DE102012018874A1 - The fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem (1) mit einer Luftfördereinrichtung (12) zum Verdichten von Zuluft für eine Brennstoffzelle (3), mit einem Ladeluftkühler (13) zum Abkühlen der Zuluft durch von der Brennstoffzelle (3) abströmende Abluft. Die Erfindung ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Ladeluftkühler (13) zur Übertragung von Wärme von der Zuluft auf die Abluft wenigstens ein Wärmerohr (15) aufweist.The invention relates to a fuel cell system (1) with an air delivery device (12) for compressing supply air for a fuel cell (3), with a charge air cooler (13) for cooling the supply air by exhaust air flowing out of the fuel cell (3). The invention is characterized in that the charge air cooler (13) has at least one heat pipe (15) for transferring heat from the supply air to the exhaust air.
Description
Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem mit einer Luftfördereinrichtung zum Verdichten von Zuluft für eine Brennstoffzelle nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art. Außerdem betriff die Erfindung die Verwendung eines derartigen Brennstoffzellensystems.The invention relates to a fuel cell system with an air conveyor for compressing supply air for a fuel cell according to the closer defined in the preamble of
Brennstoffzellensysteme sind aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. Sie umfassen typischerweise eine Brennstoffzelle, welche als Stapel von Einzelzellen, als sogenannter Brennstoffzellenstapel bzw. Brennstoffzellenstack, ausgebildet ist. Dieser Brennstoffzelle wird üblicherweise Wasserstoff oder ein wasserstoffhaltiges Gas auf der Anodenseite als Brennstoff und Luft als Sauerstofflieferant auf der Kathodenseite zugeführt. Nun ist es so, dass die der Brennstoffzelle zugeführte Luft typischerweise verdichtet wird, beispielsweise über einen Strömungsverdichter, einen Kolbenkompressor, ein Rootsgebläse oder dergleichen. Die verdichtete Zuluft ist nach dem Verdichter in den meisten Betriebssituationen dann durch die Verdichtung aufgeheizt und weist eine vergleichsweise hohe Temperatur auf. Zumindest beim Einsatz von PEM-Brennstoffzellen stellt dies einen gravierenden Nachteil dar, da die in der Brennstoffzelle vorhandenen Membranen durch die heiße Zuluft ausgetrocknet und geschädigt werden. Ähnlich nachteilig wirkt sich die vergleichsweise hohe Temperatur der verdichteten Luft auf weitere Komponenten des Brennstoffzellensystems aus, welche in der luftführenden Leitung zwischen Verdichteraustritt und Stackeintritt angeordnet sind, wie z. B. Befeuchter, Ventile oder Klappen. Hier bestehen die möglichen Nachteile vor allem in Form von kosteninstensiven Aufwänden in Konstruktion und Werkstoffen zur Beherrschung der vergleichsweise hohen Temperaturen.Fuel cell systems are known from the general state of the art. They typically include a fuel cell, which is designed as a stack of individual cells, as a so-called fuel cell stack or fuel cell stack. This fuel cell is usually supplied with hydrogen or a hydrogen-containing gas on the anode side as fuel and air as an oxygen supplier on the cathode side. It is then the case that the air supplied to the fuel cell is typically compressed, for example via a flow compressor, a piston compressor, a Roots blower or the like. The compressed supply air is then heated after the compressor in most operating situations by the compression and has a relatively high temperature. At least when using PEM fuel cells, this represents a serious disadvantage, since the membranes present in the fuel cell are dried out and damaged by the hot supply air. Similarly disadvantageous affects the relatively high temperature of the compressed air to other components of the fuel cell system, which are arranged in the air-conducting line between the compressor outlet and stack entry, such. As humidifiers, valves or flaps. Here are the possible disadvantages, especially in the form of kosteninstensive expenses in construction and materials to control the relatively high temperatures.
Aus dem allgemeinen Stand der Technik ist es daher bekannt, einen Ladeluftkühler vorzusehen, um die Zuluft zu der Brennstoffzelle entsprechend abzukühlen. Nun ist es so, dass ein Ladeluftkühler, wie er beispielsweise aus der
Um dieser Problematik entgegenzuwirken sind aus dem Stand der Technik außerdem Gas/Gas-Wärmetauscher anstelle des Gas/Flüssigkeits-Wärmetauschers, wie er oben als Ladeluftkühler eingesetzt worden ist, bekannt. Ein solcher Gas/Gas-Wärmetauscher als Ladeluftkühler ist beispielsweise in der
In der Praxis zeigen sich jedoch beim Einsatz eines Gas/Gas-Wärmetauschers als Ladeluftkühler in einigen Betriebszuständen gravierende Probleme, da es zu unerwünschten Kondensationseffekten und damit gegebenenfalls einem Einfrieren bei einem Start bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts kommen kann. Bei sehr kalter Zuluft kann es außerdem zu einer unerwünschten und sehr ungünstigen Wirkrichtungsumkehr in dem Gas/Gas-Wärmetauscher kommen. In diesem Fall entsteht ein Wärmefluss von der warmen Abluft in die in dieser Betriebsituation kältere Zuluft. Hierdurch werden die Membranen der Brennstoffzelle unnötig erwärmt und hierdurch belastet.In practice, however, show serious problems when using a gas / gas heat exchanger as a charge air cooler in some operating conditions, as it can lead to undesirable condensation effects and thus possibly a freeze at a start at temperatures below freezing. In the case of very cold supply air, an undesired and very unfavorable effective direction reversal in the gas / gas heat exchanger can also occur. In this case, there is a heat flow from the warm exhaust air into the colder supply air in this operating situation. As a result, the membranes of the fuel cell are heated unnecessarily and thereby burdened.
Eine weitere Problematik bei dem Gas/Gas-Wärmetauscher als Ladeluftkühler besteht darin, dass dieser vergleichsweise groß aufgebaut werden muss, um die erforderliche Kühlleistung für die verdichtete Zuluft in allen Betriebssituationen, insbesondere also auch unter Volllastbetrieb, zu gewährleisten. Der Aufbau benötigt hierdurch sehr viel Bauraum.Another problem with the gas / gas heat exchanger as intercooler is that it must be constructed comparatively large in order to ensure the required cooling capacity for the compressed supply air in all operating situations, especially under full load operation. The structure thus requires a lot of space.
Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen im Oberbegriff des Anspruchs 1 anzugeben, welches diesen Problemen entgegenwirkt und einen einfachen, sicheren und zuverlässigen Aufbau gewährleistet, welcher das Kühlsystem entlastet und außerdem kritische und nachteilige Betriebssituationen verhindert. Der Aufbau soll darüber hinaus einfach und kompakt realisierbar sein.The object of the present invention is now to provide a fuel cell system with the features in the preamble of
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems ergeben sich aus den restlichen abhängigen Ansprüchen. Eine besonders bevorzugte Verwendung eines derartigen Brennstoffzellensystems ist in Anspruch 8 angegeben.This object is achieved by a fuel cell system having the features in the characterizing part of
Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem nutzt vergleichbar zu dem eingangs genannten Stand der Technik einen Gas/Gas-Ladeluftkühler als Ladeluftkühler. Anders als bei den im Stand der Technik eingesetzten Gas/Gas-Ladeluftkühlern, welche einen Wärmeübertrag zwischen den Gasen mittels Wärmeleitung, insbesondere durch ein gut wärmeleitendes metallisches Material, realisieren, nutzt das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem einen Ladeluftkühler, bei welchem über wenigstens ein Wärmerohr, bevorzugt mehrere Wärmerohre, die Übertragung der Wärme stattfindet. Ein solches Wärmerohr ist aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt und wird auch unter der Bezeichnung „Heatpipe” eingesetzt. Es besteht im Wesentlichen aus einem Rohrleitungselement, in welchem ein flüssiges Medium eingeschlossen ist, welches am einen Ende des Wärmerohrs einer Wärmequelle – der heißen Zuluft – ausgesetzt wird, welche das Medium verdampft. Am anderen Ende des Rohrs kondensiert das Medium dann im Bereich einer Wärmesenke – der kälteren Abluft – und überträgt so Energie von der Wärmequelle zur Wärmesenke, um die Zuluft zu kühlen. Derartige Wärmerohre sind dabei in der Lage sehr viel mehr Wärme zu übertragen, als dies durch Wärmeleitung möglich ist. Wärmeübertragungsraten beispielsweise gegenüber Kupfer als gut wärmeleitendem Material in der Größenordnung des Hundertfachen bis Tausendfachen sind möglich. Der Gas/Gas-Ladeluftkühler, welcher die erfindungsgemäßen Wärmerohre einsetzt, lässt sich damit sehr viel kompakter aufbauen als der Gas/Gas-Ladeluftkühler gemäß dem Stand der Technik.The fuel cell system according to the invention uses a gas / gas intercooler as a charge air cooler comparable to the above-mentioned prior art. Unlike the gas / gas intercoolers used in the prior art, which realize a heat transfer between the gases by means of heat conduction, in particular by a good heat-conducting metallic material, the fuel cell system according to the invention uses a charge air cooler, wherein at least one heat pipe, preferably a plurality of heat pipes, the transfer of heat takes place. Such a heat pipe is known from the general state of the art and is also used under the name "heat pipe". It consists essentially of a pipeline element in which a liquid medium is enclosed, which at one end of the heat pipe is exposed to a heat source - the hot supply air - which vaporizes the medium. At the other end of the tube, the medium then condenses in the area of a heat sink - the colder exhaust air - and thus transfers energy from the heat source to the heat sink to cool the supply air. Such heat pipes are able to transfer much more heat than is possible by heat conduction. Heat transfer rates, for example to copper as a good heat conducting material in the order of a hundred times to a thousand times are possible. The gas / gas charge air cooler, which uses the heat pipes according to the invention, can thus be built much more compact than the gas / gas charge air cooler according to the prior art.
Ein weiterer Vorteil der Übertragung der Wärme über Wärmerohre besteht darin, dass das in dem Wärmerohr eingeschlossene zur Wärmeübertragung eingesetzte Medium typischerweise nur auf der einen Seite des Wärmerohrs verdampfen und dampfförmig zur anderen Seite des Wärmerohrs strömen kann. Dort kondensiert es aus und gelangt typischerweise über die Schwerkraft in flüssiger Form entlang den Wänden des Leitungselements zurück in den anderen Bereich. Die Wärmeübertragung ist damit in ihrer Richtung fest vorgegeben, nämlich von dem typischerweise im bestimmungsgemäßen Gebrauch unten angeordneten Bereich in den im bestimmungsgemäßen Gebrauch oben angeordneten Bereich. Dies gilt insbesondere bei der bevorzugten Ausgestaltung des Wärmerohrs in Form eines Zwei-Phasen-Thermosyphons, welcher die Schwerkraft zum Transport des Kondensats nutzt.Another advantage of transferring heat via heat pipes is that the heat-trapped medium trapped in the heat pipe typically can only vaporize on one side of the heat pipe and flow in a vaporous manner to the other side of the heat pipe. There it condenses and typically travels by gravity in liquid form along the walls of the conduit member back into the other area. The heat transfer is thus fixed in its direction, namely from the typically arranged in the intended use below the area in the intended use at the top of the area. This is especially true in the preferred embodiment of the heat pipe in the form of a two-phase thermosyphon, which uses gravity to transport the condensate.
Neben der verbesserten Wärmeübertragung, was einen sehr viel kleineren Ladeluftkühler als bei herkömmlichen Gas/Gas-Anwendungen ermöglicht, wird durch diesen Aufbau zusätzlich ein Wärmeübertrag vom Bereich der Wärmesenke hin zur Wärmequelle sicher und zuverlässig verhindert, auch wenn in bestimmten Betriebssituationen des Brennstoffzellensystems die Temperaturen im Bereich der Zuluft unter den Temperaturen im Bereich der Abluft liegen sollten. Unerwünschte Probleme in der Betriebsführung werden dadurch mittels des erfindungsgemäßen Ladeluftkühlers prinzipbedingt unterbunden.In addition to the improved heat transfer, which allows a much smaller charge air cooler than in conventional gas / gas applications, this construction additionally reliably and reliably prevents heat transfer from the area of the heat sink to the heat source, even if the temperatures in the operating conditions of the fuel cell system are Range of supply air should be below the temperatures in the exhaust air. As a result of this, undesired problems in the operation management are prevented by means of the charge air cooler according to the invention.
In einer sehr günstigen Weiterbildung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems ist es dabei vorgesehen, dass eine Turbine in Strömungsrichtung der Abluft nach dem Ladeluftkühler angeordnet ist. Über eine solche Turbine, welche insbesondere Teil eines elektrischen Turboladers sein kann, um so die an der Turbine anfallende Leistung unmittelbar der Luftfördereinrichtung zur Verfügung zu stellen, ermöglicht eine Rückgewinnung von Druck- und Wärmeenergie aus der Abluft der Brennstoffzelle. Wird in Strömungsrichtung der Abluft vor der Turbine über den Ladeluftkühler zusätzliche Wärme in die Abluft eingetragen, so kann die Ausbeute an mechanischer Leistung gesteigert werden, wodurch sich eine Verbesserung des Gesamtwirkungsgrads des Brennstoffzellensystems durch eine erhöhte Energierückgewinnung ergibt. Weiterhin verringert sich durch die erfindungsgemäße Erhöhung der Ablufttemperatur der aus dem Brennstoffzellensystem ausgetragene Flüssigwasseranteil.In a very favorable development of the fuel cell system according to the invention, it is provided that a turbine is arranged downstream of the charge air cooler in the flow direction of the exhaust air. About such a turbine, which may be part of an electric turbocharger in particular, so as to provide the turbine resulting power directly to the air conveyor available, allows recovery of pressure and heat energy from the exhaust air of the fuel cell. If additional heat is introduced into the exhaust air in the flow direction of the exhaust air upstream of the turbine via the intercooler, the yield of mechanical power can be increased, resulting in an improvement in the overall efficiency of the fuel cell system through increased energy recovery. Furthermore, due to the inventive increase in the exhaust air temperature, the proportion of liquid water discharged from the fuel cell system is reduced.
Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem kann entsprechend kompakt aufgebaut werden und ermöglicht einen sicheren und zuverlässigen Betrieb in allen Betriebssituationen, insbesondere auch beim Start des Brennstoffzellensystems bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts. Zusammen mit der Tatsache, dass das Kühlsystem selbst in dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem durch den Aufbau von der über den Ladeluftkühler eingetragenen Wärme weitgehend entlastet wird, ergibt sich hierdurch die besondere Eignung für die Anwendung in einem Brennstoffzellensystem in einem Fahrzeug, insbesondere zur Bereitstellung von elektrischer Antriebsleistung. Hier sind einerseits schwierige Betriebsbedingungen, wie beispielsweise ein Start unter schwierigen Umgebungsbedingungen – z. B. Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts – häufig anzutreffen, sodass eine Anpassung des Brennstoffzellensystems auf derartige schwierige Betriebsbedingungen von entscheidender Bedeutung ist. Ferner muss der Aufbau entsprechend kompakt realisiert werden, da in einem Fahrzeug typischerweise nur sehr wenig Bauraum zur Verfügung steht. Letztlich ist es vor allem bei Fahrzeugsystemen auch entscheidend, dass das Kühlsystem des Fahrzeugs entsprechend entlastet wird, da die zur Verfügung stehende Kühlerfläche bei Fahrzeuganwendungen von Brennstoffzellensystemen im Allgemeinen ohnehin schon ein kritischer Punkt bei der Auslegung des Brennstoffzellensystems ist, da die Temperaturdifferenz zwischen der Brennstoffzelle und der Umgebung typischerweise sehr viel niedriger ist als zwischen einem Verbrennungsmotor und der Umgebung und die zur Verfügung stehende Fläche des Kühlwärmetauschers damit einen begrenzenden Einfluss auf die Leistung des Brennstoffzellensystems hat.The fuel cell system according to the invention can be constructed correspondingly compact and enables safe and reliable operation in all operating situations, especially at start of the fuel cell system at temperatures below freezing. Together with the fact that the cooling system is largely relieved even in the fuel cell system according to the invention by the structure of the registered via the charge air cooler heat, this results in the particular suitability for use in a fuel cell system in a vehicle, in particular for providing electrical drive power. Here are on the one hand difficult operating conditions, such as a start under difficult environmental conditions -. As temperatures below freezing - often encountered, so that an adjustment of the fuel cell system to such difficult operating conditions is crucial. Furthermore, the structure must be implemented in accordance compact, since in a vehicle typically only very little space is available. Ultimately, it is also crucial, especially in vehicle systems, that the cooling system of the vehicle is correspondingly relieved, since the available radiator surface in vehicle applications of fuel cell systems in general already a critical point in the design of the fuel cell system, since the temperature difference between the fuel cell and the environment is typically much lower than between an internal combustion engine and the environment and the available area of the cooling heat exchanger so that has a limiting effect on the performance of the fuel cell system.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems ergeben sich aus den restlichen abhängigen Unteransprüchen und werden anhand des Ausführungsbeispiels deutlich, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben ist.Further advantageous embodiments of the fuel cell system according to the invention result from the remaining dependent claims and will be apparent from the embodiment, which is described below with reference to the figures.
Dabei zeigen:Showing:
In der Darstellung der
Kern des Brennstoffzellensystems
Dem Anodenraum
Dem Kathodenraum
Die Zuluft zu der Brennstoffzelle
In der Darstellung der
Der Ladeluftkühler
Neben der gewünschten vorteilhaften Übertragung der Wärme aus der Zuluft auf die Abluft, sodass diese in der Turbine
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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R012 | Request for examination validly filed |
Effective date: 20140701 |
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R081 | Change of applicant/patentee |
Owner name: CELLCENTRIC GMBH & CO. KG, DE Free format text: FORMER OWNER: DAIMLER AG, 70327 STUTTGART, DE Owner name: DAIMLER AG, DE Free format text: FORMER OWNER: DAIMLER AG, 70327 STUTTGART, DE |
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R079 | Amendment of ipc main class |
Free format text: PREVIOUS MAIN CLASS: H01M0008040000 Ipc: H01M0008040070 |
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R081 | Change of applicant/patentee |
Owner name: CELLCENTRIC GMBH & CO. KG, DE Free format text: FORMER OWNER: DAIMLER AG, STUTTGART, DE |
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R082 | Change of representative |
Representative=s name: WALLINGER RICKER SCHLOTTER TOSTMANN PATENT- UN, DE |
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R082 | Change of representative |
Representative=s name: WALLINGER RICKER SCHLOTTER TOSTMANN PATENT- UN, DE |
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R016 | Response to examination communication |