DE102006031866A1

DE102006031866A1 - Brennstoffzellensystem und Verfahren zum Beeinflussen des Wärmehaushaltes eines Brennstoffzellensystems

Info

Publication number: DE102006031866A1
Application number: DE102006031866A
Authority: DE
Inventors: Matthias Boltze; Michael Rozumek; Stefan Käding; Manfred Pfalzgraf; Andreas Engl; Beate Bleeker; Michael Süßl; Markus Bedenbecker
Original assignee: Webasto SE
Current assignee: Enerday GmbH
Priority date: 2006-07-10
Filing date: 2006-07-10
Publication date: 2008-01-17
Also published as: CN101501910A; AU2007272136A1; BRPI0714145A2; CA2657693A1; EP2038951A1; EA200970025A1; JP2009543302A; WO2008006328A1; US20110117464A1; KR20090020687A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem (10) mit mindestens einer Wärme erzeugenden Komponente (12 bis 32) und mindestens einer Prozessluft verwendenden Komponente (12, 14, 16). Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Wärme erzeugenden Komponente Umgebungsluft (34) zuführbar ist, die durch die Wärme erzeugende Komponente (12 bis 32) erwärmbar ist, und dass die so erwärmte Luft der Prozessluft verwendenden Komponente (12, 14, 16) als Prozessluft zuführbar ist. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Beeinflussen des Wärmehaushaltes eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems.

Description

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem mit mindestens einer Wärme erzeugenden Komponente und mindestens einer Prozessluft verwendenden Komponente.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Beeinflussen des Wärmehaushaltes eines Brennstoffzellensystems.
Brennstoffzellensysteme dienen der Erzeugung von elektrischer Energie und Wärmeenergie, wobei die primäre Zuführung fossiler Brennstoffe zunehmend an Bedeutung gewinnt. Im mobilen Bereich, das heißt insbesondere in Kraftfahrzeugen, werden vorzugsweise die verwendeten Kraftstoffe verwendet, während im stationären Einsatz, das heißt insbesondere im häuslichen Bereich, Erdgas und Heizöl eingesetzt werden.
Zur Verarbeitung dieser Brennstoffe ist ein Reformierungsprozess erforderlich, der zumindest teilweise stark exotherm ist. Ebenso kommen Nachbrenner zum Einsatz, die Abgase der Brennstoffzelle oder auch primär zugeführten Brennstoff in exothermen Reaktionen umsetzen können. Auch die im Brennstoffzellensystem angeordneten Brennstoffzellen selbst erzeugen Abwärme, die insbesondere im Falle von SOFC-Brennstoffzellen ("Solid Oxid Fuel Cell") beträchtlich sein kann. Im Brennstoffzellensystem liegen somit, je nach Betriebszustand und Auslegung, Temperaturen im Bereich von 500 bis 1000°C vor.
Um die Wärmeverluste aus dem Brennstoffzellensystem durch Übertritt von Wärme an die Umgebung zu verringern, sind die Komponenten des Brennstoffzellensystems innerhalb einer Isolationseinrichtung angeordnet. Naturgemäß schützt eine solche Isolationseinrichtung jedoch nicht vollständig vor Wärmeverlusten. Außerdem können Wärmeverluste insbesondere im Bereich von Durchbrüchen vorliegen, die vor allem für die Medienversorgung oder Abfuhr etwa der Brennstoffzufuhr, der Luftzufuhr oder der Abfuhr, von Abgasen, erforderlich sind. Auch die von einem DC/DC- oder einem DC/AC-Wandler erzeugte Abwärme kann als Verlustleistung des Brennstoffzellensystems aufgefasst werden.
Die übermäßige Abwärme senkt so einerseits den Wirkungsgrad des Systems, und sie kann andererseits auch als solche un erwünscht sein, etwa beim Betrieb eines Brennstoffzellensystems zur Klimatisierung an heißen Tagen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Brennstoffzellensystem mit verminderten Wärmeverlusten und verbessertem Wärmemanagement zur Verfügung zu stellen.
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs gelöst.
Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Die Erfindung baut auf dem gattungsgemäßen Brennstoffzellensystem dadurch auf, dass der Wärme erzeugenden Komponente Umgebungsluft zuführbar ist, die durch die Wärme erzeugende Komponente erwärmbar ist, und dass die so erwärmte Luft der Prozessluft verwendenden Komponente als Prozessluft zuführbar ist. Die von der zugeführten Umgebungsluft aufgenommene Wärme kann somit auf dem Wege über die in dem Brennstoffzellensystem stattfindenden chemischen und elektrochemischen Prozesse dem System wieder zugeführt und somit rückgewonnen werden.
Nützlicherweise ist vorgesehen, dass die Wärme erzeugende Komponente in einem Gehäuse angeordnet ist und die Umgebungsluft einem Innenbereich des Gehäuses zuführbar ist. Das Gehäuse gestattet die Aufnahme mehrerer Wärme erzeugender Komponenten und die Kanalisation der zugeführten Umge bungsluft in der Weise, dass die Wärmeabgabe von allen Wär me erzeugenden Komponenten zur Erwärmung der zugeführten Umgebungsluft beitragen kann.
Ebenfalls ist es möglich, dass eine Wärme erzeugende Komponente außerhalb eines Gehäuses angeordnet ist, in dem weitere Wärme erzeugende Komponenten angeordnet sind. Beispielsweise kann es nützlich sein, einen DC/DC- oder einen DC/AC-Wandler in einiger Entfernung von den wesentlich heißeren sonstigen Komponenten des Brennstoffzellensystems anzuordnen. Es kann sich daher anbieten, das zur Zuführung der Umgebungsluft vorgesehene Gehäuse nicht zur Aufnahme des Wandlers vorzusehen. In diesem Fall wäre die Beaufschlagung des Wandlers mit Umgebungsluft separat vorzusehen, oder es wird auf die Nutzung der Abwärme des Wandlers verzichtet.
Mit einer besonders bevorzugten Ausführung kann vorgesehen sein, dass das Gehäuse eine thermische Isolationseinrichtung ist. Diese Isolationseinrichtung kann die ohnehin meist um die Wärme erzeugenden Komponenten des Brennstoffzellensystems vorgesehene Isolationseinrichtung sein oder eine zusätzliche Isolationseinrichtung, die um die ohnehin vorgesehene Isolationseinrichtung herum angeordnet ist. Im letzten Fall wird die Luftführung dann zwischen der herkömmlichen Isolationseinrichtung und der zusätzlichen Isolationseinrichtung stattfinden.
Gemäß bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung ist vorgesehen, dass die mindestens eine Wärme erzeugende Komponente ein Reformer und/oder ein Nachbrenner und/oder eine Brennstoffzellenanordnung und/oder eine Medienführung und/oder ein DC/DC-Wandler ist.
Nützlicherweise ist vorgesehen, dass die zugeführte Umgebungsluft zunächst Wärme erzeugenden Komponenten mit einer ersten Temperatur zuführbar ist und nachfolgend Wärme erzeugenden Komponenten mit einer zweiten Temperatur zuführbar ist, wobei die erste Temperatur geringer ist als die zweite Temperatur. Da die Geschwindigkeit des Wärmeübertritts von der Temperaturdifferenz der beteiligten Medien abhängt, ist es sinnvoll, zunächst die kühleren Komponenten mit noch kalter Umgebungsluft zu beaufschlagen, um auch hier eine relativ große Temperaturdifferenz zur Verfügung zu stellen. Bereits erwärmte Luft kann nachfolgend wärmeren Komponenten zugeführt werden, wobei auch dann eine entsprechend hohe Temperaturdifferenz vorliegt. Somit können alle Komponenten gleichermaßen in das Temperaturmanagement des Brennstoffzellensystems einbezogen werden.
Besonders nüztlich ist es, dass die Umgebungsluft durch die Förderung eines der Prozessluft verwendenden Komponente zugeordneten Gebläses zuführbar ist. Es ist somit kein zusätzliches Gebläse für die Einbringung der Umgebungsluft erforderlich.
Es kann vorgesehen sein, dass die Prozessluft verwendende Komponente ein Reformer und/oder ein Nachbrenner und/oder eine Brennstoffzellenanordnung ist.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Beeinflussen des Wärmehaushaltes eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems.
Die Erfindung wird nun mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen anhand besonders bevorzugter Ausführungsformen beispielhaft erläutert.
Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines herkömmlichen Brennstoffzellensystems;
2 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems; und
3 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems.
Bei der nachfolgenden Beschreibung der Zeichnungen bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder vergleichbare Komponenten.
1 zeigt eine schematische Darstellung eines herkömmlichen Brennstoffzellensystems. Das hier dargestellte typische Brennstoffzellensystem 10 umfasst eine Vielzahl von Komponenten, die teilweise innerhalb einer Isolationseinrichtung 38 angeordnet sind. Es sind ein Reformer 12, ein Brennstoffzellenstapel 14 und ein Nachbrenner 16 vorgese hen, die durch Medienführungen miteinander in Verbindung stehen. So wird dem Reformer 12 über eine Brennstoffzuführung 18 von einer Brennstoffpumpe 42 geförderter Brennstoff und über eine Luftzuführung 20 von einem Gebläse 40 geförderte Luft zugeführt. Das in dem Reformer 12 hergestellte wasserstoffreiche Reformat gelangt dann über eine Reformatleitung 26 zur Anodenseite eines Brennstoffzellenstapels 14, wobei der Brennstoffzellenstapel 14 weiterhin über eine Kathodenzuluftleitung 22 sowie ein zugeordnetes Gebläse 44 mit Luft versorgt wird. Anodenabgas der Brennstoffzellenanordnung 14 gelangt über eine Anodenabgasleitung 28 in einen Nachbrenner 16, dem über eine Zuluftleitung 24 und ein zugeordnetes Gebläse 46 ebenfalls Luft zugeführt wird. Die in dem Nachbrenner 16 erzeugten Abgase treten über eine Abgasleitung 30 aus dem Brennstoffzellensystem 10 aus. Der von dem Brennstoffzellensystem 14 erzeugte Strom wird einem Wandler 32, beispielsweise einem DC/DC- oder einem DC/AC-Wandler zugeführt. Das so dargestellte Brennstoffzellensystem 10 lässt zahlreiche Varianten zu, so kann beispielsweise Abgas aus dem Nachbrenner 16 rückgeführt werden. Ebenfalls kann Kathodenabluft aus der Brennstoffzellenanordnung 14 dem Nachbrenner 16 zugeführt werden. Weiterhin können Wärmetauscher vorgesehen sein, die in variantenreicher Vielfalt einen Wärmeaustausch zwischen verschiedenen Medienströmen zulassen.
Problematisch an derartigen Brennstoffzellensystemen 10 ist der Wärmeverlust. Dieser erfolgt einerseits naturgemäß über die Isolationseinrichtung 38, was durch die Pfeile 48, 50 angedeutet ist, und insbesondere im Bereich von Durchführungen durch die Isolationseinrichtung 38, beispielsweise im Bereich von Medienzuführungen, was durch den Pfeil 52 angedeutet ist. Weitere Wärmeverluste treten am Wandler 32 auf, angedeutet durch den Pfeil 54.
2 zeigt eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems. Um den in Zusammenhang mit 1 geschilderten Problemen zu begegnen, wird vorgeschlagen, ein Gehäuse 36 vorzusehen, dass mit mindestens einer Lufteintrittsöffnung 56 für den Eintritt von Umgebungsluft 34 ausgestattet ist. Ferner ist eine Luftaustrittsöffnung 58 vorgesehen, die mit der Lufteintrittsseite des Gebläses 40 gekoppelt ist. In dem Gehäuse 36 sind die Wärme erzeugenden Komponenten der Brennstoffzellenanordnung 10 untergebracht. Im Betrieb des Gebläses 40 wird nun Umgebungsluft 34 in das Gehäuse 36 angesaugt, die dann die Isolationseinrichtung 38 beziehungsweise den außerhalb der Isolationseinrichtung 38 angeordneten Wandler 32 umströmt. Die kalte Umgebungsluft 34 nimmt Wärme auf und verlässt im erwärmten Zustand über die Luftaustrittsöffnung 58 das Gehäuse 36. Nachfolgend wird die erwärmte Umgebungsluft über das Gebläse 40 dem Reformer 12 wieder als Prozessluft zugeführt. Es ist ebenfalls möglich, die erwärmte Luft alternativ oder zusätzlich dem Brennstoffzellenstapel 14 beziehungsweise dem Nachbrenner 16 zuzuführen.
Durch die beschriebenen Maßnahmen gelingt es, die Wärmeabstrahlung des Gesamtsystems, das heißt die aus dem Gehäuse 36 austretende Wärmeleistung zu verringern. Die angesaugte Umgebungsluft 34 bildet so zu sagen eine weitere Haut um die Isolationseinrichtung 38, die ständig erneuert wird, wobei die von der Haut aufgenommene Wärmeenergie über den Umweg der Prozessluft wieder in das Brennstoffzellensystem 10 eingebracht wird.
3 zeigt eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, die Isolationseinrichtung 38 selbst mit einer Luftzuführöffnung 56 und einer Luftaustrittsöffnung 58 auszustatten. Die kühle Umgebungsluft umströmt so direkt die Komponenten, beispielsweise den Nachbrenner 16, den Brennstoffzellenstapel 14 und den Reformer 12, um dann im erwärmten Zustand und nach Austritt aus der Luftaustrittsöffnung 48 über das Gebläse 40 dem Reformer 12 wieder als Prozessluft zugeführt zu werden. Eine derartige Auslegung des Systems kommt ohne zusätzliches äußeres Gehäuse 36 (siehe 2) aus. Um die von dem Wandler 32 abgegebene Wärmeenergie ebenfalls zurückzuführen wäre eine separate Warmluftrückführeinrichtung erforderlich.
Die in der vorstehenden Beschreibung, in den Zeichnungen sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung wesentlich sein.

10: Brennstoffzellensystem
12: Reformer
14: Brennstoffzellenstapel
16: Nachbrenner
18: Brennstoffzuführung
20: Luftzuführung
22: Kathodenzuluftleitung
24: Zuluftleitung
26: Reformatleitung
28: Anodenabgasleitung
30: Abgasleitung
32: Wandler
34: Umgebungsluft
36: Gehäuse
38: Isolationseinrichtung
40: Gebläse
42: Brennstoffpumpe
44: Gebläse
46: Gebläse
48: Pfeil
50: Pfeil
52: Pfeil
54: Pfeil
56: Lufteintrittsöffnung
58: Luftaustrittsöffnung

Claims

Brennstoffzellensystem (10) mit mindestens einer Wärme erzeugenden Komponente (12 bis 32) und mindestens einer Prozessluft verwendenden Komponente (12, 14, 16), dadurch gekennzeichnet, dass der Wärme erzeugenden Komponente Umgebungsluft (34) zuführbar ist, die durch die Wärme erzeugen de Komponente (12 bis 32) erwärmbar ist, und dass die so erwärmte Luft der Prozessluft verwendenden Komponente (12, 14, 16) als Prozessluft zuführbar ist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, dass die Wärme erzeugende Komponente (36, 38) in einem Gehäuse angeordnet ist und die Umgebungsluft einem Innenbereich des Gehäuses zuführbar ist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Wärme erzeugende Komponente (32) außerhalb eines Gehäuses (38) angeordnet ist, in dem weitere Wärme erzeugende Komponenten (12 bis 30) angeordnet sind.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse eine thermische Isolationseinrichtung (38) ist.
Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Wärme erzeugende Komponente ein Reformer (12) und/oder ein Nachbrenner (16) und/oder eine Brennstoffzellenanordnung (14) und/oder eine Medienführung (18 bis 30) und/oder ein DC/DC-Wandler (32) ist.
Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zugeführte Umgebungsluft (34) zunächst Wärme erzeugenden Komponenten mit einer ersten Temperatur zuführbar ist und nachfolgend Wärme erzeugenden Komponenten mit einer zweiten Temperatur zuführbar ist, wobei die erste Temperatur geringer ist als die zweite Temperatur.
Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Umgebungsluft (34) durch die Förderung eines der Prozessluft verwendenden Komponente zugeordneten Gebläses (40) zuführbar ist.
Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Prozessluft verwendende Komponente ein Reformer (12) und/oder ein Nachbrenner (16) und/oder eine Brennstoffzellenanordnung (14) ist.
Verfahren zum Beeinflussen des Wärmehaushaltes eines Brennstoffzellensystems (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.