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Die Erfindung betrifft Brennstoffzellen
mit Polymerelktrolytmembranen (PEM). Bei Brennstoffzellen dieses
Typs ist zu berücksichtigen,
dass die Protonenleitfähigkeit
und damit die Leistungsausbeute der Zelle stark vom Befeuchtungsgrad
der Membran abhängt.
Es ist aus diesem Grund eine hohe relative Feuchte in der Zelle
gefordert. Dies läßt sich
grundsätzlich
durch eine niedrige Temperatur und hohen Druck der Reaktionsgase
erreichen. Dabei wird durch einen niedrigen Wasserdampfsättigungsdruck
und verringerte Wasseraufnahme der Gase die Austrocknung der Membran
reduziert und der technische Aufwand einer Befeuchtung der Reaktionsgase
ist relativ gering.
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Andererseits ist, besonders für traktionsgeeignete
PEM-Brennstoffzellensysteme,
eine hohe Betriebstemperatur und ein niedriger Druck der Reaktionsgase
von Vorteil. Die hohe Betriebstemperatur ermöglicht eine Verkleinerung des
Kühlungssystems
bzw. des Wärmetauschers
bei gleicher Wärmeabfuhr
durch ein höheres
Temperaturgefälle.
Der niedrigere Druck der Reaktionsgase setzt die erforderliche Verdichterleistung herab.
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Stand der Technik ist es, einen Brennstoffzellenstack,
oder mehrere Stacks parallel, mit Reaktionsgasen unter einem hohen
Druck zu versorgen. Unter einem Stack ist hier die Verschaltung
von mehreren Einzelzellen zu verstehen. Die Reaktionsgase verlassen
den Stack oder die Stacks noch mit einem relativ hohen Druck. Diese
Gase werden in einer nachgeschalteten Tur bine unter Abgabe von Arbeit
auf Umgebungsdruck expandiert. Die so gewonnene Energie kann dem
Verdichter der Reaktiongase zugeführt werden. Der hohe Druck
der Reaktionsgase vermindert den Austrocknungseffekt der Zellen
und die Betriebstemperatur der Stacks kann angehoben werden. Solch
ein Brennstoffzellensystem ist z.B. in der
EP 0776529 B1 beschrieben.
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Nachteile des Systems sind die zusätzlichen
Bauteile, besonders die Turbine mit beweglichen Teilen, eine zusätzliche
Verminderung der Dynamik des Systems durch die Kopplung Turbine – Verdichter
und eine erhöhte
Anforderung an die Dichtungskomponenten des Systems. Weiterhin müssen die
Reaktionsgase bei den geforderten hohen Temperaturen vorbefeuchtet
werden, da die Druckerhöhung
der Gase alleinig zur Vermeidung des Austrocknungseffekts nicht
ausreicht. Eine Vorbefeuchtung der Reaktionsgase bedeutet wiederum
einen zusätzlichen
technischen Aufwand.
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Eine Kombination von Brennstoffzellenstacks,
die bei unterschiedlichen Temperaturen betrieben werden, wird beschrieben
in der
EP 1009050 A2 .
Bei dieser Anordnung durchströmen
die Reaktionsgase zunächst
einen ersten Stack aus Brennstoffzellen, die für eine hohe Betriebstemperatur
ausgelegt sind (HT-Stack),
und werden anschließend
in einen zweiten Stack aus Brennstoffzellen geleitet, die für eine niedrigere
Betriebstemperatur (NT-Stack) ausgelegt sind. Durch Wärmetransport
vom HT-Stack zum NT-Stack soll erreicht werden, dass bei Inbetriebnahme
(Kaltstart) die Aufheizphase des gesamten Stack-Systems bis zum Erreichen der Dauer-Betriebsbedingungen
verringert wird.
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Die vorliegende Erfindung geht aus
von dem dargestellten Stand der Technik. Ihr liegt die Aufgabe zugrunde,
ein alternatives System aus PEM-Brennstoffzellenstacks zu entwickeln,
das im Dauerbetrieb einen hohen Wirkungsgrad durch günstige Befeuchtungs-
und Druckwerte der Reaktionsgase erreicht.
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Dies wird erreicht durch das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem
mit den Merkmalen des Hautanspruchs. Weitere Details und vorteilhafte
Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Das erfindungsgemäße PEM-Brennstoffzellensystem
wird im Folgenden näher
beschrieben unter Bezug auf die Figuren und die darin verwendeten
Angaben.
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Es zeigt
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1:
ein nach dem Stand der Technik übliches
Brennstoffzellensystem mit parallel verschalteten identischen Stacks
(1-3)
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2:
das Grundschema des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems
mit Stacks verschiedener Betriebstemperatur (A, B), die nacheinander
von den Reaktanden durchströmt
werden
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3:
ein Ausführungsbeispiel
des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems
mit Angabe von Druckwerten des Kathodengases (z.B. Frischluft)
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4 – 6:
Ausführungsbeispiele
des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems
mit Sauerstoffanreicherung des Kathodengases an verschiedenen Einlaßpunkten
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7:
Ausführungsbeispiel
des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem
mit vorgeschalteter Befeuchtung des Kathodengases
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8:
Ausführungsbeispiel
des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems
nach 7 mit zusätzlicher
Sauerstoffanreicherung
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9:
Ausführungsbeispiel
des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems
mit Führung
des Kühlmediums
im Kühlkreislauf
des Systems
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10:
Ausführungsbeispiel
nach 9 mit zusätzlicher
Bypass-Steuerung des Kühlmittelflusses über zwischengeschaltete
Ventile
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11:
Ausführungsbeispiel
des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems
mit getrennten Kühlmittelkreisläufen für vorgeschaltete
und nachgeschaltete Stacks
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12:
Ausführungsbeispiel
nach 11 mit kombinierten
Wärmetauschern.
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Die 1 stellt
den aktuellen Stand der Technik eines Brennstoffzellensystems dar.
Die Reaktionsgase, auf der Kathodenseite trockene Luft (Position 1),
werden in Stacks mit gleicher elektrischer Leistung eingeleitet.
Das Kathodengas wird nach den Stacks (Position 2) in einer
Turbine oder Kompex auf Umgebungsdruck unter Abgabe von Arbeit entspannt
(Position 3). Die einzelnen Zustandsgrößen und Parameter des Kathodengases
an den Punkten 1-3 sind in Tabelle A wiedergegeben. Das
Kühlfluid
verläßt die Brennstoffzelle mit
einer Temperatur von 80°C.
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Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem kombiniert
demgegenüber
zwei oder mehrere Stacks aus Polymerelektrolytmembranen, die bei
unterschiedlichen Betriebstemperaturen arbeiten (Abkürzungen: niedrige
Betriebstemperatur – NT,
bzw. höhere
Betriebstemperatur – HT).
Die Reaktionsgase und das Kühlmedium
werden zunächst
den NT-Stacks auf einem niedrigen bis mittlerem Druckniveau zugeführt und
nach der Versorgung dieser Zellen in mindestens einen weiteren HT-Stack
eingeleitet.
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2 zeigt
schematisch eine solche Anordnung von NT- und HT-Stacks. Die Reaktionsgase
werden zunächst
in die NT-Stacks (A1, A2) eingeleitet (Punkt 1). Das Kathodengas
(hier: Luft) wird nach den NT-Stacks (Punkt 2) einem HT-Stack
(B) zugeführt.
Die NT- und HT-Stacks können
gleiche elektrische Leistung aufweisen. Dies ist aber nicht zwingend
erforderlich und die Stacks können
auch unterschiedliche Leistungsgrößen aufweisen, um z.B. identische
Bauteile insbesondere Bipolarplatten in allen Stacks zu verwenden.
Am Ausgang des HT-Stacks (Punkt 3) herrscht Umgebungsdruck
oder geringer Überdruck.
Die einzelnen Zustandsgrößen und
Parameter des Kathodengases an den Punkten 1-3 sind in
Tabelle B wiedergegeben. Das Kühlfluid
verläßt die Brennstoffzelle
mit einer relativ hohen Temperatur von 90°C.
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3 stellt
eine Erweiterung des Brennstoffzellensystems nach 2 mit einer unterschiedlichen Anzahl
der NT-Stacks dar.
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In einer weiteren Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems
wird die zugespeiste Kathodenluft mit Sauerstoff angereichert. Diese
Anordnung ist dargestellt in der 4.
Die Kathodenluft wird z.B. mit Hilfe eines PSA-Verfahrens mit O2 angereichert. Die Reaktionsgase werden
in die NT-Stacks (Punkt 1) eingeleitet. Das Kathodengas
(hier: Luft) wird nach Durchströmen
der NT-Stacks (Punkt 2) einem HT-Stack zugeführt. Die
Stacks können
eine gleiche elektrische Leistung aufweisen. Am Ausgang des HT-Stacks
(Punkt 3) herrscht beispielsweise Umgebungsdruck. Die Sauerstoffanreicherung
verbessert die Stackleistung durch einen höheren O2-Partialdruck
und damit verbesserte Diffusion, wobei die Zellen – aufgrund
eines kleineren Volumenstromes – nicht
so stark ausgetrocknet werden. Die erhöhte relative Feuchte kann genutzt
werden, um die Stacktemperatur weiter zu erhöhen. Wie in den 4, 5 und 6 dargestellt,
kann die Anreicherung der Kathodenluft mit Sauerstoff vor den NT-Stacks und/oder vor
den nachgeschalteten HT-Stacks stattfinden.
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Die Reaktionsgase können den
vorgeschalteten NT-Stacks trocken oder nur gering befeuchtet zugeführt werden.
Da die Betriebstemperaturen dieser NT-Stacks relativ gering sind,
unterbleibt ein Austrocknen der PEM-Membranen. Nach Durchlaufen
der NT-Stacks sind die Reaktionsgase, insbesondere auf der Kathodenseite
(durch Rückdiffusion
aber auch Anodenseite), aufgrund der erfolgten Reaktion befeuchtet
und werden nun den HT-Stacks zugeführt. Diese systembedingte Befeuchtung
der Reaktionsgase durch (Teil-)Reaktion in den NT-Stacks erlaubt
es, die nachgeschalteten Stacks auf einem etwas niedrigeren Druck
und einer deutlich höheren
Temperatur zu betreiben, ohne deren PEM-Membranen dadurch auszutrocknen.
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Das Anodengas (z.B. durch Reformierung
gewonnener Wasserstoff) kann beispielsweise jedem einzelnen Stack
des Brennstoffzellensystems parallel zugeführt werden. Vorzugsweise wird
das Anodengas zunächst
den vorgeschalteten NT-Stacks zu geführt und anschließend den
nachgeschalteten HT-Stacks. Dabei kann das Anodengas beispielsweise
zunächst
durch alle NT-Stacks
sequentiell geleitet werden und anschließend in gleicher Weise die
HT-Stacks versorgen. Alternativ können auch Gruppen von Stacks
(im NT und/oder HT-Bereich) parallel vom Andodengas durchströmt werden.
Bei entsprechender Führung
des Anodengases kann auch ein sog. "dead end" Betrieb erreicht werden, d.h., dass
der zugeführte
Wasserstoff nicht mehr aus dem System herausgeführt wird, sondern vollständig chemisch
umgesetzt wird ("dead
ended system" vgl.
auch WO9410716). Diese vollständige
chemische Umsetzung kann auch durch eine Rückführung (Loop-Betrieb) des noch
unverbrauchten Wasserstoffes wieder an den Anodeneingang, z.B. durch
eine jet-pump, realisiert werden. Auch bei dieser Ausführung werden
die Reaktionsgase vorzugsweise im Gegenstrom betrieben.
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Wie in den 4, 5 und 6 für das Kathodengas dargestellt,
kann in entsprechender Weise auch das Anodengas an verschiedenen
Einlassstellen durch Zufuhr von Wasserstoff angereichert werden.
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In einer erweiterten Ausführung können die
Reaktionsgase am Eingang der Stacks (NT und/oder HT) befeuchtet
werden, beispielsweise durch einen Gas/Gas-Befeuchter. Diese Befeuchtung
ermöglicht
es, die Temperaturen der Stacks weiter zu erhöhen oder/und den Druck weiter
zu senken. 7 zeigt als
Beispiel ein solches Brennstoffzellensystem mit zusätzlicher
Befeuchtung des Kathodengases. Die Kathodenluft am Eingang der vorgeschalteten
NT-Stacks (A1, A2) wird mit Hilfe eines Gas/Gas-Befeuchters durch
die Abluft des nachgeschalteten HT-Stacks (B) befeuchtet. Anschließend wird
die Kathodenluft am Ausgang der vorgeschalteten Stacks (A1, A2)
in den nachgeschalteten HT-Stack (B) geleitet. Dieses System erlaubt
durch einen noch besseren Befeuchtungsgrad eine weitere Steigerung
der Temperaturen und/oder Drucksenkung der Kathodenluft. Weiterhin
kann somit der Kathodenluftausgang der nachgeschalteten HT-Stacks
ohne Druckhalteventil über
dem Umgebungsdruck gehalten werden. Zur Regulierung des Befeuchtungsgrades
können
an verschiedenen Punkten der Gasführung (vor und nach den NT-
und HT-Stacks) Feuchtigkeitssensoren eingebracht werden, über deren
Messwerte die Rückführung der
abreagierten Gase (hier: Luft) gesteuert wird. Entsprechend kann
mit den Anodengasen verfahren werden.
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8 zeigt
ein erweitertes Brennstoffzellensystem entsprechend 7 mit zusätzlicher Anreicherung der Kathodenluft
mit O2. Wie dargestellt kann die Kathodenluft
am Eingang der NT-Stacks angereichert werden. Alternativ ist eine
Sauerstoffanreicherung auch zusätzlich
oder nur am Ausgang der vorgeschalteten NT-Stacks bzw. am Eingang
der nachgeschalteten HT-Stacks möglich
(nicht dargestellt). Dieses System erlaubt durch einen noch besseren
Befeuchtungsgrad eine weitere Steigerung der Temperaturen und/oder Drucksenkung
der Kathodenluft und durch die O2 Anreicherung
eine Leistungsverbesserung und eine bessere Vermeidung von Austrocknungseffekten.
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In einer speziellen Ausführung des
erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems
besitzt jeder Stack separat, oder die Gruppe der vorgeschalteten
NT-Stacks und die Gruppe der nachgeschalteten HT-Stacks jeweils
einen Kühler
bzw. Wärmetauscher
für das
Kühlfluid.
Diese können
baulich getrennt sein oder in einem Gesamtkühler mit Trennung des Kühlfluids
nach höherer
und niedriger Temperatur integriert sein. Bei baulicher Trennung
erreicht man z.B. eine höhere
Freiheit bei der Anordnung der Kühler
und bei einem Gesamtkühler kann
dieser kompakt gebaut werden. Beim Gesamtkühler wird vorzugsweise das
zur Wärmeabfuhr
benutzte Medium, z.B. Umgebungsluft erst dem Bauraum mit dem Kühlfluid
der niedrigeren Temperatur zugeführt.
Desweiteren kann die Ausgangstemperatur des Kühlfluids eines Stacks oder
mehreren Stacks über
den zugeführten
Volumenstrom über
einen Bypass geregelt werden. Somit können die Volumenströme der einzelnen Stacks
und dadurch die Ausgangs- und zum Teil die Eingangstemperatur der
Stacks angepaßt
werden.
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9 zeigt
ein erstes Beispiel für
die Führung
des Kühlmediums
im Kühlkreislauf
des erfindungsgemäßen Systems.
Das Kühlmedium
wird zuerst den NT-Stacks (A1, A2) zugeführt und anschließend in
die nachgeschalteten HT-Stacks (B). Die Temperatur des Kühlmediums
steigt entlang der Stacks (Punkte 1-3) und wird mit der
höchsten
Temperatur dem Wärmetauscher
zugeführt
(Punkt 3). Im Wärmetauscher
gibt das Kühlmedium
die aufgenommene Wärme
ab und wird den vorgeschalteten NT-Stacks wieder zugeführt. Das
Kühlmedium
wird vorzugsweise im Gleichstrom mit dem Kathodengas in jedem Stack
geführt,
um Austrocknungseffekten entgegen zu wirken.
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Die Ausgangstemperaturen der Stacks
können
durch Regelung der Volumenströme
des Kühlmediums,
z.B. über
einen Bypass und 3-Wege-Ventile,
geregelt werden. Diese Ausführungsform
ist in 10 dargestellt.
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11 zeigt
eine andere Ausführungsform,
bei der für
die vorgeschalteten NT-Stacks (A1, A2) und den nachgeschalteten
HT-Stacks jeweils getrennte Kühlkreisläufe vorhanden
sind. Hier können
auch unterschiedliche Kühlmedien
eingesetzt werden (Kühlmedium
A, Kühlmedium
B), um eine bauliche Trennung der Kühler zu erreichen und die Kühler effektiv
für die
jeweiligen Temperaturen auszulegen. Gleichzeitig ist dadurch eine
Redundanz beim Ausfall eines Kühlkreislaufes
gegeben.
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12 zeigt
eine Abwandlung der Anordnung nach 11 mit
getrennten Kühlkreisläufen, bei
der die Kühler
zu einem Gesamtkühler
verbunden sind. Damit ist sowohl eine Trennung des Kühlfluids
nach höherer und
niedriger Temperatur (Kühlmedium
A, Kühlmedium
B) möglich,
als auch eine kompakte Bauart des Kühlers, bei Redundanz gegen
Ausfall eines Kühlkreislaufes.
Beim Gesamtkühler
wird vorzugsweise das zur Wärmeabfuhr
benutzte Medium, z.B. Umgebungsluft, erst dem Kühlerbereich mit dem Kühlfluid
der niedrigeren Temperatur zugeführt.
Die beiden Kühlmedien,
wie auch das wärmeabführende Medium
(hier: Umgebungsluft) können
im Gesamtkühler
im Gleich-, Gegen- oder Kreuzstrom betrieben werden Die Regelung
der Stacktemperaturen kann über
den Volumenstrom des jeweiligen Kühlmittels, z.B. durch Steuerung
der Pumpleistung oder mittels Bypass/3-Wege-Ventile erfolgen.
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Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem eignet
sich insbesondere für
PEM-Niederdruckstacks (NT und HT). Das Kühlmedium wird dabei zuerst
den vorgeschalteten NT-Stacks zugeführt und durchläuft dann
die nachgeschalteten Stacks mindestens teilweise. Das Kühlmedium
wird vorzugsweise im Gleichstrom mit dem Kathodengas in jedem Stack
geführt.
Die Reaktionsgase werden innerhalb der einzelnen Stacks vorzugsweise
im Gegenstrom geführt.
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Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem bietet
den Vorteil, dass aufgrund des mittleren Druckniveaus die benötigte Verdichterleistung
geringer als bei einem Hochdrucksystem, wie es im Stand der Technik beschrieben
ist. Das System wird durch den Wegfall der Turbine vereinfacht.
Der Wirkungsgrad des Subsystems Brennstoffzelle-Kathodenluftverdichter
weist dadurch einen besseren Wirkungsgrad auf. Weiterhin kann das
Kühlungssystem
bzw. der Wärmetauscher
durch die hohe Temperatur kompakter ausgelegt werden. Bei geeigneter
Ausführung,
besonders durch die Auslegung von unterschiedlichen Leistungsgrößen der
Stacks, können
baugleiche MEAs und/oder Bipolarplatten für die Stacks verwendet werden.