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Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzellenvorrichtung mit einem mindestens eine Brennstoffzelle aufweisenden Brennstoffzellenstapel, mit einem Brennstofftank, der über eine Brennstoffleitung mit dem Brennstoffzellenstapel strömungsverbunden ist, und mit einer stromab des Brennstoffzellenstapels zu der Brennstoffleitung geführten Rezirkulationsleitung, der ein das Anodenabgas aus der Rezirkulationsleitung heraus ablassendes Purgeventil zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass stromab des Purgeventils mit dessen Ausgang strömungsverbunden ein Zwischenspeicher angeordnet ist, der über ein Speicherventil entleerbar ist. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenvorrichtung sowie ein Kraftfahrzeug mit einer Brennstoffzellenvorrichtung.
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Brennstoffzellenvorrichtungen werden für die chemische Umsetzung eines Brennstoffs mit Sauerstoff zu Wasser genutzt, um elektrische Energie zu erzeugen. Hierfür enthalten Brennstoffzellen als Kernkomponente die sogenannte Membran-Elektroden-Einheit, die ein Verbund aus einer 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. Im Betrieb der Brennstoffzellenvorrichtung mit einer Mehrzahl zu einem Brennstoffzellenstapel zusammengefasster Brennstoffzellen wird der Brennstoff, insbesondere Wasserstoff (H2) oder ein wasserstoffhaltiges Gasgemisch der Anode zugeführt, wo eine elektrochemische Oxidation von H2 zu H+ unter Abgabe von Elektronen stattfindet. Über 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 Sauerstoff oder ein sauerstoffhaltiges Gasgemisch zugeführt, so dass eine Reduktion von O2 zu O2- unter Aufnahme der Elektronen stattfindet. Gleichzeitig reagieren im Kathodenraum diese Sauerstoffanionen mit den über die Membran transportierten Protonen unter Bildung von Wasser. Dieses Wasser muss aus der Brennstoffzelle und dem Brennstoffzellenstapel herausgeführt werden, bis ein Feuchteniveau erreicht ist, das zum Betrieb des Brennstoffzellensystems erforderlich ist.
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Da die Anodenreaktion üblicherweise unter überstöchiometrischer Bemessung des Brennstoffs betrieben wird, erfolgt im Brennstoffzellenstapel keine vollständige Reaktion des gesamten zugeführten Brennstoffs. Ebenso wenig erfolgt eine vollständige Reaktion des Sauerstoffs. Zur effizienten Nutzung des Brennstoffs wird dieser daher häufig in einen Anodenkreislauf / Anodenloop geführt (rezirkuliert), wobei vor Wiederzuführung des Brennstoffs zu dem Brennstoffzellenstapel der Brennstoff wieder soweit angereichert wird, dass wieder eine überstöchiometrische Bemessung des Brennstoffs bei der Reaktion vorliegt. Diese Rezirkulierung führt aber auch dazu, dass sich unerwünschte Gasbestandteile im Anodenkreislauf anreichern, nämlich insbesondere Stickstoff, der über die Membran von der Kathodenseite zur Anode diffundiert. Dieser Stickstoff muss aus dem Anodenkreislauf ausgetragen werden, wozu ein Purgeventil genutzt wird, das geöffnet werden kann, wenn ein Austrag, das Purgen gewünscht.
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Um für die Vielzahl der in einem Brennstoffzellenstapel zusammengefasster Brennstoffzellen ausreichend Sauerstoff aus der Luft zur Verfügung zu stellen, wird im Kathodenkreislauf zur Versorgung der Kathodenräume des Brennstoffzellenstapels Luft mit dem darin enthaltenen Sauerstoff mittels eines Verdichters verdichtet, so dass relativ warme und trockene komprimierte Luft vorliegt, deren Feuchte für die Verwendung in dem Brennstoffzellenstapel für die Membranelektrodeneinheit nicht ausreicht. Daher wird ein Befeuchter genutzt, der bei zwei gasförmigen Medien mit einem unterschiedlichen Feuchtegehalt eine Übertragung der Feuchte auf das trockenere Medium bewirkt, indem die durch den Verdichter bereitgestellte trockene Luft an einer für Wasserdampf durchlässigen Befeuchtermembran vorbeigeführt wird, deren andere Seite mit der feuchten Abluft aus dem Brennstoffzellenstapel bestrichen wird. In diese Abluft aus dem Brennstoffzellenstapel wird vor oder nach dem Befeuchten auch das vom Purgeventil freigesetzte Wasserstoff/Stickstoff-Gemisch abgegeben. Dabei ist aber darauf zu achten, dass keine zu hohen Abgasemissionen vorliegen und vorgegebene Grenzwerte nicht überschritten werden, so dass die Purgeventile mit kleinen Querschnitten gestaltet sind und der Purgevorgang selber lange andauert. Die Reaktionsfähigkeit bei Änderungen der Wasserstoffkonzentration im Anodenkreis ist damit eingeschränkt. Auch kann es erforderlich werden, durch den Verdichter für die Verdünnung des Abgases zusätzliche Luft zu fördern, was zusätzlichen Energieeinsatz erfordert und damit die Effizienz einschränkt.
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In der
US 6,406,805 B1 wird ein Verfahren beschrieben, bei dem an der Membran nicht verbrauchter Wasserstoff zusammen mit Wasser und Inertgasen in einen stromab der Brennstoffzelle gelegenen Container geleitet wird. Zusätzlich wird mittels eines Sensors die Geschwindigkeit eines die Brennstoffzelle enthaltenden Fahrzeuges erfasst und bei Überschreiten einer Grenzgeschwindigkeit der überschüssige Wasserstoff an die Atmosphäre abgegeben sowie der Container geleert, während bei Unterschreiten einer Grenzgeschwindigkeit oder im Stillstand der überschüssige Wasserstoff an den Container abgegeben wird. Die
JP 2009 199 760 A beschreibt bei einer Brennstoffzelle zur Verbesserung des Wassermanagements und zur Vermeidung einer Flutung der Brennstoffzelle einen in einem Anodenkreislauf angeordneten Speichercontainer, der das Anodenabgas aufnimmt und dessen Druck mittels einer Pumpe gesenkt werden kann bei geeignet gewählten Stellungen eines stromab der Brennstoffzelle im Anodenkreislauf angeordneten Ventils. Aus dem Speichercontainer verzweigt auch ein Purgeventil. Ein dem Anodenabgas zugeordneter Speichercontainer ist auch in der
JP 2010 277 837 A beschrieben.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Brennstoffzellenvorrichtung und ein Verfahren zum Betreiben einer solchen bereit zu stellen, die den vorstehend genannten Nachteilen Rechnung trägt und diese zumindest abmildert oder beseitigt. Aufgabe ist weiterhin, ein verbessertes Kraftfahrzeug bereit zu stellen.
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Diese Aufgabe wird durch eine Brennstoffzellenvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1, mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 5 und durch ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Die eingangs genannte Brennstoffzellenvorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass stromab des Purgeventils mit dessen Ausgang strömungsverbunden ein Zwischenspeicher angeordnet ist, der über ein Speicherventil als Auslassventil des Zwischenspeichers entleerbar ist. Dadurch wird erreicht, dass für die Durchführung eines Purgevorganges eine gesteigerte Variabilität zur Verfügung steht und insbesondere der Purgevorgang schneller durchgeführt werden kann, weil bei dem Ablassen des Anodenabgases aus der Rezirkulationsleitung kein Anodenabgas in die Umwelt gelangt und daher auch nicht auf die Einhaltung der Grenzwerte geachtet werden muss. Es liegt damit eine kürzere Abweichung von den normalen Betriebsbedingungen vor, was mit einer gesteigerten Effizienz verbunden ist. Auch ist wirksam verhindert, dass Energie für eine verstärkte Ansteuerung des Verdichters aufgewandt werden muss, eben weil eine Verdünnung zur Einhaltung der Grenzwerte nicht erforderlich ist. Die Beachtung der Grenzwerte bei der Abgabe des Anodenabgases an die Umgebung erfolgt bei der Leerung des Zwischenspeichers.
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Es ist damit auch die Möglichkeit geschaffen, dass der Zwischenspeicher unabhängig von den Purgedauern und - einstellungen in eine Kathodenabgasleitung des Brennstoffzellenstapel entleerbar ist.
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Von Vorteil ist auch, wenn dem Zwischenspeicher ein einen Druck änderndes Bauteil zugeordnet ist, da so der Purgevorgang nochmals beschleunigt werden kann, indem das Anodenabgas in den Zwischenspeicher gesaugt wird. Auch besteht die Möglichkeit, den Zwischenspeicher wieder schneller zu leeren, soweit dies im Rahmen der Grenzwerte zulässig ist. Auch kann das Anodenabgas in Abhängigkeit der Betriebsbedingungen und der gewünschten Lastpunkte auch wieder rezirkuliert werden, beispielsweise wenn von einem Lastpunkt mit hoher Last kommend ein hoher Druck in dem Zwischenspeicher vorliegt und die Brennstoffzellenvorrichtung mit ihren Brennstoffzellenstapel bei einem niedrigen Druck und geringer Last weiterbetrieben werden soll.
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Bevorzugt ist dabei das den Druck ändernde Bauteil durch eine Vakuumpumpe oder eine Kolbenpumpe oder eine Saugstrahlpumpe gebildet.
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Ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Brennstoffzellenvorrichtung bietet die Möglichkeit, dass zur Regelung der Brennstoffkonzentration in der Rezirkulationsleitung bei geschlossenem Speicherventil das Purgeventil durch eine Kontrolleinheit angesteuert wird, also die Brennstoffkonzentration ohne nachteilige Auswirkungen auf den Regelbetrieb häufiger, schneller und genauer eingestellt werden kann.
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Es ist weiterhin die Möglichkeit geschaffen, dass für einen Purgevorgang bei geschlossenem Speicherventil das Purgeventil geöffnet und das Anodenabgas in den Zwischenspeicher abgegeben wird, und dass nach dem Füllen des Zwischenspeichers das Purgeventil geschlossen und das Speicherventil geöffnet wird derart, dass keine zu hohen Abgasemissionen auftreten. Hier bietet sich der Vorteil, dass sehr schnelle Konzentrationsänderungen realisiert werden können, da das Purgeventil insbesondere maximal geöffnet werden oder insgesamt mit einem größeren Öffnungsquerschnitt ausgebildet sein kann im Vergleich zu der Situation, bei der mit dem Purgeventil die Einhaltung der Grenzwerte gewährleistet werden muss. Die gesamte Systemdynamik ist damit robuster und schneller.
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Vorgesehen ist auch, dass das den Druck ändernde Bauteil genutzt wird, um den Zwischenspeicher schneller zu füllen und/oder den Zwischenspeicher in die Umgebung oder in die Rezirkulationsleitung zu entleeren. Dies dient wiederum einer Verbesserung der Systemdynamik.
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Wenn nach dem Schließen des Purgeventils Brennstoff über ein Brennstoffdosierventil in die Brennstoffleitung eindosiert wird, liegen insgesamt aufgrund des Purgevorganges nur kurzfristige Abweichungen von dem optimalen Druck auf der Anodenstrecke vor.
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Zu beachten ist auch, dass der im Zwischenspeicher vorliegende Druck und/oder die Öffnungsstellung von dem Purgeventil und/oder dem Speicherventil in Abhängigkeit des Betriebspunktes der Brennstoffzellenvorrichtung eingestellt wird, also eine Mehrheit von Parametern zur Verfügung steht, um den Purgevorgang an die konkret vorliegenden Betriebsbedingungen anzupassen.
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Insgesamt besteht damit auch die Möglichkeit, bei einem Druckverlust auf der Kathodenseite den gewünschten Differenzdruck länger aufrecht zu erhalten und schneller ein niedrigeres Drucklevel zu erreichen, weil der Druckabbau auf der Anodenstrecke durch den schnelleren Purgevorgang schneller möglich ist. Dies bietet bei schnellen Lastabsenkungen Vorteile, wenn die Brennstoffzellenvorrichtung nach einem Volllastbetrieb oder in einem Notstopp abgeschaltet wird.
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Die genannten Vorteile und Wirkungen gelten sinngemäß auch für ein entsprechendes erfindungsgemäßes Verfahren und ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug mit einer Brennstoffzellenvorrichtung.
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Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Es sind somit auch Ausführungen als von der Erfindung umfasst und offenbart anzusehen, die in den Figuren nicht explizit gezeigt oder erläutert sind, jedoch durch separierte Merkmalskombinationen aus den erläuterten Ausführungen hervorgehen und erzeugbar sind.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung einer Brennstoffzellenvorrichtung, und
- 2 die zeitabhängige Darstellung des Druckverlaufs am Purgeventil (durchgezogenen Linie) und im Behältnis (gestrichelte Linie).
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In der 1 ist schematisch eine Brennstoffzellenvorrichtung 1 gezeigt, wobei diese eine Mehrzahl von in einem Brennstoffzellenstapel 3 zusammengefasster Brennstoffzellen 2 umfasst.
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Jede der Brennstoffzellen 2 umfasst eine Anode, eine Kathode sowie eine die Anode von der Kathode trennende, protonenleitfähige Membran. Die Membran ist aus einem lonomer, vorzugsweise einem sulfonierten Polytetrafluorethylen-Polymer (PTFE) oder einem Polymer der perfluorierten Sulfonsäure (PFSA) gebildet. Alternativ kann die Membran auch als eine sulfonierte Hydrocarbon-Membran gebildet sein.
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Den Anoden und/oder den Kathoden kann zusätzlich ein Katalysator beigemischt sein, wobei die Membranen vorzugsweise auf ihrer ersten Seite und/oder auf ihrer zweiten Seite mit einer Katalysatorschicht aus einem Edelmetall oder einem Gemisch umfassend Edelmetalle wie Platin, Palladium, Ruthenium oder dergleichen beschichtet sind, die als Reaktionsbeschleuniger bei der Reaktion der jeweiligen Brennstoffzelle 2 dienen.
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Über einen Anodenraum kann der Anode Brennstoff (zum Beispiel Wasserstoff) aus einem Brennstofftank 13 zugeführt werden. In einer Polymerelektrolytmembranbrennstoffzelle (PEM-Brennstoffzelle) werden an der Anode Brennstoff oder Brennstoffmoleküle in Protonen und Elektronen aufgespaltet. Die PEM lässt die Protonen hindurch, ist aber undurchlässig für die Elektronen. An der Anode erfolgt beispielsweise die Reaktion: 2H2 → 4H+ + 4e-(Oxidation/Elektronenabgabe). Während die Protonen durch die PEM zur Kathode hindurchtreten, werden die Elektronen über einen externen Stromkreis an die Kathode oder an einen Energiespeicher geleitet.
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Über einen Kathodenraum kann der Kathode das Kathodengas (zum Beispiel Sauerstoff oder Sauerstoff enthaltende Luft) zugeführt werden, so dass kathodenseitig die folgende Reaktion stattfindet: O2 + 4H+ + 4e-→ 2H2O (Reduktion/Elektronenaufnahme).
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Da in dem Brennstoffzellenstapel 3 mehrere Brennstoffzellen 2 zusammengefasst sind, muss eine ausreichend große Menge an Kathodengas zur Verfügung gestellt werden, so dass durch einen Verdichter 18 ein großer Kathodengasmassenstrom oder Frischgasstrom bereitgestellt wird, wobei infolge der Komprimierung des Kathodengases sich dessen Temperatur stark erhöht. Die Konditionierung des Kathodengases oder des Frischluftgasstroms, also dessen Einstellung hinsichtlich der im Brennstoffzellenstapel 3 gewünschten Temperatur und Feuchte, erfolgt in einem dem Verdichter 18 nachgelagerten Ladeluftkühler 5 und einem diesem nachgelagerten Befeuchter 4, der eine Feuchtesättigung der Membranen der Brennstoffzellen 2 zur Steigerung von deren Effizienz bewirkt, da dies den Protonentransport begünstigt.
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Über eine Rezirkulationsleitung 14 kann an den Anoden nicht abreagierter Brennstoff den Anodenräumen erneut zugeführt werden. Die Rezirkulationsleitung 14 mündet stromauf des Brennstoffzellenstapels 2 also wieder in die Brennstoffleitung 12 und bildet mit dem stromab der Mündung gebildeten Teil der Brennstoffleitung 12 einen Anodenkreislauf. In der Rezirkulationsleitung 14 reichern sich im Betrieb Inertgase an, so dass deren Konzentration abgesenkt werden muss, wenn diese einen nachteiligen Wert überschreitet. Dazu ist der Rezirkulationsleitung 14 ein das Anodenabgas aus der Rezirkulationsleitung 14 heraus ablassendes Purgeventil 21 zugeordnet ist. Stromab des Purgeventils 21 mit dessen Ausgang strömungsverbunden ist ein Zwischenspeicher 22 angeordnet, der über ein Speicherventil 23 insbesondere in eine Kathodenabgasleitung 10 des Brennstoffzellenstapels 3 entleerbar ist.
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In der in 1 gezeigten Ausführungsform ist dem Zwischenspeicher 22 ein einen Druck änderndes Bauteil 24 zugeordnet, das durch eine Vakuumpumpe oder eine Kolbenpumpe oder eine Saugstrahlpumpe gebildet sein kann.
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Mit diesem konstruktiven Aufbau der Brennstoffzellenvorrichtung 1 besteht die Möglichkeit einer verbesserten Betriebsweise der Brennstoffzellenvorrichtung 1, wobei zur Regelung der Brennstoffkonzentration in der Rezirkulationsleitung 14 bei geschlossenem Speicherventil 23 das Purgeventil 21 durch eine Kontrolleinheit angesteuert wird, also insbesondere Anodenabgas der Rezirkulationsleitung 14 entnommen werden kann, ohne dieses auch an die Umwelt abzugeben. Die Regelung der Brennstoffkonzentration kann damit häufiger erfolgen. Des Weiteren wird für einen Purgevorgang bei geschlossenem Speicherventil 23 das Purgeventil 21 geöffnet und das Anodenabgas in den Zwischenspeicher 22 abgegeben. In 2 ist dies bei A gezeigt. Daran anschließend füllt sich der Zwischenspeicher 22, was zu einem Druckausgleich zwischen der Rezirkulationsleitung 14 und den Zwischenspeicher 22 führt (B). Nach dem Füllen des Zwischenspeichers 22 wird das Purgeventil 21 geschlossen, wobei dann Brennstoff über das Brennstoffdosierventil 19 in die Brennstoffleitung 12 eindosiert wird, was in einen erneuten Druckanstieg auf der Anodenstrecke und in der Rezirkulationsleitung 14 führt (C). Anschließend wird das Speicherventil 23 geöffnet derart, dass keine zu hohen Abgasemissionen auftreten, und der Druck in dem Zwischenspeicher 22 absinkt (D).
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Dabei kann das den Druck ändernde Bauteil 24 genutzt werden, um den Zwischenspeicher 22 schneller zu füllen, also den Purgevorgang zu verkürzen. Auch kann der Zwischenspeicher 22 gezielt in die Umgebung oder auch in die Rezirkulationsleitung 14 entleert werden, also der Zwischenspeicher 22 bei einem vorherigen, nicht durch die Konzentration der Inertgase erforderlichen Druckabbau den zwischengespeicherten Brennstoff auch wieder zurückspeisen kann.
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Die Anpassung an die konkret vorliegenden Betriebsbedingungen ist möglich, indem der im Zwischenspeicher 22 vorliegende Druck und/oder die Öffnungsstellung von dem Purgeventil 21 und/oder dem Speicherventil 23 in Abhängigkeit des Betriebspunktes der Brennstoffzellenvorrichtung 1 eingestellt wird.
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Die Dynamik und die Effizienz eines Kraftfahrzeug mit einer derartigen Brennstoffzellenvorrichtung 1 ist verbessert.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Brennstoffzellenvorrichtung
- 2
- Brennstoffzelle
- 3
- Brennstoffzellenstapel
- 4
- Befeuchter
- 5
- Ladeluftkühler
- 6
- Bypassleitung
- 7
- Befeuchter-Bypassventil
- 8
- Frischluftdosierventil
- 9
- Kathodenfrischgas
- 10
- Kathodenabgasleitung
- 11
- Kathodenabgasventil
- 12
- Brennstoffleitung
- 13
- Brennstofftank
- 14
- Rezirkulationsleitung
- 15
- Rezirkulationsgebläse
- 16
- Wärmetauscher
- 18
- Verdichter
- 19
- Brennstoffdosierventil
- 20
- Wasserabscheider
- 21
- Purgeventil
- 22
- Zwischenspeicher
- 23
- Speicherventil
- 24
- Druckänderndes Bauteil
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 6406805 B1 [0005]
- JP 2009199760 A [0005]
- JP 2010277837 A [0005]
