DE102004046922A1 - Brennstoffzellensystem und Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem sowie ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems mit mindestens einer Brennstoffzelle (4), insbesondere einer Brennstoffzelle mit einer Protonenaustauschmembran (7), und einem die Kathodenzuluft zuführenden Kathodeneinlass (9) sowie einem das Kathodenabgas abführenden Kathodenauslass (10). DOLLAR A Um ein effizienteres Betreiben des Brennstoffzellensystems zu ermöglichen, wird dem Kathodeneinlass (9) verdichtete Kathodenzuluft zugeführt und ein vorgeschalteter Wärmetauscher (2) von einer wärmeren Kathodenzuluft und einem kälteren Kathodenabgas durchströmt.
Description
- Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem sowie ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems, wobei das Brennstoffzellensystem mindestens eine Brennstoffzelle und einen die Kathodenzuluft zuführenden Kathodeneinlass sowie einen das Kathodenabgas abführenden Kathodenauslass aufweist. Ein solches Brennstoffzellensystem ist beispielsweise aus der gattungsgemäßen
DE 195 48 297 C2 bekannt. - Um den für einen optimalen Betrieb der Brennstoffzelle erforderlichen Betriebstemperaturbereich einzuhalten, wird in der
DE 195 48 297 C2 zumindest ein Teil des Anodenabgases und/oder des Kathodenabgases zum Kathodeneinlass zurückgeführt und dabei die Temperatur des rückgeführten Abgases entsprechend eingestellt. Des Weiteren wird die im Kathodenabgas enthaltene Wärme mittels eines Wärmetauschers an das zugeführte Brenngas übertragen. - Es ist ebenfalls bekannt, die beim Betrieb von Brennstoffzellen anfallende Abwärme als Nutzwärme zu entziehen. Dies geschieht vorzugsweise durch einen Wärmetauscher, der nach dem Kathodenauslass angeordnet ist.
- Aus der
DE 199 23 738 C2 ist bekannt, die Kathode einer Brennstoffzelle mit verdichteter Luft zu speisen. Diese Luft kann entweder aus einem Druckluftreservoir oder von einem Kompressor für Umgebungsluft stammen. - Wird Umgebungsluft mittels eines Kompressors verdichtet, so erhöht sich hierbei die Temperatur der Luft. In einem Brennstoffzellensystem muss deshalb die Kathodenzuluft wieder auf einen erforderlichen Betriebstemperaturbereich gekühlt werden. In herkömmlichen Systemen geschieht dies durch einen mit Kühlwasser durchströmten Wärmetauscher.
- Aufgabe der Erfindung ist es, ein Brennstoffzellensystem sowie ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems vorzusehen, die ein effizienteres Betreiben des Brennstoffzellensystems ermöglichen.
- Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass es vorgesehen ist, dass dem Kathodeneinlass verdichtete Kathodenzuluft zugeführt wird und dass ein Wärmetauscher von einer wärmeren Kathodenzuluft und einem kälteren Kathodenabgas durchströmt wird.
- Vorteile der erfindungsgemäßen Maßnahmen sind erstens, dass durch die Kühlung der Kathodenzuluft mittels eines von kälterem Kathodenabgas durchströmten Wärmetauschers eine zusätzliche Kühlungsleistung ermöglicht wird. Und zweitens, dass das Kathodenabgas auf eine Temperatur oberhalb von 100 Grad Celsius erwärmt wird, wodurch eine Kondensatbildung vermieden beziehungsweise verringert wird. Bei einer Anwendung des Brennstoffzellensystems in einem Fahrzeug werden somit Kühlungslimitierungen bei hohen Umgebungstemperaturen oder bei hohem Leistungsbedarf, wie beispielsweise bei einer Bergfahrt, durch die zusätzliche Kühlungsleistung beseitigt. Die zusätzliche Kühlungsleistung erlaubt ebenfalls eine geringere Dimensionierung des herkömmlichen Kühlkreislaufes des Fahrzeuges. Des Weiteren wird bei tiefen Umgebungstemperaturen durch die Vermeidung der Kondensatbildung im Auspuff des Fahrzeuges eine hieraus entstehende Eisbildung auf Fahrbahnen vermieden.
- In einer Ausgestaltung der Erfindung wird das Kathodenabgas nach dem Kathodenauslass in einen von Kathodenzuluft durchströmten Gas/Gas-Befeuchter, der in Durchströmungsrichtung vor dem Kathodeneinlass beziehungsweise nach dem Kathodenauslass angeordnet ist, geleitet, wodurch die Feuchte des Kathodenabgases reduziert wird.
- In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist in Durchströmungsrichtung der Kathodenzuluft nach dem ersten Wärmetauscher ein zweiter von einem kälteren Kühlmedium durchströmter Wärmetauscher angeordnet. Bei einer Anwendung des Brennstoffzellensystems in einem Fahrzeug ist der zweite Wärmetauscher vorzugsweise in den Kühlkreislauf des Fahrzeuges integriert. Der zweite Wärmetauscher ermöglicht eine weitere Abkühlung der Kathodenzuluft, weshalb der erste Wärmetauscher hierdurch geringer dimensioniert werden kann. Als weiterer Vorteil wird die Abhängigkeit von der Menge und Temperatur des Kathodenabgases bezüglich der Temperatur der Kathodenzuluft am Kathodeneinlass reduziert.
- In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind der erste und der zweite Wärmetauscher derart aneinander angrenzend angeordnet, dass sich eine vorteilhaft kompakte Bauweise ergibt.
- Weitere Merkmale und Merkmalskombinationen ergeben sich aus der Beschreibung sowie den Zeichnungen. Konkrete Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen
-
1 den schematischen Aufbau eines Brennstoffzellensystems mit einem Wärmetauscher und einem Befeuchter, -
2 den schematischen Aufbau eines Brennstoffzellensystems mit zwei Wärmetauschern und -
3 den schematischen Aufbau eines Brennstoffzellensystems mit zwei Wärmetauschern in kompakter Bauweise. -
1 zeigt den Aufbau eines Brennstoffzellensystems wie er beispielsweise in einem Fahrzeug verwendet werden kann. Das dargestellte Brennstoffzellensystem weist einen Kompressor1 für Umgebungsluft, einen Wärmetauscher2 , einen Gas/Gas-Befeuchter3 und eine Brennstoffzelle4 auf. Die Brennstoffzelle4 steht hier stellvertretend für einen Brennstoffzellenstapel, bei dem mehrere Brennstoffzellen elektrisch in Reihe geschaltet sind. - Die Brennstoffzelle
4 besteht aus einer Anode5 und einer Kathode6 , die von einer protonendurchlässigen und elektrisch nicht leitfähigen Protonenaustauschmembran7 getrennt werden. Der Anode5 wird über den Anodeneinlass8 Wasserstoff als Brennstoff zugeführt. Die Kathode6 wird über den Kathodeneinlass9 mit Sauerstoff beziehungsweise Luft als Oxidationsmittel versorgt. Die Menge der zugeführten Luft wird durch den Kompressor1 gesteuert. - Das verbrauchte Kathodenabgas wird über einen Kathodenauslass
10 durch den Gas/Gas-Befeuchter3 in den Wärmetauscher2 geleitet. Von dort aus wird das Kathodenabgas über beispielsweise einen Auspuff an die Umgebung abgegeben. - Im Gas/Gas-Befeuchter
3 haben die Kathodenzuluft und das Kathodenabgas eine Temperatur im Bereich von 70 bis 90 Grad Celsius. Beim Durchströmen des Wärmetauschers2 wird das Kathodenabgas durch die beim Eintritt in den Wärmetauscher2 etwa 180 Grad Celsius heiße Kathodenzuluft auf über 100 Grad Celsius erwärmt und die Kathodenzuluft entsprechend gekühlt. - Der Wärmetauscher
2 sollte im dargestellten Brennstoffzellensystem so dimensioniert sein, dass die Temperatur der Kathodenzuluft vor dem Gas/Gas-Befeuchter3 etwa der Temperatur des Kathodenabgases nach dem Gas/Gas-Befeuchter3 entspricht. - In
2 ist neben den in1 beschriebenen Komponenten ein zweiter Wärmetauscher11 dargestellt, der durch eine Zuleitung12 und eine Ableitung13 von einem Kühlmedium, vorzugsweise Kühlwasser aus dem Kühlkreislauf des Fahrzeuges, durchströmt wird. - Hierbei gilt ebenfalls, dass die Temperatur der Kathodenzuluft vor dem Gas/Gas-Befeuchter
3 etwa der Temperatur des Kathodenabgases nach dem Gas/Gas-Befeuchter3 entsprechen sollte. -
3 zeigt die Komponenten der2 , wobei der erste Wärmetauscher2 und der zweite Wärmetauscher11 in einer für eine kompakte Bauweise günstigen Form aneinander angrenzend angeordnet sind. Die dargestellte Abordnung stellt nur ein Beispiel einer kompakten Bauweise dar.
Claims (7)
- Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems mit mindestens einer Brennstoffzelle (
4 ), insbesondere einer Brennstoffzelle mit einer Protonenaustauschmembran (7 ), und einem die Kathodenzuluft zuführenden Kathodeneinlass (9 ) sowie einem das Kathodenabgas abführenden Kathodenauslass (10 ), dadurch gekennzeichnet, dass dem Kathodeneinlass (9 ) verdichtete Kathodenzuluft zugeführt wird und dass ein Wärmetauscher (2 ) von einer wärmeren Kathodenzuluft und einem kälteren Kathodenabgas durchströmt wird. - Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathodenzuluft vor dem Kathodeneinlass und das Kathodenabgas nach dem Kathodenauslass einen Befeuchter (
3 ) durchströmt. - Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathodenzuluft nach dem ersten Wärmetauscher (
2 ) einen zweiten Wärmetauscher (11 ) durchströmt, der von einem kälteren Kühlmedium durchströmt wird. - Brennstoffzellensystem mit mindestens einer Brennstoffzelle (
4 ), insbesondere einer Brennstoffzelle mit einer Protonenaustauschmembran (7 ), und einem die Kathodenzuluft zuführenden Kathodeneinlass (9 ) sowie einem das Kathodenabgas abführenden Kathodenauslass (10 ), dadurch gekennzeichnet, dass in Durchströmungsrichtung vor dem Kathodeneinlass (9 ) eine Vorrichtung (1 ) zur Verdichtung der Kathodenzuluft und ein von einer wärmeren Kathodenzuluft und einem kälteren Kathodenabgas durchströmter Wärmetauscher (2 ) angeordnet sind. - Brennstoffzellensystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass in Durchströmungsrichtung vor dem Kathodeneinlass (
9 ) beziehungsweise nach dem Kathodenauslass (10 ) ein Befeuchter (3 ) angeordnet ist. - Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass in Durchströmungsrichtung der Kathodenzuluft nach dem ersten Wärmetauscher (
2 ) ein zweiter von einem kälteren Kühlmedium durchströmter Wärmetauscher (11 ) angeordnet ist. - Brennstoffzellensystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der erste (
2 ) und der zweite Wärmetauscher (11 ) aneinander angrenzend angeordnet sind.
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8127 | New person/name/address of the applicant |
Owner name: DAIMLERCHRYSLER AG, 70327 STUTTGART, DE |
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8127 | New person/name/address of the applicant |
Owner name: DAIMLER AG, 70327 STUTTGART, DE |
|
8130 | Withdrawal | ||
R120 | Application withdrawn or ip right abandoned |
Effective date: 20110211 |