EP1336218A2 - Brennstoffzellenanlage für verbraucher, die an eine aufladbare batterie angeschlossen sind - Google Patents

Brennstoffzellenanlage für verbraucher, die an eine aufladbare batterie angeschlossen sind

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EP1336218A2
EP1336218A2 EP01993035A EP01993035A EP1336218A2 EP 1336218 A2 EP1336218 A2 EP 1336218A2 EP 01993035 A EP01993035 A EP 01993035A EP 01993035 A EP01993035 A EP 01993035A EP 1336218 A2 EP1336218 A2 EP 1336218A2
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EP
European Patent Office
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fuel cell
cell system
cell module
pem
fuel
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP01993035A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Joachim Grosse
Manfred Poppinger
Rolf BRÜCK
Meike Reizig
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
Siemens Corp
Original Assignee
Emitec Gesellschaft fuer Emissionstechnologie mbH
Siemens AG
Siemens Corp
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Filing date
Publication date
Application filed by Emitec Gesellschaft fuer Emissionstechnologie mbH, Siemens AG, Siemens Corp filed Critical Emitec Gesellschaft fuer Emissionstechnologie mbH
Publication of EP1336218A2 publication Critical patent/EP1336218A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M16/00—Structural combinations of different types of electrochemical generators
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M16/00—Structural combinations of different types of electrochemical generators
    • H01M16/003—Structural combinations of different types of electrochemical generators of fuel cells with other electrochemical devices, e.g. capacitors, electrolysers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M2008/1095—Fuel cells with polymeric electrolytes
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the invention relates to a fuel cell system for consumers, which are connected to a rechargeable battery, with at least one fuel cell module.
  • the invention also relates to the use of such a fuel cell system.
  • Fuel cell systems can always be used when consumers need to be supplied with electrical power. Applications in which consumers have previously been connected to rechargeable batteries are particularly suitable for this purpose. Usually, the electrical energy generated by the fuel cell system is fed directly into the consumer. In this case, since the operation of the consumer and thus his electricity consumption can vary, the fuel cell system is only operated when required. However, this is uneconomical when using PEM fuel cells, in particular what are known as HT-PEM fuel cell systems, since restarting such fuel cells, in particular a cold start, always involves problems.
  • the object of the invention is therefore to improve the operation of a fuel cell for the electrical supply of consumers.
  • the battery is charged by the fuel cell system itself. This has the advantage that the fuel cell system itself can be operated continuously is and each fuel cell module can always be kept at the optimal operating point.
  • the arrangement according to the invention can advantageously be used for on-board power supply of a motor vehicle, in particular if, as previously, an accumulator for on-board power supply was available.
  • An HT-PEM fuel cell system can be used particularly advantageously.
  • 1 represents an electrical consumer, which is fed by a rechargeable battery 5.
  • a consumer 1 can be located, for example, in a motor vehicle (KFZ) not shown in the figure, an on-board power supply usually being present in the motor vehicle.
  • KFZ motor vehicle
  • a rechargeable battery 5 is charged via the alternator of the motor vehicle. The alternator is dependent on the driving mode of the vehicle, so that the battery is only charged when the vehicle is running.
  • a fuel cell system with at least one fuel cell module 10 is now proposed for supplying the accumulator or the rechargeable battery 5.
  • a charging module 15 is connected between the battery 5 and the fuel cell module 20.
  • the charging module 15 is fed by the fuel cell module 10, with a control not shown in a suitable manner being present.
  • the battery 5 is charged with the charging module 15.
  • the mode of operation of the fuel cell module 10 is not influenced by this and can therefore be optimally drive point can be set or held.
  • a stationary mode of operation of the fuel cell module 10 is particularly expedient.
  • the fuel cell module 10 can serve as part of the fuel cell system for supplying further electricity consumers.
  • the arrangement described has the advantage that the fuel cell system can be operated constantly at the optimal operating point. A restart or a cold start, which is often associated with problems in such fuel cell systems, can thus be largely avoided.
  • a restart or a cold start which is often associated with problems in such fuel cell systems, can thus be largely avoided.
  • PEM or HT-PEM fuel cells there is a particularly favorable mode of operation. It is known that such polymer electrolyte membrane fuel cells work satisfactorily in the steady state, but that problems can occur precisely in the so-called start / stop operation. While the PEM fuel cells usually work at temperatures of approx.
  • the so-called HT-PEM fuel cells which work with a temperature-stable membrane and a self-dissociating and / or autoprotolytic electrolyte, on the other hand have higher working temperatures, between 60 ° C and 300 ° C, especially between 120 ° C and 200 ° C. In this temperature range, water independence in working mode is advantageous, so that moistening of the membrane is unnecessary.
  • a fuel cell system with HT-PEM fuel cells can surprisingly be combined particularly advantageously with an accumulator.
  • electrical consumers can be, for example, air conditioning systems that are not dependent on driving, and which are increasingly used
  • Retrofitting - are offered.
  • the on-board batteries previously used in motor vehicles are sometimes subjected to an impermissibly high load.

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Abstract

Brennstoffzellenanlage für Verbraucher, die an eine aufladbare Batterie angeschlossen sindBrennstoffzellenanlagen eignen sich in besonderer Weise zur kontinuierlichen Energieversorgung von elektrischen Verbrauchern. Speziell bei der Anwendung in Fahrzeugen kann dies entweder der Antrieb eines Elektromotors und/oder aber auch die Versorgung anderer elektrischer Verbraucher sein. Gemäss der Erfindung liefert ein Brennstoffzellenmodul (10) die elektrische Energie nur an die aufladbare Batterie (5) und nicht direkt an die Verbraucher (1). Dadurch kann das Brennstoffzellenmodul (10) immer am optimalen Betriebspunkt gehalten werden. Das Brennstoffzellenmodul (10) enthält dabei vorteilhafterweise HT-PEM-Brennstoffzellen, die bei gegenüber der Betriebstemperatur von PEM-Brennstoffzellen höheren Temperaturen, insbesondere im Bereich zwischen 120 DEG C und 200 DEG C, arbeiten.

Description

Beschreibung
Brennstoffzellenanlage für Verbraucher, die an eine aufladbare Batterie angeschlossen sind
Die Erfindung bezieht sich auf eine Brennstoffzellenanlage für Verbraucher, die an eine aufladbare Batterie angeschlossen sind, mit mindestens einem Brennstoffzellenmodul . Daneben bezieht sich die Erfindung auch auf die Verwendung einer sol- chen Brennstoffzellenanlage.
Brennstoffzellenanlagen können immer dann zum Einsatz kommen, wenn Verbraucher mit elektrischem Strom versorgt werden müssen. Dafür eignen sich insbesondere auch solche Anwendungen, bei denen bisher Verbraucher an wiederaufladbare Batterien angeschlossen sind. Üblicherweise wird dabei die von der Brennstoffzellenanlage erzeugte elektrische Energie direkt in den Verbraucher eingespeist. Da der Betrieb des Verbrauchers und damit dessen Stromverbrauch variieren kann, wird in die- se Fall die Brennstoffzellenanlage nur bei Bedarf betrieben. Dies ist aber bei Verwendung von PEM-Brennstoffzellen, insbesondere von sogenannten HT-PEM-Brennstoffzellenanlagen unwirtschaftlich, da ein Neustart solcher Brennstoffzellen, insbesondere ein Kaltstart, immer Probleme mit sich bringt.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, den Betrieb einer Brennstoffzelle zur elektrischen Versorgung von Verbrauchern zu verbessern.
Die Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden
Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Eine zugehörige Verwendung ist Gegenstand des Patentanspruches 9. Jeweilige Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Gemäß der Erfindung wird der Akkumulator von der Brennstoffzellenanlage selbst aufgeladen. Dies hat den Vorteil, dass die Brennstoffzellenanlage selbst kontinuierlich betreibbar ist und jedes Brennstoffzellenmodul immer am optimalen Betriebspunkt gehalten werden kann.
Die erfindungsgemäße Anordnung ist vorteilhafterweise zur Bordstromversorgung eines Kraftfahrzeuges einsetzbar, insbesondere dann, wenn wie bisher ein Akkumulator zur Bordstromversorgung vorhanden war. Besonders vorteilhaft ist dabei eine HT-PEM-Brennstoffzellenanlagen einsetzbar.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den abhängigen Patentansprüchen. Die einzige Figur zeigt ein Blockschaltbild zum Einsatz einer Brennstoffzellenanlage .
In der Figur ist mit 1 ein elektrischer Verbraucher dargestellt, der von einer aufladbaren Batterie 5 gespeist wird. Ein solcher Verbraucher 1 kann sich beispielsweise in einem in der Figur nicht dargestellten Kraftfahrzeug (KFZ) befin- den, wobei im KFZ üblicherweise eine Bordstromversorgung vorhanden ist. Dabei wird beim Stand der Technik als wiederauf- ladbare Batterie 5 ein Akkumulator über die Lichtmaschine des KFZ s aufgeladen. Die Lichtmaschine ist vom Fahrbetrieb des KFZ abhängig, so dass der Akkumulator nur bei laufendem KFZ aufgeladen wird.
Es wird nunmehr zur Versorgung des Akkumulators bzw. der aufladbaren Batterie 5 eine Brennstoffzellenanlage mit wenigstens einem Brennstoffzellenmodul 10 vorgeschlagen. Zwischen der Batterie 5 und dem Brennstoffzellenmodul 20 ist ein Lademodul 15 geschaltet. Das Lademodul 15 wird vom Brennstoffzellenmodul 10 gespeist, wobei in geeigneter Weise eine nicht im Einzelnen dargestellte Steuerung vorhanden ist.
Falls erforderlich, wird mit dem Lademodul 15 die Batterie 5 aufgeladen. Die Arbeitsweise des Brennstoffzellenmoduls 10 ist davon nicht beeinflusst und kann daher am optimalen Be- triebspunkt eingestellt bzw. gehalten werden. Insbesondere ist eine stationärer Betriebsweise des Brennstoffzellenmoduls 10 sinnvoll.
Gegebenenfalls kann das Brennstoffzellenmodul 10 als Teil der Brennstoffzellenanlage zur Versorgung weiterer Stromverbraucher dienen.
Die beschriebene Anordnung hat den Vorteil, dass die Brenn- Stoffzellenanlage konstant am optimalen Betriebspunkt gefahren werden kann. Ein Neustart bzw. ein Kaltstart, der bei solchen Brennstoffzellenanlagen häufig mit Problemen verbunden ist, kann somit weitgehend vermieden werden. Insbesondere bei Verwendung von Brennstoffzellenanlagen mit PEM- bzw. HT- PEM-Brennstoffzellen ergibt sich eine besonders günstige Betriebsweise. Es ist bekannt, dass derartige Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzellen im stationären Zustand zwar befriedigend arbeiten, dass aber gerade im sog. Start-/Stop- Betrieb Probleme auftreten können. Während die PEM-Brenn- stoffzelle üblicherweise bei Temperaturen von ca. 60°C arbeiten, haben die sog. HT-PEM-Brennstoffzellen, die mit einer temperaturstabilen Membran und einem eigendissoziierenden und/oder autoprotolytischen Elektrolyten arbeiten, demgegenüber höhere Arbeitstemperaturen, und zwar zwischen 60°C und 300°C, insbesondere zwischen 120°C und 200°C. Vorteilhaft in diesem Temperaturbereich ist die Wasserunabhängigkeit im Arbeitsbetrieb, so dass eine Befeuchtung der Membran unnötig ist.
Speziell bei der Anwendung von HT-PEM-Brennstoffzelle ist allerdings die Aufheizphase problematisch, da hier die ansonsten vorteilhafte Wasserunabhängigkeit nicht zum Tragen kommt. In Verbindung mit' der wiederaufladbaren Batterie lässt sich dieses Problem weitestgehend beseitigen. Eine Brennstoffzel- lenanlage mit HT-PEM-Brennstoffzellen lässt sich also überraschenderweise besonders günstig mit einem Akkumulator kombinieren. Neben der Anwendung speziell im Elektroantrieb von Kraftfahrzeugen ist auch die Versorgung von elektrischen Verbrauchern bei Kraftfahrzeugen mit Verbrennungsmotor möglich. Solche elektrische Verbraucher können beispielsweise fahrtunabhängi- ge Klimaanlagen sein, die in zunehmenden Maße - auch zur
Nachrüstung - angeboten werden. Dadurch werden die bisher in Kraftfahrzeugen vorhandenen Bordbatterien gelegentlich unzulässig stark belastet.
Auch Anlagen zur Informationsverarbeitung (Laptops) oder Informationsübertragung (Handys) werden bisher im Fahrzeug e- lektrisch über wiederaufladbare Batterien versorgt, wobei insbesondere durch eine Vielzahl von Verbrauchern die Batterien im Standbetrieb erschöpft werden. Hier kann die Erfin- düng hier ebenfalls eingesetzt werden.

Claims

Patentansprüche
1. Brennstoffzellenanlage für Verbraucher, die an eine aufladbare Batterie angeschlossen sind, mit mindestens einem Brennstoffzellenmodul, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das Brennstoffzellenmodul (10) Energie nur an die Batterie (5) liefert, wodurch das Brennstoffzellenmodul (10) immer am optimalen Betriebspunkt gefahren wird.
2. Brennstoffzellenanlage nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das Brennstoffzellenmodul (10) lediglich zum Laden der ansonsten autarken Batterie (5) vorgesehen ist.
3. Brennstoffzellenanlage nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass dem Brennstoffzellenmodul (10) ein Lademodul (15) nachgeschaltet ist.
4. Brennstoffzellenanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Anordnung aus Brennstoffzellenmodul (10) und Batterie (5) zur Bordstromversorgung eines Kraftfahrzeuges (KFZ) dient.
5. Brennstoffzellenanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das Brennstoffzellenmodul (10) Polymer-Elektrolyt- Membran (PEM) -Brennstoffzellen enthält.
6. Brennstoffzellenanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das Brennstoffzellenmodul (10) Hochtemperatur-Polymer- Elektrolyt-Membran (HT-PEM) -Brennstoffzellen enthält .
7. Brennstoffzellenanlage nach Anspruch 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die HT-PEM-Brennstoff- Zeilen bei Temperaturen zwischen 60°C und 300°C, insbesondere bei Temperaturen im Bereich zwischen 120 °C und 200 °C arbeiten.
8. Brennstoffzellenanlage nach Anspruch 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die HT-PEM-Brennstoffzellen eine temperaturstabile Membran, die mit einem eigendissoziierenden und/oder autoprotolytischen Elektrolyten gefüllt ist, enthalten.
9. Verwendung einer Brennstoffzellenanlage nach Anspruch 1 oder einem der Ansprüche 2 bis 8 zur fahrtunabhängigen Versorgung von an Bord von Fahrzeugen vorhandener elektrischer Verbraucher.
10. Verwendung nach Anspruch 9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Verbraucher eine vom Betrieb des Fahrzeugs unabhängige Klimaanlage ist.
EP01993035A 2000-10-31 2001-10-31 Brennstoffzellenanlage für verbraucher, die an eine aufladbare batterie angeschlossen sind Withdrawn EP1336218A2 (de)

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