DE102004038633B4

DE102004038633B4 - Brennstoffzellensystem mit Ladeluftbefeuchtung

Info

Publication number: DE102004038633B4
Application number: DE102004038633A
Authority: DE
Inventors: Detlef Günther
Original assignee: General Motors LLC
Current assignee: General Motors LLC
Priority date: 2003-08-15
Filing date: 2004-08-09
Publication date: 2013-07-25
Anticipated expiration: 2024-08-10
Also published as: DE102004038633A1; US20050037250A1; US20110165479A1; US7910255B2

Abstract

Brennstoffzellensystem (10, 10', 10'') mit: einem Brennstoffzellenstapel (12), der ein Kathodenzufuhrgas aufnimmt und einen Abgasstrom und einen hindurch strömenden Wärmeübertragungsstrom aufweist, der ein Fluid umfasst; und einem Wärmetauscher (16), der Wärme sowohl zwischen dem Wärmeübertragungsstrom und dem Kathodenzufuhrgas als auch zwischen dem Wärmeübertragungsstrom und flüssigem Wasser derart überträgt, dass die Temperatur und der Druck des Kathodenzufuhrgases konstant bleibt und das flüssige Wasser verdampft, wodurch Wasserdampf vorgesehen wird, der das Kathodenzufuhrgas befeuchtet.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Brennstoffzellensysteme und insbesondere die Befeuchtung von an eine Brennstoffzelle gelieferter Ladeluft.
Brennstoffzellensysteme werden zunehmend bei einer breiten Vielzahl von Anwendungen als Energie- bzw. Antriebsquelle verwendet. Brennstoffzellen-Vortriebssysteme sind ebenfalls zur Verwendung in Fahrzeugen als Ersatz für Verbrennungsmotoren vorgeschlagen worden. Die Brennstoffzellen erzeugen Elektrizität, die dazu verwendet wird, Batterien zu laden und/oder einen Elektromotor anzutreiben. Eine Brennstoffzelle mit Festpolymerelektrolyt umfasst eine Membran, die schichtartig zwischen einer Anode und einer Kathode angeordnet ist. Um durch eine elektrochemische Reaktion Elektrizität erzeugen zu können, wird ein Brennstoff, gewöhnlich Wasserstoff (H₂), jedoch auch entweder Methan (CH₄) oder Methanol (CH₃OH), an die Anode geliefert und ein Oxidationsmittel, wie beispielsweise Sauerstoff (O₂), an die Kathode geliefert. Die Quelle für den Sauerstoff ist gewöhnlich Luft.
Bei einer ersten Halbzellenreaktion erzeugt die Dissoziation des Wasserstoffs (H₂) an der Anode Wasserstoffprotonen (H⁺) und Elektronen (e^–). Die Membran ist protonenleitend und dielektrisch. Als Folge dessen werden die Protonen durch die Membran transportiert. Die Elektronen strömen durch eine elektrische Last (wie beispielsweise die Batterien oder den Elektromotor), die über die Membran geschaltet ist. Bei einer zweiten Halbzellenreaktion reagiert Sauerstoff (O₂) an der Kathode mit Protonen (H⁺), und Elektronen (e^–) werden aufgenommen, um Wasser (H₂O) zu bilden.
Die relative Feuchte des Oxidationsmittels beeinflusst die Lebensdauer wie auch den Wirkungsgrad des Brennstoffzellensystems. Herkömmlich sind Strategien entwickelt worden, um das zu der Brennstoffzelle strömende Oxidationsmittel zu befeuchten. Diese Strategien weisen jedoch bestimmte Nachteile auf. Ein Nachteil besteht darin, dass das erreichbare Befeuchtungsniveau beschränkt ist. Ein anderer Nachteil betrifft die geringe Lebensdauer, die höheren Kosten wie auch die erhöhten Raumanforderungen.
Aus der US 2002/0086194 A1 ist ein Wärmetauscher bekannt geworden, mit dem sich das Prozessgas eines Brennstoffzellenstapels erwärmen und befeuchten lässt. Infolge der Befeuchtung nimmt jedoch die Temperatur des Prozessgases in unbestimmter Weise ab, was eine aufwendige Steuerung der Betriebsparameter des Brennstoffzellenstapels erforderlich macht.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Brennstoffzellensystem zu schaffen, dessen Betriebsparameter nicht oder nur unwesentlich geändert werden müssen, wenn sich die relative Feuchte des Kathodenzufuhrgases ändert.
Diese Aufgabe wird mit einem Brennstoffzellensystem gelöst, das die Merkmale des Anspruchs 1 oder des Anspruchs 10 aufweist.
Demgemäß sieht die vorliegende Erfindung ein Brennstoffzellensystem vor. Das Brennstoffzellensystem umfasst einen Brennstoffzellenstapel, der ein Kathodenzufuhrgas aufnimmt und einen Abgasstrom bzw. Austragsstrom und einen hindurch strömenden Wärmeübertragungsstrom aufweist. Ein Ladeluft-Wärmetauscher ermöglicht eine Wärmeübertragung zwischen dem Wärmeübertragungsstrom und dem Kathodenzufuhrgas, um die Zufuhrgastemperatur einstellen zu können. Der Ladeluft-Wärmetauscher ermöglicht auch eine Wärmeübertragung zwischen dem Wärmeübertragungsstrom und einem flüssigen Wasser, um das flüssige Wasser zu verdampfen und damit Wasserdampf zu erzeugen. Der Wasserdampf befeuchtet das Kathodenzufuhrgas. Bevorzugt ist die Quelle für flüssiges Wasser ein Wasserkondensat, das von innerhalb des Brennstoffzellensystems stammt. Bei einem Aspekt umfasst der Wärmeübertragungsstrom ein Fluid, das dazu dient, nach Bedarf zu erhitzen und zu kühlen. Ein wichtiges Merkmal ist das Kühlen, und daher wird der Wärmeübertragungsstrom auch einfach als Kühlmittel bezeichnet. Es jedoch angemerkt, dass er nicht auf die Kühlfunktion beschränkt ist, sondern auch erwärmen kann.
Bei einer Ausführungsform umfasst das Brennstoffzellensystem ferner einen Kondensator, der Wasserdampf in dem Abgasstrom kondensiert.
Bei einer anderen Ausführungsform umfasst das Brennstoffzellensystem eine Einspritzeinrichtung bzw. einen Injektor, der Wasserkondensat in das Kathodenzufuhrgas einspritzt. Bevorzugt bildet der Injektor einen Teil des Ladeluft-Wärmetauschers oder befindet sich benachbart des Ladeluft-Wärmetauschers.
Bei einer noch weiteren Ausführungsform umfasst das Brennstoffzellensystem ferner einen Kompressor, der das Kathodenzufuhrgas komprimiert. Der Kompressor nimmt einen Anteil des Wasserkondensats auf, um das Kathodenzufuhrgas in dem Kompressor zu befeuchten. Der Kompressor umfasst einen Injektor, der das Wasserkondensat in das Kathodenzufuhrgas einspritzt. Das Wasserkondensat wird während eines Kompressionsvorgangs in dem Kompressor verdampft.
Bei einer noch anderen Ausführungsform wird ein Anteil des Wasserkondensats in den Brennstoffzellenstapel eingespritzt, um das Kathodenzufuhrgas in dem Brennstoffzellenstapel zu befeuchten.
Weitere Anwendungsgebiete der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung offensichtlicher.
Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden nur beispielhaft unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, in welchen:
1 ein Brennstoffzellensystem mit einer Ladeluftbefeuchtung gemäß der vorliegenden Erfindung ist;
2 ein alternatives Brennstoffzellensystem mit einer Ladeluftbefeuchtung gemäß der vorliegenden Erfindung ist; und
3 ein weiteres alternatives Brennstoffzellensystem mit einer Ladeluftbefeuchtung gemäß der vorliegenden Erfindung ist.
In 1 ist ein Brennstoffzellensystem 10 gezeigt. Das Brennstoffzellensystem 10 umfasst einen Brennstoffzellenstapel 12, ein Kühlmittelsystem 14, einen Ladeluft-Wärmetauscher 16 und einen Kompressor 18. Das Kühlmittelsystem 14 hält die Betriebstemperatur des Brennstoffzellenstapels 12 auf einer geeigneten Größe. Zusätzlich stellt das Kühlmittelsystem 14 die Temperatur von Fluiden an verschiedenen Punkten in dem Brennstoffzellensystem 10 ein, wie nachfolgend detaillierter erläutert ist. Der Kompressor 18 komprimiert ein Oxidationsmittel, das an den Brennstoffzellenstapel 12 geliefert wird. Genauer wird das Oxidationsmittel als ein Kathodenzufuhrgas oder als Ladeluft an eine Kathodenseite (nicht gezeigt) des Brennstoffzellenstapels 12 geliefert. Das Kathodenzufuhrgas reagiert katalytisch mit einem wasserstoffreichen Reformat, das an eine Anodenseite (nicht gezeigt) des Brennstoffzellenstapels 12 geliefert wird. Das Oxidationsmittel ist sauerstoffreiche Luft, die durch den Kompressor 18 und den Ladeluft-Wärmetauscher 16 in einem geeigneten Betriebszustand (d. h. Temperatur und Druck) geliefert wird. Das Oxidationsmittel reagiert mit dem wasserstoffreichen Reformat, um elektrische Leistung und einen Abgasstrom zu erzeugen.
Der Abgasstrom besteht aus Reaktionsprodukten, die Wasserdampf (H₂O) und eine kleine Menge an flüssigem Wasser (H₂O) abhängig von der Betriebsstrategie des Brennstoffzellenstapels 12 umfassen. Der H₂O-Dampf kondensiert, wenn er durch eine Abgasleitung 20 strömt, so dass ein H₂O-Kondensat gebildet wird. Die Abgasleitung 20 kann so ausgebildet sein, dass die Oberfläche, über die der Abgasstrom strömt, maximiert ist, um eine Kondensation des H₂O-Dampfes zu ermöglichen. Alternativ dazu kann ein Kondensator 22 vorgesehen sein, der den H₂O-Dampf kondensiert, um das H₂O-Kondensat vorzusehen. Es sei jedoch angemerkt, dass die Quelle für H₂O von anderen Mitteln als dem Abgasstrom vorgesehen werden kann. Beispielsweise kann ein separater Wasserspeichertank (nicht gezeigt) zur Lieferung von flüssigem H₂O verwendet werden.
Das Kühlmittelsystem 14 steuert eine Kühlmittelströmung durch das Brennstoffzellensystem 10 und umfasst eine Pumpe (nicht gezeigt) und einen Kühler (nicht gezeigt), der eine Wärmeübertragung an die Atmosphäre ermöglicht. Der Begriff Kühlmittel, der hier verwendet ist, betrifft ein Wärmeübertragungsfluid, das nach Bedarf sowohl Kühlen als auch Erwärmen kann. Beispielsweise dient das Kühlmittel bei einer Situation, wenn das Kühlmittel wärmer als ein benachbartes Fluid oder eine benachbarte Anordnung ist, dazu, das benachbarte Fluid oder die benachbarte Anordnung zu erwärmen. Ähnlicherweise dient das Kühlmittel bei einer Situation, wenn das Kühlmittel kühler als ein benachbartes Fluid oder eine benachbarte Struktur ist, dazu, das benachbarte Fluid oder die benachbarte Struktur zu kühlen. Das Kühlmittel wird durch den Brennstoffzellenstapel 12 gepumpt, um den Brennstoffzellenstapel 12 zu kühlen und eine Betriebstemperatur des Brennstoffzellenstapels 12 aufrechtzuerhalten. Das Kühlmittel strömt von dem Brennstoffzellenstapel 12 durch den Ladeluft-Wärmetauscher 16 und zurück zu dem Kühlmittelsystem 14. Optional ist ein Reglerventil 23 vorgesehen, um die Durchflussrate von Kühlmittel zu dem Ladeluft-Wärmetauscher 16 zu steuern. Wie nachfolgend detaillierter beschrieben ist, erlaubt die Kompressionswärme wie auch die Wärmeübertragung von dem Kühlmittel eine Verdampfung des H₂O-Kondensats. Der Wärmetauscher stellt das Kathodenzufuhrgas auf eine geeignete Temperatur zur Reaktion in dem Brennstoffzellenstapel 12 ein.
Das H₂O-Kondensat und das Kühlmittel werden an den Ladeluft-Wärmetauscher 16 geführt und wirken zusammen, um das Kathodenzufuhrgas zu befeuchten. Insbesondere ist ein Injektor oder sind mehrere Injektoren 24 vorgesehen, um das H₂O-Kondensat in das Kathodenzufuhrgas einzuspritzen, wenn es durch den Ladeluft-Wärmetauscher 16 strömt. Das Kühlmittel befindet sich in Wärmeaustauschbeziehung mit dem Kathodenzufuhrgas und dem eingespritzten H₂O-Kondensat. Bevorzugt tritt ein adiabatischer Kühleffekt auf, wodurch die Ladelufttemperatur abfällt und das H₂O-Kondensat verdampft wird, um H₂O-Dampf zu bilden. Zusätzlich tritt eine Wärmeübertragung von dem Kühlmittel auf das H₂O-Kondensat auf, um das H₂O-Kondensat zu verdampfen. Gleichzeitig tritt eine Wärmeübertragung von dem Kühlmittel auf das Kathodenzufuhrgas auf, wodurch das Kathodenzufuhrgas wieder aufgeheizt wird. Aufgrund dessen ist der Prozess bei einer Ausführungsform im Wesentlichen bei konstanter Temperatur und bei konstantem Druck (d. h. Zustand), die durch das Kühlmittel (d. h. Arbeitsfluid) beibehalten werden, betreibbar.
Abhängig von der Menge des H₂O-Kondensates, die eingespritzt werden muss, um das Kathodenzufuhrgas auf ein geeignetes Niveau zu befeuchten, ist bei einer Ausführungsform ein mehrstufiger Befeuchtungsprozess vorgesehen. Der mehrstufige Befeuchtungsprozess umfasst eine erste Stufe mit einem Injektor 24, um ein erstes Volumen des H₂O-Kondensates in das Kathodenzufuhrgas einzuspritzen. Das erste Volumen wird in dem Kathodenzufuhrgasstrom bei dem Wärmeübertragungsprozess verdampft, wie oben beschrieben ist. Eine zweite Stufe umfasst einen zweiten Injektor 24, um ein zweites Volumen des H₂O-Kondensates in das partiell befeuchtete Kathodenzufuhrgas einzuspritzen. Das zweite Volumen wird in dem Kathodenzufuhrgasstrom bei dem adiabatischen Wärmeübertragungsprozess verdampft, wie oben beschrieben ist. Es können zwei oder mehr Stufen (beispielsweise eine dritte und vierte Stufe) integriert werden, um das gewünschte Feuchteniveau des Kathodenzufuhrgases zu erzielen.
In 2 ist ein Brennstoffzellensystem 10 gezeigt, das eine Befeuchtung des Kathodenzufuhrgases in dem Kompressor 18 umfasst. Genauer wird ein Anteil des H₂O-Kondensates an einen Einlass des Kompressors 18 geführt. Der Kompressor 18 umfasst einen Injektor 26, der das H₂O-Kondensat auf der Saugseite des Kompressors 18 in das Kathodenzufuhrgas einspritzt. Der Kompressionsprozess erzeugt ausreichend Wärme, um einen Teil des H₂O-Kondensates zu verdampfen, wodurch das Kathodenzufuhrgas befeuchtet wird. Somit sieht das Brennstoffzellensystem 10' von 2 eine Befeuchtung des Kathodenzufuhrgases an sowohl dem Kompressor 18 als auch dem Ladeluft-Wärmetauscher 16 vor, wie oben detailliert beschrieben ist.
Der Prozentsatz der Kathodenzufuhrgasbefeuchtung, die in dem Kompressor 18 stattfindet, im Verhältnis zu dem, die in dem Ladeluft-Wärmetauscher 16 erfolgt, kann gesteuert werden. Aufgrund der begrenzt verfügbaren Kompressionswärme und Verweilzeit kann in dem Kompressor 18 nur ein kleinerer Anteil an Befeuchtung stattfinden. Aufgrund dessen findet der größere Anteil der Befeuchtung in dem Ladeluft-Wärmetauscher 16 statt, wie oben beschrieben ist. Alternativ dazu kann in dem Kompressor 18 ein größerer Anteil der Befeuchtung stattfinden. Aufgrund dessen findet der kleinere Anteil der Befeuchtung in dem Ladeluft-Wärmetauscher 16 statt. In einem solchen Fall braucht abhängig davon, wie viel H₂O-Kondensat eingespritzt werden muss, um das Kathodenzufuhrgas ausreichend zu befeuchten, der mehrstufige Befeuchtungsprozess nicht erforderlich sein.
In 3 ist ein Brennstoffzellensystem 10'' gezeigt, das eine Befeuchtung des Kathodenzufuhrgases in dem Kompressor 18, dem Kühler 16 und dem Brennstoffzellenstapel 12 umfasst. Genauer wird ein Anteil des H₂O-Kondensates an den Kompressor 18 zugeführt, um das Kathodenzufuhrgas zu befeuchten, wie oben unter Bezugnahme auf 2 beschrieben ist. Zusätzlich wird ein Anteil des H₂O-Kondensates dem Brennstoffzellenstapel 12 zugeführt. Es ist ein Injektor 28 vorgesehen, der das H₂O-Kondensat innerhalb des Brennstoffzellenstapels 12 in das Kathodenzufuhrgas einspritzt. Es tritt eine Wärmeübertragung auf, um das H₂O-Kondensat zu verdampfen, wodurch das Kathodenzufuhrgas in dem Brennstoffzellenstapel 12 befeuchtet wird. Somit sorgt das Brennstoffzellensystem 10'' in 3 für eine Befeuchtung des Kathodenzufuhrgases an dem Kompressor 18 und an dem Ladeluft-Wärmetauscher 16, wie oben detailliert beschrieben ist, wie auch innerhalb des Brennstoffzellenstapels 12 selbst. Wie unter Bezugnahme auf 2 beschrieben ist, kann der Prozentsatz der Befeuchtung, die in dem Kompressor 18, dem Ladeluft-Wärmetauscher 16 und dem Brennstoffzellenstapel 12 stattfindet, je nach dem variieren, wie es die Konstruktionsanforderungen bestimmen.
Die Brennstoffzellensysteme der vorliegenden Erfindung umfassen gegenüber den herkömmlichen Befeuchtungsstrategien verschiedene deutliche Vorteile. Ein Vorteil ist, dass sowohl die Lebensdauer wie auch der Wirkungsgrad des Gesamtsystems verbessert ist. Dies ist auf ein höheres erreichbares Befeuchtungsniveau gegenüber herkömmlichen Systemen und auf eine verringerte Wärmelast an dem Kühlsystem zurückzuführen. Die verringerte Wärmelast ist ein Ergebnis davon, dass die Wärme, die ansonsten durch das Kühlmittelsystem ausgetragen würde, hier dazu verwendet wird, das H₂O-Kondensat in dem Kühler zu verdampfen. Als Folge dessen werden geringere Systemtemperaturen und ein ”stromlinienförmigeres” Kühlmittelsystem mit einem kleineren Kühler erzielt. Zusätzlich verlässt weniger flüssiges H₂O die Abgasleitung des Fahrzeugs.

Claims

Brennstoffzellensystem (10, 10', 10'') mit: einem Brennstoffzellenstapel (12), der ein Kathodenzufuhrgas aufnimmt und einen Abgasstrom und einen hindurch strömenden Wärmeübertragungsstrom aufweist, der ein Fluid umfasst; und einem Wärmetauscher (16), der Wärme sowohl zwischen dem Wärmeübertragungsstrom und dem Kathodenzufuhrgas als auch zwischen dem Wärmeübertragungsstrom und flüssigem Wasser derart überträgt, dass die Temperatur und der Druck des Kathodenzufuhrgases konstant bleibt und das flüssige Wasser verdampft, wodurch Wasserdampf vorgesehen wird, der das Kathodenzufuhrgas befeuchtet.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei der Wärmeübertragungsstrom dazu dient, das Kathodenzufuhrgas alternativ zu kühlen und zu erwärmen.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, ferner mit einem Kondensator (22), der Wasserdampf in dem Abgasstrom kondensiert, um das flüssige Wasser als ein Kondensat vorzusehen.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, ferner mit einem Injektor (24), der derart ausgebildet ist, dass er das flüssige Wasser in das Kathodenzufuhrgas einspritzt, wenn das Kathodenzufuhrgas durch den Wärmetauscher (16) strömt.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, ferner mit einem Kompressor (18), der das Kathodenzufuhrgas komprimiert.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 4, wobei der Kompressor (18) oberstromig des Wärmetauschers (16) angeordnet ist und einen Anteil des flüssigen Wassers aufnimmt, um das Kathodenzufuhrgas in dem Kompressor (18) zu befeuchten.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 5, ferner mit einem Injektor (26), der derart ausgebildet ist, dass er das flüssige Wasser in das Kathodenzufuhrgas einspritzt.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 5, wobei das flüssige Wasser in dem Kompressor (18) während eines Kompressionsvorgangs verdampft wird.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei ein Anteil des flüssigen Wassers in den Brennstoffzellenstapel (12) eingespritzt wird, um das Kathodenzufuhrgas in dem Brennstoffzellenstapel (12) zu befeuchten.
Brennstoffzellensystem (10, 10', 10'') mit: einem Brennstoffzellenstapel (12), der einen Abgasstrom austrägt; einem Wärmeübertragungssystem, das ein Wärmeübertragungsfluid durch den Brennstoffzellenstapel (12) liefert; und einem mehrstufigen Wärmetauscher (16) mit einer ersten Stufe und einer zweiten Stufe, der Wärme sowohl zwischen dem Wärmeübertragungsfluid und einem Kathodenzufuhrgas als auch zwischen dem Wärmeübertragungsfluid, dem Kathodenzufuhrgas und flüssigem Wasser derart überträgt, dass die Temperatur und der Druck des Kathodenzufuhrgases konstant bleibt und das flüssige Wasser verdampft, wodurch Wasserdampf vorgesehen wird, der das Kathodenzufuhrgas befeuchtet.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 10, ferner mit einem der ersten Stufe zugeordneten Injektor, der in der ersten Stufe einen Anteil des flüssigen Wassers in das Kathodenzufuhrgas einspritzt.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 10, ferner mit einem der zweiten Stufe zugeordneten Injektor (24), der in der zweiten Stufe einen Anteil des flüssigen Wassers in das Kathodenzufuhrgas einspritzt.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 10, ferner mit einem Kondensator (22), der Wasserdampf in dem Abgasstrom kondensiert, um das flüssige Wasser als ein Kondensat vorzusehen.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 10, ferner mit einem Kompressor (18), der das Kathodenzufuhrgas komprimiert.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 14, wobei der Kompressor (18) oberstromig des Wärmetauschers (16) angeordnet ist und einen Anteil des flüssigen Wassers aufnimmt, um das Kathodenzufuhrgas in dem Kompressor (18) zu befeuchten.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 15, ferner mit einem Injektor (26), der derart ausgebildet ist, dass er das flüssige Wasser in das Kathodenzufuhrgas in dem Kompressor (18) einspritzt.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 15, wobei das flüssige Wasser in dem Kompressor (18) während eines Kompressionsvorgangs verdampft wird.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 10, wobei ein Anteil des flüssigen Wassers in den Brennstoffzellenstapel (12) eingespritzt wird, um das Kathodenzufuhrgas in dem Brennstoffzellenstapel (12) zu befeuchten.