DE102006020393B4 - Fuel cell system with a hydrogen storage and method for cooling a fuel cell - Google Patents
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Abstract
Brennstoffzellensystem
(50) mit einem Wasserstoffspeicher (10, 100) mit einem Innengehäuse (12),
in dem Speichermaterial (22) angeordnet ist, in das Wasserstoff
einlagerbar ist und welches gezielt Wasserstoff aufnehmen und abgeben
kann, wobei der Wasserstoffspeicher (10, 100) mit einem Brennstoffzellenabgasstrom
(30) beaufschlagbar ist, wobei der Wasserstoffspeicher (10) zur
Freigabe von Wasserstoff aus dem Wasserstoffspeicher (10, 100) in
einem heißen
Brennstoffzellenabgasstrom (30) der Brennstoffzelle (52) angeordnet
ist,
und wobei der Brennstoffzellenabgasstrom (30) das Innengehäuse (12)
des Wasserstoffspeichers (10) von außen umströmt,
dadurch gekennzeichnet,
dass
das Brennstoffzellensystem eine Anordnung zur Kühlung der
Brennstoffzelle (52) umfasst, bei der der Brennstoffzelle (52) Wasser
aus einem Flüssigwasservorrat
(54) zuführbar
und die Brennstoffzelle (52) durch Verdampfung des zugeführten Wassers
kühlbar
ist, wobei der Brennstoffzellenabgasstrom (30) beim Umströmen des
Innengehäuses (12)
des Wasserstoffspeichers (10, 100) abkühlbar und Wasser aus dem Brennstoffzellenabgasstrom
(30) auskondensierbar ist, wobei der Wasserstoffspeicher (10, 100)
einen Ausgang (34) aufweist, über
den das...Fuel cell system (50) with a hydrogen storage (10, 100) with an inner housing (12), in which storage material (22) is arranged, in which hydrogen can be stored and which can receive and release hydrogen in a targeted manner, wherein the hydrogen storage (10, 100) a fuel cell exhaust stream (30) is acted upon, wherein the hydrogen storage (10) for releasing hydrogen from the hydrogen storage (10, 100) in a hot fuel cell exhaust stream (30) of the fuel cell (52) is arranged,
and wherein the fuel cell exhaust stream (30) flows around the inner housing (12) of the hydrogen storage (10) from the outside,
characterized in that
the fuel cell system comprises an arrangement for cooling the fuel cell (52), wherein the fuel cell (52) water from a liquid water supply (54) can be supplied and the fuel cell (52) is cooled by evaporation of the supplied water, wherein the fuel cell exhaust gas stream (30) when flowing around the inner housing (12) of the hydrogen storage (10, 100) cooled and water from the Brennstoffzellenabgasstrom (30) auskondensierbar, wherein the hydrogen storage (10, 100) has an output (34) through which the hydrogen storage ...
Description
Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem mit einem Wasserstoffspeicher und ein Verfahren zur Kühlung einer Brennstoffzelle nach den Oberbegriffen der unabhängigen Ansprüche.The The invention relates to a fuel cell system with a hydrogen storage and a method of cooling A fuel cell according to the preambles of the independent claims.
Zur Lagerung von Wasserstoff ist es bekannt, diesen entweder gasförmig in Drucktanks mit mehreren hundert bar Überdruck oder bei kryogenen Temperaturen flüssig in speziellen Kühltanks zu speichern.to Storage of hydrogen is known to be either gaseous in this Pressure tanks with several hundred bar overpressure or at cryogenic temperatures liquid in special cooling tanks save.
Weiterhin sind Feststoffspeicher bekannt, beispielsweise mit so genannten Metallhydriden, in denen der Wasserstoff im Speichermaterial aufgenommen, in deren atomaren Struktur festgehalten und bei Temperaturerhöhung oder Druckabsenkung wieder abgegeben wird. Da diese Feststoffspeicher weder extreme Temperaturen noch hohe Drücke erfordern, sind Feststoffspeicher vergleichsweise unkompliziert zu handhaben. Solche Feststoffspeicher bieten sich daher für mobile Kleinanwendungen, aber auch für den Einsatz in Land-, Wasser- oder Luftfahrzeugen an. Allerdings können diese Speichermaterialien bei Raumtemperatur lediglich etwa 2% ihres Eigengewichts an Wasserstoff aufnehmen. Das bedeutet, dass beispielsweise rund 100 kg des Materials benötigt werden, um rund 2 kg Wasserstoff zu speichern.Farther Solid storage are known, for example with so-called Metal hydrides in which the hydrogen is taken up in the storage material, held in their atomic structure and temperature increase or Pressure reduction is released again. Since these solid storage neither extreme temperatures still require high pressures are solid storage comparatively uncomplicated to handle. Such solid storage offer therefore for Mobile small applications, but also for use in land, water or air vehicles at. However, you can these storage materials at room temperature only about 2% of their Take up its own weight of hydrogen. That means, for example about 100 kg of the material needed to save about 2 kg of hydrogen.
Ferner benötigen solche Feststoffspeicher für Wasserstoff eine Kühlung beim Betanken und eine Heizung beim Entleeren, da Wasserstoff unter Wärmeaufnahme des Speichermaterials abgegeben wird.Further need such solid storage for Hydrogen a cooling when refueling and heating when emptying, as hydrogen under heat absorption of the storage material is discharged.
Die
Patentschrift
Aus
der Offenlegungsschrift
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Die
Offenlegungsschrift
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der Druckschrift
Die
Druckschrift
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Brennstoffzellensystem mit einem Feststoffspeicher für Wasserstoff bereit zu stellen, der möglichst kompakt gebaut, leicht in der Auslegung zu variieren ist und besonders für einen Fahrzeugeinsatz geeignet ist. Weiterhin soll ein effizientes Verfahren zur Kühlung einer Brennstoffzelle angegeben werden.task The invention is a fuel cell system with a solid reservoir for hydrogen to provide as much as possible compactly built, easy to vary in design and especially for one Vehicle use is suitable. Furthermore, an efficient procedure for cooling a fuel cell can be specified.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst.The The object is achieved by the Characteristics of the independent claims solved.
Günstige Aus- und Weiterbildungen der Erfindung sind den weiteren Ansprüchen zu entnehmen.Favorable price and further developments of the invention are the further claims remove.
Erfindungsgemäß weist ein Brennstoffzellensystem einen Feststoffspeicher für Wasserstoff mit einem Innengehäuse auf, in dem Speichermaterial, in das Wasserstoff einlagerbar ist und welches gezielt Wasserstoff aufnehmen und abgeben kann, angeordnet ist. Zur Freigabe von Wasserstoff ist der Wasserstoffspeicher erfindungsgemäß in einem Brennstoffzellenabgasstrom der Brennstoffzelle angeordnet, wobei der Brennstoffzellenabgasstrom, insbesondere ein Kathodenabgasstrom, das Innengehäuse von außen umströmt. Dadurch, dass Kathodenabgas verwendet wird, ist eine besonders effektive Wärmeübertragung durch Kondensation des vor allem im Kathodenabgas enthaltenen Wassers möglich. Das Wasser setzt sich aus dem Produktwasser, das bei der Brennstoffzellenreaktion entsteht, und aus dem Wasser zusammen, das zur Befeuchtung und Kühlung der Brennstoffzellenmembran zugeführt wird. Dadurch, dass das Innengehäuse umströmt wird, können separaten Leitungen für das Brennstoffzellenabgas innerhalb des Innengehäuses vermieden werden.According to the invention, a fuel cell system has a solid storage for hydrogen with an inner housing in which storage material in which hydrogen can be stored and which can receive and deliver hydrogen in a targeted manner is arranged. In order to release hydrogen, the hydrogen storage is arranged according to the invention in a fuel cell exhaust stream of the fuel cell, wherein the fuel cell exhaust stream, in particular a cathode exhaust stream, flows around the inner housing from the outside. The fact that cathode exhaust gas is used, a particularly effective heat transfer by condensation of the water contained mainly in the cathode exhaust gas is possible. The water is composed of the product water, which results from the fuel cell reaction, and the water, which is used for humidification and cooling ment of the fuel cell membrane is supplied. The fact that the inner housing is flowed around, separate lines for the fuel cell exhaust gas can be avoided within the inner housing.
Denkbar ist neben der Verwendung von Kathodenabgas auch die Verwendung von Anodenabgas. Der Brennstoffzellenabgasstrom wird effektiv abgekühlt. Vorteilhafterweise ist daher auch eine effiziente Wasserrückgewinnung möglich. Ferner umfasst das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem eine Anordnung zur Kühlung der Brennstoffzelle, bei der der Brennstoffzelle Wasser aus einem Flüssigwasservorrat zuführbar und die Brennstoffzelle durch Verdampfung des zugeführten Wassers kühlbar ist, wobei der Brennstoffzellenabgasstrom beim Umströmen des Innengehäuses des Wasserstoffspeichers abkühlbar und Wasser aus dem Brennstoffzellenabgasstrom auskondensierbar ist, wobei der Wasserstoffspeicher einen Ausgang aufweist, über den das auskondensierte Wasser wiederum dem Flüssigwasservorrat zuführbar ist.Conceivable In addition to the use of cathode exhaust gas, the use of Anode exhaust gas. The fuel cell exhaust stream is effectively cooled. advantageously, Therefore, an efficient water recovery is possible. Further the fuel cell system according to the invention comprises a Arrangement for cooling the fuel cell, where the fuel cell from a water Liquid water supply supplied and the fuel cell by evaporation of the supplied water cooled is, wherein the fuel cell exhaust gas stream when flowing around the inner housing the hydrogen storage can be cooled and water is condensable out of the fuel cell exhaust stream, wherein the hydrogen storage has an output via which the condensed water in turn is the liquid water supply can be supplied.
Als günstiges Speichermaterial für derartige Feststoffspeicher sind prinzipiell adsorptiv wirkende Materialien wie Kohlenstoffstrukturen, metallorganische, so genannte Frameworks, Materialien mit intrinsischer Porosität, Oxide, wie etwa Titan- oder Silizium-Oxide geeignet. Bevorzugt sind Materialien mit chemischer Bindung des Wasserstoffs, wie etwa modifizierte komplexe Hydride, beispielsweise auf der Basis von Alanaten, Boranaten, weiterhin Amid/Hydrid-Systeme, Magnesium und dessen Legierungen, modifizierte Aluminiumhydride, Aminoborane, Metallhydride, beispielsweise modifizierte AB2-, AB5-Legierungen. Besonders bevorzugt sind Materialien mit endothermer Wasserstoff-Freisetzungsenthalpie im Bereich von 20–30 kJ/(mol H2). Denkbar sind auch organische Materialien, wie Kohlenstoff-Nanoröhrchen oder organische Polymere. Die Speichermaterialien können als Pellets, Pulver und Ganulat eingesetzt werden. Das Speichermaterial kann jedoch auch unter Betriebsbedingungen von selbst pelletieren und granulieren. Die Befüllung des Feststoffspeichers bzw. der Behälter und die sonstige Handhabung der Speichermaterialien bis zum fertigen Speicher finden vorzugsweise unter Inertgas oder Wasserstoffatmosphäre statt, um eine Degradation der Speichermaterialien an Luft zu vermeiden. Grundsätzlich kann der Wasserstoffspeicher auch mit einem üblichen Druckspeicher für Wasserstoff kombiniert werden.When favorable Storage material for such solid storage are principally adsorptive materials like carbon structures, organometallic, so-called frameworks, Materials with intrinsic porosity, oxides, such as titanium or Suitable for silicon oxides. Preference is given to materials with chemical Binding of hydrogen, such as modified complex hydrides, for example, based on alanates, boranates, continue Amide / hydride systems, magnesium and its alloys, modified Aluminum hydrides, aminoboranes, metal hydrides, for example, modified AB2, AB5 alloys. Particularly preferred are materials having endothermic hydrogen release enthalpy in the range of 20-30 kJ / (mol H2). Also conceivable are organic materials, such as carbon nanotubes or organic polymers. The storage materials can be used as pellets, powders and Ganulat be used. However, the storage material can also pellet and granulate by itself under operating conditions. The filling the solid storage or the container and other handling the storage materials to the finished memory preferably find under inert gas or hydrogen atmosphere instead of to a degradation the storage materials in air to avoid. Basically the hydrogen storage also with a common pressure accumulator for hydrogen be combined.
Als Speichermaterial sind derartige Feststoffe besonders bevorzugt, die Wasserstoff endotherm freisetzen, wobei Speichermaterialien mit einer Enthalpie im Bereich von 10–40 kJ/(mol H2), bevorzugt 20–30 kJ/(mol H2) besonders günstig sind. Günstig ist beispielsweise Metallhydrid oder entsprechende andere Feststoffe, die unter Wärmeaufnahme Wasserstoff abgeben.When Storage material, such solids are particularly preferred the hydrogen endothermic release, wherein storage materials with an enthalpy in the range of 10-40 kJ / (mol H2), preferably 20-30 kJ / (mol H2) are particularly favorable. Cheap is for example, metal hydride or other similar solids, the under heat absorption Release hydrogen.
Besonders bevorzugt ist die Brennstoffzelle mit Verdampfungskühlung kühlbar. Bei solchen Brennstoffzellen muss innerhalb von kurzer Zeit eine große Wärmemenge durch Kondensation von Wasserdampf übertragen werden, um die Wasserbilanz des Brennstoffzellensystems zu schließen. Diese Wärmemenge kann der Wasserstoff-Feststoffspeicher aufnehmen, der durch eine endotherme Reaktion Wasserstoff freisetzt. Der Wasserstoff kann in der Brennstoffzelle oder im Brennstoffzellensystem, etwa in einem katalytischen Brenner, verwendet werden. Vorteilhaft kann das Bauvolumen von Brennstoffzellensystemen durch diese Kombination von Wasserstoffspeicher und Kühlaggregat verringert werden. Es können bei einem Brennstoffzellenfahrzeug größere Fahrzeugleistungen erreicht werden, da die notwendige spezifische Kühlerfläche reduziert werden kann, welche einen limitierenden Faktor bei der Auslegung von Brennstoffzellenfahrzeugen darstellt.Especially Preferably, the fuel cell is cooled with evaporative cooling. at such fuel cells must within a short time a large amount of heat be transferred by condensation of water vapor to the water balance of the Close fuel cell system. This amount of heat can absorb the hydrogen solid storage, which by a endothermic reaction releases hydrogen. The hydrogen can in the fuel cell or in the fuel cell system, approximately in one catalytic burner, used. Advantageously, the volume of construction of fuel cell systems through this combination of hydrogen storage and refrigeration unit be reduced. It can achieved in a fuel cell vehicle greater vehicle performance be because the necessary specific radiator area can be reduced, which a limiting factor in the design of fuel cell vehicles represents.
Durch eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung des Wasserstoffspeichers kann der Wärmeübertrag durch Kondensationskühlung des Brennstoffzellenabgases besonders effektiv durchgeführt werden. Das Gehäuse kann dabei mit einem oder mehreren porösen Körpern ausgefüllt sein, in dem bzw. in denen das Speichermaterial lokal konzentriert angeordnet ist. Vorzugsweise ist das Speichermaterial in einem gasdurchlässigen Behälter als Schüttung oder verpresst konzentriert. Generell sind solche Feststoffspeicher als schlechte Wärmeleiter bekannt, selbst wenn das Speichermaterial aus Metallhydrid besteht. Der poröse Körper, bevorzugt ein Metallschaum, insbesondere aus einem Leichtmetall wie Aluminium, dient vorteilhaft zur Lagerung des Behälters, als gut wärmeleitfähige Kopplung an das Innengehäuse bzw. den heißen Brennstoffzellenabgasstrom und als offenporiger Transportpfad für das aus dem Speichermaterial freigesetzte Wasserstoffgas. Der Wasserstoffspeicher ist vorzugsweise in der Art eines Speicherrohrs aufgebaut; es können auch mehrere derartige Speicherrohre als Speicher zusammengefasst sein.By a particularly advantageous embodiment of the hydrogen storage can the heat transfer by condensation cooling the fuel cell exhaust gas are carried out particularly effectively. The housing can be filled with one or more porous bodies, in which or in which the memory material is locally concentrated is. Preferably, the storage material is in a gas-permeable container as fill or pressed concentrated. In general, such solid storage as a bad conductor of heat known, even if the storage material consists of metal hydride. The porous one Body, preferably a metal foam, in particular of a light metal such as Aluminum, is advantageous for storage of the container, as good thermally conductive coupling to the inner housing or the hot one Fuel cell exhaust stream and as an open-pored transport path for the hydrogen gas released from the storage material. The hydrogen storage is preferably constructed in the manner of a storage tube; it can also be several such storage tubes be summarized as memory.
Vorteilhaft ist, wenn mindestens der eine Wasserstoffspeicher oder mehrere Wasserstoffspeicher zu einer Einheit mit einem Speichergehäuse zusammengefasst und vom gleichen Brennstoffzellenabgasstrom umspülbar sind. Bevorzugt können mindestens der eine Wasserstoffspeicher oder mehrere zu einer Einheit zusammengefasste Wasserstoffspeicher von einem gemeinsamen Speichergehäuse umgeben und vom gleichen Brennstoffzellenabgasstrom umspülbar sein. Grundsätzlich kann der Wasserstoffspeicher auch mit einem üblichen Druckspeicher für Wasserstoff kombiniert werden.Advantageous is when at least one hydrogen storage or multiple hydrogen storage combined into a unit with a storage enclosure and from the same fuel cell exhaust stream are umspülbar. At least the one hydrogen storage or several combined into one unit Hydrogen storage surrounded by a common storage enclosure and be umspülbar from the same fuel cell exhaust stream. Basically the hydrogen storage also with a common pressure accumulator for hydrogen be combined.
Eine größere Flexibilität beim Betrieb des Wasserstoffspeichers und damit in der Versorgung der Brennstoffzelle mit Wasserstoff kann erreicht werden, wenn im Speichergehäuse eine zusätzliche Kühleinrichtung vorgesehen ist, die mit einem Kühlmittel durchströmbar ist. Zweckmäßig ist dies besonders bei großen Speichervolumina.A greater flexibility in operation the hydrogen storage and thus in the supply of the fuel cell with hydrogen can be achieved if in the storage enclosure a additional cooling device is provided with a coolant flowed through is. Is appropriate especially for large ones Storage volumes.
Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Kühlung einer Brennstoffzelle eines Brennstoffzellensystems mit wenigstens einem Wasserstoffspeicher wird das Innengehäuse des Wasserstoffspeichers von einem Brennstoffzellenabgasstrom, vorzugsweise einem Kathodenabgasstrom, umströmt.at a method according to the invention for cooling a fuel cell of a fuel cell system with at least a hydrogen storage is the inner casing of the hydrogen storage of a fuel cell exhaust stream, preferably a cathode exhaust stream, flows around.
Vorzugsweise wird eine Mehrzahl von Wasserstoffspeichern von demselben Brennstoffzellenabgasstrom umspült. Dabei kann der Brennstoffzellenabgasstrom abgekühlt und Wasser aus dem Brennstoffzellenabgasstrom auskondensiert und zurückgewonnen werden.Preferably becomes a plurality of hydrogen stores from the same fuel cell exhaust stream lapped. In this case, the fuel cell exhaust stream cooled and water from the fuel cell exhaust stream condensed and recovered become.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden im Folgenden anhand eines in der Zeichnung beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert, ohne auf dieses Ausführungsbeispiel beschränkt zu sein.Further Advantages and details of the invention are described below a preferred embodiment described in the drawing explained in more detail, without to this embodiment limited to be.
Dabei zeigen:there demonstrate:
In den Figuren sind funktionell gleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen beziffert.In The figures are functionally identical elements with the same reference numerals quantified.
Das
in
Das
Brennstoffzellensystem
Die
Funktion eines derartigen Brennstoffzellensystems
Ein
Ausgang
Der
innere Aufbau eines ersten bevorzugten, speicherrohrartigen Wasserstoffspeichers
Der
Wasserstoffspeicher
Ein
Speichergehäuse
Alle
speicherrohrartigen Wasserstoffspeicher
An
einer Seite des äußeren Gehäuses
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