DE102013207430A1

DE102013207430A1 - Brennstoffzellensystem zum Erwärmen einer Brennstoffzelle und Verfahren zum Betreiben des Brennstoffzellensystems

Info

Publication number: DE102013207430A1
Application number: DE102013207430.1A
Authority: DE
Inventors: Jan Denecke; Oliver Berger; Daniel Grundei
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2013-04-24
Filing date: 2013-04-24
Publication date: 2014-10-30

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem (10) zum Erwärmen einer Brennstoffzelle (36), wobei das Brennstoffzellensystem (10) eine Brennstoffzelle (36) und wenigstens einen Wärmetauscher (12) umfasst, der wenigstens eine Wärmetauscher (12) wenigstens eine Trennwand (16) aufweist, welche Fluidkanäle (14) des wenigstens einen Wärmetauschers (12) voneinander trennt, die Fluidkanäle (14) mit wenigstens einer Betriebsmittelöffnung (44) der Brennstoffzelle (36) strömungstechnisch verbunden sind, und die wenigstens eine Trennwand (16) wenigstens in einem Teilbereich (28) ein Heizelement (18) aufweist. Kennzeichnend ist vorgesehen, dass – das Heizelement (18) im Teilbereich (28) im Inneren der Trennwand (16) angeordnet ist, oder – das Heizelement (18) im Teilbereich (28) die Trennwand (16) ausbildet. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems (10).

Description

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem zum Erwärmen einer Brennstoffzelle, wobei das Brennstoffzellensystem eine Brennstoffzelle und wenigstens einen Wärmetauscher umfasst, der wenigstens eine Wärmetauscher wenigstens eine Trennwand aufweist, welche Fluidkanäle des wenigstens einen Wärmetauschers voneinander trennt, die Fluidkanäle mit wenigstens einer Betriebsmittelöffnung der Brennstoffzelle strömungstechnisch verbunden sind, und die wenigstens eine Trennwand wenigstens in einem Teilbereich ein Heizelement aufweist. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben des Brennstoffzellensystems.
Brennstoffzellen nutzen die chemische Umsetzung eines Brennstoffs mit Sauerstoff zu Wasser, um elektrische Energie zu erzeugen. Hierfür enthalten Brennstoffzellen als Kernkomponente die so genannte Membran-Elektroden-Einheit (MEA für membrane electrode assembly), die ein Verbund aus einer protonenleitenden Membran und jeweils einer beidseitig an der Membran angeordneten Elektrode (Anode und Kathode) ist. Zudem können Gasdiffusionslagen (GDL) beidseitig der Membran-Elektroden-Einheit an den der Membran abgewandten Seiten der Elektroden angeordnet sein. In der Regel wird die Brennstoffzelle durch eine Vielzahl, im Stapel (stack) angeordneter MEAs gebildet, deren elektrische Leistungen sich addieren. Im Betrieb der Brennstoffzelle wird der Anode der Brennstoff, insbesondere Wasserstoff H₂ oder ein wasserstoffhaltiges Gasgemisch, zugeführt, wo eine elektrochemische Oxidation von H₂ zu H⁺ unter Abgabe von Elektronen stattfindet. Über den Elektrolyten oder die Membran, welche die Reaktionsräume gasdicht voneinander trennt und elektrisch isoliert, erfolgt ein (wassergebundener oder wasserfreier) Transport der Protonen H⁺ aus dem Anodenraum in den Kathodenraum. Die an der Anode bereitgestellten Elektronen werden über eine elektrische Leitung der Kathode zugeleitet. Der Kathode wird Sauerstoff oder ein sauerstoffhaltiges Gasgemisch zugeführt, sodass eine Reduktion von O₂ zu O^2– unter Aufnahme der Elektronen stattfindet. Gleichzeitig reagieren im Kathodenraum diese Sauerstoffanionen mit den über die Membran transportierten Protonen unter Bildung von Wasser. Durch die direkte Umsetzung von chemischer in elektrische Energie erzielen Brennstoffzellen gegenüber anderen Elektrizitätsgeneratoren aufgrund der Umgehung des Carnot-Faktors einen verbesserten Wirkungsgrad.
Die derzeit am weitesten entwickelte Brennstoffzellentechnologie basiert auf Polymerelektrolytmembranen (PEM), bei denen die Membran selbst aus einem Polymerelektrolyt besteht. Hierbei werden oft säuremodifizierte Polymere, insbesondere perfluorierte Polymere, eingesetzt. Der am weitesten verbreitete Vertreter dieser Klasse von Polymerelektrolyten ist eine Membran aus einem sulfonierten Polytetrafluorethylen-Copolymer (Handelsname: Nafion; Copolymer aus Tetrafluorethylen und einem Sulfonylsäurefluorid-Derivat eines Perfluoralkylvinylethers). Die elektrolytische Leitung findet dabei über hydratisierte Protonen statt, weshalb für die Protonenleitfähigkeit das Vorhandensein von Wasser Bedingung ist und im Betrieb der PEM-Brennstoffzelle ein Anfeuchten der Betriebsgase erforderlich ist. Aufgrund der Notwendigkeit des Wassers ist die maximale Betriebstemperatur dieser Brennstoffzellen bei Normdruck auf unter 100 °C beschränkt. In Abgrenzung von Hochtemperatur-Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellen (HT-PEM-Brennstoffzellen), deren elektrolytische Leitfähigkeit auf einen durch elektrostatische Komplexbindung an ein Polymergerüst der Polymerelektrolytmembran gebundenen Elektrolyten beruht (beispielsweise Phosphorsäure-dotierte Polybenzimidazol(PBI)-Membrane) und die bei Temperaturen von 160 °C betrieben werden, wird dieser Brennstoffzellentyp auch als Niedertemperatur-Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzelle (NT-PEM-Brennstoffzelle) bezeichnet.
Wie einleitend erwähnt, wird die Brennstoffzelle durch eine Vielzahl im Stapel angeordneter Einzelzellen gebildet, sodass auch von einem Brennstoffzellenstapel gesprochen werden kann. Zwischen den Membran-Elektroden-Einheiten sind in der Regel so genannte Bipolarplatten angeordnet, welche eine Versorgung der Einzelzellen mit den Betriebsmitteln, also den Reaktanten und üblicherweise auch einer Kühlflüssigkeit sicherstellen. Zudem sorgen die Bipolarplatten für einen elektrisch leitfähigen Kontakt zu den Membran-Elektroden-Einheiten.
Bei einem Kaltstart des Brennstoffzellensystems sind die Komponenten des Brennstoffzellensystems kalt. Ein in der Brennstoffzelle vorhandenes Wasser kann kondensieren und bei Temperaturen kleiner als 0 °C einfrieren. Dadurch besteht bei einem Start des Brennstoffzellensystems und im Besonderen bei einem Kaltstart die Notwendigkeit einer zeitnahen Erwärmung neuralgischer Stellen des Brennstoffzellensystems.
Eine Möglichkeit zur Abhilfe stellt eine Isolierung des Brennstoffzellenstapels dar. Jedoch benötigt diese Isolierung relativ viel Bauraum und hält die Temperatur im Brennstoffzellenstapel nur über eine begrenzte Zeitdauer auf einem ausreichend hohen Wert.
Die US 2009/0239106 A1 offenbart einen Ladeluftwärmetauscher für ein Brennstoffzellensystem eines Fahrzeuges. Der Ladeluftwärmetauscher weist eine Vielzahl an Heizelementen und Kühlmittelkanälen auf. Die Heizelemente sind außerhalb der Kühlmittelkanäle an diesen angeordnet.
Die DE 10 2007 045 196 A1 offenbart einen Ladeluftkühler für eine Brennkraftmaschine. Der Ladeluftkühler weist elektrische Heizelemente zur Ladeluft-Vorwärmung, z. B. bei einem Kaltstart auf.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Brennstoffzellensystem und ein Verfahren zum Betreiben des Brennstoffzellensystems zur Verfügung zu stellen, mittels welchen ein schnelles Aufwärmen einer Brennstoffzelle, insbesondere bei einem Kaltstart, ermöglicht wird.
Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem zum Erwärmen einer Brennstoffzelle umfasst eine Brennstoffzelle und wenigstens einen Wärmetauscher. Der wenigstens eine Wärmetauscher weist wenigstens eine Trennwand auf, welche Fluidkanäle des wenigstens einen Wärmetauschers voneinander trennt. Die Fluidkanäle sind mit wenigstens einer Betriebsmittelöffnung der Brennstoffzelle strömungstechnisch verbunden, und die wenigstens eine Trennwand weist wenigstens in einem Teilbereich ein Heizelement auf. Kennzeichnend ist vorgesehen, dass

– das Heizelement im Teilbereich im Inneren der Trennwand angeordnet ist, oder
– das Heizelement im Teilbereich die Trennwand ausbildet.

Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung wird ein effektiver, möglichst verlustarmer Wärmeübergang zwischen dem Heizelement und den von der Trennwand getrennten Fluidkanälen gewährleistet. Somit ist während des Betriebs ein schnelles Erwärmen von in den Fluidkanälen strömenden Fluidmassenströmen gegeben.
Dadurch, dass die wenigstens eine Trennwand (wenigstens zwei) Fluidkanäle voneinander trennt, wird im Betrieb ein Überströmen zwischen den von der Trennwand getrennten Fluidmassenströmen verhindert. Unter einer strömungstechnischen Verbindung kann vorliegend eine Verbindung (z. B. über Leitungen) verstanden werden, mittels welcher eine Fluidströmung ermöglicht wird.
Das Heizelement ist wenigstens in einem Teilbereich der Trennwand vorgesehen. Bevorzugt ist das Heizelement im Inneren der gesamten Trennwand angeordnet oder das Heizelement bildet die gesamte Trennwand aus. Somit wird eine Kontaktfläche der Trennwand zu den angrenzenden Fluidmassenströmen optimal genutzt.
Es kann auch das gesamte Heizelement innerhalb der wenigstens einen Trennwand angeordnet sein, oder das gesamte Heizelement kann auch die wenigstens eine Trennwand ausbilden. Dadurch trägt das gesamte Heizelement zum erfindungsgemäßen Effekt bei.
Vorzugsweise ist die Brennstoffzelle ein Brennstoffzellenstapel. Innerhalb eines Brennstoffzellenstapels sind mehrere Einzelzellen gestapelt. Jede Einzelzelle kann eine Membran-Elektroden-Einheit umfassen. Die Membran-Elektroden-Einheiten können zwischen Bipolarplatten des Brennstoffzellenstapels angeordnet sein.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass ein Anteil der Dicke des wenigstens einen Heizelements an einer Dicke der Trennwand wenigstens 85 %, insbesondere wenigstens 95 %, ferner bevorzugt wenigstens 98 %, beträgt. Je größer der Anteil der Dicke des Heizelements an der Dicke der Trennwand ist, desto kleiner wird der Wärmewiderstand zwischen dem Heizelement und den Fluidmassenströmen. Beträgt die Dicke des Heizelements 100 % der Dicke der Trennwand, so bildet das Heizelement im Teilbereich die Trennwand aus.
Der wenigstens eine Wärmetauscher ist vorzugsweise als ein Ladeluftkühler (also als ein Frischluftwärmetauscher oder Frischluftkühler) ausgeführt. Ferner bevorzugt kann der wenigstens eine Wärmetauscher als ein Brennstoffwärmetauscher (z. B. als ein Wasserstoffwärmetauscher) ausgeführt sein. Ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem kann auch einen erfindungsgemäß ausgestalteten Ladeluftwärmetauscher und zudem einen erfindungsgemäß ausgestalteten Brennstoffwärmetauscher aufweisen.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Fluidkanäle wenigstens einen Luftkanal und/oder wenigstens einen Brennstoffkanal und/oder wenigstens einen Kühlmittelkanal umfassen. Die Luftkanäle leiten beim Betreiben der Brennstoffzelle einen Fluidmassenstrom, welcher ein Luftmassenstrom ist, in die Brennstoffzelle. Bei einer Kombination aus wenigstens einem Luftkanal und wenigstens einem Kühlmittelkanal kann der Wärmetauscher auch als ein Ladeluftwärmetauscher bezeichnet werden. Der Luftmassenstrom enthält Sauerstoff als Oxidationsmittel. Die Brennstoffkanäle leiten beim Betreiben der Brennstoffzelle einen Fluidmassenstrom, welcher ein Brennstoffmassenstrom ist, in die Brennstoffzelle. Bei einer Kombination aus wenigstens einem Brennstoffkanal und wenigstens einem Kühlmittelkanal kann der Wärmetauscher auch als ein Brennstoffwärmetauscher bezeichnet werden. Die Kühlmittelkanäle leiten beim Betreiben der Brennstoffzelle einen Fluidmassenstrom, welcher ein Kühlmittelmassenstrom ist, in die Brennstoffzelle. Der Kühlmittelmassenstrom dient zur Temperierung der Brennstoffzelle. Mittels des Kühlmittelmassenstroms kann die Brennstoffzelle also je nach Betriebszustand gekühlt oder erwärmt werden.
Bevorzugt ist vorgesehen, dass die wenigstens eine Trennwand wenigstens zwei der Luftkanäle voneinander trennt und/oder wenigstens zwei der Brennstoffkanäle voneinander trennt. Somit kann ein Luftmassenstrom, welcher die Luftkanäle durchströmt und/oder ein Brennstoffmassenstrom, welcher die Brennstoffkanäle durchströmt, und der Brennstoffzelle zugeführt wird, effektiv erwärmt werden.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die wenigstens eine Trennwand wenigstens zwei der Kühlmittelkanäle voneinander trennt. Somit kann ein Kühlmittelmassenstrom, welcher die Kühlmittelkanäle durchströmt und der Brennstoffzelle zugeführt wird, effektiv erwärmt werden.
Ferner ist bevorzugt vorgesehen, dass die wenigstens eine Trennwand den wenigstens einen Luftkanal von dem wenigstens einen Kühlmittelkanal trennt und/oder den wenigstens einen Brennstoffkanal von dem wenigstens einen Kühlmittelkanal trennt. Somit können ein Luftmassenstrom, welcher den wenigstens einen Luftkanal durchströmt, und ein Kühlmittelmassenstrom, welcher den wenigstens einen Kühlmittelkanal durchströmt, effektiv erwärmt werden. Ferner können ein Brennstoffmassenstrom, welcher den wenigstens einen Brennstoffkanal durchströmt, und ein Kühlmittelmassenstrom, welcher den wenigstens einen Kühlmittelkanal durchströmt, effektiv erwärmt werden. Der Luftmassenstrom und/oder der Brennstoffmassenstrom sowie auch der Kühlmittelmassenstrom werden in Folge der Brennstoffzelle zugeführt.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die wenigstens eine Betriebsmittelöffnung wenigstens eine Oxidationsmittelöffnung umfasst, welche mit dem wenigstens einen Luftkanal strömungstechnisch verbunden ist, und/oder die wenigstens eine Betriebsmittelöffnung wenigstens eine Brennstofföffnung umfasst, welche mit dem wenigstens einen Brennstoffkanal strömungstechnisch verbunden ist, und/oder die wenigstens eine Betriebsmittelöffnung wenigstens eine Kühlmittelöffnung umfasst, welche mit dem wenigstens einen Kühlmittelkanal strömungstechnisch verbunden ist.
Vorzugsweise ist das wenigstens eine Heizelement ein elektrisches Widerstandsheizelement, insbesondere ein PTC-Heizelement (positive temperature coefficient – Kaltleiter). Durch das wenigstens eine PTC-Heizelement kann eine eigenständige Temperaturregelung erfolgen. Mit steigenden Temperaturen steigt auch der elektrische Widerstand des PTC-Heizelements, wodurch ein Stromfluss durch das PTC-Heizelement reduziert wird.
Vorzugsweise umfasst das Brennstoffzellensystem ein Kompressionsmittel, welches zur Kompression eines Luftmassenstroms ausgebildet, und ausgangsseitig mit wenigstens einem der Fluidkanäle (Luftkanäle) des Wärmetauschers (Ladeluftwärmetauschers) strömungstechnisch verbunden ist. Der durch das Kompressionsmittel komprimierte und somit erwärmte Luftmassenstrom kann durch den Ladeluftwärmtauscher temperiert werden.
Einzelne Komponenten des Brennstoffzellensystems können räumlich innerhalb eines Systemmoduls und/oder funktionell zu einem Systemmodul des Brennstoffzellensystems zusammengefasst sein. Das Brennstoffzellensystem umfasst bevorzugt wenigstens ein weiteres Heizelement, welches innerhalb des Systemmoduls vorgesehen sein kann. Das weitere Heizelement ist zusätzlich zu dem erfindungsgemäßen Heizelement vorgesehen. Das wenigstens eine weitere Heizelement ist bevorzugt mit wenigstens einer der Komponenten wärmeleitfähig verbunden. Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Komponenten einen Feuchteübertrager, wenigstens einen Aktor, welcher insbesondere wenigstens ein Ventil ist, einen Sensor, eine Brennstoffrezirkulationseinheit, einen Wasserabscheider (z. B. im Brennstoffsystem), einen Kühlmittelfilter und/oder einen DI-Filter (zur Deionisierung eines Betriebsmittels, z. B. des Kühlmittels) umfassen. Somit kann eine direkte Erwärmung der genannten Komponenten erfolgen. Ferner bevorzugt ist das wenigstens eine weitere Heizelement an einer Gehäusewand des Systemmoduls an dessen Innenseite angeordnet. Dadurch kann ein Innenraum des Systemmoduls beheizt werden. Das weitere Heizelement ist insbesondere ein elektrisches Widerstandsheizelement, vorzugsweise ein PTC-Heizelement und kann als Heizplatte oder als Heizstab ausgebildet sein.
Ferner wird ein Fahrzeug zur Verfügung gestellt, welches das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem insbesondere zur Energieversorgung einer elektrischen Antriebsmaschine des Fahrzeugs umfasst. Das erfindungsgemäße Fahrzeug zeichnet sich aufgrund der erfindungsgemäßen Erwärmung der Brennstoffzelle durch eine erhöhte Ausfallsicherheit und eine erhöhte Einsatzfähigkeit, insbesondere bei Temperaturen kleiner als 0 °C, aus.
Zudem ist ein Einsatz des Brennstoffzellensystems in Flurförderfahrzeugen, zur unterbrechungsfreien Stromversorgung bei einer Outdoor-Aufstellung und bei stationären Brennstoffzellensystemen denkbar.
Ferner wird ein Verfahren zum Betreiben des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems zur Verfügung gestellt. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte:

– Erwärmen wenigstens eines Fluidmassenstroms mittels des wenigstens einen Heizelements und
– Zuführen des wenigstens einen Fluidmassenstroms in die Brennstoffzelle.

Durch das Zuführen des erwärmten Fluidmassenstroms in die Brennstoffzelle wird die Brennstoffzelle schnell von innen erwärmt.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass der wenigstens eine Fluidmassenstrom wenigstens einen Luftmassenstrom und/oder wenigstens einen Brennstoffmassenstrom und/oder wenigstens einen Kühlmittelmassenstrom umfasst. Somit kann die Brennstoffzelle einerseits durch den Luftmassenstrom, welcher Sauerstoff als Oxidationsmittel enthält, und/oder durch einen Brennstoffmassenstrom und/oder den Kühlmittelmassenstrom (z. B. einen Kühlwassermassenstrom) erwärmt werden. Beim Ausströmen des Brennstoffmassenstroms aus einem Brennstofftank kann zudem ein, durch eine Expansion des Brennstoffmassenstroms bedingter Temperaturabfall erfolgen. Durch die Erwärmung des Brennstoffmassenstroms kann dem entgegengewirkt werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass eine Energieversorgung des Heizelements durch die Brennstoffzelle erfolgt. Mit anderen Worten kann gesagt werden, dass durch diese Ausgestaltung eine von dem Heizelement aufgenommene elektrische Leistung direkt durch die Brennstoffzelle zur Verfügung gestellt wird. Auch eine von dem optional vorgesehenen weiteren Heizelement und/oder dem ebenfalls optional vorgesehenen Kompressionsmittel aufgenommene elektrische Leistung kann direkt durch die Brennstoffzelle zur Verfügung gestellt werden. Dadurch wird die Brennstoffzelle stärker belastet, wodurch deren Verlustleistung erhöht und die Brennstoffzelle schneller erwärmt wird.
Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
1 einen Wärmetauscher (Gegenstrom),
2 einen Wärmetauscher (Kreuzstrom),
3 einen Querschnitt durch einen Wärmetauscher,
4 einen weiteren Querschnitt durch einen Wärmetauscher,
5 einen Querschnitt durch eine Trennwand,
6 einen weiteren Querschnitt durch eine Trennwand, und
7 ein Brennstoffzellensystem gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung.
1 zeigt einen bevorzugt ausgebildeten Wärmetauscher 12 (welcher als ein Ladeluftkühler ausgebildet ist) des Brennstoffzellensystems 10 in einer schematischen Darstellung. Der Wärmetauscher 12 ist als Gegenstromwärmetauscher ausgebildet, weshalb Fluidkanäle 14 des Wärmetauschers 12 gegensinnig durchströmt werden. Die Fluidkanäle 14 werden durch Trennwände 16 (Stege) getrennt, in deren Innerem wenigstens in einem Teilbereich ein Heizelement 18 angeordnet ist. Alternativ kann die Trennwand 16 wenigstens in einem Teilbereichen durch das Heizelement 18 ausgebildet sein.
Die Fluidkanäle 14 können Luftkanäle 20 und Kühlmittelkanäle 22 umfassen. Im Betrieb des Brennstoffzellensystems wird ein Fluidmassenstrom 23, welcher ein Luftmassenstrom 24 ist, durch die Luftkanäle 20 und ein Fluidmassenstrom 23, welcher ein Kühlmittelmassenstrom 26 ist, durch die Kühlmittelkanäle 22 geleitet und einer Brennstoffzelle 36 des Brennstoffzellensystems 10 zugeführt.
Die Fluidkanäle 14 und im Speziellen die Luftkanäle 20 (aber auch die Kühlmittelkanäle 22) können Lamellen aufweisen, welche eine Oberflächenvergrößerung zur besseren Wärmeübertragung zwischen der Trennwand 16 und dem Fluidmassenstrom 23, im Speziellen dem Luftmassenstrom 24 bewirken.
Die in den 1 bis 4 gezeigten und als Ladeluftwärmetauscher ausgebildeten Wärmetauscher 12 können prinzipiell auch als Brennstoffwärmetauscher ausgebildet sein. Dazu weisen sie anstatt den Luftkanälen 20 Brennstoffkanäle auf, durch welche im Betrieb der Brennstoffzelle 36 ein Brennstoffmassenstrom geleitet wird.
2 unterscheidet sich von 1 darin, dass der Wärmetauscher 12 als Kreuzstromwärmetauscher ausgebildet ist, weshalb die Fluidkanäle 14 überkreuzt durchströmt werden.
3 zeigt einen Querschnitt rechtwinkelig zu einer Strömungsrichtung der Fluidmassenströme 23 durch einen bevorzugt ausgebildeten Wärmetauscher 12. Demnach trennen die Trennwände 16, welche analog zu den 1 und 2 die Heizelemente 18 aufweisen oder durch diese ausgebildet sind, jeweils einen Luftkanal 20 von einem Kühlmittelkanal 22.
4 zeigt einen analogen Querschnitt durch einen weiteren bevorzugt ausgebildeten Wärmetauscher 12. Im Unterschied zu 3 trennen die Trennwände 16 und die Heizelemente 18 jeweils zwei Luftkanäle 20 oder zwei Kühlmittelkanäle 22 voneinander. Ferner sind auch Wärmetauscher 12 realisierbar, deren Trennwände 16 mit den Heizelementen 18 jeweils nur Luftkanäle 20 oder nur Kühlmittelkanäle 22 voneinander trennen. Ferner können auch beliebige Kombinationen der in 3 und 4 ersichtlichen Trennwände 16 mit den Heizelementen 18 realisiert werden.
5 und 6 zeigen exemplarisch Querschnitte durch eine der Trennwände 16 der anderen Figuren. Die Trennwand 16 enthält in einem Teilbereich 28 ein Heizelement 18.
In 5 ist das Heizelement 18 in einem Teilbereich 28 im Inneren der Trennwand 16 angeordnet. Ein Anteil der Dicke 30 des wenigstens einen Heizelements 18 an einer Dicke 32 der Trennwand 16 kann beispielsweise wenigstens 85 % betragen. Dadurch ist sichergestellt, dass ein Wärmeübergang von dem Heizelement 18 in die Fluidkanäle 14 nur sehr wenig gestört wird.
6 zeigt einen Querschnitt durch eine Trennwand 16, welche in einem Teilbereich 28 durch ein Heizelement 18 ausgebildet ist. Das Heizelement 18 kann dadurch die beiden Fluidkanäle 14 direkt kontaktieren.
Das Heizelement 18 kann auch im Inneren der gesamten Trennwand 16 (also nicht auf einen Teilbereich 28 beschränkt) angeordnet sein. Ferner kann das Heizelement 18 die gesamte Trennwand 16 ausbilden. Somit wird eine Kontaktfläche der Trennwand 16 zu den angrenzenden Fluidkanälen 14 optimal genutzt.
7 zeigt ein Brennstoffzellensystem 10 gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung. Das Brennstoffzellensystem 10 umfasst eine Brennstoffzelle 36. Die Brennstoffzelle 36 kann ein Brennstoffzellenstapel sein, welcher mehrere Einzelzellen 38 aufweist. Jede Einzelzelle 38 kann eine Membran-Elektroden-Einheit (nicht explizit dargestellt) umfassen. Die Membran-Elektroden-Einheiten können zwischen Bipolarplatten 40 des Brennstoffzellenstapels angeordnet sein.
Das Brennstoffzellensystem 10 kann ein Kompressionsmittel 42 umfassen, welches zur Kompression eines Luftmassenstroms 24 ausgebildet ist. Der Luftmassenstrom 24 kann aus der Umgebung stammen, und das Kompressionsmittel 42 z. B. ein Verdichter (welcher oft auch als Zuluftverdichter bezeichnet wird) sein. Das Kompressionsmittel 42 kann über eine Luftleitung 46 mit einer Betriebsmittelöffnung 44 (einer Oxidationsmittelöffnung) der Brennstoffzelle 36 strömungstechnisch verbunden sein.
Das Kompressionsmittel 42 kann über eine elektrische Versorgungsleitung 47 mit der Brennstoffzelle 36 verbunden sein. Selbstverständlich kann das Brennstoffzellensystem 10 auch einen (nicht dargestellten) Leistungssteller umfassen.
Zudem umfasst das Brennstoffzellensystem 10 einen Wärmetauscher 12 (einen Ladeluftwärmetauscher). Durch die Fluidkanäle 14 des Wärmetauschers 12 strömen im Betrieb die Fluidmassenströme 23. Die Fluidmassenströme 23 umfassen den Luftmassenstrom 24 und den Kühlmittelmassenstrom 26, welcher durch ein Kühlmedium, z. B. eine Kühlflüssigkeit gebildet wird. Der Luftmassenstrom 24 strömt dabei durch die Luftkanäle 20, während der Kühlmittelmassenstrom 26 die Kühlmittelkanäle 22 strömt. Die Luftkanäle 20 sind wie in den vorangegangenen Figuren beschrieben wurde, von den Kühlmittelkanälen 22 durch die Heizelemente 18 getrennt.
Der Kühlmittelmassenstrom 26 zirkuliert in einem Kühlsystem 50, welches mit den Kühlmittelkanälen 22 des Wärmetauschers 12 strömungstechnisch verbunden ist. Ferner kann das Kühlsystem 50 eine Kühlmittelpumpe 52 und einen Kühlmittelwärmetauscher 54 zum Wärmeaustausch des Kühlmittelmassenstroms 26 mit der Umgebung umfassen. Zudem kann das Kühlsystem 50 einen Kühlmittelbypass 55 zur Umgehung des Kühlmittelwärmetauschers 54 aufweisen. Ferner weist die Brennstoffzelle 36 in ihrem Inneren nicht dargestellte Kühlkanäle auf, durch welche im Betrieb der Brennstoffzelle 36 der Kühlmittelmassenstrom 26 strömt.
Das Brennstoffzellensystem 10 kann zudem noch einen Feuchteübertrager 48 umfassen, welcher wie auch der Ladeluftkühler 12 zwischen dem Kompressionsmittel 42 und der Brennstoffzelle 36 in der Luftleitung 46 angeordnet sein kann.
Der Feuchteübertrager 48 wird im Betrieb einerseits von dem Luftmassenstrom 24 und andererseits von einem Massenstrom 25 aus der Brennstoffzelle 36 durchströmt. Der Massenstrom 25 aus der Brennstoffzelle 36 durchströmt eine Abgasleitung 56 des Brennstoffzellensystems 10, welche ausgehend von einer Abgasöffnung 49 der Brennstoffzelle 36 über den Feuchteübertrager 48 z. B. in die Umgebung führt.
Das Brennstoffzellensystem 10 kann zudem ein Brennstoffsystem 58 aufweisen. Das Brennstoffsystem 58 kann als ein Zirkulationssystem ausgebildet sein, welches eine Brennstoffzuleitung 60 und eine Brennstoffableitung 62 zur Zu- und Ableitung eines Brennstoffs (z. B. Wasserstoff) in und aus der Brennstoffzelle 36 umfasst.
Das Brennstoffsystem 58 kann einen weiteren Wärmetauscher aufweisen (nicht dargestellt), welcher ein Brennstoffwärmetauscher ist. Der Brennstoffwärmetauscher kann stromab eines Brennstofftanks und stromauf der Brennstoffzelle 36 angeordnet sein. Der Brennstoffwärmetauscher weist einen analogen Aufbau wie der Ladeluftwärmtauscher (in 7 mit dem Bezugszeichen 12 versehen) auf, wobei er anstatt der Luftkanäle 20 Brennstoffkanäle aufweist. Die Brennstoffkanäle sind mit der Brennstoffzuleitung 60 strömungstechnisch verbunden, wobei der Brennstoffwärmetauscher typischerweise zwischen dem Brennstofftank und einer Rückführung der Brennstoffableitung 62 angeordnet ist. Zudem kann der Brennstoffwärmetauscher wie auch der Ladeluftwärmetauscher Kühlmittelkanäle 22 aufweisen, welche im Betrieb von dem Kühlmittelmassenstrom 26 (oder einem eigenen Kühlmittelmassenstrom) durchströmt werden. Die Brennstoffkanäle sind wie in den vorangegangenen Figuren beschrieben wurde, analog den Luftkanälen 20 von den Kühlmittelkanälen 22 durch die Heizelemente 18 getrennt.
In einem Systemmodul des Brennstoffzellensystems 10 können die in der 7 gezeigten Komponenten z. B. mit Ausnahme der Brennstoffzelle 36, des Kühlmittelwärmetauschers 54 und nicht dargestellter Brennstofftanks zusammengefasst sein. Komponenten des Brennstoffzellensystems 10, im Speziellen des Systemmoduls können mit wenigstens einem weiteren Heizelement 64 des Brennstoffzellensystems 10 wärmeleitfähig verbunden sein. Das wenigstens eine weitere Heizelement 64 ist zusätzlich zu dem wenigstens einen erfindungsgemäßen Heizelement 18 vorgesehen. Das weitere Heizelement 64 kann wie auch das wenigstens eine erfindungsgemäße Heizelement 18 im Wärmetauscher 12 an die Versorgungsleitung 47 angeschlossen sein. Ferner können die Heizelemente 18, 64 jeweils eigene Versorgungsleitungen und eigene Leistungssteller aufweisen. Beispielsweise können der Feuchteübertrager 48 und z. B. ein Ventil (nicht dargestellt) jeweils ein weiteres Heizelement 64 aufweisen. Somit kann eine direkte Erwärmung der genannten Komponenten erfolgen.
Dem oben stehend beschriebenen Brennstoffzellensystem 10 und dem Verfahren gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung liegt folgende Funktionsweise zugrunde:
Während eines Startprozesses des Brennstoffzellensystems 10 (z. B. bei Temperaturen kleiner als 0 °C) fördert das Kompressionsmittel 42 einen zunächst kalten Luftmassenstrom 24 in den Ladeluftwärmtauscher 12. Der ebenfalls durch den Ladeluftwärmtauscher 12 strömende Kühlmittelmassenstrom 26 ist zu diesem Zeitpunkt ebenfalls noch kalt (z. B. kleiner als 0 °C). Somit würde ein relativ kalter Luftmassenstrom 24 (Zuluft) in den Feuchteübertrager 48 und in die Brennstoffzelle 36 gelangen. Mittels den in die Trennwände 16 des Wärmetauschers 12 integrierten Heizelemente 18 lässt sich der Wärmetauscher 12 relativ schnell aufheizen. Eine durch die Heizelemente 18 eingebrachte Wärme erwärmt (direkt) den Kühlmittelmassenstrom 26 (z. B. einen Kühlwassermassenstrom) und vor allem den Luftmassenstrom 24. Der erwärmte Luftmassenstrom 24 wird folgend dem Feuchteübertrager 48 und der Brennstoffzelle 36 zugeführt. Auch der Brennstoffwärmetauscher kann im Betrieb eine Erwärmung eines Brennstoffmassenstroms und/oder des Kühlmittelmassenstroms 25 bewirken.
Die Heizelemente 18, 64 können als PTC-Heizelemente (positive temperature coefficient – Kaltleiter), z. B. PTC-Heizstäbe ausgeführt sein und können mit einer Spannung von 12 V oder mit Hochspannung (HV) betrieben werden. Die Heizelemente 18 im Wärmetauscher 12 und die Erwärmung des Brennstoffzellensystems 10 können durch die weiteren Heizelemente 64 unterstützt werden.
Werden die Heizelemente 18 (und bei Bedarf auch die weiteren Heizelemente 64) mit Hochspannung betrieben, kann eine Energieversorgung der Heizelemente 18 (je nach Betriebspunkt) direkt aus der Brennstoffzelle 36 erfolgen. Somit werden die Heizelemente 18 direkt aus der Brennstoffzelle 36 gespeist. Dadurch lässt sich die Brennstoffzelle 36 in einem (gewünscht) schlechten Betriebspunkt betreiben, was einer Eigenerwärmung der Berennstoffzelle 36 zuträglich ist. Versorgt die Brennstoffzelle 36 die Heizelemente 18 direkt mit Energie (elektrischem Strom), so wird die Brennstoffzelle 36 durch den zusätzlichen Energieverbrauch der Heizelements 18 mit einer erhöhten Leistung betrieben. Die erhöhte Leistung hat auch eine erhöhte Wärmeleistung der Brennstoffzelle 36 zur Folge, welche die Brennstoffzelle 36 zusätzlich von innen heizt. Durch die erhöhte Leistung der Brennstoffzelle 36 wird zudem eine Wasserproduktion in der Brennstoffzelle 36 begünstigt. Dies wirkt sich positiv auf eine Befeuchtung der Einzelzellen 38 der Brennstoffzelle 36 aus. Die Wasserproduktion ist aufgrund der chemischen Umsetzung des Brennstoffs mit Sauerstoff aus dem Luftmassenstrom 24 zu Wasser gegeben. Damit nicht zu viel Feuchtigkeit aus der Brennstoffzelle 36 ausgetragen wird, wird aus der Brennstoffzelle 36 ausgetragenes Wasser zumindest teilweise durch den Feuchteübertrager 48 zur Brennstoffzelle 36 rückgeführt.
Zur schnellen Erwärmung des Kühlsystems 50 kann der Kühlmittelmassenstrom 26 den Kühlmittelwärmetauscher 54 über den Kühlmittelbypass 55 umgehen. Zudem findet im Wärmetauscher 12 ein Wärmeaustausch zwischen dem Luftmassenstrom 24 und dem Kühlmittelmassenstrom 26 statt, wodurch in der Startphase auch der Kühlmittelmassenstrom 26 erwärmt werden kann. Der Kühlmittelmassenstrom 26 wird zudem über die Heizelemente 18 des Wärmetauschers 12 erwärmt. Auch der Brennstoffmassenstrom kann im nicht dargestellten Brennstoffwärmetauscher mittels der in ihm integrierten Heizelemente 18 erwärmt werden.
Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass bei einem Start des Brennstoffzellensystems 10 die Brennstoffzelle 36 zunächst kalt ist. Das in der Brennstoffzelle 36 vorhandene Wasser konnte bisher kondensieren und bei Temperaturen kleiner als 0 °C einfrieren. Durch das Brennstoffzellensystem 10 und das beschriebene Verfahren wird eine schnelle Erwärmung des Brennstoffzellensystems 10 und insbesondere der Brennstoffzelle 36 ermöglicht, wodurch diese schnell eine vorgesehene Betriebstemperatur erreichen.
Die mittels der Heizelemente 18 erzeugte Wärme kann direkt in den Luftmassenstrom 24 (und/oder in den Kühlmittelmassenstrom) gelangen. Daher muss nicht zunächst das Kühlmittel des Kühlmittelmassenstroms 26 aufgeheizt werden, um anschließend die Wärme auf die Brennstoffzelle 36 und im Wärmetauscher 12 auf den Luftmassenstrom 24 zu übertragen. Somit ist die Wärme schnell verfügbar. Sie wird direkt in der Nähe der Brennstoffzelle 36 (wo sie benötigt wird) produziert. Dadurch, dass die Heizelemente 18 Trennwände 16 im Wärmetauscher 12 darstellen, wurde eine platzsparende Lösung gefunden. Die Energieversorgung der Heizelemente 18 (und bei Bedarf auch der weiteren Heizelemente 64) kann auch direkt durch die Brennstoffzelle 36 erfolgen, was besonders für einen Start des Brennstoffzellensystems 10 bei Temperaturen unter 0 °C wünschenswert ist.
Bezugszeichenliste

10: Brennstoffzellensystem
12: Wärmetauscher
14: Fluidkanal
16: Trennwand
18: Heizelement
20: Luftkanal
22: Kühlmittelkanal
23: Fluidmassenstrom
24: Luftmassenstrom
25: Massenstrom aus der Brennstoffzelle
26: Kühlmittelmassenstrom
28: Teilbereich der Trennwand
30: Dicke des Heizelements
32: Dicke der Trennwand
36: Brennstoffzelle
38: Einzelzelle
40: Bipolarplatte
42: Kompressionsmittel
44: Betriebsmittelöffnung
46: Luftleitung
47: Versorgungsleitung
48: Feuchteübertrager
49: Abgasöffnung
50: Kühlsystem
52: Kühlmittelpumpe
54: Kühlmittelwärmetauscher
55: Kühlmittelbypass
56: Abgasleitung
58: Brennstoffsystem
60: Brennstoffzuleitung
62: Brennstoffableitung
64: weiteres Heizelement

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 2009/0239106 A1 [0007]
DE 102007045196 A1 [0008]

Claims

Brennstoffzellensystem (10) zum Erwärmen einer Brennstoffzelle (36), wobei das Brennstoffzellensystem (10) eine Brennstoffzelle (36) und wenigstens einen Wärmetauscher (12) umfasst, der wenigstens eine Wärmetauscher (12) wenigstens eine Trennwand (16) aufweist, welche Fluidkanäle (14) des wenigstens einen Wärmetauschers (12) voneinander trennt, die Fluidkanäle (14) mit wenigstens einer Betriebsmittelöffnung (44) der Brennstoffzelle (36) strömungstechnisch verbunden sind, und die wenigstens eine Trennwand (16) wenigstens in einem Teilbereich (28) ein Heizelement (18) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass – das Heizelement (18) im Teilbereich (28) im Inneren der Trennwand (16) angeordnet ist, oder – das Heizelement (18) im Teilbereich (28) die Trennwand (16) ausbildet.
Brennstoffzellensystem (10) nach Anspruch 1, wobei ein Anteil der Dicke (30) des Heizelements (18) an einer Dicke (32) der Trennwand (16) wenigstens 85 %, insbesondere wenigstens 95 %, ferner bevorzugt wenigstens 98 % beträgt.
Brennstoffzellensystem (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Fluidkanäle (14) – wenigstens einen Luftkanal (20) und/oder wenigstens einen Brennstoffkanal und/oder – wenigstens einen Kühlmittelkanal (22) umfassen.
Brennstoffzellensystem (10) nach Anspruch 3, wobei die wenigstens eine Trennwand (16) – wenigstens zwei der Luftkanäle (20) voneinander trennt und/oder – wenigstens zwei der Brennstoffkanäle voneinander trennt.
Brennstoffzellensystem (10) nach einem der Ansprüche 3 bis 4, wobei die wenigstens eine Trennwand (16) wenigstens zwei der Kühlmittelkanäle (22) voneinander trennt.
Brennstoffzellensystem (10) nach einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei die wenigstens eine Trennwand (16) – den wenigstens einen Luftkanal (20) von dem wenigstens einen Kühlmittelkanal (22) trennt, und/oder – den wenigstens einen Brennstoffkanal von dem wenigstens einen Kühlmittelkanal (22) trennt.
Brennstoffzellensystem (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Heizelement (18) ein elektrisches Widerstandsheizelement, insbesondere ein PTC-Heizelement ist.
Verfahren zum Betreiben des Brennstoffzellensystems (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend die folgenden Schritte: – Erwärmen wenigstens eines Fluidmassenstroms (23) mittels des Heizelements (18) und – Zuführen des wenigstens einen Fluidmassenstroms (23) in die Brennstoffzelle (36).
Verfahren nach Anspruch 8, wobei der wenigstens eine Fluidmassenstrom (23) – wenigstens einen Lufmassenstrom (24) und/oder wenigstens einen Brennstoffmassenstrom und/oder – wenigstens einen Kühlmittelmassenstrom (26) umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 9, wobei eine Energieversorgung des Heizelements (18) durch die Brennstoffzelle (36) erfolgt.