DE10055106A1 - Brennstoffzellensystem - Google Patents
BrennstoffzellensystemInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem mit einem Reservoir für kryogene Medien, einer Brennstoffzelleneinheit mit zumindest einer Brennstoffzelle, wobei die Brennstoffzelleneinheit mit Brennmittel aus dem Reservoir beaufschlagbar ist, und zumindest einem ersten Wärmetauscher in einem Kühlkreislauf zum Kühlen der Brennstoffzelleneinheit, wobei mittels Wärme aus dem ersten Wärmetauscher (3) zumindest mittelbar Brennmittel aus dem Reservoir bereitstellbar ist, wobei ein Heizkreislauf des Reservoirs zum Erwärmen und/oder Verdampfen des kryogenen Mediums über den ersten Wärmetauscher direkt mit dem Kühlkreislauf der Brennstoffzelleneinheit gekoppelt ist.
Description
Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem gemäß dem
Oberbegriff des unabhängigen Anspruchs.
Wasserstoff wird als Brennmittel für Brennstoffzellensysteme
eingesetzt. In der US-A1-5,728,483 ist ein stationäres
Brennstoffzellensystem beschrieben, bei dem Wasserstoff in
flüssiger Form in einem Tank gespeichert wird und zum Betreiben
der Brennstoffzelle verdampft wird. Um Wasserstoffverluste beim
Befüllen des Tanks und Lagern des flüssigen Wasserstoffs zu
verringern, wird ein Wasserstoffspeicher mit einem Wasserstoff-
Absorber eingesetzt, welcher aus dem Flüssigwasserstofftank
entweichendes Wasserstoffgas absorbiert. Der
Wasserstoffabsorber dient als Puffer, um den stark
unterschiedlichen Wasserstoffbedarf der Energieanlage zwischen
Tag- und Nachtbetrieb auszugleichen. Bei Bedarf wird der
Wasserstoffabsorber mit einem Wärmeträgermedium beaufschlagt
und erwärmt, so daß Wasserstoffgas entsteht, welches dann der
Brennstoffzelle zugeführt wird. Das Wärmeträgermedium wird
gleichzeitig zur Kühlung der Brennstoffzelle verwendet.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein
Brennstoffzellensystem anzugeben, welches speziell für mobile
Brennstoffzellenanlagen geeignet ist.
Diese Aufgabe wird bei einem Brennstoffzellensystem mit den
Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Bei einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem ist ein
Heizkreislauf eines Reservoirs für kryogene Medien zum Erwärmen
und/oder Verdampfen des kryogenen Mediums über einen ersten
Wärmetauscher direkt mit einem Kühlkreislauf der
Brennstoffzelleneinheit gekoppelt.
Bevorzugt ist der Wärmetauscher zum Abführen der Abwärme aus
dem Brennstoffzellensystem vorgesehen.
Ein bevorzugtes kryogenes Medium ist flüssiger Wasserstoff.
Der besonderen Vorteil ist darin zu sehen, daß zum Verdampfen
des flüssigen Wasserstoffs bereits die geringe Abwärme einer
Brennstoffzelle mit einer niedrigen Betriebstemperatur
ausreichend ist. Dadurch wird eine günstige Reduzierung der
Systemgröße, des Gewichts und der Kosten des Kühlsystems des
Brennstoffzellensystems erreicht.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus
den weiteren Ansprüchen und der Beschreibung hervor.
Die Erfindung ist nachstehend anhand einer Zeichnung näher
beschrieben, wobei die Figur zeigt
Fig. 1 eine Prinzipdarstellung eines bevorzugten
Brennstoffzellensystems.
In Fig. 1 ist eine Prinzipdarstellung eines bevorzugten
Brennstoffzellensystems dargestellt. Ein Reservoir 1 für ein
kryogenes Medium stellt ein Brennmittel für eine
Brennstoffzelleneinheit 2 bereit. Das Brennmittel entsteht,
indem das kryogene Medium über eine Leitung 13 in einen ersten
Wärmetauscher 3 gelangt und dort erwärmt und/oder verdampft
wird. Das Brennmittel wird dann über eine Leitung 14 in die
Brennstoffzelleneinheit 2 geleitet. Ein bevorzugtes Brennmittel
ist Wasserstoff H2, ein bevorzugtes kryogenes Medium ist
flüssiger Wasserstoff LH2 oder tiefkaltes Wasserstoffgas.
Das Reservoir ist vorzugsweise ein superisolierter und/oder
vakuumisolierter Kryostat, bei dem ein Isoliermantel 1.1 den
Tank mit flüssigem kryogenen Medium 1.2 und gasförmigem Medium
1.3 umgibt. Eine etwaige Isoliermantelung der Leitung 13 vom
Reservoir 1 zum Wärmetauscher 3 ist nicht dargestellt. In der
Leitung 13 und/oder 14 kann noch ein Dosierventil vorhanden
sein, um die Menge des der Brennstoffzelleneinheit 2
zugeführten Brennmittels zu beeinflussen.
Die Brennstoffzelleneinheit 2 weist zumindest eine nicht
dargestellte Brennstoffzelle mit Anodenraum und Kathodenraum
auf, welche durch eine ionenleitende Membran getrennt sind.
Vorzugsweise sind eine Mehrzahl von Brennstoffzellen
vorgesehen, die so elektrisch verschaltet sind, daß sie z. B.
die Antriebsenergie für ein Fahrzeug bereitstellen können.
Bevorzugt ist eine Brennstoffzelleneinheit 2 mit
Brennstoffzellen mit Polymerelektrolytmembran (PEM-
Brennstoffzellen). Die Brennstoffzelleneinheit 2 weist einen
Kühlkreislauf 4, 5, 9 auf. Eine Kühlmittelleitung 5 führt ein
Kühlmedium zu einem zweiten Wärmetauscher 9. Wärmetauscher 9
ist zweckmäßigerweise ein Konvektionswärmetauscher, der Abwärme
aus der Brennstoffzelleneinheit 2 abführt und z. B. mit einen
Lüfter 10 gekühlt wird. Der Wärmetauscher 9 kann auch ein
Strahlungswärmetauscher sein. Das Kühlmedium wird mit einer
Pumpe P umgewälzt und vom Wärmetauscher 9 aus über Leitung 4
zur Brennstoffzelleneinheit 2 zurückgeführt. Als günstiges
Kühlmedium wird Wasser verwendet oder ein Wasser/Glykol-Gemisch
mit ausreichend geringem elektrischem Leitwert. Besonders
günstig ist dabei der niedrige Gefrierpunkt, der deutlich
unterhalb von 0°C liegt, z. B. bei -35°C.
Parallel zum Kühlkreislauf 4, 5, 9 der Brennstoffzelleneinheit
wird ein weiterer Kreislauf 6, 7, 8 angekoppelt und mit
demselben Kühlmedium versorgt. Das Kühlmedium der
Brennstoffzelleneinheit 2 stellt nunmehr jedoch das Heizmedium
des Wärmetauschers 3 dar, der im Strömungsweg des Kühlmediums
in diesem Heizkreislauf 6, 7, 8 angeordnet ist. Die Temperatur
des Kühlmediums der Brennstoffzelleneinheit 2 ist zumindest im
Normalbetrieb ausreichend, um den flüssigen Wasserstoff zu
erwärmen und zu verdampfen.
Im Strömungsweg des Heizkreislaufs 6, 7, 8 kann noch ein
Kondensatkühler 12 angeordnet sein, welcher z. B. zur
Wasserabscheidung aus Brennstoffzellenabgas eingesetzt werden
kann.
Weiterhin ist im Heizkreislauf 6, 7, 8 günstigerweise eine
Kühleinrichtung 11 angeordnet, welche zur Kühlung der
Komponenten und Leistungselektronik des Brennstoffzellensystems
vorgesehen ist. Der Vorteil ist, daß zum Kühlen der
Brennstoffzelleneinheit 2, der Elektronik des
Brennstoffzellensystems und zum Heizen des Wärmetauschers 3 ein
einziger Kreislauf, der sich aus dem Kühlkreislauf 4, 5, 9 und
dem Heizkreislauf 6, 7, 8 zusammensetzt, und ein einziges
Kühlmedium ausreichend ist. Der Kühl/Heizkreislauf 6, 7, 8, 4,
5, 9 erlaubt eine sehr kompakte Anordnung. Der Wärmehaushalt
des Systems kann sehr günstig beeinflußt werden. Besonders in
einem mobilen Brennstoffzellensystem sind hohe Anforderungen an
Kompaktheit und Gewicht des Systems gestellt.
Üblicherweise müssen für PEM-Brennstoffzellensysteme, die bei
niedrigen Betriebstemperaturen unter 100°C arbeiten, die aber
hohe Umgebungstemperaturen von bis zu 40°C tolerieren müssen,
aufwendige und schwere Kühleinrichtungen vorgesehen sein.
Besonders in komplexen Brennstoffzellensystemen, etwa in
Brennstoffzellenfahrzeugen, fallen große Mengen an Abwärme auf
engem Raum an, z. B. von Leistungselektronik,
Wasserwiedergewinnung, Brennstoffzellenkühlung, Antriebskühlung
etc., die gleichzeitig zuverlässig abgeführt werden müssen. Die
erfindungsgemäße Anordnung erlaubt eine sehr vorteilhafte
Kombination der Anforderungen an eine Wärmeabfuhr aus dem
Brennstoffzellensystem mit den Anforderungen an die Erwärmung
bzw. das Verdampfen eines kryogenen Mediums. Das Verdampfen
etwa von flüssigem Wasserstoff erfordert Energie. Das
Zusammenführen der Wärmeabfuhr aus dem Brennstoffzellensystem
und dem Brennstoffzellenfahrzeug mit dem Wärmebedarf der
Verdampfung von flüssigem Wasserstoff vereinfacht den
Wärmehaushalt und das Kühlsystem des Brennstoffzellensystems.
Besonders günstig ist, daß bereits das niedrige
Temperaturniveau der PEM-Brennstoffzellenabwärme für das
Verdampfen des Wasserstoffs genutzt werden kann. Mit der
erfindungsgemäßen Vorrichtung kann in einem
Brennstoffzellenfahrzeug mit einem Tank mit flüssigem
Wasserstoff ein merklicher Anteil von bis zu 25% der insgesamt
anfallenden Abwärme zur Verdampfung von flüssigem Wasserstoff
verwendet werden.
Günstig ist auch, statt der üblichen voluminösen Rohrbündel-
Verdampfer zum Verdampfen des kryogenen Mediums kompakte
Wärmetauscher zu verwenden, bevorzugt Plattenwärmetauscher.
Claims (7)
1. Brennstoffzellensystem mit einem Reservoir (1) für
kryogene Medien, einer Brennstoffzelleneinheit (2) mit
zumindest einer Brennstoffzelle, wobei die
Brennstoffzelleneinheit (2) mit Brennmittel (H2) aus dem
Reservoir (1) beaufschlagbar ist, und zumindest einem ersten
Wärmetauscher (3) in einem Kühlkreislauf (4, 5, 9) zum Kühlen
der Brennstoffzelleneinheit (2), wobei mittels Wärme aus dem
ersten Wärmetauscher (3) zumindest mittelbar Brennmittel (H2)
aus dem Reservoir (1) bereitstellbar ist,
dadurch gekennzeichnet,
daß ein Heizkreislauf (6, 7, 8) des Reservoirs (1) zum Erwärmen
und/oder Verdampfen des kryogenen Mediums (H2) über den ersten
Wärmetauscher (3) direkt mit dem Kühlkreislauf (4, 5, 9) der
Brennstoffzelleneinheit (2) gekoppelt ist.
2. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß im Heizkreislauf (6, 7, 8) des Reservoirs (1) eine
Kühlvorrichtung (11) für Leistungselektronik des
Brennstoffzellensystems angeordnet ist.
3. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß im Heizkreislauf (6, 7, 8) des Reservoirs (1) ein
Kondensatkühler (12) zum Auskondensieren eines Mediums des
Brennstoffzellensystems angeordnet ist.
4. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß im Kühlkreislauf (4, 5, 9) der Brennstoffzelleneinheit (2)
ein zweiter Wärmetauscher (9) als Strahlungswärmetauscher oder
Konvektionswärmetauscher angeordnet ist.
5. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß als erster Wärmetauscher (3) zum Erwärmen und/oder
Verdampfen des kryogenen Mediums (H2) ein Plattenwärmetauscher
vorgesehen ist.
6. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß das kryogenen Medium (H2) flüssiger Wasserstoff ist.
7. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Brennstoffzelleneinheit (2) eine PEM-Brennstoffzelle
aufweist.
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