-
Die
Erfindung betrifft ein Versorgungssystem für mindestens einen Brennstoffzellenstapel
mit mindestens einer Medienleitung zur Zuführung und/oder zur Abführung von
Medien in bzw. von dem Brennstoffzellenstapel, mit mindestens einem
Funktionselement, wobei das Funktionselement in einem Endbereich
der Medienleitung strömungstechnisch
angeschlossen und zur Änderung
des Strömungszustands
des geführten
Mediums ausgebildet ist, und mit einer Heizvorrichtung zur Heizung
des Funktionselements und optional der Medienleitung sowie ein Kontrollverfahren
und eine Strahlpumpe für
das Versorgungssystem.
-
Brennstoffzellensysteme
dienen zur Erzeugung von elektrischer Energie auf Basis eines elektrochemischen
Prozesses, wobei ein Brennstoff, oftmals Wasserstoff, zusammen mit
einem Oxidationsmittel, oftmals Umgebungsluft, zur Wandlung von chemischer
in elektrische Energie eingesetzt wird. Ein wichtiges Anwendungsgebiet
derartiger Brennstoffzellensysteme betrifft die Erzeugung von Antriebsenergie
für Fahrzeuge,
die somit unabhängig von
fossilen Brennstoffen betrieben werden können.
-
Obwohl
der zugrunde liegende elektrochemische Prozess längstens bekannt ist, stellt
es eine technische Herausforderung dar, Brennstoffzellensysteme
so auszugestalten, dass diese im Alltag robust und zuverlässig ihren
Dienst verrichten.
-
Beispielsweise
ist das Wassermanagement in den Brennstoffzellensystemen sehr wichtig,
da zum einen die die Elektrodenbereiche trennende Elektrodenmembran
im Betrieb stets ausreichend befeuchtet sein muss, um einen vorzeitigen
Verschleiß zu
verhindern, und zum anderen bei der elektrochemischen Reaktion Wasser
gebildet wird, das abgeführt
werden muss. Zur Kontrolle des Wasserhaushaltes ist es üblich, zum
einen Entfeuchtungseinrichtungen zur Ableitung des gebildeten Wassers und
Befeuchtungseinrichtungen zur Befeuchtung der Membran vorzusehen.
-
Die
Druckschrift 10013687 A1 betrifft ein Brennstoffzellensystem mit
einer Brennstoffzelleneinheit und einer Anlage zur Befeuchtung von
Prozessgasen, wobei Wasser führende
Medienleitungen der Brennstoffzelleneinheit zumindest teilweise
als beheizbare Medienleitungen vorgesehen sind. Gemäß der Druckschrift
hat diese Ausbildung den Vorteil, dass das Prozesswasser des Wasserhaushalts in
den Medienleitungen unabhängig
von den Umgebungsbedingungen flüssig
gehalten werden kann und die Gefahr des Verschlusses von Medienleitungen
und/oder von in den Medienleitungen angeordneten Ventilen und Pumpen
durch Ausfrieren des Wassers vermieden wird.
-
Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Alltagstauglichkeit eines
Brennstoffzellensystems weiter zu verbessern.
-
Diese
Aufgabe wird durch ein Versorgungssystem für mindestens einen Brennstoffzellenstapel mit
den Merkmalen des Anspruchs 1, durch ein Verfahren zur Kontrolle
des Versorgungssystems mit den Merkmalen des Anspruchs 12 und durch
eine Strahlpumpe mit den Merkmalen des Anspruchs 15 gelöst. Bevorzugte
oder vorteilhafte Ausführungsformen
der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung
und den beigefügten
Figuren.
-
Erfindungsgemäß wird ein
Versorgungssystem vorgeschlagen, welches zur Versorgung von mindestens
einem Brennstoffzellenstapel geeignet und/oder ausgebildet ist.
Der mindestens eine Brennstoffzellenstapel und das Versorgungssystem
bilden vorzugsweise ein Brennstoffzellensystem, welches zur Energieversorgung
eines Antriebsstrangs in einem Fahrzeug ausgebildet ist. Der Brennstoffzellenstapel
weist eine Mehrzahl, vorzugsweise über 100 Brennstoffzellen auf,
welche jeweils einen Kathoden- und einen Anodenbereich zeigen, die
durch eine Elektrodenmembran, insbesondere eine Protonenaustauschmembran,
voneinander getrennt sind.
-
Zur
Zuführung
und/oder zur Abführung
von Medien, insbesondere Prozesswasser, Oxidationsmittelgase oder
Brennstoffgas, in, innerhalb bzw. von dem Brennstoffzellenstapel
weist das Versorgungssystem mindestens eine Medienleitung auf, die
bevorzugt als Rohrleitungen mit und ohne Krümmungen ausgebildet sind.
-
Das
Versorgungssystem umfasst mindestens ein Funktionselement, das vorzugsweise
unmittelbar in einem Endbereich der Medienleitung strömungstechnisch
angeschlossen und zur Änderung des
Strömungszustands
des geführten
Mediums ausgebildet ist. Der Strömungszustand
wird insbesondere durch Schalten, Mischen, Drosseln und/oder hinsichtlich
der Strömungsgeschwindigkeit
oder der Dichteverteilung des Mediums geändert.
-
Weiterhin
umfasst das Versorgungssystem eine Heizvorrichtung, welche zur Heizung
des Funktionselements und optional der Medienleitung realisiert
ist.
-
Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen,
dass die Heizvorrichtung derart angeordnet und/oder ausgebildet
ist, dass die Heizenergie lokal auf den Endbereich der Medienleitung
konzentriert und/oder unabhängig
von und/oder parallel, insbesondere im Wesentlichen oder überwiegend
parallel, zu der Medienleitung an das Funktionselement übertragen wird.
-
Ein
Gedanke der Erfindung ist es, anstatt der gesamten Medienleitung
nur den Bereich des Funktionselements zu heizen und somit primär, größtenteils,
maßgeblich
und/oder ausschließlich
die Wärmeenergie
von der Heizvorrichtung an das Funktionselement statt an die Medienleitung
zu übertragen. Insbesondere
wird zumindest ein Großteil
der an das Funktionselement übertragenen
Wärmeenergie
ohne Übertragung über die
Medienleitung in das Funktionselement eingeleitet.
-
Mit
dieser erfinderischen Ausgestaltung wird erreicht, dass das Versorgungssystem
auch bei kalten Betriebszuständen,
insbesondere in Gefrierzuständen,
durch die Heizvorrichtung an relevanten Bereichen aufgetaut werden
kann, ohne die gesamte Medienleitung zu heizen. Diese Vorgehensweise führt zu einer
deutlichen Einsparung der zur Heizung benötigten Energie. Führt man
sich vor Augen, dass insbesondere bei einem mobilen Brennstoffzellensystem
in einem Fahrzeug vor dem Start des Brennstoffzellensystem nur gespeicherte
Energie in begrenztem Umfang zur Verfügung steht, ergibt sich der Vorteil,
dass die Energieressourcen der Speichereinrichtung geschont werden.
Ferner ist es möglich,
das Auftauen der relevanten Bereiche schneller durchzuführen, so
dass die Freezing-Tauglichkeit deutlich erhöht werden kann.
-
Bei
einer bevorzugten Realisierung der Erfindung ist das Funktionselement
als ein einfrierkritisches Bauelement ausgebildet und vorzugsweise
als Düse,
Ventil oder Drossel verkörpert.
Insbesondere die einfrierkritischen Bauelemente weisen Strömungsbereiche
für das
Medium auf, welche durch einen geringen Querschnitt, insbesondere
einen geringeren Querschnitt als die Medienleitung gekennzeichnet
ist.
-
Bei
einer besonders bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung ist das Funktionselement als eine Treibstrahldüse in einer
Strahlpumpe bzw. Impulsaustauschmaschine, insbesondere einer Jetpumpe
zur Beschleunigung oder Kompression des Brennstoffs für den Brennstoffzellenstapel
ausgebildet.
-
Die
Strahlpumpe wird in dem Versorgungssystem eingesetzt, um ein in
einem Anodenkreislauf rezirkuliertes Gas durch ein durch die Treibstrahldüse zugeführtes Treibgas,
insbesondere in Form von Wasserstoff aus einem Vorratstank oder
von einem Reformator, über
einen Impulsübertrag
zu beschleunigen.
-
Bei
einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung umfasst das Versorgungssystem
die Strahlpumpe, wie sie soeben beschrieben wurde, wobei die Heizvorrichtung
in einem Gehäuse
der Strahlpumpe integriert ist. Bevorzugt weist dieses Gehäuse eine Schnittstelle
für die
Medienleitung auf. Der Übertrag der
Heizenergie von der Heizvorrichtung zu dem Funktionselement findet
bei dieser Weiterbildung innerhalb des Gehäuses und unabhängig von
der Medienleitung statt.
-
Bei
einer besonders bevorzugten konstruktiven Realisierung weist die
Strahlpumpe einen Grundkörper
auf, der vorzugsweise einstückig
ausgebildet ist und der das Funktionselement trägt oder bildet, wobei die Heizvorrichtung
in dem Grundkörper integriert
ist, so dass die Heizenergie über
den Grundkörper
an das Funktionselement übertragen wird.
-
Bei
einer besonders bevorzugten Konkretisierung ist in dem Grundkörper die
Treibstrahldüse für frischen
Wasserstoff und die Hauptstromdüse
für rezirkulierten
Wasserstoff integriert.
-
Es
ist weiterhin bevorzugt, dass die Heizvorrichtung in dem Grundkörper lösbar befestigt
ist, also beispielsweise einsteckbar oder einschraubbar ausgebildet
ist.
-
Bei
einer besonders bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung ist die Heizvorrichtung als eine elektrische Heizung
ausgebildet, die in einem thermischen Kontakt mit dem Funktionselement steht.
Vorzugsweise ist der thermische Kontakt so ausgebildet, dass ein
Großteil
der übertragenen Heizleistung
unabhängig
von der Medienleitung von der Heizvorrichtung zu dem Funktionselement
fließt.
-
Bei
einer Abwandlung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Heizvorrichtung
als eine elektrochemische Heizung ausgebildet ist, wobei die Heizenergie
durch einen Katalyten und das geführte Medium, insbesondere Wasserstoff
erzeugt wird. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die Heizvorrichtung
als eine Beschichtung des Funktionselements und/oder als eine katalytische
Reaktionsschicht ausgebildet. Weitere Alternativen zur Ausbildung
der Heizvorrichtung sind IR-/NIR-Strahler.
-
Um
die Heizungsvorrichtung eigensicher auszubilden, das heißt, dass
diese zum Beispiel im Fehlerfall dauerhaft betrieben werden kann,
ohne dass dies zum Nachteil nachfolgenden Beschädigungen führt, ist vorzugsweise vorgesehen,
dass die Heizvorrichtung von dem geführten Medium gasisoliert angeordnet
ist.
-
Bei
einer Weiterbildung der Erfindung weist das Versorgungssystem eine
Steuerungsvorrichtung zur Ansteuerung der Heizvorrichtung auf, welche
mit einem Temperatursensor und/oder einer Brennstoffzellenstapelbetriebserfassung
signaltechnisch gekoppelt bzw. koppelbar ist.
-
Diese
Weiterbildung der Erfindung erlaubt die Durchführung eines Verfahrens zur
Kontrolle des Versorgungssystems gemäß dem Anspruch 12, das einen
weiteren Gegenstand der Erfindung bildet.
-
Bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren
ist vorgesehen, dass die Heizvorrichtung temperaturabhängig und/oder
abhängig
vom Betriebszustand des Brennstoffzellenstapels bzw. des Brennstoffzellensystems
kontrolliert, insbesondere gesteuert oder geregelt wird.
-
Die
temperaturabhängige
Steuerung erfolgt dabei z. B. wahlweise über die Auswertung einer lokalen
Temperatur im Bereich des Funktionselements, einer globalen Temperatur
des Brennstoffzellenstapels und/oder einer externen Temperatur,
also einer Außentemperatur.
-
Bei
einer ersten möglichen
Betriebsart des erfindungsgemäßen Verfahrens
wird die Heizvorrichtung zum Enteisen des Funktionselements und/oder während der
Startphase des Brennstoffzellenstapels aktiviert. Bei dieser Betriebsart
ist aufgrund der besonderen konstruktiven Ausgestaltung des Versorgungssystems
möglich
mit sehr geringen Heizenergien, zum Beispiel kleiner als 100 Watt,
vorzugsweise kleiner als 50 Watt Heizleistung auszukommen.
-
Bei
einer weiteren möglichen
Betriebsart des erfindungsgemäßen Verfahrens
wird die Heizvorrichtung zur Vermeidung von Kondensat und/oder während einer
Abkühlphase
des Brennstoffzellenstapels aktiviert. Dadurch, dass die Heizvorrichtung
während des
Betriebs oder während
der Abkühlphase
des Brennstoffzellenstapels eingeschaltet wird, wird der Taupunkt
an der Treibstrahldüse
verschoben, so dass kein oder weniger Kondensat an der Treibstrahldüse gebildet
wird.
-
Optional
kann das Versorgungssystem, insbesondere die Heizvorrichtung auch
während
des Betriebs des Brennstoffzellenstapels zum Auftauen von Eispartikeln
während
des Betriebs oder zum Verdampfen von Wasser nach dem Betrieb vorteilhaft eingesetzt
werden. In den verschiedenen Betriebsarten kann die Heizvorrichtung
mit verschiedenen Heizleistungen betrieben werden.
-
Ein
weiterer Gegenstand der Erfindung wird durch eine Strahlpumpe mit
den Merkmalen des Anspruchs 15 optional in Verbindung mit beliebigen Merkmalen
der zuvor beschriebenen Strahlpumpe.
-
Weitere
Merkmale, Vorteile und Wirkungen der Erfindung ergeben sich aus
der nachfolgenden Figur eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung.
Dabei zeigen:
-
1 ein
schematisches Blockdiagramm eines Versorgungssystems als ein Ausführungsbeispiel
der Erfindung;
-
2 einen
Ausschnitt der Treibstrahlpumpe in 1 in schematischer
Darstellung.
-
Die 1 zeigt
ein Brennstoffzellensystem 1, wie es beispielsweise in
Fahrzeugen zur Versorgung des Antriebsstrangs mit elektrischer Energie eingesetzt
wird. Das Brennstoffzellensystem 1 umfasst mindestens einen
Brennstoffzellenstapel 2 mit einer Mehrzahl von Brennstoffzellen,
welche jeweils einen Anodenbereich 3 und einen Kathodenbereich 4 aufweisen,
die in der 1 schematisch zusammengefasst
dargestellt sind.
-
Zur
Versorgung des Anodenbereichs 3 mit Wasserstoff umfasst
das Brennstoffzellensystem 1 ein Versorgungssystem 5,
welches unverbrauchten Wasserstoff aus einem Tank 6 über eine
Pumpenvorrichtung 7 in den Anodenbereich 3 leitet.
Der nach der elektrochemischen Reaktion teilverbrauchte Wasserstoff
aus dem Anodenbereich 3 wird über eine Rezirkulationsanordnung 8 zu
der Pumpenvorrichtung 7 zurückgeführt, dort mit frischem oder
unverbrauchtem Wasserstoff aus dem Tank 6 gemischt und
wieder in den Anodenbereich 3 geleitet.
-
Um
ein robustes und störunanfälliges Betriebsverhalten
des Brennstoffzellensystems 1 sicherzustellen, ist in der
Pumpenvorrichtung 7 eine Heizvorrichtung 9 integriert,
die ausgebildet und/oder angeordnet ist, einfrierkritische Bauelemente
in der Pumpenvorrichtung 7 lokal und/oder selektiv zu erwärmen. Durch
die Integration der Heizvorrichtung 9 in die Pumpenvorrichtung 7 können diese einfrierkritischen
Bauelemente mit einem sehr geringen Energieaufwand gewärmt bzw.
enteist werden. Zur Steuerung der Heizvorrichtung 9 ist
diese mit einer Steuerungsvorrichtung 10 verbunden, welche
temperaturbasiert und/oder betriebsartbasiert die Heizvorrichtung 9 kontrolliert.
-
Die
Steuerungsvorrichtung 10 ist mit einem ersten Temperatursensor 11 verbunden,
welcher die Temperatur in der Pumpenvorrichtung 7, oder
im Bereich der Pumpenvorrichtung 7 aufnimmt. Alternativ oder
ergänzend
ist die Steuerungsvorrichtung 10 mit einem zweiten Temperatursensor 12 verbunden,
welcher die Außentemperatur
aufnimmt. Optional ist die Steuerungsvorrichtung 10 signaltechnisch
mit einer Betriebsarterfassungseinrichtung 13 verbunden,
die der Steuerungsvorrichtung 10 ein Signal in Abhängigkeit
der Betriebsart, insbesondere hinsichtlich einer Startphase oder
einer Abkühlphase
des Brennstoffzellensystems 1 liefert.
-
Auf
Basis der Eingangssignale von dem ersten Temperatursensor 11,
dem zweiten Temperatursensor 12 bzw. der Betriebsarterfassungseinrichtung 13 wird
die Heizvorrichtung 9 beispielsweise in der Startphase
bei Temperaturen unter 0°C
aktiviert. Alternativ oder ergänzend
wird die Heizvorrichtung 9 bei einer Abkühlphase
des Brennstoffzellensystems 1 bzw. des Brennstoffzellenstapels 2 aktiviert,
um den Taupunkt im Bereich der Pumpenvorrichtung 7 zu verschieben
und ein Auskondensieren von Wasser zu unterbinden. In einer weiteren
möglichen
Betriebsart wird die Pumpenvorrichtung 7 gewärmt, um auftretendes
Kondensat zu verdunsten.
-
Die 2 zeigt
die Pumpenvorrichtung 7 in einer stark schematisierten,
nicht maßstabsgetreuen Querschnittdarstellung
im Mischbereich des rezirkulierten Wasserstoffgases 14 und
des zugeführten
frischen Wasserstoffgases 15 aus dem Tank 6. Die Pumpenvorrichtung 7 ist
als Impulsaustauschmaschine ausgebildet, wobei in der gezeigten
Beschleunigungsstufe das rezirkulierte Wasserstoffgas 14 durch
das zugeführte
Wasserstoffgas 15 als Treibgas über einen Impulsübertrag
beschleunigt wird.
-
Die
Pumpenvorrichtung 7 weist einen Grundkörper 16 auf, in dem
ein Konus 17 zur Führung
des rezirkulierten Wasserstoffgases 14 eingebracht ist. Wandseitig
und parallel zu der Längserstreckung
des Konus 17 sind einzelne Bohrungen 18 eingebracht, die
als Treibstrahldüse 19 wirken.
Die Treibstrahldüsen 19 sind
vorzugsweise in Umlaufrichtung um den Konus 17 regelmäßig verteilt.
-
Gerade
bei tiefen Temperaturen sind die Treibstrahldüsen 19 aufgrund ihres
geringen freien Durchmessers einfrierkritische Bauteile. Um auch
bei tiefen Temperaturen die Betriebssicherheit der Pumpenvorrichtung 7 sicherzustellen,
ist in dieser die Heizungsvorrichtung 9 integriert, wobei
diese als elektrische Heizung mit einer stiftförmigen Gestalt ausgebildet
ist, die in unmittelbarer Nachbarschaft zu der Treibstrahldüse 19 in
den Grundkörper 16 eingeschraubt
oder eingesteckt ist. Durch die örtliche
Nähe von
Heizungsvorrichtungen 9 und Treibstrahldüse 19 ist
es möglich,
auch bei tiefen Temperaturen die Treibstrahldüse 19 innerhalb von
wenigen Sekunden, insbesondere weniger als 10 Sekunden mit einer Heizleistung
von kleiner als 50 Watt aufzutauen.
-
Die
Heizvorrichtung 9 erlaubt somit ein Auftauen von Eispartikeln
vor dem Betrieb, ein Auftauen von Eispartikeln während des Betriebs, ein Verdampfen
von Wasser nach dem Betrieb und ein Verschieben des Taupunkts an
der Treibstrahldüse,
so dass kein oder weniger Kondensat an der Treibstrahldüse 19 vorhanden
ist. Ein weiterer Vorteil des in der 2 dargestellten
Heizungskonzeptes ist es, dass die Heizvorrichtung 9 von
dem geführten
Medium Wasserstoff räumlich
getrennt ist, so dass die Heizungsvorrichtung 9 eigensicher
ist, das heißt,
sie kann – wie
zum Beispiel im Fehlerfall – dauerhaft
betrieben werden, ohne dass dies zu nachfolgenden Beschädigungen
führt.
-
Bei
abgewandelten Ausführungsformen
wird die lokale Beheizung der Treibstrahldüsen 19 durch andersartige
Heizvorrichtungen durchgeführt,
so wird ein ähnlicher
Effekt beispielsweise dadurch erreicht, indem man auf den Wänden der
Treibstrahldüsen eine
katalytische Reaktionsschicht aufbringt, so dass eine Beheizung über die
Wärmeentstehung
bei chemischen oder physikalischen Effekten analog zu einem katalytischen
Brenner oder einem Wasserstoffhybridspeicher umgesetzt wird. Weitere
Möglichkeiten
für die
Heizungsvorrichtung 9 sind IR/NIR-Strahlungsvorrichtungen.