DE19930877A1 - Brennstoffzellenanlage und Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenanlage - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzellenanlage und ein Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenanlage mit einer dynamischen Leistungsregelung durch Zuschaltung von zumindest einem betriebsbereit gehaltenen Teilsystem, einem Niedervoltaggregat für Nachtbetrieb und/oder mit einer Bordstromversorgung.

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzellenanlage und ein Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenanlage mit ei­ ner dynamischen Leistungsregelung durch Zuschaltung von zu­ mindest einem betriebsbereit gehaltenem Teilsystem, mit einem Niedervolt-, Startersystem und/oder einer Bordstromversor­ gung.

Bekannt ist eine Brennstoffzellenanlage, die mehrere Brenn­ stoffzellenstacks umfaßt, z. B. aus der EP 0 677 411 EP. Dabei wird eine Aufteilung des Brennstoffzellenmoduls in mehrere Stacks aus konstruktiven Gründen vorgeschlagen, weil entweder die Menge der benötigten Einzelzellen einen Stack einer sta­ tionären Brennstoffzellenanlage überfordert hätte oder die Gewichtsverteilung der Antriebseinheit im Fahrzeug eine Auf­ teilung in zwei Stacks erforderte.

Die bekannten Konstruktionen für Brennstoffzellenanlagen ha­ ben keine Möglichkeit für eine dynamische Leistungsanpassung, beispielsweise bei Überholvorgängen, weil sie nur eine konti­ nuierliche Leistungssteigerung über höheren Betriebsdruck, höhere Reaktionsgaskonzentration etc. vorsehen. Außerdem ist nachteilig an den bekannten Systemen mit Brennstoffzellenan­ lagen, daß keine Niedervoltaggregate, z. B. zum Sommerbetrieb, zur Nachtversorgung der stationären Brennstoffzellenanlage, beim Start und/oder für die Bordstromversorgung im Stand und/oder im Betrieb in der Antriebseinheit vorhanden sind.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, eine Brennstoffzellenanlage zu schaffen, die über eine dynamische Leistungsanpassung und/oder ein Niedervoltaggregat verfügt. Zudem ist es Aufgabe der Erfindung ein Verfahren zum Betrei­ ben einer solchen Anlage zur Verfügung zu stellen.

Gegenstand der Erfindung ist eine Brennstoffzellenanlage, die zumindest zwei separat betreibbare Teilsysteme umfaßt.

Außerdem ist Gegenstand der Erfindung ein Verfahren zum Be­ trieb einer Brennstoffzellenanlage, bei dem zumindest zwei Teilsysteme separat betrieben werden.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Anlage haben die Teilsysteme getrennte Spannungsregelung und/oder Leistungse­ lektronik.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Anlage sind die Teilsysteme elektrisch parallel geschaltet.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfaßt zumindest ein Teilsystem der Anlage zumindest eine Hochtempe­ ratur-Polymer-Elektrolyt-Membran(HTM)-Brennstoffzelle und/oder eine Polymer-Elektrolyt-Membran(PEM)- Brennstoffzelle.

Als "Teilsystem" wird ein Stapel oder Stack mit zumindest ei­ ner Brennstoffzelleneinheit bezeichnet. Mehrere Teilsysteme können sowohl in einem Gehäuse als auch in separaten Gehäusen untergebracht sein. Ein Beispiel für zwei Teilsysteme ist ein Stack von 70 Brennstoffzelleneinheiten, von denen einmal 30 Einheiten und einmal 40 Einheiten separat, also unabhängig aktiviert, betrieben, also angesteuert und geregelt werden können. Ein anderes Beispiel für zwei Teilsysteme sind zwei separate Stacks die unabhängig aktiviert und betrieben werden können. Dabei umfaßt die Unabhängigkeit der Teilsysteme so­ wohl die zeitliche als auch die betriebliche Komponente, das heißt, die Teilsysteme können zum einen nacheinander und zum zweiten nebeneinander mit unterschiedlicher Betriebsweise ge­ fahren werden. Eine Kombination der beiden Varianten, wobei ein Teilsystem später gestartet und unter anderen Betriebsbe­ dingungen gefahren wird, ist mitumfaßt.

Die Teilsysteme können gemäß der Erfindung gleich oder un­ gleich sein. Sie können insbesondere gleich oder ungleich sein in bezug auf Leistung, Größe, Material, Output und/oder Art an Brennstoffzelle, wie z. B. herkömmliche Brennstoffzel­ le(einheitliches Potential auf der Grundplatte) und/oder Streifenzelle(unterschiedliche Potentiale auf der Grundplat­ te); PEM, HTM-Brennstoffzelle, PAFC(Phosphoric Acid Fuel Cell)-Brennstoffzelle, MCFC (Molten-Carbonate-Fuel-Cell), DMFC (Direkt-Methanol-Fuei Cell) und/oder SOFC(Solide Oxide Fuel Cell)-Brennstoffzelle.

Wenn eine Parallelschaltung der Teilsysteme gewünscht wird und eine erhebliche Größendifferenz der Teilsysteme besteht, ist die Verwendung von Streifenzellen, bei denen die elektri­ sche Zellfläche verkleinert wird und unterschiedliche Poten­ tiale in der Zellebene einer Brennstoffzelleneinheit beste­ hen, bevorzugt.

Mit separat betreibbar ist gemeint, daß die Teilsysteme unab­ hängig, also separat aktiviert und am Laufen gehalten werden können. Die Teilsysteme werden beispielsweise durch Kühlung, Prozeßgaszufuhr und/oder elektrisch aktiviert.

HTM-Brennstoffzellen sind aus der gleichnamigen Parallelan­ meldung derselben Anmelder bekannt, auf die hiermit vollin­ haltlich bezug genommen wird.

Eine HTM-(Hochtemperatur-Polymer-Elektrolyt-Membran)- Brennstoffzelle, auch HTM-Brennstoffzelleneinheit genannt, umfaßt folgende Bestandteile

• - eine Membran und/oder Matrix,
  • - die einen eigendissoziierenden und/oder autoprotolyti­ schen Elektrolyten chemisch und/oder physikalisch gebun­ den enthält
• - zwei Elektroden, die sich auf gegenüberliegenden Seiten der Membran und/oder Matrix befinden
• - angrenzend an mindestens eine Elektrode eine Reaktionskam­ mer, die durch jeweils eine Polplatte und/oder eine ent­ sprechende Randkonstruktion gegen die Umgebung abgeschlos­ sen ist, wobei Vorrichtungen vorgesehen sind, durch die Prozeßgas in die Reaktionskammer ein- und ausgebracht wer­ den kann,
• - wobei die Konstruktionsteile der HTM-Brennstoffzelle so beschaffen sind, daß sie erniedrigten Druck bis zu ca. 0,3 bar und Temperaturen bis zu 300°C langfristig aushalten.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird die Brennstoffzellenanlage kombiniert im kontinuierlichen und diskontinuierlichen Betrieb gefahren, d. h. innerhalb einer Betriebsphase ist für Leistungsspitzen zumindest ein weiteres Teilsystem rasch zuschaltbar, so daß eine gute Leistungsdyna­ mik für die Anwendung der Anlage in mobilen und stationären Systemen entsteht.

Zur Erleichterung des Kaltstarts ist nach einer Ausführungs­ form vorgesehen, daß zumindest ein kleines Teilsystem, z. B. ein Niedervoltsystem, im Dauerbetrieb gefahren wird, das ent­ weder die Betriebstemperatur oder eine Temperatur über dem Kristallisationspunkt des Elektrolyten (z. B. über 40°C) hält und über das dann die restlichen Teilsysteme beim Start auf­ geheizt werden. Bei der Ausgestaltung des Verfahrens, bei der ein Teilsystem im Dauerbetrieb gefahren wird, wird dieses Teilsystem zumindest während der Ruhephase, wo es zur Erhal­ tung der Mindesttemperatur (z. B. für einen autothermen Start­ vorgang) dient, vorzugsweise mit maximaler thermischer Lei­ stung betrieben.

Je nach Bedarf kann die Effizienz des Teilsystems in Richtung höhere Stromerzeugung oder höhere thermische Leistung über die Einstellung der Zellspannung geregelt werden. Die Rege­ lung kann dabei auch über ein Steuergerät nach einem vorgege­ benen Algorithmus unter Berücksichtigung einiger Meßdaten und/oder der gewünschten Strom-, Heizleistung und/oder des Fahrerwunsches etc. erfolgen.

Bei einer Ausgestaltung des Verfahrens wird das "Startersy­ stem" zwar nicht im Dauerbetrieb gefahren aber entweder wird beim Kaltstart zunächst nur dieses begrenzt kleine Teilsystem aufgeheizt, oder es wird über Isolation, Latentwärmespeicher und/oder Heizung eine Temperatur im Teilsystem erreicht, die über dem Kristallisationspunkt des Elektrolyten liegt, so daß ein autothermes Aufheizen des Startersystems erfolgen kann. Dabei ist es vorteilhaft, wenn eine Systemkombination PEM/HTM vorliegt, bei der das PEM-System das Startersystem ist, weil das PEM-System bereits bei Temperaturen oberhalb von 0°C au­ totherm gestartet werden kann, wohingegen ein HTM-System mit einer Broenstedtsäure wie beispielsweise der Phosphorsäure als Elektrolyten erst oberhalb von 40°C autotherm gestartet werden kann. Es kann auch ein zusätzlicher Energiespeicher, wie eine Batterie, für den Standbetrieb vorgesehen sein.

Als "Startersystem" wird das Teilsystem bezeichnet, das einen Teillastbetrieb ermöglicht, der beim Übergang zum nächst hö­ heren Lastbetrieb (Zuschaltung weiterer Teilsysteme) und/oder beim Übergang zum Vollastbetrieb sowohl über die Abwärme als auch über elektrische Leistungsabgabe weitere Teilsysteme aufheizt, die dann nachfolgend zugeschaltet werden können.

Zur Beheizung des Wohn- oder Fahrgastinnenraumes kann bei­ spielsweise die Abwärme eines kleineren Teilsystems, wie die des Niedervolt- oder Startersystems dienen.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Brennstoffzellen­ anlage und des Betriebsverfahrens ist eine modulare Medien­ aufbereitung vorgesehen, so daß die Peripherie der Anlage wie z. B. Brennstoffzellenstack, Reformer, Verdichter, Gebläse und Ventilator jeweils im optimalen Wirkungsbereich gefahren wer­ den können. Die Aggregate in der Stackperipherie können dem­ nach in mehreren Modulen mit kleineren Einheiten vorliegen, so daß beispielsweise bei Teillastbetrieb eines Brennstoff­ zellenstacks ein Reformermodul bei Vollast betrieben wird, wobei jeder der Apparate dann im optimalen Wirkungsbereich, d. h. unter optimaler Brennstoffausnutzung läuft.

Die durchschnittliche Größe eines HTM oder PEM Brennstoffzel­ lenteilsystems in einer Brennstoffzellenanlage, die für die Elektrotraktion eingesetzt wird umfaßt zum Beispiel 300 Brennstoffzelleneinheiten bei der Elektrotraktion.

Ein Startersystem oder ein System, das für die Niedervolt- Bordstromversorgung eingesetzt wird, umfaßt zum Beispiel 20-60 Brennstoffzelleneinheiten und hat eine maximale Leistung von ca. 1 bis 10 kW.

Während des Startens und/oder während der Ruhephase unter Er­ haltung der Betriebstemperatur (Erhaltungslast) und/oder wäh­ rend einer Betriebsphase mit Niedriglast ist eine Reihen­ schaltung der Kühlung sinnvoll, so daß die Kühlung eines Teilssystems als Heizung eines anderen Teilsystems einsetzbar ist. Dabei ist es auch vorteilhaft, wenn bei Luftbetrieb meh­ rere Stacks in Reihe geschaltet werden, so daß die Abluft des ersten Stacks zur Heizung des nächsten Stacks einsetzbar ist. Die Reihenschaltung der Stacks kann auch beim Ein-Stack- Betrieb des Mehrstacksystems vorteilhaft sein, weil die Wärme aus der Abluft des betriebenen Stacks zur Erhaltung der Be­ triebstemperatur des gerade in Ruhe befindlichen Stacks dient.

Der Einbau eines Luftfilters für Kühl- und/oder Reaktionsluft ist vorteilhaft.

Nach einer Ausgestaltung der Anlage sind zumindest zwei Teil­ systeme aus HTM-Brennstoffzellen. Bei dieser Ausführungsform wird bevorzugt die Kühlung der beiden Teilsysteme in be­ triebswarmem Zustand parallel geschaltet, weil die beiden Teilsysteme dieselbe Betriebstemperatur haben.

Bei Teilsystemen ähnlicher oder gleicher Betriebstemperatur ist eine Parallelschaltung der Kühlung während des normalen Betriebs bevorzugt.

Bei Temperaturen kleiner 120°C ist in einem HTM-Teilsystem mit Reformer bevorzugt eine Gasreinigung vorgesehen, um das Prozeßgas von CO zu befreien oder den CO-Gehalt des Restgases zu reduzieren.

Nach einer Ausgestaltung der Anlage umfaßt zumindest ein Teilsystem zumindest eine HTM-Brennstoffzelle und ein Teilsy­ stem zumindest eine Polymer-Elektrolyt-Membran(PEM)- Brennstoffzelle.

Bei dieser Ausgestaltung kann im betriebswarmen Zustand die Kühlung der beiden Teilsysteme in Reihe geschaltet werden, weil das erwärmte Kühlmedium aus dem PEM-Brennstoffzellen- Teilsystem immer noch kühl genug ist um das Teilsystem mit HTM-Brennstoffzellen, die bei einer deutlich höheren Tempera­ tur betrieben werden, zu kühlen.

Ebenso kann bei der Kombination von zumindest einem PEM- Brennstoffzellenteilsystem mit einem HTM- Brennstoffzellenteilsystem ein zweiteiliges Kühlsystem, das einen Niedertemperatur-Kühlkreislauf und einen Hochtempera­ tur-Kühlkreislauf umfaßt, vorgesehen sein. Bei einem PEM- Brennstoffzellenteilsystem ist eine CO-Gasreinigung, bei­ spielsweise in Form einer wasserstoffdurchlässigen Sperrmem­ bran, vorgesehen.

Diese Kombination eignet sich besonders für eine Anlage mit Bordstromversorgung, wobei das PEM-Teilsystem bevorzugt für die Niedervolt-Bordstromversorgung eingesetzt wird.

Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird die Brennstoffzellenanlage während der Ruhephase durch Erwär­ men getrocknet, so daß z.B. im Kurzzeitbetrieb, wenn Ruhe- und/oder Belastungsphase kurz sind, die Stacktemperatur grundsätzlich über der Siedetemperatur des Wassers gehalten wird. Dies kann beispielsweise durch Einstellung einer Erhal­ tungslast während der Ruhephase erreicht werden.

Nach einer anderen Ausgestaltung des Verfahrens wird - entwe­ der kombiniert mit dem Trocknen durch Erwärmung oder allein, - beim Abschalten der Anlage mit Prozeß- und/oder Inertgas zu­ mindest ein Teilsystem und/oder ein Kühlsystem durch- und/oder trockengeblasen, so daß beim Starten die Anlage mög­ lichst wasserfrei und das Kühlsystem möglichst leer ist.

Eine laufende Überprüfung des Wassergehalts des austretenden Prozeß- und/oder Inertgases zeigt, wann die Zelle /der Stack trocken ist und das Gebläse ausgeschaltet werden kann.

Das während der Ruhephase extern gelagerte Kühlmedium kann während des Startens und/oder vor dem Starten extern, bei­ spielsweise durch einen dafür vorgesehenen Stack der Anlage, durch Abwärmenutzung und/oder durch einen Latentwärmespeicher aufgeheizt und als Wärmemedium in das Kühlsystem eines zu startenden Teilsystems eingelassen werden.

Das dafür erforderliche Gebläse wird beispielsweise mit Lei­ stung aus dem und/oder einem anderen Teilsystem der Brenn­ stoffzellenanlage und/oder über einen externen Energiespei­ cher, insbesondere einen elektrischen, versorgt.

Ein Teilsystem der Brennstoffzellenanlage kann zur Start­ stromversorgung vorgesehen sein, beispielsweise zur Versor­ gung der Aggregate wie Heizung zur Prozeßgasvorwärmung, Ver­ dichter, Reformer, Gebläse etc.

Als Brennstoffzellenanlage wird das gesamte Brennstoffzellen­ system bezeichnet, das zumindest zwei Teilsysteme, die entwe­ der zwei separate Stacks bilden oder in einem Gehäuse inte­ griert sind. Die Teilsysteme haben jeweils zumindest einer Brennstoffzelleneinheit, die entsprechenden Prozeßgaszufüh­ rungs- und -ableitungskanäle, die Endplatten, das Kühlsystem mit Kühlmedium und die gesamte Brennstoffzellenstack- Peripherie (Reformer, Verdichter, Gebläse, Heizung zur Pro­ zeßgasvorwärmung, etc.).

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

Eine Brennstoffzelleneinheit umfaßt zumindest eine Membran und/oder Matrix mit einem chemisch und/oder physikalisch ge­ bundenen Elektrolyten, zwei Elektroden, die sich auf gegen­ überliegenden Seiten der Membran und/oder Matrix befinden, angrenzend an zumindest eine Elektrode eine Reaktionskammer, die durch jeweils eine Polplatte und/oder eine entsprechende Randkonstruktion gegen die Umgebung abgeschlossen ist, wobei Vorrichtungen vorgesehen sind, durch die Prozeßgas in die Re­ aktionskammer ein- und ausgebracht werden kann.

Die Brennstoffzellenanlage nach der Erfindung ermöglicht bei­ spielsweise eine differenzierte und den jeweiligen Bedingun­ gen dynamisch anpaßbare Leistungsabgabe der Anlage. Außerdem kann ein Teilsystem zur Zuschaltung nur bei Beschleunigungen vorgesehen sein, das während seiner Ruhephase über den Kühl­ kreislauf eines anderen Teilsystems, das im Betrieb ist, über einen Latentwärmespeicher oder eine sonstige Vorrichtung (Heizung, Isolation, Erhaltungslast) immer auf Betriebstempe­ ratur gehalten wird. Latentwärmespeicher zur schnelleren Auf­ wärmung des Kühlwassers beim KFZ sind bekannt. Als Speicher­ medien werden sog. "phase-change-materials" wie Bariumhydroxid etc. eingesetzt. Die Wärmeaufnahme oder -abgabe erfolgt dabei durch Schmelzen oder Rekristallisation der Materialien.

Eine weitere Möglichkeit, die durch das System erstmals er­ öffnet wird, ist, daß ein Teilsystem als "Niedervoltaggregat" oder "Startersystem" zum Sommer- oder Nachtbetrieb, zum Start und/oder für die Bordstromversorgung (Klimaanlage, Heizung, Radio etc.) als APU (Auxiliary Power Unit) ausgelegt ist. Dieser Teilsystem kann dann mit geringer Nennleistung, bei­ spielsweise 3-10 kW (entspricht ca. 5 bis 20% der Nennlei­ stung des Gesamtsystems) betrieben werden.

Claims (15)

1. Brennstoffzellenanlage, die zumindest zwei separat be­ treibbare Teilsysteme umfaßt.

2. Brennstoffzellenanlage nach Anspruch 1, wobei die Teil­ systme ungleich sind.

3. Brennstoffzellenanlage nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei der die Teilsysteme getrennte Spannungsregelung und/oder Leistungselektronik haben.

4. Brennstoffzellenanlage nach einem der vorstehenden Ansprü­ che, bei der die Teilsysteme elektrisch parallel geschaltet sind.

5. Brennstoffzellenanlage nach einem der vorstehenden Ansprü­ che, bei der zumindest ein Teilsystem der Anlage zumindest eine Hochtemperatur-Polymer-Elektrolyt-Membran(HTM)- Brennstoffzelleneinheit und/oder eine Polymer-Elektrolyt- Membran(PEM)-Brennstoffzelleneinheit umfaßt.

6. Brennstoffzellenanlage nach einem der vorstehenden Ansprü­ che, die zumindest ein Startersystem und/oder ein Niedervol­ taggregat umfaßt.

7. Brennstoffzellenanlage nach Anspruch 6, bei der das Star­ tersystem zumindest eine PEM-Brennstoffzelleneinheit umfaßt.

8. Brennstoffzellenanlage nach einem der vorstehenden Ansprü­ che, die zumindest zwei Teilsysteme mit zwei parallel ge­ schalteten Kühlkreisläufen umfaßt.

9. Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenanlage, bei dem zumindest zwei Teilsysteme separat aktiviert und/oder be­ trieben werden.

10. Verfahren nach Anspruch 9, das kombiniert im kontinuier­ lichen und diskontinuierlichen Betrieb gefahren wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 oder 10, bei dem zu Beginn des Kaltstarts der Brennstoffzellenanlage zumindest ein Startersystem gestartet wird.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, mit einer modularen Medienaufbereitung, die eine optimale Brenngasaus­ nutzung gewährleistet.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, bei dem wäh­ rend der Ruhephase zumindest ein Niedrigvolt-Teilsystem unter Erhaltungslast betrieben wird.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 13, bei dem wäh­ rend des Startens und/oder während der Ruhephase unter Erhal­ tungslast und/oder während einer Betriebsphase mit Niedrig­ last die Kühlung der Stacks in Reihe geschaltet werden.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 14, bei dem die Brennstoffzellenanlage während der Ruhephase durch Erwärmen und/oder durch Trockenblasen getrocknet wird.