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Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzellenvorrichtung mit mindestens einer Brennstoffzelle, an die eine Anodenversorgung angeschlossen ist, und an die eine Kathodenversorgung angeschlossen ist, wobei eine Versorgungsleitung der Anodenversorgung und/oder der Kathodenversorgung vorhanden ist, von welcher stromauf einer in die Versorgungsleitung eingebundenen Einrichtung an einer Abzweigung eine Bypassleitung abzweigt, die an einer stromab der Einrichtung gelegenen Mündung wieder in die Versorgungsleitung mündet.
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Brennstoffzellenvorrichtungen werden für die chemische Umsetzung eines Brennstoffs mit Sauerstoff zu Wasser genutzt, um elektrische Energie zu erzeugen. Hierfür enthalten Brennstoffzellen als Kernkomponente die sogenannte Membran-Elektroden-Einheit, die ein Verbund aus einer protonenleitenden Membran und jeweils einer, beidseitig an der Membran angeordneten Elektrode, nämlich Anode und Kathode ist.
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Im Betrieb der Brennstoffzellenvorrichtung mit einer Mehrzahl zu einem Brennstoffzellenstapel zusammengefasster Brennstoffzellen wird der Brennstoff, insbesondere Wasserstoff H2 oder ein wasserstoffhaltiges Gasgemisch der Anode zugeführt, wo eine elektrochemische Oxidation von H2 zu H+ unter Abgabe von Elektronen stattfindet. Über den Elektrolyten oder die Membran, welche die Reaktionsräume gasdicht voneinander trennt und elektrisch isoliert, erfolgt ein Transport der Protonen H+ aus dem Anodenraum in den Kathodenraum. Die an der Anode bereitgestellten Elektronen werden über eine elektrische Leitung der Kathode zugeleitet. Der Kathode wird Sauerstoff oder ein sauerstoffhaltiges Gasgemisch zugeführt, so dass eine Reduktion von O2 zu O2- unter Aufnahme der Elektronen stattfindet.
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Gleichzeitig reagieren im Kathodenraum diese Sauerstoffanionen mit den über die Membran transportierten Protonen unter Bildung von Wasser.
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In vielen Brennstoffzellenvorrichtungen sind Bypassleitungen vorhanden, um einen Medienstrom aufzuteilen, um dessen Eigenschaften an die Betriebsbedingungen der Brennstoffzelle anzupassen, insbesondere um den Medienstrom in gewünschter Weise vorzukonditionieren.
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Beispielsweise ist es aus der
KR 2012 00 56 599 A bekannt, einen Luftbefeuchterbypass einzusetzen, um die Luftfeuchtigkeit am Stapeleintritt des Brennstoffzellenstapels gezielt einstellen. Auch die
WO 2014 / 209 858 A1 beschreibt eine Aufteilung des frischen Kathodengasstroms, wovon ein erster Kathodengasteilstrom durch einen Befeuchter geleitet wird, und wovon ein dazu komplementärer zweiter Kathodengasteilstrom den Befeuchter umgeht, bevor diese stromab des Befeuchters wieder durchmischt werden.
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In der
WO 2021 / 058 372 A1 wird ein Förderaggregat für ein Brennstoffzellensystem beschrieben, welches in den Anodenkreislauf eingebunden werden kann, um unverbrauchten Brennstoff zu rezirkulieren.
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In der
DE 10 2018 201 259 A1 ist eine Brennstoffzellenvorrichtung beschrieben, die einen Befeuchterbypass auf ihrer Kathodenseite besitzt. Dabei ist in die Kathodenzufuhrleitung, stromab der Einmündung aus der Bypassleitung, eine Drosselklappe in die Kathodenzufuhrleitung integriert, die mit einer Verwirbelungsstruktur auf ihrem Klappenrücken versehen ist.
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In der
DE 10 2013 005 802 A1 wird eine Brennstoffzellenvorrichtung beschrieben, bei der ebenfalls eine Bypassleitung zur Umgehung eines Befeuchters in der Kathodenversorgung vorliegt. Hierbei ist stromauf der Mündung ein starrer Mischer in die Kathodenzufuhrleitung eingebunden. Stromab der Mündung kann dann optional ein weiterer starrer Mischer in die Kathodenzufuhrleitung eingebunden sein.
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Für die konstruktive Ausführung sind umfangreiche und aufwendige Berechnungen erforderlich, um eine ideale Vermischung trockener und befeuchteter Gase nach dem Befeuchter oder auch einer anderen Einrichtung, die umgangen werden soll, sicher zu stellen.
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Die Brennstoffzellenvorrichtung unterliegt während ihres Betriebs, insbesondere bei mobilen Anwendungen (wie beispielsweise in einem Kraftfahrzeug oder in einem Lastkraftwagen) sehr unterschiedlichen Betriebsbedingungen (Luftmassendurchsätze, Temperaturen etc.). Dies führt dazu, dass für die unterschiedlichen Betriebsbedingungen auch unterschiedliche Idealgeometrien für die strömungsführenden Bauteile durch die Bypassleitung und durch von der Bypassleitung umgangenen Einrichtung ergeben. Bei der Gestaltung dieser Bauteile wird deshalb oftmals ein Kompromiss eingegangen, was dazu führt, dass die Vermischung der beiden Medienteilströmen unter vielen Bedingungen nicht ideal ist.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Brennstoffzellenvorrichtung anzugeben, die den vorstehenden Nachteilen Rechnung trägt.
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Diese Aufgabe wird durch eine Brennstoffzellenvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Die erfindungsgemäße Brennstoffzellenvorrichtung ist mit mindestens einer Brennstoffzelle, vorzugsweise aber aus einem oder mehreren Brennstoffzellenstapel mit einer Mehrzahl an Brennstoffzellen gebildet. An die Brennstoffzelle oder an den Brennstoffzellenstapel ist eine Anodenversorgung und eine Kathodenversorgung angeschlossen, wobei eine Versorgungsleitung der Anodenversorgung und/oder der Kathodenversorgung vorhanden ist. Von der Versorgungsleitung zweigt stromauf einer in die Versorgungsleitung eingebundenen Einrichtung an einer Abzweigung eine Bypassleitung ab, die an einer stromab der Einrichtung gelegenen Mündung wieder in die Versorgungsleitung mündet. Erfindungsgemäß ist in die Versorgungsleitung an oder stromab der Mündung ein Mischelement zur Durchmischung eines durch die Bypassleitung strömenden ersten Medienteilstroms und eines durch die Einrichtung strömenden, insbesondere zum ersten Medienteilstrom komplementären, zweiten Medienteilstroms eingebunden.
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Damit ist der Vorteil gegeben, dass am Eintritt der Brennstoffzelle bzw. des Brennstoffzellenstapels ein gut durchmischter Medienstrom vorliegt, der zu einer guten Effizienz bei der Brennstoffzellenreaktion auch unter den unterschiedlichsten Betriebsbedingungen führt. Durch das Mischelement können lange Zulauf- bzw. Mischstrecken reduziert und ein kompakter Verbau ermöglicht werden. Insbesondere die Anströmlänge zwischen der Mündung und der Brennstoffzelle kann reduziert werden.
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Bei der Versorgungsleitung kann es sich vorzugsweise um eine Anodenzufuhrleitung der Anodenversorgung handeln. Hierbei ist bei der Brennstoffzellenvorrichtung beispielsweise eine Anodenrezirkulation vorhanden, so dass das Mischelement eine Durchmischung von nicht vollständig reagiertem Anodenabgas und von frischem Anodengas bewirkt.
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Bei der Versorgungsleitung kann es sich beispielsweise auch um eine kathodenseitige Abgasleitung handeln, wobei die Einrichtung ein Befeuchter ist, und wobei die Bypassleitung den Befeuchter umgeht. Auf diese Weise kann auch eine Befeuchtung des den Befeuchter ebenfalls durchströmenden Kathodenfrischgasstrom eingestellt werden, wobei das Mischelement das Abgas stromab des Befeuchters entsprechend durchmischt, bevor es an einen Nachbrenner oder an die Umgebung abgegeben wird.
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Es hat sich jedoch auch als vorteilhaft herausgestellt, wenn die Versorgungsleitung eine Kathodenzufuhrleitung der Kathodenversorgung ist, wenn die Bypassleitung eine Einrichtung in Form eines Befeuchters umgeht, wenn das Mischelement an oder stromab der Mündung zur Durchmischung eines frischen, unbefeuchteten Kathodengasteilstroms und eines frischen, befeuchteten Kathodengasteilstroms eingerichtet ist. Auf diese Weise kann der der Brennstoffzelle zugeführte Kathodengasstrom gezielt eingestellt werden, wobei eine gute Durchmischung von trockenem und feuchtem Kathodenfrischgas vorliegt.
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Eine besonders gute Durchmischung lässt sich erfindungsgemäß dadurch realisieren, dass das Mischelement als ein Lüfterrad mit einer Mehrzahl an Schaufeln gebildet ist.
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Um die Bauteilkomplexität zu reduzieren, hat es sich als sinnvoll erwiesen, wenn das Lüfterrad passiv drehbar gestaltet ist. Es ist erfindungsgemäß antriebsfrei und/oder lose gelagert. Je nach Durchströmung wird das Lüfterrad dabei in Rotation versetzt, erzeugt eine Verwirbelung und vermischt die beiden an der Mündung zusammengeführten Medienteilströme.
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Es ist die vorteilhafte Möglichkeit gegeben, dass ein Radlager des Lüfterrads reibungsbehaftet ausgeführt ist, um eine verlangsamte Radrotation zu erzielen. Dies dient der gezielten Einstellung einer geeigneten Durchmischung.
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Es ist ferner die vorteilhafte Möglichkeit gegeben, dass an der Mündung eine Düse vorliegt, die eingerichtet ist, den ersten Medienteilstrom in die Versorgungsleitung einzuspritzen. Durch dieses „Eindosieren“ lässt sich ebenfalls eine geeignete Durchmischung der beiden Medienteilströme bewirken.
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In diesem Zusammenhang ist es jedoch zu bevorzugen, wenn die Düse derart angeordnet ist, dass der erste Medienteilstrom auf die Schaufeln des Lüfterrads gerichtet ist. Durch den so gewählten Auftreff-Winkel des ersten Medienteilstroms auf die Schaufeln des Lüfterrads wird ein Strömungsimpuls hervorgerufen, wodurch die Rotation des Laufrades erhöht wird. Dies kann eine verbesserte Vermischung nach dem Mischelement bewirken.
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Alternativ oder ergänzend sind die Schaufeln des Lüfterrads aus elastisch nachgiebigen Material gebildet. Je nach Strömungsimpuls und Mediendurchsatz werden die Schaufeln unterschiedlich stark verformt und erzeugen dadurch bei wechselnder Beaufschlagung unterschiedliche Verwirbelungen. Dadurch wird die Durchmischung zusätzlich verbessert.
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In diesem Zusammenhang hat es sich als sinnvoll erwiesen, wenn die Schaufeln des Lüfterrads aus Gummi gebildet sind. Hierdurch lassen sich in Abhängigkeit der Betriebsbedingungen auch stärkere turbulente Strömungen und Verwirbelungen erzeugen, die zu einer sehr guten Durchmischung beitragen.
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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 zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung einer Brennstoffzellenvorrichtung mit einem insbesondere passiven Mischelement, und
- 2 eine perspektivische Ansicht auf die Versorgungsleitung, in welche ein, insbesondere als passives Lüfterrad gebildetes, Mischelement integriert ist.
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1 zeigt schematisch eine Brennstoffzellenvorrichtung 100 mit einem Brennstoffzellenstapel. Die Brennstoffzellenvorrichtung 100 umfasst als Kernkomponente einen Brennstoffzellenstapel, der eine Vielzahl von in Stapelrichtung angeordneten nicht näher dargestellten Brennstoffzellen 102 aufweist. Jeder Brennstoffzelle 102 ist jeweils ein Anodenraum sowie ein Kathodenraum zugeordnet, wobei die Anode und die Kathode durch eine ionenleitfähige Polymerelektrolytmembran voneinander getrennt sind. Zwischen zwei solchen Membranelektrodenanordnungen ist ferner jeweils eine nicht näher dargestellte Bipolarplatte angeordnet, welche der Zuführung der Reaktanten in die Anoden- und Kathodenräume dient und ferner die elektrische Verbindung zwischen den einzelnen Brennstoffzellen 102 herstellt.
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Um den Brennstoffzellenstapel mit den Reaktanten, also dem Kathodengas und dem Brennstoff zu versorgen, ist der Brennstoffzellenstapel 1 anodenseitig mit einer Anodenzufuhrleitung 104 zur Zuführung eines wasserstoffhaltigen Anodengases aus einem Brennstofftank verbunden. Der Anodenbetriebsdruck auf der Anodenseite des Brennstoffzellenstapels ist über ein Stellglied in der Anodenzufuhrleitung 104 einstellbar. Der Anodenzufuhrleitung 104 kann darüber hinaus eine rechteckig angedeutete Strahlpumpe zugeordnet bzw. in diese eingekoppelt sein. Anodenaustrittseitig ist eine Anodenabgasleitung vorhanden, die mit einer mit der Anodenzufuhrleitung 104 fluidmechanisch verbundenen Anodenrezirkulationsleitung zum Abtransport von nicht reagiertem Anodengas fluidmechanisch verbunden ist. Der Anodenrezirkulationsleitung ist zudem ein Rezirkulationsgebläse zugeordnet bzw. fluidmechanisch in die Anodenrezirkulationsleitung eingekoppelt, welches jedoch vorliegend nicht näher dargestellt ist. Zudem ist in der Anodenrezirkulationsleitung ein Abscheider, insbesondere ein Wasserabscheider vorhanden, dessen Abfluss entweder mit einer Abfuhrleitung verbunden ist, zum Abführen des abgeschiedenen Flüssigwassers aus der Brennstoffzellenvorrichtung 100. Alternativ kann der Abfluss der Abscheiders auch mittels einer nicht näher dargestellte Flüssigkeitszufuhrleitung mit einer Kathodenzufuhrleitung 108 stromauf eines Befeuchters 110 verbunden sein. Dies ermöglicht, das anodenseitig anfallende Flüssigwasser dem Befeuchter 110 zuzuführen.
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Kathodenseitig ist der Brennstoffzellenstapel mit einer Kathodenzufuhrleitung 108 verbunden zur Zuführung des sauerstoffhaltigen Kathodengases. Zur Förderung und Verdichtung des Kathodengases ist der Kathodenzufuhrleitung 108 ein Verdichter 128 angeordnet. In der dargestellten Ausgestaltung ist der Verdichter 128 als ein hauptsächlich elektromotorisch angetriebener Verdichter 128 ausgestaltet, dessen Antrieb über einen mit einer entsprechenden Leistungselektronik ausgestatteten, nicht näher dargestellten Elektromotor erfolgt.
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Über den Verdichter 128 wird das Kathodengas, welches aus der Umgebung angesaugt wurde, zu dem Befeuchter 110 geführt. Von der Kathodenzufuhrleitung 108 zweigt an einer Abzweigung 112 eine Bypassleitung 114 ab, in die ein Bypassstellglied 120 eingebunden ist. Mit diesem Stellglied kann der den Befeuchter 110 umgehende Anteil des frischen Kathodengases eingestellt werden. Während der den Befeuchter 110 umgehende erste Kathodengasteilstrom nicht befeuchtet wird, erfolgt eine Befeuchtung des zum ersten Kathodengasteilstrom komplementären zweiten Kathodengasteilstrom beim Durchlaufen des Befeuchters 110. Beide Teilströme werden an einer die Bypassleitung 114 mit der Kathodenzufuhrleitung 108 strömungsmechanisch verbindenen Mündung 116 wieder zusammengeführt, bevor sie der Brennstoffzelle 102 für die Brennstoffzellenreaktion zugeleitet werden.
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Flüssigwasser und nicht reagiertes Kathodengas wird über eine Kathodenabgasleitung zurück zum Befeuchter 110 geleitet, oder das nicht reagierte Kathodengas (insbesondere die Abluft) wird gegebenenfalls aus dem Kathodenräumen des Brennstoffzellenstapels zu einer nicht dargestellten Abgasanlage geführt. Der Befeuchter 110 weist einen Einlass zur Zuführung von trockenem frischem Kathodengas, einen Auslass für das befeuchtete frische Kathodengas, einen weiteren Einlass für ein feuchtes Kathodenabgas und einen weiteren Auslass für ein entfeuchtetes Kathodenabgas auf, wobei letzterer mit einer Befeuchterabfuhrleitung zum Ausleiten von entfeuchtetem Kathodenabgas fluidmechanisch verbunden ist.
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Um eine gleichmäßige Durchmischung des frischen, unbefeuchteten Kathodengasteilstroms und des frischen, befeuchteten Kathodengasteilstroms zu bewirken, ist ein Mischelement 118 an oder nahe der Mündung 116 in die Kathodenzufuhrleitung 108 eingebunden.
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Ausweislich von 2 ist vorliegend das Mischelement 118 als ein Lüfterrad 122 mit einer Mehrzahl an Schaufeln 124 gebildet. Das Lüfterrad 122 ist drehbar gelagert. Es lagert insbesondere antriebsfrei bzw. lose, so dass es als passives Bauteil in die Kathodenfrischgasleitung 108 eingebunden ist. In Abhängigkeit der Anströmgeschwindigkeit wird also auch das Lüfterrad 122 angetrieben, so dass es bei stärkerer Anströmung eine stärkere Durchmischung der Teilströme bewirkt als bei einer demgegenüber schwächeren Anströmung.
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Zurückkommend zu 1 ist vorliegend außerdem schematisch illustriert, dass an der Mündung 116 eine Düse 126 vorliegt, die eingerichtet ist, den über die Bypassleitung 114 strömenden Teilstrom in die Kathodenzufuhrleitung 108 einzuspritzen. Die Düse 126 ist dabei derart angeordnet, dass der eingespritzte Teilstrom auf die Schaufeln 124 des Lüfterrads 122 gerichtet ist.
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Um darüber hinaus zu gewährleisten, dass eine noch bessere Durchmischung erfolgt, sind die Schaufeln 124 des Lüfterrads 122 vorliegend außerdem aus elastisch nachgiebigen Material gebildet. Die Schaufeln 124 des Lüfterrads 122 sind beispielsweise aus Gummi gebildet. Der Einsatz eines nachgiebigen Metallblechs oder eines elastisch nachgiebigen Kunststoffs ist ebenfalls möglich.
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Im Ergebnis zeichnet sich die vorliegende Erfindung aus durch eine verbesserte Robustheit des Systembetriebs aufgrund der idealen Stapelanströmung. Dies führt zu einer Reduktion der erforderlichen Anströmlänge vor dem Stapel. Es liegt auch eine geringe Streuung der Luftfeuchte über die einzelnen Zellen des Stapels vor. Die Nutzung des Mischelements 118 bietet darüber hinaus mehr Freiheiten in der Bauraumanordnung der einzelnen Bauteile.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Brennstoffzellenvorrichtung
- 102
- Brennstoffzelle
- 104
- Anodenzufuhrleitung
- 106
- Abgasleitung
- 108
- Kathodenzufuhrleitung
- 110
- Befeuchter
- 112
- Abzweigung
- 114
- Bypassleitung
- 116
- Mündung
- 118
- Mischelement
- 120
- Bypassstellglied
- 122
- Lüfterrad
- 124
- Schaufel
- 126
- Düse
- 128
- Verdichter
