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Die Erfindung betrifft eine Gasversorgungsvorrichtung für ein Brennstoffzellensystem mit den im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Merkmalen. Sie betrifft ferner ein Verfahren zur Gasversorgung eines Brennstoffzellensystems mit einer solchen Gasversorgungsvorrichtung sowie eine besonders bevorzugte Verwendung der Gasversorgungsvorrichtung und des Verfahrens.
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Gasversorgungsvorrichtungen für Brennstoffzellensysteme sind aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. Zur Förderung eines Gasstroms nutzen sie häufig sogenannte Gasstrahlpumpen oder Ejektoren, welche über einen ersten als Treibgasstrom genutzten Gasstrom einen zweiten zu fördernden Gasstrom fördern. Der Aufbau kann beispielsweise im Bereich der Anodengasversorgung oder der Kathodengasversorgung eingesetzt werden. Aus dem japanischen Abstract 63-021760 A ist ein Ejektor einer Gasversorgungsvorrichtung in einem Brennstoffzellensystem beschrieben. Er weist den an sich bekannten und üblichen Aufbau eines Ejektors auf, bei welchem der Treibgasstrom über eine Düse in einen sich typischerweise verjüngenden Mischbereich, welcher auch als Fangdüse bezeichnet wird, eingedüst wird. Neben der Eindüsung des Treibgasstroms steht dieser Mischbereich außerdem mit dem zu fördernden zweiten Gasstrom in Verbindung. Den Abschluss der Vorrichtung bildet ein Diffusor, welcher von den beiden miteinander vermischten Gasströmen durchströmt wird.
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Aus dem allgemeinen Stand der Technik ist es ferner bekannt, dass bei Brennstoffzellensystemen, insbesondere bei solchen in PEM-Technologie, eine ausreichende Befeuchtung der zu dem Brennstoffzellenstapel strömenden Gasströme von entscheidender Bedeutung ist. Aus diesem Grund sind Befeuchter, beispielsweise Befeuchter mit Hohlfasermembran oder Flächmembranen, aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt und üblich. Beispielhaft soll hier auf die
DE 102 02 471 B4 verwiesen werden. Aus dieser Schrift ist ein Brennstoffzellensystem bekannt, bei welchem sowohl die Kathodenzuluft als auch der zum Anodenraum geförderten Wasserstoff über Befeuchter befeuchtet wird. Zusätzlich kann über einen Wasseransaugejektor flüssiges Wasser angesaugt und in den Anodenzustrom eindosiert werden. Der Anodenzustrom wird ansonsten, wie es aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt und üblich ist, über einen von dem Wasseransaugejektor unabhängigen Ejektor rezirkuliert. Eine solche Anodenrezirkulation fördert den Abgasstrom vom Ausgang des Anodenraums in den Eingang des Anodenraums zurück, welchem er zusammen mit frischem Wasserstoff zugeführt wird. Der in der
DE 102 02 471 B4 beschriebene Aufbau benötigt zahlreiche Komponenten und ist außerordentlich komplex, insbesondere auch, da sämtliche Komponenten zusätzlich an den Kühlkreislauf angebunden sind.
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Aus dem weiteren allgemeinen Stand der Technik ist es außerdem üblich, vor dem Eingang beispielsweise in einen Anodenraum oder einen Kathodenraum einer Brennstoffzelle einen Wasserabscheider vorzusehen. In bestimmten Situationen, insbesondere bei niedrigen Temperaturen der Brennstoffzelle und/oder niedrigen Umgebungstemperaturen ist es für den Betrieb der Brennstoffzelle außerordentlich nachteilig, wenn flüssiges Wasser in den Bereich der Brennstoffzelle selbst gelangt, da dieses für die Leitung des Gases benötigte Kanäle in dem Anodenraum und/oder dem Kathodenraum verstopfen kann. In diesen Situationen, in denen die Wärme in der Brennstoffzelle selbst nicht zum Verdampfen des Wassers ausreicht, soll daher der Eintrag von flüssigem Wasser verhindert werden. Dies macht die vergleichsweise aufwändigen Aufbauten mit Wasserabscheidern vor dem Anodenraum beziehungsweise dem Kathodenraum der Brennstoffzelle notwendig.
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Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, eine Gasversorgungsvorrichtung anzugeben, welche einfach und mit wenigen Komponenten aufgebaut ist und eine ideale Befeuchtung von Gasen im Rahmen einer Anoden- oder Kathodenrezirkulation eines Brennstoffzellensystems ermöglicht.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den restlichen abhängigen Unteransprüchen. Außerdem löst ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Gasversorgungsvorrichtung die erfindungsgemäße Aufgabe. Ferner ist eine besonders bevorzugte Verwendung der Gasversorgungsvorrichtung und/oder des Verfahrens angegeben.
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Die erfindungsgemäße Gasversorgungsvorrichtung weist in an sich bekannter Art und Weise einen Ejektor auf, welcher durch Impulsaustausch zwischen einem Treibgasstrom und einem zweiten Gasstrom die Gasströme zusammen zur Brennstoffzelle fördert. Der Aufbau sieht in an sich bekannter Art und Weise eine Düse vor, durch welche der Treibgasstrom in einen mit dem zweiten Gasstrom versorgten Mischbereich strömt, sowie einen sich daran anschließenden Diffusor. Die erfindungsgemäße Gasversorgungsvorrichtung weist nun außerdem zwischen dem Mischbereich und dem Diffusor, also an der typischerweise engsten Stelle des durchströmten Querschnitts, eine Zuleitung auf, welche mit einem Wasservorrat in Verbindung steht. Die Zuleitung ist in dem Bereich angeordnet, in dem der geringste Druck im Bereich des Ejektors vorliegt. Durch den geringen Druck in diesem Bereich wird Wasser aus dem Wasservorrat angesaugt und gelangt in den Gasstrom. Aufgrund der hohen Geschwindigkeit des Gasstroms wird das Wasser im Gasstrom typischerweise fein zerstäubt und kann so in dem vergleichsweise warmen und trockenen Gasstrom größtenteils in die dampfförmige Phase übergehen. Das Ergebnis ist ein Gasstrom aus dem Treibgasstrom und dem zweiten Gasstrom, welcher sehr gut befeuchtet ist und sich ideal zum Betreiben einer Brennstoffzelle eignet.
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In einer sehr günstigen und vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Gasversorgungsvorrichtung kann es ferner vorgesehen sein, dass in einem Bereich in Strömungsrichtung des Treibgasstroms vor der Düse ein Leitungselement abzweigt, welches in den Bereich der Zuleitung mündet, welcher mit dem Wasservorrat in Verbindung steht. Ein solcher Teilstrom des Treibgasstroms, welcher in den Bereich der Zuleitung mündet, in dem das Wasser aus dem Wasservorrat angesaugt wird, kann einerseits den Ansaugvorgang des Wassers und andererseits die Zerstäubung des Wassers in den beiden Gasströmen verbessern, da durch diesen Aufbau, welcher so aus dem Bereich von Vergasern bei Verbrennungsmotoren bekannt ist, eine verbesserte Förderung und eine Vormischung des Treibgasstroms mit dem Wasser stattfindet, sodass sich dieses Wasser leichter in den beiden Gasströmen, in die es angesaugt wird, verteilt.
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In einer sehr günstigen und vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Gasversorgungsvorrichtung ist es ferner vorgesehen, dass im Bereich der Zuleitung eine Ventileinrichtung angeordnet ist. Dieser Aufbau mit einer Ventileinrichtung im Bereich der Zuleitung ermöglicht es, die Zuleitung von flüssigem Wasser in den Bereich des Ejektors zu steuern beziehungsweise zu regeln. Dadurch kann je nach Situation oder je nach Betriebsbedingungen Wasser zugeführt werden oder auch nicht. Die Befeuchtung lässt sich so leicht und effizient beeinflussen, je nachdem, welche feuchte im Bereich der Brennstoffzelle benötigt wird.
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Die erfindungsgemäße Gasversorgungsvorrichtung lässt sich sowohl zur Anodengasversorgung als auch zur Kathodengasversorgung einsetzen. Da insbesondere im Bereich der Anodengasversorgung eine Rezirkulation von unverbrauchten Anodenabgasen typisch ist, und da andererseits eine Befeuchtung von Wasserstoff über einen Membranbefeuchter wie es im Stand der Technik beschrieben ist, aufgrund der extrem schwierigen Abdichtung von Membranen gegenüber Wasserstoff außerordentlich schwierig ist, spielt die erfindungsgemäße Gasversorgungsvorrichtung im Bereich der Anodengasversorgung ihre besonderen Vorteile aus. Dementsprechend kann es vorgesehen sein, dass der Treibgasstrom ein Wasserstoffstrom aus einer Wasserstoffquelle, insbesondere einem Druckgasspeicher, ist, wobei der zweite Gasstrom ein rezirkulierter Abgasstrom aus einem Anodenraum der Brennstoffzelle ist.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Gasversorgung eines Brennstoffzellensystems mit der erfindungsgemäßen Gasversorgungsvorrichtung ist es vorgesehen, dass die Zufuhr von Wasser durch die Zuleitung in Abhängigkeit der Temperatur der Brennstoffzelle erfolgt. Eine solche temperaturabhängige Steuerung der Zufuhr des Wassers ist besonders vorteilhaft, da typischerweise bei einem Start des Brennstoffzellensystems unter Bedingungen mit Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts, einem sogenannten Freeze-Start, und bei einem Betrieb des Brennstoffzellensystems mit niedrigeren Temperaturen der Brennstoffzelle selbst, flüssiges Wasser im Bereich der zugeleiteten Eduktströme sehr leicht auskondensiert. Solches flüssiges Wasser kann dann zu erheblichen Funktionsproblemen der Brennstoffzelle führen, insbesondere wenn Gaskanäle geflutet werden. Bei niedrigen Temperaturen kann also auf die zusätzliche Zufuhr von Wasser zur Befreuchtung verzichtet werden. Dadurch wird die Bildung von Flüssigwasser im Bereich der Brennstoffzelle reduziert, ohne dass hierfür eigens angeordnete Wasserabscheider vor den Eingängen der Brennstoffzelle angeordnet werden müssten. Die Brennstoffzelle arbeitet dann auch bei niedrigen Temperaturen sehr robust und zuverlässig, ohne dass hierfür zusätzlicher konstruktiver Aufwand betrieben werden muss. Die Steuerung über einen Temperatursensor ist dabei einfach, robust und kostengünstig. Es könnten aber zum Beispiel auch Ventile mit einer einfachen Selbstregelung, wie z. B. Termostatventile oder Wachsventile, zum Einsatz kommen.
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Ein weiterer Vorteil einer solchen Betriebsführung besteht darin, dass beispielsweise während des Freeze-Starts kein flüssiges Wasser zugeführt werden muss. Flüssiges Wasser muss in diesem Fall also nicht vorhanden sein, und kann, wenn es beispielsweise gefroren ist, in diesem gefrorenen Zustand verbleiben, bis sich das gesamte Brennstoffzellensystem und die Umgebung so weit aufgeheizt hat, dass das Wasser ohnehin auftaut. Ein energieintensives zusätzliches Auftauen ist zum Starten des Brennstoffzellensystems nicht notwendig, sodass hierdurch ein sehr energieeffizienter Aufbau entsteht. Dabei kann beispielsweise während des Betriebs des Brennstoffzellensystems auskondensiertes Wasser aus den Abgasströmen zur Befeuchtung verwendet werden, weil dieses Wasser sehr rein ist und keine Stoffe enthält, welche nicht in den Bereich der Brennstoffzelle eingebracht werden sollten.
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Der Aufbau der erfindungsgemäßen Gasversorgungsvorrichtung sowie das Verfahren zum Betreiben derselben sind außerordentlich einfach und bieten ein robustes Brennstoffzellensystem, welches auch unter widrigen Bedingungen und bei niedrigen Temperaturen des Stacks sehr energieeffizient, sicher und zuverlässig betrieben beziehungsweise gestartet werden kann. Die besonders bevorzugte Verwendung der erfindungsgemäßen Gasversorgungsvorrichtung sowie des Verfahrens zum Betreiben dieser Gasversorgungsvorrichtung liegt daher im Einsatz in einem Fahrzeug, da in einem solchen häufig der Start eines Brennstoffzellensystems notwendig ist, und da diese Starts häufig auch unter Bedingungen mit Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts schnell erfolgen müssen.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Gasversorgungsvorrichtung ergeben sich aus den restlichen abhängigen Ansprüchen und werden zusammen mit einem Brennstoffzellensystem anhand des nachfolgend dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
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Dabei zeigen:
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1 ein beispielhaftes Brennstoffzellensystem in einem Fahrzeug; und
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2 eine Schnittansicht durch eine Gasversorgungsvorrichtung gemäß der Erfindung.
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In der Darstellung der 1 ist rein beispielhaft und stark schematisiert ein Brennstoffzellensystem 1 in einem angedeuteten Fahrzeug 2 zu erkennen. Das Brennstoffzellensystem 1 weist im Wesentlichen eine Brennstoffzelle 3 auf, welche ihrerseits einen Anodenraum 4 und einen Kathodenraum 5 umfasst. Die Brennstoffzelle 3 soll als Stapel von PEM-Brennstoffzellen ausgebildet sein. Der Kathodenraum 5 der Brennstoffzelle 3 wird über eine Luftfördereinrichtung 6 mit Luft als Sauerstofflieferant versorgt. Die Abluft aus dem Kathodenraum 5 gelangt in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel an die Umgebung. Zuvor durchströmt diese feuchte Abluft einen Befeuchter 7, welcher Membranen aufweist, welche lediglich für Wasserdampf durchlässig sind. Diese Membranen können vorzugsweise in Form von Hohlfasern ausgebildet sein. Auf der dem feuchten Abgasstrom abgewandten Seite der Membranen durchströmt den Befeuchter 7 der nach der Luftfördereinrichtung 6 vergleichsweise warme und trockene Zuluftstrom zu der Brennstoffzelle 3 beziehungsweise dem Kathodenraum 5 der Brennstoffzelle 3. Der Zuluftstrom wird dadurch durch den Abluftstrom befeuchtet und einem Austrocknen der Membranen der Brennstoffzelle 3 kann so entgegengewirkt werden. Abluftseitig nach dem Befeuchter 7 können weitere Komponenten wie beispielsweise ein Kat-Brenner, eine Turbine oder dergleichen, vorhanden sein. Diese sind für die Erfindung jedoch nicht von Interesse und deshalb hier nicht dargestellt.
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Dem Anodenraum 4 der Brennstoffzelle 3 wird Wasserstoff aus einem Druckgasspeicher 8 zugeführt. Der Wasserstoff gelangt aus dem Druckgasspeicher 8 über eine Einrichtung 9 zur Reduzierung und Regelung des Drucks und eine Wasserstoffleitung 10 in dem Bereich einer später noch näher beschriebenen Gasversorgungsvorrichtung 11. Nachdem zumindest ein Teil des Wasserstoffs in dem Anodenraum 4 der Brennstoffzelle 3 umgesetzt worden ist, gelangt Abgas aus dem Anodenraum 4 der Brennstoffzelle 3 über eine Rezirkulationsleitung 12 zurück in den Bereich der Gasversorgungsvorrichtung 11. Das Abgas wird dann mit frischem Wasserstoff aus der Wasserstoffleitung 10 vermischt und gelangt über eine Anodenzuleitung 13 zurück in den Anodenraum 4 der Brennstoffzelle. In diesem sogenannten Anodenloop beziehungsweise Anodenkreislauf reichert sich mit der Zeit Wasser und inertes Gas an. Um dieses abzulassen ist rein beispielhaft eine Ablassleitung 14 mit einer Ventileinrichtung 15 im Bereich der Rezirkulationsleitung 12 angedeutet. Über die Ablassleitung 14 kann dabei flüssiges Wasser, welches beispielsweise über einen Wasserabscheider 24 im Bereich der Rezirkulationsleitung 12 gesammelt worden ist, abgeführt werden.
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In der Darstellung der 2 ist die erfindungsgemäße Gasversorgungsvorrichtung 11 nun nochmals in einem möglichen Ausführungsbeispiel dargestellt. Sie besteht im Wesentlichen aus einem Ejektor 16, welchem über die Wasserstoffleitung 10 der Wasserstoff als Treibgasstrom zugeführt wird. Über eine Düse 17 gelangt dieser Treibgasstrom in eine Mischkammer beziehungsweise eine sogenannte Fangdüse 18, welcher über die Rezirkulationsleitung 12 außerdem das Abgas aus dem Anodenraum 4 der Brennstoffzelle 3 zugeführt wird. Durch den Treibgasstrom, welcher über die Düse 17 in den Mischraum beziehungsweise die Fangdüse 18 einströmt, kommt es zu einem Impulsaustausch zwischen dem Treibgasstrom und dem dem Mischraum beziehungsweise der Fangdüse 18 ebenfalls zugeführten Abgas aus der Rezirkulationsleitung 12. Das sich mischende Gas wird dadurch beschleunigt und strömt durch die Fangdüse 18 in einen in Strömungsrichtung auf diese Fangdüse 18 folgenden Diffusor 19. Die Fangdüse verjüngt sich dabei in Strömungsrichtung, der Diffusor 19 erweitert sich, bevor er in die Anodenzuleitung 13 übergeht. Zwischen der Fangdüse 18 und dem Diffusor 19 entsteht so ein Bereich mit engerem durchströmbaren Querschnitt. In diesem Bereich mit dem engerem durchströmbaren Querschnitt mündet eine Zuleitung 20, welche an ihrem anderen Ende 21 mit einem Wasservorrat 22 in einem Wassertank 23 in Verbindung steht. Der Wassertank 23 bezieht seinen Wasservorrat 22 dabei typischerweise aus dem Bereich der Rezirkulationsleitung 12 und insbesondere aus dem dort angeordneten Wasserabscheider 24. Dabei ist es selbstverständlich denkbar, dass der Wassertank 23 unmittelbar durch den Wasserabscheider 24 gebildet wird, dass diese also in einem Bauteil integriert ausgeführt sind. Der Aufbau funktioniert nun so, dass im Bereich des engsten Querschnitts zwischen der Fangdüse 18 und dem Diffusor 19 aufgrund der strömenden Gasströme ein Unterdruck entsteht. Dieser Unterdruck wird genutzt, um über die Zuleitung 20 Wasser aus dem Wasservorrat 22 in dem Wassertank 23 entgegen der Richtung der Schwerkraft ansaugen.
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Wie bereits erwähnt kann das Wasser dabei insbesondere aus dem Abgasstrom in der Rezirkulationsleitung 12 und/oder dem Abgasstrom aus dem Kathodenraum 5 der Brennstoffzelle auskondensiert sein. Dies bietet den Vorteil, dass das Wasser als Produktwasser der Brennstoffzelle 3 frei von Verunreinigungen ist. Grundsätzlich wäre es aber auch denkbar, flüssiges Wasser beispielsweise bei einem Betankungsprozess des Fahrzeugs 2 in den Wassertank 23 nachzufüllen.
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Das über die Zuleitung 20 angesaugte Wasser wird dann in den beiden vermischten Gasströmen zerstäubt und dient dazu, diese vor dem Eintritt in den Anodenraum 4 der Brennstoffzelle 3 zu befeuchten. Da die Feuchtigkeit nicht in allen Situationen benötigt wird, in manchen Situationen, insbesondere bei niedrigen Temperaturen der Brennstoffzelle 3 selbst sogar störend ist, kann optional eine Ventileinrichtung 25 vorgesehen sein, um entweder den Volumenstrom an angesaugtem Wasser kontinuierlich beeinflussen zu können, oder diesen zumindest abzusperren. Insbesondere eine solche Ausbildung als 2/2-Wege-Ventil der optionalen Ventileinrichtung 25 ist hinsichtlich der von der Ventileinrichtung 25 verursachten Kosten zu bevorzugen.
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Durch diese einfache und effiziente Befeuchtung kann der zuvor beschriebene Befeuchter 7 auf der Kathodenseite der Brennstoffzelle 3 gegebenenfalls eingespart, in jedem Fall jedoch in seiner Größe verkleinert werden. Dadurch wird teures Material der (Hohlfaser-)Membranen, Gewicht und Bauraum eingespart. Alles in allem ist der Aufbau mit der erfindungsgemäßen Gasversorgungsvorrichtung 11 besonders einfach und effizient. Er kann nicht nur, wie hier beschrieben, auf der Anodenseite eingesetzt werden, sondern könnte selbstverständlich vergleichbar auch auf der Kathodenseite eingesetzt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10202471 B4 [0003, 0003]
