EP1354367A1 - Für den mobilen einsatz vorgesehene brennstoffzellenanlage mit latentwärmespeicher und verfahren zur wärmeisolierung derselben - Google Patents

Für den mobilen einsatz vorgesehene brennstoffzellenanlage mit latentwärmespeicher und verfahren zur wärmeisolierung derselben

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EP1354367A1
EP1354367A1 EP01991661A EP01991661A EP1354367A1 EP 1354367 A1 EP1354367 A1 EP 1354367A1 EP 01991661 A EP01991661 A EP 01991661A EP 01991661 A EP01991661 A EP 01991661A EP 1354367 A1 EP1354367 A1 EP 1354367A1
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EP
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cell system
latent heat
cell module
fuel
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Manfred Poppinger
Joachim Grosse
Rolf BRÜCK
Meike Reizig
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Siemens AG
Vitesco Technologies Lohmar Verwaltungs GmbH
Siemens Corp
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Siemens AG
Siemens Corp
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    • Y02T90/40—Application of hydrogen technology to transportation, e.g. using fuel cells

Definitions

  • V out for thermal insulation at a mobile for a ⁇ set provided fuel cell system and associated fuel cell system
  • the invention relates to a process for the thermoinsulating ⁇ tion at an intended for mobile use fuel cell system integrated with at least one Brennstoffzellenein-.
  • the invention also relates to the zugehö ⁇ membered fuel cell system for a vehicle, especially a motor vehicle.
  • Fuel cell systems for supplying energy to electromotive drives in motor vehicles are known in many configurations. What these different fuel cell systems have in common is the chemical reaction of hydrogen with oxygen to form water. However, gaseous hydrogen cannot be stored on board in sufficient quantities for longer driving.
  • the PEM fuel cell (Polymer Electrolyte Membrane, Proton Exchange Membrane), which works with a proton-conductive membrane, works with gasoline, methanol or other higher hydrocarbons as fuel, from which hydrogen-rich fuel gas is obtained by means of a reformer, and with oxygen from the ambient air.
  • the HT-PEM fuel cell which is operated at higher temperatures, is inherently insensitive to contamination, which applies in particular to the fuel gas.
  • the oxidant is obtained from the ambient air, whereby in principle normal ambient air is assumed, which can be taken from the wind, for example, when a vehicle is moving.
  • the object of the invention is therefore to specify a method with which the heat balance of the fuel cells is improved and to create an associated fuel cell system.
  • the operating temperature of the fuel cell modules is made uniform under varying load conditions.
  • thermal insulation compensates for undesirable temperature fluctuations which can impair the efficiency of the system.
  • the fuel cell module in the vehicle is connected upstream of a latent heat store.
  • the latent heat store supplies or removes energy in dynamic driving.
  • process gases or a cooling medium are routed through the latent heat store.
  • the latent heat store can be combined with other already existing units.
  • the heat accumulator can form a structural unit with an air filter or also with other heat exchangers.
  • the latent heat store can also already be part of the fuel cell module designed as a so-called stack.
  • the system is particularly advantageous if the fuel cell module contains PEM or HT-PEM fuel cells.
  • FIG. 1 shows a motor vehicle with an integrated fuel cell system and FIG. 2 shows a fuel cell module with a latent heat store.
  • a motor vehicle (KFZ) is designated by 1, the electromotive drive 3 of which is supplied by a known fuel cell system, which is not described in detail here.
  • the fuel cell system essentially consists of a fuel cell module 10 and corresponding auxiliary units, which are also not shown in detail in FIG. 1. At least the fuel cell module 10 must be positioned on the vehicle such that it is supplied with air in a suitable manner. For this purpose, head wind that arises when the vehicle is moving can advantageously be used.
  • Such fuel cells are used that work with a solid electrolyte and are referred to as PEM (Polymer Electrolyte Membrane) fuel cells.
  • PEM Polymer Electrolyte Membrane
  • Such fuel cells are known from the prior art, such fuel cells advantageously being operated at higher temperatures than previously described for mobile use.
  • a fuel cell module 10 with HT-PEM fuel cells can be flat.
  • a large number of fuel cells are stacked, so that in this case one speaks of a surface stack.
  • Such a surface stack called a stack for short, is advantageously mounted under the car floor 2 in a free space formed with a sub-floor 2 or - if it is not a passenger car but a truck or bus - also advantageously mounted on the roof of the vehicle. This ensures that the airstream reaches the fuel cells in a suitable manner.
  • FIG. 2 shows such a fuel cell module 10, which consists of individual PEM fuel cells which together form the so-called area stack.
  • a fuel cell module 10 which consists of individual PEM fuel cells which together form the so-called area stack.
  • Such a stack is fed as fuel in a reformer from a liquid fuel, such as gasoline or methanol, by reforming on board the motor vehicle 1, hydrogen or hydrogen-rich gas as fuel gas and also ambient air as oxidant.
  • a liquid fuel such as gasoline or methanol
  • the fuel cell module 10 is assigned a latent heat store 50 in FIG. 2 or is connected in parallel.
  • the latent heat store 50 leads in the dynamic Namely driving the motor vehicle to or from the fuel cell module 10.
  • one or more of the process gases are passed through the latent heat store 50.
  • the cooling medium can also be passed through the latent heat store 50.
  • the fuel cell module 20 is embedded in a large-volume thermal insulation layer 20, so that thermal insulation is ensured.
  • the heat insulation layer 20 encloses an air filter 40 connected upstream of the fuel cell module 10, so that the fuel cell module 20 results in a compact unit.
  • the latent heat store 50 is thermally coupled to the thermally insulated fuel cell module 10 via a heat exchanger 30.
  • the latent heat store 50 can be integrated there. However, it is also possible for the latent heat store 50 to be part of the fuel cell module 20 directly. In this case, it is advisable to completely isolate all fuel cell modules, so that the required operating temperature is easily maintained, even when the vehicle is operated alternately.

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Abstract

Für den praktischen Einsatz von Brennstoffzellenanlagen in Kraftfahrzeugen ist ein reibungsloser Betrieb bei unter-schiedlichen Randbedingungen erforderlich. Dazu wird vorge-schlagen, unter variierenden Lastbedingungen die Betriebstem-peratur der Brennstoffzelleneinheit zu vergleichmäßigen. Dazu ist der Brennstoffzelleneinheit (10, 20) im Fahrzeug (1) ein Latent-Wärmespeicher (50) vorgeschaltet.

Description

FÜR DEN MOBILEN EINSATZ VORGESEHENE BRENNSTOFFZELLENANLAGE MIT LATENTWÄRMESPEICHER UND VERFAHREN ZUR WÄRMEISOLIERUNG DERSELBEN
Beschreibung
Verfahren zur Wärmeisolierung bei einer für den mobilen Ein¬ satz vorgesehenen Brennstoffzellenanlage und zugehörige Brennstoffzellenanlage
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Wärmeisolie¬ rung bei einer für den mobilen Einsatz vorgesehenen Brennstoffzellenanlage, mit wenigstens einer Brennstoffzellenein- heit. Daneben bezieht sich die Erfindung auch auf die zugehö¬ rige Brennstoffzellenanlage für ein Fahrzeug, insbesondere Kraftfahrzeug.
Brennstoffzellenanlagen zur Energieversorgung von elektro- motorischen Antrieben bei Kraftfahrzeugen sind in vielerlei Ausgestaltungen bekannt. Gemeinsam ist diesen unterschiedlichen Brennstoffzellenanlagen die chemische Reaktion von Wasserstoff mit Sauerstoff unter Bildung von Wasser. Allerdings kann gasförmiger Wasserstoff nicht in für längeren Fahrbetrieb ausreichender Menge an Bord gespeichert werden.
Beispielsweise die mit einer protonenleitfähigen Membran arbeitende PEM-Brennstoffzelle (Polymer Electrolyte Membrane, Proton Exchange Membrane) arbeitet mit Benzin, Methanol oder anderen höheren Kohlenwasserstoffen als Brennstoff, aus dem mittels eines Reformers wasserstoffreiches 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. Das 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.
Problematisch ist bei der Verwendung von Brennstoffzellenanlagen als Energiequelle für elektromotorisch angetriebene Fahrzeuge ist der Betrieb unter unterschiedlichen Randbedin- gungen. Nach dem Kaltstart soll schnellstmöglich ein Vollastbetrieb und/oder ein Betrieb unter variierenden Lastbedingungen möglich sein.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren anzugeben, mit dem der Wärmehaushalt der Brennstoffzellen verbessert wird und eine zugehörige Brennstoffzellenanlage zu schaffen.
Die Aufgabe ist erfindungsgemäß bei einem Verfahren der ein- gangs genannten Art durch die Maßnahmen des Patentanspruches 1 gelöst. Eine zugehörige Brennstoffzellenanlage ist Gegenstand des Patentanspruches 6. Weiterbildungen des Verfahrens bzw. der zugehörigen Brennstoffzellenanlage sind in den jeweils abhängigen Ansprüchen angegeben.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren werden unter variierenden Lastbedingungen die Betriebstemperatur der Brennstoffzellen- module vergleichmäßigt. Insbesondere während des Betriebes der Brennstoffzellenmodule zur Energieversorgung des Antrie- bes in einem Kraftfahrzeug werden durch eine Wärmeisolierung unerwünschte Temperaturschwankungen, die den Wirkungsgrad der Anlage beeinträchtigen können, ausgeglichen.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben der Brenn- stoffzellenanlage ist der Brennstoffzellenmodul im Fahrzeug ein Latent-Wärmespeicher vorgeschaltet. Der Latent-Wärme- speicher führt dabei im dynamischen Fahrbetrieb Energie zu oder ab. Im Einzelnen werden dazu Prozessgase oder aber auch ein Kühlmedium durch den Latent-Wärmespeicher geleitet.
Bei der Erfindung kann der Latent-Wärmespeicher mit anderen bereits vorhandenen Einheiten kombiniert sein. Insbesondere kann der Wärmespeicher mit einem Luftfilter oder auch mit anderen Wärmetauschern eine Baueinheit bilden. Der Latent- Wärmespeicher kann aber auch bereits Teil des als sogenanntes Stack ausgebildeten BrennstoffZellenmoduls sein. Im Rahmen der Erfindung ist die Anlage dann besonders vorteilhaft, wenn das Brennstoffzellenmodul PEM- bzw. HT-PEM- Brennstoffzellen enthält.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung eines Ausführungsbeispieles anhand der Zeichnung in Verbindung mit den Patentansprüchen. Es zeigen
Figur 1 ein Kraftfahrzeug mit einer integrierten Brennstoffzellenanlage und Figur 2 ein Brennstoffzellenmodul mit einem Latent-Wärmespeicher.
In der Figur 1 ist ein Kraftfahrzeug (KFZ) mit 1 bezeichnet, dessen elektromotorischer Antrieb 3 durch eine bekannte Brennstoffzellenanlage, die hier nicht im Einzelnen beschrieben wird, versorgt wird. Die Brennstoffzellenanlage besteht im Wesentlichen aus einem Brennstoffzellenmodul 10 und ent- sprechenden Nebenaggregaten, die ebenfalls in der Figur 1 nicht im Einzelnen dargestellt sind. Zumindest das Brennstoffzellenmodul 10 muss so am Fahrzeug positioniert sein, dass es in geeigneter Weise mit Luft versorgt wird. Dafür kann vorteilhafterweise Fahrtwind, der bei der Fahrzeug- bewegung entsteht, eingesetzt 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 aus dem Stand der Technik bekannt, wobei vorteilhafterweise für den mobilen Einsatz solche Brennstoffzellen bei höheren Temperaturen als bisher beschrieben betrieben werden.
Für derartige HT (High Temperature) -PEM-Brennstoffzellen werden Arbeitstemperaturen zwischen 80°C und 300°C, insbesondere Normaldruck im Bereich von 120°C bis 200°C, verwendet. Vor- teilhaft ist dabei für den Praxisbetrieb insbesondere die Unabhängigkeit von der Befeuchtung der Prozessgase einerseits und der Membran andererseits. Als Membran werden dabei solche temperaturstabilen Materialien verwendet, die einen eigendis- soziierenden und/oder autoprotolytischen Elektrolyten aufnehmen. Bei HT-PEM-Brennstoffzellen werden weiterhin an die Reinheit des Prozessgases geringere Anforderungen als für LT (Low Temperature) -PEM-Brennstoffzellen, die Betriebstemperaturen unter 100 °C, insbesondere etwa 60 °C haben, gestellt. Insbesondere CO-Verunreinigungen im Prozessgas können bis ca. 10 000 ppm toleriert werden.
Ein Brennstoffzellenmodul 10 mit HT-PEM-Brennstoffzellen kann flach ausgebildet sein. Im Einzelnen ist eine Vielzahl von Brennstoffzellen gestapelt, so dass man in diesem Fall von einem Flächenstack spricht. Ein solches Flächenstack, kurz Stack genannt, ist vorteilhafterweise unter dem Wagenboden 2 in einem mit einem Unterboden 2 gebildeten freien Raum oder - wenn es sich nicht um einen Personenwagen, sondern um einen Lastwagen oder Omnibus handelt - auch vorteilhafterweise auf dem Dach des Fahrzeuges angebracht. Damit ist gewährleistet, dass der Fahrtwind in geeigneter Weise zu den Brennstoffzellen gelangt.
In Figur 2 ist ein solches Brennstoffzellenmodul 10 dargestellt, das aus einzelnen PEM-Brennstoffzellen besteht, die zusammen den sogenannten Flächenstack bilden. Einem solchen Stack wird als Brennstoff in einem Reformer aus einem flüssigen Brennstoff, wie beispielsweise Benzin oder Methanol, durch Reformierung an Bord des KFZ 1 erzeugter Wasserstoff oder wasserstoffreiches Gas als Brenngas und weiterhin Umgebungsluft als Oxidans zugeführt.
Zum Ausgleich der Betriebstemperatur des Flächenstacks unter variierenden Lastbedingungen ist in Figur 2 der Brennstoffzellenmodul 10 ein Latent-Wärmespeicher 50 zugeordnet bzw. parallelgeschaltet. Der Latent-Wärmespeicher 50 führt im dy- namischen Fahrbetrieb des Kraftfahrzeuges dem Brennstoffzellenmodul 10 Energie zu oder ab. Dafür werden durch den Latent-Wärmespeicher 50 eines oder mehrere der Prozessgase geleitet. Ebenfalls kann auch das Kühlmedium durch den Latent- Wärmespeicher 50 geleitet werden.
Für letzteren Zweck ist das Brennstoffzellenmodul 20 in eine großvolumige Wärmedämmschicht 20 eingebettet, so dass eine thermische Isolierung gewährleistet ist. Gleichermaßen um- schließt die Wärmedämmschicht 20 einen dem Brennstoffzellenmodul 10 vorgeschalteten Luftfilter 40, so dass sich mit dem Brennstoffzellenmodul 20 eine kompakte Einheit ergibt. Der Latentwärmespeicher 50 ist mit dem thermisch isolierten Brennstoffzellenmodul 10 über einen Wärmetauscher 30 ther- misch gekoppelt.
Sofern in der Brennstoffzellenanlage ein Luftfilter oder ein Wärmetauscher vorhanden ist, kann dort der Latent-Wärmespeicher 50 integriert sein. Es ist aber auch möglich, dass der Latent-Wärmespeicher 50 direkt Teil des Brennstoffzellen o- duls 20 ist. In diesem Fall empfiehlt es sich, alle Brennstoffzellenmodule komplett zu isolieren, womit in einfacher Weise auch bei Wechselbetrieb des Fahrzeuges die geforderte Betriebstemperatur eingehalten wird.
Es hat sich gezeigt, dass sich durch den anhand Figur 2 beschriebenen Aufbau eine Verbesserung des Wirkungsgrades von als Energiequellen genutzten Brennstoffzellenanlagen möglich ist. Dies ist insbesondere bei der Verwendung einer PEM- oder auch HT-PEM-Brennstoffzellenanlage von praktischer Bedeutung.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Wärmeisolierung bei einer für den mobilen Einsatz vorgesehen Brennstoffzellenanlage, mit wenigstens ei- nem Brennstoffzellenmodul, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass unter variierenden Lastbedingungen die Betriebstemperatur des Brennstoffzellenmoduls vergleichmäßigt wird.
2. Verfahren 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 die Wärmeisolierung während des Betriebes des Brennstoffzellenmoduls in einem Fahrzeug erfolgt.
3. Verfahren 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 im mobilen Einsatz Spitzen von Temperaturschwankungen abgepuffert werden.
4. Verfahren 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 gespeicherte Überschussenergie zum Aufheizen des Brennstoffzellenmoduls auf Betriebstemperatur verwendet wird.
5. Verfahren 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 mit PEM- Brennstoffzellen, insbesondere HT-PEM-Brennstoffzellen, gearbeitet wird.
6. Brennstoffzellenanlage für ein mobiles Fahrzeug, insbesondere Kraftfahrzeug, unter Anwendung des Verfahrens gemäß Pa- tentanspruch 1 oder einem der Ansprüche 2 bis 5, 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 Latent-Wärmespeicher (50) im Fahrzeug (1) zugeordnet ist.
7. BrennstoffZeilensystem 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 der Latent-Wärmespeicher (50) im dynamischen Fahrbetrieb des Kraftfahrzeuges (1) Energie zu- oder abführt.
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 eines oder mehrere der
Prozessgase durch den Latent-Wärmespeicher (50) geleitet werden.
9. Brennstoffzellenanlage nach Anspruch 7 und 8, d a - d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass durch den
Latent-Wärmespeicher (50) ein Kühlmedium geleitet wird.
10. 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 der Latent-Wärmespeicher (50) mit einem Luftfilter (40) kombiniert ist.
11. Brennstoffzelleanlage 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 der Latent-Wärmespeicher (50) mit einem Wärmeaustauscher (30) kombiniert ist.
12. 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 der Latent-Wärmespeicher (50) mit dem Brennstoffzellenmodul (10) eine integrierte Einheit bildet.
13. 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) komplett wärmeisoliert ist, wodurch auch bei Betrieb des Fahrzeuges (1) die Betriebstemperatur eingehalten wird.
14. 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 das Brennstoffzellenmodul (10) PEM-Brennstoffzellen enthält.
15. Brennstoff zellenanlage 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 das Brennstoff zellenmodul (10) HT-PEM-Brennstoff zellen enthält
EP01991661A 2000-12-29 2001-12-21 Für den mobilen einsatz vorgesehene brennstoffzellenanlage mit latentwärmespeicher und verfahren zur wärmeisolierung derselben Withdrawn EP1354367A1 (de)

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