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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems
in einem Kraftfahrzeug, ein Brennstoffzellensystem zum Durchführen
des Verfahrens sowie ein Kraftfahrzeug mit einem solchen Brennstoffzellensystem.
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Zu
Brennstoffzellensystemen gehört zumindest eine Brennstoffzelle.
Der Brennstoffzelle wird ein Brennstoff und ein Oxidationsmittel
zugeführt, und der Brennstoff wird in der Brennstoffzelle
umgesetzt. Hierbei entsteht Abgas, welches Wasser mitführt,
das bei der Reaktion entstanden ist. Die Konzentration an Wasser
ist besonders hoch, wenn Wasserstoff als Brennstoff verwendet wird.
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Das
Wasser sollte nicht unmittelbar mit dem Abgas in flüssiger
Form in die Umwelt abgegeben werden. Zum Beispiel kann das Wasser
auf einer Fahrbahn, auf der sich das Kraftfahrzeug bewegt, bei kalten
Umgebungstemperaturen zu Eis gefrieren und die vereiste Fahrbahn
eine Gefahr für andere Kraftfahrzeuge darstellen. Weiterhin
kann im Abgas befindliches Wasser in flüssiger Form dem
nachfolgenden Fahrzeug auf die Windschutzscheibe spritzen und die
Sicht nehmen.
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Es
ist aus dem Stand der Technik allgemein bekannt, das Wasser aus
dem Abgas in einem Behälter zu sammeln. Zum Teil sammelt
sich das Wasser aus dem Abgas ohnehin an den Abgasleitungen an, denn
diese werden bei Durchleitung des Abgases infolge des Wärmeaustausches
mit der Umgebungsluft gekühlt, und an den kühlen
Leitungswänden kann das Wasser sich danach niederschlagen,
auch auskondensieren, wenn es in Dampfform mitgeführt wird. Teilweise
ist auch vorgesehen, dass das Wasser eigens in einem Abscheider
abgeschieden wird. Der Behälter, in dem das Wasser gesammelt
wird, kann gleichzeitig als Abscheider fungieren oder einem Abscheider
im Strömungspfad des Abgases nachgeordnet sein.
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In
der
US 2006/0240299
A1 ist beschrieben, dass in einem Brennstoffzellensystem
Wasser in einem Behälter gesammelt wird und durch einen
Heizer wieder verdampft wird, um dampfförmig in die Umwelt
abgegeben werden zu können. Dieses System ist aufwändig,
denn es muss der Heizer nicht nur bereitgestellt werden, sondern
auch betrieben werden, wobei viel Energie für das Verdampfen
benötigt wird.
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Aus
der
DE 10 2006
048 187 A1 ist es bekannt, das Wasser aus einem Wasserabscheider
in einem Brennstoffzellensystem einem Kühler als Kühlfluid
zuzuführen, wobei der Kühler so ausgebildet ist,
dass er im Betrieb das Kühlfluid abgibt. Hierzu umfasst
der Kühler eine selektiv permeable Wand, so dass flüssiges
Wasser oder Wasserdampf selektiv an die Außenseite des
Kühlers hindurchdringen kann. Dort wird das Wasser verdunstet,
und die Kühlfähigkeit des Kühlers wird
gesteigert.
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In
der nach dem Anmeldetag der vorliegenden Anmeldung veröffentlichen
DE 10 2006 043 573 ist
beschrieben, dass das Abgas eines Brennstoffzellensystemes (also
nicht in einem Behälter gesammeltes Wasser) vor seinem
Austreten in die Umwelt mittels eines von einer Brennstoffzelle
erwärmten Kühlmediums erwärmt wird. Hierbei
ist insbesondere beschrieben, dass das Kühlmedium zur Kühlung
von zur Brennstoffzelle strömenden verdichteten Luft verwendet
wird, sich dabei erwärmt und die Wärmeenergie
dann abschließend an das feuchte Abgas wieder abgibt.
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Es
ist Aufgabe der Erfindung, die Möglichkeiten, wie vermieden
werden kann, dass im Betrieb einer Brennstoffzelle erzeugtes Wasser
auf die von einem Kraftfahrzeug mit dem Brennstoffzellensystem befahrene
Fahrbahn gerät, zu erweitern. Die Lösung soll
möglichst preisgünstig sein, möglichst
sowohl was die Herstellung des Brennstoffzellensystems als auch
seinen Betrieb angeht.
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Die
Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch
1 gelöst, durch ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen
gemäß Patentanspruch 4 und durch ein Kraftfahrzeug
mit einem solchen Brennstoffzellensystem, also gemäß Patentanspruch 9.
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Die
Erfindung macht Gebrauch von einem in dem Kraftfahrzeug bereitgestellten
Kühlkreislaufsystem. Ein Kühlkreislaufsystem ist üblicherweise
mit einer Wärmequelle gekoppelt und weist einen Abkühlbereich
auf. Ein Kühlfluid wird in dem Kühlkreislaufsystem
(üblicherweise durch Leitungen) zu der Wärmequelle
geleitet, um dort Wärme aufzunehmen, dann wird es zum Abkühlbereich
geleitet und gibt die Wärme ab. Vorliegend soll ein solcher
Abkühlbereich in dem Kühlkreislaufsystem bereitgestellt
sein, in dem das Kühlfluid über Wandungen (an
einem geeignet geformten Körper, z. B. an einer einfachen
Leitung) die aufgenommene Wärme an die Umgebungsluft abgibt.
Das Verfahren knüpft an die bekannte Maßnahme
an, dass das Wasser aus dem Abgas in einem Behälter gesammelt
wird, z. B. nach einem Abscheiden oder bei gleichzeitigem Abscheiden
in den Behälter. Um das Wasser nun wieder zu entsorgen
und damit das von dem Kraftfahrzeug zu transportierende Gewicht
zu reduzieren und die Gefahr einer Vereisung des Behälters
bei kalten Umgebungstemperaturen zu verringern, wird das in dem
Behälter gesammelte Wasser zumindest teilweise auf die
Außenseite der Wandungen in dem Abkühlbereich
des Kühlkreislaufsystems aufgebracht. Durch den Kontakt
mit der Umgebungsluft, gefördert möglicherweise
auch durch die in dem Kühlfluid enthaltene und an die Wandungen
abgegebene Wärme, verdunstet das Wasser von der Außenseite
der Wandungen weg und entzieht den Wandungen dabei Wärme.
Das Wasser gelangt somit nicht auf die Fahrbahn, auf der das Kraftfahrzeug
fährt, und als zweiten positiven Effekt erhält
man eine besonders effiziente und im Vergleich zu bisherigen Systemen
verbesserte Kühlung des Kühlfluids im Abkühlbereich.
Die höhere Effizienz ermöglicht unter anderem
auch einen kompakteren Bau des Kühlkreislaufsystems, insbesondere
dessen Abkühlbereichs, wodurch man sogar auch eine Gewichtsersparnis
bei dem Kraftfahrzeug erzielen kann.
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In
vorteilhafter Weise wird das Wasser in feinen Tröpfchen
auf die Wandungen aufgesprüht. Durch die feine Verteilung
des Wassers an den Wandungen wird die Verdunstung des Wassers gefördert.
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Das
Wasser muss nicht im gesamten Abkühlbereich auf die Wandungen
aufgebracht werden. Vielmehr kann man sich auf solche Stellen der
Aufbringung des Wassers konzentrieren, an denen das Kühlfluid
besonders viel Wärme abgibt. Zusätzlich oder statt
dessen ist es auch möglich, das Wasser auf eine solche
Stelle, also einen Bereich, der nur ein Teilbereich des Abkühlbereichs
sein kann, aufzubringen, die bei Fahrt des Kraftfahrzeugs von Fahrtwind durchströmt
wird oder auch umströmt wird (was typischerweise bei einem
Kühler, vorzugsweise bei einem Lamellenkühler,
bzw. den einzelnen Leitungsstücken des Kühlers
der Fall ist), und so wird ein Verdampfen des aufgebrachten Wassers
durch den Fahrtwind gefördert. Man erhält auch
hier eine doppelte Wirkung: Zum einen wird die Menge des entsorgten
Wassers besonders hoch, und zum anderen wird das Kühlfluid
besonders gut gekühlt, weil eben besonders viel Wasser
verdampft wird. Während es bei herkömmlichen Kühlersystemen
Aufgabe des Fahrtwinds ist, die Wandungen direkt zu kühlen,
geschieht dies bei dem vorliegenden Verfahren zumindest teilweise
auf dem Umweg über die Wassertröpfchen auf den
Wandungen, und diese Wassertröpfchen sind leichter vom
Fahrtwind unter Erzielung eines Kühleffekts bei den Wandungen
mitführbar als sonst ein Kühlen der Wandungen
durch den Fahrtwind erfolgt. Das erfindungsgemäße
Brennstoffzellensystem weist in an sich bekannter Weise einen Behälter
für von dem Abgas mitgeführtes Wasser auf, und
es weist auch ein Kühlkreislaufsystem auf, wobei in einem
Abkühlbereich das Kühlfluid in einen Körper
mit Wandungen geführt ist, deren Außenseite mit
der Umgebungsluft in Kontakt stehen. Erfindungsgemäß umfasst
das Brennstoffzellensystem Mittel zum Verbringen von Wasser aus
dem Behälter auf die Außenseite der Wandungen
des Körpers im Abkühlbereich. Damit werden die
vorteilhaften Wirkungen erzielt, die oben unter Bezug auf das erfindungsgemäße
Verfahren beschrieben wurden.
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Die
Mittel zum Verbringen können eine herkömmliche
(Rohr-)Leitung umfassen. Für eine feine Verteilung des
Wassers ist es sinnvoll, wenn diese Rohrleitung in einer Düse
endet. Grundsätzlich ist es möglich, den Behälter
für das Wasser so hoch in dem Kraftfahrzeug anzuordnen,
dass das Wasser durch die Schwerkraft zu den Wandungen des Körpers
gebracht wird. Um bei der Anordnung des Behälters flexibel
zu sein, z. B. ihn wegen seines im Füllzustand hohen Gewichts
eher weiter unten anordnen zu können, können geeignete
Mittel zum Transportieren des Wassers durch die Leitung vorgesehen
sein, die bevorzugt gleichzeitig dazu dienen, das Wasser aus der Düse
zu drängen, also das eigentliche Heraussprühen
des Wassers zu bewirken. Die Mittel zum Transportieren können
eine einfache Pumpe umfassen.
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In
einem Brennstoffzellensystem gibt es üblicherweise bereits
ein Kühlkreislaufsystem, nämlich ein solches,
bei dem die Wärmequelle zumindest eine Brennstoffzelle
ist. In vorteilhafter Weise wird das Wasser von den Mitteln zum
Verbringen genau auf den Abkühlbereich dieses Kühlkreislaufsystems aufgebracht,
es muss dann nicht ein gesondertes Kühlkreislaufsystem
bereitgestellt werden.
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Im
Brennstoffzellensystem kann von allen aus dem Stand der Technik
bekannten Techniken Gebrauch gemacht werden, wie von der Brennstoffzelle
erzeugtes Wasser in einem Behälter gesammelt werden kann.
Hierbei kann von geeigneten Abscheidern, also Mitteln zum Abscheiden
von Wasser aus einem Gas, Gebrauch gemacht werden, wobei besagtes
Gas sowohl das eigentliche Abgas sein kann als auch der Brennstoff,
also typischerweise der Wasserstoff, der die Brennstoffzelle unverbraucht durchlaufen
hat.
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Zur
Erfindung gehört auch ein Kraftfahrzeug mit einem Brennstoffzellensystem.
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Das
Kühlkreislaufsystem des erfindungsgemäßen
Brennstoffzellensystems weist bei einem Kraftfahrzeug in an sich
bekannter Weise vorteilhaft einen Abkühlbereich auf, der
im Betrieb des Kraftfahrzeugs von Luft durchströmt ist.
Typischerweise ist der Abkühlbereich dann als Kühler,
vorzugsweise als Lamellenkühler, ausgebildet. Dann fördert
die Luft, also der Fahrtwind, das Abtragen der Wassertröpfchen.
Hierbei wird der Effekt der Beseitigung des störenden Wassers
bereits erzielt, wenn der Fahrtwind die Wassertröpfchen
einfach mitreißt. Durch den Fahrtwind wird aber insbesondere
auch die Verdampfung der Wassertröpfchen gefördert
und so eine Kühlung des Kühlers und damit des
im Kühler befindlichen Kühlfluids fördert.
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Nachfolgend
wird eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung unter
Bezug auf die Zeichnung beschrieben, wobei die Figur in schematischer Darstellung
ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem in
einem Kraftfahrzeug veranschaulicht.
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Ein
nur schematisch gezeichnetes und im Ganzen mit 10 bezeichnetes
Kraftfahrzeug wird mit Hilfe eines in der Figur nicht gezeigten
Elektromotors betrieben, zu dessen Versorgung mit elektrischem Strom
ein Brennstoffzellensystem bereitgestellt ist, dessen Bauteile in
der Figur schematisch dargestellt sind. Der genaue Anordnungsort
der Bauteile ist in der Figur nicht dargestellt, mit Ausnahme des
nachfolgend beschriebenen Kühlers.
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Herzstück
des Brennstoffzellensystems ist ein Brennstoffzellenstapel 12 (ein
sogenannter Brennstoffzellen-Stack). Dieser besteht aus einer Mehrzahl
von Brennstoffzellen, wobei vorliegend auch eine einzige Brennstoffzelle
ausreichen würde. Dem Brennstoffzellenstapel 12 wird
aus einem Tank 14 über eine Leitung 16 Brennstoff,
vorliegend Wasserstoff, zugeführt, wobei ein Ventil 18 die
Menge des zugeführten Brennstoffs regeln kann. Der Brennstoff wird
mit Luftsauerstoff umgesetzt. Hierzu wird dem Brennstoffzellenstapel 12 von
einem Kompressor 20 verdichtete Luft über eine
Leitung 22 zugeführt. Bei der Umsetzung entsteht
Wasser. Dieses wird von dem Brennstoffzellenstapel 12 zusammen
mit einem Abgas, welches insbesondere den nicht bei der Umsetzung
verbrauchten Anteil der zugeführten Luft umfasst, über
eine Leitung 24 abgegeben. Auch in der Abgasleitung 24 ist
ein Ventil 26 angeordnet. In an sich bekannter Weise wird
das Wasser, welches mit dem Abgas mitgeführt wird, in einem
Behälter 28 gesammelt. Der Behälter 28 kann
so ausgebildet sein, dass sich das Wasser selbst an den Wandungen
des Behälters 28 sammelt, z. B. aus der Dampfphase auskondensiert.
Auch im Bereich der Leitung 24 vor dem Behälter 28 kann
sich bereits Wasser ansammeln, das dann, z. B. bei Ausbildung eines
geeigneten Gefälles zum Behälter 28 hin,
zum Behälter 28 fließt. Das Abgas, von
dem das Wasser zumindest zu Teilen in den Behälter 28 abgegeben
wurde, wird nachfolgend über die weitere Leitung 24' zu
einem Auslass 30 geführt und in die Umwelt abgegeben. Brennstoffzellenstapel
verbrauchen nicht immer exakt den gesamten zugeführten Brennstoff. Überschüssiger
Brennstoff wird über eine Leitung 32 aus dem Brennstoffzellenstapel 12 abgeführt
und zumindest teilweise mittels einer geeigneten Pumpe 34 (Mitteln
zum Rückführen) über eine Leitung 32 wieder
zur Leitung 16 geführt, um erneut dem Brennstoffzellenstapel 12 zugeführt
zu werden. Der durch die Leitung 32 abgeführte überschüssige
Brennstoff kann ebenfalls Wasser, insbesondere auch dampfförmig,
mitführen. Bei der in der Figur dargestellten Ausführungsform
ist in bevorzugter Weise ein Abscheider 36 in der Leitung 32 vorgesehen,
der Wasser aus dem überschüssigen Brennstoff abscheidet.
Von dem Abscheider 36 wird über eine Leitung 38 mit
einem Ventil 40 das Wasser direkt oder auch über
die Leitung 24 dem Behälter 28 zugeführt.
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Im
Behälter 28 sammelt sich nun nach und nach immer
mehr Wasser an. Das Wasser soll nicht unmittelbar in die Umwelt
abgegeben werden, andererseits aber entsorgt werden. Vorliegend
wird das Wasser bei seiner Entsorgung gleichzeitig sinnvoll genutzt,
indem es nämlich dem Kühlkreislaufsystem (bzw.
kurz Kühlsystem) zugeführt wird, welches zur Kühlung
des Brennstoffzellenstapels 12 dient. In dem Kühlsystem
bewegt eine Pumpe 42 ein Kühlfluid durch Rohrleitungen 44 und 46 im
Kreis. Das Kühlfluid durchläuft den Brennstoffzellenstapel 12 und
erwärmt sich dabei. Es gibt einen Abkühlbereich,
nämlich den üblicherweise vorne im Kraftfahrzeug 10 angeordneten
Kühlerbereich 48. Dieser ist als Kühler, vorzugsweise
als Lamellenkühler, ausgebildet, also als verzweigtes Rohrleitungssystem.
Die einzelnen Rohrleitungen sind klein, damit die Gesamtoberfläche
erhöht ist und eine hohe Kühlleistung erzielt
wird. Der Kühler 48 wird bei der Fahrt des Kraftfahrzeugs 10 von
Fahrtwind durchströmt oder bei geringer Fahrtgeschwindigkeit
durch den Kühlerlüfter gekühlt, so dass
das Kühlfluid besonders gut gekühlt wird.
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Nun
wird das Wasser aus dem Behälter 28 vermittels
einer Pumpe 50 durch eine Leitung 51 zum Kühlerbereich 48 transportiert,
und zwar zu Düsen hin, welche bewirken, dass das Wasser
fein verteilt auf den Kühlerkörper aufgesprüht
wird, wie durch die gestrichelten Linien 52 angedeutet.
Bei einer realen Ausführungsform kann das Aufsprühen
auch eher von der Seite oder bevorzugt auch von hinten erfolgen,
anders als in der Figur dargestellt.
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Durch
das Sprühen des Wassers aus dem Behälter 28 auf
den Kühlerbereich 48 wird nicht nur das Wasser
entsorgt, sondern gleichzeitig der positive Effekt erzielt, dass
die Kühlerleistung erhöht wird: Das Wasser verdampft
von den Wandungen des Kühlers weg, entzieht den Wandungen
Wärme, und damit kann das Kühlfluid wieder neu
Wärme an die Wandungen und letztlich wiederum an die Umgebung,
nämlich an das Wasser und die Umgebungsluft abgeben. Wegen
der im Vergleich zu sonst üblichen Kühlersystemen
erhöhten Kühlleistung pro Fläche kann
die Gesamtwirkfläche reduziert werden, damit auch die Größe
des Kühlers, z. B. auch die Dicke, und damit auch das Gewicht.
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Es
muss nicht sämtliches Wasser aus dem Behälter 28 auf
die beschriebene Weise entsorgt werden. Ein Teil des Wassers kann
auch über andere Entsorgungsmöglichkeiten, die
aus dem Stand der Technik bekannt sind, entsorgt werden oder im
Behälter 28 bis zu einer Leerung bei einem Halt
des Kraftfahrzeugs verbleiben.
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Vorliegende
Erfindung kann auch Anwendung auf Auxiliary Power Units (APUs) finden,
die als Stromquelle, z. B. für Standklimatisierung oder Standstromversorgung,
fungieren und somit auch in Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor oder
Brennstoffzellen als Antrieb eingesetzt werden. Der für
die Kühlung der APU notwendige Kühler wird dann
vorzugsweise über einen Kühlerlüfter
gekühlt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - US 2006/0240299
A1 [0005]
- - DE 102006048187 A1 [0006]
- - DE 102006043573 [0007]