DE19922923A1 - Flüssigkeitsgekühlte Brennstoffzellenbatterie und Verfahren zum Betreiben einer flüssigkeitsgekühlten Brennstoffzellenbatterie - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine flüssigkeitsgekühlte Brennstoffzellenbatterie und ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Batterie, wobei insbesondere das Startverhalten der Batterie gegenüber den bekannten Systemen verbessert wird, indem die Wärmekapazität der Brennstoffzellenbatterie zum Startzeitpunkt dadurch erniedrigt wird, daß zumindest ein Teil der Kühlflüssigkeit aus dem Kühlsystem beim Abschalten entfernt wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine flüssigkeitsgekühlte Brennstoff­ zellenbatterie und ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Batterie, wobei insbesondere das Startverhalten der Batterie gegenüber den bekannten Systemen verbessert wird.

Bekannt ist aus der DE 199 14 249.1 eine Brennstoffzellenbatte­ rie mit Heizung, die ein Heizelement integriert enthält, das beim Start Wärme abgibt, um z. B. die Membran und/oder die Brennstoffzelleneinheit aufzuheizen. Die Wärmekapazität der Brennstoffzelle bleibt dabei unverändert. Die Geschwindig­ keit, mit der eine Brennstoffzellenbatterie aufgeheizt wird, ist eine Funktion ihrer Wärmekapazität, derart, daß eine Bat­ terie mit geringerer Wärmekapazität schneller aufheizbar ist als eine mit hoher Wärmekapazität. Bei der mobilen Anwendung einer Batterie ist eine kurze Aufheizphase wünschenswert.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Batterie mit reduzierter Wärmekapazität, insbesondere zum Start-Zeitpunkt, zu schaffen. Außerdem ist es Aufgabe der Erfindung, ein Ver­ fahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenbatterie zur Ver­ fügung zu stellen, das mit möglichst geringem Energieaufwand rasch gestartet werden kann.

Gegenstand der Erfindung ist eine flüssigkeitsgekühlte Brenn­ stoffzellenbatterie mit zumindest einer Brennstoffzellenein­ heit und einem Kühlsystem derart, daß das Kühlsystem zumin­ dest einen Auslaß und zumindest einen Einlaß umfaßt, wobei Kühlflüssigkeit vor dem Starten der Batterie abfließt und nach erfolgtem Starten der Batterie wieder einfließt.

Außerdem ist Gegenstand der Erfindung ein Verfahren zum Be­ treiben einer flüssigkeitsgekühlten Brennstoffzellenbatterie, bei dem die Kühlflüssigkeit vor dem Starten der Batterie aus dem Brennstoffzellenstack entfernt wird, so daß beim Starten der Batterie der Stack weniger Kühlflüssigkeit enthält als während des Betriebs.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird die Kühlflüssigkeit beim Abschalten der Brennstoffzellenbat­ terie aus dem Kühlsystem entfernt.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung können Ein- und Auslaß des Kühlsystems zusammenfallen, so daß die­ selbe Öffnung beim Abschalten als Auslaß dient, die dann beim Auffüllen des Kühlsystems mit Kühlflüssigkeit der Einlaß ist. Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung befindet sich der Auslaß an der tiefsten Stelle des Kühlsystems, so daß die Kühlflüssigkeit bei offenem Auslaß aus dem Kühlsystem fließt, ohne daß eine Pumpe oder eine ähnliche Vorrichtung eingesetzt werden muß.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Auslaß mit einem Sammelreservoir verbunden, so daß das Kühl­ mittel während des Stillstands der Batterie dort gespeichert wird. Dabei ist es bevorzugt, daß das Sammelreservoir über eine Pumpe oder eine ähnliche Vorrichtung verfügt, so daß nach erfolgtem Starten der Batterie das Kühlsystem rasch wie­ der mit Kühlflüssigkeit gefüllt werden kann.

Nach einer anderen Ausgestaltung der Erfindung verfügt das Kühlsystem über mehrere Auslässe, beispielsweise pro Brenn­ stoffzelleneinheit über einen Auslaß. Dabei ist bevorzugt je­ dem Auslaß ein Reservoir zugeordnet.

Je nach Ausführungsform der Erfindung kann das Reservoir/die Reservoirs extern oder intern von/in der Brennstoffzellenbat­ terie angeordnet sein.

Bevorzugt umfaßt das Kühlsystem der Brennstoffzellenbatterie eine Gasleitung, durch die Gas in das Kühlsystem einleitbar ist. Dabei ist es vorteilhaft, wenn die Gasleitung zumindest ein Ventil hat, so daß das Gas unter Umständen unter erhöhtem oder erniedrigtem Druck eingeleitet werden kann.

Nach einer Ausführungsform des Verfahrens wird das Kühlsystem beim Ablassen der Kühlflüssigkeit aus der Brennstoffzellen­ batterie belüftet, d. h. die Kühlflüssigkeit wird im Kühlsy­ stem durch Gas, beispielsweise Luft, unter atmosphärischem Druck ersetzt. Nach einer anderen Ausführungsform des Verfah­ rens wird die Kühlflüssigkeit aus dem Kühlsystem durch Ga­ seinleitung herausgeblasen, d. h. die Kühlflüssigkeit wird im Kühlsystem durch Gas unter erhöhtem Druck ersetzt.

Das Gas, das die Kühlflüssigkeit im Kühlsystem ersetzt, hat eine geringere Wärmekapazität als die Kühlflüssigkeit und deshalb erniedrigt sich die gesamte Wärmekapazität der Brenn­ stoffzellenbatterie, wenn die Kühlflüssigkeit zumindest teil­ weise aus der Batterie entfernt wird. Bei dem Gas kann es sich um Luft, ein Luftgemisch und/oder Inertgas handeln.

Das Reservoir zur Speicherung der Kühlflüssigkeit während des Stillstands der Brennstoffzellenbatterie ist bevorzugt ther­ misch isoliert, so daß die gespeicherte Kühlflüssigkeit zu­ mindest nicht unter ihren Gefrierpunkt abkühlt.

Nach einer Ausführung ist an das Reservoir ein Latentwärme­ speicher angeschlossen, der beispielsweise so gewählt wird, daß der Phasenübergang oberhalb der Schmelztemperatur der Kühlflüssigkeit und insbesondere im Temperaturbereich zwi­ schen +5°C und +80°C liegt.

Nach einer Ausgestaltung ist das Reservoir heizbar. Die Kühl­ flüssigkeit wird dann unmittelbar vor Inbetriebnahme durch Wärmezufuhr von einer externen Quelle aufgeheizt. Die externe Wärmequelle ist beispielsweise eine Heizung mit einer Star­ terbatterie, eine Heizung über einen Katalytbrenner, die Nut­ zung der Abwärme eines anderen Aggregats (Reformer) oder ein Latentwärmespeicher. Auch ein heizbares Reservoir kann ther­ misch isoliert sein, so daß es als Wärmespeicher für die in der Kühlflüssigkeit gespeicherte Wärme dienen kann.

Andererseits kann das Reservoir, insbesondere bei der Ausfüh­ rungsform, wo es nur ein Sammelreservoir für den ganzen Stack gibt und in das Reservoir deshalb beim Ablassen der Kühlflüs­ sigkeit eine beachtliche Wärme einfließt, auch eine, bei­ spielsweise lösbare, Verbindung zu einem Aggregat haben, in dem die Wärme entweder gespeichert oder genutzt wird. Das Ag­ gregat kann also entweder ein Wärmetauscher, ein Wärmespei­ cher und/oder eine Maschine sein.

Nach einer anderen Ausführungsform wird beim Starten der Brennstoffzellenbatterie der Brennstoffzellenstack im Ruhezu­ stand aufgeheizt, wobei der Stack eine reduzierte Wärmekapa­ zität hat, weil zumindest ein Teil der Kühlflüssigkeit durch ein Gas ersetzt ist. In der Regel wird dann, wenn der Stack die Temperatur hat, bei der er betriebsfähig ist, die Kühl­ flüssigkeit wieder in das Kühlsystem eingelassen und/oder eingepumpt.

Wenn die Kühlflüssigkeit im Reservoir eine höhere Temperatur als der Brennstoffzellenstack hat, so kann es zu diesem Zeit­ punkt beim Starten der Brennstoffzellenbatterie günstig sein, die Kühlflüssigkeit, solange sie noch wärmer als der Stack ist, in das Kühlsystem einzuleiten, weil dann das Kühlsystem, das ja ein Wärmetauscher ist, kurzzeitig invers genutzt wird und als Heizung für den Stack dient.

Als Brennstoffzellenbatterie wird das gesamte Brennstoffzel­ lensystem bezeichnet, das zumindest einen Stack mit zumindest einer Brennstoffzelleneinheit, die entsprechenden Prozeßgas­ zuführungs- und -ableitungskanäle, die Endplatten und das Kühlsystem mit Kühlflüssigkeit umfaßt.

Als Stack wird der Stapel aus zumindest einer Brennstoffzel­ leneinheit mit den dazugehörigen Leitungen und zumindest ei­ nem Teil des Kühlsystems bezeichnet.

Die Erfindung nutzt den Umstand, daß eine flüssigkeitsgekühl­ te Brennstoffzellenbatterie, die eine verringerte Wärmekapa­ zität hat, schneller startklar gemacht werden kann, weil sie im Gegensatz zu den herkömmlichen Brennstoffzellenbatterien schneller aufheizbar ist. Insbesondere bei der mobilen Anwen­ dung dürfte die Erfindung daher von Interesse sein, wobei die Nutzung der Wärme der abgelassenen Kühlflüssigkeit über eine lösbare Verbindung auch stationär erfolgen kann. Bei der Brennstoffzellenbatterie nach der Erfindung wird vor dem Starten der Batterie Kühlflüssigkeit aus dem Stack entfernt, so daß der Stack ohne Kühlflüssigkeit, also mit deutlich re­ duzierter Wärmekapazität aufgeheizt wird. Nach erfolgtem Starten wird die Kühlflüssigkeit wieder dem Kühlsystem zuge­ führt.

Claims (11)

1. Flüssigkeitsgekühlte Brennstoffzellenbatterie mit zumin­ dest einer Brennstoffzelleneinheit und einem Kühlsystem der­ art, daß das Kühlsystem zumindest einen Auslaß und zumindest einen Einlaß umfaßt, wobei Kühlflüssigkeit vor dem Starten der Batterie abfließt und nach erfolgtem Starten oder während des Startens der Batterie wieder einfließt.

2. Brennstoffzellenbatterie nach Anspruch 1, bei der der Aus­ laß und der Einlaß zusammenfallen.

3. Brennstoffzellenbatterie nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei der der Auslaß an der tiefsten Stelle im Kühlsystem angeordnet ist.

4. Brennstoffzellenbatterie nach einem der vorstehenden An­ sprüche, bei der das Kühlsystem mehrere Auslässe und/oder mehrere Einlässe umfaßt.

5. Brennstoffzellenbatterie nach einem der vorstehenden An­ sprüche, bei der das Kühlsystem über eine Gaseinleitung ver­ fügt.

6. Verfahren zum Betreiben einer flüssigkeitsgekühlten Brenn­ stoffzellenbatterie, bei dem Kühlflüssigkeit vor dem Starten der Batterie aus dem Kühlsystem entfernt wird, so daß beim Starten der Batterie der Stack weniger Kühlflüssigkeit ent­ hält als während des Betriebs.

7. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem die Kühlflüssigkeit beim Abschalten der Brennstoffzellenbatterie aus dem Kühlsy­ stem entfernt wird und vor dem Starten der Batterie in das Kühlsystem eingeleitet wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 oder 7, bei dem die Kühlflüssigkeit während des Stillstands der Batterie in zu­ mindest einem Reservoir gespeichert wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, bei dem das Reservoir thermisch isoliert ist und/oder beheizbar ist.

10. Verfahren nach Anspruch 9, bei dem die Abwärme des Refor­ mers und/oder eines anderen Aggregats zur Heizung des Reser­ voirs genutzt wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 10, bei dem die Kühlflüssigkeit beim Eintritt in das Kühlsystem eine höhere Temperatur als der Stack hat und zum Beheizen des Stacks ge­ nutzt wird.