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