DE112020005017T5 - Brennstoffzellensystem mit einem Mehrstromwärmetauscher, seine Verwendung und Verfahren für seinen Betrieb - Google Patents

Brennstoffzellensystem mit einem Mehrstromwärmetauscher, seine Verwendung und Verfahren für seinen Betrieb Download PDF

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Abstract

In einem Brennstoffzellensystem, beispielsweise HTPEM-Brennstoffzellen, insbesondere für Kraftfahrzeuge, wird eine Mehrstromwärmeaustauscheinheit verwendet, um Platz zu sparen.

Description

  • GEBIET DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung betrifft Brennstoffzellensysteme, beispielsweise HT-PEM-Brennstoffzellen, mit einem Brenner und einem Reformer und einem Wärmetauschsystem und deren Verwendung für ein Fahrzeug sowie Verfahren zum Betreiben eines solchen Brennstoffzellensystems.
  • ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
  • Bei der Leistungserzeugung mit Brennstoffzellensystemen entsteht als Nebenprodukt auch Wärme, die durch Kühlflüssigkeit abgeführt wird, welche durch Kanäle in der Brennstoffzelle zirkuliert. Die Temperatur wird durch den Strom von Kühlflüssigkeit, beispielsweise auf Basis von Glykol, durch Wärmetauscher und Kühler für eine optimierte Funktion der Brennstoffzelle eingestellt. Andererseits kann das Kühlmittel zum Erwärmen der Brennstoffzellen unter Startbedingungen verwendet werden.
  • Dreiwegewärmetauscher sind im Allgemeinen für Kühlmittelkreisläufe bekannt. Ein Beispiel für drei Kühlkreisläufe durch einen einzigen Dreiwegewärmetauscher ist in der koreanischen Patentanmeldung KR2017-0087077 offenbart. Dreiwegewärmetauscher wurden jedoch noch nicht für den Wärmeaustausch zwischen Flüssigkeiten und Gasen vorgeschlagen, um kompakte Lösungen für Brennstoffzellensysteme bereitzustellen, insbesondere in Kraftfahrzeugen. Stattdessen werden für Brennstoffzellensysteme typischerweise Zweiwegequerstromwärmetauscher als Wärmetauscher für Luft oder als Kondensatoren verwendet.
  • WO 2019/158173 A1 beschreibt ein Brennstoffzellensystem, das einen Stapel von Brennstoffzellen, die jeweils eine Kathode, eine Anode und einen Polymerelektrolyten beinhalten, und einen Kühlfluidkreislauf umfasst. Das Brennstoffzellensystem umfasst ferner eine Kathodengaszufuhr, die den Kathoden Kathodengas zuführt, und einen Reformer, der verdampften Brennstoff aufnimmt und ihn in Synthesegas umwandelt, das der Anodenseite der Brennstoffzellen zugeführt wird. Das Brennstoffzellensystem umfasst außerdem einen Reformerbrenner, der den Reformer erwärmt, einen Verdampfer, der flüssigen Brennstoff aufnimmt und diesen verdampft, um verdampften Brennstoff zu bilden, der dem Reformer zugeführt wird. Der Verdampfer wird durch die Kühlflüssigkeit des Kühlkreislaufs erwärmt.
  • WO2017/148487 offenbart ein Brennstoffzellensystem mit einem Kühlkreislauf, in dem das Kühlmittel in einen Hauptteil, der einen Wärmetauscher zum Verdampfen von Brennstoff durchläuft, und einen kleineren Teil, der einen Wärmetauscher zum Kühlen des Kühlmittels durchläuft, aufgeteilt wird. US2015/0340715 offenbart ein Brennstoffzellensystem, in dem das Kühlmittel zum Heizen und Befeuchten von Luft und Wasserstoff verwendet wird, bevor die Luft und der Wasserstoff in das Brennstoffzellenmodul eintreten. US2001/0019788 offenbart einen Kühlkreislauf, bei dem Kühlmittel zum Verdampfen von Kraftstoff verwendet wird.
  • Bei Brennstoffzellensystemen, insbesondere in der Kraftfahrzeugindustrie, besteht ein stetiger Optimierungsbedarf. Insbesondere besteht die Forderung nach Minimierung von Bauraum und Gewicht. Dieser vorstehend erwähnte Stand der Technik lehrt keinen Kathodengasheizer, der durch das Kühlkreislauffluid erwärmt wird, und dass der Kathodengasheizer und der Verdampfer in einem Dreiwegewärmeaustauschmodul kombiniert sind.
  • BESCHREIBUNG / KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
  • Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Verbesserung des Stands der Technik bereitzustellen. Insbesondere ist es eine Aufgabe, ein Brennstoffzellensystem bereitzustellen, das kompakt und nützlich ist, um auf kleinem Raum, beispielsweise in Kraftfahrzeugen, bereitgestellt zu werden. Diese Aufgabe und weitere Aufgaben werden mit einem Brennstoffzellensystem und -verfahren wie im Folgenden und in den Ansprüchen beschrieben erfüllt.
  • Wie im Folgenden dargelegt, werden verschiedene Prinzipien vorgestellt, um Kompaktheit zu erreichen und gleichzeitig den thermischen Wirkungsgrad zu optimieren.
  • Das Brennstoffzellensystem umfasst eine Brennstoffzelle, üblicherweise einen Brennstoffzellenstapel. Der Begriff Brennstoffzelle wird in dieser Schrift sowohl für eine einzelne Brennstoffzelle als auch für mehrere Brennstoffzellen, beispielsweise einen Brennstoffzellenstapel, verwendet.
  • Die Brennstoffzelle umfasst eine Anodenseite und eine Kathodenseite und eine Protonenaustauschmembran zwischen diesen zum Transport von Wasserstoffionen von der Anodenseite zur Kathodenseite durch die Membran während des Betriebs.
  • Die Brennstoffzelle gehört zum Beispiel zu dem Typ, der bei Hochtemperatur arbeitet. Der Begriff „Hochtemperatur“ ist ein auf dem technischen Gebiet der Brennstoffzellen häufig verwendeter und verstandener Begriff und bezieht sich auf Betriebstemperaturen über 120 °C im Gegensatz zu Niedrigtemperaturbrennstoffzellen, die bei niedrigeren Temperaturen arbeiten. Beispielsweise arbeitet die Brennstoffzelle im Temperaturbereich von 120-200 °C.
  • Beispielsweise ist die Brennstoffzelle in dem Brennstoffzellensystem eine Hochtemperatur-Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzelle (HT-PEM), die bei über 120 Grad Celsius funktioniert, womit sich die HT-PEM-Brennstoffzelle von Niedrigtemperatur-PEM-Brennstoffzellen unterscheidet, wobei letztere bei Temperaturen unter 100 Grad, beispielsweise bei 70 Grad, arbeiten. Die normale Betriebstemperatur von HT-PEM-Brennstoffzellen liegt im Bereich von 120 bis 200 Grad Celsius, beispielsweise im Bereich von 160 bis 170 Grad Celsius. Die Polymerelektrolytmembran PEM in der HT-PEM-Brennstoffzelle basiert auf Mineralsäure, üblicherweise einem Polymerfilm, beispielsweise mit Phosphorsäure dotiertem Polybenzimidazol. HT-PEM-Brennstoffzellen sind insofern vorteilhaft, als sie eine relativ hohe CO-Konzentration tolerieren und daher keine PrOx-Reaktoren zwischen dem Reformer und dem Brennstoffzellenstapel erfordern, weshalb einfache, leichte und kostengünstige Reformer verwendet werden können, was die Gesamtgröße und das Gesamtgewicht des Systems entsprechend dem Ziel der Bereitstellung kompakter Brennstoffzellensysteme, beispielsweise für die Kraftfahrzeugindustrie, minimiert.
  • Die Brennstoffzelle dient zur Erzeugung von Strom, beispielsweise zum Antrieb eines Fahrzeugs, wie eines Kraftfahrzeugs. Um einen Puffer für die erzeugte Elektrizität bereitzustellen, ist üblicherweise ein Batteriesystem in elektrischer Verbindung mit der Brennstoffzelle bereitgestellt.
  • Beispielsweise wird Luft verwendet, um der Brennstoffzelle Sauerstoff zuzuführen. In diesem Fall ist eine Luftzufuhr zum Zuführen von Luft zu der Kathodenseite bereitgestellt. Optional wird die Luft vor dem Eintritt in die Brennstoffzelle durch ein Lufterwärmungssystem erwärmt, um die Temperatur der Luft zu erhöhen. Die Luft stellt den Sauerstoff für die Brennstoffzelle bereit. Andere Gase der Luft strömen lediglich durch das System und werden wieder ausgeschieden.
  • Alternativ zu Luft könnte prinzipiell auch ein anderes sauerstoffhaltiges Gas oder auch reines Sauerstoffgas verwendet werden. Der Einfachheit halber wird das sauerstoffhaltige Gas, sei es reines Sauerstoffgas, Luft oder andere sauerstoffhaltige Gasgemische, hier als Kathodengas bezeichnet, das der Kathodenseite der Brennstoffzelle zugeführt wird. Entsprechend wird das Gasheizsystem im Allgemeinen als Kathodengaserwärmungssystem bezeichnet.
  • Ein erster Kühlkreislauf ist zum Rezirkulieren eines ersten Kühlmittels durch die Brennstoffzelle zum Einstellen der Temperatur der Brennstoffzelle mit dem ersten Kühlmittel bereitgestellt. Während des normalen Betriebs nimmt der erste Kühlkreislauf Wärme von der Brennstoffzelle auf, um die Temperatur stabil und in einem optimierten Bereich zu halten. Die Temperatur der Brennstoffzelle beträgt zum Beispiel 170 Grad und das erste Kühlmittel weist am Eingang der Brennstoffzelle eine Temperatur von 160 Grad auf.
  • Beispielsweise basiert das erste Kühlmittel auf Glykol. Für Kraftfahrzeuge in kalten Gegenden ist Glykol jedoch nicht optimal für den Anlaufvorgang, weshalb andere Flüssigkeiten bevorzugt werden. Beispiele für derartige andere Flüssigkeiten beinhalten Synthetiköle.
  • Ein Reformer mit Katalysator dient zur katalytischen Umwandlung von Brennstoff in Synthesegas, das das notwendige Wasserstoffgas für die Anodenseite der Brennstoffzelle enthält, das in der Brennstoffzelle zur Leistungserzeugung verwendet wird. Dementsprechend ist der Reformer mit der Anodenseite der Brennstoffzelle leitungsverbunden. Der Reformer umfasst einen Katalysator im Inneren eines Reformergehäuses, das Reformerwände aufweist.
  • Für die katalytische Reaktion in dem Reformer wird der bereitgestellte flüssige Brennstoff in einem Verdampfer verdampft, der auf seiner Stromabwärtsseite durch eine Brennstoffdampfleitung mit dem Reformer leitungsverbunden ist. Die Stromaufwärtsseite des Verdampfers ist leitungsverbunden mit einer Flüssigbrennstoffversorgung zum Aufnehmen von Brennstoff, beispielsweise einer Mischung aus flüssigem Methanol und Wasser.
  • Zum Erwärmen des Reformers auf die richtige Temperatur für die katalytische Umwandlung, beispielsweise im Bereich von 250-300 Grad, ist ein Reformerbrenner bereitgestellt, der zur Übertragung von Wärme auf den Katalysator im Inneren des Reformers in thermischem Kontakt mit dem Reformer steht. Der Reformerbrenner umfasst eine Brennerkammer, die durch Verbrennen von Anodenabgas oder Brennstoff oder beidem Rauchgas bereitstellt. Beispielsweise stellt der Reformerbrenner Rauchgas mit einer Temperatur im Bereich von 350-400 Grad bereit, das von einem Reformerbrenner bereitgestellt wird.
  • Beispielsweise strömt das Rauchgas des Reformerbrenners im Normalbetrieb an den Reformerwänden vorbei und erwärmt diese. In einer derartigen Ausführungsform steht die Brennerkammer in Fluidströmungsverbindung mit den Reformerwänden, damit das Rauchgas von der Brennerkammer zu den und an den Reformerwänden vorbei strömt, um Wärme von dem Rauchgas auf die Reformerwände zu übertragen.
  • Nach der Übertragung der Wärmeenergie von dem Rauchgas auf die Reformerwände kann die verbleibende Wärmeenergie zum Erwärmen anderer Komponenten, beispielsweise Batterien, die zum Speichern der elektrischen Energie der Brennstoffzelle dienen, oder zum Beheizen der Fahrzeugkabine genutzt werden. Der Reformerbrenner ist zum Bereitstellen von Rauchgas durch Verbrennen von Anodenabgas oder Brennstoff oder beidem ausgelegt.
  • Der Reformer und der Reformerbrenner sind zum Beispiel als eine kompakte Einheit bereitgestellt. Optional sind die Reformerwände rohrförmig und umgeben die Brennerwände, um eine Möglichkeit für eine kompakte Brenner/Reformer-Einheit bereitzustellen. Dies ist jedoch nicht unbedingt erforderlich, und eine Reihenanordnung oder eine Anordnung des Brenners/Reformers nebeneinander oder eine Anordnung, bei der ein Brenner zwischen zwei Abschnitten des Reformers angeordnet ist, ist ebenfalls möglich.
  • Aus Gründen der Kompaktheit sind das Kathodengaserwärmungssystem und der Verdampfer vorteilhafterweise in einer einzigen kompakten ersten Wärmeaustauscheinheit kombiniert, die ein erstes Gehäuse umfasst und die zur Übertragung von Wärmeenergie von dem ersten Kühlmittel innerhalb des ersten Gehäuses sowohl auf das Kathodengas als auch den Brennstoff ausgestaltet ist, sodass sowohl das Kathodengas als auch der Brennstoff Wärmeenergie vom ersten Kühlmittel aufnehmen.
  • Dabei tauscht ein erster Strom Wärme mit anderen Strömen, beispielsweise gegenläufigen Strömen, aus. Für die erste und weitere Wärmeaustauscheinheiten stehen mehr als drei Ströme zur Verfügung.
  • Beispielsweise umfasst die erste Wärmeaustauscheinheit zwei Wärmeaustauschmodule, die das erste Kühlmittel in Reihe oder parallel aufnehmen. Letzteres Prinzip ergibt einen höheren Wirkungsgrad und erlaubt eine kompaktere technische Lösung.
  • Für die Mehrstromwärmeaustauscheinheit sind verschiedene Prinzipien möglich. Beispielsweise wird das Kühlmittel in zwei oder mehr Wärmeaustauschbereiche oder Wärmeaustauschmodule umgeleitet. Dies bedeutet, dass ein erster Teil des Kühlmittels in einen der Wärmeaustauschbereiche oder eines der Wärmeaustauschmodule strömt und nur oder mindestens überwiegend in diesem Wärmeaustauschbereich oder -modul Energie mit Fluid austauscht, während ein zweiter Teil des Kühlmittels in einen anderen/ein anderes der Wärmeaustauschbereiche oder -module strömt und nur oder mindestens überwiegend Energie mit Fluid in diesem anderen Wärmeaustauschbereich oder -modul austauscht. Alternativ ist die Mehrstromwärmeaustauscheinheit von dem Typ, bei dem das Kühlmittel in einem Raum strömt, der zwischen mehreren Wärmeaustauschmodulen angeordnet ist. Die Wärme wird dabei von dem ersten Kühlmittel zwischen den Modulen auf die Fluide im jeweiligen Modul übertragen. Beispielsweise weist die Mehrstromwärmeaustauscheinheit eine dreischichtige Ausgestaltung auf.
  • In einigen praktischen Ausführungsformen der ersten Wärmeaustauscheinheit ist das Kathodengaserwärmungssystem als ein erstes Wärmeaustauschmodul bereitgestellt, und der Verdampfer ist als ein zweites Wärmeaustauschmodul bereitgestellt, und es ist ein Raum innerhalb des Gehäuses bereitgestellt, wobei der Raum zwischen dem ersten und dem zweiten Wärmeaustauschmodul angeordnet ist.
  • Optional ist es für einen Strom des ersten Kühlmittels in dem Raum zum gleichzeitigen Übertragen von Wärme von dem ersten Kühlmittel sowohl auf das erste als auch das zweite Wärmeaustauschmodul auf beiden Seiten des Raums ausgestaltet.
  • Als Optionen sind gebogene Ausgestaltungen, beispielsweise zylindrische Ausgestaltungen, aber auch ungebogene Ausgestaltungen möglich. Optional sind das erste und das zweite Wärmeaustauschmodul parallel zueinander mit dem Raum für die Strömung des Kühlmittels dazwischen bereitgestellt.
  • In anderen praktischen Ausführungsformen ist die erste Wärmeaustauscheinheit zum Abzweigen mindestens eines Teils des ersten Kühlmittels, das in das erste Gehäuse strömt, in einen ersten Teil des ersten Kühlmittels zum ausschließlichen oder überwiegenden Energieaustausch mit dem Kathodengas und einen zweiten Teil des ersten Kühlmittels zum ausschließlichen oder überwiegenden Energieaustausch mit dem Brennstoff ausgestaltet.
  • Optional umfasst die erste Wärmeaustauscheinheit ein erstes und ein zweites Wärmeaustauschmodul, wobei das erste Wärmeaustauschmodul dazu ausgestaltet ist, nur den ersten Teil des ersten Kühlmittels aufzunehmen, und das zweite Wärmeaustauschmodul dazu ausgestaltet ist, nur den zweiten Teil des ersten Kühlmittels aufzunehmen.
  • In einigen praktischen Ausführungsformen sind das erste und das zweite Wärmeaustauschmodul mit einem Abstand zueinander bereitgestellt, um die Wärmeleitung von dem ersten zu dem zweiten Wärmeaustauschmodul zu minimieren.
  • In praktischen Ausführungsformen sind mindestens drei Strömungswege in der ersten Wärmeaustauscheinheit bereitgestellt, wobei die drei Strömungswege einen ersten Strömungsweg, einen zweiten und einen dritten Strömungsweg durch die erste Wärmeaustauscheinheit umfassen. Der erste Strömungsweg ist für das erste Kühlmittel bereitgestellt und ist Teil des ersten Kühlkreislaufs. Der zweite Strömungsweg ist für das Kathodengas bereitgestellt und bildet das Kathodengaserwärmungssystem. Der dritte Strömungsweg ist für den Strom des Brennstoffs bereitgestellt und bildet den Verdampfer für den Brennstoff.
  • Dies führt jedoch zu einem komplexen Wärmeaustauschprinzip, bei dem der Wärmeaustausch mit dem Kathodengas den Wärmeaustausch mit dem Brennstoff beeinflusst. Daher umfasst die erste Wärmeaustauscheinheit alternativ für eine einfacher zu steuernde Ausgestaltung zwei Wärmeaustauschmodule mit dem zweiten bzw. dritten Strömungsweg, die jeweils zum Wärmeaustausch mit dem ersten Kühlmittel mit dem ersten Strömungsweg verbunden sind. Jedoch sind auch in diesem Fall alle Wärmeaustauschmodule für den Wärmeaustausch zwischen dem ersten Kühlmittel und dem Kathodengas sowie dem Brennstoff in derselben ersten Wärmeaustauscheinheit bereitgestellt und beinhalten einen Wärmeaustausch mit dem ersten Kühlmittel innerhalb des ersten Gehäuses.
  • In einer praktischen Ausführungsform weist die erste Wärmeaustauscheinheit einen ersten Einlass zum Einströmen des ersten Kühlmittels in das erste Gehäuse und einen ersten Auslass zum Ausströmen des ersten Kühlmittels aus dem ersten Gehäuse auf. Zwischen dem ersten Einlass und dem ersten Auslass ist der erste Strömungsweg innerhalb des ersten Gehäuses für das erste Kühlmittel bereitgestellt, wobei der erste Strömungsweg den ersten Einlass mit dem ersten Auslass verbindet.
  • Außerdem weist die erste Wärmeaustauscheinheit einen zweiten Einlass und einen zweiten Auslass für den zweiten Strömungsweg auf, der für das Kathodengas bereitgestellt ist, und der zweite Strömungsweg bildet das Kathodengaserwärmungssystem. Die erste Wärmeaustauscheinheit weist einen dritten Einlass und einen dritten Auslass für einen dritten Strömungsweg auf, der für den Strom des Brennstoffs bereitgestellt ist. Der dritte Strömungsweg bildet den Verdampfer für den Brennstoff. Optional sind weitere Strömungswege bereitgestellt.
  • In bestimmten Ausführungsformen ist der erste Einlass mit der Kühlmittelstromabwärtsseite der Brennstoffzelle leitungsverbunden, um Kühlmittel von der Brennstoffzelle aufzunehmen, nachdem das Kühlmittel die Brennstoffzelle durchquert hat. Der zweite Einlass ist mit der Kathodengaszufuhr, beispielsweise einer Luftzufuhr, zum Aufnehmen von Sauerstoffgas für die Kathodenseite der Brennstoffzelle leitungsverbunden. Der zweite Auslass ist ein Rohr, das mit der Kathodenseite der Brennstoffzelle verbunden ist, um erwärmtes Sauerstoffgas an die Brennstoffzelle bereitzustellen. Der dritte Einlass ist mit der Kraftstoffzufuhr zum Aufnehmen von Kraftstoff, beispielsweise einem Methanol/Wasser-Gemisch, leitungsverbunden. Der dritte Auslass ist mit der Anodenseite der Brennstoffzelle verbunden, um der Anodenseite der Brennstoffzelle verdampften Brennstoff zuzuführen.
  • Beispielsweise steht der erste Strömungsweg zur gleichzeitigen Übertragung von Wärmeenergie innerhalb der ersten Wärmeaustauscheinheit von dem ersten Kühlmittel auf das Kathodengas und von dem ersten Kühlmittel auf den Brennstoff mit dem zweiten und dem dritten Strömungsweg in Wärmeverbindung, um den Brennstoff und das Kathodengas während ihres Durchströmens der ersten Wärmeaustauscheinheit im Betrieb des Brennstoffzellensystems zu erwärmen.
  • Die Strömungswege sind durch wärmeleitende Wände, üblicherweise Metallwände, voneinander getrennt.
  • Wenn sich das Brennstoffzellensystem im Leistungserzeugungsbetrieb befindet, wird ein Strom des ersten Kühlmittels durch den ersten Strömungsweg, ein Strom des Kathodengases durch den zweiten Strömungsweg und ein Strom des Brennstoffs durch den dritten Strömungsweg bereitgestellt. Es wird eine gleichzeitige Übertragung von Wärmeenergie von dem ersten Kühlmittel auf das Kathodengas zum Erwärmen des Kathodengases und von dem ersten Kühlmittel auf den Brennstoff zum Verdampfen des Brennstoffs erreicht.
  • Insbesondere wird betont, dass die Wärmeübertragung auf den zweiten und dritten Strömungsweg vorteilhafterweise nicht in zwei hintereinander geschalteten Wärmeaustauschmodulen bereitgestellt wird, da dies einen Nachteil hinsichtlich des Wirkungsgrads bedeutet, indem das Kühlmittel seine Temperatur ändern würde, wenn es durch eine erste Wärmeaustauscheinheit strömen würde, bevor es die zweite erreicht, was den Wirkungsgrad verringert. Für einen höheren Wirkungsgrad ist das Prinzip eher ein paralleles Prinzip des gleichzeitigen Wärmeaustauschs von einem Medium zu zwei anderen, obwohl die Strömung selbst nicht in paralleler Bewegung sein muss.
  • In einigen praktischen Ausführungsformen wird mindestens ein Teil des Zuflusses des ersten Kühlmittels durch den ersten Einlass in den ersten Strömungsweg in einen ersten und einen zweiten Teil aufgeteilt, wobei der erste Teil des ersten Kühlmittels ausschließlich oder überwiegend mit dem Kathodengas im zweiten Strömungsweg Energie austauscht und der zweite Teil des ersten Kühlmittels ausschließlich oder überwiegend Energie mit dem Brennstoff im dritten Strömungsweg austauscht. Optional werden der erste und der zweite Teil des ersten Kühlmittels wieder zusammengeführt, bevor sie aus dem ersten Auslass der ersten Wärmeaustauscheinheit strömen.
  • Das Prinzip eines Mehrstromwärmetauschers, beispielsweise eines Dreiwegewärmetauschers, ist auch für eine andere Funktion anwendbar, wie im Folgenden erläutert wird. Diese Prinzipien können alternativ zu dem ersten Wärmetauscher oder zusätzlich eingesetzt werden.
  • Optional ist eine zweite Mehrstromwärmeaustauscheinheit als zweite Einzeleinheit mit einem zweiten Gehäuse bereitgestellt und umfasst mindestens drei Strömungswege, wobei die drei Strömungswege einen vierten, einen fünften und einen sechsten Strömungsweg durch die zweite Wärmeaustauscheinheit umfassen. Der vierte Strömungsweg ist für ein zweites Kühlmittel bereitgestellt, das sich von dem ersten Kühlmittel unterscheidet und Teil eines zweiten Kühlkreislaufs ist, der von dem ersten Kühlkreislauf verschieden und strömungsgetrennt ist. Der fünfte Strömungsweg ist für das erste Kühlmittel bereitgestellt und ist Teil des ersten Kühlkreislaufs. Der sechste Strömungsweg ist für mindestens eines der Folgenden bereitgestellt:
    1. a) das Abgas von der Kathodenseite und
    2. b) das Rauchgas aus dem Reformerbrenner.
  • Üblicherweise wird der sechste Strömungsweg sowohl für a als auch b verwendet, und die entsprechenden Gase werden stromaufwärts des sechsten Strömungswegs kombiniert. Der vierte Strömungsweg steht in Wärmeverbindung mit dem fünften und dem sechsten Strömungsweg zur gleichzeitigen Übertragung von Wärmeenergie von dem ersten Kühlmittel auf das zweite Kühlmittel zum Senken der Temperatur des ersten Kühlmittels und von dem Abgas auf das zweite Kühlmittel zum Kondensieren das Wasser des Abgases im sechsten Strömungsweg vor dem Verlassen des Brennstoffzellensystems durch einen Auspuff.
  • In einer praktischen Ausführungsform weist die zweite Wärmeaustauscheinheit einen vierten Einlass zum Zufluss des zweiten Kühlmittels und einen vierten Auslass zum Abfluss des zweiten Kühlmittels auf. Zwischen dem vierten Einlass und dem vierten Auslass ist der vierte Strömungsweg für das zweite Kühlmittel bereitgestellt, wobei der vierte Strömungsweg den vierten Einlass mit dem vierten Auslass verbindet. In ähnlicher Weise umfasst die zweite Wärmeaustauscheinheit einen fünften Einlass und einen fünften Auslass für den fünften Strömungsweg, der für das erste Kühlmittel bereitgestellt ist. Die zweite Wärmeaustauscheinheit weist zusätzlich einen sechsten Einlass und einen sechsten Auslass für einen sechsten Strömungsweg auf, der für den Strom des Abgases bereitgestellt ist. Optional sind weitere Strömungswege bereitgestellt.
  • In einigen praktischen Ausführungsformen wird mindestens ein Teil des Zuflusses des zweiten Kühlmittels durch den vierten Einlass und in den vierten Strömungsweg in einen ersten und zweiten Teil des zweiten Kühlmittels verzweigt, wobei der erste Teil des zweiten Kühlmittels ausschließlich oder überwiegend Energie mit dem ersten Kühlmittel im fünften Strömungsweg austauscht und der zweite Teil des zweiten Kühlmittels ausschließlich oder überwiegend Energie mit dem Abgas im sechsten Strömungsweg austauscht. Optional werden der erste und der zweite Teil des zweiten Kühlmittels wieder zusammengeführt, bevor sie aus der zweiten Wärmeaustauscheinheit herausströmen.
  • Im Betrieb, wenn sich das Brennstoffzellensystem im Leistungserzeugungsbetrieb befindet, wird ein Strom des zweiten Kühlmittels durch den vierten Strömungsweg und ein Strom des ersten Kühlmittels durch den fünften Strömungsweg bereitgestellt. Durch den sechsten Strömungsweg wird mindestens entweder ein Strom des Abgases von der Kathodenseite oder des Rauchgases von dem Reformerbrenner bereitgestellt. Es wird eine gleichzeitige Übertragung von Wärmeenergie von dem ersten Kühlmittel auf das zweite Kühlmittel, um die Temperatur des ersten Kühlmittels zu reduzieren, und von dem Abgas auf das zweite Kühlmittel erzielt, um das Wasser des Abgases zu kondensieren.
  • Die Tatsache, dass die Wärmeaustauscheinheiten im Mehrstromprinzip arbeiten, gestaltet die Einstellung der richtigen Temperaturen im Vergleich zur Verwendung von zwei verschiedenen Wärmetauschern komplexer. Durch die Verwendung von Temperaturmessern und Durchflussmessern, die von einer entsprechend programmierten elektronischen Steuereinrichtung gesteuert werden, kann der Durchfluss jedoch leicht eingestellt und durch ein entsprechend programmiertes logisches Rückkopplungssteuersystem während des Betriebs präzise gesteuert werden. Der Vorteil der Mehrstromwärmeaustauscheinheit ist eine weitaus komplexere technische Lösung, die sehr wenig Platz in dem Brennstoffzellensystem eines Fahrzeugs, wie eines Kraftfahrzeugs, benötigt.
  • Optional sind die drei Wege in der ersten Wärmeaustauscheinheit durch wärmeleitende Metallwände getrennt, und optional ist der erste Strömungsweg zwischen dem zweiten und dem dritten Strömungsweg ohne Wärmeleitung von dem zweiten zu dem dritten Strömungsweg angeordnet. In ähnlicher Weise sind die drei Wege in der zweiten Wärmeaustauscheinheit optional durch wärmeleitende Metallwände getrennt, und optional ist der vierte Strömungsweg ohne Wärmeleitung von dem fünften zu dem sechsten Strömungsweg zwischen dem fünften und dem sechsten Strömungsweg angeordnet.
  • Beispielsweise ist die erste Mehrstromwärmeaustauscheinheit ein Gegenstromwärmetauscher. In ähnlicher Weise ist die zweite Mehrstromwärmeaustauscheinheit optional ein Gegenstromwärmetauscher.
  • In einigen Ausführungsformen umfasst das System sowohl die erste als auch die zweite Wärmeaustauscheinheit.
  • Optional umfasst das System ferner einen Wasserabscheider, der mit dem sechsten Strömungsweg zwischen der zweiten Mehrstromwärmeaustauscheinheit und dem Auslass strömungsverbunden ist, und der Wasserabscheider ist dazu ausgestaltet, mindestens einen Teil des kondensierten Wassers aus dem Gas abzuscheiden, das aus dem sechsten Strömungsweg zum Auslass strömt.
  • In einigen praktischen Ausführungsformen umfasst die Flüssigbrennstoffversorgung ein Alkohol-, optional Methanol-Behälter zum Zuführen des Alkohols. Zusätzlich ist eine Wasserversorgung zum Zuführen von Wasser und zum Mischen des Wassers mit dem Alkohol an einer Mischstelle stromaufwärts des Verdampfers bereitgestellt.
  • Beispielsweise ist die Wasserversorgung zur Zufuhr von Wasser ausgestaltet, das aus dem Rauchgas des Brenners zurückgeführt wird. Dementsprechend ist der Wasserabscheider als weitere Option Teil eines Wasserrückführsystems zum Bereitstellen von Wasser für den Alkohol vor dem Verdampfen des Gemischs aus Alkohol und Wasser als Brennstoff.
  • In einigen nützlichen Ausführungsformen umfasst das System eine Anlauferwärmungseinrichtung zum Erwärmen des Brennstoffzellensystems unter Anlaufbedingungen vor dem normalen Leistungserzeugungsbetrieb der Brennstoffzelle. Während des Anlaufens des Brennstoffzellensystems muss die Brennstoffzelle erwärmt werden, um einen stationären Elektrizitätserzeugungszustand zu erreichen. Insbesondere für die Verwendung in Fahrzeugen sollte das Anlaufverfahren schnell sein. Üblicherweise geschieht dies in der Praxis, indem die Wärme des Rauchgases auf das Kühlmittel in dem ersten Kühlkreislauf übertragen wird, das während des Anlaufvorgangs stattdessen als Erwärmungsfluid verwendet wird, um die Brennstoffzelle auf eine für den normalen Leistungserzeugungsbetrieb geeignete Temperatur zu erwärmen.
  • Optional umfasst der erste Kühlkreislauf eine dedizierte Verzweigung für den Strom des ersten Kühlmittels durch die Anlauferwärmungseinrichtung unter Anlaufbedingungen, wobei die dedizierte Verzweigung unter Anlaufbedingungen für den Strom des ersten Kühlmittels von der Anlauferwärmungseinrichtung durch die Brennstoffzelle und durch die erste Mehrstromwärmeaustauscheinheit verbindbar ist, um die Brennstoffzelle, das Kathodengas und den Brennstoff zu erwärmen. Optional umfasst die dedizierte Verzweigung einen Strom des ersten Kühlmittels nur unter Anlaufbedingungen, aber nicht während eines stationären Leistungserzeugungsbetriebs der Brennstoffzelle.
  • Figurenliste
  • Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert, wobei
    • 1 ein Flussdiagramm eines Beispiels eines Brennstoffzellensystems mit einer Dreifachstromwärmeaustauscheinheit veranschaulicht;
    • 2 den Kühlmittelstrom in einer Anlaufsituation veranschaulicht;
    • 3 den Kühlmittelstrom im Normalbetrieb während der Leistungserzeugung veranschaulicht;
    • 4 eine Darstellung eines Beispiels einer Mehrstromwärmeaustauscheinheit ist, wobei 4a zwei unterschiedliche perspektivische Ansichten zeigt, 4b eine halbtransparente, teilweise weggeschnittene Ansicht veranschaulicht und 4c eine Seitenansicht innerhalb der Einheit;
    • 5 eine Darstellung eines alternativen Beispiels einer Mehrstromwärmeaustauscheinheit ist, wobei 5a eine perspektivische Ansicht ist,
    • 5b eine halbtransparente Ansicht ist; 5c eine teilweise aufgeschnittene Ansicht in die Einheit ist; 5d eine Oberseite mit zwei Schnittansichten veranschaulicht.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG / BEVORZUGTE AUSFÜHRUNGSFORM
  • 1 ist ein Flussdiagramm eines Brennstoffzellensystems 1, in dem eine erste Wärmeaustauscheinheit 21 und eine zweite Wärmeaustauscheinheit 22 zum Abführen von Wärme von der Brennstoffzelle verwendet werden. Die beiden Wärmeaustauscheinheiten 21, 22 sind beispielhaft als Mehrstromwärmeaustauscheinheiten 21, 22, beispielsweise Dreiwegewärmeaustauscheinheiten, dargestellt. Es ist jedoch auch möglich, dass nur eine von ihnen eingesetzt wird. Eine Mehrstromwärmeaustauscheinheit ist eine kompakte Lösung, die in Kraftfahrzeugen, wo der Platz knapp ist, sehr vorteilhaft ist.
  • Links in 1 ist ein Methanolzufuhrtank 2 gezeigt, der Methanol 3 durch entsprechende Rohre 4 liefert, darunter ein Abzweigungsrohr 4a zur Zufuhr von Methanol zu einem Anlauferwärmungseinrichtung 5, das ein Ventil 6 für den Anlauferwärmungseinrichtung 5 beinhaltet, sich in Rohre 4b und 4c zur Zufuhr von Methanol für die Reformerbrenner 7 sowie eine Verzweigung durch ein Rohr 4d verzweigt, um Methanol als Teil des Brennstoffs 20 den Reformern 8 zuzuführen, nachdem dieser an einer Mischstelle 10 mit Wasser 9 vermischt wurde.
  • Beispielsweise wird in dem Reformer 8 das Gemisch aus Methanol CH3OH und Wasser H20 katalytisch in Wasserstoffgas H2 und CO2 umgewandelt. Vereinfacht ausgedrückt wird das Methanol CH3OH in 2H2 und CO umgewandelt und das Wassermolekül wird in H2 und O gespalten, wobei sich der Sauerstoff an dem CO anlagert, um CO2 zu erzeugen. Das Gemisch aus H2 und CO2 wird dann als sogenanntes Synthesegas der Anodenseite 12 der Brennstoffzelle 15, üblicherweise dem Brennstoffzellenstapel zugeführt. Luft 16 aus der Umgebung 17 wird der Kathodenseite 14 der Brennstoffzelle 15 zugeführt, um den notwendigen Sauerstoff für die Reaktion mit dem Wasserstoff bereitzustellen, um Wasser zu erzeugen, nachdem Wasserstoffionen H+ die Membran von der Anodenseite 12 zu der Kathodenseite 14 passiert haben.
  • Vorteilhafterweise ist die Brennstoffzelle 15 eine Hochtemperatur-Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzelle (HT-PEM-Brennstoffzelle). Üblicherweise arbeiten Hochtemperatur-Brennstoffzellen im Temperaturbereich von 120-200 °C. Die Brennstoffzelle 15 gehört zum Beispiel zu dem Typ, der bei einer Temperatur von 175 °C arbeitet. Diese Betriebstemperatur wird durch einen entsprechend eingestellten Strom des ersten Kühlmittels in einem ersten Kühlkreislauf 18 durch die Brennstoffzelle 15 konstant gehalten. Die Temperatur des ersten Kühlmittels an dem Kühlmitteleinlass 19 der Brennstoffzelle 15 liegt zum Beispiel im Bereich von 160 °C bis 170 °C.
  • Während des Strömungszyklus des ersten Kühlmittels im ersten Kühlkreislauf 18 muss die Temperatur des ersten Kühlmittels auf die am Kühlmitteleinlass 19 der Brennstoffzelle 15 gewünschte Temperatur reduziert werden. Um diese Temperaturabsenkung zu erreichen, durchströmt das erste Kühlmittel eine erste Wärmeaustauscheinheit 21.
  • Die erste Wärmeaustauscheinheit 21 ist beispielhaft als Mehrstromwärmeaustauscheinheit dargestellt, insbesondere als Dreiwegewärmeaustauscheinheit, die gleichzeitig Wärme zwischen verschiedenen Fluiden überträgt, die durch die erste Wärmeaustauscheinheit 21 strömen. In 1 ist auch die zweite Wärmeaustauscheinheit 22 beispielhaft als Mehrstromwärmeaustauscheinheit dargestellt, insbesondere mit mindestens drei Strömen, die gleichzeitig Wärme zwischen verschiedenen Fluiden überträgt, die durch die zweite Wärmeaustauscheinheit 22 strömen.
  • Im Gegensatz zu zwei in Reihe geschalteten Wärmetauschern, bei denen das Kühlmittel zuerst Wärmeenergie mit einem Fluid austauscht und dann stromabwärts davon Wärmeenergie mit einem zweiten Fluid austauscht, stellt die Mehrstromwärmeaustauscheinheit einen gleichzeitigen Austausch von Wärmeenergie zwischen den Fluiden bereit. Obwohl die Strömungsrichtung der Fluide innerhalb der Wärmeaustauscheinheit gegenläufig und nicht parallel sein kann, folgt das Prinzip als solches für den Wärmeaustausch einem parallelen Prinzip, beispielsweise einer Strömung nebeneinander, im Gegensatz zu einem seriellen Prinzip. Bei einem seriellen Prinzip wird ein Wärmetauscher hinter dem anderen platziert, sodass das Kühlmittel zuerst einen ersten Wärmetauscher durchströmt und dann eben dieses Kühlmittel einen zweiten Wärmetauscher durchströmt.
  • In der ersten Wärmeaustauscheinheit 21 ist die Richtung des ersten Kühlmittels entgegengesetzt zu der Strömung des Brennstoffs und der Luft, die kälter als das erste Kühlmittel sind. In der zweiten Wärmeaustauscheinheit 22 ist die Richtung des zweiten Kühlmittels entgegengesetzt zu der Strömung des ersten Kühlmittels und des Abgases, die während des normalen Betriebs wärmer als das zweite Kühlmittel sind.
  • Es sei darauf hingewiesen, dass sich die beispielhaft dargestellte Temperatur von 175 °C des ersten Kühlmittels am Kühlmittelauslass der Brennstoffzelle 15 nicht sehr von der Temperatur von 160 °C bis 170 °C des ersten Kühlmittels am Einlass der Brennstoffzelle 15 unterscheidet. Dies impliziert, dass nur eine relativ kleine Menge an Wärmeenergie aus dem ersten Kühlmittelkreislauf 18 entfernt werden muss. Dies hat zur Folge, dass die Wärmeaustauscheinheiten 21, 22 relativ klein gebaut werden können. Dies ist ein Grund, warum Hochtemperatur-Brennstoffzellen für kompakte Systeme nützlich sind, insbesondere wenn sie in Kraftfahrzeugen verwendet werden.
  • In der aktuellen Ausgestaltung überträgt das erste Kühlmittel in der ersten Wärmeaustauscheinheit 21 Wärme an das Methanol/Wasser-Gemisch als Brennstoff 20 zur Verwendung in den Reformern 8, um zu bewirken, dass es zu einem Brenngas verdampft, sodass der Methanol/Wasser-Brennstoff 20 als Gasgemisch den Reformern 8 zugeführt werden kann. Das erste Kühlmittel überträgt auch Wärme auf die Luft 16, die in die Kathodenseite 14 zugeführt wird. Die Wärmeübertragung von dem ersten Kühlmittel auf den Methanol/Wasser-Brennstoff 20 und Luft 16 stellt sicher, dass die Gase eine Temperatur aufweisen, die hoch genug für eine effiziente Reaktion ist.
  • Die Tatsache, dass die erste Wärmeaustauscheinheit 15 nach einem Mehrstromprinzip arbeitet, macht die Einstellung der korrekten Temperaturen für den Brennstoff 20 und die Luft 16 komplexer als bei Verwendung von zwei unterschiedlichen und getrennten Wärmetauschern. Durch die Verwendung von Temperaturmessern, Ventilen 35, 36 und Durchflussmessern, die von einer entsprechend programmierten elektronischen Steuereinrichtung gesteuert werden, kann der Durchfluss jedoch leicht eingestellt und durch ein entsprechend programmiertes logisches Rückkopplungssteuersystem während des Betriebs präzise gesteuert werden. Der Vorteil der ersten Wärmeaustauscheinheit 21 liegt jedoch in einer wesentlich kompakteren technischen Lösung, die sehr wenig Platz im Brennstoffzellensystem eines Fahrzeugs benötigt.
  • Wie vorstehend erläutert, wird ein Teil der Wärme von der Brennstoffzelle in der ersten Wärmeaustauscheinheit 21 abgeführt. Um im Allgemeinen dem System Wärme zu entziehen, wird eine zweite Wärmeaustauscheinheit 22 verwendet. Diese zweite Wärmeaustauscheinheit 22 überträgt Wärme auf einen zweiten Kühlkreislauf 25. Der zweite Kühlmittelkreislauf 25 entzieht der Brennstoffzelle 15 Wärmeenergie und wird in einer Kühleinrichtung mit einem Kühler 26 gekühlt, wie es beispielsweise üblicherweise für Fahrzeuge bekannt ist, in denen ein Motor gekühlt werden muss.
  • 1, und wie in 3 betont, veranschaulicht die Strömung im ersten Kühlmittelkreislauf 18 während des normalen Betriebs. Das Kühlmittel strömt von der Brennstoffzelle 15 durch die erste Wärmeaustauscheinheit 21 entlang der Kühlmittelkreislaufverzweigung 18A, passiert den Verzweigungspunkt 39, strömt dann zur Pumpe 38 und von dort wieder in die Brennstoffzelle 15. Am Verzweigungspunkt 40 wird ein Teil des ersten Kühlmittels, beispielsweise nicht mehr als 50 %, wird durch das Ventil 36 in eine zweite Verzweigung 18B und in die zweite Wärmeaustauscheinheit 22 abgezweigt, um Wärme an den zweiten Kühlkreislauf 25 zu übertragen.
  • Wie bereits vorstehend für die beispielhaften Temperaturen für Hochtemperaturbrennstoffzellen erörtert, gibt es keinen großen Unterschied zwischen der Einlasstemperatur von 160 °C bis 170 °C und der Auslasstemperatur von 175 °C. Dies bedeutet für die zweite Verzweigung 18B, dass nur ein geringer Anteil des ersten Kühlmittels, beispielsweise im Bereich von 5-50 % oder 5-30 %, am Verzweigungspunkt 40 abgezweigt werden und durch die zweite Verzweigung 18B strömen muss. Aufgrund der Tatsache, dass verglichen mit der Menge in der Verzweigung 18A nur ein kleiner Teil des ersten Kühlmittels durch die Verzweigung 18B zwischen den Verzweigungspunkten 40 und 39 strömt, kann nicht nur die zweite Wärmeaustauscheinheit 22 von relativ geringer Größe sein, sondern auch auch das Ventil 36 und die Leitung der Verzweigung 18B können klein und kompakt gestaltet werden. Dies ist ein großer Vorteil für Systeme, die kompakte und leichte Lösungen erfordern, wie Kraftfahrzeuge. Dies ist ein Grund, warum Hochtemperatur-Brennstoffzellen für kompakte Systeme nützlich sind, insbesondere wenn sie in Kraftfahrzeugen verwendet werden.
  • Potenziell ist die zweite Wärmeaustauscheinheit 22 ebenfalls eine Mehrstromwärmeaustauscheinheit. Einer der mehreren Ströme durch die zweite Mehrstromwärmeaustauscheinheit 22 sind für das erste Kühlmittel bereitgestellt, das auch einen Weg durch die erste Mehrstromwärmeaustauscheinheit 21 aufweist. In der zweiten Mehrstromwärmeaustauscheinheit 22 wird die Temperatur des ersten Kühlmittels durch Wärmetausch mit einem zweiten Kühlkreislauf 25 reduziert. Auch der zweite Kühlmittelkreislauf 25 nimmt Wärmeenergie aus dem Abgas 27 des Reformerbrenners 7 und von der Kathodenseite 14 der Brennstoffzelle auf.
  • Das Abgas enthält Wasserdampf, Stickstoffgas, Kohlendioxid und Sauerstoffgas. Durch die Kühlung in der zweiten Wärmeaustauscheinheit 22 kann das Wasser in einem Flüssigkeit-Gas-Abscheider 28 kondensiert werden. Aus dem Flüssigkeit-Gas-Abscheider 28 wird eine Wassermenge in einem Wasserspeichertank 29 zur Rückführung zum Mischen mit Methanol 3 an der Mischstelle 10 kondensiert, während ein verbleibender Teil des Dampfes und des kondensierten Wassers zusammen mit den anderen Gase durch den Auspuff 30 abgegeben wird.
  • Die Kühlung des Wasserdampfs ist insofern vorteilhaft, als der Wasserdampf den Auspuff 30 nicht als heißer Dampf mit einer Temperatur verlässt, die Personen in der Nähe des Auspuffrohrs 30 verletzen könnte, sondern das System hauptsächlich als Kondenswasser verlässt, das aus dem Auspuffrohr tropft. Dies ist neben der Kompaktheit ein ausgesprochen vorteilhafter Nebeneffekt des Systems.
  • Für die Luftzufuhr 16 zur Kathodenseite 14 der Brennstoffzelle 15 wird ein Kompressor 31 verwendet, der ebenfalls durch den zweiten Kühlmittelkreislauf 25 gekühlt wird. Dieser zweite Kühlkreislauf 25 wird optional auch zum Kühlen weiterer Ausrüstung verwendet, wie beispielsweise Stromwandler 32 zum Herabsetzen der Spannung von dem Stapel der Brennstoffzellen 15 und Wandler 33, die Gleichspannung (DC) in Wechselspannung (AC) für die Leistungsversorgung des Kompressors 31 umwandeln.
  • Um eine saubere Methanol- und Wasserzufuhr zu gewährleisten, sind entsprechende Filter 34a, 34b im Methanolzufuhrtank 3 bzw. im Rückführanschluss für das Wasser zwischen dem Wasserabscheider 28 und der Mischstelle 10 eingesetzt.
  • Das Brennstoffzellensystem 1 ist optional mit nur einer der zwei Mehrstromwärmeaustauscheinheiten 21, 22 versehen. Alternativ werden weitere Mehrstromwärmeaustauscheinheiten eingesetzt. Die beiden gezeigten Mehrstromwärmeaustauscheinheiten 21, 22 sind Beispiele dafür, wie diese auf unterschiedliche Weise eingesetzt werden können.
  • In Anlaufsituationen, die in 1 gezeigt und in 2 beispielhaft betont werden, werden Methanol und Luft in der Anlauferwärmungseinrichtung 5 verbrannt, die das erste Kühlmittel in einer dritten Verzweigung 18C des ersten Kühlkreislaufs 18 erwärmt. Von dieser dritten Verzweigung 18C strömt dann das erste Kühlmittel von der Anlauferwärmungseinrichtung 5 durch die Brennstoffzelle 15, um die Brennstoffzelle auf Betriebstemperatur zu erwärmen.
  • Stromabwärts der Brennstoffzelle 15 strömt das erste Kühlmittel, das in Startsituationen ein Heizfluid ist, auch durch die erste Mehrstromwärmeaustauscheinheit 21, um die eintretende Luft 16 zu erwärmen und eine Verdampfung des Methanol/Wasser-Brennstoffgemisches 20 zu bewirken. Ist die Betriebstemperatur der Brennstoffzelle 15 erreicht, wird der Kühlmittelstrom im ersten Kühlkreislauf 18 zur Temperatursteuerung der Brennstoffzelle auf den Normalbetrieb eingestellt, wie in 3 dargestellt.
  • Die Menge des ersten Kühlmittels durch die Anlauferwärmungseinrichtung 5 wird auf die Menge eingestellt, die zum Erreichen einer ausreichend hohen Temperatur benötigt wird. Dies wird mit einem Einstellventil 35 eingestellt. Der Übergang zwischen dem Anlaufstrom für das Kühlmittel und dem Strom für den Normalbetrieb erfolgt durch ein Zusammenspiel zwischen dem Einstellventil 35 in der Anlaufverzweigung 18C für das Kühlmittel und dem Einstellventil 36 für das Kühlmittel in der Normalbetriebsverzweigung 18B unter normalen Betriebsbedingungen. Die Normalbetriebsverzweigung 18B ist in 3 hervorgehoben.
  • Üblicherweise arbeitet die Anlauferwärmungseinrichtung 5 während des Normalbetriebs nicht und der Strom in der dritten Verzweigung 18C wird durch Schließen des Ventils 35 geschlossen. Das Ventil 36 wiederum ist während des Normalbetriebs geöffnet, aber während des Anlaufvorgangs oder mindestens in der Anfangsphase des Anlaufvorgangs geschlossen.
  • Während des Anlauferwärmens wird das resultierende Gas 37 aus der Anlauferwärmungseinrichtung 5, das Wasser, Kohlendioxid und Stickstoffgas beinhaltet, auch durch die zweite Wärmeaustauscheinheit 22 geleitet, um die Temperatur zu verringern, bevor es ohne Verletzungsgefahr für Personen aus dem Rohr des Auspuffs 30 geleitet wird. Eine mögliche Wasserabscheidung durch den Wasserabscheider 28 bereits in dieser Anlaufphase gewährleistet eine Wasserversorgung für das Methanol-Wasser-Gemisch als Brennstoff 20 für den Reformer 8 und die Brennstoffzelle 15.
  • Die Tatsache, dass Wasser zurückgeführt und auch während des Anlaufens erzeugt wird, trägt zur Kompaktheit des Systems bei, da kein großer Wasserspeichertank 29 benötigt wird. Es ist auch wichtig zu beachten, dass eine reduzierte oder möglicherweise sogar vermiedene Wasserspeicherung insofern von Vorteil ist, als Probleme mit gefrierendem Wasser im System bei sehr niedrigen Umgebungstemperaturen vermieden werden.
  • In 1 sind einige andere Komponenten dargestellt, wie etwa Temperaturmesser, Druckmesser und zusätzliche Ventile, die hier jedoch nicht im Detail erläutert werden. Dies sind optionale Komponenten und tragen zum reibungslosen Funktionieren des Systems bei, sind jedoch wie in der speziell gezeigten Ausgestaltung nicht unbedingt erforderlich, da Änderungen der Ausgestaltung ebenfalls möglich sind.
  • Ein Beispiel einer Mehrstromwärmeaustauscheinheit ist in 4 dargestellt. Die Mehrstromwärmeaustauscheinheit in 4 ist von dem Typ, bei dem das Kühlmittel in einem Raum 50' eines mittleren Abschnitts 50 strömt, der zwischen zwei Wärmeaustauschmodulen 65, 66 angeordnet ist. Die Wärme wird von dem ersten Kühlmittel im mittleren Abschnitt durch Wände 51, 52 übertragen, die den Raum 50' im mittleren Abschnitt 50 von den Wärmeaustauschmodulen 65, 66 abgrenzen. Diese Mehrstromwärmeaustauscheinheit weist eine dreischichtige Ausgestaltung auf. Im Folgenden wird sie beispielhaft als die vorstehend beschriebene erste Wärmeaustauscheinheit 21 beschrieben.
  • Ein Beispiel eines Prinzips für die erste Wärmeaustauscheinheit 21 ist in 4 dargestellt, wobei 4a zwei unterschiedliche perspektivische Ansichten zeigt, 4b eine halbtransparente, teilweise aufgeschnittene Ansicht veranschaulicht und 4c eine Seitenansicht innerhalb der ersten Mehrstromwärmeaustauscheinheit 21.
  • Die erste Wärmeaustauscheinheit 21 umfasst ein Gehäuse 23 und einen ersten Einlass 41 und einen ersten Auslass 42 für erstes Kühlmittel und einen ersten Strömungsweg 47 dazwischen für den Strom des ersten Kühlmittels vom ersten Einlass 41 durch den ersten Strömungsweg 47 zum ersten Auslass 42. Die erste Wärmeaustauscheinheit 21 umfasst einen zweiten Einlass 43 und einen zweiten Auslass 44 für Kathodengas, beispielsweise Luft, um Sauerstoffgas für die Brennstoffzelle bereitzustellen. Ein zweiter Strömungsweg 48 ist zwischen dem zweiten Einlass 43 und dem zweiten Auslass 44 bereitgestellt, damit das Kathodengas von dem zweiten Einlass 43 durch den zweiten Strömungsweg 48 zu dem zweiten Auslass 44 strömen kann. Die erste Wärmeaustauscheinheit 21 umfasst einen dritten Einlass 45 und einen dritten Auslass 46 zum Bereitstellen von Brennstoff 20 für die Brennstoffzelle 15. Ein dritter Strömungsweg 49 ist zwischen dem dritten Einlass 45 und dem dritten Auslass 46 bereitgestellt, damit der Kraftstoff 20 von dem dritten Einlass 45 durch den dritten Strömungsweg 49 zu dem dritten Auslass 46 strömen kann.
  • Bei dem Beispiel einer Mehrstromwärmeaustauscheinheit in 4, und wie am deutlichsten in 4c gezeigt, befindet sich der erste Strömungsweg 47 des ersten Kühlmittels in einem Mittelabschnitt 50 zwischen einer ersten Wand 51 und einer zweiten Wand 52, wobei die erste Wand 51 zwischen dem Mittelabschnitt 50 und dem ersten Wärmeaustauschmodul 65 bereitgestellt ist und die zweite Wand 52 zwischen dem Mittelabschnitt 50 und dem zweiten Wärmeaustauschmodul 66 bereitgestellt ist. Da die Wände aus Metall hergestellt sind, beispielsweise aus Aluminium, wird eine geeignete Wärmeübertragung von dem ersten Kühlmittel auf das Kathodengas und auf den Brennstoff in den gegenüberliegend bereitgestellten Wärmeaustauschmodulen 65, 66 bereitgestellt.
  • Der zweite Strömungsweg 48 für das Kathodengas, beispielsweise Luft, befindet sich zwischen mehreren gewellten Platten, um eine große Metalloberfläche bereitzustellen, die Wärme auf das Kathodengas überträgt. Die gewellten Platten erzeugen auch Turbulenzen, was ein weiterer Vorteil ist.
  • Der dritte Strömungsweg 49 für den Brennstoff 20 ist für eine bessere Wärmeübertragung im Vergleich zu einem einzelnen geraden Weg entlang der ersten Wand 51 mäanderförmig. Der Durchmesser des Rohrs für den dritten Strömungsweg 49 nimmt entlang des Strömungswegs 49 zu, was vorteilhaft ist, da das Volumen des Brennstoffs 20 während der Verdampfung zunimmt.
  • 5 veranschaulicht ein anderes Prinzip einer Mehrstromwärmeaustauscheinheit, bei der das Kühlmittel in zwei gegenüberliegende Teile der Wärmeaustauscheinheit verzweigt wird, beispielsweise in zwei gegenüberliegende Wärmeaustauschmodule. Dies impliziert, dass ein erster Teil des Kühlmittels in einen Abschnitt der Wärmeaustauscheinheit strömt oder mindestens überwiegend in diesem Abschnitt der Wärmeaustauscheinheit Energie mit Fluid austauscht, während ein zweiter Teil des Kühlmittels in einen anderen Abschnitt der Wärmeaustauscheinheit strömt und ausschließlich oder mindestens überwiegend Energie mit Fluid in diesem Abschnitt austauscht. Im Folgenden wird dies beispielhaft als die vorstehend beschriebene zweite Wärmeaustauscheinheit 22 mit einem dritten und vierten Wärmeaustauschmodul dargestellt. Das Prinzip könnte jedoch auch für die erste Wärmeaustauscheinheit 21 angewendet werden.
  • Die zweite Wärmeaustauscheinheit 22 umfasst einen vierten Einlass 53 und einen vierten Auslass 54 für den Strom des zweiten Kühlmittels von dem vierten Einlass 53 durch die zweite Wärmeaustauscheinheit 22 und zu dem vierten Auslass 54. Sie umfasst auch einen fünften Einlass 55 und einen fünften Auslass 56 für den Strom des ersten Kühlmittels durch die zweite Wärmeaustauscheinheit 22. Sie umfasst einen sechsten Einlass 57 und einen sechsten Auslass 58 für den Strom von Abgas durch die zweite Wärmeaustauscheinheit 22. Sie umfasst ferner einen siebten Einlass 61 zum Einlassen von Reformergas.
  • Bei dem Vergleich mit 1 strömen sowohl Abgas 27 aus der Brennstoffzelle 15 als auch Brennerreformergas 37 sowie Gas aus der Anlauferwärmungseinrichtung 5 durch entsprechende Rohre zur zweiten Wärmeaustauscheinheit 22. Wie zuvor erwähnt, können diese zwei Gase 27, 37 kombiniert werden, bevor die Gase 27, 37 in die zweite Wärmeaustauscheinheit 22 geleitet werden. In der beispielhaft dargestellten zweiten Wärmeaustauscheinheit 22 von 5 werden die zwei Gase 27, 37 innerhalb der zweiten Wärmeaustauscheinheit 22 kombiniert. Das Abgas 27 von der Brennstoffzelle 15 tritt in den sechsten Einlass 57 ein und das Reformerbrennergas 37 tritt in den siebten Einlass 62 ein. Der sechste Strömungsweg 61 für das Abgas 27 verläuft von dem sechsten Einlass 57 in die zweite Wärmeaustauscheinheit 22 und in Richtung der Öffnung 64. Der siebte Strömungsweg 63 für das Reformerbrennergas 37 verläuft durch den siebten Einlass 62, dann zu einer weiteren Öffnung 68, wonach sich das Reformerbrennergas 37 mit dem Abgas 27 vermischt, das ebenfalls zur Öffnung 64 strömt, von der aus der Strömungsweg 61' ein kombinierter sechster und siebter Strom durch die Öffnung 64 und dann in das Rohr 67 zum sechsten Auslass 58 ist.
  • Das zweite Kühlmittel strömt durch den vierten Einlass 53 entlang des vierten Strömungswegs 59 in die zweite Wärmeaustauscheinheit 22 und durch den vierten Auslass aus der zweiten Wärmeaustauscheinheit 22 heraus. Es sei darauf hingewiesen, dass das zweite Kühlmittel in zwei Strömungswege 59A, 59B verzweigt wird, einen zum Wärmeaustausch mit dem ersten Kühlmittel in einem Abschnitt der zweiten Wärmeaustauscheinheit 22 und einen zum Wärmeaustausch mit dem Gemisch aus Abgas 27 und Reformerbrennergas 37 in einem anderen Abschnitt der zweiten Wärmeaustauscheinheit 22. Für einen effizienten Wärmeaustausch sind zwei Sätze 69A, 69B einer Vielzahl von gewellten Blechen 70 bereitgestellt.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Brennstoffzellensystem
    2
    Methanolzufuhrtank
    3
    Methanol
    4
    Rohre
    4a
    Methanolzufuhrrohr zur Anlauferwärmungseinrichtung 5
    4b, 4c
    Methanolzufuhrrohr zu den Reformerbrennern 7
    4d
    Methanolzufuhrrohr zum Verdampfer in der Wärmeaustauscheinheit 21
    5
    Anlauferwärmungseinrichtung
    6
    Ventil
    7
    Reformerbrenner
    8
    Reformer
    9
    Wasser
    10
    Mischstelle für Wasser und Methanol
    11
    Synthesegas
    12
    Anodenseite
    13
    Weg für das erste Kühlmittel durch die Brennstoffzelle 15
    14
    Kathodenseite
    15
    Brennstoffzelle
    16
    Luft
    17
    Umgebung
    18
    erster Kühlkreislauf
    18A
    erste Verzweigung des ersten Kühlkreislaufs 18
    18B
    zweite Verzweigung des ersten Kühlkreislaufs 18
    18C
    dritte Verzweigung des ersten Kühlkreislaufs 18
    19
    Kühlmitteleinlass der Brennstoffzelle 15
    20
    Brennstoff, z. B. Methanol/Wasser-Gemisch
    21
    erste Wärmeaustauscheinheit
    22
    zweite Wärmeaustauscheinheit
    23
    Gehäuse
    25
    zweiter Kühlkreislauf
    26
    Kühler
    27
    Abgas aus Brennstoffzelle
    28
    Flüssigkeit-Gas-Abscheider
    29
    Wasserspeichertank / Behälter
    30
    Auspuff
    31
    Verdichter
    32
    Spannungswandler
    33
    DC/AC-Wandler
    34a
    Methanolfilter
    34b
    Wasserfilter
    35
    Ventil in Verzweigung 18C
    36
    Ventil in Verzweigung 18B
    37
    Gas aus der Anlauferwärmungseinrichtung 5 und aus dem Reformerbrenner 7
    38
    Pumpe
    39
    Verzweigungspunkt zwischen den Verzweigungen 18A und 18B stromabwärts der zweiten Wärmeaustauscheinheit 22
    40
    Verzweigungspunkt zwischen 18A und 18B stromaufwärts der zweiten Wärmeaustauscheinheit 22
    41
    erster Einlass der ersten Wärmeaustauscheinheit 21 für erstes Kühlmittel
    42
    erster Auslass der ersten Wärmeaustauscheinheit 21 für erstes Kühlmittel
    43
    zweiter Einlass der ersten Wärmeaustauscheinheit 21 für Kathodengas, z. B. Luft
    44
    zweiter Auslass der ersten Wärmeaustauscheinheit 21 für Kathodengas, z. B. Luft
    45
    dritter Einlass der ersten Wärmeaustauscheinheit 21 für Brennstoff
    46
    dritter Auslass der ersten Wärmeaustauscheinheit 21 für Brennstoff
    47
    erster Strömungsweg für erstes Kühlmittel
    48
    zweiter Strömungsweg für Luft
    49
    mäanderförmiger dritter Strömungsweg für Brennstoff
    50
    Raum, der einen Mittelabschnitt mit Kühlmittelstrom bildet
    51
    Wand zwischen Mittelabschnitt und Verdampfer
    52
    Wand zwischen Mittelabschnitt und Lufterwärmungseinrichtung
    53
    vierter Einlass der zweiten Wärmeaustauscheinheit 22 für zweites Kühlmittel
    54
    vierter Auslass der zweiten Wärmeaustauscheinheit 22 für zweites Kühlmittel
    55
    fünfter Einlass der zweiten Wärmeaustauscheinheit 22 für erstes Kühlmittel
    56
    fünfter Auslass der zweiten Wärmeaustauscheinheit 22 für erstes Kühlmittel
    57
    sechster Einlass der zweiten Wärmeaustauscheinheit 22 für Abgas
    58
    sechster Auslass der zweiten Wärmeaustauscheinheit 22 für Abgas
    59
    vierter Strömungsweg für zweites Kühlmittel
    60
    fünfter Strömungsweg für erstes Kühlmittel
    61
    sechster Strömungsweg für Abgas
    61'
    kombinierter sechster 61 und siebter Strömungsweg 63 für Gemisch aus Abgas und Reformergas
    62
    siebter Einlass für Reformergas
    63
    siebter Strömungsweg für Reformergas
    64
    Öffnung für den sechsten und siebten Strömungsweg
    65
    erstes Wärmeaustauschmodul in der ersten Wärmeaustauscheinheit 21
    66
    zweites Wärmeaustauschmodul in der ersten Wärmeaustauscheinheit 21
    67
    Rohr zwischen Öffnung 64 und sechstem Auslass 58
    68
    weitere Öffnung für siebten Strömungsweg 63
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • KR 20170087077 [0003]
    • WO 2019/158173 A1 [0004]
    • WO 2017/148487 [0005]
    • US 2015/0340715 [0005]
    • US 2001/0019788 [0005]

Claims (17)

  1. Brennstoffzellensystem (5), umfassend: eine Brennstoffzelle (15), umfassend eine Anodenseite (12) und eine Kathodenseite (14) und eine Protonenaustauschmembran zwischen diesen zum Transport von Wasserstoffionen von der Anodenseite (12) zur Kathodenseite (14) durch die Membran während des Betriebs; eine Kathodengaszufuhr, beispielsweise Luftzufuhr, zum Zuführen von Sauerstoffgas zu der Kathodenseite (14), wobei das Kathodengas Sauerstoffgas umfasst, ein Kathodengaserwärmungssystem, beispielsweise ein Lufterwärmungssystem, zum Erhöhen der Temperatur des Sauerstoffgases vor dem Zuführen des Kathodengases zu der Kathodenseite (14); einen ersten Kühlkreislauf (18) zum Zirkulierenlassen eines ersten Kühlmittels durch die Brennstoffzelle (15), um die Temperatur der Brennstoffzelle (15) mit dem ersten Kühlmittel einzustellen; einen Reformer (8), der einen von Reformerwänden umschlossenen Katalysator umfasst und für die katalytische Umwandlung von Brennstoff zu Synthesegas (11) ausgestaltet ist, wobei der Reformer (8) zur Bereitstellung von Synthesegas (11) für die Brennstoffzelle (15) mit der Anodenseite (12) der Brennstoffzelle (15) leitungsverbunden ist; einen Verdampfer, der zum Verdampfen von flüssigem Brennstoff ausgestaltet und zur Bereitstellung des verdampften Brennstoffs an den Reformer (8) mit dem Reformer (8) leitungsverbunden ist; eine Zufuhrleitung für flüssigen Brennstoff, die mit dem Verdampfer leitungsverbunden ist, um flüssigen Brennstoff an den Verdampfer bereitzustellen; einen Reformerbrenner (7) zum Erwärmen des Katalysators innerhalb des Reformers (8) durch Wärmeübertragung durch die Reformerwände; dadurch gekennzeichnet, dass das Brennstoffzellensystem (1) eine erste Wärmeaustauscheinheit (21) oder eine zweite Wärmeaustauscheinheit (22) oder beide umfasst, wobei die erste Wärmeaustauscheinheit (21) als eine erste Einzeleinheit mit einem ersten Gehäuse (23) bereitgestellt ist und mindestens drei Strömungswege innerhalb der ersten Wärmeaustauscheinheit (21) zum gleichzeitigen Austausch von Wärmeenergie zwischen den Fluiden in den drei Strömungswegen umfasst, wobei die drei Strömungswege einen ersten Strömungsweg (47), einen zweiten (48) und einen dritten (49) Strömungsweg durch die erste Wärmeaustauscheinheit (21) umfassen, wobei der erste Strömungsweg (47) für das erste Kühlmittel bereitgestellt und Teil des ersten Kühlkreislaufs (18) ist, wobei der zweite Strömungsweg (48) für das Kathodengas, beispielsweise Luft, bereitgestellt ist und das Kathodengaserwärmungssystem, beispielsweise Lufterwärmungssystem, ausbildet, und der dritte Strömungsweg (49) für den Strom des Brennstoffs bereitgestellt ist und den Verdampfer ausbildet, wobei der erste Strömungsweg (47) in Wärmeverbindung mit dem zweiten und dem dritten Strömungsweg (48, 49) zur gleichzeitigen Übertragung von Wärmeenergie von dem ersten Kühlmittel innerhalb des Gehäuses (23) auf das Kathodengas, um das Kathodengas zu erwärmen, und von dem ersten Kühlmittel auf den Brennstoff (20) steht, um den Brennstoff (20) während seines Strömens durch die erste Wärmeaustauscheinheit (21) zu verdampfen, wenn das Brennstoffzellensystem (1) im Leistungserzeugungsbetrieb ist; wobei die zweite Wärmeaustauscheinheit (22) als eine zweite einzelne Einheit mit einem zweiten Gehäuse (23) bereitgestellt ist und mindestens drei Strömungswege innerhalb der zweiten Wärmeaustauscheinheit (22) umfasst, wobei die drei Strömungswege einen vierten (59), einen fünften (60) und einen sechsten (61) Strömungsweg durch den zweiten Wärmetauscher (22) umfassen, wobei der vierte Strömungsweg (59) für ein zweites Kühlmittel bereitgestellt ist, das sich von dem ersten Kühlmittel unterscheidet, und Teil eines zweiten Kühlkreislaufs (25) ist, der verschieden und strömungstechnisch getrennt von dem ersten Kühlkreislauf ist; wobei der fünfte Strömungsweg (59) für das erste Kühlmittel bereitgestellt und Teil des ersten Kühlkreislaufs (18) ist und der sechste Strömungsweg (60) für mindestens eines von Folgendem ist: Abgas (27) von der Kathodenseite (14) und Rauchgas aus dem Reformerbrenner (7); wobei der vierte Strömungsweg (59) in Wärmeverbindung mit dem fünften und sechsten Strömungsweg (60, 61) zur gleichzeitigen Übertragung von Wärmeenergie von dem ersten Kühlmittel innerhalb des Gehäuses (23) auf das zweite Kühlmittel zum Reduzieren der Temperatur des ersten Kühlmittels und von dem Abgas (27) auf das zweite Kühlmittel zum Kondensieren des Wassers des Abgases (27) in dem sechsten Strömungsweg (61) steht, bevor es das Brennstoffzellensystem (1) durch einen Auslass (30) verlässt, wenn sich das Brennstoffzellensystem (1) im Leistungserzeugungsbetrieb befindet.
  2. Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 1, wobei die erste Wärmeaustauscheinheit (21) umfasst: - einen ersten Einlass (41), der mit dem ersten Kühlmittelkreislauf auf einer Stromabwärtsseite der Brennstoffzelle (15) leitungsverbunden ist, um das erste Kühlmittel von der Brennstoffzelle (15) aufzunehmen, nachdem das erste Kühlmittel die Brennstoffzelle (15) durchquert hat; - einen ersten Auslass (42) zum Auslassen des ersten Kühlmittels nach Wärmeübertragung von dem ersten Kühlmittel auf das Kathodengas und den Brennstoff (20); - einen zweiten Einlass (43), der mit der Kathodengaszufuhr, beispielsweise einer Luftzufuhr, zum Aufnehmen von Sauerstoffgas für die Kathodenseite der Brennstoffzelle (15) leitungsverbunden ist; - einen zweiten Auslass (44), der mit der Kathodenseite der Brennstoffzelle (15) leitungsverbunden ist, um erwärmtes Kathodengas an die Brennstoffzelle (15) bereitzustellen; - einen dritten Einlass (45), der mit der Brennstoffzufuhr zum Aufnehmen von Brennstoff, beispielsweise einem Methanol/Wasser-Gemisch, leitungsverbunden ist; - einen dritten Auslass (46), der mit der Anodenseite (12) der Brennstoffzelle (14) leitungsverbunden ist, um der Anodenseite der Brennstoffzelle (15) verdampften Brennstoff zuzuführen; wobei der erste Strömungsweg (47) zwischen dem ersten Einlass (41) und dem ersten Auslass (42) verläuft und mit dem ersten Einlass (41) und dem ersten Auslass (42) strömungsverbunden ist, der zweite Strömungsweg (48) zwischen dem zweiten Einlass (43) und dem zweiten Auslass (44) verläuft und mit dem zweiten Einlass (44) und dem zweiten Auslass (45) strömungsverbunden ist, und der dritte Strömungsweg (49) zwischen dem dritten Einlass (45) und dem dritten Auslass (46) verläuft und mit dem dritten Einlass (45) und dem dritten Auslass (46) strömungsverbunden ist.
  3. Brennstoffzellensystem (1) nach einem vorhergehenden Anspruch, wobei die zweite Wärmeaustauscheinheit (22) umfasst: - einen vierten Einlass (53), der mit einem zweiten Kühlmittelkreislauf zum Einströmen von zweitem Kühlmittel aus dem zweiten Kühlkreislauf (25) leitungsverbunden ist, und einen vierten Auslass (54) zum Ausströmen des zweiten Kühlmittels zu dem zweiten Kühlkreislauf (25); - einen fünften Einlass (55) und einen fünften Auslass (56), die mit dem ersten Kühlmittelkreislauf leitungsverbunden sind, damit das erste Kühlmittel durch die zweite Wärmeaustauscheinheit (22) strömen kann; - einen sechsten Einlass (57), der mit einer Stromabwärtsseite der Kathodenseite (14) der Brennstoffzelle (15) leitungsverbunden ist, um Abgas (27) von der Kathodenseite (14) aufzunehmen, und/oder mit dem Reformerbrenner (7) leitungsverbunden ist, um Rauchgas aus dem Reformerbrenner (8) aufzunehmen; - einen sechsten Auslass zum Abgeben von aufgenommenem Abgas (27) und/oder Rauchgas; wobei der vierte Strömungsweg (59) zwischen dem vierten Einlass (53) und dem vierten Auslass (54) verläuft und mit dem vierten Einlass (53) und dem vierten Auslass (54) strömungsverbunden ist, der fünfte Strömungsweg (60) zwischen dem fünften Einlass (55) und dem fünften Auslass (56) verläuft und mit dem fünften Einlass (55) und dem fünften Auslass (56) strömungsverbunden ist, und der sechste Strömungsweg (61) zwischen dem sechsten Einlass (57) und dem sechsten Auslass (58) verläuft und mit dem sechsten Einlass (57) und dem sechsten Auslass (58) strömungsverbunden ist.
  4. Brennstoffzellensystem (1) nach einem vorhergehenden Anspruch, wobei der erste, zweite und dritte Weg (47, 48, 49) der ersten Wärmeaustauscheinheit (21) durch eine wärmeleitende erste und zweite Metallwand (51, 52) getrennt sind, wobei der erste Strömungsweg (47) zwischen dem zweiten und dem dritten Strömungsweg (48, 49) angeordnet ist und zum Austauschen von Wärmeenergie zwischen dem ersten Strömungsweg (47) und dem zweiten Strömungsweg (48) ausschließlich durch die erste Metallwand (51) und Austauschen von Wärmeenergie zwischen dem ersten Strömungsweg (47) und dem dritten Strömungsweg (49) ausschließlich durch die zweite Metallwand (52) ausgestaltet ist.
  5. Brennstoffzellensystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zweite Wärmeaustauscheinheit (22) dazu ausgestaltet ist, einen Teil des zweiten Kühlmittels in einen ersten Teil des zweiten Kühlmittels, um ausschließlich oder überwiegend Energie mit dem ersten Kühlmittel im fünften Strömungsweg (60) auszutauschen, und einen zweiten Teil des zweiten Kühlmittels zu verzweigen, um ausschließlich oder überwiegend Energie mit dem Abgas (27) im sechsten Strömungsweg (61) auszutauschen.
  6. Brennstoffzellensystem (1) nach einem vorhergehenden Anspruch, wobei das Brennstoffzellensystem (1) einen Wasserabscheider umfasst, der mit dem sechsten Strömungsweg (61) zwischen der zweiten Wärmeaustauscheinheit (22) und dem Auspuff (30) strömungsverbunden ist, wobei der Wasserabscheider zum Abscheiden mindestens eines Teils des kondensierten Wassers aus dem Abgas (27) ausgestaltet ist, das von dem sechsten Strömungsweg (61) zum Auspuff (30) strömt.
  7. Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 6, wobei das Brennstoffzellensystem (1) sowohl die erste als auch die zweite Wärmeaustauscheinheit (21, 22) umfasst, wobei der Wasserabscheider Teil eines Wasserrückführungsystems ist, um Wasser an Alkohol bereitzustellen, bevor das Gemisch aus Alkohol und Wasser als Brennstoff im dritten Strömungsweg (49) verdampft.
  8. Brennstoffzellensystem (1) nach einem vorhergehenden Anspruch, wobei das Brennstoffzellensystem (1) eine Anlauferwärmungseinrichtung (5) zum Erwärmen des Brennstoffzellensystems (1) unter Anlaufbedingungen vor dem normalen Leistungserzeugungsbrennstoffzellenbetrieb umfasst, wobei der erste Kühlkreislauf (18) eine Verzweigung (18C) für den Strom des ersten Kühlmittels durch die Anlauferwärmungseinrichtung (5) unter Anlaufbedingungen umfasst, wobei die Verzweigung (18C) unter Startbedingungen für den Strom des ersten Kühlmittels durch die Verzweigung (18C) offen ist, damit das erste Kühlmittel von der Anlauferwärmungseinrichtung (5) durch die Brennstoffzelle (15) und durch die erste Wärmeaustauscheinheit (21) strömt, um die Brennstoffzelle (15), das Kathodengas und den Brennstoff (20) zu erwärmen.
  9. Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 8, wobei das Brennstoffzellensystem (1) zum Sperren des Stroms des ersten Kühlmittels in der Verzweigung (18C) während des Leistungserzeugungsbetriebs der Brennstoffzelle im stationären Zustand ausgestaltet ist.
  10. Brennstoffzellensystem (1) nach einem vorhergehenden Anspruch, wobei die Brennstoffzelle (15) eine Hochtemperatur-Polymerelektrolytmembran-HT-PEM-Brennstoffzelle ist, die zum Betrieb bei einer Temperatur im Bereich von 120-200 °C ausgelegt ist.
  11. Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems (1), wobei das Brennstoffzellensystem (1) umfasst: eine Brennstoffzelle (15), umfassend eine Anodenseite (12) und eine Kathodenseite (14) und eine Protonenaustauschmembran zwischen diesen zum Transport von Wasserstoffionen von der Anodenseite (12) zur Kathodenseite (14) durch die Membran während des Betriebs; eine Kathodengaszufuhr, beispielsweise Luftzufuhr, zum Zuführen von Sauerstoffgas zu der Kathodenseite (14), wobei das Kathodengas Sauerstoffgas umfasst, ein Kathodengaserwärmungssystem, beispielsweise ein Lufterwärmungssystem, zum Erhöhen der Temperatur des Sauerstoffgases vor dem Zuführen des Kathodengases zu der Kathodenseite (14); einen ersten Kühlkreislauf (18) zum Zirkulierenlassen eines ersten Kühlmittels durch die Brennstoffzelle (15), um die Temperatur der Brennstoffzelle (15) mit dem ersten Kühlmittel einzustellen; einen Reformer (8), der einen von Reformerwänden umschlossenen Katalysator umfasst und für die katalytische Umwandlung von Brennstoff (20) zu Synthesegas (11) ausgestaltet ist, wobei der Reformer (8) zur Bereitstellung von Synthesegas (11) für die Brennstoffzelle (15) mit der Anodenseite (12) der Brennstoffzelle (15) leitungsverbunden ist; einen Verdampfer, der zum Verdampfen von flüssigem Brennstoff ausgestaltet und zur Bereitstellung des verdampften Brennstoffs an den Reformer (8) mit dem Reformer (8) leitungsverbunden ist; eine Zufuhrleitung für flüssigen Brennstoff, die mit dem Verdampfer leitungsverbunden ist, um flüssigen Brennstoff an den Verdampfer bereitzustellen; einen Reformerbrenner (7) zum Erwärmen des Katalysators innerhalb des Reformers (8) durch Wärmeübertragung durch die Reformerwände; dadurch gekennzeichnet, dass das Brennstoffzellensystem (1) eine erste Wärmeaustauscheinheit (21) oder eine zweite Wärmeaustauscheinheit (22) oder beide umfasst, wobei die erste Wärmeaustauscheinheit (21) ein erstes Mehrstromwärmetauschermodul (65) ist und als eine erste Einzeleinheit mit einem ersten Gehäuse (23) bereitgestellt ist und mindestens drei Strömungswege zum gleichzeitigen Austausch von Wärmeenergie zwischen den Fluiden in den drei Strömungswegen umfasst, wobei die drei Strömungswege einen ersten Strömungsweg (47), einen zweiten (48) und einen dritten (49) Strömungsweg durch die erste Wärmeaustauscheinheit (21) umfassen, wobei der erste Strömungsweg (47) für das erste Kühlmittel bereitgestellt und Teil des ersten Kühlkreislaufs (18) ist, wobei der zweite Strömungsweg (48) für das Kathodengas, beispielsweise Luft, bereitgestellt ist und das Kathodengaserwärmungssystem, beispielsweise Lufterwärmungssystem, ausbildet, und der dritte Strömungsweg (49) für den Strom des Brennstoffs bereitgestellt ist und den Verdampfer ausbildet, wobei der erste Strömungsweg (47) in Wärmeverbindung mit dem zweiten und dem dritten Strömungsweg (48, 49) zur gleichzeitigen Übertragung von Wärmeenergie von dem ersten Kühlmittel innerhalb des Gehäuses (23) auf das Kathodengas, um das Kathodengas zu erwärmen, und von dem ersten Kühlmittel auf den Brennstoff (20) steht, um den Brennstoff (20) während seines Strömens durch die erste Wärmeaustauscheinheit (21) zu verdampfen, wenn das Brennstoffzellensystem (1) im Leistungserzeugungsbetrieb ist; wobei die zweite Wärmeaustauscheinheit (22) ein zweites Mehrstromwärmetauschermodul (66) ist und als eine zweite einzelne Einheit mit einem zweiten Gehäuse (23) bereitgestellt ist und mindestens drei Strömungswege umfasst, wobei die drei Strömungswege einen vierten (59), einen fünften (60) und einen sechsten (61) Strömungsweg durch den zweiten Wärmetauschereinheit (22) umfassen, wobei der vierte Strömungsweg (59) für ein zweites Kühlmittel bereitgestellt ist, das sich von dem ersten Kühlmittel unterscheidet, und Teil eines zweiten Kühlkreislaufs (25) ist, der verschieden und strömungstechnisch getrennt vom ersten Kühlkreislauf (18) ist; wobei der fünfte Strömungsweg (60) für das erste Kühlmittel bereitgestellt und Teil des ersten Kühlkreislaufs (18) ist und der sechste Strömungsweg (61) für mindestens eines von Folgendem ist: das Abgas (27) von der Kathodenseite (14) und das Rauchgas aus dem Reformerbrenner (7); wobei der vierte Strömungsweg (59) in Wärmeverbindung mit dem fünften und sechsten Strömungsweg (60, 61) zur gleichzeitigen Übertragung von Wärmeenergie von dem ersten Kühlmittel innerhalb des Gehäuses (23) auf das zweite Kühlmittel zum Reduzieren der Temperatur des ersten Kühlmittels und vom Abgas (27) auf das zweite Kühlmittel zum Kondensieren des Wassers des Abgases (27) im sechsten Strömungsweg (61) steht, bevor es das Brennstoffzellensystem (1) durch einen Auslass (30) verlässt, wenn sich das Brennstoffzellensystem (1) im Leistungserzeugungsbetrieb befindet; wobei das Verfahren während des Leistungserzeugungsbetriebs des Brennstoffzellensystems (1) mindestens eines von Folgendem umfasst: Bereitstellen eines Stroms des ersten Kühlmittels durch den ersten Strömungsweg (47), eines Stroms des Kathodengases durch den zweiten Strömungsweg (48) und eines Stroms des Brennstoffs (20) durch den dritten Strömungsweg (49) und Bewirken einer gleichzeitigen Übertragung von Wärmeenergie von dem ersten Kühlmittel auf das Kathodengas, um das Kathodengas zu erwärmen, und auf den Brennstoff (20) und Verdampfen des Brennstoffs (20) während des Durchströmens der ersten Wärmeaustauscheinheit (21), wenn das Brennstoffzellensystem (1) sich im Leistungserzeugungsbetrieb befindet; und Bereitstellen eines Stroms des zweiten Kühlmittels durch den vierten Strömungsweg (59), eines Stroms des ersten Kühlmittels durch den fünften Strömungsweg (60), eines Stroms durch den sechsten Strömungsweg (61) von mindestens einem von: dem Abgas (27) von der Kathodenseite (14) und dem Rauchgas aus dem Reformerbrenner (7); und Bewirken einer gleichzeitigen Übertragung von Wärmeenergie von dem ersten Kühlmittel auf das zweite Kühlmittel zum Reduzieren der Temperatur des ersten Kühlmittels und von dem Abgas (27) auf das zweite Kühlmittel zum Kondensieren des Wassers des Abgases (27), wenn sich das Brennstoffzellensystem (1) im Leistungserzeugungsbetrieb befindet.
  12. Verfahren nach Anspruch 11, wobei die erste Wärmeaustauscheinheit (21) umfasst: - einen ersten Einlass (41), der mit dem ersten Kühlmittelkreislauf auf einer Stromabwärtsseite der Brennstoffzelle (15) leitungsverbunden ist, um das erste Kühlmittel von der Brennstoffzelle (15) aufzunehmen, nachdem das erste Kühlmittel die Brennstoffzelle (15) durchquert hat; - einen ersten Auslass (42) zum Auslassen des ersten Kühlmittels nach Wärmeübertragung von dem ersten Kühlmittel auf das Kathodengas und den Brennstoff (20); - einen zweiten Einlass (43), der mit der Kathodengaszufuhr, beispielsweise einer Luftzufuhr, zum Aufnehmen von Sauerstoffgas für die Kathodenseite der Brennstoffzelle (15) leitungsverbunden ist; - einen zweiten Auslass (44), der mit der Kathodenseite der Brennstoffzelle (15) leitungsverbunden ist, um erwärmtes Kathodengas an die Brennstoffzelle (15) bereitzustellen; - einen dritten Einlass (45), der mit der Brennstoffzufuhr zum Aufnehmen von Brennstoff, beispielsweise einem Methanol/Wasser-Gemisch, leitungsverbunden ist; - einen dritten Auslass (46), der mit der Anodenseite (12) der Brennstoffzelle (14) leitungsverbunden ist, um der Anodenseite der Brennstoffzelle (15) verdampften Brennstoff zuzuführen; wobei das Verfahren umfasst: - Aufnehmen von erstem Kühlmittel durch den ersten Einlass (41) von einer Stromabwärtsseite der Brennstoffzelle (15), nachdem das erste Kühlmittel die Brennstoffzelle (15) durchquert hat; - Aufnehmen von Kathodengas durch den zweiten Einlass (42) von der Kathodengaszufuhr, beispielsweise einer Luftzufuhr, und Übertragen von Wärmeenergie von dem ersten Kühlmittel auf das Kathodengas, und dann Abgeben des Kathodengases durch den zweiten Auslass (44) um erwärmtes Kathodengas an die Brennstoffzelle (15) bereitzustellen; - Aufnehmen von Brennstoff (20) durch den dritten Einlass (45) aus der Brennstoffzufuhr und Übertragen von Wärmeenergie auf den Brennstoff (20) und dann Abgeben von verdampftem Brennstoff durch den dritten Auslass (46), um den verdampften Brennstoff der Anodenseite (12) der Brennstoffzelle (15) zuzuführen.
  13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, wobei mindestens eines der Folgenden gilt: - die drei Strömungswege der ersten Wärmeaustauscheinheit (21) sind durch eine wärmeleitende erste und zweite Metallwand (51, 52) getrennt, wobei der erste Strömungsweg (47) zwischen dem zweiten und dem dritten Strömungsweg (48, 49) angeordnet ist und das Verfahren das Austauschen von Wärmeenergie zwischen dem ersten Kühlmittel und dem Kathodengas ausschließlich durch die erste Metallwand (51) und das Austauschen von Wärmeenergie zwischen dem ersten Kühlmittel und dem Brennstoff (20) ausschließlich durch die zweite Metallwand (52) umfasst; - mindestens ein Teil des Zuflusses des zweiten Kühlmittels durch den vierten Strömungsweg (59) wird in einen ersten und zweiten Teil des zweiten Kühlmittels verzweigt, wobei der erste Teil des zweiten Kühlmittels ausschließlich oder überwiegend Energie mit dem ersten Kühlmittel im fünften Strömungsweg (60) austauscht und der zweite Teil des zweiten Kühlmittels ausschließlich oder überwiegend Energie mit dem Abgas (27) im sechsten Strömungsweg (61) austauscht.
  14. Verfahren nach einem der Ansprüche 11-13, wobei die Brennstoffzelle (15) eine Hochtemperatur-Polymerelektrolytmembran-HT-PEM-Brennstoffzelle ist, und wobei das Verfahren das Betreiben der Brennstoffzelle bei einer Temperatur im Bereich von 120-200 °C umfasst.
  15. Verfahren nach einem der Ansprüche 11-14, wobei das Verfahren das Abzweigen nur eines Teils des ersten Kühlmittels durch die zweite Wärmeaustauscheinheit (22) während des normalen Leistungserzeugungsbetriebs der Brennstoffzelle (15) umfasst, um Wärme von nur diesem Teil auf den zweiten Kühlkreislauf (25) zu übertragen, wobei der abgezweigte Teil weniger als 50 % des Gesamtstroms des ersten Kühlmittels durch den ersten Kühlkreislauf (18) beträgt.
  16. Verfahren nach einem der Ansprüche 11-15, wobei das Verfahren das Bereitstellen des Brennstoffs (20) als ein Gemisch aus Alkohol und Wasser umfasst.
  17. Verwendung eines Brennstoffzellensystems nach einem der Ansprüche 1-10 oder eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 11-16 für ein Kraftfahrzeug.
DE112020005017.3T 2019-10-17 2020-10-08 Brennstoffzellensystem mit einem Mehrstromwärmetauscher, seine Verwendung und Verfahren für seinen Betrieb Pending DE112020005017T5 (de)

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