DE102015222635A1

DE102015222635A1 - Brennstoffzellensystem sowie Verfahren zum Zurückführen von Wasser in einem Brennstoffzellensystem

Info

Publication number: DE102015222635A1
Application number: DE102015222635.2A
Authority: DE
Inventors: Christian Lucas; Rune Staeck
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Audi AG; Volkswagen AG
Priority date: 2015-11-17
Filing date: 2015-11-17
Publication date: 2017-05-18
Also published as: US20170141417A1; US10516178B2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem (1), wobei in einen Abgaspfad (32, 22) des Brennstoffzellensystems (1) ein Wasserabscheider (110) zum Abscheiden von flüssigem Wasser aus einem Abgas (6, 4) einer Brennstoffzelle (10) des Brennstoffzellensystems (1) fluidmechanisch eingekoppelt ist, wobei in das Brennstoffzellensystem (1) eine Wasser-Rückführung (120) fluidmechanisch eingekoppelt ist, mittels welcher wenigstens ein Teil des Wassers des Wasserabscheiders (110), der Brennstoffzelle (10) wieder zur Verfügung stellbar ist.
Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Zurückführen von Wasser in einem Brennstoffzellensystem (1), wobei ein flüssiges Wasser einer Brennstoffzellen-Versorgung (30, 20) des Brennstoffzellensystems (1) an einer Entnahmestelle an/in der Brennstoffzellen-Versorgung (30, 20) entnommen wird, und das Wasser stromaufwärts der Entnahmestelle derselben Brennstoffzellen-Versorgung (30, 20) und/oder einer anderen Brennstoffzellen-Versorgung (20, 30) des Brennstoffzellensystems (1) zur Verfügung gestellt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem sowie ein Verfahren zum Zurückführen von Wasser in einem Brennstoffzellensystem. Ferner betrifft die Erfindung ein Brennstoffzellensystem für ein Fahrzeug, insbesondere ein Elektrofahrzeug.
Eine Brennstoffzelle eines Brennstoffzellensystems nutzt eine elektrochemische Umsetzung eines wasserstoffhaltigen Brennstoffs mit Sauerstoff zu Wasser zur Erzeugung elektrischer Energie. Hierfür enthält die Brennstoffzelle als eine Kernkomponente wenigstens eine sogenannte Membran-Elektroden-Einheit (englisch MEA für Membrane Electrode Assembly), welche ein Gefüge aus einer ionenleitenden beziehungsweise protonenleitenden Membran und beidseitig an der Membran angeordneten Elektroden, einer Anodenelektrode und einer Kathodenelektrode, ist. Zudem können Gasdiffusionslagen (GDL) beidseitig der Membran-Elektroden-Einheit an den der Membran abgewandten Seiten der Elektroden angeordnet sein.
In der Regel ist die Brennstoffzelle mittels einer Vielzahl von in einem Stapel (englisch Stack) angeordneter Membran-Elektroden-Einheiten ausgebildet, wobei sich deren elektrische Leistungen in einem Betrieb der Brennstoffzelle addieren. Zwischen den einzelnen Membran-Elektroden-Einheiten sind meist Bipolarplatten, auch Flussfeldplatten oder Separatorplatten genannt, angeordnet, welche eine Versorgung der Membran-Elektroden-Einheiten, also einer Versorgung der Einzelzellen der Brennstoffzelle, mit den Betriebsmedien, den sogenannten Reaktanten, sicherstellen und üblicherweise auch einer Kühlung dienen. Zudem sorgen die Bipolarplatten für eine jeweilige elektrische Verbindung zu den jeweilig benachbarten Membran-Elektroden-Einheiten.
In einem Betrieb der Einzelzellen der Brennstoffzelle (Einzelzelle: Membran-Elektroden-Einheit sowie ein zugehöriger Anodenraum begrenzt von einer Bipolarplatte und ein zugehöriger Kathodenraum begrenzt von einer zweiten Bipolarplatte) wird der Brennstoff, ein sogenanntes Anoden-Betriebsmedium, über ein anodenseitig offenes Flussfeld der Bipolarplatten den Anodenelektroden zugeführt, wo eine elektrochemische Oxidation von H₂ zu H⁺ unter einer Abgabe von Elektronen (e^–) stattfindet (H₂ → 2H⁺ + 2e^–). Durch die Membranen beziehungsweise Elektrolyten der Membran-Elektroden-Einheiten hindurch, welche die betreffenden Reaktionsräume (Anodenraum-Kathodenraum-Paare) gasdicht voneinander trennen und elektrisch isolieren, erfolgt ein wassergebundener oder wasserfreier Transport der gebildeten Protonen (H⁺) von den Anodenelektroden ((zusammengesetzte) Anode der Brennstoffzelle) in den Anodenräumen der Einzelzellen zu den Kathodenelektroden ((zusammengesetzte) Kathode der Brennstoffzelle) in den Kathodenräumen der Einzelzellen.
Die an der Anode bereitgestellten Elektronen werden über eine elektrische Leitung und einen elektrischen Verbraucher (Elektrotraktionsmotor, Klimaanlage et ceterea) der Kathode zugeleitet. Den Kathodenelektroden der Kathode wird über ein kathodenseitig offenes Flussfeld der Bipolarplatten ein sauerstoffhaltiges Kathoden-Betriebsmedium zugeführt, wobei eine Reduktion von O₂ zu O^2– unter einer Aufnahme von Elektronen stattfindet (½O₂ + 2e^– → O^2–). Gleichzeitig reagieren die an den Kathodenelektroden gebildeten Sauerstoffanionen (O^2–) mit den durch die Membranen beziehungsweise Elektrolyten hindurch transportierten Protonen unter einer Bildung von Wasser (O^2– + 2H⁺ → H₂O).
Um einen Brennstoffzellenstapel, nachfolgend hauptsächlich als Brennstoffzelle bezeichnet, mit Betriebsmedien zu versorgen, weist dieser beziehungsweise diese einerseits eine Anodenversorgung und andererseits eine Kathodenversorgung auf. Die Anodenversorgung weist einen Anoden-Versorgungspfad für ein Zuführen des Anoden-Betriebsmediums in die Anodenräume der Brennstoffzelle hinein und einen Anoden-Abgaspfad für ein Abführen eines Anoden-Abgases aus den Anodenräumen heraus auf. Analog dazu weist die Kathodenversorgung einen Kathoden-Versorgungspfad für ein Zuführen des Kathoden-Betriebsmediums in die Kathodenräume der Brennstoffzelle hinein und einen Kathoden-Abgaspfad für ein Abführen eines Kathoden-Abgases aus den Kathodenräumen heraus auf.
Das Brennstoffzellensystem besitzt zur Befeuchtung eines Betriebsmediums, insbesondere des Kathoden-Betriebsmediums, einen Befeuchter. Der Befeuchter überträgt einen Teil einer Feuchte eines Abgases, insbesondere des Kathoden-Abgases, welches aus der Brennstoffzelle stammt, an ein trockenes Betriebsmedium, insbesondere das vergleichsweise trockene Kathoden-Betriebsmedium, um eine Leistungsdichte und eine Lebensdauer der Brennstoffzelle (Polymerelektrolyt-Membranen, siehe unten) bei einem Betrieb bei hohen Temperaturen zu steigern. Weil Brennstoffzellen bei Temperaturen von etwa 60 bis 80°C beziehungsweise unterhalb von 120°C betrieben werden und bei einer chemischen Reaktion von Wasserstoff mit Sauerstoff Wasser gebildet wird, fällt Wasser üblicherweise auch in flüssiger Form an.
Das flüssige Wasser wird zu einem Teil im Befeuchter zur Befeuchtung des vergleichsweise trockenen Betriebsmediums genutzt. Eine Leistung beziehungsweise ein Ausnutzungsgrad des Befeuchters für flüssiges Wasser ist jedoch aufgrund hoher Strömungsgeschwindigkeiten nicht hoch, sodass eine gewisse Menge an flüssigem Wasser den Befeuchter stromabwärts wieder verlässt. Flüssiges Wasser kann zu einer Beschädigung einer im Abgaspfad stromabwärts des Befeuchters befindlichen Turbine führen. Soll eine Turbine im Brennstoffzellensystem angewendet werden, so ist es notwendig, das flüssige Wasser im Abgas stromaufwärts der Turbine mittels eines Wasserabscheiders abzuscheiden, um die Turbine zu schützen.
Ein stromabwärts des Befeuchters befindlicher Expander, also zum Beispiel die Turbine, kann mittels eines stromaufwärts bezüglich des Expanders befindlichen Wasserabscheiders geschützt werden, wobei der Wasserabscheider bevorzugt stromabwärts des Befeuchters in den Abgaspfad fluidmechanisch eingekoppelt ist. Das im Wasserabscheider abgeschiedene flüssige Wasser kann in einem Wassersammler gesammelt und an die Umgebung abgegeben werden. Dies erfolgt zum Beispiel mittels eines Wasserablass-Knopfs im Fahrzeug. Ferner kann einem Problem des flüssigen Wassers stromaufwärts des Expanders mittels eines vergleichsweise großen Befeuchters beziehungsweise einer Auslegung des Befeuchters anhand der nicht hohen Befeuchtungsleistung zumindest teilweise begegnet werden. Ferner entsteht bei vergleichsweise viel flüssigem Wasser im Abgas vergleichsweise viel Kondensationswärme, welche mittels eines vergleichsweise großen Kühlers an die Umgebung abgegeben werden muss.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, einen Bauraum in einem Fahrzeug mit einem Brennstoffzellensystem gut ausnutzen zu können. Hierbei soll ein vergleichsweise großer Befeuchter des Brennstoffzellensystems verkleinerbar sein, sodass Bauraum eingespart werden kann. Bevorzugt soll dabei eine Leistung des Befeuchters gesteigert sein, damit der Befeuchter selbst gegebenenfalls kleiner bauen kann. Dies soll mit einfachen und kostengünstigen Mitteln realisierbar und durchführbar sein. Ferner soll ein vergleichsweise kleiner Kühler im Fahrzeug verbaut werden können.
Die Aufgabe der Erfindung ist mittels eines Brennstoffzellensystems, mittels eines Verfahrens zum Zurückführen von Wasser in einem Brennstoffzellensystem und/oder mittels eines Fahrzeugs, insbesondere eines Elektrofahrzeugs, gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen, zusätzliche Merkmale und/oder Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen und der folgenden Beschreibung.
Bei dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem ist in einen Abgaspfad des Brennstoffzellensystems ein Wasserabscheider zum Abscheiden von flüssigem Wasser aus einem Abgas einer Brennstoffzelle des Brennstoffzellensystems fluidmechanisch eingekoppelt, wobei in das Brennstoffzellensystem eine Wasser-Rückführung fluidmechanisch eingekoppelt ist, mittels welcher wenigstens ein Teil des Wassers des Wasserabscheiders der Brennstoffzelle wieder zur Verfügung stellbar ist.
Die Wasser-Rückführung ist insbesondere dann einsetzbar, wenn in einem Abgaspfad, insbesondre einem Kathoden-Abgaspfad, eine Turbine stromabwärts eines Befeuchters angewendet ist. Hierbei ist der Wasserabscheider bevorzugt stromabwärts eines Feuchteüberträgers des Befeuchters im Befeuchter, stromabwärts des Feuchteüberträgers oder stromabwärts des Befeuchters, und bevorzugt stromaufwärts der Turbine fluidmechanisch in den Abgaspfad, insbesondere den Kathoden-Abgaspfad, eingekoppelt.
Gemäß der Erfindung ist eine Rückführung von Wasser aus dem Abgas, insbesondere einer Abluft, des Brennstoffzellensystems in die Brennstoffzelle des Brennstoffzellensystems möglich. Insbesondere erfolgt dabei eine Rückführung des im Wasserabscheider abgeschiedenen Wassers vor den Feuchteüberträger des Befeuchters. Das heißt das Wasser ist stromaufwärts vor den, stromaufwärts an den oder stromaufwärts in den Befeuchter rückführbar. Die Nutzung des abgeschiedenen Wassers im Befeuchter erhöht eine Leistung des Befeuchters, sodass der Befeuchter kleiner bauen kann. Dadurch verringert sich eine Menge an flüssigem Wasser im Abgas, insbesondere in einem Kathoden-Abgas.
In Ausführungsbeispielen ist mittels der Wasser-Rückführung Wasser ausgehend vom Wasserabscheider oder ausgehend von einem dem Wasserabscheider fluidmechanisch nachgeschalteten Wassersammler einem Betriebsmedium des Brennstoffzellensystems, einem Abgas des Brennstoffzellensystems und/oder dem Befeuchter einer Brennstoffzellen-Versorgung des Brennstoffzellensystems zur Verfügung stellbar. Hierbei ist das Wasser dem Betriebsmedium mittelbar oder unmittelbar, dem Abgas unmittelbar oder dem Befeuchter mittelbar oder unmittelbar zur Verfügung stellbar.
In Ausführungsbeispielen ist der Wasserabscheider in den Kathoden-Abgaspfad einer Kathodenversorgung des Brennstoffzellensystems fluidmechanisch eingekoppelt, wobei mittels der Wasser-Rückführung einem Kathoden-Betriebsmedium des Brennstoffzellensystems, dem Kathoden-Abgas des Brennstoffzellensystems und/oder einer Anodenversorgung des Brennstoffzellensystems Wasser zur Verfügung stellbar ist. Ferner ist in Ausführungsbeispielen eine Rückführung des Wassers durch die Wasser-Rückführung hindurch durch einen Naturumlauf, einen Temperaturgradienten, eine Kapillarkraft, eine Saugwirkung, einen Coandă-Effekt oder einen Abgasturbolader realisierbar.
Eine Rückführung des Wassers durch einen Naturumlauf oder einen Temperaturgradienten kann zum Beispiel mittels eines (PTC-)Heizers, eines Wärmeübertragers stromabwärts eines Kältemittelverdichters (zum Beispiel Klimaanlage), eines Wärmeübertragers stromabwärts eines Turboverdichters (Kathoden-Versorgungspfad) et cetera erfolgen. Bei einer Rückführung des Wassers mittels Kapillarkräften sind zum Beispiel Kapillarröhrchen anwendbar. Ferner kann eine Pumpe (Saugwirkung) für einen Transport des Wassers, wie zum Beispiel eine Strahlpumpe oder eine andere Pumpe angewendet sein. Darüber hinaus ist eine Saugwirkung einer Venturidüse anwendbar. Ist ein Abgasturbolader (Turbinen-Pumpe-Einrichtung) für den Transport des Wassers angewendet, so ist dieser bevorzugt ohne einen separaten Elektromotor ausgebildet.
In Ausführungsbeispielen weist der Befeuchter eine interne Wasser-Rückführung auf, wobei der Wasserabscheider und die Wasser-Rückführung im Wesentlichen innerhalb des Befeuchters untergebracht sind. Das heißt, dass der Wasserabscheider ein Bestandteil des Befeuchters sein kann. Hierbei ist mittels der internen Wasser-Rückführung im Befeuchter das Wasser im Wesentlichen innerhalb des Befeuchters dem Wasserabscheider entnehmbar, wobei in einem zeitlichen Anschluss daran das Wasser stromaufwärts innerhalb des Befeuchters transportierbar ist und anschließend stromaufwärts am oder im Befeuchter dem Befeuchter wieder zur Verfügung stellbar ist. Hierbei ist der Wasserabscheider stromabwärts am/im Befeuchter am/im Kathoden-Abgaspfad vorgesehen, wobei mittels der internen Wasser-Rückführung das Wasser (auch) entgegen einer Strömungsrichtung des Kathoden-Abgases zurückförderbar ist.
In Ausführungsbeispielen ist zum Beispiel eine Rückführeinrichtung der Wasser-Rückführung für einen Transport des Wassers eine Leitung, ein Rohr, ein Kanal, ein Docht et cetera am/im Befeuchter. Ferner sind in Ausführungsbeispielen ein Rückführmittel der Wasser-Rückführung zum Zurückfördern des Wassers entgegen der Strömungsrichtung des Kathoden-Abgases eine Pumpe, eine Strahlpumpe, eine Kapillare, eine Venturidüse, ein (PTC-)Heizer, ein Wärmeübertrager, ein Docht et cetera am/im Befeuchter oder am/im Wasserabscheider. Des Weiteren sind in Ausführungsbeispielen ein Einfördermittel der Wasser-Rückführung zum Eingeben beziehungsweise Zurückgeben des Wassers in das Kathoden-Abgas eine Pumpe, eine Strahlpumpe, eine Kapillare, eine Venturidüse, ein Docht et cetera am/im Befeuchter.
In Ausführungsbeispielen weist die Kathodenversorgung eine bezüglich des Befeuchters wenigstens teilweise externe Wasser-Rückführung auf, wobei der Wasserabscheider außerhalb oder innerhalb des Befeuchters stromabwärts im Kathoden-Abgaspfad vorgesehen ist, und ein Einfördermittel der externen Wasser-Rückführung zum Eingeben des Wassers in den Kathoden-Abgaspfad stromaufwärts im Kathoden-Abgaspfad außerhalb oder innerhalb des Befeuchters vorgesehen ist. Eine obig genannte Rückführeinrichtung, ein obig genanntes Rückführmittel und/oder ein obig genanntes Einfördermittel sind extern bezüglich des Befeuchters oder gegebenenfalls intern im Befeuchter anwendbar. Das heißt ein Ausführungsbeispiel mit interner Wasser-Rückführung kann Merkmale einer externen Wasser-Rückführung beziehungsweise vice versa aufweisen. Mittels der externen Wasser-Rückführung ist das Wasser wiederum (auch) entgegen einer Strömungsrichtung des Abgases zurückförderbar.
Gemäß der Erfindung ergeben sich eine Erhöhung der Leistung beziehungsweise des Ausnutzungsgrads des Befeuchters und infolgedessen eine Reduzierung einer Baugröße des Befeuchters, was Bauraum im Fahrzeug schafft. Ferner reduziert sich eine Menge an flüssigem Wasser im Kathoden-Abgas. Darüber hinaus ist es möglich, eine Kondensationswärme des Brennstoffzellensystems zu verringern, was die Anforderungen an einen Kühler des Fahrzeugs verringert.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Zurückführen von Wasser wird ein flüssiges Wasser einer Brennstoffzellen-Versorgung eines Brennstoffzellensystems an einer Entnahmestelle an/in der Brennstoffzellen-Versorgung aktiv oder passiv entnommen, wobei das Wasser stromaufwärts der Entnahmestelle derselben Brennstoffzellen-Versorgung und/oder einer anderen Brennstoffzellen-Versorgung des Brennstoffzellensystems aktiv oder passiv zur Verfügung gestellt wird.
Hierbei kann die Brennstoffzellen-Versorgung als eine Kathodenversorgung oder eine Anodenversorgung des Brennstoffzellensystems, also als die Kathodenversorgung oder die Anodenversorgung einer Brennstoffzelle des Brennstoffzellensystems ausgebildet sein. Das heißt, das Wasser wird der Kathodenversorgung wieder zur Verfügung gestellt und/oder das Wasser wird der Anodenversorgung zur Verfügung gestellt. Ferner kann hierbei das Brennstoffzellensystem wie ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem ausgebildet sein.
In Ausführungsbeispielen wird das flüssige Wasser einem Abgas des Brennstoffzellensystems, einem Wasserabscheider des Brennstoffzellensystems oder einem Wassersammler des Brennstoffzellensystems entnommen. Es ist natürlich möglich, dass das flüssige Wasser einer Mehrzahl dieser Entitäten entnommen wird. Ferner ist in Ausführungsbeispielen die Entnahmestelle des Wassers bevorzugt der Wasserabscheider oder der Wassersammler.
In Ausführungsbeispielen wird das Wasser einem Betriebsmedium des Brennstoffzellensystems, einem Abgas des Brennstoffzellensystems und/oder einem Befeuchter der Brennstoffzellen-Versorgung zur Verfügung gestellt. Es ist natürlich möglich, dass das Wasser einer Mehrzahl dieser Entitäten zur Verfügung gestellt wird. Wird das Wasser dem Befeuchter zur Verfügung gestellt, so kann das Wasser stromaufwärts vor dem Befeuchter in einen entsprechenden Pfad dem Abgas oder dem Betriebsmedium direkt stromaufwärts am Befeuchter oder stromaufwärts im Befeuchter zur Verfügung gestellt werden.
In Ausführungsbeispielen stammt das flüssige Wasser von einem Wasserabscheider in einem Kathoden-Abgaspfad einer Kathodenversorgung des Brennstoffzellensystems, wobei das Wasser einem Befeuchter der Kathodenversorgung zur Verfügung gestellt wird, und das Wasser bevorzugt stromaufwärts des Befeuchters, am Befeuchter oder im Befeuchter einem Kathoden-Abgas zur Verfügung gestellt wird. Es ist hierbei natürlich möglich, dass das flüssige Wasser nicht dem Wasserabscheider selbst entnommen wird, sondern dass in Bezug auf eine Strömungsrichtung des flüssigen Wassers, das flüssige Wasser stromabwärts des Wasserabscheiders, zum Beispiel einem dem Wasserabscheider stromabwärts nachgeschalteten Wassersammler entnommen wird.
Hierbei wird das Wasser bevorzugt dem Abgas stromaufwärts des Befeuchters oder dem Abgas stromaufwärts am/im Befeuchter wieder zur Verfügung gestellt. Das aktiv oder passiv zurückgeförderte Wasser wird durch den Befeuchter hindurch an ein vergleichsweise trockenes Betriebsmedium des Brennstoffzellensystems abgegeben, welches den Befeuchter auf einer anderen Seite einer Membran des Befeuchters durchströmt. Natürlich ist es auch möglich, das Wasser dem vergleichsweise trockenen Betriebsmedium ohne einen Weg über eine Membran des Befeuchters zuzuführen.
Die Erfindung ist im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügte schematische Zeichnung näher erläutert. Elemente, Bauteile oder Komponenten, welche eine identische, univoke oder analoge Ausbildung und/oder Funktion besitzen, sind in der Figurenbeschreibung, der Bezugszeichenliste und den Patentansprüchen mit denselben Bezugszeichen versehen und/oder in den Figuren der Zeichnung mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet. Mögliche, in der Beschreibung nicht erläuterte, in der Zeichnung nicht dargestellte und/oder nicht abschließende Alternativen, statische und/oder kinematische Umkehrungen, Kombinationen et cetera zu den erläuterten Ausführungsbeispielen der Erfindung beziehungsweise einzelnen Baugruppen, Teilen oder Abschnitten davon, können der Bezugszeichenliste entnommen werden.
Sämtliche erläuterten Merkmale, auch die der Bezugszeichenliste, sind nicht nur in der angegebenen Kombination beziehungsweise den angegebenen Kombinationen, sondern auch in einer anderen Kombination beziehungsweise anderen Kombinationen oder in Alleinstellung anwendbar. Insbesondere ist es möglich, anhand der Bezugszeichen und den diesen zugeordneten Merkmalen in der Beschreibung der Erfindung, der Figurenbeschreibung und/oder der Bezugszeichenliste, ein Merkmal oder eine Mehrzahl von Merkmalen in der Beschreibung der Erfindung und/oder der Figurenbeschreibung zu ersetzen. Ferner kann dadurch ein Merkmal oder können eine Mehrzahl von Merkmalen in den Patentansprüchen ausgelegt, näher spezifiziert und/oder substituiert werden. In den Figuren der Zeichnung zeigen:
1 ein vereinfachtes Blockschaltbild einer bevorzugten Ausführungsform eines Brennstoffzellensystems gemäß der Erfindung;
2 ein stark vereinfachtes Blockschaltbild einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems mit einer internen Wasser-Rückführung in einem Befeuchter;
3 ein stark vereinfachtes Blockschaltbild einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems wiederum mit einer internen Wasser-Rückführung im Befeuchter;
4 ein stark vereinfachtes Blockschaltbild einer dritten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems abermals mit einer internen Wasser-Rückführung im Befeuchter; und
5 ein stark vereinfachtes Blockschaltbild einer vierten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems mit einer externen Wasser-Rückführung zum Befeuchter.
Die Erfindung ist anhand von vier Ausführungsformen einer Wasser-Rückführung 120 für eine Kathodenversorgung 30 einer Brennstoffzelle 10 eines Brennstoffzellensystems 1 für ein Fahrzeug (Personenkraftwagen, Personentransportwagen, Bus, ATV (englisch für All Terrain Vehicle), Kraftrad, Nutzfahrzeug, (Schwerst-)Lastkraftwagen, Baufahrzeug, Baumaschine, Sonderfahrzeug, Schienenfahrzeug) sowie anhand eines Verfahrens (implizit) zum Zurückführen von Wasser in einem Brennstoffzellensystem 1 näher erläutert. Die Erfindung ist jedoch nicht auf die nachfolgend erläuterten Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern ist von grundlegenderer Natur, sodass sie zum Beispiel auf eine Wasser-Rückführung einer Anodenversorgung einer Brennstoffzelle, ein anderes Brennstoffzellensystem, beispielsweise eines Transportsystems oder eines anderen Verkehrsmittels, wie ein Flugzeug, oder auch auf transportable oder stationäre Brennstoffzellensysteme zum Erzeugen von elektrischer Energie angewendet werden kann.
In der Zeichnung sind nur diejenigen Abschnitte des Brennstoffzellensystems 1 dargestellt, welche für ein Verständnis der Erfindung notwendig sind. Insbesondere ist auf eine Darstellung einer Peripherie des Brennstoffzellensystems 1, von Sensoren, elektronischer, elektrischer und leistungselektrischer Vorrichtungen und/oder Einrichtungen et cetera weitgehend verzichtet worden. Obwohl die Erfindung im Detail durch bevorzugte Ausführungsbeispiele näher beschrieben und illustriert ist, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Ausführungsbeispiele eingeschränkt. Andere Variationen können hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
Die 1 zeigt ein Brennstoffzellensystem 1 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung. Das Brennstoffzellensystem ist bevorzugt Teil eines nicht weiter dargestellten Fahrzeugs, insbesondere eines Kraftfahrzeugs oder eines Elektrofahrzeugs, welches bevorzugt einen Elektrotraktionsmotor aufweist, das beziehungsweise welcher durch eine Brennstoffzelle 10 des Brennstoffzellensystems 1 mit elektrischer Energie versorgbar ist. Das Brennstoffzellensystem 1 kann weitere, nicht dargestellte Komponenten umfassen, insbesondere ein Motorsteuergerät (englisch ECU für Engine Control Unit), elektronische, elektrische und leistungselektrische Vorrichtungen und/oder Einrichtungen (Wandler, Batterie, Wechselrichter u.a.).
Das Brennstoffzellensystem 1 umfasst als eine Kernkomponente die Brennstoffzelle 10 beziehungsweise einen Brennstoffzellenstapel 10, die beziehungsweise welcher bevorzugt eine Vielzahl von in Stapelform angeordneten Einzel-Brennstoffzellen 11, nachfolgend als Einzelzellen 11 bezeichnet, aufweist und in einem bevorzugt fluiddichten Stapelgehäuse 16 untergebracht ist. Jede Einzelzelle 11 umfasst einen Anodenraum 12 und einen Kathodenraum 13, wobei der Anodenraum 12 und der Kathodenraum 13 von einer Membran (Teil einer Membran-Elektroden-Einheit 14, siehe unten), bevorzugt einer ionenleitfähigen Polymerelektrolyt-Membran, räumlich und elektrisch voneinander getrennt sind (siehe Detailausschnitt). Der Brennstoffzellenstapel 10 wird auch einfach als Brennstoffzelle 10 bezeichnet.
Die Anodenräume 12 und die Kathodenräume 13 der Brennstoffzelle 10 weisen begrenzend an den Membranen jeweils eine katalytische Elektrode (Teil der betreffenden Membran-Elektroden-Einheit 14, siehe im Folgenden), das heißt eine Anodenelektrode und eine Kathodenelektrode, auf, welche jeweils eine Teilreaktion einer Brennstoffzellen-Umsetzung katalysieren. Die Anodenelektrode und die Kathodenelektrode weisen jeweils ein katalytisches Material, beispielsweise Platin, auf, welches bevorzugt auf einem elektrisch leitfähigen Trägermaterial mit einer großen spezifischen Oberfläche, beispielsweise einem kohlenstoffbasierten Material, geträgert vorliegt.
Ein Gefüge aus einer Membran und den dazugehörigen Elektroden wird auch als Membran-Elektroden-Einheit 14 bezeichnet. Zwischen zwei solchen Membran-Elektroden-Einheiten 14 (in der 1 ist lediglich eine einzelne Membran-Elektroden-Einheit 14 angedeutet) ist in der 1 ferner eine Bipolarplatte 15 angedeutet, welche einer Zuführung von Betriebsmedien 3, 5 in einen betreffenden Anodenraum 12 einer ersten Einzelzelle 11 und einen betreffenden Kathodenraum 13 einer direkt dazu benachbarten zweiten Einzelzelle 11 dient und welche darüber hinaus eine elektrisch leitende Verbindung zwischen den zwei direkt zueinander benachbarten Einzelzellen 11 realisiert.
Zwischen einer Bipolarplatte 15 und einer direkt dazu benachbarten Anodenelektrode einer Membran-Elektroden-Einheit 14 ist ein Anodenraum 12 und zwischen einer Kathodenelektrode derselben Membran-Elektroden-Einheit 14 und einer direkt dazu benachbarten zweiten Bipolarplatte 15 ist ein Kathodenraum 13 ausgebildet. Optional können Gasdiffusionslagen zwischen den Membran-Elektroden-Einheiten 14 und den Bipolarplatten 15 angeordnet sein. Im Brennstoffzellenstapel 10 beziehungsweise in der Brennstoffzelle 10 sind also Membran-Elektroden-Einheiten 14 und Bipolarplatten 15 abwechselnd angeordnet beziehungsweise gestapelt (Brennstoffzellenstapel 10).
Zur Versorgung des Brennstoffzellenstapels 10 beziehungsweise der Brennstoffzelle 10 mit den Betriebsmedien 3, 5 weist das Brennstoffzellensystem 1 einerseits eine Anodenversorgung 20 und andererseits eine Kathodenversorgung 30 auf.
Die Anodenversorgung 20 umfasst einen Anoden-Versorgungspfad 21, welcher einer Zuführung eines Anoden-Betriebsmediums 3, einem Brennstoff 3, beispielsweise Wasserstoff 3 oder einem wasserstoffhaltigen Gasgemisch 3, in die Anodenräume 12 der Brennstoffzelle 10 dient. Zu diesem Zweck verbindet der Anoden-Versorgungspfad 21 einen Brennstoffspeicher 23 oder Brennstofftank 23 mit einem Anodeneingang der Brennstoffzelle 10. Die Anodenversorgung 20 umfasst ferner einen Anoden-Abgaspfad 22, welcher ein Anoden-Abgas 4 aus den Anodenräumen 12 durch einen Anodenausgang der Brennstoffzelle 10 abführt. Ein aufgebauter Anoden-Betriebsdruck auf einer Anodenseite der Brennstoffzelle 10 ist bevorzugt mittels eines Stellmittels 24 im Anoden-Versorgungspfad 21 einstellbar.
Darüber hinaus weist die Anodenversorgung 20 bevorzugt eine Brennstoff-Rezirkulationsleitung 25 auf, welche den Anoden-Abgaspfad 22 mit dem Anoden-Versorgungspfad 21 fluidmechanisch verbindet. Eine Rezirkulation des Anoden-Betriebsmediums 3, also dem eigentlich bevorzugt zu tankenden Brennstoff 3, ist oft eingerichtet, um das zumeist überstöchiometrisch eingesetzte Anoden-Betriebsmedium 3 der Brennstoffzelle 10 zurückzuführen und zu nutzen. Ferner kann an/in der Brennstoff-Rezirkulationsleitung 25 ein Verdichter vorgesehen sein (nicht dargestellt).
Die Kathodenversorgung 30 umfasst einen Kathoden-Versorgungspfad 31, welcher den Kathodenräumen 13 der Brennstoffzelle 10 ein sauerstoffhaltiges Kathoden-Betriebsmedium 5 (Sauerstoff oder ein sauerstoffhaltiges Gasgemisch), bevorzugt Luft 5, zuführt, welche insbesondere aus der Umgebung 2 ansaugbar ist. Die Kathodenversorgung 30 umfasst ferner einen Kathoden-Abgaspfad 32, welcher ein Kathoden-Abgas 6, insbesondere eine Abluft 6, aus den Kathodenräumen 13 der Brennstoffzelle 10 abführt und dieses beziehungsweise diese einer gegebenenfalls vorgesehenen Abgaseinrichtung (nicht dargestellt) zuführt.
Für eine Förderung und Verdichtung des Kathoden-Betriebsmediums 5 ist am/im Kathoden-Versorgungspfad 31 bevorzugt ein Kathodenverdichter 33 angeordnet, das heißt fluidmechanisch in den Kathoden-Versorgungspfad 31 eingekoppelt. In Ausführungsbeispielen ist der Kathodenverdichter 33 als ein ausschließlich oder auch elektromotorisch angetriebener Kathodenverdichter 33 ausgestaltet, dessen Antrieb mittels eines Elektromotors 34 oder eines Antriebs 34 erfolgt, welcher bevorzugt mit einer entsprechenden Leistungselektronik 35 ausgestattet ist. Der Antrieb 34 kann dabei ein Getriebe aufweisen. Ferner kann ein zweiter Kathodenverdichter am/im Kathoden-Versorgungspfad 31 angeordnet sein (nicht dargestellt).
Bevorzugt ist der Kathodenverdichter 33 als ein wenigstens elektrisch angetriebener Turbolader (englisch ETC für Electric Turbo Charger) ausgebildet. Der Kathodenverdichter 33 kann dabei, zum Beispiel mittels einer im Kathoden-Abgaspfad 32 angeordneten Kathodenturbine 36 mit gegebenenfalls variabler Turbinengeometrie, unterstützend über eine gemeinsame Welle oder ein Getriebe mit der Kathodenturbine 36 (in der Zeichnung nicht dargestellt), zusätzlich antreibbar sein. Die Kathodenturbine 36 stellt einen Expander dar, welcher eine Expansion des Kathoden-Abgases 6 und somit eine Absenkung dessen Fluiddrucks bewirkt, was eine Steigerung eines Wirkungsgrads der Brennstoffzelle 10 zur Folge hat. Es ist natürlich möglich, den Kathodenverdichter 33 lediglich elektromotorisch anzutreiben.
Die Kathodenversorgung 30 kann gemäß der dargestellten Ausführungsform ein Wastegate 37 beziehungsweise eine Wastegate-Leitung 37 aufweisen, welches beziehungsweise welche den Kathoden-Versorgungspfad 31 beziehungsweise eine Kathoden-Versorgungsleitung mit dem Kathoden-Abgaspfad 32 beziehungsweise einer Kathoden-Abgasleitung verbindet, also einen kathodenseitigen Bypass für die Brennstoffzelle 10 darstellt. Das Wastegate 37 erlaubt es, einen Massen- beziehungsweise Volumenstrom des Kathoden-Betriebsmediums 5 kurzfristig in der Brennstoffzelle 10 zu reduzieren, ohne den Kathodenverdichter 33 herunterzufahren. Ein im Wastegate 37 angeordnetes Stellmittel 38 erlaubt eine Einstellung eines Massen- beziehungsweise Volumenstroms des die Brennstoffzelle 10 gegebenenfalls umgehenden Kathoden-Betriebsmediums 5.
Sämtliche Stellmittel 24, 26, 38 des Brennstoffzellensystems 1 können als regelbare, steuerbare oder nicht regelbare Ventile, Klappen, Drosseln, Blenden et cetera ausgebildet sein. Zur weiteren Isolierung der Brennstoffzelle 10 von der Umgebung 2 kann wenigstens ein weiteres entsprechendes Stellmittel (nicht dargestellt) an/in einem Anoden-Pfad 21, 22 und/oder an/in einem Kathoden-Pfad 31, 32 beziehungsweise an/in einer Leitung des Anoden-Pfads 21, 22 und/oder an/in einer Leitung des Kathoden-Pfads 31, 32 angeordnet sein.
Das bevorzugte Brennstoffzellensystem 1 weist ferner einen Befeuchter 100 auf. Der Befeuchter 100 ist einerseits derart im Kathoden-Versorgungspfad 31 angeordnet, dass er vom Kathoden-Betriebsmedium 5 durchströmbar ist. Andererseits ist der Befeuchter 100 derart im Kathoden-Abgaspfad 32 angeordnet, dass er vom Kathoden-Abgas 6 durchströmbar ist. Der Befeuchter 100 ist einerseits im Kathoden-Versorgungspfad 31 bevorzugt zwischen dem Kathodenverdichter 33 und einem Kathodeneingang der Brennstoffzelle 10 und andererseits im Kathoden-Abgaspfad 32 zwischen einem Kathodenausgang der Brennstoffzelle 10 und der gegebenenfalls vorgesehenen Kathodenturbine 36 angeordnet. Ein Feuchteüberträger (nicht dargestellt) des Befeuchters 100 weist bevorzugt eine Mehrzahl von Membranen auf, die oft entweder flächig oder in Form von Hohlfasern ausgebildet sind.
Getrieben von einem höheren Partialdruck an Wasserdampf im vergleichsweise feuchten Kathoden-Abgas 4 kommt es zu einem Durchtritt von Wasser durch den Feuchteüberträger des Befeuchters 100 in das vergleichsweise trockene Kathoden-Betriebsmedium 3, welches auf diese Weise befeuchtet wird. Das heißt, es liegt zunächst das vergleichsweise trockene Kathoden-Betriebsmedium 3 zeitlich vorher und ein vergleichsweise feuchtes Kathoden-Betriebsmedium 3 zeitlich nachher vor. Analog beziehungsweise reziprok verhält es sich mit dem Kathoden-Abgas 4. Zunächst liegt das vergleichsweise feuchte Kathoden-Abgas 4 zeitlich vorher und ein vergleichsweise trockenes Kathoden-Abgas 4 zeitlich nachher vor. Hierbei strömt das vergleichsweise trockene Kathoden-Betriebsmedium 3, insbesondere eine vergleichsweise trockene Luft 3 aus der Umgebung 2, vom Verdichter 33 an, wohingegen das vergleichsweise trockene Kathoden-Abgas 4, insbesondere eine vergleichsweise trockene Abluft 4, zur Turbine 36 hinströmt.
Verschiedene weitere Einzelheiten des Brennstoffzellensystems 1 beziehungsweise der Brennstoffzelle 10, des Brennstoffzellenstapels 10, der Anodenversorgung 20 und/oder der Kathodenversorgung 30 sind in der vereinfachten 1 aus Gründen einer Übersichtlichkeit nicht dargestellt. So kann der Befeuchter 100 seitens des Kathoden-Versorgungspfads 31 und/oder seitens des Kathoden-Abgaspfads 32 mittels einer Bypassleitung umgangen werden. Es kann ferner eine Turbinen-Bypassleitung seitens des Kathoden-Abgaspfads 32 vorgesehen sein, welche die Kathodenturbine 36 umgeht.
Des Weiteren kann im Anoden-Abgaspfad 22 und/oder im Kathoden-Abgaspfad 32 (vergleiche die 2 bis 5) ein Wasserabscheider 110 verbaut sein, mittels welchem ein aus der betreffenden Teilreaktion der Brennstoffzelle 10 entstehendes Produktwasser kondensierbar und/oder abscheidebar und gegebenenfalls in einen Wassersammler (nicht dargestellt) ableitbar ist. Des Weiteren kann die Anodenversorgung 20 alternativ oder zusätzlich einen zur Kathodenversorgung 30 analogen Befeuchter 100 aufweisen. Ferner kann der Anoden-Abgaspfad 22 in den Kathoden-Abgaspfad 32 beziehungsweise vice versa münden, wobei das Anoden-Abgas 4 und das Kathoden-Abgas 6 gegebenenfalls über die gemeinsame Abgaseinrichtung abgeführt werden können. Darüber hinaus kann in Ausführungsbeispielen das Kathoden-Betriebsmedium 5 einen am/im Kathoden-Versorgungspfad 31 vorgesehenen Ladeluftkühler (nicht dargestellt) durchströmen.
Wie eingangs schon erläutert weist das vergleichsweise trockene Kathoden-Abgas 4 stromabwärts des Feuchteüberträgers (Kathoden-Abgaspfad 32) des Befeuchters 100 beziehungsweise stromabwärts des Befeuchters 100 ein flüssiges Wasser auf, welches zum Beispiel vom Wasserabscheider 110 abscheidebar ist, um die Turbine 36 zu schützen. Gemäß der Erfindung wird wenigstens ein Teil dieses flüssigen Wassers weiterverwendet und nicht in einer zeitlichen Folge zum Beispiel an die Umgebung 2 abgegeben. Dies erfolgt gemäß der Erfindung mittels einer Wasser-Rückführung 120, welche dem Befeuchter 100 Wasser zur Verfügung stellt. Hierfür wird das flüssige Wasser stromabwärts des Feuchteüberträgers des Befeuchters 100 oder stromabwärts des Befeuchters 100 dem Kathoden-Abgas 6 entnommen und stromaufwärts des Feuchteüberträgers des Befeuchters 100 oder stromaufwärts des Befeuchters 100 dem Kathoden-Abgas 6 wieder beigegeben (eingefördert). Hierbei kann das Wasser gasförmig sein.
Die Wasser-Rückführung 120 (vergleiche die 2 bis 5) entnimmt das flüssige Wasser stromabwärts des Feuchteüberträgers des Befeuchters 100 zum Beispiel dem Wasserabscheider 110, einem einem Fluidfluss des flüssigen Wassers nachgeschalteten Wassersammler oder einer anderen Vorrichtung (nicht dargestellt) oder Einrichtung (nicht dargestellt). Der Wasserabscheider 110 kann dabei stromabwärts des Feuchteüberträgers des Befeuchters 100 innerhalb des Befeuchters 100 (befeuchterinterner Wasserabscheider 110, vergleiche die 2 bis 4), also innerhalb eines Gehäuses des Befeuchters 100, oder stromabwärts des Befeuchters 100 (befeuchterexterner Wasserabscheider 110, vergleiche die 5), also außerhalb des Gehäuses des Befeuchters 100, in den Kathoden-Abgaspfad 32 fluidmechanisch eingekoppelt sein.
Hierbei transportiert die Wasser-Rückführung 120 auf/in einem geeigneten Weg, zum Beispiel innerhalb des Befeuchters 100, am Feuchteüberträger des Befeuchters 100, außerhalb des Feuchteüberträgers des Befeuchters 100, am Befeuchter 100 oder außerhalb des Befeuchters 100, das Wasser auch entgegen einer Strömungsrichtung des Kathoden-Abgases 6 zurück. Dies erfolgt natürlich außerhalb des Kathoden-Abgases 6 beziehungsweise isoliert gegenüber dem Kathoden-Abgas 6. Hierfür kann die Wasser-Rückführung 120 optional (siehe unten) eine geeignete Rückführeinrichtung 122 beziehungsweise eine geeignete Rückführvorrichtung 122 für einen Rücktransport des Wassers aufweisen, wie zum Beispiel eine Leitung 122, ein Rohr 122, einen Kanal 122, einen Docht 122, eine Kapillare 122, eine Kammer 122 et cetera.
Darüber hinaus fördert die Wasser-Rückführung 120 das Wasser zum Beispiel durch die Rückführeinrichtung 122 hindurch zurück. Hierbei kann ein Rückführmittel 124 zum Zurückfördern des Wassers zusätzlich zur Rückführeinrichtung 122 oder alternativ zur Rückführeinrichtung 122 angewendet sein. Als Rückführmittel 124 zum Zurückfördern des Wassers eignet sich zum Beispiel eine Pumpe 124, eine Strahlpumpe 124, eine Kapillare 124, eine Venturidüse 124, ein (PTC-)Heizer 124 (Naturumlauf, siehe unten), ein Wärmeübertrager 124 (Naturumlauf, siehe unten), ein Docht 124 et cetera.
Des Weiteren kann die Wasser-Rückführung 120 ein Einfördermittel 126 zusätzlich zur Rückführeinrichtung 122 und/oder zusätzlich zum Rückführmittel 124 oder alternativ zur Rückführeinrichtung 122 und/oder alternativ zum Rückführmittel 124 aufweisen. Das Einfördermittel 126 der Wasser-Rückführung 120 kann dabei stromaufwärts des Feuchteüberträgers des Befeuchters 100 innerhalb des Befeuchters 100 (befeuchterinternes Einfördermittel 126, siehe die 2 bis 4), also innerhalb des Gehäuses des Befeuchters 100, oder stromaufwärts des Befeuchters 100 (befeuchterexternes Einfördermittel 126, siehe die 5), also außerhalb des Gehäuses des Befeuchters 100, in den Kathoden-Abgaspfad 32 fluidmechanisch eingekoppelt sein. Als Einfördermittel 126 zum Einfördern des Wassers und gegebenenfalls zum Zurückfördern des Wassers eignen sich zum Beispiel eine Pumpe 126, eine Strahlpumpe 126, eine Kapillare 126, eine Venturidüse 126, ein Docht 126, eine Öffnung 126, ein Anschluss 126 et cetera.
Hierbei kann die Wasser-Rückführung 120 selbst eine Aufgabe der Rückführeinrichtung 122, des Rückführmittels 124 und/oder des Einfördermittels 126 übernehmen. Analog kann die Rückführeinrichtung 122 selbst eine Aufgabe der Wasser-Rückführung 120, des Rückführmittels 124 und/oder des Einfördermittels 126 übernehmen. Wiederum analog kann das Rückführmittel 124 selbst eine Aufgabe der Wasser-Rückführung 120, der Rückführeinrichtung 122, und/oder des Einfördermittels 126 übernehmen. Ferner kann analog das Einfördermittel 126 selbst eine Aufgabe der Wasser-Rückführung 120, der Rückführeinrichtung 122 und/oder des Rückführmittels 124 übernehmen. Des Weiteren ist es natürlich möglich, wenigstens ein Merkmal einer internen Wasser-Rückführung 120 bei einer externen Wasser-Rückführung 120 beziehungsweise wenigstens ein Merkmal einer externen Wasser-Rückführung 120 bei einer internen Wasser-Rückführung 120 anzuwenden (intern/externe Wasser-Rückführung 120, beides nicht dargestellt).
Es ist natürlich möglich, das Wasser an eine andere Stelle des Brennstoffzellensystems 1 zu fördern beziehungsweise zu transportieren. So ist es zum Beispiel möglich, das Wasser in das Kathoden-Betriebsmedium 5 ohne einen Umweg über den Feuchteüberträger des Befeuchters 100 direkt einzufördern, was zum Beispiel stromabwärts des Feuchteüberträgers des Befeuchters 100 im Befeuchter 100 (befeuchterinternes Einfördermittel 126, nicht dargestellt) oder stromabwärts des Befeuchters 100 (befeuchterexternes Einfördermittel 126, ebenfalls nicht dargestellt) im Kathoden-Versorgungspfad 31 erfolgen kann. Ferner ist es möglich, das Wasser der Anodenversorgung 20, zum Beispiel dem Anoden-Versorgungspfad 21, der Brennstoff-Rezirkulationsleitung 25, dem Anoden-Abgaspfad 22 bevorzugt stromaufwärts der Brennstoff-Rezirkulationsleitung 25 zur Verfügung zu stellen.
In Ausführungsbeispielen der Erfindung ist es möglich, in einer internen oder externen Wasser-Rückführung 120 wenigstens eine der folgenden Komponenten vorzusehen beziehungsweise die interne oder externe Wasser-Rückführung 120 weist eine Rückführeinrichtung 122 beziehungsweise eine Rückführvorrichtung 122 (siehe oben), ein Rückführmittel 124 (siehe oben) und/oder ein Einfördermittel 126 (siehe oben) auf. So ist es zum Beispiel möglich, die Wasser-Rückführung 120, abgesehen von einem Fluidanschluss an den und/oder eine Öffnung am/im Kathoden-Abgaspfad 32 lediglich als eine Mehrzahl von Kapillaren 122/124/126 auszubilden; ferner ist es möglich, die Wasser-Rückführung 120 aus einer Leitung 122 und einer Pumpe 124/126 auszubilden; et cetera. Bei Ausführungsbeispielen kann der Befeuchter 100 und/oder der Wasserabscheider 110 zur Wasser-Rückführung 120 gehören.
In Ausführungsbeispielen kann der Wasserabscheider 110 ein Bestandteil der Wasser-Rückführung 120 sein beziehungsweise zur Wasser-Rückführung 120 hinzugerechnet werden. Der Befeuchter 100 kann derart ausgestaltet sein, dass dessen Feuchteüberträger einen Gleichstrom, einen Gegenstrom oder einen Kreuzstrom zwischen dem Kathoden-Betriebsmedium 5 und dem Kathoden-Abgas 6 realisiert. Hierbei kann der Befeuchter 100 derart ausgestaltet sein, dass das Kathoden-Betriebsmedium 5 horizontal, vertikal oder sowohl horizontal als auch vertikal durch den Befeuchter 100 hindurchströmbar vorgesehen ist. Analog dazu kann der Befeuchter 100 derart ausgestaltet sein, dass das Kathoden-Abgas 6 horizontal, vertikal oder sowohl horizontal als auch vertikal durch den Befeuchter 100 hindurchströmbar vorgesehen ist.
Die 2 bis 5 zeigen stark vereinfacht beispielhafte Ausführungsformen von Wasser-Rückführungen 120 für Wasser, wobei in einem Betrieb des Brennstoffzellensystems 1 das flüssige Wasser dem stromabwärts des Feuchteüberträgers des Befeuchters 110 vorgesehenen Wasserabscheider 110 entnommen wird (Entnahmestelle). Statt des Wasserabscheiders 110 ist auch der Wassersammler oder die andere Vorrichtung oder Einrichtung anwendbar (vergleiche oben).
Die 2 zeigt eine in den Befeuchter 110 integrierte Wasser-Rückführung 120, wobei ferner der Wasserabscheider 110 in den Befeuchter 110 integriert ist. Eine Rückführeinrichtung 122 (in der 2 nicht dargestellt) oder eine Rückführvorrichtung 122 (in der 2 nicht dargestellt) für einen Transport des Wassers können eine Leitung 122, ein Rohr 122, ein Kanal 122, eine Kammer 122 et cetera im Befeuchter 110 sein. Ein Rückführmittel 124 zum Zurückfördern und ein Einfördermittel 126 zum Einfördern des Wassers sind bei einer solchen Ausführungsform bevorzugt gemeinsam als eine Pumpe 124/126, insbesondere eine Strahlpumpe 124/126 oder eine Venturidüse 124/126 ausgebildet. Eine Integration des Wasserabscheiders 110 und der Pumpe 124/126, insbesondere der Strahlpumpe 124/126 oder der Venturidüse 124/126 in den Befeuchter 100 führt zu einer kompakten Bauweise.
Die 3 zeigt wiederum eine in den Befeuchter 110 integrierte Wasser-Rückführung 120, wobei wiederum der Wasserabscheider 110 in den Befeuchter 110 integriert ist. Eine Rückführeinrichtung 122 oder eine Rückführvorrichtung 122 für einen Transport, ein Rückführmittel 124 zum Zurückfördern und/oder ein Einfördermittel 126 zum Einfördern des Wassers sind bei einer solchen Ausführungsform zum Beispiel bevorzugt gemeinsam als Dochte 122/124/126 oder Kapillarröhrchen 122/124/126 ausgebildet. Ferner kann eine Rückführeinrichtung 122 (in der 3 nicht dargestellt) als eine Leitung 122, ein Rohr 122, ein Kanal 122, eine Kammer 122 et cetera im Befeuchter 110 vorgesehen sein, in welcher zum Beispiel die Dochte 122/124/126 vorgesehen sind. Ferner können die Kapillarröhrchen 122/124/126 im Befeuchter 110 selbst oder an/in dessen Feuchteüberträger selbst ausgebildet sein.
Die 4 zeigt abermals eine in den Befeuchter 110 integrierte Wasser-Rückführung 120, wobei abermals der Wasserabscheider 110 in den Befeuchter 110 integriert ist. Hierbei erfolgt die Rückführung des Wassers durch einen sogenannten Naturumlauf, welcher zum Beispiel wärmegetrieben (Temperaturgradient) ist. Das heißt, ein Rückführmittel 124 zum Zurückfördern des Wassers ist zum Beispiel als ein (PTC-)Heizer 124, ein Wärmeübertrager 124 et cetera ausgebildet, mittels welchem ein Bereich am/im Wasserabscheider 110 und/oder am/im Befeuchter 110 erwärmbar ist.
Der Wärmeübertrager 124 ist zum Beispiel als ein Wärmeübertrager 124 stromabwärts eines Kältemittelverdichters zum Beispiel einer Klimaanlage des Fahrzeugs ausgebildet. Ferner kann eine Wärme an/in einem Abgasturbolader entnommen werden. Neben einem Temperaturgradienten als einen Naturumlauf sind ferner ein Coandă-Effekt, eine Kapillarkraft et cetera als ein Naturumlauf anwendbar. Eine Rückführeinrichtung 122 (in der 4 nicht dargestellt) oder eine Rückführvorrichtung 122 (in der 4 nicht dargestellt) für einen Transport des Wassers ist zum Beispiel als eine Leitung 122, ein Rohr 122, ein Kanal 122, eine Kammer 122 et cetera im Befeuchter 100 ausgebildet. Ein Einfördermittel 126 zum Einfördern ist zum Beispiel als eine Öffnung 126, ein Anschluss 126 et cetera ausgebildet.
Die 5 zeigt eine bezüglich des Befeuchters 110 externe Wasser-Rückführung 120, wobei auch der Wasserabscheider 110 bezüglich des Befeuchters 110 extern vorgesehen ist. Eine Rückführeinrichtung 122 oder eine Rückführvorrichtung 122 für einen Transport des Wassers können eine Leitung 122, ein Rohr 122, ein Kanal 122, eine Kammer 122 et cetera am oder außerhalb des Befeuchters 110 sein. Ein Rückführmittel 124 zum Zurückfördern und ein Einfördermittel 126 zum Einfördern des Wassers sind bei einer solchen Ausführungsform bevorzugt gemeinsam als eine Pumpe 124/126, insbesondere eine Strahlpumpe 124/126 oder eine Venturidüse 124/126 ausgebildet.
Bezugszeichenliste

1: Brennstoffzellensystem, bevorzugt für ein Fahrzeug mit einem Elektromotor, insbesondere einem Elektrotraktionsmotor
2: Umgebung
3: Fluid, Betriebsmedium, Reaktant, insbesondere Anoden-Betriebsmedium, eigentlicher Brennstoff, bevorzugt Wasserstoff oder wasserstoffhaltiges Gasgemisch
4: Fluid, Abgas gegebenenfalls inklusive flüssiges Wasser, insbesondere Anoden-Abgas
5: Fluid, Betriebsmedium, Reaktant, insbesondere Kathoden-Betriebsmedium, bevorzugt Luft
6: Fluid, Abgas gegebenenfalls inklusive flüssiges Wasser, insbesondere Kathoden-Abgas, bevorzugt Abluft
10: Brennstoffzelle, Brennstoffzellenstapel des Brennstoffzellensystems 1
11: Einzelzelle mit einer Anodenelektrode der Anode der Brennstoffzelle 10 und einer Kathodenelektrode der Kathode der Brennstoffzelle 10, Einzel-Brennstoffzelle
12: Anodenraum einer Einzelzelle 11
13: Kathodenraum der Einzelzelle 11
14: Membran-Elektroden-Einheit, mit bevorzugt einer Polymerelektrolyt-Membran sowie einer Anodenelektrode und einer Kathodenelektrode und gegebenenfalls einem Träger dafür
15: Bipolarplatte, Flussfeldplatte, Separatorplatte
16: Stapelgehäuse der Brennstoffzelle 10
20: Brennstoffzellen-Versorgung, Anodenversorgung, Anodenkreislauf der Brennstoffzelle
10: beziehungsweise des Brennstoffzellenstapels 10
21: Pfad, Versorgungspfad, Strömungspfad, Anoden-Versorgungspfad
22: Pfad, Abgaspfad, Strömungspfad, Anoden-Abgaspfad
23: Brennstoffspeicher, Brennstofftank mit Anoden-Betriebsmedium 3
24: Stellmittel, (ein)regelbar, (an)steuerbar, nicht regelbar, insbesondere Ventil, Klappe, Drossel, Blende et cetera
25: Brennstoff-Rezirkulationsleitung
26: Stellmittel, (ein)regelbar, (an)steuerbar, nicht regelbar, insbesondere Ventil, Klappe, Drossel, Blende et cetera
30: Brennstoffzellen-Versorgung, Kathodenversorgung, Kathodenkreislauf der Brennstoffzelle 10 beziehungsweise des Brennstoffzellenstapels 10
31: Pfad, Versorgungspfad, Strömungspfad, Kathoden-Versorgungspfad
32: Pfad, Abgaspfad, Strömungspfad, Kathoden-Abgaspfad
33: Verdichter, Kathodenverdichter, Kompressor, gegebenenfalls eines Abgasturboladers
34: Motor, insbesondere Elektromotor oder Antrieb, gegebenenfalls inklusive Getriebe
35: Elektronik, insbesondere Leistungselektronik für den Motor 34
36: Turbine mit gegebenenfalls variabler Turbinengeometrie, Kathodenturbine, Expander, gegebenenfalls eines Abgasturboladers
37: Wastegate, Wastegate-Leitung
38: Stellmittel, (ein)regelbar, (an)steuerbar, nicht regelbar, insbesondere Ventil, Klappe, Drossel, Blende et cetera
100: Befeuchter, Feuchteübertrager mit Feuchteüberträger mit bevorzugt wasserdampfpermeabler Membran(en), zum Beispiel flächige Anordnung, in Form von Hohlfasern, Hohlfaserkörper et cetera
110: Wasserabscheider mit gegebenenfalls nachgeschaltetem Wassersammler
120: (interne, externe, intern/externe) Wasser-Rückführung
122: Rückführeinrichtung/-vorrichtung für einen Transport des Wassers (optional), zum Beispiel Leitung, Rohr, Kanal, Docht, Kapillare, Kammer et cetera
124: Rückführmittel zum Zurückfördern des Wassers (optional), zum Beispiel Pumpe, Strahlpumpe, Kapillare, Venturidüse, (PTC-)Heizer, Wärmeübertrager, Docht et cetera
126: Einfördermittel zum Einfördern des Wassers (optional), zum Beispiel Pumpe, Strahlpumpe, Kapillare, Venturidüse, Docht, Öffnung, Anschluss et cetera

Claims

Brennstoffzellensystem (1), wobei in einen Abgaspfad (32, 22) des Brennstoffzellensystems ein Wasserabscheider (110) zum Abscheiden von flüssigem Wasser aus einem Abgas (6, 4) einer Brennstoffzelle (10) des Brennstoffzellensystems (1) fluidmechanisch eingekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, dass in das Brennstoffzellensystem (1) eine Wasser-Rückführung (120) fluidmechanisch eingekoppelt ist, mittels welcher wenigstens ein Teil des Wassers des Wasserabscheiders (110) der Brennstoffzelle (10) wieder zur Verfügung stellbar ist.
Brennstoffzellensystem (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Wasser-Rückführung (120) Wasser ausgehend vom Wasserabscheider (110) oder ausgehend von einem dem Wasserabscheider (110) fluidmechanisch nachgeschalteten Wassersammler einem Betriebsmedium (5, 3) des Brennstoffzellensystems (1), einem Abgas (6, 4) des Brennstoffzellensystems (1) und/oder einem Befeuchter (100) einer Brennstoffzellen-Versorgung (30, 20) des Brennstoffzellensystems (1) zur Verfügung stellbar ist.
Brennstoffzellensystem (1) gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Wasserabscheider (100) in einen Kathoden-Abgaspfad (32) einer Kathodenversorgung (30) des Brennstoffzellensystems (1) fluidmechanisch eingekoppelt ist, und mittels der Wasser-Rückführung (120) einem Kathoden-Betriebsmedium (5) des Brennstoffzellensystems (1), einem Kathoden-Abgas (6) des Brennstoffzellensystems (1) und/oder einer Anodenversorgung (20) des Brennstoffzellensystems (1) Wasser zur Verfügung stellbar ist.
Brennstoffzellensystem (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Rückführung des Wassers durch die Wasser-Rückführung (120) hindurch durch einen Naturumlauf, einen Temperaturgradienten, eine Kapillarkraft, eine Saugwirkung, einen Coandă-Effekt oder einen Abgasturbolader realisierbar ist.
Brennstoffzellensystem (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Befeuchter (100) eine interne Wasser-Rückführung (120) aufweist, wobei der Wasserabscheider (110) und die Wasser-Rückführung (120) im Wesentlichen innerhalb des Befeuchters (100) untergebracht sind.
Brennstoffzellensystem (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathodenversorgung (30) eine bezüglich des Befeuchters (100) wenigstens teilweise externe Wasser-Rückführung (120) aufweist, wobei der Wasserabscheider (110) außerhalb oder innerhalb des Befeuchters (100) stromabwärts im Kathoden-Abgaspfad (32) vorgesehen ist und ein Einfördermittel (126) der externen Wasser-Rückführung (120) zum Eingeben des Wassers in den Kathoden-Abgaspfad (32) stromaufwärts im Kathoden-Abgaspfad (32) außerhalb oder innerhalb des Befeuchters (100) vorgesehen ist.
Verfahren zum Zurückführen von Wasser in einem Brennstoffzellensystem (1), wobei ein flüssiges Wasser einer Brennstoffzellen-Versorgung (30, 20) des Brennstoffzellensystems (1) an einer Entnahmestelle an/in der Brennstoffzellen-Versorgung (30, 20) entnommen wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Wasser stromaufwärts der Entnahmestelle derselben Brennstoffzellen-Versorgung (30, 20) und/oder einer anderen Brennstoffzellen-Versorgung (20, 30) des Brennstoffzellensystems (1) zur Verfügung gestellt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das flüssige Wasser einem Abgas (6, 4) des Brennstoffzellensystems (1) einem Wasserabscheider (100) des Brennstoffzellensystems (1) oder einem Wassersammler des Brennstoffzellensystems (1) entnommen wird; und/oder das Wasser einem Betriebsmedium (5, 3) des Brennstoffzellensystems (1), einem Abgas (6, 4) des Brennstoffzellensystems (1) und/oder einem Befeuchter (100) der Brennstoffzellen-Versorgung (30, 20) zur Verfügung gestellt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das flüssige Wasser von einem Wasserabscheider (100) in einem Kathoden-Abgaspfad (32) einer Kathodenversorgung (30) des Brennstoffzellensystems (1) stammt und das Wasser einem Befeuchter (100) der Kathodenversorgung (30) zur Verfügung gestellt wird, wobei das Wasser bevorzugt stromaufwärts des Befeuchters (100), am Befeuchter (100) oder im Befeuchter (100) einem Kathoden-Abgas (6) zur Verfügung gestellt wird.
Fahrzeug, insbesondere ein Elektrofahrzeug, dadurch gekennzeichnet, dass das Fahrzeug ein Brennstoffzellensystem (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6 aufweist und/oder eingerichtet ist, ein Verfahren gemäß einem der Ansprüche 7 bis 9 durchzuführen.