DE10065306A1

DE10065306A1 - Verfahren zum Betrieb einer in einem Fahrzeug verwendbaren Brennstoffzellenanlage und zugehörige Brennstoffzellenanlage

Info

Publication number: DE10065306A1
Application number: DE10065306A
Authority: DE
Inventors: Manfred Poppinger; Joachim Grosse; Meike Reizig; Rolf Brueck
Original assignee: Emitec Gesellschaft fuer Emissionstechnologie mbH; Siemens Corp
Current assignee: Vitesco Technologies Lohmar Verwaltungs GmbH; Siemens Corp
Priority date: 2000-12-29
Filing date: 2000-12-29
Publication date: 2002-07-18
Also published as: WO2002054521A1; JP2004526277A; EP1346429A1; KR20030063483A; DE10195800D2; CA2433400A1; CN1484873A; US20040157095A1

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 eines 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

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, Mezhanol oder einem anderen höheren Kohlenwasserstoff als Brennstoff, aus dem mittels eines Reformers Wasserstöff 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. Das Oxidans wird aus der Umgebungsluft gewonnen, wobei im Prinzip von normaler Umgebungsluft ausgegangen wird, welche beispielsweise bei einem Fahrzeug dem Fahrtwind entnommen werden kann.

Obwohl speziell die HT-PEM-Brennstoffzelle als gegen Verunreinigungen unempfindlich gilt, müssen doch gewisse Standards für die Betriebsstoffe gewahrt werden. Beispielsweise in einem Kraftfahrzeug, das im innerstädtischen Bereich bei ständig wechselndem und unter schiedlichen Bedingungen 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 gewährlei stet 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 abhängi gen Ansprüche.

Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird also die Luft vor dem Einsatz in der Brennstoffzelle gereinigt. Vorteilhafter weise erfolgt die Reinigung bei selbstatmender Zelle, d. h. bei Entnahme des Oxidans für die Brennstoffzelle aus der Luft des Fahrtwindes. Es kann eine mehrstufige Luftreinigung vor gesehen sein. Insbesondere kann eine zweistufige Luftreini gung mit einer Partikelreinigung einerseits und einer Schad stoffreinigung andererseits erfolgen.

Bei der zugehörigen Brennstoffzellenanlage ist dem Brenn stoffzellenmodul eine Einheit vorgeschaltet, die voteilhaf terweis Adsorber für Schadstoffe und/oder katalytische Be schichtungen zur chemischen Unschädlichmachung von Schad stoffen einerseits und Filter zu physikalischen Partikel filterung andererseits aufweist. Beispielweise eine kata lytisch wirksame Beschichtung kann auf einem integrierten Wärmetauscher aufgebracht sein.

Besondere Funktion hat bei der Erfindung die Ausbildung des Filters. Es kann ein endstufiges 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. Es zeigen

Fig. 1 ein Kraftfahrzeug mit einer darin integrierten Brennstoffzellenanlage und

Fig. 2 ein System aus Brennstoffzellenmodul und einer Einheit zur Luftreinigung zur Verwendung in Fig. 1

In der Fig. 1 ist ein Kraftfahrzeug (KFZ) mit 1 bezeichnet, dessen in der Figur nur angedeuteter elektromotorischer An trieb 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. Zu mindest das Brennstoffzellenmodul 10 muss so im oder am Chas sis des KFZ 1 positioniert sein, dass es in geeigneter Weise mit Luft versorgt werden kann. Beispielhaft ist das Brenn stoffzellenmodul 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 ein Hilfsgebläse vorhanden.

Die Brennstoffzellenanlage arbeitet nach dem Prinzip der PEM- Brennstoffzellen und insbesondere bei hohen Temperaturen, d. h. es ist eine sog. HT-PEM-Brennstoffzellenanlage reali siert. Durch geeigneten Einsatz mechanischer Mittel, d. h. durch Umlenkbleche und/oder Düsenanordnungen kann der Fahrtwind derart nutzbar gemacht werden, dass er einen optimalen Einsatz der Brennstoffzelle gewährleistet. Dabei kann das Brennstoffzellenmodul flach ausgebildet und in seiner Höhe begrenzt sein. Insbesondere wird dabei auch gewährleistet, dass die aerodynamischen Eigenschaften des Kraftfahrzeuges, wie cw-Wert od. dgl., nicht 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 beschrieben betrieben werden. Für die HT-PEM-Brennstoffzellen werden Arbeitstemperaturen zwischen 8 und 300°, insbesondere aber im Bereich von 120 bis 200°C, verwendet.

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 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 Fig. 2 ist ein Brennstoffzellenmodul 10 verwendet, das - wie 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 wasserstoffreiuches Gas als Brenngas und weiterhin Umgebungsluft als Oxidans zugeführt. Zum störungsfreien Betrieb des brennstoffzellenbetriebenen Fahrzeuges in beliebigen Umgebungen, insbesondere auch im Stadtverkehr mit CO- bzw. CO₂-Belastungen, ist dem Brennstoffzellenmodul 10 eine Einheit 5 mit Mitteln zur Luftreinigung vorgeschaltet.

Die Mitel zur Luftreinigung können chemisch und/oder physikalisch arbeiten und sind in jeweiliger Kombination in der Einheit 50 enthalten, die im Einzelnen anhand Fig. 2 beschrieben wird.

Die Einheit 50 zur Luftreinigung enthält einen Wärmetauscher 30, einen Adsorber 41 und/oder eine katalytische Beschichtung 42. Als Adsorber kommen beispielsweise Zeolithe in Frage, während als katalytische Beschichtung ein Edelmetall, beispielsweise Platin, verwendbar ist. Solche katalytischen Unedelmetallbeschichtungen werden in der Praxis im Zusammenhang mit Wärmetauschern bereits verwendet. Adsorber 41 und katalytische Beschichtung 42 können eine gemeinsame Einheit 40 bilden.

In Fig. 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, eliminiert und im Filter 45' Partikel, die eine geringere Größe überschreiten. Es kann ein n-stufiges Filter realisiert sein, das als und kann als Mehrfunktionsfilter bzw. Multifunktionsfilterausgebildet ist. 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 Fig. 2 bisher störende Verunreingungen der Umgebungsluft, die den Betrieb einer Brennstoffzelle beeinträchtigen könnten, weitestgehend ausschließbar sind. Insofern kann in diesem Fall bei Verwendung einer PEM- und insbesondere einer HT-PEM- Brennstoffzellenanlage unbedenklich die Umgebungsluft zur Bereitstellung des Oxidans herangezogen werden.

Claims

1. Verfahren zum Betrieb einer in einem Fahrzeug verwendbaren Brennstoffzellenanlage mit wenigstens einem Brennstoffzellenmodul, wobei dem wenigstens einem Brennstoffzellenmodul Brennstoff und Luft zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Luft vor dem Einsatz im Brennstoffzellenmodul gereinigt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, dass eine Reinigung der Luft bei selbst atmender Zelle erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine mehrstufige Luftreinigung erfolgt.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekenn zeichnet, dass ein zweistufige Luftreinigung mit einer Partikelreinigung der Luft einerseits und einer Schadstoffreinigung der Luft andererseits durchgeführt wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, dass PEM- Brennstoffzellen, insbesondere HT-PEM-Brennstoffzellen, verwendet werden.

6. Brennstoffzellenanlage für ein Kraftfahrzeug zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder einem der Ansprüche 2 bis 5, mit wenigstens einem Brennstoffzellen modul, wobei das Brennstoffzellenmodul mit Brennstoff und Luft versorgt wird, dadurch gekennzeich net, dass zum Betrieb des Fahrzeuges (1) in beliebigen Umgebungen dem Brennstoffzellenmodul (10) eine Einheit zur Luftreinigung (30) vorgeschaltet ist.

7. Brennstoffzellenanlage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Einheit (50) Mittel (40) zur chemischen Luftaufbereitung, insbesondere einen Adsorber (41) und/oder eine katalytische Beschichtung (42), enthält.

8. Brennstoffzellenanlage nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass als Adsorber (41) Zeolithe verwendet werden.

9. Brennstoffzellenanlage nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die katalytische Beschichtung (42) ein Edelmetall aus der Platingruppe des periodischen Systems der chemischen Elemente ist.

10. Brennstoffzellenanlage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass vor das Brennstoffzel lenmodul (10) wenigstens ein Filter (45, 45') geschaltet ist.

11. Brennstoffzellenanlage nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Filter (45, 45') ein n-stufige Filter ist.

12. Brennstoffzellenanlage nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Filter (45, 45') ein Mehrfunktionsfilter bzw. ein Multifunktionsfilter ist.

13. Brennstoffzellenanlage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Wärmetauscher(30) vorhanden ist.

14. Brennstoffzellenanlage nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (30) die Mittel (40) zur chemischen Luftreinigung enthält.

15. Brennstoffzellenanlage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Brennstoffzellen modul (10) PEM-Brennstoffzellen enthält.

16. Brennstoffzellenanlage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Brennstoffzellen modul (20) HT-PEM-Brennstoffzellen enthält

17. Brennstoffzellenanlage nach einem der Ansprüche 6 bis 14, dadurch gekennzeichnet, 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.