WO2014048833A1 - Brennstoffzelle mit einer luftzuführung und einer luftabführung - Google Patents

Brennstoffzelle mit einer luftzuführung und einer luftabführung Download PDF

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WO2014048833A1
WO2014048833A1 PCT/EP2013/069502 EP2013069502W WO2014048833A1 WO 2014048833 A1 WO2014048833 A1 WO 2014048833A1 EP 2013069502 W EP2013069502 W EP 2013069502W WO 2014048833 A1 WO2014048833 A1 WO 2014048833A1
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air
fuel cell
supply
oxygen
discharge
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PCT/EP2013/069502
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Michael Bauer
Andreas Buchner
Stefan Haase
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Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft
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    • Y02T90/40—Application of hydrogen technology to transportation, e.g. using fuel cells

Definitions

  • Fuel cell with an air supply and an air discharge
  • the invention relates to a fuel cell for a motor vehicle with a cathode side, in which an air supply for supplying supply air to the cathode side and an air outlet for discharging exhaust air from the cathode side are provided. Furthermore, the invention relates to the use of a fuel cell on a motor vehicle.
  • Fuel cells in particular those of hybrid motor vehicles, are provided in a known manner with a cathode side or a plurality of cathodes, an anode side or a plurality of anodes and in each case a membrane arranged therebetween. They also have a compressed air conveyor or compressed air compressor for conveying compressed air, with which sufficient oxygen is provided for the operation of the associated fuel cell from the environment of the fuel cell to the cathodes.
  • This air supply to the fuel cell is carried out under pressure, with a correspondingly sized and adjustable compressor or air compressor must be present. This compressor lowers the overall efficiency of the fuel cell due to its power requirement.
  • a fuel cell for a motor vehicle having a cathode side in which an air supply for supplying supply air to the cathode side and an air exhaust for discharging exhaust air from the cathode side are provided.
  • the air supply and the air discharge are combined to form an air recirculation.
  • the pressure level which can be kept constantly on the supply air side of the fuel cell, is 2 bar and more. It can therefore be used for the fuel cell according to the invention, a pure high-pressure compressor, although also can provide a relatively high discharge pressure, but it has to provide only a relatively small flow rate performance. Thus, lower pressure losses occur at the fuel cell according to the invention. As a result, the fuel cell as a whole has a higher overall efficiency.
  • the fuel cell of this type according to the invention is preferably provided in the air recirculation with an enrichment device for enriching the exhaust air with oxygen.
  • the enrichment means serves to raise the content of oxygen, which is supplied by the air recirculation on the supply side of the fuel cell, to the level required for the operation of the fuel cell.
  • the oxygen enrichment receives the existing at the supply air side of the fuel cell according to the invention high pressure level.
  • the enrichment device can have various structures and different systems and effects for enrichment of oxygen or separation of nitrogen.
  • the enrichment device preferably comprises an air separation device, for example an air separation plant, in which the individual air components are separated from one another by a thermal separation, a so-called cryogenic rectification, utilizing the different boiling points of the air components.
  • the required liquid air can be done for example by the conventional Linde method or the Claude method without the use of an additional coolant.
  • an air separation plant after the Cryogenic rectification process may be provided in the enrichment device as an air separation device, a device which uses a method for separating gaseous mixtures, which is known under the term pressure swing adsorption.
  • a gaseous mixture air in the present case, is passed through a bed of adsorbent at an elevated pressure which selectively adsorbs one or more of the components of the gaseous mixture, and in particular nitrogen.
  • oxygen is obtained which can be withdrawn from the bed.
  • pressure swing adsorption or adiabatic rapid pressure swing process for air separation are known as pressure swing adsorption or adiabatic rapid pressure swing process for air separation.
  • the air separation device can also operate on a principle that exploits the distractibility of oxygen molecules in the magnetic field. This is possible because oxygen molecules have a magnetic moment compared to nitrogen molecules. Such systems are currently used in oxygen sensor technology.
  • the enrichment device is designed with a membrane through which the oxygen can enter into the air recirculation.
  • the enrichment device is preferably provided with an air passage for passing fresh air from the environment of the fuel cell by the enrichment device.
  • the fresh air or fresh air supplied with the air passage carries a comparatively large amount of oxygen, which can be transferred into the air circulating in the air recirculation.
  • a gas gradient is used for this transfer of oxygen into the recirculated air, which exists between the recirculated air and the fresh air (partial pressure gradient).
  • the emerging from the fuel cell gas or the exiting air contains a higher proportion of nitrogen (N 2 ), because from this air in the fuel cell oxygen (0 2 ) has been consumed.
  • N 2 nitrogen
  • a nitrogen gradient of advantageous 1, 8 bar to 0.8 bar to the outside is less than 0.2 bar inside to greater than 0.2 bar outside.
  • This gradient can be used so that on the one hand nitrogen is transferred from the exiting air into the fresh air and on the other hand oxygen is transferred from the fresh air into the incoming air. Nitrogen is thus discharged, while at the same time partial oxygen is entered.
  • the product water from the reaction within the fuel cell is brought back to the inlet of the cathode side, whereby the conductivity in the membrane (s) of the fuel cell is increased.
  • the enrichment device is advantageously also provided with a supply device for supplying fresh air from the surroundings of the fuel cell into the enrichment device under pressure.
  • a supply device for supplying fresh air from the surroundings of the fuel cell into the enrichment device under pressure.
  • With the supply of fresh air under pressure in the enrichment device increases the pressure gradient between the recirculated air and the fresh air. This also increases the transfer of oxygen from the fresh air into the recirculated air.
  • Such feeding fresh air under pressure is particularly advantageous at power peaks of the fuel cell.
  • a specially controllable compressor / fan is provided for feeding fresh air into the enrichment device.
  • the air discharge is preferably also provided with a supply device for supplying fresh air from the surroundings of the fuel cell upstream or upstream of the enrichment device.
  • a supply device for supplying fresh air from the surroundings of the fuel cell upstream or upstream of the enrichment device.
  • Such supply of fresh air increases the oxygen content in the discharged air, which is then subsequently recirculated.
  • the air discharge is advantageously provided with a discharge device for removing exhaust air from the air discharge into the surroundings of the fuel cell.
  • the discharge device serves to be able to discharge emerging air into the environment of the fuel cell, if necessary, in order to increase the pressure gradient at the enrichment device at the same time.
  • the influx of fresh air is amplified by the enrichment device.
  • the discharge device is provided for this purpose advantageously with a controllable valve for air discharge.
  • the air supply is advantageously provided with a supply device for supplying fresh air from the environment of the fuel cell into the air supply, ie behind or downstream of the enrichment device.
  • a feed device fresh air can be fed directly behind the enrichment device, especially at high load.
  • This fresh air contributes very quickly to a further increase in the amount of oxygen provided. Peak power can be reached and overcome faster.
  • Such additional fresh air supply can be advantageously achieved with a separate compressor or fan for feeding the fresh air.
  • a compressor is a high-pressure compressor, which must have only a comparatively low flow rate while high pressure.
  • FIG. 1 shows a greatly simplified circuit diagram of a fuel cell according to the invention with associated air supply and air discharge.
  • Fig. 2 shows a circuit diagram of a fuel cell according to an embodiment of the invention.
  • a fuel cell 10 which has a cathode side 12 with a plurality of cathodes (not illustrated in detail) and an anode side 14 with a plurality of anodes (also not illustrated in detail).
  • the Cathodes and anodes are stacked, each with an intermediate membrane 16 together with cooling (shown here greatly simplified) designed.
  • an air supply 18 is designed inter alia with a first air supply line 20, can be provided by the air and thus oxygen for the operation of the fuel cell 10 on the cathode side 12.
  • an air outlet 22 is provided on the cathode side 12, in which exhaust air can be removed from the fuel cell 10 through a first air discharge line 24.
  • the air supply 18 and the air discharge 22 are combined to form an air recirculation by fluidly connecting the air discharge line 24 with the air supply line 20 by means of an enrichment device 26 for enriching the air carried out with oxygen.
  • a first fan or compressor 28 for supplying oxygen-enriched exhaust air from the air discharge line 24 and the enrichment device 26 into the air supply line 20 is provided in the air supply line 20.
  • the fan 28 increases the pressure of the air thus supplied present to about 2.2 bar.
  • ie in the air discharge line 24 of this pressure remain about 2.0 bar. This pressure of 2.0 bar remains in the enrichment device 26 in an enrichment line 30 passing therethrough.
  • the enrichment device 26 has for this purpose a further line in the form of an air passage 32, which extends directly to the enrichment line 30 and is connected thereto by means of an oxygen-permeable membrane (not shown in detail).
  • a second fan or compressor 34 is provided as a feeding device for supplying fresh air from the environment of the fuel cell 10 under pressure into the air passage 32.
  • the fan 34 supplies this fresh air with a pressure of up to about 1, 5 bar.
  • the exhaust air discharged from the air discharge line 24 is enriched with oxygen and subsequently recirculated by means of the fan 28 into the air supply line 20.
  • the fan 28 only has to overcome the pressure gradient of about 0.2 bar of the fuel cell 10 itself and not compress air with a pressure of about 1, 0 bar from the environment to a pressure of 2.2 bar for the fuel cell 10 ,
  • a second air supply line 36 is also provided.
  • fresh air from the environment with a correspondingly high oxygen content can be fed in by means of a third fan or compressor 38, in particular if a particularly high power of the fuel cell 10 is required.
  • the fresh air is fed through the air supply line 36 upstream of the enrichment device 26 into the air discharge line 24, wherein the pressure of this fresh air after passing through the enrichment device 26 is further increased by the fan 28.
  • fresh air can be fed directly upstream or downstream of the enrichment device 26 upstream or in front of the fan 28.
  • a third air supply line 40 is also provided, can be fed by the fresh air optionally also behind the fan 28 in the air supply line 20.
  • a second air discharge line 42 is connected to the air discharge line 24 upstream of the enrichment device 26.
  • a valve 44 is arranged, can be discharged with the exhaust air, if necessary, either directly into the environment of the fuel cell 10.
  • the overall efficiency is increased with only a small power requirement of the fuel cell 10, because it can then be worked with very low compressor power.
  • the recirculated air for a good humidification of the incoming gases and thus the membrane 16 within the fuel cell 10.
  • Moisture, which would otherwise be dissipated with the exhaust air is maintained with the recirculation of the exhaust air in the supply air.
  • the recirculation according to the invention can therefore be used as a bypass on a (not shown here) humidifier or humidifier.
  • the case provided humidifier can also be designed less powerful.
  • the pressure loss on the fan 28 is reduced with the solution according to the invention, whereby it can be made smaller and less expensive. Even in the high power range, the total required compressor power is reduced with the recirculation. For the recirculated flow, the pressure gradient that would otherwise be required does not have to be expended, but only small pressure differences at small flow rates from the fan 38 need to be contributed.
  • FIG. 2 shows a circuit diagram of a fuel cell 10 according to an embodiment of the invention.
  • the circuit diagram from FIG. 2 is characterized in that an air separation device 27, for example an air separation plant, is additionally provided in the enrichment device 26, which separates the air into its individual constituents, that is to say in particular nitrogen and oxygen. serves.
  • the oxygen obtained therefrom can for example be supplied to the air feed 18 directly or via an oxygen-permeable membrane. As a result, the oxygen partial pressure in the air supply 18 of the fuel cell 10 is effectively increased, whereby the efficiency of the fuel cell 10 is improved.
  • a device in the air separation device 27 of the enrichment device 26, a device may also be provided which uses a pressure swing adsorption process or pressure swing adsorption process. Adsorption or adiabatic rapid pressure swing method for air separation applies. Further, air separation can also take advantage of the magnetic deflectability of oxygen molecules which have a magnetic moment as compared to stick molecules. This also oxygen can be enriched and an oxygen partial pressure in the air supply 18 of the fuel cell 10 can be increased.

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Abstract

Bei einer Brennstoffzelle für ein Kraftfahrzeug, mit einer Kathodeseite, bei der eine Luftzuführung zum Zuführen von Zuluft zu der Kathodenseite und eine Luftabführung zum Abführen von Abluft von der Kathodenseite vorgesehen sind, sind die Luftzuführung und die Luftabführung zu einer Luftrezirkulation zusammengeschlossen.

Description

Brennstoffzelle mit einer Luftzuführung und einer Luftabführung
Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle für ein Kraftfahrzeug mit einer Kathodenseite, bei der eine Luftzuführung zum Zuführen von Zuluft zu der Kathodenseite und eine Luftabführung zum Abführen von Abluft von der Kathodenseite vorgesehen sind. Ferner betrifft die Erfindung die Verwendung einer Brennstoffzelle an einem Kraftfahrzeug.
Brennstoffzellen, insbesondere solche von Hybrid-Kraftfahrzeugen, sind in bekannter Weise mit einer Kathodenseite bzw. einer Vielzahl Kathoden, einer Anodenseite bzw. einer Vielzahl Anoden und jeweils einer dazwischen angeordneten Membran versehen. Sie weisen ferner einen Druckluftförderer bzw. Druckluftkompressor zum Fördern von Druckluft auf, mit dem aus der Umgebung der Brennstoffzelle an den Kathoden ausreichend Sauerstoff für den Betrieb der zugehörigen Brennstoffzelle bereitgestellt wird. Diese Luftzuführung an der Brennstoffzelle erfolgt unter Druck, wobei ein entsprechend dimensionierter und regelbarer Kompressor bzw. Luftpresser vorhanden sein muss. Dieser Kompressor senkt aufgrund seines Leistungsbedarfs den Gesamtwirkungsgrad der Brennstoffzelle. Gemäß der Erfindung ist eine Brennstoffzelle für ein Kraftfahrzeug geschaffen, mit einer Kathodenseite, bei der eine Luftzuführung zum Zuführen von Zuluft zu der Kathodenseite und eine Luftabführung zum Abführen von Abluft von der Kathodenseite vorgesehen sind. Dabei sind erfindungsgemäß die Luftzuführung und die Luftabführung zu einer Luftrezirkulation zusammengeschlossen. Mit dem erfindungsgemäßen Zusammenschluss von Luftzuführung und Luftabführung ist eine Rezirkulation von Luft an der Brennstoffzelle unter Hochdruck möglich. Es muss daher von dem zugeordneten Kompressor beim Fördern der Zuluft zu der Brennstoffzelle ein geringerer Druckunterschied überwunden werden, als wenn der Kompressor die Zuluft als Frischluft aus der Umgebung der Brennstoffzelle fördern müsste. Das Druckniveau, das so ständig auf der Zuluftseite der Brennstoffzelle gehalten werden kann, beträgt 2 bar und mehr. Es kann daher für die erfindungsgemäße Brennstoffzelle ein reiner Hochdruckkompressor verwendet werden, der zwar ebenfalls einen vergleichsweise hohen Förderdruck erbringen kann, dabei aber nur eine verhältnismäßig kleine Fördermengenleistung erbringen muss. An der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle entstehen also geringere Druckverluste. Damit weist die Brennstoffzelle insgesamt einen höheren Gesamtwirkungsgrad auf.
Die derartige erfindungsgemäße Brennstoffzelle ist vorzugsweise in der Luftrezirkulation mit einer Anreicherungseinrichtung zum Anreichern der Abluft mit Sauerstoff versehen. Die Anreicherungseinrichtung dient dazu, den Gehalt an Sauerstoff, der durch die Luftrezirkulation an der Zuluftseite der Brennstoffzelle zugeführt wird, auf das Niveau anzuheben, das für den Betrieb der Brennstoffzelle erforderlich ist. Die Sauerstoffanreicherung erhält das an der Zuluftseite der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle bestehende Hochdruckniveau. Die Anreicherungseinrichtung kann erfindungsgemäß verschiedenartig aufgebaut sein und unterschiedlich Systeme und Effekte zur Anreicherung von Sauerstoff bzw. Abtrennung von Stickstoff nutzen.
Vorzugsweise umfasst die Anreicherungseinrichtung hierzu eine Lufttrennungsvorrichtung, beispielsweise eine Luftzerlegungsanlage, in der die einzelnen Luftkomponenten durch ein thermisches Trenn verfahren, eine so genannte Tieftemperatur-Rektifikation, unter Ausnutzung der unterschiedlichen Siedepunkte der Luftbestandteile, voneinander getrennt werden. Die dazu erforderliche flüssige Luft kann beispielsweise nach dem herkömmlichen Linde- Verfahren oder dem Claude-Verfahren ohne Einsatz eines zusätzlichen Kühlmittels erfolgen. Alternativ oder additiv zu einer Luftzerlegungsanlage nach dem Tieftemperatur-Rektifikationsverfahren, kann in der Anreicherungseinrichtung als Lufttrennungsvorrichtung eine Vorrichtung vorgesehen sein, die ein Verfahren zum Trennen gasförmiger Mischungen anwendet, das unter dem Begriff Druckschwungadsorptionsverfahren bekannt ist. Hierbei wird eine gasförmige Mischung, im vorliegenden Fall Luft, bei einem erhöhten Druck durch ein Bett eines Adsorptionsmittels geführt, welches selektiv eine oder mehrere der Komponenten der gasförmigen Mischung, und insbesondere Stickstoff, adsorbiert. Als nicht adsorbierte gasförmige Komponente wird Sauerstoff erhalten, der aus dem Bett abgezogen werden kann. Eine Weiterentwicklung dieses Verfahrens ist als Druckwechsel-Adsorptionsverfahren oder adiabatisches Schnell- Druckwechselverfahren zur Luftzerlegung bekannt. Diese Verfahren bedienen sich ebenfalls einer selektiven Adsorption einer der Komponenten der Luft, insbesondere Stickstoff, der mittels eines kristallinen Zeolith-Molekularsiebs adsorbiert wird und Sauerstoff unadsorbiert zurücklässt. Alternativ kann auch Sauerstoff adsorbiert werden, beispielsweise an Aktivkohle, sodann Stickstoff nebst übrigen Luftbestandteilen abgeführt und anschließend der Sauerstoff desorbiert und als Brauchgas weiterverwendet werden. Ferner kann die Lufttrennungsvorrichtung auch nach einem Prinzip arbeiten, das die Ablenkbarkeit von Sauerstoffmolekülen im Magnetfeld ausnutzt. Dies ist dadurch möglich, dass Sauerstoffmoleküle im Vergleich zu Stickstoffmolekülen ein magnetisches Moment besitzen. Derartige Systeme werden derzeit in der Sauerstoffsensorik angewendet.
Durch die Abtrennung von Sauerstoff (oder Stickstoff) aus der Luft und Zuführung des Sauerstoffes in die Luftzuführung der Brennstoffzelle kann der Sauerstoffpartialdruck in der Luftzuführung der Brennstoffzelle erhöht werden, wodurch der Wirkungsgrad der Brennstoffzelle verbessert wird. Besonders bevorzugt ist die Anreicherungseinrichtung mit einer Membran gestaltet, durch die hindurch der Sauerstoff in die Luftrezirkulation eintreten kann. Die Anreicherungseinrichtung ist dabei vorzugsweise mit einer Luftdurchleitung zum Durchleiten von Frischluft aus der Umgebung der Brennstoffzelle durch die Anreicherungseinrichtung versehen. Die mit der Luftdurchleitung herangeführte Frischluft bzw. Außenluft führt eine vergleichsweise große Menge an Sauerstoff mit, der in die in der Luftrezirkulation zirkulierende Luft übergeleitet werden kann. Vorteilhaft wird für diese Überleitung von Sauerstoff in die rezirkulierte Luft ein Gasgefälle genutzt, das zwischen der rezirkulierten Luft und der Frischluft besteht (Partialdruckgefälle). So enthält das aus der Brennstoffzelle austretende Gas bzw. die austretende Luft einen höheren Anteil an Stickstoff (N2), weil aus dieser Luft in der Brennstoffzelle Sauerstoff (02) verbraucht worden ist. So ergibt sich zwischen der austretenden Luft und der Frischluft ein Stickstoff-Gefälle von vorteilhaft 1 ,8 bar zu 0,8 bar nach außen. Zugleich beträgt das Sauerstoff-Gefälle kleiner 0,2 bar innen zu größer 0,2 bar außen. Dieses Gefälle kann genutzt werden, damit zum einen Stickstoff aus der austretenden Luft in die Frischluft übertragen wird und zum anderen Sauerstoff aus der Frischluft in die eintretende Luft übertragen wird. Stickstoff wird also ausgetragen, während zugleich teilweise Sauerstoff eingetragen wird. Zugleich wird das Produktwasser aus der Reaktion innerhalb der Brennstoffzelle wieder zum Eingang der Kathodenseite gebracht, wodurch die Leitfähigkeit in der bzw. den Membranen der Brennstoffzelle erhöht wird.
Die Anreicherungseinrichtung ist vorteilhaft auch mit einer Zuführeinrichtung zum Zuführen von Frischluft aus der Umgebung der Brennstoffzelle in die Anreicherungseinrichtung unter Druck versehen. Mit dem Zuführen von Frischluft unter Druck in die Anreicherungseinrichtung steigt das Druckgefälle zwischen der rezirkulierten Luft und der Frischluft. Damit steigt auch der Übertrag von Sauerstoff aus der Frischluft in die rezirkulierte Luft. Ein solches Einspeisen von Frischluft unter Druck ist insbesondere bei Leistungsspitzen der Brennstoffzelle vorteilhaft. Zum Einspeisen von Frischluft in die Anreicherungseinrichtung ist vorteilhaft ein eigens regelbarer Kompressor/Lüfter vorgesehen.
Die Luftabführung ist bevorzugt auch mit einer Zuführeinrichtung zum Zuführen von Frischluft aus der Umgebung der Brennstoffzelle vor bzw. stromauf von der Anreicherungseinrichtung versehen. Eine solche Einspeisung von Frischluft erhöht den Sauerstoffgehalt in der abgeführten Luft, welche nachfolgend dann rezirkuliert wird. Für das Zuführen der Frischluft muss dabei nur jener Druck erreicht werden, den die abgeführte Luft aufweist. Die derartige Zuführung von Frischluft kann daher mit einem vergleichsweise leistungsschwachen, kleinen Kompressor erreicht werden. Vorteilhaft ist ferner bei der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle die Luftabführung mit einer Abführeinrichtung zum Abführen von Abluft aus der Luftabführung in die Umgebung der Brennstoffzelle versehen. Die Abführeinrichtung dient dazu, bei Bedarf austretende Luft in die Umgebung der Brennstoffzelle ablassen zu können, um damit zugleich das Druckgefälle an der Anreicherungseinrichtung zu erhöhen. Mit zunehmendem Druckgefälle wird der Zustrom von Frischluft durch die Anreicherungseinrichtung verstärkt. Die Abführeinrichtung ist dazu in vorteilhafter Weise mit einem steuerbaren Ventil zur Luftabführung versehen. In ähnlicher Weise ist vorteilhaft die Luftzuführung mit einer Zuführeinrichtung zum Zuführen von Frischluft aus der Umgebung der Brennstoffzelle in die Luftzuführung, also hinter bzw. stromab von der Anreicherungseinrichtung, versehen. Mit einer solchen Zuführeinrichtung kann insbesondere bei hoher Last Frischluft direkt hinter die Anreicherungseinrichtung eingespeist werden. Diese Frischluft trägt sehr kurzfristig zu einer weiteren Erhöhung der bereitgestellten Sauerstoffmenge bei. Leistungsspitzen können so schneller erreicht und auch überwunden werden. Die derartige zusätzliche Frischlufteinspeisung kann vorteilhaft mit einem separaten Kompressor bzw. Lüfter zum Einspeisen der Frischluft erzielt werden. Vorteilhaft ist ein solcher Kompressor ein Hochdruckkompressor, der bei zwar hohem Druck nur eine vergleichsweise geringe Förderleistung aufweisen muss.
Erfindungsgemäß ist es ferner vorgesehen, eine solche Brennstoffzellenanordnung mit deren Luftzuführung und Luftabführung, welche zu einer Luftrezirkulation zusammengeschlossen sind, an einem Kraftfahrzeug zu verwenden.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Lösung anhand der beigefügten schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt Fig. 1 ein stark vereinfachtes Schaltbild einer erfindungsgemäßen Brennstoffzelle mit zugehöriger Luftzuführung und Luftabführung. Fig. 2 zeigt ein Schaltbild einer Brennstoffzelle gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
In der Fig. ist eine Brennstoffzelle 10 veranschaulicht, die eine Kathodenseite 12 mit einer Vielzahl Kathoden (nicht näher veranschaulicht) sowie einer Anodenseite 14 mit einer Vielzahl Anoden (ebenfalls nicht näher veranschaulicht) aufweist. Die Kathoden und Anoden sind dabei gestapelt mit jeweils einer dazwischen liegenden Membran 16 nebst Kühlung (hier stark vereinfacht dargestellt) gestaltet.
An der Kathodenseite 12 ist eine Luftzuführung 18 unter anderem mit einer ersten Luftzuführleitung 20 gestaltet, durch die Luft und damit Sauerstoff für den Betrieb der Brennstoffzelle 10 an der Kathodenseite 12 bereitgestellt werden kann. Ferner ist an der Kathodenseite 12 eine Luftabführung 22 vorgesehen, bei der durch eine erste Luftabführleitung 24 Abluft aus der Brennstoffzelle 10 abgeführt werden kann. Die Luftzuführung 18 und die Luftabführung 22 sind zu einer Luftrezirkulation zusammengeschlossen, indem die Luftabführleitung 24 mit der Luftzuführleitung 20 mittels einer Anreicherungseinrichtung 26 zum Anreichern der durchgeführten Luft mit Sauerstoff strömungstechnisch verbunden ist.
In der Luftzuführleitung 20 ist dabei ein erster Lüfter bzw. Kompressor 28 zum Zuführen von mit Sauerstoff angereicherter Abluft aus der Luftabführleitung 24 und der Anreicherungseinrichtung 26 in die Luftzuführleitung 20 vorgesehen. Der Lüfter 28 erhöht den Druck der derart zugeführten Luft vorliegend auf ca. 2,2 bar. In Strömungsrichtung hinter bzw. stromab von der Kathodenseite 12, also in der Luftabführleitung 24 verbleiben von diesem Druck ca. 2,0 bar. Dieser Druck von 2,0 bar bleibt in der Anreicherungseinrichtung 26 in einer durch diese hindurchführenden Anreicherungsleitung 30 erhalten.
Die Anreicherungseinrichtung 26 weist dazu eine weitere Leitung in Form einer Luftdurchleitung 32 auf, welche sich unmittelbar an der Anreicherungsleitung 30 erstreckt und mit dieser mittels einer für Sauerstoff durchlässigen Membran (nicht im Detail dargestellt) verbunden ist. Dabei ist ein zweiter Lüfter bzw. Kompressor 34 als Zuführeinrichtung zum Zuführen von Frischluft aus der Umgebung der Brennstoffzelle 10 unter Druck in die Luftdurchleitung 32 vorgesehen. Der Lüfter 34 führt diese Frischluft mit einem Druck von bis zu ca. 1 ,5 bar zu.
An der Kathodenseite 12 wurde der zugeführten Luft Sauerstoff entzogen, so dass die in der Luftabführleitung 24 abgeführte Abluft zwar einen Gesamtdruck von ca. 2,0 bar aufweist, dieser aber von einem Stickstoff-Partialdruck von vorliegend ca. 1 ,8 bar und einem Sauerstoff-Partialdruck von ca. 0,2 bar gebildet wird. In der durch die Luftdurchleitung 32 zugeführten, aus der Umgebung der Brennstoffzelle 10 entnommenen Frischluft liegt hingegen ein Stickstoff-Partialdruck von ca. 0,8 bar und ein Sauerstoff-Partialdruck von ca. 0,2 bar vor, wobei diese Partialdrücke mittels des Lüfters 34 auf ca. 1 ,2 bar bzw. 0,3 bar erhöht werden. Somit ergibt sich zwischen der Luftdurchleitung 32 und der Anreicherungsleitung 30 ein Partialdruckgefälle mittels dessen Stickstoff aus der Anreicherungsleitung 30 in die Luftdurchleitung 32 gelangt. Auf dieser Weise wird die aus der Luftabführleitung 24 abgeführte Abluft mit Sauerstoff angereichert und nachfolgend mittels des Lüfters 28 in die Luftzuführleitung 20 rezirkuliert. Dabei muss der Lüfter 28 nur das Druckgefälle von ca. 0,2 bar der Brennstoffzelle 10 selbst überwinden und nicht etwa Luft mit einem Druck von ca. 1 ,0 bar aus der Umgebung auf einen Druckwert von 2,2 bar für die Brennstoffzelle 10 komprimieren.
Für eine weitere Regelung der derartigen Luftführung und zum kurzfristigen sowie auch kurzzeitigen Bereitstellen besonders großer Mengen an Sauerstoff an der Luftzuführleitung 20 ist ferner eine zweite Luftzuführleitung 36 vorgesehen. In diese Luftzuführleitung 36 kann mittels eines dritten Lüfters bzw. Kompressors 38 insbesondere bei Bedarf einer besonders hohen Leistung der Brennstoffzelle 10 Frischluft aus der Umgebung mit einem entsprechend hohen Sauerstoffgehalt eingespeist werden. Die Frischluft wird durch die Luftzuführleitung 36 stromauf von der Anreicherungseinrichtung 26 in die Luftabführleitung 24 eingespeist, wobei der Druck dieser Frischluft nach dem Durchströmen der Anreicherungseinrichtung 26 von dem Lüfter 28 weiter erhöht wird. Alternativ kann Frischluft derart unmittelbar stromab bzw. hinter der Anreicherungseinrichtung 26 stromauf bzw. vor dem Lüfter 28 eingespeist werden. An dem Lüfter 38 ist ferner eine dritte Luftzuführleitung 40 vorgesehen, durch die Frischluft wahlweise auch hinter dem Lüfter 28 in die Luftzuführleitung 20 eingespeist werden kann.
An der Luftabführung 22 ist an die Luftabführleitung 24 stromauf von der Anreicherungseinrichtung 26 eine zweite Luftabführleitung 42 angeschlossen. In dieser Luftabführleitung 42 ist ein Ventil 44 angeordnet, mit dem Abluft im Bedarfsfall wahlweise direkt in die Umgebung der Brennstoffzelle 10 abgelassen werden kann. Mit der derartigen Führung von Zuluft und Abluft an der Brennstoffzelle 10 wird bei einem nur geringen Leistungsbedarf der Brennstoffzelle 10 deren Gesamtwirkungsgrad erhöht, denn es kann dann mit besonders geringer Kompressorleistung gearbeitet werden. Zugleich ist mit der rezirkulierten Luft für eine gute Befeuchtung der einströmenden Gase und damit der Membran 16 innerhalb der Brennstoffzelle 10 gesorgt. Feuchtigkeit, welche sonst mit der Abluft abgeführt würde, bleibt mit der Rezirkulation der Abluft in der Zuluft erhalten. Die erfindungsgemäße Rezirkulation kann daher als ein Bypass an einem (hier nicht dargestellten) Luftbefeuchter bzw. Humidifier verwendet werden. Der dabei vorgesehene Luftbefeuchter kann ebenfalls leistungsschwächer gestaltet sein.
Zugleich wird mit der erfindungsgemäßen Lösung der Druckverlust am Lüfter 28 verringert, wodurch dieser kleiner und kostengünstiger ausgeführt sein kann. Auch im hohen Leistungsbereich ist mit der Rezirkulation die insgesamt erforderliche Kompressorleistung reduziert. Für den rezirkulierten Fluss muss nicht der Druckgradient aufgewendet werden, der sonst erforderlich wäre, sondern es müssen nur kleine Druckunterschiede bei kleinen Fördermengen von dem Lüfter 38 beigesteuert werden.
Figur 2 zeigt ein Schaltbild einer Brennstoffzelle 10 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Im Unterschied zu dem Schaltbild aus Figur 1 zeichnet sich das Schaltbild aus Figur 2 dadurch aus, dass in der Anreicherungseinrichtung 26 zusätzlich eine Lufttrennungsvorrichtung 27, beispielsweise eine Luftzerlegungsanlage, vorgesehen ist, die der Trennung der Luft in ihre Einzelbestandteile, also insbesondere Stickstoff und Sauerstoff, dient. Der hieraus gewonnene Sauerstoff kann beispielsweise direkt oder über eine sauerstoffpermeable Membran der Luftzuführung 18 zugeleitet werden. Hierdurch wird effektiv der Sauerstoffpartialdruck in der Luftzuführung 18 der Brennstoffzelle 10 erhöht, wodurch der Wirkungsgrad der Brennstoffzelle 10 verbessert wird.
Alternativ oder additiv zu einer Luftzerlegungsanlage kann in der Lufttrennungsvorrichtung 27 der Anreicherungseinrichtung 26 auch eine Vorrichtung vorgesehen sein, die ein Druckschwungadsorptionsverfahren oder Druckwechsel- Adsorptionsverfahren oder adiabatisches Schnell-Druckwechselverfahren zur Luftzerlegung anwendet. Ferner kann eine Luftzerlegung auch unter Ausnutzung der magnetischen Ablenkbarkeit von Sauerstoffmolekülen, die, im Vergleich zu Stickst off molekülen, ein magnetisches Moment besitzen, erfolgen. Auch hierdurch kann Sauerstoff angereichert und ein Sauerstoffpartialdruck in der Luftzuführung 18 der Brennstoffzelle 10 erhöht werden.
Bezugszeichenliste
10 Brennstoffzelle
12 Kathodenseite
14 Anodenseite
16 Membran
18 Luftzuführung
20 erste Luftzuführleitung
22 Luftabführung
24 erste Luftabführleitung
26 Anreicherungseinrichtung
27 Lufttrennungsvorrichtung
28 erster Lüfter
30 Anreicherungsleitung
32 Luftdurchleitung
34 zweiter Lüfter
36 zweite Luftzuführleitung
38 dritter Lüfter
40 dritte Luftzuführleitung
42 zweite Luftabführleitung
44 Ventil

Claims

Patentansprüche
Brennstoffzelle (10) für ein Kraftfahrzeug, mit einer Kathodenseite (12), bei der eine Luftzuführung (18) zum Zuführen von Zuluft zu der Kathodenseite (12) und eine Luftabführung (22) zum Abführen von Abluft von der Kathodenseite (12) vorgesehen sind,
wobei die Luftzuführung (18) und die Luftabführung (22) zu einer Luftrezirkulation zusammengeschlossen sind.
Brennstoffzelle nach Anspruch 1 ,
wobei in der Luftrezirkulation eine Anreicherungseinrichtung (26) zum Anreichern der Abluft mit Sauerstoff angeordnet ist.
Brennstoffzelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Anreicherungsvorrichtung (26) eine Lufttrennungsvorrichtung (27) umfasst.
Brennstoffzelle nach Anspruch 2 oder 3,
wobei die Anreicherungseinrichtung (26) mit einer Luftdurchleitung (32) zum Durchleiten von Frischluft aus der Umgebung der Brennstoffzelle (10) durch die Anreicherungseinrichtung (26) versehen ist.
Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 2 bis 4,
wobei die Anreicherungseinrichtung (26) mit einer Zuführeinrichtung (34) zum Zuführen von Frischluft aus der Umgebung der Brennstoffzelle (10) in die Anreicherungseinrichtung (26) unter Druck versehen ist.
6. Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 2 bis 5,
wobei die Luftabführung (22) mit einer Zuführeinrichtung (38) zum Zuführen von Frischluft aus der Umgebung der Brennstoffzelle (10) vor die Anreicherungseinrichtung (26) versehen ist.
7. Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
wobei die Luftabführung (22) mit einer Abführeinrichtung (42, 44) zum Abführen von Abluft aus der Luftabführung (22) in die Umgebung der Brennstoffzelle (10) versehen ist.
8. Brennstoffzelle nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
wobei die Luftzuführung (18) mit einer Zuführeinrichtung (38) zum Zuführen von Frischluft aus der Umgebung der Brennstoffzelle (10) in die Luftzuführung (18) versehen ist.
9. Verwendung einer Brennstoffzelle (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 bei einem Kraftfahrzeug.
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