DE102007046056B4 - Brennstoffzellensystem mit einem verbesserten Wasserübertragungswirkungsgrad in einem Membranbefeuchter durch Reduzierung einer Trockenlufteinlasstemperatur - Google Patents

Brennstoffzellensystem mit einem verbesserten Wasserübertragungswirkungsgrad in einem Membranbefeuchter durch Reduzierung einer Trockenlufteinlasstemperatur Download PDF

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Abstract

Brennstoffzellensystem (10), mit:
einem Brennstoffzellenstapel (12), der eine Kathodeneinlassleitung (16) und eine Kathodenauslassleitung (22) aufweist;
einem Kompressor (14) zur Lieferung von Kathodeneinlassluft an die Kathodeneinlassleitung (16);
einem ersten Ladeluftkühler (18) zur Reduzierung der Temperatur der Kathodeneinlassluft von dem Kompressor (14); und
einer Wasserdampfübertragungseinheit (20) zur Befeuchtung der Kathodeneinlassluft, die durch die Kathodeneingangsleitung (16) gelangt, wobei die Wasserdampfübertragungseinheit (20) ein Kathodenabgas von der Kathodenabgasleitung (22) aufnimmt, um die Feuchte für die Kathodeneinlassluft bereitzustellen;
dadurch gekennzeichnet, dass
ein Wärmetauscher (40) vorgesehen ist, der die Temperatur einer durch einen Kühler (36) gekühlten Stapelkühlfluidströmung reduziert, die an den ersten Ladeluftkühler (18) geliefert wird, um die Kathodeneinlassluft zu kühlen, wobei der Wärmetauscher (40) Umgebungsluft zum Kühlen des Kühlfluides aufnimmt.

Description

  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • 1. Gebiet der Erfindung
  • Diese Erfindung betrifft allgemein ein Brennstoffzellensystem gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, wie es beispielsweise aus der DE 10 2005 060 396 A1 bekannt geworden ist.
  • 2. Beschreibung des Standes der Technik
  • 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 aufweist. Die Anode nimmt Wasserstoffgas auf, und die Kathode nimmt Sauerstoff oder Luft auf. Das Wasserstoffgas wird an dem Anodenkatalysator 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 an dem Kathodenkatalysator, 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.
  • Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen (PEMFC) stellen eine populäre Brennstoffzelle für Fahrzeuge dar. Die PEMFC weist allgemein eine protonenleitende Festpolymerelektrolytmembran auf, wie beispielsweise eine Perfluorsulfonsäuremembran. Die Anode und die Kathode weisen typischerweise fein geteilte katalytische Partikel auf, gewöhnlich Platin (Pt), die auf Kohlenstoffpartikeln getragen und mit einem Ionomer gemischt sind. 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). MEAs sind relativ teuer herzustellen und erfordern bestimmte Bedingungen für einen effektiven Betrieb.
  • Typischerweise werden mehrere Brennstoffzellen in einem Brennstoffzellenstapel kombiniert, um die gewünschte Leistung zu erzeugen. Beispielsweise kann ein typischer Brennstoffzellenstapel für ein Fahrzeug zweihundert oder mehr gestapelte Brennstoffzellen aufweisen. Der Brennstoffzellenstapel nimmt ein Kathodeneingangsgas, typischerweise eine Strömung aus Luft auf, die durch einen Kompressor über den Stapel getrieben wird. Es wird nicht der gesamte Sauerstoff von dem Stapel verbraucht, und ein Teil der Luft wird als ein Kathodenabgas ausgegeben, das Wasser als ein Stapelnebenprodukt enthalten kann. Der Brennstoffzellenstapel nimmt auch ein Anodenwasserstoffeingangsgas auf, das in die Anodenseite des Stapels strömt.
  • Der Brennstoffzellenstapel weist eine Serie von Bipolarplatten auf, die zwischen den verschiedenen MEAs in dem Stapel positioniert sind, wobei die Bipolarplatten und die MEAs zwischen zwei Endplatten positioniert sind. Die Bipolarplatten weisen eine Anodenseite und eine Kathodenseite für benachbarte Brennstoffzellen in dem Stapel auf. An der Anodenseite der Bipolarplatten sind Anodengasströmungskanäle vorgesehen, die ermöglichen, dass das Anodenreaktandengas an die jeweilige MEA strömen kann. An der Kathodenseite der Bipolarplatten sind Kathodengasströmungskanäle vorgesehen, die ermöglichen, dass das Kathodenreaktandengas an die jeweilige MEA strömen kann. Eine Endplatte weist Anodengasströmungskanäle auf, und die andere Endplatte weist Kathodengasströmungskanäle auf. Die Bipolarplatten und Endplatten bestehen aus einem leitenden Material, wie rostfreiem Stahl oder einem leitenden Komposit. Die Endplatten leiten die von den Brennstoffzellen erzeugte Elektrizität aus dem Stapel heraus. Die Bipolarplatten weisen auch Strömungskanäle auf, durch die ein Kühlfluid strömt.
  • Wie es in der Technik gut bekannt ist, arbeiten Brennstoffzellenmembrane bei einer bestimmten relativen Feuchte (RF), so dass der Ionenwiderstand über die Membran niedrig genug ist, um effektiv Protonen zu leiten. Die relative Feuchte des Kathodenauslassgases von dem Brennstoffzellenstapel wird typischerweise gesteuert, um die relative Feuchte der Membrane zu steuern, indem verschiedene Stapelbetriebsparameter gesteuert werden, wie Stapeldruck, Temperatur, Kathodenstöchiometrie und die relative Feuchte der Kathodenluft in den Stapel.
  • Wie oben erwähnt ist, wird Wasser als ein Nebenprodukt des Stapelbetriebs erzeugt. Daher weist das Kathodenabgas von dem Stapel Wasserdampf und flüssiges Wasser auf. In der Technik ist es bekannt, eine Wasserdampfübertragungs-(WVT)-Einheit zu verwenden, um einen Teil des Wassers in dem Kathodenabgas abzufangen und das Wasser dazu zu verwenden, die Kathodeneingangsluftströmung zu befeuchten. Wasser in dem Kathodenabgas auf einer Seite der Membran wird von der Membran absorbiert und an den Kathodenluftstrom auf der anderen Seite der Membran übertragen.
  • Wenn das Kathodenabgas eine relative Feuchte unterhalb von 100% besitzt, dann nimmt der Wasserübertragungswirkungsgrad der WVT-Einheit signifikant ab. Um diesen Verlust an Wasserübertragungswirkungsgrad auszugleichen, ist es typischerweise notwendig, die Größe der WVT-Einheit zu erhöhen, um die gewünschte Stapeleinlassfeuchte zu erreichen. Jedoch steigen, wenn die Größe der WVT-Einheit erhöht wird, die Kosten der WVT-Einheit signifikant. Auch könnten größere WVT-Einheiten Einbauprobleme in dem Brennstoffzellensystem aufweisen.
  • Die Kathodeneinlassluft wird von dem Kompressor erhitzt. In der Technik ist es bekannt, dass die Kathodeneinlassluft vor der Lieferung an die WVT-Einheit gekühlt werden kann, so dass die Kathodeneinlassluft sich bei der richtigen Temperatur zur Absorption von mehr Wasser und Wasserdampf befindet. Bei einem bekannten System wird das Stapelkühlfluid, das dazu verwendet wird, den Brennstoffzellenstapel zu kühlen, auch dazu verwendet, die Kathodeneinlassluft zu kühlen, so dass die Temperatur der Kathodeneinlassluft etwa gleich der Stapeltemperatur ist.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung ist ein Brennstoffzellensystem offenbart, das einen Gas/Flüssigkeits-Wärmetauscher und einen Ladeluftkühler zur Reduzierung der Temperatur der Kathodeneinlassluft zu einem Brennstoffzellenstapel bei bestimmten Systembetriebsbedingungen verwendet, so dass die Kathodeneinlassluft in der Lage ist, mehr Feuchtigkeit in einer Wasserdampfübertragungseinheit zu absorbieren. Das System kann ein Ventil in einer Stapelkühlmittelschleife aufweisen, die den Wärmetauscher selektiv umgeht, wenn die Kathodeneinlassluft nicht gekühlt werden muss, um die Einlassfeuchteanforderungen zu erfüllen. Bei einer anderen Ausführungsform wird der Wärmetauscher weggelassen, und es wird ein Gas/Gas-Ladeluftkühler verwendet, der eine Luftströmung verwendet, um die Temperatur der Kathodeneinlassluft zu reduzieren. Der Ladeluftkühler kann einen Dämpfer aufweisen, der selektiv geöffnet und geschlossen werden kann, um zu steuern, wie viel Luftströmung für die Kühlung bereitgestellt wird. Zusätzlich kann ein zweiter Ladeluftkühler in dem System vorgesehen sein, der dazu dient, die Kathodeneinlassluft bei Kaltsystemstarts zu erwärmen.
  • Zusätzliche Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung und den angefügten Ansprüchen in Verbindung mit der begleitenden Zeichnung offensichtlich.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1 ist ein schematisches Blockdiagramm eines Brennstoffzellensystems, das einen Kathodenladeluftkühler und einen Wärmetauscher zum Kühlen der Kathodeneinlassluft zu einem Brennstoffzellenstapel verwendet, so dass sie mehr Feuchte absorbieren kann, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG EINER AUSFÜHRUNGSFORM
  • Die folgende Diskussion der Erfindung ist auf ein Brennstoffzellensystem gerichtet, das einen Ladeluftkühler zum Reduzieren der Temperatur der an einen Brennstoffzellenstapel gelieferten Kathodeneinlassluft bei bestimmten Systembetriebsbedingungen verwendet, so dass die Kathodeneinlassluft in der Lage ist, mehr Feuchte in einer Wasserdampfübertragungseinheit zu absorbieren.
  • 1 ist ein schematisches Blockdiagramm eines Brennstoffzellensystems 10, das einen Brennstoffzellenstapel 12 aufweist, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Ein Kompressor 14 liefert einen komprimierten Kathodeneinlassluftstrom auf einer Kathodeneingangsleitung 16 abhängig von der Lastanforderung des Brennstoffzellenstapels 12. Die Kathodeneinlassluft von dem Kompressor 14 wird an einen Gas/Flüssigkeits-Ladeluftkühler (CAC) 18 geliefert, der die Kathodeneinlassluft kühlt, die infolge der Kompression der Luft in dem Kompressor 14 erhitzt worden ist. Der Fachmann erkennt leicht verschiedene Typen geeigneter Ladeluftkühler, die die hier beschriebene Funktion ausführen können. Die gekühlte Kathodeneinlassluft von dem CAC 18 wird dann an eine WVT-Einheit 20 geliefert, die die Kathodeneinlassluft auf ein gewünschtes Feuchteniveau befeuchtet. Ein Kathodenabgas auf der Kathodenabgasleitung 22 liefert das Wasser und den Wasserdampf in der WVT-Einheit 20, um die Befeuchtung bereitzustellen. WVT-Einheiten, die geeignete Membrane verwenden, um die Kathodeneinlassluft auf diese Weise zu befeuchten, sind dem Fachmann gut bekannt, und es sind verschiedene Konstruktionen für die hier beschriebenen Zwecke geeignet. Die befeuchtete und hinsichtlich der Temperatur reduzierte Kathodeneinlassluft wird dann an den Brennstoffzellenstapel 12 auf der Kathodeneingangsleitung geliefert. Ein Temperatursensor 26 misst die Temperatur der Kathodeneinlassluft aus dem CAC 18, und ein Sensor 28 für relative Feuchte (RF) misst die relative Feuchte der Kathodeneinlassluft, die an den Brennstoffzellenstapel 12 angelegt wird. Alternativ dazu kann der RF-Sensor 28 durch einen Sensor ersetzt sein, der den Hochfrequenzwiderstand des Stapels 12 misst, wie es dem Fachmann gut bekannt ist.
  • Brennstoffzellensysteme weisen typischerweise ein Stapelkühlsubsystem auf, das ein Kühlfluid durch Kühlfluidströmungskanäle in dem Brennstoffzellenstapel 12 treibt. Das Stapelkühlfluid strömt durch eine Kühlmittelschleife 32 außerhalb des Stapels 12. Das Kühlfluid wird durch die Kühlmittelschleife 32 und den Brennstoffzellenstapel 12 über eine Pumpe 34 gepumpt. Das erhitzte Kühlfluid von dem Brennstoffzellenstapel 12 wird durch einen Kühler 36 gekühlt, bevor es an den Stapel 12 zurückgeführt wird, um Abwärme zu sammeln. Der Kühler 36 ist typischerweise Teil eines Kühlersubsystems, das ein Kühlgebläse (nicht gezeigt) aufweist. Eine Leitung 38 lenkt einen Teil des Kühlfluides zu dem CAC 18, wie nachfolgend detaillierter beschrieben ist.
  • Wie es in der Technik gut bekannt ist, erzeugt der Betrieb des Stapels 12 signifikant Wasser, das an das Kathodenabgas übertragen wird. Wenn der Stapel 12 mit einer Feuchte von unter 100% betrieben wird und der Sollwert der relativen Feuchte des Kathodeneinlassgases nicht erreicht wird, ermöglicht die vorliegende Erfindung eine Erhöhung der relativen Feuchte des Stapels ohne Erhöhung der Größe der WVT-Einheit 20. Dies kann bei bestimmten Betriebsbedingungen des Systems stattfinden, wie bei hohen Lasten.
  • Gemäß dieser Ausführungsform der Erfindung weist das System 10 einen Gas/Flüssigkeits-Wärmetauscher 40 auf, der das Kühlfluid auf der Leitung 38 aufnimmt, bevor es an den CAC 18 geliefert wird. Der Wärmetauscher 40 reduziert die Temperatur des Kühlfluides in der Leitung 38 nach dem Wärmetauscher 40, so dass der CAC 18 die Temperatur der Kathodeneinlassluft reduziert, so dass diese in der Lage ist, mehr Wasserdampf in der WVT-Einheit 20 zu absorbieren. Sogar obwohl die relative Feuchte des Kathodenabgases reduziert sein kann, wird daher die Fähigkeit der Kathodeneinlassluft zur Adsorption von Wasser erhöht, so dass die Anforderungen an die relative Feuchte der Kathodeneinlassluft beibehalten werden können.
  • In der Leitung 38 ist ein Dreiwegeventil 42 vorgesehen, das gesteuert wird, um das Kühlfluid so zu liefern, dass es entweder durch die Leitung 38 und den Wärmetauscher 40 strömt, wie oben beschrieben ist, oder den Wärmetauscher 40 auf einer Bypassleitung 44 während derjenigen Zeiten umgeht, wenn sich die relative Feuchte der Kathodeneinlassluft auf dem gewünschten Sollwert befindet, bei dem die Kathodeneinlassluft durch den CAC 18 nicht weiter gekühlt werden muss. Insbesondere wenn das Kathodenauslassgas bei 100% oder darüber liegt, muss dann die Kathodeneinlassluft typischerweise nur auf die Temperatur des durch den Stapel 12 strömenden Kühlfluids gekühlt werden, um die Anforderungen an die relative Feuchte der Kathodeneinlassluft zu erfüllen. Es können Steueralgorithmen verwendet werden, die die Temperatur der Kathodeneinlassluft aus dem CAC 18, wie von dem Temperatursensor 26 bereitgestellt ist, und die relative Feuchte der Kathodeneinlassluft, wie durch den Sensor 28 für relative Feuchte bereitgestellt ist, verwenden, um das Ventil 42 zu steuern.
  • Der Wärmetauscher 40 kann ein beliebiger Wärmetauscher sein, der für die hier beschriebenen Zwecke geeignet ist. Bei einer Ausführungsform verwendet der Wärmetauscher Luft, um die Kühlung durch die Bewegung des Fahrzeugs vorzusehen, das Umgebungsluft auf Leitung 46 aufnimmt. Bei einem spezifischen Beispiel ist der Wärmetauscher 40 der bereits vorhandene Radkastenwärmetauscher, der dem Fachmann bekannt ist und benachbart der Räder eines Fahrzeugs positioniert ist. Bei dieser Konstruktion wird die Kühlfluidströmung für den Stapel 12 in dem Fahrzeug so umgelenkt, dass sie durch den Wärmetauscher 40 gelangt. Jedoch können andere Wärmetauscher in dem System 10 in Übereinstimmung mit der Diskussion hier verwendet werden, einschließlich derjenigen Wärmetauscher, die ein Kühlgebläse enthalten können. Die Wärmemenge, die von dem Wärmetauscher 40 abgewiesen wird, hängt von der Größe der Luftströmung auf Leitung 46, d. h. der Geschwindigkeit des Fahrzeugs, und der Umgebungslufttemperatur ab.
  • Bei einer alternativen Ausführungsform kann das Ventil 42 ein oder mehrere Ventile umfassen, die selektiv ermöglichen, dass ein Teil des Kühlfluides den Wärmetauscher 40 umgehen kann und ein Teil des Kühlfluides durch den Wärmetauscher 40 strömen kann, um eine verbesserte Kathodeneinlasslufttemperatursteuerung vorzusehen. Ein geeignetes Beispiel zur Bereitstellung dieses Konstruktionstyps besteht darin, zwei Proportional- oder Digitalventile zu verwenden. Alternativ dazu kann ein Ventil in der Leitung 38 vorgesehen sein, oder es kann ein Ventil in der Bypassleitung 44 vorgesehen sein, und der Druckabfall der anderen Leitung kann derart ausgebildet sein, um die Strömungsverteilung durch den Wärmetauscher 40 oder um den Wärmetauscher 40 herum vorzusehen. Auch kann der Wärmetauscher 40 dazu verwendet werden, die Kathodeneinlassluft aus Gründen zu erhitzen, die nachfolgend beschrieben sind.

Claims (7)

  1. Brennstoffzellensystem (10), mit: einem Brennstoffzellenstapel (12), der eine Kathodeneinlassleitung (16) und eine Kathodenauslassleitung (22) aufweist; einem Kompressor (14) zur Lieferung von Kathodeneinlassluft an die Kathodeneinlassleitung (16); einem ersten Ladeluftkühler (18) zur Reduzierung der Temperatur der Kathodeneinlassluft von dem Kompressor (14); und einer Wasserdampfübertragungseinheit (20) zur Befeuchtung der Kathodeneinlassluft, die durch die Kathodeneingangsleitung (16) gelangt, wobei die Wasserdampfübertragungseinheit (20) ein Kathodenabgas von der Kathodenabgasleitung (22) aufnimmt, um die Feuchte für die Kathodeneinlassluft bereitzustellen; dadurch gekennzeichnet, dass ein Wärmetauscher (40) vorgesehen ist, der die Temperatur einer durch einen Kühler (36) gekühlten Stapelkühlfluidströmung reduziert, die an den ersten Ladeluftkühler (18) geliefert wird, um die Kathodeneinlassluft zu kühlen, wobei der Wärmetauscher (40) Umgebungsluft zum Kühlen des Kühlfluides aufnimmt.
  2. System nach Anspruch 1, ferner mit einer Ventilanordnung (42), um das Kühlfluid auf einer Bypassleitung (44) um den Wärmetauscher (40) herumzuleiten, wobei die Ventilanordnung (42) so gesteuert ist, dass der Wärmetauscher (40) umgangen wird, wenn die relative Feuchte der Kathodeneinlassluft bei oder oberhalb eines vorbestimmten RF-Sollwertes liegt, und das Kühlfluid an den Wärmetauscher (40) zu liefern, wenn die relative Feuchte der Kathodeneinlassluft unter dem RF-Sollwert liegt.
  3. System nach Anspruch 2, ferner mit einem Temperatursensor (26) zum Messen der Temperatur der Kathodeneinlassluft und einer Vorrichtung (28) zum Messen der relativen Feuchte der Kathodeneinlassluft, wobei die Ventilanordnung (42) unter Verwendung der Messungen der Temperatur und der relativen Feuchte gesteuert wird, um die relative Feuchte der Kathodeneinlassluft bei oder über der vorbestimmten relativen Feuchte zu halten.
  4. System nach Anspruch 2, wobei die Ventilanordnung (42) selektiv gesteuert ist, so dass ein Anteil des Kühlfluides den Wärmetauscher (40) umgeht und ein Anteil des Kühlfluides durch den Wärmetauscher (40) strömt, um so die Temperatur des Kühlfluides selektiv zu steuern, das an den ersten Ladeluftkühler (18) geliefert wird.
  5. System nach Anspruch 2, wobei die Ventilanordnung (42) ein einzelnes Ventil ist, das in der Bypassleitung (44) oder in einer Kühlfluidleitung positioniert ist, die mit dem Wärmetauscher (40) gekoppelt ist, wobei das Ventil die Menge an Kühlfluid steuert, das den Wärmetauscher (40) umgeht oder durch diesen gelangt.
  6. System nach Anspruch 1, wobei der Wärmetauscher (40) ein Radkastenwärmetauscher ist.
  7. System nach Anspruch 1, wobei das Kühlfluid ein Kühlfluid ist, das dazu verwendet wird, den Brennstoffzellenstapel (12) zu kühlen.
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