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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems, eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens sowie ein Kraftfahrzeug, das eine solche Vorrichtung umfasst.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Die Unteransprüche haben vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung zum Inhalt.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Ferner 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.
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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.
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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.
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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.
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Die für das erfindungsgemäße Verfahren aufgezeigten Vorteile, vorteilhaften Effekte und Weiterbildungen finden auch Anwendung auf die erfindungsgemäße Vorrichtung.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Die für das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung aufgezeigten Vorteile, vorteilhaften Effekte und Weiterbildungen finden auch Anwendung auf das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug.
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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.
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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.
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Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und den Figuren. Es zeigen:
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1 eine Teilansicht einer Vorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
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2 eine schematische Darstellung zur Veranschaulichung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
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3 eine Teilansicht einer Vorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
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4 eine Teilansicht einer Vorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
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5 eine Teilansicht einer Vorrichtung gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und
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6 ein Diagramm zur Veranschaulichung des Temperaturverlaufs während der Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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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.
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1 zeigt einen Ausschnitt aus einer schematischen Darstellung einer Vorrichtung 15 gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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 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.
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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.
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3 ist eine Teilansicht einer Vorrichtung 25 gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Im Vergleich zu der Vorrichtung 15 aus 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 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.
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4 ist eine Teilansicht einer Vorrichtung 35 gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Im Vergleich zu den Vorrichtungen 15 und 25 aus 1 und 3 umfasst die Vorrichtung 35 aus 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.
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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 11 mit dem ersten Kondensator 7 verbunden, so dass der erneut abgekühlte Wasserstoff aus der Wasserstoffleitung 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.
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Die Vorrichtung 35 umfasst noch eine weitere Wasserstoffleitung 17, die die Wasserstoffzuführung 2 über das Dreiwegeventil 11 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.
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In der Vorrichtung 35 aus 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.
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5 ist eine Teilansicht einer Vorrichtung 45 gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Vorrichtung 45 umfasst wie Vorrichtung 15 aus 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.
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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.
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6 ist ein Diagramm zur Veranschaulichung des Temperaturverlaufs während der Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Im Diagramm ist auf der y-Achse die Temperatur aufgetragen.
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Im Detail zeigt das Diagramm den Temperaturverlauf der Gase bei Verwendung einer Vorrichtung, die, wie in 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 3, jeweils einen Wärmetauscher und einen Wasserabscheider auf.
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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.
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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.
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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.
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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.
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In 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.
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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.
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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.
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Bezugszeichenliste
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- 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
- 11
- Dreiwegeventil
- 12
- Befeuchtungsleitung
- 13
- Wasserstoffspeicherwärmetauscher
- 14
- Niedertemperaturwärmetauscher
- 15
- Vorrichtung
- 16
- Dreiwegeventil
- 17
- Wasserstoffleitung
- 18
- Wasserstoffleitung
- 19
- Wasserstoffleitung
- 20
- Wasserstoffleitung
- 21
- Dreiwegeventil
- 25
- Vorrichtung
- 35
- Vorrichtung
- 45
- Vorrichtung
