DE10013687B4

DE10013687B4 - Brennstoffzellensystem und Verfahren zum Betreiben desselben

Info

Publication number: DE10013687B4
Application number: DE10013687A
Authority: DE
Inventors: Dietmar Dipl.-Ing. Mirsch; Bernd Dipl.-Ing. Scheiterlein
Original assignee: NuCellSys GmbH
Current assignee: Mercedes Benz Fuel Cell GmbH
Priority date: 2000-03-21
Filing date: 2000-03-21
Publication date: 2007-06-28
Anticipated expiration: 2020-03-22
Also published as: FR2806837B1; US20010033955A1; USRE40060E1; FR2806837A1; US6596425B2; DE10013687A1

Abstract

Brennstoffzellensystem mit einer Brennstoffzelleneinheit (10) und einer Anlage zur Befeuchtung von Prozessgasen zur Bereitstellung eines Brennstoffs für die Brennstoffzelleneinheit (10), wobei wasserführende Medienleitungen (3, 16, 17) des Brennstoffzellensystems zumindest teilweise als beheizbare Medienleitungen (4, 18, 19) ausgebildet sind, dadurch gekennzeichnet, dass ferner eine Einrichtung zur Temperaturüberwachung vorhanden ist, und dass das Brennstoffzellensystem dazu eingerichtet ist, die beheizbaren Medienleitungen (4, 18, 19) zu erwärmen, wenn die Einrichtung zur Temperaturüberwachung anzeigt, dass eine kritische Temperatur unterschritten wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem und ein Verfahren zum Betreiben desselben gemäss dem Oberbegriff der unabhängigen Ansprüche.

Um ein Austrocknen der Elektrodenmembran zu verhindern, ist es bei Brennstoffzellen notwendig, insbesondere bei solchen mit protonenleitenden Elektrolytmembranen (PEM-Zellen), dass die Prozessgase, wie etwa Luft oder Brenngas, befeuchtet werden. Zur Befeuchtung wird unter anderem das in der Brennstoffzelle entstehende Produktwasser verwendet, welches üblicherweise mittels eines Wasserabscheiders aus dem Brennstoffzellenabgas extrahiert wird. Ein derartiges Brennstoffzellensystem ist z. B. aus der EP 0 629 014 B1 bekannt. Die EP 0 629 014 B1 offenbart ferner, dass es insbesondere bei mobilen Anwendungen, beispielsweise in einem Fahrzeug, sehr wichtig ist, das System gegen Frostschäden zu schützen. Daher können ein Wasser-Vorratsbehälter sowie eine Versorgungsleitung zur Zufuhr von Wasser aus dem Wasser-Vorratsbehälter in eine Mischkammer zur Befeuchtung von Prozessluft durch geeignete Isoliermaßnahmen oder durch ein Heizsystem vor Frostschäden geschützt werden.

Die nachveröffentlichte EP 1 061 600 A2 beschreibt ein Brennstoffzellensystem mit einer Brennstoffzelle, die eine Zuleitung für einen Brennstoff und eine Zuleitung für ein Oxidationsmittel aufweist. Um eine ausreichende Befeuchtung einer Brennstoffzellen-Membran auch während des Anfahrens der Brennstoffzelle zu gewährleisten, ist ein Flüssigkeitsspeicher mit einer darin befindlichen Flüssigkeit vorgesehen, über die der Brennstoff und/oder das Oxidationsmittel vor dem Eintritt in die Brennstoffzelle befeuchtet wird/werden. Um bei niedrigen Temperaturen ein Einfrieren der Flüssigkeit zu verhindern, ist eine Vermischung der Flüssigkeit mit einem Frostschutzmittel vorgesehen. Damit das Frostschutzmittel nicht in die Brennstoffzelle gelangt, wird die aus dem Flüssigkeitsspeicher entnommene Flüssigkeit durch eine Heizeinrichtung soweit erwärmt, dass eine Verdampfung des Frostschutzmittels und somit eine Abtrennung des Frostschutzmittels von der Flüssigkeit erfolgt.

Aus der US 4,037,024 A ist ein Brennstoffzellensystem bekannt, bei dem an einer Brennstoffzellenelektrode gebildeter Wasserdampf durch eine Leitung einem Kondensator zugeführt wird. In dem Kondensator abgeschiedenes Wasser wird in einen Wasser-Speicherbehälter geleitet, wobei der Kondensator und der Wasser-Speicherbehälter ferner zur Herstellung eines Druckausgleichs über eine Belüftungsleitung miteinander verbunden sind. Um bei tiefen Temperaturen ein Einfrieren der unter Umständen Wasserdampf enthaltenden Belüftungsleitung zu verhindern, ist die Belüftungsleitung in einer Verbindungsleitung zur Abfuhr von Wasser aus dem Kondensator in den Wasser-Speicherbehälter angeordnet.

Besonders bei mobilen Brennstoffzellensystemen mit protonenleitenden Elektrolytmembranen werden hohe Anforderungen an die Regelung des Wasserhaushalts gestellt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Brennstoffzellensystem anzugeben, bei dem die Versorgung mit Prozesswasser bei tiefen Temperaturen auf energieeffiziente Art und Weise verbessert ist.

Diese Aufgabe wird durch ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst.

Erfindungsgemäß wird ein Brennstoffzellensystem bereitgestellt, bei dem stromab einer Brennstoffzelleneinheit Medienleitungen vorgesehen sind, welche zumindest teilweise beheizbar sind. Ferner ist eine Einrichtung zur Temperaturüberwachung vorhanden. Das Brennstoffzellensystem ist dazu eingerichtet, die beheizbaren Medienleitungen zu erwärmen, wenn die Einrichtung zur Temperaturüberwachung anzeigt, dass eine kritische Temperatur unterschritten wird.

Der Vorteil ist, daß Prozeßwasser in den Medienleitungen unabhängig von den Umgebungsbedingungen flüssig gehalten werden kann und die Gefahr des Verschlusses von Medienleitungen und/oder von in den Medienleitungen angeordneten Ventilen und Pumpen durch ausfrierendes Wasser vermieden wird.

Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus den weiteren Ansprüchen und der Beschreibung hervor.

Die Erfindung ist nachstehend anhand einer Zeichnung näher beschrieben, wobei die Figuren zeigen:

1 eine schematische Darstellung einer bevorzugten Anordnung stromab eines Wasserabscheiders in einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem,

2 eine weitere schematische Darstellung einer bevorzugten Anordnung stromab eines Wasserabscheiders und

3 eine weitere bevorzugte Anordnung einer Brennstoffzelle mit Entwässerung.

Die Erfindung eignet sich besonders für Brennstoffzellensysteme in mobilen Anlagen. Ein besonderes Problem solcher Anlagen besteht darin, daß bei Umgebungstemperaturen unter dem Gefrierpunkt die Gefahr besteht, daß im System vorhandenes Wasser ausfriert und Leitungen sowie Ventile und Pumpen verstopft. Die Anlage kann dann nicht in Betrieb genommen werden, und es besteht die Gefahr, daß Komponenten durch das entstehende Eis beschädigt werden.

Erfindungsgemäß werden im Brennstoffzellensystem Medienleitungen vorgesehen, die beheizbar sind. Besonders bevorzugt sind zumindest stromab einer Brennstoffzelle Medienleitungen, welche flüssiges Prozeßwasser transportieren, zumindest teilweise beheizbar.

In 1 ist eine erste bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung dargestellt. Im Strömungsweg 1 von Kathodenabgas einer nicht dargestellten Brennstoffzelleneinheit ist ein Wasserabscheider 2 angeordnet. Im Wasserabscheider 2 wird zumindest ein Teil des im Kathodenabgas enthaltenen Wassers extrahiert. Das Prozeßwasser wird über eine Medienleitung 3 einer Prozeßluftbefeuchtung zugeführt. Die Prozeßluft wird über einen Luftfilter 5 über eine Leitung 6 mit Hilfe eines Kompressors 7 der Kathodenseite einer nicht dargestellten Brennstoffzelleneinheit zugeführt. In der Leitung 6 wird das Prozeßwasser aus dem Kathodenabgas der Prozeßluft zugemischt. Die Medienleitung 3 ist mit einem beheizbaren Leitungsabschnitt 4 versehen, es kann auch die ganze Medienleitung 3 durch den beheizbaren Leitungsabschnitt 4 gebildet werden. Vorzugsweise ist der Leitungsabschnitt 4 elektrisch beheizbar. Günstig ist, die beheizbare Medienleitung bzw. den beheizbaren Leitungsabschnitt 4 zwischen einem Wasserabscheider 2 zum Abscheiden von Wasser aus Kathodenabgas und einer Dosierstelle zum Zuführen von Medien in die Kathodenluft anzuordnen.
Vorteilhaft ist, den beheizbaren Leitungsabschnitt 4 mit elektrischer Leistung aus einer fahrzeugseitigen Batterie, z.B. einer 12 V-Batterie, zu versorgen oder mit elektrischer Leistung aus der Brennstoffzelleneinheit.
Im beheizbaren Leitungsabschnitt 4 kann auch ein Regelventil oder eine Pumpe angeordnet sein, welche zum Einstellen der der Prozeßluft zugeführten Wassermenge vorgesehen sind.
In 2 ist eine weitere bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung dargestellt. Die Anordnung entspricht weitgehend der in 1; gleiche Elemente sind mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist eine Befeuchtung in einem zweistufigen Verdichter vorgesehen. Prozeßluft gelangt über einen Luftfilter 5 in eine Leitung 6 und wird in einem ersten Kompressor 8 verdichtet und an einen zweiten Turbokompressor 9 weitergeleitet. Das Prozeßwasser wird über die Medienleitung 3 bzw. das beheizte Leitungsstück 4 zwischen den beiden Kompressoren 8, 9 in die Leitung 6 eingeleitet.
An der Dosierstelle, an der das Prozeßwasser in die Prozeßluftleitung 6 eingeführt wird, ist üblicherweise eine feine Düse zum Einführen des Prozeßwassers vorgesehen. Das beheizte Leitungsstück 4 sorgt vorteilhaft dafür, daß keine eigene Heizung für diese Düse notwendig ist. Das erwärmte Prozeßwasser verhindert ein Einfrieren des Wassers an der Düse. Dies gilt ebenso für etwaige Ventile und/oder Pumpen zum Einstellen der Menge des Prozeßwassers, welche in der Medienleitung 3 angeordnet sind.
In 3 ist eine weitere bevorzugte Anordnung dargestellt. Eine Brennstoffzelleneinheit 10 weist eine Endplatte 11 auf, an der eine erste Medienzuleitung 12 für die Anode und eine Medienableitung 14 für das Anodenabgas, sowie eine zweite Medienzuleitung 13 für die Kathode und eine zweite Medienableitung 15 für das Kathodenabgas vorgesehen sind. Details, wie die Medienströme im Innern der Brennstoffzelleneinheit 10 aufgeteilt werden, sind nicht dargestellt. An der Endplatte 11 sind weiterhin zwei Entwässerungsleitungen 16, 17 angeordnet, welche zum Entwässern der Brennstoffzelleneinheit 10 vorgesehen sind. Es ist günstig, auch diese Entwässerungsleitungen 16, 17 mit heizbaren Leitungsstücken 18, 19 zu versehen. Die Entwässerungsleitungen führen Wasser, das sich in der Anode bzw. der Kathode der Brennstoffzelleneinheit 10 sammelt, ab, vorzugsweise in einen Sammelbehälter eines Wasserabscheiders.
Es ist zweckmäßig, möglichst alle Medienleitungen, die flüssiges Wasser führen können, mit heizbaren Leitungsstücken zu versehen. Es ist günstig, beim Herunterfahren des Brennstoffzellensystems dafür zu sorgen, daß das Wasser aus den Medienleitungen gespült wird, so daß möglichst wenig Wasser im System verbleibt. Ein Vorteil der Erfindung ist, daß auch bei einer Notabschaltung des Brennstoffzellensystems, bei dem kein Entfernen des Wassers aus dem System möglich ist, ein Wiederanlaufen des Systems auch bei niedrigen Außentemperaturen möglich ist, bei denen das im System verbliebene Wasser als Eis vorliegt.
Die beheizbaren Leitungen können aus flexiblem Material gebildet oder feste Leitungen sein. Sie können mit einer geeigneten Heizmanschette umgeben sein oder auch im Innern der Leitung einen geeigneten Heizleiter aufweisen.
Zweckmäßigerweise wird eine Temperaturüberwachung des Systems vorgesehen, so daß bei Unterschreiten einer kritischen Temperatur, z.B. bei Unterschreiten des Gefrierpunkts, zu Beginn der Inbetriebnahme des Brennstoffzellensystems ein Erwärmen der beheizbaren Medienleitungen erfolgt, so daß eingefrorenes Wasser in den Medienleitungen sicher verflüssigt wird. Dazu kann die Umgebungstemperatur überwacht werden oder auch eine Temperaturüberwachung an den entsprechenden temperaturkritischen Bereichen des Brennstoffzellensystems, besonders im Bereich wasserführender Medienleitungen, durch ein oder mehrere Temperatursensoren erfolgen.
Es ist auch möglich vorzusehen, daß bei längerem Stillstand des Systems in kalter Umgebung von Zeit zu Zeit die beheizbaren Medienleitungen erwärmt werden, falls das Ausfrieren von Wasser droht, so daß die Temperatur von wasserführenden Medienleitungen im wesentlichen oberhalb des Gefrierpunktes von Wasser gehalten wird.

Claims

Brennstoffzellensystem mit einer Brennstoffzelleneinheit (10) und einer Anlage zur Befeuchtung von Prozessgasen zur Bereitstellung eines Brennstoffs für die Brennstoffzelleneinheit (10), wobei wasserführende Medienleitungen (3, 16, 17) des Brennstoffzellensystems zumindest teilweise als beheizbare Medienleitungen (4, 18, 19) ausgebildet sind, dadurch gekennzeichnet, dass ferner eine Einrichtung zur Temperaturüberwachung vorhanden ist, und dass das Brennstoffzellensystem dazu eingerichtet ist, die beheizbaren Medienleitungen (4, 18, 19) zu erwärmen, wenn die Einrichtung zur Temperaturüberwachung anzeigt, dass eine kritische Temperatur unterschritten wird.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Medienleitungen (3, 16, 17) ein elektrisch beheizbares Leitungsstück (4, 18, 19) aufweisen.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beheizbaren Medienleitungen (3, 4, 18, 19) stromab der Brennstoffzelleneinheit (10) vorgesehen sind.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen einem Wasserabscheider (2) zum Abscheiden von Wasser aus Kathodenabgas und einer Dosierstelle zum Zuführen von Medien in die Kathodenluft eine beheizbare Medienleitung (4) angeordnet ist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzelleneinheit (10) eine beheizbare Drainageleitung (18, 19) zur Abfuhr von Wasser aus der Brennstoffzelleneinheit (10) aufweist.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur Temperaturüberwachung dazu eingerichtet ist, die Umgebungstemperatur oder die Temperatur an temperaturkritischen Bereichen des Brennstoffzellensystems zu überwachen.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur Temperaturüberwachung dazu eingerichtet ist, die Temperatur im Bereich der wasserführenden Medienleitungen (3, 16, 17) zu überwachen.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur Temperaturüberwachung mindestens einen Temperatursensor umfasst.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Brennstoffzellensystem dazu eingerichtet ist, die beheizbaren Medienleitungen (4, 18, 19) im Stillstand des Systems von Zeit zu Zeit zu erwärmen.
Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems, das eine Brennstoffzelleneinheit (10) und eine Anlage zur Befeuchtung von Prozessgasen zur Bereitstellung eines Brennstoffs für die Brennstoffzelleneinheit (10) umfasst, wobei wasserführende Medienleitungen (3, 16, 17) des Brennstoffzellensystems zumindest teilweise als beheizbare Medienleitungen (4, 18, 19) ausgebildet sind, gekennzeichnet durch die Schritte: – Überwachen der Temperatur mittels einer Einrichtung zur Temperaturüberwachung und – Erwärmen der beheizbaren Medienleitungen (4, 18, 19), wenn die Einrichtung zur Temperaturüberwachung anzeigt, dass eine kritische Temperatur unterschritten wird.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Umgebungstemperatur oder die Temperatur an temperaturkritischen Bereichen des Brennstoffzellensystems überwacht wird.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur im Bereich der wasserführenden Medienleitungen (3, 16, 17) überwacht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die beheizbaren Medienleitungen (4, 18, 19) im Stillstand des Systems von Zeit zu Zeit erwärmt werden.