EP1346429A1 - Verfahren zum betrieb einer in einem fahrzeug verwendbaren brennstoffzellenanlage und zugehörige brennstoffzellenanlage - Google Patents

Abstract

Der Brennstoffzellenanlage wird üblicherweise Brennstoff einerseits und Luft, die den zum Betrieb der Brennstoffzellen notwendigen Sauerstoff als Oxidans liefert, andererseits zugeführt. Zum Ausschließen von Beschädigungen eine Brennstoffzellenmoduls (10), die beim Betrieb des Fahrzeuges in unterschiedlichen Umgebungen bei gegebenenfalls hohen Schadstoffbelastungen entstehen können, wird die Luft vor dem Einsatz in der Brennstoffzellenanlage gereinigt. Dazu ist dem Brennstoffzellenmodul(10) eine Einheit zur Luftreinigung (50) zugeordnet.

Description

  



  Beschreibung Verfahren zum Betrieb einer in einem Fahrzeug verwendbaren Brennstoffzellenanlage und zugehörige Brennstoffzellenanlage Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betrieb einer in einem Fahrzeug verwendbaren Brennstoffzellenanlage, der ein Brennstoff und Luft zugeführt wird. Daneben bezieht sich die Erfindung auch auf die zugehörige Brennstoffzellenanlage für ein Kraftfahrzeug mit wenigstens einem Brennstoffzellenmodul, wobei das Brennstoffzellenmodul mit Brennstoff und Luft versorgt wird.



  Brennstoffzellenanlagen zur Energieversorgung von elektromotorischen Antrieben bei Kraftfahrzeugen sind in vielerlei Ausgestaltungen bekannt. Gemeinsam ist diesen unterschiedlichen   Brennstoffzellenanlagen    die chemische Reaktion von Wasserstoff mit Sauerstoff unter Bildung von Wasser.



  Beispielsweise die mit einer protonenleitfähigen Membran arbeitende PEM-Brennstoffzelle (Polymer Electrolyte Membrane, Proton Exchange Membrane) arbeitet mit Benzin, Methanol oder einem anderen höheren Kohlenwasserstoff als Brennstoff, aus dem mittels eines Reformers Wasserstoff als Brenngas gewonnen wird, und mit Sauerstoff aus der Umgebungsluft. Speziell die bei höheren Temperaturen betriebene HT-PEM-Brennstoffzelle ist dabei an sich unempfindlich gegen Verunreinigungen, was insbesondere für das Brenngas gilt. Der Sauerstoff als Oxidans wird aus der Umgebungsluft gewonnen, wobei im Prinzip von normaler Umgebungsluft ausgegangen wird, welche beispielsweise bei einem sich bewegenden Fahrzeug dem Fahrtwind entnommen werden kann.



  Obwohl speziell die HT-PEM-Brennstoffzelle als gegen Verunreinigungen unempfindlich gilt, müssen doch gewisse Standards für die Betriebsgase gewahrt werden. Beispielsweise in einem Kraftfahrzeug, das im innerstädtischen Bereich bei ständig wechselnden und unterschiedlichen Lastbedingungen betrieben wird, muss ausgeschlossen werden, dass durch etwaige Verunreinigungen der Umgebungsluft Störungen in der Brennstoffzellenanlage auftreten.



  Aufgabe der Erfindung ist es daher, Massnahmen vorzuschlagen, mit denen die Funktionsfähigkeit der Brennstoffzellenanlage für das Kraftfahrzeug in jeder Umgebungssituation gewährleistet ist, und eine zugehörige Brennstoffzellenanlage zu schaffen.



  Die Aufgabe ist bezüglich des Verfahrens erfindungsgemäss durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Massnahmen gelöst.



  Eine zugehörige Brennstoffzellenanlage ist Gegenstand des Patentanspruches 6. Weiterbildungen des Verfahrens bzw. der zugehörigen Vorrichtung sind jeweils Gegenstand der abhängigen Ansprüche.



  Gemäss dem erfindungsgemässen Verfahren wird also die Luft vor dem Einsatz in der Brennstoffzelle gereinigt. Vorteilhafterweise erfolgt die Reinigung bei   selbstatmender    Zelle, d. h. bei Entnahme des Oxidans für die Brennstoffzelle aus der Luft des Fahrtwindes. Vorteilhafterweise ist eine mehrstufige Luftreinigung vorgesehen. Insbesondere kann eine zweistufige Luftreinigung mit einer Partikelreinigung einerseits und einer Schadstoffreinigung andererseits erfolgen.



  Bei der zugehörigen Brennstoffzellenanlage ist dem Brennstoffzellenmodul eine Einheit vorgeschaltet, die   vorteilhaf-    terweise Adsorber zur   Oberflächenadsorption    von Schadstoffen und/oder katalytische Beschichtungen zur chemischen Unschädlichmachung von Schadstoffen einerseits und Filter zu physikalischen Partikelfilterung andererseits aufweist. Beispielsweise katalytisch wirksame Beschichtungen können in einfacher Weise auf Flächen von einem integrierten Wärmetauscher aufgebracht sein. 



  Besondere Funktion hat bei der Erfindung die Ausbildung des Filters. Es kann ein   n-stufiges    Filter vorgesehen sein, das als Multifunktionsfilter bzw. Mehrfunktionsfilter konzipiert ist.



  Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Figurenbeschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung in Verbindung mit den Patentansprüchen. Es zeigen Figur 1 ein Kraftfahrzeug mit einer darin integrierten Brenn stoffzellenanlage und Figur 2 ein System aus Brennstoffzellenmodul und einer Ein heit zur Luftreinigung zur Verwendung bei Figur   l.   



  In der Figur 1 ist ein Kraftfahrzeug (KFZ) mit 1 bezeichnet, dessen in der Figur nur angedeuteter elektromotorischer Antrieb 3 durch eine Brennstoffzellenanlage, die im Prinzip mit den zugehörigen Systemkomponenten bekannt ist, versorgt wird.



  Die Brennstoffzellenanlage besteht im Wesentlichen aus einem Brennstoffzellenmodul 10 und zugehörigen Nebenaggregaten. Zumindest das Brennstoffzellenmodul 10 muss so im oder am Chassis des KFZ 1 positioniert sein, dass es in geeigneter Weise mit Luft versorgt werden kann. Beispielhaft ist das Brennstoffzellenmodul 10 unter dem Boden 2 des KFZ 1 bzw. in einem von einem Zwischenboden   2    gebildeten freien Raum angeordnet.



  Angedeutet ist weiterhin ein Auspuff 8, aus dem bei Betrieb des Brennstoffzellenmoduls 10 mit reinem Wasserstoff und Sauerstoff das gebildete Prozesswasser, bei Verwendung von wasserstoffreichen Gasen mit Nebenbestandteilen letztere entweichen können.



  Bei der im KFZ 1 angeordneten Brennstoffzellenanlage wird das Brennstoffzellenmodul 10 weitestgehend durch die Energie des Fahrtwindes versorgt, d. h. das Brennstoffzellenmodul 10 ist selbstatmend. Für niedrige Fahrzeuggeschwindigkeiten und/oder hohe Last ist aber üblicherweise ein Hilfsgebläse vorhanden. 



  Es wird so Sauerstoff als für den Brennstoffzellenprozess notwendiges Oxidans bereitgestellt.



  Die Brennstoffzellenanlage für mobile Anwendungen in einem Kraftfahrzeug arbeitet nach dem Prinzip der Membran-Brennstoffzellen mit einem Membran-Elektroyten. Durch geeigneten Einsatz mechanischer Mittel, d. h. durch Umlenkbleche und/oder Düsenanordnungen kann der Fahrtwind derart nutzbar gemacht werden, dass er einen optimalen Einsatz des Brennstoffzellenmoduls 10 gewährleistet. Das Brennstoffzellenmodul 10 soll dabei flach ausgebildet und in seiner Höhe begrenzt sein.



  Insbesondere wird auch gefordert, dass die aerodynamischen Eigenschaften des Kraftfahrzeuges, wie cw-Wert od. dgl., nicht wesentlich beeinträchtigt werden.



  Für die Brennstoffzellenanlage werden solche Brennstoffzellen verwendet, die mit einem festen Elektrolyten arbeiten und als PEM (Polymer Electrolyte   Membrane)-Brennstoffzellen    bezeichnet werden. Derartige Brennstoffzellen sind vom Stand der Technik bekannt, wobei vorteilhafterweise für den mobilen Einsatz solche Brennstoffzellen bei höheren Temperaturen als bisher in der Fachliteratur beschrieben betrieben werden. Es ist dann eine sog. HT (High Temperature)-PEM-Brennstoffzellenanlage realisiert. Für derartige HT-PEM-Brennstoffzellen werden Arbeitstemperaturen zwischen   80 C    und   300 C,    insbesondere aber im Bereich von   120 C    bis   200 C,    verwendet.



  Speziell der Brennstoffzellenmodul 10 mit HT-PEM-Brennstoffzellen kann flach ausgebildet sein. Im Einzelnen ist eine Vielzahl von PEM-Brennstoffzellen gestapelt, so dass man in diesem Fall von einem Flächenstack spricht. Ein solches Flächenstack ist vorteilhafterweise unter dem Wagenboden oder, wenn es sich nicht um einen Personenwagen handelt, auch auf dem Dach des Fahrzeuges oder an anderen geeigneten Stellen des KFZ-Chassis angebracht. Damit ist gewährleistet, dass der Fahrtwind in geeigneter Weise zu den Brennstoffzellen gelangt. 



  In Figur 2 ist ein Brennstoffzellenmodul 10 verwendet, daswie beschrieben-aus einzelnen HT-PEM-Brennstoffzellen besteht, die durch Stapelung zusammen den Flächenstack, kurz Stack genannt, bilden. Einem solchen Stack wird als Brennstoff aus einem flüssigen Brennstoff, wie beispielsweise Benzin oder Methanol, durch Reformierung erzeugter Wasserstoff oder wasserstoffreiches Gas als Brenngas und weiterhin Umgebungsluft als Oxidans zugeführt. Während HT-PEM-Brennstoffzellen gegen Verunreinigungen des Brenngases vergleichsweise unempfindlich sind und speziell CO-Verunreinigungen bis zu 10000 ppm tolerieren, ist die Situation bezüglich des Oxidans problematischer. Zum störungsfreien Betrieb des brennstoffzellenbetriebenen Fahrzeuges in beliebigen Umgebungen, insbesondere auch im Stadtverkehr mit temporären CO-bzw.



     C02-Belastungen,    ist dem Brennstoffzellenmodul 10 eine Luftaufbereitungseinheit 50 mit spezifischen Mitteln zur Luftreinigung vorgeschaltet.



  Die Mittel zur Luftreinigung können nach chemischen und/oder physikalischen Prinzipien arbeiten und sind in jeweiliger Kombination in der kompletten Einheit zur   Luftaufbereitung    50 enthalten, was im Einzelnen anhand Figur 2 beschrieben wird.



  Die Einheit 50 zur   Luftaufbereitung    enthält einen Wärmetauscher 30, einen Adsorber 41 und/oder eine katalytische Beschichtung 42. Geeignete Adsorber sind bekannt, beispielsweise kommen Zeolithe in Frage. Als katalytische Beschichtung ist ein Edelmetall, beispielsweise Platin oder andere Edelmetalle, verwendbar. Solche katalytischen Edelmetallbeschichtungen werden in der Praxis im Zusammenhang mit Wärmetauschern bereits verwendet. Adsorber 41 und kata-lytische Beschichtung 42 können eine gemeinsame   Luftreinigungseinheit    40 bilden.



  In Figur 2 ist der Einheit 40 zur chemischen Luftreinigung ein zweistufiges Filter, bestehend aus den Filtern 45 und   45"    vorgeschaltet. Im Filter 45 werden Partikel, die eine bestimmte Grösse überschreiten, aus der einströmenden Luft entfernt und im Filter   45    Partikel, die eine geringere Grösse überschreiten. Es kann ein n-stufiges Filter realisiert sein, das als Mehrfunktionsfilter bzw. Multifunktionsfilter ausgebildet ist oder sein kann. Es enthält dann z. B. auch den Adsorber 41 und/oder die katalytische Beschichtung 42. Dies ist dann vorteilhaft, wenn einerseits eine Partikelreinigung und andererseits eine Schadstoffreinigung vorgesehen ist.

   In die Einheit zur Luftreinigung kann auch der Wärmetauscher 30 integriert sein, der die Temperatur der Luft auf einen für den Betrieb des Brennstoffzellenmoduls 10 geeigneten Wert einstellt.



  Es hat sich gezeigt, dass mit einer Anordnung gemäss Figur 2 bisher störende Verunreinigungen der Umgebungsluft, die den Betrieb einer mit Luft als Oxidans arbeitenden Brennstoffzellenanlage beeinträchtigen könnten, aus der   Prozessluft    entfernbar sind. Dadurch sind Störungen des Brennstoffzellenprozesses durch Verunreinigungen weitestgehend ausschliessbar.



  Insofern kann in diesem Fall bei Verwendung einer Brennstoffzellenanlage mit PEM-und insbesondere einer HT PEM-Brennstoffzellen unbedenklich die Umgebungsluft zur Bereitstellung des Oxidans herangezogen werden. 



  Patentansprüche   1.    Verfahren zum Betrieb einer in einem Fahrzeug verwendbaren Brennstoffzellenanlage mit wenigstens einem selbstatmenden Brennstoffzellenmodul, wobei dem wenigstens einem selbstatmenden Brennstoffzellenmodul Brennstoff und Luft zugeführt wird, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Luft vor dem Einsatz im Brennstoffzellenmodul gereinigt wird.



  2. Verfahren nach Anspruch   1,    d a d u r c h g e k e n nz e i c h n e   t,    dass eine mehrstufige Luftreinigung erfolgt.



  3. Verfahren nach Anspruch 2, d a d u r c h g e k e n nz e i c h n e t, dass ein zweistufige Luftreinigung mit einer Partikelreinigung der Luft einerseits und einer Schadstoffreinigung der Luft andererseits durchgeführt wird.



  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d ad u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass PEM-Brennstoffzellen, insbesondere HT-PEM-Brennstoffzellen, verwendet werden.



  5. Brennstoffzellenanlage für ein Kraftfahrzeug zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder einem der Ansprüche 2 bis 4, mit wenigstens einem Brennstoffzellenmodul, wobei das Brennstoffzellenmodul mit Brennstoff und Luft versorgt wird, d a d u r c h g e k e n n z e   i    c h n e t, dass zum Betrieb des Fahrzeuges   (1)    in beliebigen Umgebungen dem Brennstoffzellenmodul (10) eine Einheit zur Luftaufbereitung (50) vorgeschaltet ist.



  6. Brennstoffzellenanlage nach Anspruch 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Einheit (50) zur   Luftaufbereitung    Mittel (40) zur chemischen Luftreinigung,  Adsorber (41) und/oder eine katalytische Beschichtung (42), 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 als Adsorber (41) Zeolithe verwendet werden.



  8. 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 katalytische Beschichtung   (42)    ein Edelmetall aus der Platingruppe des periodischen Systems der chemischen Elemente ist.



  9. Brennstoffzellenanlage nach Anspruch 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass vor das Brennstoffzellenmodul (10) wenigstens ein Filter (45,45) geschaltet ist.



  10. Brennstoffzellenanlage 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 das Filter (45,45) ein n-stufige Filter ist.



  11. Brennstoffzellenanlage 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 das Filter (45,45) ein Mehrfunktionsfilter bzw. ein Multifunktionsfilter ist.



  12. Brennstoffzellenanlage nach Anspruch 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass ein Wärmetauscher (30) vorhanden ist.



  13. Brennstoffzellenanlage nach Anspruch 12, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass der Wärmetauscher (30) die Mittel (40) zur chemischen Luftreinigung enthält.



  14. Brennstoffzellenanlage nach Anspruch 5, 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) PEM-Brennstoffzellen enthält. 



  15. Brennstoffzellenanlage nach Anspruch 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass das Brennstoffzellenmodul (20) HT-PEM-Brennstoffzellen enthält 16. Brennstoffzellenanlage nach einem der Ansprüche 5 bis 14, 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) am Chassis (2) des Fahrzeuges   (1)    derart angeordnet ist, dass der cw-Wert und weitere charakteristische Grössen des Fahrzeuges   (1)    nicht beeinträchtigt werden.