Titel:

Kühlsystem für ein Brennstoffzellensystem, Brennstoffzellensystem sowie Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems

Die Erfindung betrifft ein Kühlsystem für ein Brennstoffzellensystem sowie ein Brennstoffzellensystem mit einem erfindungsgemäßen Kühlsystem. Ferner wird ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems unter Verwendung eines erfindungsgemäßen Kühlsystems vorgeschlagen.

Stand der Technik

Brennstoffzellen wandeln einen Brennstoff, beispielsweise Wasserstoff, und Sauerstoff in elektrische Energie, Wärme und Wasser. Als Sauerstofflieferant dient in der Regel Luft, die der Umgebung entnommen wird.

Zur Leistungssteigerung werden eine Vielzahl an Brennstoffzellen übereinander angeordnet und zu einem Brennstoffzellenstapel, dem sogenannten Stack, verbunden. Anodenseitig ist der Stack an einen Anodenkreis zur Brennstoffversorgung angebunden. Kathodenseitig ist der Brennstoffzellenstapel an ein Luftsystem mit einem Zuluftpfad und einem Abluftpfad angeschlossen.

Da der Energiewandlungsprozess einen gewissen Luftmassenstrom und ein gewisses Druckniveau erfordert, ist im Zuluftpfad ein Luftverdichter angeordnet. Stromabwärts des Verdichters ist in der Regel ein Kühler in den Zuluftpfad integriert, um die durch das Verdichten stark erhitzte Luft zu kühlen. Als Kühler kann insbesondere ein in einen Kühlkreis eines Kühlsystems integrierter Wärmeübertrager dienen. Zur Konditionierung der Luft kann ferner ein Befeuchter im Zuluftpfad angeordnet sein. Das Befeuchten der dem Brennstoffzellenstapel zugeführten Luft soll ein Austrocknen der Membranen der Brennstoffzellen verhindern. Zum Befeuchten kann ein Gas-zu-Gas Membran-Befeuchter eingesetzt werden, der Wasser, insbesondere Produktwasser, das im Betrieb der Brennstoffzellen anfällt, von der Austrittsseite auf die Eintrittsseite der Brennstoffzellen transportiert. Alternativ kann Wasser in den Zuluftpfad eingespritzt werden, um die Luft zu befeuchten. Aufgrund der Verdampfungsenthalpie des zugeführten Wassers wird die Luft dabei zugleich gekühlt. Dies kann dazu führen, dass die Luft vor Eintritt in den Brennstoffzellenstapel in einem Fall gekühlt und in einem anderen Fall geheizt werden muss. Der Kühlkreis, in den der Kühler bzw. der Wärmeübertrager integriert ist, lässt sich jedoch nur für einen der beiden Fälle optimal auslegen.

Die vorliegende Erfindung ist mit der Aufgabe befasst, hier Abhilfe zu schaffen. Insbesondere soll über das Kühlsystem des Brennstoffzellensystems sichergestellt werden, dass kathodenseitig am Eintritt des Brennstoffzellenstapels möglichst immer optimale Bedingungen vorliegen.

Zur Lösung der Aufgabe werden das Kühlsystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1, das Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Anspruchs 4 sowie das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 6 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den jeweiligen Unteransprüchen zu entnehmen.

Offenbarung der Erfindung

Das für ein Brennstoffzellensystem vorgeschlagene Kühlsystem umfasst einen Kühlkreis, in den ein Brennstoffzellenstapel und ein Kühler integriert sind. Stromaufwärts des Brennstoffzellenstapels zweigt eine Kühlmittelleitung vom Kühlkreis ab, in die ein Wärmeübertrager und eine Drossel mit variablem Drosselquerschnitt integriert sind, so dass über den Drosselquerschnitt der Drossel der durch den Wärmeübertrager geleitete Kühlmittel-Teilmassenstrom steuerbar oder regelbar ist.

Mit Hilfe der variablen Drossel kann der durch den Wärmeübertrager geleitete Kühlmittel-Teilmassenstrom an die jeweiligen Erfordernisse angepasst werden. Bei einem erhöhten Kühlbedarf des Brennstoffzellenstapels, was insbesondere bei hohen Lasten der Fall ist, kann der Kühlmittel-Teilmassenstrom durch den Wärmeübertrager reduziert werden, so dass ein größerer Teilmassenstrom dem Brennstoffzellenstapel zugeführt wird. Umgekehrt kann bei niedrigen Lasten der durch den Wärmeübertrager geleitete Kühlmittel-Teilmassenstrom erhöht werden. Der Erhöhung sind dabei jedoch Grenzen gesetzt, da stets sichergestellt sein muss, dass der verbleibende Teilmassenstrom ausreicht, den Brennstoffzellenstapel zu kühlen. Sofern dies sichergestellt ist, kann ein größerer Teilmassenstrom aus dem Kühlkreis in die Kühlmittelleitung abgezweigt werden, der dann im Wärmeübertrager zur Temperierung, insbesondere Kühlung, eines Mediums, beispielsweise der Luft in einem Zuluftpfad eines Brennstoffzellensystems, zur Verfügung steht.

Die stromaufwärts des Brennstoffzellenstapels vom Kühlkreis abzweigende Kühlmittelleitung mündet vorzugsweise stromabwärts des Brennstoffzellenstapels wieder in den Kühlkreis. Das heißt, dass der in der Kühlleitung integrierte Wärmeübertrager mit dem Brennstoffzellenstapel parallel geschaltet ist. Die Aufteilung des Kühlmassenstroms im Kühlkreis auf die beiden parallel geführten Teilmassenströme erfolgt über den Drosselquerschnitt der in die Kühlmittelleitung integrierten Drossel.

Ferner bevorzug ist in den Kühlkreis eine Kühlmittelpumpe integriert. Über das Fördervolumen der Kühlmittelpumpe kann der Kühlmittelmassenstrom im Kühlkreis gesteuert werden. Die Kühlmittelpumpe ist vorzugsweise stromaufwärts des Brennstoffzellenstapels und der abzweigenden Kühlmittelleitung in den Kühlkreis integriert.

Da das erfindungsgemäße Kühlsystem insbesondere in einem Brennstoffzellensystem zum Einsatz gelangen kann, wird des Weiteren ein Brennstoffzellensystem mit einem erfindungsgemäßen Kühlsystem vorgeschlagen. Der Wärmeübertrager ist dabei bevorzugt in einen Zuluftpfad des Brennstoffzellensystems integriert, über den der Brennstoffzellenstapel mit Luft versorgbar ist. Mit Hilfe des Wärmeübertragers kann dann die dem Brennstoffzellenstapel zugeführte Luft vorab temperiert, insbesondere gekühlt, werden.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist stromaufwärts des Wärmeübertragers ein Verdichter im Zuluftpfad angeordnet. Da sich die Luft beim Verdichten sehr stark erwärmt, kann hiernach mit Hilfe des in den Zuluftpfad integrierten Wärmeübertragers die Luft gekühlt werden. Sofern das Verdich- ten mehrstufig erfolgt, kann der Wärmeübertrager auch zwischen zwei Verdichtungsstufen in den Zuluftpfad integriert sein, das heißt stromabwärts eines ersten Verdichters und stromaufwärts eines zweiten Verdichters. Mit Hilfe des Wärmeübertragers kann dann eine Zwischenkühlung realisiert werden.

Alternativ oder ergänzend wird vorgeschlagen, dass stromabwärts des Wärmeübertragers ein Befeuchter im Zuluftpfad angeordnet ist. Mit Hilfe des Befeuchters kann dann die Luft vor Eintritt in den Brennstoffzellenstapel weiter konditioniert werden. Das Befeuchten kann beispielsweise mittels Wassereinspritzung in den Zuluftpfad bewirkt werden. Steht in niedrigen Lastpunkten nicht die zur Verdunstung des eingespritzten Wassers benötigte Energie zur Verfügung, kann der Kühlmittel-Teilmassenstrom durch den Wärmeübertrager erhöht werden, um die benötigte Energie bereitzustellen. Das heißt, dass zur vollständigen Verdunstung des eingespritzten Wassers nicht mehr der Kühlmittelmassenstrom insgesamt gesteigert werden muss, so dass eine kleinere Kühlmittelpumpe eingesetzt werden kann. Hinzu kommt, dass durch die Verdunstung des eingespritzten Wassers eine zusätzliche Kühlung erreicht wird.

Darüber hinaus wird ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems, vorgeschlagen, bei dem zum Kühlen eines Brennstoffzellenstapels ein erfindungsgemäßes Kühlsystem verwendet wird und bei dem über den Drosselquerschnitt der Drossel der durch den Wärmeübertrager geleitete Kühlmittel- Teilmassenstrom gesteuert oder geregelt wird.

Sofern der Wärmeübertrager zum Temperieren der dem Brennstoffzellenstapel zugeführten Luft eingesetzt wird, kann auf diese Weise einen erhöhten Wärmebedarf bei niedrigen Lasten und aktiver Befeuchtung der Luft reagiert werden. Demgegenüber kann bei hohen Lasten der dem Brennstoffzellenstapel zugeführte Kühlmittel-Teilmassenstrom erhöht werden, um dessen Kühlung sicherzustellen.

In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Temperatur des Kühlmittels stromabwärts des Brennstoffzellenstapels, vorzugsweise am Austritt des Brennstoffzellenstapels, als Führungsgröße bei der Regelung des Kühlmittel- Teilmassenstroms durch den Wärmeübertrager verwendet wird. Das heißt, dass die Regelung des Kühlmittel-Teilmassenstroms durch den Wärmeübertrager an die Temperatur des Kühlmittels stromabwärts des Brennstoffzellenstapels gekoppelt bzw. rückgekoppelt wird. Auf diese Weise kann verhindert werden, dass der Brennstoffzellenstapel nicht mehr ausreichend gekühlt wird. Die Rückkopplung kann mechanisch mit Hilfe eines Thermostatventils bewirkt werden. Alternativ kann zur Rückkopplung eine elektronische Kette aus Temperatursensors, Steuergerät und Stellglied eingesetzt werden. Als Stellglied kann beispielsweise ein elektrisch betätigbares Ventil verwendet werden.

Da das Kühlsystem in einer bevorzugten Ausgestaltung über eine Kühlmittelpumpe verfügt, wird ferner vorgeschlagen, dass über das Fördervolumen der in den Kühlkreis integrierten Kühlmittelpumpe der Kühlmittelmassenstrom im Kühlkreis an die jeweiligen Erfordernisse angepasst wird. Bevorzugt wird das Fördervolumen der Kühlmittelpumpe jedoch erst dann gesteigert, wenn die erforderliche Anpassung an die jeweiligen Erfordernisse nicht mehr allein über die Aufteilung des Kühlmittelmassenstroms auf zwei parallel geführte Teilmassenströme bewirkt werden kann.

Vorteilhafterweise wird mit Hilfe des Wärmeübertragers die Luft in einem Zuluftpfad des Brennstoffzellensystems temperiert. Da der durch den Wärmeübertrager geführte Kühlmittel-Teilmassenstrom über den variablen Drosselquerschnitt an sich ändernde Erfordernisse anpassbar ist, kann auf diese Weise die Luft im Zuluftpfad optimal temperiert werden. Bei einer zusätzlichen Befeuchtung der Luft mittels Wassereinspritzung kann über den Wärmeübertrager die zum Verdunsten notwendige Energie bereitgestellt werden, die bei niedrigen Lasten sicherstellt, dass das eingespritzte Wasser vollständig verdunstet wird.

Die Erfindung und ihre Vorteile werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:

Figur 1 a) eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Kühlsystems, b) ein Diagramm zur Darstellung der Kühlmittel-Teilmassenströme durch den Brennstoffzellenstapel und den Wärmeübertrager über der Last bzw. den Strom, sowie

Figur 2 a) eine schematische Darstellung eines Kühlsystems ohne variable Drossel, b) ein Diagramm zur Darstellung der Kühlmittel-Teilmassenströme durch den Brennstoffzellenstapel und den Wärmeübertrager über der Last bzw. den Strom.

Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen

Das in der Figur la) ausschnittsweise dargestellte Kühlsystem 1 umfasst einen Kühlkreis 2, in den eine Kühlmittelpumpe 8, ein Brennstoffzellenstapel 3 und ein Kühler 4 integriert sind. Über den Kühler 4 wird die von dem im Kühlkreis 2 zirkulierenden Kühlmittel aufgenommene Wärme abgeführt. Stromabwärts der Kühlmittelpumpe 8 und stromaufwärts des Brennstoffzellenstapels 3 zweigt eine Kühlmittelleitung 5 vom Kühlkreis 2 ab, in die ein Wärmeübertrager 6 und eine Drossel 7 integriert sind. Die Kühlmittelleitung 5 mündet stromabwärts des Brennstoffzellenstapels 3 wieder in den Kühlkreis 2. Der Wärmeübertrager 6 und der Brennstoffzellenstapels 3 sind somit parallel geschaltet.

Die in die Kühlmittelleitung 5 integrierter Drossel 7 weist einen variablen Drosselquerschnitt auf, so dass hierüber die Aufteilung des Kühlmittelmassenstroms auf einen ersten durch den Wärmeübertrager 6 und einen zweiten durch den Brennstoffzellenstapel 3 geführten Kühlmittel-Teilmassenstrom steuer- bzw. regelbar ist. Da stets eine ausreichende Kühlung des Brennstoffzellenstapels 3 sichergestellt sein muss, erfolgt die Einstellung des Drosselquerschnitts in Rückkopplung an die Temperatur des Kühlmittels stromabwärts des Brennstoffzellenstapels 3.

Das dargestellte Kühlsystem 1 gelangt vorzugsweise in einem Brennstoffzellensystem (nicht dargestellt) zum Einsatz, und zwar zum Temperieren der Luft in einem Zuluftpfad, über den der Brennstoffzellenstapel 3 mit Luft versorgt wird. Zur weiteren Konditionierung der Luft im Zuluftpfad kann ein Befeuchter vorgesehen sein, beispielsweise in Form einer Einrichtung zum Einspritzen von Wasser, da hierüber zugleich ein weiterer das Kühlsystem 1 entlastender Kühleffekt erzielt werden kann.

Anhand der Figur lb) werden beispielhaft die Kühlmittel-Teilmassenströme durch den Brennstoffzellenstapel (Kurve A) und den Wärmeübertrager (Kurve B) des Kühlmittelsystems 1 der Figur la) über der Last bzw. den Strom dargestellt. Zur Verdeutlichung des Effekts wurde eine überzeichnete Darstellung gewählt. Die Darstellung zeigt, dass bei niedriger Last dem Wärmeübertrager 6 mehr Energie zur Verfügung steht. Diese kann dann dazu eingesetzt werden, Wasser, das zum Befeuchten der Luft in den Zuluftpfad eingespritzt wird, vollständig zu verdunsten. Da durch das Verdunsten ein weiterer Kühleffekt entsteht, kann die Kühlmittelpumpe 8 kleiner ausgelegt werden. Bei Wassereinspritzung hat das Kühlsystem 1 der Figur la) zudem eine größere Reserve zur Kühlung des Brennstoffzellenstapels 3, da die Wassereinspritzung in Verbindung mit der reduzierten Kühlleistungsanforderung speziell bei hohen Lasten einen Vorteil gegenüber herkömmlichen Kühlsystemen bietet.

Der Figur 2a) ist ein Kühlsystem 1 zu entnehmen, das anlog dem der Figur la) aufgebaut ist, jedoch eine Drossel 7 mit einem festen Drosselquerschnitt aufweist. Der Kühlmittelmassenstrom wird demnach über die Drossel 7 proportional auf zwei parallel geführte Teilmassenströme aufgeteilt. Dies ist beispielhaft in der Figur 2b) dargestellt, wobei die Kurve A den durch den Brennstoffzellenstapel 3 und die Kurve B den durch den Wärmeübertrager 6 geführten Teilmassenstrom zeigt. Auch diese Darstellung ist zur Verdeutlichung des Effekts überzeichnet. Die proportionale Aufteilung des Kühlmittelmassenstroms steht im Widerspruch zum erhöhten Wärmebedarf bei niedrigen Lasten und aktiver Wassereinspritzung, so dass die Vorteile eines erfindungsgemäßen Kühlsystems 1 nicht erreicht werden.