DE10203311B4

DE10203311B4 - Brennstoffzellensystem und Verfahren zum Betreiben desselben

Info

Publication number: DE10203311B4
Application number: DE10203311A
Authority: DE
Inventors: Dipl.-Ing. Kaufmann Lars
Original assignee: NuCellSys GmbH
Current assignee: Mercedes Benz Fuel Cell GmbH
Priority date: 2002-01-29
Filing date: 2002-01-29
Publication date: 2012-12-06
Anticipated expiration: 2022-01-30
Also published as: DE10203311A1

Abstract

Brennstoffzellensystem (1) mit einer Brennstoffzelle (2), welche eine Brennmittel-Zuführleitung (6), eine Brennmittel-Abführleitung (7), eine Oxidationsmittel-Zuführleitung (8), eine Oxidationsmittel-Abführleitung (9) und Kühlräume (10) aufweist, wobei in der Oxidationsmittel-Zuführleitung (8) ein Kompressor (11) und ein Ladeluftkühler (14) angeordnet sind, wobei die Kühlräume (10) gemeinsame mit einem Kühler (18), einer Kühlmittelpumpe (17) und der Gegenseite (15) des Ladeluftkühlers (14) in einem Brennstoffzellen-Kühlkreislauf (16) angeordnet sind, und wobei in dem Brennstoffzellen-Kühlkreislauf (16) eine mittels eines Ventils (20) steuerbare Bypassleitung (19) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Ladeluftkühler (14) zwischen dem Kompressor (11) und der Brennstoffzelle (2) in der Oxidationsmittel-Zuführleitung (8) angeordnet ist, und dass die Bypassleitung (19) derart parallel zum Kühler (18) im Brennstoffzellen-Kühlkreislauf (16) angeordnet ist, dass die Kühlmittelpumpe (17), die Kühlräume (10) und die Gegenseite (15) des Ladeluftkühlers (14) in einem durch die Bypassleitung (19) gebildeten Kurzschlusskreislauf angeordnet sind.

Description

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem mit einem Ladeluftkühler gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1, sowie ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Brennstoffzellensystems gemäß Anspruch 9.
Aus der WO 01/39308 A2 ist ein gattungsgemäßes Brennstoffzellensystem bekannt, bei dem die Brennstoffzelle in einen Kühlkreislauf integrierte Kühlräume aufweist. Im Kühlkreislauf ist außerdem eine Kühlmittelpumpe und ein von Kühlluft beaufschlagter Kühler vorgesehen. Die Kathodenluft wird mit Hilfe eines in der Kathodenzuleitung angeordneten Verdichters komprimiert. Zusätzlich wird die Luft vor der Komprimierung mit Hilfe eines stromauf des Verdichters in der Kathodenzuleitung angeordneten Wärmetauschers vorgewärmt, wobei die hierfür benötigte Wärmeenergie aus dem Kühlkreislauf der Brennstoffzelle entnommen wird. Da die vorgewärmte Luft nach der Komprimierung sehr heiß ist, muss weiterhin zwischen Verdichter und Brennstoffzelle ein Ladeluftkühler in der Kathodenzuleitung angeordnet werden. Dieser wird von einem gesteuerten Bypassstrom des Kühlkreislaufs gekühlt.
Nachteilig bei dieser Anordnung ist, dass die bereits vorgewärmte Luft verdichtet wird. Dadurch ergibt sich eine Reduzierung des Wirkungsgrades. Außerdem ist ein zweiter Wärmetauscher zur Kühlung der komprimierten Luft in der Kathodenzuführung notwendig. Weiterhin muss durch die Anordnung der Kühlmittelpumpe stromab des Kühlers der komplette Kühlkreislauf, einschließlich Kühler, in allen Betriebsbedingungen durchströmt werden, so dass ein schneller Kaltstart nicht möglich ist.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Brennstoffzellensystem mit verbessertem Gesamtwirkungsgrad und verbesserten Kaltstarteigenschaften sowie ein verbessertes Verfahren zum Betreiben eines solchen Brennstoffzellensystems zu schaffen.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand des Anspruches 1 beziehungsweise des Anspruches 9 gelöst. Vorteilhafte Ausführungen sind Gegenstand weiterer Ansprüche.
Erfindungsgemäß weist das Brennstoffzellensystem einen Ladeluftkühler auf, der zwischen Kompressor und Brennstoffzelle in der Oxidationsmittel-Zuführleitung angeordnet ist. Weiterhin weist die Brennstoffzelle Kühlräume auf, die zusammen mit einem Kühler, einer Kühlmittelpumpe und der Gegenseite des Ladeluftkühlers in einen Brennstoffzellen-Kühlkreislauf integriert sind. Weiterhin ist in dem Brennstoffzellen-Kühlkreislauf parallel zum Kühler eine steuerbare Bypassleitung derart vorgesehen, dass die Kühlräume der Brennstoffzelle, die Kühlmittelpumpe und die Gegenseite des Ladeluftkühlers einen Kurzschlusskreislauf bilden. Dieser weist eine geringe thermische Masse auf, so dass beim Kaltstart eine rasche Erwärmung der Brennstoffzelle gewährleistet wird. Die hierfür benötigte Wärme wird durch die Komprimierung des Oxidationsmittels in der Oxidationsmittel-Zuführleitung generiert und über den Ladeluftkühler in den Kühlkreislauf übertragen. Das heißt, die heiße Luft aus dem Kompressor kann somit das Kühlwasser der Brennstoffzelle aufwärmen, was bei einer Verdichtung von Umgebungsdruck auf 4 bar einer Wärmezufuhr von bis zu 10 kW entspricht.
Gleichzeitig kann mit diesem einen Wärmetauscher im Normalbetrieb der Brennstoffzelle das Oxidationsmittel und die Brennstoffzelle selbst auf eine einheitliche Betriebstemperatur erwärmt oder gekühlt werden. Ein zweiter Wärmetauscher in der Oxidationsmittel-Zuführleitung wird nicht benötigt. Außerdem kann die Verdichtung des Oxidationsmittels ohne die Vorwärmung mit verbessertem Wirkungsgrad erfolgen.
Durch das Anordnen einer Turbine in der Brennstoffzellen-Abgasleitung stromab einer Oxidationseinheit kann überschüssige Wärmeenergie aus dem Brennstoffzellenabgas zurückgewonnen werden und mit Hilfe einer gemeinsamen Welle auf den Kompressor übertragen werden. Mit Hilfe der Oxidationseinheit werden brennbare Bestandteile des Brennstoffzellen-Abgases und/oder zusätzliches Brennmittel in der Abgasleitung oxidiert und dadurch die Wärmeenergie erhöht.
Durch die Anordnung einer zusätzlichen elektrischen Maschine auf der gemeinsamen Welle kann die Drehzahl noch variabler gesteuert werden und dabei Energie zugeführt oder entnommen werden. Die Ausführung der Oxidationseinheit als katalytischer Brenner führt zu verbesserten Abgaswerten des Brennstoffzellensystems.
Durch die Anordnung eines Wärmetauschers stromab der Turbine in der Brennstoffzellen-Abgasleitung kann weitere Restenergie aus dem Brennstoffzellenabgas entnommen und auf eine zu beheizende Komponente im Brennstoffzellensystem übertragen werden. Dadurch wird die an die Umgebung abgegebene Wärmemenge reduziert und damit gleichzeitig der Gesamtwirkungsgrad des Brennstoffzellensystems verbessert.
Durch das Zudosieren von Wasser stromauf und/oder stromab des Kompressors in die Oxidationsmittel-Zuführleitung kann im Normalbetrieb ein Teil der Kühlleistung durch die Verdampfungswärme aufgebracht werden. Gleichzeitig wird eine ausreichende Befeuchtung des Oxidationsmittels gewährleistet. Nicht verdampftes Wasser wird anschließend im Ladeluftkühler verdampft, wobei die benötigte Verdampfungswärme dem Kühlkreislauf entzogen wird, was zu einer Verringerung der vom eigentlichen Kühler zur Verfügung zu stellenden Kühlleistung führt.
Durch das Zudosieren von Brennmittel stromauf der Oxidationseinheit kann die Abgasenergie variabel eingestellt werden und dadurch die Turbinen- bzw. Verdichterleistung entsprechend variabel eingestellt werden. Außerdem wird ein rascher Kaltstart möglich. Eine üblicherweise vorhandene Begrenzung durch die elektrische Leistung einer Batterie ist nicht gegeben.
Beim Kaltstart wird der Kühlkreislauf erfindungsgemäß durch Schließen eines Ventils über die Bypassleitung im Kurzschluss betrieben, so dass nur eine geringe thermische Masse im Kühlkreislauf enthalten ist. Der eigentliche Kühler und gegebenenfalls weitere Komponenten werden während der Startphase nicht vom Kühlmittel durchströmt. Dadurch ist eine rasche Erwärmung der Brennstoffzelle mit Hilfe der Verdichtungswärme des Kompressors möglich. Diese Wärmeenergie wird mit Hilfe des Ladeluftkühlers auf den Kühlkreislauf übertragen. Im Normalbetrieb wird dann das Ventil in Abhängigkeit von der benötigten Kühlleistung zumindest teilweise geöffnet. Über den Ladeluftkühler werden das Kühlmittel und das Oxidationsmittel vor dem Eintritt in die Brennstoffzelle auf eine einheitliche Temperatur gekühlt bzw. erwärmt, so dass innerhalb der Brennstoffzelle keine unerwünschten Temperaturdifferenzen auftreten.
Weitere Vorteile gehen aus den Unteransprüchen und der Beschreibung hervor. Die Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnung näher beschrieben, die ein vereinfachtes Blockschaltbild eines Brennstoffzellensystems zeigt.
Das insgesamt mit 1 gekennzeichnete Brennstoffzellensystem enthalt eine mit Sauerstoff und Wasserstoff betriebene Brennstoffzelle 2. Vorzugsweise handelt es sich hierbei um eine PEM-Brennstoffzelle 2, die einen Anodenraum 3 und einen hiervon durch eine protonenleitende Membran 5 getrennten Kathodenraum 4 aufweist. Die nur schematisch dargestellte Brennstoffzelle 2 ist vorzugsweise in bekannter Weise als Brennstoffzellenstapel aus einer Vielzahl von Anoden- und Kathodenräumen 3, 4 aufgebaut. Im folgenden wird die Erfindung anhand einer PEM-Brennstoffzelle beschrieben. Der Schutzbereich soll aber dadurch nicht auf dieses Ausführungsbeispiel beschrankt werden.
Der Anodenraum 3 wird über eine Brennmittel-Zuführleitung 6 mit einem wasserstoffreichen Gas versorgt, welches nach dem Durchstromen des Anodenraumes 3 über eine Brennmittel-Abführleitung 7 abgeführt wird. Gleichzeitig wird der Kathodenraum 4 über eine Oxidationsmittel-Zuführleitung 8 mit einem sauerstoffhaltigen Gas versorgt, welches nach dem Durchströmen des Kathodenraumes 4 über eine Oxidationsmittel-Abführleitung 9 abgeführt wird. In der Brennstoffzelle 2 reagiert in bekannter Weise ein Teil des Wasserstoffs aus dem Brennmittelstrom mit einem Teil des Sauerstoffs aus dem Oxidationsmittelstrom unter Bildung von Warme und elektrischem Strom zu Wasser. Zur Abfuhr der in der Brennstoffzelle 2 gebildeten Wärme sind zusätzlich Kühlräume 10 vorgesehen, die von einem in einem Brennstoffzellen-Kühlkreislauf 16 geführten Kühlmittel durchströmt werden. Die Anordnung der Kühlraume 10 ist ebenfalls nur schematisch dargestellt.
Zur Verdichtung des Oxidationsmittels ist in der Oxidationsmittel-Zufuhrleitung 8 ein Kompressor 11 angeordnet. Zusätzlich kann in der Oxidationsmittel-Zuführleitung 8 stromauf des Kompressors 11 noch ein mechanischer Lader 12 mit zugehörigem Antriebsmotor 13 angeordnet werden, so dass die Verdichtung des Oxidationsmittels zweistufig erfolgt. Durch die Verdichtung des Oxidationsmittels wird dieses erhitzt. Daher wird das Oxidationsmittel vor dem Eintritt in den Kathodenraum 4 der Brennstoffzelle 2 mittels eines zwischen Kompressor 11 und Brennstoffzelle 2 angeordneten Ladeluftkühlers 14 auf eine fur die Brennstoffzelle 2 verträgliche Temperatur gekühlt. Zu diesem Zweck ist die Gegenseite 15 des Ladeluftkühlers 14 in den Brennstoffzellen-Kühlkreislauf 16 integriert, so dass die Gegenseite 15 ebenfalls vom Kühlmittel durchströmt wird.
Im warmen Zustand kann ein Teil der Kühlleistung auch durch Zugabe von Wasser in die Oxidationsmittel-Zuführleitung 8 bereitgestellt werden. Hierzu können entsprechende Dosierstellen 29, 30 stromauf und/oder stromab des Kompressors 11 vorgesehen sein. Das zugefuhrte Wasser wird im heißen Oxidationsmittelstrom verdampft und entzieht diesem dadurch Wärme.
Im Brennstoffzellen-Kühlkreislauf 16 sind neben den Kuhlraumen 10 der Brennstoffzelle 2 und der Gegenseite 15 des Ladeluftkühlers 14 auch noch eine Kühlmittelpumpe 17 und ein vorzugsweise von Kühlluft umströmter Kühler 18 vorgesehen. Weiterhin ist parallel zum Kühler 18 noch eine Bypassleitung 19 in dem Brennstoffzellen-Kuhlkreislauf 16 angeordnet. Zur Steuerung der Bypassmenge ist außerdem ein Ventil 20 im Brennstoffzellen-Kühlkreislauf 16 vorgesehen. Im Ausführungsbeispiel ist dieses Ventil 20 zwischen dem Kühler 18 und der Kühlmittelpumpe angeordnet. Es kann jedoch auch an beliebiger anderer geeigneter Stelle angeordnet werden. In dem durch die Bypassleitung 19 abgetrennten Teil des Brennstoffzellen-Kühlkreislaufes 16 können neben dem Kühler 18 noch weitere zu kühlende Komponenten oder weitere Teilkreisläufe integriert werden. Durch schließen des Ventils 20 wird ein Kurzschlusskreislauf mit geringer thermischer Masse ausgebildet.
Die Brennmittel-Abführleitung 7 und die Oxidationsmittel-Abführleitung 9 sind in einer Brennstoffzellen-Abgasleitung 21 zusammengeführt. In dieser Brennstoffzellen-Abgasleitung 21 ist eine Oxidationseinheit 22 vorgesehen, in der das Anodenabgas zusammen mit Kathodenabgas oxidiert wird. Alternativ oder zusätzlich zum Kathodenabgas kann auch ein anderes Oxidationsmittel eingesetzt werden. Besonders bevorzugt handelt es sich bei der Oxidationsvorrichtung 22 um einen katalytischen Brenner. Durch die Verwendung eines solchen katalytischen Brenners 22 können verbesserte Abgasemissionswerte gewährleistet werden. Prinzipiell kann jedoch auch jede andere geeignete Oxidationsvorrichtung, beispielsweise ein Brenner mit offener Flamme, verwendet werden.
Bei Bedarf kann zusätzlich ein Brennmittel über eine Dosierstelle 23 stromauf der Oxidationseinheit 22 zudosiert werden. Durch die Oxidation dieses Brennmittels in der Oxidationseinheit 22 wird die thermische Energie im Abgas und somit die Leistung einer stromab der Oxidationseinheit 22 in der Brennstoffzellen-Abgasleitung 21 angeordneten Turbine 24 erhöht. Die Turbine 24 ist zusammen mit dem Kompressor 11 auf einer gemeinsamen Welle 26 angeordnet. Durch diese Kopplung wird somit Abgasenergie zum Antrieb des Kompressors 11 zurückgewonnen.
Bei Bedarf kann auf der gemeinsamen Welle 26 eine zusätzliche elektrische Maschine 25 vorgesehen sein. Durch diese elektrische Maschine 25 kann bei Bedarf zusätzlich Energie zugeführt oder Abgasenergie in elektrische Energie umgewandelt werden und somit die Drehzahl der Welle 26 noch variabler eingestellt werden.
Die Abgasenergie, die stromab der Turbine 24 noch in der Brennstoffzellen-Abgasleitung 21 vorhanden ist, kann über einen oder mehrere Wärmetauscher 27 auf eine Komponente im Brennstoffzellensystem 1 übertragen werden. Hierfür kommen alle Komponenten 28 im Brennstoffzellensystem 1 mit einem entsprechenden Wärmebedarf in Frage, zum Beispiel ein Verdampfer oder eine Reformereinheit. Damit geht weniger Abgasenergie an die Umgebung verloren und der Gesamtwirkungsgrad des Brennstoffzellensystems 1 kann weiter verbessert werden.
Als Verdichter eignen sich prinzipiell alle Maschinen, die unter Aufnahme von Energie ein gasförmiges Medium verdichten können. Entsprechend eignen sich als Turbine prinzipiell alle Maschinen, die durch Expansion eines gasförmigen Mediums mechanische Energie erzeugen.
Während des Kaltstarts wird das Ventil 20 geschlossen, so dass der gesamte Kühlmittelstrom über die Bypassleitung 19 gefuhrt wird. Es wird somit ein Kurzschlusskreislauf ausgebildet, in dem lediglich die Kühlräume 10 der Brennstoffzelle 2, die Kuhlmittelpumpe 17 und die Gegenseite 15 des Ladeluftkuhlers angeordnet sind. Damit weist der Brennstoffzellen-Kühlkreislauf 16 während des Starts eine möglichst geringe thermische Masse auf. Dies hat den Vorteil, dass die beim Start noch kalte Brennstoffzelle 2 möglichst schnell aufgewärmt wird. Hierzu wird beim Start aus dem Oxidationsmittelstrom Wärme über den Ladeluftkühler 14 aufgenommen und über die Gegenseite 15 in den Brennstoffzellen-Kühlkreislauf 16 abgegeben. Die Wärme selbst wird mit Hilfe des Kompressors 11 in Form von Kompressionsarbeit in den Oxidationsmittelstrom eingebracht. Der Antrieb des Kompressors 11 kann über die gemeinsame Welle 26 durch die Turbine 24 erfolgen, welche wiederum durch Zugabe von Brennmittel über die Dosierstelle 23 befeuert wird. Dadurch ist ein schneller Kaltstart ohne Begrenzung durch die beispielsweise von einer Batterie elektrisch zur Verfügung gestellte Leistung möglich.
Im warmen Zustand wird in Abhängigkeit von der benötigten Kühlleistung das Ventil 20 zumindest teilweise geöffnet, so dass zumindest ein Teil des Kühlmittelstroms über den Kühler 18 geführt und dort durch die Beaufschlagung mittels Kühlluft gekühlt wird. Die Ansteuerung des Ventils 20 erfolgt im Normalbetrieb vorzugsweise in Abhängigkeit von der Kühlmitteltemperatur. Über den Ladeluftkühler 14 kann in diesem Fall bei Bedarf auch Wärme aus dem Brennstoffzellen-Kühlkreislauf 16 in den Oxidationsmittelstrom eingebracht werden. Wird beispielsweise das über die Dosierstellen 29, 30 zugegebene Wasser bei der Zugabe in den Oxidationsmittelstrom nicht vollständig verdampft, so kann das restliche Wasser noch im Ladeluftkühler 14 verdampft werden, wobei die benötigte Verdampfungswärme dann dem Kühlmittelstrom entzogen wird.

Claims

Brennstoffzellensystem (1) mit einer Brennstoffzelle (2), welche eine Brennmittel-Zuführleitung (6), eine Brennmittel-Abführleitung (7), eine Oxidationsmittel-Zuführleitung (8), eine Oxidationsmittel-Abführleitung (9) und Kühlräume (10) aufweist, wobei in der Oxidationsmittel-Zuführleitung (8) ein Kompressor (11) und ein Ladeluftkühler (14) angeordnet sind, wobei die Kühlräume (10) gemeinsame mit einem Kühler (18), einer Kühlmittelpumpe (17) und der Gegenseite (15) des Ladeluftkühlers (14) in einem Brennstoffzellen-Kühlkreislauf (16) angeordnet sind, und wobei in dem Brennstoffzellen-Kühlkreislauf (16) eine mittels eines Ventils (20) steuerbare Bypassleitung (19) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Ladeluftkühler (14) zwischen dem Kompressor (11) und der Brennstoffzelle (2) in der Oxidationsmittel-Zuführleitung (8) angeordnet ist, und dass die Bypassleitung (19) derart parallel zum Kühler (18) im Brennstoffzellen-Kühlkreislauf (16) angeordnet ist, dass die Kühlmittelpumpe (17), die Kühlräume (10) und die Gegenseite (15) des Ladeluftkühlers (14) in einem durch die Bypassleitung (19) gebildeten Kurzschlusskreislauf angeordnet sind.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennmittel-Abführleitung (7) und die Oxidationsmittel-Abführleitung (9) zu einer Brennstoffzellen-Abgasleitung (21) zusammengeführt sind, in der eine Oxidationseinheit (22) angeordnet ist, und dass stromab der Oxidationseinheit (22) eine Turbine (24) angeordnet ist, wobei die Turbine (24) und der Kompressor (11) auf einer gemeinsamen Welle (26) angeordnet sind.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass auf der gemeinsamen Welle (26) zusätzlich ein Antriebsmotor (25) angeordnet ist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Oxidationseinheit (22) als katalytischer Brenner ausgebildet ist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der Oxidationsmittel-Zuführleitung (2) stromauf des Kompressors (11) ein elektrisch angetriebener zweiter Verdichter (12) angeordnet ist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass stromab der Turbine (24) ein Wärmetauscher (27) zur Übertragung von Restwärme aus dem Brennstoffzellenabgas auf eine zu beheizende Komponente (28) im Brennstoffzellensystem (1) in der Brennstoffzellen-Abgasleitung (21) angeordnet ist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass stromauf und/oder stromab des Kompressors (11) Dosierstellen (29, 30) zur Zufuhr von Wasser in die Oxidationsmittel-Zuführleitung (8) angeordnet sind.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass stromauf der Oxidationseinheit (22) eine Dosierstelle (23) zur Zufuhr von Brennmittel in die Brennstoffzellen-Abgasleitung (21) angeordnet ist.
Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems gemäß einem der Patentansprüche 1 bis 8, wobei beim Start des Brennstoffzellensystems (1) das Ventil (20) geschlossen und dadurch der Kühlmittelstrom in einem Kurzschlusskreislauf über die Bypassleitung (19) geführt wird, und dass im Normalbetrieb das Ventil (20) in Abhängigkeit vom Kühlbedarf geöffnet wird.