DE10055245A1 - Brennstoffzellensystem und Verfahren zum Start eines Brennstoffzellensytems - Google Patents

Abstract

Brennstoffzellensystem, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, mit wenigstens einer Brennstoffzelle und einer Einrichtung zur Versorgung der wenigstens einen Brennstoffzelle mit Wasserstoff oder einem wasserstoffhaltigen Gas, wobei insbesondere bei einem Start oder Kaltstart des Systems einzelne Komponenten der Einrichtung oder die wenigstens eine Brennstoffzelle mittels in einem Kühlwassersystem enthaltenen Kühlwassers wärmebeaufschlagbar sind, wobei das Kühlwassersystem eine Isoliereinrichtung zur wärmeisolierenden Speicherung von Kühlwasser aufweist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie ein Verfahren zum Start eines Brennstoffzellensystems nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 8.

Brennstoffzellensysteme weisen beispielsweise eine Gaserzeu­ gungseinrichtung auf, welche den zum Betrieb der Brennstoffzel­ len notwendigen Wasserstoff als Brennstoff liefern. Hierzu wird in einem Reformer beispielsweise Methanol reformiert, wobei ge­ mäß folgender Reaktion Kohlendioxid und Wasserstoff entstehen:

CH₃OH + H₂O → CO₂ + 3H₂

Durch Zufuhr von Luft/Sauerstoff kann dieser Prozeß durch die exotherme Umsetzung des Kohlenwasserstoffs unterstützt werden. Ein wasserstoffreiches Gas wird dabei durch partielle Oxidation des Kohlenwasserstoffes erzeugt.

Bei dieser Umsetzung von Methanol entsteht in Zwischenschritten auch Kohlenmonoxid, so daß das Reformat im wesentlichen Wasser­ stoff, Kohlendioxid, Wasser(dampf) und Kohlenmonoxid enthält. Die bei ca. 1% liegende CO-Konzentration muß zur Verwendung des Reformats in einer Brennstoffzelle auf unter 40 ppm abgesenkt werden, da Kohlenmonoxid den Wirkungsgrad von Polymermembran- Brennstoffzellen drastisch senkt.

Zur Entfernung von CO in wasserstoffreicher Atmosphäre können die Wasserstoff-Shiftreaktion und die selektive Oxidation von CO in Festbettreaktoren an entsprechenden selektiven Katalysa­ toren vorgenommen werden. Durch derartige Maßnahmen ist es mög­ lich, den CO-Anteil des Reformats auf unter 40 ppm zu reduzie­ ren.

Derartige Verfahren sind beispielsweise aus der US-5,271,916, der DE 43 34 983 A1 oder der DE 195 44 895 C1 bekannt.

Die zahlreichen bekannten Vorrichtungen und Verfahren betreffen den Betrieb der Systeme, wenn diese ihre Betriebstemperatur er­ reicht haben. Beim Start eines Brennstoffzellensystems ist es notwendig, die CO-Oxidationsstufen möglichst schnell auf Be­ triebstemperatur zu bringen, um von Anfang an der Brennstoff­ zelle ein Reformat mit geringen CO-Konzentrationen zur Verfü­ gung zu stellen.

Um dieses Problem zu lösen, wurde in der JP 0010029802 A (Anmel­ denummer: 1996,202803) vorgeschlagen, den Katalysator der se­ lektiven Oxidationsstufe mit einem im wesentlichen aus Wasser­ stoff bestehenden Gas bei einer Temperatur oberhalb 50° vorzu­ behandeln, wobei das Gas in dem Katalysator ohne Zugabe von Luft reagiert. Im gleichen Zusammenhang wurde in der JP 0008133701 A (Anmeldenummer: 1994, 288612) vorgeschlagen, für den Kaltstart oder nach Betriebsunterbrechungen dem selektiven Oxidationsreaktor Oxidationsmittel (Luft) immer dann im Über­ schuß zuzuführen, wenn die Temperatur unterhalb der Katalysa­ torbetriebstemperatur liegt. Hierdurch wird zusätzlich zum Koh­ lenmonoxid auch Wasserstoff oxidiert, wodurch die Temperatur aufgrund der exothermen Reaktion schnell ansteigt. Nach Errei­ chen der Aktivierungstemperatur des Katalysators wird die Zu­ fuhr des Oxidationsmittels derart gesteuert, daß eine optimale Umsetzung des Kohlenmonoxids erfolgt.

Aus der JP 04296460 A ist es bekannt, beim Betrieb einer Brenn­ stoffzelle von einem vorangegangenen Betrieb noch erwärmtes Kühlwasser zu verwenden, um eine Reformatgastemperatur zu erhö­ hen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, beim Kaltstart und nach Betriebsunterbrechungen eine Verfügbarkeit eines mittels eines Brennstoffzellensystems angetriebenen Kraftfahrzeugs zu gewährleisten.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie ein Verfahren zum Start eines Brennstoffzellensystems mit den Merkmalen des Pa­ tentanspruchs 8.

Erfindungsgemäß ist zur Aufwärmung der Komponenten eines Brenn­ stoffzellensystems (Gaserzeugungssystem, Brennstoffzelle) der Kühlwasserstrom der Brennstoffzelle verwendbar. Das Kühlwasser des Kühlwassersystems hat stromabwärts der Brennstoffzellen ei­ ne Temperatur von ca. 80°C. Durch Speicherung dieses Wassers in einer Isoliereinrichtung bzw. einem wärmeisolierten Behälter ist es möglich, diese Wassertemperatur auch bei stehendem Fahr­ zeug über längere Zeiten aufrechtzuerhalten, so daß durch Be­ aufschlagung der Komponenten des Brennstoffzellensystems des Fahrzeugs mittels des noch warmen Kühlwassers eine gezielte Er­ wärmung der Komponenten möglich ist, wodurch eine Betriebsbe­ reitschaft des Brennstoffzellensystems bzw. des Fahrzeugs sehr schnell erreicht werden kann.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems ist innerhalb der Isoliereinrichtung ein Latentspeicher ausgebildet. Ein Latentspeicher kann bei­ spielsweise aus einem geschlossenen Körper bestehen, in dem sich ein geeignetes Latentspeichermedium befindet. Der Latent­ speicher gibt seine gespeicherte Wärmeenergie über den Körper an das Wasser ab, wobei das Latentspeichermedium beispielsweise erstarrt. Geschmolzen wird das Medium beim Erhitzen des Was­ sers, sobald die Wassertemperatur die Schmelztemperatur des La­ tentspeichermediums erreicht hat. Mit dieser Maßnahme ist die Aufrechterhaltung einer einen Start des Brennstoffzellensystems fördernden Kühlwassertemperatur über sehr lange Zeiten möglich.

Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfin­ dungsgemäßen Brennstoffzellensystems, für welche gesondert um Schutz nachgesucht wird, sind Mittel zur selektiven Wärmebeauf­ schlagung vorbestimmter Bereiche des Brennstoffzellensystems vorgesehen. Speziell bei dem Kaltstart eines Gaserzeugungssy­ stems für Brennstoffzellen müssen die katalytischen Komponen­ ten, wie beispielsweise Reformer, CO-Oxidator usw., möglichst schnell auf eine Betriebstemperatur, z. B. eine Temperatur grö­ ßer als 20°C, gebracht werden, damit die jeweiligen Reaktionen schneller ablaufen. Insbesondere bei exothermen Stufen wie CO- Oxidatoren erweist es sich als wirksam, einen kleinen Bereich der katalytisch aktiven Zone vorzuwärmen. Wenn diese Bereiche katalytisch gestartet sind, entsteht hier durch die Reaktion thermische Energie, so daß die vollständige katalytische Stufe entsprechend schnell starten kann.

Zweckmäßigerweise sind die Mittel zur selektiven Beaufschlagung als die vorbestimmten Bereiche durchziehende Kanäle ausgebil­ det. Es ist möglich, die jeweils zu erwärmenden Komponenten mit feinen Kühlwasserkanälen zu durchziehen, vergleichbar bei­ spielsweise mit den Kühlwasserkanälen eines Verbrennungsmotors. Durch diese Maßnahme können die Komponenten gezielt an den Stellen erwärmt werden, an denen eine katalytische Reaktion starten soll.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfin­ dungsgemäßen Brennstoffzellensystems ist ein Brenner oder ein Durchlauferhitzer zum selektiven Erhitzen des Kühlwassers vor­ gesehen. Mit dieser Maßnahme kann eine gewünschte Kühlwasser­ temperatur ebenfalls über längere Zeiten aufrechterhalten wer­ den.

Zweckmäßigerweise ist die Einrichtung zur Versorgung der Brenn­ stoffzelle mit wasserstoffhaltigem Gas als Gaserzeugungseinheit ausgebildet. Die katalytischen Komponenten eines derartigen Ga­ serzeugungssystems, beispielsweise Reformer oder CO-Oxidator, können mit den erfindungsgemäß vorgeschlagenen Maßnahmen sehr schnell auf eine gewünschte Betriebstemperatur erwärmt werden.

Zweckmäßigerweise ist wenigstens ein katalytisches Element der Gaserzeugungseinheit innerhalb eines rohrförmigen Gehäuses an­ geordnet. Hierdurch kann ein Teil oder die gesamte Rohrwand von feinen Kanälen durchzogen sein, durch welche das warme Kühlwas­ ser strömen kann. Die Herstellung eines derartigen Rohres ist beispielsweise als Strangguss-Profil realisierbar.

Die Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnung weiter erläutert. In dieser zeigt

Fig. 1 ein stark vereinfachtes Blockschaltbild zur Darstellung wesentlicher Komponenten eines Brennstoffzellensystems,

Fig. 2 eine Schnittansicht einer ersten bevorzugten Ausfüh­ rungsform einer katalytischen Komponente eines erfin­ dungsgemäßen Brennstoffzellensystems,

Fig. 3 eine um 90° gedrehte Ansicht der Ausführungsform der Fig. 2,

Fig. 4 eine Schnittansicht einer zweiten bevorzugten Ausfüh­ rungsform einer katalytischen Komponente eines erfin­ dungsgemäßen Brennstoffzellensystems, und

Fig. 5 eine dritte bevorzugte Ausführungsform einer katalyti­ schen Komponente eines erfindungsgemäßen Brennstoffzel­ lensystems.

In Fig. 1 sind die wesentlichen Komponenten eines Brennstoff­ zellensystems dargestellt. Mit 1 ist hierbei eine Einrichtung zur Versorgung von Brennstoffzellen 2 mit Wasserstoff oder ei­ nem wasserstoffhaltigen Gas bezeichnet. Die Einrichtung 1 kann beispielsweise ein Speicher zur Speicherung reinen Wasserstoffs sein. Im folgenden wird jedoch beispielhaft davon ausgegangen, daß es sich bei der Einrichtung 1 um eine Gaserzeugungseinheit handelt, welche auf der Grundlage einer Reformierung beispiels­ weise von Methanol ein wasserstoffhaltiges Gas zur Verfügung stellt.

Die Gaserzeugungseinheit 1 weist eine Anzahl von (in Fig. 1 nicht dargestellten) katalytischen Komponenten zur Durchführung der gewünschten Reformierung auf. Als Beispiele seien genannt ein Reformer oder ein CO-Oxidator.

Die Brennstoffzellen sind üblicherweise mit einem Kühlkreislauf ausgebildet, mittels dessen die Brennstoffzellen mittels Kühl­ mittel bzw. Kühlwasser beaufschlagbar sind. Als Kühlwasser wird hierbei insbesondere Wasser mit einem Glykolzusatz verstanden, welches auch bei Umgebungstemperaturen unter 0°C einsetzbar ist.

In Fig. 1 erkennt man, daß der mit 3 bezeichnete Kühlkreislauf sich auch durch das Gaserzeugungssystem 1 erstreckt. Der Kühl­ kreislauf 3 weist hierbei einen isolierten Behälter bzw. Iso­ lierbehälter 4 auf, in welchem aus den Brennstoffzellen 2 aus­ tretendes, relativ warmes Kühlwasser wärmeisoliert gespeichert werden kann. Bei einem Betrieb des Brennstoffzellensystems hat das Kühlwasser nach dem Austritt aus einer Brennstoffzelle eine Temperatur von ca. 80°C. Das so erwärmte und in dem Isolierbe­ hälter 4 gespeicherte Kühlwasser dient zur Beaufschlagung se­ lektiver Komponenten des Gaserzeugungssystems 1 oder auch se­ lektiver Bereiche der Brennstoffzellen 2 im Falle eines Kalt­ starts.

Es sei darauf hingewiesen, daß der Kühlkreislauf 3 tatsächlich wesentlich komplexer ausfällt als in der Fig. 1 dargestellt ist. Es kann beispielsweise vorgesehen sein, während des Nor­ malbetriebes des Brennstoff zellensystems auf eine Beaufschla­ gung des Gaserzeugungssystems 1 mit Kühlwasser zu verzichten, wobei hier beispielsweise entsprechende Sperr- oder Umleitungs­ einrichtungen für den Kühlkreislauf 3 vorgesehen sein können.

Der Isolierbehälter 4 kann zur Aufrechterhaltung einer ge­ wünschten Kühlwassertemperatur mit einem (nicht dargestellten) Brenner oder Durchlauferhitzer oder auch mit einem (nicht dar­ gestellten) Latentwärmespeicher in Wirkverbindung stehen.

Zweckmäßigerweise wird beispielsweise nach einem Kaltstart des Brennstoffzellensystems in dem Isolierbehälter 4 gespeichertes, von einem vorangegangenen Betrieb des Systems noch warmes Was­ ser über den Kühlkreislauf 3 auf ausgewählte Bereiche der Ga­ serzeugungseinheit 1 oder der Brennstoffzellen 2 gegeben. Da­ durch können beispielsweise katalytische Komponenten der Gaser­ zeugungseinheit 1 gezielt dort erwärmt werden, wo eine kataly­ tische Reaktion starten soll.

In Fig. 2 ist als katalytische Komponente beispielhaft ein Re­ former 10 dargestellt. Dieser Reformer 10 weist in seinem Inne­ ren ein geeignetes katalytisches Material, z. B. eine katalyti­ sche Schüttung 14 auf, welche von einer rohrförmigen Ummante­ lung 12 umgeben ist. Die Ummantelung ihrerseits ist in einem rohrförmigen Gehäuse 11 angeordnet.

Die Ummantelung 12 ist mit feinen Kanälen 13 durchzogen, welche einen Teil des in Fig. 1 dargestellten Kühlkreislaufs 3 bilden. Dies bedeutet, daß erwärmtes Kühlwasser zur selektiven Erwär­ mung der katalytischen Schüttung 14 durch die Kanäle 13 fließen kann.

In Fig. 3 sind ebenfalls die die rohrförmige Ummantelung 12 durchziehenden Kanäle 13 erkennbar. Hier sind ferner für den unteren Kanal 13 Zu- und Ableitungen 13a, 13b dargestellt, wel­ che ebenfalls Teile des Kühlkreislaufs 3 sind.

Es wurde bereits darauf hingewiesen, daß erfindungsgemäß sehr gezielt kleine Bereiche von katalytischen Komponenten zur Gewährleistung eines schnellen Starts einer katalytischen Reakti­ on erwärmt werden können. Das System der Wärmebeaufschlagung der katalytischen Komponenten mittels Kühlwassers ist von den sonstigen Gasströmungen des Brennstoffzellensystems unabhängig. Durch die hohe Wärmekapazität von Wasser im Vergleich zu Gasen kann die Energie auf sehr kleinem Raum gespeichert werden und ist in dem Isolierbehälter 4 relativ leicht zu isolieren. Das Kühlwasser kann in einfacher Weise (mittels einer nicht darge­ stellten Pumpe) durch das System gepumpt werden und bietet ei­ nen höheren Wärmeübergangskoeffizienten im Vergleich zu strö­ menden Gasen. So ist es erfindungsgemäß möglich, die im Kühl­ wasser gespeicherte Abwärme der Brennstoffzellen zu nutzen, wo­ bei diese Abwärme bereits nach kurzen Betriebszeiten des Kraft­ fahrzeugs zur Verfügung steht.

In Fig. 4 ist eine katalytische Komponente, die Teil des Gaser­ zeugungssystems 1 ist, als Plattenwärmetauscher ausgebildet. Der Plattenwärmetauscher ist insgesamt mit Bezugszeichen 15 be­ zeichnet. In Fig. 4 sind lediglich die Endplatten 17 des Plat­ tenwärmetauschers 15 dargestellt, auf eine Darstellung von ge­ gebenenfalls vorgesehenen Zwischenplatten ist hier verzichtet. Der katalytisch aktive Bereich zwischen den Endplatten 17 ist mit 16 bezeichnet. Man erkennt, daß die Endplatten 17 von Kühl­ wasserkanälen 18 durchzogen sind, welche in analoger Weise zu Ausführungsform gemäß Fig. 2 und 3 den katalytisch aktiven Bereich bei durchströmendem Kühlwasser relativ schnell auf eine gewünschte Temperatur bringen können. Die Kühlkanäle 18 stellen ebenfalls einen Teil des in Fig. 1 dargestellten Kühlwasser­ kreislaufs 3 dar.

In Fig. 5 ist ein Plattenpaket eines Wärmetauschers insgesamt mit 25 bezeichnet. In Fig. 5 ist auf eine Darstellung der End­ platten verzichtet, es sind hier lediglich Zwischenplatten bzw. Trennwände zwischen Funktionsbereichen des Plattenwärmetau­ schers dargestellt. Die Trennwände sind mit 26, 27 und 28 be­ zeichnet. Es sei beispielhaft angenommen, daß in der Darstel­ lung der Fig. 5 links von der Trennwand 26 ein katalytisch aktiver Bereich 30 ausgebildet ist, der von einem ersten Medien­ strom 36 durchströmt wird. Mit 32 ist ein zwischen den Trenn­ wänden 27 und 28 liegender weiterer katalytisch aktiver Bereich bezeichnet, durch welchen der erste Medienstrom 36 ebenfalls fließen kann. Zwischen den katalytischen Bereichen 30, 32 ist ein Bereich 31 vorgesehen, durch welchen ein zweiter Medien­ strom (Pfeil 37) strömt. Man erkennt, daß in den Trennwänden 26, 27, 28 Kühlwasserkanäle 40 ausgebildet sind, welche in der oben beschriebenen Weise zu einer beschleunigten Erwärmung bei­ spielsweise der katalytisch aktiven Bereiche 30 bzw. 32 beitra­ gen.

Claims (8)

1. Brennstoffzellensystem, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, mit wenigstens einer Brennstoffzelle (2) und einer Einrichtung (1) zur Versorgung der wenigstens einen Brennstoffzelle (1) mit Wasserstoff oder einem wasserstoffhaltigem Gas, wobei insbeson­ dere bei einem Start oder Kaltstart des Systems einzelne Kompo­ nenten (10, 15, 25) der Einrichtung (1) oder die wenigstens ei­ ne Brennstoffzelle (2) mittels in einem Kühlwassersystem (3) enthaltenen Kühlwassers wärmebeaufschlagbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlwassersystem (3) eine Isoliereinrichtung (4) zur wärmeisolierten Speicherung von Kühlwasser aufweist.

2. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (1) als Gaserzeugungseinheit ausgebildet ist.

3. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in der Isoliereinrichtung (4) ein Latentspeicher vorgesehen ist.

4. Brennstoffzellensystem nach einem der vorstehenden Ansprüche oder dem Oberbegriff des Anspruchs 1, gekennzeichnet durch Mittel (13, 18, 40) zur selektiven Beaufschlagung vorbestimmter Bereiche, insbesondere Bereiche katalytischer Komponenten, der Einrichtung (1) oder vorbestimmter Bereiche der wenigstens ei­ nen Brennstoffzelle (2) mit Kühlwasser.

5. Brennstoffzellensystem nach einem der vorstehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur selektiven Beaufschlagung als die vorbe­ stimmten Bereiche bzw. die katalytischen Komponenten durchzie­ hende Kanäle (13, 18, 40) ausgebildet sind.

6. Brennstoffzellensystem nach einem der vorstehenden Ansprü­ che, gekennzeichnet durch einen Brenner und/oder einen Durchlauferhitzer zum selektiven Erwärmen des Kühlwassers.

7. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine katalytisches Komponente der Gaserzeugungs­ einheit (1) innerhalb eines rohrförmigen Gehäuses (12) angeord­ net ist.

8. Verfahren zum Start, insbesondere Kaltstart, eines Brenn­ stoffzellensystems mit wenigstens einer Brennstoffzelle (2) und einer Einrichtung (1) zur Versorgung der wenigstens einen Brennstoffzelle (2) mit Wasserstoff oder einem wasserstoffhal­ tigem Gas, bei welchem katalytisch wirkende Komponenten der Einrichtung (1) oder die wenigstens eine Brennstoffzelle mit­ tels in einem Kühlwasserkreislauf (3) enthaltenen Wassers wär­ mebeaufschlagt werden, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlwasser vor der Wärmebeaufschlagung der Komponenten der Einrichtung (1) oder der wenigstens einen Brennstoffzelle in einem wärmeisolierten Isolierbehälter (4) gespeichert wird.