DE10055106B4 - Brennstoffzellensystem - Google Patents

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Abstract

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.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • Wasserstoff wird als Brennmittel für Brennstoffzellensysteme eingesetzt. In der gattungsbildenden US 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 Wasserstoffabsorber 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.
  • Aus der DE 39 07 819 A1 , der DE 30 14 464 C2 und der US 5,900,330 sind Brennstoffzellensysteme bekannt, bei welchen Wasserstoff als Brennmittel in Form von Metallhydriden in einem Hydridspeicher gespeichert wird. Bei Bedarf wird dem Hydridspeicher Wärme zugeführt, so dass das Metallhydrid in das Metall und den Wasserstoff zerfällt, welcher dann in einer Brennstoffzelle verwendet werden kann. Diese Dokumente schlagen vor, die Abwärme der Brennstoffzelle zur Gewinnung von Wasserstoff aus dem Metallhydrid zu nutzen.
  • Aus der EP 0 741 428 A1 ist ferner ein Brennstoffzellensystem bekannt, bei welchem das Brennmittel in Form von flüssigem Wasserstoff in einem Drucktank gespeichert wird und vermittels eines Wärmetauschers vor der Zuführung zu einer Brennstoffzelle in den gasförmigen Zustand umgewandelt wird. Der Wärmetauscher wird mit einem wärmetragenden Fluid aus einem Fluidkreislauf gespeist. Separat von diesem Fluidkreislauf ist ein Kühlfluid führender Kühlkreislauf zur Kühlung der Brennstoffzelle ausgebildet. Die beiden voneinander getrennten Fluidkreisläufe stehen über einem weiteren Wärmetauscher indirekt miteinander in Verbindung.
  • Aus der DE 198 49 766 C1 geht ein Speicherbehälter hervor, der Wasserstoff kryogen speichert. Im Inneren des Gehäuses befindet sich eine Heizvorrichtung, mit deren Hilfe ein Teil der Flüssigkeit verdampft werden kann. Der gasförmige Wasserstoff wird über eine Leitung in eine Brennstoffzelle eingespeist.
  • In der DE 43 27 261 C1 wird ein Brennstoffzellensystem mit zwei Kühlkreisläufen offenbart, die über eine Bypassleitung miteinander verbunden sind. In der Kühlanordnung werden weitere Aggregate und Kühlmittelkreisläufe integriert.
    •
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Brennstoffzellensystem anzugeben, welches einfach ausgebildet und 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
  • 1 eine Prinzipdarstellung eines bevorzugten Brennstoffzellensystems.
    •
  • In 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 kryogene Medium (H2) flüssiger Wasserstoff ist.
  7. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennstoffzelleneinheit (2) eine PEM-Brennstoffzelle aufweist.
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