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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems. Ferner betrifft die Erfindung eine Gasversorgungseinheit für ein Brennstoffzellensystem sowie ein Brennstoffzellensystem mit einer erfindungsgemäßen Gasversorgungseinheit.
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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. Der Brennstoff wird einer Anode, der Sauerstoff einer Kathode zugeführt, die durch eine Membran, beispielsweise eine Polymerelektrolytmembran (PEM) voneinander getrennt sind. In der praktischen Anwendung werden eine Vielzahl von Einzelzellen gestapelt und zu einem Brennstoffzellenstapel verbunden, um die mit Hilfe der Brennstoffzellen erzeugte elektrische Spannung zu erhöhen. Der Brennstoffzellenstapel, auch „Stack“ genannt, ist von Versorgungskanälen durchzogen, über welche die einzelnen Zellen mit Brennstoff und mit Luft versorgt werden, wobei die Luft als Sauerstofflieferant dient. Der Abtransport des abgereicherten Brennstoffs sowie der abgereicherten feuchten Luft erfolgt über Entsorgungskanäle, die im Wesentlichen parallel zu den Versorgungskanälen durch den Brennstoffzellenstapel verlaufen, aber in umgekehrter Richtung von dem jeweiligen Reaktionsgas durchströmt werden.
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Systemisch hat sich bei der Versorgung der Anode mit Brennstoff der Ansatz etabliert, aus den Brennstoffzellen austretenden abgereicherten Brennstoff zu rezirkulieren. Dieser abgereicherte Brennstoff wird dann zusammen mit frischem Brennstoff erneut der Anode zugeführt.
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Die Rezirkulation von abgereichertem Brennstoff wird üblicherweise über einen Anodenkreis mit Hilfe einer in den Anodenkreis integrierten Strahlpumpe bewirkt. Ergänzend kann ein die Strahlpumpe unterstützendes Gebläse vorgesehen sein. Der frische Brennstoff wird mit Hilfe eines Dosierventils in den Anodenkreis eindosiert, wobei der mit Hilfe des Dosierventils erzeugte Fluidstrahl zugleich zur Aktivierung der Strahlpumpe genutzt werden kann.
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Der Anodenkreis eines Brennstoffzellensystems kann demnach eine Vielzahl verschiedener Komponenten umfassen. Da in mobilen Anwendungen, insbesondere in brennstoffzellenbetriebenen Personenkraftfahrzeugen oder leichten Nutzfahrzeugen, der zur Verfügung stehende Bauraum begrenzt ist, werden die verschiedenen Komponenten üblicherweise zu einer kompakten Gasversorgungseinheit zusammengefasst. Diese kann dann platzsparend an der Unterseite eines Brennstoffzellenstapels angeordnet und mit diesem verbunden werden. Die platzsparende Anordnung führt jedoch zu kurzen Leitungslängen, so dass häufig keine ausreichende Durchmischung von frischem und abgereichertem Brennstoff erzielt wird. In der Folge kann es zu einer Schädigung der Brennstoffzellen kommen.
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Die vorliegende Erfindung ist daher mit der Aufgabe befasst, die Durchmischung von frischem und abgereichertem Brennstoff bei zugleich möglichst geringem Bauraumbedarf zu optimieren, um eine Schädigung der Brennstoffzellen zu verhindern.
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Zur Lösung der Aufgabe werden das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie die Gasversorgungseinheit mit den Merkmalen des Anspruchs 3 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den jeweiligen Unteransprüchen zu entnehmen. Darüber hinaus wird ein Brennstoffzellensystem mit einer erfindungsgemäßen Gasversorgungseinheit angegeben.
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Offenbarung der Erfindung
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Vorgeschlagen wird ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems, bei dem mindestens einer Brennstoffzelle über eine Gasversorgungseinheit mit einem gasförmigen Brennstoff, beispielsweise mit Wasserstoff, versorgt wird und bei dem aus der Brennstoffzelle austretender abgereicherter Brennstoff über einen Anodenkreis mit integrierter Strahlpumpe und/oder integriertem Rezirkulationsgebläse rezirkuliert und zusammen mit frischem Brennstoff erneut der Brennstoffzelle zugeführt wird. Erfindungsgemäß wird der abgereicherte Brennstoff stromaufwärts einer Dosierstelle zum Eindosieren von frischem Brennstoff durch eine Drallkammer mit Drallelementen geführt.
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Gleichwohl lediglich der abgereicherte Brennstoff und nicht das Gasgemisch aus frischem und abgereichertem Brennstoff durch die Drallkammer mit den Drallelementen geführt wird, kann mit Hilfe des vorgeschlagenen Verfahrens eine bessere Durchmischung von frischem und abgereichertem Brennstoff vor dem Eintritt in die mindestens eine Brennstoffzelle bewirkt werden. Denn für alle Betriebspunkte im Betrieb eines Brennstoffzellensystems gilt, dass der Massenstrom des rezirkulierten abgereicherten Brennstoffs deutlich größer als der von frischem Brennstoff ist, so dass in den Massenstrom des abgereicherten Brennstoffs ein Mischimpuls besonders effektiv eingebracht werden kann. Wird anschließend an der Dosierstelle frischer Brennstoff hinzugegeben, überträgt sich der zuvor eingebrachte Mischimpuls auch auf diesen. Im Ergebnis kann somit eine bessere Durchmischung des Gasgemischs erreicht werden.
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Die Drallkammer mit den Drallelementen kann in den Anodenkreis integriert sein, so dass keine größeren Leitungslängen zur Optimierung der Durchmischung von frischem und abgereichertem Brennstoff erforderlich sind. Das Verfahren kann somit bauraumschonend umgesetzt werden. Unter Umständen kann der Bauraumbedarf sogar gesenkt werden, da aufgrund der verbesserten Durchmischung Leitungslängen gekürzt werden können.
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Die gute Durchmischung von frischem und abgereichertem Brennstoff trägt bei mehreren, zu einem Stapel angeordneten Brennstoffzellen zu einer gleichmäßigen Brennstoffkonzentrationsverteilung über den Brennstoffzellenstapel bei, so dass die einzelnen Brennstoffzellen gleichförmig belastet werden. In der Folge steigt die Lebensdauer des Brennstoffzellenstapels. Die gleichmäßige Brennstoffkonzentrationsverteilung führt ferner dazu, dass alle Brennstoffzellen genauer mit der optimalen Brennstoffkonzentration versorgt werden, so dass sich die Brennstoffüberschussanforderung reduziert.
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Die bei dem Verfahren eingesetzten Drallelemente sind vorzugsweise statisch, das heißt unbeweglich. Demzufolge muss zum Einbringen des Mischimpulses keine Energie aufgebracht werden. Es muss lediglich der Massenstrom des rezirkulierten abgereicherten Brennstoffs durch die Drallkammer geführt werden.
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Bevorzugt wird mit Hilfe der Drallelemente der abgereicherte Brennstoff verwirbelt. Die Verwirbelungen bzw. Wirbel erzeugen den gewünschten Mischimpuls. Der an der Dosierstelle eindosierte frische Brennstoff wird dann von den Wirbeln mitgerissen, so dass eine gute Durchmischung und damit Homogenisierung des Gasgemischs erzielt wird. Mit Homogenisierung ist dabei sowohl eine thermische als auch eine stoffliche Homogenität des Gasgemischs gemeint.
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Zur Lösung der eingangs genannten Aufgabe wird darüber hinaus eine Gasversorgungseinheit für ein Brennstoffzellensystem vorgeschlagen. Diese dient der Versorgung mindestens einer Brennstoffzelle des Brennstoffzellensystems mit einem gasförmigen Brennstoff, beispielsweise mit Wasserstoff. Die Gasversorgungseinheit umfasst einen Anodenkreis mit integrierter Strahlpumpe und/oder integriertem Rezirkulationsgebläse zur Rezirkulation von aus der Brennstoffzelle austretendem abgereicherten Brennstoff. Erfindungsgemäß ist stromaufwärts einer Dosierstelle zum Eindosieren von frischem Brennstoff eine Drallkammer mit Drallelementen in den Anodenkreis integriert.
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Die vorgeschlagene Gasversorgungseinheit ist demnach zur Durchführung des zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet, so dass mit Hilfe der vorgeschlagenen Gasversorgungseinheit dieselben Vorteile erzielbar sind. Insbesondere kann - bei zugleich geringem Bauraumbedarf - die Durchmischung von frischem und abgereichertem Brennstoff optimiert werden. Ferner kann bei der Gasversorgung der Brennstoffzellen eine gleichmäßige Brennstoffkonzentrationsverteilung erzielt werden, so dass die einzelnen Zellen weniger belastet werden. Mit Hilfe der Gasversorgungseinheit kann demnach die Lebensdauer eines mehrere Brennstoffzellen aufweisenden Brennstoffzellenstapels erhöht werden.
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Bevorzugt ist die Drallkammer mit den Drallelementen stromaufwärts der Strahlpumpe und/oder stromabwärts des Rezirkulationsgebläses in den Anodenkreis integriert. Letztlich hängt die konkrete Anordnung der Drallkammer davon ab, ob die Rezirkulation allein mit Hilfe einer Strahlpumpe oder eines Rezirkulationsgebläses oder mit einer Kombination aus beidem bewirkt wird.
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Sofern eine Strahlpumpe vorgesehen ist, wird in der Regel ein aus frischem Brennstoff gebildeter Fluidstrahl zur Aktivierung der Strahlpumpe genutzt. Das heißt, dass die Dosierstelle zur Ausbildung des Fluidstrahls stromaufwärts der Strahlpumpe angeordnet ist. Gleiches gilt dann auch für die Drallkammer, da diese erfindungsgemäß stromaufwärts der Dosierstelle platziert ist.
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Sofern ein Rezirkulationsgebläse in den Anodenkreis integriert ist, ist die Drallkammer bevorzugt stromabwärts des Rezirkulationsgebläses angeordnet, vorzugsweise unmittelbar am Auslass des Gebläses. Denn mit Hilfe des Gebläses wird ebenfalls bereits ein Mischimpuls erzeugt, der dann durch die in der Drallkammer angeordneten Drallelemente weiter verstärkt wird. Auf diese Weise werden Strömungsverluste des Rezirkulationsgebläses gezielt genutzt, während auf die Drallelemente zurückzuführende Druckverlustnachteile gemindert werden.
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Die Drallelemente können spiral-, schrauben- und/oder helixförmige Drallelemente, flügelartige Drallelemente, Leitbleche und/oder eine Gitterstruktur umfassen. Die Form der Drallelemente bestimmt den Grad der Verwirbelungen, die mit Hilfe der Drallelemente erzeugt werden. Dabei können auch verschiedene Drallelemente kombiniert werden. Sofern Leitbleche als Drallelemente eingesetzt werden, können diese kaskadenartig angeordnet werden, so dass der abgereicherte Brennstoff beim Durchströmen der Drallkammer mehrfach umgelenkt wird. Auf diese Weise können Verwirbelungen erzeugt werden, die anschließend - nach dem Beimischen des frischen Brennstoffs - zu einer guten Durchmischung beitragen.
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Ferner wird vorgeschlagen, dass die Drallelemente an einer Wandung der Drallkammer befestigt sind und radial in die Drallkammer hineinragen. Das heißt, dass sich die Drallelemente von radial außen nach radial innen erstrecken. Mehrere gleichartige Drallelemente können zudem ringförmig in gleichem Winkelabstand zueinander angeordnet werden, so dass der durch die Drallkammer geführte abgereicherte Brennstoff gleichmäßig verwirbelt wird.
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Mit Hilfe helixförmiger Drallelemente, die in die Wandung der Drallkammer integriert sind, kann ebenfalls der gewünschte Mischimpuls erzeugt werden, der anschließend zu einer Homogenisierung des Gasgemischs beiträgt. Der Effekt ist ähnlich dem, der mit Hilfe eines Drallmischers erzielbar ist. Anzumerken ist, dass helixförmige Mischelemente auch die Form einer Doppelhelix aufweisen können.
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Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass die Drallelemente einen in der Drallkammer aufgenommenen Drallkörper ausbilden. Dieser kann einfach in die Drallkammer bzw. in den Anodenkreis eingesetzt werden, so dass auch bestehende Systeme nachrüstbar sind. Vorzugsweise ist der Drallkörper konzentrisch zu einem kreisförmigen Querschnitt der Drallkammer angeordnet, um eine gleichmäßige Verwirbelung des abgereicherten Brennstoffs zu erzielen.
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In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Gasversorgungseinheit eine Adapterplatte und/oder eine Isolierplatte zur Verbindung mit der mindestens einen Brennstoffzelle aufweist. Die Adapterplatte, in welcher vorzugsweise bereits die erforderlichen Schnittstellen, insbesondere Gasanschlüsse, ausgebildet sind, erleichtert die Anbindung der Gasversorgungseinheit an die mindestens eine Brennstoffzelle bzw. an einen aus mehreren Brennstoffzellen gebildeten Brennstoffzellenstapel. Über die Isolierplatte, die vorzugsweise zwischen der Adapterplatte und der Brennstoffzelle bzw. dem Brennstoffzellenstapel angeordnet wird, kann die Gasversorgungseinheit von der Brennstoffzelle bzw. dem Brennstoffzellenstapel elektrisch isoliert werden.
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Sofern die Gasversorgungseinheit eine Adapterplatte und/oder eine Isolierplatte sowie eine Strahlpumpe umfasst, ist vorzugsweise die Strahlpumpe zumindest bereichsweise in die Adapterplatte und/oder in die Isolierplatte integriert. Beispielsweise kann die Strahlpumpe in eine Steigleitung der Adapterplatte und/oder der Isolierplatte integriert werden. Auf diese Weise kann eine besonders kompakt bauende Gasversorgungseinheit geschaffen werden.
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Darüber hinaus wird ein Brennstoffzellensystem mit mindestens einer Brennstoffzelle, vorzugsweise mit mehreren zu einem Brennstoffzellenstapel angeordneten Brennstoffzellen, und einer erfindungsgemäßen Gasversorgungseinheit zur Versorgung der mindestens einen Brennstoffzelle mit einem gasförmigen Brennstoff, beispielsweise mit Wasserstoff vorgeschlagen. Das Brennstoffzellensystem zeichnet sich durch eine hohe Lebensdauer aus, da mit Hilfe der erfindungsgemäßen Gasversorgungseinheit eine gleichmäßige Brennstoffkonzentrationsverteilung erzielbar ist. Bei mehreren zu einem Stapel angeordneten Brennstoffzellen führt dies zu einer geringeren Belastung der Einzelzellen.
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Vorteilhafterweise ist die Gasversorgungseinheit über eine Adapterplatte und/oder eine Isolierplatte mit dem Brennstoffzellenstapel des Brennstoffzellensystems verbunden. Die Adapterplatte erleichtert die Montage des Brennstoffzellensystems. Die Isolierplatte dient der elektrischen Isolierung der Gasversorgungseinheit gegenüber der Brennstoffzelle bzw. dem Brennstoffzellenstapel.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:
- 1 einen schematischen Längsschnitt durch ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem mit einem Brennstoffzellenstapel und einer erfindungsgemäßen Gasversorgungseinheit,
- 2 eine perspektivische Darstellung von Drallelementen für eine erfindungsgemäße Gasversorgungseinheit,
- 3 eine Schnittansicht durch eine Drallkammer mit integrierten Drallelementen und
- 4 einen schematischen Längsschnitt durch ein weiteres erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem mit einem Brennstoffzellenstapel und einer erfindungsgemäßen Gasversorgungseinheit.
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Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
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Der 1 ist ein Brennstoffzellensystem 1 mit mehreren Brennstoffzellen 2 zu entnehmen, die zu einem Brennstoffzellenstapel 15 zusammengefasst sind. Zur Versorgung der Brennstoffzellen 2 mit einem gasförmigen Brennstoff, beispielsweise Wasserstoff, ist unterhalb des Brennstoffzellenstapels 15 eine Gasversorgungseinheit 3 angeordnet. Diese umfasst einen Anodenkreis 4, der einerseits mit einem Einlass und andererseits mit einem Auslass des Brennstoffzellenstapels 15 verbunden ist. Über den Anodenkreis 4 kann aus dem Brennstoffzellenstapel 15 austretender abgereicherter Brennstoff rezirkuliert werden, so dass er erneut den Brennstoffzellen 2 zugeführt wird. Die Rezirkulation wird vorliegend mit Hilfe einer in den Anodenkreis 4 integrierten Strahlpumpe 5 bewirkt.
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Die Gasversorgungseinheit 3 umfasst eine Adapterplatte 12 sowie eine Isolierplatte 13, die der Verbindung der Gasversorgungseinheit 3 mit dem Brennstoffzellenstapel 15 dienen. In der Adapterplatte 12 sind hierzu die erforderlichen Anschlüsse ausgebildet. Mit Hilfe der Isolierplatte 13 wird die elektrische Isolierung der Gasversorgungseinheit 3 gegenüber dem Brennstoffzellenstapel 15 bewirkt. Der Anodenkreis 4 ist im Bereich der Adapterplatte 12 und der Isolierplatte 13 als Steigleitungen 14 ausgeführt. Im Bereich einer einlassseitigen Steigleitung 14 ist die Strahlpumpe 5 angeordnet bzw. platzsparend in die Steigleitung 14 integriert. Die Strömungsrichtung des rezirkulierten Brennstoffs ist in der 1 durch Pfeile 16 angegeben.
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Stromaufwärts der Strahlpumpe 5 befindet sich eine Dosierstelle 7, an welcher frischer Brennstoff eindosiert (siehe Pfeil 17) und dem rezirkulierten Brennstoff beigemischt wird. Um eine gute Durchmischung von frischem Brennstoff sowie rezirkuliertem Brennstoff zu erzielen, ist stromaufwärts der Dosierstelle 7 eine Drallkammer 8 mit Drallelementen 9 in den Anodenkreis 4 integriert. Durch die Drallkammer 8 wird somit zwar nur der rezirkulierte abgereicherte Brennstoff geführt, da dieser im Vergleich zum frischen Brennstoff jedoch den deutlich größeren Massenstrom ausbildet, kann mit Hilfe der in der Drallkammer 8 angeordneten Drallelemente 9 ein Mischimpuls in den abgereicherten Brennstoff eingebracht werden, der sich weiter stromabwärts auf den frischen Brennstoff überträgt, so dass dadurch die Durchmischung gefördert wird. Gleichzeitig wird eine gleichmäßige Brennstoffkonzentrationsverteilung im Brennstoffzellenstapel 15 erzielt, so dass die einzelnen Brennstoffzellen 2 weniger stark belastet werden. Da die Drallelemente 9 keine beweglichen Teile aufweisen, sondern statisch sind, muss keine Energie aufgebracht werden, um den gewünschten Mischimpuls zu erzeugen.
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Der 2 sind beispielhaft statische Drallelemente 9 zu entnehmen, die spiral- bzw. schraubenförmig gestaltet sind, so dass sie Wirbel 18 in einer Gasströmung 19 erzeugen. Die Wirbel 18 bringen den gewünschten Mischimpuls ein. Die Drallelemente 9 können jeweils einzeln oder gemeinsam einen Drallkörper 11 ausbilden (siehe Bezugszeichen in Klammern). Dieser kann einfach montiert werden. Insbesondere können bestehende Systeme 1 nachgerüstet werden.
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In der 3 sind die Drallelemente 9 in eine Wandung 10 der Drallkammer 8 eingelassen, so dass sie radial in die Drallkammer 8 hineinragen. Die Drallelemente 9 sind dabei helixartig geformt, so dass sich in einer durch die Drallkammer 8 hindurchgeführten Gasströmung 19 ebenfalls Wirbel 18 ausbilden.
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Der 4 ist eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems 1 zu entnehmen. Auch hier sind mehrere Brennstoffzellen 2 zu einem Brennstoffzellenstapel 15 zusammengefasst und unterhalb des Brennstoffzellenstapels 15 ist eine Gasversorgungseinheit 3 angeordnet. Die Verbindung der Gasversorgungseinheit 3 erfolgt - analog der 1 - über eine Adapterplatte 12 und eine Isolierplatte 13.
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Im Unterschied zur 1 weist das Brennstoffzellensystem 1 der 4 zusätzlich zur Strahlpumpe 5 ein Rezirkulationsgebläse 6 auf. Mit Hilfe des Rezirkulationsgebläses 6 wird der aus den Brennstoffzellen 2 austretende abgereicherte Brennstoff aktiv rezirkuliert. Die Strahlpumpe 5 arbeitet dagegen passiv. Demzufolge unterstützt das Rezirkulationsgebläse 6 die Rezirkulation von abgereichertem Brennstoff. Ferner wird über das Rezirkulationsgebläse 6 bereits ein Mischimpuls in den abgereicherten Brennstoff eingebracht, der durch die anschließenden Drallelemente 9 verstärkt wird. Auf diese Weise kann das Gasgemisch aus frischem Brennstoff und abgereichertem Brennstoff weiter stromabwärts im Anodenkreis 4 noch intensiver durchmischt werden.
