DE10210358A1

DE10210358A1 - Ein Brennstoffzellensystem mit Kompressor sowie Verfahren zum Betrieb eines solchen Brennstoffzellensystems

Info

Publication number: DE10210358A1
Application number: DE10210358A
Authority: DE
Inventors: Rainer Pechtold
Original assignee: Motors Liquidation Co
Current assignee: General Motors LLC
Priority date: 2002-03-08
Filing date: 2002-03-08
Publication date: 2003-09-25
Anticipated expiration: 2022-03-09
Also published as: US20030170517A1; DE10210358B4; US7442457B2

Abstract

Ein Brennstoffzellensystem mit mehreren zu einem Brennstoffzellenstapel zusammengesetzten Brennstoffzellen, wobei der Brennstoffzellenstapel eine Anodenseite mit einem Eingang für einen Brennstoff und einem Ausgang für nicht verbrauchten Brennstoff und anodenseitig anfallende Abgase sowie eine Kathodenseite mit einem Eingang für ein gasförmiges Oxidationsmittel wie Luft und einen Ausgang für kathodenseitig anfallende Abgase aufweist, mit einem einen Kompressoreingang und einen Kompressorausgang aufweisenden Kompressor, dessen Kompressorausgang dem auf der Kathodenseite vorgesehenen Oxidationsmitteleingang des Brennstoffzellenstapels vorgeschaltet ist, zeichnet sich dadurch aus, dass eine gas-dynamische Druckwellenmaschine vorgesehen ist, die einen angetriebenen Rotor aufweist, dem ein Eingang für kathodenseitig anfallende Abgase, ein Eingang für frisches Oxidationsmittel, ein Ausgang für von den kathodenseitigen Abgasen verdichtetes Oxidationsmittel sowie ein Ausgang für die kathodenseitigen Abgase zugeordnet ist, wobei der Ausgang für von den kathodenseitigen Abgasen verdichtetes Oxidationsmittel dem Eingang des Kompressors vorgeschaltet ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem mit mehreren zu einem Brennstoffzellenstapel zusammengesetzten Brennstoffzellen, die jeweils eine Anode, eine Kathode und eine dazwischen angeordnete Membran aufweisen, wobei der Brennstoffzellenstapel eine Anodenseite mit einem Eingang für einen Brennstoff und einem Ausgang für nicht verbrauchten Brennstoff und anodenseitig anfallende Abgase sowie eine Kathodenseite mit einem Eingang für ein gasförmiges Oxidationsmittel wie Luft und einen Ausgang für kathodenseitig anfallende Abgase aufweist, mit einem einen Kompressoreingang und einen Kompressorausgang aufweisenden Kompressor, dessen Kompressorausgang dem auf der Kathodenseite vorgesehenen Oxidationsmitteleingang des Brennstoffzellenstapels vorgeschaltet ist, sowie ein Verfahren zum Betrieb eines solchen Brennstoffzellensystems.

Bei einem Brennstoffzellensystem der oben genannten Art wird mit einem Kompressor gearbeitet, der Luft bei einem Überdruck von beispielsweise 2 bar (3 bar absolut) in die Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels einspeist. Die Leistung, die erforderlich ist, um den Kompressor zu betreiben, hängt von dem Lieferdruck des Kompressors sowie dem Durchsatz an Luft ab. Je nach Auslegung des Systems kann der Kompressor eine Antriebsleistung brauchen, die bis über 10% der elektrischen Abgabeleistung des Brennstoffzellensystems beträgt.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Weg aufzuzeichnen, bei dem die erforderliche elektrische Antriebsleistung des Kompressors herabgesetzt werden kann. Darüber hinaus ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Druckerhöhungssystem auf der einen Seite des Brennstoffzellenstapels vorzusehen, das für eine ausreichende Befeuchtung der vom Kompressor gelieferten Druckluft sorgt. Darüber hinaus soll die erfindungsgemäße Lösung kostengünstig, verhältnismäßig einfach und platzsparend sein.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Brennstoffzellensystem der eingangs genannten Art eine gas-dynamische Druckmaschine vorgesehen, die einen angetriebenen Rotor aufweist, dem ein Eingang für kathodenseitig anfallende Abgase, ein Eingang für frisches Oxidationsmittel, ein Ausgang für von den kathodenseitigen Abgasen verdichtetes Oxidationsmittel sowie ein Ausgang für die kathodenseitigen Abgase zugeordnet ist, wobei der Ausgang für von den kathodenseitigen Abgasen verdichtetes Oxidationsmittel dem Eingang des Kompressors vorgeschaltet ist.

Mit anderen Worten wird der bestehende Kompressor durch eine gasdynamische Druckmaschine ergänzt, die zwar ein zusätzliches Bauteil darstellt, es jedoch ermöglicht, die Größe des Kompressors herabzusetzen und die hierfür erforderliche Antriebsleistung deutlich zu verringern.

Verfahrensmäßig zeichnet sich die vorliegende Erfindung dadurch aus, dass die kathodenseitig anfallenden Abgase dem Eingang einer gasdynamischen Druckwellenmaschine mit einem von einem Motor angetriebenen Rotor mit mehreren Hohlkammern zugeführt wird, dem Rotor frisches Oxidationsmittel zugeführt wird, in den Hohlkammern des Rotors eingeführtes frisches Oxidationsmittel durch Druckwellen komprimiert, die beim Eintritt der kathodenseitigen Abgasen in den Rotor durch die Druckdifferenz im Rotor erzeugt werden und dem Eingang des Kompressors zugeleitet wird und dass im Rotor enthaltene kathodenseitige Abgase durch sich in den Hohlkammern des Rotors fortpflanzenden Druckwellen aus der gas-dynamischen Druckwellenmaschine ausgestoßen werden.

Die vorliegende Erfindung beruht auf der Überlegung, dass die kathodenseitigen Abgase am Ausgang des Brennstoffzellenstapels einen Druck haben, der nicht viel niedriger liegt als der Lieferdruck des Kompressors, und beispielsweise um etwa 0,3 bar unter diesem Lieferdruck liegt. Es besteht daher die Möglichkeit, diesen Druck auszunützen, um einen Kompressor anzutreiben, der den elektrisch angetriebenen Kompressor entlastet. Hierdurch wird die Energie der kathodenseitigen Abgase gezielt angewendet und sonst verlorene Energie ausgenützt, um die für den Kompressor erforderliche Antriebsleistung zu verringern. Zwar ist es bereits bekannt, beispielsweise aus der DE-OS 101 30 095.6, einen Expander von den kathodenseitigen Abgasen anzutreiben, der über eine Welle mit dem Kompressor gekoppelt ist. Hier wird zwar die Energie der kathodenseitigen Abgase auch genützt, um die für den Kompressor erforderliche Antriebsleistung herabzusetzen, eine Verkleinerung des Kompressors ist jedoch hierdurch nicht möglich und die Notwendigkeit, den Expander mit dem Kompressor über eine Welle zu koppeln, stellt eine zusätzliche Komplikation dar. Darüber hinaus arbeitet ein solcher Expander bei den herrschenden Abgasbedingungen nicht unbedingt sehr effizient.

Bei der erfindungsgemäßen Lösung dagegen arbeitet die gas-dynamische Druckwellenmaschine in Reihe mit dem Kompressor, wodurch die Größe des Kompressors herabgesetzt werden kann. Darüber hinaus kann die Druckwellenmaschine bei den herrschenden Abgasbedingungen relativ effizient betrieben werden, so dass die Leistungsersparnisse beim Antrieb des Kompressors deutlich größer ausfallen, als wenn ein Expander zur Anwendung gelangt. Da keine wellenmäßige Kopplung der gasdynamischen Druckwellenmaschine mit dem Kompressor erforderlich ist, entsteht bei der Erfindung kein zusätzlicher Aufwand für eine Verbindungswelle zwischen der Druckwellenmaschine und dem Kompressor, da eine solche Welle nicht vorhanden sein muss. Zwar ist es unter Umständen denkbar, eine solche Welle vorzusehen, um den Rotor der Druckwellenmaschine von der Welle des Kompressors bzw. des den Kompressor antreibenden Motors anzutreiben, diese Welle wird aber nur mit kleineren Drehmomenten belastet, da die in der Druckwellenmaschine zurückgewonnene Leistung nicht über die Welle zum Kompressor transportiert wird, sondern über die komprimierte Frischluft, die von der Druckwellenmaschine in den Kompressor hineingeblasen wird. Während bei Verwendung eines Expanders ein Drehmoment vom Expander auf den Rotor des Kompressors übertragen wird, erfolgt bei Verwendung einer gasdynamischen Druckwellenmaschine beim Antreiben des Rotors dieser Maschine vom Kompressor oder vom Antriebsmotor des Kompressors die Übertragung eines Drehmoments in die andere Richtung. Dieses Drehmoment ist relativ klein; es muss lediglich ausreichen, um den Rotor der Druckwellenmaschine bei der erwünschten Drehzahl zu bewegen.

Somit belastet die Druckwellenmaschine den Kompressor bei der Inbetriebnahme des Brennstoffzellensystems nur in geringem Maße, wenn eine Welle vom Kompressor zum Rotor der Druckwellenmaschine führt.

Besonders günstig ist, dass die Druckwellenmaschine bei ausgeklügelter Auslegung so ausgelegt werden kann, dass ein Teil der kathodenseitigen Abgase mit frischer Druckluft vermischt werden kann, wodurch stets ausreichend befeuchtete Gase dem Eingang des Brennstoffzellenstapels zugeführt werden und die Befeuchtung der Luft könnte evtl. auch für eine entsprechende Feuchtigkeitsschmierung des Kompressors ausgenützt werden. Eine solche Schmierung käme evtl. in Frage wenn eine Ölschmierung unerwünscht wäre, bspw. wenn eine Kontamination der Brennstoffzellen bzw. der Abgase des Brennstoffzellensystems zu befürchten wäre.

Zwar sind gas-dynamische Druckwellenmaschinen an sich bekannt, beispielsweise aus der relativ alten DE-OS 20 56 807 oder aus der etwas jüngeren DE-OS 35 03 071 oder der US-PS 6 314 951. Es sind auch zwei Fahrzeugmodelle gebaut worden, die mit solchen Druckwellenmaschinen ausgestattet waren. Die Druckwellenmaschine hat sich aber bis heute nicht im Fahrzeugbau mit herkömmlichen Verbrennungsmotoren durchsetzen können und zwar teilweise aufgrund der Schwierigkeiten bei der Anpassung der Druckwellenmaschine an den je nach Drehzahl und Leistungsabgabe schwankenden Druck-, Temperatur- und Geschwindigkeitswerte der Abgase des Verbrennungsmotors.

Zur vorliegenden Erfindung gehört aber die Realisation, dass solche Druck-, Temperatur- und Geschwindigkeitsschwankungen nicht bzw. nur im beschränkten Ausmaß bei einem Brennstoffzellensystem vorliegen, so dass die Anpassung der Druckwellenmaschine an den Betrieb eines damit ausgestatteten Brennstoffzellensystems einfacher sein dürfte als bei einem Verbrennungsmotor. Während man bei einem Verbrennungsmotor, der mit einer Druckwellenmaschine ausgestattet ist, bemüht ist, eine Vermischung der Abgase des Verbrennungsmotors mit der frischen Luft, die von der Druckwellenmaschine an den Verbrennungsmotor geliefert wird, zu vermeiden wird erfindungsgemäß eine solche Vermischung gezielt angestrebt, um für die Befeuchtung der dem Brennstoffzellenstapel zugeführten Luft zu sorgen.

Vorzugsweise wird ein dem für kathodenseitige Abgase vorgesehenen Ausgang der gas-dynamischen Druckwellenmaschine nachgeschaltetes Druckhalteventil vorgesehen.

Das Druckhalteventil hat die Aufgabe, das Druckniveau im Brennstoffzellenstapel auf dem gewünschten Niveau zu halten, soweit der Druckabfall über den Druckwellenlader dazu nicht alleine ausreicht, was allerdings der Idealfall wäre und evtl. das Druckhalteventil sogar entbehrlich macht. Der erforderlich Druck hängt von verschiedenen Betriebsparametern ab, hauptsächlich von der Temperatur des Brennstoffzellenstapels. Das Druckhalteventil bietet daher die Möglichkeit, die Wirkung der gasdynamischen Druckwellenmaschine abhängig von Betriebsparametern zu gestalten. Vorzugsweise wird eine Steuerung vorgesehen, die an das Druckhalteventil angeschlossen ist und ausgelegt ist, das vom Druckhalteventil bestimmte Druckniveau des Betriebsdruckes auf der Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels bzw. die Einstellung des Drosselglieds des Druckhaltventils in Abhängigkeit von Betriebsparametern zu bestimmen und hierdurch die Wirkung der gas-dynamischen Druckwellenmaschine zu beeinflussen.

Günstig ist es, wenn ein Kühler zwischen dem Ausgang des Kompressors und dem kathodenseitigen Eingang des Brennstoffzellenstapels angeordnet ist, da man hierdurch die Temperatur der in der Brennstoffzelle einströmenden Luft herabsetzen und die unvermeidliche Temperaturerhöhung in der Druckwellenmaschine bzw. in dem Kompressor entgegen wirken kann.

Besonders günstig ist es bei der Verwendung einer gas-dynamischen Druckwellenmaschine, dass diese ausgelegt werden kann, um einen Teil der sehr feuchten kathodenseitigen Abgase mit dem frischen Oxidationsmittel zu vermischen und hierdurch zu befeuchten.

Es bieten sich verschiedene Möglichkeiten, eine solche - im Gegensatz zu der Lage bei einer herkömmlichen Verbrennungsmaschine - erwünschte Vermischung zu erreichen. Beispielsweise kann die Größe und insbesondere die Länge des Rotors bzw. der dort vorgesehenen Kammer und/oder die Umlaufgeschwindigkeit des Rotors gewählt werden, um sicherzugehen, dass eine derartige Vermischung stattfindet, d. h. um den erwünschten Grad der Vermischung der kathodenseitigen Abgase mit der frischen Luft zu bestimmen.

Einfluss auf die Vermischung der feuchten kathodenseitigen Abgase mit der frischen Luft hat auch die relative Position um die Achse des Rotors sowie die Umfangserstreckung des Eingangs für kathodenseitig anfallende Abgase, des Ausgangs für von den kathodenseitigen Abgasen verdichtete Luft und auch des Ausgangs für die kathodenseitigen Abgase. Die Länge und Größe der Kammer des Rotors sind normalerweise fest vorgegeben. Es besteht aber die Möglichkeit, sowohl die Drehgeschwindigkeit des Rotors wie auch die relative Position der Eingänge und Ausgänge um die Achse des Rotors bzw. die Umfangserstreckung dieser Eingänge und Ausgänge gegebenenfalls im Betrieb zu verändern, um einerseits die Wirkung der Druckwellenmaschine an die jeweils erwünschte Leistungsabgabe des Brennstoffzellenstapels, und andererseits den Grad der Vermischung der feuchten kathodenseitigen Abgase mit der frischen Luft zu bestimmen.

Besonders einfach ist es in diesem Zusammenhang, die Drehgeschwindigkeit des Rotors zu verändern, insbesondere deshalb, weil - wie oben zum Ausdruck gebracht - der Antrieb für den Rotor nur ein kleines Drehmoment liefern muss, um die vorhandene Reibung zu überwinden, jedoch keine Kompressionsarbeit leisten muss, da dies auf gas-dynamischem Wege erfolgt.

Somit kann man mit einem getrennten, relativ kleinen, in seiner Geschwindigkeit steuerbaren Elektromotor als Antrieb für den Rotor arbeiten. Dieser Motor kann an die Steuerung angeschlossen werden, so dass die Steuerung auch für die Regelung der Drehgeschwindigkeit des Rotors je nach Leistungsabgabe und entsprechend den jeweiligen Betriebsbedingungen sorgt. Es besteht auch die Möglichkeit, den Rotor der Druckwellenmaschine über eine Welle mit dem Elektromotor, der den Kompressor antreibt, bzw. mit dem Kompressorrotor zu koppeln. Hierdurch würde der Rotor der Druckwellenmaschine synchron mit dem Rotor des Kompressors laufen. Sollte mehr Flexibilität hier gewünscht werden, so kann ein Getriebe mit steuerbarem Übersetzungsverhältnis zwischen dem Rotor der Druckwellenmaschine und dem Rotor des Kompressors bzw. dem den Kompressorrotor antreibenden Elektromotor eingesetzt werden und es wäre dann günstig, das steuerbare Getriebe ebenfalls an die Steuerung anzuschließen, um eine Steuerung der Drehgeschwindigkeit des Rotors als Funktion der Leistungsabgabe des Brennstoffzellensystems bzw. auch unter Berücksichtigung der veränderlichen Erfordernisse bezüglich Befeuchtung der einlaufenden frischen Luft zu realisieren. Im Prinzip bestünde auch die Möglichkeit, auf einen Motor zum Antrieb des Rotors der Druckwellenmaschine insgesamt zu verzichten. Dies könnte beispielsweise dadurch erreicht werden, dass die Kammern des Rotors eine geneigte Stellung zu einer parallel zur Längsachse des Rotors verlaufenden Mantellinie des Rotors aufweisen oder gekrümmt oder abgewinkelt ausgebildet sind, so dass die Wirkung der Gasströme, die in den Rotor eintreten bzw. aus dem Rotor austreten, selbst die Drehgeschwindigkeit des Rotors bestimmen, so dass auf einen Motor oder eine Kopplung mit dem Kompressor verzichtet werden könnte.

Besonders günstig bei einer Druckwellenmaschine der beschriebenen Art ist, dass die Kammern des Rotors keine besondere Kühlung benötigen, da im Gegensatz zu einer Verbrennungsmaschine die Temperatur der kathodenseitigen Abgase des Brennstoffzellenstapels ohnehin relativ niedrig ist und der Rotor während jeder Umdrehung auch durch die frische Luft gekühlt wird. Somit kann mit einer relativ einfachen Rotorkonstruktion gearbeitet werden, wodurch die Auslegung der Druckwellenmaschine insgesamt vereinfacht wird. Da der Kompressor jetzt für eine kleinere Druckerhöhung sorgen muss, könnte er, je nach Bauart, kleiner gestaltet werden als sonst notwendig wäre wenn keine Druckwellenmaschine benützt wird. Auf jeden Fall ist bei der Erfindung eine wesentlich geringere Antriebsleistung für den Kompressor erforderlich und der gesamte Aufwand für die Druckwellenmaschine und den Kompressor kann hierdurch vermindert werden.

Besonders günstige Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen sowie aus der noch folgenden Beschreibung.

Die Erfindung wird nachfolgend näher erläutert anhand der Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Zeichnungen, in welchen zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems,
Fig. 2 eine teilweise weggebrochene Darstellung einer gasdynamischen Druckwellenmaschine, die zur Anwendung in dem Brennstoffzellensystem gemäß Fig. 1 ausgelegt ist,
Fig. 2A eine Blick in Pfeilrichtung II der Fig. 2 auf eine praktische Ausführung des dort verwendeten Rotors,
Fig. 3 eine Seitenansicht einer gas-dynamischen Druckwellenmaschine mit teilweise weggebrochenem Gehäuse, um eine besondere Auslegung des Rotors zu zeigen,
Fig. 4 eine Darstellung ähnlich der Fig. 3, jedoch mit der abgewandelten Form des Rotors,
Fig. 5 eine Darstellung ähnlich der Fig. 1, jedoch von einer weiteren erfindungsgemäßen Auslegung des Brennstoffzellensystems, und
Fig. 6 eine Darstellung ähnlich der Fig. 5, jedoch von einer noch weiteren Auslegung eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems.
Die Fig. 1 zeigt ein Brennstoffzellensystem 10 mit mehreren zu einem Brennstoffzellenstapel 12 zusammengesetzten Brennstoffzellen 14, die, entsprechend dem Detail I, jeweils eine Anode 16, eine Kathode 18 und eine dazwischen angeordnete Membran 20 aufweisen.
Für jede Brennstoffzelle 14 ist die Anordnung der Anode 16, der Kathode 18 und der Membran 20, die die sogenannte MEA (Membrane Electrode Assembly) bildet, zwischen zwei sogenannten bipolaren Platten 22 angeordnet, wobei bis auf die Endplatten des Stapels jede bipolare Platte zwischen zwei benachbarten Membranelektrodeneinheiten angeordnet ist.
Auf der einen Seite bildet jede solch bipolare Platte 22 zusammen mit der Anode 16 der einen Brennstoffzelle ein Strömungsfeld für einen Brennstoff und auf der anderen Seite mit der Kathode 18 der benachbarten Brennstoffzelle ein Strömungsfeld für das gasförmige Oxidationsmittel. Die Strömungsfelder sind häufig durch feine Kanäle gebildet, die in der bipolaren Platte eingearbeitet sind. Die bipolaren Platten werden jeweils häufig aus zwei flächig aneinander liegenden Platten zusammengesetzt, wobei zwischen den beiden Platten Kühlkanäle für ein gasförmiges oder flüssiges Kühlmittel vorgesehen sind. Die Konstruktion von Brennstoffzellen ist an sich gut bekannt und wird hier nicht weiter beschrieben, da die konkrete Auslegung der Brennstoffzellen für die vorliegende Erfindung nicht von Bedeutung ist.
Es genügt zu sagen, dass die Brennstoffzellen im Brennstoffzellenstapel so angeordnet sind, dass die Anoden aneinander angeschlossen sind und somit eine Anodenseite 26 des Brennstoffzellenstapels bilden, während die Kathoden der einzelnen Brennstoffzellen ebenfalls zusammengeschlossen sind und eine Kathodenseite 28 des Brennstoffzellenstapels bilden.
Die Anodenseite 26 des Brennstoffzellenstapels weist einen Eingang für einen Brennstoff und einen Ausgang 32 für nicht verbrauchten Brennstoff sowie anodenseitig anfallende Abgase auf. In ähnlicher Weise weist die Kathodenseite 28 des Brennstoffzellenstapels 12 einen Eingang 34 für ein gasförmiges Oxidationsmittel wie Luft und einen Ausgang 36 für kathodenseitig anfallende Abgase auf.
Das Bezugszeichen 42 deutet auf einen von einem Elektromotor 44 angetriebenen Kompressor, wobei der Elektromotor 44 seine elektrische Antriebsleistung über eine Steuerung 46 von den Klemmen 48, 50 des Brennstoffzellenstapels erhält, wobei der Motor bei der Inbetriebnahme des Brennstoffzellensystems auch wahlweise von einer Batterie angetrieben werden kann, wie in der deutschen Patentanmeldung 101 30 095.6 näher erläutert ist.
Der Eingang 52 des Kompressors enthält vorkomprimierte Luft von einer gas-dynamischen Druckwellenmaschine 54 bzw. von einem gasdynamischen Druckwellenlader und liefert an seinen Ausgang 56 Druckluft bei etwa 3 bar absolut über eine Leitung 58 und einen als Kühler ausgelegten Wärmetauscher 60 an den kathodenseitigen Eingang 34 des Brennstoffzellenstapels 12.
Der in der Druckluft enthaltene Sauerstoff reagiert auf der Kathodenseite 28 des Brennstoffzellensystems innerhalb der einzelnen Brennstoffzellen 14 mit von der Anodenseite 26 des Brennstoffzellenstapels 12 gelieferten Protonen zur Bildung von Wasser und die gleichzeitige Erzeugung von elektrischer Leistung, die beispielsweise an den Klemmen 48, 50 abgenommen werden kann. Die kathodenseitigen Abgase, die hauptsächlich aus Stickstoff als Bestandteil der Luft mit dieser vom Kompressor 42 geliefert wird und in der Brennstoffzelle nicht reagiert, aus Wasser in Dampfform und Tröpfchenform sowie aus unverbrauchtem Sauerstoff bestehen, verlassen den Brennstoffzellenstapel beim Ausgang 36. Die kathodenseitigen Abgase, die beispielsweise bei einem Druck von etwa 2,7 bar absolut den Brennstoffzellenstapel 12 verlassen, strömen durch die Leitung 64 und treten bei dem Eingang 66 in die gas-dynamische Druckwellenmaschine 54 ein. In der gas-dynamischen Druckwellenmaschine 54 läuft dann ein Verfahren ab, das im Detail im Zusammenhang mit einem herkömmlichen Verbrennungsmotor in der PCT-Anmeldung PCT/EP98/05376 beschrieben ist, welche als WO 99/11913 veröffentlicht wurde.
Im Grunde genommen ist, wie auch aus der Fig. 2 ersichtlich ist, der Rotor 70 der gasförmigen Druckwellenmaschine 54 mit mehreren, über seinen Umfang verteilten länglichen Kammern 72 versehen, die sich in axialer Richtung des Rotors erstrecken. Der Rotor 70 selbst wird im Beispiel der Fig. 1 von einem getrennten Elektromotor 74 angetrieben, und zwar mit einer Geschwindigkeit, die von der Steuerung 46 vorgegeben wird. Im unteren linken Bereich des Rotors 70 befindet sich am Motorgehäuse 76 angeflanscht ein Eingang 76 für frische Luft. Diese frische Luft strömt in die vorbeilaufenden Kammern 72 des Rotors hinein und wird entsprechend der Drehrichtung 78 des Rotors in Fig. 2 nach oben transportiert, bis die Kammern an die Stelle gelangen, wo sich der Eingang 66 für die kathodenseitigen Abgase befindet.
Da unmittelbar vor dem Eingang 66 für kathodenseitige Abgase der Druck in den jeweiligen Rotorkammern 72 annähernd bei atmosphärem Druck liegt, der Druck beim Eingang 66 jedoch höher liegt, läuft aufgrund des Druckunterschiedes eine Druckwelle in die vorbeilaufende Rotorkammer hinein, wobei die Linien 80 die Fortpflanzung der Druckwelle entlang der Rotorkammern 72 verdeutlichen. Durch diese Druckwelle wird die bisher bei annähernd Atmosphärendruck und Temperatur vorhandene Frischluft komprimiert und aus dem Ausgang 82 für Frischluft bei höherem Druck ausgestoßen und dem Eingang 52 des Kompressors 42 zugeführt. Falls die jeweilige Rotorkammer 22 an dem Ausgang für komprimierte frische Luft vorbeilaufen, kommen sie in einen Bereich 84 des Gehäuses 86, wo das Gehäuse die Rotorkammer abschließt und dies führt dazu, dass die Richtung der Druckwelle 80 sich ändert. Wie durch die weiteren Linien 80' dargestellt, bewegt sich die Druckwelle 80' dann in Richtung des für die kathodenseitigen Abgase vorgesehenen Ausgang 88, wo die Gase über die Leitung 90, das Druckhalteventil 92 und die weitere Leitung 94 des Brennstoffzellensystems verlassen. Auch das Druckhalteventil 92 ist an die Steuerung 46 angeschlossen und es wird abhängig von Betriebsparametern des Brennstoffzellenstapels angesteuert, um den Druck auf der Anodenseite 28 des Brennstoffzellenstapels 12 im zulässigen Bereich zu halten.
Die Drehung des Rotors entsprechend dem Pfeil 78 erfordert nur ein bescheidenes Drehmoment, da der Rotor selbst keine Kompressionsarbeit leistet, diese Kompressionsarbeit erfolgt ausschließlich durch das gasdynamische Verfahren, das in den länglichen Kammern 72 des Rotors 70 stattfindet.
In der Darstellung der Fig. 2 sind die länglichen Kammern 72 des Rotors 70 so gezeigt als ob sie nur auf drei Seiten durch Material des Rotors begrenzt sind und als ob die vierte Seite der Kammern 72 durch die zylindrische Seitenwand des Gehäuses 86 der Druckwellenmaschine 54 gebildet ist. Obwohl eine solche Ausbildung evtl. möglich wäre, ist die Darstellung der Fig. 2 (und auch der Fig. 3 und 4) nur gewählt, um die gas-dynamischen Vorgänge in Bezug auf die Druckwellen 80, 80' besser erklären zu können. In der Praxis sind die Kammern 72 an allen vier Seiten geschlossen und lediglich an ihren Enden offen wie aus Fig. 2A ersichtlich ist. Dort sind die Kammern 72 auch in zwei konzentrischen Gruppen angeordnet, was ebenfalls bevorzugt ist.
Es soll darauf hingewiesen werden, dass die Gasströmung im Rotor 70 zwar der Bewegung der Druckwelle, die mit dem Bezugszeichen 80, 80' symbolisiert ist, folgt, jedoch mit einer deutlich geringeren Geschwindigkeit. Nichtsdestotrotz gelingt es mit einer solchen gas-dynamischen Druckwellenmaschine 54 einen hohen Wirkungsgrad zu erzielen, obwohl der Druck der einlaufenden kathodenseitigen Abgase bei einem relativ niedrigen Druckniveau liegt.
Obwohl die Druckwelle 80, 80' so wie in Fig. 2 dargestellt, eine klare Trennung zwischen den kathodenseitigen Abgasen und der komprimierten Frischluft suggeriert, findet in der Praxis doch eine gewisse Mischung zwischen den kathodenseitigen Abgasen und der frischen Luft statt. Dies ist bei einer Brennstoffzellenanordnung sogar erwünscht, da man hierdurch für eine gewisse Befeuchtung der Frischluft sorgen kann.
Es ist erfindungsgemäß sogar erwünscht, diese Mischung noch zu verstärken und der Grad der Durchmischung kann durch gezielte Wahl der Länge des Rotors und/ oder die Drehgeschwindigkeit des Rotors und die relative Position des Eingangs 66 für kathodenseitige Abgase, des Ausgangs 82 für komprimierte Frischluft 82 und des Ausgangs 88 für kathodenseitige Abgase um den Umfang des Rotors 70 herum beeinflusst werden, wobei nicht nur die relative Position als solches, sondern auch die Winkelerstreckung bzw. Länge der jeweiligen Eingänge 66, 76 und Ausgänge 82, 88 in Umfangsrichtung des Rotors 70 eine Rolle spielen.
Obwohl bei der Ausführungsform gemäß Fig. 1 und 2 der Rotor von einem getrennten Motor angetrieben wird, ist dies nicht zwangsläufig erforderlich. Beispielsweise können die Kammern 72 des Rotors 70 entsprechend der Fig. 3 so angeordnet werden, dass sie einen spitzen Winkel α mit einer Mantellinie 104 des Gehäuses bilden, die parallel zur Drehachse 79 des Rotors liegt. Auf diese Weise üben die einlaufenden und auslaufenden Kathodenabgase ein Drehmoment auf den Rotor 70 aus, das für die Drehung des Rotors selbst sorgt. Es muss lediglich die relative Position der Eingänge 66, 76 und Ausgänge 82, 88 unter Berücksichtigung des spitzen Winkels α entsprechend gewählt werden.
Es ist auch nicht zwangsläufig erforderlich, dass die Rotorkammern 72 sich in einer geraden Linie bzw. in Helixform am Umfang des Rotors erstrecken. Stattdessen ist eine gekrümmte oder abgewinkelte Anordnung möglich, wie in Fig. 4 dargestellt. Hier erstreckt sich der Kammerabschnitt 72' parallel zur Mantellinie 104 während der Abschnitt 72" einen spitzen Winkel α zur Mantellinie 104 bildet.
Es ist auch nicht erforderlich, einen getrennten Motor 74 zum Antrieb des Rotors der Druckwellenmaschine 54 vorzusehen, sondern der Elektromotor 44, der zum Antrieb des Kompressors dient, kann, wie in Fig. 5 dargestellt, auch zum Antrieb des Rotors der Druckwellenmaschine herangezogen werden.
In der Zeichnung der Fig. 5 sind Teile, die bereits in Zusammenhang mit Fig. 1 beschrieben sind, mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet, so dass die bisherige Beschreibung der Fig. 1 auch für entsprechend nummerierte Teile in Fig. 5 gilt, weshalb diese Teile nicht extra im Zusammenhang mit Fig. 5 beschrieben werden. Dies gilt auch für die Zeichnung der Fig. 6.
Im Gegensatz zu Fig. 1 treibt der Elektromotor 44 den Kompressor 42 im Beispiel der Fig. 5 vom Hochdruckende anstatt vom Niederdruckende an, und die Antriebswelle 45 erstreckt sich durch den Kompressor 42 hindurch, wo sie den dortigen Rotor antreibt und geht anschließend weiter zu dem (nicht gezeigten) Rotor der gas-dynamischen Druckwellenmaschine 54, an den sie ebenfalls angeschlossen ist. Die von der gas-dynamischen Druckwellenmaschine 54 vorkomprimierte Luft, die beispielsweise auf einen Wert von etwa 2 bar absolut komprimiert wird, strömt dann in den Kompressor 42 bei 52 hinein, wo der Druck weiter auf 3 bar absolut erhöht wird. Aufgrund der Vorkompression in der Druckwellenmaschine 54 könnte die Größe des Kompressors 42 wesentlich verkleinert werden, wodurch auch die für den Antrieb des Kompressors erforderliche Leistung herabgesetzt wird. Nach Abkühlung der vom Kompressor 42 gelieferten Druckluft im Wärmetauscher 60 strömt die Luft dann beim Eingang 34 in die Kathodenseite 28 des Brennstoffzellenstapels 12 hinein.
Die der Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels 12 verlassenden Kathodenabgase, die beispielsweise einen Druck im Bereich von etwa 2,7 bar absolut aufweisen, verlieren einen Teil ihres Druckes in der Druckwellenmaschine und strömen dann durch das Druckhalteventil 92 und die Leitung 94 in die Umgebung. Die Funktion des Druckhalteventils 92 ist, eine Feinabstimmung des Betriebes des Brennstoffzellensystems bei verschiedenen Betriebsbedingungen zu ermöglichen.
Je höher die Geschwindigkeit des Rotors, desto geringer die Mischung der kathodenseitigen Abgase mit der Frischluft im Rotor. Es kann davon ausgegangen werden, dass die Kathodenabgase zu 100% befeuchtet sind, d. h. eine relative Feuchte von 100% aufweisen, so dass auch nach der Vermischung mit der frischen Luft eine ausreichende relative Feuchte der in die Kathodenseite des Brennstoffzellenstapel 12 eintretende Luft stets gegeben ist.
Bei der Anordnung der Fig. 6 ist ein von der Steuerung 46 (Fig. 1) über eine Leitung 102 steuerbares Getriebe 104 zwischen dem Kompressorrotor und dem Rotor der gas-dynamischen Druckwellenmaschine vorgesehen, so dass die Drehzahl des Rotors über das steuerbare Getriebe 104 unabhängig von der Drehzahl des Rotors des Kompressors 42 gewählt werden kann.

Claims

1. Ein Brennstoffzellensystem (10) mit
mehreren zu einem Brennstoffzellenstapel (12) zusammengesetzten Brennstoffzellen (14), die jeweils eine Anode (16), eine Kathode (18) und eine dazwischen angeordnete Membran (20) aufweisen, wobei der Brennstoffzellenstapel (12) eine Anodenseite (26) mit einem Eingang (30) für einen Brennstoff und einem Ausgang (32) für nicht verbrauchten Brennstoff und anodenseitig anfallende Abgase sowie eine Kathodenseite (28) mit einem Eingang (34) für ein gasförmiges Oxidationsmittel wie Luft und einen Ausgang (36) für kathodenseitig anfallende Abgase aufweist,
einem einen Kompressoreingang (52) und einen Kompressorausgang (56) aufweisenden Kompressor (42), dessen Kompressorausgang (56) dem auf der Kathodenseite (28) vorgesehenen Oxidationsmitteleingang (34) des Brennstoffzellenstapels vorgeschaltet ist,
einer gas-dynamischen Druckwellenmaschine (54), die einen angetriebenen Rotor (70) aufweist, dem ein Eingang (66) für kathodenseitig anfallende Abgase, ein Eingang (76) für frisches Oxidationsmittel, ein Ausgang (82) für von den kathodenseitigen Abgasen verdichtetes Oxidationsmittel sowie ein Ausgang für die kathodenseitigen Abgase (88) zugeordnet ist, wobei der Ausgang (82) für von den kathodenseitigen Abgasen verdichtetes Oxidationsmittel dem Eingang (52) des Kompressors (42) vorgeschaltet ist.

2. Ein Brennstoffzellensystem (10) nach Anspruch 1 mit einem dem für kathodenseitige Abgase vorgesehenen Ausgang (88) der gasdynamischen Druckwellenmaschine (54) nachgeschalteten Druckhalteventil (92).

3. Ein Brennstoffzellensystem (10) nach Anspruch 1 oder 2, mit einer Steuerung (46), die an das Druckhalteventil (92) angeschlossen ist und ausgelegt ist, das vom Druckhalteventil (92) bestimmte Druckniveau des Betriebsdruckes auf der Kathodenseite (28) des Brennstoffzellenstapels (12) abhängig von Betriebsparametern zu bestimmen und hierdurch die Wirkung der gas-dynamischen Druckwellenmaschine (54) zu beeinflussen.

4. Ein Brennstoffzellensystem (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einem zwischen dem Ausgang (56) des Kompressors und dem kathodenseitigen Eingang (34) des Brennstoffzellenstapels (12) angeordneten Kühler (60).

5. Ein Brennstoffzellensystem (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der für frische Oxidationsmittel vorgesehene Eingang (76) der gas-dynamischen Druckwellenmaschine (54) ein Lufteingang ist.

6. Ein Brennstoffzellensystem (10) nach Anspruch 5, wobei dem Lufteingang (76) der gas-dynamischen Druckwellenmaschine (54) ein Luftfilter (77) vorgeschaltet ist.

7. Ein Brennstoffzellensystem (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die gas-dynamische Druckwellenmaschine (54) ausgelegt ist, um einen Teil der kathodenseitigen mit Wasser gesättigten Abgase mit dem frischen Oxidationsmittel zu vermischen und hierdurch zu befeuchten.

8. Ein Brennstoffzellensystem (10) nach Anspruch 7, bei dem die Größe und insbesondere die Länge des Rotors (70) bzw. der dort vorgesehenen Kammer (72) und/oder die Umlaufgeschwindigkeit des Rotors (70) ausgelegt ist, um den erwünschten Grad der Vermischung der kathodenseitigen Abgase mit dem frischen Oxidationsmittel zu bestimmen.

9. Ein Brennstoffzellensystem (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Kompressor (42) von einem Elektromotor (44) angetrieben ist und der Rotor (70) der gas-dynamischen Druckwellenmaschine (54) vom gleichen Elektromotor (44) angetrieben ist.

10. Ein Brennstoffzellensystem (10) nach Anspruch 8, bei dem der Rotor (70) der gas-dynamischen Druckwellenmaschine (54) über eine Welle (45) mit dem Elektromotor (44) bzw. dem Kompressor (42)gekoppelt ist.

11. Ein Brennstoffzellensystem (10) nach Anspruch 10, bei dem der Rotor (70) der gas-dynamischen Druckwellenmaschine (54) über ein Getriebe (104) an den Elektromotor (44) bzw. dem Kompressor (42) gekoppelt ist.

12. Ein Brennstoffzellensystem (10) nach Anspruch 11, bei dem das Getriebe (104) ein Getriebe (104) mit steuerbarem Übersetzungsverhältnis ist.

13. Ein Brennstoffzellensystem (10) nach Anspruch 3 und Anspruch 11, bei dem die Steuerung (46) an das steuerbare Getriebe (104) angeschlossen und ausgelegt ist, um eine Steuerung der Drehzahl des Rotors (70) der Druckwellenmaschine als Funktion der Leistungsabgabe des Brennstoffzellensystems (10) zu realisieren.

14. Ein Brennstoffzellensystem (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 7, bei dem ein Elektromotor (44) zum Antreiben des Kompressors (42) vorgesehen ist und der den Rotor (70) der gasdynamischen Druckwellenmaschine (54) antreibende Motor (74) ein separater Motor ist.

15. Ein Brennstoffzellensystem (10) nach Anspruch 3 und 14, bei dem die Steuerung (46) an den Antriebsmotor (74) des Rotors (70) angeschlossen ist, um die Drehzahl des Rotors (70) als Funktion der Leistungsabgabe des Brennstoffzellensystems (10) zu steuern.

16. Ein Brennstoffzellensystem (10) nach Anspruch 2 und 3, bei dem die Steuerung (46) an das steuerbare Druckhalteventil (92) angeschlossen ist, um den Betriebsdruck auf der Kathodenseite (28) des Brennstoffzellenstapels (12) abhängig von Betriebsparametern des Brennstoffzellensystems zu steuern und hierdurch die Wirkung der gasdynamischen Druckwellenmaschine (54) an den jeweiligen Betriebspunkt des Brennstoffzellensystems anzupassen.

17. Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems (10) mit mehreren zu einem Brennstoffzellenstapel (12) zusammengesetzten Brennstoffzellen (14), die jeweils eine Anode (16), eine Kathode (18) und eine dazwischen angeordnete Membran (20) aufweisen, wobei der Brennstoffzellenstapel (12) eine Anodenseite (26) mit einem Eingang (30) für einen Brennstoff und einen Ausgang (32) für nicht verbrauchten Brennstoff und anodenseitig anfallende Abgase sowie eine Kathodenseite (28) mit einem Eingang (34) für ein gasförmiges Oxidationsmittel wie Luft und einen Ausgang (36) für kathodenseitig anfallende Abgase aufweist, mit einem einen Kompressoreingang (52) und einen Kompressorausgang (56) aufweisenden Kompressor (42), dessen Kompressorausgang (56) dem auf der Kathodenseite (28) vorgesehenen Oxidationsmitteleingang (34) des Brennstoffzellenstapels (12) vorgeschaltet ist, wobei die kathodenseitig anfallenden Abgase dem Eingang (66) einer gas-dynamischen Druckwellenmaschine (54) mit einem angetriebenen Rotor (70) mit mehreren Hohlkammern (72) zugeführt wird, dem Rotor (70) frische Oxidationsmittel zugeführt wird, in den Hohlkammern (72) des Rotors (70) eingeführtes frisches Oxidationsmittel durch von den kathodenseitigen Abgasen ausgehenden Druckwellen (80) komprimiert und dem Eingang (52) des Kompressors (42) zugeleitet werden und dass im Rotor (70) enthaltene kathodenseitige Abgase durch sich in den Hohlkammern (72) des Rotors (70) fortpflanzenden Druckwellen (80') aus der gas-dynamischen Druckwellenmaschine (54) ausgestoßen werden.

18. Verfahren nach Anspruch 17, bei dem ein Druckhalteventil (92) verwendet wird, um den Betriebsdruck auf der Kathodenseite (28) des Brennstoffzellenstapels (12) zu bestimmen und hierdurch das Verhalten der gas-dynamischen Druckwellenmaschine (54) abhängig von Betriebsparametern des Brennstoffzellensystems (10) zu gestalten.

19. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 17 bis 18, wobei die Drehzahl des den Rotor (70) der gas-dynamischen Druckwellenmaschine (54) antreibenden Motors (74) und daher des Rotors (70) entsprechend der Leistungsabgabe des Brennstoffzellensystems (10) gesteuert wird.

20. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 17 bis 19, bei dem der Rotor (70) von einem Motor (44) angetrieben wird, der zugleich den Kompressor (42) antreibt.

21. Verfahren nach Anspruch 20, bei dem ein steuerbares Getriebe (104) zwischen dem Rotor 70) der gas-dynamischen Druckwellenmaschine (54) und dem den Kompressor (42) antreibenden Motor (44) vorgesehen ist und das Übersetzungsverhältnis des steuerbaren Getriebes (104) entsprechend der Leistungsabgabe des Brennstoffzellensystems gesteuert wird.

22. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 17 bis 21, bei dem im Rotor (70) der gas-dynamischen Druckwellenmaschine (54) ein Teil der mit Wasser gesättigten kathodenseitigen Abgase mit dem frischen Oxidationsmittel vermischt und dieses hierdurch befeuchtet wird.