DE102006048187B4

DE102006048187B4 - Verdunstungskühlsystem für Brennstoffzellensysteme unter Verwendung von Kathodenproduktwasser

Info

Publication number: DE102006048187B4
Application number: DE102006048187A
Authority: DE
Inventors: Volker Drünert
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2005-10-12
Filing date: 2006-10-11
Publication date: 2013-02-28
Anticipated expiration: 2026-10-12
Also published as: DE102006048187A1; US20070082245A1

Abstract

Brennstoffzellensystem (50) für ein Fahrzeug, wobei das System umfasst: einen Brennstoffzellenstapel (12), der einen Kathodenaustrag an einer Kathodenaustragsleitung (22) vorsieht, wobei der Kathodenaustrag gasförmiges und flüssiges Wasser umfasst; einen Flüssigwasserabscheider (24), der den Kathodenaustrag von der Kathodenaustragsleitung (22) aufnimmt und flüssiges Wasser davon abscheidet; und ein thermisches Subsystem mit einer Pumpe (34), einem Kühlmittelkreislauf und einem Kühler (52), wobei die Pumpe (34) ein Kühlfluid durch den Kühlmittelkreislauf, den Kühler (52) und den Brennstoffzellenstapel (12) pumpt, wobei der Kühler (52) einen selektiv permeablen Wandabschnitt (56) umfasst, der zulässt, dass Wasser in dem Kühlfluid, das durch den Kühler (52) strömt, hindurch dringen und an einer Außenfläche des Wandabschnitts (56) verdunstet werden kann; dadurch gekennzeichnet, dass das thermische Subsystem ferner ein Kühlmittelreservoir (40) umfasst, an das das flüssige Wasser geliefert wird, das von dem Kathodenaustrag durch den Wasserabscheider (24) abgeschieden wird, und aus dem das abgeschiedene Wasser bei...

Description

Diese Erfindung betrifft allgemein ein Brennstoffzellensystem gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, wie es beispielsweise aus der WO 00/42671 A1 oder der DE 102 97 594 T5 bekannt geworden ist.
Wasserstoff ist ein sehr attraktiver Brennstoff, da er rein ist und dazu verwendet werden kann, effizient Elektrizität in einer Brennstoffzelle zu erzeugen. Eine Wasserstoff-Brennstoffzelle ist eine elektrochemische Vorrichtung, die eine Anode und eine Kathode mit einem Elektrolyt dazwischen umfasst. Die Anode nimmt Wasserstoffgas auf und die Kathode nimmt Sauerstoff oder Luft auf. Das Wasserstoffgas wird in der Anode aufgespalten, um freie Protonen und Elektronen zu erzeugen. Die Protonen gelangen durch den Elektrolyt an die Kathode. Die Protonen reagieren mit dem Sauerstoff und den Elektronen in der Kathode, um Wasser zu erzeugen. Die Elektronen von der Anode können nicht durch den Elektrolyt gelangen und werden somit durch eine Last geführt, in der sie Arbeit verrichten, bevor sie an die Kathode geliefert werden. Die Arbeit kann dazu dienen, ein Fahrzeug zu betreiben.
Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen (PEMFC) stellen populäre Brennstoffzellen für Fahrzeuge dar. Die PEMFC umfasst allgemein eine protonenleitende Festpolymerelektrolytmembran, wie eine Perfluorsulfonsäuremembran. Die Anode und Kathode umfassen typischerweise fein geteilte katalytische Partikel, gewöhnlich Platin (Pt), das auf Kohlenstoffpartikeln getragen und mit einem Ionomer gemischt ist. Die katalytische Mischung wird auf entgegengesetzten Seiten der Membran aufgebracht. Die Kombination der katalytischen Anodenmischung, der katalytischen Kathodenmischung und der Membran definiert eine Membranelektrodenanordnung (MEA).
Typischerweise werden mehrere Brennstoffzellen in einem Brennstoffzellenstapel kombiniert, um die gewünschte Leistung zu erzeugen. Für den oben erwähnten Kraftfahrzeug-Brennstoffzellenstapel kann der Stapel zweihundert oder mehr einzelne Zellen umfassen. Der Brennstoffzellenstapel nimmt ein Kathodenreaktandengas auf, typischerweise eine Strömung aus Luft, die durch den Stapel über einen Kompressor getrieben wird. Es wird nicht der gesamte Sauerstoff von dem Stapel verbraucht, und ein Teil der Luft wird als ein Kathodenabgas ausgegeben, das flüssiges Wasser und/oder Wasserdampf als ein Stapelnebenprodukt umfassen kann. Der Brennstoffzellenstapel nimmt auch ein Anodenwasserstoffreaktandengas auf, das in die Anodenseite des Stapels strömt. Ferner sind Strömungskanäle für ein Kühlfluid vorgesehen, das durch den Brennstoffzellenstapel strömt, um ein thermisches Gleichgewicht aufrechtzuerhalten.
Es ist notwendig, dass eine Brennstoffzelle bei einer optimalen relativen Feuchte und optimalen Temperatur arbeitet, um einen effizienten Stapelbetrieb und eine Stapellebensdauer vorzusehen. Eine typische Stapelbetriebstemperatur für Kraftfahrzeuganwendungen liegt zwischen 60°C und 80°C. Die Stapeltemperatur sieht die relative Feuchte in den Brennstoffzellen in dem Stapel für einen bestimmten Stapeldruck vor. Zu große Stapeltemperaturen über der optimalen Temperatur können Brennstoffzellenkomponenten schädigen, was die Lebensdauer der Brennstoffzellen reduziert. Auch reduzieren Stapeltemperaturen unterhalb der optimalen Temperatur die Stapelleistung. Daher verwenden Brennstoffzellensysteme thermische Subsysteme, die die Temperatur in dem Brennstoffzellenstapel steuern.
Ein typisches thermisches Subsystem für einen Kraftfahrzeug-Brennstoffzellenstapel umfasst einen Kühler, ein Gebläse und eine Pumpe. Die Pumpe pumpt ein Kühlfluid, wie Wasser und/oder Glykol, durch die Kühlkanäle in dem Brennstoffzellenstapel, wo das Kühlfluid die Stapelabwärme sammelt. Das Kühlfluid wird von dem Stapel an den Kühler geführt, wo es durch Umgebungsluft gekühlt wird, die entweder aus einer Bewegung des Fahrzeugs oder über einen Betrieb des Gebläses durch den Kühler getrieben wird. Aufgrund des hohen Bedarfs an Kühlerluftsträmung, um eine große Menge an Abwärme abzuführen und damit eine relativ niedrige Temperatur vorzusehen, ist das Gebläse gewöhnlich leistungsstark und der Kühler ist relativ groß. Die physikalische Größe des Kühlers und die Leistung des Gebläses müssen im Vergleich zu denjenigen eines Verbrennungsmotors mit einer ähnlichen Nennleistung aufgrund der geringeren Betriebstemperatur des Brennstoffzellensystems und der Tatsache höher sein, das nur eine vergleichsweise kleine Wärmemenge durch das Kathodenabgas in dem Brennstoffzellensystem abgeführt wird.
1 ist eine Draufsicht eines bekannten Brennstoffzellensystems 10, das ein thermisches Subsystem des oben beschriebenen Typs umfasst. Das Brennstoffzellensystem 10 umfasst einen Brennstoffzellenstapel 12, der eine Anodenseite 14 und eine Kathodenseite 16 besitzt. Die Anodenseite 14 nimmt ein Wasserstoffeingangsgas auf Leitung 18 auf, und die Kathodenseite 16 nimmt eine Luftströmung auf Leitung 20 auf und gibt einen Kathodenaustrag auf Leitung 22 aus. Der Kathodenaustrag auf der Leitung 22 wird an einen optionalen Wasserabscheider 24 geliefert, der das Wasser von dem Kathodenaustrag abscheidet und flüssiges Wasser auf Leitung 26 und ein Kathodenabgas auf Leitung 28 vorsieht. Das Gas nach der Abscheidung kann an die Kathodeneingangsleitung 20 geliefert werden, und das abgeschiedene Wasser kann in anderen Subystemen in dem Brennstoffzellensystem 10 verwendet werden. Wenn der Wasserabscheider 24 in dem System 10 nicht verwendet wird, wird dann das Kathodenabgas, das Wasser enthält, allgemein an die Umgebung ausgetragen.
Ein wasserhaltiges Kühlfluid wird durch die Kühlkanäle in dem Brennstoffzellenstapel 12 und eine Leitung 32 außerhalb des Stapels 12 über eine Pumpe 34 gepumpt. Ein erhitztes Kühlfluid, das in der Leitung 32 strömt, wird durch einen Kühler 36 gepumpt. Gegebenenfalls kann ein Gebläse 38 Luft durch den Kühler 36 treiben, um das Kühlfluid zu kühlen, das dann an den Stapel 12 zurückgeliefert wird. Ein Kühlmittelreservoir 40 füllt das Kühlfluid nach Bedarf wieder auf. Die Drehzahl der Pumpe 34 und die Drehzahl des Gebläses 38 können abhängig von der Leistungsabgabe des Stapels 12 und abhängig von anderen Faktoren gesteuert werden, um die gewünschte Betriebstemperatur des Stapels 12 vorzusehen.
Da flüssiges Wasser von dem System 10 an die Umgebung ausgetragen werden kann, hat dies einen potentiellen Nachteil zur Folge, da das ausgetragene Wasser Eis auf der Straße bilden kann und auch andere Nachteile zur Folge haben kann. Da die Betriebstemperatur des Brennstoffzellenstapels 12 relativ niedrig ist, kann manchmal erheblich flüssiges Wasser von dem Stapel 12 erzeugt werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Brennstoffzellensystem mit verbesserter Kühlleistung zu schaffen, ohne dass dies zu Lasten der Komplexität des Brennstoffzellensystems geht.
Diese Aufgabe wird mit einem Brennstoffzellensystem gelöst, das die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist.
Erfindungsgemäß ist ein Brennstoffzellensystem mit einem Brennstoffzellenstapel offenbart, das ein thermisches Subsystem verwendet, das einen speziellen Kühler aufweist. Ein auf Wasser basierendes oder wasserhaltiges Kühlfluid, das durch den Brennstoffzellenstapel strömt, wird durch den Kühler geführt, um Abwärme abzuführen oder zu dissipieren, bevor das Kühlfluid an den Stapel zurückgeführt wird.
Ein Teil der Wärmedissipation wird durch Strahlung und Konvektion wie bei herkömmlichen Kühlern vorgesehen. Der Kühler umfasst eine selektiv permeable Wand, die ermöglicht, dass flüssiges Wasser hindurch an die Außenseite des Kühlers dringen kann, wo es verdunstet wird, um das Kühlvermögen des Kühlers zu steigern. Ein Wasserabscheider scheidet Wasser von dem Kathodenaustrag des Brennstoffzellenstapels ab, das dazu verwendet wird, das Wasser in dem Kühlfluid, das durch die Kühlerwand verdunstet worden ist, wieder aufzufüllen.
Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden nur beispielhaft unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, in welchen:
1 eine Draufsicht eines Brennstoffzellensystems mit einem thermischen Subsystem eines in der Technik bekannten Typs ist;
2 eine Draufsicht eines Brennstoffzellensystems, das ein thermisches Subsystem verwendet, das einen Kühler besitzt, der eine poröse Wand aufweist, um eine Verdunstungskühlung vorzusehen, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist; und
3 eine weggebrochene Schnittansicht des in 2 gezeigten Kühlers ist.
2 ist eine Draufsicht eines Brennstoffzellensystems 50 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ähnlich dem Brennstoffzellensystem 10, wobei gleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind. In dem System 50 ist der Kühler 36 durch einen Kühler 52 ersetzt worden. Eine Schnittansicht eines Abschnitts des Kühlers 52 ist in 3 gezeigt. Der Kühler 52 umfasst Kühlfluidströmungskanäle 54 und einen selektiv permeablen Wandabschnitt 56. Wie oben beschrieben ist, nimmt der Kühler 52 ein erhitztes Kühlfluid von dem Stapel 12 auf. Bei einer nicht beschränkenden Ausführungsform ist das Kühlfluid eine Mischung aus Ethylenglykol und Wasser mit variierenden Konzentrationen. Jedoch können auch andere auf Wasser basierende Kühlfluide anwendbar sein, um die erwünschte Kühlung vorzusehen. Mit zunehmender Temperatur des Kühlfluides dringen zunehmende Mengen an Wasser in dem Kühlfluid durch die selektiv permeablen Abschnitte des Kühlerwandabschnittes 56 hindurch. Das Glykol in dem Kühlfluid gelangt nicht durch den selektiv permeablen Wandabschnitt 56. Das Wasser, das durch den Wandabschnitt 56 hindurchdringt, tritt in Wechselwirkung mit einer Luftströmung 58, die entweder von dem Gebläse 38 stammt oder gegen den Kühler 52 als Folge einer Bewegung des Fahrzeugs getrieben wird oder von beiden abstammt, und verdunstet an der Außenseite des Wandabschnitts 56, wodurch für das System 50 eine zusätzliche Kühlung vorgesehen wird. Der kombinierte Prozess aus Permeation und Verdunstung ist allgemein als ”Pervaporation” bekannt. Ein Teil der Wärmedissipation von dem Kühler wird auch durch Strahlung und Konvektion wie bei herkömmlichen Kühlern vorgesehen.
Das Material des Wandabschnitts 56 kann ein beliebiges Material sein, das für die hier beschriebenen Zwecke geeignet ist, wie vernetzter Polyvinylalkohol auf einem Polyethersulfonträger oder eine vernetzte Chitosan-Membran. Um die selektiv permeable Pervaporationsschicht oder -membran zu stützen, kann der Wandabschnitt 56 einen porösen oder maschenartigen Metallaufbau mit geeigneter Form und Dicke aufweisen. Bezüglich beispielhafter Materialien für den Wandabschnitt 56 sei auf die DE 39 39 867 A1 verwiesen, die dafür geeignete Materialien beschreibt.
Bei einer alternativen Ausführungsform kann das Material des selektiv permeablen Wandabschnitts 56 solche Eigenschaften besitzen, dass nur Wasserdampf durch den Wandabschnitt 56 hindurch dringen kann. Die gleichen Materialien, wie oben beschrieben ist, können bei dieser Ausführungsform für den Wandabschnitt 56 verwendet werden. Somit steigert die interne Verdunstung des Kühlfluids von dem Kühler 52 seine Gesamtkühlfähigkeit. Daher kann die Größe des Kühlers 52 und des Gebläses 38 gegenüber denjenigen Kühlern und Gebläsen, die gegenwärtig in der Technik verwendet werden, verringert werden.
Die folgende Gleichung ergibt die von dem Kühler 52 durch Verdunstung abgeführte theoretische Wärme dH_Verdunstung auf Grundlage der latenten Verdunstungswärme und somit die erhöhte Kühlleistung des Kühlers 52, wobei m_{verdunstetesWasser} die Masse des Wassers ist, die von dem Kühler 52 verdunstet wird. dH_Verdunstung[kW] = m_{verdunstetetesWasser}[kg/s]·2250[kJ/kg] (1)
Die durch Verdunstung verfügbare theoretische Enthalpie ist für einen typischen Kühler durch die folgende Gleichung gegeben:
Aufgrund der Pervaporation von Wasser in dem Kühler 52 nimmt die Größe des molaren Anteils oder Massenanteils von Wasser in dem Kühlfluid in dem thermisches Subsystem stetig ab. Ein Kühlfluid auf Grundlage einer Glykol-Wasser-Mischung kann seine Betriebsanforderungen, wie einer Frostschutzfähigkeit, innerhalb eines relativ großen Gebiets variierender Wasserkonzentrationen aufrechterhalten. Gemäß der Erfindung wird das flüssige Wasser, das von dem Wasserabscheider 24 abgeschieden wird, auf der Leitung 26 an das Kühlmittelreservoir 40 geliefert, um rückgeführt zu werden und die Wasserversorgung des Kühlfluides wieder aufzufüllen und damit die Konzentration von Wasser in dem Kühlfluid in einem geeigneten Bereich zu halten. Ein Rückschlagventil 60 verhindert, dass das Kühlfluid in dem Kühlmittelreservoir 40 an den Wasserabscheider 24 zurückkehrt. In dem Fall, dass die Menge an Produktwasser, die von dem Brennstoffzellenstapel 12 erzeugt wird, die Menge an Wasser überschreitet, die durch den Wandabschnitt 56 verdunstet wird, wobei das Kühlmittelreservoir 40 überläuft oder wobei der gewünschte Mischbereich von Wasser und Glykol übertreten würde, kann das zusätzliche Wasserprodukt auf dieselbe Weise an die Umgebung abgelassen werden, wie es gegenwärtig im Stand der Technik gemacht wird.
Die durch die Verdunstungskühlung in dem Kühler 52 vorgesehenen Vorteile umfassen eine erhöhte Kühlsystemleistung, eine höhere Fahrzeugleistung, einen kleineren Kühler, eine kleinere Frontfläche des Fahrzeugs, wodurch der Luftwiderstandskoeffizient verringert wird, eine erhöhte Beständigkeit und Lebensdauer der Brennstoffzelle aufgrund geringerer Betriebstemperatur und eine erhöhte Konstruktionsfreiheit. Eine Verringerung von Flüssigwasseremission sieht die Vorteile einer verringerten Belästigung, verringerten Bildung von Eis im Winter auf Straßen, etc. vor.
Durch die Konstruktion des Kühlers 52, wie oben beschrieben ist, wird der Vorteil einer passiven Selbstregulierungsfähigkeit des Kühlsubsystems vorgesehen. Neben anderen Faktoren hängt die Pervaporation von Wasser durch die oben erwähnten Materialien und somit die Kühlung durch Verdunstung stark von der Temperatur und dem Druck des Kühlfluids ab. Je höher die Temperatur und der Druck in dem Kühlfluid sind, um so höher ist die Pervaporationsrate und somit der Kühleffekt. Typischerweise treten hohe Kühlfluidtemperaturen und -drücke bei hohen Brennstoffzellensystemlasten auf. Somit sieht die Erfindung, wie oben beschrieben ist, die stärkste Kühlleistung bei hohen Lasten vor, wenn diese von dem System gefordert werden. Zusätzlich ist unter hohen Lasten, bei denen ein Wasserverbrauch durch Pervaporation in dem Kühler 52 am höchsten ist, die Wassererzeugung des Brennstoffzellenstapels 12 ebenfalls am höchsten, so dass das Wasser in dem Kühlfluid ausreichend wiederaufgefüllt wird. Dieser Effekt hilft, die Temperatur wie auch die Wasser-Glykol-Mischung des Kühlfluides passiv selbst zu regulieren.
Wasserstoffmoleküle sind sehr klein und schwierig in einer geschlossenen Umgebung zu halten. In der Technik ist es bekannt, dass Wasserstoff durch Stapel- und Plattenmaterialien in dem Brennstoffzellenstapel 12, insbesondere um die Platten des Stapels 12 herum hindurch dringen kann. Wasserstoff leckt in die Kühlfluidkanäle, in denen er in dem Kühlfluid gelöst wird oder in dem Kühlfluid als Wasserstoffblasen eingeschlossen wird. Diese Wasserstoffblasen können an das Reservoir 40 entlüftet werden, wo sie sich ansammeln. Diese Ansammlung von Wasserstoff in dem Reservoir 40 könnte eine brennbare Quelle vorsehen. Der selektiv permeable Wandabschnitt 56 reduziert auch den Aufbau von Wasserstoff in dem Kühlmittelkreislauf, da der Wasserstoff durch den Wandabschnitt 56 diffundiert, wodurch die Wasserstoffkonzentration und der Druckaufbau in dem Kühlmittelreservoir 40 reduziert werden.
Zusammengefasst ist ein Brennstoffzellensystem offenbart, das einen Brennstoffzellenstapel aufweist, der ein thermisches Subsystem verwendet, das einen speziellen Kühler aufweist. Das Kühlfluid von dem Brennstoffzellenstapel wird durch den Kühler gelenkt, um Abwärme abzuführen oder zu dissipieren, bevor das Kühlfluid an den Stapel zurückgeführt wird. Der Kühler umfasst eine selektiv permeable Wand, die ermöglicht, dass flüssiges Wasser oder Wasserdampf selektiv an die Außenseite des Kühlers hindurch dringen kann, wo es bzw. er verdunstet wird, um die Kühlfähigkeit des Kühlers zu steigern. Ein Wasserabscheider scheidet Wasser von dem Kathodenaustrag des Brennstoffzellenstapels ab, das dazu verwendet wird, das durch die Kühlerwand verdunstete Wasser in dem Kühlfluid wieder aufzufüllen.

Claims

Brennstoffzellensystem (50) für ein Fahrzeug, wobei das System umfasst: einen Brennstoffzellenstapel (12), der einen Kathodenaustrag an einer Kathodenaustragsleitung (22) vorsieht, wobei der Kathodenaustrag gasförmiges und flüssiges Wasser umfasst; einen Flüssigwasserabscheider (24), der den Kathodenaustrag von der Kathodenaustragsleitung (22) aufnimmt und flüssiges Wasser davon abscheidet; und ein thermisches Subsystem mit einer Pumpe (34), einem Kühlmittelkreislauf und einem Kühler (52), wobei die Pumpe (34) ein Kühlfluid durch den Kühlmittelkreislauf, den Kühler (52) und den Brennstoffzellenstapel (12) pumpt, wobei der Kühler (52) einen selektiv permeablen Wandabschnitt (56) umfasst, der zulässt, dass Wasser in dem Kühlfluid, das durch den Kühler (52) strömt, hindurch dringen und an einer Außenfläche des Wandabschnitts (56) verdunstet werden kann; dadurch gekennzeichnet, dass das thermische Subsystem ferner ein Kühlmittelreservoir (40) umfasst, an das das flüssige Wasser geliefert wird, das von dem Kathodenaustrag durch den Wasserabscheider (24) abgeschieden wird, und aus dem das abgeschiedene Wasser bei Bedarf in den Kühlmittelkreislauf zur Aufrechterhaltung dessen Wasserversorgung geleitet wird.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das thermische Subsystem ein Gebläse (38) umfasst, wobei das Gebläse (38) Luft gegen den Wandabschnitt (56) treibt, um so die Verdunstungskühlung zu steigern.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Material des Wandabschnitts Eigenschaften besitzt, die zulassen, dass nur Wasserdampf durch den Wandabschnitt (56) diffundieren kann.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der selektiv permeable Wandabschnitt (56) einen vernetzten Polyvinylalkohol auf einem Polyethersulfonträger umfasst.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der selektiv permeable Wandabschnitt (56) eine vernetzte Chitosan-Membran umfasst.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühler einen Trägeraufbau zum Tragen des selektiv permeablen Wandabschnitts (56) umfasst.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Trägeraufbau ein maschenartiger Metallaufbau ist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Permeation des Kühlfluides durch den Wandabschnitt (56) über die Temperatur und den Druck der Kühlfluidströmung durch den Kühler (52) gesteuert ist.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlfluid eine Wasser-Glykol-Mischung ist, die eine Konzentration von Wasser und Glykol in einem vorbestimmten Bereich aufweist.