DE10139614A1

DE10139614A1 - Brennstoffzellenanlage mit einer Brennstoffzelleneinheit

Info

Publication number: DE10139614A1
Application number: DE10139614A
Authority: DE
Inventors: Ian Faye; Thanh-Hung Nguyen-Scheafer
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2001-08-11
Filing date: 2001-08-11
Publication date: 2003-02-27
Also published as: WO2003017402A2; WO2003017402A3; EP1428281A2

Abstract

Es wird eine Brennstoffzellenanlage mit einer Brennstoffzelleneinheit (2) und einer Vorrichtung (1) zum Erzeugen eines Dampfstromes (4), insbesondere eines Wasserdampfstromes (4), zur Befeuchtung der Brennstoffzelleneinheit (2), wobei ein erstes Zufuhrelement (15) zur Zuführung des Dampfstromes (4) zwischen einer Auslassöffnung der Vorrichtung (1) und einer Einlassöffnung der Brennstoffzelleneinheit (2) angeordnet ist, vorgeschlagen, die sowohl den konstruktiven Aufwand als auch die aufzubringende Energiemenge deutlich reduziert. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass die Vorrichtung (1) zum Erzeugen eines Dampfstromes (4) mit der Brennstoffzelleneinheit (2) thermisch leitend in Verbindung steht.

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzellenanlage mit einer Brennstoffzelleneinheit und einer Vorrichtung zum Erzeugen eines Dampfstromes zur Befeuchtung der Brennstoffzelleneinheit nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Stand der Technik

Besonders im Zusammenhang mit künftigen Antriebskonzepten von Fahrzeugen gewinnt die Brennstoffzellentechnologie immer mehr an Bedeutung. Brennstoffzellen bieten die Möglichkeit; chemisch gebundene Energie direkt in elektrische Energie umzuwandeln, die anschließend mit Hilfe eines Elektromotors in mechanische Antriebsenergie überführt werden kann. Im Gegensatz zu Wärmekraftmaschinen ist der Wirkungsgrad einer Brennstoffzelle nicht durch den Carnot'schen Wirkungsgrad begrenzt. Derzeit bevorzugte Brennstoffzellen verbrauchen Wasserstoff und Sauerstoff und setzen diese Elemente in das umweltschonende Endprodukt Wasser um.

Im Allgemeinen werden hierbei Brennstoffzelleneinheiten verwendet, die sowohl eine einzelne Brennstoffzelle als auch eine elektrische und/oder elektrochemische Verschaltung mehrerer Einzelzellen darstellt. In herkömmlichen Brennstoffzellenanlagen werden häufig Membranen verwendet, beispielsweise Polymerelektrolyt-Membranen, für die die Feuchtigkeit der zuzuführenden Edukte ein wichtiger Betriebsparameter darstellt, der in engen Grenzen gehalten werden muss. So kann beispielsweise eine zu geringe Feuchtigkeit des Anodengases zum Austrocknen der Membran und somit zu einer möglicherweise irreparablen Schädigung der Membran führen. Ist dagegen die Feuchtigkeit zu hoch, so kann sich die Porenstruktur der Elektroden über den optimalen Wert hinaus mit Wasser füllen, wodurch der Transport der Edukte zum Katalysator der Brennstoffzelleneinheit behindert wird.

Aus diesem Grund wird im Allgemeinen bei entsprechenden Brennstoffzellenanlagen ein elektrisch beheizbarer Verdampfer vorgesehen, der Wasser verdampft, das vor allem dem der Brennstoffzelleneinheit zuzuführenden Wasserstoffstromes zugegeben wird. Hierbei wird beispielsweise eine relative Feuchtigkeit des zuzuführenden Wasserstoffstromes von ca. 95 bis 99% realisiert.

Nachteilig hierbei ist jedoch, dass zur Erzeugung des Dampfstromes vergleichsweise große Mengen an Energie zur Verfügung gestellt werden müssen und ein relativ hoher konstruktiver Aufwand notwendig ist.

Aufgabe und Vorteile der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber, eine Brennstoffzellenanlage der eingangs genannten Art vorzuschlagen, die sowohl den konstruktiven Aufwand als auch die aufzubringende Energiemenge deutlich reduziert.

Diese Aufgabe wird, ausgehend von einem Stand der Technik der einleitend genannten Art, durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Durch die in den Unteransprüchen genannten Maßnahmen sind vorteilhafte Ausführungen und Weiterbildungen der Erfindung möglich.

Dementsprechend zeichnet sich eine erfindungsgemäße Brennstoffzellenanlage dadurch aus, dass die Vorrichtung zum Erzeugen des Dampfstromes mit der Brennstoffzelleneinheit thermisch leitend in Verbindung steht.

Mit Hilfe dieser Maßnahme wird in vorteilhafter Weise die aufgrund der exothermen chemischen Reaktion in der Brennstoffzelleneinheit frei werdende Energie, d. h. die Abwärme der Brennstoffzelleneinheit, zur Erzeugung des Dampfstromes nutzbar. Bei konventionellen Brennstoffzelleneinheiten, wie z. B. PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell), DMFC (Direct Methanol Fuel Cell), etc., sind beispielsweise max. 15% der Abwärmeenergie der Brennstoffzelleneinheit zur Erzeugung des notwendigen Wasserdampfes ausreichend. Hierdurch wird insbesondere der Wirkungsgrad der gesamten Brennstoffzellenanlage wesentlich verbessert und zudem der konstruktive Aufwand deutlich dadurch reduziert, dass gegebenenfalls zusätzliche Heizvorrichtungen, wie beispielsweise elektrische Heizungen oder dergleichen gemäß dem Stand der Technik, entfallen können.

In einer besonderen Weiterbildung der Erfindung ist wenigstens ein zweites Zufuhrelement zur Zuführung des zu verdampfenden Stromes zwischen einer Auslassöffnung der Brennstoffzelleneinheit und wenigstens einer Einlassöffnung der Vorrichtung angeordnet. Mit Hilfe des zweiten Zufuhrelements wird wenigstens ein Teil des in der Brennstoffzelleneinheit erzeugten flüssigen Wassers als zu verdampfendes Wasser der Vorrichtung zum Erzeugen des Dampfstromes zuführbar, wobei der erzeugte Dampfstrom mittels dem ersten Zufuhrelement der Brennstoffzelleneinheit wieder zugeführt wird. Hierdurch wird ermöglicht, dass in vorteilhafter Weise eine Kreislaufführung wenigstens eines Teils des zu verdampfenden Wassers ermöglicht wird.

Gegebenenfalls überschüssiges Wasser wird dem Kreislauf entnommen. Alternativ kann möglicherweise zusätzliches Wasser dem Kreislauf zugeführt werden. Vorzugsweise erfolgt die Entnahme bzw. die Zuführung in Strömungsrichtung hinter der Brennstoffzelleneinheit bzw. vor der Vorrichtung zur Erzeugung des Dampfstromes.

Vorteilhafterweise umfasst die Einlassöffnung der Vorrichtung zur Erzeugung des Dampfstromes wenigstens ein Zerstreuelement, insbesondere ein Zerstäuberelement wie eine Düse oder dergleichen, zum Verstreuen bzw. Zerstäuben des zu verdampfenden Stromes. Beispielsweise kann hiermit das zu verdampfende Wasser bzw. der zu verdampfende Strom zerstreut, zerstäubt, vernebelt bzw. verdüst werden, so dass das Verdampfen des Stromes durch Vergrößerung seiner Oberfläche verbessert wird.

Vorzugsweise sind mehrere Einlassöffnungen der Vorrichtung zur Erzeugung des Dampfstromes vorgesehen, wodurch insbesondere eine nahezu gleichmäßige Verteilung des zuzuführenden Stromes über den gesamten Bereich der Vorrichtung realisiert werden kann.

In vorteilhafter Weise ist wenigstens eine Druckerzeugungseinheit zum Druckbeaufschlagen des zu verdampfenden Stromes vorgesehen. Mit Hilfe dieser Maßnahme wird insbesondere in Kombination mit dem oder den Zerstreu- bzw. Zerstäuberelementen ein vorteilhaftes Versprühen des zuzuführenden Stromes beispielsweise als Spray realisierbar. Die hierdurch erzeugten vergleichsweise kleinen Tropfen des zu verdampfenden Stromes verdampfen insbesondere aufgrund der Abwärme der Brennstoffzelleneinheit zu einem relativ großen Teil unmittelbar während dem Einsprühen. Der restliche Teil des zu verdampfenden Stromes wird vorzugsweise allmählich verdampft.

In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weist die Vorrichtung zum Erzeugen es Dampfstromes eine oberflächenvergrößernde Struktur auf. Hiermit wird ermöglicht, dass der zu verdampfende Strom, insbesondere der versprühte Strom, auf eine vergleichsweise große, warme Oberfläche auftrifft bzw. auf dieser verteilt wird, wodurch die Verdampfung des Stromes zusätzlich verbessert wird. Zusätzlich ist hierdurch die Wärmetauscherfläche wesentlich vergrößert, so dass auch die Wärmeübertragung von der Brennstoffzelleneinheit auf die Vorrichtung zum Erzeugen des Dampfstromes deutlich verbessert wird.

Vorzugsweise ist die oberflächenvergrößernde Struktur wenigstens als Rippe oder dergleichen ausgebildet.

Entsprechende Rippen oder dergleichen sind vergleichsweise kostengünstig herstellbar, wobei zudem gegebenenfalls auf bereits vorhandene handelsübliche Standardkomponenten zurückgegriffen werden kann.

In einer besonderen Weiterbildung der Erfindung ist wenigstens ein Dosierelement zum Dosieren des zu verdampfenden Stromes und/oder des Dampfstromes vorgesehen. Mit Hilfe des Dosierelementes, beispielsweise als Steuerventil oder dergleichen ausgebildet, kann die Menge des zu verdampfenden Stromes und/oder des der Brennstoffzelleneinheit zuzuführenden Dampfstromes vor allem mittels einer entsprechenden Steuer- und Regeleinheit gesteuert bzw. geregelt werden. Vorzugsweise wird hiermit eine vorteilhafte Anpassung an sich verändernde Betriebsbedingungen der Brennstoffzellenanlage bzw. der Brennstoffzelleneinheit realisierbar, wie z. B. Änderung der zuzuführenden Edukt- bzw. Stoffströme.

Vorteilhafterweise sind wenigstens die Vorrichtung zum Erzeugen des Dampfstromes und die Brennstoffzelleneinheit als Baueinheit ausgebildet. Hiermit wird eine besonders kompakte Geometrie bzw. Brennstoffzellenanlage realisierbar, wodurch einerseits die Wärmeübertragung von der Brennstoffzelleneinheit auf die Vorrichtung zum Erzeugen des Dampfstromes zusätzlich verbessert wird. Andererseits kann die Brennstoffzellenanlage gemäß der Erfindung hierdurch auch für Anwendungen eingesetzt werden, bei denen ein vergleichsweise geringes Platzangebot für diese vorhanden ist.

Ausführungsbeispiel

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird anhand der Figuren nachfolgend näher erläutert.
Im Einzelnen zeigt
Fig. 1 eine schematische Seitenansicht eines Ausschnitts einer Brennstoffzellenanlage mit Befeuchtung gemäß der Erfindung und
Fig. 2 einen schematischen Querschnitt durch eine Brennstoffzellenanlage mit Rippenstruktur gemäß der Erfindung.
In Fig. 1 ist ein Verdampfer 1 und eine Brennstoffzelleneinheit 2 dargestellt, wobei diese als eine besonders kompakte Baueinheit ausgeführt ist. Durch die in der Brennstoffzelleneinheit 2 stattfindende exotherme, chemische Reaktion wird Abwärme 3 erzeugt, die zur Verdampfung von Wasser 4 verwendet wird. Gleichzeitig erzeugt die Brennstoffzelleneinheit 2 durch die Umformung eines zur Anode zugeführten Wasserstoffstromes 5 und eines nicht näher dargestellten zur Kathode einströmenden Sauerstoff- bzw. Luftstromes einen Wasserstrom 6 in flüssiger Form.
Der Wasserstrom 6 wird insbesondere mittels einer Abzweigung 7 und einer Zufuhrleitung 8 dem Verdampfer 1 zugeführt. Die Zufuhrleitung 8 weist unter anderem eine Pumpe 9 sowie ein regelbares Ventil 10 auf, so dass das dem Verdampfer 1 zuzuführende Wasser mit Druck beaufschlagt, insbesondere mit ca. 4 bar, und dem Verdampfer 1 dosiert zugeführt werden kann. Der Druck in der Leitung 8 überschreitet in vorteilhafter Weise den Druck im Verdampfer 1, so dass die Zerstäubungsqualität des zu verdampfenden Wassers 4 verbessert wird.
Die Zufuhrleitung 8 weist zudem einen Verteiler 11 auf, der das zuzuführende Wasser auf mehrere Einsprühdüsen 12 verteilt.
Das mit Druck beaufschlagte Wasser wird mittels der Düsen 12 in Form eines Sprays in den Verdampfer 1 eingesprüht.
Aufgrund der vergleichsweise großen Oberfläche der zahlreichen Tröpfchen des eingesprühten Sprays 4 werden diese im durch die Abwärme 3 der Brennstoffzelle 2 erwärmten Verdampfer 1 weitgehend verdampft. Das beim Einsprühvorgang nicht verdampfte Wasser 4 wird aufgrund der relativ warmen Betriebsbedingungen im Verdampfer 1 anschließend allmählich verdampft.
Zur weiteren Verbesserung der Verdampfung im Verdampfer 1 weist dieser eine Rippenstruktur 13 auf, mit Hilfe derer die wärmeübertragende Oberfläche des Verdampfers 1 deutlich vergrößert und somit die Wärmeübertragung von der Brennstoffzelle 2 auf den Verdampfer 1 bzw. der Wirkungsgrad des Verdampfungsprozesses verbessert wird.
In einer Innenkammer des Verdampfers 1 befindet sich gemäß Fig. 1 Wasserdampf 14, der mittels einer Leitung 15 und einer Zusammenführung 16 dem Wasserstoffstrom 5 zugeführt wird. Hierbei wird insbesondere der vom Verdampfer 1 abgeführte Wasserdampf durch ein Steuerventil 17 dosiert und dem Wasserstoffstrom 5 zugeführt sowie mit diesem in vorteilhafter Weise vermischt. Vorteilhafterweise ist die Zusammenführung 16 als Durchmischeinheit 16 zur weitgehenden Durchmischung des Wasserstoffstroms 5 mit dem verdampften Wasser 4 aus dem Verdampfer 1 ausgebildet. Hierdurch wird die Brennstoffzelleneinheit 2 bzw. vor allem deren Membranen entsprechend befeuchtet.
Insbesondere durch die teilweise Kreislaufführung, vor allem mittels der Pumpe 9 sowie der Zufuhrleitung 8 bzw. Leitung 15, des zu verdampfenden Wassers 4 bzw. des in der Brennstoffzelleneinheit 2 erzeugten Wassers 6 wird eine besonders wirtschaftlich günstige Brennstoffzellenanlage realisiert, da im Allgemeinen auf eine zusätzliche Zuführung von zu verdampfendem Wasser 4 und somit einer gegebenenfalls notwendigen Speicherung des entsprechenden Wassers 4 verzichtet werden kann.
Gegebenenfalls überschüssiges Wasser 6 kann dem Kreislauf in relativ einfacher Weise entnommen und aufgrund der geringen Umweltrelevanz ohne großen Aufwand in die Umgebung abgelassen, zur weiteren Verwendung in der Brennstoffzellenanlage oder dergleichen eingesetzt werden.
In Fig. 2 ist in schematischer Darstellung ein Querschnitt A-A durch den Verdampfer 1 und ein Ausschnitt der Brennstoffzelleneinheit 2 dargestellt. Hierbei ist beispielhaft eine Anordnung der Rippen 13 aufgezeigt. Vorzugsweise sind die Rippen 13 weitgehend gleichmäßig im Verdampfer 1 angeordnet, wobei diese jedoch auch unter bestimmten Umständen unregelmäßig angeordnet werden können.
Darüber hinaus kann im Gegensatz zu den in Fig. 2 dargestellten spitz zulaufenden Rippen 13 auch Rippen 13 verwendet werden, die eine andere Querschnittsfläche aufweisen als die dargestellte. Beispielsweise können die Rippen 13 eine weitgehend rechteckige Querschnittsfläche oder dergleichen aufweisen.
Weiterhin ist denkbar, dass auch oberflächenvergrößernde Strukturen 13 im Verdampfer 1 vorgesehen werden können, die beispielsweise als nach oben offene Röhren- und/oder Wabenstruktur oder dergleichen ausgebildet sind.
Grundsätzlich wird als Material für die Rippen 13 und/oder für den Kontaktbereich zwischen dem Verdampfer 1 und der Brennstoffzelle 2 ein vergleichsweise gut wärmeleitendes Material wie z. B. Metall, Metalllegierungen oder dergleichen verwendet. Bezugszeichenliste 1 Verdampfer
2 Brennstoffzelleneinheit
3 Abwärme
4 Wasser
5 Wasserstoffstrom
6 Wasserstrom
7 Abzweigung
8 Zufuhrleitung
9 Pumpe
10 Ventil
11 Verteiler
12 Düse
13 Rippenstruktur
14 Wasserdampf
15 Leitung
16 Zusammenführung
17 Ventil

Claims

1. Brennstoffzellenanlage mit einer Brennstoffzelleneinheit (2) und einer Vorrichtung (1) zum Erzeugen eines Dampfstromes (4), insbesondere eines Wasserdampfstromes (4), zur Befeuchtung der Brennstoffzelleneinheit (2), wobei ein erstes Zufuhrelement (15) zur Zuführung des Dampfstromes (4) zwischen einer Auslassöffnung der Vorrichtung (1) und einer Einlassöffnung der Brennstoffzelleneinheit (2) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1) zum Erzeugen des Dampfstromes (4) mit der Brennstoffzelleneinheit (2) thermisch leitend in Verbindung steht.

2. Brennstoffzellenanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein zweites Zufuhrelement (8) zur Zuführung des zu verdampfenden Stromes (4) zwischen einer Auslassöffnung der Brennstoffzelleneinheit (2) und wenigstens einer Einlassöffnung der Vorrichtung (1) angeordnet ist.

3. Brennstoffzellenanlage nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einlassöffnung der Vorrichtung (1) zum Erzeugen des Dampfstromes (4) wenigstens ein Zerstreuelement (12) zum Zerstreuen des zu verdampfenden Stromes (4) umfasst.

4. Brennstoffzellenanlage nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Einlassöffnungen der Vorrichtung (1) zum Erzeugen des Dampfstromes (4) vorgesehen sind.

5. Brennstoffzellenanlage nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Druckerzeugungseinheit (9) zum Druckbeaufschlagen des zu verdampfenden Stromes (4) vorgesehen ist.

6. Brennstoffzellenanlage nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1) zum Erzeugen des Dampfstromes (4) eine oberflächenvergrößernde Struktur (13) aufweist.

7. Brennstoffzellenanlage nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die oberflächenvergrößernde Struktur (13) wenigstens als Rippe (13) ausgebildet ist.

8. Brennstoffzellenanlage nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Dosierelement (10, 17) zum Dosieren des zu verdampfenden Stromes (4) und/oder des Dampfstromes (4) vorgesehen ist.

9. Brennstoffzellenanlage nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens die Vorrichtung (1) zum Erzeugen des Dampfstromes (4) und die Brennstoffzelleneinheit (2) als Baueinheit ausgebildet sind.