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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kühlung einer Brennstoffzelle.
Die Erfindung betrifft eine hierauf gerichtete Vorrichtung.
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Anwendungsbereiche
für Brennstoffzellen haben
sich in den letzten Jahren rasch entwickelt. Insbesondere liegt
das Interesse auch auf dem Einsatz von Brennstoffzellen, vor allem
PEM-Brennstoffzellen zum Antrieb von Kraftfahrzeugen. Besondere Vorteile
aufgrund des wasserfreien Protonenleitmechanismus verspricht der
Einsatz von Hochtemperatur-PEM-Brennstoffzellen, die bei Betriebstemperaturen
von bis 160° Celsius
ihren besten Wirkungsgrad erreichen. Neben dem elektrischen Strom
fallen hierbei erhebliche Mengen an Reaktionswärme an, die über ein
Kühlsystem
angeführt
werden müssen.
Bei herkömmlichen
Kühlsystemen
kommen aufgrund des hohen Temperaturniveaus Thermoöle als Wärmeträger zum
Einsatz. Die Verwendung von Thermoölen bedingt einen erheblichen,
höheren
apparativen Aufwand. Zudem weisen viele Thermoöle gegenüber Wasser erhebliche Nachteile
hinsichtlich Viskosität, spezifischer
Wärmekapazität und ihrem
Wärmeausdehnungskoeffizienten
auf.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Kühlung einer
Brennstoffzelle bereitzustellen, die die genannten Nachteile vermeiden.
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Hierzu
wird ein Verfahren zur Kühlung
einer Brennstoffzelle vorgeschlagen, bei dem in einem Kreislauf
ein Kühlmedium
an mindestens einer Wärmeübertragungsfläche der
Brennstoffzelle unter Ausbildung von Blasensieden entlang geleitet
wird. Die Brennstoffzelle weist demzufolge mindestens eine Wärmeübertragungsfläche auf,
an der der Übergang der
in der Brennstoffzelle entstehenden Reaktionswärme auf das entlang geführte Kühlmittel
erfolgt. Diese Wärmeübertragungsfläche liegt
hierzu in einem Kreislauf, in dem das Kühlmedium an ihr entlang geleitet
wird. Während
des Entlangleitens des Kühlmediums
an der Wärmeübertragungsfläche erfolgt, bedingt
durch den Übertritt
der Reaktionswärme
von der Wärmeübertragungsfläche auf
das Kühlmedium, eine
schrittweise Erwärmung
des Kühlmediums,
die bis hin zur Ausbildung von Blasensieden geht. Dies bedeutet,
dass sich an der Wärmeübertragungsfläche einzelne
Blasen ausbilden, das Kühlmedium folglich
von der flüssigen
in die gasförmige
Phase übergeht,
und sich durch die aufsteigenden beziehungsweise sich im Kühlmedium
bewegenden Blasen eine sehr gute Durchmischung des Kühlmediums
mit laufender Heranführung
neuen, noch kühleren
Kühlmediums
an die Wärmeübertragungsfläche ergibt.
Es bildet sich bei überlagerter
Globalströmung eine
Intensivbewegung der Flüssigkeit
in unmittelbarer Nähe
der Wärmeübertragungsfläche aus.
Insbesondere durch das Ablösen
der Dampfblasen von der Wärmeübertragungsfläche und
das Nachströmen von
flüssigem
Kühlmedium
wird der Wärmeübergangskoeffizient α gegenüber der
Konvektion, also der konventionellen, laminaren Kühlung, wesentlich gesteigert.
Mit zunehmender Wärmestromdichte steigt
daher die Temperatur der Wärmeübertragungsfläche in einem
weiten Bereich zunehmender Wärmestromdichte
nur geringfügig
an. Erst beim Übergang
des Blasensiedens in das sogenannte Filmsieden erfolgt ein sprunghafter
Anstieg der Temperatur der Wärmeübertragungsfläche, bedingt durch
die Ausbildung eines durchgehenden Gasfilms auf der Wärmeübertragungsfläche, wodurch
der Wärmeübergangskoeffizient α sich allerdings
erheblich verschlechtert. Dies rührt
daher, dass das Kühlmedium
durch seine zunehmende Verdampfung und die Ausbildung des im Wesentlichen
geschlossenen Dampffilms entlang der Wärmeübertragungsfläche von
der Wärmeübertragungsfläche verdrängt wird. Erfindungsgemäß wird im
Bereich des Blasensiedens gekühlt.
Hierdurch wird eine sehr gute Wärmeableitung
von der Wärmeübertragungsfläche gewährleistet.
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In
einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung wird der Volumenstrom des Kühlmediums derart gewählt, dass
das Blasensieden auftritt. Bei schneller Vorbeileitung des Volumenstroms
an der Wärmeübertragungsfläche erfolgt
ein zu geringer Wärmeeintrag
in das Kühlmedium
durch die Wärmeübertragungsfläche, so
dass lediglich eine konventionelle Konvektionskühlung erfolgt. Wird der Volumenstrom
jedoch derart gewählt,
dass während
der Zeitspanne, in der ein bestimmter Abschnitt des Volumenstroms
die Wärmeübertragungsfläche passiert, dieser
Abschnitt des Volumenstroms bis zum Erreichen der Siedetemperatur
beziehungsweise darüber hinaus,
jedoch nicht bis zum Erreichen der Temperatur erhitzt wird, bei
der Filmsieden eintritt, wird ein optimaler Wärmeübergang von der Wärmeübertragungsfläche auf
das Kühlmedium
unter Ausbildung des Blasensiedens bewirkt.
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In
einer weiteren Ausführungsform
des Verfahrens wird der Druck des Kühlmediums derart eingestellt,
dass das Blasensieden auftritt. Der Systemdruck des Kreislaufs des
Kühlmediums
sowie dessen Sättigungsdampfdruck-Kurve
haben maßgeblichen Einfluss
darauf, bei welchem Wärmeeintrag
das Blasensieden auftritt. Durch geeignete Einstellung des Drucks
des Kühlmediums
kann erreicht werden, dass das Blasensieden bereits in einem relativ
frühen
Stadium des Passierens der Wärmeübertragungsfläche eintritt,
beim Ende des Passierens der Wärmeübertragungsfläche das
Filmsieden aber gerade noch nicht erreicht wird. Unter Berücksichtigung
bestimmter Toleranzbereiche lässt
sich bewirken, dass während
des Passierens der Wärmeübertragungsfläche eines
bestimmten Volumenstromabschnittes über möglichst lange Zeit Blasensieden
auftritt, also ein besonders guter Wärmeübergang auf das Kühlmedium
stattfindet, die Wärmeübertragungsfläche folglich besonders
effektiv ausgenutzt wird.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
des Verfahrens wird als Kühlmedium
ein wässriges
Kühlmedium
verwendet. Der Einsatz von Wasser bietet sich bei Brennstoffzellen
an, da Wasser überall
und ohne Schwierigkeit verfügbar
ist. Ein wässriges
Kühlmedium
hat gegenüber
den im Stand der Technik verwendeten Kühlmedien auf Ölbasis (Thermoölen) den
Vorteil, dass der apparative Aufwand deutlich einfacher gehalten
werden kann.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
des Verfahrens kommt als Kühlmedium
Wasser mit Kühlzusätzen zum
Einsatz. Durch die Verwendung von Kühlzusätzen kann ein breiter Siedebereich
geschaffen werden, in dem Blasensieden eintritt, so dass über einen
sehr weiten Bereich die Brennstoffzelle in einem optimalen Wärmeübergangsverhalten
betrieben werden kann. Solche Kühlzusätze beeinflussen insbesondere
direkt den Siedepunkt des Kühlmediums,
der sich etwa über
das Mischungsverhältnis zwischen
Wasser und Kühlzusatz
genau einstellen Isst.
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In
einer besonders bevorzugten Ausführungsform
des Verfahrens kommt als Kühlmedium Wasser
mit Ethylenglykol zum Einsatz. Als Kühlzusatz wird handelsübliches
Ethylenglykol verwendet, das industriell gefertigt und überall verfügbar ist, ähnlich wie
es bereits in bekannten Anwendungen der KfZ-Kühltechnik vorkommt.
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Weiter
wird eine Vorrichtung zur Kühlung
einer Brennstoffzelle vorgeschlagen, mit einem im Kreislauf geführten Kühlmedium,
das an mindestens einer Wärmeübertragungsfläche der
Brennstoffzelle entlang strömt,
wobei eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung vorgesehen ist, die
mindestens einen Parameter derart beeinflusst, dass bei dem Kühlmedium
an der Wärmeübertragungsfläche Blasensieden auftritt.
Die Steuer- und/oder
Regeleinrichtung sorgt folglich dafür, dass mindestens einer der
vorgenannten Parameter Druck und/oder Volumenstrom des Kühlmediums
so eingestellt wird, dass bei dem Kühlmedium an der Wärmeübertragungsfläche das
gewünschten
Blasensieden auftritt. Hierzu ist eine Strömungsgeschwindigkeit (Volumenstrom)
beziehungsweise ein solcher Druck erforderlich, der den Eintrag einer
solchen Menge an Wärmeenergie
in das Kühlmedium
gestattet, dass während
des Entlangströmens
des Kühlmediums
an der Wärmeübertragungsfläche der
partielle Übergang
des Kühlmediums
von der flüssigen
in die gasförmige
Phase erfolgt, aber gerade noch kein durchgehender Gasfilm (wie
er beim unerwünschten
Filmsieden vorliegt) ausgebildet wird. Bevorzugt erfolgt die Beeinflussung
des mindestens einen Parameters so, dass das Blasensieden bereits
in einem sehr frühen
Stadium des Entlangleitens des Kühlmediums
an der Wärmeübertragungsfläche eintritt,
und über
dessen ganze weitere verbleibende Fläche aufrechterhalten wird,
ohne in das Filmsieden überzugehen.
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In
einer Ausführungsform
wird als Parameter die Größe des Volumenstroms
beeinflusst; in einer anderen Ausführungsform wird als Parameter
der Druck des Kühlmittels
beeinflusst. So kann jeweils eine feine Einstellung der Kühlwirkung
einfach und zuverlässigbewirkt
werden.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
der Vorrichtung ist das Kühlmittel
ein wässriges
Kühlmittel.
In einer ganz besonders bevorzugten Ausführungsform ist das Kühlmittel
Wasser mit Ethylenglykol. Ethylenglykol, wie es aus geläufigen Kühlsystemen
bekannt ist, ist überall
leicht verfügbar
und bildet zusammen mit dem Wasser ein sehr gut einstellbares Kühlmedium
in Hinblick auf Siedepunkt und Wärmetragfähigkeit.
Ferner hat Ethylenglykol antikorrosive Eigenschaften, wodurch die
Zuverlässigkeit
des Kühlkreislaufs
gesteigert wird.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung weist die Wärmeübertragungsfläche eine das
Blasensieden unterstützende
Wandrauhigkeit auf. Die Ablösung
von Gasblasen beziehungsweise der Beginn der Blasenausbildung erfolgt üblicherweise
an kleinen Unebenheiten oder an Störungen der Oberfläche einer
Wärmeübertragungsfläche. Werden
solche Störungen
in Form einer Wandrauhigkeit aufgetragen, lässt sich bereits relativ frühzeitig
während
des Entlangleitens des Kühlmediums
Blasensieden erreichen, so dass die Wärmeübertragungsfläche möglichst
weitgehend ausgenutzt werden kann.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
befindet sich im Kreislauf ein Kondensator. Dieser dient dazu, das
von der Wärmeübertragungsfläche wegströmende Zwei-Phasen-Gemisch
(bestehend aus dem flüssigen
Kühlmedium
und aus dem gasförmigen
Medium) wieder in flüssiges
Kühlmedium
zu überführen, also
die Kondensation der Gasphase und damit ihrer Rückführung in die flüssige Phase
zu bewirken, bevorzugt direkt stromabwärts der Wärmeübertragungsfläche.
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In
einer ganz besonders bevorzugten Ausführungsform ist der Kreislauf
als geschlossener Kreislauf ausgebildet. Hierdurch kann der sonst
obligatorische Ausgleichsbehälter
entfallen. Durch die Abwesenheit von Luftsauerstoff wird die Korrosion
im Kühlsystem
reduziert oder weitestgehend ausgeschlossen.
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Weitere
vorteilhafte Ausführungsformen
ergeben sich aus den Unteransprüchen
und aus Kombinationen derselben.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand von Figuren näher erläutert.
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Es
zeigen
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1 eine
schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Kühlung einer Brennstoffzelle
und
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2 eine
schematische Darstellung des Arbeitsbereiches der Vorrichtung nach 1,
der im erfindungsgemäßen Verfahren
eingehalten wird.
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1 zeigt
eine Vorrichtung 1 zur Kühlung einer Brennstoffzelle 2,
nämlich
einen Kühlkreislauf 3.
Die Brennstoffzelle 2 weist zur Abgabe von Reaktionswärme eine
Wärmeübertragungsfläche 4 auf, die
zur Unterstützung
von Blasensieden eine Wandrauhigkeit 5 aufweist, die hier
exemplarisch beispielsweise in Form von Strömungsstörern 6 dargestellt
ist (bevorzugt weist die ganze Wärmeübertragungsfläche 4 vollflächig diese
unterstützende Wandrauhigkeit 5 auf).
Innerhalb des Kühlkreislaufs 3 wird
ein Kühlmedium
M geführt,
das an der Wärmeübertragungsfläche 4 der
Brennstoffzelle 2 entlang geleitet wird. Stromabwärts der
Brennstoffzelle 2 befindet sich im Kühlkreislauf 3 ein
Kondensator 7, stromabwärts
diesem eine Umwälzpumpe 8. Über eine
nur schematisch dargestellte Steuer- und/oder Regeleinrichtung 9 wird
das Betriebsverhalten und/oder die Betriebsführung des Kühlkreislaufs 3 gesteuert
und/oder geregelt. Die Anordnung der Steuer- und/oder Regeleinrichtung
in der schematischen Darstellung der 1 ist nicht
maßgeblich; insbesondere
kann diese an jeder beliebigen Stelle innerhalb des Kühlkreislaufs 3 oder
auch außerhalb des
Kühlkreislaufs 3 angeordnet
sein, wobei zumindest im letzteren Fall die Steuer- und/oder Regeleinrichtung 9 durch
geeignete Verbindungen, insbesondere elektrische Verbindungen, die
hier nicht dargestellt sind, mit den einzelnen Komponenten des Kühlkreislaufs 3 und/oder
der Brennstoffzelle 2 beziehungsweise mit Stell- und/oder
Regelgliedern, etwa Ventilen, zur Bewirkung der Steuerung und/oder
Regelung verbunden ist. Beim Betrieb des Kühlkreislaufs 3 wird
das Kühlmedium
M, das stromaufwärts der
Brennstoffzelle 2 in flüssiger
Form MI vorliegt, in die Brennstoffzelle 2,
bewirkt durch die Umwälzpumpe 8,
eingeleitet und an der Wärmeübertragungsfläche 4 entlang
geleitet. Die Wärmeübertragungsfläche 4 ist
von Reaktionswärme
der Brennstoffzelle 2 beaufschlagt; es ergibt sich ein
(hier nicht dargestellter) Wärmestrom
von der Wärmeübertragungsfläche 4 in
das Kühlmedium
M. Das Kühlmedium
M, das in Strömungsrichtung
S an der Wärmeübertragungsfläche 4 entlang
geleitet wird, wird hierbei von Wandrauhigkeiten 5 in seinem
Strömen
gestört.
Die Wandrauhigkeiten 5 fördern hierbei insbesondere
den Übergang
des Kühlmittels
M von der flüssigen
Phase MI in eine gasförmige Phase Mg.
Dies bedeutet, dass sich im Zuge des Entlangströmens des Kühlmediums M an der Wärmeübertragungsfläche 4 Gasblasen
ausbilden, wobei diese Gasblasenausbildung insbesondere von der
Wandrauhigkeit 5 der Wärmeübertragungsfläche induziert
und gefördert
wird. Stromabseitig der Brennstoffzelle 2, insbesondere
zwischen der Brennstoffzelle 2 und dem Kondensator 7,
liegt das Kühlmedium
M folglich sowohl in flüssiger
Phase MI als auch in gasförmiger Phase
Mg innerhalb des Kühlkreislaufs 3 vor.
Im Kondensator 7 wird das Kühlmedium M von der gasförmigen Phase
Mg wieder in die flüssige Phase MI überführt und
abgekühlt,
so dass es erneut mittels der Umwälzpumpe 8 zur Kühlung der
Brennstoffzelle 2 zugeführt
werden kann. Über
die Steuer- und/oder Regeleinrichtung 9 werden hierbei
einzelne Parameter des Kühlkreislaufs beeinflusst,
insbesondere der Systemdruck (nämlich der
Druck des Kühlmediums
M innerhalb des Kühlkreislaufs 3)
sowie ein Volumenstrom VM des Kühlmediums
innerhalb des Kühlkreislaufs 3 und
insbesondere innerhalb der Brennstoffzelle 2 während der Entlangleitung
an der Wärmeübertragungsfläche 4.
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2 zeigt
als Diagramm den anzustrebenden Arbeitsbereich unter Anwendung des
erfindungsgemäßen Verfahrens
zur Kühlung
der Brennstoffzelle 2. In dem Diagramm sind auf der Abszisse ein
Wärmestrom
I4 von der Wärmeübertragungsfläche 4 hin
zum Kühlmedium
M und auf der Ordinate eine Temperatur θ4 der
Wärmeübertragungsfläche 4 abgetragen.
Abgetragen ist demzufolge der Graph des Verlaufes der Temperatur θ4 der Wärmeübertragungsfläche in Abhängigkeit
von dem in das Kühlmedium
M eingetragenen Wärmestrom
I4. In einem ersten Bereich S1 des
Temperaturverlaufs nimmt die Temperatur θ4 der
Wärmeübertragungsfläche mit
zunehmenden Wärmestrom
I4 im Wesentlichen linear zu, wobei der
Gradient relativ steil ist, also bezogen auf die Zunahme des Wärmestroms
I4 auch eine deutliche Zunahme der Temperatur θ4 der Wärmeübertragungsfläche 4 erfolgt.
Dieser erste Bereich S1 ist gekennzeichnet
durch eine als Konvektion bekannte Wärmeableitung. In einem zweiten
Bereich S2 erfolgt graduell der Übergang
des Kühlmediums
M (siehe 1) von der flüssigen Phase
MI in die gasförmige Phase Mg,
es kommt zum Blasensieden B. In diesem Bereich ist die Steigung
des Graphen deutlich flacher, da eine deutlich verbesserte Wärmeableitung
von der aus 1 ersichtlichen Wärmeübertragungsfläche 4 in
das Kühlmedium
M erfolgt; in dem Bereich des Blasensiedens ist der Wärmeübergangskoeffizient α (nämlich αB)
deutlich größer als der
Wärmeübergangskoeffizient
während
der Konvektionsphase (αK). die Wandtemperatur steigt demzufolge
sehr viel geringer an, als dies die Zunahme des Wärmestroms
I4 nahe legen würde. Erst ab einem dritten
Bereich S3 steigt die Temperatur θ4wieder sehr stark, gewissermaßen sprunghaft,
an. Dieser dritte Bereich S3 ist gekennzeichnet
durch das sogenannte Filmsieden, wobei das Kühlmedium M auf praktisch vollständiger Wärmeübertragungsfläche 4 (siehe 1)
in die Gasphase Mg übergeht und hierbei den Wärmeübertritt
von der Wärmeübertragungsfläche zum
Kühlmedium
M erheblich einschränkt.
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Es
gilt demzufolge, dass der Wärmeübergangskoeffizient α für das Filmsieden
(αF) sehr viel kleiner ist als der Wärmeübergangskoeffizient αB des Blasensiedens
B.
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Die
Betriebsführung
des Kühlkreislaufs 3 (1)
muss demzufolge durch die Steuer- und/oder Regeleinrichtung 9 (1)
sicherstellen, dass der dritte Bereich S3,
das Filmsieden F, zuverlässig
vermieden wird. Gleichzeitig ist es wünschenswert, die Brennstoffzelle 2 möglichst
frühzeitig
nach ihrem Start und dann während
des gesamten Betriebes im zweiten Bereich S2 dem
Blasensieden B, zu betreiben, da, wie aus der 2 ersichtlich,
hierbei bei nur geringer Erhöhung
der Temperatur θ4 der Wärmeübertragungsfläche und
damit letztlich der Brennstoffzelle (1) ein sehr
hoher Wärmestrom
I4 in das Kühlmedium M eingetragen und
von der Brennstoffzelle 2 abgeleitet werden kann. Dies
gestattet insbesondere den Betrieb von Hochtemperatur-PEM-Brennstoffzellen,
die bei Betriebstemperaturen von bis zu 160°Celsius ihren besten Wirkungsgrad
erreichen, mit vergleichsweise geringem apparativen und konstruktivem
Aufwand.
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- 1
- Vorrichtung
- 2
- Brennstoffzelle
- 3
- Kühlkreislauf
- 4
- Wärmeübertragungsfläche
- 5
- Wandrauhigkeit
- 6
- Strömungsstörer
- 7
- Kondensator
- 8
- Umwälzpumpe
- 9
- Steuer-
und/oder Regeleinrichtung
- M
- Kühlmedium
- MI
- Kühlflüssigkeit
- S
- Strömungsrichtung
- Mg
- Kühlmedium
gasförmig
- VM
- Volumenstrom
- I4
- Wärmestrom
- θ4
- Temperatur
- S1
- 1.
Bereich
- S2
- 2.
Bereich
- S3
- 3.
Bereich
- B
- Blasensieden
- α
- Wärmeübertragungskoeffizient
- αg
- Wärmeübertragungskoeffizient
Blasensieden
- αK
- Wärmeübertragungskoeffizient
Konvektion
- F
- Filmsieden