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Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art. Außerdem betrifft die Erfindung die Verwendung eines derartigen Brennstoffzellensystems.
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Brennstoffzellensysteme, beispielsweise zum Bereitstellen von elektrischer Antriebsleistung für ein Fahrzeug, sind aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. Sie bestehen typischerweise aus einer Brennstoffzelle, welche in Form eines Stapels, eines sogenannten Stacks von Einzelzellen, aufgebaut ist. Diese Brennstoffzelle bzw. ein gemeinsamer Kathodenraum der Einzelzellen wird mit Luft als Sauerstofflieferant versorgt.
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Aus der deutschen Patentschrift
DE 102 16 953 B4 ist eine Vorrichtung zur Luftversorgung einer Brennstoffzelle mit Prozessluft bekannt. Diese nutzt eine Luftfördereinrichtung zuluftseitig und abluftseitig des Kathodenraums der Brennstoffzelle eine Abluftturbine, über welche zumindest ein Teil der Antriebsleistung für die Luftfördereinrichtung zurückgewonnen werden kann. Um zusätzliche Leistung eintragen zu können, ist in der dort dargestellten Vorrichtung zur Luftversorgung ein Verdichter in Strömungsrichtung nach der Abluftturbine abluftseitig angeordnet. Über diesen Verdichter kann auch in bestimmten Betriebszuständen Abgas bzw. Abluft zu der Luftfördereinrichtung und damit letztlich zum Kathodenraum zurückgeführt werden. Der Aufbau ist außerordentlich komplex in der Anwendung und benötigt in Strömungsrichtung nach der Abluftturbine eine ausreichend große Drucksenke, um die gesamte benötigte Antriebsleistung für die Luftfördereinrichtung bereitstellen zu können. Dies muss aufwändig durch das Verdichten der Luft in Strömungsrichtung nach der Turbine, letztlich also ein Ansaugen der Abluft durch die Turbine, realisiert werden. Dies ist aufwändig und komplex, insbesondere da die Leistungsanforderungen der Luftfördereinrichtung typischerweise hochdynamisch sind, insbesondere in Fahrzeuganwendungen.
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Aus dem weiteren Stand der Technik ist eine zweistufige Verdichtung bekannt, welche beispielsweise in der
DE 10 2010 035 727 A1 beschrieben wird. In diesem Aufbau ist ebenfalls eine Rezirkulation von Kathodenabgas vorgesehen. Die Rezirkulation erfolgt dabei zwischen die beiden Verdichterstufen, sodass die zweite Verdichterstufe gleichzeitig als Rezirkulationsfördereinrichtung Verwendung findet.
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Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung ist es nun, ein Brennstoffzellensystem anzugeben, welches weiter verbessert ist, und welches insbesondere die beim Stand der Technik genannten Nachteile vermeidet.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen. Im Anspruch 10 ist eine besonders bevorzugte Verwendung des Brennstoffzellensystems angegeben.
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Bei dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem ist es so, dass die Kathodenrezirkulationsleitung in Strömungsrichtung der Abluft vor der Abluftturbine aus der Abluftleitung abzweigt. Außerdem wird die Abluftturbine genutzt, um die Rezirkulationsfördereinrichtung anzutreiben, indem diese beiden Bauteile in mechanischer Antriebsverbindung stehen. Der Aufbau ermöglicht den Verzicht auf einen Luftbefeuchter, da durch die Rezirkulation eines Teils der Abluft aus dem Kathodenraum feuchte Abluft dem Kathodenraum erneut zugeführt wird, wodurch sich die Eingangsfeuchte entsprechend erhöht und auf eine Befeuchtung verzichtet werden kann. Gleichzeitig sinkt am Eingang des Kathodenraums die Sauerstoffkonzentration ab. Sie erhöht sich dafür jedoch am Ausgang des Kathodenraums. Die Konzentration an Sauerstoff wird also über die gesamte Zellfläche der Brennstoffzelle vergleichmäßigt. Untersuchungen und Messungen haben ergeben, dass sich eine solche möglichst gleichmäßige Sauerstoffkonzentration über die gesamte aktive Fläche des Kathodenraums sehr positiv auf die Lebensdauer der Brennstoffzelle auswirkt, da eine weitaus geringere Degradation durch eventuelle Potenzialunterschiede an den Katalysatoren des Kathodenraums auftritt.
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Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass, insbesondere im niedrigen Lastbereich, und dieser ist insbesondere bei Fahrzeuganwendungen ein sehr häufig auftretender Lastbereich, eine hohe Gleichverteilung der Luftversorgung innerhalb der einzelnen Zellen der Brennstoffzelle erzielt werden kann. Da bei der Rezirkulation lediglich der Druckverlust der Brennstoffzelle selbst über die Rezirkulationsfördereinrichtung ausgeglichen werden muss, kann dies mit weitaus geringerem Energieaufwand erfolgen, als bei einer durchgängigen Versorgung mit frischer Luft.
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Ein weiterer Vorteil, welcher sich durch die Rezirkulationsfördereinrichtung in der Kathodenrezirkulation ergibt ist der, dass die Brennstoffzelle beim Abstellen und Starten sehr viel leichter in der gewünschten Art und Weise konditioniert werden kann, beispielsweise um eine Sauerstoffabreicherung, eine Sauerstoffkonzentrationserhöhung oder das Einstellen einer bestimmten Feuchte zu erzielen. Durch die Möglichkeit einer Rezirkulation der Kathodenluft werden hier Möglichkeiten geschaffen, welche ohne Rezirkulation so nicht oder nur sehr begrenzt zu erreichen wären.
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Durch den Antrieb der Rezirkulationsfördereinrchtung über die Abluftturbine, durch welche der nicht rezirkulierte Teil der Abluft strömt, ist ein sehr energieeffizienter Aufbau möglich.
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In einer sehr günstigen und vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems kann es nun ferner vorgesehen sein, dass die Abluftleitung in Strömungsrichtung vor der Abluftturbine über einen Systembypass mit einem Systembypassventil mit einer Zuluftleitung zu dem Kathodenraum, in Strömungsrichtung nach einer Luftfördereinrichtung verbunden ist. Ein solcher Systembypass mit Systembypassventil, welcher die über die Luftfördereinrchtung geförderte Luft unmittelbar vor der Abluftturbine in den Abluftstrang fördern kann, kann bei dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem nun sehr geschickt verwendet werden, um die rezirkulierte Abluftmenge in der Kathodenrezirkulationsleitung zu beeinflussen. Wird zum Beispiel bei kleinen Lasten oder im Leerlaufbetrieb, wenn eine hohe Rezirkulationsrate erwünscht ist, das Systembypassventil geöffnet und die Luftfördereinrichtung bei einer etwas höheren Leistung betrieben als notwendig, dann kann die höhere Luftmenge durch den Systembypass unmittelbar in die Abgasturbine strömen und treibt dann die Rezirkulationsfördereinrichtung mit entsprechend höheren Drehzahlen an. Hierdurch wird eine größere Rezirkulationsrate erzielt.
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Gemäß einer günstigen Weiterbildung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems kann es nun vorgesehen sein, dass die Abluftturbine und die Rezirkulationsfördereinrichtung als Freiläufer mit einer gemeinsamen Welle ausgebildet sind. Ein solcher Freiläufer mit gemeinsamer Welle, bei dem also die Abluftturbine und die Rezirkulationsfördereinrichtung in der Art eines Turboladers, wie er aus Verbrennungsmotoren bekannt ist, ausgebildet sind, ist besonders einfach und effizient im Aufbau, er kann sich insbesondere an der sehr gut ausentwickelten Technologie der Abgasturbolader bei Brennkraftmaschinen orientieren. Er ist einfach in der Herstellung und kann sehr wartungsarm und energieeffizient betrieben werden.
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In einer weiteren sehr günstigen Ausgestaltung kann es außerdem möglich sein, dass ein Umblasventil in einem Bypass um die Abluftturbine angeordnet ist. Ein solches Umblasventil, welches auch als Waste-Gate-Ventil bezeichnet werden kann, ermöglicht eine optionale Regelung der Abgasturbine, insbesondere wenn bei hohen Leistungen eine geringe Rezirkulationsrate gewünscht ist und entsprechend viel Abluft ansteht. Durch das Öffnen des Umblasventils kann dann die Leistung im Bereich der Abluftturbine und damit auch im Bereich der Rezirkulationsfördereinrichtung entsprechend angepasst werden. Ergänzend oder alternativ dazu wäre es auch möglich, ein entsprechendes Umblasventil in einem Bypass um die Rezirkulationsfördereinrichtung anzuordnen, was letztlich zu einem vergleichbaren Effekt führt.
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Gemäß einer weiteren sehr günstigen und vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems kann es auch vorgesehen sein, dass die Abluftturbine und die Rezirkulationsfördereinrichtung mit einer elektrischen Maschine gekoppelt sind. Eine solche Kopplung mit einer elektrischen Maschine ermöglicht das Bereitstellen von zusätzlicher Antriebsleistung für die Rezirkulationsfördereinrichtung durch die elektrische Maschine. Genauso gut kann im Falle, dass eine verringerte Rezirkulationsrate gewünscht ist, die Abluftturbine elektrisch abgebremst und hierdurch generatorisch Leistung in der elektrischen Maschine erzeugt werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung hiervon kann es auch vorgesehen sein, dass die Abluftturbine die Rezirkulationsfördereinrichtung, die Luftfördereinrichtung und eine elektrische Maschine in mechanischer Antriebsverbindung stehen. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn ein Umblasventil in einem Bypass um die Rezirkulationsfördereinrichtung angeordnet ist, da dann immer möglichst viel Abluft über die Abluftturbine strömen kann und die Leistung bedarfsweise entweder der Rezirkulationsfördereinrichtung und/oder der Luftfördereinrichtung zugute kommt.
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Unter dem Begriff in „mechanischer Antriebsverbindung stehen” im Sinne der Erfindung ist dabei jede Art von mechanischer Antriebsverbindung zu verstehen, beispielsweise über Getriebeelemente wie Riemen, Wellen, Zahnräder, insbesondere jedoch auch durch eine direkte Antriebsverbindung über eine gemeinsame Welle.
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Der Aufbau ist entsprechend einfach und effizient und kann insbesondere bei sich dynamisch ändernden Anforderungen einen sehr zuverlässigen Betrieb der Brennstoffzelle gewährleisten. Er eignet sich daher insbesondere in einem Brennstoffzellensystem, welches zur Bereitstellung von elektrischer Antriebsleistung in einem Fahrzeug eingesetzt wird, da derartige Brennstoffzellensysteme typischerweise hochdynamisch betrieben werden.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems ergeben sich aus den Ausführungsbeispielen, welche nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben sind.
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Dabei zeigen:
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1 eine Kathodenseite eines prinzipmäßig angedeuteten Brennstoffzellensystems in einer ersten möglichen Ausführungsform gemäß der Erfindung;
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2 eine Kathodenseite eines prinzipmäßig angedeuteten Brennstoffzellensystems in einer zweiten möglichen Ausführungsform gemäß der Erfindung;
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3 eine Kathodenseite eines prinzipmäßig angedeuteten Brennstoffzellensystems in einer dritten möglichen Ausführungsform gemäß der Erfindung; und
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4 eine Kathodenseite eines prinzipmäßig angedeuteten Brennstoffzellensystems in einer vierten möglichen Ausführungsform gemäß der Erfindung.
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In der Darstellung der 1 ist ein Brennstoffzellensystem 1 in einem Ausschnitt sehr stark schematisiert angedeutet. Der Ausschnitt des Brennstoffzellensystems 1, welches zur Bereitstellung von elektrischer Antriebsleistung für ein nicht dargestelltes Fahrzeug dienen soll, zeigt dabei im Wesentlichen die Kathodenseite des Brennstoffzellensystems 1. Den Kern des Brennstoffzellensystems 1 bildet eine Brennstoffzelle 2, welche insbesondere als Stapel von PEM-Einzelzellen aufgebaut sein soll. Jede der Einzelzellen weist dabei einen Kathodenbereich und einen Anodenbereich auf. Rein beispielhaft sind in der schematischen Darstellung der 1 ein gemeinsamer Kathodenraum 3 und ein gemeinsamer Anodenraum 4 dargestellt. Dem Anodenraum 4 wird in an sich bekannter Art und Weise Wasserstoff zugeführt. Dies ist für die Erfindung nicht weiter relevant, sodass hierauf nicht näher eingegangen wird und dies in der Darstellung der Figuren auch nicht näher dargestellt ist.
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Dem Kathodenraum 3 der Brennstoffzelle 2 wird Luft als Sauerstofflieferant über eine Luftfördereinrichtung 5 zugeführt. Die Luftfördereinrichtung 5 ist in den hier dargestellten Ausführungsbeispielen jeweils als Strömungsverdichter dargestellt. Dies ist rein beispielhaft zu verstehen. Die Luftfördereinrichtung 5 könnte genauso gut als Roots-Gebläse oder Verdichter bzw. Kompressor jeder beliebigen anderen Bauart realisiert sein. Die Luftfördereinrichtung 5 wird von einer elektrischen Maschine 6 in der Darstellung der 1 angetrieben. Die von ihr angesaugte und typischerweise über einen Luftfilter in Strömungsrichtung vor der Luftfördereinrichtung 5 vorgereinigte Luft strömt dann durch einen optionalen Wärmetauscher 7 als Ladeluftkühler und gelangt über eine Zuluftleitung 8 in den Kathodenraum 3 der Brennstoffzelle 2. Über eine Abluftleitung 9 strömt die Luft dann wieder aus dem Kathodenraum 3 der Brennstoffzelle 2 ab. Sie teilt sich in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel dann auf, wobei ein Teil der Abluft über eine Kathodenrezirkulationsleitung 10 mit einer Rezirkulationsfördereinrichtung 11 zurückgeführt und zusammen mit der frischen Luft dem Kathodenraum 3 erneut zugeführt wird. Der andere Teil der Abluft strömt über eine Abluftturbine 12 in die Umgebung. In Strömungsrichtung vor der Abluftturbine 12 kann insbesondere ein Wasserabscheider angeordnet sein, um das Einströmen von flüssigen Tröpfchen in die Abluftturbine 12 zu verhindern. Dieser ist aus dem allgemeinen Stand der Technik in Strömungsrichtung vor Abluftturbinen bei Brennstoffzellensystemen allgemein bekannt und üblich, sodass hierauf nicht näher eingegangen wird und dieser auch nicht in den Figuren dargestellt ist.
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Die Abluftturbine 12 und die Rezirkulationsfördereinrichtung 11 sitzen auf einer gemeinsamen Welle 13, sodass die Rezirkulationsfördereinrichtung 11 von der Abluftturbine 12 angetrieben wird. Zusätzlich weist das Brennstoffzellensystem 1 einen Systembypass mit einem Systembypassventil 15 auf. Dieser Systembypass verbindet die Zuluftleitung 8 in Strömungsrichtung nach der Luftfördereinrichtung 5 mit der Abluftleitung 9 in Strömungsrichtung vor der Abluftturbine 12. Er kann beispielsweise dazu eingesetzt werden beim Abschalten des Brennstoffzellensystem 1, oder wenn dieses sich in einem vorübergehenden Stillstand befindet, geförderte Luft, welche beispielsweise aufgrund des nachlaufenden Strömungsverdichters als Luftfördereinrichtung 5 noch gefördert wird, unmittelbar wieder abzublasen, ohne dass Sauerstoff in die Brennstoffzelle 2 bzw. ihren Kathodenraum 3 eingetragen wird. Er kann nun außerdem dazu verwendet werden, die Luftmenge, welche über die Abluftturbine 12 strömt, entsprechend zu beeinflussen. Insbesondere lässt sich die rezirkulierte Luftmenge in der Kathodenrezirkulationsleitung 10 in geschickter Weise durch das Systembypassventil 15 einstellen, indem beispielsweise bei kleineren Lasten oder im Leerlaufbetrieb, wenn eine hohe Rezirkulationsrate erwünscht ist, das Systembypassventil 15 geöffnet und die Luftfördereinrichtung 5 mit etwas höherer Leistung betrieben wird. Hierdurch erhöht sich die Luftmenge, welche über den Systembypass 14 zur Abluftturbine 12 strömt. Die von der Abluftturbine 12 erzeugte Leistung wird erhöht und die Rezirkulationsfördereinrichtung 11 wird mit höherer Leistung angetrieben, rezirkuliert also eine größere Menge an Abluft, die Rezirkulationsrate wird somit erhöht.
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In der Darstellung der 2 ist ein sehr ähnlicher Aufbau des Brennstoffzellensystems 1 nochmals zu erkennen. Der einzige Unterschied des gezeigten Brennstoffzellensystems 1 in der Darstellung der 2 besteht darin, dass um die Abluftturbine 12 herum ein Bypass 16 mit einem Umblasventil 17, welches auch als Waste-Gate-Ventil 17 bezeichnet werden kann, angeordnet ist. Hierdurch kann Luft an der Abluftturbine 12 vorbeigeleitet werden, insbesondere um die Rezirkulationsrate durch eine Absenkung der Antriebsleistung der Rezirkulationsfördereinrichtung 11 abzusenken. Dies kann insbesondere bei hohen Leistungen der Brennstoffzellen 2 der Fall sein, wenn eine geringere Rezirkulationsrate gewünscht wird.
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In der Darstellung der 3 ist eine weitere Alternative des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems 1 dargestellt. Das Brennstoffzellensystem 1 in dieser Alternative weist zusammen mit der Abluftturbine 12 und der Rezirkulationsfördereinrichtung 11 auf der gemeinsamen Welle 13 außerdem eine elektrische Maschine 18 auf. Diese elektrische Maschine ist in der Lage, bei Bedarf beispielsweise bei kleinen Lasten und im Leerlauf, wenn eine hohe Rezirkulationsrate gewünscht ist, zusätzliche Antriebsleistung für die Rezirkulationsfördereinrichtung 11 zur Verfügung zu stellen und deren Drehzahl zu erhöhen. Außerdem kann bei hohen Lasten der Antriebsmotor als Generator Leistung von der Abluftturbine 12 abnehmen, sodass sehr leistungseffizient eine Regelung der Rezirkulationsrate über die elektrische Maschine 12 möglich wird, welche anders als bei den bisher beschriebenen Ausführungsformen, insbesondere anders als das Waste-Gate-Ventil 17 keine unter Druck stehende Luft ungenutzt aus dem Brennstoffzellensystem 1 lässt.
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In der Darstellung der 4 ist dies nochmals weitergebildet, indem auf der gemeinsamen Welle 13 nun zusätzlich zur Rezirkulationsfördereinrichtung 11 und der Abluftturbine 12 die Luftfördereinrichtung 5 mit ihrer elektrischen Maschine 6, anstelle der elektrischen Maschine 18, angeordnet ist. Dieser Aufbau ermöglicht also die Nutzung der elektrischen Maschine 6 sowohl für die Luftfördereinrichtung 5 als auch für die Rezirkulationsfördereinrichtung 11 und kann dementsprechend so ausgestaltet werden, dass auch im Bereich der Abluftturbine 12 anfallende Leistung sowohl für die Rezirkulation als auch für die Luftförderung eingesetzt werden kann.
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Im Falle, dass eine hohe Antriebsleistung im Bereich der Luftfördereinrichtung 5 notwendig ist, beispielsweise bei hohen Lasten der Brennstoffzelle 2, ist in diesem Ausführungsbeispiel ein Bypass 19 mit einem Umblasventil 20, welches ebenfalls als Waste-Gate-Ventil 20 bezeichnet werden könnte, um die Rezirkulationsfördereinrichtung 11 vorgesehen. Hierdurch kann Abluft an der Rezirkulationsfördereinrichtung 11 vorbei bzw. von der Rezirkulationsfördereinrichtung 11 zurück zu ihrer Saugseite geblasen werden, wodurch die Rezirkulationsrate sich ebenfalls sehr gut einstellen lässt. Dies gilt insbesondere für den hohen Lastbereich. Für den niedrigen Lastbereich kann die elektrische Maschine 6 der Luftfördereinrichtung 5 dann zusammen mit der Abluftturbine 12 das Rezirkulationsgebläse 4 auf eine höhere Drehzahl bringen, um eine hohe Rezirkulation durch die Brennstoffzelle 2 zu erreichen. Damit lässt sich eine sehr gute Gleichverteilung der Luft auf die Einzelzellen der Brennstoffzelle 2 erzielen. Um die Luftmenge an sich zu begrenzen, kann wiederum das Systembypassventil 5 entsprechend geöffnet werden, wobei durch die Abluftturbine 12 zumindest ein Teil der Druckenergie aus der Abluft wieder zurückgewonnen und dem Antrieb zugeführt werden kann.
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Über die erfindungsgemäßen Brennstoffzellensysteme 1 lässt sich also ein sehr guter und gleichmäßiger Betrieb mit den eingangs genannten Vorteilen erzielen. Insbesondere beim Abschalten des Brennstoffzellensystems 1 kann dadurch, dass die Rezirkulationsfördereinrichtung 11 weiterbetrieben und eine Rezirkulation der Luft aufrechterhalten werden kann, bei abgestellter Luftfördereinrichtung 5 ein sehr gutes Aufbrauchen des Sauerstoffs in dem rezirkulierten Gasstrom erzielt werden. Dadurch, dass im Kathodenraum 3 dann kein oder kaum noch Sauerstoff vorhanden ist, wird eine sehr schonende Wiederinbetriebnahme der Brennstoffzelle 2 gewährleistet. Bei dieser wird dann langsam die Sauerstoffkonzentration erhöht, indem bei erfolgender Rezirkulation der Luft das Systembypassventil 15 geöffnet ist.
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Ferner kann durch die Kathodenrezirkulation die Feuchte im Bereich der Brennstoffzelle ideal eingestellt werden, insbesondere beim Abschalten oder Wiederstarten des Brennstoffzellensystems 1, da die Feuchte in der gewünschten Art, durch eine entsprechende Wahl der Rezirkulationsrate, im Kreislauf geführt wird, bis sich der gewünschte Feuchtegehalt einstellt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10216953 B4 [0003]
- DE 102010035727 A1 [0004]
