WO2015158459A1 - Verfahren zum betreiben eines brennstoffzellensystems und vorrichtung zur durchführung des verfahrens - Google Patents

Verfahren zum betreiben eines brennstoffzellensystems und vorrichtung zur durchführung des verfahrens Download PDF

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WO2015158459A1
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fuel cell
hydrogen
exhaust air
capacitor
heat
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PCT/EP2015/054324
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Norbert Frisch
Klaas Kunze
Johannes Schmid
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Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft
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    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the present invention relates to a method for operating a fuel cell system, to an apparatus for carrying out the method and to a motor vehicle comprising such a device.
  • cryogenic tanks so-called cryotanks
  • fuel cell systems which is used as anode gas for operating fuel cells
  • the heating takes place for example by a heating device.
  • the heater consumes a large amount of energy.
  • the object is achieved in a method for operating a fuel cell system comprising at least one fuel cell with a cathode and an anode.
  • the cathode is for this purpose connected to a cathode gas supply.
  • a fuel cell exhaust pipe is further connected.
  • a cathode exhaust passage the exhaust gases of the cathode transported, an anode exhaust passage, the exhaust gases of the anode conveyed or a fuel cell Mischabluftufttechnisch, which conveys a mixed exhaust gas from exhaust gases of the anode and the cathode understood.
  • a component in the fuel cell exhaust line is used in accordance with the invention, the component can be located in the cathode exhaust line, in the anode exhaust line or in the fuel cell mixed exhaust air line, as long as no restrictive details are given.
  • at least one first condenser is arranged in the fuel cell exhaust line, the at least one heat exchanger and comprising at least one water separator.
  • the anode is connected via a hydrogen supply with a hydrogen storage.
  • the method according to the invention is characterized by the step of transferring heat from the fuel cell exhaust air present in the fuel cell exhaust line to the hydrogen to be supplied to the anode while condensing water out of the fuel cell exhaust air in the first capacitor.
  • a hydrogen storage means any type of tank system in which the hydrogen to be supplied to the anode is stored at a temperature level which is at least 20 ° C. below the temperature of the exhaust air in the fuel cell exhaust line.
  • the hydrogen is stored in the hydrogen storage below about 0 ° C.
  • a hydrogen storage thus includes conventional cryogenic tanks, but the liquid hydrogen also store tanks, so-called Kryotiktanks, which are approved for an operating temperature of -240 ° C to 85 ° C, in which the hydrogen is kept in gaseous pressure and at a corresponding temperature level.
  • the fuel cell exhaust heat is removed, so that it cools and condensed water in the condenser, the targeted can be discharged from the fuel cell exhaust air.
  • this heat is directly available for increasing the temperature of the anode-side hydrogen.
  • the transfer of heat from the fuel cell exhaust air to the hydrogen in the hydrogen storage and / or to the hydrogen in the hydrogen supply takes place.
  • the transfer of heat to the hydrogen in the hydrogen storage so for example by heating the memory itself, initially requires a high input of heat energy, but ensures a reliable and durable power delivery of the fuel cell system.
  • a transfer of heat to the hydrogen, which has already been taken from the hydrogen storage and is in the hydrogen supply line, is particularly advantageous when the fuel cell system is being started up, since at this time the fuel cell exhaust often only carries small amounts of water with it and the heat transfer can only be done on a smaller scale.
  • the heat transfer is then compared to that of a water heater. Also possible is a combined heat transfer both to the hydrogen in the hydrogen storage and to the hydrogen in the hydrogen supply.
  • the transfer of heat to the anode-side hydrogen preferably takes place from the cathode exhaust air and / or the anode exhaust air. Since in particular the cathode exhaust air leads to larger amounts of water, is a Transfer of heat from the cathode exhaust air by condensation of water is particularly preferred.
  • the condensed water is fed to the cathode gas supply and / or the fuel cell. This can spare a separate wetting of the cathode gas and / or external cooling devices for the fuel cell. Due to the efficient water separation and the resulting humidification even high power requests to the fuel cell system can be operated, whereby even with the same generated electrical power less heat is produced, so that the cooling system is additionally relieved.
  • the transfer of heat takes place particularly efficiently by passing through a gas / gas heat exchanger or alternatively by passing through two liquid / gas heat exchangers connected in a fluid-conducting manner.
  • a gas / gas heat exchanger is particularly space-saving.
  • the transfer of heat is carried out according to the countercurrent principle, as this takes place the best possible heat transfer, at the same time high temperature gradients are avoided in the Brennstoffellenab Kunststofftechnisch. High gradients can interfere with freezing water and expose the materials to unnecessary stress.
  • a further advantageous embodiment provides that the hydrogen is expanded before or after the transfer of heat.
  • An expansion before the heat transfer has the advantage that the expansion of the hydrogen cools this further and the low pressure, the design of the heat exchanger of the first capacitor is easier.
  • An expansion after heat transfer is technically easier to implement because, for example, no pressure control valves are needed, which operate under cryogenic conditions. In return, the hydrogen heats up in this Fall due to the expansion carried out (negative Joule-Thomson effect), whereby the heat to be transmitted may be lower.
  • the cold released during the expansion of the hydrogen is advantageously used for cooling the cathode exhaust air and / or for condensing out water from the cathode exhaust air.
  • This allows for the same molar amount of hydrogen, an additional condensation of water, which is especially at high ambient temperatures for a sufficient condensation of water and thus a good humidification of the cathode gas and / or cooling of the fuel cell, an advantage.
  • the fuel cell system comprises a second capacitor, and the method is characterized by the step of condensing water from the fuel cell exhaust air in the second condenser, even lower temperatures are achieved in the fuel cell exhaust air, so that a larger amount of water are separated therefrom can, which is available for cooling purposes and for humidifying cathode gas.
  • the first capacitor and the second capacitor can be integrated in separate components or in one component.
  • both capacitors share a water separator, since thus the process is simplified. Due to the advantageous step of storing condensed water in a water tank, retention of condensation water can take place, so that with high power requests to the fuel cell system can be targeted and reacted directly, without delay, with high cooling capacity and a sufficient amount of moistened cathode gas.
  • the present invention relates to an apparatus for carrying out the method described above.
  • the device comprises at least one fuel cell having a cathode and an anode, wherein the cathode is connected to a cathode gas supply.
  • the fuel cell further comprises at its output a fuel cell exhaust conduit comprising at least a first condenser containing at least one heat exchanger and at least one water separator.
  • the anode is connected via a hydrogen supply with a hydrogen storage.
  • the first capacitor is connected in a heat-conducting manner to the hydrogen storage and / or the hydrogen supply.
  • the device according to the invention also avoids uncontrolled condensation of water and condensation cloud formation at the fuel cell system outlet with all the optical and safety-relevant impairments, such as the formation of ice surfaces on the fuel cell system outlet.
  • the device thus uses energy provided by itself and is thus highly efficient and at the same time energy-saving operable and beyond safe in the application.
  • the first capacitor is fluid-conducting with the cathode gas supply and / or connected to the fuel cell.
  • a moistening of the cathode gas to be supplied to the cathode is achieved on the one hand.
  • External humidifying devices can be dispensed with. Better humidification can also be used for an increase in the efficiency of the fuel cell system, whereby less heat is produced, for example, with the same electrical power supplied. Alternatively, therefore, an increase in the electrical power can be made possible.
  • the water recovered by the heat transfer from the fuel cell exhaust air to the anode-side hydrogen can also be used for cooling the fuel cell. This ensures reliable operation of the fuel cell system, even without external cooling devices, even at high power requests.
  • the heat exchanger of the first capacitor comprises a gas / gas heat exchanger or two associated liquid / gas heat exchanger.
  • the device comprises a second capacitor, which is in fluid communication with the first capacitor, wherein the first capacitor and the second capacitor are connected in particular in series.
  • the Wasserabscheidekapaztician is significantly increased, which contributes to the increase in performance of the device.
  • the second condenser also comprises a heat exchanger and a water separator.
  • the heat exchangers of the first condenser and the second condenser can advantageously be connected in series and further advantageously be integrated into one component in order to save installation space, with the capacitors also advantageously sharing a water separator for reasons of space efficiency.
  • the device comprises a water tank connected in fluid communication with the first condenser and / or the second condenser.
  • This can be recovered from the fuel cell exhaust air Water stored and reused as needed.
  • even high power requests can be spontaneously operated by sufficient humidification of the cathode gas and high cooling capacity in the fuel cell.
  • a motor vehicle which comprises a device as disclosed above.
  • the motor vehicle is characterized by a high power density and, due to the elimination of space-consuming devices for anode gas heaters, external cooling devices and humidifiers, by a compact design.
  • the motor vehicle is also advantageous in safety-relevant aspects, since the formation of ice surfaces in the environment of the motor vehicle and an uncontrolled condensation of water can be avoided.
  • the advantages, advantageous effects and developments shown for the method and the device according to the invention are also applicable to the motor vehicle according to the invention.
  • the invention also describes the use of cold of hydrogen present in a hydrogen storage and / or a hydrogen supply for condensing water from the fuel cell exhaust air of a fuel cell. This makes it possible to dispense with external heating devices, which bring the hydrogen to operating temperature.
  • the method contributes to increasing the power density of the fuel cell system.
  • the device is highly efficient in power yield, energy saving and safe in the application.
  • Figure 1 is a partial view of a device according to a first
  • FIG. 2 shows a schematic representation to illustrate the method according to the invention
  • Figure 3 is a partial view of a device according to a second
  • Figure 4 is a partial view of a device according to a third
  • Figure 5 is a partial view of a device according to a fourth
  • Figure 6 is a diagram illustrating the temperature profile during the execution of the method according to the invention.
  • Figure 1 shows a section of a schematic representation of a device 15 according to a first embodiment of the present invention.
  • the device 15 comprises a fuel cell 3 with a cathode and an anode, wherein the cathode is connected to a cathode gas supply 4, for example for supplying oxygen or air to the cathode.
  • a fuel cell exhaust duct 5 for discharging fuel cell exhaust air is arranged.
  • the anode of the fuel cell 3 is connected via a hydrogen supply 2 with a hydrogen storage 1.
  • the fuel cell 3 is designed for operation with hydrogen gas, wherein water is formed by reaction with the cathode gas.
  • the hydrogen storage 1 stores hydrogen as fuel for the fuel cell 3 in gaseous or liquid form, at a temperature which is at least 20 ° C below a temperature of the exhaust air in the Brennstoffzellenab Kunststofftechnisch 5.
  • the hydrogen stored in the hydrogen storage 1 has a temperature of less than about 0 ° C and is stored under pressure.
  • the fuel cell exhaust line 5 comprises a first condenser 7, in which the fuel cell exhaust air is introduced via the fuel cell exhaust line 5.
  • the first condenser 7 has at least one heat exchanger and at least one water separator.
  • a water drain line 8 for discharging water separated from the first condenser 7 from the fuel cell exhaust air, which discharges into a water tank 9 which serves to store the separated water.
  • the first condenser 7 comprises a heat exchanger and a water separation device.
  • the first capacitor 7 is thermally conductively connected to the hydrogen supply 2.
  • the heat contained in the fuel cell exhaust air and the heat of condensation are thus transferred to the hydrogen supply 2, and thus to the hydrogen contained in the hydrogen supply 2.
  • the arrow in the interior of the first capacitor 7 shown in FIG. 1 stands for the heat transfer 6 from the fuel cell exhaust air to the anode-side hydrogen.
  • the hydrogen contained in the hydrogen feed 2 is thus heated and preferably brought directly to operating temperature.
  • the fuel cell exhaust air is cooled by the heat transfer 6, so that water condenses out of it and separated in the water separator and discharged via the water drain line 8 from the first capacitor 7 and stored in the water tank 9.
  • There is a substantially closed water cycle wherein the water supplied to the cathode gas supply 4 for the humidification of the cathode gas from the fuel cell exhaust air is recovered by condensation in the first capacitor 7 while transferring heat to the anode to be supplied hydrogen.
  • FIG. 2 is a schematic representation for illustrating the method according to the invention.
  • the two possible options for the heat transfer from the first condenser 7 are shown, namely a heat transfer to the hydrogen 6a contained in the hydrogen supply 2 and a heat transfer to the hydrogen 6b contained in the hydrogen storage 1.
  • FIG. 3 is a partial view of a device 25 according to a second embodiment of the present invention.
  • two capacitors are connected in series here. More specifically, two heat exchangers 7b and 7c are connected in series, which are connected to a water separator 7a. The two capacitors thus share a water separator 7a.
  • the heat exchanger 7b corresponds to the heat exchanger of the first capacitor of Figure 1. This is responsible for the heat transfer to the hydrogen contained in the hydrogen supply 2 hydrogen.
  • the second heat exchanger 7c is used for precooling the fuel cell exhaust air, so that in total a larger amount of water condenses out of the fuel cell exhaust air and a larger amount of heat can be transferred to the hydrogen.
  • FIG. 4 is a partial view of a device 35 according to a third embodiment of the present invention.
  • the device 35 from FIG. 4 comprises a first condenser 7 and additionally two further heat exchangers 13, 14.
  • a hydrogen storage heat exchanger 13 is arranged in the hydrogen storage 1 and a low-temperature heat exchanger 14 in the hydrogen supply 2 .
  • the anode of the fuel cell 3 is supplied via the hydrogen supply 2 hydrogen. This is heated for this purpose in the low-temperature heat exchanger 14 and brought to operating temperature.
  • the hydrogen which has passed through the hydrogen storage heat exchanger 13 has a lower temperature again due to the heat transferred to the hydrogen contained in the hydrogen storage 1. It is discharged from the hydrogen storage heat exchanger 13 via a hydrogen line 18.
  • the hydrogen line 18 is connected via a three-way valve 1 1 to the first capacitor 7, so that the re-cooled hydrogen from the hydrogen line 18 can be fed to the first capacitor 7, where it passes through the heat exchanger contained in the first capacitor 7 by transfer of heat is heated from the fuel cell exhaust air.
  • the hydrogen, which has recently been heated in the first condenser 7, is discharged via a hydrogen power 20 and fed to the anode of the fuel cell 3 via the three-way valve 16.
  • the device 35 also comprises a further hydrogen line 17, which connects the hydrogen feed 2 via the three-way valve 1 1 with the first capacitor 7. Since the hydrogen contained in the hydrogen pipe 17 comes directly from the hydrogen storage 1 and has not passed through the low-temperature heat exchanger 14, it has a very low temperature and can take in the first capacitor 7 a high amount of heat, with a large amount of water from the fuel cell exhaust can be condensed out.
  • No water tank is provided in the device 35 of FIG. 4, so that the water deposited in the water separator of the first condenser 7 is discharged directly out of the device via the water drain line 8. But it is also possible to provide a water tank and to connect it with the cathode gas supply 4 or directly to the fuel cell 3 via a corresponding supply line.
  • FIG. 5 is a partial view of a device 45 according to a fourth embodiment of the present invention.
  • Device 45 includes as Device 15 of Figure 1, a first capacitor 7 and additionally a hydrogen storage heat exchanger 13. Hydrogen is passed from the hydrogen storage 1 via the hydrogen supply 2 in the first capacitor 7. There takes place a heat transfer of heat from the fuel cell exhaust air to the hydrogen, which is heated by it. At the same time, the fuel cell exhaust air is cooled and contained water condenses out of it, which is discharged via the water drain line 8 from the first capacitor 7.
  • Heated hydrogen is supplied to the fuel cell 3 after passing through the first capacitor 7 via the hydrogen line 20 and a three-way valve 21 of the anode.
  • preheated hydrogen can also be supplied to the hydrogen storage heat exchanger 13 via the hydrogen line 19, so that hydrogen is heated in the hydrogen storage 1 by the heat transfer in the hydrogen storage heat exchanger 13.
  • the hydrogen then cooled again in the hydrogen storage heat exchanger 13 can then also be supplied to the hydrogen line 20, where it is advantageously mixed with hydrogen heated in the first condenser 7, thereby heating it and supplying it to the fuel cell 3.
  • FIG. 6 is a diagram for illustrating the temperature course during the execution of the method according to the invention.
  • the temperature is plotted on the y-axis.
  • the diagram shows the temperature profile of the gases when using a device comprising, as shown in Figure 3, two series-connected capacitors, namely a second capacitor which is arranged in the fuel cell exhaust line at the output of the fuel cell and one to the second Capacitor in series connecting first capacitor.
  • the first condenser and the second condenser each have a heat exchanger and a water separator.
  • the area P denotes the area of the refrigeration cycle around the second condenser.
  • the second capacitor is in the initial state at a low temperature level.
  • the temperature level R denotes the temperature of the coolant of the second capacitor in the initial state.
  • Area K represents the area of the fuel cell exhaust air.
  • the fuel cell exhaust air is warm immediately after leaving the fuel cell and thus at a high temperature level.
  • the temperature level A denotes the fuel cell exhaust air temperature when entering the second condenser.
  • the temperature level B indicates the temperature that the fuel cell exhaust air has on exiting the second condenser.
  • the amount of heat to be transferred in the heat transfer 6c essentially results from the cooling of the fuel cell exhaust air M in the heat exchanger of the second condenser and the heat of condensation N released during the water separation in the water separator of the second condenser.
  • the coolant temperature of the second capacitor is raised from the temperature level R to the temperature level S.
  • a heat transfer T takes place on the coolant of the second capacitor.
  • the fuel cell exhaust air after passing through the second capacitor has a temperature level B.
  • the fuel cell exhaust air is then fed to the first capacitor.
  • cooling of the fuel cell exhaust air M in the heat exchanger of the first condenser and water separation in the water separator of the first condenser takes place again with the release of condensation heat N.
  • the thus released heat amounts M + N are transferred by a heat transfer 6b, for example to the hydrogen contained in the hydrogen storage.
  • a heat transfer to the hydrogen contained in the hydrogen supply can take place. The deeper the temperature of the exhaust air can be lowered, the more water can be condensed out of the exhaust air.
  • FIG. 6 shows by way of example a heat transfer to the hydrogen contained in the hydrogen storage.
  • the region L designates the region of the hydrogen storage, but can equally well quantify the region of the hydrogen contained in the hydrogen supply or a combination of the two regions.
  • the hydrogen in the hydrogen storage has a low temperature level X in the initial state.
  • the heat transfer 6b raises the temperature of the hydrogen to a level Y by heat transfer O.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems. Das Brennstoffzellensystem umfasst mindestens eine Brennstoffzelle mit einer Kathode und einer Anode, wobei die Kathode mit einer Kathodengaszuführung verbunden ist. An einen Ausgang der Brennstoffzelle ist eine Brennstoffzellenabluftleitung angeschlossen. Die Brennstoffzellenabluftleitung umfasst mindestens einen ersten Kondensator, der mindestens einen Wärmetauscher und mindestens einen Wasserabscheider enthält, wobei die Anode über eine Wasserstoffzuführung mit einem Wasserstoffspeicher verbunden ist. Das Verfahren ist durch den Schritt des Übertragens von Wärme aus der Brennstoffzellenabluft auf den der Anode zuzuführenden Wasserstoff unter Auskondensieren von Wasser aus der Brennstoffzellenabluft im ersten Kondensator gekennzeichnet.

Description

Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens Beschreibung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems, eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens sowie ein Kraftfahrzeug, das eine solche Vorrichtung umfasst.
Der aus Tieftemperaturwasserstofftanks, so genannten Kryotanks bzw. Kryodrucktanks, für Brennstoffzellensysteme entnommene Wasserstoff, der als Anodengas zum Betreiben von Brennstoffzellen verwendet wird, muss, um Schädigungen am Brennstoffzellensystem aufgrund der tiefen Temperaturen zu vermeiden und eine ausreichend hohe Leistung des Brennstoffzellensystems bereitzustellen, erwärmt werden. Das Erwärmen erfolgt beispielsweise durch eine Heizvorrichtung. Um den bis zu etwa -255°C kalten Wasserstoff auf Arbeitstemperatur zu erwärmen, wird durch die Heizvorrichtung eine hohe Menge an Energie verbraucht. Darüber hinaus gibt es Brennstoffzellensysteme, die u.a. zur Vermeidung von Wasserdampfwolken im Abgas und damit zur Verhinderung der Gefahr der Bildung von Eisflächen in der Nähe des Abgasauslasses oder auch zur Wassereinspritzung (entweder zur Befeuchtung des der Brennstoffzelle zuzuführenden Kathodengases oder zur Kühlung des Brennstoffzellensystems) eine Abscheidung oder gar eine Rückgewinnung von Wasser aus der Kathodenabluft vorsehen. Üblicherweise erfolgt die Rückgewinnung mittels eines Kondensators, der jedoch gerade bei hohen Umgebungstemperaturen nur einen sehr geringen Anteil an Wasser abscheiden bzw. zurückgewinnen kann, so dass die Leistung des Brennstoffzellensystems gerade in den Sommermonaten nicht vollständig ausgeschöpft werden kann, ohne einen erheblichen Anteil an weiterer Energie für eine ausreichende Wasserrückgewinnung zur Kühlung des Brennstoffzellensystems und zur Befeuchtung des Kathodengases aufzuwenden.
Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems anzugeben, das ein ausgeglichenes, sparsames Energiemanagement fördert, und somit ein energieeffizientes Betreiben des Brennstoffzellensystems ermöglicht. Des Weiteren ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems mit einem Wasserstoffspeicher sowie ein Kraftfahrzeug, das eine solche Vorrichtung umfasst, bereitzustellen, die bzw. das energiesparend arbeitet, die Bildung von Wasserkondensationswolken in der Brennstoffzellensystemabluft vermeidet, und gleichzeitig im Wesentlichen ohne Zuführung von Wärme aus externen Heizvorrichtungen bei der Bereitstellung von Anodenwasserstoffgas auskommt.
Die Aufgabe wird bei einem Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems, das mindestens eine Brennstoffzelle mit einer Kathode und einer Anode umfasst, gelöst. Die Kathode ist hierzu mit einer Kathodengaszuführung verbunden. An einen Ausgang der Brennstoffzelle ist ferner eine Brennstoffzellenabluftleitung angeschlossen. Unter einer Brennstoffzellenabluftleitung im Sinne der Erfindung wird eine Kathodenabluftleitung, die Abgase der Kathode befördert, eine Anodenabluftleitung, die Abgase der Anode befördert oder eine Brennstoffzellenmischabluftleitung, die ein Mischabgas aus Abgasen der Anode und der Kathode befördert, verstanden. Wird demnach erfindungsgemäß von einem Bauteil in der Brennstoffzellenabluftleitung gesprochen, so kann sich das Bauteil, sofern keine einschränkenden Angaben dazu gemacht werden, in der Kathodenabluftleitung, in der Anodenabluftleitung oder in der Brennstoffzellenmischabluftleitung befinden. Erfindungsgemäß ist in der Brennstoffzellenabluftleitung mindestens ein erster Kondensator angeordnet, der mindestens einen Wärmetauscher und mindestens einen Wasserabscheider umfasst. Die Anode ist über eine Wasserstoffzuführung mit einem Wasserstoffspeicher verbunden. Das erfindungsgemäße Verfahren ist durch den Schritt des Übertragens von Wärme aus der in der Brennstoffzellenabluftleitung vorhandenen Brennstoffzellenabluft auf den der Anode zuzuführenden Wasserstoff unter Auskondensieren von Wasser aus der Brennstoffzellenabluft im ersten Kondensator, gekennzeichnet.
Unter einem Wasserstoffspeicher im Sinne der Erfindung wird jegliche Art Tanksystem verstanden, in dem der der Anode zuzuführende Wasserstoff auf einem Temperaturniveau bevorratet wird, das mindestens 20°C unterhalb der Temperatur der Abluft in der Brennstoffzellenabluftleitung liegt. Vorzugsweise wird der Wasserstoff im Wasserstoffspeicher unterhalb von etwa 0 °C bevorratet. Je größer die Temperaturdifferenz zwischen dem bevorrateten Wasserstoff und der Abluft in der Brennstoffzellenabluftleitung, desto größer ist der erfindungsgemäß erzielte Effekt. Ein Wasserstoffspeicher umfasst somit herkömmliche Kryotanks, die Flüssigwasserstoff speichern aber auch Tanks, sogenannte Kryodrucktanks, die für eine Betriebstemperatur von -240 °C bis 85 °C zugelassen sind, in denen der Wasserstoff gasförmig unter Druck und auf einem entsprechenden Temperaturniveau gehalten wird. Durch den Übertrag von Wärme aus der Abkühlung der Brennstoffzellenabluft und Freisetzung von Kondensationswärme, auf den der Anode bereitzustellenden Wasserstoff, werden gleich zwei vorteilhafte Effekte erzielt: zum einen wird der Brennstoffzellenabluft Wärme entzogen, so dass sie sich abkühlt und Wasser im Kondensator auskondensiert, das gezielt aus der Brennstoffzellenabluft ausgeschleust werden kann. Zum anderen steht diese Wärme direkt zur Temperaturerhöhung des anodenseitigen Wasserstoffes bereit. So wird die Bildung von Kondensationswasserwolken im Abgas des Brennstoffzellensystems effektiv vermieden und gleichzeitig, insbesondere ohne Zuführung von externer Energie, eine Anhebung der Temperatur des Brenngases der Brennstoffzelle, vorzugsweise auf eine Temperatur, die mindestens so hoch ist wie der Taupunkt der Brennstoffzellenabluft, erwirkt. Je mehr Wärme auf den Wasserstoff übertragen wird, desto höhere Leistungsanfragen an das Brennstoffzellensystem können bedient werden und desto tiefer sinkt sodann die Temperatur der Brennstoffzellenabluft, so dass mehr Wasser aus der Brennstoffzellenabluft auskondensiert wird. Optische Beeinträchtigungen durch Kondensationswolken werden somit effektiv vermieden und sicherheitsrelevante Aspekte aufgrund von Eisbildung, gerade durch unkontrollierte Kondensation von Brennstoffzellenabluftwasser bei niedrigen Umgebungstemperaturen, berücksichtig. Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann das Brennstoffzellensystem energiesparend, hocheffizient und sicher betrieben werden. Die Unteransprüche haben vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung zum Inhalt.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt das Übertragen von Wärme aus der Brennstoffzellenabluft auf den Wasserstoff im Wasserstoffspeicher und/oder auf den Wasserstoff in der Wasserstoffzuführung. Der Übertrag von Wärme auf den Wasserstoff im Wasserstoffspeicher, also beispielsweise durch Erwärmen des Speichers selbst, erfordert zwar zunächst einen hohen Eintrag von Wärmeenergie, sichert aber eine zuverlässige und dauerhafte Leistungsbereitstellung des Brennstoffzellensystems. Eine Übertragung von Wärme auf den Wasserstoff, der bereits dem Wasserstoffspeicher entnommen wurde und sich in der Wasserstoffzuleitung befindet, ist insbesondere vorteilhaft, wenn das Brennstoffzellensystem gerade hochgefahren wird, da zu diesem Zeitpunkt die Brennstoffzellenabluft oftmals nur geringe Mengen an Wasser mit sich führt und der Wärmeübertrag lediglich in einem kleineren Umfang erfolgen kann. Der Wärmeübertrag ist dann mit demjenigen eines Durchlauferhitzers zu vergleichen. Möglich ist auch ein kombinierter Wärmeübertrag sowohl auf den Wasserstoff im Wasserstoffspeicher als auch auf den Wasserstoff in der Wasserstoffzuführung.
Vorzugsweise erfolgt das Übertragen von Wärme auf den anodenseitigen Wasserstoff aus der Kathodenabluft und/oder der Anodenabluft. Da insbesondere die Kathodenabluft größere Mengen an Wasser führt, ist ein Übertragen von Wärme aus der Kathodenabluft durch Auskondensation von Wasser besonders bevorzugt.
Um die Energieeffizienz des erfindungsgemäßen Verfahrens weiter zu steigern, wird das auskondensierte Wasser der Kathodengaszuführung und/oder der Brennstoffzelle zugeführt. Dies kann ein separates Befeuchten des Kathodengases und/oder externe Kühlvorrichtungen für die Brennstoffzelle ersparen. Durch die effiziente Wasserabscheidung und die daraus resultierende Befeuchtung können selbst hohe Leistungsanfragen an das Brennstoffzellensystem bedient werden, wobei selbst bei gleicher erzeugter elektrischer Leistung weniger Wärme produziert wird, so dass das Kühlsystem zusätzlich entlastet wird.
Besonders effizient erfolgt das Übertragen von Wärme durch Passieren eines Gas/Gas-Wärmetauschers oder alternativ dazu durch Passieren von zwei fluidleitend in Verbindung stehenden Flüssig/Gas-Wärmetauschern. Ein Gas/Gas-Wärmetauscher ist dabei besonders bauraumsparend.
Weiter vorteilhaft wird das Übertragen von Wärme nach dem Gegenstromprinzip ausgeführt, da dadurch ein bestmöglicher Wärmeübertrag stattfindet, wobei gleichzeitig hohe Temperaturgradienten bei der Brennstoffellenabluftleitung vermieden werden. Hohe Gradienten können zur Beeinträchtigung durch gefrierendes Wasser führen und die Materialien unnötigen Belastungen aussetzen.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass der Wasserstoff vor oder nach dem Übertragen von Wärme expandiert wird. Eine Expansion vor dem Wärmeübertrag hat den Vorteil, dass durch die Expansion des Wasserstoffes dieser weiter abkühlt und durch den geringen Druck die Auslegung des Wärmetauschers des ersten Kondensators einfacher ist. Eine Expansion nach dem Wärmeübertrag ist technisch einfacher umsetzbar, da z.B. keine Druckregelventile benötigt werden, die unter kryogenen Bedingungen arbeiten. Im Gegenzug erwärmt sich der Wasserstoff in diesem Fall durch die ausgeführte Expansion weiter (negativer Joule-Thomson- Effekt), wodurch die zu übertragende Wärme geringer ausfallen kann.
Femer vorteilhaft wird die bei der Expansion des Wasserstoffes freigesetzte Kälte zum Kühlen der Kathodenabluft und/oder zum Auskondensieren von Wasser aus der Kathodenabluft verwendet. Dies ermöglicht bei gleicher Molmenge an Wasserstoff eine zusätzliche Auskondensation von Wasser, was insbesondere bei hohen Umgebungstemperaturen für eine ausreichende Kondensation von Wasser und damit eine gute Befeuchtung des Kathodengases und/oder eine Kühlung der Brennstoffzelle, von Vorteil ist. Durch die vorteilhafte Weiterbildung dass das Brennstoffzellensystem einen zweiten Kondensator umfasst, und das Verfahren durch den Schritt des Auskondensierens von Wasser aus der Brennstoffzellenabluft im zweiten Kondensator gekennzeichnet ist, werden noch tiefere Temperaturen in der Brennstoffzellenabluft erreicht, so dass daraus eine größere Menge an Wasser abgeschieden werden kann, die für Kühlzwecke und zur Befeuchtung von Kathodengas zur Verfügung steht. Der erste Kondensator und der zweite Kondensator können dabei in getrennten Bauteilen oder in einem Bauteil integriert vorliegen. Vorzugsweise teilen sich beide Kondensatoren einen Wasserabscheider, da somit die Verfahrensführung vereinfacht wird. Durch den vorteilhaften Schritt des Speicherns von auskondensiertem Wasser in einem Wassertank, kann eine Vorratsspeicherung von Kondensationswasser erfolgen, so dass bei hohen Leistungsanfragen an das Brennstoffzellensystem gezielt und direkt, ohne zeitliche Verzögerung, mit hoher Kühlleistung und einer ausreichenden Menge an befeuchtetem Kathodengas reagiert werden kann. Zudem ist es möglich, überschüssiges Wasser zu definierten Zeitpunkten, oder bei einem transportablen Brennstoffzellensystem auch an gezielten Orten, abzulassen. Das kann beispielsweise über einen gesonderten Auslass oder über ein Abgassystem des Brennstoffzellensystems erfolgen. Des Weiteren betrifft die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung des vorstehend beschriebenen Verfahrens. Die Vorrichtung umfasst mindestens eine Brennstoffzelle mit einer Kathode und einer Anode, wobei die Kathode mit einer Kathodengaszuführung verbunden ist. Die Brennstoffzelle umfasst an ihrem Ausgang ferner eine Brennstoffzellenabluftleitung, die mindestens einen ersten Kondensator umfasst, der mindestens einen Wärmetauscher und mindestens einen Wasserabscheider enthält. Die Anode ist über eine Wasserstoffzuführung mit einem Wasserstoffspeicher verbunden. Erfindungsgemäß ist der erste Kondensator mit dem Wasserstoffspeicher und/oder der Wasserstoffzuführung wärmeleitend verbunden. Durch diese wärmeleitende Verbindung wird ein Wärmeübertrag von in den ersten Kondensator einströmender Brennstoffzellenabluft (Kathodenabluft, Anodenabluft oder Brennstoffzellenmischabluft) auf den der Anode zur Verfügung zu stellenden Wasserstoff ermöglicht. Somit kann auf externe Heizvorrichtungen oder Wärmetauscher zur Erhöhung der Temperatur des Wasserstoffs, insbesondere auf eine Temperatur oberhalb des Taupunktes der Brennstoffzellenabluft, und insbesondere auf Betriebstemperatur der Brennstoffzelle, verzichtet und selbst hohe Leistungsanfragen an das Brennstoffzellensystem prompt bedient werden. Auch vermeidet die erfindungsgemäße Vorrichtung ein unkontrolliertes Auskondensieren von Wasser sowie eine Kondensationswolkenbildung am Brennstoffzellensystemauslass mit all den optischen und sicherheitsrelevanten Beeinträchtigungen, wie z.B. der Bildung von Eisflächen am Brennstoffzellensystemauslass. Die Vorrichtung verwendet somit durch sie selbst bereitgestellte Energie und ist damit hoch leistungsfähig und zugleich energiesparend betreibbar und darüber hinaus sicher in der Anwendung.
Die für das erfindungsgemäße Verfahren aufgezeigten Vorteile, vorteilhaften Effekte und Weiterbildungen finden auch Anwendung auf die erfindungsgemäße Vorrichtung.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist der erste Kondensator fluidleitend mit der Kathodengaszuführung und/oder der Brennstoffzelle verbunden. Hierdurch wird zum einen ein Befeuchten des der Kathode zuzuführenden Kathodengases erzielt. Auf externe Befeuchtungsvorrichtungen kann verzichtet werden. Eine bessere Befeuchtung kann dabei auch für eine Erhöhung der Effizienz des Brennstoffzellensystems verwendet werden, wodurch beispielhaft bei gleicher bereitgestellter elektrischer Leistung weniger Wärme produziert wird. Alternativ dazu kann somit auch eine Steigerung der elektrischen Leistung ermöglicht werden. Darüber hinaus kann das durch den Wärmeübertrag von der Brennstoffzellenabluft auf den anodenseitigen Wasserstoff rückgewonnene Wasser auch zur Kühlung der Brennstoffzelle verwendet werden. Dies sichert auch bei hohen Leistungsanfragen einen zuverlässigen Betrieb des Brennstoffzellensystems, auch ohne externe Kühlvorrichtungen vorzusehen.
Weiter vorteilhaft zur Erhöhung der Leistung der erfindungsgemäßen Vorrichtung durch Optimierung des Wärmeübertrags, umfasst der Wärmetauscher des ersten Kondensators einen Gas/Gas Wärmtauscher oder zwei in Verbindung stehende Flüssig/Gas-Wärmetauscher.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass die Vorrichtung einen zweiten Kondensator umfasst, der mit dem ersten Kondensator fluidleitend in Verbindung steht, wobei der erste Kondensator und der zweiten Kondensator insbesondere in Reihe geschaltet sind. Hierdurch wird die Wasserabscheidekapazität deutlich erhöht, was zur Leistungssteigerung der Vorrichtung beiträgt. Vorteilhafterweise umfasst auch der zweite Kondensator einen Wärmetauscher und einen Wasserabscheider. Die Wärmetauscher des ersten Kondensators und des zweiten Kondensators können vorteilhaft in Reihe geschaltet und weiter vorteilhaft, zum Einsparen von Bauraum, in einem Bauteil integriert sein, wobei sich die Kondensatoren aus Gründen der Bauraumeffizienz ferner vorteilhafterweise einen Wasserabscheider teilen.
Ferner vorteilhaft umfasst die Vorrichtung einen mit dem ersten Kondensator und/oder dem zweiten Kondensator fluidleitend in Verbindung stehenden Wassertank. Hierdurch kann aus der Brennstoffzellenabluft rückgewonnenes Wasser gespeichert und je nach Bedarf erneut eingesetzt werden. Damit können selbst hohe Leistungsanfragen durch ausreichende Befeuchtung des Kathodengases und hohe Kühlleistung in der Brennstoffzelle spontan bedient werden. Weiter erfindungsgemäß wird auch ein Kraftfahrzeug beschrieben, das eine wie vorstehend offenbarte Vorrichtung umfasst. Das Kraftfahrzeug zeichnet sich durch eine hohe Leistungsdichte und, aufgrund des Wegfalls bauraumbeanspruchender Vorrichtungen für Anodengasheizvorrichtungen, externe Kühlvorrichtungen und Befeuchtungsvorrichtungen, durch eine kompakte Bauweise aus. Da durch die erfindungsgemäße Vorrichtung die Bildung von Kondensationswolken effektiv vermieden wird, ist das Kraftfahrzeug auch unter sicherheitsrelevanten Aspekten vorteilhaft, da die Bildung von Eisflächen in der Umgebung des Kraftfahrzeugs und eine unkontrollierte Auskondensation von Wasser vermieden werden können. Die für das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung aufgezeigten Vorteile, vorteilhaften Effekte und Weiterbildungen finden auch Anwendung auf das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug.
Ebenfalls erfindungsgemäß wird auch die Verwendung von Kälte von in einem Wasserstoffspeicher und/oder einer Wasserstoffzuführung vorliegendem Wasserstoff zur Kondensation von Wasser aus der Brennstoffzellenabluft einer Brennstoffzelle beschrieben. Hierdurch kann auf externe Heizvorrichtungen, die den Wasserstoff auf Betriebstemperatur bringen, verzichtet werden.
Aufgrund der erfindungsgemäßen Lösungen sowie deren Weiterbildungen ergeben sich folgende Vorteile:
- Das Verfahren ist einfach ohne hohen technischen Aufwand umsetzbar.
- Durch das Verfahren kann effektiv Energie für den Betrieb eines Brennstoffzellensystems eingespart werden. Zusätzliche Befeuchtung von Kathodengas und Kühlung der Brennstoffzellen können ohne externe Vorrichtungen bereitgestellt werden.
- Das Verfahren trägt zur Erhöhung der Leistungsdichte des Brennstoffzellensystems bei.
- Die Vorrichtung ist hoch effizient in der Leistungsausbeute, energiesparend und sicher in der Anwendung.
- Kondensationswolken und sich daraus entwickelnde Problematik mit Eisbildung werden effektiv vermieden. Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und den Figuren. Es zeigen:
Figur 1 eine Teilansicht einer Vorrichtung gemäß einer ersten
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
Figur 2 eine schematische Darstellung zur Veranschaulichung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
Figur 3 eine Teilansicht einer Vorrichtung gemäß einer zweiten
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
Figur 4 eine Teilansicht einer Vorrichtung gemäß einer dritten
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, Figur 5 eine Teilansicht einer Vorrichtung gemäß einer vierten
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und
Figur 6 ein Diagramm zur Veranschaulichung des Temperaturverlaufs während der Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Die vorliegende Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen im Detail erläutert. In den Figuren sind nur die hier interessierenden Aspekte der erfindungsgemäßen Vorrichtung bzw. des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt, alle übrigen Aspekte sind der Übersichtlichkeit halber weggelassen. Ferner stehen gleiche Bezugszeichen für gleiche Elemente.
Figur 1 zeigt einen Ausschnitt aus einer schematischen Darstellung einer Vorrichtung 15 gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Die Vorrichtung 15 umfasst eine Brennstoffzelle 3 mit einer Kathode und einer Anode, wobei die Kathode mit einer Kathodengaszuführung 4, beispielsweise zum Zuführen von Sauerstoff oder Luft zur Kathode, verbunden ist. An einen Ausgang der Brennstoffzelle 3 ist eine Brennstoffzellenabluftleitung 5 zum Ausschleusen von Brennstoffzellenabluft, angeordnet.
Die Anode der Brennstoffzelle 3 ist über eine Wasserstoffzuführung 2 mit einem Wasserstoffspeicher 1 verbunden. Die Brennstoffzelle 3 ist für den Betrieb mit Wasserstoffgas ausgebildet, wobei durch Reaktion mit dem Kathodengas Wasser gebildet wird. Der Wasserstoffspeicher 1 speichert Wasserstoff als Brennstoff für die Brennstoffzelle 3 in gasförmiger oder flüssiger Form, bei einer Temperatur, die mindestens 20 °C unterhalb einer Temperatur der Abluft in der Brennstoffzellenabluftleitung 5 liegt. Vorzugsweise hat der im Wasserstoffspeicher 1 bevorratete Wasserstoff eine Temperatur von weniger als etwa 0°C und wird unter Druck bevorratet. Die Brennstoffzellenabluftleitung 5 umfasst einen ersten Kondensator 7, in den die Brennstoffzellenabluft über die Brennstoffzellenabluftleitung 5 eingeleitet wird. Der erste Kondensator 7 weist dabei mindestens einen Wärmetauscher und mindestens einen Wasserabscheider auf.
An den ersten Kondensator 7 ist eine Wasserablassleitung 8 zum Ausschleusen von im ersten Kondensator 7 abgeschiedenem Wasser aus der Brennstoffzellenabluft angeschlossen, die in einen Wassertank 9 mündet, der zur Bevorratung des abgeschiedenen Wassers dient. Das im Wassertank 9 gespeicherte Wasser kann beispielsweise mittels einer Fördervorrichtung 10, wie z.B. einer Pumpe, über eine Befeuchtungsleitung 12 der Kathodengaszuführung 4 zugeführt werden, so dass das aus der Brennstoffzellenabluft auskondensierte und abgeschiedene Wasser zur Befeuchtung des der Brennstoffzelle 3 zuzuführenden Kathodengases, bzw. auch zur Kühlung der Brennstoffzelle 3, verwendet werden kann.
Wie bereits ausgeführt, umfasst der erste Kondensator 7 einen Wärmetauscher und eine Wasserabscheidevorrichtung. Der erste Kondensator 7 ist mit der Wasserstoffzuführung 2 wärmeleitend verbunden. Die in der Brennstoffzellenabluft enthaltene Wärme sowie die Kondensationswärme werden somit auf die Wasserstoffzuführung 2, und damit auf den in der Wasserstoffzuführung 2 enthaltenen Wasserstoff, übertragen. Der in Figur 1 dargestellte Pfeil im Inneren des ersten Kondensators 7 steht dabei für den Wärmeübertrag 6 von der Brennstoffzellenabluft auf den anodenseitigen Wasserstoff. Der in der Wasserstoffzuführung 2 enthaltene Wasserstoff wird somit erwärmt und vorzugsweise direkt auf Betriebstemperatur gebracht. Die Brennstoffzellenabluft wird durch den Wärmeübertrag 6 abgekühlt, so dass Wasser aus ihr auskondensiert und im Wasserabscheider abgeschieden und über die Wasserablassleitung 8 aus dem ersten Kondensator 7 ausgeschleust und im Wassertank 9 gespeichert wird. Es liegt ein im Wesentlichen geschlossener Wasserkreislauf vor, wobei das der Kathodengaszuführung 4 zugeleitete Wasser für die Befeuchtung des Kathodengases aus der Brennstoffzellenabluft durch Kondensation im ersten Kondensator 7 unter Übertrag von Wärme auf den der Anode zuzuführenden Wasserstoff rückgewonnen wird.
Figur 2 ist eine schematische Darstellung zur Veranschaulichung des erfindungsgemäßen Verfahrens. In dem hier gezeigten Ausschnitt sind die zwei möglichen Optionen für den Wärmeübertrag vom ersten Kondensator 7 dargestellt, nämlich ein Wärmeübertrag auf den in der Wasserstoffzuführung 2 enthaltenen Wasserstoff 6a und ein Wärmeübertrag auf den im Wasserstoffspeicher 1 enthaltenen Wasserstoff 6b. Möglich ist auch ein kombinierter Wärmeübertrag sowohl auf den in der Wasserstoffzuführung 2 enthaltenen Wasserstoff als auch auf den im Wasserstoffspeicher 1 enthaltenen Wasserstoff. Figur 3 ist eine Teilansicht einer Vorrichtung 25 gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Im Vergleich zu der Vorrichtung 15 aus Figur 1 sind hier zwei Kondensatoren in Reihe geschaltet. Genauer gesagt sind zwei Wärmetauscher 7b und 7c in Reihe geschaltet, die mit einem Wasserabscheider 7a verbunden sind. Die beiden Kondensatoren teilen sich somit einen Wasserabscheider 7a. Der Wärmetauscher 7b entspricht dabei dem Wärmetauscher des ersten Kondensators aus Figur 1. Dieser ist für den Wärmeübertrag auf den in der Wasserstoffzuführung 2 enthaltenen Wasserstoff verantwortlich. Der zweite Wärmetauscher 7c dient der Vorkühlung der Brennstoffzellenabluft, so dass in Summe eine größere Menge an Wasser aus der Brennstoffzellenabluft auskondensiert und eine größere Menge an Wärme auf den Wasserstoff übertragen werden kann.
Figur 4 ist eine Teilansicht einer Vorrichtung 35 gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Im Vergleich zu den Vorrichtungen 15 und 25 aus Figuren 1 und 3 umfasst die Vorrichtung 35 aus Figur 4 einen ersten Kondensator 7 und zusätzlich zwei weitere Wärmetauscher 13, 14. So ist im Wasserstoffspeicher 1 ein Wasserstoffspeicherwärmetauscher 13 und in der Wasserstoffzuführung 2 ein Niedertemperaturwärmetauscher 14 angeordnet. Aus dem Wasserstoffspeicher 1 wird der Anode der Brennstoffzelle 3 über die Wasserstoffzuführung 2 Wasserstoff zugeführt. Dieser wird hierzu in dem Niedertemperaturwärmetauscher 14 erwärmt und auf Betriebstemperatur gebracht. Nach dem Durchlaufen des Niedertemperaturwärmetauschers 14 wird mindestens zeitweise und/oder mindestens ein Teil des erwärmten Wasserstoffes in eine Wasserstoffleitung 19 abgeleitet und dem Wasserstoffspeicherwärmetauscher 13 zugeführt. Dort überträgt der dem Wasserstoffspeicherwärmetauscher 13 zugeführte Wasserstoff Wärme auf den im Wasserstoffspeicher 1 enthaltenen Wasserstoff. Der Wasserstoff wird dadurch vorgewärmt. Die Menge an dem Wasserstoffspeicherwärmetauscher 13 über die Wasserstoffleitung 19 zuzuleitendem Wasserstoff wird über ein Dreiwegeventil 16 gesteuert. Aufgrund der Druckdifferenz im Tank ist es vorteilhaft diesen Teil vor der Entspannung des Wasserstoffes auf Betriebsdruck/Regeldruck durchzuführen.
Der Wasserstoff, der den Wasserstoffspeicherwärmetauscher 13 durchlaufen hat, hat aufgrund der auf den im Wasserstoffspeicher 1 enthaltenen Wasserstoff übertragenen Wärme wieder eine niedrigere Temperatur. Er wird aus dem Wasserstoffspeicherwärmetauscher 13 über eine Wasserstoffleitung 18 ausgeschleust. Die Wasserstoffleitung 18 ist dabei über ein Dreiwegeventil 1 1 mit dem ersten Kondensator 7 verbunden, so dass der erneut abgekühlte Wasserstoff aus der Wasserstoff leitung 18 dem ersten Kondensator 7 zugeleitet werden kann, wo er durch den im ersten Kondensator 7 enthaltenen Wärmetauscher durch Übertrag von Wärme aus der Brennstoffzellenabluft erwärmt wird. Der neuerlich im ersten Kondensator 7 erwärmte Wasserstoff wird über eine Wasserstoffleistung 20 ausgeleitet und über das Dreiwegeventil 16 der Anode der Brennstoffzelle 3 zugeführt. Die Vorrichtung 35 umfasst noch eine weitere Wasserstoffleitung 17, die die Wasserstoffzuführung 2 über das Dreiwegeventil 1 1 mit dem ersten Kondensator 7 verbindet. Da der in der Wasserstoffleitung 17 enthaltene Wasserstoff direkt aus dem Wasserstoffspeicher 1 kommt und nicht den Niedertemperaturwärmetauscher 14 durchlaufen hat, hat er eine sehr niedrige Temperatur und kann im ersten Kondensator 7 einen hohen Betrag an Wärme aufnehmen, wobei eine große Menge an Wasser aus der Brennstoffzellenabluft auskondensiert werden kann.
In der Vorrichtung 35 aus Figur 4 ist kein Wassertank vorgesehen, so dass das im Wasserabscheider des ersten Kondensators 7 abgeschiedene Wasser direkt über die Wasserablassleitung 8 aus der Vorrichtung ausgeschleust wird. Es ist aber auch möglich einen Wassertank vorzusehen und diesen mit der Kathodengaszuführung 4 oder direkt mit der Brennstoffzelle 3 über eine entsprechende Zuleitung zu verbinden.
Figur 5 ist eine Teilansicht einer Vorrichtung 45 gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Vorrichtung 45 umfasst wie Vorrichtung 15 aus Figur 1 einen ersten Kondensator 7 und zusätzlich einen Wasserstoffspeicherwärmetauscher 13. Wasserstoff wird aus dem Wasserstoffspeicher 1 über die Wasserstoffzuführung 2 in den ersten Kondensator 7 geleitet. Dort findet ein Wärmeübertrag von Wärme aus der Brennstoffzellenabluft auf den Wasserstoff statt, der dadurch erwärmt wird. Gleichzeitig wird die Brennstoffzellenabluft gekühlt und enthaltenes Wasser kondensiert aus ihr aus, das über die Wasserablassleitung 8 aus dem ersten Kondensator 7 ausgeschleust wird.
Erwärmter Wasserstoff wird nach Passieren des ersten Kondensators 7 über die Wasserstoffleitung 20 und ein Dreiwegeventil 21 der Anode der Brennstoffzelle 3 zugeleitet. Über das Dreiwegeventil 21 kann aber auch im ersten Kondensator 7 vorgewärmter Wasserstoff über die Wasserstoffleitung 19 dem Wasserstoffspeicherwärmetauscher 13 zugeleitet werden, so dass durch den Wärmeübertrag im Wasserstoffspeicherwärmetauscher 13 Wasserstoff im Wasserstoffspeicher 1 erwärmt wird. Der sodann im Wasserstoffspeicherwärmetauscher 13 erneut abgekühlte Wasserstoff kann dann ebenfalls der Wasserstoffleitung 20 zugeführt werden, wo er, vorteilhafterweise mit aus im ersten Kondensator 7 erwärmten Wasserstoff vermengt, dadurch erwärmt und der Anode der Brennstoffzelle 3 zugeführt werden kann.
Figur 6 ist ein Diagramm zur Veranschaulichung des Temperaturverlaufs während der Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Im Diagramm ist auf der y-Achse die Temperatur aufgetragen.
Im Detail zeigt das Diagramm den Temperaturverlauf der Gase bei Verwendung einer Vorrichtung, die, wie in Figur 3 gezeigt, zwei in Reihe geschaltete Kondensatoren umfasst, nämlich einen zweiten Kondensator, der in der Brennstoffzellenabluftleitung am Ausgang der Brennstoffzelle angeordnet ist und einen sich an den zweiten Kondensator in Reihe anschließenden ersten Kondensator. Der erste Kondensator und der zweite Kondensator weisen, im Unterschied zu der Vorrichtung 25 aus Figur 3, jeweils einen Wärmetauscher und einen Wasserabscheider auf. Der Bereich P bezeichnet den Bereich des Kühlkreislaufes um den zweiten Kondensator. Der zweite Kondensator befindet sich im Ausgangszustand auf einem niedrigen Temperaturniveau. Das Temperaturniveau R bezeichnet dabei die Temperatur des Kühlmittels des zweiten Kondensators im Ausgangszustand.
Der Bereich K beziffert den Bereich der Brennstoffzellenabluft. Die Brennstoffzellenabluft ist direkt nach Austritt aus der Brennstoffzelle warm und damit auf einem hohen Temperaturniveau. Das Temperaturniveau A bezeichnet die Brennstoffzellenablufttemperatur beim Eintritt in den zweiten Kondensator. Durch Wärmeübertrag 6c sinkt die Temperatur der Brennstoffzellenabluft auf ein Temperaturniveau B. Das Temperaturniveau B zeigt dabei die Temperatur an, die die Brennstoffzellenabluft beim Austritt aus dem zweiten Kondensator hat. Die im Wärmeübertrag 6c zu übertragene Menge an Wärme resultiert dabei im Wesentlichen aus der Abkühlung der Brennstoffzellenabluft M im Wärmetauscher des zweiten Kondensators und der bei der Wasserabscheidung im Wasserabscheider des zweiten Kondensators freiwerdenden Kondensationswärme N.
Durch den Wärmeübertrag 6c wird die Kühlmitteltemperatur des zweiten Kondensators vom Temperaturniveau R auf das Temperaturniveau S angehoben. Es findet also ein Wärmetransfer T auf das Kühlmittel des zweiten Kondensators statt.
Die Brennstoffzellenabluft hat nach Durchlaufen des zweiten Kondensators ein Temperaturniveau B. Die Brennstoffzellenabluft wird dann dem ersten Kondensator zugeleitet. Beim Durchlaufen des ersten Kondensators findet erneut eine Abkühlung der Brennstoffzellenabluft M im Wärmetauscher des ersten Kondensators und eine Wasserabscheidung im Wasserabscheider des ersten Kondensators unter Freisetzung von Kondensationswärme N statt. Die somit freiwerdenden Wärmebeträge M+N werden durch einen Wärmeübertrag 6b, beispielsweise auf den im Wasserstoffspeicher enthaltenen Wasserstoff, übertragen. Alternativ oder additiv kann auch ein Wärmeübertrag auf den in der Wasserstoffzuführung enthaltenen Wasserstoff erfolgen. Je tiefer dabei die Temperatur der Abluft gesenkt werden kann, desto mehr Wasser kann aus der Abluft auskondensiert werden.
In Figur 6 sei beispielhaft ein Wärmeübertrag auf den im Wasserstoffspeicher enthaltenen Wasserstoff skizziert. Der Bereich L bezeichnet dabei den Bereich des Wasserstoffspeichers, kann aber genauso gut den Bereich des in der Wasserstoffzuführung enthaltenen Wasserstoffes oder eine Kombination der beiden Bereiche beziffern. Der Wasserstoff im Wasserstoffspeicher hat im Ausgangszustand ein niedriges Temperaturniveau X. Durch den Wärmeübertrag 6b wird die Temperatur des Wasserstoffes durch Wärmetransfer O auf ein Niveau Y angehoben.
In Summe wird damit das Temperaturniveau im zweiten Kondensator angehoben, das Temperaturniveau in der Kathodenabluft gesenkt und das Temperaturniveau des im Wasserstoffspeicher (und/oder der Wasserstoffzuleitung) enthaltenen Wasserstoffes angehoben.
Die vorhergehende Beschreibung der vorliegenden Erfindung dient nur zu illustrativen Zwecken und nicht zum Zwecke der Beschränkung der Erfindung. Im Rahmen der Erfindung sind verschiedene Änderungen und Modifikationen möglich, ohne den Umfang der Erfindung sowie ihrer Äquivalente zu verlassen.
Bezugszeichenliste: 1 Wasserstoffspeicher
2 Wasserstoffzuführung
3 Brennstoffzelle
4 Kathodengaszuführung
5 Brennstoffzellenabluftleitung
6 Wärmeübertrag
6a Wärmeübertrag auf Wasserstoff in der Wasserstoffzuführung
6b Wärmeübertrag auf Wasserstoff im Wasserstoffspeicher
6c Wärmeübertrag
7 erster Kondensator
7a gemeinsamer Wasserabscheider des ersten Kondensators und eines zweiten Kondensators
7b Wärmetauscher des ersten Kondensators
7c Wärmetauscher eines zweiten Kondensators
8 Wasserablassleitung
9 Wassertank
10 Wasserfördervorrichtung
1 1 Dreiwegeventil
12 Befeuchtungsleitung
13 Wasserstoffspeicherwärmetauscher
14 Niedertemperaturwärmetauscher
15 Vorrichtung
16 Dreiwegeventil
17 Wasserstoffleitung
18 Wasserstoffleitung
19 Wasserstoffleitung
20 Wasserstoffleitung
21 Dreiwegeventil
25 Vorrichtung Vorrichtung Vorrichtung

Claims

Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems, umfassend mindestens eine Brennstoffzelle (3) mit einer Kathode und einer Anode, wobei die Kathode mit einer Kathodengaszuführung (4) verbunden ist, wobei an einen Ausgang der Brennstoffzelle (3) eine Brennstoffzellenabluftleitung (5) angeschlossen ist, die mindestens einen ersten Kondensator (7), der mindestens einen Wärmetauscher (7b) und mindestens einen Wasserabscheider enthält, umfasst, wobei die Anode über eine Wasserstoffzuführung (2) mit einem Wasserstoffspeicher (1 ) verbunden ist, gekennzeichnet durch den Schritt des Übertragens von Wärme aus der Brennstoffzellenabluft auf den der Anode zuzuführenden Wasserstoff unter Auskondensieren von Wasser aus der Brennstoffzellenabluft im ersten Kondensator (7).
Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Übertragen von Wärme aus der Brennstoffzellenabluft auf den Wasserstoff im Wasserstoffspeicher (1 ) und/oder auf den Wasserstoff in der Wasserstoffzuführung (2) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Übertragen von Wärme aus der Kathodenabluft und/oder der Anodenabluft, insbesondere aus der Kathodenabluft, erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das auskondensierte Wasser der Kathodengaszuführung (4) und/oder der Brennstoffzelle (3) zugeführt wird und/oder dadurch gekennzeichnet, dass das Übertragen von Wärme durch Passieren eines Gas/Gas-Wärmetauschers oder durch Passieren von zwei fluidleitend in Verbindung stehenden Flüssig/Gas-Wärmetauschern erfolgt und/oder dadurch gekennzeichnet, dass das Übertragen von Wärme nach dem Gegenstromprinzip ausgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wasserstoff vor oder nach dem Übertragen von Wärme expandiert wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die bei der Expansion des Wasserstoffes freigesetzte Kälte zum Kühlen der Brennstoffzellenabluft und/oder zum Auskondensieren von Wasser aus der Brennstoffzellenabluft verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Brennstoffzellensystem einen zweiten Kondensator umfasst, und das Verfahren durch den Schritt des Auskondensierens von Wasser aus der Brennstoffzellenabluft im zweiten Kondensator gekennzeichnet ist.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend mindestens eine Brennstoffzelle (3) mit einer Kathode und einer Anode, wobei die Kathode mit einer Kathodengaszuführung (4) verbunden ist, wobei an einen Ausgang der Brennstoffzelle (3) eine Brennstoffzellenabluftleitung (5) angeschlossen ist, die mindestens einen ersten Kondensator (7), der mindestens einen Wärmetauscher (7b) und mindestens einen Wasserabscheider enthält, umfasst, wobei die Anode über eine Wasserstoffzuführung (2) mit einem Wasserstoffspeicher (1 ) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Kondensator (7) mit dem Wasserstoffspeicher (1 ) und/oder der Wasserstoffzuführung (2) wärmeleitend verbunden ist. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Kondensator (7) fluidleitend mit der Kathodengaszuführung (4) und/oder der Brennstoffzelle (3) verbunden ist und/oder dass der Wärmetauscher des ersten Kondensators (7b) einen Gas/Gas Wärmtauscher oder zwei in Verbindung stehende Flüssig/Gas- Wärmetauscher umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, gekennzeichnet durch einen zweiten Kondensator, der mit dem ersten Kondensator (7) fluidleitend in Verbindung steht, wobei der erste Kondensator (7) und der zweiten Kondensator insbesondere in Reihe geschaltet sind und/oder gekennzeichnet durch einen mit dem ersten Kondensator (7) und/oder dem zweiten Kondensator fluidleitend in Verbindung stehenden Wassertank (9).
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