DE102015011275A1

DE102015011275A1 - Brennstoffzellensystem und Fahrzeug mit einem Brennstoffzellensystem

Info

Publication number: DE102015011275A1
Application number: DE102015011275.9A
Authority: DE
Inventors: Michael Bader; Matthias Maisch; Ralf Nüßle; Volker Schempp
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Cellcentric GmbH and Co KG
Priority date: 2015-08-27
Filing date: 2015-08-27
Publication date: 2016-03-03

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem (10), insbesondere für ein Fahrzeug, mit einem Brennstoffzellenstapel (12), welcher eine Anode (18) und eine Kathode (28) umfasst, wobei in einem Abluftstrang (52) der Kathode (28) eine Absperreinrichtung (54) angeordnet ist. Die Absperreinrichtung (54) ist mit einem Kühlmittel eines Kühlmittelkreises (16) beaufschlagbar, mittels welchem im Betrieb des Brennstoffzellensystems (10) Wärme von dem Brennstoffzellenstapel (12) abführbar ist. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Fahrzeug mit einem solchen Brennstoffzellensystem (10).

Description

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem mit einem Brennstoffzellenstapel, welcher eine Anode und eine Kathode umfasst. In einem Abluftstrang der Kathode ist eine Absperreinrichtung angeordnet. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Fahrzeug mit einem Brennstoffzellensystem.
Die DE 10 2014 215 828 A1 beschreibt ein Antriebssteuerverfahren für ein Brennstoffzellensystem, bei welchem in einem Abluftstrang einer Kathode eines Brennstoffzellenstapels ein Luft-Absperrventil angeordnet ist. In bestimmten Situationen kann das Luft-Absperrventil geschlossen werden, während Wasserstoff der Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels zugeführt wird. So wird verhindert, dass der Wasserstoff in die Atmosphäre austreten kann. Das Brennstoffzellensystem der DE 10 2014 215 828 A1 kann in einem Fahrzeug zum Einsatz kommen, welches eine Plug-In-Funktionalität aufweist, bei welcher also das Brennstoffzellensystem während der Fahrt häufig gestoppt und dann wieder neu gestartet wird. Das Luft-Absperrventil wird bei einem Stopp des Brennstoffzellensystems geschlossen.
Des Weiteren beschreibt die DE 102 14 727 B4 ein Brennstoffzellensystem, bei welchem in einer Gaspassage zum Abführen von Brennstoff von einer Anode der Brennstoffzelle Steuerventile angeordnet sind. Einer Steuerventilheizvorrichtung zum Heizen der Steuerventile wird Wärme von einem Oxidationsgas zugeführt, welches einer Kathode der Brennstoffzelle zugeführt wird. Auf diese Weise lassen sich die Steuerventile auftauen.
Brennstoffzellenfahrzeuge und Brennstoffzellensysteme sind sehr komplex und dadurch entsprechend teuer. Des Weiteren weisen die aktuell am Markt verfügbaren Brennstoffzellenfahrzeuge zwar gute, aber dennoch noch keine sehr hohen Fahrleistungen auf, was dazu führt, dass sich mit Brennstoffzellenfahrzeugen am Markt derzeit noch keine besonders hohen Preise erzielen lassen.
Eine weitere Herausforderung bei Brennstoffzellensystemen ist das Erreichen einer hohen Lebensdauer. Ein bekannter Fehlermechanismus beziehungsweise ein bekannter Auslöser für eine vergleichsweise rasche Degradation sind die so genannten Luft-Luft-Starts. Hierbei liegt beim Starten des Brennstoffzellensystems sowohl auf der Anodenseite des Brennstoffzellenstapels als auch auf der Kathodenseite Luft vor. Eine hohe Anzahl von Luft-Luft-Starts führt entsprechend zu einer hohen Degradation.
Das Problem der Luft-Luft-Starts verschärft sich, wenn in einem Fahrzeug mit einem Brennstoffzellenstapel Fahrmodi vorgesehen sind, bei denen das Brennstoffzellensystem während der Fahrt nicht genutzt beziehungsweise nicht eingeschaltet wird. In einem solchen Fahrmodus wird also rein batterieelektrisch gefahren. Aufgrund der Fahrgeschwindigkeit treten dann hohe Windgeschwindigkeiten im Bereich eines Ansaugstutzens und einer Mündung des Abluftstrangs des Brennstoffzellensystems auf.
Durch diese Luftströmungen wird die Kathode mit Luft beziehungsweise Sauerstoff aus der Umgebungsluft gespült. In der Folge kommt es zwischen dem auf der Anode befindlichen, eingesperrten Wasserstoff und dem durch die oben erwähnten Luftströmungen zugeführten Sauerstoff zu einer Reaktion. Dies führt zu einer deutlichen Verkürzung der so genannten „Hydrogen Protection Time” (also der Zeit, bis Luft-Luft-Verhältnisse im Brennstoffzellenstapel herrschen).
Dies bedeutet letztendlich, dass bei Brennstoffzellensystemen die in einer Plug-In oder Range-Extender-Anwendung konfiguriert sind (oder eventuell auch nur mit einer ausgedehnten Start-Stopp-Strategie betrieben werden), mit einer deutlich verkürzten ”Hydrogen Protection Time” zu rechnen ist. Dies führt zu einer erhöhten Degradationsrate. Um dies zu verhindern, sind entsprechende Maßnahmen zu treffen.
Bekannt sind als Maßnahmen (etwa aus der California Fuel Cell Partnership, CFCP) Ventile, welche im Luftpfad vor dem Brennstoffzellenstack oder Brennstoffzellenstapel angeordnet sind und verschlossen werden, wenn das Brennstoffzellensystem ausgeschaltet ist. Nachteilig daran ist, dass über die Abluftanlage oder den Abluftstrang aufgrund entsprechender Luftströmungen (welche durch den Fahrtwind hervorgerufen werden) frische Luft beziehungsweise frischer Sauerstoff auf die Seite der Kathode des Brennstoffzellenstapels gelangen kann. Dies verkürzt die „Hydrogen Protection Time”.
Die Anordnung eines Ventils im Abluftpfad oder Abluftstrang ist deshalb kritisch, weil in der Abluft Produktwasser enthalten ist, welches dann bei kalten Umgebungstemperaturen das Ventil oder die Klappe zufrieren lassen kann. Um dies zu verhindern, sind elektrisch beheizbare Klappen beziehungsweise Absperrventile erforderlich, welche entsprechend teuer sind und auch noch elektrische Energie (meist auf 12 V Niveau) benötigen. Bei kalten Umgebungstemperaturen ist zudem die Leistungsfähigkeit einer 12 V-Batterie eingeschränkt. Unter diesen Bedingungen ist daher keine zuverlässige Aufheizung der Klappe gewährleistet, beziehungsweise führt das Aufheizen zu einer ungünstigen Belastung des 12 V-Bordnetzes.
Der Effekt des Zufrierens verstärkt sich entsprechend, wenn viel Produktwasser in flüssiger Form anfällt, wie dies bei Brennstoffzellensystemen aus dem Stand der Technik der Fall ist.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Brennstoffzellensystem der eingangs genannten Art sowie ein Fahrzeug mit einem solchen Brennstoffzellensystem zu schaffen, bei welchem eine Funktionstüchtigkeit der Absperreinrichtung auf besonders einfache Art und Weise erreichbar ist.
Diese Aufgabe wird durch ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und durch ein Fahrzeug mit den Merkmalen des Patentanspruchs 8 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
Bei dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem, welches insbesondere für ein Fahrzeug vorgesehen ist, ist die Absperreinrichtung mit einem Kühlmittel eines Kühlmittelkreises beaufschlagbar. Mittels des durch den Kühlmittelkreis strömenden Kühlmittels kann im Betrieb des Brennstoffzellensystems Wärme von dem Brennstoffzellenstapel abgeführt werden. Mit anderen Worten ist die Absperreinrichtung thermisch mit dem Kühlmittelkreis des Brennstoffzellenstapels gekoppelt. Die Absperreinrichtung kann also mittels der von dem Kühlmittel abgegebenen Wärme aufgetaut werden.
Dadurch kann auf ein direktes elektrisches Beheizen der Absperreinrichtung verzichtet werden. So kann insbesondere als Absperreinrichtung eine vergleichsweise günstige Absperrklappe verwendet werden, welche nicht elektrisch beheizbar zu sein braucht. Dies schlägt sich in entsprechenden Kostenvorteilen nieder. Durch das Zuführen von Wärme zu der Absperreinrichtung über das Kühlmittel lässt sich die Funktionsfähigkeit der Absperreinrichtung auf besonders einfache Art und Weise erreichen. Es lässt sich insbesondere verhindern, dass über den Abluftstrang Sauerstoff aus der Umgebungsluft in die Kathode des Brennstoffzellenstapels eintritt und dort mit dem auf Seiten der Anode eingesperrten Wasserstoff reagiert. Auf diese Weise wird insbesondere ermöglicht, eine besonders lange Hydrogen Protection Time zu erreichen.
Aufgrund der vergleichsweise langen Hydrogen Protection Time lässt sich insbesondere eine verbesserte Haltbarkeit und somit längere Lebensdauer des Brennstoffzellenstapels sowie des Brennstoffzellensystems erreichen.
Dadurch, dass die Absperreinrichtung, welche auch als Cathode Blocking Valve (CBV) oder Kathodenblockierventil bezeichnet wird, im Abluftpfad des Brennstoffzellenstapels thermisch mit dem Kühlmittelkreis des Brennstoffzellensystems gekoppelt ist, wird durch die in das Kühlmittel eingebrachte Wärme auch die Absperreinrichtung aufgetaut.
Dies ist insbesondere vorteilhaft, wenn das Brennstoffzellensystem in einem Plug-In-Fahrzeug zum Einsatz kommt, bei welchem wahlweise die von dem Brennstoffzellensystem bereitgestellte elektrische Energie oder die elektrische Energie einer Traktionsbatterie zum Fortbewegen des Fahrzeugs genutzt werden kann. Hierbei kann die Traktionsbatterie durch Anschließen an eine Ladestation aufgeladen werden. Bei derartigen Fahrzeugen kann es nämlich dazu kommen, dass zum Fortbewegen des Fahrzeugs lediglich die Traktionsbatterie eingesetzt wird und das Brennstoffzellensystem abgeschaltet bleibt. In derartigen Situationen ist dann das Absperren des Abluftstrangs der Kathode mittels der Absperreinrichtung besonders sinnvoll, um ein Eintreten von Luftsauerstoff in die Kathode des Brennstoffzellenstapels zu verhindern.
Analoges gilt für ein Brennstoffzellensystem, welches in einem Fahrzeug zum Verlängern der Reichweite zum Einsatz kommt, bei welchem das Brennstoffzellensystem also als Range Extender (Reichweitenverlängerer) fungiert. Auch kann vorgesehen sein, dass das Fahrzeug grundsätzlich unter Einsatz der von der Batterie bereitgestellten elektrischen Energie fortbewegt wird. Zum Zurücklegen weiterer Fahrstrecken wird hingegen mittels des Brennstoffzellensystems elektrische Energie bereitgestellt, welche zum Fortbewegen des Fahrzeugs genutzt wird.
Bei derartigen Fahrzeugen kann es nämlich dazu kommen, dass für längere Zeit mit hohen Fahrgeschwindigkeiten gefahren wird, ohne dass das Brennstoffzellensystem eingeschaltet ist. Insbesondere in diesen Situationen ist mittels der Absperreinrichtung ein durch den Fahrtwind bedingtes Eintreten von Umgebungsluft in die Kathode des Brennstoffzellenstapels vermeidbar.
Bevorzugt ist in dem Kühlmittelkreis eine elektrische Heizeinrichtung angeordnet, mittels welcher der Brennstoffzellenstapel auf eine vorbestimmte Temperatur erwärmbar ist. Es kann also mittels der elektrischen Heizeinrichtung dafür gesorgt werden, dass das Brennstoffzellensystem beziehungsweise der Brennstoffzellenstapel so weit vorgewärmt wird, dass das Brennstoffzellensystem keinen Gefrierstart mehr absolvieren muss.
Insbesondere wird also mittels der elektrischen Heizeinrichtung der Brennstoffzellenstapel vor einem Hochfahren des Brennstoffzellensystems auf die vorbestimmte Temperatur erwärmt. Bevorzugt wird das Brennstoffzellensystem erst dann gestartet, wenn der Brennstoffzellenstapel und die abluftseitige Absperreinrichtung auf einer entsprechenden Temperatur, beispielsweise auf einer Temperatur von +5 Grad Celsius ist.
In dem Kühlmittelkreis kann des Weiteren ein Wärmeübertrager angeordnet sein, mittels welchem Wärme in einen Fahrgastraum des Fahrzeugs einbringbar ist. Hierbei kann insbesondere vorgesehen sein, dass mittels der elektrischen Heizeinrichtung das dem Wärmeübertrager zugeführte Kühlmittel beheizt wird. So sorgt die elektrische Heizeinrichtung oder der elektrische Heizer nicht nur dafür, dass mittels des Kühlmittels die Absperreinrichtung aufgetaut wird. Vielmehr wird auch der Fahrgastraum oder Innenraum beheizt.
So kann nicht nur das Hochfahren des Brennstoffzellensystems bei besonders tiefen Temperaturen, also ein Gefrierstart oder Kaltstart vermieden werden. Vielmehr hat die elektrische Heizeinrichtung einen zusätzlichen Zweck, nämlich das Auftauen oder Enteisen der Absperreinrichtung in dem Abluftstrang der Kathode.
Von Vorteil ist es weiterhin, wenn in dem Abluftstrang der Kathode ein Ladeluftkühler angeordnet ist, mittels welchem Abwärme der Ladeluft auf die Abluft übertragbar ist. Hierbei ist der Ladeluftkühler bevorzugt stromaufwärts der Absperreinrichtung in dem Abluftstrang angeordnet. Dies führt zu einem besonders raschen Erwärmen oder Auftauen der Absperreinrichtung, da der Ladeluftkühler entsprechend viel Abwärme an die Abluft abgeben kann.
Bei dieser Ausgestaltung, bei welcher die (abluftseitige) Absperreinrichtung stromabwärts oder hinter der Sekundärseite des Ladeluftkühlers angeordnet ist, werden die Abluft und das mitgeführte Produktwasser erhitzt. Dies liegt daran, dass die Verdichtungswärme, welche auf der Primärseite des Ladeluftkühlers entsteht, zur Sekundärseite hin übertragen wird. Werden jedoch die Abluft und das mitgeführte Produktwasser erhitzt und verdampft, so ist auch der Flüssigwasseranteil relativ gering, welcher auf die Absperreinrichtung trifft. Dies führt zu einer verminderten Eisbildung im Bereich der Absperreinrichtung bei tiefen Umgebungstemperaturen oder Außentemperaturen.
Auf diese Weise ist ein besonders leichtes und schnelles Öffnen der Absperreinrichtung nach dem Auftauen ermöglicht. Dies ist ein deutlicher Vorteil gegenüber Brennstoffzellensystemen aus dem Stand der Technik, welche nicht über die Möglichkeit verfügen, die Abluft und das darin mitgeführte Produktwasser so zu erhitzen, dass ein niedriger Anteil an Flüssigwasser in der Abluft enthalten ist.
Schließlich hat es sich als vorteilhaft gezeigt, wenn in einem Zuluftstrang der Kathode eine weitere Absperreinrichtung angeordnet ist. So ist es möglich, die Kathode von beiden Seiten her abzusperren und so besonders sicher ein Eintreten von Umgebungsluft in die Kathode zu unterbinden.
Das erfindungsgemäße Fahrzeug weist ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem auf. Die für das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem beschriebenen Vorteile und bevorzugten Ausführungsformen gelten auch für das erfindungsgemäße Fahrzeug.
Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Es sind somit auch Ausführungen als von der Erfindung umfasst und offenbart anzusehen, die in den Figuren nicht explizit gezeigt oder erläutert sind, jedoch durch separierte Merkmalskombinationen aus den erläuterten Ausführungen hervorgehen und erzeugbar sind.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:
1 schematisch ein besonders einfach aufgebautes Brennstoffzellensystem, bei welchem auf einen Befeuchter zum Befeuchten der Zuluft verzichtet ist, und bei welchem das Abgas einer Kathode durch Wärmeaufnahme von der durch einen Ladeluftkühler strömenden Zuluft erwärmt wird, wobei stromabwärts des Ladeluftkühlers im Abluftstrang eine Absperreinrichtung angeordnet ist;
2 das Brennstoffzellensystem gemäß 1, wobei zusätzlich ein Kühlmittelkreis zum Kühlen des Brennstoffzellenstapels des Brennstoffzellensystems dargestellt ist; und
3 das Brennstoffzellensystem gemäß 2, wobei der Kühlmittelkreis eine Umgehungsleitung aufweist, mittels welcher Kühlmittel unter Umgehung der Absperreinrichtung wenigstens einer weiteren Komponente des Kühlmittelkreises zugeführt werden kann.
In 1 ist ein Brennstoffzellensystem 10 mit einem besonders einfachen Aufbau gezeigt. Es ist bevorzugt vorgesehen, das Brennstoffzellensystem 10 so zu betreiben, dass es im wesentlich die Aufgabe hat, Energie für ein batterieelektrisches Fahrzeug zu liefern und damit die Reichweite des Fahrzeugs zu erhöhen. Prinzipiell ist das Brennstoffzellensystem 10 auch für eine Plug-In Anwendung geeignet. Für das Brennstoffzellenfahrzeug kann also anstelle einer (nicht gezeigten) Batterie mit einem großen Energieinhalt (beispielsweise von etwa 30 kWh) eine Batterie 74 mit kleinerem Energieinhalt vorgesehen sein (vergleiche 2), wie sie typischerweise in einem Plug-In-Hybridfahrzeug oder Plug-In-Brennstoffzellenfahrzeug Anwendung findet.
Des Weiteren ist das Brennstoffzellensystem 10 insbesondere für stationäre Anwendungen und/oder als Notstromversorgungssystem im Zusammenspiel mit der Batterie 74 geeignet.
Die Auslegung des Brennstoffzellensystems 10 ist hierbei bevorzugt derart, dass das Brennstoffzellensystems 10 eine geringe Dynamik aufweist. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass es etwa 3 Sekunden bis 5 Sekunden braucht, um die Leistung eines Brennstoffzellenstapels 12 des Brennstoffzellensystems 10 von einer Leerlaufleistung (Idle) auf Volllast zu erhöhen. Auch Werte für die Dynamik des Brennstoffzellensystems 10 von bis zu 30 Sekunden sind denkbar, je nachdem, wie leistungsfähig die Batterie 74 ist, welche bevorzugt als Hochspannungsbatterie ausgebildet ist.
Die Betriebstemperatur des Brennstoffzellensystems 10 liegt bevorzugt bei etwa 50 Grad Celsius bis etwa 60 Grad Celsius. Eine sogenannte „HOT Operation” bei Temperaturen im Bereich von 80 Grad Celsius bis 90 Grad Celsius (oder darüber hinaus) ist also insbesondere nicht vorgesehen, um keinen Materialstress hervorzurufen und einen hohen Befeuchtungsaufwand zu vermeiden, welcher mit einer großen Befeuchterfläche einhergeht.
Des Weiteren wird das Brennstoffzellensystem 10 bevorzugt nicht aus negativen beziehungsweise sehr niedrigen Temperaturen heraus gestartet. Vielmehr ist durch eine entsprechende Betriebsführung vorgesehen, dass das Brennstoffzellensystem 10 erst dann elektrische Energie zum Fortbewegen des Fahrzeugs bereitstellt, wenn der Brennstoffzellenstapel 12 über einen elektrischen Heizer 14 (vergleiche 2) oder ein derartiges Heizelement auf eine vorbestimmte Temperatur erwärmt wurde.
Der elektrischen Heizer 14, der in einem zum Kühlen des Brennstoffzellenstapels 12 vorgesehenen Kühlmittelkreis 16 angeordnet ist (vergleiche 2), übernimmt bevorzugt gleichzeitig die Beheizung beziehungsweise zusätzliche Heizung eines Innenraums oder Fahrgastraums des Fahrzeugs. Aufgrund der relativ großen Kapazität der Batterie 74 wird vorliegend praktisch immer aus der Batterie 74 losgefahren.
Weiterhin kann diese elektrische Aufheizung des Brennstoffzellensystems 10 aufgrund des (im Vergleich zu für eine große Dynamik ausgelegten Brennstoffzellensystemen) besonders kleinen und einfachen Aufbaus und infolgedessen einer geringeren Wärmekapazität besonders schnell und mit wenig Energieaufwand erfolgen. Bei kalten Außentemperaturen hat ein Nutzer des Brennstoffzellenfahrzeugs den Wunsch, den Fahrgastraum möglichst schnell aufzuheizen. Diese Aufheizung erfolgt vorliegend über den elektrischen Heizer 14, welcher in einem Zweig des Kühlmittelkreises 16 des Brennstoffzellensystems 10. Hierdurch wird aber gleichzeitig auch das Brennstoffzellensystem 10 aufgeheizt. Hat der Brennstoffzellenstapel 12 des Brennstoffzellensystems 10 die vorbestimmte Temperatur (von beispielsweise +5 Grad Celsius) erreicht, wird vorliegend das Brennstoffzellensystem 10 gestartet.
Dadurch, dass der Vortrieb des Brennstoffzellenfahrzeugs in dieser Phase des Aufheizens ausschließlich aus der Batterie 74 erfolgt, kann das Brennstoffzellensystem 10 sehr moderat auf den Startvorgang vorbereitet werden, beispielsweise durch ein mehrfaches Vorbefüllen einer Anode 18 des Brennstoffzellenstapels 12. Sobald das Brennstoffzellensystem 10 gestartet ist, kann eine Leistung des Heizers 14 reduziert beziehungsweise der Heizer 14 ausgeschaltet werden. Dann kann nämlich das Brennstoffzellensystem 10 mit der entstehenden Abwärme den Innenraum oder Fahrgastraum des Fahrzeuges heizen. Dies wirkt sich den Verbrauch reduzierend und die Reichweite erhöhend aus.
Gemäß 1 strömt ein Oxidationsmittel wie etwa Luft über einen (nicht dargestellten) Luftfilter und einen Luftmassenmesser 20 hin zu einem Verdichter 22, welcher über einen elektrischen Motor 24 angetrieben wird. Der Verdichter 22 kann hierbei als ein Turboverdichter, Scroll-Verdichter, Schraubenverdichter oder dergleichen ausgebildet sein. Prinzipiell kommt aber auch ein Gebläse in Betracht. Die verdichtete und durch die Verdichtung erwärmte Luft wird dann einem Ladeluftkühler 26 zugeführt, wo die verdichtete Luft vor Eintritt in den Brennstoffzellenstapel 12 abgekühlt wird. Anschließend wird die Luft ohne vorherige (zusätzliche) Befeuchtung einer Kathode 28 des Brennstoffzellenstapels 12 zugeführt.
Nach dem Austritt aus dem Brennstoffzellenstapel 12 wird die Abluft (also das Abgas der Kathode 28 des Brennstoffzellenstapels 12) und das mitgeführte Produktwasser einer Sekundärseite 30 des Ladeluftkühlers 26 zugeführt. Hierdurch wird die an der Primärseite des Ladeluftkühlers 26 vorliegende Verdichtungswärme aufgenommen wird, wodurch der Abluftstrom beziehungsweise das im Abluftstrom enthaltene Produktwasser verdampft wird. In der Folge kommt es zu keinem beziehungsweise nur noch einem geringen Austrag an flüssigem Produktwasser in die Umgebung des Brennstoffzellenfahrzeugs.
Diese Medienführung der Luft ist besonders vorteilhaft, da die Verdichtungswärme nicht in den Kühlmittelkreis 16 des Brennstoffzellensystems 10 eingetragen wird, sondern über die Abluft abgeführt werden kann. Dies reduziert somit die über einen im Kühlmittelkreis 16 angeordneten Kühler 32 abzuführende Abwärme (vergleiche 2). Prinzipiell kann noch ein Schalldämpfer verwendet werden, der aber vorliegend nicht dargestellt ist.
Brennstoff in Form von Wasserstoff wird aus einem Tank 34 über eine (nicht dargestellte) Druckreduziereinheit zu einem Dosierventil 36 geführt. Über das Dosierventil 36 wird die Wasserstoffmenge dosiert beziehungsweise einer Strahlpumpe 38 zugeführt. Der frische Wasserstoff aus dem Tank 34 bildet dabei einen so genannten Treibstrahl aus, der über die entsprechende Saugwirkung Wasserstoff von einem Ausgang 40 der Anode 18 zurück an einen Eintritt 42 der Anode 18 saugt und dort den Wasserstoff in entsprechend gewünschter Stöchiometrie zur Verfügung stellt.
Ein Purgeventil 44 (Spülventil) am Ausgang 40 der Anode 18 dient dazu, Stickstoff und Wasser, welches sich im Anodenkreislauf angesammelt hat, vor beziehungsweise in den Ladeluftkühler 26 zu führen und der Abluft beizumischen.
Die Befeuchtung der Brennstoffzellen in dem Brennstoffzellenstapel 12 erfolgt nicht wie bei aus dem Stand der Technik bekannten Brennstoffzellensystemen über ein zusätzliches Bauteil in Form eines Befeuchters. Vielmehr erfolgt die Befeuchtung praktisch intern, also innerhalb des Brennstoffzellenstapels 12. Hierzu ist vorgesehen, dass die Medien Luft und Wasserstoff im Gegenstrom geführt werden.
Des Weiteren ist es von Vorteil, das den Kühlmittelkreis 16 durchströmende Kühlmittel in gleicher Strömungsrichtung wie die Luft durch den Brennstoffzellenstapel 12 zu führen. Die trockene und erwärmte Luft tritt also in einem vergleichsweise kalten Endbereich des Brennstoffzellenstapels 12 in die Kathode 28 ein. Die trockene Luft nimmt dann über die Lauflänge das aufgrund der elektrochemischen Reaktion anfallende Produktwasser auf und transportiert es an einen Luftaustritt 46. Der Luftaustritt 46 befindet sich am vergleichsweise warmen Ende des Brennstoffzellenstapels 12.
An diesem Ende befindet sich auch der Eintritt 42 für den Wasserstoff. An diesem Ende besteht dementsprechend über eine Membran 48 hinweg, welche in der jeweiligen Brennstoffzelle die Anode 18 von der Kathode 28 trennt, ein hohes Feuchtigkeitsgefälle. Es ist also auf der Seite der Kathode 28 viel Produktwasser vorhanden und auf der Seite der Anode 18 wenig. Dieses Feuchtigkeitsgefälle führt dazu, dass Wasser von der Kathode 28 zur Anode 18 hin übertritt. Es wird also vom trockenen und erwärmten Wasserstoff, welcher am warmen Ende in den Brennstoffzellenstapel 12 eintritt, Wasser aufgenommen. Das Wasser wird dann mit dem Wasserstoff entlang der Anodenseite des Brennstoffzellenstapels 12 zum Ausgang 40 der Anode 18 beziehungsweise zu der Seite eines Lufteintritts 50 transportiert.
Am Lufteintritt 50 auf der Luftseite oder Seite der Kathode 28 herrschen somit relativ trockene Zustände, so dass nunmehr wiederum ein Flüssigkeitsgefälle oder Feuchtigkeitsgefälle besteht, jedoch in die umgekehrte Richtung. Am Lufteintritt 50 (und in an den Lufteintritt 50 angrenzenden Bereichen der Kathode 28) ist es nämlich auf Seiten der Anode 18 relativ feucht und auf Seiten der Kathode 28 relativ trocken. Aufgrund der Tatsache, dass der Wasserstoff und das mitgeführte Wasser (zumindest teilweise in Form von Dampf) hin zur Seite des Lufteintritts 50 transportiert wird, tritt das Wasser über die Membran 48 hinweg auf die Luftseite oder Seite der Kathode 28 über. Dort wird wiederum das Wasser von der trockenen und warmen Luft aufgenommen, welche durch die Kathode 28 hin zum Luftaustritt 46 strömt.
Durch diesen Transportmechanismus wird praktisch ein Befeuchtungskreislauf dargestellt, so dass auf eine externe Befeuchtungseinrichtung verzichtet werden kann. Das überschüssige Wasser wird über die Kathode 28 ausgetragen, beziehungsweise über das Purgeventil 44 aus dem Anodenkreislauf entfernt.
Sowohl das Purgegas (Spülgas) als auch weiteres Abgas in Form der Abluft von der Kathode 28 werden dann dem Ladeluftkühler 26 zugeführt. Dort wird die Abluft erwärmt und das darin enthaltene Wasser zumindest teilweise verdampft. Dadurch erfolgt kein beziehungsweise nur noch ein stark verminderter Austrag an Flüssigwasser in die Umgebung.
Die Abluft wird über einen Abluftstrang 52 zunächst der Sekundärseite 30 des Ladeluftkühlers 26 zugeführt. In dem Abluftstrang 52 ist des Weiteren eine Absperreinrichtung 54 angeordnet, welche bevorzugt als einfache Absperrklappe ausgebildet ist. Die von dem Ladeluftkühler 26 auf die Abluft übertragene Abwärme wird also vorliegend zum Beheizen der Absperreinrichtung 54 genutzt. Zudem kann die Absperreinrichtung 54 jedoch mit dem Kühlmittel des Kühlmittelkreises 16 beaufschlagt werden, wie insbesondere mit Bezug auf 2 erläutert werden wird.
1 ist des Weiteren entnehmbar, dass in einem Zuluftstrang 56 des Brennstoffzellensystems 10 eine weitere Absperreinrichtung 58 angeordnet ist, welche stromaufwärts des Lufteintritts 50 angeordnet ist. Auch diese Absperreinrichtung 58 ist bevorzugt als Absperrklappe ausgebildet und ermöglicht es, einen Eintritt von Umgebungsluft in die Kathode 28 des Brennstoffzellenstapels 12 zu unterbinden.
Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn das Brennstoffzellensystem 10 zwar außer Betrieb ist, aber das Fahrzeug fährt, welches das Brennstoffzellensystem 10 aufweist. Denn dann verhindern die Absperreinrichtungen 54, 58, dass über den Fahrtwind Umgebungsluft in die Kathode 28 gelangt.
Vorliegend sorgt der Heizer 14, welcher in dem Kühlmittelkreis 16 angeordnet ist, für das Vorwärmen des Brennstoffzellenstapels 12, bevor das Brennstoffzellensystem 10 in Betrieb genommen oder hochgefahren wird. Hierbei wird zugleich die im Abluftstrang 52 angeordnete Absperreinrichtung 54 aufgetaut. Die Absperreinrichtung 54 kann nämlich mit dem Kühlmittel des Kühlmittelkreises 16 über eine Zuleitung 60 beaufschlagt werden, welche vom Brennstoffzellenstapel 12 zu der Absperreinrichtung 54 führt.
In dem Kühlmittelkreis 16 ist des Weiteren ein Wärmeübertrager 62 angeordnet, mittels welchem Wärme in den Fahrgastraum des Fahrzeugs eingebracht werden kann. Des Weiteren sorgt eine Kühlmittelpumpe 64 für das Fördern des Kühlmittels durch den Kühlmittelkreis 16. Über ein in dem Kühlmittelkreis 16 angeordnetes Ventil 66, welches insbesondere als Thermostatventil ausgebildet sein kann, kann dafür gesorgt werden, dass das Kühlmittel dem Kühler 32 zugeführt wird, wenn der Brennstoffzellenstapel 12 gekühlt werden soll. Bei dem Kühler 32 handelt es sich bevorzugt um den Hauptkühler, welcher üblicherweise im Bereich der Fahrzeugfront des Brennstoffzellenfahrzeugs angeordnet ist. Über das Ventil 66 kann dafür gesorgt werden, dass das Kühlmittel unter Umgehung des Heizers 14 zu dem Brennstoffzellenstapel 12 gefördert wird.
Des Weiteren ist in dem Kühlmittelkreis 16 ein weiterer Wärmeübertrager 68 angeordnet, über welchen Wärme von einem oder auf einen Batteriekühlkreislauf 70 übertragen werden kann. In dem Batteriekühlkreislauf 70 ist eine weitere Kühlmittelpumpe 72 angeordnet, welche das Kühlmittel des Batteriekühlkreislaufs 70 hin zu dem Wärmeübertrager 68 fördert. Von dem Wärmeübertrager 68 aus kann das Kühlmittel der Batterie 74 zugeführt werden.
Von der Batterie 74 aus kann das Kühlmittel wahlweise einem Batteriekühler 76 oder einem Chiller 78 zugeführt werden. Hierfür ist stromaufwärts des Batteriekühlers 76 und des Chillers 78 ein weiteres Ventil 80 vorgesehen. Mittels des Chillers 78 kann Wärme auf einen (nicht gezeigten) Kältemittelkreis des Fahrzeugs übertragen werden, wenn bei hohen Umgebungstemperaturen ein besonders hoher Kühlbedarf der Batterie 74 gegeben ist.
Durch Ansteuern eines stromaufwärts des Wärmeübertragers 68 angeordneten Ventils 82 kann des Weiteren dafür gesorgt werden, dass das von der Kühlmittelpumpe 72 geförderte Kühlmittel weiteren Hochvoltkomponenten 84 zugeführt wird, beispielsweise einem Ladegerät oder On-Board-Loader. Stromabwärts der Hochvoltkomponente 84 und der Batterie 74 ist in dem Batteriekühlkreislauf 70 ein weiteres Ventil 86 angeordnet.
Der Wärmeübertrager 68 ist prinzipiell als Wärmepumpe einsetzbar, da aufgrund des in dem Batteriekühlkreislauf 70 angeordneten Chillers 78 auch bei sehr hoher Außentemperatur die Batterie 74 und der Brennstoffzellenstapel 12 gekühlt werden können.
Das in 3 gezeigte Brennstoffzellensystem 10 entspricht im Wesentlichen dem in 2 gezeigten Brennstoffzellensystem 10. Hierbei ist jedoch die abluftseitige Absperreinrichtung 54 nicht in einem Hauptzweig des Kühlmittelkreises 16 angeordnet, sondern in einem Teilzweig 86. Entsprechend weist der Kühlmittelkreis 16 eine Umgehungsleitung 88 auf, mittels welcher das Kühlmittel unter Umgehung der Absperreinrichtung 54 dem Wärmeübertrager 68 zugeführt werden kann.
Bezugszeichenliste

10: Brennstoffzellensystem
12: Brennstoffzellenstapel
14: Heizer
16: Kühlmittelkreis
18: Anode
20: Luftmassenmesser
22: Verdichter
24: Motor
26: Ladeluftkühler
28: Kathode
30: Sekundärseite
32: Kühler
34: Tank
36: Dosierventil
38: Strahlpumpe
40: Ausgang
42: Eintritt
44: Purgeventil
46: Luftaustritt
48: Membran
50: Lufteintritt
52: Abluftstrang
54: Absperreinrichtung
56: Zuluftstrang
58: Absperreinrichtung
60: Zuleitung
62: Wärmeübertrager
64: Kühlmittelpumpe
66: Ventil
68: Wärmeübertrager
70: Batteriekühlkreislauf
72: Kühlmittelpumpe
74: Batterie
76: Batteriekühler
78: Chiller
80: Ventil
82: Ventil
84: Hochvoltkomponente
86: Teilzweig
88: Umgehungsleitung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102014215828 A1 [0002]
DE 10214727 B4 [0003]

Claims

Brennstoffzellensystem, insbesondere für ein Fahrzeug, mit einem Brennstoffzellenstapel (12), welcher eine Anode (18) und eine Kathode (28) umfasst, wobei in einem Abluftstrang (52) der Kathode (28) eine Absperreinrichtung (54) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Absperreinrichtung (54) mit einem Kühlmittel eines Kühlmittelkreises (16) beaufschlagbar ist, mittels welchem im Betrieb des Brennstoffzellensystems (10) Wärme von dem Brennstoffzellenstapel (12) abführbar ist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Kühlmittelkreis (16) eine elektrische Heizeinrichtung (14) angeordnet ist, mittels welcher der Brennstoffzellenstapel (12), insbesondere vor einem Hochfahren des Brennstoffzellensystems (10), auf eine vorbestimmte Temperatur erwärmbar ist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Kühlmittelkreis (16) ein Wärmeübertrager (62) angeordnet ist, mittels welchem Wärme in einen Fahrgastraum des Fahrzeugs einbringbar ist.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Abluftstrang (52) der Kathode (28) ein Ladeluftkühler (26) angeordnet ist, mittels welchem Abwärme der Ladeluft auf die Abluft übertragbar ist.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlmittelkreis (16) eine Umgehungsleitung (88) aufweist, mittels welcher Kühlmittel unter Umgehung der Absperreinrichtung (54) wenigstens einer weiteren Komponente des Kühlmittelkreises (16) zuführbar ist.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Zuluftstrang (56) der Kathode (28) eine weitere Absperreinrichtung (58) angeordnet ist.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Absperreinrichtung (54, 58) als Absperrklappe ausgebildet ist.
Fahrzeug mit einem Brennstoffzellensystem (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7.