EP1194974A1 - Brennstoffzellenanlage und verfahren zum betreiben einer brennstoffzellenanlage - Google Patents

Brennstoffzellenanlage und verfahren zum betreiben einer brennstoffzellenanlage

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EP1194974A1
EP1194974A1 EP00952898A EP00952898A EP1194974A1 EP 1194974 A1 EP1194974 A1 EP 1194974A1 EP 00952898 A EP00952898 A EP 00952898A EP 00952898 A EP00952898 A EP 00952898A EP 1194974 A1 EP1194974 A1 EP 1194974A1
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EP
European Patent Office
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fuel cell
cell system
subsystems
subsystem
voltage
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Ceased
Application number
EP00952898A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Manfred Baldauf
Rittmar Von Helmolt
Manfred Poppinger
Joachim Grosse
Manfred Waidhas
Armin Datz
Ulrich Gebhardt
Konrad Mund
Meike Reizig
Rolf BRÜCK
Jörg-Roman KONIECZNY
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Vitesco Technologies Lohmar Verwaltungs GmbH
Original Assignee
Emitec Gesellschaft fuer Emissionstechnologie mbH
Siemens AG
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Priority claimed from DE19962681A external-priority patent/DE19962681A1/de
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    • Y02T90/40—Application of hydrogen technology to transportation, e.g. using fuel cells

Definitions

  • the invention relates to a fuel cell system and a method for operating a fuel cell system with dynamic power control by connecting at least one subsystem kept ready for operation, with a low-voltage, starter system and / or an on-board power supply.
  • a fuel line system which comprises several fuel cell stacks, e.g. from EP 0 677 411 Bl.
  • a division of the fuel cell module into several stacks is proposed for design reasons, because either the amount of individual cells required would have overwhelmed a stack of a stationary fuel cell system or the weight distribution of the 7 ⁇ drive unit in the vehicle required a division into two stacks.
  • Another disadvantage of the known systems with fuel cell systems is that neither low-voltage nor additional units, e.g. are available for summer and / or night operation of the stationary fuel cell system, for on-board power supply or as an additional unit for dynamic operation of the mobile system.
  • the object of the present invention is therefore to create a fuel cell system which has a dynamic power adjustment and / or a low-voltage unit. It is also an object of the invention to provide a method for operating such a system.
  • the invention relates to a fuel cell system which comprises at least two separately operable subsystems.
  • the invention also relates to a method for operating a fuel cell system in which at least two subsystems are operated separately.
  • the subsystems have separate voltage regulation and / or power electronics.
  • Subsystems electrically connected in series to a maximum voltage of the system such as small part systems with many cells but lower electrode area (also called “strip cell '", is characterized in that different Liehe potentials in the cell plane of a fuel cell consist unit) This connection is taken into account in the design of the starter system.
  • subsystems with the same voltage which are connected in series by strip cells, for example
  • can be connected in parallel Electric motor required voltage can be guaranteed.
  • At least one subsystem of the system comprises at least one high-temperature polymer electrolyte membrane (HTM) fuel cell and / or a polymer electrolyte membrane (PEM) fuel cell.
  • HTM high-temperature polymer electrolyte membrane
  • PEM polymer electrolyte membrane
  • a “subsystem *” is a stack or stack with at least one fuel cell unit.
  • Several subsystems can be in one housing as well as in separate housings be housed.
  • two subsystems can be activated, operated, controlled and regulated separately, i.e. independently.
  • Each of the subsystems brings the entire operating voltage, unless a subsystem is only used as a low-voltage unit.
  • the independence of the subsystems encompasses both the temporal and the operational components, which means that the subsystems can be operated one after the other and secondly side by side with different modes of operation.
  • a combination of the two variants, whereby a subsystem is started later and operated under different operating conditions, is also included.
  • a system comprises 3 subsystems with the following power distribution: 10kW, 20kW and again 20kW.
  • a 20kW block is sufficient at the start, with an appropriate number of volts, if necessary, the other blocks are then switched on for dynamic performance increase.
  • Each subsystem brings the full start and / or operating voltage.
  • the stacks are connected in parallel and / or in series:
  • the fuel cell system has 3 separate stacks that can be connected in series and / or in parallel:
  • Stack 1 is used for supplying stand-by power and has a low operating voltage (number of electrodes) and medium current output (electrode area),
  • stack 2 has a higher number of electrodes (voltage) and also medium current output, finally stack 3 has the full operating voltage at high current output, but it takes a long time to reach operating temperature.
  • stack 1 and 2 are connected in series, they also bring the full operating voltage, i.e. the voltage that the system needs to start and which corresponds, for example, to the voltage of stack 3, although they cannot achieve the final power (in terms of current / electrode area ) of the system, but they are quickly warm and ready for use.
  • Stack 1 and 2 connected in series can start the vehicle and As soon as Stack 3 is warm, it takes over the drive, Stack 1 and Stack 2 are switched off or can be switched on again, e.g.
  • Stack 1 when overtaking, Stack 1 can be used separately for on-board power supply if the full performance of all three stacks is not required for the drive , For operation on the freeway, even stacks 1 and 2, connected in series with one another, can be connected in parallel to stack 3, all of the electrode surfaces of the 3 separate stacks being used to generate electricity and to drive the vehicle.
  • the system comprises 10 subsystems of 5 kW each.
  • the maintenance / repair is particularly easy because the individual systems are small and can easily be replaced in the event of defects / maintenance.
  • a switchable subsystem can include conventional fuel cells (large-area, high-amperage fuel cells) or strip cells (small area, high voltages when connected in series), the requirement being either higher voltage or more current.
  • the subsystems can be the same or different according to the invention. In particular, they can be the same or different in terms of performance, size, material, output and / or type of fuel cell, e.g. conventional fuel cell (uniform potential on the base plate) and / or strip cell (different potentials on the base plate); PEM, HTM fuel cell, PAFC (Phosphoric Acid Fuel Cell) fuel cell, MCFC (Molten-Carbonate-Fuel-Cell),
  • DMFC Direct Methanol Fuel Cell
  • SOFC Solid Oxide Fuel Cell
  • Operable separately means that the subsystems can be activated independently, that is to say separately, and kept running.
  • the subsystems are activated, for example, by cooling, process gas supply and / or electrically.
  • One subsystem can preheat the other, for example via its exhaust gas.
  • HTM fuel cells are known from the same applicant's parallel application of the same name, to which reference is hereby made in full.
  • An HTM (high temperature polymer electrolyte membrane) fuel cell also called HTM fuel cell unit, comprises the following components: a membrane and / or matrix that contains a self-dissociating and / or autoprotolytic electrolyte, chemically and / or physically bound, contains two electrodes , which are located on opposite sides of the membrane and / or matrix, adjacent to at least one electrode, a reaction chamber which is closed off from the environment by a respective pole plate and / or a corresponding edge construction, devices being provided through which process gas enters the Reaction chamber can be brought in and out.
  • the structural parts of the HTM fuel cell are designed so that they can withstand low pressures of up to 0.3 bar and temperatures of up to 300 ° C in the long term.
  • the fuel cell system is operated in combination in continuous and discontinuous operation, ie within one Operating phase for power peaks, at least one additional subsystem can be switched on quickly, so that good performance dynamics arise for the use of the system in mobile and stationary systems.
  • At least a small subsystem e.g. a low-voltage system as a heater that is operated in continuous operation, which either keeps the operating temperature or another temperature above the crystallization point of the electrolyte (e.g. above 40 ° C) and then heats up the remaining subsystems for the start.
  • this subsystem is preferably operated at maximum thermal output at least during the rest phase, where it serves to maintain the minimum temperature (e.g. for an autothermal starting process).
  • the period in which the fuel cell system is switched off is referred to as the rest phase.
  • the efficiency of the subsystem in the direction of higher power generation or higher thermal output can be regulated by setting the cell voltage.
  • the control can also be carried out via a control unit according to a predetermined algorithm, taking into account some measurement data and / or the desired current, heating power and / or the driver's request etc.
  • the setting to achieve higher thermal performance is used, for example, to maintain the operating temperature.
  • the “starter system” is not operated in continuous operation, but either only this limitedly small subsystem is initially heated up during a cold start, or a temperature in the subsystem that exceeds is reached via insulation, latent heat storage and / or heating is the crystallization point of the electrolyte, so that an autothermal heating of the starter system can be done. It is advantageous if there is a PEM / HTM system combination in which the PEM system is the starter system because the PEM system can be started autothermally even at temperatures above 0 ° C, whereas an HTM system with a Broensted acid such as For example, phosphoric acid as an electrolyte can only be started autothermally above 40 ° C. An additional energy store, such as a battery, can also be provided for stationary operation.
  • the "starter system *" is the subsystem that enables partial load operation, which heats up further subsystems via the waste heat and electrical power output when switching to the next higher load operation (switching on further subsystems) and / or when switching to full load operation, which is then switched on can be.
  • an additional energy store such as a battery
  • the drive unit provides the energy for the start and at least 3-5 minutes driving time.
  • the waste heat from a smaller subsystem such as that from the low-voltage or starter system, can be used.
  • a modular media preparation is provided so that the periphery of the system, such as a fuel cell stack, reformer, compressor (blower) and fan, can each be operated in the optimum effective range.
  • the aggregates in the stack periphery can therefore be present in several modules with smaller units, so that, for example, a reformer module, among several, during part-load operation of a fuel cell stack Is operated at full load, with each of the devices then running in the optimal effective range, ie with optimal fuel utilization.
  • the average size of a HTM or PEM fuel cell subsystem in a fuel cell system used for electrical traction includes 300 fuel cell units in electrical traction.
  • a starter system provides the voltage required for the start, e.g. 100-500 V, preferably 200 V, an output in the range from 1 to 35 kW is sufficient, in particular between 10 and 20 kW.
  • the starter system comprises at least part of stripe cells, so that the necessary voltages can be produced in a small space.
  • a system that is used for the low-voltage on-board power supply (e.g. 42 volt on-board electrical system) comprises, for example, 20 - 60 fuel cell units and has a maximum output of approx. 1 to 10 kW.
  • a series connection of the cooling is useful, so that the cooling of a subsystem can be used as a heater for another subsystem. It is also advantageous if several stacks are connected in series during air operation, so that the exhaust air from the first stack can be used to heat the next stack.
  • the series connection of the stacks can also be advantageous in single-stack operation of the multi-stack system, because the heat from the exhaust air from the operated stack serves to maintain the operating temperature of the stack that is currently at rest.
  • an air filter for cooling and / or reaction air is advantageous.
  • at least two subsystems are made of HTM fuel cells.
  • the cooling of the two subsystems is preferably connected in parallel in the warm operating state, because the two subsystems have the same operating temperature.
  • a gas purification is preferably provided in an HTM subsystem with reformer in order to free the process gas from CO or to reduce the CO content of the residual gas.
  • At least one subsystem comprises at least one HTM fuel cell and one subsystem comprises at least one polymer electrolyte membrane (PEM) fuel cell.
  • PEM polymer electrolyte membrane
  • the cooling of the two subsystems can be connected in series when the system is warm, because the heated cooling medium from the PEM fuel cell subsystem is still cool enough to surround the subsystem with HTM fuel cells that are operated at a significantly higher temperature. to cool.
  • a two-part cooling system when combining at least one PEM fuel cell subsystem with an HTM fuel cell subsystem, a two-part cooling system can be provided, which comprises a low-temperature cooling circuit and a high-temperature cooling circuit.
  • CO gas purification is provided, for example in the form of a hydrogen-permeable barrier membrane. This combination is particularly suitable for a system with on-board power supply, with the PEM subsystem preferably being used for the low-voltage on-board power supply.
  • the fuel cell system is dried by heating during the rest phase, so that e.g. in short-term operation, when the rest and / or stress phase are short, the stack temperature is always kept above the boiling point of the water. This can be done by setting a
  • Maintenance load can be achieved during the resting phase.
  • the maintenance load setting can preferably be adjusted so that a distinction can be made as to whether the fuel cell system is switched off for 3 weeks or 3 hours.
  • At least one subsystem and / or a cooling system is blown through and / or blown dry when the system is switched off with process and / or inert gas, either in combination with drying by heating or alone, so that when starting the
  • Cooling System is as water-free as possible and / or the cooling system is as empty as possible. Emptying the cooling system is completely independent of drying the stack by blow-drying.
  • a continuous check of the water content of the emerging process and / or inert gas during dry blowing shows when the cell / stack is dry and the fan or the compressor can be switched off.
  • the control mechanism by which the air was let in for dry blowing is then preferably closed, and the stack is thus sealed off from the onset of atmospheric moisture.
  • the cooling medium which is externally stored during the rest phase according to a variant of this embodiment of the method, can be stored externally during starting and / or before starting, for example by means of a stack of the system provided for this purpose, by using waste heat and / or by a latent heat store. heated and let in as a heating medium in the cooling system of a subsystem to be started.
  • the blower required for this can be the compressor and is supplied, for example, with power from and / or another subsystem of the fuel cell system and / or via an external energy store, in particular an electrical one.
  • a subsystem of the fuel cell system can be provided for starting power supply, for example for supplying the units such as heating for process gas preheating, compressors, reformers, blowers etc.
  • the entire fuel cell system is referred to as a fuel cell system, which has at least two subsystems that either form two separate stacks or are integrated in one housing.
  • the subsystems each have at least one fuel cell unit, the corresponding process gas supply and discharge channels, the end plates, the cooling system with cooling medium and the entire fuel cell stack peripherals (reformer, compressor, blower, heating for process gas preheating, etc.).
  • the stack consists of at least one fuel cell unit with the associated lines and at least part of the cooling system.
  • a fuel cell unit comprises at least one membrane and / or matrix with a chemically and / or physically bound electrolyte, two electrodes, which are located on opposite sides of the membrane and / or matrix, adjacent to at least one electrode, a reaction chamber, each of which has a pole plate and / or a corresponding edge construction against the environment is completed, devices being provided through which process gas can be introduced and removed into the reaction chamber.
  • the fuel cell system according to the invention enables, for example, a differentiated power output of the system that can be dynamically adapted to the respective conditions.
  • a subsystem can only be provided for activation during accelerations, which is always kept at operating temperature during its idle phase via the cooling circuit of another subsystem that is in operation, via a latent heat store or another device (heating, insulation, maintenance load).
  • Latent heat storage devices for faster heating of the cooling water in vehicles are known.
  • phase change materials such as barium hydroxide etc. are used as storage media. The heat absorption or release takes place by melting or recrystallization of the materials.
  • a subsystem as a "low-voltage unit * or" starter system * for summer or night operation, for starting and / or for on-board power supply (auxiliary power heating, air conditioning, heating, radio, etc.) as APU (Auxiliary Power
  • This subsystem can then be operated with a low nominal power, for example 1-50 kW (corresponds to approximately 5 to 20% of the nominal power of the overall system).
  • the starter system differs from the low-voltage unit in the number of volts it produces, because the starter system supplies the volts that the vehicle needs to start.

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Abstract

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

Description

Beschreibung
BrennstoffZeilenanlage und Verfahren zum Betreiben einer BrennstoffZeilenanlage
Die Erfindung betrifft eine BrennstoffZeilenanlage und ein Verfahren zum Betreiben einer BrennstoffZellenanlage mit einer dynamischen Leistungsregelung durch Zuschaltung von zumindest einem betriebsbereit gehaltenem Teilsystem, mit einem Niedervolt-, Startersystem und/oder einer Bordstromversorgung.
Bekannt ist eine BrennstoffZeilenanlage, die mehrere Brennstoffzellenstacks umfaßt, z.B. aus der EP 0 677 411 Bl . Dabei wird eine Aufteilung des BrennstoffZellenmoduls in mehrere Stacks aus konstruktiven Gründen vorgeschlagen, weil entweder die Menge der benötigten Einzelzellen einen Stack einer stationären Brennstoffzellenanlage überfordert hätte oder die Gewichtsverteilung der 7Λntriebseinheit im Fahrzeug eine Aufteilung in zwei Stacks erforderte.
Die bekannten Konstruktionen für Brennstoffzellenanlagen haben kaum eine Möglichkeit für eine dynamische Leistungs- anpassung, beispielsweise bei Überholvorgängen, weil sie nur eine kontinuierliche Leistungssteigerung über höheren
Betriebsdruck, höhere Reaktionsgaskonzentration etc. vorsehen. Außerdem ist nachteilig an den bekannten Systemen mit Brennstoffzellenanlagen, daß weder Niedervolt- noch Zusatzaggregate, z.B. für den Sommer- und/oder Nachtbetrieb der stationären Brennstoffzellenanlage, für die Bordstromversorgung oder als Zusatzaggregat für den dynamischen Betrieb der mobilen Anlage verfügbar 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 Betreiben 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 Betrieb einer Brennstoffzellenanlage, bei dem zumindest zwei Teilsysteme separat betrieben werden.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Anlage haben die Teilsysteme getrennte Spannungsregelung und/oder Leistungselektronik.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Anlage sind die
Teilsysteme elektrisch in Reihe geschaltet, um eine maximale Voltzahl des Systems, etwa bei kleinen Teilsystemen mit vielen Zellen aber geringer Elektrodenfläche (auch „Streifenzelle'" genannt, zeichnet sich dadurch aus, dass unterschied- liehe Potentiale in der Zellebene einer Brennstoffzellen- einheit bestehen) , aufzubringen. Dieser Zusammenhang wird bei der Konstruktion des Startersystems berücksichtigt. Zum Erreichen des maximalen Stroms können Teilsysteme mit der gleichen Spannung (die in sich z.B. durch Streifenzellen in Reihe geschaltet sind) parallel verschaltet werden. Damit kann unabhängig von der Last die zum Antrieb des Elektromotors benötigte Spannung gewährleistet werden.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfaßt zumindest ein Teilsystem der Anlage zumindest eine Hochtemperatur-Polymer-Elektrolyt-Membran (HTM) -Brennstoffzelle und/oder eine Polymer—Elektrolyt-Membran (PEM) -Brennstoffzelle .
Als „Teilsystem* wird ein Stapel oder Stack mit zumindest einer Brennstoffzelleneinheit bezeichnet. Mehrere Teilsysteme können sowohl in einem Gehäuse als auch in separaten Gehäusen untergebracht sein. Beispielsweise können zwei Teilsysteme separat, also unabhängig aktiviert, betrieben, angesteuert und geregelt werden. Jedes der Teilsysteme bringt die gesamte Betriebsspannung, ausser ein Teilsystem wird nur als Nieder- voltaggregat genutzt. Dabei umfaßt die Unabhängigkeit der Teilsysteme sowohl die zeitliche als auch die betriebliche Komponente, das heißt, die Teilsysteme können zum einen nacheinander und zum zweiten nebeneinander mit unterschiedlicher Betriebsweise gefahren werden. Eine Kombination der beiden Varianten, wobei ein Teilsystem später gestartet und unter anderen Betriebsbedingungen gefahren wird, ist mitumfaßt.
Beispielsweise umfasst ein System 3 Teilsysteme mit folgender Leistungsverteilung: 10kW, 20kW und nochmal 20kW. Ein 20kW- Block reicht zum Start, bei angemessener Voltzahl, aus, bei Bedarf werden dann die anderen Blöcke zur dynamischen Leistungssteigerung zugeschaltet. Jedes Teilsystem bringt die volle Start- und/oder Betriebsspannung.
Nach einem anderen Beispiel findet Parallel- und/oder Reihenschaltung der Stacks statt: In dem Beispiel hat die Brennstoffzellenanlage 3 separate Stacks, die in Reihe und/oder parallel geschaltet werden können: Stack 1 dient zur Standstromversorgung und hat geringe Betriebsspannung (Anzahl an Elektroden) und mittlere Stromleistung (Elektrodenfläche) , Stack 2 hat eine höhere Anzahl an Elektroden (Spannung) und ebenfalls mittlere Stromleistung, Stack 3 schließlich hat die volle Betriebsspannung bei hoher Stromleistung, allerdings dauert es lange, bis er Betriebstemperatur erreicht hat.
Werden Stack 1 und 2 in Reihe geschaltet, so bringen sie auch die volle Betriebsspannung, also die Spannung, die das System zum Start braucht und die beispielsweise der Spannung des Stacks 3 entspricht, sie können zwar nicht die Endleistung (in bezug auf Strom/Elektrodenfläche) des Systems bringen aber sie sind schnell betriebswarm und einsatzbereit. Stack 1 und 2 in Reihe geschaltet können das Fahrzeug starten und sobald Stack 3 betriebwarm ist, übernimmt er den Antrieb, Stack 1 und Stack 2 werden abgeschaltet oder können, z.B. bei Überholvorgängen wieder zugeschaltet werden, Stack 1 kann separat zur Bordstromversorgung verwendet werden, wenn die volle Gesamtleistung aller drei Stacks nicht für den Antrieb benötigt wird. Für den Betrieb auf der Autobahn können sogar Stack 1 und 2, untereinander in Reihe geschaltet, zu Stack 3 parallelgeschaltet werden, wobei alle Elektrodenflächen der 3 separaten Stacks zur Stromerzeugung und zum Antrieb des Fahr- zeugs genutzt würden.
Nach einem weiteren Beispiel umfasst das System 10 Teilsysteme zu je 5 kW. Dabei ist die Wartung/Reparatur besonders einfach, weil die einzelnen Systeme klein sind und bei Defek- ten/Wartung leicht auswechselbar sind.
Je nach Bedarf kann ein zuschaltbares Teilsystem herkömmm- liche Brennstoffzellen (grossflächige, hoch-amperige Brennstoffzelle) oder Streifenzellen (kleine Fläche, bei Reihen- Schaltung hohe Voltzahl) umfassen, wobei die Anforderung entweder höhere Spannung oder mehr Strom sein kann.
Die Teilsysteme können gemäß der Erfindung gleich oder ungleich sein. Sie können insbesondere gleich oder ungleich sein in bezug auf Leistung, Größe, Material, Output und/oder Art an Brennstoffzelle, wie z.B. herkömmliche Brennstoffzelle (einheitliches Potential auf der Grundplatte) und/oder Streifenzelle (unterschiedliche Potentiale auf der Grundplatte) ; PEM, HTM-Brennstoffzelle, PAFC (Phosphoric Acid Fuel Cell) -Brennstoffzelle, MCFC (Molten-Carbonate-Fuel-Cell) ,
DMFC (Direkt-Methanol-Fuel Cell) und/oder SOFC (Solide Oxide Fuel Cell) -Brennstoffzelle.
Wenn eine Parallelschaltung/Optimierung der Stromleistung der Teilsysteme gewünscht wird und eine erhebliche Größendifferenz der Teilsysteme besteht, ist die Verwendung von Strei- fenzellen, bei denen die elektrische Zellfläche verkleinert, wird bevorzugt.
Mit separat betreibbar ist gemeint, daß die Teilsysteme unabhängig, also separat aktiviert und am Laufen gehalten werden können. Die Teilsysteme werden beispielsweise durch Kühlung, Prozeßgaszufuhr und/oder elektrisch aktiviert. Dabei kann ein Teilsystem, beispielsweise über dessen Abgas, das andere vorwärmen.
HTM-BrennstoffZeilen sind aus der gleichnamigen Parallelanmeldung derselben Anmelder bekannt, auf die hiermit vollinhaltlich bezug genommen wird.
Eine HTM- (Hochtemperatur-Polymer-Elektrolyt-Membran) -Brennstoffzelle, auch HTM-BrennstoffZeileneinheit genannt, umfaßt fogende Bestandteile eine Membran und/oder Matrix, die einen eigendissoziierenden und/oder autoprotolyti- sehen Elektrolyten chemisch und/oder physikalisch gebunden enthält zwei Elektroden, die sich auf gegenüberliegenden Seiten der Membran und/oder Matrix befinden angrenzend an mindestens eine Elektrode eine Reaktions- kammer, die durch jeweils eine Polplatte und/oder eine entsprechende Randkonstruktion gegen die Umgebung abgeschlossen ist, wobei Vorrichtungen vorgesehen sind, durch die Prozeßgas in die Reaktionskammer ein- und ausgebracht werden 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 Leistungsdynamik für die Anwendung der Anlage in mobilen und stationären Systemen entsteht.
Zur Erleichterung des Kaltstarts ist nach einer Ausführungsform vorgesehen, daß zumindest ein kleines Teilsystem, z.B. ein Niedervoltsystem als Heizung, im Dauerbetrieb gefahren wird, das entweder die Betriebstemperatur oder eine andere Temperatur über dem Kristallisationspunkt des Elektrolyten (z.B. über 40° C ) hält und über das dann die restlichen Teilsysteme für den Start aufgeheizt werden. Bei der Ausgestaltung des Verfahrens, bei der ein Teilsystem im Dauerbetrieb gefahren wird, wird dieses Teilsystem zumindest während der Ruhephase, wo es zur Erhaltung der Mindesttemperatur (z.B. für einen autothermen Startvorgang) dient, vorzugsweise mit maximaler thermischer Leistung betrieben. Als Ruhephase wird die Zeitspanne bezeichnet, in der das Brennstoffzellensystem ausgeschaltet ist.
Je nach Bedarf kann die Effizienz des Teilsystems in Richtung höhere Stromerzeugung oder höhere thermische Leistung über die Einstellung der Zellspannung geregelt werden. Die Regelung kann dabei auch über ein Steuergerät nach einem vorge- gebenen Algorithmus unter Berücksichtigung einiger Meßdaten und/oder der gewünschten Strom-, Heizleistung und/oder des Fahrerwunsches etc. erfolgen. Die Einstellung zur Erzielung höherer thermischer Leistung dient dabei beispielsweise zur Erhaltung der Betriebstemperatur.
Bei einer Ausgestaltung des Verfahrens wird das „Starter- system zwar nicht im Dauerbetrieb gefahren aber entweder wird beim Kaltstart zunächst nur dieses begrenzt kleine Teilsystem aufgeheizt, oder es wird über Isolation, Latent- Wärmespeicher 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 autotherm 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 höheren 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.
Unabhängig vom Startersystem ist nach einer vorteilhaften Ausgestaltung ein zusätzlicher Energiespeicher, wie bei- spielsweise eine Batterie, vorgesehen, der, z.B. bei der mobilen Anwendung, der Antriebseinheit die Energie für den Start und zumindest 3-5 Minuten Fahrzeit zur Verfügung stellt.
Zur Beheizung des Wohn- oder Fahrgastinnenraumes kann beispielsweise die Abwärme eines kleineren Teilsystems, wie die des Niedervolt- oder Startersystems dienen.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Brennstoffzellen- anläge und des Betriebsverfahrens ist eine modulare Medienaufbereitung vorgesehen, so daß die Peripherie der Anlage wie z.B. Brennstoffzellenstack, Reformer, Verdichter (Gebläse) und Ventilator jeweils im optimalen Wirkungsbereich gefahren werden können. Die Aggregate in der Stackperipherie können demnach in mehreren Modulen mit kleineren Einheiten vorliegen, so daß beispielsweise bei Teillastbetrieb eines Brennstoffzellenstacks ein Reformermodul, unter mehreren, 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 Brennstoffzellenteilsystems in einer Brennstoffzellenanlage, die für die Elektrotraktion eingesetzt wird umfaßt zum Beispiel 300 BrennstoffZeileneinheiten bei der Elektrotraktion.
Ein Startersystem liefert die für den Start erforderliche Spannung, z.B. 100-500 V, bevorzugt 200 V, dabei ist eine Leistung im Bereich von 1 bis 35 kW ausreichend, insbesondere zwischen 10 und 20 kW. Nach einer Ausführungsform umfasst das Startersystem zumindest zum Teil Streifenzellen, so dass auf geringem Raum die nötige Voltzahl produziert werden kann.
Ein System, das für die Niedervolt-Bordstromversorgung (z.B. 42 Volt Bordnetz) 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 Erhaltung der Betriebstemperatur (Erhaltungslast) und/oder während einer Betriebsphase mit Niedriglast (Leerlauf) ist eine Reihenschaltung der Kühlung sinnvoll, so daß die Kühlung eines Teilssystems als Heizung eines anderen Teilsystems einsetzbar ist. Dabei ist es auch vorteilhaft, wenn bei Luftbetrieb mehrere 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 Betriebstemperatur 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 Teilsysteme 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 und/oder wegen der einzuhaltenden Emissionsgrenzwerte 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 Teil- system 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- Teilsyste immer noch kühl genug ist um das Teilsystem mit HTM-Brennstoffzellen, die bei einer deutlich höheren Temperatur betrieben werden, zu kühlen.
Ebenso kann bei der Kombination von zumindest einem PEM- BrennstoffZellenteilsystem mit einem HTM-Brennstoffzellen- teilsystem ein zweiteiliges Kühlsystem, das einen Niedertemperatur-Kühlkreislauf und einen Hochtemperatur-Kühlkreislauf umfaßt, vorgesehen sein. Bei einem PEM-Brennstoffzellen- teilsystem ist eine CO-Gasreinigung, beispielsweise in Form einer wasserstoffdurchlässigen Sperrmembran, 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 Erwärmen 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
Erhaltungslast während der Ruhephase erreicht werden. Die Einstellung der Erhaltungslast ist bevorzugt anpassbar, so dass unterschieden werden kann, ob die Brennstoffzellenanlage für 3 Wochen oder 3 Stunden abgeschaltet wird.
Nach einer anderen Ausgestaltung des Verfahrens wird - entweder kombiniert mit dem Trocknen durch Erwärmung oder allein,- beim Abschalten der Anlage mit Prozeß- und/oder Inertgas zumindest ein Teilsystem und/oder ein Kühlsystem durch- und/oder trockengeblasen, so daß beim Starten die
Anlage möglichst wasserfrei und/oder das Kühlsystem möglichst leer ist. Eine Entleerung des Kühlsystems ist dabei völlig unabhängig von der Trocknung des Stacks durch Trockenblasen.
Eine laufende Überprüfung des Wassergehalts des austretenden Prozeß- und/oder Inertgases beim Trockenblasen zeigt, wann die Zelle /der Stack trocken ist und das Gebläse, oder der Verdichter ausgeschaltet werden kann. Bevorzugt wird dann der Regelmechanismus, durch den die Luft zum Trockenblasen ein- gelassen wurde, geschlossen und der Stack so vor eintretender Luftfeuchtigkeit abgeschottet.
Das nach einer Variante dieser Ausgestaltung des Verfahrens während der Ruhephase extern gelagerte Kühlmedium kann wäh- rend des Startens und/oder vor dem Starten extern, beispielsweise durch einen dafür vorgesehenen Stack der Anlage, durch Abwärmenutzung und/oder durch einen Latentwärmespeicher auf- geheizt und als Wärmemedium in das Kühlsystem eines zu startenden Teilsystems eingelassen werden.
Das dafür erforderliche Gebläse kann der Verdichter sein und wird beispielsweise mit Leistung aus dem und/oder einem anderen Teilsystem der Brennstoffzellenanlage und/oder über einen externen Energiespeicher, insbesondere einen elektrischen, versorgt.
Ein Teilsystem der Brennstoffzellenanlage kann zur Startstromversorgung vorgesehen sein, beispielsweise zur Versorgung der Aggregate wie Heizung zur Prozeßgasvorwärmung, Verdichter, Reformer, Gebläse etc.
Als Brennstoffzellenanlage wird das gesamte Brennstoffzellen- system bezeichnet, das zumindest zwei Teilsysteme, die entweder zwei separate Stacks bilden oder in einem Gehäuse integriert sind. Die Teilsysteme haben jeweils zumindest eine Brennstoffzelleneinheit, die entsprechenden Prozeßgaszufüh- rungs- und -ableitungskanäle, die Endplatten, das Kühlsystem mit Kühlmedium und die gesamte Brennstoffzellenstack-Peri- pherie (Reformer, Verdichter, Gebläse, Heizung zur Prozeßgasvorwärmung, etc.) .
Als Stack wird der Stapel aus zumindest einer Brennstoffzelleneinheit mit den dazugehörigen Leitungen und zumindest einem Teil des Kühlsystems bezeichnet.
Eine Brennstoffzelleneinheit umfaßt zumindest eine Membran und/oder Matrix mit einem chemisch und/oder physikalisch gebundenen Elektrolyten, zwei Elektroden, die sich auf gegenüberliegenden 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 Reaktionskammer ein- und ausgebracht werden kann. Die Brennstoffzellenanlage nach der Erfindung ermöglicht beispielsweise eine differenzierte und den jeweiligen Bedingungen dynamisch anpaßbare Leistungsabgabe der Anlage. Außerdem kann ein Teilsystem zur Zuschaltung nur bei Beschleunigungen vorgesehen sein, das während seiner Ruhephase über den Kühlkreislauf 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 Aufwärmung des Kühlwassers beim KFZ sind bekannt. Als Speichermedien werden sog. „phase-change-materials*wie Bariumhydroxid etc eingesetzt. Die Wärmeaufnahme oder -abgäbe erfolgt dabei durch Schmelzen oder Rekristallisation der Materialien.
Eine weitere Möglichkeit, die durch das System erstmals eröffnet wird, ist, daß ein Teilsystem als „Niedervoltaggregat* oder „Startersystem* zum Sommer- oder Nachtbetrieb, zum Start und/oder für die Bordstromversorgung (Standstromheizung, Klimaanlage, Heizung, Radio etc.) als APU (Auxiliary Power
Unit) ausgelegt ist. Dieser Teilsystem kann dann mit geringer Nennleistung, beispielsweise 1 - 50 kW (entspricht ca. 5 bis 20% der Nennleistung des Gesamtsystems) betrieben werden. Naturgemäß unterscheidet sich das Startersystem von dem Niedervoltaggregat durch die Voltzahl, die es erbringt, weil das Startersystem die Volt, die das Fahrzeug zum Anfahren braucht, liefert.

Claims

Patentansprüche
1. Brennstoffzellenanlage, die zumindest zwei separat betreibbare 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 Ansprüche, bei der zumindest zwei Teilsysteme elektrisch parallel geschaltet sind.
5. Brennstoffzellenanlage nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der zumindest ein Teilsystem der Anlage zumindest eine Hochtemperatur-Polymer-Elektrolyt-Membran (HTM) - Brennstoffzelleneinheit, eine Streifenzelle und/oder eine Polymer-Elektrolyt-Membran (PEM) -Brennstoffzelleneinheit umfaßt.
6. Brennstoffzellenanlage nach einem der vorstehenden An- sprüche, die zumindest ein Startersystem und/oder ein Niedervoltaggregat umfaßt.
7. Brennstoffzellenanlage nach Anspruch 6, bei der das Startersystem zumindest eine PEM-Brennstoffzelleneinheit umfaßt.
8. Brennstoffzellenanlage nach einem der vorstehenden Ansprüche, die zumindest zwei Teilsysteme mit zwei Kühlkreisläufen, die in Reihe und/oder parallel geschaltet werden können, umfaßt.
9.Brennstoffzellenanlage nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der ein zusätzlicher Energiespeicher, wie beispielsweise eine Batterie, vorgesehen ist.
10. Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenanlage, bei dem zumindest zwei Teilsysteme separat aktiviert und/oder betrieben werden.
11. Verfahren nach Anspruch 10, das kombiniert im kontinuier- liehen und diskontinuierlichen Betrieb gefahren wird.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 oder 11, bei dem zu Beginn des Kaltstarts der Brennstoffzellenanlage zumindest ein Startersystem gestartet wird.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, mit einer modularen Medienaufbereitung, die eine optimale Brenngasausnutzung gewährleistet.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, bei dem während der Ruhephase zumindest ein Niedrigvolt- und/oder ein Niedrigstrom-Teilsystem unter Erhaltungslast betrieben wird.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 14, bei dem während des Startens und/oder während der Ruhephase unter Erhaltungslast und/oder während einer Betriebsphase mit Niedriglast die Kühlung der Stacks in Reihe geschaltet werden.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 15, bei dem die Brennstoffzellenanlage während der Ruhephase durch Erwärmen und/oder durch Trockenblasen getrocknet und durch Schliessen der Ventile/Klappen vor Luftfeuchtigkeit abgeschottet wird.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 15, bei dem durch die Einstellung der Zellspannung die Effizienz eines Teilsystems in Richtung höhere Spannung oder höhere thermische Leistung eingestellt wird.
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