DE19900166C1 - Flüssigkeitsgekühlte Brennstoffzellenbatterie mit integriertem Wärmetauscher sowie Verfahren zum Betreiben einer flüssigkeitsgekühlten Brennstoffzellenbatterie - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzellenbatterie mit Flüssigkeitskühlung, die einen Primär- und einen Sekundärkühlkreislauf mit zwischen geschaltetem Wärmetauscher hat. Der Wärmetauscher ist konstruktiv in der Batterie integriert, so daß die Länge des Primärkühlkreislaufs minimiert wird und der Primärkühlkreislauf ohne externe Leitungen, also Leitungen, die aus der Batterie heraus führen, auskommt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzellenbatterie mit Flüssigkeitskühlung, die einen Primär- und einen Sekundär­ kühlkreislauf mit zwischen geschaltetem Wärmetauscher hat.

Im Primärkühlkreislauf wird die Batterie gekühlt und im Se­ kundärkühlkreislauf wird das Kühlmittel des Primärkühlkreis­ laufs regeneriert. An das Kühlmittel des Primärkühlkreislaufs einer Brennstoffzellenbatterie wird eine besonders hohe Rein­ heitsanforderung gestellt, weil es teilweise in elektrischem Kontakt mit stromführenden Bauteilen der Brennstoffzellenbat­ terie kommt und, um einen Kurzschluß zu vermeiden, wenn über­ haupt, nur sehr gering leitfähig sein darf. So wird als Kühl­ mittel oft destilliertes Wasser oder reiner Alkohol einge­ setzt. Um die geringe Leitfähigkeit des Kühlmittels zu erhal­ ten, muß der Primärkühlkreislauf aus ausgewählten und teuren Konstruktionsmaterialien beschaffen sein.

Bekannt ist aus der DE 196 08 738 C1 eine PEM-Brennstoffzellen­ batterie, bei der die Abwärme aus der Batterie zur Beheizung genutzt wird. Wegen der in der Brennstoffzellenbatterie ge­ forderten Reinheit des Kühlmittels kann die Wärme aus der Batterie nicht direkt über das Heizungswasser ausgekoppelt werden, sondern es wird ein Wärmetauscher zwischen den Pri­ mär- und den Sekundärkühlkreislauf geschaltet.

Bei der mobilen Anwendung einer Brennstoffzellenbatterie tritt auch das Problem auf, daß zwei Kühlkreisläufe mit da­ zwischen geschaltetem Wärmetauscher gebildet werden müssen, weil wegen der für das Kühlmittel im Primärkühlkreislauf ge­ forderten Reinheit dort keine Zusätze wie Frostschutzmittel enthalten sein dürfen. Der Primärkühlkreislauf muß entspre­ chend bei der mobilen Anwendung konstruktiv vor Frost ge­ schützt werden, wohingegen im Kühlmittel des Sekundärkühl­ kreislaufs ein Frostschutzmittel enthalten sein kann.

Nachteilig bei der bekannten Konstruktion für eine flüssig­ keitsgekühlte Brennstoffzellenbatterie ist, daß der Primär­ kühlkreislauf über externe Leitungen, also Leitungen, die aus der Brennstoffzellenbatterie heraus führen, an einen externen Wärmetauscher angeschlossen ist. Dadurch wird nicht nur auf­ wendiges Material für die Leitungen des Primärkühlkreislaufs verbraucht, sondern es entsteht auch ein hoher Platzbedarf, der insbesondere bei der mobilen Anwendung stört und der das Volumen sowie das Gewicht der genannten Brennstoffzellenanla­ ge unnötig erhöht.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Kon­ struktion für eine flüssigkeitsgekühlte Brennstoffzellenbat­ terie zu schaffen, bei der die Größe des Primärkühlkreislaufs minimiert ist, weil dadurch Kosten, Gewicht und Volumen der Anlage reduziert werden.

Gegenstand der Erfindung ist eine flüssigkeitsgekühlte Brenn­ stoffzellenbatterie mit einem Primär- und einem Sekundärkühl­ kreislauf, in die ein Wärmetauscher so integriert ist, daß die Leitungen des Primärkühlkreislaufs vom Brennstoffzellen­ stapel zum Wärmetauscher im wesentlichen innerhalb der Brenn­ stoffzellenbatterie liegen.

Außerdem ist Gegenstand der Erfindung ein Verfahren zum Be­ treiben einer Brennstoffzellenbatterie mit primärem und se­ kundärem Kühlkreislauf, bei dem der Primärkühlkreislauf im wesentlichen innerhalb der Batterie geführt wird, wobei das erwärmte und verbrauchte Kühlmedium des Primärkühlkreislaufs in einem Wärmetauscher, der in der Brennstoffzellenbatterie integriert ist, regeneriert wird.

Nach einer Ausgestaltung der Erfindung ist der Wärmetauscher ein Plattenwärmetauscher, dessen Platten in den Ausmaßen den Brennstoffzelleneinheiten des Brennstoffzellenstapels der Batterie ähneln und die einfach auf die Brennstoffzellenein­ heiten gestapelt werden.

Der Wärmetauscher kann aus Metall, einer Legierung, einem Kunststoff oder einer Keramik sein, allerdings muß es sich um ein gut wärmeleitfähiges Material handeln, das die Reinheit des primären Kühlmittels nicht gefährdet und gleichzeitig re­ sistent ist gegen das Kühlmittel des Sekundärkühlkreislaufs. Bevorzugt wird ein Metall, wie z. B. Edelstahl eingesetzt, das auf einer oder beiden Oberflächen noch zusätzlich behandelt sein kann.

Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird die Kühlmittelpumpe für den Primärkühlkreislauf an eine der End­ platten der Batterie angeflanscht, so daß externe Leitungen im Primärkühlkreislauf vollständig vermieden werden. Dadurch entfallen auch Wärmeverluste des verbrauchten primären Kühl­ mediums, die sonst über externe Leitungen entstehen. Die ge­ samte Abwärme des Systems wird so im Wärmetauscher an das Kühlmittel des Sekundärkühlkreislaufs abgegeben.

"Brennstoffzellenbatterie" bezeichnet hier das gesamte Aggre­ gat, das den Brennstoffzellenstapel mit den Brennstoffzellen­ einheiten und ggf. vorhandenen Kühlelementen, den Primärkühl­ kreislauf, den integrierten Wärmetauscher, die Anschlüsse für den Sekundärkühlkreislauf und die Endplatten umfaßt. Ein in­ tegrierter Gasbefeuchter kann in der Batterie ebenfalls vor­ gesehen sein.

"Brennstoffzellenstapel" hingegen wird hier nur das Kernstück der Batterie, der Stapel aus Brennstoffzelleneinheiten mit Versorgungskanälen und ggf. Kühlelementen genannt.

Das Kühlmittel des Primärkühlkreislaufs ist insbesondere hin­ sichtlich seiner Leitfähigkeit, die möglichst minimal sein soll, kritisch. Bevorzugt wird destilliertes Wasser und/oder reiner Alkohol eingesetzt. Das Kühlmittel des Sekundärkühl­ kreislaufs kann ein beliebiges flüssiges Kühlmedium mit be­ liebigen Zusätzen sein.

Der Wärmetauscher kann mit dem Brennstoffzellenstapel auf verschiedene Weise verbunden sein. Zur Bildung der Brenn­ stoffzellenbatterie sind nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung der Brennstoffzellenstapel und der Wärmetau­ scher auf einem gemeinsamen Träger angeordnet.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von bevorzugten Aus­ führungsbeispielen näher erläutert:

Fig. 1 zeigt einen schematischen Querschnitt durch eine wei­ tere bevorzugte Ausführungsform einer Brennstoffzel­ lenbatterie.

Fig. 2 bis 4 zeigen Blockschaltbilder von bevor­ zugten Ausgestaltungen des Verfahrens.

In Fig. 1 sieht man einen Brennstoffzellenstapel, der ein­ zelne Brennstoffzelleneinheiten 4 mit Kühlelementen umfaßt. Auf einer Seite des Stapels befindet sich die Endplatte 5, auf der anderen Seite der Wärmetauscher 3. Die Verbindung von Wärmetauscher 3 und Brennstoffzelleneinheiten 4 erfolgt hier durch den Einbau des Wärmetauschers 3 in den Brennstoffzel­ lenstapel, indem der Wärmetauscher 3 genau wie die Brenn­ stoffzelleneinheiten 4 gestapelt wird. In einer solchen Aus­ führungsform kann der Wärmetauscher 3 einfach durch Einfügen von mindestens einem zusätzlichen Blech in den Brennstoffzel­ lenstapel realisiert werden. Auf der einen Seite des Bleches fließt dann das Kühlmittel des Primärkühlkreislaufs während auf der anderen Seite das Kühlmittel des Sekundärkühlkreis­ laufs fließt. Der Wärmetauscher 3 kann aber auch viele ein­ zelne Platten umfassen, die alle im Anschluß an den Brenn­ stoffzellenstapel oder auch zwischen die Brennstoffzellenein­ heiten 4 des Stapels angeordnet sein können.

Die Befestigung des Wärmetauschers 3 und der Brennstoffzel­ leneinheiten 4 erfolgt durch das Zusammendrücken des kombi­ nierten Stapels aus Brennstoffzelleneinheiten 4 und Wärmetau­ scher 3 mit den gemeinsamen Endplatten 5.

Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform können Wärme­ tauscher herkömmlicher Bauform mit dem Brennstoffzellensta­ pel, bevorzugt an dessen Endplatten 5, durch Anschrauben, Verpressen oder Verkleben zu einer Batterie mit integriertem Wärmetauscher verbunden sein.

Bevorzugt ist der integrierte Wärmetauscher mit dem Brenn­ stoffzellenstapel gemeinsam gegen thermische Verluste und/oder vor Frost isoliert.

In Fig. 1 ist an der Enplatte 5, die an den Wärmetauscher 3 angrenzt, die Kühlmittelpumpe 1 des Primärkühlkreislaufs an­ geflanscht.

Die Endplatten 5 haben Ein- und Auslässe 2, 6 und 7 für ex­ terne Leitungen. Dabei handelt es sich um die Anschlüsse des Sekundärkühlkreislaufs und die Brennstoff- und Oxidansversor­ gung.

In Fig. 2 sieht man das Blockschaltbild einer Ausführungs­ form des erfindungsgemäßen Verfahrens. Über die Leitungen 6 und 7 wird der Stapel 4 mit Brennstoff und Oxidans versorgt. Die Abwärme aus dem Stapel 4 wird über den Primärkühlkreis­ lauf 8, der über die Kühlmittelpumpe 1 läuft, an den in der Brennstoffzellenbatterie integrierten Wärmetauscher 3 abgege­ ben. An den Wärmetauscher 3 schließt der Sekundärkühlkreis­ lauf 9 an.

Für die Ausführung ist es dabei gleichgültig, ob Kühlelemente zwischen den Brennstoffzelleneinheiten vorhanden sind, oder ob die Kühlung der Brennstoffzelleneinheiten zunächst über Wärmeleitung im Festkörper bis in den Außenbereich erfolgt und erst dann die Abwärme an das Kühlmittel abgegeben wird. Die Axialkanäle (in der schematisierten Ansicht nicht ge­ zeigt), die für die Kühlmittelzirkulation in der Brennstoff­ zellenbatterie in der Regel vorhanden sind, können dabei so erweitert werden, daß auch der Wärmetauscher 3, soweit er vom Primärkühlkreislauf versorgt wird, durch diese Axialkanäle versorgt wird (axial bedeutet dabei senkrecht zur Membran ei­ ner Brennstoffzelleneinheit, d. h. in Stapelrichtung).

Alternativ können natürlich auch eigene Versorgungskanäle für den Teil des Wärmetauschers, der an dem Primärkühlkreislauf an­ geschlossen ist, vorgesehen sein. Der Sekundärkühlkreislauf muß sowieso über ein eigenes und abgeschlossenes Leitungssy­ stem verfügen.

Die Fig. 3 und 4 behandeln Blockschaltbilder bei denen die Zwischenschaltung eines Gasbefeuchters 11 erkennbar ist.

Generell sind bei einer Brennstoffzellenbatterie mit inte­ griertem Wärmetauscher die Gasbefeuchter für Brenngas oder Oxidans z. B. im Stapel integriert. Alternativ sind sie extern angebracht. Eine Beheizung der Befeuchter kann wahlweise über den Primär- oder Sekundärkühlkreislauf geschehen.

Fig. 3 zeigt einen integrierten Befeuchter 11, der über den Primärkühlkreislauf 8 beheizt wird. Die Figur ist gegenüber der Fig. 2 nur um den Befeuchter 11 und die Kühlmittelpumpe 10 des Sekundärkühlkreislaufs erweitert.

Fig. 4 entspricht der Fig. 3 bis auf die Stellung des Be­ feuchters 11, der in diesem Fall extern angebracht ist und der über den Sekundärkühlkreislauf 9 beheizt wird.

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzellenbatterie mit Flüssigkeitskühlung, die einen Primär- und einen Sekundär­ kühlkreislauf mit zwischen geschaltetem Wärmetauscher hat.

Der Wärmetauscher ist konstruktiv in der Batterie integriert, so daß der Primärkühlkreislauf, dessen Material und Kühlmit­ tel aufwendig sind, vollständig innerhalb der Batterie ge­ führt wird, und der Primärkühlkreislauf ohne externe Leitun­ gen, also Leitungen die aus der Batterie heraus führen, und dementsprechende Wärmeverluste aufweisen, auskommt.

Claims (5)

1. Flüssigkeitsgekühlte Brennstoffzellenbatterie mit einem Primär- und einem Sekundärkühlkreislauf, in die ein Wärme­ tauscher so integriert ist, daß die Leitungen des Primär­ kühlkreislaufs vom Brennstoffzellenstapel zum Wärmetauscher innerhalb der Brennstoffzellenbatterie liegen.

2. Brennstoffzellenbatterie nach Anspruch 1, bei der der Wär­ metauscher ein Plattenwärmetauscher ist.

3. Brennstoffzellenbatterie nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei der eine Kühlmittelpumpe für den Primärkühlkreislauf an eine Endplatte der Batterie angeflanscht ist.

4. Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenbatterie mit primärem und sekundärem Kühlkreislauf, bei dem der Primär­ kühlkreislauf innerhalb der Batterie ge­ führt wird, wobei das erwärmte und verbrauchte Kühlmedium des Primärkühlkreislaufs in einem Wärmetauscher, der in der Brennstoffzellenbatterie integriert ist, regeneriert wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem ein in der Batterie in­ tegrierter Gasbefeuchter über die Abwärme aus dem Primär­ kühlkreislauf beheizt wird.