DE102007061955A1

DE102007061955A1 - Brennstoffzellensystem

Info

Publication number: DE102007061955A1
Application number: DE102007061955A
Authority: DE
Inventors: Gerald Dipl.-Ing. Hornburg
Original assignee: Daimler AG; Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2007-12-21
Filing date: 2007-12-21
Publication date: 2009-06-25
Also published as: WO2009080161A1

Abstract

In einem Brennstoffzellensystem (10) wird bewusst die Übertragung von Wärmeenergie zwischen einzelnen Komponenten gefördert, insbesondere zwischen dem Brennstoffzellenstapel (12) und der Anodeneinheit (14). Dadurch werden Vereisungen unterbunden, denn durch die Wärmekopplung können sich beim Abkühlen des Brennstoffzellensystems (10) keine lokalen Temperatursenken ausbilden, an denen sich Wasser niederschlägt und gefriert. Dadurch wird das Kaltstartverhalten des Brennstoffzellensystems (10) gefördert.

Description

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem.
In Brennstoffzellen wird beim Betrieb Wasser produziert. Die Brennstoffzelle muss während des Betriebes feucht sein. Im Betrieb werden Wasserstoffionen von einer Anodeneinheit zugeführt. Zumeist ist die Anodeneinheit als Anodenkreislauf ausgebildet, bei dem von den Brennstoffzellen nicht verbrauchter Wasserstoff wieder im Kreislauf zur Anode zurückgeführt wird. Zusammen mit dem Wasserstoff wird das produzierte Wasser zum Teil in die Anodeneinheit gebracht.
Problematisch ist es, wenn das Brennstoffzellensystem unter den Gefrierpunkt von Wasser gekühlt wird, nachdem es abgeschaltet ist. Üblicherweise kühlt sich der Brennstoffzellenstapel sehr langsam ab, und die Anodeneinheit kühlt demgegenüber wesentlich schneller ab. Dies führt dazu, dass die Anodeneinheit als Temperatursenke fungiert, sodass sich bevorzugt im Bereich der Anodeneinheit aus dem Wasser Eis bildet, das bei einem Wiederstarten des Brennstoffzellensystems die Funktionsfähigkeit beeinträchtigt.
Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Kaltstart eines Brennstoffzellensystems zu vereinfachen.
Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass Komponenten des Brennstoffzellensystems derart angeordnet sind, dass eine Übertragung von Wärmeenergie von einer Komponente zur anderen Komponente gefördert wird, insbesondere vom Brennstoffzellenstapel zur Anodeneinheit. Durch diese erfindungsgemäße Maßnahme wird bewirkt, dass sich keine Temperatursenke mehr in dem Brennstoffzellensystem ausbildet. Wird die Anodeneinheit durch Wärmeenergie durch den sich abkühlenden Brennstoffzellenstapel nach Beendigung des Betriebs des Brennstoffzellensystems länger warmgehalten als sonst üblich, verringert sich die Menge von Wasser in der Anodeneinheit, die dort gefrieren kann. Dadurch wird ein Beitrag geleistet, das Sichausbilden von Eis in der Anodeneinheit zu unterbinden, und ein Kaltstart wird leichter möglich.
Bei einer erfindungsgemäßen Maßnahme berühren der Brennstoffzellenstapel und die Anodeneinheit einander.
Diese Maßnahme steht im Widerspruch zu bisherigen Lehren, bei denen zur Aufrechterhaltung eines ungestörten Betriebs Brennstoffzellen und Anodeneinheit möglichst voneinander getrennt werden. Durch die Maßnahme wird in Kauf genommen, dass Vorteile der Trennung für den Betrieb des Brennstoffzellensystems entfallen. Dafür wird der Vorteil erlangt, dass der Kaltstart des Brennstoffzellensystems erleichtert ist. Der Brennstoffzellenstapel, der die Anodeneinheit berührt, gibt Wärme an die Anodeneinheit besonders gut und leicht ab, die Anodeneinheit bleibt länger warm und insbesondere ungefähr genauso lang warm wie der Brennstoffzellenstapel, sodass Wasser aus dem Brennstoffzellenstapel nicht in die Anodeneinheit wandert.
Die Maßnahme, dass Komponenten des Brennstoffzellensystems einander berühren, lässt sich noch dahingehend zur Erleichterung des Übertragens von Wärmeenergie weiterbilden, dass zumindest zwei dieser Komponenten ein gemeinsames Bauteil aufweisen.
Die Übertragung von Wärmeenergie kann auch dadurch gefördert werden, dass der Brennstoffzellenstapel sowie zumindest ein Teil der Anodeneinheit in einer Isolierhülle angeordnet sind. So kann die Anode selbst zusammen mit dem Brennstoffzellenstapel in der Isolierhülle angeordnet sein, und Rohrleitungen, die Teil des Anodenkreislaufes sind, können außerhalb der Isolierhülle angeordnet sein. Dadurch, dass eine Isolierhülle verwendet wird, in der der Brennstoffzellenstapel sowie zumindest ein Teil der Anodeneinheit angeordnet sind, gehören aus wärmetechnischer Sicht Brennstoffzellenstapel und der betreffende Teil der Anodeneinheit zusammen und kühlen besonders gut gekoppelt gleichzeitig ab. Durch diese Maßnahme wird das Sichausbilden einer Wärmesenke in der Anodeneinheit besonders gut unterdrückt.
Bei einem Aspekt der Erfindung werden die einzelnen Komponenten des Brennstoffzellensystems besonders geschickt in der Isolierhülle derart angeordnet, dass die einzelnen Komponenten möglichst gleichzeitig abkühlen. Hierzu teilt man die Komponenten, die in der Isolierhülle befindlich sind, in zwei Gruppen ein, die entweder gleich groß sind (bei gerader Anzahl von Komponenten), oder von denen eine Gruppe genau eine Komponente mehr umfasst als die andere (bei ungerader Anzahl von Komponenten). Die Gruppen sind so definiert, dass die Komponenten der einen Gruppe im Betrieb des Brennstoffzellensystems mehr Wärme erzeugen und/oder nach dem Betrieb des Brennstoffzellensystems länger Wärme speichern als die Komponenten der anderen Gruppe. Die Komponenten der ersten Gruppe werden in einer räumlichen Folge in der Isolierhülle abwechselnd mit den Komponenten der zweiten Gruppe angeordnet. Damit ist gewährleistet, dass jede Komponente, die nach Beendigen des Betriebs des Brennstoffzellensystems eher warm ist, Wärme an solche Komponenten abgibt, die nach dem Betrieb des Brennstoffzellensystems ohne die Kopplung eher schneller abkühlen würden. Durch diese Maßnahme wird erreicht, dass die Komponenten gleichmäßig abkühlen, wodurch die Ausbildung von die Funktionsfähigkeit des Brennstoffzellensystems bei einem Wiederstart beeinträchtigenden Vereisungen, insbesondere von lokalen Vereisungen, unterdrückt wird.
Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung unter Bezug auf die Zeichnung beschrieben, wobei
1 eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems ist,
2 eine Draufsicht auf das Brennstoffzellensystem aus 1 ist,
3 eine Seitenansicht des Brennstoffzellensystems aus 1 ist, und
4 eine andere Seitenansicht des Brennstoffzellensystems aus 1 ist,
5 verschiedene Stufen veranschaulicht, wie die Erfindung verwirklicht werden kann.
Ein im Ganzen mit 10 bezeichnetes Brennstoffzellensystem umfasst als Herzstück einen Brennstoffzellenstapel 12 (auch als Brennstoffzellenstack bezeichnet). Dem Brennstoffzellenstapel werden über eine Anode Wasserstoffionen zugeführt. Die Anode ist vorliegend Teil eines Anodenkreislaufes 14, zu dem gehört, dass von dem Brennstoffzellenstapel 12 nicht verbrauchte Wasserstoffionen zurückgeführt werden. Der Brennstoffzellenstapel muss feucht gehalten werden, um zu funktionieren. Hierzu dient ein Befeuchter 16 (der die Kathode bildet). Ein Wärmetauscher 18 (auch als Intercooler bezeichnet) führt Wärme von dem Brennstoffzellenstapel 12 ab. Vorliegend sind der Brennstoffzellenstapel 12, der Befeuchter 16, der Wärmetauscher 18 und ein Teil der Anodeneinheit 14 in einer Isolierhülle 20 angeordnet, welche diese Bauteile umgibt und verhindert, dass Wärme nach außen abgestrahlt wird. Die einzelnen Bauteile 12, 16, 18 und 14 berühren einander, sodass der Austausch von Wärmeenergie gefördert wird. Nach Beendigung des Betriebs des Brennstoffzellensystems 10 kühlt der Brennstoffzellenstapel 12 besonders langsam ab. Die am zweitlangsamsten abkühlende Komponente ist der Wärmetauscher 18. Die Komponenten sind nun derart in der Isolierhülle angeordnet, dass von den die Wärme lange speichernden Komponenten 12 und 18 möglichst viel Wärme an die beiden anderen Komponenten 14 und 16 abgegeben werden kann. Hierzu sind die Komponenten 14 und 12, 16 und 18 in der in 1 gezeigten räumlichen Folge in der Isolierhülle 20 angeordnet. Bei dem Brennstoffzellensystem 10 ist ein Luftkompressor 22 außerhalb der Isolierhülle 20 angeordnet und spielt bei dem Wärmeaustausch keine Rolle.
Dadurch, dass die einzelnen Komponenten 12, 14, 16, 18 kompakt angeordnet sind, dadurch dass sie in einer Isolierhülle 20 angeordnet sind, und dadurch, dass sie in der in 1 gezeigten Reihenfolge angeordnet sind, wird wirksam verhindert, dass einzelne Bauteile vereisen: die Komponenten kühlen gleichlaufend ab, es bildet sich keine Temperatursenke, und lokale Vereisungen werden vermieden.
Anhand von 5 ist erläutert, wie die einzelnen Komponenten eines Brennstoffzellensystems angeordnet sein können. Bei dem Brennstoffzellensystem 10a sind lediglich der Brennstoffzellenstapel 12 und die Anodeneinheit 14 in einer Isolierhülle 20a angeordnet, die anderen Bauteile außerhalb der Isolierhülle. Durch den Kontakt von Brennstoffzellenstapel 12 zu Anodeneinheit 14 und das Umschließen beider mit einer Isolierhülle 20a wird die Übertragung von Wärmeenergie von dem Brennstoffzellenstapel 12 zur Anodeneinheit 14 nach Beendigung des Betriebs des Brennstoffzellensystems gefördert, und dadurch werden Vereisungen in der Anodeneinheit 14 besser verhindert. Bei dem Brennstoffzellensystem 10b gemäß einer alternativen Ausführungsform sind zusätzlich (wie in den 1 bis 4) der Luftbefeuchter 16 sowie der Wärmetauscher (Intercooler) 18 in einer Isolierhülle 20b angeordnet, um das Brennstoffzellensystem 10b zu bilden. Es werden also weitere Bauteile einbezogen, zwischen denen Wärmeenergie übertragen wird. In einer Weiterführung wird in eine Isolierhülle 20c neben den Komponenten 12, 14, 16 und 18 auch der Luftkompressor 22 platziert, um das Brennstoffzellensystem 10c zu bilden.
Die Erfindung fördert das Kaltstartverhalten von Brennstoffzellensystemen, indem Vereisungen unterbunden werden.

10, 10a, 10b, 10c,: Brennstoffzellensystem
12: Brennstoffzellenstapel
14: Anodenkreislauf
16: Befeuchter
18: Wärmetauscher
20, 20a, 20b, 20c: Isolierhülle
22: Luftkompressor

Claims

Brennstoffzellensystem (10), mit einem Brennstoffzellenstapel (12) und einer Anodeneinheit (14) sowie weiteren Komponenten (16, 18, 22), dadurch gekennzeichnet, dass Komponenten (12, 14, 16, 18) derart angeordnet sind, dass eine Übertragung von Wärmeenergie von einer dieser Komponenten (12, 18) zur anderen dieser Komponenten (14, 16) gefördert wird.
Brennstoffzellensystem (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest der Brennstoffzellenstapel (12) und die Anodeneinheit (14) einander berühren.
Brennstoffzellensystem (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zwei Komponenten ein gemeinsames Bauteil aufweisen.
Brennstoffzellensystem (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoffzellenstapel (12) sowie zumindest ein Teil der Anodeneinheit (14) in einer Isolierhülle (20) angeordnet sind.
Brennstoffzellensystem (10) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die in der Isolierhülle (20) befindlichen Komponenten (12, 14, 16, 18) in zwei Gruppen teilbar sind, die gleich groß sind oder von denen eine Gruppe genau eine Komponente mehr umfasst als die andere, wobei die Komponenten (12, 18) der einen Gruppe im Betrieb des Brennstoffzellensystems mehr Wärme erzeugen und/oder nach dem Betrieb des Brennstoffzellensystems länger Wärme speichern als die Komponenten (14, 16) der anderen Gruppe, und wobei die Komponenten (12, 18) der ersten Gruppe in einer räumlichen Folge in der Isolierhülle (20) abwechselnd mit den Komponenten (14, 16) der zweiten Gruppe angeordnet sind.