DE102016002862A1

DE102016002862A1 - Brennstoffzellensystem

Info

Publication number: DE102016002862A1
Application number: DE102016002862.9A
Authority: DE
Inventors: Andreas Knoop
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2016-03-09
Filing date: 2016-03-09
Publication date: 2017-09-14

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem (1) mit wenigstens einer Brennstoffzelle (3), mit einer Luftfördereinrichtung (9) und mit einer Düse (20) zur Zufuhr von Kondensat in einem Zuluftstrom zu der Luftfördereinrichtung (9). Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem ist dadurch gekennzeichnet, dass eine Abluftleitung (12) der Brennstoffzelle (3) in zwei Zweigleitungen (12.1, 12.2) mit je einem Kondensator (14.1, 14.2) aufgeteilt ist, wobei die Verzweigung ein Thermostatventil (13) aufweist, über welches in Abhängigkeit der Temperatur entweder die eine oder die andere der Zweigleitungen (12.1, 12.2) mit der Brennstoffzelle (3) verbunden ist, und wobei der Kondensator (14.1) der ersten Zweigleitung (12.1) mittels einer Venturidüse (15) mit einem Abschnitt der Zweigleitung () nach dem Kondensator () und/oder einer von strömender Umgebungsluft durchströmten Leitungsabschnitt () verbunden ist, wobei der Kondensator (14.2) in der zweiten Zweigleitung (12.2) über eine Wasserleitung (18) mit der (20) verbunden ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art. Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Verbesserung der Kühlleistung eines solchen Brennstoffzellensystems. Letztlich betrifft die Erfindung außerdem die Verwendung des Brennstoffzellensystems bzw. des Verfahrens.
Brennstoffzellensysteme sind aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. Solche Brennstoffzellensysteme haben typischerweise eine Luftfördereinrichtung zur Bereitstellung von komprimierter Luft als Sauerstofflieferant für einen Stapel von Brennstoffzellen, insbesondere Brennstoffzellen in PEM-Technologie. Ferner hat ein solches Brennstoffzellensystem einen Kühlkreislauf zur Abfuhr von Abwärme der Brennstoffzelle und gegebenenfalls der Abwärme eines Ladeluftkühlers zum Herunterkühlen der Luft nach der Luftfördereinrichtung. Auch weitere Komponenten eines Brennstoffzellensystems können über den Kühlkreislauf gekühlt werden. Ein solches Brennstoffzellensystem kann nun insbesondere in einem Fahrzeug eingesetzt werden. Beispielhaft wird hierzu auf die DE 10 2012 006 132 A1 verwiesen. Das dort beschriebene Fahrzeug mit einem Brennstoffzellensystem wird über einen derartigen Kühlkreislauf gekühlt. In der Praxis ist es nun so, dass die Kühlung eines Brennstoffzellensystems in einem Fahrzeug sehr ähnlich funktioniert wie die Kühlung bei einem Verbrennungsmotor in einem herkömmlichen Fahrzeug. Der entscheidende Unterschied besteht darin, dass der Verbrennungsmotor höhere Temperaturen hat als das Brennstoffzellensystem. Das Niveau der Abwärme liegt dementsprechend höher. Bei einem Verbrennungsmotor kann dies beispielsweise ein Temperaturniveau der Abwärme von ca. 120°C sein. Bei einem Brennstoffzellensystem mit PEM-Brennstoffzellen beträgt die Temperatur im Bereich des Abwärmekühlkreislaufs maximal ca. 90°C. Dementsprechend ist es schwieriger, die Wärme bei der gleichen Kühlerfläche abzuführen. Da das Design der Fahrzeuge weitgehend feststeht, kann die Kühlerfläche jedoch auch nicht übermäßig stark erweitert werden. In der Praxis bedeutet dies, dass es bei hohen Umgebungstemperaturen und hoher benötigter Leistung, zum Beispiel bei einer zügigen Bergauf-Fahrt bei hohen Umgebungstemperaturen, dazu kommen kann, dass die Kühlleistung nicht ausreicht, um die Abwärme des Brennstoffzellensystems gänzlich abzuführen. In der Praxis muss dann die von dem Brennstoffzellensystem zur Verfügung gestellte Leistung limitiert werden, was für den Nutzer des Fahrzeugs einen erheblichen Nachteil darstellt.
Um dieser Problematik entgegenzuwirken, ist es in der genannten DE 10 2012 006 132 A1 beschrieben, dass Wasser, beispielsweise Kondensat, aus dem Brennstoffzellensystem in die den Kühler des Kühlkreislaufs durchströmende Kühlluft eingespritzt wird, um dort durch die Verdampfungswärme, welche das Wasser beim Verdampfen aufnimmt, weitere Kühlleistung zu Verfügung zu stellen. Dies ist bei hohen Umgebungstemperaturen prinzipiell denkbar, stellt jedoch bei niedrigen Umgebungstemperaturen ein nicht unerhebliches Risiko dar, da das Kondensat sehr reines Wasser ist, welches bei 0°C unmittelbar gefriert und somit die Gefahr eines Einfrierens des Kühlers mit sich bringt. Ferner kann es bei niedrigeren Umgebungstemperaturen dazu kommen, dass das Wasser nicht vollständig verdampft, sodass Teile des Fahrzeugs nach dem Kühler benetzt werden, was gegebenenfalls unerwünscht ist, falls hier beispielsweise Elektronikbauteile, Lüfterräder oder dergleichen vorhanden sind.
Aus dem weiteren Stand der Technik in Form der DE 10 2014 226 855 A1 ist es nun außerdem bekannt, dass in dem Zuluftstrom zu der Luftfördereinrichtung Kondensat, insbesondere von der Anodenseite des Brennstoffzellensystems, eingebracht werden kann. Hierdurch wird die Befeuchtung der Brennstoffzelle verbessert, wobei die Verdampfung einer Erhöhung der Temperatur entgegenwirkt. Der Aufbau ist dabei vergleichsweise aufwändig und erfordert in jedem Fall zusätzliche Druckluft, welche zum Zerstäuben des Wassers nach der Luftfördereinrichtung abgezweigt wird. Hierdurch wird im Bereich der Luftfördereinrichtung zusätzliche Leistung benötigt, was im Hinblick der oben geschilderten Problematik einer eventuellen Leistungslimitierung bei hohen Umgebungstemperaturen und hoher von dem Brennstoffzellensystem angeforderter Leistung einen weiteren Nachteil darstellt.
Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, die genannten Nachteile zu vermeiden und ein Brennstoffzellensystem gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 anzugeben, welches gegenüber dem Stand der Technik weiter verbessert und vereinfacht ist. Außerdem besteht die Aufgabe der Erfindung darin, ein Verfahren zur Verbesserung der Kühlung eines solchen Brennstoffzellensystems anzugeben. Ferner soll eine besonders bevorzugte Verwendung des Brennstoffzellensystems und/oder des Verfahrens angegeben werden.
Erfindungsgemäß werden diese Aufgaben durch ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen im Anspruch 1 gelöst. Außerdem löst ein Verfahren mit den Merkmalen im Anspruch 9 die Aufgabe. Im Anspruch 13 ist außerdem eine besonders bevorzugte Verwendung angegeben. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Brennstoffzellensystems sowie des Verfahrens ergeben sich außerdem aus den jeweils abhängigen Unteransprüchen.
Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem umfasst einen Kühlkreislauf und eine Luftfördereinrichtung, wobei eine Düse zur Zufuhr von Kondensat in einem Zuluftstrom zu der Luftfördereinrichtung angeordnet ist. In dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem ist es vorgesehen, dass eine Abluftleitung des Brennstoffzellensystems in zwei Zweigleitungen mit jeweils einem Kondensator aufgeteilt ist, wobei die Verzweigung ein Thermostatventil aufweist, über welches in Abhängigkeit der Temperatur entweder die eine oder die andere der Zweigleitungen mit der Brennstoffzelle verbunden ist. Eine solche Aufteilung der Abluft des Brennstoffzellensystems in zwei verschiedene Zweigleitungen über ein Thermostatventil kann in Abhängigkeit der Umgebungstemperatur und damit der Stellung des Thermostatventils genutzt werden, um für die Abluft und darin auskondensierende Feuchtigkeit einen anderen Weg zu wählen, wenn die Temperaturen sehr niedrig sind, sodass gegebenenfalls ein Einfrieren von Wasser zu befürchten ist.
Dabei ist es ferner vorgesehen, dass der Kondensator der ersten Zweigleitung mittels einer Venturidüse mit einem Abschnitt der Zweigleitung nach dem Kondensator und/oder einer von strömender Umgebungsluft durchströmten Leitung verbunden ist, wobei der Kondensator in der zweiten Zweigleitung mit der selbstansaugenden Düse verbunden ist. Die erste Zweigleitung kann in diesem Fall insbesondere für den Betrieb bei niedrigen Umgebungstemperaturen genutzt werden. Wasser in der Abluft des Brennstoffzellensystems kondensiert dann aus und wird vom Kondensator über die Leitung, beispielsweise von der Abluft nach dem Kondensator und/oder von strömender Umgebungsluft, in einer Leitung angesaugt. Über die Venturidüse baut sich dabei durch die Strömung der Abluft bzw. der Umgebungsluft, welche insbesondere beim Einsatz in einem Fahrzeug der Fahrtwind sein kann, ein Unterdruck auf, welcher selbsttätig Kondensat ansaugt und fein zerstäubt in die Umgebung verteilt. Hierdurch wird ein Abfließen von flüssigem Kondensat, mit der Gefahr einer Bildung von Eis, verhindert. Dies ist insbesondere bei Fahrzeugen von entscheidendem Vorteil, da so eine Eisbildung auf der Fahrbahn sicher und zuverlässig ausgeschlossen werden kann. Über die zweite Zweigleitung, welche insbesondere bei höheren Umgebungstemperaturen, beispielsweise Temperaturen von mehr als 20–25°C zum Einsatz kommen kann, wird das Kondensat dann in dem Kondensator bzw. einem Sammelbehälter gesammelt. Der Kondensator ist über eine Wasserleitung mit der selbstansaugenden Düse verbunden, sodass, insbesondere unter Hinzunahme einer Ventileinrichtung lediglich bei Bedarf, das Wasser der Zuluft zugeführt wird. Ansonsten kann das Wasser bei diesen hohen Umgebungstemperaturen in die Umgebung abgelassen werden, da ein Gefrieren aufgrund der hohen Temperatur nicht zu erwarten ist. Der Energieaufwand zum Zerstäuben des Wassers kann in diesen Situationen eingespart werden.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Idee ist es so, dass diese Düse als selbstansaugende Düse ausgebildet ist. Eine solche selbstansaugende Düse braucht in den regulären Betriebsbedingungen des Brennstoffzellensystems keine zusätzliche Ansteuerung und keine aktiven Bauteile. Dies ist insbesondere hinsichtlich eines potenziellen Einfrierens von entscheidendem Vorteil. Dabei ist es so, dass diese selbstansaugende Düse gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Idee nach dem Venturi-Prinzip ausgebildet ist. Über die selbstansaugende Düse wird Kondensat aus dem Brennstoffzellensystem angesaugt, insbesondere dann, wenn Bedarf an einer erhöhten Kühlleistung des Brennstoffzellensystems besteht, beispielsweise bei einer Bergauffahrt eines mit dem Brennstoffzellensystem ausgestatteten Fahrzeugs bei hohen Umgebungstemperaturen.
Ergänzend kann es gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems auch vorgesehen sein, dass die Düse über eine Rückführleitung und eine Ventileinrichtung mit der Druckseite der Luftfördereinrichtung verbunden ist. Sobald die Ventileinrichtung geöffnet wird, kann bei Bedarf Luft von der Druckseite der Luftfördereinrichtung in den Bereich der Düse strömen, insbesondere wenn ein hoher Volumenstrom an Kondensat angesaugt werden soll, und die über die Luftfördereinrichtung angesaugte Luft hierfür nicht ausreicht.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Idee kann der Kondensator der zweiten Zweigleitung dabei von strömender Umgebungsluft umströmt sein, sodass beispielsweise bei der Ausgestaltung des Kondensators mit Kühlrippen oder von der Umgebungsluft durchströmbaren Kühlkanälen eine Abkühlung der Abluft des Brennstoffzellensystems annähernd auf Umgebungstemperatur erfolgt, sodass eine entsprechend große Menge an Wasser auskondensiert und in dem Kondensator bzw. seinem Sammelbehälter gesammelt wird.
Eine weitere sehr günstige Ausgestaltung der Idee sieht es dabei vor, dass der Kondensator der zweiten Zweigleitung von einer rohrförmigen Leitung gebildet wird, welche Kühlrippen an ihrer äußeren und insbesondere auch inneren Oberfläche aufweist. Über die Kühlrippen kann insbesondere in der Ausgestaltung, bei welcher Umgebungsluft um den Kondensator strömt, die Abwärme sehr gut abgeführt werden. Die Kühlrippen sind dabei insbesondere an der äußeren Oberfläche der rohrförmigen Leitung, welche den Kondensator bildet, ausgestaltet. Sie können insbesondere auch ergänzend hierzu im Inneren vorhanden sein, beispielsweise indem durch die Wand der rohrförmigen Leitung hindurchragende einteilige Kühlrippen realisiert sind. Diese erlauben dann eine sehr gute Abkühlung des Mediums in der rohrförmigen Leitung als Kondensator, sodass viel Wasser aus der Abluft auskondensiert wird und sich in dem Kondensator entsprechend sammelt. Der Kondensator bzw. zumindest die Kühlrippen können dabei insbesondere aus Aluminium ausgebildet sein, welches ein leichtes spezifisches Gewicht mit optimalen Eigenschaften bezüglich der Wärmeleitung kombiniert.
Eine weitere sehr vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems kann nun außerdem einen Temperatursensor in Strömungsrichtung nach der Luftfördereinrichtung vorsehen. Über diesen Temperatursensor kann erfasst werden, ob Wasser in die Zuluft eingedüst worden ist, da dies einen unmittelbaren Einfluss auf die Temperatur nach dem Luftverdichter hat.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Verbesserung der Kühlung des Brennstoffzellensystems wird bei erhöhtem Kühlbedarf Wasser in Strömungsrichtung der Zuluft vor der Luftfördereinrichtung in den Zuluftstrom dosiert. Dies erfolgt über die selbstansaugende Düse und gemäß einer der oben beschriebenen vorteilhaften Weiterbildungen in idealer Weise aus dem Kondensator in der zweiten Zweigleitung. Das Wasser kann bei Bedarf, also bei erhöhtem Kühlbedarf dosiert werden, beispielsweise indem eine Ventileinrichtung in der Wasserleitung zwischen dem Kondensator, oder prinzipiell auch jeder anderen Art von Kondensatvorratsspeicher, und der selbstansaugenden Düse geöffnet wird.
Das zugegebene Wasser in dem Zuluftstrom hat dabei unterschiedliche Effekte. Einerseits wird die Befeuchtung der Zuluft zu der Brennstoffzelle verbessert. Hierdurch wird der Wirkungsgrad der Brennstoffzelle verbessert, sodass weniger Abwärme der Brennstoffzelle anfällt. Außerdem lässt sich der Wirkungsgrad der Luftfördereinrichtung erhöhen, sodass diese etwas weniger Leistung benötigt, um den gleichen Zuluftstrom zu fördern, wie zuvor. Insgesamt lässt sich so also einerseits die Menge an Abwärme und andererseits die Menge an benötigter parasitärer Leistung absenken. Hierdurch kommt es zu einer Entlastung des Kühlsystems aufgrund der Absenkung der anfallenden Abwärme und gleichzeitig kann mehr Leistung durch das Brennstoffzellensystem bereitgestellt werden, da weniger parasitäre Leistung für das Verdichten des Zuluftstroms benötigt wird. Insbesondere bei einer Anwendung in einem Fahrzeug lässt sich so eine Leistungslimitierung, beispielsweise bei schneller Bergauffahrt bei hohen Umgebungstemperaturen, hinauszögern und im Idealfall ganz verhindern, sodass der Nutzer eines derartigen Brennstoffzellensystems, insbesondere in einem Fahrzeug, in der verfügbaren Leistung des Fahrzeugs nicht limitiert zu werden braucht.
Als Wasser kann dabei gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens das kathodenseitige Kondensat dienen. Anders als im Stand der Technik, in welchem das anodenseitige Kondensat dem Zuluftstrom zugeführt wird, hat das kathodenseitige Kondensat den Vorteil, dass die anfallende Kondensatmenge entsprechend höher ist und dass dieses typischerweise frei von Wasserstoff ist, sodass die Gefahr einer Beeinträchtigung der Leistung durch in den Kathodenraum zugeführten Wasserstoff, da Sauerstoff mit dem Wasserstoff im Kathodenraum rekombiniert, verhindert wird.
Zum Erfassen, ob ein erhöhter Kühlbedarf besteht oder nicht, kann dabei in einer sehr einfachen und effizienten Art ausgewertet werden, ob die angeforderte elektrische Leistung des Brennstoffzellensystems durch die verfügbare Kühlleistung limitiert ist. Kommt es zu einem hierdurch bedingten Abregeln der von dem Brennstoffzellensystem abgeforderten Leistung, dann kann einer solchen Notwendigkeit durch die Zufuhr des Wassers in dem Zuluftstrom entgegengewirkt werden. Insbesondere bei der Verwendung von Kondensat aus der Kathodenseite des Brennstoffzellensystems ist dabei im Allgemeinen auch gewährleistet, dass immer eine ausreichende Menge an Kondensat und damit Wasser zur Verfügung steht, wenn entsprechend hohe Umgebungstemperaturen auftreten und dementsprechend in der oben beschriebenen vorteilhaften Weiterbildung des Brennstoffzellensystems die zweite Zweigleitung mit dem darin angeordneten Kondensator zur Abgabe der Brennstoffzellenabluft in die Umgebung genutzt wird.
Wie bereits mehrfach erwähnt, lässt sich das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem und das Verfahren gemäß der Erfindung ideal nutzen, wenn das Brennstoffzellensystem zur Bereitstellung von elektrischer Antriebsleistung in einem Fahrzeug eingesetzt wird. Denn vor allem bei Fahrzeugantrieben ist es besonders wichtig, dass bei entsprechenden Umgebungstemperaturen und einem entsprechenden Einsatzzweck keine Limitierung der Leistung aufgrund der in ihrem Gesamtwert beschränkten Kühlleistung notwendig wird. Dies würde von einem Nutzer als erheblicher Nachteil empfunden werden. Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem sowie das Verfahren gemäß der Erfindung eignen sich deshalb besonders gut, um in einem Brennstoffzellensystem eingesetzt zu werden, welches elektrische Antriebsleistung für ein Fahrzeug bereitstellt.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems sowie des Verfahrens gemäß der Erfindung ergeben sich aus den restlichen abhängigen Unteransprüchen und werden anhand der Ausführungsbeispiele deutlich, welche nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben sind.
Dabei zeigen:
1 ein Brennstoffzellensystem in einer möglichen Ausführungsform gemäß der Erfindung;
2 eine alternative Ausführungsform eines Teils des Brennstoffzellensystems gemäß der Erfindung; und
3 eine Schnittdarstellung gemäß der Linie III-III in 2.
In der Darstellung der 1 ist ein mit 1 bezeichnetes Brennstoffzellensystem schematisch dargestellt. Es soll in einem angedeuteten mit 2 bezeichneten Fahrzeug zur Bereitstellung von elektrischer Antriebsleistung genutzt werden. Den Kern des Brennstoffzellensystems 1 bildet dabei eine Brennstoffzelle 3, welche als Stapel von PEM-Zellen aufgebaut ist. Einem mit 4 bezeichneten Anodenraum dieses Brennstoffzellenstapels 3 wird Wasserstoff aus einem Druckgasspeicher 5 über ein Druckregel- und Dosierventil 6 zugeführt. Der nicht verbrauchte Wasserstoff gelangt in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel aus dem Anodenraum 4 in die Umgebung. Dies ist außerordentlich vereinfacht dargestellt, dem Fachmann ist der Aufbau einer Anodenseite beispielsweise mit einer Anodenrezirkulation, der Nachverbrennung von Abgasen, der Verdünnung von Abgasen oder ähnlichem jedoch bekannt. Da hier nicht der Kern der Erfindung liegt, wird hierauf nicht weiter eingegangen.
Der Brennstoffzellenstapel 3 umfasst außerdem einen Kathodenraum 7, welchem Luft als Sauerstofflieferant über eine von einem Elektromotor 8 angetriebene Luftfördereinrichtung 9 zugeführt wird. Die Luftfördereinrichtung 9 kann dabei elektrisch oder mechanisch zusätzlich zu dem Elektromotor 8 mit einer Abluftturbine bzw. einem Generator einer Abluftturbine gekoppelt sein. Dies ist zur Vereinfachung der Figur hier nicht dargestellt, ist jedoch aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt und hier grundsätzlich denkbar. Die Luft gelangt über eine Ansaugleitung 10, beispielsweise über einen hier nicht dargestellten Luftfilter, zu der Luftfördereinrichtung 9 und von dort über die mit 11 bezeichnete Zuluftleitung in den Kathodenraum 7. An Sauerstoff abgereicherte und mit dem größten Teil des Produktwassers aus der Brennstoffzelle 3 beladene Abluft gelangt über eine Abluftleitung 12 zu einem Thermostatventil 13, welches insbesondere als Wachsventil ausgebildet sein kann. Das Thermostatventil 13 ist dabei als 3/2-Wegeventil realisiert. Es sitzt im Verknüpfungspunkt zwischen einer ersten Zweigleitung 12.1 und einer zweiten Zweigleitung 12.2 und der Abluftleitung 12. Die erste Zweigleitung 12.1 führt über einen ersten Kondensator 14.1 und eine Venturidüse 15 in die Umgebung. Die Venturidüse 15 wird von der Abluft durchströmt. In ihrem engsten Querschnitt mündet eine Kondensatleitung 16, welche mit dem im bestimmungsgemäßen Einsatz unteren Teil des ersten Kondensators 14.1 bzw. einem Sammelvolumen desselben verbunden ist. Gelangt Abluft über diese erste Zweigleitung 12.1 der Abluftleitung 12, dann wird flüssiges Wasser in dem Kondensator 14.1 abgeschieden und weiteres Wasser kondensiert im Bereich des ersten Kondensators 14.1 aus. Dieses Wasser wird über die Kondensatleitung 16 der Venturidüse 15 zugeführt und wird von dem Abluftstrom zerstäubt in die Umgebung des Fahrzeugs 1 abgegeben. Ergänzend oder alternativ dazu wäre eine weitere Venturidüse denkbar, welche von einem Fahrtwind des Fahrzeugs 1 durchströmt ist, und welche ebenfalls zum Zerstäuben von Kondensat ausgebildet ist.
Die zweite Zweigleitung 12.2 führt über einen zweiten Kondensator 14.2, mit einem Wärmetauscher 28 und einem Sammelbehälter 17, in welchem sich das Kondensat sammelt. Der Sammelbehälter 17 und der Wärmetauscher 28 können dabei auch zu einem Bauteil des zweiten Kondensators 14.2 direkt zusammengefasst sein. Die Abluft gelangt auch dann über den zweiten Abluftzweig entsprechend in die Umgebung des Fahrzeugs 2. Der zweite Kondensator 14.2 bzw. sein Sammelbehälter 17 sind über eine Wasserleitung 18 mit einer Ventileinrichtung 19 mit einer Düse 20 verbunden, welche von dem Zuluftstrom zu der Luftfördereinrichtung 9 durchströmt wird. Auch diese kann nach dem Venturi-Prinzip aufgebaut sein. Die durch die – vorzugsweise selbstansaugende – Düse 20 strömende Luft saugt somit Wasser aus dem Sammelbehälter 17 bzw. dem zweiten Kondensator 14.2 an, und zwar immer dann, wenn die Ventileinrichtung 19 geöffnet ist und dies zulässt. In dieser Situation wird also die zu der Luftfördereinrichtung 9 strömende Zuluft entsprechend befeuchtet.
Darüber hinaus ist in dem Brennstoffzellensystem 1 eine Rückführleitung 21 mit einer Ventileinrichtung 22 vorgesehen, welche die Druckseite der Luftfördereinrichtung 9 mit der selbstansaugenden Düse 20 verbindet. Bei Bedarf kann die Ventileinrichtung 22 geöffnet werden. In diesem Fall strömt verdichtete Luft über die Rückführleitung 21 zurück in den Bereich der selbstansaugenden Düse 20 und unterstützt hier die Ansaugung des Wasser aus dem Kondensator 14.2 bzw. seinem Sammelbehälter 17. Zur Verbesserung der Kondensation in dem Kondensator 14.2 wird der als Wärmetauscher 28 dienende Abschnitt des Kondensators 14.2 von dem mit FW bezeichneten Fahrtwind des Fahrzeugs 2 durchströmt, sodass eine große Menge an Wasser auskondensiert und die Abluft annähernd mit Umgebungstemperatur in die Umgebung des Fahrzeugs 2 abgegeben wird.
Zur Abfuhr der in dem Brennstoffzellenstapel 3 anfallenden Abwärme weist dieser nun ferner einen Kühlwärmetauscher 23 auf. Dieser ist Teil eines in seiner Gesamtheit mit 24 bezeichneten Kühlkreislaufs des Brennstoffzellensystems 1. Rein beispielhaft und vereinfacht sind von diesem Kühlkreislauf 24 hier lediglich eine Kühlmittelfördereinrichtung 25 sowie ein Kühler 26, welcher ebenfalls von Fahrtwind FW durchströmt wird, dargestellt. Parallel zu diesem Kühler 26 befindet sich in an sich bekannter Art und Weise ein Bypass 27, welcher über ein 3/2-Wegeventil bei Bedarf genutzt werden kann, um den Kühler zu umgehen, beispielsweise bei einem Kaltstart des Brennstoffzellensystems 1.
Das Thermostatventil 13 wird nun in der Praxis so eingesetzt, dass bei niedrigen Umgebungstemperaturen, beispielsweise Temperaturen unter ca. 25°C, die Abluft über die erste Zweigleitung 12.1 der Abluftleitung 12 in die Umgebung abgegeben wird. In dem Kondensator 14.1 wird dann flüssig vorliegendes Wasser abgeschieden und weitere Feuchte kondensiert aus. Die restliche Feuchte gelangt dampfförmig mit der Abluft in die Umgebung. Da bei niedrigen Temperaturen immer mit der Gefahr einer Pfützenbildung auch die Gefahr einer Eisbildung auf der Straße verbunden ist, was höchst unerwünscht ist, wird über die Venturidüse 15 das flüssige Kondensat angesaugt und durch die Strömungsenergie der Abluft in dieser fein zerstäubt. Somit gelangt eine Mischung aus Gas, Dampf und fein zerstäubten Aerosolen in die Umgebung. Hierdurch wird ein Benetzen der Straßenoberfläche mit flüssigem Wasser und die Gefahr einer Eisbildung verhindert oder zumindest minimiert.
Bei höheren Temperaturen ist dies nicht mehr notwendig. In diesem Fall wird über das Thermostatventil 13 die Abluft durch die zweite Zweigleitung 12.2 der Abluftleitung 12 geführt. Der Kondensator 14.2 umfasst neben dem Sammelbehälter 17 den bereits angesprochenen Wärmetauscher 28, welcher vom Fahrtwind durchströmt wird. Hierdurch wird eine sehr gute Abkühlung der Abluft zumindest annähernd auf das Temperaturniveau der Umgebungsluft gewährleistet. Gleichzeitig wird relativ viel flüssiges Wasser abgeschieden und auskondensiert. Es sammelt sich in dem Sammelbehälter 17 des zweiten Kondensators 14.2. Die Abluft gelangt dann in die Umgebung. In dieser Situation wäre auch flüssiges Wasser, welches in die Umgebung gelangt, unkritisch, sodass bei gefülltem Sammelbehälter 17 dieses von Zeit zu Zeit abgelassen werden kann. Da keine Eisbildung zu befürchten ist, ist in diesem Fall auch eine Benetzung der Straße mit flüssigem Wasser unkritisch.
In der Praxis ist es nun so, dass bei hohen Umgebungstemperaturen, beispielsweise Umgebungstemperaturen von mehr als 25°C, und gleichzeitiger hoher Leistungsanforderung an das Brennstoffzellensystem 1, beispielsweise weil das Fahrzeug 2 stark beschleunigt oder mit hoher Leistung einen steilen Berg hinauf fährt, sehr viel Abwärme anfällt. Insbesondere eine Bergauffahrt, welche typischerweise eher langsam erfolgt, reduziert die Strömungsgeschwindigkeit des Fahrtwindes in dem Kühler 26. Bei gleichzeitig verringerter Temperaturdifferenz durch die hohe Umgebungstemperatur wird die Kühlleistung beschränkt. Im schlimmsten Fall kann das Brennstoffzellensystem 1 die Abwärme der Brennstoffzelle 3 über den Kühlwärmetauscher 23 und den Kühlkreislauf 24 nicht mehr in die Umgebung abführen. Die zur Verfügung stehende Leistung des Brennstoffzellensystems 1 müsste dann limitiert werden.
Um dies zu verhindern kann nun die Ventileinrichtung 19 geöffnet werden. Über die Wasserleitung 18 und die selbstansaugende Düse 20 wird in solchen Situationen, in denen eine Begrenzung der Brennstoffzellenleistung aufgrund der verfügbaren Kühlleistung droht, Wasser über die Wasserleitung 18 von der selbstansaugenden Düse 20 angesaugt und gelangt so in die Ansaugleitung 10 und damit in die Zuluft zu der Luftfördereinrichtung 9. Die der Brennstoffzelle 3 zugeführte Luft wird befeuchtet. Dies kann ergänzend zu einem an sich bekannten und zur Vereinfachung der Darstellung hier nicht gezeigten Gas-Gas-Befeuchter im Zuluftstrom der Brennstoffzelle 3 erfolgen. Die Befeuchtung der Zuluft wird dann verbessert. Durch eine stärkere Befeuchtung verbessert sich der Wirkungsgrad der Brennstoffzelle 3, sodass weniger Abwärme entsteht und die Beschränkung der Kühlleistung sich nicht oder nicht mehr so stark auswirkt. Gleichzeitig wird durch das in die Ansaugleitung 10 über die selbstansaugende Düse 20 eingespritzte Wasser der Wirkungsgrad der Luftfördereinrichtung 9 leicht erhöht und die verdichtete Luft nicht mehr so stark erwärmt. Dies reduziert die zum Antrieb der Luftfördereinrichtung 9 benötigte Leistung, sodass auch hierdurch mehr Leistung, beispielsweise für den Fahrantrieb des Fahrzeugs 2, zur Verfügung gestellt werden kann. Sofern ein prinzipiell vorhandener hier aber nicht dargestellter Ladeluftkühler ebenfalls durch den Kühlkreislauf 24 gekühlt werden muss, wird darüber hinaus der Eintrag von Wärme über den Ladeluftkühler reduziert, was sich ebenfalls positiv hinsichtlich der für die Brennstoffzelle 3 verfügbaren Kühlleistung auswirkt. Alles in allem kann so über einen sehr einfachen und effizienten Aufbau erreicht werden, dass die notwendige Leistungslimitierung aufgrund einer nicht ausreichenden Kühlleistung für das Brennstoffzellensystem 1 verhindert oder zumindest hinausgezögert werden kann.
Ist eine Unterstützung des Kühlkreislaufs 24 des Fahrzeugs 2 nicht notwendig, so kann durch ein Schließen der Ventileinrichtung 19, oder falls diese, was prinzipiell auch denkbar ist, nicht vorhanden ist, durch ein Entleeren des Sammelbehälters 17 auf die zusätzliche Befeuchtung der Zuluft auch verzichtet werden.
Über einen Temperatursensor 29 lässt sich dabei eine Fehlfunktion oder zu wenig Wasser beispielsweise in dem Sammelbehälter 17 des zweiten Kondensators 14.2 einfach und effizient erfassen. Gleichzeitig kann hier erfasst werden, ob genügend Wasser in dem Zuluftstrom in der Ansaugleitung 10 dosiert worden ist, um den gewünschten Effekt zu erzielen. Ist dies nicht der Fall, kann beispielsweise über die Rückführleitung 21 und die Ventileinrichtung 22, in dem diese geöffnet wird, dafür gesorgt werden, dass bereits verdichtete Luft zurück zur selbstansaugenden Düse 20 strömt und damit die Ansaugung des Wassers nochmals verbessert. Die selbstansaugende Düse 20 funktioniert in diesem Fall als selbstansaugende Zweistoffdüse, welche durch die Ansaugluft primär und unterstützt durch den Luftstrom aus der Rückführleitung 21 für eine ausreichende Ansaugung von Wasser über die Wasserleitung 18 aus dem Sammelbehälter 17 sorgt.
In der Darstellung der 2 ist ein Teil des Brennstoffzellensystems 1 nochmals in einer alternativen Ausführungsform dargestellt. Dieser hier dargestellte Teil des Brennstoffzellensystems umfasst dabei die Abluftleitung 12 mit ihren beiden Zweigleitungen 12.1 und 12.2 sowie das Thermostatventil 13 und die Kondensatoren 14.1 und 14.2. Über das Thermostatventil 13 wird die Luft bis zu einer Umgebungstemperatur von ca. 25°C über die Zweigleitung 12.1 und den ersten Kondensator 14.1 abgeführt. Dieser Kondensator 14.1 kann durch eine Erweiterung der Zweigleitung 12.1 ausgebildet sein. Diese Erweiterung kann gleichzeitig die Funktionalität eines Schalldämpfers bzw. Endschalldämpfers mit übernehmen. Die erweiterte Rohrleitung des ersten Kondensators 14.1 mündet dann vergleichbar wie bei dem in 1 beschriebenen Aufbau in die Venturidüse 15, welche über die Kondensatleitung 16 mit dem in Richtung der Schwerkraft unten liegenden Teil des ersten Kondensators 14.1 verbunden ist, um das gesammelte und auskondensierte Wasser in der Abluft zu zerstäuben und in Form von fein verteilen Aerosolen in die Umgebung abzuführen.
Der Bereich der ersten Zweigleitung 12.1 und insbesondere des ersten Kondensators 14.1 kann dabei aus Kunststoffmaterial ausgebildet sein, was diesen Aufbau entsprechend leicht und kostengünstig macht. Aufgrund der tiefen vorliegenden Umgebungstemperaturen von weniger als 20–25°C beim Betrieb dieser ersten Zweigleitung 12.1, im Vergleich zur Betriebstemperatur der Brennstoffzelle 3, reicht dies aus, um eine ausreichende Menge an Wasser auszukondensieren, um so die Ausbildung von Pfützen hinter dem Fahrzeug 2 sicher auszuschließen.
Im Bereich der zweiten Zweigleitung 12.2, welche insbesondere bei Temperaturen oberhalb von 25°C zum Einsatz kommt, befindet sich der zweite Kondensator 14.2, welcher ebenfalls über ein rohrförmiges erweitertes Leitungsstück der zweiten Zweigleitung 12.2 ausgebildet sein kann. Dieser zweite Kondensator 14.2 weist dabei im unteren Bereich des erweiterten Leitungsquerschnitts wiederum den Sammelbehälter 17 auf. Wie es aus der Schnittdarstellung in 3 zu erkennen ist, sind in bzw. an dem Kondensator 14.2 außerdem Kühlrippen 29 als Wärmetauscher 28 vorgesehen. Diese Kühlrippen können insbesondere durch die Wände des zweiten Kondensators 14.2 hindurchragen, um so Wärme vom Inneren des zweiten Kondensators 14.2 in die Umgebung abzuführen, wo sie dann beispielsweise von Fahrtwind, welcher die Kühlrippen 29 umströmt, abgekühlt wird. Neben der in der Darstellung der 3 angeordneten Ausgestaltung der durch die Wand des zweiten Kondensators 14.2 hindurchragenden Kühlrippen 29 wäre prinzipiell auch die einstöckige Ausführung der Kühlrippen und der Wand des Kondensators 14.2 denkbar. Zumindest die Kühlrippen 29 sind – vorzugsweise der gesamte zweite Kondensator 14.2 – aus einem gut wärmeleitenden Material ausgebildet. Aluminium bzw. eine Aluminiumlegierung ist hier besonders gut geeignet, um einerseits den zweiten Kondensator 14.2 einfach und effizient herstellen zu können, beispielsweise als Strangpressprofil, und um andererseits ein leichtes Gewicht und eine sehr gute Wärmeleitfähigkeit zu vereinen.
Der als Sammelbehälter 17 dienende Bereich des zweiten Kondensators 14.2 ist wiederum, wie angedeutet, über die Wasserleitung 18 mit der Düse 20 verbunden, sodass die oben bereits beschriebene Funktionalität erreicht wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102012006132 A1 [0002, 0003]
DE 102014226855 A1 [0004]

Claims

Brennstoffzellensystem (1) mit wenigstens einer Brennstoffzelle (3), mit einer Luftfördereinrichtung (9) und mit einer Düse (20) zur Zufuhr von Kondensat in einem Zuluftstrom zu der Luftfördereinrichtung (9), dadurch gekennzeichnet, dass eine Abluftleitung (12) der Brennstoffzelle (3) in zwei Zweigleitungen (12.1, 12.2) mit je einem Kondensator (14.1, 14.2) aufgeteilt ist, wobei die Verzweigung ein Thermostatventil (13) aufweist, über welches in Abhängigkeit der Temperatur entweder die eine oder die andere der Zweigleitungen (12.1, 12.2) mit der Brennstoffzelle (3) verbunden ist, und wobei der Kondensator (14.1) der ersten Zweigleitung (12.1) mittels einer Venturidüse (15) mit einem Abschnitt der Zweigleitung (12.1) nach dem Kondensator (14.1) und/oder einer von strömender Umgebungsluft durchströmten Leitungsabschnitt verbunden ist, wobei der Kondensator (14.2) in der zweiten Zweigleitung (12.2) über eine Wasserleitung (18) mit der Düse (20) verbunden ist.
Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Düse (20) als selbstansaugende Düse (20) ausgebildet ist.
Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Düse (20) nach dem Venturi-Prinzip ausgebildet ist.
Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Düse (20) über eine Rückführleitung (21) und eine Ventileinrichtung (19) mit der Druckseite der Luftfördereinrichtung (9) verbunden ist.
Brennstoffzellensystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass in der Wasserleitung (18) eine Ventileinrichtung (19) angeordnet ist.
Brennstoffzellensystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Kondensator (14.2) der zweiten Zweigleitung (12.2) von strömender Umgebungsluft gekühlt ist.
Brennstoffzellensystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Kondensator (14.2) der zweiten Zweigleitung (12.2) als eine rohrförmige Leitung ausgebildet ist, welche Kühlrippen (29) an ihrer äußeren und insbesondere auch inneren Oberfläche aufweist.
Brennstoffzellensystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass in Strömungsrichtung der Zuluft nach der Luftfördereinrichtung (9) ein Temperatursensor (29) angeordnet ist.
Verfahren zum Verbessern der Kühlleistung eines Brennstoffzellensystems (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass bei erhöhtem Kühlbedarf Wasser in Strömungsrichtung der Zuluft vor der Luftfördereinrichtung (9) in den Zuluftstrom dosiert wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass als Wasser kathodenseitiges Kondensat dient.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass der erhöhte Kühlbedarf dadurch detektiert wird, dass die elektrische Leistung, welche von der Brennstoffzelle (3) abgegeben werden kann, durch die verfügbare Kühlleistung limitiert ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11 und mit einem Brennstoffzellensystem (1) nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass bei Umgebungstemperaturen oberhalb des Gefrierpunkts von Wasser, vorzugsweise mehr als 5–10°C oberhalb des Gefrierpunkts von Wasser, die zweite Zweigleitung (12.2) über das Thermostatventil (13) ausgewählt wird und umgekehrt.
Verwendung des Brennstoffzellensystems (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 und/oder des Verfahrens nach einem der Ansprüche 9 bis 12, als Brennstoffzellensystem (1) für ein Brennstoffzellensystem (1), welches in einem Fahrzeug (2) zur Bereitstellung von elektrische Antriebsleistung dient.