DE102015202089A1

DE102015202089A1 - Brennstoffzellensystem sowie Fahrzeug mit einem solchen

Info

Publication number: DE102015202089A1
Application number: DE102015202089.4A
Authority: DE
Inventors: Jan-Philipp Brinkmeier; Nils Brandau; Peter c/o Ballard Power Systems Bach
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Audi AG; Volkswagen AG
Priority date: 2015-02-05
Filing date: 2015-02-05
Publication date: 2016-08-11

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem (100) mit – einem Brennstoffzellenstapel (10) mit Anodenräumen (12) und Kathodenräumen (13) und – einer Kathodengasversorgung (30), umfassend – einen Kathodenversorgungspfad (31) zur Zuführung eines Kathodenbetriebsgases in die Kathodenräume (13) und einen Kathodenabgaspfad (32) zur Abführung eines Kathodenabgases aus den Kathodenräumen (13), – eine im Kathodenversorgungspfad (31) angeordnete erste Verdichterstufe (33) und eine stromab der ersten Verdichterstufe (33) im Kathodenversorgungspfad (31) angeordnete zweite Verdichterstufe (34), – einen Membranbefeuchter (41), der im Kathodenversorgungspfad (31) von dem Kathodenbetriebsgas durchströmbar zwischen der ersten und der zweiten Verdichterstufe (33, 34) sowie im Kathodenabgaspfad (32) von dem Kathodenabgas durchströmbar angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem sowie ein Fahrzeug mit einem solchen Brennstoffzellensystem.
Brennstoffzellen nutzen die chemische Umsetzung eines Brennstoffs mit Sauerstoff zu Wasser, um elektrische Energie zu erzeugen. Hierfür enthalten Brennstoffzellen als Kernkomponente die sogenannte Membran-Elektroden-Einheit (MEA für membrane electrode assembly), die ein Gefüge aus einer ionenleitenden (meist protonenleitenden) Membran und jeweils einer beidseitig an der Membran angeordneten Elektrode (Anode und Kathode) ist. Zudem können Gasdiffusionslagen (GDL) beidseitig der Membran-Elektroden-Einheit an den der Membran abgewandten Seiten der Elektroden angeordnet sein. In der Regel wird die Brennstoffzelle durch eine Vielzahl im Stapel (stack) angeordneter MEA gebildet, deren elektrische Leistungen sich addieren. Zwischen den einzelnen Membran-Elektroden-Einheiten sind in der Regel Bipolarplatten (auch Flussfeldplatten genannt) angeordnet, welche eine Versorgung der Einzelzellen mit den Betriebsmedien, also den Reaktanten, sicherstellen und üblicherweise auch der Kühlung dienen. Zudem sorgen die Bipolarplatten für einen elektrisch leitfähigen Kontakt zu den Membran-Elektroden-Einheiten.
Im Betrieb der Brennstoffzelle wird der Brennstoff, insbesondere Wasserstoff H₂ oder ein wasserstoffhaltiges Gasgemisch, über ein anodenseitiges offenes Flussfeld der Bipolarplatte der Anode zugeführt, wo eine elektrochemische Oxidation von H₂ zu H⁺ unter Abgabe von Elektronen stattfindet. Über den Elektrolyten oder die Membran, welche die Reaktionsräume gasdicht voneinander trennt und elektrisch isoliert, erfolgt ein (wassergebundener oder wasserfreier) Transport der Protonen H⁺ aus dem Anodenraum in den Kathodenraum. Die an der Anode bereitgestellten Elektronen werden über eine elektrische Leitung der Kathode zugeleitet. Der Kathode wird über ein kathodenseitiges offenes Flussfeld der Bipolarplatte Sauerstoff oder ein sauerstoffhaltiges Gasgemisch (zum Beispiel Luft) zugeführt, sodass eine Reduktion von O₂ zu O^2– unter Aufnahme der Elektronen stattfindet. Gleichzeitig reagieren im Kathodenraum die Sauerstoffanionen mit den über die Membran transportierten Protonen unter Bildung von Wasser.
Um einen Brennstoffzellenstapel mit seinen Betriebsmedien, also den Reaktanten zu versorgen, weist dieser einerseits eine Anodenversorgung und andererseits eine Kathodenversorgung auf. Die Anodenversorgung umfasst einen Anodenversorgungspfad zur Zuführung eines Anodenbetriebsgases in die Anodenräume des Stapels und einen Anodenabgaspfad zur Abführung eines Anodenabgases aus den Anodenräumen. Desgleichen umfasst die Kathodenversorgung einen Kathodenversorgungspfad zur Zuführung eines Kathodenbetriebsgases in die Kathodenräume und einen Kathodenabgaspfad zur Abführung eines Kathodenabgases aus den Kathodenräumen des Brennstoffzellenstapels.
Bei dem Betrieb der Brennstoffzelle entsteht durch die Brennstoffzellenreaktion Wärme, weswegen der Brennstoffzellenstapel gekühlt werden muss. Dies erfolgt üblicherweise über einen Kühlkreis, der die Abwärme über ein Kühlmittel abführt. Dabei steigt in Abhängigkeit von dem Wirkungsgrad der Brennstoffzelle die abzuführende Wärme mit der Leistungsabgabe des Brennstoffzellenstapels. Ist der vorhandene Bauraum für große Kühlflächen begrenzt, wie dies beispielsweise in Fahrzeugen der Fall ist, ist die elektrische Leistungsabgabe des Brennstoffzellenstapels durch die damit gekoppelte thermische Leistungsabgabe limitiert.
Ein weiterer Parameter, der zu einer Limitierung der Brennstoffzellenleitung führt, ist die erforderliche Befeuchtung der Betriebsmedien. Die in den derzeit für Brennstoffzellenfahrzeuge im Fokus stehenden Polymerelektrolytmembran(PEM)-Brennstoffzellen verwenden Membranen, die für ihre erforderliche Protonenleitfähigkeit einen hohen Wassergehalt aufweisen müssen. Sinkt der Wassergehalt, so sinkt der Wirkungsgrad der Brennstoffzelle. So verursacht der Betrieb bei hohen Stromdichten oberhalb von etwa 1,5 A/cm² bei niedrigem Wassergehalt eine sehr hohe Wärmeentwicklung, welche zu einer irreversiblen Schädigung der Membran führen kann. Um dies zu vermeiden, muss die Polymerelektrolytmembran feucht gehalten werden, was beispielsweise durch eine Befeuchtung der Betriebsmedien, insbesondere der zugeführten Luft erfolgt.
Der Betrieb eines Brennstoffzellenfahrzeugs mit einer hohen elektrischen Leistungsabgabe von beispielsweise über 100 kW bei unveränderter Bauweise des Kühlers des Brennstoffzellenkühlkreises erfordert eine Anhebung der Kühlmitteltemperatur. Dies führt gleichzeitig dazu, dass die zugeführte Luft aufgrund der erforderlichen Membranfeuchte zusätzlich befeuchtet werden muss. Der Aufwand der Befeuchtung der Luft steigt überproportional mit dem Anstieg der Betriebstemperatur der Brennstoffzelle, welche gleichzeitig die Kühlmitteltemperatur am Brennstoffzellenauslass darstellt.
Kühlaufwand und Befeuchtung limitieren bei heutigen Systemen die maximal mögliche elektrische Leitungsabgabe der Brennstoffzelle. Bislang ist es nicht gelungen, hohe Leistungsdichten der Brennstoffzelle bei gleichzeitig ausreichender Membranfeuchte bei Kühlmitteltemperaturen von etwa 105 °C im Rahmen eines Brennstoffzellen-Fahrzeugaggregats kosteneffizient zu realisieren. Diese Temperatur wäre ungefähr notwendig, um 150 bis 180 kW thermische Leistung abzuführen und gleichzeitig elektrische Leistungen von etwa 110 bis 160 kW für den Fahrzeugantrieb bereitzustellen.
DE 101 20 947 A1 , DE 10 2004 051 359 A1 und DE 10 2010 035 727 A1 beschreiben jeweils Brennstoffzellensysteme mit einer zweistufigen Verdichtung der Kathodenluft. Offenbart wird insbesondere, die erste Verdichterstufe durch elektromotorischen Antrieb zu realisieren und die zweite Stufe durch einen Abgasturbolader, bei dem der in der Kathodengasversorgungsleitung angeordnete Verdichter mit einer in der Abgasleitung angeordneten Turbine gekoppelt ist. Dabei können gemäß DE 10 2010 035 727 A1 diese Stufen auch in einer einzigen Maschine zusammengefasst werden. Zudem beschreibt DE 10 2010 035 727 A1 eine Rückeinspeisung feuchten Abgases in die Zuluft der Brennstoffzelle zwischen die beiden Verdichterstufen, um unter anderem eine Befeuchtung zu erzielen.
DE 198 56 499 C1 beschreibt ein Brennstoffzellensystem, dessen Kathodenbetriebsgas einer zweistufigen Verdichtung unterzogen wird, wobei eine erste Verdichterstufe als Abgasturbolader ausgebildet ist, der Verdichter also über eine von dem Kathoden- und/oder Anodenabgas angetriebene Abgasturbine angetrieben wird, und die zweite Verdichterstufe einen elektromotorisch angetriebenen Verdichter umfasst. Zwischen den beiden Verdichterstufen wird das Kathodenbetriebsgas durch Wassereinspritzung befeuchtet.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Brennstoffzellensystem insbesondere für ein Fahrzeug zur Verfügung zu stellen, das mit einer hohen elektrischen Leistung betrieben werden kann.
Diese Aufgabe wird durch ein Brennstoffzellensystem sowie ein Fahrzeug mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst.
Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem umfasst

– einen Brennstoffzellenstapel mit Anodenräumen und Kathodenräumen und
– eine Kathodengasversorgung, umfassend
– einen Kathodenversorgungspfad zur Zuführung eines Kathodenbetriebsgases in die Kathodenräume und einen Kathodenabgaspfad zur Abführung eines Kathodenabgases aus den Kathodenräumen,
– eine im Kathodenversorgungspfad angeordnete erste Verdichterstufe und eine stromab der ersten Verdichterstufe im Kathodenversorgungspfad angeordnete zweite Verdichterstufe,
– einen Membranbefeuchter, der im Kathodenversorgungspfad von dem Kathodenbetriebsgas durchströmbar zwischen der ersten und der zweiten Verdichterstufe angeordnet ist sowie im Kathodenabgaspfad von dem Kathodenabgas durchströmbar angeordnet ist.

Der vorliegend eingesetzte Membranbefeuchter weist eine wasserdampfpermeable Membran auf, die auf ihrer einen Seite von dem zu befeuchtenden Kathodenbetriebsgas (Trockengas) und von ihrer anderen Seite von dem vergleichsweise feuchten Kathodenabgas (Feuchtgas) überströmt wird. Aufgrund der unterschiedlichen Wasserdampfpartialdrücke auf beiden Seiten der Membran findet ein diffusionsgetriebener Übertritt von Wasserdampf von dem Feuchtgas auf das Trockengas statt, der zu einer Befeuchtung des Trockengases führt. Die wasserdampfpermeable Membran kann dabei schichtweise oder in Form von Kapillaren ausgebildet sein. Üblicherweise weisen derartige Membranbefeuchter eine Vielzahl von Membranen auf, um eine möglichst große Austauschfläche zu realisieren. Derartige Membranbefeuchter sind im Stand der Technik hinreichend bekannt.
Durch die zweistufige Verdichtung liegen im Kathodenversorgungspfad des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems drei unterschiedliche Druckniveaus vor, nämlich der Umgebungsdruck stromauf der ersten Verdichterstufe, ein Zwischendruck zwischen den beiden Verdichterstufen und im Membranbefeuchter sowie der Betriebsdruck stromab der zweiten Verdichterstufe, der am Eintritt des Brennstoffzellenstapels vorliegt. Durch die Vorverdichtung des Kathodenbetriebsgases in der ersten Verdichterstufe wird zunächst erreicht, dass im Membranbefeuchter ein gegenüber dem Umgebungsdruck vergleichsweise hohes Druckniveau vorliegt. Da der Absolutdruck eines Gasgemischs die Summe aller Partialdrücke sämtlicher im Gemisch vorliegender Komponenten ist, wird durch die Erhöhung des Absolutdrucks die Partialdruckdifferenz über die wasserdampfpermeable Membran des Membranbefeuchters ebenfalls erhöht. Da die treibende Kraft für die Wasserübertragung im Membranbefeuchter die Differenz zwischen dem Partialdruck gasförmigen Wassers im Kathodenabgas und im Kathodenbetriebsgas ist, wird durch die Erhöhung der Partialdruckdifferenz im Befeuchter eine höhere Wasserübertragung auf das zu befeuchtende Kathodenbetriebsgas erzielt. Ferner führt die anschließende zweite Verdichtung der Stufe dazu, dass die relative Feuchte des aus dem Membranbefeuchter austretenden befeuchteten Kathodenbetriebsgases durch die erfolgende Verdichtung noch weiter ansteigt. Dabei nimmt die relative Feuchte – jedenfalls unter der Annahme einer isothermen Kompression – direkt proportional mit dem Verdichtungsverhältnis der zweiten Verdichterstufe zu. Ein Verdichtungsverhältnis von 2 beispielsweise führt zu einer Verdoppelung der Feuchte. Auf diese Weise ist es möglich, sehr hohe Feuchten des Kathodenbetriebsgases bis hin zur Sättigung am Eintritt des Brennstoffzellenstapels zu erreichen.
Des Weiteren funktioniert der Membranbefeuchter auch als Wärmeüberträger zwischen den beiden Gasmedien Kathodenbetriebsgas und Kathodenabgas. In diesem Zusammenhang sieht eine bevorzugte Ausgestaltung des Systems vor, dass eine Temperatur des Kathodenabgases bei Eintritt in den Membranbefeuchter niedriger ist als eine Temperatur des Kathodenbetriebsgases am Eintritt des Befeuchters. Auf diese Weise wird eine Kühlung des Kathodenbetriebsgases durch das Abgas bewirkt. Durch diese Zwischenkühlung wird die Eintrittstemperatur des Kathodenbetriebsgases in die zweite Verdichterstufe verringert und damit der Wirkungsgrad der zweiten Verdichterstufe verbessert.
Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das Brennstoffzellensystem so ausgelegt ist, dass ein Absolutdruck des Kathodenbetriebsgases im Membranbefeuchter im Bereich von 1,1 bis 3 bar liegt, insbesondere im Bereich von 1,1 bis 2 bar. Durch diesen gegenüber der Umgebung vergleichsweise hohen Druck wird, wie oben ausgeführt, auch die im Membranbefeuchter vorliegende Partialdruckdifferenz von Wasserdampf zwischen dem Kathodenbetriebsgas und dem Kathodenabgas und somit die Übertragungsrate erhöht. Alternativ oder gleichzeitig wird eine Druckdifferenz im Membranbefeuchter zwischen dem Kathodenabgas und dem Kathodenbetriebsgas von zumindest 1 bar eingestellt, wobei vorzugsweise der abgasseitige Druck der höhere ist. Hierbei gilt, dass die Wasserdampfübertragungsrate umso höher ist, je größer die Druckdifferenz. Die untere Grenze wird somit so vorbestimmt, dass eine ausreichend hohe Wasserdampfübertragungsrate erzielt wird. Gleichzeitig ist die obere Grenze durch die Festigkeit der Membran limitiert und wird so bemessen, dass die wasserdampfpermeable Membran nicht beschädigt wird und ist somit baubedingt gegeben und abhängig vom verwendeten Brennstoffzellenstapel. In derzeitigen Systemen liegt die obere Grenze der Druckdifferenz bei etwa 1,5 bar, bei zukünftigen Entwicklungen sind jedoch auch Druckdifferenzen von 2 bar oder höher denkbar. Im genannten Bereich wird somit das Brennstoffzellensystem so ausgelegt, dass die Druckdifferenz so hoch wie möglich ist, um eine hohe Wasserübertragung zu erzielen, ohne jedoch die Membran zu schädigen.
Da die Erfindung hohe Kathodenbetriebsdrücke im Brennstoffzellenstapel ermöglicht, liegen auch im Kathodenabgas vergleichsweise hohe absolute Drücke vor. Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht daher vor, in dem Kathodenabgaspfad zumindest einen Expander anzuordnen, der das Kathodenabgas expandiert und somit auf ein geringeres Druckniveau überführt. Die dem Kathodenabgas entzogene Energie wird somit als nutzbare mechanische Energie gewonnen. Diese kann auf unterschiedliche Art genutzt werden. Vorzugsweise ist der Expander als Turbine ausgebildet, welche mechanisch mit der ersten oder zweiten Verdichterstufe gekoppelt ist, und diese somit vollständig oder einen elektromotorischen Antrieb unterstützend antreibt. Ebenfalls vorteilhaft ist, den Expander mit einem Generator zu koppeln, um seine mechanische Energie in elektrische Energie umzuwandeln, die entweder in einer Sekundärbatterie gespeichert oder direkt zur Versorgung eines elektrischen Verbrauchers genutzt werden kann. Im Ergebnis wird durch einen solchen Expander somit ein parasitärer Energieverlust des Brennstoffzellen-Gesamtsystems verringert und der Gesamtwirkungsgrad des Systems erhöht. Die erhöhte Austrittstemperatur des Kathodenabgases am Austritt des Brennstoffzellenstapels bedingt zudem eine höhere Abgasenthalpie und erhöht die durch den Expander zurückgewonnene Arbeit.
Besonders bevorzugt ist zumindest ein Expander im Kathodenabgaspfad stromauf des Membranbefeuchters angeordnet. Auf diese Weise wird der Gasdruck im Membranbefeuchter seitens des Kathodenabgases gesenkt, um die gewünschte hohe Druckdifferenz im Membranbefeuchter einzuhalten.
In weiterer bevorzugter Ausbildung der Erfindung ist mindestens eine der ersten und/oder zweiten Verdichterstufen und/oder einer der Expander ausgebildet, ein variables Verdichtungsverhältnis beziehungsweise variables Expansionsverhältnis einstellen zu können. Dies ermöglicht, abhängig vom Lastpunkt des Systems das Verdichtungs- beziehungsweise Expansionsverhältnis so zu beeinflussen, dass der Wirkungsgrad des Verdichters beziehungsweise Expanders erhöht wird. Beispielsweise sind Expander mit variablen Turbinengeometrien bekannt, die ein variables Expansionsverhältnis gestatten. Grundsätzlich ist die Erfindung jedoch auch mit Verdichtern und Expandern umsetzbar, die mit einem konstanten Verdichtungs- beziehungsweise Expansionsverhältnis betreibbar sind.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Kathodengasversorgung ferner eine Kathodengasrezirkulationsleitung, welche stromauf des Membranbefeuchters vom Kathodenabgaspfad abzweigt und stromab des Membranbefeuchters in den Kathodenversorgungspfad mündet. Die Rezirkulationsleitung ermöglicht, feuchtes komprimiertes Kathodenabgas in das frische Kathodenbetriebsgas zu dosieren. Hierdurch kann insbesondere in unteren oder mittleren Lastbereichen des Systems die Feuchte des Kathodenbetriebsgases sehr hoch gehalten werden und die Größe des Membranbefeuchters reduziert werden. Des Weiteren dient die Kathodengasrezirkulation dazu, das gegenüber dem Umgebungsdruck auf einem höheren Druckniveau liegende Kathodenabgas im System zu halten, wodurch die Verdichterleistung gesenkt wird. Vorzugsweise mündet die Kathodengasrezirkulationsleitung stromab des Membranbefeuchters und stromauf der zweiten Verdichterstufe in den Kathodenversorgungspfad.
In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung weist die Kathodenversorgung ferner einen im Kathodengaszuführungspfad stromab der zweiten Verdichterstufe angeordneten Kühler zur Kühlung des verdichteten Kathodenbetriebsgases auf. Der Kühler kompensiert somit ganz oder teilweise die aufgrund der Verdichtung entstehende Temperaturerhöhung des Gases und ermöglicht somit eine weitestgehend isotherme Kompression des Kathodenbetriebsgases. Auf diese Weise wird eine weitere Erhöhung der relativen Feuchte des Kathodenbetriebsgases im Wege der isothermen Kompression erzielt. Der Kühler ist vorzugsweise ausgelegt, die in der zweiten Verdichterstufe stattfindende Temperaturerhöhung wenigstens zu 90 %, vorzugsweise wenigstens zu 95 % zu kompensieren.
Wie bereits ausgeführt, ermöglicht das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem besonders hohe relative Feuchten des Kathodenbetriebsgases am Eingang des Brennstoffzellenstapels. Vorzugsweise betragen diese mindestens 90 %, insbesondere mindestens 95 % und vorzugsweise mindestens 99 %. Im Idealfall wird eine relative Feuchte von etwa 100 %, das heißt Sättigung am Brennstoffzelleneingang erzielt. Die genannten relativen Feuchten werden durch geeignete Verdichtungsverhältnisse der ersten und zweiten Verdichtungsstufe, den hierdurch erzeugten absoluten Druck zwischen den beiden Verdichtungsstufen sowie stromab der zweiten Verdichtungsstufe, die Druckdifferenz im Membranbefeuchter sowie die erzielten oder eingestellten Temperaturniveaus des Kathodenbetriebsgases zwischen den beiden Verdichtungsstufen und stromab der zweiten Verdichtungsstufe erzielt.
Vorzugsweise ist das Brennstoffzellensystem so ausgelegt, dass ein absoluter Druck des Kathodenbetriebsgases am Eingang des Brennstoffzellenstapels im Bereich von 1,1 bis 3 bar liegt. Dabei ist der obere Grenzwert durch die aufbringbare Kühlleistung begrenzt, während die untere Grenze so vorbestimmt ist, dass eine ausreichende elektrische Leistung des Brennstoffzellenstapels vorliegt. Insgesamt ermöglicht die Erfindung einen hohen Betriebsdruck und damit eine hohe elektrische Leistung des Systems.
Ferner ist das Brennstoffzellensystem vorzugsweise so ausgelegt, dass eine Temperatur des Kathodenbetriebsgases am Eingang des Brennstoffzellenstapels mindestens 85 ºC, insbesondere mindestens 90 °C, besonders bevorzugt mindestens 95 °C beträgt. Diese hohen Betriebstemperaturen werden durch die hohe Feuchte des Kathodenbetriebsgases ermöglicht. Am Austritt des Brennstoffzellenstapels können dabei Betriebstemperaturen des Kathodenabgases von bis zu 110 °C zugelassen werden, ohne dass die Gefahr einer Austrocknung der Polymerelektrolytmembran der Brennstoffzelle entsteht. Diese hohen Betriebstemperaturen erlauben den Betrieb des Brennstoffzellenstapels mit elektrischen Leistungsabgaben von 100 kW oder mehr. Beispielsweise sind Leistungsabgaben im Bereich von etwa 110 bis 160 kW Nettoleistung möglich, nachdem etwa 150 bis 180 kW thermische Leistung über das Kühlmittelsystem des Brennstoffzellenstapels abgeführt wurden. Im Falle eines Fahrzeugs sind damit beispielsweise Fahrzeuggeschwindigkeiten im Dauerbetrieb von über 220 km/h möglich. Derartige Leistungen waren bisher aufgrund des Befeuchtungserfordernisses der Kathodenluft, welche überproportional mit der Betriebstemperatur der Brennstoffzelle sowie der Kühlmitteltemperatur steigt, nicht darstellbar.
Die erste und zweite Verdichtungsstufe kann einerseits durch zwei unabhängige einstufige Verdichter realisiert sein. Alternativ ist im Rahmen der Erfindung ebenso möglich, beide Verdichtungsstufen in einem einzelnen zweistufigen Verdichter umzusetzen.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Fahrzeug, das ein Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden Erfindung aufweist. Dabei dient das Brennstoffzellensystem insbesondere der elektrischen Versorgung eines elektrischen Antriebsaggregats des Fahrzeugs beziehungsweise der Ladung einer Batterie.
Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.
Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar.
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnung erläutert. Es zeigt:
1 ein Blockschaltbild eines Brennstoffzellensystems gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung.
1 zeigt ein insgesamt mit 100 bezeichnetes Brennstoffzellensystem gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung. Das Brennstoffzellensystem 100 ist Teil eines nicht weiter dargestellten Fahrzeugs, insbesondere eines Elektrofahrzeugs, das einen Elektrotraktionsmotor aufweist, der durch das Brennstoffzellensystem 100 mit elektrischer Energie versorgt wird.
Das Brennstoffzellensystem 100 umfasst als Kernkomponente einen Brennstoffzellenstapel 10, der eine Vielzahl von in Stapelform angeordneten Einzelzellen 11 aufweist. Jede Einzelzelle 10 umfasst jeweils einen Anodenraum 12 sowie einen Kathodenraum 13, welche von einer ionenleitfähigen Polymerelektrolytmembran 14 voneinander getrennt sind (siehe Detailausschnitt). Der Anoden- und Kathodenraum 12, 13 umfasst jeweils eine katalytische Elektrode, die Anode beziehungsweise die Kathode (nicht dargestellt), welche die jeweilige Teilreaktion der Brennstoffzellenumsetzung katalysiert. Zwischen zwei solchen Membran-Elektroden-Einheiten ist ferner jeweils eine mit 15 angedeutete Bipolarplatte angeordnet, welche der Zuführung der Betriebsmedien in die Anoden- und Kathodenräume 12, 13 dient und ferner die elektrische Verbindung zwischen den einzelnen Brennstoffzellen 11 herstellt.
Um den Brennstoffzellenstapel 10 mit den Betriebsgasen zu versorgen, weist das Brennstoffzellensystem 100 einerseits eine Anodenversorgung 20 und andererseits eine Kathodenversorgung 30 auf.
Die Anodenversorgung 20 umfasst einen Anodenversorgungspfad 21, welcher der Zuführung eines Anodenbetriebsgases (dem Brennstoff), beispielsweise Wasserstoff, in die Anodenräume 12 des Brennstoffzellenstapels 10 dient. Zu diesem Zweck verbindet der Anodenversorgungspfad 21 einen Brennstoffspeicher 23 mit einem Anodeneinlass des Brennstoffzellenstapels 10. Die Anodenversorgung 20 umfasst ferner einen Anodenabgaspfad 22, der das Anodenabgas aus den Anodenräumen 12 über einen Anodenauslass des Brennstoffzellenstapels 10 abführt. Der Anodenbetriebsdruck auf den Anodenseiten 12 des Brennstoffzellenstapels 10 ist über ein Stellmittel 24 in dem Anodenversorgungspfad 21 einstellbar. Darüber hinaus kann die Anodenversorgung 20 wie dargestellt eine Brennstoffrezirkulationsleitung 25 aufweisen, welche den Anodenabgaspfad 22 mit dem Anodenversorgungspfad 21 verbindet. Die Rezirkulation von Brennstoff ist üblich, um den zumeist überstöchiometrisch eingesetzten Brennstoff dem Stapel zurückzuführen und zu nutzen. In der Brennstoffrezirkulationsleitung 25 ist ein weiteres Stellmittel 26 angeordnet, mit welchem die Rezirkulationsrate einstellbar ist.
Die Kathodenversorgung 30 umfasst einen Kathodenversorgungspfad 31, welcher den Kathodenräumen 13 des Brennstoffzellenstapels 10 ein sauerstoffhaltiges Kathodenbetriebsgas zuführt, insbesondere Luft, die aus der Umgebung angesaugt wird. Die Kathodenversorgung 30 umfasst ferner einen Kathodenabgaspfad 32, welcher das Kathodenabgas (insbesondere die Abluft) aus den Kathodenräumen 13 des Brennstoffzellenstapels 10 abführt und dieses gegebenenfalls einer nicht dargestellten Abgasanlage zuführt.
Zur Förderung und Verdichtung des Kathodenbetriebsgases ist in dem Kathodenversorgungspfad 31 eine erste Verdichterstufe 33 und stromab von dieser eine zweite Verdichterstufe 34 angeordnet.
In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist die erste Verdichtungsstufe 33 als ein rein motorisch angetriebener Verdichter ausgestaltet, dessen Antrieb über einen mit einer entsprechenden Leistungselektronik 36 ausgestatteten Elektromotor 35 angetrieben wird. Die zweite Verdichtungsstufe 34 ist hingegen als ein Abgasturbolader ausgebildet, der ganz oder teilweise durch eine im Kathodenabgaspfad 32 angeordnete erste Turbine 39 angetrieben wird. Die Turbine 39 stellt einen Expander dar, welcher eine Expansion des Kathodenabgases und somit eine Absenkung seines Drucks bewirkt. Der Verdichter 34 und die Turbine 39 sind über eine gemeinsame Welle mechanisch miteinander verbunden. Optional kann ein Elektromotor 37 an die Welle angebunden sein, welcher allein oder die Turbine 39 unterstützend den Antrieb der zweiten Verdichtungsstufe 34 bewirkt. Eine Leistungssteuerung erfolgt hierbei ebenfalls über eine Leistungselektronik 38. Stromab des ersten Expanders 39 ist im vorliegenden Beispiel ein weiterer Expander 40 im Kathodenabgaspfad 32 angeordnet, welcher eine weitere Expansion und Absenkung des Drucks des Kathodenabgases bewirkt.
Die Kathodenversorgung 30 weist ferner einen Membranbefeuchter 41 auf. Der Membranbefeuchter 41 ist einerseits so in dem Kathodenversorgungspfad 31 angeordnet, dass er von dem Kathodenbetriebsgas durchströmbar ist. Andererseits ist er so in dem Kathodenabgaspfad 32 angeordnet, dass er von dem Kathodenabgas durchströmbar ist. Der Membranbefeuchter 41 weist typischerweise eine Mehrzahl von wasserdampfpermeablen Membranen auf, die entweder flächig oder in Form von Hohlfasern ausgebildet sind. Dabei wird eine Seite der Membranen von dem vergleichsweise trockenen Kathodenbetriebsgas (Luft) überströmt und die andere Seite von dem vergleichsweise feuchten Kathodenabgas (Abgas). Getrieben durch den höheren Partialdruck an Wasserdampf in dem Kathodenabgas kommt es zu einem Übertritt von Wasserdampf über die Membran in das Kathodenbetriebsgas, das auf diese Weise befeuchtet wird. Der Membranbefeuchter 41 ist seitens des Kathodenversorgungspfads 31 stromab der ersten Verdichterstufe 33 und stromauf der zweiten Verdichterstufe 34 angeordnet. Auf der anderen Seite ist er stromab des ersten Expanders 39 und stromauf des zweiten Expanders 40 in dem Kathodenabgaspfad 32 angeordnet.
Die Kathodenversorgung 30 weist ferner einen Kühler 42 auf, der stromab der zweiten Verdichterstufe 34 im Kathodenversorgungspfad 31 installiert ist. Beispielsweise kann der Kühler 42 in einen Kühlkreis des Brennstoffzellenstapels 10 integriert sein.
Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem 100 weist gemäß dem dargestellten Ausführungsbeispiel ferner eine Kathodengasrezirkulationsleitung 43 auf, welche den Kathodenabgaspfad 32 mit dem Kathodenversorgungspfad 31 verbindet und Kathodenabgas in das Kathodenbetriebsgas einspeist. Die Kathodengasrezirkulationsleitung 43 ist zwischen dem Befeuchter 41 und dem Brennstoffzellenstapel 10 angeordnet. Insbesondere zweigt er im dargestellten Beispiel stromab des ersten Expanders 39 und stromauf des Eingangs des Befeuchters 41 von dem Kathodenabgaspfad 32 ab und mündet in Strömungsrichtung des Kathodenbetriebsgases stromab des Befeuchters 41 und stromauf der zweiten Verdichterstufe 34 in den Kathodenversorgungspfad 31. Ein in der Rezirkulationsleitung 43 angeordnetes Stellmittel 44 erlaubt eine Variation des rezirkulierten Abgases. Sämtliche Stellmittel 24, 26, 44 des Brennstoffzellensystems 100 können als regelbare oder nicht regelbare Ventile oder Klappen ausgebildet sein.
Verschiedene weitere Einzelheiten der Anoden- und Kathodenversorgung 20, 30 sind in der vereinfachten 1 aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht gezeigt. So kann eine Wastegate-Leitung vorhanden sein, welche die Kathodenversorgungsleitung 31 mit der Kathodenabgasleitung 32 verbindet. Ferner kann in dem Anoden- und/oder Kathodenabgaspfad 22, 32 ein Wasserabscheider verbaut sein, um das aus der Brennstoffzellenreaktion entstehende Produktwasser zu kondensieren und abzuleiten. Schließlich kann die Anodenabgasleitung 22 in die Kathodenabgasleitung 32 münden, sodass das Anodenabgas und das Kathodenabgas über eine gemeinsame Abgasanlage abgeführt werden.
Das in 1 gezeigte Brennstoffzellensystem 100 zeigt folgende Funktionsweise.
Im Betrieb des Brennstoffzellenstapels 10 wird den Anodenräumen 12 der Brennstoff, insbesondere Wasserstoff, aus dem Brennstoffspeicher 23 über die Anodengasversorgungsleitung 21 zugeführt. Der Wasserstoff reagiert an den Anoden der Anodenräume 12 zu Protonen unter Abgabe von Elektronen. Die Protonen diffundieren über die Membran 14 in die Kathodenräume 13. Unverbrauchter Wasserstoff wird über die Leitung 25 rezirkuliert oder über die Leitung 22 aus dem System abgeführt. Gleichzeitig wird an die Kathodenräume 13 des Stapels 10 das sauerstoffhaltige Kathodenbetriebsgas, insbesondere Luft, über den Kathodenversorgungspfad 31 zugeführt. Andererseits sind die Kathoden über einen äußeren Stromkreis mit den Anoden verbunden und transportieren somit die an den Anoden abgegebenen Elektronen in die Kathoden. Der in dem Kathodenbetriebsgas vorhandene Sauerstoff reagiert unter Aufnahme der Elektronen mit den über die Membran 14 diffundierten Protonen zu Wasser. Das Kathodenabgas wird über den Abgaspfad 32 aus dem Brennstoffzellenstapel 10 abgeführt.
Bei der Versorgung des Brennstoffzellenstapels 10 mit dem Kathodenbetriebsgas, im vorliegenden Beispiel Luft, wird dieses zunächst über den ersten Verdichter 33 angesaugt und von dem Umgebungsdruck auf einen Zwischendruck, der beispielsweise im Bereich von 1,1 bis 2 bar (absolut) liegt, komprimiert. Die so komprimierte Luft tritt in den Membranbefeuchter 41 ein und wird über dessen wasserdampfpermeable Membran durch das wasserdampfreiche Kathodenabgas befeuchtet. Die komprimierte und befeuchtete Kathodenzuluft gelangt in den zweiten Verdichter 34, der eine weitere Verdichtung vornimmt, beispielsweise auf einen Druck von 1,1 bis 3,5 bar. Weist beispielsweise der aus dem Befeuchter 41 strömende Luftmassenstrom eine relative Feuchte von 50 % und einen Druck von 1,5 bar auf und wird in der zweiten Verdichtungsstufe 34 auf 3 bar komprimiert, so erfolgt (unter der Annahme einer isothermen Kompression) eine Anhebung der relativen Feuchte auf 100 %. Tatsächlich wird bei der Verdichtung von Luft jedoch eine gewisse Erwärmung bewirkt. Um diese zumindest teilweise zu kompensieren, wird die verdichtete Luft dem Kühler 42 zugeführt, der die 90 Temperatur absenkt. Auf diese Weise wird beispielsweise eine Temperatur von °C bei Eintritt in den Brennstoffzellenstapel 10 bei einer relativen Feuchte von über 95 % erzielt. Bei einer Vorlauftemperatur des Kühlkreises des Brennstoffzellenstapels 10 von beispielsweise 90 °C strömt bei Hochlast das Kühlmittel mit einer Temperatur von etwa 105 °C aus dem Stapel 10 aus. Trotz dieser hohen Betriebs- und Kühlmitteltemperaturen können durch die hohen erreichten Luftfeuchten Membranfeuchten von über 95 % aufrechterhalten werden und somit die Gefahr der Austrocknung und Schädigung der Membran 14, welche bei Membranfeuchten unterhalb von 80 % besteht, ausgeräumt.
Das heiße und wasserdampfreiche Kathodenabgas strömt aus dem Brennstoffzellenstapel 10 aus und wird über die Turbine 39 expandiert. Über die Turbine 39 wird das Druckniveau des Kathodenabgases so eingestellt, dass im Membranbefeuchter 41 ein möglichst hoher Betriebsdruck vorliegt und gleichzeitig eine vorbestimmte maximale Druckdifferenz zwischen Trocken- und Feuchtseite nicht überschritten wird, um eine Schädigung der wasserdampfpermeablen Membran des Befeuchters 41 zu verhindern. Der abgasseitig im Membranbefeuchter 41 vorliegende Druck wird dabei so bemessen, eine Differenz der Wasserdampfpartialdrücke zwischen Frischluft und Abluft möglichst groß einzustellen, um eine hohe Übertragungsrate von Wasserdampf zu erzielen.
Die Expansion führt über die Turbine 39 nicht nur zu einer Absenkung des Drucks, sondern auch zu einer Abkühlung des Abgases. Letztere führt dazu, dass bei Eintritt des Kathodenabgases in den Befeuchter 41 die Abgastemperatur niedriger als die des einströmenden frischen Kathodenbetriebsgases ist. Auf diese Weise dient der Befeuchter 41 gleichzeitig zur Kühlung des Kathodenbetriebsgases. Stromab des Befeuchters 41 erfolgt eine weitere Expansionsstufe des Kathodenabgases über den zweiten Expander 40, der den Druck vorzugsweise auf Umgebungsdruck absenkt.
Die Expander 39 und 40 wandeln die kinetische Energie des Kathodenabgases in mechanische Energie um, welche einerseits genutzt wird, um die zweite Verdichtungsstufe 34 anzutreiben. Andererseits kann der zweite Expander 40 mit einem Generator verbunden sein, der elektrische Energie erzeugt, die innerhalb des Brennstoffzellensystems 100 oder extern genutzt werden kann.
Durch das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem 100 ist erstmals möglich, sehr hohe elektrische Leistungen des Brennstoffzellenstapels beispielsweise von 110 bis 160 kW insbesondere für einen Fahrzeugantrieb bereitzustellen.
Bezugszeichenliste

100: Brennstoffzellensystem
10: Brennstoffzellenstapel
11: Einzelzelle
12: Anodenraum
13: Kathodenraum
14: Polymerelektrolytmembran
15: Bipolarplatte
20: Anodenversorgung
21: Anodenversorgungspfad
22: Anodenabgaspfad
23: Brennstofftank
24: Stellmittel
25: Brennstoffrezirkulationsleitung
26: Stellmittel
30: Kathodenversorgung
31: Kathodenversorgungspfad
32: Kathodenabgaspfad
33: erste Verdichterstufe
34: zweite Verdichterstufe
35: Elektromotor
36: Leistungselektronik
37: Elektromotor
38: Leistungselektronik
39: erster Expander / Turbine
40: zweiter Expander / Turbine
41: Membranbefeuchter
42: Kühler
43: Kathodengasrezirkulationsleitung
44: Stellmittel

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10120947 A1 [0009]
DE 102004051359 A1 [0009]
DE 102010035727 A1 [0009, 0009, 0009]
DE 19856499 C1 [0010]

Claims

Brennstoffzellensystem (100) mit – einem Brennstoffzellenstapel (10) mit Anodenräumen (12) und Kathodenräumen (13) und – einer Kathodengasversorgung (30), umfassend – einen Kathodenversorgungspfad (31) zur Zuführung eines Kathodenbetriebsgases in die Kathodenräume (13) und einen Kathodenabgaspfad (32) zur Abführung eines Kathodenabgases aus den Kathodenräumen (13), – eine im Kathodenversorgungspfad (31) angeordnete erste Verdichterstufe (33) und eine stromab der ersten Verdichterstufe (33) im Kathodenversorgungspfad (31) angeordnete zweite Verdichterstufe (34), – einen Membranbefeuchter (41), der im Kathodenversorgungspfad (31) von dem Kathodenbetriebsgas durchströmbar zwischen der ersten und der zweiten Verdichterstufe (33, 34) sowie im Kathodenabgaspfad (32) von dem Kathodenabgas durchströmbar angeordnet ist.
Brennstoffzellensystem (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Brennstoffzellensystem (100) so ausgelegt ist, dass ein Absolutdruck des Kathodenbetriebsgases im Membranbefeuchter (41) im Bereich von 1,1 bis 3 bar, insbesondere im Bereich von 1,1 bis 2 bar, liegt, und/oder eine Druckdifferenz im Membranbefeuchter (41) zwischen dem Kathodenbetriebsgas und dem Kathodenabgas im Bereich von 1 bis 2 bar, insbesondere im Bereich von 1 bis 1,5 bar, liegt.
Brennstoffzellensystem (100) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Brennstoffzellensystem (100) so ausgelegt ist, dass eine Eintrittstemperatur des Kathodenabgases im Membranbefeuchter (41) kleiner ist als eine Eintrittstemperatur des Kathodenbetriebsgases im Membranbefeuchter (41).
Brennstoffzellensystem (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Kathodenabgaspfad (32) zumindest ein Expander (39, 40) angeordnet ist, der das Kathodenabgas expandiert und mechanische und/oder elektrische Energie liefert.
Brennstoffzellensystem (100) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Expander (39, 40) als Turbine ausgebildet ist, welche mechanisch mit der ersten oder zweiten Verdichterstufe (33, 34) gekoppelt ist.
Brennstoffzellensystem (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathodengasversorgung (30) ferner eine Kathodengasrezirkulationsleitung (43) aufweist, welche stromauf des Membranbefeuchters (41) vom Kathodenabgaspfad (32) abzweigt und stromab des Membranbefeuchters (42) in den Kathodenversorgungspfad (31) mündet.
Brennstoffzellensystem (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathodenversorgung (30) ferner einen im Kathodengaszuführungspfad (31) stromab der zweiten Verdichterstufe (34) angeordneten Kühler (42) zur Kühlung des verdichteten Kathodenbetriebsgases aufweist.
Brennstoffzellensystem (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Brennstoffzellensystem (100) so ausgelegt ist, dass eine relative Feuchte des Kathodenbetriebsgases am Eingang des Brennstoffzellenstapels (10) zumindest 90 %, insbesondere zumindest 95 %, vorzugsweise zumindest 99 % beträgt.
Brennstoffzellensystem (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Brennstoffzellensystem so ausgelegt ist, dass ein absoluter Druck des Kathodenbetriebsgases am Eingang des Brennstoffzellenstapels (10) im Bereich von 1,1 bis 3 bar liegt.
Brennstoffzellensystem (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Brennstoffzellensystem so ausgelegt ist, dass eine Temperatur des Kathodenbetriebsgases am Eingang des Brennstoffzellenstapels (10) mindestens 85 °C, insbesondere von mindestens 90 °C, vorzugsweise mindestens 95 °C, beträgt.