DE10152311A1

DE10152311A1 - Brennstoffzellensystem mit einer Brennstoffzellenabgas-Wasserrückgewinnungseinrichtung

Info

Publication number: DE10152311A1
Application number: DE10152311A
Authority: DE
Inventors: Rene Van Doorn; Jens Arik Almkermann; Immanuel Kutschera
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2001-10-26
Filing date: 2001-10-26
Publication date: 2003-05-15
Also published as: WO2003052853A3; WO2003052853A2

Abstract

Das Brennstoffzellensystem (10) ist insbesondere zum Einsatz in einem Kraftfahrzeug vorgesehen und enthält eine Brennstoffzellenabgas-Wasserrückgewinnungseinrichtung (12). Hierbei ist vorgesehen, dass die Wasserrückgewinnungseinrichtung (12) einen Brennstoffzellenabgas-Wärmetauscher (14) aufweist zur Erzielung eines Wärmeübergangs zwischen zwei Brennstoffzellenabgasströmen (16, 18) unterschiedlicher Temperatur.

Description

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, mit einer Brennstoffzellenabgas-Wasserrückgewinnungseinrichtung, gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.
Brennstoffzellensysteme der eingangs genannten Art sind bereits bekannt. Dabei ist bei derartigen Systemen eine hinreichende Wasserversorgung sicherzustellen. Bei Einsatz von Polymerelektrolyt-Membranen sind selbige zur Gewährleistung eines korrekten Protonenleitmechanismus mit Wasser zu befeuchten. Ferner kann ein Bedarf an Wasserdampf zur Kraftstoffreformierung auftreten, falls zum Betreiben des Brennstoffzellensystems nicht reiner Wasserstoff sondern Kohlenwasserstoffe eingesetzt werden. Dabei ist in bekannter Weise eine Brennstoffzellenabgas-Wasserrückgewinnungseinrichtung vorgesehen, um einen möglichst geschlossenen Wasserhaushalt im Brennstoffzellensystem während dessen Betrieb sicherstellen zu können, so dass hierzu auf zusätzliche Wasserspeicher zur Gewährleistung einer hinreichenden Wasserversorgung verzichtet werden kann. Dabei erfolgt die Wasserrückgewinnung aus einem praktisch schadstofffreien Brennstoffzellenabgas, das im Wesentlichen aus N₂, O₂, H₂O und im Reformatbetrieb zusätzlich aus CO₂ besteht. Ferner weist der aus der Brennstoffzelleneinheit austretende Brennstoffzellenabgasstrom ein oberhalb des Umgebungsdrucks (Atmosphärendruck) liegendes Druckniveau auf. Ein Nachteil der bekannten Brennstoffzellensysteme ist, dass die Wasserrückgewinnung mit einer Einrichtung erfolgt, die einen verhältnismäßig ungünstigen Wirkungsgrad aufweist.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Brennstoffzellensystem der eingangs genannten Art zu schaffen, das im Vergleich zu traditionellen Brennstoffzellensystemen eine wirkungsgradgünstigere und effektivere Wasserrückgewinnung aus dem Brennstoffzellenabgas erlaubt.
Zur Lösung der Aufgabe wird ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen, das sich dadurch auszeichnet, dass die Wasserrückgewinnungseinrichtung einen Brennstoffzellenabgas-Wärmetauscher aufweist zur Erzielung eines Wärmeübergangs zwischen zwei Brennstoffzellenabgasströmen unterschiedlicher Temperatur. Mittels eines derartigen Wärmetauschers ist es gegebenenfalls in Kombination mit weiteren Kühleinrichtungen möglich, eine im Vergleich zu traditionellen Lösungen wirkungsgradgünstigere und effektivere Wasserrückgewinnung im Brennstoffzellensystem zu erzielen. Hierzu kann ein und derselbe Brennstoffzellenabgasstrom genutzt werden, der bei erstmaligem Eintritt in den Wärmetauscher eine verhältnismäßig hohe Betriebstemperatur aufweist und bei nachfolgender Rückführung in selbigen eine möglichst niedrige Betriebstemperatur aufweist. Zur Erzielung der erwünschten Temperaturdifferenz des den Wärmetauscher durchsetzenden Brennstoffzellenabgases wird selbiges mittels geeigneter Einrichtungen im Rückführstrang einer die Brennstoffzellenabgas- Betriebstemperatur absenkenden Behandlung unterzogen.
Mit Vorteil weist die Wasserrückgewinnungseinrichtung einen zweiten Brennstoffzellenabgas-Wärmetauscher auf zur Erzielung eines Wärmeübergangs zwischen einem Brennstoffzellengasstrom und einem Kühlmittel. Hierbei wird unter Kühlmittel ein beliebiges Medium verstanden, das zu einer Kühlung des Brennstoffzellenabgasstroms geeignet ist, jedoch nicht durch den zu kühlenden Brennstoffzellenabgasstrom gebildet wird. Bei dem Kühlmittel kann es sich beispielsweise um ein Gemisch aus Wasser und Glykol, zum Beispiel G12 handeln. Somit unterscheidet sich der zweite Wärmetauscher vom ersten Wärmetauscher dadurch, dass beim zweiten Wärmetauscher ein vom Brennstoffzellenabgas unabhängiger Kühlmaterialstrom zur Wasserrückgewinnung genutzt wird, während der erste Wärmetauscher ein und denselben Brennstoffzellenabgasstrom auf unterschiedlichen Temperaturniveaus zum gleichen Zweck nutzt.
Entsprechend einer bevorzugten Ausführungsform sind der erste und der zweite Brennstoffzellenabgas-Wärmetauscher zueinander in Reihe geschaltet. Hierbei wird der vollständige Brennstoffzellenabgasstrom zwei voneinander unabhängigen Wärmetauschern zur sukzessiven Kühlung zugeführt. Alternativ ist auch eine Parallelschaltung des ersten und des zweiten Brennstoffzellenabgas-Wärmetauschers denkbar, wobei beispielsweise zwei Teilströme des Brennstoffzellenabgases durch jeweils einen zugehörigen Wärmetauscher zu deren Kühlung geleitet werden können. Darüber hinaus ist auch eine Kombination an Reihen- und Parallelschaltung der genannten zwei Wärmetauscherarten denkbar. Mittels einer teilweisen oder vollständigen Parallelschaltung der zwei Wärmetauscher ist eine flexible Brennstoffzellenabgaskühlung und somit eine effektive Wasserrückgewinnung im Brennstoffzellensystem möglich.
Der erste Brennstoffzellenabgas-Wärmetauscher kann in Abgasströmungsrichtung gesehen dem zweiten Brennstoffzellenabgas-Wärmetauscher vorgeschaltet oder nachgeschaltet sein. Dabei handelt es sich bei beiden Anordnungen um eine Reihenschaltung der zwei Wärmetauscher. Mittels geeigneter Anordnung der zwei Wärmetauscher zueinander kann gegebenenfalls ein betriebsoptimierter Gesamtwirkungsgrad bei der Wasserrückgewinnung im Brennstoffzellensystem erzielt werden. Die Auslegung der zwei Wärmetauscher kann dabei auch von deren Anordnung zueinander im Brennstoffzellensystem abhängen.
Vorteilhafterweise ist dem ersten Brennstoffzellenabgas-Wärmetauscher oder dem zweiten Brennstoffzellenabgas-Wärmetauscher ein Kondensatabscheider nachgeschaltet. Aufgrund der optimierten Brennstoffzellenabgaskühlung lässt sich mittels eines Kondensatabscheiders eine effektive und verhältnismäßig einfache Wasserrückgewinnung im Brennstoffzellensystem vorzugsweise zur Realisierung eines geschlossenen Wasserhaushalts erzielen.
Entsprechend einer möglichen Ausführungsform ist dem Kondensatabscheider ein Brennstoffzellenabgas-Expander unter Ausnutzung einer mechanischen Leistung nachgeschaltet. Dabei dient ein derartiger Expander zu einer weiteren Temperaturerniedrigung des selbigen durchsetzenden Brennstoffzellenabgases, das anschließend nach Erreichen einer verhältnismäßig niedrigen Betriebstemperatur dem ersten Wärmetauscher zugeführt wird zur Erzielung eines erwünschten Wärmeübergangs zwischen den zwei in Wirkkontakt tretenden Brennstoffzellenabgasströmen unterschiedlicher Temperatur. Da Brennstoffzellensysteme bei verhältnismäßig hohen Betriebsdrücken arbeiten, kann ein derart eingesetzter Expander auch zur Zurückgewinnung der im Brennstoffzellenabgas enthaltenen Kompressionsenergie dienen.
Entsprechend einer weiteren, alternativen Ausführungsform ist dem Kondensatabscheider eine Brennstoffzellenabgas-Drossel insbesondere in Form eines Druckhalteventils nachgeschaltet. Auch wenn bei Einsatz einer derartigen Drossel gegebenenfalls im Vergleich zu einem Expander eine geringere Brennstoffzellenabgaskühlung aufgrund sich einstellender Reibungseffekte erzielbar ist, mit einer daraus resultierenden geringeren Effektivität des ersten Wärmetauschers aufgrund der geringeren Temperaturdifferenz der zwei selbigen durchsetzenden Brennstoffzellenabgasströme, kann mittels Einsatz einer Drossel anstelle eines Expanders eine kompaktere Ausgestaltung und eine flexiblere Druckregelung des Brennstoffzellenabgases realisiert werden.
Gegebenenfalls kann dem Brennstoffzellenabgas-Expander oder -Drossel ein zweiter Kondensatabscheider nachgeschaltet sein. Hierdurch wird eine praktisch maximal mögliche Wasserrückgewinnung im Brennstoffzellensystem gewährleistet.
Ferner ist es möglich, dass dem ersten Brennstoffzellenabgas-Wärmetauscher oder dem zweiten Brennstoffzellenabgas-Wärmetauscher ein Brennstoffzellenabgas-Expander oder eine Brennstoffzellenabgas-Drossel nachgeschaltet ist, wobei der Expander oder die Drossel an ihrer jeweiligen Brennstoffzellenabgas-Austrittsseite mit einem Kondensatabscheider verbunden ist. Bei dieser alternativen Ausführungsform erfolgt somit eine einzige Kondensatabscheidung im Brennstoffzellensystem im Anschluss an eine besonders effektive Brennstoffzellenabgaskühlung.
Vorzugsweise ist die Brennstoffzellenabgas-Drossel mittels einer Brennstoffzellenabgaswärme abgebenden Zuführleitung mit dem ersten Wärmetauscher verbunden. Mitteis einer derartigen, weiteren Temperaturabnahme des in den ersten Wärmetauscher zurückzuführenden Brennstoffzellenabgases kann der Wirkungsgrad des ersten Wärmetauschers bei Einsatz einer eine verhältnismäßig niedrige Kühlleistung aufweisenden Drossel verbessert werden. Gegebenenfalls kann eine derartige Zuführleitung auch bei Einsatz eines Expanders in Abhängigkeit der Temperaturdifferenz zwischen dem sich in der Zuführleitung befindenden Brennstoffzellenabgas und der Umgebungsluft sinnvoll sein. Für den Fall allerdings, dass das Brennstoffzellenabgas in der Zuführleitung kälter als die Umgebungsluft ist, wird der Einsatz einer wärmeisolierten Zuführleitung bevorzugt, so dass eine nicht erwünschte Erwärmung des Brennstoffzellenabgases vor Wiedereintritt in den ersten Wärmetauscher wenigstens begrenzt werden kann.
Mit Vorteil enthält der im ersten Wärmetauscher zu kühlende Brennstoffzellenabgasstrom unmittelbar aus der Brennstoffzelleneinrichtung strömendes Abgas und der sich erwärmende Brennstoffzellenabgasstrom gekühltes Abgas der Brennstoffzelleneinrichtung. Dies ermöglicht eine wirkungsgradgünstige Wasserrückgewinnung im Brennstoffzellensystem zur Realisierung eines möglichst geschlossenen Wasserhaushalts in selbigem.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung.
Die Erfindung wird nachfolgend in zwei Ausführungsbeispielen anhand einer zugehörigen Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem entsprechend einer ersten Ausführungsform anhand eines Blockschaltbildes und
Fig. 2 ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem einer zweiten, alternativen Ausführungsform anhand eines Blockschaltbildes.
Fig. 1 zeigt in schematischer Darstellung ein erstes Ausführungsbeispiel eines allgemein mit 10 bezeichneten Brennstoffzellensystems. Das Brennstoffzellensystem 10 enthält eine Brennstoffzelleneinrichtung 11 und eine allgemein mit 12 bezeichnete Brennstoffzellenabgas-Wasserrückgewinnungseinrichtung. Die Wasserrückgewinnungseinrichtung 12 enthält einen Brennstoffzellenabgas-Wärmetauscher 14, welcher auf der Abgasseite der Brennstoffzelleneinrichtung 11 mittels einer Zuführleitung (Pfeil 16) mit selbiger verbunden ist. Vom Wärmetauscher 14 (erster Wärmetauscher) führt eine Zuführleitung (Pfeil 22) zu einem zweiten Brennstoffzellenabgas-Wärmetauscher 20, der mittels einer Zuführleitung (Pfeil 25) mit einem Kondensatabscheider 26 verbunden ist. Der Kondensatabscheider 26 ist austrittsseitig mittels einer Zuführleitung (Pfeil 27) mit einem Brennstoffzellenabgas-Expander 28 verbunden, von welchem eine Zuführleitung 35 zu dem ersten Wärmetauscher 14 führt. Der Brennstoffzellenabgasstrom wird anschließend vom ersten Wärmetauscher 14 gemäß Pfeil 19 im Brennstoffzellensystem 10 weitergeleitet.
Das Brennstoffzellensystem 10 gemäß Fig. 1 weist zwei voneinander unterschiedliche Wärmetauscher 14, 20 zur Kühlung von aus der Brennstoffzelleneinrichtung 11 austretendem Brennstoffzellenabgas auf. Dabei dient der erste Wärmetauscher 14 zur Erzielung eines Wärmeübergangs zwischen zwei Brennstoffzellenabgasströmen (Pfeile 16, 18), welche Brennstoffzellenabgas mit unterschiedlichen Temperaturen enthalten. Der zweite Wärmetauscher 20 dient dagegen zur Erzielung eines Wärmeübergangs zwischen einem Brennstoffzellenabgasstrom (Pfeil 22) und einem Kühlmittel 24. Der erste und zweite Wärmetauscher 14, 20 sind in diesem Ausführungsbeispiel in Reihe geschaltet, wobei der erste Wärmetauscher 14 in Abgasströmungsrichtung (Pfeil 22) gesehen dem zweiten Wärmetauscher 20 vorgeschaltet ist. Der Kondensatabscheider 26 dient dazu, aus dem gekühlten Brennstoffzellenabgas (Pfeil 25) Wasser (Pfeil 36) abzuscheiden. Anschließend wird das bereits gekühlte und von Kondensatanteilen befreite Brennstoffzellenabgas gemäß Pfeil 27 dem Expander 28 zugeführt unter Ausnutzung einer mechanischen Leistung. Aufgrund der Druckerniedrigung des den Expander 28 durchsetzenden Brennstoffzellenabgases stellt sich eine weitere Temperaturerniedrigung desselben ein, so dass eine weitere Wasserrückgewinnung aus dem Brennstoffzellenabgas gemäß Pfeil 38 erfolgen kann. Vom Expander 28 wird der Brennstoffzellenabgasstrom (Pfeil 18) durch die Zuführleitung 35 in den ersten Wärmetauscher 14 zurückgeführt. Aufgrund der verhältnismäßig niedrigen Betriebstemperatur des Brennstoffzellenabgasstroms (Pfeil 18) erfolgt eine besonders wirkungsgradgünstige Abkühlung des gleichzeitig den ersten Wärmetauscher 14 durchsetzenden warmen Brennstoffzellenabgasstroms (Pfeil 16). Der Einsatz eines Expanders 28 ist bei Brennstoffzellensystemen 10 mit Betriebsdrücken sehr viel größer als 1 bar vorteilhaft aufgrund des verbleibenden, verhältnismäßig hohen Expansionsdruckverhältnisses auch bei vorheriger Brennstoffzellenabgaskühlung.
Fig. 2 zeigt in schematischer Darstellung ein alternatives Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems 10. Dabei entspricht das Brennstoffzellensystem 10 der Fig. 2 im Wesentlichen derjenigen der Fig. 1, jedoch ist statt eines Expanders 28 eine Brennstoffzellenabgas-Drossel 30 vorgesehen, welche an ihrer Austrittsseite mittels einer Zuführleitung (Pfeil 31) mit einem zweiten Kondensatabscheider 32 verbunden ist. Auch bei dieser Ausführungsform erfolgt somit eine zweite Wasserabscheidung aus dem Brennstoffzellenabgas gemäß Pfeil 40. Bei einer im Vergleich zum Expander 28 (Fig. 1) geringeren Abgastemperaturverringerung mittels der Drossel 30 kann - wie im vorliegenden Ausführungsbeispiel - eine an die Umgebung Abgaswärme abgebende Zuführleitung 34 vorgesehen sein, welche den zweiten Kondensatabscheider 32 mit dem ersten Wärmetauscher 14 in Abgasströmungsrichtung (Pfeil 18) verbindet. Hierdurch ist es möglich, eine weitere erwünschte Temperatursenkung des durch die Zuführleitung 34 strömenden Brennstoffzellenabgases zu erzielen, so dass der erste Wärmetauscher 14 in besonders wirkungsgradgünstiger Weise betrieben werden kann. Der erste und zweite Wärmetauscher 14, 20 können gemäß schematischer Darstellung in Fig. 2 mittels Bauteilintegration beider Wärmetauscher 14, 20 als kompakte Baueinheit 33 ausgebildet sein.

Claims

1. Brennstoffzellensystem, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, mit einer Brennstoffzellenabgas-Wasserrückgewinnungseinrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass die Wasserrückgewinnungseinrichtung (12) einen Brennstoffzellenabgas-Wärmetauscher (14) aufweist zur Erzielung eines Wärmeübergangs zwischen zwei Brennstoffzellenabgasströmen (16, 18) unterschiedlicher Temperatur.

2. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wasserrückgewinnungseinrichtung (12) einen zweiten Brennstoffzellenabgas-Wärmetauscher (20) aufweist zur Erzielung eines Wärmeübergangs zwischen einem Brennstoffzellenabgasstrom (22) und einem Kühlmittel (24).

3. Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und der zweite Brennstoffzellenabgas-Wärmetauscher (14, 20) zueinander in Reihe geschaltet sind.

4. Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Brennstoffzellenabgas-Wärmetauscher (14) in Abgasströmungsrichtung (22) gesehen dem zweiten Brennstoffzellenabgas-Wärmetauscher (20) vorgeschaltet ist.

5. Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Brennstoffzellenabgas-Wärmetauscher (14) in Abgasströmungsrichtung (22) gesehen dem zweiten Brennstoffzellenabgas-Wärmetauscher (20) nachgeschaltet ist.

6. Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem ersten Brennstoffzellenabgas-Wärmetauscher (14) oder dem zweiten Brennstoffzellenabgas-Wärmetauscher (20) ein Kondensatabscheider (26) nachgeschaltet ist.

7. Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem Kondensatabscheider (26) ein Brennstoffzellenabgas-Expander (28) unter Ausnutzung einer mechanischen Leistung nachgeschaltet ist.

8. Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem Kondensatabscheider (26) eine Brennstoffzellenabgas-Drossel (30) nachgeschaltet ist.

9. Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzellenabgas-Drossel als Druckhalteventil ausgebildet ist.

10. Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem Brennstoffzellenabgas-Expander (28) oder -Drossel (30) ein zweiter Kondensatabscheider (32) nachgeschaltet ist.

11. Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem ersten Brennstoffzellenabgas-Wärmetauscher (14) oder dem zweiten Brennstoffzellenabgas-Wärmetauscher (20) ein Brennstoffzellenabgas-Expander (28) oder eine Brennstoffzellenabgas-Drossel (30) nachgeschaltet ist und der Expander (28) oder die Drossel (30) an ihrer jeweiligen Brennstoffzellenabgas-Austrittsseite mit einem Kondensatabscheider verbunden ist.

12. Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzellenabgas-Drossel (30) mittels einer Brennstoffzellenabgaswärme abgebenden Zuführleitung (34) mit dem ersten Wärmetauscher (14) verbunden ist.

13. Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der im ersten Wärmetauscher (14) zu kühlende Brennstoffzellenabgasstrom (16) unmittelbar aus der Brennstoffzelleneinrichtung (11) strömendes Abgas enthält und der sich erwärmende Brennstoffzellenabgasstrom (18) gekühltes Abgas der Brennstoffzelleneinrichtung (11) enthält.