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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Befeuchten von Kathodenluft in einem Brennstoffzellensystem. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Brennstoffzellensystem mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Befeuchten von Kathodenluft.
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Stand der Technik
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Eine Brennstoffzelle wandelt Sauerstoff und einen Brennstoff, beispielsweise Wasserstoff, in elektrische Energie, Wärme und Wasser. Als Sauerstofflieferant dient in der Regel Luft, die der Umgebung entnommen wird. Die Luft wird einer Kathode, der Brennstoff einer Anode der Brennstoffzellen zugeführt.
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Zur Erhöhung der elektrischen Leistung werden eine Vielzahl an Brennstoffzellen zu einem Brennstoffzellenstapel verbunden. Zur Luftversorgung ist der Brennstoffzellenstapel an einen Zuluftpfad angeschlossen. Da der Energiewandlungsprozess einen gewissen Luftmassenstrom und ein gewisses Druckniveau erfordert, wird die über den Zuluftpfad zugeführte Luft zuvor mit Hilfe eines im Zuluftpfad angeordneten Luftverdichters verdichtet. Danach wird die Luft auf die richtige Feuchte bei vorgegebener Temperatur eingestellt. Zum Befeuchten kann insbesondere Wasser verwendet werden, das anoden- und/oder kathodenseitig während des Energiewandlungsprozesses anfällt, sogenanntes Produktwasser. Dieses kann in einem Wassertank gesammelt und bei Bedarf mit Hilfe einer geeigneten Dosiereinrichtung in den Zuluftpfad eindosiert werden.
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Die Verwendung von Produktwasser zum Befeuchten der Kathodenluft setzt voraus, dass eine ausreichende Menge an Produktwasser im Betrieb des Brennstoffzellensystems anfällt, so dass im Wassertank stets eine gewisse Menge an Wasser vorhanden ist. Lastabhängig kann es jedoch zu einer negativen Wasserbilanz kommen, so dass der Wasserverbrauch den Wasserzufluss in den Wassertank übersteigt. Dies kann insbesondere bei mittleren bis niedrigen Lasten der Fall sein. Insbesondere im Niedriglastbetrieb muss daher ein ausreichender Wasservorrat im Wassertank sichergestellt werden.
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Mit dieser Aufgabe ist die vorliegende Erfindung befasst. Zur Lösung der Aufgabe werden das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie die Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 8 vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind den jeweiligen Unteransprüchen zu entnehmen. Des Weiteren wird ein Brennstoffzellensystem mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung angegeben.
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Offenbarung der Erfindung
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Bei dem vorgeschlagenen Verfahren zum Befeuchten von Luft in einem Zuluftpfad eines Brennstoffzellensystems mittels Wassereinspritzung wird kathodenseitig anfallendes Produktwasser verwendet. Das kathodenseitig anfallende Produktwasser wird mit Hilfe eines in einen Abluftpfad integrierten Wasserabscheiders aus der in den Abluftpfad eingeleiteten feuchten Abluft abgeschieden. Lastabhängig wird dabei der Flüssigwasseranteil der Abluft über die Temperatur der Abluft variiert.
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Die Temperatur der Abluft hat einen starken Einfluss auf die Aufnahmefähigkeit von Wasser in der Luft. Sinkt die Temperatur der Abluft, ist der Sättigungszustand schneller erreicht, so dass der Flüssigwasseranteil der Abluft steigt. Durch Variieren des Flüssigwasseranteils kann demnach die mit Hilfe des Wasserabscheiders abgeschiedene Wassermenge gesteuert werden. Denn je mehr Flüssigwasser die Abluft enthält, desto mehr Produktwasser kann mit Hilfe des Wasserabscheiders abgeschieden werden und desto mehr Wasser steht zum Befeuchten der Luft im Zuluftpfad zur Verfügung. Durch Variieren des Flüssigwasseranteils über die Temperatur der Abluft kann somit einer negativen Wasserbilanz entgegengewirkt werden.
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Da insbesondere bei niedriger Last weniger Produktwasser anfällt, so dass die Gefahr einer negativen Wasserbilanz besteht, wird in Weiterbildung der Erfindung vorgeschlagen, dass bei mittleren bis niedgrigen Lasten die Temperatur der Abluft abgesenkt wird, so dass der Flüssigwasseranteil der Abluft steigt.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Temperatur der Abluft über die Kühlmitteltemperatur, insbesondere die Kühlmittel-Vorlauftemperatur, eines Kühlkreises gesteuert, über den die im Betrieb anfallende Abwärme des Brennstoffzellensystems abgeführt wird. Durch Anpassung der Kühlmitteltemperatur bzw. der Kühlmittel-Vorlauftemperatur kann die Ablufttemperatur und über die Ablufttemperatur kann der Flüssigwasseranteil der Abluft gesteuert werden. Bei Lastfällen mit negativer Wasserbilanz, insbesondere bei mittleren bis niedrigen Lasten, wird die Kühlmitteltemperatur bzw. die Kühlmittel-Vorlauftemperatur abgesenkt, so dass der Flüssigwasseranteil der Abluft steigt und die Wasserbilanz zumindest ausgeglichen ist. Bei Lastfällen mit positiver Wasserbilanz, das heißt bei hohen Lasten, kann die Kühlmitteltemperatur bzw. die Kühlmittel-Vorlauftemperatur wieder erhöht werden. Alternativ kann überschüssiges Produktwasser mit der Abluft über den Abluftpfad abgeführt werden.
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Die mit dem Absenken der Kühlmitteltemperatur bzw. der Kühlmittel-Vorlauftemperatur einhergehende Erhöhung der Kühlleistung ist in niedrigen Lastfällen in der Regel unproblematisch, da der Kühlkreis für hohe Lasten und die daraus resultierende Abwärme ausgelegt ist. Gleichzeitig wird durch die Wassereinspritzung und die Verdunstung von Flüssigwasser die Abwärme in hohen Lastfällen reduziert. Da der Kühlkreis weniger dynamisch betrieben werden muss, kann somit zugleich eine Entlastung des Kühlkreises erreicht werden.
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Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass die zum Befeuchten erforderliche Wassermenge mit Hilfe der Kühlmitteltemperatur, insbesondere mit Hilfe der Kühlmittel-Vorlauftemperatur, des Kühlkreises ermittelt wird. Das heißt, dass nicht mehr die Temperatur der Luft im Zuluftpfad die zum Befeuchten erforderliche Wassermenge vorgibt, sondern die Kühlmitteltemperatur bzw. die Kühlmittel-Vorlauftemperatur. Dies führt zu einem geringeren Wasserbedarf, solange die tatsächliche Temperatur der Luft im Zuluftpfad über der Kühlmitteltemperatur bzw. der Kühlmittel-Vorlauftemperatur liegt.
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Da der Kühlkreis eine gewisse Trägheit aufweist, wird die Kühlmitteltemperatur bzw. die Kühlmittel-Vorlauftemperatur bevorzugt vorgesteuert, wobei vorzugsweise Informationen über zukünftige Lastanforderungen und/oder erlernte Erfahrungswerte zur Vorsteuerung verwendet werden. Die Informationen über zukünftige Lastanforderungen können beispielsweise über ein Navigationssystem zur Verfügung gestellt werden.
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Bevorzugt wird mit Hilfe des Wasserabscheiders abgeschiedenes Produktwasser in einem Wassertank gesammelt und mit Hilfe einer Dosiereinrichtung in den Zuluftpfad eingespritzt. Damit stets eine ausreichende Menge an Wasser zum Befeuchten der Luft im Zuluftpfad vorhanden ist, sollte eine vollständige Entleerung des Wassertanks vermieden werden. Idealerweise wird zusätzlich zum kathodenseitig anfallenden Produktwasser anodenseitig anfallendes Produktwasser in den Wassertank eingeleitet, so dass die gesamte im Betrieb des Brennstoffzellensystems anfallende Menge an Produktwasser zum Befeuchten der Luft im Zuluftpfad zur Verfügung steht. Da anodenseitig in der Regel ein Wasserabscheider zum Entfernern von Flüssigwasser aus dem Anodengas vorhanden ist, muss dieser nur noch mit dem Wassertank verbunden werden.
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Ferner wird vorgeschlagen, dass der Füllstand im Wassertank überwacht wird. Mit Hilfe der Füllstandsüberwachung kann eine kontinuierliche Wasserbevorratung sichergestellt werden.
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Darüber hinaus wird eine Vorrichtung zum Befeuchten von Luft in einem Zuluftpfad eines Brennstoffzellensystems mittels Wassereinspritzung vorgeschlagen. Die Vorrichtung umfasst:
- - einen Wasserabscheider, der zum Abscheiden von kathodenseitig anfallendem Produktwasser in einen Abluftpfad intergiert ist,
- - einen Wassertank zum Sammeln des mit Hilfe des Wasserabscheiders abgeschiedenen Produktwassers sowie
- - eine Dosiereinrichtung, die am Zuluftpfad angeordnet und mit dem Wassertank über eine Wasserleitung verbunden ist.
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Die Vorrichtung ist insbesondere zur Durchführung des vorab beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet, so dass dieselben Vorteile erzielbar sind. Insbesondere kann eine negative Wasserbilanz vermieden werden, indem lastabhängig die Temperatur der Abluft variiert wird.
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In die Wasserleitung, welche den Wassertank mit der Dosiereinrichtung verbindet, ist vorzugsweise eine Pumpe integriert. Mit Hilfe der Pumpe kann die Versorgung der Dosiereinrichtung mit Wasser sichergestellt werden. Ferner kann das Wasser unter Druck eingespritzt werden, so dass dieses beim Einspritzen fein zerstäubt wird. Auf diese Weise kann das Verdunsten des eingespritzten Wassers gefördert werden.
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Der Wassertank ist bevorzugt mit einem weiteren Wasserabscheider verbunden, der anodenseitig zum Abscheiden von anodenseitig anfallendem Produktwasser angeordnet ist. Auf diese Weise kann sowohl kathodenseitig als auch anodenseitig anfallendes Produktwasser zum Befeuchten der Luft im Zuluftpfad genutzt werden. Demzufolge steht auch eine größere Wassermenge zur Verfügung.
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Des Weiteren wird ein Brennstoffzellensystem mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Befeuchten von Luft in einem Zuluftpfad vorgeschlagen, über den ein Brennstoffzellenstapel mit Luft versorgbar ist. Mit Hilfe der Vorrichtung kann die dem Brennstoffzellenstapel zugeführte Luft vorab konditioniert werden. Insbesondere kann die Luft auf die richtige Feuchte bei vorgegebener Temperatur eingestellt werden. In der Folge steigt der Wirkungsgrad des Brennstoffzellenstapels.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines Luftsystems eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems und
- 2 verschiedene Diagramme zur Darstellung a) der Dosierrate, des kathoden- und anodenseitigen Produktwasseranfalls, b) des Füllstands im Wassertank und der Kühlmittel-Vorlauftemperatur sowie c) des Leistungsbedarfs, jeweils über die Zeit.
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Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
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Über das in der 1 dargestellte Luftsystem eines Brennstoffzellensystems 1 wird ein Brennstoffzellenstapel 10 mit Luft versorgt. Die Luft wird der Umgebung entnommen und über einen Zuluftpfad 2 zunächst einem Luftfilter 11 zugeführt. Stromabwärts des Luftfilters 11 ist ein Verdichter 12 in den Zuluftpfad 2 integriert, da die elektrochemische Reaktion in den Brennstoffzellen einen gewissen Luftmassenstrom und ein gewisses Druckniveau erfordert. Stromabwärts des Verdichters 12 ist eine Dosiereinrichtung 6 angeordnet, mittels welcher Wasser in den Zuluftpfad 2 eingespritzt werden kann, um die Luft vor dem Eintritt in den Brennstoffzellenstapel 10 zu befeuchten. Zur weiteren Konditionierung der Luft ist stromabwärts der Dosiereinrichtung ein Kühler 14 vorgesehen. Die aus dem Brennstoffzellenstapel 10 austretende feuchte Abluft wird über einen Abluftpfad 3 abgeführt, in den ein Wasserabscheider 4 integriert ist. Mit Hilfe des Wasserabscheiders 4 wird der in der Abluft enthaltene Flüssigwasseranteil abgeschieden. Stromabwärts des Wasserabscheiders 4 ist eine Turbine 13 in den Abluftpfad 3 integriert, die mit dem Verdichter 12 wirkverbunden ist und der Energierückgewinnung dient. Im Abstellfall kann der Brennstoffzellenstapel 10 mittels Absperrventile 15, 16 vom Luftsystem getrennt werden. Ferner ist ein Bypasspfad 17 mit integriertem Bypassventil 18 zur Umgehung des Brennstoffzellenstapels 10 vorgesehen.
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Die Dosiereinrichtung 6 ist über eine Wasserleitung 7 mit einem Wassertank 5 verbunden, in den das mittels des Wasserabscheiders 4 aus der Abluft abgeschiedene Produktwasser eingeleitet wird. In den Wassertank 5 kann zudem anodenseitig anfallendes Produktwasser eingeleitet werden, das mit Hilfe eines anodenseitig angeordneten Wasserabscheiders 9 abgeschieden wird. Hierzu muss lediglich ein am Wasserabscheider 9 angeordnetes Drainventil 19 geöffnet werden.
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Sofern im Wassertank 5 eine ausreichende Menge an Wasser vorhanden ist, kann dieses mit Hilfe einer Pumpe 8 der Dosiereinrichtung 6 zugeführt werden. Mit Hilfe der Dosiereinrichtung 6 kann dann eine bestimmte Wassermenge in den Zuluftpfad zum Befeuchten der Luft eingespritzt werden. Das Eindosieren kann beispielsweise mit Hilfe eines Dosierventils 20 der Dosiereinrichtung 6 bewirkt werden.
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Die im Wassertank 5 vorhandene Wassermenge variiert lastabhängig, so dass die Gefahr besteht, dass das anfallendes Produktwasser bzw. der im Wassertank 5 gespeicherte Wasservorrat nicht ausreicht, um den zum Befeuchten der Luft benötigten Wasserbedarf zu decken. Erfindungsgemäß wird daher der Wasservorrat über die Temperatur der Abluft im Abluftpfad lastabhängig gesteuert. Insbesondere bei niedrigen Lasten wird die Temperatur der Abluft abgesenkt, so dass der Flüssigwasseranteil der Abluft steigt. Zum Absenken der Ablufttemperatur wird vorzugsweise die Kühlmittel-Vorlauftemperatur eines Kühlkreises (nicht dargestellt) reduziert, welcher der Abfuhr der im Betrieb anfallenden Abwärme des Brennstoffzellenstapels 10 dient. Mit dem Flüssigwasseranteil der Abluft steigt auch der Wasservorrat im Wassertank 5.
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Der Zusammenhang zwischen der Kühlmittel-Vorlauftemperatur TK und dem Wasservorrat WT im Wassertank 5 ist beispielhaft in dem Diagramm der 2b) dargestellt. Bei einem temporären Absenken der Temperatur TK gegenüber einem Nominalwert Tnom steigt der Wasservorrat WT im Wassertank 5 an. Entsprechend variieren die kathodenseitig anfallende Produktwassermenge (Kurve A) sowie die Dosierrate (Kurve B), deren Verläufe in dem Diagramm der 2a) dargestellt sind. Die weitere Kurve C der 2a) gibt die anodenseitig anfallende Produktwassermenge an. Die Verläufe wurden bei niedriger Last ermittelt, das heißt bei einem Leistungsbedarf von etwa 20 % (siehe 2c)).
