Hydrogen cooling for fuel cells and the accompanied water management improvement

// Energie- und Energiespeichertechnik // Luft- und Raumfahrt // Maschinenbau
Ref-Nr: 17119

Einleitung / Abstract

Es ist weithin anerkannt, dass die Verwendung von Brennstoffzellensystemen in zivilen Flugzeugen zu einer Verbesserung in vielerlei Hinsicht führen kann, z.B. geringere Lärmbelästigung, niedrigere Emissionen, reduzierter Kraftstoffverbrauch. Daher sind die Gewichtsreduzierung und die Verbesserung der Zuverlässigkeit dieser Brennstoffzellensysteme für die Luftfahrt von großer Bedeutung.

Abb.1: H2-cooled aviation PEM fuel.

Hintergrund

Brennstoffzellen sind Geräte zur Stromerzeugung, die die in Brennstoffen gespeicherte Energie elektrochemisch in Elektrizität umwandeln.
Der Wasserhaushalt ist eine der größten Herausforderungen im Zusammenhang mit der PEM-Brennstoffzelle. Je nach Last und den Betriebsbedingungen kann die Elektrolytmembran überfluten oder austrocknen. Es gibt verschiedene Strategien, um den korrekten Wasserhaushalt zu erreichen, beispielsweise Befeuchter, hydrophobe Beschichtungen oder mikroporöse Schichten. Für kleine Brennstoffzellenanwendungen kann die Brennstoffzelle durch den eintretenden Luftstrom gekühlt werden, für größere Anwendungen ist dies nicht praktikabel, da der benötigte Luftstrom vergleichsweise hoch ist und zu einer Austrocknung der Brennstoffzelle führen würde. Die Folge ist eine erhebliche Reduzierung der Leistung und der Lebensdauer der Zelle. Das Risiko der Austrocknung wurde zwar durch eine mikroporöse Schicht verringert, allerdings beeinträchtigt diese den zellinternen Speziestransport. Zudem ist die benötigte Pumpleistung hoch. Die Leistungsdichte einer luftgekühlten Zelle beträgt nur etwa ein Fünftel der flüssigkeitsgekühlten Zelle.
Die Abgasrezirkulation ist eine gängige Praxis im PEM-Brennstoffzellenbetrieb. Üblicherweise wird sie für die Befeuchtung der Membran, die Flutungssteuerung und für die Verhinderung von Stickstoffanreicherungen eingesetzt, um den Wirkungsgrad des PEM-Brennstoffzellenstapels zu erhöhen. Die Rezirkulation erfolgt beispielsweise durch Rezirkulationspumpen oder Ejektoren. Nach Kenntnisstand des Erfinders wird die Anodenrezirkulation derzeit nicht zu Kühlzwecken eingesetzt.

Lösung

Es wird eine Wasserstoffkühlung vorgeschlagen, um das Wärme- und Wassermanagement von Brennstoffzellen zu optimieren. Erfindungsgemäß wird für die Verbesserung der Kühlung das Anodenabgas und für die Verbesserung des Wassermanagements das Kathodenabgas rezirkuliert. Das Anodenabgas besteht hauptsächlich aus Wasserstoff, der im Vergleich zu Luft eine höhere Kühlleistung aufweist. Darüber hinaus sorgt die Kathodenabgasrückführung auch für ein gewisses Maß an Kühlung des Brennstoffzellenstapels. Besonders Kathodenabgas ist sehr feucht und bietet eine effektivere Befeuchtung im Vergleich zum Anodenabgas. In einer möglichen Ausführungsform besteht die Erfindung aus einer luftgekühlten PEM-Brennstoffzelle, bei der das Anoden- und Kathodenabgas rezirkuliert wird. Das Anodenabgas passiert einen Wärmetauscher, wodurch das Gas gekühlt wird. Die Erfindung umfasst auch mindestens eine Ausführungsform, bei der ein dynamischer Wasserabscheider und ein Stickstoffabscheider in die Anodenabgasrückführung implementiert sind. Weiterhin enthält die Erfindung ein Regelsystem, das die Abgasraten dynamisch anpassen kann, um den gewünschten Betriebszustand des Brennstoffzellenstapels zu erreichen. Die Regelung kann aktiv in Abhängigkeit der Luftfeuchtigkeit im Brennstoffzellenstapel die aus dem Anodenabgasstrom abgeschiedene Wassermenge verändern. Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform wird lediglich das Anodenabgas zu Kühlzwecken rezirkuliert. Die Befeuchtung der Membran wird durch eine Befeuchtungseinrichtung geregelt. Das Regelsystem in dieser Variante umfasst unter anderem die Regelung des Anodengasmassenstroms und die Einstellung des Wasserabscheideverhältnisses. Die Regelung erfolgt in Abhängigkeit des Betriebszustandes des Brennstoffzellenstapels.

Vorteile

Verringerung der Systemgröße unter Beibehaltung der Leistungsdichte Reduzierung der Systemkomplexität, wodurch die Wahrscheinlichkeit eines Systemausfalls verringert wird Steigerung des Gesamtwirkungsgrades Die Systemdynamik kann verbessert werden Lebensdauer der Brennstoffzelle kann erhöht werden Die Startfähigkeit des Brennstoffzellensystems wird verbessert

Anwendungsbereiche

Die Erfindung betrifft Brennstoffzellen, die insbesondere in der Luftfahrt, aber auch in der Automobilbranche eingesetzt werden können. Darüber hinaus kann die Erfindung in stationären Anwendungen zur Stromversorgung in entlegenen Gebieten eingesetzt werden.

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