WO2008006328A1 - Brennstoffzellensystem und verfahren zum beeinflussen des wärmehaushaltes eines brennstoffzellensystems - Google Patents

Brennstoffzellensystem und verfahren zum beeinflussen des wärmehaushaltes eines brennstoffzellensystems Download PDF

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Michael Rozumek
Stefan Käding
Manfred Pfalzgraf
Andreas Engl
Beate Bleeker
Michael Süßl
Markus Bedenbecker
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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 with at least one heat-generating component and at least one component using process air.
  • the invention further relates to a method for influencing the heat balance of a fuel cell system.
  • Fuel cell systems serve to generate electrical energy and heat energy, with the primary supply of fossil fuels becoming increasingly important.
  • the fuels used are preferably used, while in stationary use, that is to say in particular in the domestic sector, natural gas and fuel oil are used.
  • waste heat generated by a DC / DC or a DC / AC converter can also be regarded as a power loss of the fuel cell system.
  • the excessive waste heat reduces the efficiency of the system, and on the other hand, it can also be undesirable as such, for example when operating a fuel cell system for air conditioning on hot days.
  • the invention has for its object to provide a fuel cell system with reduced heat losses and improved thermal management available.
  • the heat-generating component is arranged in a housing and the ambient air can be supplied to an inner region of the housing.
  • the housing allows a plurality of heat generating components and the sewerage of the supplied ambient air in such a way that the heat release of all heat generating components can contribute to the heating of the supplied ambient air.
  • a heat-generating component is arranged outside of a housing in which further heat-generating components are arranged.
  • a housing in which further heat-generating components are arranged.
  • the housing is a thermal insulation device.
  • This isolation device can be the isolation device provided anyway anyway mostly around the heat generating components of the fuel cell system or an additional isolation device, which is arranged around the already provided isolation device around. in the In the latter case, the air guide will then take place between the conventional isolation device and the additional isolation device.
  • the at least one heat-generating component is a reformer and / or an afterburner and / or a fuel cell assembly and / or a media guide and / or a DC / DC converter.
  • the supplied ambient air is first heat-supplying components with a first temperature can be supplied and subsequently heat-generating components with a second temperature can be fed bar, wherein the first temperature is lower than the second temperature. Since the speed of the heat transfer depends on the temperature difference of the media involved, it makes sense initially to apply cold air to the cooler components in order to provide a relatively large temperature difference here as well. Already heated air can subsequently be supplied to warmer components, a correspondingly high temperature difference also being present then. Thus, all components can equally be included in the temperature management of the fuel cell system.
  • the ambient air can be supplied by the delivery of a blower associated with the component using process air.
  • a blower associated with the component using process air no additional blower for the introduction of the ambient air is required.
  • the component using the process air is a reformer and / or an afterburner and / or a fuel cell arrangement.
  • the invention further relates to a method for influencing the heat balance of a fuel cell system according to the invention.
  • Figure 1 is a schematic representation of a conventional fuel cell system
  • Figure 2 is a schematic representation of a first embodiment of a fuel cell system according to the invention.
  • Figure 3 is a schematic representation of a second embodiment of a fuel cell system according to the invention.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a conventional fuel cell system.
  • the typical fuel cell system 10 shown here includes a plurality of components that are partially disposed within an isolation device 38.
  • the reformer 12 is supplied via a fuel feed 18 from a fuel pump 42 funded fuel and air via an air feed 20 from a blower 40 conveyed air.
  • the hydrogen-rich reformate prepared in the reformer 12 then passes via a reformate line 26 to the anode side of a fuel cell stack 14, wherein the fuel cell stack 14 is further supplied with air via a cathode inlet line 22 and an associated fan 44.
  • Anode exhaust of Brennstoffzellenan- order 14 passes via an anode exhaust gas line 28 in an afterburner 16, which is also supplied via an air supply line 24 and an associated fan 46 air.
  • the exhaust gases generated in the afterburner 16 exit from the fuel cell system 10 via an exhaust gas line 30.
  • the power generated by the fuel cell system 14 is supplied to a converter 32, for example a DC / DC or a DC / AC converter.
  • the fuel cell system 10 shown in this way allows numerous variants, for example, exhaust gas can be recirculated from the afterburner 16.
  • cathode exhaust air from the fuel cell assembly 14 may be supplied to the afterburner 16.
  • heat exchangers can be provided which permit a variety of heat exchange between different media streams in a variety rich variety.
  • the problem with such fuel cell systems 10 is the heat loss. This is done on the one hand naturally on the isolation device 38, which is indicated by the arrows 48, 50, and in particular in the range of bushings through the isolation device 38, for example in the range of media feeds, which is indicated by the arrow 52nd is indicated. Further heat losses occur at the transducer 32, indicated by the arrow 54.
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a first embodiment of a fuel cell system according to the invention.
  • a housing 36 which is equipped with at least one air inlet opening 56 for the entry of ambient air 34.
  • an air outlet opening 58 is provided, which is coupled to the air inlet side of the blower 40.
  • the heat-generating components of the fuel cell assembly 10 are housed.
  • ambient air 34 is now sucked into the housing 36, which then flows around the isolation device 38 or the converter 32 arranged outside the isolation device 38.
  • the cold ambient air 34 absorbs heat and leaves in the heated state via the air outlet opening 58, the housing 36.
  • the heated ambient air is supplied via the blower 40 to the reformer 12 again as process air. It is also possible to supply the heated air alternatively or additionally to the fuel cell stack 14 or to the afterburner 16.
  • FIG. 3 shows a schematic representation of a second embodiment of a fuel cell system according to the invention. According to this embodiment, it is provided to equip the isolation device 38 itself with an air supply opening 56 and an air outlet opening 58.
  • the cool ambient air flows around directly the components, such as the afterburner 16, the Brennstoffzellensta- pel 14 and the reformer 12, and then in the heated state and after exiting the air outlet opening 48 via the blower 40 to the reformer 12 to be recycled as process air.
  • Such a design of the system does not require an additional outer housing 36 (see FIG. 2). Also, due to the heat energy dissipated by the transducer 32, a separate warm air return device would be required.

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem (10) mit mindestens einer Wärme erzeugenden Komponente (12 bis 32) und mindestens einer Prozessluft verwendenden Komponente (12, 14, 16). Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Wärme erzeugenden Komponente Umgebungsluft (34) zuführbar ist, die durch die Wärme erzeugende Komponente (12 bis 32) erwärmbar ist, und dass die so erwärmte Luft der Prozessluft verwendenden Komponente (12, 14, 16) als Prozessluft zuführbar ist. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Beeinflussen des Wärmehaushaltes eines erfindungsgemäßen Brennstoff Zeilensystems.

Description

Brennstoffzellensystem und Verfahren zum Beeinflussen des Wärmehaushaltes eines BrennstoffZellensystems
Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem mit mindestens einer Wärme erzeugenden Komponente und mindestens einer Prozessluft verwendenden Komponente.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Beeinflussen des Wärmehaushaltes eines BrennstoffZeilensystems .
Brennstoffzellensysteme dienen der Erzeugung von elektrischer Energie und Wärmeenergie, wobei die primäre Zuführung fossiler Brennstoffe zunehmend an Bedeutung gewinnt. Im mobilen Bereich, das heißt insbesondere in Kraftfahrzeugen, werden vorzugsweise die verwendeten Kraftstoffe verwendet, während im stationären Einsatz, das heißt insbesondere im häuslichen Bereich, Erdgas und Heizöl eingesetzt werden.
Zur Verarbeitung dieser Brennstoffe ist ein Reformierungs- prozess erforderlich, der zumindest teilweise stark exotherm ist. Ebenso kommen Nachbrenner zum Einsatz, die Abgase der Brennstoffzelle oder auch primär zugeführten Brenn- stoff in exothermen Reaktionen umsetzen können. Auch die im Brennstoffzellensystem angeordneten Brennstoffzellen selbst erzeugen Abwärme, die insbesondere im Falle von SOFC- Brennstoffzellen ("Solid Oxid Fuel Cell") beträchtlich sein kann. Im Brennstoffzellensystem liegen somit, je nach Be- triebszustand und Auslegung, Temperaturen im Bereich von 500 bis 10000C vor. Um die Wärmeverluste aus dem Brennstoffzellensystem durch Übertritt von Wärme an die Umgebung zu verringern, sind die Komponenten des Brennstoffzellensystems innerhalb einer I- solationseinrichtung angeordnet. Naturgemäß schützt eine solche Isolationseinrichtung jedoch nicht vollständig vor Wärmeverlusten. Außerdem können Wärmeverluste insbesondere im Bereich von Durchbrüchen vorliegen, die vor allem für die Medienversorgung oder Abfuhr etwa der Brennstoffzufuhr, der Luftzufuhr oder der Abfuhr, von Abgasen, erforderlich sind. Auch die von einem DC/DC- oder einem DC/AC-Wandler erzeugte Abwärme kann als Verlustleistung des Brennstoff- zellensystems aufgefasst werden.
Die übermäßige Abwärme senkt so einerseits den Wirkungsgrad des Systems, und sie kann andererseits auch als solche unerwünscht sein, etwa beim Betrieb eines Brennstoffzellensystems zur Klimatisierung an heißen Tagen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Brennstoff- zellensystem mit verminderten Wärmeverlusten und verbessertem Wärmemanagement zur Verfügung zu stellen.
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs gelöst .
Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Die Erfindung baut auf dem gattungsgemäßen Brennstoffzel- lensystem dadurch auf, dass der Wärme erzeugenden Komponente Umgebungsluft zuführbar ist, die durch die Wärme erzeugende Komponente erwärmbar ist, und dass die so erwärmte Luft der Prozessluft verwendenden Komponente als Prozess- luft zuführbar ist. Die von der zugeführten Umgebungsluft aufgenommene Wärme kann somit auf dem Wege über die in dem BrennstoffZeilensystem stattfindenden chemischen und elektrochemischen Prozesse dem System wieder zugeführt und somit rückgewonnen werden.
Nützlicherweise ist vorgesehen, dass die Wärme erzeugende Komponente in einem Gehäuse angeordnet ist und die Umgebungsluft einem Innenbereich des Gehäuses zuführbar ist. Das Gehäuse gestattet die Aufnahme mehrerer Wärme erzeugen- der Komponenten und die Kanalisation der zugeführten Umgebungsluft in der Weise, dass die Wärmeabgabe von allen Wärme erzeugenden Komponenten zur Erwärmung der zugeführten Umgebungsluft beitragen kann.
Ebenfalls ist es möglich, dass eine Wärme erzeugende Komponente außerhalb eines Gehäuses angeordnet ist, in dem weitere Wärme erzeugende Komponenten angeordnet sind. Beispielsweise kann es nützlich sein, einen DC/DC- oder einen DC/AC-Wandler in einiger Entfernung von den wesentlich hei- ßeren sonstigen Komponenten des Brennstoffzellensystems anzuordnen. Es kann sich daher anbieten, das zur Zuführung der Umgebungsluft vorgesehene Gehäuse nicht zur Aufnahme des Wandlers vorzusehen. In diesem Fall wäre die Beaufschlagung des Wandlers mit Umgebungsluft separat vorzuse- hen, oder es wird auf die Nutzung der Abwärme des Wandlers verzichtet.
Mit einer besonders bevorzugten Ausführung kann vorgesehen sein, dass das Gehäuse eine thermische Isolationseinrich- tung ist. Diese Isolationseinrichtung kann die ohnehin meist um die Wärme erzeugenden Komponenten des Brennstoffzellensystems vorgesehene Isolationseinrichtung sein oder eine zusätzliche Isolationseinrichtung, die um die ohnehin vorgesehene Isolationseinrichtung herum angeordnet ist. Im letzten Fall wird die Luftführung dann zwischen der herkömmlichen Isolationseinrichtung und der zusätzlichen Isolationseinrichtung stattfinden.
Gemäß bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung ist vorgesehen, dass die mindestens eine Wärme erzeugende Komponente ein Reformer und/oder ein Nachbrenner und/oder eine Brennstoffzellenanordnung und/oder eine Medienführung und/oder ein DC/DC-Wandler ist.
Nützlicherweise ist vorgesehen, dass die zugeführte Umgebungsluft zunächst Wärme erzeugenden Komponenten mit einer ersten Temperatur zuführbar ist und nachfolgend Wärme erzeugenden Komponenten mit einer zweiten Temperatur zuführ- bar ist, wobei die erste Temperatur geringer ist als die zweite Temperatur. Da die Geschwindigkeit des Wärmeübertritts von der Temperaturdifferenz der beteiligten Medien abhängt, ist es sinnvoll, zunächst die kühleren Komponenten mit noch kalter Umgebungsluft zu beaufschlagen, um auch hier eine relativ große Temperaturdifferenz zur Verfügung zu stellen. Bereits erwärmte Luft kann nachfolgend wärmeren Komponenten zugeführt werden, wobei auch dann eine entsprechend hohe Temperaturdifferenz vorliegt. Somit können alle Komponenten gleichermaßen in das Temperaturmanagement des Brennstoffzellensystems einbezogen werden.
Besonders nützlich ist es, dass die Umgebungsluft durch die Förderung eines der Prozessluft verwendenden Komponente zugeordneten Gebläses zuführbar ist. Es ist somit kein zu- sätzliches Gebläse für die Einbringung der Umgebungsluft erforderlich . Es kann vorgesehen sein, dass die Prozessluft verwendende Komponente ein Reformer und/oder ein Nachbrenner und/oder eine BrennstoffZeilenanordnung ist.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Beeinflussen des Wärmehaushaltes eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems .
Die Erfindung wird nun mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen anhand besonders bevorzugter Ausführungsformen beispielhaft erläutert .
Es zeigen:
Figur 1 eine schematische Darstellung eines herkömmlichen Brennstoffzellensystems ;
Figur 2 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Brennstoff- zellensystems; und
Figur 3 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Brennstoff- zellensystems .
Bei der nachfolgenden Beschreibung der Zeichnungen bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder vergleichbare Komponenten.
Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung eines herkömmlichen Brennstoffzellensystems . Das hier dargestellte typische Brennstoffzellensystem 10 umfasst eine Vielzahl von Komponenten, die teilweise innerhalb einer Isolationseinrichtung 38 angeordnet sind. Es sind ein Reformer 12, ein Brennstoffzellenstapel 14 und ein Nachbrenner 16 vorgesehen, die durch Medienführungen miteinander in Verbindung stehen. So wird dem Reformer 12 über eine BrennstoffZuführung 18 von einer Brennstoffpumpe 42 geförderter Brennstoff und über eine LuftZuführung 20 von einem Gebläse 40 geförderte Luft zugeführt. Das in dem Reformer 12 hergestellte Wasserstoffreiche Reformat gelangt dann über eine Reformat- leitung 26 zur Anodenseite eines BrennstoffZellenstapels 14, wobei der Brennstoffzellenstapel 14 weiterhin über eine Kathodenzuluftleitung 22 sowie ein zugeordnetes Gebläse 44 mit Luft versorgt wird. Anodenabgas der Brennstoffzellenan- ordnung 14 gelangt über eine Anodenabgasleitung 28 in einen Nachbrenner 16, dem über eine Zuluftleitung 24 und ein zugeordnetes Gebläse 46 ebenfalls Luft zugeführt wird. Die in dem Nachbrenner 16 erzeugten Abgase treten über eine Abgas- leitung 30 aus dem Brennstoffzellensystem 10 aus. Der von dem Brennstoffzellensystem 14 erzeugte Strom wird einem Wandler 32, beispielsweise einem DC/DC- oder einem DC/AC- Wandler zugeführt. Das so dargestellte Brennstoffzellensys- tem 10 lässt zahlreiche Varianten zu, so kann beispielsweise Abgas aus dem Nachbrenner 16 rückgeführt werden. Ebenfalls kann Kathodenabluft aus der BrennstoffZeilenanordnung 14 dem Nachbrenner 16 zugeführt werden. Weiterhin können Wärmetauscher vorgesehen sein, die in variantenreicher Vielfalt einen Wärmeaustausch zwischen verschiedenen Medienströmen zulassen.
Problematisch an derartigen BrennstoffZellensystemen 10 ist der Wärmeverlust. Dieser erfolgt einerseits naturgemäß über die Isolationseinrichtung 38, was durch die Pfeile 48, 50 angedeutet ist, und insbesondere im Bereich von Durchführungen durch die Isolationseinrichtung 38, beispielsweise im Bereich von Medienzuführungen, was durch den Pfeil 52 angedeutet ist. Weitere Wärmeverluste treten am Wandler 32 auf, angedeutet durch den Pfeil 54.
Figur 2 zeigt eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellen- systems . Um den in Zusammenhang mit Figur 1 geschilderten Problemen zu begegnen, wird vorgeschlagen, ein Gehäuse 36 vorzusehen, dass mit mindestens einer Lufteintrittsöffnung 56 für den Eintritt von Umgebungsluft 34 ausgestattet ist. Ferner ist eine Luftaustrittsöffnung 58 vorgesehen, die mit der Lufteintrittsseite des Gebläses 40 gekoppelt ist. In dem Gehäuse 36 sind die Wärme erzeugenden Komponenten der Brennstoffzellenanordnung 10 untergebracht. Im Betrieb des Gebläses 40 wird nun Umgebungsluft 34 in das Gehäuse 36 an- gesaugt, die dann die Isolationseinrichtung 38 beziehungsweise den außerhalb der Isolationseinrichtung 38 angeordneten Wandler 32 umströmt. Die kalte Umgebungsluft 34 nimmt Wärme auf und verlässt im erwärmten Zustand über die Luftaustrittsöffnung 58 das Gehäuse 36. Nachfolgend wird die erwärmte Umgebungsluft über das Gebläse 40 dem Reformer 12 wieder als Prozessluft zugeführt. Es ist ebenfalls möglich, die erwärmte Luft alternativ oder zusätzlich dem Brennstoffzellenstapel 14 beziehungsweise dem Nachbrenner 16 zuzuführen.
Durch die beschriebenen Maßnahmen gelingt es, die Wärmeab- strahlung des Gesamtsystems, das heißt die aus dem Gehäuse 36 austretende Wärmeleistung zu verringern. Die angesaugte Umgebungsluft 34 bildet so zu sagen eine weitere Haut um die Isolationseinrichtung 38, die ständig erneuert wird, wobei die von der Haut aufgenommene Wärmeenergie über den Umweg der Prozessluft wieder in das BrennstoffZellensystem 10 eingebracht wird. Figur 3 zeigt eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellen- systems. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, die Isolationseinrichtung 38 selbst mit einer Luftzufuhr- Öffnung 56 und einer Luftaustrittsöffnung 58 auszustatten. Die kühle Umgebungsluft umströmt so direkt die Komponenten, beispielsweise den Nachbrenner 16, den Brennstoffzellensta- pel 14 und den Reformer 12, um dann im erwärmten Zustand und nach Austritt aus der Luftaustrittsöffnung 48 über das Gebläse 40 dem Reformer 12 wieder als Prozessluft zugeführt zu werden. Eine derartige Auslegung des Systems kommt ohne zusätzliches äußeres Gehäuse 36 (siehe Figur 2) aus. Um die von dem Wandler 32 abgegebene Wärmeenergie ebenfalls zurückzuführen wäre eine separate Warmluftrückführeinrichtung erforderlich.
Die in der vorstehenden Beschreibung, in den Zeichnungen sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung wesentlich sein.
Bezugszeichenliste :
10 BrennstoffZeilensystem
12 Reformer 14 BrennstoffZellenstapel
16 Nachbrenner
18 BrennstoffZuführung
20 LuftZuführung
22 Kathodenzuluftleitung 24 Zuluftleitung
26 Reformatleitung
28 Anodenabgasleitung
30 Abgasleitung 32 Wandler 34 Umgebungsluft
36 Gehäuse
38 Isolationseinrichtung
40 Gebläse
42 Brennstoffpumpe 44 Gebläse
46 Gebläse
48 Pfeil
50 Pfeil
52 Pfeil 54 Pfeil
56 Lufteintrittsöffnung
58 Luftaustrittsöffnung

Claims

ANSPRUCHE
1. Brennstoffzellensystem (10) mit mindestens einer Wärme erzeugenden Komponente (12 bis 32) und mindestens einer Prozessluft verwendenden Komponente (12, 14, 16) , dadurch gekennzeichnet, dass der Wärme erzeugenden Komponente Umgebungsluft (34) zuführbar ist, die durch die Wärme erzeugen- de Komponente (12 bis 32) erwärmbar ist, und dass die so erwärmte Luft der Prozessluft verwendenden Komponente (12, 14, 16) als Prozessluft zuführbar ist.
2. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, dadurch ge- kennzeichnet, dass die Wärme erzeugende Komponente (36, 38) in einem Gehäuse angeordnet ist und die Umgebungsluft einem Innenbereich des Gehäuses zuführbar ist.
3. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Wärme erzeugende Komponente (32) außerhalb eines Gehäuses (38) angeordnet ist, in dem weitere Wärme erzeugende Komponenten (12 bis 30) angeordnet sind.
4. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse eine thermische Isolationseinrichtung (38) ist.
5. Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Wärme erzeugende Komponente ein Reformer (12) und/oder ein Nachbrenner (16) und/oder eine BrennstoffZellenanordnung (14) und/oder eine Medienführung (18 bis 30) und/oder ein DC/DC-Wandler (32) ist.
6. Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zugeführte Umgebungsluft (34) zunächst Wärme erzeugenden Komponenten mit einer ersten Temperatur zuführbar ist und nachfolgend Wärme erzeugenden Komponenten mit einer zweiten Temperatur zuführbar ist, wobei die erste Temperatur geringer ist als die zweite Temperatur.
7. Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet/ dass die Umgebungsluft (34) durch die Förderung eines der Prozessluft verwendenden Komponente zugeordneten Gebläses (40) "zuführbar ist.
8. Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Prozessluft verwendende Komponente ein Reformer (12) und/oder ein Nachbrenner (16) und/oder eine BrennstoffZeilenanordnung (14) ist.
9. Verfahren zum Beeinflussen des Wärmehaushaltes eines Brennstoffzellensystems (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche .
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