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Die Erfindung betrifft ein Anodensubsystem für ein Brennstoffzellensystem mit mindestens einer Brennstoffzelle gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Brennstoffzellensystem mit mindestens einer Brennstoffzelle und einem erfindungsgemäßen Anodensubsystem zur Versorgung der Brennstoffzelle mit Wasserstoff.
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Stand der Technik
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Wasserstoffbasierte Brennstoffzellensysteme gelten als Mobilitätskonzept der Zukunft, da sie im Wesentlichen nur Wasser emittieren und schnelle Betankungszeiten ermöglichen. Der Wasserstoff wird in einem Tank bevorratet, der an Bord eines Fahrzeugs mitgeführt wird. Der ferner benötigte Sauerstoff wird der Umgebungsluft entnommen. Wasserstoff und Sauerstoff reagieren in einer Brennstoffzelle zu Wasser bzw. Wasserdampf. Gleichzeitig wird durch elektrochemische Wandlung eine elektrische Leistung erzeugt.
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Die Wasserstoffversorgung einer Anode mindestens einer Brennstoffzelle in einem Brennstoffzellensystem erfolgt in der Regel über ein Anodensubsystem. Dieses umfasst einen Versorgungspfad, über den der mindestens einen Brennstoffzelle Wasserstoff zugeführt wird, ferner einen Rezirkulationspfad, über den aus der Brennstoffzelle austretender Wasserstoff rezirkuliert wird. Da in der Regel kein reiner Wasserstoff aus der Brennstoffzelle austritt, sondern ein Gasgemisch, das auch flüssiges Wasser enthalten kann, ist üblicherweise im Rezirkulationspfad ein Wasserabscheider integriert, über den flüssiges Wasser abgeschieden wird. Da das Gasgemisch neben Wasserstoff insbesondere Stickstoff enthalten kann, wird der Rezirkulationspfad zudem regelmäßig gespült. Hierzu wird ein Purge-Ventil geöffnet, über welches das Gasgemisch entweichen kann. Die verbleibende Gasmenge wird wieder in den Versorgungspfad eingeleitet.
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In einem Anodensubsystem der vorstehend genannten Art können sich im Betrieb und/oder im Abstellfall des Brennstoffzellensystems auch außerhalb des Wasserabscheiders Wasseransammlungen bilden. Diese können zu Problemen führen. Beispielsweise können sie -im Abstellfall- Probleme beim Wiederanlaufen des Systems verursachen. Ferner können Wasseransammlungen die Funktion von Komponenten, wie beispielsweise Sensoren, beeinträchtigen. Bei tiefen Außentemperaturen kann zudem das Wasser gefrieren und zu Schäden durch Eisdruck führen.
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Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, unerwünschte Wasseransammlungen in einem Anodensubsystem für ein Brennstoffzellensystem zu verhindern oder zumindest zu verringern.
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Zur Lösung der Aufgabe wird das Anodensubsystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen. Ferner werden ein Brennstoffzellensystem mit einem derartigen Anodensubsystem angegeben.
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Die Erfindung ist dabei nicht auf mobile Brennstoffzellensysteme beschränkt, sondern auch auf stationäre Brennstoffzellensysteme anwendbar.
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Offenbarung der Erfindung
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Vorgeschlagen wird ein Anodensubsystem für ein Brennstoffzellensystem mit mindestens einer Brennstoffzelle, das einen Versorgungspfad zur Versorgung der Brennstoffzelle mit Wasserstoff und einen Rezirkulationspfad zur Rezirkulation eines aus der Brennstoffzelle austretenden, Wasser und Wasserstoff enthaltenden Gasgemischs umfassend. Dabei ist Im Rezirkulationspfad ein Wasserabscheider angeordnet und der Rezirkulationspfad ist stromabwärts des Wasserabscheiders über eine Strahlpumpe an den Versorgungspfad angebunden. Erfindungsgemäß ist der Versorgungspfad an seinem tiefsten Punkt über eine Verbindungsleitung mit dem Wasserabscheider verbunden.
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Das vorgeschlagene Anodensubsystem ist demnach derart ausgelegt, dass sich im Versorgungspfad befindliches Wasser am tiefsten Punkt sammelt und über die vorgeschlagene Verbindungsleitung dem Wasserabscheider zugeführt werden kann. Über den Wasserabscheider kann dann das Wasser aus dem Anodensubsystem entfernt werden, so dass dieses nicht mehr gefrieren und zu Eisdruckschäden führen kann. Am „tiefsten Punkt“ bedeutet an der geodätisch tiefsten Stelle, an der sich bei abgeschalteter Strahlpumpe das Wasser schwerkraftgetrieben sammelt. Um die Schwerkraft optimal nutzen zu können, wird ferner vorgeschlagen, dass die Verbindungsleitung, ausgehend vom tiefsten Punkt des Versorgungspfads bis zum Wasserabscheider, ein Gefälle aufweist. Das Gefälle ist jedoch nicht zwingend erforderlich, da im Betrieb der Strahlpumpe der Druck im Versorgungspfad in der Regel höher als der Druck im Rezirkulationspfad ist, so dass bereits über das vorhandene Druckgefälle Wasser aus dem Versorgungspfad in den Wasserabscheider ausgeschoben wird.
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Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass der Wasserabscheider zum Sammeln des abgeschiedenen Wassers einen Wasserbehälter umfasst oder mit einem Wasserbehälter verbunden ist. Das gesammelte Wasser kann in diesem Fall einer weiteren Nutzung zugeführt werden, beispielsweise zum Befeuchten eines Reaktionsgases des Brennstoffzellensystems.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die Strahlpumpe einen ersten Anschluss für den Rezirkulationspfad und einen zweiten Anschluss für den Versorgungspfad auf, wobei der erste Anschluss oberhalb des zweiten Anschlusses gelegen ist. Das heißt, dass die Strahlpumpe von oben nach unten durchströmt wird. Dadurch ist sichergestellt, dass sich kein Wasser innerhalb der Strahlpumpe ansammeln kann.
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Ferner bevorzugt weist die Strahlpumpe einen dritten Anschluss zur Anbindung an einen Wasserstoff-Zulaufpfad auf. Innerhalb der Strahlpumpe vermischt sich demnach der Rezirkulationsstrom mit frischem Wasserstoff. Vorzugsweise ist der dritte Anschluss für den Wasserstoff-Zulaufpfad oberhalb des ersten Anschlusses für den Rezirkulationspfad angeordnet. Der Rezirkulationsstrom wird in diesem Fall von dem Zulaufstrom mitgerissen. Der erste Anschluss ist hierzu bevorzugt seitlich angeordnet.
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Zur optimalen Nutzung der Schwerkraft wird ferner vorgeschlagen, dass in eingebautem Zustand der Wasserabscheider am tiefsten Punkt bzw. an der geodätisch tiefsten Stelle des Anodensubsystems angeordnet ist. Auf diese Weise kann Wasser sowohl aus dem Versorgungspfad als auch aus dem Rezirkulationspfad schwerkraftgetrieben in Richtung des Wasserabscheiders abgeführt werden. Das heißt, dass der Versorgungspfad und der Rezirkulationspfad jeweils vollständig oberhalb des Wasserabscheiders zu liegen kommen, so dass in diesen Pfaden vorhandenes Wasser schwerkraftgetrieben oder schwerkraftunterstützt in Richtung des Wasserabscheiders strömt. Wasseransammlungen und die damit zusammenhängenden Probleme werden somit vermieden.
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Bevorzugt ist in die Verbindungsleitung, die vom tiefsten Punkt des Versorgungspfads zum Wasserabscheider führt, eine Drossel integriert. Die Drossel ermöglicht die Einstellbarkeit und damit Reduzierung der parasitären Ströme zurück in den Wasserabscheider. Auf diese Weise kann die Effizienz des Systems gesteigert werden.
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Alternativ oder ergänzend wird vorgeschlagen, dass in die Verbindungsleitung ein Ventil integriert ist. Das Ventil ermöglicht ebenfalls die Einstellbarkeit und damit Reduzierung der parasitären Ströme zurück in den Wasserabscheider. Auf diese Weise kann demnach die Effizienz des Systems weiter gesteigert werden. Dies gilt insbesondere, wenn -gemäß einer bevorzugten Ausführungsform- das Ventil als passives Ventil ausgebildet ist. Beispielsweise kann das passive Ventil derart ausgelegt sein, dass es im Förderbetrieb der Strahlpumpe gegen die Federkraft einer Feder schließt. In Ruhestellung, das heißt bei abgestellter Strahlpumpe, wird das Ventil von der Feder offengehalten. Im Versorgungspfad vorhandenes Wasser kann somit ungehindert in Richtung Wasserabscheider ablaufen.
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Vorteilhafterweise ist im Rezirkulationspfad, vorzugsweise zwischen dem Wasserabscheider und der Strahlpumpe, ein Gebläse angeordnet. Das Gebläse unterstützt die Rezirkulation im Rezirkulationspfad.
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Des Weitere wird vorgeschlagen, dass der Wasserabscheider, vorzugsweise der Wasserbehälter des Wasserabscheiders, an eine Gasleitung mit integriertem Purge-Ventil und/oder an eine Wasserleitung mit integriertem Drain-Ventil angeschlossen ist. Über die Gasleitung mit integriertem Purge-Ventil kann dann der Rezirkulationspfad gespült werden, um beispielsweise die Stickoxidkonzentration zu reduzieren. Über die Wasserleitung mit integriertem Drain-Ventil kann der Wasserbehälter des Wasserabscheiders geleert werden.
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Das darüber hinaus zur Lösung der eingangs genannten Aufgabe vorgeschlagene Brennstoffzellensystem zeichnet sich dadurch aus, dass es neben mindestens einer Brennstoffzelle und ein erfindungsgemäßes Anodensubsystem zur Versorgung der Brennstoffzelle mit Wasserstoff umfasst. Die Vorteile des erfindungsgemäßen Anodensubsystems erstrecken sich auch auf das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:
- 1 einen schematischen Schnitt durch ein erstes erfindungsgemäßes Anodensubsystem,
- 2 einen schematischen Schnitt durch ein zweites erfindungsgemäßes Anodensubsystem,
- 3 einen vergrößerten Ausschnitt der 2,
- 4 einen schematischen Schnitt durch ein drittes erfindungsgemäßes Anodensubsystem, während des Betriebs einer Strahlpumpe,
- 5 einen vergrößerten Ausschnitt der 4,
- 6 einen schematischen Schnitt durch das Anodensubsystem der 4, jedoch bei abgestellter Strahlpumpe, und
- 7 einen vergrößerten Ausschnitt der 6.
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Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
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Das in der 1 dargestellte erfindungsgemäße Anodensubsystem 1 dient der Versorgung mindestens einer Brennstoffzelle 2 eines Brennstoffzellensystems mit Wasserstoff. Es umfasst hierzu einen Versorgungspfad 3, der über eine Strahlpumpe 7 einerseits mit einem Wasserstoff-Zulaufpfad 8 und andererseits mit einem Rezirkulationspfad 4 verbunden ist. Dem Versorgungspfad 3 ist somit über den Wasserstoff-Zulaufpfad 8 frischer Wasserstoff und über den Rezirkulationspfad 4 rezirkulierter Wasserstoff zuführbar. Die Menge an frischem Wasserstoff ist über ein in den Wasserstoff-Zulaufpfad 8 integriertes Wasserstoff-Ventil 18 steuerbar.
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In den Rezirkulationspfad 4 ist ein Wasserabscheider 5 integriert, der einen Wasserbehälter 6 umfasst. Über eine von unten herangeführte Wasserleitung 16 mit integriertem Drain-Ventil 17 kann der Wasserbehälter 6 entleert werden. Über eine seitlich an den Wasserbehälter 6 herangeführte Gasleitung 14 mit integriertem Purge-Ventil 15 kann ein Stickstoff enthaltenes Gasgemisch aus dem Rezirkulationspfad 4 abgeführt bzw. der Rezirkulationspfad 4 gespült werden. Dies ist von Zeit zu Zeit notwendig, da im Betrieb des Brennstoffzellensystems mit dem Wasserstoff auch Stickstoff sowie flüssiges Wasser aus der Brennstoffzelle 2 austritt. Das flüssige Wasser wird über den Wasserabscheider 5 abgeschieden und im Wasserbehälter 6 gesammelt, der Stickstoff wird über die Spülmenge entfernt.
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In den Rezirkulationspfad 4 ist ferner ein Gebläse 13 integriert, mit dessen Hilfe der aus der Brennstoffzelle 2 austretende Wasserstoff optimal rezirkuliert werden kann.
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Da grundsätzlich an jeder Stelle im Anodensubsystem 1 Wasser an- bzw. ausfallen kann, so dass sich unerwünschte Wasseransammlungen bilden können, weist das in der 1 dargestellte Anodensubsystem 1 an seiner geodätisch tiefst gelegenen Stelle den Wasserabscheider 5 mit dem Wasserbehälter 6 auf. Dieser ist über eine stetig ansteigende Verbindungsleitung 9 mit dem Versorgungspfad 3 verbunden, und zwar an dessen tiefsten Stelle. Dadurch ist sichergestellt, dass im Versorgungspfad 3 an- bzw. ausfallendes Wasser selbst bei abgestellter Strahlpumpe 7 schwerkraftgetrieben in den Wasserbehälter 6 läuft. Unerwünschte Wasseransammlungen werden somit vermieden.
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Den 2 und 3 ist eine Weiterbildung des Anodensubsystems 1 der 1 zu entnehmen. Im Unterschied zur 1 ist in die Verbindungsleitung 9 eine Drossel 10 integriert. Die Drossel 10 führt zu einem kontrollierten Ablaufen von Wasser, das in der Strahlpumpe 7 oder stromabwärts der Strahlpumpe 7 im Versorgungspfad 3 an- bzw. ausfällt. Auf diese Weise werden parasitäre Ströme, insbesondere während des Betriebs der Strahlpumpe 7 reduziert. Im Ergebnis wird somit die Effizienz des Systems gesteigert.
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Den 4 bis 7 ist eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Anodensubsystems 1 zu entnehmen. Anstelle einer Drossel 10 gemäß der in den 2 und 3 dargestellten Ausführungsform ist hier ein passives Ventil 11 in die Verbindungsleitung 9 integriert. Das Ventil 11 öffnet und schließt druckgesteuert.
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Im Betrieb der Strahlpumpe 7 (4 und 5) steigt der Druck im Versorgungspfad 3 an, so dass ein Druckgefälle zwischen dem Versorgungspfad 3 und dem Rezirkulationspfad 4 herrscht, der das Ventil 11 entgegen der Federkraft einer Feder 12 schließt. Parasitäre Ströme in Richtung des Wasserabscheiders 5 bzw. des Wasserbehälters 6 werden somit vollständig unterbunden, so dass die Effizienz des Systems weiter steigt.
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Bei abgestellter Strahlpumpe 7 (6 und7) herrscht kein Druckgefälle, welches das Ventil 11 geschlossen hält, so dass die Feder 12 das Ventil 11 öffnet und im Versorgungspfad 3 vorhandenes Wasser schwerkraftgetrieben in den Wasserbehälter 6 abfließen kann.
