodenabgas mittels des Luftvorwärmers 10 Wärme entzogen wird, liegen an dessen Austritt noch immer Temperaturen von mehr als 400 Grad Celsius, ungefähr 450 Grad Celsius vor. Erfindungsgemäß ist deshalb in die Kathodenabgasleitung 12 stromab des Luftvorwärmers 10 eine Strahlpumpe 7 derart eingebunden, dass ihre Treibdüse vom Kathodenabgas und ihre Saugdüse von Umgebungsluft gespeist ist. Auf diese Weise lässt sich das Abgas mit der Umgebungsluft kühlen. Dabei wird die insbesondere sonst dort vorhandene Klappe durch die Strahlpumpe 7 ersetzt, so dass die Kathodenabgasleitung 12 mit anderen Worten stromab der Strahlpumpe 7 klappenfrei und/oder ventilfrei gestaltet ist. Das Kathodenabgas wird dabei von der Strahlpumpe 7 entspannt, so dass sich dessen Temperatur drastisch reduziert. Eine weitere Kühlung ergibt sich aufgrund der Durchmischung der angesaugten kühleren Umgebungsluft. Beispielsweise kühlt sich so der Kathodenabgasstrom schon bei einer „üblichen“ Strahlpumpengeometrie von einer Temperatur von mehr als 400 Grad Celsius auf eine Temperatur von weniger als 150 Grad Celsius herunter.
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Da die Einbindung der Strahlpumpe 7 in die Abgasstrecke zur Kühlung des Kathodenabgases möglichst passiv und möglichst bauraumoptimiert erfolgen sollte, ist die Treibdüse der Strahlpumpe 7 in der Ausgestaltung nach 1 mit einem fest vorgegebenen, unveränderlichen Strömungsquerschnitt gebildet.
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Um die Festoxid-Brennstoffzellenvorrichtung 1 allerdings effizient an unterschiedlichen Lastpunkten, und damit an Lastpunkten mit einer unterschiedlichen Wärmeentwicklung, betreiben zu können, sieht die Ausgestaltung nach 2 vor, die Strahlpumpe 7 als eine regelbare Strahlpumpe 7 zur Einstellung des Strömungsquerschnitts der Treibdüse zu bilden. Der Treibdüsenquerschnitt lässt sich dabei beispielsweise mittels einer axial verstellbaren Nadel variieren.
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Um die Festoxid-Brennstoffzellenvorrichtung 1 an unterschiedliche Betriebsbedingungen - beispielsweise für das Abstellen oder bei einem Froststart - anpassen zu können, wird mit der Ausgestaltung nach 3 vorgeschlagen, dass der Kathodenabgasleitung 12 eine Bypassleitung 14 zur zumindest teilweisen strömungsmechanischen Umgehung der Strahlpumpe 7 zugeordnet ist. Die hier gezeigte Strahlpumpe 7, kann einstellbar sein. Alternativ kann ihre Geometrie auch fest vorgegeben sein, so dass sich der Strömungsquerschnitt der Treibdüse nicht verändern lässt. Durch den Einsatz der Bypassleitung 14 kann ein Massenstrom des Kathodenfrischgases und/oder ein Massenstrom des Kathodenabgases auch über demjenigen Niveau liegen, das im Normalbetrieb der Festoxid-Brennstoffzellenvorrichtung 1 eingestellt wäre.
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Hierzu kann es bereits genügen, dass der nutzbare Strömungsquerschnitt der Bypassleitung 14 schlichtweg geringer ist als der nutzbare Strömungsquerschnitt der Kathodenabgasleitung 12, aus welcher die Bypassleitung 14 abgezweigt ist. Die Bypassleitung 14 kann mit anderen Worten also stellgliedfrei gestaltet sein. Es hat sich allerdings als bevorzugt erwiesen, dass in die Bypassleitung 14 ein Regelventil 15 eingebunden ist, durch welches der Bypassmassenstrom eingestellt oder variiert werden kann.
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Die in den Figuren dargestellten Festoxid-Brennstoffzellenvorrichtungen 1 entfalten ihre Vorteile beim Einsatz in einem Brennstoffzellen-Fahrzeug, das sich durch Abgase auszeichnet, die mit einer geringeren Temperatur an die Umgebung oder in eine nachgeschaltete Abgasanlage abgegeben werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Festoxid-Brennstoffzellenvorrichtung
- 2
- Brennstoffzellenstapel
- 3
- Brennstofftank
- 4
- Anodenzufuhrleitung
- 5
- Reformer
- 6
- Anodenrezirkulationsleitung
- 7
- Strahlpumpe
- 8
- Kathodenzufuhrleitung
- 9
- Verdichter
- 10
- Luftvorwärmer
- 11
- Nachbrenner
- 12
- Kathodenabgasleitung
- 13
- Abzweig
- 14
- Bypassleitung
- 15
- Regelventil
- 17
- Druckregelventil
- 18
- Rezirkulationsgebläse
- 19
- Ablassventil
- 20
- Kathodenbypass
- 21
- Bypassventil
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102017215514 A1 [0004]
- DE 102014219836 A1 [0004]
- DE 19637207 A1 [0005]
