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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems sowie ein Brennstoffzellensystem, das zur Durchführung des Verfahrens geeignet bzw. nach dem Verfahren betreibbar ist.
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Stand der Technik
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Brennstoffzellen wandeln einen Brennstoff, beispielsweise Wasserstoff, und Sauerstoff in elektrische Energie, Wärme und Wasser. Als Sauerstofflieferant kann Luft, insbesondere Umgebungsluft, dienen. Die Luft wird über einen Zuluftpfad einer Kathode der Brennstoffzellen zugeführt. Da der Energiewandlungsprozess einen gewissen Luftmassenstrom und ein gewisses Druckniveau erfordert, wird die kathodenseitig zugeführte Luft zuvor mit Hilfe eines im Zuluftpfad angeordneten Luftverdichters verdichtet. Vor dem Eintritt in die Brennstoffzellen wird die Luft zudem befeuchtet, um ein Austrocknen der Membranen der Brennstoffzellen zu verhindern. Andernfalls besteht die Gefahr, dass die Brennstoffzellen beschädigt werden.
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Zum Befeuchten kann ein Gas-zu-Gas Membran-Befeuchter eingesetzt werden, der Wasser, insbesondere Produktwasser, das im Betrieb der Brennstoffzellen anfällt, von der Austrittsseite auf die Eintrittsseite der Brennstoffzellen transportiert. Da die Austauschflächen groß sein müssen, um den geforderten Wassermassenstrom zu transportieren, ist der Bauraumbedarf eines solchen Befeuchters recht groß. Zudem kann nur dann Wasser transferiert werden, wenn auf der Austrittsseite ausreichend Wasser vorhanden ist. Da immer Wasser in den Austauschregionen verbleibt, kann dies bei Frost zu Schäden aufgrund Eisdruck führen. Darüber hinaus gibt es bei derartigen Befeuchtern keine Eingriffsmöglichkeit, die Wasserübertragung direkt zu kontrollieren. Typischerweise ist hierfür ein Bypasskanal auf einer der beiden Seiten vorgesehen, welcher mittels einer Bypassklappe eine Einstellung der Feuchtigkeit am Eintritt der Brennstoffzellen erlaubt. Dieses Konzept genau einzuregeln, ist vergleichsweise schwierig und demzufolge aufwendig.
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Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Konzept zum Befeuchten der Luft in einem Zuluftpfad eines Brennstoffzellensystems bereitzustellen, das eine genaue Einstellung der Eintrittsfeuchte der Luft ermöglicht und zudem einfach umzusetzen ist.
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Zur Lösung der Aufgabe werden das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie das Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Anspruchs 7 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den jeweiligen Unteransprüchen zu entnehmen.
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Offenbarung der Erfindung
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Vorgeschlagen wird ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems, das mindestens eine Brennstoffzelle umfasst. Der Brennstoffzelle wird über einen Zuluftpfad Luft zugeführt, die vor ihrem Eintritt in die Brennstoffzelle mit Hilfe eines in den Zuluftpfad integrierten Luftverdichters verdichtet und mit Hilfe einer stromabwärts des Luftverdichters in den Zuluftpfad integrierten Ventileinheit befeuchtet wird. Der Ventileinheit wird hierzu mittels einer Pumpe Wasser aus einem Tank zugeführt.
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Mit Hilfe der Ventileinheit kann das Wasser als Spray eingebracht werden. Das heißt, dass das Wasser in Form feinster Tröpfchen eingebracht wird, die ein Verdampfen des Wassers erleichtern. Zugleich wird auf diese Weise eine gute Verteilung des Wassers im Zuluftpfad erreicht. Sofern das Wasser unmittelbar nach dem Verdichten eingebracht wird, kann der Drall am Austritt des Luftverdichters zur optimalen Vermischung des Wassers und der Luft genutzt werden. Zugleich ist unmittelbar nach dem Verdichten die Luft so stark erwärmt, dass das mit Hilfe der Ventileinheit eingebrachte Wasser direkt verdampft.
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Damit das Wasser in Form kleinster Tröpfchen eingebracht werden kann, ist ein gewisser Wasserdruck erforderlich, der mit Hilfe der Pumpe erzeugt werden kann. Vorzugsweise wird eine Pumpe verwendet, die ein Rücksaugen von Wasser ermöglicht, um im Gefrierfall die Ventileinheit zu entleeren.
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Bevorzugt wird mit Hilfe der Pumpe das Wasser auf ein Druckniveau gefördert, das über dem Gasdruck im Zuluftpfad liegt. Das Wasser kann somit beim Einbringen in den Zuluftpfad mit Hilfe der Ventileinheit fein zerstäubt werden.
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Ferner bevorzugt wird der mit Hilfe der Ventileinheit einzubringende Wassermassenstrom anhand der geforderten Eintrittsfeuchte bei einem gegebenen Luftmassenstrom, einem gegebenen Druck und einer gegebenen Temperatur berechnet. Auf diese Weise kann der einzubringende Wassermassenstrom genau bestimmt werden, so dass zum Einen sichergestellt ist, dass die der Brennstoffzelle zugeführte Luft ausreichend befeuchtet ist, und zum Anderen vermieden wird, dass die der Brennstoffzelle zugeführte Luft noch flüssiges Wasser enthält.
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Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass die verdichtete und befeuchtete Luft vor ihrem Eintritt in die Brennstoffzelle mit Hilfe eines in den Zuluftpfad integrierten Wärmetauschers auf eine geforderte Solltemperatur gebracht wird. Mit Hilfe des Wärmetauschers kann die sich beim Verdichten sehr stark erwärmende Luft insbesondere gekühlt werden. Da die Luft nach dem Luftverdichter bereits durch das eingebrachte Wasser gekühlt wird, kann der nachfolgende Wärmetauscher vergleichsweise klein dimensioniert werden. Entsprechend sinkt der Bauraumbedarf des Wärmetauschers.
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Vorteilhafterweise wird zur Optimierung der Feuchteverteilung die verdichtete und befeuchtete Luft über eine Mischstrecke geführt. Je nach Länge der Mischstrecke kann auf diese Weise zugleich sichergestellt werden, dass am Ende der Mischstrecke der verbliebene Flüssigwasseranteil auf ein tolerierbares Niveau abgesunken ist. Bevorzugt ist die Mischstrecke zwischen der Ventileinheit und dem Wärmetauscher in den Zuluftpfad integriert. Ein in der Luft verbliebener Flüssigwasseranteil am Ende der Mischstrecke kann dann beim Durchströmen des Wärmetauschers verdunsten.
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Im Gefrierfall wird bzw. werden die Ventileinheit und/oder eine die Ventileinheit mit dem Tank verbindende Wasserleitung entleert. Auf diese Weise können Schäden durch Eisdruck verhindert werden. Die Entleerung kann beispielsweise durch Rücksaugen von Wasser mit Hilfe der Pumpe bewirkt werden. Alternativ oder ergänzend können die wasserführenden Komponenten als eisdruckfest und/oder beheizbar ausgeführt sein.
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Das darüber hinaus zur Lösung der eingangs genannten Aufgabe vorgeschlagene Brennstoffzellensystem umfasst mindestens eine Brennstoffzelle, der über einen Zuluftpfad Luft zuführbar ist. In den Zuluftpfad sind ein Luftverdichter zum Verdichten der Luft und stromabwärts des Luftverdichters eine Ventileinheit zum Befeuchten der Luft integriert. Die Ventileinheit ist dabei über eine Wasserleitung und eine Pumpe mit einem Tank zur Bevorratung von Wasser verbunden.
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Das vorgeschlagene Brennstoffzellensystem weist somit alle Komponenten auf, die zur Durchführung des zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens erforderlich sind. Dementsprechend kann das vorgeschlagene Brennstoffzellensystem nach einem solchen Verfahren betrieben werden. Mit Hilfe des Brennstoffzellensystems sind demnach die gleichen Vorteile wie mit Hilfe des zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens erreichbar. Insbesondere kann beim Einbringen von Wasser in den Zuluftpfad mit Hilfe der Ventileinheit eine feine Zerstäubung erzielt werden, die zur Ausbildung kleinster Tröpfchen führt. Diese fördern ein schnelles Verdampfen, so dass sich die Feuchtigkeit gleichmäßig im Zuluftpfad verteilt. Die Ausbildung kleinster Tröpfchen wird ferner dadurch unterstützt, dass mit Hilfe der Pumpe das dem Tank entnommene Wasser auf ein bestimmtes Druckniveau gefördert wird.
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Bevorzugt ist stromabwärts der Ventileinheit ein Wärmetauscher in den Zuluftpfad integriert. Mit Hilfe des Wärmetauschers kann die Luft vor dem Eintritt in die Brennstoffzelle auf eine geforderte Solltemperatur gebracht werden. Zudem kann beim Durchströmen des Wärmetauschers restliches in der Luft vorhandenes Flüssigwasser verdampfen. Der Wärmetauscher unterstützt somit ein vollständiges Verdampfen des eingebrachten Wassers.
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Des Weiteren bevorzugt ist stromabwärts der Ventileinheit eine Mischstrecke in den Zuluftpfad integriert. Die Mischstrecke optimiert die Durchmischung des Wassers mit der Luft. Auf diese Weise kann insbesondere eine gute Feuchteverteilung erzielt werden. Die Mischstrecke ist vorzugsweise zwischen der Ventileinheit und dem Wärmetauscher angeordnet. Sofern beim Durchströmen der Mischstrecke das eingebrachte Wasser nicht vollständig verdampft ist, kann restliches Flüssigwasser noch im Wärmetauscher verdunsten.
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Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Diese zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems.
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Ausführliche Beschreibung der Zeichnung
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Das in der Figur dargestellte Brennstoffzellensystem 1 umfasst mindestens eine Brennstoffzelle 2 mit einer Kathode 11 und einer Anode 12. Der Kathode 11 ist über einen Zuluftpfad 3 Luft zuführbar. Die Anode 12 ist über einen nicht näher dargestellten Anodenkreis mit einem Brennstoff, insbesondere Wasserstoff, versorgbar. Die Brennstoffzelle 2 weist ferner einen Anschluss 13 an einen Kühlkreis auf, so dass hierüber die Abwärme der Brennstoffzelle 2 abführbar ist. Darüber hinaus ist ein Anschluss 14 für nicht näher dargestellte elektrische Komponenten vorgesehen.
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Die der Brennstoffzelle 2 über den Zuluftpfad 3 zugeführte Luft wird der Umgebung entnommen und über einen Luftfilter 21 einem in den Zuluftpfad 3 integrierten Luftverdichters 4 zugeführt. Mit Hilfe des Luftverdichters 4 wird die Luft verdichtet, wobei sich die Luft erwärmt. Mit Hilfe einer stromabwärts des Luftverdichters 4 im Zuluftpfad 3 angeordneten Ventileinheit 5 wird anschließend Wasser in den Zuluftpfad 3 eingedüst, um die Luft zu befeuchtet. Die Ventileinheit 5 ist hierzu über eine Wasserleitung 10 und eine Pumpe 6 mit einem Tank 7 verbunden, in dem Wasser bevorratet wird. Hierbei kann es sich insbesondere um deionisiertes Wasser handeln. Dadurch, dass eine Ventileinheit 5 zum Befeuchten der Luft im Zuluftpfad 3 verwendet wird, kann das Wasser beim Einbringen sehr fein zerstäubt werden. Das heißt, dass kleinste Tröpfchen gebildet werden, die in der erwärmten Luft leicht verdampfen und somit gleichmäßig verteilen. Um die Durchmischung zu fördern, bildet der Zuluftpfad 3 stromabwärts der Ventileinheit 5 eine Mischstrecke 9 aus. Diese führt zu einem Wärmetauscher 8, mit dessen Hilfe die Temperatur der verdichteten und befeuchteten Luft vor ihrem Eintritt in die Brennstoffzelle 2 eingestellt werden kann.
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Aus der Brennstoffzelle 2 austretende Luft bzw. Abluft wird über einen Abluftpfad 15 einer Turbine 16 zugeführt, um einen Teil der zuvor beim Verdichten eingebrachten Energie zurückzugewinnen. Vor dem Eintritt der Abluft in die Turbine 16 wird ihr mit Hilfe eines in den Abluftpfad 15 integrierten Wasserabscheiders 17 Wasser entzogen. Diese Maßnahme dient dem Schutz der Turbine 16. Stromabwärts der Turbine 16 wird die Abluft über ein Abluftentsorgungssystem 22 wieder an die Umgebung abgeführt.
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Zur Umgehung der Brennstoffzelle 2 sind der Zuluftpfad 3 und der Abluftpfad 15 über ein Bypassventil 18 verbindbar. Um bei Stillstand des Brennstoffzellensystems 1 den Eintritt von Luft bzw. Sauerstoff in die Kathode 11 zu verhindern, ist im Zuluftpfad 3 ein Absperrventil 19 vorgesehen. Ein weiteres Absperrventil 20 ist in den Abluftpfad 15 integriert.
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Alternativ zur Darstellung der Figur kann die Ventileinheit 5 auch außerhalb der Mischstrecke 9 angeordnet werden. Das mittels der Ventileinheit 5 fein zerstäubte Wasser wird der Luft zugemischt und geht in feuchte Luft über. Dabei kühlt die Luft ab. Dies ist den Vorteil, dass der nachfolgende Wärmetauscher 8 kleiner ausgelegt werden kann, da er weniger Kühlleistung zur Verfügung stellen muss. Bei niedrigen Lastpunkten und/oder bei tiefen Umgebungstemperaturen muss mit Hilfe des Wärmetauschers 8 jedoch unter Umständen zugeheizt werden.
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Die Regelung der Sollfeuchte am Eintritt der Brennstoffzelle 2 ist mit Hilfe eines variabel einstellbaren Wassermassenstroms an der Ventileinheit 5 vergleichsweise einfach zu bewerkstelligen. Auf diese Weise kann in jedem Lastzustand optimal Wasser zudosiert und die jeweilige Sollfeuchte eingestellt werden. Im Gefrierfall wird das Wasser aus der Ventileinheit 5 und der Wasserleitung 10 mit Hilfe der Pumpe 6 in den Tank 7 zurückgesaugt, der vorzugsweise eisdruckfest und/oder beheizbar ist. Die Mischstrecke 9 kann in der einfachsten Ausführung ein einfaches Rohr sein. Um die Verteilung der Wassertropfen zu fördern, können Einbauten (nicht dargestellt) vorgesehen sein, die zu einer Verwirbelung der hindurchströmenden Luft führen.
