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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Kühlen eines Brennstoffzellenstapels in einem Brennstoffzellensystem, insbesondere in einem PEM (Polymerelektrolyt)-Brennstoffzellensystem. Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zum Kühlen eines Brennstoffzellenstapels in einem Brennstoffzellensystem, insbesondere in einem PEM-Brennstoffzellensystem.
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Stand der Technik
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Im Zuge des 2015 verabschiedeten Klimaabkommens von Paris haben sich eine Vielzahl von Staaten darauf verständigt, ihre CO2-Emissionen bis spätestens 2050 auf null zu reduzieren. Für den Verkehrsbereich bedeutet dies eine Abkehr vom Verbrauch fossiler Kraft- und Brennstoffe. Neben der Verwendung regenerativ erzeugten Stroms in batterieelektrischen Fahrzeugen, bietet sich die mit Wasserstoff betriebene Brennstoffzelle als mobiler Energiewandler an. In diesem Fall wird anstatt der elektrischen Energie Wasserstoff im Fahrzeug gespeichert. In der Brennstoffzelle wird dann der zum Antrieb erforderliche Strom erzeugt, wobei als einziges Abgas Wasserdampf entsteht. Wasserstoff kann, ähnlich wie fossile Kraftstoffe, schnell nachgetankt werden und bietet somit ein ähnliches Nutzungserlebnis wie Fahrzeuge mit herkömmlichen Verbrennungsmotoren.
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Die Energiewandlung in der Brennstoffzelle ist verlustbehaftet, so dass neben der elektrischen Energie auch Wärme entsteht und abgeführt werden muss. Darüber hinaus muss die oftmals verdichtete Zuluft der Brennstoffzelle gekühlt werden. Dies gilt ferner für diverse Elektronikkomponenten sowie elektrische Maschinen. Das Kühlsystem des Fahrzeugs wird dadurch stark belastet. Aufgrund der relativ preiswerten Umsetzbarkeit hat sich für den mobilen Einsatz die Flüssigkeitsumlaufkühlung als Standard etabliert. Diese Technologie hat jedoch bezüglich der Kühlung von Brennstoffzellen zwei wesentliche Nachteile.
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Als nachteilig erweist sich, dass das Temperaturniveau bei mobilen PEM-Brennstoffzellen auf 95 °C begrenzt ist, was eine vergleichsweise niedrige Temperaturdifferenz zur Umgebung und damit eine verringerte Kühlleistung zur Folge hat. Als Gegenmaßnahme muss die Kühlerfläche vergrößert werden. Ein zweiter Nachteil resultiert aus der Anforderung einer möglichst homogenen Feuchteverteilung in den Membranen der Brennstoffzellen. Aus diesem Grund muss die Temperaturdifferenz des Kühlmittels beim Durchströmen des Brennstoffzellenstapels klein sein, um zonales Austrocknen der Membranen zu verhindern. Dies wird durch einen relativ hohen Kühlmittelmassenstrom erreicht, was entsprechend große Pumpen und Leitungsquerschnitte sowie erhöhte Energiebedarfe für die Förderung des Kühlmittels zur Folge hat. Insgesamt ist festzuhalten, dass die Energiedichte der Flüssigkeitsumlaufkühlung stark begrenzt ist und somit relativ rigide Randbedingungen für die Auslegung des Brennstoffzellenstapels stellt.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die vorstehend genannten Nachteile der Flüssigkeitsumlaufkühlung in einem Brennstoffzellensystem zu überwinden.
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Zur Lösung der Aufgabe werden das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie die Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 7 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den jeweiligen Unteransprüchen zu entnehmen.
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Offenbarung der Erfindung
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Bei dem vorgeschlagenen Verfahren zum Kühlen eines Brennstoffzellenstapels in einem Brennstoffzellensystem, insbesondere in einem PEM-Brennstoffzellensystem, wird ein Kühlmedium eines Kühlkreises durch den Brennstoffzellenstapel geleitet. Erfindungsgemäß wird durch Verdampfen eine Zustandsänderung des Kühlmediums von flüssig nach gasförmig herbeigeführt, wobei vorzugsweise der Brennstoffzellenstapel als Verdampfer und/oder ein Radiator als Kondensator verwendet wird bzw. werden.
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Durch die herbeigeführte Zustandsänderung des Kühlmediums von flüssig nach gasförmig wird eine Erhöhung der Energiedichte erreicht, so dass die eingangs in Verbindung mit der Flüssigkeitsumlaufkühlung genannten Nachteile gänzlich beseitigt oder zumindest verringert werden.
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Der Kühlkreis ist hierzu als thermodynamischer Kreisprozess ausgeführt, wobei vorzugsweise der in den Kühlkreis integrierte Brennstoffzellenstapel die Funktion des Verdampfers übernimmt. Das heißt, dass das Kühlmittel mit Eintritt in den Brennstoffzellenstapel eine Zustandsänderung erfährt, und zwar von flüssig nach gasförmig. Während der Passage durch den Brennstoffzellenstapel ändert sich vorzugsweise die Temperatur des Kühlmediums im Wesentlichen nicht, da die Zustandsänderung bzw. Verdampfung isotherm verläuft. Das Kühlmedium tritt somit nahezu vollständig als Gas aus dem Brennstoffzellenstapel aus. Auf diese Weise wird eine homogene Temperaturverteilung im Brennstoffzellenstapel erreicht.
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Die Funktion des Kondensators kann ein Radiator bzw. ein Kühler, insbesondere ein Fahrzeugkühler übernehmen, mittels dessen das gasförmige Kühlmedium wieder in den flüssigen Zustand überführbar ist.
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Verdampfung und Kondensation des Kühlmediums laufen vorzugsweise isotherm sowie isobar ab.
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Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass ein Kühlmedium verwendet wird, dessen Siedetemperatur 50-80°C bei 1-4 bar absolut beträgt. Die Siedetemperatur des Kühlmediums liegt somit im Bereich oder knapp unterhalb der normalen Betriebstemperatur des Brennstoffzellenstapels, so dass sichergestellt ist, dass das Kühlmedium mit Eintritt in den Brennstoffzellenstapel verdampft. Entsprechende Siedetemperaturen weisen beispielsweise Aceton, Hexan oder Methanol auf, so dass diese als Kühlmedium eingesetzt werden können.
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Zur Ausführung des Kühlkreises als thermodynamischer Kreisprozess wird ferner bevorzugt das Kühlmedium vor Eintritt in den Brennstoffzellenstapel isentrop verdichtet und nach dem Austritt aus dem Brennstoffzellenstapel isenthalp gedrosselt oder isentrop entspannt. Zum Verdichten kann eine stromaufwärts des Brennstoffzellenstapels in den Kühlkreis integrierte Pumpe verwendet werden. Zum isenthalpen Drosseln ist vorzugsweise stromabwärts des Brennstoffzellenstapels eine Drossel im Kühlkreis angeordnet. Anstelle der Drossel kann im Kühlkreis eine Expansionsmaschine vorgesehen sein. In diesem Fall wird mit Hilfe der Expansionsmaschine das Kühlmedium nach dem Austritt aus dem Brennstoffzellenstapel isentrop entspannt. Die Arbeit der Expansionsmaschine kann zum Antreiben eines Generators genutzt werden, mittels dessen elektrische Energie erzeugt werden kann. Diese kann beispielsweise ins Bordnetz des Fahrzeugs eingespeist werden. Im nachfolgenden Kondensator muss dann weniger Wärme an die Umgebung abgeführt werden. Je nach Lage des Druckniveaus und/oder des Überhitzungsgrades kann das Ende der Expansion im Nassdampfgebiet liegen. Daher wird in Weiterbildung der Erfindung vorgeschlagen, dass die Expansionsmaschine für diese Bedingungen ausgelegt ist. Beispielsweise kann ein Schraubenexpander als Expansionsmaschine verwendet werden.
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Ferner wird vorgeschlagen, dass bei einem Kaltstart des Brennstoffzellensystems der Radiator bzw. Kondensator mit Hilfe eines Bypassventils und eines Bypasspfads umgangen wird bis im Brennstoffzellenstapel die Siedetemperatur des Kühlmittels erreicht ist. Durch Umgehung des Radiators/Kondensators ist die Siedetemperatur schneller erreicht, da keine Wärme an die Umgebung abgeführt wird. Das heißt, dass das Brennstoffzellensystem schneller betriebsbereit ist.
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Vorteilhafterweise wird das Kühlmedium mit Hilfe mindestens eines stromaufwärts und/oder stromabwärts des Brennstoffzellenstapels angeordneten Wärmeübertragers erwärmt. Beispielsweise kann mit Hilfe eines stromaufwärts des Brennstoffzellenstapels angeordneten Wärmeübertragers das Kühlmedium vorgewärmt werden, so dass es mit Eintritt in den Brennstoffzellenstapel schneller verdampft. Alternativ oder ergänzend kann mit Hilfe eines stromabwärts des Brennstoffzellenstapels angeordneten Wärmeübertragers das Kühlmedium nach dem Austritt aus dem Brennstoffzellenstapel überhitzt werden. Vorwärmung und Überhitzung erfolgen in diesem Fall außerhalb des Brennstoffzellenstapels, was zu einer homogenen Temperaturverteilung im Brennstoffzellenstapel beiträgt, da in diesem das Kühlmedium ausschließlich verdampft wird. Stromaufwärts und/oder stromabwärts des Brennstoffzellenstapels können darüber hinaus weitere Wärmequellen in den Kühlkreis einspeisen, so dass sich mit jeder weiteren Wärmequelle das Temperaturniveau am Einlass des Radiators bzw. Kondensators erhöht.
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Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass der Druck im Kühlkreis im Bereich des Brennstoffzellenstapels in Abhängigkeit von der Last des Brennstoffzellensystems geregelt wird, wobei vorzugsweise mit steigender Last das Druckniveau angehoben wird. Dadurch ist sichergestellt, dass mit der Last auch der Kühlmitteldruck und die Kühlmitteltemperatur steigen. Da üblicherweise mit steigender Last der Druck im Kathodenbereich des Brennstoffzellensystems zunimmt, wird durch gleichzeitiges Anheben des Druckniveaus im Kühlkreis erreicht, dass die Druckdifferenzen zwischen den einzelnen Subsystemen nicht zu groß werden. Andernfalls kann es zu Undichtigkeiten im Brennstoffzellenstapel kommen. Die erhöhte Kühlmitteltemperatur bei steigender Last verhindert, dass flüssiges Produktwasser in den Gasdiffusionsschichten akkumuliert und den Gastransport blockiert, was eine Leistungseinbruch zur Folge hätte.
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Die ferner zur Lösung der eingangs genannten Aufgabe vorgeschlagene Vorrichtung zum Kühlen eines Brennstoffzellenstapels in einem Brennstoffzellensystem, insbesondere in einem PEM-Brennstoffzellensystem, umfasst einen Kühlkreis mit einem zirkulierenden Kühlmedium. Erfindungsgemäß ist der Kühlkreis als thermodynamischer Kreisprozess mit einem Verdampfer und einem Kondensator ausgeführt, wobei vorzugsweise der Brennstoffzellenstapel den Verdampfer und/oder ein in den Kühlkreis integrierter Radiator den Kondensator ausbildet bzw. ausbilden.
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Durch die Ausführung des Kühlkreises als thermodynamischer Kreisprozess erfährt das Kühlmedium Zustandsänderungen, und zwar im Verdampfer von flüssig nach gasförmig und im Kondensator von gasförmig nach flüssig. Über die Zustandsänderung von flüssig nach gasförmig wird eine Erhöhung der Energiedichte erreicht, so dass die eingangs genannten Nachteile einer Flüssigkeitsumlaufkühlung - analog dem zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren - beseitigt oder zumindest verringert werden.
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Die vorgeschlagene Vorrichtung ist insbesondere zur Durchführung des zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet. Mit Hilfe der Vorrichtung sind demnach die gleichen Vorteile wie mit Hilfe des Verfahrens erzielbar.
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Durch die Verwendung des Brennstoffzellenstapels als Verdampfer wird eine Zustandsänderung des Kühlmediums von flüssig nach gasförmig erzielt, so dass der Brennstoffzellenstapel von einem eine Zustandsänderung durchlaufenden Kühlmedium durchströmt wird, das gegenüber dem Kühlmedium in flüssigem Zustand eine höhere Energiedichte besitzt. Um die Zustandsänderung im Brennstoffzellenstapel herbeizuführen, wird vorgeschlagen, dass der Siedepunkt des Kühlmediums 50-80°C bei 1-4 bar absolut beträgt. Der Siedepunkt liegt somit im Bereich bzw. knapp unterhalb der normalen Betriebstemperatur des Brennstoffzellenstapels. Als Kühlmedium mit einem entsprechenden Siedepunkt kann beispielsweise Aceton, Hexan oder Methanol eingesetzt werden.
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Ferner wird vorgeschlagen, dass der Kühlkreis zur Umgehung des Radiators ein Bypassventil und einen Bypasspfad aufweist. Das Kühlmedium kann somit bei einem Kaltstart des Brennstoffzellensystems an dem Radiator vorbeigeführt werden, so dass dieser schneller die Siedetemperatur erreicht.
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Der Kühlkreis kann darüber hinaus eine Pumpe, eine Drossel, eine Expansionsmaschine und/oder mindestens einen Wärmeübertrager umfassen. Mit Hilfe der Pumpe kann das Kühlmedium vor dem Eintritt in den Brennstoffzellenstapel verdichtet werden. Vorteilhafterweise wird das Kühlmedium nach dem Verdichten und vor dem Eintritt in den Brennstoffzellenstapel zudem vorgewärmt, so dass im Brennstoffzellenstapel schneller die Siedetemperatur des Kühlmediums erreicht wird. Zum Vorwärmen kann beispielsweise ein in den Kühlkreis zwischen der Pumpe und dem Brennstoffzellenstapel angeordneter Wärmeübertrager verwendet werden. Nach dem Brennstoffzellenstapel kann ein weiterer Wärmeübertrager im Kühlkreis angeordnet sein, um das Kühlmedium zu überhitzen, bevor es mit Hilfe einer weiter stromabwärts angeordneten Drossel oder Expansionsmaschine entspannt wird.
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Ist in den Kühlkreis eine Drossel integriert, ist der Drosselquerschnitt vorzugsweise regelbar. Über den regelbaren Drosselquerschnitt und die Pumpendrehzahl kann dann das Druckniveau im Kühlkreis eingestellt werden. Beispielsweise kann das Druckniveau an die Last des Brennstoffzellensystems angepasst werden.
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Ist in den Kühlkreis eine Expansionsmaschine anstelle einer Drossel integriert, kann die Arbeit der Expansionsmaschine zum Antreiben eines Generators genutzt werden. Mit Hilfe des Generators kann dann elektrische Energie erzeugt werden, die beispielsweise ins Bordnetz des Fahrzeugs eingespeist wird. Zugleich wird die Wärmeabgabe des Kondensators an die Umgebung gesenkt.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Diese zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung einer ersten erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Kühlen eines Brennstoffzellenstapels in einem Brennstoffzellensystem,
- 2 das zur Vorrichtung der 1 zugehörige T-s-Diagramm,
- 3 eine schematische Darstellung einer zweiten erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Kühlen eines Brennstoffzellenstapels in einem Brennstoffzellensystem und
- 4 das zur Vorrichtung der 3 zugehörige T-s-Diagramm.
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Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
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Die in der 1 dargestellte Vorrichtung zum Kühlen eines Brennstoffzellenstapels 1 in einem Brennstoffzellensystem eines Fahrzeugs umfasst einen Kühlkreis 2, in den der Brennstoffzellenstapel 1 integriert ist. Der Brennstoffzellenstapel 1 wird somit von dem Kühlmedium des Kühlkreises 2 durchströmt. In den Kühlkreis 2 sind ferner ein Radiator 3, eine Pumpe 8, eine Drossel 9 sowie ein erster und ein zweiter Wärmeübertrager 6, 7 integriert. Der Kühlkreis 2 weist demnach alle Komponenten auf, die zur Ausbildung eines thermodynamischen Kreisprozesses erforderlich sind. In diesem Kreisprozess besitzt der Brennstoffzellenstapel 1 die Funktion eines Verdampfers. Der Radiator 3 bildet einen Kondensator aus.
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Wie insbesondere auch dem T-s-Diagramm der 2 zu entnehmen ist, wird von A nach B das im Kühlkreis 2 zirkulierende, noch flüssige Kühlmedium mit Hilfe der Pumpe 8 isentrop verdichtet. Von B nach C wird es beim Durchströmen des Wärmeübertragers 6 vorgewärmt. Die Vorwärmung endet mit Erreichen der Siedetemperatur des Kühlmediums. Zum Beenden der Vorwärmung wird ein Bypassventil 12 in einem Bypasspfad 11 geöffnet, der eine Umgehung des Wärmeübertragers 6 ermöglicht. Zwischen C und D erfolgt im Brennstoffzellenstapel 1 die isotherme Verdampfung des Kühlmediums. Das heißt, dass das Kühlmedium seinen Zustand von flüssig nach gasförmig ändert. Im Interesse einer möglichst homogenen und stabilen Verdampfung wird der Siedebereich des Kühlmediums während der gesamten Passage durch den Brennstoffzellenstapel 1 möglichst nicht verlassen. Von D nach E wird das gasförmige Kühlmedium mit Hilfe des weiteren Wärmeübertragers 7 isobar überhitzt und anschließend von E nach F mit Hilfe der Drossel 9 isenthalp gedrosselt bzw. entspannt. Von F zurück nach A wird das Kühlmedium im Radiator 3 abgekühlt, so dass es eine Zustandsänderung von gasförmig nach flüssig erfährt. Ab da beginnt der Kreislauf von vorn.
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Bei einem Kaltstart des Brennstoffzellensystems kann ein Bypassventil 4 geöffnet werden, so dass ein den Radiator 3 umgehender Bypasspfad 5 freigegeben wird. Der Bypasspfad 5 kann solange geöffnet bleiben, bis das Kühlmedium im Brennstoffzellenstapel 1 die Siedetemperatur erreicht hat. Bis zu diesem Zeitpunkt findet keine Zustandsänderung bzw. kein Phasenwechsel im Kühlkreis 2 statt.
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Die in der 3 dargestellte Vorrichtung zum Kühlen eines Brennstoffzellenstapels 1 in einem Brennstoffzellensystem eines Fahrzeugs weist im Unterschied zur Vorrichtung der 1 keine Drossel 9, sondern eine Expansionsmaschine 10 auf. Von E nach F wird demnach das Kühlmedium nicht isenthalp, sondern isentrop entspannt. Die abgeführte Arbeit kann zum Antreiben eines Generators 13 verwendet werden. Die mit Hilfe des Generators 13 erzeugte elektrische Energie kann dann in das Bordnetz des Fahrzeugs eingespeist werden. Durch diese Änderung muss zudem im Radiator 3 weniger Wärme abgeführt werden (siehe T-s-Diagramm der 4).
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Analog der 1 kann auch bei der Vorrichtung der 3 bei einem Kaltstart ein Bypassventil 4 geöffnet und ein Bypasspfad 5 zur Umgehung des Radiators 3 freigegeben werden.
