DE10210634A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Temperierung von elektrochemischen Energiewandlern - Google Patents

Abstract

Eine Vorrichtung und Verfahren dienen jeweils zur Temperierung von elektrochemischen Energiewandlern. Dabei sind erfindungsgemäß zumindest in einem Teil der Bereiche des elektrochemischen Energiewandlers, in denen Wärmeleitung zu dem Energiewandler hin oder von dem Energiewandler weg stattfindet, Peltier-Elemente angeordnet. Diese Peltier-Elemente werden nun im Rahmen eines aktiven Wärmemanagements mit Strom und/oder Spannung in der Art beaufschlagt, dass der Wärmefluss zu dem elektrochemischen Energiewandler hin oder von dem elektrochemischen Energiewandler weg aktiv beeinflusst werden kann, je nachdem, ob eine Kühlung bzw. Abfuhr von entstehender Wärme oder eine Beheizung bzw. Zufuhr von Wärme nötig ist, um den elektrochemischen Energiewandler mit idealer Leistungsfähigkeit betreiben zu können.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Temperierung von elektrochemischen Energiewandlern.
• Grundsätzlich ist es aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt, dass elektrochemische Energiewandler, also beispielsweise Brennstoffzellen, Batterien, Elektrolysegeräte und dergleichen ihren idealen Wirkungsgrad in vergleichsweise kleinen Temperaturfenstern aufweisen. Die Lage dieser Temperaturfenster kann darüber hinaus noch von den aktuellen Betriebszuständen des elektrochemischen Energiewandlers abhängen, so dass der Temperierung, also der Kühlung und/oder Beheizung, von derartigen elektrochemischen Energiewandlern gemäß dem allgemeinen Stand der Technik eine vergleichsweise große Bedeutung zukommt.
• Aus der EP 1 081 779 A1 sind Latentwärmespeicher bekannt, welche in Brennstoffzellensystemen eingesetzt werden können. In der oben genannten Schrift sind dabei vielfältige Anwendungen für diese Latentwärmespeicher beschrieben, welche sich auf sämtliche Komponenten eines Brennstoffzellensystems richten, welche aus einem flüssigen Ausgangsstoff ein wasserstoffreiches Gas zum Betreiben einer PEM-Brennstoffzelle liefern. Dabei sind sowohl für die Komponenten des Gaserzeugungssystems als auch für die Brennstoffzelle bzw. den Brennstoffzellenstack selbst derartige Latentwärmespeicher vorgeschlagen, um überschüssige Wärme aufzunehmen, zwischenzuspeichern und bei erhöhtem Wärmebedarf wieder an die jeweilige Komponente abzugeben.
• Prinzipbedingt weisen derartige Latentwärmespeicher jedoch einige Nachteile auf. Insbesondere sind diese in der Größe des Latentwärmespeichers an sich und damit auch in der Menge an speicherbarer thermischer Energie sehr eingeschränkt. Ist der Latentwärmespeicher beispielsweise "voll", so ist die weitere Aufnahme von Wärme nicht mehr möglich, wodurch die Wärmeableitung aus der jeweiligen Komponente, beispielsweise dem Brennstoffzellenstack, behindert wird. Andererseits kann ein derartiger Latentwärmespeicher keine Wärme liefern, wenn in ihm gespeicherte Wärme bereits aufgebraucht ist, wenn die Brennstoffzelle gerade in diesem Augenblick Wärme benötigen würde.
• Alles in allem ist ein derartiger Aufbau mit Latentwärmespeichern, welche eine passive Beheizung und/oder Kühlung der jeweiligen Komponenten darstellen, vergleichsweise schwerfällig und aufgrund der limitierten Baugrößen und Speicherinhalte eher für Kaltstartanwendungen oder dergleichen geeignet, als für eine Temperierung der Brennstoffzelle selbst in praktisch allen ihren Betriebsphasen.
• Des weiteren kennt der allgemeine Stand der Technik sogenannte thermoelektrische Module oder Peltier-Elemente. Derartige Peltier-Elemente sind dabei aus keramischen Werkstoffen, Halbleitermaterialien oder gemäß neuesten Entwicklungen in diesem Bereich auch aus entsprechend leitfähigen Polymeren hergestellt. Das Grundprinzip derartiger thermoelektrischer Elemente ist immer dasselbe. Durch das Anlegen einer Spannung bzw. eines Stromflusses wird erreicht, dass sich die eine Seite des Peltier-Elementes abkühlt, während sich die andere Seite erwärmt. Üblicherweise werden derartige Peltier-Elemente daher im Bereich von Kältemaschinen und dergleichen eingesetzt, da man durch den sogenannten Peltier-Effekt in der Lage ist, mit derartigen thermoelektrischen Modulen einen Wärmetransport durch die anliegende Spannung bzw. den dadurch verursachten Strom einen Wärmetransport entgegen einem Temperaturgefälle zu realsieren.
• Als Beispiel für ein derartiges Peltier-Element soll hier das durch die WO 00/74149 A1 beschriebene Peltier-Element genannt werden.
• Es ist nun Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Leistungsfähigkeit von elektrochemischen Energiewandlern durch eine geeignete Temperierung in praktisch allen Betriebszuständen zu steigern.
• Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung zum Temperieren von elektrochemischen Energiewandlern gelöst, bei welcher zumindest ein Teil der Bereiche des elektrochemischen Energiewandlers, in denen Wärmeleitung zu dem Energiewandler hin oder von dem Energiewandler weg stattfindet, Peltier-Elemente aufweist, an welche ein Strom und/oder eine Spannung anlegbar ist.
• Außerdem wird die oben genannte Aufgabe erfindungsgemäß durch ein Verfahren zur Temperierung von elektrochemischen Energiewandlern gelöst, bei welchem zumindest in einem Teil der Bereiche des elektrochemischen Energiewandlers, in denen Wärmeleitung zu dem Energiewandler hin oder von dem Energiewandler weg stattfindet, Peltier-Elemente eingesetzt werden, an denen ein Strom und/oder eine Spannung in Abhängigkeit des Betriebszustandes des elektrochemischen Energiewandlers gesteuert oder geregelt wird.
• Je nachdem, in welcher Richtung der elektrische Stromfluss in den Bereich der Peltier-Elemente gelangt, kann die durch die Peltier-Elemente transportierte Wärme, wobei hier überwiegend die Wärmeleitung eine Rolle spielt und von Konvektionsvorgängen abgesehen werden kann, beeinflusst werden. So kann beispielsweise in einer Betriebsphase des elektrochemischen Energiewandlers, wenn durch diesen überschüssige Prozesswärme erzeugt wird, durch eine entsprechende Beaufschlagung der Peltier-Elemente mit Strom und/oder Spannung ein verstärkter Wärmeabtransport aus dem Bereich des elektrochemischen Energiewandlers in die Umgebung, an Kühleinrichtungen, Kühlmittel oder dergleichen realisiert werden. Die entstehende Prozesswärme wird also stärker als bei einer reinen Wärmeleitung nach außen abgeführt, da durch die Peltier-Elemente der Wärmetransport verstärkt und ggf. auch entgegen einem Temperaturgefälle aufrechterhalten wird.
• Wird dagegen von dem elektrochemischen Energiewandler keine ausreichende Wärmemenge erzeugt, so dass dieser einer Erwärmung bedürfte, um die idealen Betriebsbedingungen und damit seine ideale Leistungsfähigkeit zu erreichen, z. B. bei minimaler Leistungsentnahme, im Startfall oder dergleichen, so kann durch eine Umkehr der Richtung der Spannung und/oder des Stromes eine entgegengesetzte Wirkung der Peltier-Elemente erreicht werden. Der Abfluss von entstehender Wärme nach außen wird dann behindert und Umgebungswärme wird durch das Peltier-Element in den elektrochemischen Energiewandler geleitet.
• Durch die erfindungsgemäße Vorrichtung und/oder das erfindungsgemäße Verfahren kann somit ein aktives Wärmemanagement für den elektrochemischen Energiewandler erreicht werden, welches sicherstellt, dass sich der elektrochemische Energiewandler, beispielsweise eine Brennstoffzelle, eine Batterie, ein Akkumulator oder dergleichen, über den wenigstens annähernd größten Teil seiner Betriebsdauer im Bereich seiner idealen Betriebstemperatur bewegt und somit eine bestmögliche Leistungsfähigkeit erreicht.
• In einer besonders günstigen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung stammt der Strom und/oder die Spannung an den Peltier-Elementen dabei aus dem Energiewandler selbst.
• In der Betriebsphase des elektrochemischen Energiewandlers bedeutet dies zwar einen gewissen Leistungsverlust, dieser ist jedoch in Bezug zu der Leistungssteigerung, welche durch die verbesserte Abfuhr der entstehenden Wärme erreicht werden kann, zu setzen. Insgesamt kann bei entsprechender Auslegung durchaus erreicht werden, dass dieser für den Betrieb der Peltier-Elemente benötigte Leistungsanteil keinen übermäßigen Leistungsverlust darstellt, welcher die durch die erfindungsgemäße Vorrichtung erzielten Vorteile verringert. Auch beim Stillstand des elektrochemischen Energiewandlers kann die für die Peltier- Elemente benötigte Energie aus diesem entnommen werden. Dafür ist lediglich ein Minimalbetrieb des Energiewandlers bzw. eine minimale Leistungsentnahme aus dem Energiewandler notwendig. Dadurch kann dann jedoch erreicht werden, dass der Wärmeabfluss durch den geeigneten Stromfluss an den Peltier-Elementen behindert wird, so dass die entstehende Prozesswärme in dem elektrochemischen Energiewandler verbleibt. Außerdem wird durch die Peltier-Elemente Wärme von außerhalb des elektrochemischen Energiewandlers in diesen transportiert. Der elektrochemische Energiewandler bleibt also auch bei ausbleibender Leistungsanforderung bzw. -entnahme temperiert und kann bei einer einsetzenden Leistungsanforderung die geforderte Leistung unmittelbar oder zumindest sehr schnell zur Verfügung stellen.
• Dadurch, dass der Strom bzw. die Spannung aus dem Energiewandler selbst entnommen wird, ist keine eigenständige Sensorik, beispielsweise eine Messung der Temperatur im Energiewandler, notwendig, da die in den Energiewandler eingespeiste oder aus diesem entnommene Leistung im allgemeinen mit dem Betriebszustand und der Betriebstemperatur zusammenhängen wird.
• Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Unteransprüchen und dem anhand der Zeichnung nachfolgend dargestellten Ausführungsbeispiel.
• Die einzige beigefügte Figur zeigt eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellenstacks als Beispiel für einen elektrochemischen Energiewandler.
• In dem hier nachfolgend anhand der Zeichnungen näher dargestellten Ausführungsbeispiel sind sämtliche Beschreibungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des erfindungsgemäßen Verfahrens immer auf einen Brennstoffzellenstack als ein Beispiel für einen elektrochemischen Energiewandler bezogen. Dies soll die Ausführungen jedoch nicht auf einen Brennstoffzellenstack einschränken. Mit einem vergleichbaren Aufbau und einer vergleichbaren Betriebsweise wäre auch ein aktives Wärmemanagement für andere elektrochemische Energiewandler, wie beispielsweise Batterien, Akkumulatoren und dergleichen, denkbar.
• In der einzigen beigefügten Figur ist ein schematisch dargestellter Brennstoffzellenstack 1 zu erkennen. Der Brennstoffzellenstack 1 besteht aus einer Vielzahl von einzelnen Brennstoffzellen, welche in dem Brennstoffzellenstack 1 zusammengefasst sind und über gemeinsame Versorgungsleitungen 2 für die Zu- und Abfuhr von Brennstoff, Luft, Kühlmittel oder dergleichen verfügen. Dem Brennstoffzellenstack 1 kann außerdem eine elektrische Leistung entnommen werden, was hier über die schematisch angedeuteten elektrischen Leitungen 3 angedeutet ist. Es ist nun zu erwarten, dass der Brennstoffzellenstack 1 durch Wärmeleitung durch seine äußere Oberfläche bzw. sein Gehäuse mit der Umgebung korrespondiert, wenn man von den Wärmeübertragungs- und Konvektionsvorgängen absieht, welche durch die Zu- und Abfuhr der Betriebsstoffe und/oder der Kühlmittel verursachte sind und nur teilweise gezielt beeinflußt werden können. Die Wärmeleitung, beispielsweise durch das oben bereits erwähnte Gehäuse des Brennstoffzellenstacks 1 an die Umgebung und umgekehrt, wird bei dem hier dargestellten Konzept zum aktiven Wärmemanagement genutzt. Dies wird durch den Einsatz einer Vielzahl von Peltier-Elementen 4, von denen nur einige mit Bezugszeichen versehen wurden, ermöglicht, welche den Brennstoffzellenstack 1 oder sein Gehäuse zumindest in einem Teil der Bereiche abdecken, in denen Wärmeleitung zu dem Brennstoffzellenstack 1 hin oder von dem Brennstoffzellenstack 1 weg stattfindet.
• Die Peltier-Elemente 4 sind dabei untereinander elektrisch verschaltet, was hier jedoch nicht dargestellt ist. An die Peltier-Elemente 4 wird eine Spannung angelegt, so dass ein Stromfluss stattfindet. Diese Spannung bzw. der Stromfluss wird dabei durch eine hier prinzipmäßig angedeutete Steuerungs- und/ oder Regelungselektronik, welche nachfolgend als Steuergerät 5 bezeichnet wird, in Abhängigkeit des Betriebszustandes des Brennstoffzellenstacks 1 entsprechend gesteuert oder geregelt.
• Als Ausgangsgrößen für die Steuerung, oder auch als Rückmeldung bei einer Regelung, könnten hier beispielsweise Daten von Temperatursensoren genutzt werden. Einfacher und mit weniger Aufwand hinsichtlich der eingesetzten Komponenten ist es jedoch, wenn der in dem Steuergerät 5 umgesetzte Strom bzw. die dort verarbeitete Spannung direkt aus dem Energiewandler, also dem Brennstoffzellenstack 1, selbst entnommen wird, wie dies durch die Führung der elektrischen Leitungen in der einzigen beigefügten Figur angedeutet ist. Dabei wird einfach davon ausgegangen, dass ein Zusammenhang zwischen der Betriebstemperatur und den Betriebsbedingungen, welche sich in der entnommenen Leistung (U, i), oder im Falle einer Batterie parallel dazu auch in der eingespeisten Leistung, darstellen.
• Die Peltier-Elemente 4 sollten dabei, um mit möglichst wenig Kosten- und Verschaltungsaufwand einen vergleichsweise großen Bereich zu überdecken, dünn und überwiegend flächig ausgebildet sein. Eine derartige Ausbildung von Peltier-Elementen 4 kann beispielsweise in den handelsüblichen kachelartigen thermoelektrischen Modulen gesehen werden, beispielsweise dem HZ-20 der Firma Hi-Z (www.hi-z.com), welches eine Ausdehnung von 7,5 × 7,5 cm bei einer Dicke von ca. 5 mm aufweist.
• Neben diesem einen - nicht einschränkend zu verstehenden - Beispiel sind selbstverständlich auch andere thermoelektrische Module bzw. Peltier-Elemente 4 denkbar, wobei diese nach Möglichkeit als dünne, flächige Elemente ausgeführt sein sollten, bevorzugt mit einer Dicke von weniger als 10 mm. Der benötigte Bauraum und das durch den Einsatz der Peltier-Elemente 4 verursachte Gewicht können so in Grenzen gehalten werden. Neueste Entwicklungen in diesem Bereich zeigen, dass auch Dünnschicht- Peltier-Elemente herstellbar sind, insbesondere aus leitfähigen Polymeren, z. B. dotiertem Polyamid oder dergleichen. Selbstverständlich wären auch derartige ggf. zu Folien verarbeitbare Peltier-Elemente 4 zum Bedecken des Brennstoffzellenstacks 1 sinnvoll.
• Wird von dem Brennstoffzellenstack 1 nun eine entsprechende elektrische Leistung (U, i) abgegeben, so wird in dem Brennstoffzellenstack 1 außerdem Prozesswärme als Abwärme anfallen. Vergleichbares gilt auch beim Laden und Entladen von Batterien, als ein weiteres Beispiel für elektrochemische Energiewandler. Diese Prozesswärme wird den Brennstoffzellenstack 1 aufheizen, so dass dieser nach einer gewissen Betriebsdauer eine Temperatur erreicht, welche oberhalb der für ihn sinnvollen Betriebstemperatur liegt. Bei derartigen hohen Temperaturen können dann jedoch Schädigungen im Elektrolyten auftreten, beispielsweise Phasenveränderungen oder Zersetzungen, welche den Brennstoffzellenstack 1 in seiner Leistungsfähigkeit beeinträchtigen und ihn darüber hinaus schädigen können. Durch den Einsatz der Peltier-Elemente 4 kann nun jedoch erreicht werden, dass die entstehende Prozesswärme durch Wärmeleitung ideal abgeführt werden kann, da die Peltier-Elemente 4 über einen entsprechenden Stromfluss, welcher im hier vorliegenden Ausführungsbeispiel durch das Steuergerät 5 aus dem von dem Brennstoffzellenstack 1 gelieferten Strom generiert wird, so geschaltet werden, dass die Abfuhr von Prozesswärme begünstigt wird. Eine übermäßige Erwärmung des Brennstoffzellenstacks 1 kann durch diese aktive Abfuhr von entstehender Prozesswärme vermieden werden.
• Bei mangelnder Prozesswärme in dem Brennstoffzellenstack 1 kann durch eine Umkehr des Stromflusses durch das Steuergerät 5 der gegenteilige Effekt erreicht werden, so dass einerseits in dem Brennstoffzellenstack 1 entstehende Prozesswärme durch die Peltier-Elemente 4 am Abfließen gehindert wird und andererseits Wärme aus der Umgebung durch die Peltier-Elemente 4, falls es erforderlich ist auch entgegen dem Temperaturgefälle, in den Brennstoffzellenstack 1 transportiert wird. Insbesondere bei sehr niedrigen Temperaturen kann dies sinnvoll sein, da eine Schädigung oder Betriebsblockade des Brennstoffzellenstacks, beispielsweise durch Einfrieren oder dergleichen, vermieden werden kann. Der Brennstoffzellenstack 1 kann dazu auch dann, wenn keine Leistungsanforderung an ihn gestellt wird, über einen geringen Minimalbetrieb zur Beaufschlagung der Peltier- Elemente 4 mit dem entstehenden Strom beheizt oder zumindest auf Betriebstemperatur gehalten werden, da einerseits eine geringe Wärmemenge in dem Brennstoffzellenstack 1 entsteht und andererseits der Abfluß dieser Wärme durch die Peltier-Elemente 4 behindert und ein Zufluß von Umgebungswärme begünstigt wird. Je nach Zeitraum, über den hinweg keine Leistungsanforderung an den Brennstoffzellenstack 1 gerichtet werden wird, kann der Minimalbetrieb auch soweit gedrosselt werden, dass lediglich eine den Brennstoffzellenstack 1 vor Frost schützende Temperatur in diesem aufrechterhalten wird.
• Selbstverständlich wäre es nun auch denkbar, den Brennstoffzellenstack 1 in Kombination mit einem aus dem oben genannten Stand der Technik bekannten Latentwärmespeicher zu betreiben. Wird in dem wärmeleitenden Kontaktbereich bzw. dem Übergang zwischen dem Brennstoffzellenstack 1 und dem hier nicht dargestellten Latentwärmespeicher nun eines oder mehrere der Peltier-Elemente 4 angebracht, so kann über den Stromfluss bzw. die Spannung an dem Peltier-Element 4 der Wärmeaustausch zwischen dem Latentwärmespeicher und dem Brennstoffzellenstack 1 durch das Peltier-Element 4 aktiv beeinflusst werden, so dass ein aus dem Stand der Technik bekannter Latentwärmespeicher, trotz eines begrenzten Bauvolumens und damit einem begrenzten Energieinhalt, sinnvoll in das über die Peltier-Elemente 4 realisierte aktive Wärmemanagement für den Brennstoffzellenstack 1 einbezogen werden kann.

Claims (11)

1. Vorrichtung zur Temperierung von elektrochemischen Energiewandlern, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der Bereiche des elektrochemischen Energiewandlers (1), in denen Wärmeleitung zu dem Energiewandler (1) hin oder von dem Energiewandler weg stattfindet, Peltier-Elemente (4) aufweisen, an welche ein Strom (i) und/oder eine Spannung (U) anlegbar ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Strom (i) und/oder die Spannung (U) an den Peltier-Elementen (4) in Abhängigkeit des Betriebszustandes des Energiewandlers (1) gesteuert ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Strom (i) und/oder die Spannung (U) an den Peltier-Elementen (4) aus dem Energiewandler (1) stammt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Energiewandler (1) als wenigstens eine Brennstoffzelle, bevorzugt als PEM-Brennstoffzelle, ausgebildet ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Peltier-Elemente (4) zumindest auf einen Teil der Oberfläche eines Gehäuses des Energiewandlers (1) angeordnet sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Peltier-Elemente (4) dünn und überwiegend flächig ausgebildet sind.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der Peltier-Elemente (4) in einem wärmeleitenden Kontaktbereich zwischen dem Energiewandler (1) und einem Latentwärmespeicher angeordnet sind.

8. Verfahren zur Temperierung von elektrochemischen Energiewandlern, dadurch gekennzeichnet, dass Peltier-Elemente (4) zumindest in einem Teil der Bereiche des elektrochemischen Energiewandlers (1), in denen Wärmeleitung zu dem Energiewandler hin oder von dem Energiewandler weg stattfindet, eingesetzt werden, wobei ein Strom (i) und/oder eine Spannung (U) an den Peltier-Elementen (4) in Abhängigkeit des Betriebszustandes des Energiewandlers (1) gesteuert oder geregelt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Richtung des Stroms (i) und/oder der Spannung (U) an den Peltier-Elementen (4) bei einem Überschuß an Prozesswärme so gewählt wird, dass eine Abfuhr der Prozesswärme durch Wärmeleitung begünstigt wird, während bei einem Mangel an Prozesswärme die Richtung des Stroms (i) und/oder der Spannung (U) an den Peltier-Elementen (4) so gewählt wird, dass die Abfuhr von Prozesswärme durch Wärmeleitung vermieden oder zumindest behindert wird.

10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Strom (1) und/oder die Spannung (U) an den Peltier-Elementen (4) aus dem Energiewandler (1) entnommen wird.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Energiewandler (1) auch beim Ausbleiben einer Leistungsanforderung so weiter betrieben wird, dass der Strom (i) und/oder die Spannung (U) an den Peltier-Elementen (4) aus dem Energiewandler (1) entnommen werden kann.