AT413008B

AT413008B - Vorrichtung und verfahren zur kühlung heisser prozessgase

Info

Publication number: AT413008B
Application number: AT0021604A
Authority: AT
Inventors: Herbert Mag Thanner
Original assignee: Avl List Gmbh
Priority date: 2004-02-12
Filing date: 2004-02-12
Publication date: 2005-09-26
Also published as: ATA2162004A

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Kühlung heisser Prozessgase, die im Betrieb von Brennstoffzellen oder bei der Prüfung von Brennstoffzellen-Systemkomponenten, wie beispielsweise Reformer, Misch- und Konditioniersysteme oder Katalysatoren, in einem Brennstoffzellenprüfstand anfallen.

An Brennstoffzellenprüfständen (BZPS) müssen die Prozessgase hinsichtlich der thermodynamischen Kenngrössen (Druck, Temperatur, Volumenstrom) aber auch hinsichtlich der Gaszusammensetzung konditioniert werden. Dies kann beispielsweise mit Hilfe einer Gasmischstation (= eine Kombination mehrerer Mass Flow Controller) und elektrischer Heizer bzw. Wärmetauscher realisiert werden. Die Gasströme für Anode und Kathode werden dabei bis zu Temperaturen von ca. 800 C vorgewärmt bevor diese den Brennstoffzellenkomponenten (z. B. Reformer oder Stack) zugeführt werden. Entsprechend der chemischen bzw. elektrochemischen Reaktion in den Brennstoffzellenkomponenten können die Gastemperaturen am Austritt der jeweiligen Komponente ansteigen oder aber auch absinken.

In den meisten Fällen ist aber eine zusätzliche Kühlvorrichtung für die Prozessgase erforderlich, bevor diese in den Prüfstandsabzug geleitet werden können (Explosionsgefahr!). Zusätzlich ist eine entsprechende Verdünnung deutlich unterhalb der Explosionsgrenze - der Prozessgase im Abzug erforderlich.

Brennstoffzellen-Stacks werden üblicherweise mit Hilfe einer elektronischen Last elektrisch belastet. Die dabei entstehende Wärme muss ebenso abgeführt werden. Marktübliche Geräte werden dabei luft- oder wassergekühlt angeboten.

Schliesslich entsteht durch die chemischen und elektrochemischen Reaktionen in einem Brennstoffzellen-Stack Wärme, welche ebenso aus dieser Komponente mit Hilfe einer Kühlvorrichtung abgeführt werden muss.

Aus diesem Grund ist für Brennstoffzellenprüfstände ein externer Kühlwasseranschluss erforderlich. Ein externer Kühlwasserkreislauf bewirkt jedoch einen beträchtlichen Mehraufwand für die jeweilige Laborinfrastruktur.

Aus der DE 199 13 795 C1 ist eine Vorrichtung mit einer Brennkraftmaschine und einem Brennstoffzellensystem bekannt, wobei das Brennstoffzellenaggregat die elektrischen Verbraucher des Fahrzeuges mit elektrischer Energie versorgt. Der für den Betrieb der Brennkraftmaschine und des Brennstoffzellensystems erforderlicher Aufwand wird dadurch reduziert, dass bei beiden Aggregaten eine Reihe von Bauteilen wie Kühler, Abgasanlage und Luftfilter gemeinsam genutzt werden. Weiters kann das Brennstoffzellensystem von den Abgasen aufgeheizt werden, die von der Brennkraftmaschine erzeugt werden.

Aufgabe der Erfindung ist es nun, eine Vorrichtung bzw. ein Verfahren zur Kühlung heisser Prozessgase, die im Betrieb von Brennstoffzellen oder bei der Prüfung von BrennstoffzellenSystemkomponenten, wie beispielsweise Reformer, Misch- und Konditioniersysteme oder Katalysatoren, in einem Brennstoffzellenprüfstand anfallen, derart zu verbessern, dass auf einen externen Kühlwasseranschluss verzichtet werden kann.

Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass die heissen Prozessgase zumindest einer Wärmetauschereinheit zugeführt werden, um die Temperatur im Prozessgas vor dem Eintritt in eine Abzugeinrichtung des Prüfstandes abzusenken, sowie dass die Abwärme der Wärmetauschereinheit mit der in die Abzugeinrichtung einströmenden Umgebungsluft abgeführt wird.

Eine entsprechende Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass im heissen Prozessgasstrom zumindest ein Wärmetauscher angeordnet ist, welcher die Eintrittstemperatur des Prozessgases vor dem Eintritt in eine Abzugeinrichtung absenkt, sowie dass eine Einrichtung zur Kühlung des Wärmetauschers mit Hilfe der in die Abzugeinrichtung einströmenden Umgebungsluft vorgesehen ist.

Beispielsweise kann eine Kühlereinheit in eine Abzughaube (Esse) integriert sein, welche sich unmittelbar oberhalb bzw. auf dem Brennstoffzellenprüfstand befindet, und diese Kühlereinheit mit dem Wärmetauscher der Prozessgase und/oder einer elektronischen Last und/oder einem Wärmetauscher zur Kühlung einer Brennstoffzellen-Komponente mit einem zirkulierenden Kühlmittel in Verbindung gebracht werden (= Primärkühlkreis). Die Kühlereinheit in der Esse wird dabei durch den Volumenstrom der Lüftungsanlage gekühlt (= Sekundärkühlkreis). Voraussetzung dabei ist, dass der Volumenstrom der Lüftungsanlage wesentlich grösser ist als der Volumenstrom der zu kühlenden Prozessgase.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen in schematischen Darstellungen näher erläutert.

Es zeigen Fig. 1 eine Ausführungsvariante der erfindungsgemässen Vorrichtung zur Kühlung heisser Prozessgase, die beim Betrieb von Brennstoffzellen anfallen, Fig. 2 eine Subvariante der Ausführung gemäss Fig. 1, sowie die Fig. 3 und 4 Varianten der Vorrichtung zur Kühlung heisser Prozessgase die bei der Prüfung eines Reformers bzw. der Prüfung eines Misch- und Konditioniersystems für Brennstoffzellen anfallen.

Fig. 1 zeigt in einer ersten Ausführungsvariante der Erfindung einen Brennstoffzellenprüfstand 1 mit einer erfindungsgemässen Vorrichtung zur Kühlung heisser Prozessgase, die beim Betrieb einer Brennstoffzelle oder eines Brennstoffzellen-Stacks 2 anfallen. Die primären Prozessgase für den Betrieb der Brennstoffzelle werden von einer Misch- und Konditioniereinheit 3 mit einstellbaren Werten für Druck, Temperatur und Gaszusammensetzung zur Verfügung gestellt, wobei separate elektrische Heizeinrichtungen 4 für den Brennstoff F und das Oxidationsmittel 0, beispielsweise Luft, vorgesehen sind.

Sowohl an der Anodenseite A als auch an der Kathodenseite K der Brennstoffzelle 2 sind in den heissen Prozessgasströmen 5 jeweils Wärmetauscher 6 angeordnet, welche die Eintrittstemperatur tK' bzw. tA' der Prozessgase in die Abzugeinrichtung 7 des Prüfstandes 1 im Vergleich zu den Austrittstemperaturen tK bzw. tA aus der Brennstoffzelle wirksam absenken (Beispiel für die Temperaturverhältnisse anführen). Die Abzugeinrichtung 7 weist eine Abzughaube bzw. Esse 8 auf, sowie eine Ventilator- oder Saugeinrichtung 9, mit welcher die Prozessgase mit Hilfe der im Überschuss einströmenden Umgebungs- bzw. Laborluft 10 verdünnt und abgeführt werden. Die Ventilator- bzw. Saugeinrichtung 9 kann durch die Laborentlüftung realisiert sein, mehrere Prüfstände zusammenfassen und auch weiter entfernt von den einzelnen Abzughauben angeordnet sein.

Weiters ist es von Vorteil, wenn die Abgase der Abzugeinrichtung einer Wärmerückgewinnung (nicht dargestellt) zugeführt werden. Die rückgewonnene Abwärme kann zur Temperierung der Laborzuluft oder auch zur Vorwärmung der Prozessgase am Prüfstand verwendet werden.

Bei der Ausführungsvariante gemäss Fig. 1 sind die Wärmetauscher 6 als Kühlmittel/GasWärmetauscher ausgeführt und über einen Kühlmittelkreislauf 11mit einer in der Abzugshaube 8 angeordneten Kühlereinheit 12 verbunden. Das im Kühlmittelkreislauf 11 zirkulierende Kühlmittel, beispielsweise Wasser, transportiert die Abwärme der Wärmetauscher 6 in die Kühlereinheit 12, welche durch die mit der Temperatur to einströmende Umgebungsluft 10 gekühlt wird. Durch diese Massnahme gelangen die Prozessgasströme gekühlt und verdünnt in die Abzugseinrichtung, so dass die Abfuhr der Prozessgase ohne Explosionsgefahr gewährleistet ist.

Eine an der Brennstoffzelle angeschlossene elektrische Last 17 oder eine andere zu kühlende Brennstoffzellenkomponente kann über einen Kühlkreislauf 18 (strichpunktiert angedeutet) mit der Kühlereinheit 12 für die Wärmetauscher 6 oder einer separaten Kühlereinheit 12' in der Abzugeinrichtung 7 verbunden sein.

Bei der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsvariante sind die beiden Wärmetauscher 6' als Luft/Gas-Wärmetauscher ausgeführt, welche platzsparend in der Abzugshaube der 8 der Abzugseinrichtung 7 angeordnet sind und direkt von der in die Abzugseinrichtung einströmenden Umgebungsluft 10 gekühlt werden.

Die Ausführungsvariante gemäss Fig. 3 zeigt den Prüfbetrieb eines Reformers 13, welchem aus der Misch- und Konditioniereinheit 3 die erforderlichen Mengen an Brennstoff F und Luft 0 in einer einstellbaren Konditionierung zugeführt werden. Das aus dem Reformer 13 mit einer Temperatur t austretende, heisse Reformat wird im Luft/Gas-Wärmetauscher 6' in der Abzughaube 8 auf eine Temperatur t' abgekühlt und durch die Abzugeinrichtung 7 gefahrlos abgeführt.

Schliesslich kann - wie in Fig. 4 dargestellt - die Misch- und Konditioniereinheit 3 selbst einer Überprüfung unterzogen werden. Die beiden entsprechend konditionierten primären Prozessgasströme (Luft und Brennstoff) werden den Wärmetauschern 6 zugeführt, welche wie in der Ausführung gemäss Fig. 1 über einen Kühlmittelkreislauf 11mit einer Kühlereinheit 12 in Verbindung stehen. Das Kühlmittel wird mit einer Pumpe 16 umgewälzt.

Bei allen Ausführungsvarianten kann in der Abzugseinrichtung 7 ein Katalysator 14 in Strömungsrichtung vor oder nach der Kühlereinheit 12 bzw. des Wärmetauschers 6' angeordnet sein. Von Vorteil ist weiters die Anbringung eines Kondensat- bzw. Wasserabscheiders 15 ausgangseitig der Abzugeinrichtung 7.

Patentansprüche : 1. Verfahren zur Kühlung heisser Prozessgase, die im Betrieb von Brennstoffzellen oder bei der Prüfung von Brennstoffzellen-Systemkomponenten, wie beispielsweise Reformer,
Misch- und Konditioniersysteme oder Katalysatoren, in einem Brennstoffzellenprüfstand anfallen, dadurch gekennzeichnet, dass die heissen Prozessgase zumindest einer Wärme- tauschereinheit zugeführt werden, um die Temperatur im Prozessgas vor dem Eintritt in eine Abzugeinrichtung des Prüfstandes abzusenken, sowie dass die Abwärme der Wärme- tauschereinheit mit der in die Abzugeinrichtung einströmenden Umgebungsluft abgeführt wird.

Claims

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmetauschereinheit als Luft/Gas-Wärmetauscher ausgeführt ist und direkt von der in die Abzugeinrichtung ein- strömenden Umgebungsluft gekühlt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmetauschereinheit als Kühlmittel/Gas-Wärmetauscher ausgeführt ist und dass eine vom Kühlmittel durchströmte Kühlereinheit von der in die Abzugeinrichtung einströmenden Umgebungsluft gekühlt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Umge- bungsluft zur Verdünnung der Prozessgase im Überschuss zugeführt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgase der Abzugeinrichtung einer Wärmerückgewinnung zugeführt werden.

6. Vorrichtung zur Kühlung heisser Prozessgase, die im Betrieb von Brennstoffzellen (2) oder bei der Prüfung von Brennstoffzellen-Systemkomponenten, wie beispielsweise Reformer (13), Misch- und Konditioniersysteme (3) oder Katalysatoren, in einem Brennstoffzellen- prüfstand (1) anfallen, dadurch gekennzeichnet, dass im heissen Prozessgasstrom (5) zu- mindest ein Wärmetauscher (6,6') angeordnet ist, welcher die Eintrittstemperatur des Pro- zessgases vor dem Eintritt in eine Abzugeinrichtung (7) absenkt, sowie dass eine Einrich- tung zur Kühlung des Wärmetauschers mit Hilfe der in die Abzugeinrichtung (7) einströ- menden Umgebungsluft (10) vorgesehen ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher als Luft/Gas-Wärmetauscher (6') ausgeführt ist, welcher in oder eingangsseitig einer Abzug- <Desc/Clms Page number 4> haube (8) der Abzugeinrichtung (7) angeordnet ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher als Kühlmittel/Gas-Wärmetauscher (6) ausgeführt ist, welcher mit einer in der Abzugeinrich- tung (7) angeordneten Kühlereinheit (12) über ein in einem Kühlmittelkreislauf (11) zirkulie- rendes Kühlmittel in Verbindung steht.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine an der Brennstoffzelle (2) angeschlossene elektrische Last (17) oder eine zu kühlende Brennstoffzellenkompo- nente über einen Kühlkreislauf (18) mit einer Kühlereinheit (12, 12') in der Abzugeinrich- tung (7) verbunden ist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass in der Ab- zugeinrichtung (7) ein Katalysator (14) und/oder ein Kondensat- bzw. Wasserabscheider (15) angeordnet ist.