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Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem mit einer Luftfördereinrichtung zum Verdichten von Zuluft für eine Brennstoffzelle nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art. Außerdem betriff die Erfindung die Verwendung eines derartigen Brennstoffzellensystems.
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Brennstoffzellensysteme sind aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. Sie umfassen typischerweise eine Brennstoffzelle, welche als Stapel von Einzelzellen, als sogenannter Brennstoffzellenstapel bzw. Brennstoffzellenstack, ausgebildet ist. Dieser Brennstoffzelle wird üblicherweise Wasserstoff oder ein wasserstoffhaltiges Gas auf der Anodenseite als Brennstoff und Luft als Sauerstofflieferant auf der Kathodenseite zugeführt. Nun ist es so, dass die der Brennstoffzelle zugeführte Luft typischerweise verdichtet wird, beispielsweise über einen Strömungsverdichter, einen Kolbenkompressor, ein Rootsgebläse oder dergleichen. Die verdichtete Zuluft ist nach dem Verdichter in den meisten Betriebssituationen dann durch die Verdichtung aufgeheizt und weist eine vergleichsweise hohe Temperatur auf. Zumindest beim Einsatz von PEM-Brennstoffzellen stellt dies einen gravierenden Nachteil dar, da die in der Brennstoffzelle vorhandenen Membranen durch die heiße Zuluft ausgetrocknet und geschädigt werden. Ähnlich nachteilig wirkt sich die vergleichsweise hohe Temperatur der verdichteten Luft auf weitere Komponenten des Brennstoffzellensystems aus, welche in der luftführenden Leitung zwischen Verdichteraustritt und Stackeintritt angeordnet sind, wie z. B. Befeuchter, Ventile oder Klappen. Hier bestehen die möglichen Nachteile vor allem in Form von kosteninstensiven Aufwänden in Konstruktion und Werkstoffen zur Beherrschung der vergleichsweise hohen Temperaturen.
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Aus dem allgemeinen Stand der Technik ist es daher bekannt, einen Ladeluftkühler vorzusehen, um die Zuluft zu der Brennstoffzelle entsprechend abzukühlen. Nun ist es so, dass ein Ladeluftkühler, wie er beispielsweise aus der
DE 10 2009 014 743 A1 bekannt ist, zur Abkühlung der Zuluft das Kühlmedium eines Kühlkreislaufs nutzt, insbesondere des Kühlkreislaufs, in dem auch die Brennstoffzelle zur Abfuhr von Abwärme angeordnet ist. Die Problematik bei dem dort beschriebenen Aufbau ist nun die, dass das Kühlsystem entsprechend belastet wird und insbesondere bei Anwendung in einem Fahrzeug entsprechend große Flächen von Kühlwärmetauschern zur Abfuhr der Wärme aus dem Kühlsystem an die Umgebung notwendig sind.
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Um dieser Problematik entgegenzuwirken sind aus dem Stand der Technik außerdem Gas/Gas-Wärmetauscher anstelle des Gas/Flüssigkeits-Wärmetauschers, wie er oben als Ladeluftkühler eingesetzt worden ist, bekannt. Ein solcher Gas/Gas-Wärmetauscher als Ladeluftkühler ist beispielsweise in der
DE 10 2009 043 569 A1 beschrieben. Der dort gezeigte Aufbau entlastet das Kühlsystem des Brennstoffzellensystems und damit eines eventuellen mit dem Brennstoffzellensystem ausgestatteten Fahrzeugs erheblich. Außerdem ermöglicht er bei Verwendung einer Turbine in Strömungsrichtung der Abluft nach dem Ladeluftkühler das Zurückgewinnen eines Teils der Wärme durch die Turbine in Form von mechanischer Energie.
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In der Praxis zeigen sich jedoch beim Einsatz eines Gas/Gas-Wärmetauschers als Ladeluftkühler in einigen Betriebszuständen gravierende Probleme, da es zu unerwünschten Kondensationseffekten und damit gegebenenfalls einem Einfrieren bei einem Start bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts kommen kann. Bei sehr kalter Zuluft kann es außerdem zu einer unerwünschten und sehr ungünstigen Wirkrichtungsumkehr in dem Gas/Gas-Wärmetauscher kommen. In diesem Fall entsteht ein Wärmefluss von der warmen Abluft in die in dieser Betriebsituation kältere Zuluft. Hierdurch werden die Membranen der Brennstoffzelle unnötig erwärmt und hierdurch belastet.
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Eine weitere Problematik bei dem Gas/Gas-Wärmetauscher als Ladeluftkühler besteht darin, dass dieser vergleichsweise groß aufgebaut werden muss, um die erforderliche Kühlleistung für die verdichtete Zuluft in allen Betriebssituationen, insbesondere also auch unter Volllastbetrieb, zu gewährleisten. Der Aufbau benötigt hierdurch sehr viel Bauraum.
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Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen im Oberbegriff des Anspruchs 1 anzugeben, welches diesen Problemen entgegenwirkt und einen einfachen, sicheren und zuverlässigen Aufbau gewährleistet, welcher das Kühlsystem entlastet und außerdem kritische und nachteilige Betriebssituationen verhindert. Der Aufbau soll darüber hinaus einfach und kompakt realisierbar sein.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems ergeben sich aus den restlichen abhängigen Ansprüchen. Eine besonders bevorzugte Verwendung eines derartigen Brennstoffzellensystems ist in Anspruch 8 angegeben.
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Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem nutzt vergleichbar zu dem eingangs genannten Stand der Technik einen Gas/Gas-Ladeluftkühler als Ladeluftkühler. Anders als bei den im Stand der Technik eingesetzten Gas/Gas-Ladeluftkühlern, welche einen Wärmeübertrag zwischen den Gasen mittels Wärmeleitung, insbesondere durch ein gut wärmeleitendes metallisches Material, realisieren, nutzt das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem einen Ladeluftkühler, bei welchem über wenigstens ein Wärmerohr, bevorzugt mehrere Wärmerohre, die Übertragung der Wärme stattfindet. Ein solches Wärmerohr ist aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt und wird auch unter der Bezeichnung „Heatpipe” eingesetzt. Es besteht im Wesentlichen aus einem Rohrleitungselement, in welchem ein flüssiges Medium eingeschlossen ist, welches am einen Ende des Wärmerohrs einer Wärmequelle – der heißen Zuluft – ausgesetzt wird, welche das Medium verdampft. Am anderen Ende des Rohrs kondensiert das Medium dann im Bereich einer Wärmesenke – der kälteren Abluft – und überträgt so Energie von der Wärmequelle zur Wärmesenke, um die Zuluft zu kühlen. Derartige Wärmerohre sind dabei in der Lage sehr viel mehr Wärme zu übertragen, als dies durch Wärmeleitung möglich ist. Wärmeübertragungsraten beispielsweise gegenüber Kupfer als gut wärmeleitendem Material in der Größenordnung des Hundertfachen bis Tausendfachen sind möglich. Der Gas/Gas-Ladeluftkühler, welcher die erfindungsgemäßen Wärmerohre einsetzt, lässt sich damit sehr viel kompakter aufbauen als der Gas/Gas-Ladeluftkühler gemäß dem Stand der Technik.
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Ein weiterer Vorteil der Übertragung der Wärme über Wärmerohre besteht darin, dass das in dem Wärmerohr eingeschlossene zur Wärmeübertragung eingesetzte Medium typischerweise nur auf der einen Seite des Wärmerohrs verdampfen und dampfförmig zur anderen Seite des Wärmerohrs strömen kann. Dort kondensiert es aus und gelangt typischerweise über die Schwerkraft in flüssiger Form entlang den Wänden des Leitungselements zurück in den anderen Bereich. Die Wärmeübertragung ist damit in ihrer Richtung fest vorgegeben, nämlich von dem typischerweise im bestimmungsgemäßen Gebrauch unten angeordneten Bereich in den im bestimmungsgemäßen Gebrauch oben angeordneten Bereich. Dies gilt insbesondere bei der bevorzugten Ausgestaltung des Wärmerohrs in Form eines Zwei-Phasen-Thermosyphons, welcher die Schwerkraft zum Transport des Kondensats nutzt.
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Neben der verbesserten Wärmeübertragung, was einen sehr viel kleineren Ladeluftkühler als bei herkömmlichen Gas/Gas-Anwendungen ermöglicht, wird durch diesen Aufbau zusätzlich ein Wärmeübertrag vom Bereich der Wärmesenke hin zur Wärmequelle sicher und zuverlässig verhindert, auch wenn in bestimmten Betriebssituationen des Brennstoffzellensystems die Temperaturen im Bereich der Zuluft unter den Temperaturen im Bereich der Abluft liegen sollten. Unerwünschte Probleme in der Betriebsführung werden dadurch mittels des erfindungsgemäßen Ladeluftkühlers prinzipbedingt unterbunden.
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In einer sehr günstigen Weiterbildung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems ist es dabei vorgesehen, dass eine Turbine in Strömungsrichtung der Abluft nach dem Ladeluftkühler angeordnet ist. Über eine solche Turbine, welche insbesondere Teil eines elektrischen Turboladers sein kann, um so die an der Turbine anfallende Leistung unmittelbar der Luftfördereinrichtung zur Verfügung zu stellen, ermöglicht eine Rückgewinnung von Druck- und Wärmeenergie aus der Abluft der Brennstoffzelle. Wird in Strömungsrichtung der Abluft vor der Turbine über den Ladeluftkühler zusätzliche Wärme in die Abluft eingetragen, so kann die Ausbeute an mechanischer Leistung gesteigert werden, wodurch sich eine Verbesserung des Gesamtwirkungsgrads des Brennstoffzellensystems durch eine erhöhte Energierückgewinnung ergibt. Weiterhin verringert sich durch die erfindungsgemäße Erhöhung der Ablufttemperatur der aus dem Brennstoffzellensystem ausgetragene Flüssigwasseranteil.
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Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem kann entsprechend kompakt aufgebaut werden und ermöglicht einen sicheren und zuverlässigen Betrieb in allen Betriebssituationen, insbesondere auch beim Start des Brennstoffzellensystems bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts. Zusammen mit der Tatsache, dass das Kühlsystem selbst in dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem durch den Aufbau von der über den Ladeluftkühler eingetragenen Wärme weitgehend entlastet wird, ergibt sich hierdurch die besondere Eignung für die Anwendung in einem Brennstoffzellensystem in einem Fahrzeug, insbesondere zur Bereitstellung von elektrischer Antriebsleistung. Hier sind einerseits schwierige Betriebsbedingungen, wie beispielsweise ein Start unter schwierigen Umgebungsbedingungen – z. B. Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts – häufig anzutreffen, sodass eine Anpassung des Brennstoffzellensystems auf derartige schwierige Betriebsbedingungen von entscheidender Bedeutung ist. Ferner muss der Aufbau entsprechend kompakt realisiert werden, da in einem Fahrzeug typischerweise nur sehr wenig Bauraum zur Verfügung steht. Letztlich ist es vor allem bei Fahrzeugsystemen auch entscheidend, dass das Kühlsystem des Fahrzeugs entsprechend entlastet wird, da die zur Verfügung stehende Kühlerfläche bei Fahrzeuganwendungen von Brennstoffzellensystemen im Allgemeinen ohnehin schon ein kritischer Punkt bei der Auslegung des Brennstoffzellensystems ist, da die Temperaturdifferenz zwischen der Brennstoffzelle und der Umgebung typischerweise sehr viel niedriger ist als zwischen einem Verbrennungsmotor und der Umgebung und die zur Verfügung stehende Fläche des Kühlwärmetauschers damit einen begrenzenden Einfluss auf die Leistung des Brennstoffzellensystems hat.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems ergeben sich aus den restlichen abhängigen Unteransprüchen und werden anhand des Ausführungsbeispiels deutlich, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben ist.
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Dabei zeigen:
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1 ein Fahrzeug mit einem Brennstoffzellensystem gemäß der Erfindung; und
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2 eine Prinzipdarstellung eines Wärmerohrs zur Erläuterung des Funktionsprinzips.
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In der Darstellung der 1 ist ein Brennstoffzellensystem 1 zu erkennen, welches in einem angedeuteten Fahrzeug 2 angeordnet ist, und welches in diesem Fahrzeug 2 zur Bereitstellung von elektrischer Antriebsleistung dienen soll. Bei dem Fahrzeug 2 kann es sich dabei vorzugsweise um ein Kraftfahrzeug, beispielsweise ein schienengebundenes oder ein schienenloses Landfahrzeug, ein Logistiktransporter, ein Wasserfahrzeug oder dergleichen handeln.
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Kern des Brennstoffzellensystems 1 ist eine Brennstoffzelle 3 bzw. ein Brennstoffzellenstapel 3, welcher als Stapel von Einzelzellen in PEM-Technologie aufgebaut ist. Die Einzelzellen sind dabei in der Darstellung der Figur nicht zu erkennen. Jede der Einzelzellen weist einen Kathodenraum und einen Anodenraum auf, wobei in der Darstellung der 1 symbolisch ein gemeinsamer Anodenraum 4 und ein gemeinsamer Kathodenraum 5 dargestellt sind. Zwischen dem Anodenraum 4 und dem Kathodenraum 5 ist dabei ein Wärmetauscher 6 zur Abfuhr von Abwärme aus der Brennstoffzelle 3 über ein flüssiges Kühlmedium angedeutet. Dieses flüssige Kühlmedium strömt von einer Kühlmittelfördereinrichtung 7 gefördert im Kreislauf zwischen der Brennstoffzelle 3 bzw. dem Wärmetauscher 6 der Brennstoffzelle 3 und einem Kühlwärmetauscher 8 zur Abfuhr der Abwärme an die Umgebung des Fahrzeugs 2. Die Kühlleistung kann beispielsweise durch eine Beeinflussung der Drehzahl der Kühlmittelfördereinrichtung 7 eingestellt werden oder lässt sich über einen hier nicht dargestellten Bypass parallel zum Kühlwärmetauscher 8 mit einem geeigneten Ventil einstellen.
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Dem Anodenraum 4 der Brennstoffzelle 3 wird Wasserstoff aus einem Druckgasspeicher 9 über ein Druckregel- und Dosierventil 10 zugeführt. Unverbrauchter Wasserstoff gelangt aus der Brennstoffzelle über eine Abgasleitung 11 beispielsweise an die Umgebung oder in den Bereich eines Brenners, in dem der Restwasserstoff nachverbrannt wird. Alternative Aufbauten mit einer Anodenrezirkulation zur Rückführung des unverbrauchten Wasserstoffs oder ähnliches sind hier denkbar und aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. Für die Erfindung ist die Anodenseite dabei nicht weiter relevant, sodass auf diesen allgemein bekannten Aufbau hier nicht näher eingegangen wird.
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Dem Kathodenraum 5 der Brennstoffzelle 3 wird Luft über eine Luftfördereinrichtung 12, einen Ladeluftkühler 13 sowie einen Befeuchter 14 zugeführt. Abluft aus dem Kathodenraum 5 gelangt wiederum über den Befeuchter 14 sowie den Ladeluftkühler 13 und eine Turbine 16 an die Umgebung. Die Turbine 16 dient dabei zur Nutzung von Druckenergie und thermischer Energie in der Abluft und wandelt diese zumindest teilweise in mechanische Energie um. Die Turbine 16 sitzt zusammen mit der Luftfördereinrichtung 12 auf einer gemeinsamen Welle 17, sodass die im Bereich der Turbine 16 zurückgewonnene Energie zum Antrieb der Luftfördereinrichtung 12 unmittelbar genutzt werden kann. Im Normalfall wird die im Bereich der Turbine 16 anfallende Leistung zum Antreiben der Luftfördereinrichtung 12 nicht ausreichen. Deshalb ist eine elektrische Maschine 18 vorgesehen, welche die benötigte Leistungsdifferenz zum Antrieb der Luftfördereinrichtung 12 bereitstellt. Sollte es in einzelnen Betriebssituationen dazu kommen, dass im Bereich der Turbine 16 mehr Leistung anfällt, als von der Luftfördereinrichtung 12 benötigt wird, dann kann der Aufbau auch so genutzt werden, dass die elektrische Maschine 18 generatorisch betrieben wird, um elektrische Energie zurückzugewinnen. Dieser Aufbau aus Luftfördereinrichtung 12, Turbine 16 und elektrischer Maschine 12 wird auch als ETC oder elektrischer Turbolader bezeichnet. Neben der Turbine 16 wäre selbstverständlich auch die Anwendung eines andersartigen Expanders in diesem Aufbau denkbar und möglich.
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Die Zuluft zu der Brennstoffzelle 3 ist nach der Luftfördereinrichtung 12 entsprechend heiß und trocken. Dies ist für die in der Brennstoffzelle 3 angeordneten Protonenaustauschmembranen sehr ungünstig, da diese leicht austrocknen und hierdurch beschädigt werden können. Um der Problematik entgegenzuwirken, durchströmt die durch das Verdichten in der Luftfördereinrichtung 12 aufgeheizte Zuluft daher zuerst den Ladeluftkühler 13, in dessen Bereich die Zuluft abgekühlt wird. Hierzu wird die Wärme der aufgeheizten Zuluft über Wärmerohre 15, von denen drei beispielhaft in dem Ladeluftkühler 13 angedeutet sind, auf die aus dem Kathodenraum 5 bzw. dem Befeuchter 14 strömende Abluft der Brennstoffzelle 3 übertragen. Durch die Ausgestaltung des Ladeluftkühlers 13 mit Wärmerohren 15 zur Übertragung der Wärme ist es möglich, diesen außerordentlich kompakt aufzubauen. Die Wärmerohre 15 sind dabei bevorzugt in der Art eines Zwei-Phasen-Thermosyphons ausgebildet, welcher nachfolgend unter Bezugnahme auf die 2 näher erläutert ist.
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In der Darstellung der 2 ist eine Prinzipdarstellung eines Wärmerohrs 15 zu erkennen. Über die strichpunktierte Linie ist die Mitte des Wärmerohrs 15 prinzipmäßig angedeutet. In dem im bestimmungsgemäßen Einsatz unteren Ende 19 befindet sich ein flüssiges Medium 20, welches in den Ladeluftkühler 13 in wärmeleitendem Kontakt mit der heißen Zuluft steht. Durch die heiße Zuluft wird das Medium 20 verdampft und steigt, wie durch den mit 21 bezeichneten Pfeil dargestellt, innerhalb des aus einer einzigen bevorzugt geraden Rohrleitung aufgebauten Wärmerohrs 15 nach oben, um an dem im bestimmungsgemäßen Einsatz oberen Ende 22 durch den wärmeleitenden Kontakt mit der kühlen Abluft der Brennstoffzelle 3 auf der anderen Seite des Ladeluftkühlers 13 zu kondensieren und dabei die latente Wärme an die Abluft zu übertragen. Das auskondensierte flüssige Medium 20 tropft bzw. läuft dann aufgrund der Schwerkraft entlang der Wandungen des Wärmerohrs 15, wie durch die Pfeile 23 angedeutet, wieder nach unten. Der Vorgang beginnt von Neuem. Durch diesen Aufbau des Wärmerohrs 15, welches bevorzugt in seiner Ausrichtung der Schwerkraft folgt oder in einem Winkel zur Schwerkraft so angeordnet ist, dass die Schwerkraft das Kondensat zurück in den unteren Bereich 19 fließen lässt, kann eine sehr hohe Menge an Wärme bei minimalem Bauraum übertragen werden. Insbesondere lässt sich deutlich mehr Wärme übertragen als durch direkte Wärmeleitung mittels eines gut wärmeleitenden Materials, wie beispielsweise Kupfer.
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Der Ladeluftkühler 13 kann also, obwohl er als Gas/Gas-Ladeluftkühler 13 ausgebildet ist, außerordentlich klein und kompakt aufgebaut werden, was hinsichtlich des insgesamt benötigten Bauraums einen entscheidenden Vorteil darstellt. Er lässt sich insbesondere in den Gas/Gas-Befeuchter 14 mit integrieren, um so zusätzlich Bauraum zu sparen und weitere Leitungselemente und Anschlusselemente einsparen zu können.
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Neben der gewünschten vorteilhaften Übertragung der Wärme aus der Zuluft auf die Abluft, sodass diese in der Turbine 16 entsprechend genutzt werden kann, hat das Wärmerohr 15 zur Wärmeübertragung die prinzipbedingte Funktionalität, dass Wärme nur von dem unteren Ende 19 zu dem oberen Ende 22 des Wärmerohrs 15 übertragen werden kann. Ein umgekehrter Wärmefluss, nämlich von der Abluft auf die Zuluft, wird durch die Wärmerohre 15 prinzipbedingt verhindert, da eine Erwärmung der Wärmerohre 15 an deren oberen Enden 22 keinen bzw. lediglich einen minimalen Wärmeübertrag durch das Material der Rohrwandungen ermöglicht.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009014743 A1 [0003]
- DE 102009043569 A1 [0004]
