DE102020117997A1

DE102020117997A1 - Brennstoffzelleneinheit, Temperiermodul und Bausatz für eine Brennstoffzelleneinheit zur Erzeugung elektrischer Energie sowie Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzelleneinheit

Info

Publication number: DE102020117997A1
Application number: DE102020117997.9A
Authority: DE
Inventors: Marc Philipp Linder; Inga Bürger; Christoph Weckerle; Jörg Dieter Weigl
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2020-07-08
Filing date: 2020-07-08
Publication date: 2022-01-13

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzelleneinheit (1) zur Erzeugung elektrischer Energie aus einem Energieträger, insbesondere Wasserstoff, mit einem Brennstoffzellenmodul (30) umfassend zumindest einen Brennstoffzellenstapel, zumindest einem Gasfördermodul (10) zur Förderung eines Luftstroms in das und/oder aus dem Brennstoffzellenmodul (30) oder in ein und/oder aus einem das Brennstoffzellenmodul (30) kühlendes/kühlenden Kühlmodul (60) und einem Fluidleitsystem (90) mit Leitungsmitteln und/oder Ventilmitteln zur Leitung des Energieträgers von einer anschließbaren bzw. angeschlossenen Energieträgerquelle in das Brennstoffzellenmodul (30). Eine effiziente Einsatzfähigkeit auch bei extremen Betriebstemperaturen wird dadurch gewährleistet, dass die Brennstoffzelleneinheit (1) zumindest ein Temperiermodul (20, 40) umfasst, welches zur Temperierung, mit Kühlung oder Erwärmung, des in das Brennstoffzellenmodul (30) oder das Kühlmodul (60) einströmenden Luftstro-mes angeordnet und ausgebildet ist und/oder zur umgekehrten Temperierung, mit Erwärmung oder Kühlung, des aus dem Brennstoffzellenmodul (30) oder dem Kühlmodul (60) ausströmenden Luftstromes angeordnet und ausgebildet ist

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzelleneinheit zur Erzeugung elektrischer Energie aus einem Energieträger, insbesondere Wasserstoff, mit einem Brennstoffzellenmodul umfassend zumindest einen Brennstoffzellenstapel, zumindest einem Gasfördermodul zur Förderung eines Luftstroms in das und/oder aus dem Brennstoffzellenmodul oder in ein und/oder aus einem das Brennstoffzellenmodul kühlendes/kühlenden Kühlmodul und ein Fluidleitsystem mit Leitungsmitteln und/oder Ventilmitteln zur Leitung des Energieträgers von einer anschließbaren bzw. angeschlossenen Energieträgerquelle in das Brennstoffzellenmodul.
Die Effizienz und/oder Einsatzfähigkeit insbesondere lufttemperierter Brennstoffzellen zur Stromerzeugung ist abhängig von der Umgebung der Brennstoffzelle. So wird beispielsweise der Betrieb lufttemperierter Brennstoffzellen ab Umgebungstemperaturen, die die Betriebstemperatur (z. B. 60 °C) der Brennstoffzelle übersteigen, eingestellt, da eine ausreichende Kühlung nicht mehr gewährleistet werden kann und Degradationseffekte auftreten könnten. Auch extrem geringe Umgebungstemperaturen, z. B. weit unter dem Gefrierpunkt, können sich negativ auf den Betrieb der Brennstoffzelle auswirken.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Brennstoffzelleneinheit der eingangs genannten Art bereitzustellen, dessen effiziente Einsatzfähigkeit auch bei extremen Umgebungstemperaturen gewährleistet ist, sowie ein entsprechendes Temperiermodul, einen Bausatz und ein Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzelleneinheit.
Die Aufgabe wird für die Brennstoffzelleneinheit mit den Merkmalen des Anspruchs 1, für das Temperiermodul mit den Merkmalen des Anspruchs 19, für den Bausatz mit den Merkmalen des Anspruchs 20 und für das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 21 gelöst.
Bezüglich der Brennstoffzelleneinheit ist vorgesehen, dass die Brennstoffzelleneinheit zumindest einen Temperierraum umfasst, welcher zur Temperierung, mit Kühlung oder Erwärmung, des in das Brennstoffzellenmodul oder das Kühlmodul einströmenden Luftstromes angeordnet und ausgebildet ist und/oder zur umgekehrten Temperierung, mit Erwärmung oder Kühlung, des aus dem Brennstoffzellenmodul oder dem Kühlmodul ausströmenden Luftstromes angeordnet und ausgebildet ist. Insbesondere kann der Luftstrom zur Kühlung der Brennstoffzelle auf eine Temperatur von z. B. mehr als 5 K oder 10 K unterhalb der Betriebstemperatur des Brennstoffzellenmoduls und/oder, falls vorhanden, des Kühlmoduls, gekühlt werden, um einen nennenswerten Wärmeübergang zwischen dem Brennstoffzellenstapel bzw. dem Kühlmodul und dem Luftstrom als Wärmeträger zu erzielen, bzw. bis zu der Betriebstemperatur erwärmt werden. Der Luftstrom kann als Temperierluft (Kühlluft oder Warmluft) und/oder Prozessluft innerhalb des Brennstoffzellenmoduls dienen.
Ein besonders flexibler und/oder effizienter Betrieb z. B. mit einer Anordnung der Temperiermodule beidseitig des Brennstoffzellenstapels ist erreichbar, wenn zumindest zwei Temperierräume vorhanden sind, die eine Temperieranordnung zur Erzeugung von Wärme und/oder Kälte bilden.
Dabei ist es für eine einfache und vorteilhafte Montage und Integration der Temperierräume in die Brennstoffzelleneinheit besonders vorteilhaft, wenn die Temperierräume jeweils in (getrennten) Temperiermodulen oder in einem gemeinsamen Temperiermodul angeordnet sind.
In einer besonders bevorzugten Ausbildungsvariante umfasst der erste Temperierraum ein erstes Reaktionsmaterial zur Bildung eines thermochemischen Gas-Feststoff-Reaktionssystems mit dem Energieträger (unter Stoffumwandlung), und umfasst der zweite Temperierraum ein zweites Reaktionsmaterial zur Bildung eines thermochemischen Gas-Feststoff-Reaktionssystems mit dem Energieträger. Diese Ausbildung der Temperiermodule ermöglicht eine äußerst effiziente Temperierung des Luftstroms zur Kühlung bzw. Erwärmung des Brennstoffzellenstapels mit einem einfach integrierbaren Aufbau, wobei vorzugsweise das Brennstoffzellenmodul (bzgl. der Luftströmungsführung) zwischen den Temperierräumen bzw. -modulen angeordnet ist.
Das Reaktionsmaterial liegt insbesondere als Feststoff in einer Form vor, die für den Stofftransport des Arbeitsfluids in das Reaktionsmaterial geeignet ist, beispielsweise als Schüttgut, insbesondere Pulver, und/oder (z. B. poröse/r) Presskörper. Vorzugsweise umfassen die Temperierräume jeweils das gleiche Reaktionsmaterial gleicher Menge, um insbesondere im zyklischen Betrieb eine gleiche Be- und Entladezeit mit/von dem Energieträger zu erreichen. Mit Wasserstoff (H₂) als Energieträger eignen sich beispielsweise Metallhydride (mit Wasserstoff beladener Zustand) bzw. ein Metall (von Wasserstoff entladener Zustand) als Reaktionsmaterial.
Zweckmäßigerweise ist mittels der Temperieranordnung kontinuierlich Wärme und/oder Kälte erzeugbar, wobei in einem ersten Halbzyklus in dem ersten Temperierraum (bzw. Temperiermodul) in einem Absorptionsbetrieb unter Aufnahme von Energieträger in das Reaktionsmaterial Wärme freisetzbar ist und in dem zweiten Temperierraum (bzw. Temperiermodul) in einem Desorptionsbetrieb unter Abgabe von Energieträger aus dem Reaktionsmaterial (unter Wärmeaufnahme) Kälte freisetzbar ist, wobei nach einer Halbzykluszeit in einen zweiten Halbzyklus wechselbar ist, wobei der Absorptionsbetrieb in dem zweiten Temperierraum und der Desorptionsbetrieb in dem ersten Temperierraum abläuft. Das Prinzip ist in der Veröffentlichung „Linder M, Kulenovic R, An energy-efficient air-conditioning system for hydrogen driven cars, Int. J Hydrogen Energy 2011, 36: 3215-3221" angegeben. Zu diesem Zweck ist das Fluidleitsystem entsprechend ausgebildet, insbesondere ist der Strömungsweg des Energieträgers bei dem Wechsel zwischen dem ersten und dem zweiten Halbzyklus mittels der Ventilmittel entsprechend umschaltbar. Die Umschaltung kann zweckmäßigerweise nach vollständiger Beladung bzw. Entladung des Reaktionsmaterials in zumindest einem der Temperierräume erfolgen. Die Halbzykluszeit beträgt beispielsweise zwischen 30 Sekunden und 30 Minuten, insbesondere zwischen 1 Minute und 15 Minuten, und ist unter anderem abhängig von der Speicherkapazität (Art und Menge an Reaktionsmaterial) innerhalb des bzw. der Temperierräume und der Temperierleistung (Mengenstrom an Energieträger). Durch diesen Wechselbetrieb erfolgt neben der Temperierung, d. h. Kühlung oder Erwärmung, des in das Brennstoffzellenmodul eintretenden Luftstroms mittels eines der Temperiermodule bzw. Temperierräume zugleich die umgekehrte Temperierung des austretenden Luftstroms unter Regeneration (Wiederherstellung der Betriebsbereitschaft) des zweiten Temperiermoduls bzw. Temperierraums. Somit wird vorteilhaft zur Temperierung und Regeneration der gleiche Luftstrom verwendet, was die Systemkomplexität reduziert.
Zur einfachen Steuerung bzw. Regelung des Wechselbetriebs ist die Luftstromrichtung mit Wechsel zwischen den Halbzyklen umkehrbar. Dabei wird der Luftstrom, als Wärmeträger, zur Kühlung des Brennstoffzellenmoduls stromauf desselben durch das im Desorptionsbetrieb befindliche Temperiermodul geleitet und stromab durch das im Absorptionsbetrieb befindliche, zur Erwärmung des Brennstoffzellenstapels umgekehrt. Zur Umkehrung des Luftstroms können z. B. zwei Gasfördermodule bzw. Lüfter zur Förderung des Luftstroms in entgegengesetzte Richtungen vorhanden sein, die in Abhängigkeit des Wechselbetriebs wechselweise zu- bzw. abgeschaltet werden, oder es ist ein Gasfördermodul vorhanden, mit dessen Umschaltung die Luftstromrichtung umkehrbar ist, z. B. mit einem umschaltbaren Lüfter.
Vorzugsweise ist das Fluidleitsystem derart ausgebildet, dass der Energieträger von der angeschlossenen Energieträgerquelle in den im Absorptionsbetrieb befindlichen Temperierraum strömt und von dem im Desorptionsbetrieb befindlichen Temperierraum in das Brennstoffzellenmodul zur Versorgung desselben mit dem Energieträger strömt. Dazu sind die Leitungsmittel und/oder die Ventilmittel entsprechend ausgebildet und/oder angeordnet, wobei vorzugsweise die erforderliche Umschaltung des Strömungsweges während des Wechsels zwischen den Halbzyklen erfolgen kann. So sind die Temperierräume vorteilhafterweise in den Versorgungskreislauf des Brennstoffzellenmoduls mit dem Energieträger eingebunden. Ein weiterer, davon getrennter Versorgungskreislauf des Temperiermoduls bzw. der Temperiermodule mit dem Energieträger ist nicht erforderlich. Auf diese Weise wird ein einfacher, teileoptimierter Aufbau der Brennstoffzelleneinheit erreicht. Um eine möglichst effiziente Temperierung mit zugleich ausreichender Versorgung des Brennstoffzellenmoduls mit dem Energieträger zu ermöglichen, ist insbesondere die Leistung der Temperierräume bzw. des/der Temperiermodul/e (unter entsprechender Freisetzung an Energieträgermenge im Desorptionsbetrieb) auf die (maximale) Leistung des Brennstoffzellenmoduls abgestimmt.
Effiziente Betriebsmöglichkeiten ergeben sich, wenn die Ventilmittel zumindest teilweise derart zur Druck- und/oder Massenstromregelung ausgebildet sind, dass im Absorptionsbetrieb ein hoher Druck und im Desorptionsbetrieb ein niedriger Druck (unterhalb des hohen Drucks) an dem jeweiligen Temperierraum anliegt. Die Drücke bewegen sich innerhalb der durch die Energieträgerquelle als obere Grenze und dem Betriebsdruck des Brennstoffzellenstapels als untere Grenze vorgegebenen Randbedingungen.
Die Drücke werden insbesondere unter Berücksichtigung des Reaktionsmaterials und der Betriebstemperatur des Brennstoffzellenstapels (und/oder des Kühlmoduls) bzw. der erwünschten Temperaturdifferenz zu demselben eingestellt (gesteuert bzw. geregelt). Bei einer reversiblen thermochemischen Gas-Feststoff-Reaktion stehen der Druck und die Temperatur innerhalb des Reaktionsmaterials in einem definierten Zusammenhang, wobei sich bei einer bestimmten (Gleichgewichts-)Temperatur ein bestimmter (Gleichgewichts-)Druck einstellt. Diese Gleichgewichtscharakteristik ist abhängig von dem Reaktionssystem, vorliegend insbesondere von der Wahl des Reaktionsmaterials bei gegebenem Energieträger. Unter Zugrundelegung dieses Zusammenhangs wird beispielsweise der niedrige Druck im Desorptionsbetrieb derart eingestellt, dass sich in dem Temperierraum eine um eine Temperaturdifferenz von zumindest 5 K gegenüber der Betriebstemperatur reduzierte Temperatur ergibt. Der hohe Druck im Absorptionsbetrieb wird derart eingestellt, dass sich in dem Temperierraum eine um eine Temperaturdifferenz von zumindest 5 K gegenüber der Betriebstemperatur höhere Temperatur ergibt. Auf diese Weise kann der gleiche Luftstrom zunächst zur Temperierung des Brennstoffzellenmoduls (bzw. des Kühlmoduls) und stromab des Brennstoffzellenmoduls zur Regeneration des jeweiligen Temperiermoduls (unter umgekehrter Temperierung des Luftstroms) dienen. Bei einer Betriebstemperatur von etwa 60 °C hat sich z. B. LaNi5 aus der Gruppe der Metallhydride als geeignetes Reaktionsmaterial herausgestellt, wobei bei Drücken bis etwa 10 bar Temperaturen bis zu 60°C und bei Drücken ab 10 bar Temperaturen von mehr als 60 °C erzeugt werden. Somit ist die Kälte- bzw. Wärmeleistung innerhalb der Temperiermodule mittels des Drucks steuerbar bzw. regelbar. Die zwischen der Energieträgerquelle und dem Brennstoffzellenstapel anliegende Druckdifferenz wird als Triebkraft für den Betrieb der Temperiermodule ausgenutzt.
Eine montagefreundliche und kompakte Ausgestaltung der Brennstoffzelleneinheit ergibt sich, wenn jedem Temperierraum (bzw. Temperiermodul) jeweils zumindest zwei Ventilmittel zugeordnet sind, eines stromauf und eines stromab des jeweiligen Temperierraums, die an bzw. in dem/den Temperiermodul/en angeordnet sind.
Dabei kann besonders vorteilhaft das Ventilmittel stromab des jeweiligen Temperierraums zur Steuerung bzw. Regelung des Massenstroms (bzw. Mengenstrom) mittels Pulsweitenmodulation ausgebildet sein, wobei es beispielsweise als Magnet- oder als Piezoventil ausgebildet ist. Mittels der Pulsweite kann der Mengenstrom des Energieträgers eingestellt werden. Die Frequenz und/oder Pulsweite ist derart zu wählen, dass sich keine Druckstöße auf den Brennstoffzellenstapel ergeben, wobei insbesondere eine Pufferung hochfrequenter Strömungspulse durch das Volumen des Energieträgers stromab des Ventilmittels erfolgt. Die Frequenz kann beispielsweise 5 Hz oder mehr betragen. Bei dieser Ausbildung kann vorteilhaft auf einen zum Schutz des Brennstoffzellenstapels diesem vorgeschalteten, zusätzlichen Druckminderer verzichtet werden, da das Ventilmittel diese zusätzliche Funktion (Pufferung von Druckstößen) erfüllen kann.
Für einen unabhängigen, selbstständigen Betrieb, insbesondere einen Inselbetrieb, ist an der Brennstoffzelleneinheit eine, vorzugsweise in einem Teilgehäuse, angeordnete Elektronik-/Steuereinheit vorhanden, mittels der der Betrieb der Brennstoffzelleneinheit steuerbar bzw. regelbar ist. Innerhalb der Elektronik-/Steuereinheit sind insbesondere für den Betrieb benötigte Elektronik und/oder Steuerprogramm(e) zusammengefasst. Die Elektronik-/Steuereinheit umfasst z. B. einen Spannungswandler, eine Stromversorgungseinheit zur Stromversorgung von für den Betrieb der Brennstoffzelleneinheit benötigten Komponenten (z. B. Lüftereinheit/en, Ventilmittel etc.) und/oder eine Steuereinrichtung zur Steuerung des Betriebs der Brennstoffzelleneinheit mittels des/der Steuerprogramms/Steuerprogramme. Die Elektronik-/Steuereinheit ist vorzugsweise unter Zwischenlage einer Deck-/Kühlplatte mit thermischem Kontakt zu dem Brennstoffzellenmodul und/oder zu zumindest einem Temperierraum bzw. Temperriermodul, vorzugsweise dem zumindest zeitweise kälteerzeugenden, angeordnet. Die Deck-/Kühlplatte ist zweckmäßigerweise thermisch leitend ausgebildet, sodass ein das Brennstoffzellenmodul temperierender Luftstrom zusätzlich unter insbesondere konvektiver Kühlung der Deck-/Kühlplatte Abwärme der Elektronik-/Steuereinheit abführen kann. Auf diese Weise kann die Deck-/Kühlplatte bzw. die Elektronik-/Steuereinheit wesentlich kompakter ausgebildet sein als ohne konvektive Kühlung durch den Luftstrom.
In einer besonders bevorzugten Ausbildungsvariante ist die Brennstoffzelleneinheit aus den Modulen umfassend mindestens das zumindest eine Gasfördermodul, das/die Temperiermodul/e und das Brenntstoffzellenmodul und, falls vorhanden, das Kühlmodul zur Kühlung von Kühlflüssigkeit (als funktionelle Einheiten) modular aufgebaut, wobei die einzelnen Module zu einem Körper montiert sind. Der Körper bildet insbesondere eine kompakte, mechanisch stabile (z. B. einteilig tragbare) zusammenhängende Einheit. Durch den modularen Aufbau können zum einen einzelne Module einfach ausgetauscht werden. Zudem können vorteilhaft in einer Art Bausatz z. B. einzelne Module vorgefertigt und zu spezifischen Brennstoffzelleneinheiten zusammengesetzt werden, wobei je nach Anforderung, beispielsweise Leistungsklasse, einzelne Module unterschiedlich ausgelegt sein können. Dazu werden vorzugsweise die Module geometrisch aufeinander abgestimmt und/oder bestimmte Randbedingungen, insbesondere Fixationspunkte- und/oder -bereiche, beispielsweise die Grö-ße der luftdurchströmbaren Seiten der luftdurchströmbaren Module, und/oder die Position und/oder komplementäre Ausbildung bestimmter Anschlüsse, beispielsweise von Leitungsmitteln, auch bei unterschiedlichen (Leistungs-) Auslegungen konstant gehalten. Auch ermöglicht diese Ausbildung, insbesondere durch die modulare Ausgestaltung der Temperiermodule, eine einfache Nachrüstung bereits bestehender Brennstoffzellensysteme zu einer Brennstoffzelleneinheit, wobei die Temperiermodule z. B. einfach außen an ein bereits vorhandenes Brennstoffzellenmodul oder ein bereits vorhandenes Gasfördermodul angesetzt und befestigt werden können.
Für eine einfache und schnelle Montage sind die Leitungsmittel und/oder Ventilmittel zur Bildung des Fluidleitsystems in bzw. an mehreren der Module, insbesondere dem/den Temperiermodul/en und dem Brennstoffzellenmodul, angeordnet, wobei nach Montage ein druckdichtes Strömungssystem (insbesondere als Versorgungskreislauf zwischen der Energieträgerquelle und dem Brennstoffzellenstapel) gebildet ist. Auf diese Weise werden vorteilhaft bei der Montage keine zusätzlichen Leitungsmittel und/oder Ventilmittel benötigt. Zu diesem Zweck sind vorzugsweise an definierten, kompatiblen Stellen der Module komplementäre Strömungsanschlüsse zum Anschluss der einzelnen Bestandteile bzw. Segmente des Fluidleitsystems aneinander vorhanden. Insbesondere weist das Fluidleitsystem einen Anschluss für die Energieträgerquelle auf.
In einer besonders kompakten und effizienten Ausbildungsvariante sind luftdurchströmbare Module (Module, durch die mittels des Gasfördermoduls geförderte Luft strömt), insbesondere das zumindest eine Gasfördermodul, das/die Temperiermodul/e sowie entweder das Brennstoffzellenmodul oder das Kühlmodul, unmittelbar (und vorzugsweise unbeabstandet) hintereinander angeordnet, wobei das Brennstoffzellenmodul oder das Kühlmodul (unmittelbar oder unter Zwischenschaltung des/der Gasfördermodul/e) zwischen zwei Temperiermodulen angeordnet ist. So ergibt sich eine Reihenschaltung der luftdurchströmbaren Module mit vorteilhaft kurzen Strömungswegen und wenig temperaturbeeinflussenden Wärmekapazitäten, die insbesondere im Wechselbetrieb Temperaturhysteresen und/oder Effizienzverluste verursachen können.
Eine besonders effiziente und kompakte Brennstoffzelleneinheit kann bereitgestellt werden, wenn die luftdurchströmbaren Module im Wesentlichen quaderförmig ausgebildet sind und an gegenüberliegenden, luftdurchströmbaren Seiten, die im Wesentlichen gleich groß ausgebildet sind und insbesondere die jeweils größten Seitenflächen der Module bilden, angrenzend aneinander montiert sind. Auf diese Weise ergibt sich eine in Gesamteinheit kompakte Form mit vorteilhaft großen Strömungsquerschnitten, wodurch der Druckverlust der Luftströmung vergleichsweise gering gehalten werden kann.
In einer eine besonders strömungsoptimierten und damit effizienten Ausbildungsvariante umfassen zumindest die Temperiermodule jeweils auf einer an ein anderes luftdurchströmbares Modul angrenzenden, luftdurchströmbaren Seite eine Luftleitstruktur, die dazu ausgebildet ist, im Betrieb den Luftstrom von der bzw. auf die Strömungsführung des anderen Moduls zu überführen. Auch können die Temperierräume strömungsoptimiert ausgebildet und/oder angeordnet sein.
Eine besonders teileoptimierte und einfach nachrüstbare Ausbildungsvariante ergibt sich, wenn die einzelnen Module in Teilgehäusen angeordnet sind, die aneinander befestigt sind. Die Teilgehäuse sind vorzugsweise mechanisch stabil bzw. selbsttragend. Auf eine zusätzliche Montageplattform bzw. ein tragendes Gehäuse kann dabei vorteilhaft verzichtet werden.
Besondere Vorteile für den Betrieb ergeben sich, wenn das zumindest eine Gasfördermodul auf der von dem Brennstoffzellenmodul abgewandten luftdurchströmbaren Seite mindestens ein Filtermittel aufweist. Diese Ausbildungsvariante ist insbesondere in Kombination mit dem Wechselbetrieb bzw. der zyklischen Umschaltung des Luftstroms vorteilhaft, da mit Richtungswechsel des Luftstroms jeweils eine automatische Abreinigung des Filtermittels erfolgt. Das Filtermittel kann demnach entsprechend kompakt und somit druckverlustarm ausgebildet sein.
Vorteilhafte Ausbildungsvarianten des Temperiermoduls oder des Bausatzes oder vorteilhafte Ausführungsvarianten des Verfahrens sind im Zusammenhang mit der Brennstoffzelleneinheit sinngemäß beschrieben.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

1 eine Brennstoffzelleneinheit mit zwei Temperiermodulen in perspektivischer Ansicht von oben,
2 die Brennstoffzelleneinheit gemäß 1 in perspektivischer Explosionsdarstellung,
3 ein Gasfördermodul und ein eines der Temperiermodule der Brennstoffzelleneinheit gemäß 1 in perspektivischer Ansicht im Halbschnitt,
4 ein zum Einsatz in einer erfindungsgemäßen Brennstoffzelleneinheit geeignetes Reaktorkonzept in Draufsicht,
5 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines zum Einsatz in einer erfindungsgemäßen Brennstoffzelleneinheit geeigneten Reaktorkonzepts in perspektivischer Ansicht,
6 ein Verfahrensschema zur Veranschaulichung einer Betriebsvariante der Brennstoffzelleneinheit und
7 ein Verfahrensschema zur Veranschaulichung einer weiteren Betriebsvariante einer weiteren Ausbildungsvariante der Brennstoffzelleneinheit, unter Vorhandensein eines Kühlmoduls.

1 zeigen in perspektivischer Ansicht von oben und 2 in perspektivischer Explosionsdarstellung eine Brennstoffzelleneinheit 1 zur Erzeugung elektrischer Energie aus einem chemischen Energieträger, insbesondere Wasserstoff. Zu diesem Zweck umfasst die Brennstoffzelleneinheit 1 ein Brennstoffzellenmodul 30, in dem innerhalb einer mechanische Stabilität verleihenden Haltestruktur 31 ein Brennstoffzellenstapel 32 angeordnet ist. Innerhalb des Brennstoffzellenstapels 32 kann der aus einer (externen, angeschlossenen) Energieträgerquelle zugeführte Energieträger mit Oxidator, insbesondere mit in Luft enthaltenem Sauerstoff, im Betrieb unter Erzeugung elektrischer Energie reagieren.
Ferner sind an dem Brennstoffzellenmodul 30 diverse (elektrische) Anschlüsse 36 für den Betrieb der Brennstoffzelleneinheit 1 bzw. zur Stromabnahme von dem Brennstoffzellenmodul 30 und/oder zum Anschluss an weitere Module vorhanden. Zudem sind an dem Brennstoffzellenmodul 30 Leitungsmittel 91, 92 eines Fluidleitsystems 90 (vgl. 6 und 7) zur Leitung des Energieträgers angeordnet. Zusätzlich können (hier nicht gezeigte) Sensorelemente und/oder Fluidanschlüsse vorhanden sein.
Für den Betrieb benötigte Elektronik und Steuerprogramm(e) sind vorliegend in einer Elektronik-/Steuereinheit 37 zusammengefasst. Die Elektronik-/Steuereinheit 37 umfasst z. B. einen Spannungswandler, eine Stromversorgungseinheit zur Stromversorgung von für den Betrieb der Brennstoffzelleneinheit 1 benötigten Komponenten (z. B. Lüftereinheiten 11, 11' und 51, 51', Ventilmittel etc.) und/oder eine Steuereinrichtung zur Steuerung des Betriebs der Brennstoffzelleneinheit 1 mittels des/der Steuerprogramm/e. Die Elektronik-/Steuereinheit 37 ist hier beispielhaft unter Zwischenlage einer Deck-/Kühlplatte 38 an einer Unterseite der Brennstoffzelleneinheit 1 mit Kontakt zu dem Brennstoffzellenmodul 30 angeordnet.
Die Brennstoffzelleneinheit 1 umfasst weiterhin vorliegend beispielhaft zwei Gasfördermodule 10, 50 zur Förderung eines Luftstroms an bzw. durch das Brennstoffzellenmodul 30. Der Luftstrom kann in dem Brennstoffzellenmodul 30 als Prozessluft, d. h. zur Oxidatorversorgung, und/oder zu Kühlzwecken z. B. des Brennstoffzellenstapels 32 insbesondere mittels konvektiver Kühlung dienen. Die Gasfördermodule 10, 50 weisen vorliegend beispielhaft jeweils zwei Lüftereinheiten 11, 11' bzw. 51, 51' auf.
Ein beispielhafter Aufbau der Lüftereinheiten 11, 11' bzw. 51, 51' wird anhand der in 3 perspektivisch im Querschnitt dargestellten Lüftereinheit 11 erläutert. Die Lüftereinheiten 51, 51' des Gasfördermoduls 50 sind entsprechend (spiegelbildlich) aufgebaut. Die Lüftereinheit 11 weist einen zylinderförmigen Luftleitkanal 14 auf, in dem ein Rotor 13 zur Erzeugung des Luftstroms dient. Der Luftleitkanal 14 ist auf einer der Umgebung zugewandten Seite zum Schutz mit einer Gitterstruktur 12 versehen. Innerhalb des Luftleitkanals 14 sind, insbesondere auf der zu dem Brennstoffzellenmodul 30 hin weisenden Seite, Leitschaufeln 15 zur Strömungsführung des austretenden Luftstroms vorhanden.
Wie 1 und 2 weiter zeigen, sind zwischen den Gasfördermodulen 10, 50 und dem mittig der Brennstoffzelleneinheit 1 angeordneten Brennstoffzellenmodul 30 jeweils ein Temperiermodul 20, 40 der Brennstoffzelleneinheit 1 angeordnet. Die Temperiermodule 20, 40 dienen jeweils der Temperierung, d. h. Kühlung oder Erwärmung, des in das Brennstoffzellenmodul 30 eintretenden Luftstroms und/oder zur umgekehrten Temperierung, d. h. Erwärmung oder Kühlung, des aus dem Brennstoffzellenmodul 30 austretenden Luftstroms. Durch die Temperierung des Luftstroms kann die Betriebsbereitschaft der Brennstoffzelleneinheit 1 auch unter extremen Umgebungsbedingungen sichergestellt werden, wobei die Lufttemperatur ohne Temperierung z. B. bei über 60 °C oder bei weit unter 0 °C liegt.
Wie insbesondere in 2 und 3 anhand des Temperiermoduls 20 ersichtlich, umfassen die Temperiermodule 20, 40 zum Zwecke der Temperierung vorliegend beispielhaft zwei Temperierräume 24 bzw. zwei Temperierräume 44. Innerhalb der Temperierräume 24, 44 wird im Betrieb jeweils Wärme bzw. Kälte bereitgestellt und auf den in das jeweilige Temperiermodul 20, 40 eintretenden Luftstrom zu dessen Erwärmung bzw. Abkühlung übertragen. Dazu wird der jeweilige Luftstrom durch zumindest einen, vorzugsweise mehrere bzw. eine Vielzahl von, Luftleitkanal/Luftleitkanälen 22, 42 an den Temperierräumen 22, 24 vorbei und/oder durch diese hindurch geleitet.
Die Temperiermodule 20, 40 weisen luftdurchströmbare Seiten auf (hier beispielhaft jeweils, einander gegenüberliegend, eine Lüfterseite 26, 46 und eine Brennstoffzellenseite 27, 47), die zu den anderen luftdurchströmbaren Modulen (vorliegend beispielhaft die Gasfördermodule 10, 50 und/oder das Brennstoffzellenmodul 30) weisen bzw. damit auf diese übergehen. Für eine optimierte, druckverlustarme Strömungsführung können die Temperiermodule 20, 40 an den luftdurchströmbaren Seiten an das jeweils anschließende Modul bzw. die anschließende luftdurchströmbare Seite angepasste Luftleitstrukturen 21, 23 bzw. 41, 43 aufweisen. Zusätzlich oder alternativ können die jeweiligen Temperierräume 24, 44 strömungsoptimiert angeordnet und/oder ausgebildet sein, unter Berücksichtigung der Luftströmungsführung zumindest einer der anschließenden Module.
So sind beispielsweise vorliegend in den jeweiligen Temperiermodulen 20, 40 zur Anpassung an den Strömungsquerschnitt der vorgeschalteten Lüftereinheiten 11, 11', 51, 51' die beiden Temperierräume 24 und die beiden Temperierräume 44 übereinander angeordnet. Die Temperrierräume 24, 44 schließen, wie auch die Luftleitkanäle 22, 42, die mit ihnen in thermischer Wirkverbindung stehen, auf den Lüfterseiten 26, 46 im Wesentlichen an die Luftleitkanäle 14, 54 der jeweils vorgeschalteten Gasfördermodule 10, 50 an. Dabei sind die Luftleitkanäle 22, 42 in den ersten Luftleitstrukturen 21, 41 der Temperiermodule 20, 40 zylinderförmig um die jeweiligen Temperieräume 24, 44 angeordnet, wobei im Querschnitt tangential-radial verlaufende Leitschaufeln vorhanden sind.
Auf den Brennstoffzellenseiten 27, 47 sind die zweiten, hier sternförmigen Luftleitstrukturen 23, 43 vorhanden, mittels der die Luftleitkanäle 22, 42 von der zylindrischen Strömungsführung auf der Lüfterseite 26, 46 auf die im Wesentlichen flächige Strömungsführung zum Übergang auf eine bzw. von einer Luftein-/austrittsseite 33, 33' des Brennstoffzellenmoduls 30 überführt sind.
Vorliegend weisen die ersten und die zweiten Luftleitstrukturen 21, 23 bzw. 41, 43 sowie die Anordnung der Temperierräume 24, 44 einen Schwerpunkt auf die Strömungsoptimierung auf. Möglich ist keine oder eine geringfügigere Anpassung der Luftleitstrukturen 21, 23 bzw. 41, 43 an die jeweilige Strömungsführung der anschließenden Module, wobei z. B. nur einige Strömungscharakteristika aufgegriffen werden und/oder lediglich die Luftleitstrukturen auf der Lüfterseite 26 und/oder der Brennstoffzellenseite 27 vorhanden sind. Dies erlaubt eine zusätzliche Optimierung der Temperierräume 24, 44 und/oder der Luftleitkanäle 22, 42 (auch) hinsichtlich des Wärmeübergangs auf die bzw. von den Luftströme/n.
Wie insbesondere 2 zeigt, ist die Brennstoffzelleneinheit 1 modular aufgebaut, wobei die einzelnen funktionellen Einheiten, hier die Gasfördermodule 10, 50, die Temperiermodule 20, 40 und das Brennstoffzellenmodul 30 sowie die Elektronik-/Steuereinheit 37 innerhalb der einzelnen Module angeordnet sind. Durch den modularen Aufbau können einerseits einzelne Module einfach ausgetauscht werden. Zudem können vorteilhaft in einer Art Bausatz z. B. einzelne Module vorgefertigt und zu einzelnen spezifischen Brennstoffzelleneinheiten 1 zusammengesetzt werden, wobei je nach Anforderung, beispielsweise Leistungsklasse, einzelne Module unterschiedlich ausgelegt sein können. Dazu werden vorzugsweise bestimmte Randbedingungen, insbesondere Fixationspunkte, beispielsweise die Größe der luftdurchströmbaren Seiten der luftdurchströmbaren Module, und/oder die Position bestimmter Anschlüsse, beispielsweise von Leitungsmitteln, auch bei unterschiedlichen Auslegungen konstant gehalten. Auch ermöglicht diese Ausbildung, insbesondere durch die modulare Ausgestaltung der Temperiermodule 20, 40, eine einfache Nachrüstung bereits bestehender Brennstoffzellensysteme zu einer Brennstoffzelleneinheit 1, wobei die Temperiermodule 20, 40 z. B. einfach außen an ein bereits vorhandenes Brennstoffzellenmodul 30 oder an ein bereits vorhandenes Gasfördermodul 10 aufgesetzt und befestigt werden können. Eine weitere denkbare Anpassungsmöglichkeit bieten zwischen den Einheiten einsetzbare Adapterstücke.
Wie 1 zeigt, ist die Brennstoffzelleneinheit 1 unter Bildung einer kompakten, zusammenhängenden Einheit als Körper 2 mit einer z. B. im Wesentlichen quaderförmigen Gestalt ausgebildet. Insbesondere sind die luftdurchströmbaren Module, hier gebildet durch die Gasfördermodule 10, 50, die Temperiermodule 20, 40 und das Brenntstoffzellenmodul 30, ohne Zwischenschaltung weiterer Komponenten und/oder (zusätzlicher) Leitungsmittel unmittelbar und unbeabstandet hintereinander angeordnet. Dabei sind für eine kompakte Ausgestaltung die einander gegenüberliegenden, luftdurchströmbaren Seiten, mit welchen die luftdurchströmbaren Module aneinander angrenzen, im Wesentlichen gleich groß ausgebildet und bilden, zum Erhalt eines großen Strömungsquerschnitts, die jeweils größten Seitenflächen der Module. Durch die kompakte Ausbildung können die Strömungswege vorteilhaft kurz und massebedingte Wärmekapazitäten, die den Wärme- bzw. Kältegehalt des Luftstroms mindern können, gering gehalten werden. Zudem erleichtert diese Ausbildung die Handhabung, insbesondere wenn der Körper 2 mechanisch stabil zusammenhängend ausgebildet ist.
Vorliegend sind die einzelnen Module in jeweils mechanisch selbstständig stabilen Teilgehäusen angeordnet, die aneinander befestigt sind. Auf diese Weise kann auf ein stabilisierendes, alle Module umgebendes Gehäuse oder eine gemeinsame Haltestruktur verzichtet werden. Dabei bilden hinsichtlich der luftdurchströmbaren Module vorliegend beispielhaft die Gasfördermodule 10, 50 die Brennstoffzelleneinheit 1 zur Umgebung hin abgrenzende Teilgehäuse 3, 7, wohingegen die Temperiermodule 20, 40 und das Brennstoffzellenmodul 30 jeweils zwischenliegende Teilgehäuse 4, 6 und 5 bilden. Möglich wäre auch, dass die Temperiermodule 20, 40 die abgrenzenden Teilgehäuse 3, 7 bilden, was eine einfache Nachrüstung der Temperiermodule 20, 40 unter Aufsetzen auf ein bestehendes Brennstoffzellensystem erlaubt.
Die Elektronik-/Steuereinheit 37 ist in einem Teilgehäuse 8 vorliegend an der Unterseite der Brennstoffzelleneinheit 1 mit der Deck-/Kühlplatte 38 unter Kontakt dem temperierten Brennstoffzellenmodul 30 und/oder zu einem der Temperiermodule 20, 40, vorzugsweise dem zumindest zeitweise kälteerzeugenden, angeordnet. Die Deck-/Kühlplatte 38 ist dabei thermisch leitend ausgebildet. Auf diese Weise kann der kühlende Luftstrom zusätzlich unter insbesondere konvektiver Kühlung der Deck-/Kühlplatte 38 die Abwärme der Elektronik-/Steuereinheit 37 abführen.
Die Kompaktheit der effizient betreibbaren Brennstoffzelleneinheit 1 wird maßgeblich von der Ausbildung der Temperiermodule 20, 40 mitbestimmt. Für eine besonders kompakte Ausgestaltung und einfach regelbare Temperierung sind die Temperiermodule 20, 40 zur Wärme- bzw. Kälteerzeugung mittels einer reversiblen thermochemischen Gas-Feststoff-Reaktion ausgebildet. Zu diesem Zweck sind die Temperierräume 24, 44 als Reaktionsräume 71, 81 (vgl. Ausführungsbeispiele gemäß 4 und 5) ausgestaltet, wobei sie jeweils ein Reaktionsmaterial umfassen, das ein thermochemisches Gas-Feststoff-Reaktionssystem mit dem Energieträger bildet. Die Temperierräume 20, 40 weisen Anschlüsse 25, 45 (vgl. 1, 2) zur Zufuhr bzw. Abfuhr von Energieträger auf.
Bei dieser Ausbildung können die Temperierräume 24, 44 mit den Luftleitkanälen 22, 42 unter Bildung von Reaktorsystemen in Wirkverbindung stehen, die hinsichtlich der Wärmeübertragungsleistung optimiert sind. Beispielhafte, den Reaktorsystemen zugrundeliegende Reaktorkonzepte 70, 80 sind in den 4 und 5 dargestellt.
4 zeigt ein Reaktorkonzept, in dem die Temperierräume 24, 44 als längliche Reaktionsräume 71, insbesondere in Form rohrähnlicher Behälter ausgebildet sind. Die Reaktionsräume 71 sind z. B. beidseitig der Luftleitkanäle 22, 42 angeordnet und mittels wärmeübertragender Strukturen 72 mit den Luftleitkanälen 22, 42 thermisch verbunden. Die wärmeübertragenden Strukturen 72 umfassen vorliegend beispielhaft stark thermisch leitende Verbindungen 73, beispielsweise „Heat Pipes“, und/oder, insbesondere mit den Heat Pipes thermisch verbundene, wärmeleitende Lamellenstrukturen 74, die zur Oberflächenvergrößerung der Wärmeleitfläche in den Luftleitkanälen 22, 42 angeordnet sind. Möglich ist auch, dass die thermisch leitenden Verbindungen 73 ebenfalls mit Reaktionsmaterial gefüllt sind. Die wärmeübertragenden Strukturen 72 weisen eine möglichst große Oberfläche zur Übertragung der erzeugten Wärme bzw. Kälte an den durchströmenden Luftstrom auf.
5 zeigt eine weitere mögliche Ausbildungsvariante zur Zusammenfassung der Reaktorräume 81 und der Luftleitkanäle 22, 42, innerhalb des Reaktorkonzepts 80 in Art eines Lamellenwärmetauschers. Dabei liegen die mit Reaktionsmaterial gefüllten Reaktionsräume 81 jeweils in einer Ebene und sind vorzugsweise mit Wärmeleitstrukturen bzw. (z. B. lamellenartigen) wärmeübertragenden Strukturen durchsetzt, wie in 5 durch Dreiecksstrukturen angedeutet. Die das Reaktionsmaterial umfassenden Ebenen sind alternierend zu Ebenen mit den Luftleitkanälen 22, 42 angeordnet, die zwischen oberflächenvergrößernden, lamellenartigen wärmeübertragenden Strukturen 82 gebildet sind, welche im Querschnitt z. B. dreiecksförmig ausgebildet sein können. Die Ausrichtung der Luftkanäle 22, 42 bzw. die Strömungsrichtung der Luft verläuft z. B. rechtwinklig zur Längsausrichtung der wärmeübertragenden Strukturen in den Reaktionsräumen 81. Zugunsten einer großen Wärmeübertragungsleistung kann eine Vielzahl derartiger alternierender Ebenen gestapelt sein.
Bei einer thermochemischen Gas-Feststoff-Reaktion stehen der Druck und die Temperatur innerhalb des Reaktionsmaterials in einem definierten Zusammenhang, wobei sich bei einer bestimmten (Gleichgewichts-)Temperatur ein bestimmter (Gleichgewichts-)Druck einstellt. Diese Gleichgewichtscharakteristik ist abhängig von dem Reaktionssystem, vorliegend insbesondere von der Wahl des Reaktionsmaterials bei gegebenem Energieträger.
Die Reaktionsmaterialien sind so gewählt, dass unter den gegebenen Druckrandbedingungen, vorgegeben durch den Druck innerhalb der Energieträgerquelle (z. B. bis 350 bar oder 700 bar bei maximalem Füllstand, nahe der Entleerung z. B. bis 30 bar oder 50 bar) als obere Grenze einerseits und dem Betriebsdruck innerhalb des Brennstoffzellenstapels 32 (z. B. etwas über 1 bar) als untere Grenze andererseits, eine für die Temperierung geeignete Temperatur innerhalb der Temperieräume 24, 44 erzeugbar ist. Die für die Temperierung geeignete Temperatur richtet sich insbesondere nach der Betriebstemperatur des Brennstoffzellenstapels 32 oder des Kühlmoduls 60 (vgl. 7), wobei die Temperaturdifferenz zu der Betriebstemperatur z. B. mindestens 5 K oder 10 K betragen kann.
Als Reaktionsmaterialien kommen beispielsweise Metallhydride (in beladenem Zustand) bzw. Metalle (in unbeladenem Zustand) in Betracht, die mit dem verwendeten Energieträger, insbesondere Wasserstoff, ein Gas-Feststoff-Reaktionssystem bilden. Ein geeignetes Metallhydrid stellt beispielsweise LaNi5 dar, welches bei einem Druck von 1 bar bis 3 bar eine Temperatur zwischen 15 °C und 40 °C aufweist und somit im unteren Druckbereich zur Kühlung des Luftstroms geeignet ist. Bei höheren Drücken, beispielsweise 12 bar bis 20 bar, beträgt die Temperatur von LaNi5 etwa 70 °C bis 80 °C. Für einen zyklischen Betrieb sind vorzugsweise die Temperierräume 24, 44 mit dem gleichen Reaktionsmaterial in gleicher Menge befüllt, sodass die Zeiten bis zur vollständigen Be- und Entladung des Reaktionsmaterials mit Energieträger einander entsprechen können und so ein kontinuierlicher Temperierbetrieb gewährleistet werden kann.
Für eine kontinuierliche Wärme- und/oder Kälteerzeugung bilden die Temperiermodule 20, 40 zweckmäßigerweise eine Temperieranordnung, die zyklisch betrieben wird. Dabei kann jeweils eines der Temperiermodule 20, 40 die Temperierung (Kühlung bzw. Erwärmung) des Brennstoffzellenmoduls gewährleisten, während das jeweils andere Temperiermodul 20, 40 zur Wiederherstellung der Betriebsbereitschaft umgekehrt temperiert und so regeneriert wird. Ausführungsbeispiele hierzu, die anhand von Pfeilen auch die Verfahrensführung verdeutlichen, sind in den Verfahrensschemata gemäß 6 und 7 gezeigt.
6 zeigt schematisch eine Brennstoffzelleneinheit 1 mit mittig angeordnetem Brennstoffzellenmodul 30, welches elektrische Energie 99 abgibt. An das Brennstoffzellenmodul 30 angrenzend sind die Temperiermodule 20 und 40 angeordnet. Die beiden Gasfördermodule 10 und 50 sind als äußerste Module, angrenzend an die Temperiermodule 20 und 40, angeordnet und schließen die Brennstoffzelleneinheit 1 mit jeweils einer luftdurchströmbaren Seite zur Umgebung hin ab. Die Gasfördermodule 10 und 50 sind zur Förderung des Luftstroms in zwei entgegengesetzte bzw. umgekehrte Richtungen ausgebildet.
Weiterhin zeigt 6 schematisch die Ausbildung des Fluidleitsystems 90, das zur gleichzeitigen Versorgung der Temperiermodule 20, 40 und des Brennstoffzellenstapels 32 durch einen Versorgungskreislauf ausgebildet ist. Das Fluidleitsystem 90 weist jeweils Leitungsmittel 91 auf einer Hochdruckseite auf, innerhalb derer im Betrieb bei geöffneten Ventilmitteln 910, 920 stromauf auf der jeweiligen Temperiermodule 20, 40, ein hoher Druck P1 vorliegt. Zudem weist das Fluidleitsystem 90 Leitungsmittel 92 auf einer Niederdruckseite auf, innerhalb derer im Betrieb bei geöffneten Ventilmitteln 930, 940 stromab der jeweiligen Temperiermodule 20, 40, ein niedriger Druck P2 vorliegt. Die hochdruckseitigen Leitungsmittel 91 weisen einen Anschluss 95 an die Energieträgerquelle auf. Die niederdruckseitigen Leitungsmittel 92 weisen einen Anschluss 96 für eine Gaszuführung zu dem Brennstoffzellenstapel 32 auf. Vorzugsweise sind die Leitungsmittel 91, 92 und/oder die Ventilmittel 910, 920, 930 und 940 in bzw. an den Temperiermodulen 20, 40 und dem Brennstoffzellenmodul 30 unter Bildung eines druckdichten Strömungssystems angeordnet.
Im Betrieb wird in einem ersten Halbzyklus, wie er in 6 beispielhaft gezeigt ist, in dem ersten Temperiermodul 20 in einem Absorptionsbetrieb unter Ablauf einer exothermen Absorptionsreaktion das Reaktionsmaterial beladen und dabei Energieträger aufgenommen, wobei Wärme freigesetzt wird. Zur Versorgung des Temperierraums 24 mit dem Energieträger ist das Ventilmittel 910 geöffnet, so dass Energieträger aus der Energieträgerquelle in den Temperierraum 24 strömt und der hohe Druck P1 an dem Temperierraum 24 anliegt. Der hohe Druck P1 ist so eingestellt, dass die Temperatur innerhalb des Temperierraums 24 höher ist als die Betriebstemperatur des Brennstoffzellenstapels 32, beispielsweise um mindestens 5 K. Bei Einsatz von LaNi5 als Reaktionsmaterial kann bei einer beispielhaften Betriebstemperatur von 60 °C beispielsweise der hohe Druck P1 von zwischen 12 bar und 20 bar anliegen, wobei sich in dem Temperierraum 24 eine Temperatur zwischen 70 °C und 80 °C einstellt. Das Ventilmittel 930 zwischen dem Temperierraum 24 und dem Anschluss 96 ist geschlossen.
Parallel wird aus dem zweiten Temperiermodul 40 in einem Desorptionsbetrieb unter Ablauf einer endothermen Desorptionsreaktion das Reaktionsmaterial entladen und dabei Energieträger abgegeben, wobei Kälte freigesetzt (bzw. Wärme aufgenommen) wird. Das Ventilmittel 940 zwischen dem Temperierraum 44 und dem Anschluss 96 ist geöffnet, so dass Energieträger von dem Temperierraum 44 zu dem Brennstoffzellenstapel 32 zur Versorgung desselben strömt. An dem Temperierraum 44 liegt der niedrige Druck P2 an, der so eingestellt ist, dass die Temperatur innerhalb des Temperierraums 44 geringer ist als die der Betriebstemperatur des Brennstoffzellenstapels 32, beispielsweise um mindestens 5 K. Bei Einsatz von LaNi5 als Reaktionsmaterial kann bei einer beispielhaften Betriebstemperatur von 60 °C beispielsweise der niedrige Druck P2 von zwischen 1 bar und 3 bar anliegen, wobei sich in dem Temperierraum 44 eine Temperatur zwischen 15 °C und 40 °C einstellt. Das Ventilmittel 920 zwischen der Energieträgerquelle und dem Temperierraum 44 ist geschlossen.
Vorliegend wird das Brennstoffzellenmodul 30 gekühlt. Dabei sind die Gasfördermodule 10, 50 so geschaltet, dass der aus der Umgebung einströmende Luftstrom 97 stromauf des Brennstoffzellenmoduls 30 durch das im Desorptionsbetrieb befindliche, im ersten Halbzyklus zweite Temperiermodul 40 strömt. Die Luft wird von Umgebungstemperatur T1 um eine Temperaturdifferenz dT zwischen dem Temperierraum 44 und der Betriebstemperatur abgekühlt. Der abgekühlte Luftstrom durchströmt das Brennstoffzellenmodul 30 unter Kühlung desselben, wobei er auf die Temperatur T2, entsprechend der Betriebstemperatur des Brennstoffzellenstapels 32 von beispielsweise etwa 60 °C, erwärmt wird. Anschließend durchströmt der Luftstrom das erste, im Absorptionsbetrieb befindliche Temperiermodul 20, wobei er Wärme aufnimmt und um eine Temperaturdifferenz dT erwärmt wird und anschließend als austretender Luftstrom 98 in die Umgebung gelangt.
Nach einer gewissen Zeit ist das im Absorptionsbetrieb befindliche Temperiermodul 20 bzw. das darin befindliche Reaktionsmaterial (vollständig) mit Energieträger beladen, während das im Desorptionsbetrieb befindliche Temperiermodul 40 bzw. das darin befindliche Reaktionsmaterial (vollständig) von Energieträger entladen ist. Diese Zeit, die einer Halbzykluszeit entspricht, beträgt z. B. zwischen 30 Sekunden und 30 Minuten, je nach Leistung (Energieträgermengenstrom) und/oder Menge an Reaktionsmaterial. Nach der Halbzykluszeit wird in einen zweiten Halbzyklus (in 6 nicht gezeigt) gewechselt, wobei das zweite Temperiermodul 40 im Absorptionsbetrieb und das erste Temperiermodul 20 im Desorptionsbetrieb betrieben wird. Dazu werden die Ventilmittel 910, 920, 930 und 940 so geschaltet, dass das zweite Temperiermodul 40 von der Energieträgerquelle mit Energieträger versorgt und mit diesem beladen wird. Das erste Temperiermodul 20 ist von der Energieträgerquelle abgekoppelt und versorgt den Brennstoffzellenstapel 32 mit Energieträger, wobei der Temperierraum 24 entladen wird. Die Luftstromrichtung ist durch entsprechende Schaltung der Gasfördermodule 10, 50 (z. B. Zuschaltung des einen und Abschaltung des anderen) umgekehrt.
In dem in 7 gezeigten Verfahrensschema ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der Brennstoffzelleneinheit 1 gezeigt. Dabei ist das Kühlmodul 60 als mittig angeordnetes, luftdurchströmbares Modul vorhanden, in welchem ein Wärmeträgermedium 94 temperiert wird, welches wiederum das Brennstoffzellenmodul 30 temperiert. Insbesondere wird hierbei das Brennstoffzellenmodul 30 nicht von Luft durchströmt. Der übrige Aufbau, mit dem Fluidleitsystem 90, der Anordnung der Temperiermodule 20, 40 und der Gasfördermodule 10, 50, entspricht im Wesentlichen dem in 6 gezeigten Aufbau. Auch der Betrieb entspricht hinsichtlich der Temperierung prinzipiell dem bezüglich 6 beschriebenen Betrieb, wobei anstelle des Brennstoffzellenmoduls 30 das Kühlmodul 60 mit dem dieses durchströmenden Wärmeträgermedium 94 gekühlt wird.
Zusammenfassend weist die Brennstoffzelleneinheit 1 durch die Temperierung der Umgebungsluft einen erweiterten Betriebsbereich auf, sodass sie als Strom erzeugendes Aggregat auch in extremen Umgebungen, beispielsweise unter großer Hitze oder Kälte effizient einsetzbar ist. Das verwendete Temperierprinzip kann insbesondere unter Ausnutzung der Druckdifferenz zwischen der Energieträgerquelle und dem Brennstoffzellenstapel 32 ohne erheblichen Effizienzverlust der Brennstoffzelleneinheit betrieben werden. Insbesondere durch die beschriebene Ausbildung stellt sich die erfindungsgemäße Brennstoffzelleneinheit 1 dennoch einfach steuerbar bzw. regelbar, praktikabel handhabbar und kompakt dar, wobei die Störanfälligkeit durch die Temperierbarkeit nicht wesentlich erhöht ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

„Linder M, Kulenovic R, An energy-efficient air-conditioning system for hydrogen driven cars, Int. J Hydrogen Energy 2011, 36: 3215-3221“ [0010]

Claims

Brennstoffzelleneinheit (1) zur Erzeugung elektrischer Energie aus einem Energieträger, insbesondere Wasserstoff, mit - einem Brennstoffzellenmodul (30) umfassend zumindest einen Brennstoffzellenstapel (32), - zumindest einem Gasfördermodul (10) zur Förderung eines Luftstroms in das und/oder aus dem Brennstoffzellenmodul (30) oder in ein und/oder aus einem das Brennstoffzellenmodul (30) kühlendes/kühlenden Kühlmodul (60) und - einem Fluidleitsystem (90) mit Leitungsmitteln und/oder Ventilmitteln zur Leitung des Energieträgers von einer anschließbaren bzw. angeschlossenen Energieträgerquelle in das Brennstoffzellenmodul (30), dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzelleneinheit (1) zumindest einen Temperierraum (24, 44) umfasst, welcher zur Temperierung, mit Kühlung oder Erwärmung, des in das Brennstoffzellenmodul (30) oder das Kühlmodul (60) einströmenden Luftstromes angeordnet und ausgebildet ist und/oder zur umgekehrten Temperierung, mit Erwärmung oder Kühlung, des aus dem Brennstoffzellenmodul (30) oder dem Kühlmodul (60) ausströmenden Luftstromes angeordnet und ausgebildet ist.
Brennstoffzelleneinheit (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zwei Temperierräume (24, 44) vorhanden sind, die eine Temperieranordnung zur Erzeugung von Wärme und/oder Kälte bilden.
Brennstoffzelleneinheit (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperierräume (24, 44) jeweils in Temperiermodulen (20, 40) oder in einem gemeinsamen Temperiermodul (20, 40) angeordnet sind.
Brennstoffzelleneinheit (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Temperierraum (24) ein erstes Reaktionsmaterial zur Bildung eines thermochemischen Gas-Feststoff-Reaktionssystems mit dem Energieträger umfasst, und der zweite Temperierraum (44) ein zweites Reaktionsmaterial zur Bildung eines thermochemischen Gas-Feststoff-Reaktionssystems mit dem Energieträger umfasst.
Brennstoffzelleneinheit (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Temperieranordnung kontinuierlich Wärme und/oder Kälte erzeugbar ist, wobei in einem ersten Halbzyklus in dem ersten Temperierraum (24) in einem Absorptionsbetrieb unter Aufnahme von Energieträger in das Reaktionsmaterial Wärme freisetzbar ist und in dem zweiten Temperierraum (44) in einem Desorptionsbetrieb unter Abgabe von Energieträger aus dem Reaktionsmaterial Kälte freisetzbar ist, wobei nach einer Halbzykluszeit in einen zweiten Halbzyklus wechselbar ist, wobei der Absorptionsbetrieb in dem zweiten Temperierraum (44) und der Desorptionsbetrieb in dem ersten Temperierraum (24) abläuft.
Brennstoffzelleneinheit (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftstromrichtung mit Wechsel zwischen den Halbzyklen umkehrbar ist.
Brennstoffzelleneinheit (1) nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluidleitsystem (90) derart ausgebildet ist, dass der Energieträger von der angeschlossenen Energieträgerquelle in den im Absorptionsbetrieb befindlichen Temperierraum (24, 44) strömt und von dem im Desorptionsbetrieb befindlichen Temperierraum (44, 24) in das Brennstoffzellenmodul (30) zur Versorgung desselben mit dem Energieträger strömt.
Brennstoffzelleneinheit (1) nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilmittel zumindest teilweise derart zur Druck- und/oder Massenstromregelung ausgebildet sind, dass im Absorptionsbetrieb ein hoher Druck und im Desorptionsbetrieb ein niedriger Druck an dem jeweiligen Temperierraum (24, 44) anliegt.
Brennstoffzelleneinheit (1) nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass jedem Temperierraum (24, 44) jeweils zumindest zwei Ventilmittel (910, 920, 930, 940) zugeordnet sind, eines stromauf und eines stromab des jeweiligen Temperierraums (24, 44), die an bzw. in dem/den Temperiermodul/en (20, 40) angeordnet sind.
Brennstoffzelleneinheit (1) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventilmittel stromab des jeweiligen Temperierraums (24, 44) zur Steuerung bzw. Regelung des Massenstrom mittels Pulsweitenmodulation ausgebildet ist.
Brennstoffzelleneinheit (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine, vorzugsweise in einem Teilgehäuse (8), angeordnete Elektronik-/Steuereinheit (37) vorhanden ist, mittels der der Betrieb der Brennstoffzelleneinheit (1) steuerbar bzw. regelbar ist.
Brennstoffzelleneinheit (1) nach einem der Ansprüche 3 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzelleneinheit (1) aus den Modulen umfassend mindestens das zumindest eine Gasfördermodul (10), das/die Temperiermodul/e (20, 40) und das Brenntstoffzellenmodul (30) modular aufgebaut ist, wobei die einzelnen Module zu einem Körper (2) montiert sind.
Brennstoffzelleneinheit (1) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitungsmittel und/oder Ventilmittel zur Bildung des Fluidleitsystems (90) in bzw. an mehreren der Module, insbesondere dem/den Temperiermodul/en (20, 40) und dem Brennstoffzellenmodul (30), angeordnet sind, wobei nach Montage ein druckdichtes Strömungssystem gebildet ist.
Brennstoffzelleneinheit (1) nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass luftdurchströmbare Module, insbesondere das zumindest eine Gasfördermodul (10, 50), das/die Temperiermodul/e (20, 40) sowie entweder das Brennstoffzellenmodul (30) oder das Kühlmodul (60), unmittelbar hintereinander angeordnet sind, wobei insbesondere das Brennstoffzellenmodul (30) oder das Kühlmodul (60) zwischen den Temperiermodulen (20, 40) angeordnet ist.
Brennstoffzelleneinheit (1) nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die luftdurchströmbaren Module im Wesentlichen quaderförmig ausgebildet sind und an gegenüberliegenden, luftdurchströmbaren Seiten, die im Wesentlichen gleich groß ausgebildet sind und insbesondere die jeweils größten Seitenflächen der Module bilden, angrenzend aneinander montiert sind.
Brennstoffzelleneinheit (1) nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest das/die Temperiermodul/e (20, 40) jeweils auf einer an ein anderes luftdurchströmbares Modul angrenzenden, luftdurchströmbaren Seite eine Luftleitstruktur (21, 23) umfasst/umfassen, die dazu ausgebildet ist, im Betrieb den Luftstrom von der bzw. auf die Strömungsführung des anderen Moduls zu überführen.
Brennstoffzelleneinheit (1) nach einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Module in Teilgehäusen (3, 4, 5, 6, 7, 8) angeordnet sind, die aneinander befestigt sind.
Brennstoffzelleneinheit (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine Gasfördermodul (10, 50) auf der von dem Brennstoffzellenmodul (30) abgewandten luftdurchströmbaren Seite mindestens ein Filtermittel aufweist.
Temperiermodul (20, 40), das zur Verwendung in einer Brennstoffzelleneinheit (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche ausgebildet ist.
Bausatz für eine Brennstoffzelleneinheit (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche umfassend zumindest ein Gasfördermodul (10, 50), ein Temperiermodul (20, 40) und ein Brennstoffzellenmodul (30), der zur Montage zu der Brennstoffzelleneinheit (1) ausgebildet ist.
Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzelleneinheit (1), die insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche ausgebildet ist, bei dem ein Energieträger, insbesondere Wasserstoff, innerhalb eines in einem Brennstoffzellenmodul (30) angeordneten Brennstoffzellenstapel (32) unter Erzeugung elektrischer Energie unter Reaktion mit einem Oxidator umgesetzt wird, wobei ein Luftstrom in das und/oder aus dem Brennstoffzellenmodul (30) oder in ein und/oder aus einem das Brennstoffzellenmodul (30) kühlendes/kühlenden Kühlmodul (60) gefördert wird, dadurch gekennzeichnet, dass der in die Brennstoffzelleneinheit (1) einströmende Luftstrom unter Kühlung oder Erwärmung temperiert wird zur Temperierung, mit Kühlung oder Erwärmung, des Brennstoffzellenmoduls (30) oder des Kühlmoduls (60) und/oder dass der aus dem Brennstoffzellenmodul (30) oder dem Kühlmodul ausströmende Luftstrom unter Erwärmung oder Kühlung umgekehrt temperiert wird.