DE102014204790A1 - Brennstoffzellen-System mit Sorptionsspeicher im Abgasstrang - Google Patents

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Abstract

Nach der Erfindung ist eine Brennstoffzellen-Anlage mit einem Kühlsystem, über das Abwärme der Brennstoffzellen der Brennstoffzellen-Anlage abgeführt wird, sowie mit einem Kryotank mit Abblaseinrichtung, in dem Brennstoff für die Brennstoffzellen-Anlage in tiefkaltem Zustand gespeichert wird und mit einem Sorptionsspeicher als Wärmespeicher, der von dem Abgasstrom der Brennstoffzelle durchströmt, dessen Feuchtigkeit adsorbiert, dadurch gekennzeichnet, dass für ein Laden des Sorptionsspeichers durch Desorption eine Enthalpieänderung von durch die Abblaseinrichtung abgeblasenem Wasserstoff ausgenutzt wird.

Description

  • Ein Brennstoffzellensystem kann zum Beispiel aus einem kryogenen Wasserstoffspeicher, auch als Wärmesenke bezeichnet, und Brennstoffzellen bestehen. Zum sicheren Betrieb des Wasserstoffspeichers kann nach heutigem Stand der Technik ein so genanntes Blow-Off-Management System notwendig sein, abgekürzt auch BMS genannt. Diese Abblaseeinrichtung bläst, bei unzulässigem Druckanstieg im Wasserstoffspeicher durch unerwünschten Wärmeeintrag bei längeren Standzeiten, den Wasserstoff kontrolliert ab. Der Wasserstoff wird dabei im BMS kontrolliert abgebrannt und es entsteht Wärmeenergie.
  • Mit kryogen gespeichertem Wasserstoff betriebene Brennstoffzellensysteme zeichnen sich durch eine starke Wärmesenke, eben der kryogen gespeicherte Wasserstoff, und verschiedene Wärmequellen aus, unter anderem die Brennstoffzellen, das BMS und zum Beispiel in einem Kraftfahrzeug noch elektrische Antriebskomponenten und eine Klimaanlage. Dabei ist gewöhnlich zur Aufrechterhaltung des thermischen Haushalts über Kühlung der Brennstoffzellen oder für eine Heizung zur Vorkonditionierung des Wasserstoffs Energie aus anderen Quellen nötig, meist elektrische Energie.
  • Zum Stand der Technik beschreibt die DE 10 2011 114 721 A1 ein Brennstoffzellensystem, das wenigstens eine Sorptionseinrichtung aufweist, welche von der Abluft und/oder dem Abgas der Brennstoffzelle durchströmt und in wärmeleitendem Kontakt zu wenigstens einer Komponente des Brennstoffzellensystems angeordnet ist, welche im Kaltstartfall Wärme benötigt. Diese Komponente kann auch die Brennstoffzelle selbst sein. Die Wärme entsteht in der Sorptionseinrichtung bei der Aufnahme und Kondensation der Feuchte aus dem Abgasstrom und/oder Abluftstrom der Brennstoffzelle. Da auch bereits in einer sehr frühen Betriebsphase, welche noch während des sogenannten Kaltstarts stattfindet, Abluft und Abgas aus der Brennstoffzelle mit Feuchtigkeit beladen sind, kann die Kondensationswärme beim Auskondensieren dieser Feuchtigkeit in der Sorptionseinrichtung ideal zur Erwärmung von wärmebenötigenden Komponenten genutzt werden. Dies ist ohne zusätzlichen Energieaufwand möglich, so dass die Wärme einfach und effizient zur Verbesserung der Energiebilanz des Brennstoffzellensystems beitragen kann. Im regulären Betrieb des Brennstoffzellensystems, nachdem der Kaltstart abgeschlossen ist, erwärmen sich die Komponenten, welche im Kaltstartfall Wärme benötigt haben, dann typischerweise selbst, beispielsweise aufgrund von warmen Abgasströmen, welche sie durchströmen oder, im Fall der Brennstoffzelle, aufgrund der Abwärme im Betrieb derselben. Diese Wärme führt dann dazu, dass das in der Sorptionseinrichtung kondensierte Wasser wieder ausgeheizt wird. Es kann dann als Feuchte mit dem Gasstrom abgeführt werden und die Sorptionseinrichtung ist zur Aufnahme von neuem Wasser und zur Abgabe von Kondensationswärme für den nächsten Kaltstartfall wieder bereit.
  • Aufgabe dieser Erfindung ist es, eine kryogen betriebene Brennstoffzellen-Anlage so zu erweitern, dass weitere Elemente zur Energiegewinnung beitragen und deren Wirkungsgrad noch weiter verbessert wird. Vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen der Erfindung sind Inhalt der abhängigen Ansprüche.
  • Nach der Erfindung ist eine Brennstoffzellen-Anlage mit einem Kühlsystem, über das Abwärme der Brennstoffzellen der Brennstoffzellen-Anlage abgeführt wird, sowie mit einem Kryotank mit Abblaseinrichtung, in dem Brennstoff für die Brennstoffzellen-Anlage in tiefkaltem Zustand gespeichert wird und mit einem Sorptionsspeicher als Wärmespeicher, der von dem Abgasstrom der Brennstoffzelle durchströmt, dessen Feuchtigkeit adsorbiert, dadurch gekennzeichnet, dass für ein Laden des Sorptionsspeichers durch Desorption eine Enthalpieänderung von durch die Abblaseinrichtung abgeblasenem Wasserstoff ausgenutzt wird.
  • Ein Sorptionsspeicher, insbesondere auf Zeolithbasis, auf der Sekundärseite der Brennstoffzelle im Abgasstrang, der mittels der Energie des abgeblasenen Wasserstoffs mit Hilfe des BMS geladen wird, hat den Vorteil, dass in der Brennstoffzellen-Anlage noch mehr Verlustenergie zurück gewonnen und gespeichert werden kann unter Ausnutzung der systembedingten Enthalpiedifferenzen zu kryogen gespeichertem Wasserstoff und weiteren Wärmepotentialen. Die durch die Adsorption frei werdende Enthalpie wird technisch genutzt. Eine solche Effizienzsteigerung des Gesamtsystems Brennstoffzellen mit kryogenem Wasserstoff ermöglicht bei Einbau der Brennstoffzellen-Anlage in einem Kraftfahrzeug vorteilhafterweise eine Erhöhung der Fahrzeugreichweite, die Nutzung der gespeicherten Wärme für einen erneuten Systemstart, was das Kaltstartverhalten verbessert, die Gewinnung elektrischer Energie aus dem thermischen Haushalt und natürlich die Nutzung des Energieinhaltes des Blow-Off-Wasserstoffs mittels der Abblaseeinrichtung.
  • Bei bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung ist wenigstens eine Einrichtung vorhanden, die dem Sorptionsspeicher vor und/oder nachgeschaltet, entstehende Wärme speichert oder weiter verwendet oder in eine andere Energieart umwandelt. Vorteilhafterweise ist dies dem Sorptionsspeicher vorgeschaltet, insbesondere bei einer Verwendung von PEM-Brennstoffzellen, ein insbesondere in diese integrierter Verdampfungskühler. Dem Sorptionsspeicher nachgeschaltet können ein weiterer Wärmespeicher, insbesondere ein Latentwärmespeicher und/oder eine Einrichtung, die Wärme in Energie wandelt, zum Beispiel ein Thermo-Elektrischer-Generator und/oder eine Stirling-Maschine und/oder ein ORC-Aggregat/Turbine sein. Dabei ist es zusätzlich von Vorteil, wenn wenigstens ein Teil der entstehenden Wärme zur Vorkonditionierung der Brennstoffzellen oder des kryogen gespeicherten Wasserstoffs genutzt wird und/oder Heiz-/Klimafunktionen des Kraftfahrzeugs, insbesondere über einen weiteren Wärmetauscher, zugeführt wird.
  • Die Verdampfungskühlung der Brennstoffzelle kann vorteilhafterweise begünstigt werden, wenn die Adsorption des Wasserdampfes im Sorptionsspeicher aus dem Abgas der Brennstoffzelle in einer Unterdruckatmosphäre erfolgt.
  • Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass Wärme wenigstens einer weiteren, in der Brennstoffzellen-Anlage vorhandenen Wärmequelle speicherbar oder anderweitig verwendbar oder in wenigstens eine andere Energieart umwandelbar ist.
  • So ist in der Brennstoffzellen-Anlage eine thermische Rekuperation integriert, so dass thermische Energie aus Verlustwärme unter Ausnutzung von systembedingten Temperaturdifferenzen genutzt werden kann. Dazu werden die im kryogenen Brennstoffzellen-System vorhanden Wärmeenergien unterschiedlicher Wärmequellen in einen Wärmespeicher-Reservoir zusammengeführt und die Wärme wird gespeichert und kann aus Wärmepotentialen, zum Beispiel mittels des Blow-off Managements, zurück gewonnen werden. Im System vorhandene Temperaturdifferenzen und Wärmepotentiale können so zur Gewinnung von elektrischer oder mechanischer Energie herangezogen werden. Zusätzlich dient der kryogen gespeicherte Wasserstoff als Kältereservoir bzw. Wärmesenke und die gespeicherte Wärme kann zur Erwärmung des kryogenen Wasserstoffs herangezogen werden. Das erschließt bisher nicht genutzte Energieresourcen in Brennstoffzellensystemen mit kryogenem Wasserstofftank. Für Kraftfahrzeuge erhöht sich die Reichweite. Eine Effizienzsteigerung im Brennstoffzellensystem durch Energiewandlung von Abwärme in elektrische und/oder mechanische Energie tritt ein und eine Speicherung und bedarfsgerechte Bereitstellung thermischer Energie durch zeitliche Entkopplung von Angebot und Nachfrage von Wärmeenergie ist möglich.
  • Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung beschreibt die nachfolgende Beschreibung mit der zugehörigen Zeichnung. Die einzige Figur zeigt schematisch ein Diagramm mit eingezeichneten Energieflüssen einer erfindungsgemäßen Brennstoffzellen-Anlage, zum Beispiel in einem Kraftfahrzeug.
  • Eine Brennstoffzellen-Anlage, gemäß der Erfindung, besteht aus elektrische Energie erzeugenden Polymer-Electrolyte-Membran-Brennstoffzellen 2, auch PEM-Brennstoffzellen genannt, und aus einem kryogenen Wasserstoffspeicher oder auch Kryotank 1, in dem Brennstoff für die Brennstoffzellen-Anlage in tiefkaltem Zustand gespeichert wird und der eine Wärmesenke darstellt. Zum sicheren Betrieb des Kryotanks 1 ist nach heutigem Stand der Technik als Abblaseeinrichtung ein sogenanntes Blow-Off-Management System 4, abgekürzt BMS, notwendig. Dieses bläst und brennt bei unzulässigem Druckanstieg im Kryotank 1 durch unerwünschten Wärmeeintrag bei längeren Standzeiten den Wasserstoff 16 kontrolliert ab und es entsteht Wärmeenergie durch die Enthalpieänderung des Wasserstoffs 16, schematisch dargestellt durch den Pfeil T5. Mit dieser Wärmeenergie kann ein Zeolithspeicher 12 durch Trocknung beladen werden, das heißt er nimmt Desorptionswärme auf, die aufgrund der Desorption von Wasser im Zeolithspeicher 12 entsteht. Zur Beschickung befindet sich im Abgasstrang 7 der Brennstoffzellen-Anlage ein 4/4-Wege-Ventil 8 mit Schaltstellungen Zuleitung Luft T5 trocken und heiß vom BMS 4 zum Zeolithspeicher 12 oder über einen Bypass 3 zur Überbrückung des Zeolithspeichers 12, des Weiteren Zuleitung Luft T2 feucht und warm zum Zeolithspeicher 12 oder über den Bypass 3 zur Überbrückung des Zeolithspeichers 12.
  • Durch Zuleitung der trockenen und heißen Luft T5, aufbereitet im BMS 4 mittels der Enthalpie des abgeblasenen Wasserstoffs 16 und/oder mittels weiterer Wärmequellen, zum Beispiel Verlustwärme aus dem System oder aus Heiz-/Klimafunktionen, symbolisch dargestellt durch den Pfeil T8, zum Zeolithspeicher 12, nimmt dieser Wärme auf, wodurch die Luft als warmer und feuchter Luftstrom, symbolische Darstellung durch Pfeil T6, den Zeolithspeicher 12 im Abgasstrang 7 verlässt.
  • Da durch die Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff in der Brennstoffzelle 2 Wasser entsteht, besteht das Abgas im Allgemeinen aus warmer und feuchter Luft. Durch die exotherme Reaktion muss die Brennstoffzelle 2 gekühlt werden. Die Brennstoffzellen-Anlage besitzt deshalb ein Kühlsystem, zum Beispiel eine Fluidkühlung oder hier den Verdampfungskühler 5, der auch in den Brennstoffzellen 2 integriert sein kann und über den Abwärme, symbolisch dargestellt durch den Pfeil 6, der Brennstoffzellen 2 der Brennstoffzellen-Anlage abgeführt wird. Dadurch kühlt Wasserdampf aus den Brennstoffzellen 2 ab und es entsteht ein feuchter, warmer Luftstrom, symbolisch dargestellt durch den Pfeil T2, im Abgasstrang 7. Die verbleibende Abwärme, symbolisch dargestellt durch den Pfeil T1, der Brennstoffzelle 2 kann entweder durch einen Energiewandler teilweise in elektrische oder mechanische Energie gewandelt werden und/oder dem Zeolithspeicher 12 zugeführt werden. Da für das Entladen des Zeolithspeichers 12 die Feuchtigkeit der Luft entscheidend ist und weniger die Temperatur, kann dem Abgas über einen weiteren, nicht gezeichneten Wärmetauscher vor dem Verdampfungskühler 5 noch Wärme entnommen werden. Eine Wärmekopplung zu Heiz-/Klimafunktionen ist dann denkbar.
  • Die feuchte Luft der Brennstoffzelle, symbolisch dargestellt durch den Pfeil T2, wird also dem Zeolithspeicher 12 zugeführt und es wird dort, wie bereits erwähnt, bei der Adsorption von Wasser Adsorptionswärme frei, symbolisch dargestellt durch den Pfeil T3. Diese wird in einem Energiewandler in elektrische, symbolisch dargestellt durch den Pfeil P_el, oder mechanische Energie umgesetzt und/oder in einem Wärmespeicher 9 gespeichert und/oder Heiz-/Klimafunktionen 10 zugeführt.
  • Der Wärmespeicher 9 ist ein Latentwärmespeicher, ein sensibler Wärmespeicher (z. B. Wasser) oder ein thermochemische Wärmespeicher. Durch wenigstens eine Einrichtung wird die Wärme, symbolisch dargestellt durch den Pfeil T3 in elektrische oder mechanische Energie gewandelt. Der Energiewandler 11, in der Ausführung eines thermoelektrischen Generators, erzeugt nach dem Seebeck Effekt aus der Temperaturdifferenz elektrische Energie. Der Energiewandler 11 kann unterschiedliche Ausprägungen haben: als thermoelektrischer Generator wird über eine Temperaturdifferenz aus Wärmeenergie elektrische Energie. In einem ORC-Aggregat/Turbine wird aus Wärmeenergie mechanische und/oder elektrische Energie. Ein Stirling-Motor setzt über eine Temperaturdifferenz Wärmeenergie in mechanische und/oder elektrische Energie um.
  • Erfolgt die Adsorption in einer Unterdruckathmosphäre, so kann zusätzlich primärseitig ein Kühlungseffekt erzeugt werden. Durch die Verdampfung eines Kühlmediums, zum Beispiel bei Wasser wird Verdampfungswärme aufgenommen, wird Kälteleistung bereitgestellt. Der nicht gezeichnete Verdampfer wirkt wie ein Befeuchter für das Zeolithsystem. Nachdem der Zeolithspeicher 12 die Primärseite kühlt und die Sekundärseite erwärmt arbeitet der Zeolithspeicher 12 als Sorptionswärmepumpe.
  • Beim Entladen des Zeolithspeichers 12 wird im Abgasstrang zusätzliche Wärmeenergie durch Adsorption von Wasserdampf erzeugt. Ergänzend kann der Adsorptionsvorgang im Zeolithspeicher 12 in Unterdruckathmosphäre gefahren werden, um primärseitig in Verbindung mit dem Verdampfer einen Kühlungseffekt zu erzielen.
  • Der Bypass 3 dient zur Umgehung des Zeolithspeichers 12, falls dieser „voll” bzw. „leer” ist, oder aus anderen betriebsstrategischen Gründen nicht genutzt werden soll.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102011114721 A1 [0003]

Claims (10)

  1. Brennstoffzellen-Anlage mit einem Kühlsystem, über das Abwärme (T1) der Brennstoffzellen (2) der Brennstoffzellen-Anlage abgeführt wird, sowie mit einem Kryotank (1) mit Abblaseinrichtung (4), in dem Brennstoff für die Brennstoffzellen-Anlage in tiefkaltem Zustand gespeichert wird und mit einem Sorptionsspeicher (12), der von dem Abgasstrom (T2) der Brennstoffzelle (2) durchströmt, dessen Feuchtigkeit adsorbiert, dadurch gekennzeichnet, dass für ein Laden des Sorptionsspeichers (12) durch Desorption eine Enthalpieänderung von durch die Abblaseinrichtung (4) abgeblasenem Wasserstoff (16) ausgenutzt wird.
  2. Brennstoffzellen-Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass diese in einem Kraftfahrzeug eingebaut ist.
  3. Brennstoffzellen-Anlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Einrichtung (9, 10, 11) vorhanden ist, die dem Sorptionsspeicher vor und/oder nachgeschaltet, entstehende Wärme (6, T3) speichert oder weiter verwendet oder in eine andere Energieart (P_el) umwandelt.
  4. Brennstoffzellen-Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Teil der entstehenden Wärme (6, T1, T3, T5) zur Vorkonditionierung der Brennstoffzellen (2) oder des kryogen gespeicherten Wasserstoffs genutzt wird und/oder Heiz-/Klimafunktionen des Kraftfahrzeugs zugeführt wird.
  5. Brennstoffzellen-Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Sorptionsspeicher ein Zeolithspeicher (12) ist.
  6. Brennstoffzellen-Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (9, 10, 11), die die im Zeolithspeicher (12) entstehende Wärme (T3) speichert, ein Latentwärmespeicher (9) ist.
  7. Brennstoffzellen-Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (9, 10, 11), die die Wärme (T3) aus dem Zeolithspeicher (12) in eine andere Energieart wandelt, ein Thermo-Elektrischer-Generator und/oder eine Stirling-Maschine und/oder ein ORC-Aggregat/Turbine ist.
  8. Brennstoffzellen-Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzellen (2) im Bedarfsfall mittels Verdampfungskühlung gekühlt werden.
  9. Brennstoffzellen-Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Adsorption des Wasserdampfes im Sorptionsspeicher aus dem Abgas der Brennstoffzelle in einer Unterdruckatmosphäre erfolgt, derart, dass die Verdampfungskühlung der Brennstoffzelle aufgrund des Unterdrucks begünstigt wird.
  10. Brennstoffzellen-Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass Wärme wenigstens einer weiteren, in der Brennstoffzellen-Anlage vorhandenen Wärmequelle (6) speicherbar oder anderweitig verwendbar oder in wenigstens eine andere Energieart umwandelbar ist.
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