WO2022053254A1

WO2022053254A1 - Befeuchtungseinrichtung für ein brennstoffzellensystem

Info

Publication number: WO2022053254A1
Application number: PCT/EP2021/072494
Authority: WO
Inventors: Dirk SCHNITTGER; Wolfgang Sander; Janis ZEISER; Reinhard Schmid
Original assignee: Robert Bosch Gmbh
Priority date: 2020-09-14
Filing date: 2021-08-12
Publication date: 2022-03-17
Also published as: DE102020211494A1; CN116097483A; US20240021846A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Befeuchtungseinrichtung (1) für ein Brennstoffzellensystem (2), umfassend einen Einlass (3) und einen Auslass (4) für ein zu befeuchtendes erstes Medium, vorzugsweise Kathodenzuluft, sowie einen Einlass (5) und einen Auslass (6) für ein wasserhaltiges zweites Medium, vorzugsweise Kathodenabluft. Erfindungsgemäß ist die Befeuchtungseinrichtung (1) modulartig aufgebaut und weist mindestens ein Modulelement (11, 12, 13) auf, in das mindestens ein Absperrventil (7, 8) und/oder mindestens ein Bypassventil (9, 10) integriert ist bzw. sind. Die Erfindung betrifft ferner ein Brennstoffzellensystem (2) mit einer erfindungs- gemäßen Befeuchtungseinrichtung (1).

Description

Beschreibung

Titel:

Befeuchtungseinrichtung für ein Brennstoffzellensystem

Die Erfindung betrifft eine Befeuchtungseinrichtung für ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Brennstoffzellensystem mit einer erfindungsgemäßen Befeuchtungseinrichtung.

Stand der Technik

Brennstoffzellen, beispielsweise mehrere zu einem Brennstoffzellenstapel verbundene Brennstoffzellen eines Brennstoffzellensystems, benötigen zur Energieerzeugung a) einen Brennstoff, in der Regel Wasserstoff, der über einen Anodenpfad einer Anode des Brennstoffzellenstapels zugeführt wird, und b) Sauerstoff, der über einen Kathodenpfad einer Kathode des Brennstoffzellenstapels zugeführt wird. Als Sauerstofflieferant dient üblicherweise Luft, die der Umgebung entnommen wird. Da der Energiewandlungsprozess einen gewissen Luftmassenstrom und ein gewisses Druckniveau erfordert, wird die kathodenseitig zugeführte Luft zuvor mit Hilfe eines im Kathodenzuluftpfad angeordneten Luftverdichters verdichtet. Beim Verdichten erwärmt sich die Luft, so dass im Kathodenzuluftpfad in der Regel stromabwärts des Luftverdichters eine Kühleinrichtung zum Abkühlen der verdichteten Luft angeordnet ist. Darüber hinaus ist in der Regel eine Befeuchtungseinrichtung im Kathodenzuluftpfad vorgesehen, mittels welcher die verdichtete Luft befeuchtet werden kann. Das Befeuchten soll ein Austrocknen der Membranen der Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels verhindern. Zum Befeuchten kann aus dem Brennstoffzellenstapel austretende feuchte Kathodenabluft verwendet werden, die über einen Kathodenabluftpfad abgeführt und durch eine Befeuchtungseinrichtung hindurchgeführt wird, durch die auch die Kathodenzuluft geleitet wird. Die Befeuchtungseinrichtung ist hierzu im Kathodenzuluftpfad und im Kathodenabluftpfad angeordnet. Im Kathodenzuluftpfad und im Kathodenabluftpfad sind ferner Absperrventile angeordnet, um im Abstellfall den Brennstoffzellenstapel von der Luftzufuhr zu trennen. Ferner können in Bypasspfaden angeordnete Bypassventile zur Umgehung der Befeuchtungseinrichtung und/oder des Brennstoffzellenstapels als weitere Komponenten vorhanden sein. Da die Strömungsführung zwischen den verschiedenen Komponenten in der Regel über elastische Schläuche realisiert wird, muss jede Komponente separat befestigt werden, beispielsweise an einem gemeinsamen Rahmen oder Gestell. Die separate Befestigung der einzelnen Komponenten erhöht den Montageaufwand. Zudem muss ausreichend Bauraum für die elastischen Schläuche vorgehalten werden.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, den Aufbau eines Brennstoffzellensystems zu vereinfachen, so dass dieses einfacher zu montieren ist. Ferner soll Bauraum eingespart werden.

Zur Lösung der Aufgabe wird die Befeuchtungseinrichtung für ein Brennstoffzellensystem gemäß Anspruch 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen. Darüber hinaus wird ein Brennstoffzellensystem mit einer erfindungsgemäßen Befeuchtungseinrichtung angegeben.

Offenbarung der Erfindung

Die für ein Brennstoffzellensystem vorgeschlagene Befeuchtungseinrichtung umfasst einen Einlass und einen Auslass für ein zu befeuchtendes erstes Medium, vorzugsweise Kathodenzuluft, sowie einen Einlass und einen Auslass für ein wasserhaltiges zweites Medium, vorzugsweise Kathoden ab lüft. Erfindungsgemäß ist die Befeuchtungseinrichtung modulartig aufgebaut und weist mindestens ein Modulelement auf, in das mindestens ein Absperrventil und/oder mindestens ein Bypassventil integriert ist bzw. sind.

Durch die vorgeschlagene Integration mindestens eines Absperrventils und/oder mindestens eines Bypassventils in die Befeuchtungseinrichtung kann die Komplexität eines Brennstoffzellensystems, in dem die Befeuchtungseinrichtung zum Einsatz gelangt, deutlich gesenkt werden. Denn eine separate Befestigung eines integrierten Ventils entfällt. Bei Integration eines Ventils in die Befeuchtungseinrichtung kann zudem auf ein Ventilgehäuse verzichtet werden. Darüber hinaus kann der Anschluss des mindestens einen integrierten Ventils innerhalb der Befeuchtungseinrichtung über Kanäle realisiert werden, so dass Schlauchverbindungen entbehrlich sind. Damit entfallen auch die sonst üblichen Verbindungsteile, wie beispielsweise Flansche, Schlauchstutzen und/oder Schnellkupplungen. Mit Wegfall dieser Schnittstellen erhöht sich zugleich die Robustheit des Systems.

Die Modulelemente der Befeuchtungseinrichtung können vormontiert und dann als bauliche Einheit verbaut, beispielsweise in ein Gestell eines Brennstoffzellensystems eingesetzt und an diesem befestigt werden. Dies erleichtert die Endmontage. Zudem kann eine kompakte Anordnung geschaffen werden. Mit der Reduzierung des Bauraumbedarfs geht ferner eine erhöhte Leistungsdichte des Brennstoffzellensystems einher, in dem die Befeuchtungseinrichtung zum Einsatz gelangt.

Des Weiteren kann mit Hilfe der vorgeschlagenen Befeuchtungseinrichtung das Totvolumen im Brennstoffzellensystem reduziert werden. In der Folge verbessert sich auch das dynamische Ansprechverhalten in Bezug auf Druckaufbau und Effizienz.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Einlass für das zu befeuchtende Medium in einem ersten Modulelement ausgebildet. Dieses kann beispielsweise als Einlassendkappe ausgeführt sein. Ferner wird vorgeschlagen, dass der Auslass für das zu befeuchtende Medium in einem zweiten Modulelement ausgebildet ist. Dieses kann insbesondere als Auslassendkappe ausgeführt sein. Durch Anordnung des Einlasses und des Auslasses in unterschiedlichen Modulelementen, beispielsweise in den beiden Endkappen, kann über den Abstand der Modulelemente zueinander der für die Befeuchtung benötigte Raum bereitgestellt werden.

Der Einlass und der Auslass für das wasserhaltige Medium sind vorzugsweise in einem dritten Modulelement ausgebildet. Dieses kann insbesondere als Befeuchterfunktionsgruppe ausgeführt sein. Somit kann in einfacher Weise eine Befeuchtungseinrichtung ausgebildet werden, die nach dem Gegenstromprinzip arbeitet. Das dritte Modulelement ist vorzugsweise zwischen dem ersten und dem zweiten Modulelement angeordnet, und zwar bevorzugt in der Weise, dass die Ausrichtung des dritten Modulelements in Bezug auf das erste und zweite Modulelement der Hauptströmungsrichtung des zu befeuchtenden Mediums durch das dritte Modulelement entspricht.

Das mindestens eine Absperrventil ist vorzugsweise im Bereich eines Kathoden- zuluftpfads und/oder eines Kathodenabluftpfads in die Befeuchtungseinrichtung integriert. Mit Hilfe des mindestens einen Absperrventils kann somit die Luftzufuhr zu einem Brennstoffzellenstapel des Brennstoffzellensystems gesperrt werden. Dies ist insbesondere im Abstellfall relevant, damit der Energiewandlungsprozess innerhalb der Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels sicher unterbrochen wird. Üblicherweise ist sowohl im Kathodenzuluftpfad als auch im Ka- thodenabluftpfad jeweils ein Absperrventil vorgesehen. Beide Absperrventile können in die vorgeschlagene Befeuchtungseinrichtung integriert sein.

Bei dem mindestens einen Bypassventil, das in die Befeuchtungseinrichtung integriert ist, kann es sich insbesondere um ein Bypassventil zur Umgehung eines Brennstoffzellenstapels des Brennstoffzellensystems oder zur Umgehung der Befeuchtungseinrichtung selbst bzw. seiner Funktionsgruppe handeln.

Gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind in das erste Modulelement und in das zweite Modulelement jeweils ein Absperrventil und ein Bypassventil integriert. Die Ventile sind somit auf die beiden Modulelemente gleichmäßig verteilt. Der je Modulelement zur Verfügung stehende Bauraum wird somit optimal genutzt.

Gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind in das erste Modulelement zwei Absperrventile und mindestens ein Bypassventil integriert. Der Kathodenabluftpfad führt demzufolge durch das erste Modulelement. Während die Komplexität des ersten Modulelements steigt, sinkt die des zweiten Modulelements. Auf diese Weise kann den jeweiligen Bauraumverhältnissen optimal Rechnung getragen werden.

Gemäß einer dritten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist bzw. sind mindestens ein Absperrventil und/oder mindestens ein Bypassventil in das dritte Modulelement integriert. Im Fall eines Bypassventils zur Umgehung der Befeuchtungseinrichtung bzw. der Funktionsgruppe der Befeuchtungseinrichtung kann auf diese Weise der Bypasspfad besonders kurz gehalten werden.

In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass in mindestens ein Modulelement ein Sensorblock integriert ist. Mit Hilfe des Sensorblocks können mehrere Sensoren zu einer baulichen Einheit zusammengefasst werden, so dass die Montage weiter vereinfacht wird. Durch Integration des Sensorblocks in die Befeuchtungseinrichtung kann zudem Bauraum eingespart werden. Bevorzugt umfasst der Sensorblock mindestens einen Sensor zur Druck- und/oder Temperaturmessung und/oder zur Volumenstrommessung. Ferner bevorzugt ist der Sensorblock im Bereich des Kathodenzuluftpfads in die Befeuchtungseinrichtung integriert, so dass der Druck und/oder die Temperatur und/oder der Volumenstrom im Kathodenzuluftpfad überwacht werden können, da es sich hierbei um relevante Betriebsgrößen handelt.

Zur Lösung der eingangs genannten Aufgabe wird darüber hinaus ein Brennstoffzellensystem vorgeschlagen, das eine erfindungsgemäße Befeuchtungseinrichtung umfasst. Über den Einlass und den Auslass für das zu befeuchtende Medium ist die Befeuchtungseinrichtung in einen Kathodenzuluftpfad des Brennstoffzellensystems eingebunden. Über den Einlass und den Auslass für das wasserhaltige Medium ist die Befeuchtungseinrichtung in einen Kathodenabluftpfad des Brennstoffzellensystems eingebunden. Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Befeuchtungseinrichtung kann die Komplexität des Brennstoffzellensystems deutlich vereinfacht werden, da die separate Ausbildung und Befestigung mindestens ein Absperr- und/oder Bypassventil entfällt. Entsprechend sinkt der Bauraumbedarf des Brennstoffzellensystems, während die Leistungsdichte steigt.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems mit einer erfindungsgemäßen Befeuchtungseinrichtung gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform, Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems mit einer erfindungsgemäßen Befeuchtungseinrichtung gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform,

Fig. 3 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems mit einer erfindungsgemäßen Befeuchtungseinrichtung gemäß einer dritten bevorzugten Ausführungsform und

Fig. 4 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems mit einer erfindungsgemäßen Befeuchtungseinrichtung gemäß einer vierten bevorzugten Ausführungsform.

Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäße Befeuchtungseinrichtung 1, die in ein Brennstoffzellensystem 2 integriert ist, und zwar im Bereich eines der Luftversorgung eines Brennstoffzellenstapels 14 dienenden Kathodenzuluftpfads 16 und eines Kathodenabluftpfades 17. Mit Hilfe eines in den Kathodenzuluftpfad 16 integrierten Luftverdichters 18 wird die dem Brennstoffzellenstapel 14 zugeführte Luft zuvor verdichtet. Die verdichtete Luft gelangt über einen Einlass 3 in die Befeuchtungseinrichtung 1 und über einen Auslass 4 wieder hinaus. Zwischen Einlass 3 und Auslass 4 wird die verdichtete Luft an einem feuchten Luftstrom vorbeigeführt, wobei es sich um feuchte Kathodenabluft handelt. Die Befeuchtungseinrichtung 1 ist hierzu über einen weiteren Einlass 5 und einen weiteren Auslass 6 an den Kathodenabluftpfad 17 angeschlossen. Die aus der Befeuchtungseinrichtung 1 austretende Kathodenabluft wird vorliegend einer Abgasturbine mit einem im Kathodenabluftpfad 17 angeordneten Turbinenrad 21 zugeführt, das auf einer Welle 20 mit einem Verdichterrad 19 des Luftverdichters 18 angeordnet ist. Auf diese Weise kann ein elektromotorischer Antrieb 24 des Luftverdichters 18 entlastet bzw. Energie rückgewonnen werden.

Die in der Fig. 1 dargestellte erfindungsgemäße Befeuchtungseinrichtung 1 ist modulartig aufgebaut und weist vorliegend drei Modulelemente 11, 12, 13 auf. Das erste Modulelement 11, in dem der Einlass 3 für die zu befeuchtende Luft angeordnet ist, bildet eine Einlassendkappe aus. Das zweite Modulelement 12, in dem der Auslass 4 für die befeuchtete Luft angeordnet ist, bildet eine Auslas- sendkappe aus. Dazwischen ist das dritte Modulelement 13 angeordnet, das die eigentliche Funktionsgruppe der Befeuchtungseinrichtung 1 ausbildet.

In dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1 sind in das erste und zweite Modulelement 11, 12 jeweils ein Absperrventil 7, 8 und ein Bypassventil 9, 10 integriert. Das erste Modulelement 11 nimmt zudem einen Sensorblock 15 auf. Der Sensorblock 15 ist in einen Bypasspfad 22 zur Umgehung des Brennstoffzellenstapels 14 integriert. Der Bypasspfad 22 verbindet den Kathodenzuluftpfad 16 mit dem Kathodenabluftpfad 17, sofern das Bypassventil 10 geöffnet ist. Dieses ist vorliegend in das zweite Modulelement 12 integriert. Das in das erste Modulelement 11 integrierte Bypassventil 9 dient der Umgehung der Befeuchtungseinrichtung 1 bzw. seiner Funktionsgruppe. Das Bypassventil 9 ist hierzu in einem Bypasspfad 23 angeordnet, der - außerhalb des dritten Modulelements 13 - das erste und das zweite Modulelement 11, 12 der Befeuchtungseinrichtung 1 verbindet. Stromabwärts des Einlasses 3 für die zu befeuchtende Luft ist in das erste Modulelement 11 der Befeuchtungseinrichtung 1 das Absperrventil 8 integriert. Mit Schließen des Absperrventils 8 wird die Luftzufuhr in Richtung der Funktionsgruppe der Befeuchtungseinrichtung 1 sowie in Richtung des Brennstoffzellenstapels 14 unterbrochen. Das Absperrventil 8 wird im Abstellfall geschlossen. Gleiches gilt für das weitere Absperrventil 7, das in das zweite Modulelement 12 integriert ist, und zwar stromabwärts der Funktionsgruppe der Befeuchtungseinrichtung 1. Im Abstellfall sind somit der Brennstoffzellenstapel 14 einschließlich der Befeuchtungseinrichtung 1 von der Luftversorgung getrennt.

In dem Ausführungsbeispiel der Fig. 2, das ebenfalls eine modulartige Befeuchtungseinrichtung 1 mit drei Modulelementen 11, 12, 13 zeigt, sind beide Absperrventile 7, 8 sowie ein Bypassventil 10 in das erste Modulelement 11 integriert. Das weitere Bypassventil 9 und der Sensorblock 15 sind demgegenüber in das zweite Modulelement 12 integriert. Im Unterschied zum Ausführungsbeispiel der Fig. 1 führt der Kathodenabluftpfad 17 nicht über das zweite Modulelement 12, sondern über das erste Modulelement 11, so dass sich eine andere Verschaltung der verschiedenen Pfade ergibt. Dies ermöglicht eine Anpassung des Brennstoffzellensystems 2 an veränderte Bauraumverhältnisse.

Das in der Fig. 3 dargestellte Ausführungsbeispiel stellt eine Abwandlung des Ausführungsbeispiels der Fig. 1 dar, da lediglich die Lage der Absperrventile 7, 8 verändert wurde. Das zum Sperren des Kathodenzuluftpfads 16 vorgesehene Absperrventil 8 ist nicht mehr stromaufwärts der Funktionsgruppe der Befeuchtungseinrichtung 1 in das erste Modulelement 11, sondern stromabwärts der Funktionsgruppe in das zweite Modulelement 12 integriert. Das zum Sperren des Kathodenabluftpfads 17 vorgesehene Absperrventil 7 ist stromaufwärts der Funktionsgruppe der Befeuchtungseinrichtung 1 in das die Funktionsgruppe ausbildende dritte Modulelement 13 integriert. Somit können der Kathodenzuluft- pfad 16 und der Kathodenabluftpfad 17 in unmittelbarer Nähe zum Brennstoffzellenstapel 14 gesperrt werden. Mit Schließen der Absperrventile 7,8 wird auch die Befeuchtungseinrichtung 1 von dem Brennstoffzellenstapel 14 getrennt.

Eine weitere Abwandlung des Ausführungsbeispiels der Fig. 1 ist in der Fig. 4 dargestellt. Hier wurde der Bypasspfad 23 zur Umgehung der Funktionsgruppe des Befeuchtungseinrichtung 1 zum Brennstoffzellenstapel 14 hin verlegt. Der Bypasspfad 23 wurde zudem in das die Funktionsgruppe ausbildende dritte Modulelement 13 integriert. Auf diese Weise kann der Bypasspfad 23 kurz gehalten werden. Zudem kann der Bypasspfad 23 durch einen Kanal ausgebildet werden, der innerhalb des dritten Modulelements 13 ausgebildet wird. Damit entfällt eine Schlauchleitung einschließlich der erforderlichen Verbindungen. Das Bypassventil 9 wurde ebenfalls in das dritte Modulelement 13 integriert.

Abweichend von den dargestellten Ausführungsbeispielen kann die erfindungsgemäße modulartig aufgebaute Befeuchtungseinrichtung 1 auch weniger oder mehr als drei Modulelemente 11, 12, 13 aufweisen. Darüber hinaus können im Kathodenzuluftpfad 16 und/oder im Kathodenabluftpfad 17 weitere Komponenten angeordnet sein, die in den Figuren nicht dargestellt sind. Weitere Komponenten können beispielsweise eine im Kathodenzuluftpfad 16 angeordnete Kühleinrichtung zum Abkühlen der mit Hilfe des Luftverdichters 18 verdichteten Luft und/oder ein im Kathodenabluftpfad 17 angeordneter Wasserabscheider sein.

Claims

- 9 - Ansprüche

1. Befeuchtungseinrichtung (1) für ein Brennstoffzellensystem (2), umfassend einen Einlass (3) und einen Auslass (4) für ein zu befeuchtendes erstes Medium, vorzugsweise Kathodenzuluft, sowie einen Einlass (5) und einen Auslass (6) für ein wasserhaltiges zweites Medium, vorzugsweise Kathoden ab lüft, dadurch gekennzeichnet, dass die Befeuchtungseinrichtung (1) modulartig aufgebaut ist und mindestens ein Modulelement (11, 12, 13) aufweist, in das mindestens ein Absperrventil (7, 8) und/oder mindestens ein Bypassventil (9, 10) integriert ist bzw. sind.

2. Befeuchtungseinrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Einlass (3) für das zu befeuchtende Medium in einem ersten Modulelement (11) ausgebildet ist, das beispielsweise als Einlassendkappe ausgeführt ist.

3. Befeuchtungseinrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Auslass (4) für das zu befeuchtende Medium in einem zweiten Modulelement (12) ausgebildet ist, das beispielsweise als Auslassendkappe ausgeführt ist.

4. Befeuchtungseinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Einlass (5) und der Auslass (6) für das wasserhaltige Medium in einem dritten Modulelement (13) ausgebildet sind, das beispielsweise als Befeuchterfunktionsgruppe ausgeführt ist.

5. Befeuchtungseinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Absperrventil (7, 8) im Bereich eines Kathodenzuluftpfads (16) und/oder eines Kathodenabluftpfads (17) integriert ist.

6. Befeuchtungseinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in das erste Modulelement (11) und in das zweite Modulelement (12) jeweils ein Absperrventil (7, 8) und ein Bypassventil (9, 10) integriert sind.

7. Befeuchtungseinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass in das erste Modulelement (11) zwei Absperrventile (7, 8) und mindestens ein Bypassventil (9, 10) integriert sind.

8. Befeuchtungseinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Absperrventil (7, 8) und/oder mindestens ein Bypassventil (9, 10) in das dritte Modulelement (13) integriert ist bzw. sind.

9. Befeuchtungseinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in mindestens ein Modulelement (11, 12, 13) ein Sensorblock (15) integriert ist.

10. Brennstoffzellensystem (2), umfassend eine Befeuchtungseinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Befeuchtungseinrichtung (1) über den Einlass (3) und den Auslass (4) für das zu befeuchtende Medium in einen Kathodenzuluftpfad (16) und über den Einlass (5) und den Auslass (6) für das wasserhaltige Medium in einen Kathodenabluftpfad (17) des Brennstoffzellensystems (2) eingebunden ist.