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Die vorgestellte Erfindung betrifft einen Abgastrakt für ein Brennstoffzellensystem, ein Brennstoffzellensystem mit dem vorgestellten Abgastrakt und ein Fahrzeug mit dem vorgestellten Brennstoffzellensystem.
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Stand der Technik
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Polymer Elektrolyt Membran (PEM) Brennstoffzellensysteme wandeln Wasserstoff zusammen mit Sauerstoff zu elektrischer Energie unter der Erzeugung von Abwärme und Wasser um.
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Eine PEM Brennstoffzelle besteht aus einer Anode, die mit Wasserstoff versorgt wird, einer Kathode, die mit Luft versorgt wird, und einer dazwischen platzierten Polymer Elektrolyt Membran. Mehrere solcher Brennstoffzellen werden in Brennstoffzellenstapel gestapelt, um eine erzeugte elektrische Spannung zu maximieren.
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Innerhalb eines Brennstoffzellenstapels befinden sich Versorgungskanäle, die einzelne Brennstoffzellen mit Wasserstoff und Luft versorgen bzw. abgereicherte feuchte Luft sowie abgereichertes Anodenabgas abtransportieren.
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Systemisch hat sich zur Versorgung der PEM Anode mit Wasserstoff ein Ansatz etabliert, bei dem noch wasserstoffreiches Anodenabgas mittels Gasfördereinheiten zusammen mit frischem Wasserstoff wieder dem Anodeneintritt zugeführt wird. Diese wiederholte Zufuhr von Anodenabgas zur Anode wird als Rezirkulation bezeichnet.
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Als Gasfördereinheiten werden Strahlpumpen bzw. sogenannte „Jetpump“ oder Hybridlösungen aus Jetpump und Wasserstoffgebläse verwendet.
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Durch Diffusionsprozesse gelangt auch Stickstoff auf die Anodenseite. Stickstoff stellt für die in der Brennstoffzelle stattfindende elektrochemische Reaktion ein Inertgas dar. Als solches reduziert es die Zellspannung und kann, wenn es in hoher Konzentration vorliegt, die Brennstoffzellen schädigen, da diese nicht mehr ausreichend mit Wasserstoff versorgt werden. Von Zeit zu Zeit wird deswegen ein Teil des Gases das sich im Rezirkulationsraum befindet ausgleitet, durch frischen Wasserstoff verdrängt und somit die Stickstoffkonzentration gesenkt. Dieser Vorgang wird Spülen bzw. „Purgen“ genannt.
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Das beim Spülen ausgeleitetes Gas, d.h. „Purgegas“ wird gemäß dem Stand der Technik mit Kathodenabgas verdünnt, sodass kein zündfähiges Gemisch durch einen Abgastrakt eines Brennstoffzellensystems in die Umgebung abgegeben wird.
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Um eine vorgegebene Wasserstoffkonzentration im Abgas nicht zu überschreiten, wird gemäß dem Stand der Technik mindestens ein Wasserstoffsensor im Abgaspfad eines Brennstoffzellensystems installiert, um jeweilige Spülvorgänge zu steuern bzw. zu regeln.
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Abgas eines Brennstoffzellensystems ist definiert als eine Sammlung der Medien abgereicherte feuchte Luft (Kathodenabgas) plus jeweiliges über jeweilige Spülvorgänge gelegentlich eingeleitetes Gas aus dem Anodenpfad, das aus einem Wasserstoff-Stickstoff-Dampf Gemisch besteht. Der Wasserstoffsensor im Abgaspfad misst ob stets eine unkritische Wasserstoffkonzentration eingehalten wird. Quellen des Wasserstoffs im Abgas sind demnach hauptsächlich Wasserstoff im Purgegas und Wasserstoff in der abgereicherten Kathodenluft, der durch bspw. Diffusion von der Anodenseite zur Kathodenseite gelangt.
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Zusätzlicher Aufwand zur Erzeugung von Abluft zur sicheren und konformen Verdünnung von Wasserstoff im Kathodenabgas ist nachteilig für eine Energieeffizienz des Brennstoffzellensystems.
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Sensorik zur zuverlässigen und verlässlichen Detektion von Wasserstoff über hohe Lebensdaueranforderungen ist teuer, aufwändig und nicht am Markt für Fahrzeuganwendungen verfügbar.
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Offenbarung der Erfindung
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Im Rahmen der vorgestellten Erfindung werden ein Abgastrakt, ein Brennstoffzellensystem und ein Fahrzeug vorgestellt. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Abgastrakt beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem und dem vorgestellten Fahrzeug sowie jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.
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Die vorgestellte Erfindung dient insbesondere dazu, einen Ausstoß von Abgas aus einem Brennstoffzellensystem mit einer Wasserstoffkonzentration, die über einem vorgegebenen Schwellenwert liegt, zu verhindern.
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Es wird somit gemäß einem ersten Aspekt der vorgestellten Erfindung ein Abgastrakt für ein Brennstoffzellensystem vorgestellt. Der Abgastrakt umfasst eine Hauptabgasleitung und eine Nebenabgasleitung.
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Die Hauptabgasleitung umfasst eine Kathodenabluftschnittstelle zur Verbindung mit einem Kathodentrakt des Brennstoffzellensystems und eine Spülschnittstelle zur Verbindung mit einer Spülleitung des Brennstoffzellensystems.
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Die Nebenabgasleitung ist in Strömungsrichtung von aus dem Kathodentrakt in die Hauptabgasleitung strömendem Abgas hinter der Hauptabgasleitung angeordnet, wobei der Abgastrakt in einem Bereich in Strömungsrichtung hinter der Hauptabgasleitung eine Anzahl Sekundärluftöffnungen zum Ansaugen von Sekundärluft mittels eines den Abgastrakt strömenden Abgasstroms umfasst.
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Unter einer Sekundärluftöffnung ist im Kontext der vorgestellten Erfindung eine Verbindung des vorgestellten Abgastrakts zu einer Umgebung zu verstehen, durch die Umgebungsluft, d.h. Sekundärluft, in den Abgastrakt eingeführt, insbesondere eingesaugt werden kann.
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Unter einer Anzahl Sekundärluftöffnungen ist im Kontext der vorgestellten Erfindung mindestens eine Sekundärluftöffnung, d.h. eine einzelne Sekundärluftöffnung oder eine Vielzahl Sekundärluftöffnungen zu verstehen.
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Die vorgestellte Erfindung basiert auf dem Prinzip, dass in einem durch die Hauptabgasleitung strömenden Abgasstrom gespeicherte kinetische Energie und/oder potentielle Energie genutzt wird, um den Abgasstrom mit Sekundärluft anzureichern und, dadurch bedingt, eine Wasserstoffkonzentration in dem Abgasstrom zu minieren bzw. kontinuierlich unter einen vorgegebenen Grenzwert zu senken.
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Um in einem jeweiligen Abgasstrom gespeicherte kinetische und/oder potentielle Energie zur Zufuhr von Sekundärluft zu nutzen, ist hinter der Hauptabgasleitung eine Anzahl Sekundärluftöffnungen vorgesehen, durch die Sekundärluft angesaugt wird, wenn der Abgasstrom durch den Abgastrakt strömt. Dabei wird durch den mittels eines Kompressors eines entsprechenden Brennstoffzellensystems beschleunigten Abgasstrom kinetische Energie bereitgestellt, die einen Sog an den Sekundärluftöffnungen erzeugt und entsprechend Sekundärluft in den Abgastrakt saugt. Mit anderen Worten wird durch einen durch den vorgestellten Abgastrakt strömenden Abgasstrom Umgebungsluft durch die Sekundärluftöffnungen mitgerissen und der Abgasstrom entsprechend mit Sekundärluft vermengt, wodurch eine Wasserstoffkonzentration in dem Abgasstrom minimiert wird. Entsprechend wirkt der vorgestellte Abgastrakt als Strahlpumpe, d.h. als sogenannte „Jetpump“, bei der ein Fördermedium durch ein Strahlmedium mitgerissen bzw. gefördert wird.
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Entsprechend kann vorgesehen sein, dass die Anzahl Sekundärluftöffnungen des vorgestellten Abgastrakts im Bereich eines Übergangs von der Hauptabgasleitung zu der Nebenabgasleitung, insbesondere zwischen der Hauptabgasleitung und der Nebenabgasleitung vorgesehen bzw. angeordnet ist bzw. sind.
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Um einen Eintrag von kinetischer Energie durch einen Abgasstrom in die Nebenabgasleitung und, dadurch bedingt, einen Eintrag von Sekundärluft in den Abgastrakt zu maximieren, kann die Nebenabgasleitung in axialer Verlängerung zu der Hauptabgasleitung angeordnet sein, sodass der Abgasstrom entlang einer geraden Linie durch den Abgastrakt, d.h. durch die Hauptabgasleitung und die Nebenabgasleitung geleitet wird.
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Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass ein Querschnitt der Nebenabgasleitung kleiner ist als ein Querschnitt der Hauptabgasleitung.
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Eine Nebenabgasleitung, deren Querschnitt kleiner ist als ein Querschnitt der Hauptabgasleitung wird ein durch den Abgastrakt strömender Abgasstrom insbesondere im Bereich eines Übergangs von der Hauptabgasleitung zu der Nebenabgasleitung beschleunigt, sodass eine kinetische Energie in dem Abgasstrom maximiert wird. Aufgrund der maximierten kinetischen Energie wird ein besonders starker Sog an der Anzahl Sekundärluftöffnungen erzeugt und, dadurch bedingt, besonders viel Sekundärluft in den Abgastrakt gesaugt.
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Entsprechend kann weiterhin vorgesehen sein, dass die Nebenabgasleitung eine Strahlpumpe, insbesondere eine Venturi-Düse umfasst.
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Eine Nebenabgasleitung, deren Querschnitt kleiner ist als ein Querschnitt der Hauptabgasleitung wirkt aufgrund einer entsprechenden Staudruckerhöhung im Abgasstrahl als Venturi-Düse.
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Dabei kann vorgesehen sein, dass die Strahlpumpe dazu konfiguriert ist, mittels eines aus der Hauptabgasleitung strömenden Abgasstroms einen Unterdruck zu erzeugen, um Sekundärluft anzusaugen.
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Zum Erzeugen eines Unterdrucks kann die Strahlpumpe bspw. eine Anzahl trichterförmiger Sekundärluftöffnungen umfassen.
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Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass die Anzahl Sekundärluftöffnungen in der Nebenabgasleitung oder zwischen der Hauptabgasleitung und der Nebenabgasleitung angeordnet sind.
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Sekundärluftöffnungen können bspw. durch Aussparungen in der Nebenabgasleitung gebildet werden. Alternativ kann die Nebenabgasleitung zumindest bereichsweise beabstandet von der Hauptabgasleitung ausgestaltet sein, sodass sich eine zwischen der Nebenabgasleitung und der Hauptabgasleitung liegende Anzahl Sekundärluftöffnungen ergibt. Selbstverständlich kann die Anzahl Sekundärluftöffnungen auch in einem zwischen der Hauptabgasleitung und der Nebenabgasleitung angeordneten Zwischenstück ausgebildet sein. Dabei kann das Zwischenstück einen Querschnitt aufweisen, der kleiner ist als ein Querschnitt der Hauptabgasleitung und/oder ein Querschnitt der Nebenabgasleitung. Bspw. kann durch ein Zwischenstück ein U-förmiger oder V-förmiger Verlauf des Abgastrakts erreicht werden, sodass sich im Bereich des Zwischenstücks aufgrund eines minimalen Querschnitts eine hohe Strömungsgeschwindigkeit einstellt, die einen entsprechend hohen Sog bewirkt und nach dem Zwischenstück aufgrund eines gegenüber dem Zwischenstück vergrößerten Querschnitt ein durch die Sekundärluft dem Abgasstrom zugeführtes Zusatzvolumen abgeführt werden kann.
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Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass die Nebenabgasleitung eine Anzahl Strömungselemente zum Durchmischen eines in die Nebenabgasleitung strömenden Abgasstroms mit einem in die Nebenabgasleitung strömenden Sekundärluftstrom umfasst.
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Um eine möglichst homogene Luftmasse mit einer möglichst niedrigen Wasserstoffkonzentration aus dem vorgestellten Abgastrakt abzuführen, haben sich Strömungselemente, wie bspw. Verwirbler, insbesondere in Form einer Anzahl Säulen oder Luftleitelemente, insbesondere in Form von Rippen als geeignet erwiesen, um einen Abgasstrom mit einem Sekundärluftstrom zu durchmischen.
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Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass ein Querschnitt der Nebenabgasleitung sich im Verlauf der Nebenabgasleitung verändert.
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Durch einen sich verändernden Querschnitt der Nebenabgasleitung kann eine Strömungsgeschwindigkeit, mit der sich ein Gas durch den Abgastrakt bewegt, kontrolliert werden. Während ein sich in Strömungsrichtung reduzierender Querschnitt ein durchströmendes Gas beschleunigt und eine entsprechend große Sogwirkung bedingt, führt ein sich in Strömungsrichtung vergrößernder Querschnitt zu einem erhöhten Volumen von durchströmendem Gas bei gleicher Geschwindigkeit, sodass ein Staudruck des Gases minimiert und ein Kompressor eines entsprechenden Brennstoffzellensystems entlastet wird.
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Es kann vorgesehen sein, dass an der Hauptabgasleitung ein mit der Hauptabgasleitung verbundenes Nebenabgasleitungsrohr angeordnet ist, wobei ein Querschnitt des Nebenabgasleitungsrohrs kleiner ist als der Querschnitt der Nebenabgasleitung und wobei das Nebenabgasleitungsrohr vor einem Ende der Nebenabgasleitung in der Nebenabgasleitung endet.
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Eine Kombination aus einem Nebenleitungsohr mit einem besonders geringen Querschnitt, d.h. einem Querschnitt, der kleiner ist ein Querschnitt der Hauptabgasleitung und insbesondere auch kleiner als ein Querschnitt der Nebenabgasleitung, und einer Nebenabgasleitung, die einen entsprechend größeren Querschnitt aufweist als das Nebenabgasleitungsrohr führt zu einem am Übergang von Hauptabgasleitung zu Nebenabgasleitungsrohr sehr schnellen bzw. stark beschleunigten Gasstrom und einem entsprechend starken Sog für Sekundärluft.
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Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass die Nebenabgasleitung in Richtung des Nebenabgasleitungsrohrs verengt, insbesondere gekrümmt ist, wobei das Nebenabgasleitungsrohr in einem Bereich endet, an der eine Verengung der Nebenabgasleitung eine maximale Höhe erreicht.
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Eine Verengung der Nebenabgasleitung in Richtung des Nebenabgasleitungsrohrs führt zu einer Beschleunigung von durch den Abgastrakt angesaugter Sekundärluft, sodass Strömungsgeschwindigkeiten eines durch den Abgastrakt strömenden Abgasstroms und eines angesaugten Sekundärluftstroms sich annähern und ein Staudruck eines entsprechenden Mischgastroms minimiert wird, wodurch wiederum ein Kompressor eines entsprechenden Brennstoffzellensystems entlastet wird.
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Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass die Nebenabgasleitung an ihrem Auslassende in einem Winkel in einem Bereich zwischen 10° und 20° verläuft.
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Durch ein abgeschrägt bzw. abgerundet verlaufendes Ende der Nebenabgasleitung wird eine besonders gute Durchmischung eines aus dem vorgestellten Abgastrakt austretendes Gasstrahls mit einer Umgebungsatmosphäre und ein entsprechend minimaler Staudruck am Ausgang des Abgastrakts erreicht.
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Ferner wird durch ein abgeschrägt bzw. abgerundet verlaufendes Ende der Nebenabgasleitung ein Zurücklaufen von kondensiertem Wasser in den Abgastrakt vermieden bzw. minimiert.
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Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass ein Querschnitt der Nebenabgasleitung in Strömungsrichtung vor einer Verengung größer ist als ein Querschnitt der Nebenabgasleitung nach der Verengung.
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Ein Querschnitt der Nebenabgasleitung, der in Strömungsrichtung vor einer Verengung größer ist als nach der Verengung bedingt einen maximalen Staudruck an der Stelle der Verengung, sodass durch die Verengung ein besonders großer Sog erreicht bereitgestellt wird. Durch einen nach der Verengung vergrößerten Querschnitt wird der Staudruck reduziert und ein Ausströmen einer durch die Ansaugung von Sekundärluft vergrößerten Luftmasse ermöglicht, ohne einen Kompressor eines entsprechenden Brennstoffzellensystems zusätzlich zu belasten.
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Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass der Abgastrakt eine Sekundärluftpumpe umfasst.
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Eine Sekundärluftpumpe, d.h. eine durch Zufuhr von Antriebsenergie aktiv Sekundärluft in den Abgastrakt pumpende Luftpumpe, ermöglicht einen besonders starken und kontrollierbaren ggf. in Reaktion einen Betriebszustand eines entsprechenden Brennstoffzellensystems steuerbaren bzw. regelbaren Sekundärluftstrom.
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Gemäß einem zweiten Aspekt betrifft die vorgestellte Erfindung ein Brennstoffzellensystem mit einer möglichen Ausgestaltung des vorgestellten Abgastrakts.
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Aufgrund des erfindungsgemäßen Abgastrakts kann das vorgestellte Brennstoffzellensystem ohne Wasserstoffsensor auskommen, sodass das Brennstoffzellensystems, insbesondere der Abgastrakt des Brennstoffzellensystems wasserstoffsensorfrei, insbesondere komplett sensorfrei, ausgestaltet werden kann.
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Das vorgestellte Brennstoffzellensystem ist aufgrund des Abgastrakts besonders sicher und effizient.
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Gemäß einem dritten Aspekt betrifft die vorgestellte Erfindung ein Fahrzeug mit einer möglichen Ausgestaltung des vorgestellten Brennstoffzellensystems, bei dem die Anzahl Sekundärluftöffnungen des Abgastrakts des Brennstoffzellensystems derart in dem Fahrzeug angeordnet sind, dass sich durch beim Fahren des Fahrzeugs erzeugten Fahrtwind ein Staudruck an der Anzahl Sekundärluftöffnungen aufbaut.
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Ein durch Fahrtwind erzeugter Staudruck an der Anzahl Sekundärluftöffnungen des erfindungsgemäßen Abgastrakts entlastet einen Kompressor des Brennstoffzellensystems des vorgestellten Fahrzeugs, sodass das Brennstoffzellensystems besonders effizient und sicher betrieben werden kann. Dazu kann die Anzahl Sekundärluftöffnungen bspw. in Fahrtrichtung bzw. in Hauptfahrtrichtung, d.h. nach vorne, ausgerichtet sein.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben sind. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein.
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Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung einer möglichen Ausgestaltung des vorgestellten Brennstoffzellensystems mit einer möglichen Ausgestaltung des vorgestellten Abgastrakts,
- 2 eine weitere mögliche Ausgestaltung des vorgestellten Abgastrakts,
- 3 eine schematische Darstellung einer möglichen Ausgestaltung des vorgestellten Fahrzeugs.
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In 1 ist ein Abgastrakt 100 dargestellt. Der Abgastrakt 100 umfasst eine Hauptabgasleitung 101 und eine Nebenabgasleitung 103.
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Die Hauptabgasleitung 101 ist über eine Kathodenabluftschnittstelle 105 mit einem Kathodentrakt 107 eines Brennstoffzellensystems 109 verbunden.
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Weiterhin ist die Hauptabgasleitung 101 ist über eine Spülschnittstelle 111 mit einer Spülleitung 113 des Brennstoffzellensystems 109 verbunden.
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Entsprechend wird die Hauptabgasleitung 101 mit einem Abgasstrom aus dem Kathodentrakt 107 und der Spülleitung 113 versorgt. Da der Abgasstrom in dem Kathodentrakt 107 von einem Kompressor 115 des Brennstoffzellensystems 109 beschleunigte Luft umfasst, bewegt sich der Abgasstrom sehr schnell bzw. mit hoher kinetischer und potentieller Energie in die Hauptabgasleitung 101.
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Um eine durch einen Wasserstoffeintrag aus der Spülleitung 113 steigende Wasserstoffkonzentration in dem durch die Hauptabgasleitung 101 strömenden Abgas sicher bzw. verlässlich auf einen Wert unter einem vorgegebenen Grenzwert einzustellen bzw. zu reduzieren, sind in dem Abgastrakt 100 Sekundärluftöffnungen 117 vorgesehen, durch die Sekundärluft in den Abgastrakt 100 gesaugt und das aus der Hauptabgasleitung 101 strömende Abgas mit Sekundärluft angereichert wird. Entsprechend wird in dem aus der Hauptabgasleitung 101 strömenden Abgas gespeicherte Energie genutzt, um Sekundärluft anzusaugen und eine Wasserstoffkonzentration in einem aus dem Abgastrakt 100 ausströmenden Abgasstrahl zu minimieren.
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In 2 ist der Abgastrakt 100 mit einer alternativen Nebenabgasleitung 201 dargestellt. Die Nebenabgasleitung 201 umfasst eine Verengung 203, und ein Nebenabgasleitungsrohr 205.
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Ein Querschnitt D1 der Hauptabgasleitung 101 ist größer als ein Querschnitt D2 den Nebenabgasleitungsrohres 205, sodass aus dem Nebenabgasleitungsrohr 205 besonders schnell ist bzw. eine hohe kinetische Energie aufweist und an jeweiligen Sekundärluftöffnungen 207 einen besonders großen Sog erzeugt, der Sekundärluft in die Nebenabgasleitung 201 saugt.
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Aufgrund der gebogenen bzw. abgerundeten Form der Verengung 203 und einem entsprechend minimalen Querschnitt D3 der Nebenabgasleitung 201 im Bereich eines Endes des Nebenabgasleitungsrohres 205 wird durch die Sekundärluftöffnungen 207 in die Nebenabgasleitung 201 strömende Sekundärluft beschleunigt, wodurch sich eine Geschwindigkeit der Sekundärluftströme am Ende des Nebenabgasleitungsrohres 205 und von aus dem Nebenabgasleitungsrohr 205 austretendem Abgas annähert und ein Staudruck durch die angesaugte Sekundärluft in der Nebenabgasleitung 201 minimiert wird.
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Aufgrund eines sich in Strömungsrichtung hinter der Verengung 203 vergrößernden Querschnitts der Nebenabgasleitung 201 wird ein Volumen zum Ausleiten eines das Abgas und die Sekundärluft umfassenden Gasstroms maximiert und, dadurch bedingt, ein Staudruck in der Nebenabgasleitung 201 minimiert. Dies bedeutet, dass ein Querschnitt des Nebenabgasleitung D4 am Anfang der Verengung 203 bzw. vor der Verengung 203 kleiner ist als ein Querschnitt D5 am Auslass des Abgastrakts 100.
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Um ein Zurücklaufen von Wasser in die Nebenabgasleitung 201 zu minimieren, kann ein Winkel zwischen einer Rotationsachse des Nebenabgasleitungsrohres 205 und einem jeweiligen äußeren Ende 209, 211 der Nebenabgasleitung 201 in einem Bereich zwischen 10° und 20° abgewinkelt bzw. abgerundet sein.
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In 3 ist ein Fahrzeug 300 dargestellt. Das Fahrzeug 300 umfasst das Brennstoffzellensystem 109 gemäß 1, wobei Sekundärluftöffnungen 117 des Abgastrakts 100 in Fahrtrichtung des Fahrzeugs 300 angeordnet sind, um einen Staudruck an den Sekundärluftöffnungen 117 zu maximieren.
