DE10065304A1 - Verfahren zur Wärmeisolierung bei einer für den mobilen Einsatz vorgesehenen Brennstoffzellenanlage und zugehörige Brennstoffzellenanlage - Google Patents

Verfahren zur Wärmeisolierung bei einer für den mobilen Einsatz vorgesehenen Brennstoffzellenanlage und zugehörige Brennstoffzellenanlage

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Abstract

Für den praktischen Einsatz von Brennstoffzellenanlagen in Kraftfahrzeugen ist ein reibungsloser Betrieb bei unterschiedlichen Randbedingungen erforderlich. Dazu wird vorgeschlagen, unter variierenden Lastbedingungen die Betriebstemperatur der Brennstoffzelleneinheit zu vergleichmäßigen. Dazu ist der Brennstoffzelleneinheit (10, 20) im Fahrzeug (1) ein Latent-Wärmespeicher (50) vorgeschaltet.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Wärmeisolierung bei einer für den mobilen Einsatz vorgesehenen Brennstoffzellenanlage, mit wenigstens einer Brennstoffzelleneinheit. Daneben bezieht sich die Erfindung auch auf die zugehörige Brennstoffzellenanlage für ein Fahrzeug, insbesondere Kraftfahrzeug.
Brennstoffzellenanlagen zur Energieversorgung von elektro­ motorischen Antrieben bei Kraftfahrzeugen sind in vielerlei Ausgestaltungen bekannt. Gemeinsam ist diesen unterschied­ lichen Brennstoffzellenanlagen die chemische Reaktion von Wasserstoff mit Sauerstoff unter Bildung von Wasser. Aller­ dings kann gasförmiger Wasserstoff nicht in für längeren Fahrbetrieb ausreichender Menge an Bord gespeichert werden.
Beispielsweise die mit einer protonenleitfähigen Membran arbeitende PEM-Brennstoffzelle (Polymer Electrolyte Membrane, Proton Exchange Membrane) arbeitet mit Benzin, Methanol oder anderen höheren Kohlenwasserstoffen als Brennstoff, aus dem mittels eines Reformers wasserstoffreiches Brenngas gewonnen wird, und mit Sauerstoff aus der Umgebungsluft. Speziell die bei höheren Temperaturen betriebene HT-PEM-Brennstoffzelle ist dabei an sich unempfindlich gegen Verunreinigungen, was insbesondere für das Brenngas gilt. Das Oxidans wird aus der Umgebungsluft gewonnen, wobei im Prinzip von normaler Umge­ bungsluft ausgegangen wird, welche beispielsweise bei einem Fahrzeug dem Fahrtwind entnommen werden kann.
Problematisch ist bei der Verwendung von Brennstoffzellenan­ lagen als Energiequelle für elektromotorisch angetriebene Fahrzeuge ist der Betrieb unter unterschiedlichen Randbedingungen. Nach dem Kaltstart soll schnellstmöglich ein ein Vollastbetrieb und/oer ein Betrieb unter variierenden Last­ bedingungen möglich sein.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren anzugeben, mit dem der Wärmehaushalt der Brennstoffzellen verbessert wird und eine zugehörige Brennstoffzellenanlage zu schaffen.
Die Aufgabe ist erfindungsgemäß bei einem Verfahren der ein­ gangs genannten Art durch die Maßnahmen des Patentanspruches 1 gelöst. Eine zugehörige Brennstoffzellenanlage ist Gegen­ stand des Patentanspruches 6. Weiterbildungen des Verfahrens bzw. der zugehörigen Brennstoffzellenanlage sind in den je­ weils abhängigen Ansprüchen angegeben.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren werden unter variierenden Lastbedingungen die Betriebstemperatur der Brennstoffzellen­ module vergleichmäßigt. Insbesondere während des Betriebes der Brennstoffzellenmodule zur Energieversorgung des Antriebes in einem Kraftfahrzeug werden durch eine Wärmeisolierung unerwünschte Temperaturschwankungen, die den Wirkungsgrad der Anlage beeinträchtigen können, ausgeglichen.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben der Brennstoffzellenanlage ist der Brennstoffzellenmodul im Fahrzeug ein Latent-Wärmespeicher vorgeschaltet. Der Latent- Wärmespeicher führt dabei im dynamischen Fahrbetrieb Energie zu oder ab. Im Einzelnen werden dazu Prozessgase oder aber auch ein Kühlmedium durch den Latent-Wärmespeicher geleitet.
Bei der Erfindung kann der Latent-Wärmespeicher mit anderen bereits vorhandenen Einheiten kombiniert sein. Insbesondere kann der Wärmespeicher mit einem Luftfilter oder auch mit anderen Wärmetauschern eine Baueinheit bilden. Der Latent- Wärmespeicher kann aber auch bereits Teil des als sogenanntes Stack ausgebildeten Brennstoffzellenmoduls sein.
Im Rahmen der Erfindung ist die Anlage dann besonders vorteilhaft, wenn das Brennstoffzellenmodul PEM- bzw. HT-PEM- Brennstoffzellen enthält.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung in Verbindung mit weiteren Patentansprüchen. Es zeigen
Fig. 1 ein Kraftfahrzeug mit einer integrierten Brennstoffzellenanlage und
Fig. 2 ein Brennstoffzellenmodul mit einem Latent- Wärmespeicher.
In der Fig. 1 ist ein Kraftfahrzeug (KFZ) mit 1 bezeichnet, dessen elektromotorischer Antrieb 3 durch eine bekannte Brennstoffzellenanlage, die hier nicht im Einzelnen beschrieben wird, versorgt wird. Die Brennstoffzellenanlage besteht im Wesentlichen aus einem Brennstoffzellenmodul 10 und entsprechenden Nebenaggregaten, die ebenfalls in der Fig. 1 nicht im Einzelnen dargestellt sind. Zumindest das Brennstoffzellenmodul 10 muss so am Fahrzeug positioniert sein, dass es in geeigneter Weise mit Luft versorgt wird. Dafür kann vorteilhafterweise Fahrtwind, der bei der Fahr­ zeugbewegung entsteht, eingesetzt werden.
Für die Brennstoffzellenanlage werden solche Brennstoffzellen verwendet, die mit einem festen Elektrolyten arbeiten und als PEM(Polymer Electrolyt Membrane)-Brennstoffzellen bezeichnet werden. Derartige Brennstoffzellen sind vom Stand der Technik bekannt, wobei vorteilhafterweise für den mobilen Einsatz solche Brennstoffzellen bei höheren Temperaturen als bisher beschrieben betrieben werden. Für den Betrieb von HT-PEM- Brennstoffzellen werden Arbeitstemperaturen zwischen 80 und 300°C, insbesondere aber im Bereich von 120 bis 200°C, angewandt.
Ein Brennstoffzellenmodul 10 mit HT-PEM-Brennstoffzellen kann flach ausgebildet sein. Im Einzelnen ist eine Vielzahl von Brennstoffzellen gestapelt, so dass man in diesem Fall von einem Flächenstack spricht. Ein solches Flächenstack, kurz Stack genannt, ist vorteilhafterweise unter dem Wagenboden 2 in einem mit einem Unterboden 2' gebildeten freien Raum oder - wenn es sich nicht um einen Personenwagen, sondern um einen Lastwagen oder Omnibus handelt - auch vorteilhafterweise auf dem Dach des Fahrzeuges angebracht. Damit ist gewährleistet, dass der Fahrtwind in geeigneter Weise zu den Brennstoffzel­ len gelangt.
In Fig. 2 ist ein solches Brennstoffzellenmodul 10 darge­ stellt, das aus einzelnen PEM-Brennstoffzellen besteht, die zusammen den sogenannten Flächenstack bilden. Einem solchen Stack wird als Brennstoff in einem Reformer aus einem flüssigen Brennstoff, wie beispielsweise Benzin oder Methanol, durch Reformierung an Bord des KFZ 1 erzeugter Wasserstoff oder wasserstoffreiches Gas als Brenngas und weiterhin Umgebungsluft als Oxidans zugeführt.
Zum Ausgleich der Betriebstemperatur des Flächenstacks unter variierenden Lastbedingungen ist in Fig. 2 der Brennstoffzellenmodul 10 ein Latent-Wärmespeicher 50 zugeordnet bzw. parallelgeschaltet. Der Latent-Wärmespeicher 50 führt im dynamischen Fahrbetrieb des Kraftfahrzeuges dem Brennstoffzellenmodul 10 Energie zu oder ab. Dafür werden durch den Latent-Wärmespeicher 50 eines oder mehrere der Prozessgase geleitet. Ebenfalls kann auch das Kühlmedium durch den Latent-Wärmespeicher 50 geleitet werden.
Für letzteren Zweck ist das Brennstoffzellenmodul 20 in eine großvolumige Wärmedämmschicht 20 eingebettet, so dass eine thermische Isolierung gewährleistet ist. Gleichermaßen umschließt die Wärmedämmschicht 20 einen dem Brennstoffzel­ lenmodul 10 vorgeschalteten Luftfilter 40, so dass sich mit dem Brennstoffzellenmodul 20 eine kompakte Einheit ergibt.
Der Latentwärmespeicher 50 ist mit dem thermisch isolierten Brennstoffzellenmodul 10 über einen Wärmetauscher 30 thermisch gekoppelt.
Sofern in der Brennstoffzellenanlage ein Luftfilter oder ein Wärmetauscher vorhanden ist, kann dort der Latent-Wärmespei­ cher 50 integriert sein. Es ist aber auch möglich, dass der Latent-Wärmespeicher 50 direkt Teil des Brennstoffzellenmo­ duls 20 ist. In diesem Fall empfiehlt es sich, alle Brenn­ stoffzellenmodule komplett zu isolieren, womit in einfacher Weise auch bei Wechselbetrieb des Fahrzeuges die geforderte Betriebstemperatur eingehalten wird.
Es hat sich gezeigt, dass sich durch den anhand Fig. 2 beschriebenen Aufbau eine Verbesserung des Wirkungsgrades von als Energiequellen genutzten Brennstoffzellenanlagen möglich ist. Dies ist insbesondere bei der Verwendung einer PEM- oder auch HT-PEM-Brennstoffzellenanlage von praktischer Bedeutung.

Claims (15)

1. Verfahren zur Wärmeisolierung bei einer für den mobilen Einsatz vorgesehen Brennstoffzellenanlage, mit wenigstens einem Brennstoffzellenmodul, dadurch gekennzeichnet, dass unter variierenden Lastbedingungen die Betriebstemperatur des Brennstoffzellen­ moduls vergleichmäßigt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die Wärmeisolierung während des Betriebes des Brennstoffzellenmoduls in einem Fahrzeug erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass im mobilen Einsatz Spit­ zen von Temperaturschwankungen abgepuffert werden.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, dass gespeicherte Überschussenergie zum Aufheizen des Brennstoffzellenmoduls auf Betriebstemperatur verwendet wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, dass mit PEM- Brennstoffzellen, insbesondere HT-PEM-Brennstoffzellen, gearbeitet wird.
6. Brennstoffzellenanlage für einen mobiles Einsatz, insbesondere bei einem Kraftfahrzeug, unter Anwendung des Verfahrens gemäß Patentanspruch 1 oder einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass dem Brennstoffzellenmodul (10) ein Latent-Wärmespeicher (50) im Fahrzeug (1) zugeordnet ist.
7. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Latent-Wärmespeicher (SO) im dynamischen Fahrbetrieb des Kraftfahrzeuges (1) Energie zu- oder abführt.
8. Brennstoffzellenanlage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass eines oder mehrere der Prozessgase durch den Latent-Wärmespeicher (50) geleitet werden.
9. Brennstoffzellenanlage nach Anspruch 7 und 8, da­ durch gekennzeichnet, dass durch den Latent-Wärmespeicher (50) ein Kühlmedium geleitet wird.
10. Brennstoffzellenanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Latent-Wärmespeicher (50) mit einem Luftfilter (40) kombiniert ist.
11. Brennstoffzelleanlage nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Latent-Wärmespeicher (50) mit einem Wärmeaustauscher (30) kombiniert ist.
12. Brennstoffzellenanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Latent-Wärmespeicher (50) mit dem Brennstoffzellenmodul (10) eine integrierte Einheit bildet.
13. Brennstoffzellenanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet dass das Brennstoffzellenmodul (10) komplett wärmeisoliert ist, wodurch auch bei Betrieb des Fahrzeuges (1) die Betriebstemperatur eingehalten wird.
14. Brennstoffzellenanlage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Brennstoffzellen­ modul (10) PEM-Brennstoffzellen enthält.
15. Brennstoffzellenanlage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Brennstoffzellen­ modul (10) HT-PEM-Brennstoffzellen enthält.
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