DE102008060534A1

DE102008060534A1 - Brennstoffzellensystem und Verfahren zum Betreiben eines solchen

Info

Publication number: DE102008060534A1
Application number: DE102008060534A
Authority: DE
Inventors: Martin Dipl.-Ing. Heumos (Fh); Patrick Dipl.-Ing. Mangold (Fh); Wolfgang Dipl.-Ing. Weger
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2008-12-04
Filing date: 2008-12-04
Publication date: 2010-06-10
Also published as: WO2010063361A2; WO2010063361A3

Abstract

In einem Brennstoffzellensystem gibt es einen Startheizer (34) zum Beheizen eines Kühlmittels bei einem Kaltstart. Erfindungsgemäß wird die von dem Startheizer (34) bereitgestellte Wärme zum Beheizen weiterer Bauteile bei einem Kaltstart genutzt. Die weiteren Bauteile können ein Dosierventil (16) sein, über das Wasserstoff einer Brennstoffzelle zugeführt wird, ein Abscheider (24) für Wasser auf der Anodenseite oder eine Pumpe (26) zur Zufuhr von nicht verbrauchtem Wasserstoff in eine Zufuhrleitung (14), oder es können beliebige Leitungen (14, 18, 40a, 40b, 40c) von dem Startheizer (34) erwärmt werden. Die Bauteile können in eine Endplatte eines Brennstoffzellenstapels integriert sein.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems mit zumindest einer Brennstoffzelle. Ferner betrifft sie ein Brennstoffzellensystem gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 5.
Die Erfindung befasst sich mit der Problematik, dass niedrige Umgebungstemperaturen die Inbetriebnahme eines Brennstoffzellensystems erschweren können. Bei niedrigen Umgebungstemperaturen kann beim vorherigen Betrieb des Brennstoffzellensystems entstandenes Wasser zu Eis gefroren in Bauteilen des Brennstoffzellensystems angeordnet sein. Eine Inbetriebnahme bei niedrigen Umgebungstemperaturen, ein so genannter Kaltstart, wird erleichtert, wenn Bauteile des Brennstoffzellensystems beheizt werden.
Aus der US 2004/0247965 A1 ist es bekannt, einen Heizer in die Endplatte eines Brennstoffzellenstapels zu integrieren.
Neben den Brennstoffzellen als solchen müssen auch Bauteile außerhalb der Brennstoffzellen erwärmt werden. Hierfür ist es bekannt, jeweils gesonderte Heizer bereitzustellen.
Auch für das Kühlmittel, das die Brennstoffzellen zu kühlen bestimmt ist, gibt es einen Heizer, den so genannten Startheizer. Bei einem Kaltstart kann sich das Kühlmittel als zu stark abgekühlt erweisen und wird daher vermittels dieses Startheizers erwärmt.
Aus der EP 1 860 715 A1 ist es bekannt, zur Vermeidung von Auskondensieren von Wasser in einem Brennstoffzellensystem eine Zufuhrleitung für Brennstoff zu einem Brennstoffzellenstapel thermisch mit einer Kühlmittelleitung zu koppeln. Die Kopplung erfolgt unmittelbar nach dem Austreten des Kühlmittels aus dem Brennstoffzellenstapel.
Die Verwendung der zahlreichen Heizer im Stand der Technik hat sich als aufwändig erwiesen, was die Komplexität des Brennstoffzellensystems in seinem Bau angeht, die Heizer stellen ein unerwünschtes Gewicht dar, nehmen Bauraum weg, sind teuer, benötigen eine gesonderte Verkabelung und können zudem einzeln ausfallen.
Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Weg aufzuzeigen, wie der Betrieb eines Brennstoffzellensystems diesbezüglich verbessert werden kann.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Schritten gemäß Patentanspruch 1 und ein Brennstoffzellensystem gemäß Patentanspruch 5 gelöst.
Erfindungsgemäß wird ein Kühlmittel, das der zumindest einen Brennstoffzelle zugeführt wird, mit Hilfe eines Startheizers beheizt, und zwar zumindest in einer Startphase des Betreibens des Brennstoffzellensystems, und zumindest auch bei Feststellung niedriger Umgebungstemperaturen (Temperaturen unterhalb eines vorgegebenen Schwellwerts). Es wird nun Wärmeenergie aus dem (so betriebenen) Startheizer an ein weiteres Bauteil des Brennstoffzellensystems zugeführt. Bei dem weiteren Bauteil handelt es sich bevorzugt um ein außerhalb der zumindest einen Brennstoffzelle angeordnetes Bauteil, und zwar ein an einer Anodenseite der Brennstoffzelle angeordnetes Bauteil, das besonders anfällig für Vereisung ist.
Bei einer ersten Alternative heizt der Startheizer unmittelbar das weitere Bauteil, d. h. dass ein Teil der vom Startheizer erzeugten Wärmeenergie dem Kühlmittel zugeführt wird und ein anderer Teil dem weiteren Bauteil. Bei jedem Heizvorgang geht ein Teil der Wärmeenergie nicht in das zu beheizende Objekt, und durch das Verwenden dieser Wärmeenergie des Startheizers für das Beheizen des weiteren Bauteils wird die Effizienz des Startheizers gefördert.
Bei einer zweiten Alternative, die auch in Kombination mit der ersten Alternative verwirklicht sein kann, wird das von dem Startheizer beheizte Kühlmittel in Kontakt mit dem weiteren Bauteil gebracht, um Wärme an dieses abzugeben. In diesem Falle überträgt der Startheizer Wärme an das Kühlmittel, und dieses gibt einen Teil dieser Wärme wieder an das weitere Bauteil ab. Dann können in dem Brennstoffzellensystem gesondert zwei Bereiche bereitgestellt sein, nämlich ein Bereich, in dem der Startheizer Wärme an das Kühlmittel überträgt, und ein Bereich, in dem das Kühlmittel Wärme an das weitere Bauteil abgibt. Dadurch Isst sich die Anordnung optimal gestalten.
Das weitere Bauteil kann ein Ventil sein, das die Zufuhr von Brennstoff aus einem Behälter (typischerweise einem Wasserstofftank) zu der zumindest einen Brennstoffzelle regelt. Das weitere Bauteil kann auch eine in dem so genannten Anoden-Rückführkreislauf eingesetzte Rückführpumpe sein, also eine Brennstoff von einem Ausgang der zumindest einen Brennstoffzelle zu einem Eingang fördernde Pumpe. In diesem Rückführkreislauf ist auch ein Abscheider vorgesehen, der gleichfalls dieses weitere Bauteil sein kann. Schließlich können auch Rohrleitungen an der Anodenseite des Brennstoffzellensystems mit Hilfe des Startheizers beheizt werden.
Es kann eine beliebige Auswahl aus einem oder mehreren dieser Bauteile getroffen werden, die von dem Startheizer beheizt wird. Damit kann optimal ein Kaltstart durchgeführt werden.
Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem weist zumindest eine Brennstoffzelle auf, typischerweise eine Mehrzahl von Brennstoffzellen in einem Brennstoffzellenstapel, und es weist einen Kühlmittelkreislauf auf, der mit der zumindest einen Brennstoffzelle gekoppelt ist. Das Kühlmittel in dem Kühlmittelkreislauf soll die zumindest eine Brennstoffzelle abkühlen, indem es von dieser Wärme aufnimmt. An anderer Stelle im Kühlmittelkreislauf wird diese Wärme wieder entnommen. Bei der Inbetriebnahme wird das Kühlmittel durch einen Startheizer erwärmt, der im Kühlmittelkreislauf vorgesehen ist. Erfindungsgemäß ist der Startheizer und/oder eine Kühlmittelleitung des Kühlmittelkreislaufs zwischen Startheizer und der zumindest einen Brennstoffzelle thermisch mit zumindest einem weiteren Bauteil gekoppelt.
Damit kann der Startheizer auch das weitere Bauteil erwärmen. Ist der Startheizer direkt mit dem weiteren Bauteil gekoppelt, wird die Wärme direkt vom Startheizer auf das weitere Bauteil übertragen. Ist eine Kühlmittelleitung des Kühlmittelkreislaufs zwischen Startheizer und der zumindest einen Brennstoffzelle mit dem weiteren Bauteil gekoppelt, hat das Kühlmittel soeben Wärme von dem Heizer aufgenommen und kann diese zum Teil gleich wieder an das weitere Bauteil abgeben.
Bei dem mit dem Startheizer bzw. der Kühlmittelleitung gekoppelten Bauteil handelt es sich bevorzugt um ein an einer Anodenseite der zumindest einen Brennstoffzelle angeordnetes Bauteil, und zwar vorzugsweise in einem mit dem Startheizer und/oder einer Kühlmittelleitung des Kühlmittelkreislaufs zwischen Startheizer und der zumindest einen Brennstoffzelle gekoppelten Gehäuse, welches im Fachgebiet als Anodengehäuse bezeichnet wird.
Wie bereits oben erwähnt, kann das zumindest eine weitere Bauteil ein die Zufuhr von Brennstoff aus einem Behälter zu der zumindest einen Brennstoffzelle steuerndes Ventil und/oder eine Brennstoff von einem Ausgang der zumindest einen Brennstoffzelle zu einem Eingang fördernde Pumpe und/oder einen Abscheider in einer Rückführleitung für Brennstoff von einem Ausgang von der Brennstoffzelle zu einem Eingang der Brennstoffzelle und/oder eine Rohrleitung in einer solchen Rückführleitung oder in einer Zuleitung für Brennstoff zwischen einem Brennstoffbehälter und der zumindest einen Brennstoffzelle umfassen.
Es ist möglich, die Anodenbauteile durch den Startheizer zu erwärmen und für einen Kaltstart eine Inbetriebnahme der Brennstoffzellen als solche durch gesonderte Maßnahmen zu erleichtern. Bevorzugt gibt es einen Austausch von Wärme zwischen dem Startheizer, dem zumindest einen weiteren Bauteil und der zumindest einen Brennstoffzelle. Diese Bauteile werden zu diesem Zweck dann miteinander thermisch gekoppelt. Insbesondere können der Startheizer und das zumindest eine weitere Bauteil in eine Endplatte eines Brennstoffzellenstapels integriert sein, wobei der Brennstoffzellenstapel neben einer oder zwei Endplatten auch die zumindest eine Brennstoffzelle (alle Brennstoffzellen) umfasst.
Nachfolgend wird eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung unter Bezug auf die Zeichnung beschrieben, in der
1 in einer Schemadarstellung das Prinzip der vorliegenden Erfindung veranschaulicht,
2 eine konkrete Umsetzung des anhand von 1 erläuterten Prinzips in einer perspektivischen Ansicht darstellt.
Ein Brennstoffzellensystem umfasst eine Mehrzahl von Brennstoffzellen in einem Brennstoffzellenstapel. Dem Brennstoffzellenstapel ist eine Anode und eine Kathode zugeordnet. Vorliegend steht die Anodenseite im Zentrum des Interesses, die in 1 dargestellten Bauteile gehören zur Anodenseite. Die Brennstoffzellen sind lediglich symbolisch durch einen Kasten dargestellt und mit 10 bezeichnet. Über einen Eingang 12 wird den Brennstoffzellen 10 Brennstoff, typischerweise Wasserstoff, zugeführt. Eine Zufuhrleitung 14 verbindet ein Dosierventil 16 mit dem Eingang 12. Das Dosierventil 16 trennt eine Leitung 18 von der Zufuhrleitung 14. Die Leitung 18 ist mit einem Wasserstofftank 20 verbunden. Das Dosierventil 16 steuert die Menge an Wasserstoff, die aus dem Wasserstofftank 20 in die Zufuhrleitung 14 gelangt. In den Brennstoffzellen 10 wird der Wasserstoff mit Luftsauerstoff umgesetzt. Nicht verbrauchter Wasserstoff tritt aus einem Ausgang 22 der Brennstoffzelle 10 aus. Der Wasserstoff wird über einen Wasserabscheider 24 geführt, in dem von ihm mitgeführtes Wasser abgeschieden wird. Eine Pumpe 26 (auch als Rezirkulationsgebläse bezeichnet) fördert den aus dem Ausgang 22 austretenden Wasserstoff bis zu einer Eintrittsstelle 28 in die Zufuhrleitung 14 und somit wieder in die Zufuhrleitung 14 zurück, damit der nicht verbrauchte Wasserstoff abermals dem Eingang 12 zugeführt wird. Die Brennstoffzellen 10 werden mit Hilfe eines Kühlmittels gekühlt. Eine Kühlmittelzufuhrleitung 30 führt das Kühlmittel zu den Brennstoffzellen 10, während es über eine Kühlmittelabführleitung 32 abgeführt wird. Die Kühlmittelzufuhrleitung 30 und die Kühlmittelabführleitung 32 sind Teil eines Kühlmittelkreislaufs. In diesem Kühlmittelkreislauf ist ein so genannter Startheizer 34 angeordnet. Der Startheizer 34 dient dazu, das Kühlmittel bei einem Kaltstart (Inbetriebnahme des Brennstoffzellensystems bei Umgebungstemperaturen, bei denen Wasser zu Eis gefrieren kann) zu erwärmen. Der Startheizer 34 besteht aus elektronischen Bauteilen 36 und dem eigentlichen Heizbereich 38. In 1 ist der Heizbereich 38 in der Kühlmittelabfuhrleitung 32 bereitgestellt, es sind auch Ausführungsformen denkbar, in denen der Heizbereich 38 anderen Teile des Kühlmittelkreislaufs, zum Beispiel in der Kühlmittelzufuhrleitung 30 bereitgestellt ist.
Bei der vorliegenden Erfindung ist nun der Heizbereich 38 des Startheizers 34 und damit der Startheizer 34 als solcher mit sämtlichen Bauelementen der Anodenseite gekoppelt, nämlich mit der Zufuhrleitung 14, dem Dosierventil 16, dem Abscheider 24 und der Pumpe 26 inklusive der Leitungen, die zur Eintrittsstelle 28 führen (40a, 40b, 40c). Durch die thermische Kopplung des Startheizers 38 mit diesen weiteren Bauelementen des Brennstoffzellensystems kann die Wärme des Startheizers 38 zum Erwärmen dieser weiteren Bauteile genutzt werden, was bei einem Kaltstart erwünscht ist. Die genannten Bauteile sind zusammen mit dem Heizbereich 38 des Startheizers in einem gemeinsamen Gehäuse 42 angeordnet oder an dieses gekoppelt. Dieses Gehäuse 42 kann außerhalb des Brennstoffzellenstapels angeordnet sein. Optional ist dieses gemeinsame Gehäuse 42 als Endplatte eines Brennstoffzellenstapels ausgebildet. Durch die gestrichelte Linie ist für diese Option angedeutet, dass die Brennstoffzellen 10 sich unmittelbar an das als Endplatte bereitgestellte Gehäuse 42 anschließen, und dass dann eine weitere Endplatte 44 folgt.
Konkret lässt sich die thermische Ankopplung wie in 2 dargestellt verwirklichen: Das Gehäuse 42 hat eine quaderförmige Grundform. An einer Seitenwand 46 des Gehäuses 42 sind der Abscheider 24 und die Pumpe 26 angekoppelt. Die elektronischen Bauelemente 36 des Startheizers 34 sind in das Gehäuse 42 eingebettet, so dass die Wände 46 unmittelbar durch den Heizbereich 38 erwärmt werden. Das Dosierventil 16 ist an einer Stirnseite 48 des Gehäuses 42 angeordnet. Sofern das Dosierventil 16 nicht unmittelbar von dem Startheizer 38 geheizt wird, erfolgt ein Erwärmen über die Kühlmittelleitung 32 im Bereich bis hin zu einem Kühlmittelaustritt 50.
Für das Funktionieren der Erfindung ist es unerheblich, ob der Startheizer 36 unmittelbar die weiteren Bauteile 24, 26, 16 erwärmt, oder ob dieses Erwärmen über das von dem Startheizer unmittelbar zuvor erwärmte Kühlmittel erfolgt. Insofern können auch die Kühlmittelleitungen im Bereich hinter dem Startheizer 36 (und typischerweise vor einem Kühlmitteleingang zu den Brennstoffzellen mit den weiteren Bauteilen) thermisch gekoppelt sein. Durch die erfindungsgemäße Maßnahme kann auf gesonderte Heizer für das Dosierventil 16, den Abscheider 24, die Pumpe 26 wie auch die Leitungen 14, 18, 40a, 40b, 40c verzichtet werden. Dadurch wird Gewicht, Bauraum und Verkabelungsaufwand eingespart. Die Lösung ist kostengünstig und effizient. Durch eine so erzielbare bessere Leitungsführung verringert sich auch das Volumen an im Anodensystem befindlichen Wasserstoff, was für den Betrieb des Systems vorteilhaft ist. Bei Integration des Gehäuses 42 in eine Endplatte bzw. Ausgestaltung des Gehäuses 42 als Endplatte eines Brennstoffzellenstapels entfallen zusätzliche Halteelemente für die Bauteile des Brennstoffzellensystems.

10: Brennstoffzellen
12: Eingang
14: Zufuhrleitung
16: Dosierventil
18: Leitung
20: Wasserstofftank
22: Ausgang
24: Wasserabscheider
26: Pumpe
28: Eintrittsstelle
30: Kühlmittelzufuhrleitung
32: Kühlmittelabfuhrleitung
34: Startheizer
36: elektronische Bauteile
38: Heizbereich
40a, 40b, 40c: Leitungen
42: Gehäuse
44: Endplatte
46: Seitenwand
48: Stirnseite
50: Kühlmittelaustritt

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- US 2004/0247965 A1 [0003]
- EP 1860715 A1 [0006]

Claims

Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems mit zumindest einer Brennstoffzelle, mit den Schritten: – Beheizen eines Kühlmittels, das der zumindest einen Brennstoffzelle zugeführt wird, mit Hilfe eines Startheizers (34) zumindest in einer Startphase des Betreibens und zumindest bei Feststellung niedriger Umgebungstemperaturen, – Zuführen von Wärmeenergie aus dem Startheizer (34) an ein weiteres Bauteil (16, 24, 26, 14, 18, 40a, 40b, 40c) des Brennstoffzellensystems.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Startheizer (34) unmittelbar das weitere Bauteil (24, 26) heizt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem das von dem Startheizer (34) beheizte Kühlmittel in Kontakt mit dem weiteren Bauteil (16) gebracht wird, um Wärme an dieses abzugeben.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem Wärmeenergie an ein die Zufuhr von Brennstoff aus einem Behälter (20) zur zumindest einen Brennstoffzelle steuerndes Ventil (16) und/oder an eine Brennstoff von einem Ausgang (22) der zumindest einen Brennstoffzelle zu einem Eingang (12) der zumindest einen Brennstoffzelle fördernde Pumpe (26) und/oder an einen Abscheider (24) zwischen diesem Ausgang (22) und diesem Eingang (12) und/oder an an einer Anodenseite bereitgestellte Rohrleitungen (14, 18, 40a, 40b, 40c) abgibt.
Brennstoffzellensystem mit zumindest einer Brennstoffzelle und einem Kühlmittelkreislauf (30, 33, 34), der mit der zumindest einen Brennstoffzelle gekoppelt ist, wobei der Kühlmittelkreislauf einen Startheizer (34) zum Erwärmen des Kühlmittels, insbesondere bei einem Kaltstart, aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Startheizer (34) und/oder eine Kühlmittelleitung (32) des Kühlmittelkreislaufs zwischen Startheizer (34) und der zumindest einen Brennstoffzelle thermisch mit zumindest einem weiteren Bauteil (16, 24, 26, 14, 18, 40a, 40b, 40c) gekoppelt ist.
Brennstoffzellensystem, dadurch gekennzeichnet, dass das weitere Bauteil an einer Anodenseite der zumindest einen Brennstoffzelle in oder an einem mit dem Startheizer (34) und/oder einer Kühlmittelleitung (32) des Kühlmittelkreislaufs zwischen Startheizer (34) und der zumindest einen Brennstoffzelle thermisch gekoppelten Gehäuse (42) angeordnet ist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine weitere Bauteil ein die Zufuhr von Brennstoff aus einem Behälter (20) in die zumindest eine Brennstoffzelle steuerndes Ventil (16) und/oder eine Brennstoff von einem Ausgang (22) der zumindest einen Brennstoffzelle zu einem Eingang (12) der zumindest einen Brennstoffzelle fördernde Pumpe (26) und/oder einen Abscheider (22) in einer Rückführleitung für Brennstoff von einem Ausgang (22) von der zumindest einen Brennstoffzelle zu einem Eingang (12) der zumindest einen Brennstoffzelle und/oder eine Rohrleitung (40a, 40b, 40c) in einer solchen Rückführleitung oder eine Rohrleitung (14, 18) in einer Zuführleitung für Brennstoff umfasst.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Startheizer (34) und das zumindest eine weitere Bauteil (16, 24, 26, 14, 18, 40a, 40b, 40c) mit der zumindest einen Brennstoffzelle gekoppelt sind.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Startheizer (34) und das zumindest eine weitere Bauteil (16, 24, 26, 14, 18, 40a, 40b, 40c) in eine Endplatte eines die zumindest eine Brennstoffzelle umfassenden Brennstoffzellenstapels integriert sind.