DE10151520A1

DE10151520A1 - Methode zur Einhaltung der Wasserbilanz in einem Brennstoffzellensystem

Info

Publication number: DE10151520A1
Application number: DE10151520A
Authority: DE
Inventors: Uwe Griesmeier
Original assignee: Ballard Power Systems AG; Siemens VDO Electric Drives Inc
Current assignee: Mercedes Benz Fuel Cell GmbH
Priority date: 2001-10-18
Filing date: 2001-10-18
Publication date: 2003-05-08
Also published as: US20030091874A1

Abstract

Ein Verfahren dient zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems mit wenigstens einer Brennstoffzelle. Das Brennstoffzellensystem wird bei einem Druck betrieben, welcher größer oder gleich dem Umgebungsluftdruck ist. Der Druck in dem Brennstoffzellensystem wird in Abhängigkeit einer Umgebungstemperatur des Brennstoffzellensystem variiert.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems mit wenigstens einer Brennstoffzelle nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.

Bei Brennstoffzellensystemen ist allgemein bekannt, daß zum Betreiben des Brennstoffzellensystems Wasser benötigt wird. Bei gasbetriebenen Brennstoffzellensystemen wird dieses Wasser beispielsweise verwendet um bei PEM-Brennstoffzellen die Membranen zu befeuchten. Insbesondere jedoch bei Brennstoffzellensystemen, welche ein Gaserzeugungssystem beinhalten, in welchem aus einem kohlenstoff- und wasserstoffhaltigen flüssigen Ausgangsstoff ein wasserstoffhaltiges Gas hergestellt wird, werden größere Mengen an Wasser benötigt. Um ein Nachtanken zu vermeiden ist hier naheliegend, daß bei der Umsetzung des wasserstoffhaltigen Gases mit einem sauerstoffhaltigen Medium in der Brennstoffzeile anfallende Wasser zu nutzen.

Probleme bereitet hier insbesondere die Tatsache, daß das Wasser in den Abgasen der Brennstoffzelle im allgemeinen dampfförmig vorliegt und daß dieses auskondensiert werden muß, um einem Vorratsbehälter wieder flüssig zur Verfügung gestellt zu werden.

Die WO 00/39874 beschreibt im Rahmen eines Brennstoffzellenkraftwerks eine Vorrichtung zum Auskondensieren von Wasser aus den Abgasen einer Brennstoffzelle. Dabei ist vorgesehen, daß unter bestimmten Betriebsbedingungen die Brennstoffzellenabgase über einen Verdichter in ihrem Druckniveau erhöht werden. Damit verändert sich der Taupunkt des Wassers in dem Brennstoffzellenabgas entsprechend der Umgebungsbedingungen und es läßt sich somit eine höhere Menge an Wasser aus dem Brennstoffzellenabgas auskondensieren. Dieses Wasser wird in der durch die oben genannte Schrift der beschriebenen Vorrichtung einem Kühlmittelvorratsbehälter zugeführt. Es strömt dann wieder in einen Wasserkreislauf ein, welcher zur Kühlung und Wasserversorgung der Anlage genutzt wird.

Ein derartiger Aufbau weist jedoch den Nachteil auf, daß er aufgrund des zusätzlichen Verdichters vergleichsweise aufwendig ist, einen großen Bauraum benötigt und ein vergleichsweise hohes Gewicht aufweist. Insbesondere für Anwendungen im mobilen Bereich, z. B. bei Brennstoffzellensystemen in Kraftfahrzeugen, ist ein derartiger Aufbau daher nur unter erheblichen Nachteilen nutzbar.

Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems bereitzustellen, welches bei minimalen Wirkungsgradverlusten einen Betrieb des Brennstoffzellensystems erlaubt, bei welchem auf ein Zutanken von Wasser verzichtet werden kann.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst.

Durch die Regelung des Drucks in dem Brennstoffzellensystem in Abhängigkeit einer Umgebungstemperatur läßt sich mit minimalem vorrichtungsgemäßen Aufwand, minimalem Platz- und Gewichtsbedarf ein System realisieren, bei dem der Systemdruck der Außentemperatur angepaßt wird. Der Taupunkt läßt sich dann durch die Regelung kontinuierlich den erreichbaren Temperaturen in dem Bereich von Kondensatoren anpassen, in welchen das in dem Brennstoffzellenabgas enthaltene Wasser auskondensiert.

Ein weiterer Vorteil der oben genannten Erfindung liegt darin, daß der Druck in dem Brennstoffzellensystem nur dann erhöht werden muß, wenn das Brennstoffzellensystem ansonsten die Wasserbalance verlassen würde. Unter der Wasserbalance ist dabei der ausgeglichene Wasserhaushalt zu verstehen, welcher dafür sorgt, daß kein Wasser aus externen Quellen in das Brennstoffzellensystem nachgefüllt werden muß.

Aufgrund des unmittelbaren Zusammenhangs zwischen der Umgebungstemperatur des Brennstoffzellensystems und der zu erreichenden Kondensationstemperatur ist frühzeitig bekannt, wann zu wenig Wasser auskondensiert wird. Damit kann, wenn das System droht die Wasserbalance zu verlassen, bereits sehr frühzeitig reagiert werden und nicht erst dann, wenn ein Füllstandssensor in einem Wassertank anspricht. Aus dieser Tatsache ergibt sich der Vorteil, daß sich ein entsprechender Wassertank sehr viel kleiner ausführen läßt, als dies im Fall einer Reaktion erst nach dem Ansprechen eines Füllstandssensors im Wassertank möglich wäre.

Durch den kleineren Wassertank ergeben sich wiederum Gewinne an Bauraum sowie eine Gewichtseinsparung. Diese Tatsachen sind dabei insbesondere dann von Vorteil, wenn es sich bei dem Brennstoffzellensystem um ein Brennstoffzellensystem in einem Kraftfahrzeug handelt.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie aus den anhand der Zeichnung nachfolgend dargestellten Ausführungsbeispielen.
Es zeigt:
Fig. 1 eine erste Ausführungsform einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens; und
Fig. 2 eine weitere Ausführungsform einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
In Fig. 1 ist ein Teil eines Brennstoffzellensystems 1 erkennbar, wobei insbesondere eine Brennstoffzelle 2 dargestellt wurde, während auf weitere an sich bekannte Peripheriegeräte, Gaserzeugungssysteme und dergleichen aus Gründen der Übersichtlichkeit weitgehend verzichtet wurde. Diese zählen jedoch, sofern sie vorhanden sind auch in der Gesamtheit zu dem Brennstoffzellensystem 1.
Bei der Brennstoffzelle 2 könnte es sich in dem hier dargestellten Fall um eine PEM-Brennstoffzelle handeln, so daß ein Anodenraum 3 von einem Kathodenraum 4 durch eine Membran 5 getrennt ist.
Die Abgase aus dem Anodenraum 3 und dem Kathodenraum 4 werden zusammengeführt und gelangen in der Darstellung gemäß Fig. 1 dann in einen Kondensator 6, in welchem das in ihnen enthaltene dampfförmige Wasser auskondensiert und abgeschieden wird. Das abgeschiedene Wasser gelangt dann über ein Leitungselement 7 in einen Wassertank 8 und kann von dort über ein prinzipmäßig angedeutetes Leitungselement 9, welches gegebenenfalls mit einer Fördereinrichtung oder dergleichen versehen sein kann, dem Brennstoffzellensystem 1 wieder zur Verfügung gestellt werden, beispielsweise zu Aufgaben der Befeuchtung, der Aufbereitung von kohlenstoff- und wasserstoffhaltigen Ausgangsstoffen zu wasserstoffhaltigem Gas oder dergleichen.
Die Abgase mit dem auskondensierten Wasser gelangen über ein weiteres Leitungselement 10 und eine Druckhalteeinrichtung 11, welche beispielsweise als Druckhalteventil ausgebildet ist, in einen katalytischen Brenner 12. In dem katalytischen Brenner werden die in den Abgasen enthaltenen verwertbaren Reste der Abgase umgesetzt, die entstehende Wärme kann wieder dem Brennstoffzellensystem 1, beispielsweise zur Erzeugung des wasserstoffhaltigen Gases, zugeführt werden.
Als Besonderheit weist das Brennstoffzellensystem 1 nun einen Temperatursensor 13 auf, welcher die Umgebungstemperatur T des Brennstoffzellensystems 1 ermittelt. Die Steuerung der Druckhalteeinrichtung 11, erfolgt in Abhängigkeit dieser Umgebungstemperatur T.
Ein einfacher und effektiver Aufbau des Brennstoffzellensystems 1 entsteht, wenn als Druckhalteeinrichtung 11 ein Druckhalteventil eingesetzt wird. Es sind jedoch auch andere Möglichkeiten denkbar, beispielsweise Expander gegebenenfalls mit variabler Turbinengeometrie oder dergleichen, um den Druck in dem Brennstoffzellensystem 1 dem jeweils gewünschten Bereich in Abhängigkeit der Umgebungstemperatur T zu halten.
Wie bereits erwähnt, wird über den Temperatursensor 13 die Umgebungstemperatur T ermittelt. Da die erreichbaren Temperaturen im Bereich des Kondensators 6 mittelbar von dieser Umgebungstemperatur, beispielsweise der Außentemperatur eines Kraftfahrzeugs, falls das Brennstoffzellensystem 1 in einem solchen eingesetzt wird, abhängen, läßt sich so der Taupunkt der Brennstoffzellenabgase über eine Veränderung des Drucks in dem Brennstoffzellensystem 1 kontinuierlich diesen zu erreichenden Kondensatortemperaturen anpassen. Damit läßt sich eine sehr effizientere Kondensation des in den Brennstoffzellenabgasen enthaltenen Wassers realisieren, wodurch eine Wasserbalance in dem Brennstoffzellensystem 1 sichergestellt werden kann, ohne daß ein Nachtanken oder dergleichen erforderlich wäre.
Im allgemeinen wird mit steigender Umgebungstemperatur T eine Erhöhung des Systemdrucks verbunden sein, so daß bei den entsprechenden höheren Druckwerten auch bei höheren Temperaturen im Bereich des Kondensators 6 eine ausreichende Menge an Wasser aus dem Gas der Brennstoffzelle 2 auskondensiert.
Der Aufbau gemäß Fig. 1 zeigt dabei ein Brennstoffzellensystem 1 wie es sicherlich in einem Kraftfahrzeug, zusammen mit einem Gaserzeugungssystem, zu bevorzugen wäre. Der Aufbau ist einfach und kompakt und die im Bereich des Kondensators 6 zu erbringende Kühlleistung muß nicht allzu hoch sein, da der zusätzlich Wärme erzeugende Katbrenner 12 erst nach dem Kondensator 6 bzw. nach der Druckhalteeinrichtung 11 angeordnet ist.
Fig. 2 zeigt nun einen vergleichbaren Aufbau. Hier ist lediglich der Katbrenner 12 zwischen dem Kondensator 6 und der Brennstoffzelle 2 angeordnet. Dieser Aufbau, welcher eine höhere Kühlleistung im Bereich des Kondensators 6 erfordert, wäre beispielsweise beim Einsatz in einem Blockheizkraftwerk oder dergleichen zu bevorzugen, da sich die höheren Kühlleistungen im Bereich des Kondensators 6 hier durch Gebläseanlagen oder dergleichen realisieren lassen, da Bauraum und Gewicht, im Gegensatz zu dem oben genannten Ausführungsbeispiel für ein Kraftfahrzeug, eine untergeordnete Rolle spielen.
Es ist auch möglich, die Vorrichtung zu auszugestalten, daß die Abgase der Brennstoffzelle nicht zusammengeführt werden, sondern Kathoden- und Anodenabgas in zwei getrennten Strängen zur Druckhalteeinrichtung 11 geführt werden. Bevorzugt wird dann in jedem Abgasstrang ein Kondensator 6 vorgesehen, was sicherheitstechnische Vorteile bietet.

Claims

1. Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems mit wenigstens einer Brennstoffzelle, welches bei einem Druck größer oder gleich dem Umgebungsluftdruck betrieben wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck in dem Brennstoffzellensystem (1) in Abhängigkeit einer Umgebungstemperatur (T) des Brennstoffzellensystems (1) variiert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck in dem Brennstoffzellensystem (1) mit steigender Umgebungstemperatur (T) erhöht wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß Abgase der Brennstoffzelle (2) zusammengeführt werden, und nach einem Kondensator (6) über eine Druckhalteeinrichtung (11) zu einem katalytischen Brenner (12) weitergeleitet werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß Abgase der Brennstoffzelle (2) zusammengeführt werden und in Strömungsrichtung nach einem katalytischen Brenner (12), einem Kondensator (6) und einer Druckhalteeinrichtung (11) in die Umgebung abgegeben werden.

5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckhalteeinrichtung (11) zum Einstellen des Drucks in dem Brennstoffzellensystem (1) genutzt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 3, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Kondensator (6) abgeschiedenes Wasser einem Wasservorratstank (8) zur Deckung des Wasserbedarfs in dem Brennstoffzellensystem (1) zugeführt wird.

7. Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6 in einem Brennstoffzellensystem (1) mit einem Gaserzeugungssystem in einem Kraftfahrzeug.

8. Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6 in einem als Blockheizkraftwerk genutzten Brennstoffzellensystem (1).