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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 Brennstoffzelle 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 von 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 schwierig und demzufolge aufwendig.
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Als Alternative kann auch mittels Spraydosierung befeuchtet werden. Dabei ist aber zu beachten, dass die Luft ausreichend erwärmt ist. Bei hohen Lastpunkten geschieht das durch die Verdichtungsarbeit des Kompressors. Bei niedrigen Lastpunkten reicht diese Wärme nicht aus, die Luft wird durch das zusätzliche Wasser abgekühlt und muss anschließend wieder in einem Wärmeübertrager auf die Solltemperatur gebracht werden. Dabei muss auch flüssiges Wasser verdampft werden, um die dazu passende Soll-Feuchte zu erreichen. Dieser Konditionierer benötigt viel Bauraum und ist schwierig in der Auslegung.
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Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Konzept zum Befeuchten der Luft in einem Zuluftpfad eines Brennstoffzellensystems bereitzustellen, dass eine genaue Einstellung der Eintrittsfeuchte und Eintrittstemperatur 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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Das erfindungsgemäße Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruches 1 und das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruches 7 haben den Vorteil, dass bei allen Betriebspunkten des Luftverdichters sichergestellt werden kann, dass das Wasser bei der Einspritzung in den Zuluftpfad verdampft.
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Es wird vermieden, dass bei niedrigen Lastpunkten die Luft im Zuluftpfad abgekühlt wird. Des Weiteren wird durch das erfindungsgemäße Verfahren vermieden, dass die Luft im Zuluftpfad anschließend im Wärmeübertrager auf die Solltemperatur gebracht werden muss. Da kein flüssiges Wasser im Zuluftpfad entsteht, muss dieses auch nicht im Wärmetauscher verdampft werden, um die dazu passende Soll-Feuchte zu erreichen. Dies resultiert in einer hohen Energieeinsparung. Des Weiteren kann der Wärmetauscher vor der Brennstoffzelle kleiner ausgelegt werden, so dass Kosten und Bauraum eingespart werden können.
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Um sicherzustellen, dass das Wasser in bestimmten Betriebspunkten, insbesondere bei einem niedrigen Lastpunkt des Luftverdichters, dampfförmig eingespritzt wird bzw. bei der Einspritzung verdampft, wird das Wasser für die Einspritzung auf einen höheren Druck gebracht, sodass der Siedepunkt des Wassers oberhalb des entsprechenden Wassers in der verdichteten Luft im Zuluftpfad stromabwärts des Luftverdichters liegt. Hier ist ein Luftdruck oberhalb von ca. 3 bar besonders vorteilhaft.
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Bevorzugt wird mit Hilfe der Pumpe das Wasser aus dem Tank auf ein Druckniveau für die Einspritzung gefördert, das über dem Gasdruck im Zuluftpfad liegt. Das Wasser kann somit beim Einbringen in den Zuluftpfad mit Hilfe der mindestens einen Ventileinheit fein zerstäubt werden.
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Des Weiteren kann das verdichtete Wasser in der ersten Leitung auf eine Temperatur gebracht werden, die oberhalb der Siedetemperatur des Wassers in der verdichteten Luft im Zuluftpfad stromabwärts des Luftverdichters liegt. Das verdichtete Wasser wird folglich in der ersten Leitung auf eine Temperatur erwärmt, welche höher ist, als die Siedetemperatur von Wasser bei einem Druck, der dem aktuellen Druck der verdichteten Luft im Zuluftpfad stromabwärts des Luftverdichter entspricht.
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Auf diese Weise kann die Ventileinheit heißes, aber flüssiges (und daher gut zu dosierendes) Wasser in die Luft der Zuluftpfades dosieren. Durch die Entspannung über die Ventileinheit verdampft das Wasser, sodass die Feuchtigkeitszuführung dampfförmig erfolgt. Durch die dampfförmige Zuführung steigt die Temperatur im Kathodengas an.
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Bei hohen Lastpunkten kann weiterhin nicht erhitztes Wasser zudosiert werden.
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Es ist von Vorteil, wenn die zur Erwärmung des Wassers benötigte Energie mittels einer Heatpipe vom Luftverdichter bereitgestellt wird, da auf diese Weise bereits vorhandene Wärmeenergie kostengünstig zum Erwärmen des Wassers genutzt werden kann.
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Eine Heizung zum Erwärmen des Wassers ist eine einfache und deshalb vorteilhafte Alternative, falls die durch die Heatpipe zur Verfügung gestellte Energie nicht ausreicht.
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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 Verdichter die Luft so stark erwärmt, dass das mit Hilfe der Ventileinheit eingebrachte Wasser direkt verdampft.
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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 mindestens einen 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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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.
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Ein besonderer Vorteil ergibt sich, wenn eine zweite Ventileinheit über eine zweite Leitung mit der Pumpe und dem Tank verbunden ist, da Wasser über die zweite Ventileinheit bei hohen Lastpunkten des Luftverdichters, in denen das Wasser nicht erwärmt werden muss, über die zweite Ventileinheit eingespritzt werden kann.
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Bevorzugt ist stromabwärts der mindestens einen 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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Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,
- 2 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel,
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In der 1 ist eine schematische Topologie eines Brennstoffzellensystem 1 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt mit mindestens einem Brennstoffzellenstack 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 erste Leitung 30 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.
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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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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.
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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 kann ihr mit Hilfe eines in den Abluftpfad 15 integrierten Wasserabscheiders 17 Wasser entzogen. Diese Maßnahme dient dem Schutz der Turbine 16.
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Alternativ zur Darstellung der 1 kann die Ventileinheit 5 auch innerhalb der Mischstrecke 9 angeordnet werden.
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Das mittels der Ventileinheit 5 fein zerstäubte Wasser wird der Luft zugemischt und geht in feuchte Luft über. Dabei kühlt die Luft ab.
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Die erste Leitung 30 weist eine Heizvorrichtung 33 auf, welche zwischen der Pumpe 6 und der Ventileinheit 5 angeordnet ist. Die Heizvorrichtung 33 dient dazu, dass Wasser zu erwärmen.
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Die Heizvorrichtung 33 kann als Heatpipe 31 ausgebildet sein, wobei die Heatpipe 31 thermische Energie von einer Wärmequelle in das Wasser der ersten Leitung 30 transportiert. Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung kann das zur Erhitzung des Wassers in der ersten Leitung 30 notwendige Temperaturniveau mittels der Heatpipe 31 vom Luftverdichter 4 bereitgestellt werden. Alternativ kann die Heatpipe 31 mit anderen warmen Bauteilen innerhalb des Brennstoffzellensystems 1 verbunden sein.
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In einer alternativen Ausführungsform kann eine elektrische Zusatzheizung 32 innerhalb der ersten Leitung 30 angeordnet sein, um das Wasser zu erwärmen. Diese elektrische Zusatzheizung kann auch zur Unterstützung der Heatpipe 31 dienen, falls das zur Verfügung gestellte Temperaturniveau durch die Heatpipe 31 nicht zum Erhitzen des Wassers in der ersten Leitung 30 ausreicht.
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Folglich kann die Heizvorrichtung 33 als Heatpipe 31 und/oder als elektrische Heizung 32 ausgebildet sein.
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Dass Wasser in der ersten Leitung 30 wird erwärmt, wenn die Temperatur der verdichteten Luft im Zuluftpfad 3 stromabwärts des Luftverdichters 4 unterhalb eines geforderten Temperaturniveaus liegt.
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Die Temperatur der verdichteten Luft im Zuluftpfad 3 stromabwärts des Luftverdichters 4 kann mit Hilfe von Temperatursensoren im Zuluftpfad 3 bestimmt werden. Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird die Temperatur der verdichteten Luft im Zuluftpfad 3 stromabwärts des Luftverdichters 4 anhand des Lastpunktes des Luftverdichters 4 bestimmt wird.
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Das Wasser in der ersten Leitung 30 wird mit Hilfe der Pumpe 6 auf ein Druckniveau gefördert, das über dem Gasdruck im Zuluftpfad 3 stromabwärts des Luftverdichters 4 liegt.
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Die Regelung der Sollfeuchte am Eintritt der Brennstoffzelle 2 kann mit Hilfe eines variabel einstellbaren Wassermassenstroms an der Ventileinheit 5 realisiert werden. Auf diese Weise kann in jedem Lastzustand optimal Wasser zudosiert und die jeweilige Sollfeuchte eingestellt werden.
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In der 2 ist eine schematische Topologie eines Brennstoffzellensystem 1 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt. Das in der 2 dargestellte Brennstoffzellensystem 1 entspricht der Topologie der 1 bis auf die im Folgenden erläuterten Unterschiede.
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Es ist eine zweite Ventileinheit 51 stromabwärts des Luftverdichters 4 im Zuluftpfad 3 angeordneten. Über die zweite Ventileinheit 51 kann auch Wasser in den Zuluftpfad 3 eingedüst werden, um die Luft zu befeuchten. Die Ventileinheit 50 ist hierzu über eine zweite Leitung 35 mit der Pumpe 6 und dem Tank 7 verbunden.
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In der zweiten Leitung 35 kann eine zweite Ventileinheit 51 angeordnet sein, welche geschlossen und geöffnet werden kann. Die zweite Ventileinheit 51 dient dazu Wasser, welches nicht erwärmt ist, bei hohen Lastpunkten des Verdichters 4 in den Zuluftpfad 3 einzudosieren.
