DE102017000802A1 - Vorrichtung zur Erwärmung von Wasserstoff - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erwärmung von zu einer Brennstoffzelle (3) strömendem Wasserstoff in einem elektrischen Antriebssystem mit wenigstens einer Brennstoffzelle (3) und wenigstens einer elektrisch Energiespeichereinrichtung (16). Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass, der zu erwärmende Wasserstoff einen mit der elektrischen Energiespeichereinrichtung (16) in direktem wärmeleitenden Kontakt stehenden Kühlwärmetauscher (17) durchströmt.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erwärmung von zu einer Brennstoffzelle strömendem Wasserstoff in einem elektrischen Antriebssystem mit wenigstens einer Brennstoffzelle und wenigstens einer elektrischen Energiespeichereinrichtung.
  • Elektrische Antriebssysteme, welche eine Brennstoffzelle als Quelle für die elektrische Leistung nutzen, sind im Allgemeinen so aufgebaut, dass sie neben der Brennstoffzelle eine elektrische Energiespeichereinrichtung mit umfassen. Diese elektrische Energiespeichereinrichtung kann beispielsweise eine Batterie, insbesondere eine Lithium-Ionen-Batterie, oder eine Speichervorrichtung in Form von sogenannten Superkondensatoren oder Ultra-Caps sein. Auch eine Kombination aus Batteriezellen und Kondensatoren ist prinzipiell denkbar.
  • In der Praxis ist es nun so, dass eine elektrische Energiespeichereinrichtung beim Speichern und Freigeben von elektrischer Energie immer eine gewisse Abwärme erzeugt, welche über eine Kühlvorrichtung abgeführt werden muss, um die elektrische Energiespeichereinrichtung in ihrem gewünschten Temperaturfenster für den Betrieb zu halten. Ferner ist es in der Praxis so, dass Wasserstoff, welcher in Druckgasbehältern, beispielsweise bei einem Nenndruck von 70 MPa gespeichert ist, zur Verwendung in der Brennstoffzelle zuvor entspannt werden muss. Der Wasserstoff kühlt sich dann sehr stark ab. Insbesondere wenn der Wasserstoff zusammen mit einem feuchten rezirkulierten Abgas der Brennstoffzelle zugeführt wird, kann diese starke Abkühlung zu einer Auskondensation von Flüssigkeit in dem feuchten Abgas führen. Flüssige Tröpfchen können dann die Gasführungskanäle innerhalb der Brennstoffzelle blockieren. Aus diesem Grund ist es notwendig, den Wasserstoff nach der Druckreduktion, und bevor dieser in die Brennstoffzelle strömt, entsprechend zu erwärmen.
  • Die DE 10 2012 018 107 A1 schlägt zu diesem Zweck eine Vorrichtung zum Erwärmen von Wasserstoff vor. Diese besteht aus einer speziellen Vorrichtung, welche die elektrisch nicht leitenden Leitungen eines Kühlkreislaufs eines Brennstoffzellensystems hinsichtlich der Übertragung von thermischer Leistung effizient mit einer Wasserstoffzuleitung verbindet. Gleichzeitig soll durch den Aufbau die elektrische Isolation des Kühlkreislaufs weitgehend aufrechterhalten werden.
  • Aus der DE 10 2010 011 556 A1 ist die Thematik des Vorwärmens bzw. Aufwärmens von Wasserstoff, welcher zu einer Brennstoffzelle strömt, ebenfalls bekannt. Auch hier wird unter anderem vorgeschlagen, dies über einen Wärmetauscher zwischen dem Wasserstoff nach dem Druckminderer und einem Kühlkreislauf der Brennstoffzelle zu erreichen. Darüber hinaus wird vorgeschlagen, den Wasserstoff mit Abwärme produzierenden Komponenten in Verbindung zu bringen. Diese können beispielsweise leistungselektronische Bauteile oder elektrische Motoren sein.
  • Letztlich beschreibt außerdem die DE 600 18 321 T2 eine Vorrichtung zur thermischen Regelung einer Antriebskette eines Kraftfahrzeugs. Der Wasserstoff steht hier über ein Kühlmedium mit einer Batterie in wärmeleitendem Kontakt, wobei das Kühlmedium zusätzlich zu dem Wärmetauscher zur Erwärmung des Wasserstoffs einen herkömmlichen Wärmetauscher zur Abfuhr von weiterer Wärme an die Umgebung aufweist. Die Besonderheit in dieser Schrift liegt nun darin, dass die Erwärmung von kryogenem Wasserstoff, also bei Temperaturen von -250° C verflüssigtem Wasserstoff, erfolgt. Der Aufbau dient hier also nicht der Erwärmung des bei der Expansion abgekühlten Wasserstoffs, sondern zum Verdampfen des flüssigen gespeicherten Wasserstoffs in dem dortigen Brennstoffzellensystem.
  • Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, eine Vorrichtung zur Erwärmung von zu einer Brennstoffzelle strömendem Wasserstoff nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art gegenüber dem Stand der Technik weiter zu verbessern.
  • Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen im Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen.
  • Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Erwärmung von zu einer Brennstoffzelle strömendem Wasserstoff ist es vorgesehen, dass der zu erwärmende Wasserstoff ein mit der elektrischen Energiespeichereinrichtung in direktem wärmeleitenden Kontakt stehenden Kühlwärmetauscher der Energiespeichereinrichtung durchströmt. Die elektrische Energiespeichereinrichtung, welche beispielsweise als Stapel von Batterieeinzelzellen ausgeführt sein kann, weist typischerweise einen Wärmetauscher zur Abfuhr der Abwärme auf. Dieser Wärmetauscher kann beispielsweise in Form von eingelassenen Kanälen zwischen den aufeinandergestapelten Batterieeinzelzellen bestehen. Ein weiterer allgemein bekannter und üblicher Aufbau besteht aus metallischen Wärmeleitelementen zwischen den aufgestapelten Einzelzellen. Auf einer oder zwei Seiten in Stapelrichtung sind diese Wärmeleitelemente dann mit einem Kühlwärmetauscher verbunden, welcher beispielsweise als plattenförmiges Bauteil ausgeführt ist. Anstelle von Wärmeleitelementen zur Wärmeabfuhr kann auch eine wärmeleitende aber elektrisch isolierende Anbindung einer solchen Platte an die Batteriepole der Batterieeinzelzellen vorgenommen werden. Ein solcher Kühlwärmetauscher der elektrischen Energiespeichereinrichtung wird nun direkt und unmittelbar von dem zu erwärmenden Wasserstoff durchströmt. Diese direkte und unmittelbare Durchströmung stellt eine sehr gute Kühlung der Batterie bei gleichzeitig sehr guter Erwärmung des Wasserstoffs sicher. Außerdem kann auf zusätzliche Schnittstellen verzichtet werden, wie sie beispielsweise beim Einsatz von Wärmetauschern zwischen einem Kühlmedium und dem Wasserstoff notwendig wären. Insbesondere bei der Verwendung von Wasserstoff stellt dies aufgrund der sehr schwierig abzudichtenden Schnittstellen einen nicht unerheblichen Vorteil dar. Auch bei der Verwendung der Vorrichtung in einem Fahrzeug ist dies von Vorteil, da der Aufbau sehr viel kleiner, leichter und kompakter realisiert werden kann, als wenn ein dazwischenliegender Kreislauf mit einem Kühlmedium, einer Fördereinrichtung für das Kühlmedium und ähnlichem notwendig wäre.
  • Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann es ferner vorgesehen sein, dass der Kühlwärmetauscher der elektrischen Energiespeichereinrichtung von einem zusätzlichen Kühlmedium durchströmt ist. Der Kühlwärmetauscher kann beispielsweise so aufgebaut werden, dass er sowohl von dem zu erwärmenden Wasserstoff als auch von einem weiteren Kühlmedium durchströmt wird. Er wäre dann beispielsweise als Platte mit zwei unabhängig voneinander ausgeführten in die Platte eingebrachten Fluidkanälen realisiert. Falls die Abkühlung durch den Wasserstoff in bestimmten Betriebssituationen nicht ausreicht, beispielsweise weil wenig Wasserstoff zum Betrieb der Brennstoffzelle benötigt wird, gleichzeitig aber eine hohe elektrische Leistung in die Batterie geladen oder aus der Batterie entladen wird, dann kann über die herkömmliche Kühlung über ein Kühlmedium, beispielsweise ein über eine Klimaanlage eines Fahrzeugs abgekühltes Kühlmedium, die Funktionalität der Batterie dennoch sichergestellt werden.
  • Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergeben sich aus den restlichen abhängen Unteransprüchen und werden anhand des Ausführungsbeispiels deutlich, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher dargestellt ist.
  • Dabei zeigen:
    • 1 ein prinzipmäßig angedeutetes Fahrzeug mit einem Brennstoffzellensystem und einer erfindungsgemäßen Vorrichtung; und
    • 2 die erfindungsgemäße Vorrichtung in einer alternativen Ausführungsform.
  • In der Darstellung der 1 ist sehr stark schematisiert ein Fahrzeug 1 angedeutet. Es soll über ein elektrisches Antriebssystem mit einem hier nicht dargestellten elektrischen Antriebsmotor verfügen. Die elektrische Leistung für den elektrischen Antriebsmotor wird dabei über ein Brennstoffzellensystem 2 zur Verfügung gestellt. Das Brennstoffzellensystem 2 weist eine Brennstoffzelle 3 als eine der Kernkomponenten auf. Diese Brennstoffzelle 3 kann insbesondere in PEM-Technologie ausgeführt sein. Sie ist dann als Stapel von Einzelzellen aufgebaut, und wird auch als Brennstoffzellenstapel oder Brennstoffzellenstack bezeichnet. Innerhalb der angedeuteten Brennstoffzelle 3 ist ein Kathodenraum 4 sowie ein von protonenleitenden Membranen von diesem getrennter Anodenraum 5 angedeutet. Dem Anodenraum 5 wird Wasserstoff aus einem Druckgasspeicher 6 zugeführt. Der Wasserstoff wird in diesem Druckgasspeicher 6 bei einem Nenndruck von typischerweise 70 MPa gespeichert. Er strömt über eine Druckregel- und Dosiereinheit 7 zu einer Gasstrahlpumpe 8 und über diese in den Anodenraum 5 der Brennstoffzelle. Nicht verbrauchter Wasserstoff gelangt zusammen mit einem Teil des Produktwassers und inerten Gasen, welche sich mit der Zeit aus dem gespeicherten Wasserstoff anreichern und/oder durch die Membranen vom Kathodenraum 4 in den Anodenraum 5 diffundieren über eine Rezirkulationsleitung 9 zurück zur Gasstrahlpumpe 8. Dieses rezirkulierte Abgas wird von der Gasstrahlpumpe 8 mit dem frischen Wasserstoff als Treibgasstrom erneut angesaugt und so wieder dem Anodenraum 5 zugeführt. Dieser Aufbau ist dem Fachmann an sich bekannt und wird als Anodenkreislauf bezeichnet. In der Rezirkulationsleitung 9 ist dabei ein Wasserabscheider 10 vorgesehen. Über eine Abgasleitung 11 mit einem Ventil 12 kann angesammeltes Wasser und überschüssiges Gas, wenn der Anteil an Inertgas in dem Anodenkreislauf zu hoch wird, abgelassen werden. Dieses Gas gelangt dann vermischt mit der Abluft aus dem Kathodenraum 4 über eine Abluftleitung 14 in die Umgebung. Dieser Aufbau mit einem Anodenkreislauf ist dabei rein beispielhaft zu verstehen. Anstelle der Gasstrahlpumpe 8 könnte auch ein Rezirkulationsgebläse vorgesehen sein. Das Brennstoffzellensystem 2 könnte auch ohne einen solchen Anodenkreislauf ausgeführt sein, sodass die verbleibenden Reste an Wasserstoff, beispielsweise verdünnt mit der Abluft, in die Umgebung abströmen oder in einem Brenner nachverbrannt werden. Dem Kathodenraum 4 wird Luft über eine Luftfördereinrichtung 13 zugeführt. Die Abluft in der Abluftleitung 14 könnte prinzipiell noch über eine Abluftturbine strömen. Auch dies ist dem Fachmann bekannt und ist für die hier vorliegende Erfindung von untergeordneter Bedeutung. Auf eine detaillierte Darstellung wurde daher verzichtet.
  • Die Brennstoffzelle 3 ist elektrisch über die angedeuteten elektrischen Leitungen mit einer Leistungselektronik 15 verbunden. Von dieser Leistungselektronik 15 aus wird der bereits angesprochene aber hier nicht dargestellte elektrische Antriebsmotor des Fahrzeugs 1 mit Leistung versorgt. Mit der Leistungselektronik 15 ist außerdem eine elektrische Energiespeichereinrichtung 16 gekoppelt, beispielsweise eine Batterie, Hochleistungskondensatoren oder eine Kombination hiervon. Die elektrische Energiespeichereinrichtung 16 soll zur Vereinfachung des Sachverhalts nachfolgend als Batterie 16 beschrieben werden, ohne dass ihr Aufbau zwingend auf den Aufbau einer Batterie 16 eingeschränkt ist.
  • In der Praxis ist es nun so, dass der Wasserstoff in dem Druckgasspeicher 6 bei einem Nenndruck von 70 MPa vorliegt. In der Praxis treten hier also Drücke auf, welche typischerweise zwischen ca. 10 MPa und 100 MPa schwanken, je nach Temperatur und Füllstand des Druckgasspeichers 6. Von diesem Druckniveau aus wird beispielsweise in der hier angedeuteten Druckregel- und Dosiereinheit 7 der Druck des Wasserstoffs auf den Betriebsdruck für die Brennstoffzelle 3 bzw., sofern vorhanden, die Gasstrahlpumpe 8 entspannt. Der Druck beim Einsatz einer Gasstrahlpumpe wird typischerweise in der Größenordnung von 1 bis 2 MPa liegen, wird auf eine solche verzichtet, liegt der Druck in der Größenordnung von ca. 0,1 bis 0,4 MPa. Bei dieser Entspannung des Wasserstoffs in der Druckregel- und Dosiereinheit 7 kühlt sich der Wasserstoff nun ab. Da in der Brennstoffzelle 3 Produktwasser im Form von Wasserdampf vorhanden ist, da dieses Wasser durch die Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff in der Brennstoffzelle entsteht, ist typischerweise in den Leitungen, zumindest in Strömungsrichtung nach dem Kathodenraum 4 und dem Anodenraum 5 Wasserdampf in den strömenden Gasgemischen enthalten. Insbesondere bei dem hier gezeigten Aufbau mit einer Rezirkulationsleitung 9 führt dies nun dazu, dass diese Feuchtigkeit auskondensieren würde, wenn der bei der Entspannung in der Druckregel- und Dosiereinheit 7 sehr stark abgekühlte Wasserstoff mit dem rezirkulierten feuchten Abgas zusammentrifft. Dies würde die Funktionalität der Brennstoffzelle beeinträchtigen, da Flüssigkeitströpfchen im Bereich des Anodenraums 5 für ein Verstopfen der gasführenden Kanäle sorgen, was die Performance der Brennstoffzelle 3 beeinträchtigt. Dies gilt im Wesentlichen auch dann, wenn kein Anodenkreislauf vorhanden ist. Da die Brennstoffzelle selbst eine Betriebstemperatur von beispielsweise 90° C aufweist, liegt bei den entsprechenden Druckverhältnissen auch hier ein Teil des Wassers dampfförmig vor. Strömt nun der abgekühlte Wasserstoff nach der Druckregel- und Dosiereinheit 7 direkt in die Brennstoffzelle 3 ein, kommt es auch hierzu einer Auskondensation von Wasser.
  • Der Stand der Technik kennt daher Wärmetauscher zwischen dem Kühlkreislauf der Brennstoffzelle 3 und dem Wasserstoff zwischen der Druckregel- und Dosiereinheit 7 und dem Anodenraum 5 der Brennstoffzelle 3, um den nach der Entspannung abgekühlten Wasserstoff wieder zu erwärmen. Dieser Aufbau ist außerordentlich komplex hinsichtlich der Leitungsführung und der Abdichtung. Bei dem hier gezeigten Aufbau ist es daher vorgesehen, dass der Wasserstoff die Batterie 16 bzw. einen Kühlwärmetauscher der Batterie 16 direkt durchströmt. In der beispielhaften Darstellung der 1 ist die Batterie 16 daher in den Strömungspfad des entspannten Wasserstoffs zwischen der Druckregel- und Dosiereinheit 7 und der Gasstrahlpumpe 8 integriert.
  • In der Batterie 16 entsteht sowohl beim Laden als auch beim Entladen Abwärme, welche zur Erwärmung des Wasserstoffs ideal genutzt werden kann. Insbesondere wird dadurch ein Kühlsystem für die Brennstoffzelle 3 selbst nicht unnötig mit der Abwärme der Batterie 16 belastet, was einen weiteren Vorteil darstellt.
  • In der Darstellung der 2 ist ein konkretisierter und alternativer Aufbau zu erkennen. Auch hier ist der Druckgasspeicher 6 und die Druckregel- und Dosiereinheit 7 entsprechend angedeutet. Der Wasserstoff strömt dann durch einen hier explizit gezeigten Kühlwärmetauscher 17 der Batterie 16. Die Batterie 16 selbst kann beispielsweise als Stapel von rechteckigen kastenförmigen Lithium-Ionen-Zellen aufgebaut sein. Diese Lithium-Ionen-Zellen, welche auch als sogenannte Pouch-Zellen in beutelartigen Hüllen eingeschweißt und zwischen Rahmen verklemmt sein können, weisen typischerweise auf einer Seite des Stapels eine metallische Platte als Kühlwärmetauscher 17 auf. Diese steht beispielsweise über zwischengelegte Wärmeleitbleche oder die Pole der Batteriezellen selbst in wärmeleitender Verbindung mit dem Inneren der Batteriezellen und ist daher geeignet, die Abwärme der Batterie 16 abzuführen. Dieser Aufbau soll in der Darstellung der 2 beispielhaft angedeutet sein. Der zu erwärmende Wasserstoff, welcher gleichzeitig Abwärme der Batterie 16 aufnimmt, strömt also nach der Druckregel- und Dosiereinheit 7 durch den Kühlwärmetauscher 17 der Batterie 16 und strömt dann in den Anodenraum 5 der Brennstoffzelle 3, hier beispielhaft ohne eine zwischengeschaltete Gasstrahlpumpe 8, wie im zuvor genannten Ausführungsbeispiel.
  • Um auch in Situationen - wie beispielsweise einer längeren Bergabfahrt des Fahrzeugs 1 -, in denen eine große Menge an Abwärme in der Batterie 16 entsteht, und in denen nur eine geringe Menge an Wasserstoff benötigt wird, eine ausreichende Kühlung der Batterie 16 sicherzustellen, sind in dem Kühlwärmetauscher 17 parallel zu den vom zu erwärmenden Wasserstoff durchströmten Kanälen mit diesen nicht verbundene Kanäle für ein Kühlmedium angeordnet. Der Kühlwärmetauscher 17 ist also mehrgängig. Das Kühlmedium zur Kühlung der Batterie 16 kann beispielsweise in dem hier angedeuteten Kühlkreislauf 18 strömen, welcher neben dem Kühlwärmetauscher 17 für die Batterie 16 einen Kühler 19 zur Abfuhr von Abwärme an die Umgebung sowie eine Kühlmittelfördereinrichtung 20 aufweist. Anstelle eines solchen Kühlkreislaufs 18 wäre hier auch ein Klimakreislauf denkbar, bei welchem die Abkühlung der Batterie 16 über ihren Kühlwärmetauscher 17 mittels eines Klimamittels erfolgt, beispielsweise durch eine Anbindung an eine Klimaanlage des Fahrzeugs 1.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102012018107 A1 [0004]
    • DE 102010011556 A1 [0005]
    • DE 60018321 T2 [0006]

Claims (6)

  1. Vorrichtung zur Erwärmung von zu einer Brennstoffzelle (3) strömendem Wasserstoff in einem elektrischen Antriebssystem mit wenigstens einer Brennstoffzelle (3) und wenigstens einer elektrisch Energiespeichereinrichtung (16), dadurch gekennzeichnet, dass, der zu erwärmende Wasserstoff einen mit der elektrischen Energiespeichereinrichtung (16) in direktem wärmeleitenden Kontakt stehenden Kühlwärmetauscher (17) durchströmt.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlwärmetauscher (17) der elektrischen Energiespeichereinrichtung (16) von einem zusätzlichen Kühlmedium durchströmt ist.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Energiespeichereinrichtung (16) als Batterie mit einer Vielzahl von Batterieeinzelzellen ausgebildet ist.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlwärmetauscher (17) als Kühlplatte ausgebildet ist, welcher mit jeder der Batterieeinzelzellen in zumindest mittelbar wärmeleitendem Kontakt steht.
  5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Druckgasspeicher (6) für den Wasserstoff über einen Druckregler (7) mit dem Kühlwärmetauscher (17) der elektrischen Energiespeichereinrichtung (16) verbunden ist.
  6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Antriebssystem zur Bereitstellung von elektrischer Antriebsleistung für ein Fahrzeug ausgebildet ist.
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