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Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Patentanspruches 1. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems mit den Merkmalen des Patentanspruches 9.
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Stand der Technik
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Mit Hilfe einer Brennstoffzelle eines Brennstoffzellensystems der eingangs genannten Art wird unter Verwendung von Wasserstoff und Sauerstoff chemische in elektrische Energie umgewandelt. Dabei kann eine Polymermembran als Elektrolyt dienen. Ist dies der Fall, handelt es sich um eine PEM („Proton Exchange Membran“) -Brennstoffzelle. Brennstoffzellensysteme mit derartigen Brennstoffzellen werden als PEM-Brennstoffzellensysteme bezeichnet.
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Die mit Hilfe eines Brennstoffzellensystems im Wege der elektrochemischen Wandlung gewonnene elektrische Energie kann als Antriebsenergie, beispielsweise zum Antrieb eines Fahrzeugs, genutzt werden. Der hierzu benötigte Wasserstoff wird an Bord des Fahrzeugs in einem geeigneten Tank mitgeführt. Der ferner benötigte Sauerstoff kann der Umgebungsluft entnommen werden.
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Wasserstoffbasierte Brennstoffzellensysteme gelten als Mobilitätskonzept der Zukunft, da nur Wasser bzw. Wasserdampf emittiert wird. Darüber hinaus sind schnelle Betankungszeiten realisierbar.
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Um höheren Leistungsanforderungen gerecht zu werden ist es üblich, dass in einem Brennstoffzellensystemen mehrere Brennstoffzellenstacks zusammengefasst werden. Jeder der Brennstoffzellenstacks weist ein eigenes Subsystem auf, in dem die Komponenten verdoppelt, verdreifacht oder vervierfacht werden.
Aus diesem Grund ist der Bauraumbedarf und die Systemkosten eines Brennstoffzellensystems immer um einen Faktor 2, 3 oder 4 größer als bei einem einzelnen System.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Brennstoffzellensystem mit mindestens zwei Brennstoffzellenstacks bereit zu stellen, welches einen geringeren Bauraum benötigt.
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Zur Lösung der Aufgabe wird das Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, sowie das Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 9 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den jeweiligen Unteransprüchen zu entnehmen.
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Offenbarung der Erfindung
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Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruches 1 und das Verfahren Betreiben eines Brennstoffzellensystems haben den Vorteil, dass aufgrund der geringeren Anzahl von Komponenten im Anodensystem des mindestens eines zweiten Brennstoffzellenstacks der benötigte Bauraum des Brennstoffzellensystems reduziert werden kann. Neben dem geringeren Bedarf an Bauraum können durch den Wegfall der Rezikulationspumpe im zweiten Anodensystem Kosten eingespart werden. Des Weiteren findet eine Einsparung der durch das Brennstoffzellensystem benötigten elektrischen Leistung statt. Insgesamt lässt sich auf diese Weise der H2-Verbrauch senken.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ist kostengünstig, da eine Komponente im Anodensystem des zweiten Brennstoffzellenstacks wegfällt und die Strahlpumpe, die zum Antrieb der Strömung eingesetzt wird, einen geringeren Energiebedarf aufweist.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist auch Vorteile im thermischen Verhalten auf, da durch den Wegfall der Rezirkulationspumpe weniger Wärme in den Rezirkulationskreis eingebracht wird. Es kann auf Vorrichtungen und Verfahren zum Kühlen des Anodensystems verzichtete werden.
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Eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit einer Rezirkulationspumpe im ersten Anodensystem und keiner Rezirkulationspumpe in dem mindestens einen zweiten Anodensystem ist vorteilhaft, da alle benötigten Betriebspunkte weiterhin angesteuert werden können. Bei einer kleinen Leistungsanforderung an das Brennstoffzellensystem wird nur der erste Brennstoffzellenstack mit dem ersten Anodensystem in Betrieb genommen, während der mindestens eine zweite Brennstoffzellenstack nicht zur Bereitstellung der angeforderten elektrischen Leistung beiträgt.
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Bei Leistungsanforderungen, die oberhalb einer ersten Leistungsschwelle liegen, können der erste und/oder der mindestens eine zweite Brennstoffzellenstack in Betrieb genommen werden.
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In den abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems angegeben.
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Es ist von Vorteil, wenn eine mit dem zudosierten Brennstoff aus der Anodenleitung betriebene Strahlpumpe im ersten und im mindestens einem zweiten Rezirkulationskreis angeordnet ist, da diese im Betrieb nur einen geringen Energiebedarf aufweist.
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Es ist vorteilhaft, wenn der Rezirkulationskreis mit einer Drain- und/oder Purgeleitung verbunden ist, da auf diese Weise Stickstoff und Wasser aus dem Rezirkulationskreis entfernt werden können, so dass es nicht zu einem Leistungsverlust des Brennstoffzellensystems kommen kann.
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Durch ein Drain- und/oder Purgeventil in der Drain- und/oder Purgeleitung kann eine Verbindung zur Abgasleitung nur bei Bedarf freigegeben werden.
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Es ist von Vorteil, wenn die erste Anodenleitung und die zweite Anodenleitung mit einem gemeinsamen Tanksystem verbunden sind, da der benötigte Bauraum für das Brennstoffzellensystem weiter reduziert werden kann.
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Eine gemeinsame Tankleitung, welche die erste Anodenleitung und die mindestens eine zweite Anodenleitung mit dem Tanksystem verbindet, reduziert die Systemkosten.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren können insbesondere in brennstoffzellenbetriebenen Kraftfahrzeugen eingesetzt werden. Ebenso ist jedoch auch ein Einsatz in anderen brennstoffzellenbetriebenen Fortbewegungsmitteln, wie Kränen, Schiffen, Schienenfahrzeugen, Flugobjekten oder auch in stationären brennstoffzellenbetriebenen Objekten denkbar.
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Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems gemäß dem Stand der Technik,
- 2 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems und
- 3 ein Flussablaufdiagramm der einzelnen Schritte eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
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In der 1 ist eine schematische Topologie eines Brennstoffzellensystems 100 gemäß dem Stand der Technik gezeigt. Das Brennstoffzellensystem 100 weist einen ersten Brennstoffzellenstack 101 und einen zweiten Brennstoffzellenstack 201 auf. Der erste Brennstoffzellenstack 101 und der zweite Brennstoffzellenstack 201 sind jeweils mit einen Luftpfad 110, 210 und mit jeweils einen Abgaspfad 112, 212 verbunden.
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Die jeweiligen Luftpfade 110,210 dienen als Zuluftleitung, um einer Kathode des jeweiligen Brennstoffzellenstacks 101, 201 Luft aus der Umgebung zuzuführen.
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Die jeweiligen Abgaspfade 112, 212 dienen dazu verbrauchte Luft, Wasser und Abgase aus der Brennstoffzelle an die Umgebung abzugeben.
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In dem Luftpfad 10 sind Komponenten angeordnet, welche für den Betrieb des Brennstoffzellenstacks 101 benötigt werden. Im Luftpfad 10 kann ein Luftverdichter und/oder Kompressor angeordnet sein, welcher die Luft entsprechend den jeweiligen Betriebsbedingungen des Brennstoffzellenstacks 101, 201 verdichtet bzw. ansaugt. Stromabwärts vom Luftverdichter und/oder Kompressor kann sich ein Wärmetauscher befinden, welcher die Luft im Luftpfad 110, 210 vor der Einströmung in den Brennstoffzellenstack 101, 201 abkühlt, und diesen somit vor thermisch bedingten Schäden schützt.
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Innerhalb des Luftpfades 110, 210 können noch weitere Komponenten wie beispielsweise ein Filter und/oder ein Befeuchter und/oder Ventile vorgesehen sein. Über den Luftpfad 110, 210 wird dem Brennstoffzellenstack 101, 201 sauerstoffhaltige Luft bereitgestellt.
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Da die Anordnung der Komponenten im Luftsystem nicht erfindungswesentlich ist, sind diese in den Figuren nicht explizit dargestellt.
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Des Weiteren weist das Brennstoffzellensystem 100 ein erstes Anodensystem, welches mit dem ersten Brennstoffzellenstack 101 verbunden ist, und ein zweites Anodensystem, welches mit dem zweiten Brennstoffzellenstack 201 verbunden ist, auf.
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Das erste Anodensystem umfasst eine erste Anodenleitung 120 und einen ersten Rezirkulationskreis 150. Das zweite Anodensystem umfasst eine zweite Anodenleitung 220 und einen zweiten Rezirkulationskreis 250. Über die erste und zweite Anodenleitung 120, 220 gelangt Brennstoff zum jeweiligen Brennstoffzellenstack 101, 201. Die erste und die zweite Anodenleitung 120, 220 sind dazu jeweils mit einem Tank 121, 212 oder einem gemeinsamen Tank verbunden.
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Um den ersten und zweiten Brennstoffzellenstack 101, 201 immer ausreichend mit Brennstoff zu versorgen, besteht die Notwendigkeit einer überstöchiometrischen Dosierung von Brennstoff über die Anodenleitung 120, 220. Der überschüssige Brennstoff, sowie gewisse Mengen von Wasser und Stickstoff, die durch die Zellmembranen des ersten und zweiten Brennstoffzellenstack 101, 201 von der Kathodenseite auf die Anodenseite diffundieren, werden im jeweiligen Rezirkulationskreis 150, 250 zurückgeführt und mit dem zudosierten Brennstoff aus der Anodenleitung 120, 220 vermischt.
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Zum Antrieb der Strömung ist im ersten und zweiten Rezirkulationskreis 150, 250 jeweils eine Strahlpumpe 151, 251 und eine Rezirkulationspumpe 152, 252 verbaut.
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Die jeweilige Rezirkulationspumpe 152, 252 ist zwischen einem Anodenausgang 153,253 des jeweiligen Brennstoffzellenstacks 101,201 und der Strahlpumpe 151,251 angeordnet.
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Da sich im Laufe der Zeit, Wasser und Stickstoff innerhalb des Rezirkulationskreises ansammelt ist der Rezikulationskreis 150, 250 mit einer Drain- und/oder Purgeleitung 154, 254 verbunden. In der Drain- und/oder Purgeleitung 154, 254 ist ein Drain- und/oder Purgeventil angeordnet, welche je nach Bedarf eine Verbindung zu Abgaspfad 112,212 freigibt.
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Es können weitere Komponenten in der Anodenleitung 120,220 angeordnet sein, um eine Anode 103 des Brennstoffzellenstack 101 nach Bedarf mit Brennstoff zu versorgen.
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In 2 ist eine schematische Topologie eines Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt. Das Brennstoffzellensystem 100 weist einen ersten Brennstoffzellenstack 101 und einen zweiten Brennstoffzellenstack 201 auf. Der erste Brennstoffzellenstack 101 und der zweite Brennstoffzellenstack 201 sind jeweils mit einen Luftpfad 110, 210 und mit jeweils einen Abgaspfad 112, 212 verbunden.
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Des Weiteren weist das Brennstoffzellensystem 100 ein erstes Anodensystem, welches mit dem ersten Brennstoffzellenstack 101 verbunden ist, und ein zweites Anodensystem, welches mit dem zweiten Brennstoffzellenstack 201 verbunden ist, auf.
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Die dargestellten Luftpfade 110, 210, Abgaspfade 112, 212 und das erste und zweite Anodensystem entsprechen den in der 1 gezeigten Brennstoffzellensystem. Im Folgenden soll auf die erfindungswesentlichen Unterschiede eingegangen werden.
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Der erste Rezirkulationskreis 150 des ersten Anodensystems weist eine Rezirkulationspumpe 152 und eine Strahlpumpe 151 auf, um die Strömung im Rezirkulationskreis des ersten Brennstoffzellenstacks 101 aufrechtzuerhalten.
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Im Gegensatz dazu weist der zweite Rezirkulationskreis 250 des zweiten Anodensystems keine Rezirkulationspumpe 252 auf. Die Strömung im zweiten Rezirkulationskreis 250 kann nur durch die Strahlpumpe 251, welche im zweiten Rezirkulationskreis 250 angeordnet ist, aufrechterhalten werden.
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Da die Strahlpumpe 252 des zweiten Rezirkulationskreises 250 mit dem zudosierten Brennstoff aus der Anodenleitung 220 betrieben wird, kann diese nur bei hohen Durchflussraten die Strömung im zweiten Rezirkulationskreis 250 aufrechterhalten. Aus diesem Grund kann der zweite Brennstoffzellenstack 201 nur bei hohen Leistungsanforderungen betrieben werden.
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Da im ersten Rezirkulationskreis 150 zusätzlich zur Strahlpumpe 151 auch noch eine Rezirkulationspumpe 152 angeordnet ist, kann bei niedrigen Leistungsanforderungen, die Strömung im ersten Rezirkulationskreis 150 durch die Rezirkulationspumpe 152 aufrechterhalten werden.
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Die erste Anodenleitung 120 und die zweite Anodenleitung 220 können mit einem gemeinsamen Tanksystem 21 verbunden sein. Das gemeinsame Tanksystem 21 kann durch mehrere einzelne oder miteinander verbundene Tanks gebildet werden.
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Die erste Anodenleitung 120 und die mindestens eine zweite Anodenleitung 220 können über eine gemeinsame Tankleitung 22 mit dem Tanksystem 21 verbunden sind. In der gemeinsamen Tankleitung 22 kann ein Druckregler 23 angeordnet sein, welcher den Druck auf das in der ersten und zweiten Anodenleitung 120, 220 benötigte Druckniveau reduziert.
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Das Brennstoffzellensystem 100 kann für mobile Anwendungen mit hohem Leistungsbedarf, bspw. in LKW's, oder für stationäre Anwendungen, bspw. in Generatoren, eingesetzt werden.
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3 zeigt ein Flussablaufdiagramm der Schritte eines Verfahrens zum Betreiben eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems 100.
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In einem Verfahrensschritt 300 wird das Brennstoffzellensystem gestartet. In einem Verfahrensschritt 310 wird überprüft, ob eine elektrische Leistung des Brennstoffzellensystems benötigt wird, welche oberhalb oder unterhalb einer ersten Leistungsschwelle liegt.
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Liegt die benötigte Leistung unterhalb der ersten Leistungsschwelle, wird in einem Verfahrensschritt 320 der mindestens eine zweite Brennstoffzellenstack 201 abgeschaltet, falls dieser nicht schon abgeschaltet ist.
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Liegt die benötigte Leistung oberhalb der ersten Leistungsschwelle, wird in einem Verfahrensschritt 320 der mindestens eine zweite Brennstoffzellenstack 201 hinzugeschaltet, falls dieser nicht schon hinzugeschaltet ist.
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Die Überprüfung im Verfahrensschritt 310 kann in regelmäßigen Zeitabständen stattfinden. In einer alternativen Ausführungsform kann die Überprüfung im Verfahrensschritt 310 erneut stattfinden, wenn sich die Leistungsanforderung an das Brennstoffzellensystem 100 ändert.
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Das Brennstoffzellensystem 100 kann in einem alternativen Ausführungsbeispiel mehr als zwei Brennstoffzellenstacks aufweisen. Diese zusätzlichen Brennstoffzellenstacks und ihnen zugeordnete Versorgungssystem mit Luft und Brennstoff entspricht dem Versorgungssystem, insbesondere dem Anodensystem, des zweiten Brennstoffzellenstacks 201 aus 2. Diese weiteren zweiten Brennstoffzellenstacks 201 weisen in ihrem Rezirkulationskreis, welcher dem zweiten Rezirkulationskreis 250 aus 2 entspricht, keine Rezirkulationspumpe auf. Die Strömung im Rezirkulationskreis dieser weiteren zweiten Brennstoffzellenstacks wird allein durch die Rezirkulationspumpe angetrieben.
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Diese weiteren zweiten Brennstoffzellenstacks 201 werden nur bei hohen Leistungsanforderungen an das Brennstoffzellensystem 100 in Betrieb genommen.
