DE102016216769A1

DE102016216769A1 - Brennstoffzellensystem mit katalytischer Heizvorrichtung im Kühlkreis

Info

Publication number: DE102016216769A1
Application number: DE102016216769.3A
Authority: DE
Inventors: Volker Formanski; Daniel Witzel
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2016-09-05
Filing date: 2016-09-05
Publication date: 2018-03-08

Abstract

Die hier offenbarte Technologie betrifft ein Brennstoffzellensystem für ein Kraftfahrzeug mit einem Kühlkreislauf und einem Oxidationsmittelförderer sowie ein Verfahren zum Betrieb eines solchen Brennstoffzellensystems. Der Kühlkreislauf umfasst mindestens eine katalytische Heizvorrichtung und der Oxidationsmittelförderer ist eingerichtet, der mindestens einen Heizvorrichtung Oxidationsmittel bereitzustellen.

Description

Die hier offenbarte Technologie betrifft ein Brennstoffzellensystem mit einer katalytischen Heizvorrichtung im Kühlkreis sowie ein Verfahren zum Betrieb eines solchen Brennstoffzellensystems.
Bei niedrigen Außentemperaturen kann es unter Umständen schwierig sein, das Brennstoffzellensystem innerhalb einer kurzen Zeit auf die Betriebstemperatur zu erwärmen. Eine mögliche Lösung wäre ein elektrisches Heizgerät, welche jedoch aus der bei kalten Temperatur begrenzt leistungsfähigen Speicherbatterie mit elektrischer Leistung versorgt werden muss.
Es ist eine bevorzugte Aufgabe der hier offenbarten Technologie, zumindest einen Nachteil der vorbekannten Lösung zu verringern oder zu beheben. Insbesondere ist es eine Aufgabe der hier offenbarten Technologie, ein platzsparendes, kostengünstiges, energieeffizientes und/oder schnell aufheizbares Brennstoffzellensystem bereitzustellen. Weitere bevorzugte Aufgaben können sich aus den vorteilhaften Effekten der hier offenbarten Technologie ergeben. Die Aufgabe(n) wird/werden gelöst durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche. Die abhängigen Ansprüche stellen bevorzugte Ausgestaltungen dar.
Die hier offenbarte Technologie betrifft ein Brennstoffzellensystem mit mindestens einer Brennstoffzelle. Das Brennstoffzellensystem ist beispielsweise für mobile Anwendungen wie Kraftfahrzeuge gedacht, insbesondere zur Bereitstellung der Energie für mindestens eine Antriebsmaschine zur Fortbewegung des Kraftfahrzeugs. In ihrer einfachsten Form ist eine Brennstoffzelle ein elektrochemischer Energiewandler, der Brennstoff und Oxidationsmittel in Reaktionsprodukte umwandelt und dabei Elektrizität und Wärme produziert. Die Brennstoffzelle umfasst eine Anode und eine Kathode, die durch einen ionenselektiven bzw. ionenpermeablen Separator getrennt sind. Die Anode wird mit Brennstoff versorgt. Bevorzugte Brennstoffe sind: Wasserstoff, niedrigmolekularer Alkohol, Biokraftstoffe, oder verflüssigtes Erdgas. Die Kathode wird mit Oxidationsmittel versorgt. Bevorzugte Oxidationsmittel sind bspw. Luft, Sauerstoff und Peroxide. Der ionenselektive Separator kann bspw. als Protonenaustauschmembran (proton exchange membrane, PEM) ausgebildet sein. Bevorzugt kommt eine kationenselektive Polymerelektrolytmembran zum Einsatz. Materialien für eine solche Membran sind beispielsweise: Nafion^®, Flemion^® und Aciplex^®.
Ein Brennstoffzellensystem umfasst neben der mindestens einen Brennstoffzelle periphere Systemkomponenten (BOP-Komponenten), die beim Betrieb der mindestens einen Brennstoffzelle zum Einsatz kommen können. In der Regel sind mehrere Brennstoffzellen zu einem Brennstoffzellenstapel bzw. Stack zusammengefasst.
Das Brennstoffzellensystem umfasst ein Anodensubsystem, das von den brennstoffführenden Bauelementen des Brennstoffzellensystems ausgebildet wird. Ein Anodensubsystem kann mindestens einen Druckbehälter, mindestens einen Druckminderer, mindestens einen Wärmetauscher mindestens eine zum Anodeneinlass führende Anodenzuleitung, einen Anodenraum im Brennstoffzellenstapel, mindestens eine vom Anodenauslass wegführende Anodenabgasleitung, mindestens einen Wasserabscheider (= AWS), mindestens ein Anodenspülventil (= APV), mindestens ein aktive oder passive Brennstoff-Rezirkulationsförderer (= ARE bzw ARB) und/oder mindestens eine Rezirkulationsleitung sowie weitere Elemente aufweisen. Hauptaufgabe des Anodensubsystems ist die Heranführung und Verteilung von Brennstoff an die elektrochemisch aktiven Flächen des Anodenraums und die Abfuhr von Anodenabgas. Das Brennstoffzellensystem umfasst ferner ein Kathodensubsystem. Das Kathodensubsystem wird von den oxidationsmittelführenden Bauelementen ausgebildet. Ein Kathodensubsystem kann mindestens einen Oxidationsmittelförderer, mindestens eine zum Kathodeneinlass führende Kathodenzuleitung, mindestens eine vom Kathodenauslass wegführende Kathodenabgasleitung, einen Kathodenraum im Brennstoffzellenstapel, sowie weitere Elemente aufweisen. Hauptaufgabe des Kathodensubsystems ist die Heranführung und Verteilung von Oxidationsmittel an die elektrochemisch aktiven Flächen des Kathodenraums und die Abfuhr von Oxidationsmittel.
Der Oxidationsmittelförderer (auch Fluidfördereinrichtung genannt) kann beispielsweise als Kompressor bzw. Verdichter ausgebildet sein, besonders bevorzugt als luftgelagerter Turbokompressor, Turboverdichter, bzw. Kreiselverdichter. Bevorzugt weist der Oxidationsmittelförderer einen Arbeits-Drehzahlbereich von ca. 15.000 U/min bis max. ca. 170.000 U/min, und besonders bevorzugt von ca. 25.000 U/min bis ca. 130.000 U/min auf. Der Oxidationsmittelförderer ist eingerichtet, das Oxidationsmittel für den Betrieb der mindestens einen Brennstoffzelle zu dem Brennstoffzellenstapel zu fördern. Ein solcher Oxidationsmittelförderer ist entsprechend anders dimensioniert als ein Lüfter zur Kühlung einzelner Komponenten des Kraftfahrzeugs.
Das hier offenbarte Brennstoffzellensystem umfasst mindestens einen Kühlkreislauf, der eingerichtet ist, den Brennstoffzellenstapel des Brennstoffzellensystems zu temperieren. Der Kühlkreislauf umfasst mindestens einen Wärmetauscher, mindestens einen Kühlmittelförderer und mindestens eine Brennstoffzelle. Bevorzugt sind mehrere Brennstoffzellen zu einem Brennstoffzellenstapel zusammengefasst, der von dem Kühlmittel durchflossen wird. Der mindestens eine Wärmetauscher ist bspw. ein Kühler, der von Luft durchströmt und durch einen Ventilator unterstützt werden kann. Der Kühlkreislauf ist i.d.R. derart ausgebildet, dass Kühlmittel zwischen dem Wärmetauscher und der mindestens einen Brennstoffzelle zirkulieren kann. Mit anderen Worten kann also das in der mindestens einen Brennstoffzelle erwärmte Kühlmittel von der Brennstoffzelle in den mindestens einen Wärmetauscher fließen, wo es sich dann abkühlt, bevor es anschließend wieder in die Brennstoffzelle strömt. Auch wenn hier von Kühlmittel die Rede ist, ist dieses Kühlmittel nicht nur auf das Kühlen beschränkt. Vielmehr kann das Kühlmittel auch zum Erwärmen oder allgemein zum Temperieren der mindestens einen Brennstoffzelle eingesetzt werden. Bevorzugt kommt als Kühlmittel Wasser mit entsprechenden Additiven zum Einsatz. Das Kühlsystem kann auch zur Wärmegleichverteilung (d.h. die Vermeidung von höheren Temperaturgradienten) innerhalb der Brennstoffzellen bzw. innerhalb des Brennstoffzellenstapels genutzt werden.
Das hier offenbarte Brennstoffzellensystem umfasst ferner mindestens eine katalytische Heizvorrichtung. Die mindestens eine katalytische Heizvorrichtung ist eingerichtet, dass Kühlmittel des Kühlmittelkreislaufs zu erwärmen. Eine solche katalytische Heizvorrichtung kann beispielsweise ein katalytischer Konverter oder eine katalytische Brennvorrichtung sein. In einem katalytischen Konverter wird Brennstoff mit Oxidationsmittel zu Wasser umgesetzt, wobei Wärme freigesetzt wird. In einer katalytischen Brennvorrichtung wird der Brennstoff unter Wärmefreisetzung verbrannt. Bevorzugt wird die katalytische Heizvorrichtung mit Brennstoff aus dem Anodensubsystem und/oder mit Oxidationsmittel aus dem Kathodensubsystem versorgt. Hierzu kann die Heizvorrichtung mit Frischgasen (Brennstoff, Oxidationsmittel) und/oder mit Abgasen (Anodenabgas/Kathodenabgas) versorgt werden. Das hier offenbarte Brennstoffzellensystem ist eingerichtet, während der Aufwärmphase des Brennstoffzellensystems die mindestens eine katalytische Heizvorrichtung zu betreiben.
Die Aufwärmphase ist dabei die Phase, in der das Brennstoffzellensystem auf die Betriebstemperatur (z.B. 60°C oder 70°C) erwärmt wird. Die Aufwärmphase beginnt i.d.R. mit der Aktivierung des Brennstoffzellensystems und endet mit dem Erreichen der Sollbetriebstemperatur. Während der Aufwärmphase wird das Brennstoffzellensystem derart betrieben (gesteuert bzw. geregelt), dass sich das Brennstoffzellensystem (zumindest die temperatur- bzw. frostkritischen Teile des Systems) schneller und bevorzugt effizienter erwärmen als beim Betrieb nach Abschluss der Aufwärmphase. Während der Aufwärmphase steht also nicht die optimale Bereitstellung von elektrischer Energie im Vordergrund, sondern die schnelle und gleichzeitig schonende Aufwärmung des Brennstoffzellensystems. Der Fahrbetrieb des Kraftfahrzeugs kann vom Fahrzeug bzw. von einer Steuerung während der Aufwärmphase zumindest zeitweise unterbunden werden. Die Aktivierung des Brennstoffzellensystems kann durch ein Signal des Benutzers oder durch irgendein anderes Signal (z.B. von einer Vorkonditionierung Einrichtung) erfolgen.
Der Oxidationsmittelförderer ist eingerichtet, der mindestens einen katalytischen Heizvorrichtung Oxidationsmittel bereitzustellen, insbesondere während der Aufwärmphase des Brennstoffzellensystems. Hierzu ist der Oxidationsmittelförderer mit der mindestens einen katalytischen Heizvorrichtung fluidverbunden.
Die Heizvorrichtung kann in einem Brennstoffzellen-Bypass des Kathodensubsystems des Brennstoffzellensystems angeordnet sein. Der Brennstoffzellen-Bypass des Kathodensubsystems ist ein Strömungspfad, der stromauf vom Brennstoffzellenstapel abzweigt und in eine Kathodenabgasleitung stromab des Brennstoffzellenstapels mündet. Bevorzugt ist in dem Brennstoffzellen-Bypass mindestens ein Ventil vorgesehen, welches den Oxidationsmittelstrom verändern kann.
Gemäß der hier offenbarten Technologie kann ein vom Oxidationsmittelförderer bereitgestellter Oxidationsmittelstrom aufgeteilt werden auf mindestens einen Brennstoffzellen-Bypass und den Brennstoffzellenstapel. Mittels eines solchen Bypasses kann der Oxidationsmittelförderer auch im unteren Lastbereich des Brennstoffzellensystems (also geringen Oxidationsmittelströmen) das Oxidationsmittel der Brennstoffzelle mit dem für diesen unteren Lastbereich erforderlichen Volumenstrom und Druck bereitstellen. Wäre der Brennstoffzellen-Bypass nicht vorgesehen, so könnte gegebenenfalls aufgrund des geringen Oxidationsmittelstroms das Oxidationsmittel nicht mit dem erforderlichen Druck am Kathodeneinlass bereitgestellt werden.
In einer bevorzugten Ausgestaltung kann ein Brennstoffzellen-Bypass vorgesehen sein, in dem die Heizvorrichtung angeordnet ist. Vorteilhaft an dieser Ausgestaltung ist, dass der Brennstoffzellen-Bypass nach der Aufwärmphase des Brennstoffzellensystems nur im unteren Lastbereich des Brennstoffzellensystems von Oxidationsmittel durchströmt wird. Dieser Lastbereich kommt seltener vor als andere Lastbereiche des Brennstoffzellensystems. Ferner sind die Oxidationsmittelströme im unteren Lastbereich kleiner. Ist die Heizvorrichtung im Brennstoffzellen-Bypass vorgesehen, so verursacht dieser geringere Strömungswiderstände bzw. Druckverluste als eine Heizvorrichtung, die nicht in einem Brennstoffzellen-Bypass (z.B. in der Kathodenzuleitung oder in der Kathodenabgasleitung) vorgesehen ist.
Bevorzugt kann das Brennstoffzellensystem mindestens zwei Brennstoffzellen-Bypässe umfassen, insbesondere einen ersten Brennstoffzellen-Bypass und einen zweiten Brennstoffzellen-Bypass. Ein Brennstoffzellen-Bypass der Brennstoffzellen-Bypässe (z.B. ein erster Brennstoffzellen-Bypass) kann die Heizvorrichtung aufweisen. Ein anderer Brennstoffzellen-Bypass der Brennstoffzellen Bypässe (z.B. ein zweiter Brennstoffzellen-Bypass) weist dann bevorzugt keine Heizeinrichtung auf.
Der zweite Brennstoffzellen Bypass kann dafür vorgesehen und eingerichtet sein, (insbesondere auch nach der Aufwärmphase des Brennstoffzellensystems) einen Oxidationsmittelstrom fluidisch parallel zum Brennstoffzellenstapel mit im Vergleich zum ersten Brennstoffzellen-Bypass und/oder dem Brennstoffzellenstapel geringerem Strömungswiderstand bzw. geringerem Druckverlust zu ermöglichen. Besonders vorteilhaft kann der Oxidationsmittelförderer auch im unteren Lastbereich des Brennstoffzellensystems dem Brennstoffzellenstapel den für einen solchen Lastpunkt erforderlichen Oxidationsmittelstrom mit dem gewünschten Druck am Brennstoffzelleneinlass bereitstellen. Der erste Brennstoffzellen-Bypass indes ist dafür vorgesehen und eingerichtet, während der Aufwärmphase des Brennstoffzellensystems das Kühlmittel im Kühlkreislauf mittels der im ersten Brennstoffzellen-Bypass vorgesehenen Heizvorrichtung zu erwärmen. Der erste Brennstoffzellen-Bypass weist im Vergleich zum zweiten Brennstoffzellen-Bypass einen höheren Strömungswiderstand bzw. einen höheren Druckverlust auf. Vorteilhaft an dieser Ausgestaltung mit zwei Brennstoffzellen-Bypässen ist, dass einerseits das Brennstoffzellensystem mit dem ersten Brennstoffzellen-Bypass während der Aufwärmphase des Brennstoffzellensystems effizient erwärmt werden kann und andererseits energieeffizient während des Betriebs des Brennstoffzellensystems Oxidationsmittel an dem Brennstoffzellenstapel vorbeigeführt werden kann.
Das hier offenbarte Brennstoffzellensystem umfasst ferner einen Wärmetauscher, der stromauf vom Brennstoffzellenstapel im Kathodensubsystem vorgesehen ist. Der Wärmetauscher ist ausgebildet, das vom Oxidationsmittelförderer verdichtete Oxidationsmittel zu temperieren. Ein solcher Wärmetauscher wird auch als Ladeluftkühler bezeichnet.
Stromauf vom Wärmetauscher und stromab vom Oxidationsmittelförderer kann ein Brennstoffzellen-Bypass abzweigen, in dem die Heizvorrichtung angeordnet ist. Vorteilhaft an dieser Ausgestaltung ist, dass während der Aufwärmphase des Brennstoffzellensystems der vom Oxidationsmittelförderer verdichtete und zumindest teilweise erwärmte Oxidationsmittelstrom zumindest teilweise (bevorzugt vollständig) um den Wärmetauscher herumgeführt werden kann. Vorteilhaft wird somit die durch den Oxidationsmittelförderer erzeugte Kompressionswärme zur Aufwärmung des Brennstoffzellensystems genutzt, beispielsweise indem der Brennstoffzellenstapel und/oder das Kühlmittel vom Kühlmittelkreislauf durch diese Kompressionswärme zumindest teilweise erwärmt wird/werden. Alternativ könnte der Abzweig auch stromab vom Wärmetauscher erfolgen.
Zweckmäßig kann ein Ausgang der Heizvorrichtung mit der Kathodenzuleitung und/oder mit einer Kathodenabgasleitung fluidverbunden werden bzw. fluidverbindbar sein. In einer weiteren Ausgestaltung kann der erste Brennstoffzellen-Bypass in den zweiten Brennstoffzellen-Bypass münden, insbesondere stromaufwärts von einem Bypass-Ventil des zweiten Brennstoffzellen-Bypass.
Das Brennstoffzellensystem, insbesondere das Anodensubsystem, kann eine Anodenspülleitung stromab von einem Anodenspülventil (engl. purge valve) des Brennstoffzellensystems aufweisen. Ein Anodenspülventil und eine Anodenspülleitung als solche sind bekannt. Sie dienen beispielsweise zum Austragen vom Anodenabgas (insbesondere Stickstoff, Wasser und Brennstoff) aus dem Anodensubsystem.
Bevorzugt kann der Brennstoff für die katalytische Heizvorrichtung von der Anodenspülleitung bereitgestellt werden. Mit anderen Worten kann die Anodenspülleitung mit der Heizvorrichtung fluidverbunden sein und mit ihrem einem Ende in der Heizvorrichtung münden. Vorteilhaft kann dadurch Bauraum und Herstellungskosten verringert werden. Ferner kann sich die Gefahr der Passivierung der aktiven Flächen der katalytischen Heizvorrichtung verringern, da auch im Sommer zumindest zu einem geringen Teil Brennstoff auf die aktiven Flächen der katalytischen Heizvorrichtung treffen. Ferner kann der Brennstoffanteil im Brennstoffzellenabgas reduziert werden.
Alternativ oder zusätzlich kann der Brennstoff auch durch eine andere Leitung bereitgestellt werden. Beispielsweise kann stromauf vom Brennstoffzellenstapel eine Brennstoffleitung vom Anodensubsystem abzweigen, die der Heizvorrichtung Brennstoff (z.B. Frischwasserstoff) zuführt. Zweckmäßig kann ein Injektor vorgesehen sein, der den Brennstoff in die Heizvorrichtung fördert. Eine solche Ausgestaltung kann eventuell ausfallsicherer sein als die Ausgestaltung mit einer Anbindung an die Anodenspülleitung, da ein Einfrieren des Purge-Ventils keine Auswirkungen auf den Betrieb der Heizvorrichtung hätte. In einer weiteren Ausgestaltung mündet die Anodenspülleitung in die Kathodenabgasleitung. Besonders bevorzugt mündet die Anodenspülleitung in einem Mischbereich der Kathodenabgasleitung, in dem ebenfalls der mindestens eine Brennstoffzellen-Bypass mündet. Vorteilhaft kann somit aufgrund der vergleichsweise hohen Geschwindigkeit des Oxidationsmittels eine gute Durchmischung von Oxidationsmittel und aus dem Anodensubsystem ausgetragenes Anodenabgas erzielt werden. Dies ist insbesondere vorteilhaft während der Aufwärmphase eines in einem Kraftfahrzeug vorgesehenen Brennstoffzellensystems, da das Kraftfahrzeug während der Aufwärmphase zumindest zeitweise ruht und somit die das Kraftfahrzeug verlassenden Abgase bei schlechter Durchmischung sich eher direkt am Fahrzeug ansammeln.
In einer weiteren Ausgestaltung der hier offenbarten Technologie kann die Heizvorrichtung den Mischbereich ausbilden, wobei vorteilhaft das Anodenabgas in diesen Mischbereich eingedüst wird. Vorteilhaft können somit Bauraum und Herstellungskosten weiter verringert werden.
Die hier offenbarte Technologie betrifft ferner mindestens ein Steuergerät, welches ausgebildet ist, den Feuchtegehalt von mindestens einem ionenpermeablen Separator des Brennstoffzellenstapels zu erfassen.
Bevorzugt kann das Steuergerät eingerichtet sein, mehrere ionenpermeable Separatoren auszuwerten und einen mittleren Feuchtegehalt zu bestimmen. Es kann jedes beliebige Verfahren zum Erfassen des Feuchtegehalts der mindestens einen (bevorzugt aller) Brennstoffzelle(n) eingesetzt werden. Das Brennstoffzellensystem kann eingerichtet sein, mehr Heizvorrichtungsabgas der Kathodenzuleitung als der Kathodenabgasleitung zuzuführen, wenn der Feuchtegehalt des ionenpermeablen Separators oberhalb von einem Feuchtegehalt-Grenzwert liegt. Ferner kann das Brennstoffzellensystem eingerichtet sein, mehr Heizvorrichtungsabgas der Kathodenabgasleitung als der Kathodenzuleitung zuzuführen, wenn der Feuchtegehalt des ionenpermeablen Separators unterhalb vom Feuchtegehalt-Grenzwert liegt. Sofern die mindestens eine Brennstoffzelle bzw. der Brennstoffzellenstapel feucht genug ist, kann also das erwärmte Abgas der Heizvorrichtung der Katode zugeführt werden. Somit kann zweckmäßig in die Katode und somit der Brennstoffzellenstapel in diesem Fall besonders effizient aufgeheizt werden. Andererseits wird vermieden, dass aufgrund einer ausgetrockneten Membran der Brennstoffzellenstapel degradiert.
Die hier offenbarte Technologie betrifft ferner ein Verfahren zum Betrieb bzw. zum Aufwärmen eines Brennstoffzellensystems, insbesondere dem hier offenbarten Brennstoffzellensystem. Während einer Aufwärmphase des Brennstoffzellensystems fördert der Oxidationsmittelförderer des Brennstoffzellensystems Oxidationsmittel zu einer katalytischen Heizvorrichtung des Brennstoffzellensystems. Der Oxidationsmittelförderer fördert nach der Aufwärmphase Oxidationsmittel zu mindestens einer Brennstoffzelle des Brennstoffzellensystems. Vorteilhaft kann der Oxidationsmittelförderer auch während der Aufwärmphase Oxidationsmittel zur mindestens einen Brennstoffzelle fördern. Das Oxidationsmittel kann dem hier offenbarten mindestens einen Brennstoffzellen-Bypass des Kathodensubsystems zumindest während der Aufwärmphase zugeführt werden. Vorteilhaft kann das Oxidationsmittel durch den mindestens einen Brennstoffzellen-Bypass der Heizvorrichtung zugeführt werden. In einer Ausgestaltung kann der Brennstoffzellen-Bypass und die Heizvorrichtung ausschließlich während der Aufwärmphase von Oxidationsmittel durchströmt werden. In einer Ausgestaltung wird der Brennstoff für die Heizvorrichtung von der Anodenspülleitung während der Aufwärmphase bereitgestellt. Die hier offenbarte Technologie kann ferner ein Verfahren umfassen, wonach der Feuchtegehalt von mindestens einem ionenpermeablen Separator des Brennstoffzellenstapels erfasst wird. Das Abgas kann der Heizvorrichtung der Kathodenzuleitung zugeführt werden, wenn der Feuchtegehalt des ionenpermeablen Separators oberhalb von einem Feuchtegehalt-Grenzwert liegt. Ferner kann das Abgas der Heizvorrichtung dem Kathodenabgas zugeführt werden, wenn der Feuchtegehalt des ionenpermeablen Separators unterhalb vom Feuchtegehalt-Grenzwert liegt.
Mit anderen Worten betrifft die hier offenbarte Technologie die Integration eines Brennstoff-Konverters in den Kühlkreislauf des Brennstoffzellensystems. Der Brennstoff-Konverter wird mit Brennstoff (z.B. Wasserstoff)

a) aus dem Druckbehälter des Fahrzeugs; und/oder
b) aus dem Anodenabgas des Brennstoffzellensystems versorgt.

Die Versorgung mit Oxidationsmittel (z.B. Luft) kann

a) über einen separaten Lüfter;
b) über das Luftversorgungsystem des Brennstoffzellensystems erfolgen, z.B. durch den Brennstoffzellenstapel und/oder über eine Bypass-Schaltung;
c) über das Abgas des Brennstoffzellensystems; und/oder
d) Luftversorgung durch Konvektion (warme/heiße Gase steigen auf);

Der Brennstoff-Konverter kann als katalytische Heizvorrichtung ausgelegt sein. Die Wärmeübertragung von der Heizvorrichtung in das Kühlmedium kann über Strahlung und Wärmeleitung an das Kühlmedium der Brennstoffzelle erfolgen. Zur Wärmeleitung kann über einen metallischen Wabenkörper erfolgen, dessen Wabenflächen mit einem Katalysator beschichtet sein können. Die Reaktionswärme kann über die Wabenstege zum Wabenmantel geleitet werden, der zweckmäßig wiederum vom Kühlmedium umströmt und gekühlt werden kann. Für einen guten Umsetzungsgrad am Katalysator können hohe Temperaturen vorteilhaft sein Zur Wärmestrahlung könnten katalytisch aktive Sintermetall-Röhren vorgesehen sein, die von innen mit Brennstoff und von außen mit Oxidationsmittel versorgt werden. Die Metallröhren müssen i.d.R. glühen, um die Wärme an eine Kühlfläche übertragen zu können. Der Betrieb der Kühlmittelpumpe kann eine gleichmäßige Erwärmung des Brennstoffzellensystems sicherstellen. Erst nach Erreichen einer definierten Sollbetriebstemperatur (> 0°C, bevorzugt > 10°C oder > 30°C) folgt der elektrochemische Betrieb der Brennstoffzelle. Die Sollbetriebstemperatur kann je nach Ausgestaltung des Antriebssystems, der Anwendung des Brennstoffzellensystems und/oder der Fahrzeugklasse variieren. Durch den Brennstoff-Konverter kann ein gleichmäßiges Aufwärmen des Brennstoffzellensystems erreicht werden und der Lastbetrieb der Brennstoffzelle erfolgt erst nach Erreichen einer definierten Solltemperatur, womit die Dauerhaltbarkeit der Brennstoffzelle erhöht wird.
Die hier offenbarte Technologie wird nun anhand der 1 bis 4 erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung des Brennstoffzellensystems;
2 eine schematische Darstellung des Brennstoffzellensystems;
3 eine schematische Darstellung des Brennstoffzellensystems; und
4 eine schematische Darstellung des Brennstoffzellensystems.
Das Brennstoffzellensystem der 1 umfasst einen Brennstoffzellenstapel 300 mit einem Anodenraum A und einem Kathodenraum K. Im rechten Bereich der 1 ist das Anodensubsystem gezeigt. Im linken Bereich der 1 ist das Kathodensubsystem gezeigt. Vereinfachend weggelassen worden ist der Kühlkreislauf.
Aus dem hier nicht dargestellten mindestens einen Druckbehälter des Druckbehältersystems wird Brennstoff, hier Wasserstoff (H₂), bereitgestellt, welcher über einen Druckminderer 211 und über einer Anodenzuleitung dem Anodenraum A des Brennstoffzellenstapels 300 zugeführt wird. Stromab des Anodenraums A ist das Anodenspülventil 232 angeordnet. Über den Rezirkulationförderer 236 und dem Ejektor 234 wird hier der Brennstoff rezirkuliert. Über das Ventil 238 und der Anodenspülleitung 239 wird das Anodenabgas aus dem Anodensubsystem ausgetragen. Der Oxidationsmittelförderer 410 saugt Oxidationsmittel, hier Luft, an und verdichtet diese. Dabei erwärmt sich in der Regel das Oxidationsmittel. Im normalen Betrieb des Brennstoffzellensystems nach der Aufwärmphase muss zumindest im oberen Lastbereich die Luft durch einen Wärmetauscher bzw. Ladeluftkühler 420 wieder gekühlt werden, bevor die Luft über die Kathodenzuleitung 415 in den Kathodenraum K einströmt. Nach der elektrochemischen Reaktion im Brennstoffzellenstapel 300 verlässt das Kathodenabgas den Brennstoffzellenstapel 300 durch die Kathodenabgasleitung 416. Der Brennstoffzellen-Bypass 452 verbindet die Kathodenzuleitung 415 mit der Kathodenabgasleitung 416 und überbrückt somit den Brennstoffzellenstapel 300. Im Brennstoffzellen-Bypass 452 kann ein Bypass-Ventil 460 vorgesehen sein, welches unter anderem den Oxidationsmittelstrom durch den Brennstoffzellen-Bypass 452 dergestalt geregelt, dass auch im unteren Lastbereich des Brennstoffzellensystems dem Brennstoffzellenstapel Oxidationsmittel mit den für den unteren Lastbereich erforderlichen Druck (z.B. mindestens 0,05 barü (= Überdruck gegenüber dem Atmosphärendruck)) zugeführt wird. In dem Brennstoffzellen-Bypass 452 ist ferner eine katalytische Heizvorrichtung 470 vorgesehen. Während der Aufwärmphase des Brennstoffzellensystems werden nun das Bypass-Ventil 460 und/oder das stromaufwärtige Zuleitungs-Druckhalteventil 430 derart angesteuert, dass mindestens ein Teil des Oxidationsmittelstroms durch den Brennstoffzellen-Bypass 452 strömt. Nicht dargestellt in 1 ist eine Versorgungsleitung, die Brennstoff zur Heizvorrichtung 470 fördert. Der Brennstoff und das Oxidationsmittel werden in der katalytischen Heizvorrichtung 470 umgesetzt, wobei Wärme entsteht. Diese Wärme überträgt die Heizvorrichtung 470 an den hier nicht dargestellten Kühlmittelkreislauf des Brennstoffzellensystems. Der Kühlmittelkreislauf gibt die von der Heizvorrichtung 170 aufgenommene Wärme an den Brennstoffzellenstapel 300 ab und erwärmt somit den Brennstoffzellenstapel 300.
Die 2 zeigt weitere Aspekte der hier offenbarten Technologie. Nachstehend werden nur die Unterschiede gegenüber der 1 näher erläutert. Für übereinstimmende Merkmale der 1 und 2 wird auf die Beschreibung der 1 verwiesen. Das Kathodensubsystem umfasst hier zwei Brennstoff-Bypässe 452, 454. Ein erster Brennstoffzellen-Bypass 454 zweigt stromab vom Oxidationsmittelförderer 410 und stromauf vom Ladeluftkühler 420 ab und mündet in die Kathodenabgasleitung 416. Im Brennstoffzellen-Bypass 454 ist die Heizvorrichtung 470 vorgesehen. Ein erstes Bypass-Ventil 472 verändert den Oxidationsmittelstrom durch diesen ersten Brennstoffzellen-Bypass 454. Parallel zu diesem ersten Brennstoffzellen-Bypass 454 ist ein zweiter Brennstoffzellen-Bypass 452 vorgesehen. Der zweite Brennstoffzellen-Bypass 452 zweigt stromab vom Ladeluftkühler 420 und stromauf vom Brennstoffzellenstapel 300 ab und mündet ebenfalls in die Kathodenabgasleitung 416. Der hier dargestellte erste Brennstoffzellen-Bypass 454 kann selektiv nur während der Aufwärmphase des Brennstoffzellensystems betrieben werden. Dieser erste Brennstoffzellen-Bypass 454 hat zweckmäßig also keine Auswirkung auf den zweiten Brennstoffzellen-Bypass 452. Somit sind vorteilhaft die Funktionen

1) „Bereitstellung von Oxidationsmittel für die Heizvorrichtung 470“ (erster Brennstoffzellen-Bypass) und
2) „Bereitstellung eines Oxidationsmittel-Bypasses für den notwendigen Druckaufbau in der Kathode bei geringen Volumenströmen“ (zweiter Brennstoff Bypass)

452

1

Die 3 zeigt weitere Aspekte der hier offenbarten Technologie. Nachstehend werden nur die Unterschiede gegenüber der 2 näher erläutert. Der erste Brennstoffzellen-Bypass 454 mündet hier nicht direkt in der Kathodenabgasleitung 416. Stattdessen mündet der erste Brennstoffzellen-Bypass 454 hier stromauf vom Bypass-Ventil 460 vom zweiten Brennstoffzellen-Bypass 452. Durch eine entsprechende Regelung bzw. Ansteuerung von Bypass-Ventil 460 und stromaufwärtigen Druckhalteventil 430 kann hier das Abgas der Heizvorrichtung 470 stromauf vom Brennstoffzellenstapel dem Brennstoffzellenstapel und/oder der Kathodenabgasleitung 416 zugeführt werden. Besonders bevorzugt erfasst ein nicht dargestelltes Steuergerät den (mittleren) Feuchtegehalt der Membran(en) und teilt das Abgas der Heizvorrichtung 470 so auf die Kathodenzuleitung und die Kathodenableitung auf, dass der Feuchtegehalt nicht über einen Feuchtegehalt-Grenzwert ansteigt. Somit kann eine möglichst schnelle Aufwärmung erzielt werden, ohne dass gleichzeitig die mindestens eine Membran des Brennstoffzellensystems degradiert.
Die 4 zeigt weitere Aspekte der hier offenbarten Technologie. Nachstehend werden nur die Unterschiede gegenüber der 2 näher erläutert. Der Brennstoffzellen-Bypass 452 der 4 ist genauso ausgeführt wie der zweite Brennstoffzellen-Bypass 452 der 2 und übernimmt auch dieselben Aufgaben. Abweichend von der Ausgestaltung gemäß der 2 ist hier nicht der erste Brennstoffzellen-Bypass 154 vorgesehen. Vielmehr ist hier die Heizvorrichtung 470 in den Mischbereich 480 integriert. Im Mischbereich 480 treffen

– das Anodenabgas aus der Anodenzuleitung 239,
– der Bypass-Oxidationsmittelstrom aus dem Brennstoffzellen-Bypass 452, und
– das Kathodenabgas aus den Kathodenraum K

In den hier beschriebenen Ausgestaltungen der hier offenbarten Technologie sind in verschiedenen Leitungsabschnitten Ventile vorgesehen. Diese Ventile können jede geeignete Ausgestaltung aufweisen. Ferner können zwei oder mehr Ventile auch zu einem Ventil zusammengefasst sein.
Die vorhergehende Beschreibung der vorliegenden Erfindung dient nur zu illustrativen Zwecken und nicht zum Zwecke der Beschränkung der Erfindung. Im Rahmen der Erfindung sind verschiedene Änderungen und Modifikationen möglich, ohne den Umfang der Erfindung sowie ihrer Äquivalente zu verlassen.
Bezugszeichenliste

211: Druckminderer
215: Anodenzuleitung
216: Anodenabgasleitung
232: Anodenspülventil
234: Ejektor
236: Rezirkulationsförderer
238: Ablassventil
239: Anodenspülleitung
300: Brennstoffzellenstapel
410: Oxidationsmittelförderer
415: Kathodenzuleitung
420: Wärmetauscher
430: Zuleitungs-Druckhalteventil
440: Abgas-Druckhalteventil
416: Kathodenabgasleitung
452: Brennstoffzellen-Bypass
454: erster Brennstoffzellen-Bypass
452: zweiter Brennstoffzellen-Bypass
460: Bypass-Ventil
472: Bypass-Ventil erster Brennstoffzellen-Bypass
470: Heizvorrichtung
A: Anodenraum
K: Kathodenraum

Claims

Brennstoffzellensystem für ein Kraftfahrzeug mit einem Kühlkreislauf und einem Oxidationsmittelförderer (410); wobei der Oxidationsmittelförderer (410) eingerichtet ist, das Oxidationsmittel für den Betrieb von mindestens einer Brennstoffzelle zu einem Brennstoffzellenstapel (300) zu fördern; wobei der Kühlkreislauf eingerichtet ist, den Brennstoffzellenstapel (300) des Brennstoffzellensystems zu temperieren; wobei der Kühlkreislauf mindestens eine katalytische Heizvorrichtung (470) umfasst; wobei der Oxidationsmittelförderer (410) eingerichtet ist, der mindestens einen Heizvorrichtung Oxidationsmittel bereitzustellen.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei die Heizvorrichtung (470) in einem Brennstoffzellen-Bypass (452, 454) eines Kathodensubsystems des Brennstoffzellensystems angeordnet ist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 2, wobei das Brennstoffzellensystem mindestens zwei Brennstoffzellen-Bypässe (452, 454) umfasst, wobei ein Brennstoffzellen-Bypass (454) der Brennstoffzellen-Bypässe (452, 454) die Heizvorrichtung (470) aufweist, und wobei der andere Brennstoffzellen-Bypass (452) der Brennstoffzellen-Bypässe (452, 454, 256) keine Heizvorrichtung (470) aufweist.
Brennstoffzellensystem nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei stromauf vom Brennstoffzellenstapel (300) ein Wärmetauscher (420) vorgesehen ist, wobei der Wärmetauscher (420) ausgebildet ist, das vom Oxidationsmittelförderer (410) verdichtete Oxidationsmittel zu temperieren, wobei stromauf vom Wärmetauscher (420) und stromab vom Oxidationsmittelförderer (410) ein Brennstoffzellen-Bypass (454) abzweigt, in dem die Heizvorrichtung (470) angeordnet ist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 4, wobei ein Ausgang der Heizvorrichtung (470) mit einer Kathodenzuleitung (415) und/oder mit einer Kathodenabgasleitung (416) fluidverbindbar ist.
Brennstoffzellensystem nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Brennstoff für die Heizvorrichtung von einer Anodenspülleitung (239) des Brennstoffzellensystems bereitgestellt wird.
Brennstoffzellensystem nach einem der vorherigen Ansprüche 1 bis 5, wobei die Heizvorrichtung (470) den Mischbereich ausbildet, in dem Kathodenabgas, Anodenabgas und der Oxidationsmittelstrom des Brennstoffzellen-Bypass (452, 454, 456) münden
Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems, wobei während einer Aufwärmphase des Brennstoffzellensystems ein Oxidationsmittelförderer (410) Oxidationsmittel zu einer katalytische Heizvorrichtung (470) fördert, und wobei der Oxidationsmittelförderer (410) zumindest nach der Aufwärmphase Oxidationsmittel zu mindestens einer Brennstoffzelle fördert.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei das Oxidationsmittel durch einen Brennstoffzellen-Bypass (452, 454) eines Kathodensubsystems der Heizvorrichtung (470) zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei der Brennstoffzellen-Bypass (452, 454) und die Heizvorrichtung (470) ausschließlich während der Aufwärmphase von Oxidationsmittel durchströmt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei ein Brennstoffzellen-Bypass (454) stromauf von einem in einer Kathodenzuleitung angeordneten Wärmetauscher und stromab vom Oxidationsmittelförderer abzweigt, und wobei zumindest ein Teil des Oxidationsmittelstroms durch diesen Brennstoffzellen-Bypass zur Heizvorrichtung (470) strömt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 11, wobei der Feuchtegehalt von mindestens einem ionenpermeablen Separator des Brennstoffzellenstapels erfasst wird, wobei mehr Heizvorrichtungsabgas der Kathodenzuleitung als der Kathodenabgasleitung zugeführt wird, wenn der Feuchtegehalt des ionenpermeablen Separators oberhalb von einem Feuchtegehalt-Grenzwert liegt, und wobei mehr Heizvorrichtungsabgas der Kathodenabgasleitung als der Kathodenzuleitung zugeführt wird, wenn der Feuchtegehalt des ionenpermeablen Separators unterhalb vom Feuchtegehalt-Grenzwert liegt.