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DE10340982A1 - Brennstoffzellensystem mit Kathodenzuluftvorwärmer und Verfahren für den Betrieb eines Brennstoffzellensystems - Google Patents

Brennstoffzellensystem mit Kathodenzuluftvorwärmer und Verfahren für den Betrieb eines Brennstoffzellensystems Download PDF

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DE10340982A1
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fuel cell
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air preheater
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Jens Arik Almkermann
Sven Dr. Schmitz
Christoph Dr. Maume
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Volkswagen AG
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Volkswagen AG
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Abstract

Brennstoffzellensystem (1), insbesondere für ein Kraftfahrzeug, mit mindestens einer Brennstoffzelle (6) mit einer Kathodenanordnung (7) und mit einer Kathodenzuluftliefervorrichtung, wobei das Brennstoffzellensystem (1) einen Kathodenzuluftvorwärmer (2) aufweist, und Verfahren für den Betrieb eines Brennstoffzellensystems (1).

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, mit mindestens einer Brennstoffzelle mit einer Kathodenanordnung gemäß dem unabhängigen Anspruch 1, sowie ein Verfahren für den Betrieb eines Brennstoffzellensystems gemäß dem unabhängigen Anspruch 8.
  • Brennstoffzellensysteme der hier zugrunde gelegten Art sind bekannt. Aufgrund ihres hohen elektrochemischen Wirkungsgrades und ihres umweltverträglichen Betriebs werden Brennstoffzellensysteme in einer Vielzahl von Anwendungsgebieten eingesetzt. Dabei sind sowohl die stationäre Verwendung einer Brennstoffzelle, zum Beispiel als kleines Kraftwerk mit Kraft-Wärme-Kopplung, als auch die mobile Verwendung, zum Beispiel in einem Kraftfahrzeug, bekannt. Bevorzugt kommen PEM-Brennstoffzellensysteme (Polymer-Elektrolyt-Membran-Brennstoffzellensysteme) zum Einsatz, denen hauptsächlich Wasserstoff als Brennstoff dient. Es ist möglich, den benötigten Wasserstoff in einem eigenen Wasserstoffbehältnis zu speichern oder aber aus einem konventionellen Energieträger (beispielsweise Benzin, Erdgas, Methanol) über einen Reformierungsprozess zu gewinnen.
  • Betriebstemperatur und Feuchte sowohl der Brennstoffzelle, insbesondere der Brennstoffzellenmembran, als auch der zugeführten Gase sind von entscheidender Bedeutung für den elektrischen Wirkungsgrad des Brennstoffzellensystems. So ist zum Beispiel die NT-PEM-Brennstoffzelle (Niedertemperatur-PEM-Brennstoffzelle) auf eine hohe Feuchte der Membran angewiesen, da nur dann der zur Energieerzeugung notwendige Protonentransport durch die Membran stattfinden kann. Eine Befeuchtung der zugeführten Gasströme verringert den Wasserverlust aus der Membran und ermöglicht höhere Spannungen als bei einem niedrigeren Wassergehalt. Eine hohe relative Feuchte führt andererseits dazu, dass das in der Kathodenanordnung entstehende Produktwasser nur in einem reduzierten Maße über die Abluft ausgetragen wird. Sammelt sich in der Kathodenanordnung zuviel Wasser/Kondensat, so wird die Diffusion des Luftsauerstoffs an die Elektrode durch das sich in der Diffusionsschicht stauende flüssige Wasser behindert. Dies führt wiederum zu einer Reduzierung der Brennstoffzellenspannung und damit auch zu einer verringerten Leistungsabgabe des Brennstoffzellensystems. Insbesondere bei dynamischen Lastanforderungen an das Brennstoffzellensystem besteht daher die Gefahr, dass die Leistungsabgabe des Brennstoffzellensystems durch eine Membranaustrocknung oder eine Überflutung der Kathodenanordnung verringert ist oder sogar aussetzt.
    •
  • Aufgabe der Erfindung ist es, ein Brennstoffzellensystem aufzuzeigen, bei dem der Wasserhaushalt einer Brennstoffzelle beziehungsweise eines Brennstoffzellenstapels steuerbar oder regelbar ist, insbesondere bei transienter Leistungsbeanspruchung. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst durch ein Brennstoffzellensystem, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, mit mindestens einer Brennstoffzelle mit einer Kathodenanordnung und mit einer Kathodenzuluftliefervorrichtung, wobei das Brennstoffzellensystem einen Kathodenzuluftvorwärmer aufweist. Der Kathodenzuluftvorwärmer beeinflusst zunächst unmittelbar die Temperatur der Kathodenzuluft. Liegt die Temperatur der Kathodenzuluft unterhalb des Temperaturbereichs der Brennstoffzelle, in dem sich eine optimale Leistungsabgabe einstellt, so erhitzt der Kathodenzuluftvorwärmer die Kathodenzuluft. Dadurch wird verhindert, dass die Membran der Brennstoffzelle auskühlt, insbesondere in ihrem Bereich am Kathodenzulufteinlass, und hält die Temperatur der Membran im gewünschten Temperaturbereich. Zudem hat der Kathodenzuluftvorwärmer durch seine Heizwirkung auch Einfluss auf die relative und/oder absolute Feuchte des Kathodenluftstroms. Die Beeinflussung der relativen Feuchte ergibt sich aus ihrer direkten Abhängigkeit zur Temperatur: Bei konstanter Wasser- beziehungsweise Wasserdampfmenge in einem definierten Volumen, steigt die relative Feuchte mit sinkender Temperatur, während sie bei steigender Temperatur sinkt. Dadurch lässt sich zum Beispiel durch eine Erhöhung der Kathodenlufttemperatur und die damit einhergehende Verringerung der relativen Luftfeuchte der Wasseraustrag/Kondensataustrag aus der Brennstoffzelle erhöhen.
  • Eine vorteilhafte Ausführung ergibt sich, wenn der Kathodenzuluftvorwärmer Eine Vorrichtung zur Oxidation von Kraftstoff aufweist. Zum einen lässt sich so die Wärmeenergie aus einem bereits im Kraftfahrzeug mitgeführten Betriebsstoff gewinnen, zum anderen besteht die Möglichkeit, das bei der Oxidation entstehende Wasser zu nutzen, beispielsweise für eine Befeuchtung der Kathodenzuluft.
  • Mit Vorteil weist der Kathodenzuluftvorwärmer eine Vorrichtung zur Verbrennung von Wasserstoff auf. Somit lässt sich der im Brennstoffzellensystem bereits verfügbare Wasserstoff zur Erwärmung und Befeuchtung der Kathodenzuluft verwenden, da die Oxidation von Wasserstoff unter Abgabe von Wärmeenergie Wasser als Endprodukt hat. Der Wasserstoff kann dabei zum Beispiel einem Wasserstoffbehältnis entnommen werden oder aus einer Reformereinheit durch eine wasserstoffpermeable Membran dem Kathodenzuluftvorwärmer zugeleitet werden.
  • Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ergibt sich, wenn der Kathodenzuluftvorwärmer eine elektrische Heizvorrichtung aufweist. Damit lässt sich auf einfache Weise die Erhitzung der Kathodenzuluft bewirken. Eine solche elektrische Heizvorrichtung kann insbesondere eingesetzt werden, falls aus der Kathodenanordnung eine größere Menge Wasser/Kondensat ausgetragen werden soll, wie es zum Beispiel nach einer Überflutung der Kathodenanordnung notwendig ist.
  • Vorteilhafterweise weist der Kathodenzuluftvorwärmer einen katalytischen Kaltstartbrenner auf. Auf diese Weise wird ein üblicherweise bereits im Brennstoffzellensystem enthaltenes Bauelement als Kathodenzuluftvorwärmer oder als Teil eines Kathodenzuluftvorwärmers verwendet. Während die eigentliche Aufgabe des Kaltstartbrenners darin besteht, eine Brennstoffzelle beziehungsweise einen Brennstoffzellenstapel auf eine für den Betrieb notwendige Mindesttemperatur vorzuheizen, so übernimmt er im Warmbetrieb die Aufgabe eines Kathodenzuluftvorwärmers.
  • Wenn der Kathodenzuluftvorwärmer eine Kathodenzuluftbefeuchtungsvorrichtung aufweist, erhält man eine weitere vorteilhafte Ausführungsform. Dadurch ergibt sich eine weitere Möglichkeit neben der Temperatur der Kathodenzuluft auch deren Feuchte zu beeinflussen.
  • Mit Vorteil weist das Brennstoffzellensystem eine Steuer- oder Regelungseinrichtung zur Beeinflussung der Temperatur und/oder des Wassergehalts der Kathodenzuluft auf. Durch diese Einrichtung wird die Möglichkeit geschaffen, Temperatur und/oder Wassergehalt der Kathodenzuluft nach bestimmten Vorgaben und/oder in Abhängigkeit von Parametern zu beeinflussen. Parameter können dabei zum Beispiel Temperatur der Brennstoffzelle, der Kathodenanordnung oder der Membran, sowie die Feuchte der Kathodenanordnung oder der Membran sein.
  • Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren für den Betrieb eines Brennstoffzellensystems mit mindestens einer Brennstoffzelle mit einer Kathodenanordnung und mit einer Kathodenzuluftliefervorrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathodenzuluft beheizt wird. Wie bereits beschrieben, lässt sich auf diese Weise der Betriebszustand der Brennstoffzelle, insbesondere hinsichtlich Temperatur und Feuchte, beeinflussen.
  • Eine vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens ergibt sich, wenn die Kathodenzuluft ungefähr auf die Betriebstemperatur der Brennstoffzelle erwärmt wird. Es wird damit sichergestellt, dass die Membran auch im Bereich des Kathodenzulufteinlasses eine wirkungsgradoptimierende Temperatur aufweist.
  • Vorteilhaft ist es zudem, wenn die Kathodenzuluft befeuchtet wird. Damit wird eine Möglichkeit geschaffen, neben der Erwärmung der Kathodenzuluft und der damit verbundenen Änderung der relativen Feuchte, auch die absolute Feuchte der Kathodenluft zu beeinflussen.
  • Es ist vorteilhaft, die Kathodenzuluft zu befeuchten, wenn der Wassergehalt in der Kathodenanordnung einen ersten Schwellenwert unterschreitet. Damit kann einer Membranaustrocknung entgegengewirkt werden.
  • Schließlich ergibt sich auch eine vorteilhafte Ausgestaltung, bei der die Kathodenzuluft beheizt wird, wenn der Wassergehalt in der Kathodenanordnung einen zweiten Schwellenwert überschreitet. Dadurch kann ein Wasserstau/Kondensatstau in der Kathodenanordnung und eine eventuell resultierende Überflutung der Kathodenanordnung verhindert werden.
    •
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand von zwei Ausführungsbeispielen verdeutlicht. Es zeigt die
  • 1 ein Direktwasserstoff-Brennstoffzellensystem mit einem Kathodenzuluftvorwärmer, und
  • 2 ein Brennstoffzellensystem mit einem Reformer und mit einem Kathodenzuluftvorwärmer.
  • Bei dem in der 1 gezeigten Brennstoffzellensystem 1 wird dem Kathodenzuluftvorwärmer 2 mittels des Luftverdichters 3 die sogenannte Kathodenzuluft zugeführt, wobei die Kathodenzuluft im Luftverdichter 3 mit Wasser aus dem Wasserbehältnis 4 befeuchtet werden kann. Soll die Kathodenzuluft nun erwärmt werden, so wird im Kathodenzuluftvorwärmer 2 Wasserstoff aus dem Wasserstoffbehältnis 5 verbrannt. Die erwärmte Kathodenzuluft wird dann der Kathodenanordnung 7 der Brennstoffzelle 6 zugeführt. Die Brennstoffzelle 6 kann mit einer Kühlvorrichtung 9 (zum Beispiel ein Fahrzeugkühler) gekühlt werden. In die Anodenanordnung 8 der Brennstoffzelle 6 wird Wasserstoff aus dem Wasserstoffbehältnis 5 eingebracht, so dass die Brennstoffzelle funktionsgemäß elektrische Energie liefern kann. Anodenabgas wird mittels der Rückführvorrichtung 10 mit einem Ventil 11 wieder zur Eingangsseite der Anodenanordnung 8 geführt. Das Kathodenabgas wird einer Abgaskühlvorrichtung 12 zugeführt, so dass daran anschließend im Kondensatabscheider 13 Wasser aus dem Kathodenabgas zurückgewonnen werden kann.
  • In diesem Ausführungsbeispiel ist der Kathodenzuluftvorwärmer als Kaltstartbrenner ausgeführt. Soll die Brennstoffzelle 6 bei einer Temperatur unterhalb einer minimalen Betriebstemperatur aktiviert werden, so muss die Brennstoffzelle 6 zunächst erwärmt werden. Dazu wird während des Kaltstarts Wasserstoff aus dem Wasserstoffbehältnis 5 gemeinsam mit der vom Luftverdichter 3 verdichteten Luft überstöchiometrisch verbrannt. Das heiße Brennerabgas (O2, N2, H2O) durchströmt die Brennstoffzelle 6 und erwärmt sie. Ist die Mindesttemperatur erreicht, kann die Brennstoffzelle 6 ihre Arbeit aufnehmen und der Kathodenzuluftvorwärmer 2 übernimmt die Steuerung beziehungsweise Regelung von Temperatur und Feuchte der Kathodenzuluft.
  • Das in der 2 gezeigte Brennstoffzellensystem 1 verfügt neben aus der 1 bekannten Komponenten über eine Primärkraftstoffbevorratung 14, eine Reformprozessvorbereitungseinrichtung 15, einen Reformer 16, eine Gasreinigungsvorrichtung 17, einen Verdampfer 18, eine Abgasnachverbrennungsvorrichtung 19 und einen Abgasexpander 20. Da die Arbeitsweise eines Brennstoffzellensystems 1 mit Reformer 16 und einer Abgasnachverbrennungsvorrichtung 19 bekannt ist, soll hier nur auf die die Erfindung betreffenden Punkte näher eingegangen werden. Auch in diesem Ausführungsbeispiel liefert der Luftverdichter 3 die sogenannte Kathodenzuluft, die dem Kathodenzuluftvorwärmer 2 zugeführt wird. Soll nun die Kathodenzuluft erhitzt werden, wird dem Kathodenzuluftvorwärmer 2 Primärkraftstoff aus der Primärkraftstoffbevorratung 14 zugeführt und dort unter Wärmeabgabe oxidiert. Im hier gezeigten Beispiel ist der Kathodenzuluftvorwärmer 2 so ausgeführt, dass die Oxidation des Kraftstoffs bei räumlicher Trennung von der Kathodenzuluft stattfindet. Es findet dabei eine Abgabe von Wärme an die Kathodenzuluft statt, ohne dass die Oxidationsprodukte der Kathodenzuluft zugeführt werden.
    • 1
    Brennstoffzellensystem
    2
    Kathodenzuluftvorwärmer
    3
    Luftverdichter
    4
    Wasserbehältnis
    5
    Wasserstoffbehältnis
    6
    Brennstoffzelle
    7
    Kathodenanordnung
    8
    Anodenanordnung
    9
    Kühlvorrichtung
    10
    Rückführvorrichtung
    11
    Ventil
    12
    Abgaskühlvorrichtung
    13
    Kondensatabscheider
    14
    Primärkraftstoffbevorratung
    15
    Reformprozessvorbereitungseinrichtung
    16
    Reformer
    17
    Gasreinigungsvorrichtung
    18
    Verdampfer
    19
    Abgasnachverbrennungsvorrichtung
    20
    Abgasexpander

Claims (12)

  1. Brennstoffzellensystem (1), insbesondere für ein Kraftfahrzeug, mit mindestens einer Brennstoffzelle (6) mit einer Kathodenanordnung (7) und mit einer Kathodenzuluftliefervorrichtung, gekennzeichnet durch einen Kathodenzuluftvorwärmer (2).
  2. Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kathodenzuluftvorwärmer (2) eine Vorrichtung zur Oxidation von Kraftstoff aufweist.
  3. Brennstoffzellensystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kathodenzuluftvorwärmer (2) eine Vorrichtung zur Verbrennung von Wasserstoff aufweist.
  4. Brennstoffzellensystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kathodenzuluftvorwärmer (2) eine elektrische Heizvorrichtung aufweist.
  5. Brennstoffzellensystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kathodenzuluftvorwärmer (2) einen katalytischen Kaltstartbrenner aufweist.
  6. Brennstoffzellensystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kathodenzuluftvonnrwärmer (2) eine Kathodenzuluftbefeuchtungsvorrichtung aufweist.
  7. Brennstoffzellensystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Steuer- oder Regelungseinrichtung zur Beeinflussung der Temperatur und/oder des Wassergehalts der Kathodenzuluft.
  8. Verfahren für den Betrieb eines Brennstoffzellensystems mit mindestens einer Brennstoffzelle (6) mit einer Kathodenanordnung (7) und mit einer Kathodenzuluftliefervorrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathodenzuluft beheizt wird.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathodenzuluft ungefähr auf die Betriebstemperatur der Brennstoffzelle (6) erwärmt wird.
  10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathodenzuluft befeuchtet wird.
  11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathodenzuluft befeuchtet wird, wenn der Wassergehalt in der Kathodenanordnung (7) einen ersten Schwellenwert unterschreitet.
  12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathodenzuluft beheizt wird, wenn der Wassergehalt in der Kathodenanordnung (7) einen zweiten Schwellenwert überschreitet.
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