DE102020113991A1

DE102020113991A1 - Brennstoffzellensystem mit einem kathodenseitigen Flüssigkeitsreservoir und Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102020113991A1
Application number: DE102020113991.8A
Authority: DE
Inventors: Dirk Jenssen; Nico Dziwoki
Original assignee: Audi AG; Volkswagen AG
Current assignee: Audi AG; Volkswagen AG
Priority date: 2020-05-26
Filing date: 2020-05-26
Publication date: 2021-12-02

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem (1) mit einem eine Mehrzahl an Brennstoffzellen umfassenden Brennstoffzellenstapel (2), an den eine Anodenversorgung zur Zuleitung von Brennstoff und eine Anodenabgasleitung (15) zur Ausleitung von überschüssigem Brennstoff oder eines Brennstoffgemisches angeschlossen sind, und an den eine Kathodenversorgung (5) mit einer Kathodenzuluftleitung (3) zur Zuleitung von Kathodengas und eine Kathodenabgasleitung (14) zur Ausleitung von überschüssigem Kathodengas und Produktwasser angeschlossen sind, mit einem in die Kathodenzuluftleitung (3) eingebundenen Verdichter (4), sowie mit einer stromab des Verdichters (4) in die Kathodenzuluftleitung (3) eingebundenen Vorrichtung zur Kühlung des Kathodengases vor seiner Einleitung in den Brennstoffzellenstapel (2). Die Vorrichtung zur Kühlung des Kathodengases umfasst ein Flüssigkeitsreservoir (11), durch welches die Kathodenzuluftleitung (3) derart geführt ist, dass ein stofflich getrennter Wärmeaustausch zwischen dem in der Kathodenzuluftleitung (3) strömenden Kathodengas und einer im Flüssigkeitsreservoir (11) befindlichen Flüssigkeit nach dem Prinzip der Wärmeleitung erfolgt. Die Erfindung betrifft außerdem ein Kraftfahrzeug mit einem solchen Brennstoffzellensystem (1).

Description

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem mit einem eine Mehrzahl an Brennstoffzellen umfassenden Brennstoffzellenstapel, an den eine Anodenversorgung zur Zuleitung von Brennstoff und eine Anodenabgasleitung zur Ausleitung von überschüssigem Brennstoff oder eines Brennstoffgemisches angeschlossen sind, und an den eine Kathodenversorgung mit einer Kathodenzuluftleitung zur Zuleitung von Kathodengas und eine Kathodenabgasleitung zur Ausleitung von überschüssigem Kathodengas und Produktwasser angeschlossen sind, mit einem in die Kathodenzuluftleitung eingebundenen Verdichter, sowie mit einer stromab des Verdichters in die Kathodenzuluftleitung eingebundenen Vorrichtung zur Kühlung des Kathodengases vor seiner Einleitung in den Brennstoffzellenstapel. Die Erfindung betrifft außerdem ein Kraftfahrzeug mit einem solchen Brennstoffzellensystem.
Ein Brennstoffzellensystem dient zur Erzeugung elektrischer Energie durch die Reaktion eines Brennstoffes, insbesondere Wasserstoff, mit Sauerstoff unter Nutzung der Membran-Elektroden-Einheit, die eine protonleitende Membran aufweist, auf der einerseits eine Anodenelektrode und andererseits eine Kathodenelektrode angeordnet ist. Zur Erhöhung der bereitgestellten elektrischen Energie werden in der Regel mehrere Membran-Elektroden-Einheiten zu einem Brennstoffzellenstapel zusammengefasst. Beim Betrieb des Brennstoffzellensystems ist darauf zu achten, dass eine für die bereitgestellte Menge des Wasserstoffs ausreichende Menge von Sauerstoff bereitgestellt wird. Um dies sicherzustellen, ist wird ein Verdichter eingesetzt.
Beim Verdichten des Kathodengases erwärmt sich dieses sehr stark, so dass es bereits bekannt ist, dem Verdichter ein Ladeluftkühler nachzuschalten, der als eine Vorrichtung zur Kühlung des Kathodengases vor seiner Einleitung in den Brennstoffzellenstapel zu verstehen ist. Alternativ oder ergänzend kann auch eine Flüssigkeit in das Kathodengas dosiert werden, um mittels der stofflichen Durchmischung einen Kühlungseffekt und ein Befeuchten des Gases zu bewirken. Wird die Flüssigkeit aber stromauf des Verdichters in die Kathodenzuluftleitung eindosiert, so wird der Einsatz eines zusätzlichen Wärmeübertragers für die Temperierung der Flüssigkeit notwendig, was die Komplexität und den apparativen Aufwand des Brennstoffzellensystem erhöht.
In den Druckschriften DE 10 2011 015 827 A1 , DE 199 45 323 A1 und DE 10 2008 042 005 A1 sind Brennstoffzellensysteme beschrieben, die kathodenseitig Vorrichtungen zur Befeuchtung und zur Verdampfungskühlung des Kathodenfrischgases aufweisen. Zur Speicherung der Flüssigkeit ist dabei jeweils ein Reservoir vorhanden, wobei sich als nachteilhaft erwiesen hat, dass die Wärmekapazität der Flüssigkeit im Reservoir nicht für eine Kühlung des Brennstoffzellensystems genutzt wird.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Brennstoffzellensystem bereitzustellen, das diesem Nachteil Rechnung trägt. Darüber hinaus ist es Aufgabe der Erfindung, ein Kraftfahrzeug mit einem solchen Brennstoffzellensystem anzugeben.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 10. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass die Vorrichtung zur Kühlung des Kathodengases ein Flüssigkeitsreservoir umfasst, und dass die Kathodenzuluftleitung durch das Flüssigkeitsreservoir derart geführt ist, dass ein stofflich getrennter Wärmeaustausch zwischen dem in der Kathodenzuluftleitung strömenden Kathodengas und einer im Flüssigkeitsreservoir befindlichen Flüssigkeit nach dem Prinzip der Wärmeleitung erfolgt.
Mit diesem Brennstoffzellensystem ist der Vorteil verbunden, dass keine zusätzliche Energie für die Temperierung des Flüssigkeits- und Kathodengasmassenstroms verbraucht wird. Die Integration des Flüssigkeitsreservoirs in die Kathodenversorgung erschließt die Möglichkeit, die Wärmeenergie aus dem durch das Verdichten erhitzten Kathodengas zu nutzen, wobei die Wärme in die Flüssigkeit innerhalb des Flüssigkeitsreservoirs aufgenommen wird und somit das Kathodengas herunterkühlt, bevor es dem Brennstoffzellenstapel zugeleitet wird. Auf diese Weise ist es möglich, auf der Kathodenseite auf einen dem Verdichter nachgelagerten Ladeluftkühler zu verzichten, oder einen solchen mit deutlich geringeren Abmessungen auszulegen.
Das Flüssigkeitsreservoir umfasst vorzugsweise einen Einlass für Flüssigkeit, der zumindest zeitweise strömungsmechanisch mit einem Wasserauslass eines in eine Abgasleitung eingebundenen Wasserabscheiders verbunden ist. Somit wird also das während der Brennstoffzellenreaktion erzeugte Produktwasser oder das anodenseitig abgeschiedene Wasser nicht einfach aus dem Brennstoffzellensystem ausgeleitet, sondern zum Befüllen des Flüssigkeitsreservoirs genutzt. Seine Wärmekapazität dient dort nämlich der Aufnahme der Wärme aus dem vom Verdichter komprimierten Kathodengas.
Dabei ist die Möglichkeit gegeben, dass der Wasserabscheider in die Anodenabgasleitung eingebunden ist, so dass das anodenseitig anfallende Wasser auf die Kathodenseite zum Reservoir geführt wird.
Alternativ oder ergänzend kann der Wasserabscheider oder ein zusätzlicher Wasserabscheider auch in die Kathodenabgasleitung eingebunden sein, so dass insbesondere das während der Brennstoffzellenreaktion entstehende Produktwasser in das Reservoir abgegeben werden kann. Vorzugsweise ist der Wasserabscheider dabei stromauf eines in die Kathodenversorgung eingebundenen Befeuchters in die Kathodenabgasleitung integriert.
Für eine zuverlässige Förderung der Flüssigkeit in das Flüssigkeitsreservoir ist es von Vorteil, wenn eine Hochdruckpumpe zur Förderung von Flüssigkeit vorhanden ist, die in eine den Wasserauslass mit dem Einlass für Flüssigkeit verbindenden Verbindungsleitung eingebunden ist. Somit liegt also stromauf des Flüssigkeitsreservoirs eine Hochdruckpumpe vor, wobei zudem die Möglichkeit vorhanden ist, dass die Hochdruckpumpe stromab des Flüssigkeitsreservoir vorliegt. Auch der Einsatz zweier Pumpen ist möglich, die dann in ihren Dimensionen kleiner ausgelegt werden können.
Es ist von Vorteil, wenn das Flüssigkeitsreservoir einen Auslass für Flüssigkeit umfasst, der zumindest zeitweise strömungsmechanisch mit einer Einlassöffnung der Kathodenzuluftleitung verbunden ist, um die Flüssigkeit stromauf des Verdichters in das Kathodengas zu geben. Auf diese Weise kann also auch die im Flüssigkeitsreservoir zeitweise gespeicherte Flüssigkeit zur Befeuchtung des Kathodengases genutzt werden.
Für ein vereinfachtes Befeuchten hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn in der Einlassöffnung eine Einspritzdüse eingesetzt ist, die ausgebildet ist, die Flüssigkeit in das Kathodengas zu zerstäuben.
Der Auslass für Flüssigkeit kann alternativ oder ergänzend zumindest zeitweise strömungsmechanisch mit einem stromab des Verdichters in die Kathodenversorgung eingebundenen Befeuchters verbunden sein, so dass die im Flüssigkeitsreservoir gespeicherte Flüssigkeit auch für eine zusätzliche Befeuchtung des Kathodengases stromab des Verdichters genutzt werden kann.
Um die Flüssigkeit aus dem Reservoir in die Kathodenzuluftleitung stromauf des Verdichters und/oder zum Befeuchter zu fördern, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn eine Hochdruckpumpe zur Förderung von Flüssigkeit vorhanden ist, die in eine den Auslass für Flüssigkeit mit der Einlassöffnung verbindenden weiteren Verbindungsleitung eingebunden ist. Diese weitere Verbindungsleitung kann dabei mit einer Abzweigung versehen sein, um sowohl die Flüssigkeit stromauf des Verdichters als auch die Flüssigkeit stromab des Verdichters in den Befeuchter zu leiten.
Die in Verbindung mit dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem beschriebenen Vorteile und vorteilhaften Wirkungen gelten in gleicher Weise für ein das Brennstoffzellensystem umfassendes erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug.
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.
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, vereinfachte Darstellung eines Brennstoffzellensystems, bei dem das anodenseitig anfallende Flüssigwasser zum Flüssigkeitsreservoir der Vorrichtung zum Kühlen des Kathodengases geführt ist, und
2 eine schematische, vereinfachte Darstellung eines Brennstoffzellensystems, bei dem das kathodenseitig anfallende Flüssigwasser zum Flüssigkeitsreservoir der Vorrichtung zum Kühlen des Kathodengases geführt ist.

In den Figuren ist schematisch ein Brennstoffzellensystem 1 gezeigt, bei dem eine Mehrzahl von Brennstoffzellen zu einem durch ein Rechteck symbolisierten Brennstoffzellenstapel 2 zusammengefasst sind. Dieser Stapel muss zum Betrieb mit Betriebsmedien versorgt werden, also zum einen mittels einer Anodenversorgung mit dem Brennstoff, insbesondere Wasserstoff oder einem wasserstoffhaltigen Gasgemisch, und zum anderen mittels einer Kathodenversorgung 5 mit einem sauerstoffhaltigen Gemisch, insbesondere mit Luft. Diese Luft wird von einem Verdichter 4 gefördert, in welchem diese komprimiert und daher erwärmt wird. Stromab des Verdichters 4 ist daher ein lediglich optional skizzierter Ladeluftkühler 6 in eine Kathodenzuluftleitung 3 eingebunden, dem seinerseits ein Befeuchter 7 zur Befeuchtung des Kathodengases nachgeschaltet ist, bevor das Kathodengas in den Kathodenräumen des Brennstoffzellenstapels 2 angelangt. Durch diese Konstituenten wird das frische Kathodengas also konditioniert, bevor es bei der Brennstoffzellenreaktion im Brennstoffzellenstapel 2 verbraucht wird. Überschüssiges Kathodengas und Produktwasser wird über die Kathodenabgasleitung 14 wieder aus dem Brennstoffzellenstapel 2 ausgeleitet. Dabei wird die Feuchte des Abgases im Befeuchter 7 dazu genutzt, um das trockene Frischgas zu Befeuchten. Entsprechend verhält es sich auf der Anodenseite, bei dem das überschüssige Brennstoffgemisch oder der überschüssige Brennstoff über die Anodenabgasleitung 15 beispielsweise in einem Anodenkreislauf rezirkuliert werden, oder auch bei Erreichen einer kritischen Konzentration im Rahmen eines „Purge“ aus dem Anodenkreislauf ausgelassen werden.
Die vorliegende Erfindung befasst sich mit dem Problem, dass die Bauteile Ladeluftkühler 6 und Befeuchter 7 zumeist sehr viel Bauraum für sich beanspruchen und die Komplexität des Brennstoffzellensystems 1 unnötig erhöhen. Es ist daher von Interesse, diese Bauteile deutlich kleiner auszugestalten oder gänzlich auf sie zu verzichten.
Es wird daher vorgeschlagen, eine Vorrichtung zur Kühlung des Kathodengases vor seiner Einleitung in den Brennstoffzellenstapel 2 stromab des Verdichters 4 in die Kathodenzuluftleitung 3 zu integrieren, die einen deutlich geringeren apparativen Aufwand verursacht. Diese Vorrichtung zur Kühlung des Kathodengases umfasst ein Flüssigkeitsreservoir 11, wobei ein Leitungsstück 21 der Kathodenzuluftleitung 3 durch das Flüssigkeitsreservoir 11 derart geführt ist, dass ein stofflich getrennter Wärmeaustausch zwischen dem in der Kathodenzuluftleitung 3 strömenden Kathodengas und einer im Flüssigkeitsreservoir 11 befindlichen Flüssigkeit nach dem Prinzip der Wärmeleitung erfolgt. Innerhalb des Flüssigkeitsreservoirs 11 erfolgt also kein stofflicher Austausch zwischen der Flüssigkeit und dem Kathodengas, so dass darin keine Verdampfungskühlung vorliegt. Das Flüssigkeitsreservoir 11 weist einen Einlass 8 für Flüssigkeit auf, sowie einen Auslass 9, um überschüssige Flüssigkeit aus dem Flüssigkeitsreservoir 11 auszutragen. Stromab des Flüssigkeitsreservoirs 11 liegt eine Verbindungsleitung 19 vor, die den Auslass 9 mit einer Einlassöffnung 13 der Kathodenzuluftleitung 3 stromauf des Verdichters 4 verbindet. In diese Einlassöffnung 13 ist eine Einspritzdüse 16 eingesetzt, die ausgebildet ist, die Flüssigkeit in das Kathodengas zu zerstäuben, so dass eine Befeuchtung des Kathodengases stromauf des Verdichters 4 vorliegt. Um die Flüssigkeit aus dem Flüssigkeitsreservoir 11 zu fördern ist vorliegend in diese Verbindungsleitung 19 eine Hochdruckpumpe 18 eingebunden. Die Verbindungsleitung 19 weist vorliegend außerdem eine Verzweigung 20 auf, so dass die Flüssigkeit nicht nur stromauf des Verdichters 4 in die Kathodenzuluftleitung 3 eingebracht wird, sondern auch anteilig in den dem Verdichter 4 nachgelagerten Befeuchter 7 zur Befeuchtung des Kathodenfrischgases gegeben wird. Es ist auch möglich, dass lediglich der zum Befeuchter 7 führende Zweig der Verbindungsleitung 19 vorhanden ist, so dass in der Kathodenzuluftleitung 3 keine Einlassöffnung 13 vorzusehen ist. Zur Förderung der Flüssigkeit aus dem Reservoir 11 kann die Hochdruckpumpe 18 aber auch stromauf des Flüssigkeitsreservoirs 11 in eine Verbindungsleitung 17 eingebunden sein, was durch die strichlierte Darstellung illustriert ist. Die Verbindungsleitung 17 verbindet einen Wasserauslass 10 eines Wasserabscheiders 12 mit dem Einlass 8 für Flüssigkeit des Flüssigkeitsreservoirs 11. Während in 1 der Wasserabscheider 12 in die Anodenabgasleitung 15 eingebunden ist, verweist die Ausgestaltung nach 2 auf die Möglichkeit, dass der Wasserabscheider 12 in die Kathodenabgasleitung 14 integriert ist. Eine weitere nicht näher dargestellte Ausgestaltung des Brennstoffzellensystems 1 sieht den Einsatz zweier Wasserabscheider 12 vor, wovon einer in die Kathodenabgasleitung 14 und der andere in die Anodenabgasleitung 15 integriert ist, wobei der jeweilige Wasserauslass 10 strömungsmechanisch mit dem Einlass 8 des Flüssigkeitsreservoirs 11 zumindest zeitweise verbunden ist.
Die Erfindung zeichnet sich durch eine geringere Komplexität des Brennstoffzellensystems 1 aus, was insbesondere bei beengten Bauraumverhältnissen, insbesondere in einem erfindungsgemäßen Kraftfahrzeug von Vorteil ist.
Bezugszeichenliste

1: Brennstoffzellensystem
2: Brennstoffzellenstapel
3: Kathodenzuluftleitung
4: Verdichter
5: Kathodenversorgung
6: Ladeluftkühler
7: Befeuchter
8: Einlass
9: Auslass
10: Wasserauslass
11: Flüssigkeitsreservoir
12: Wasserabscheider
13: Einlassöffnung
14: Kathodenabgasleitung
15: Anodenabgasleitung
16: Einspritzdüse
17: Verbindungsleitung (stromauf des Reservoirs)
18: Hochdruckpumpe
19: weitere Verbindungsleitung (stromab des Reservoirs)
20: Verzweigung
21: Leitungsstück (Kathodenzuluftleitung)

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102011015827 A1 [0004]
DE 19945323 A1 [0004]
DE 102008042005 A1 [0004]

Claims

Brennstoffzellensystem (1) mit einem eine Mehrzahl an Brennstoffzellen umfassenden Brennstoffzellenstapel (2), an den eine Anodenversorgung zur Zuleitung von Brennstoff und eine Anodenabgasleitung (15) zur Ausleitung von überschüssigem Brennstoff oder eines Brennstoffgemisches angeschlossen sind, und an den eine Kathodenversorgung (5) mit einer Kathodenzuluftleitung (3) zur Zuleitung von Kathodengas und eine Kathodenabgasleitung (14) zur Ausleitung von überschüssigem Kathodengas und Produktwasser angeschlossen sind, mit einem in die Kathodenzuluftleitung (3) eingebundenen Verdichter (4), sowie mit einer stromab des Verdichters (4) in die Kathodenzuluftleitung (3) eingebundenen Vorrichtung zur Kühlung des Kathodengases vor seiner Einleitung in den Brennstoffzellenstapel (2), dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur Kühlung des Kathodengases ein Flüssigkeitsreservoir (11) umfasst, und dass die Kathodenzuluftleitung (3) durch das Flüssigkeitsreservoir (11) derart geführt ist, dass ein stofflich getrennter Wärmeaustausch zwischen dem in der Kathodenzuluftleitung (3) strömenden Kathodengas und einer im Flüssigkeitsreservoir (11) befindlichen Flüssigkeit nach dem Prinzip der Wärmeleitung erfolgt.
Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Flüssigkeitsreservoir (11) einen Einlass (8) für Flüssigkeit umfasst, der zumindest zeitweise strömungsmechanisch mit einem Wasserauslass (10) eines in eine Abgasleitung (14, 15) eingebundenen Wasserabscheiders (12) verbunden ist.
Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Wasserabscheider (12) in die Anodenabgasleitung (15) eingebunden ist.
Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Wasserabscheider (12) in die Kathodenabgasleitung (14) eingebunden ist.
Brennstoffzellensystem (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Hochdruckpumpe (18) zur Förderung von Flüssigkeit vorhanden ist, die in eine den Wasserauslass (10) mit dem Einlass (8) für Flüssigkeit verbindenden Verbindungsleitung (17) eingebunden ist.
Brennstoffzellensystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Flüssigkeitsreservoir (11) einen Auslass (9) für Flüssigkeit umfasst, der zumindest zeitweise strömungsmechanisch mit einer Einlassöffnung (13) der Kathodenzuluftleitung (3) verbunden ist, um die Flüssigkeit stromauf des Verdichters (4) in das Kathodengas zu geben.
Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass in der Einlassöffnung (13) eine Einspritzdüse (16) eingesetzt ist, die ausgebildet ist, die Flüssigkeit in das Kathodengas zu zerstäuben.
Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Auslass (9) für Flüssigkeit zumindest zeitweise strömungsmechanisch mit einem stromab des Verdichters (4) in die Kathodenversorgung (5) eingebundenen Befeuchter (7) verbunden ist.
Brennstoffzellensystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Hochdruckpumpe (18) zur Förderung von Flüssigkeit vorhanden ist, die in eine den Auslass (9) für Flüssigkeit mit der Einlassöffnung (13) verbindenden weiteren Verbindungsleitung (19) eingebunden ist.
Kraftfahrzeug mit einem Brennstoffzellensystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9.