DE102016204474B4

DE102016204474B4 - Wärmetauscher und Brennstoffzellensystem

Info

Publication number: DE102016204474B4
Application number: DE102016204474.5A
Authority: DE
Inventors: Michael Bauer; Marc Becker; Martin Moser
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2016-03-17
Filing date: 2016-03-17
Publication date: 2023-05-11
Anticipated expiration: 2036-03-18
Also published as: US20190013530A1; CN108701845B; CN108701845A; DE102016204474A1; WO2017157587A1; US10811703B2

Abstract

Brennstoffzellensystem (1) für ein Fahrzeug, umfassend:• zumindest eine Brennstoffzelle (3),• einen Verdichter (4),• eine Luftstrecke (5) vom Verdichter (4) zur Kathodenseite der Brennstoffzelle (3), und• einen Wärmetauscher (2) in der Luftstrecke (5), wobei der Wärmetauscher umfasst:• eine Gastrecke (5, 6) für zumindest ein Gas und eine Kühlfluidstrecke (22) zum Kühlen des zumindest einen Gases,• ein Gehäuse (12),• eine im Gehäuse (12) angeordnete Kühlermatrix (17) in der die Kühlfluidstrecke (22) ausgebildet ist, wobei die Kühlermatrix (17) eine Vielzahl an Hohlräumen (19) bildet, die die Gasstrecke darstellen,• zumindest einen Gaseinlass (8, 26) am Gehäuse (12),• zumindest eine Abtrennung (23) in der Kühlermatrix (17) zur Unterteilung der Gastrecke in zumindest zwei Fluten (24, 25, 33), sodass die zumindest zwei Fluten (24, 25, 33) durch die selbe Kühlfluidstrecke (22) kühlbar sind, zumindest zwei Gasauslässe (9, 10, 27) am Gehäuse (12), wobei jede Flut (24, 25, 33) in einen eigenen Gasauslass (9, 10, 27) mündet;• wobei ein Verdichterausgang (7) an den Gaseinlass (8) des Wärmetauschers (2) angeschlossen ist, undwobei in der Kühlermatrix (17) eine Brennstoffzellenluft-Flut (24) abgetrennt ist und die Luft aus der Brennstoffzellenluft-Flut (24) kathodenseitig der Brennstoffzelle (3) zuführbar ist.

Description

Die vorliegende Anmeldung betrifft einen Wärmetauscher für ein Brennstoffzellensystem und ein Brennstoffzellensystem mit dem Wärmetauscher. Der Wärmetauscher und das Brennstoffzellensystem kommen insbesondere in einem Fahrzeug zur Anwendung.
Brennstoffzellensysteme für mobile Anwendungen wie Kraftfahrzeuge sind aus dem Stand der Technik bekannt. In ihrer einfachsten Form ist eine Brennstoffzelle ein elektrochemischer Energiewandler, der Brennstoff und Oxidationsmittel in Reaktionsprodukte umwandelt und dabei Elektrizität und Wärme produziert. Beispielsweise wird in einer solchen Brennstoffzelle Wasserstoff als Brennstoff und Luft oder Sauerstoff als Oxidationsmittel verwendet. Das Reaktionsprodukt der Reaktion in der Brennstoffzelle ist beispielsweise Wasser. Die Gase werden dabei in entsprechende Diffusionselektroden gespeist, die durch einen festen oder flüssigen Elektrolyten voneinander getrennt werden. Der Elektrolyt transportiert geladene Ionen zwischen den beiden Elektroden. Zum Stand der Technik gehören die Druckschriften WO 2008/ 019 117 A2 , US 2007/0 082 242 A1 und US 2005/0 284 691 A1 .
Die Brennstoffzelle umfasst eine Anode und eine Kathode, die durch einen ionenselektiven Separator getrennt sind. Die Anode weist eine Zufuhr für einen Brennstoff zur Anode auf. Bevorzugte Brennstoffe sind: Wasserstoff, niedrigmolekularer Alkohol, Biokraftstoffe, oder verflüssigtes Erdgas. Die Kathode weist eine Zufuhr für Oxidationsmittel auf. Bevorzugte Oxidationsmittel sind bspw. Luft, Wasserstoff und Peroxide. Der ionenselektive Separator kann bspw. als Protonenaustauschmembran (proton exchange membrane, PEM) ausgebildet sein. Bevorzugt kommt eine kationenselektive Polymerelektrolytmembran zum Einsatz. Materialien für eine solche Membran sind beispielsweise: Nation®, Flemion® und Aciplex®.
Ein Brennstoffzellensystem umfasst mindestens eine Brennstoffzelle sowie periphere Systemkomponenten (auch BOP-Komponenten genannt), die beim Betrieb der mindestens einen Brennstoffzelle zum Einsatz kommen können. In der Regel sind mehrere Brennstoffzellen zu einem Brennstoffzellenstapel bzw. Stack zusammengefasst.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Wärmetauscher für ein Brennstoffzellensystem anzugeben, der bei platzsparendem Aufbau einen energieeffizienten Betrieb des Brennstoffzellensystems ermöglicht.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs. Die abhängigen Ansprüche haben vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung zum Gegenstand.
Somit wird die Aufgabe gelöst durch einen Wärmetauscher für ein Brennstoffzellensystem. Das Brennstoffzellensystem kommt insbesondere in einem Fahrzeug zur Anwendung. In dem Fahrzeug diente die mit dem Brennstoffzellensystem erzeugte Energie insbesondere für den Antrieb des Fahrzeugs.
In dem Wärmetauscher ist eine Gasstrecke für zumindest ein Gas, beispielsweise Luft aus der Umgebung oder Abgas aus dem Brennstoffzellensystem, ausgebildet. Des Weiteren weist der Wärmetauscher eine Kühlfluidstrecke auf. Die Kühlfluidstrecke wird zum Kühlen des zumindest einen Gases in der Gasstrecke verwendet.
Der Wärmetauscher umfasst ferner ein Gehäuse. In dem Gehäuse ist eine Kühlermatrix angeordnet. In dieser Kühlermatrix ist zumindest ein Teil der Kühlfluidstrecke ausgebildet. Insbesondere umfasst die Kühlermatrix einen Kühlfluid-Einlass und einen Kühlfluid-Auslass. Zwischen dem Kühlfluid-Einlass und dem Kühlfluid-Auslass fließt das entsprechende Kühlfluid in der Kühlermatrix. Hierzu können in der Kühlermatrix verschiedene Kühlelemente vorgesehen sein. Diese Kühlelemente sind beispielsweise Rohre oder Platten, wobei das Kühlfluid in den Rohren oder zwischen den Platten fließt. Ferner können die Kühlelemente auch durch dünne Kühlrippen oder Bleche gebildet sein, in denen kein Kühlfluid fließt, die jedoch durch das Kühlfluid stetig gekühlt werden.
Die Kühlermatrix bildet eine Vielzahl an Hohlräumen. Diese Hohlräume befinden sich insbesondere zwischen den einzelnen Kühlelementen der Kühlermatrix. Die Gesamtheit dieser Hohlräume stellt die Gasstrecke dar. Das zumindest eine Gas, also die Luft oder das Abgas, das durch die Gasstrecke und somit durch die Hohlräume der Kühlermatrix strömt, wird durch die Kühlermatrix gekühlt.
Um das zu kühlende Gas in das Gehäuse und somit in die Gasstrecke innerhalb der Kühlermatrix einzuleiten, ist zumindest ein Gaseinlass am Gehäuse vorgesehen.
Erfindungsgemäß befindet sich in der Kühlermatrix zumindest eine Abtrennung. Diese Abtrennung unterteilt die Gasstrecke innerhalb der Kühlermatrix in zumindest zwei Fluten. Durch die Anordnung der Abtrennung innerhalb der Kühlermatrix werden die Gase in den zumindest zwei Fluten durch dieselbe Kühlermatrix und somit die selbe Kühlfluidstrecke gekühlt. Die Kühlung der Gase in den zumindest zwei Fluten erfolgt somit nicht nur in derselben Kühlermatrix sondern auch im selben Gehäuse. Erfindungsgemäß können mit nur einem Wärmetauscher und nur einer Kühlfluidstrecke zumindest zwei Fluten gekühlt werden.
Ferner befinden sich am Gehäuse zumindest zwei Gasauslässe, wobei jede Flut in einen eigenen Gasauslass mündet. Durch die zwei separaten Gasauslässe findet keine Vermischung der zumindest zwei Gasströme statt.
Das am Gaseinlass eintretende Gas kann auf zumindest zwei Fluten aufgeteilt werden. Hierzu befindet sich vorteilhafterweise in einer Vorkammer innerhalb des Gehäuses zumindest ein Leitelement oder eine entsprechende Trennwand, um das eintretende Gas auf die Fluten zu verteilen.
Zusätzlich oder alternativ können am Gehäuse auch zwei oder mehr Gaseinlässe ausgebildet sein. Dadurch ist es möglich mehrere unterschiedliche Gasströme, beispielsweise die zu einer Brennstoffzelle gefördert Luft und das von der Brennstoffzelle abgeführt Abgas, in zwei Fluten der Kühlermatrix zu kühlen.
Bevorzugt ist vorgesehen, dass sich die zumindest eine Abtrennung durch und/oder über mehrere der Hohlräume der Kühlermatrix erstreckt. Um den sehr kompakten und kostengünstigen Aufbau des Wärmetauschers zu erreichen, ist insbesondere nicht vorgesehen, dass zwei separate Kühlermatrizen über entsprechende Verbindungskanäle für das Kühlfluid verbunden sind. Vielmehr wird die gemeinsame Kühlermatrix durch die zumindest eine Abtrennung in die Fluten unterteilt.
Die Abtrennung ist bevorzugt ein separates Bauteil, dass in die Kühlermatrix eingesetzt ist. Zusätzlich oder alternativ ist bevorzugt vorgesehen, die einzelnen Kühlelemente innerhalb der Kühlermatrix so zu gestalten und zu formen, sodass sich die Abtrennung und somit zumindest zwei voneinander getrennte Fluten ergeben.
Des Weiteren ist bevorzugt vorgesehen, dass sich die zumindest zwei Fluten über die gesamte Länge der Gasstrecke und somit über die gesamte Länge der Kühlermatrix erstrecken und über diese gesamte Länge voneinander getrennt sind.
Die Trennung der Fluten durch die Abtrennung ist insbesondere so ausgestaltet, dass sich innerhalb der Kühlermatrix keine Durchmischung der Gase aus den beiden Fluten ergibt. Hierzu ist besonders bevorzugt vorgesehen, dass die zumindest eine Abtrennung die Fluten gasdicht voneinander trennt.
Die Erfindung umfasst ferner ein Brennstoffzellensystem. Das Brennstoffzellensystem weist zumindest eine Brennstoffzelle auf. Insbesondere handelt es sich um einen Stapel aus mehreren Brennstoffzellen. Ferner umfasst das Brennstoffzellensystem einen Verdichter (auch: Kompressor) und eine Luftstrecke die vom Verdichter zur Kathodenseite der Brennstoffzelle führt.
Mittels des Verdichters wird Umgebungsluft verdichtet und über die Luftstrecke in die Brennstoffzelle geführt.
Ferner umfasst das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem einen Wärmetauscher, wie er zuvor beschrieben wurde. Der Wärmetauscher ist in der Luftstrecke angeordnet. Dementsprechend ist ein Verdichterausgang an den zumindest einen Gaseinlass am Gehäuse des Wärmetauschers angeschlossen. Dieser Gaseinlass wird dementsprechend als Lufteinlass bezeichnet.
In der Kühlermatrix ist eine Brennstoffzellenluft-Flut abgetrennt. Die Brennstoffzellenluft-Flut ist von zumindest einer weiteren Flut mittels der beschriebenen Abtrennung abgetrennt. Die „zumindest eine weitere Flut“ kann je nach Ausführungsform eine Verdichterkühlluft-Flut oder eine Abgas-Flut sein. Diese verschiedenen Varianten werden noch im Detail beschrieben.
Die Brennstoffzellenluft-Flut mündet in einen eigenen Gasauslass, der hier als Brennstoffzellenluft-Auslass bezeichnet wird. Der Brennstoffzellenluft Auslass wiederum ist mit der zumindest eine Brennstoffzelle verbunden, sodass die in der Brennstoffzellenluft-Flut gekühlte Luft kathodenseitig der Brennstoffzelle zuführbar ist.
Bei dem im Brennstoffzellensystem eingesetzten Wärmetauscher handelt es sich somit um einen Ladeluftkühler, wobei aufgrund der Abtrennung der Brennstoffzellenluft-Flut noch ein weiterer Gasstrom innerhalb desselben Wärmetauschers, innerhalb derselben Kühlermatrix und mit derselben Kühlfluidstrecke gekühlt werden kann.
Bei dem Verdichter handelt es sich vorzugsweise um eine Bauform, die mit Luft gekühlt werden muss und/oder eine Luftlagerung aufweist, die mit Druckluft versorgt und gekühlt werden muss. Der Verdichter wird somit auch als luftgelagerter radial Verdichter bezeichnet.
In bevorzugter Ausführung ist vorgesehen, dass die Kühlermatrix zusätzlich zur Brennstoffzellenluft-Flut eine Verdichterkühlluft-Flut aufweist.
Vorteilhafterweise ist hierzu am Gehäuse eine Vorkammer ausgebildet. In der Vorkammer befindet sich ein Leitelement. Die über den Lufteinlass vom Verdichter zuströmende Luft wird mittels des Leitelements in der Vorkammer auf die beiden Fluten, nämlich die Brennstoffzellenluft-Flut und die Verdichterkühlluft-Flut aufgeteilt. Auf der anderen Seite der Kühlermatrix ist eine Endstück des Gehäuses ausgebildet. An dem Endstück sind zwei Gasauslässe, nämlich der Brennstoffzellenluft-Auslass und ein Verdichterkühlluft-Auslass ausgebildet.
Der Verdichterkühlluft-Auslass führt über eine Verdichterkühlluft-Rückführung in den Verdichter, um den Verdichter zu kühlen und/oder die Luftlagerung mit Druckluft zu versorgen.
Besonders bevorzugt befindet sich im Gehäuse des Wärmetauschers eine Düse zum Einspritzen von Wasser in oder vor die Brennstoffzellenluft-Flut. Wie beschrieben, weist das Gehäuse vorzugsweise eine Vorkammer auf. In der Vorkammer befindet sich ein Leitelement. Besonders bevorzugt befindet sich die Düse zum Einspritzen des Wassers auf derjenigen Seite des Leitelements, die in die Brennstoffzellenluft-Flut führt. Dadurch kann das Wasser in denjenigen Luftstrom eingespritzt werden, der zur Brennstoffzelle führt. Die zum Verdichter rückgeführte Luft bleibt dabei trocken.
Das Einspritzen des Wassers erfolgt somit vor der Kühlermatrix bzw. am Anfang der Flut. Dadurch kann sichergestellt werden, dass die benötigte Verdampfungsenthalpie zugeführt werden kann und kein flüssiges Wasser die Kathode der Brennstoffzelle erreicht. Allerdings darf befeuchtet Luft nicht zur Kühlung des Verdichterrotors oder der Verdichterlager verwendet werden, da dies zu einer Schädigung des Verdichters führen würde. Im Stand der Technik wird daher ein separater Wärmetauscher verwendet, um die Kühlluft für den Verdichter bereitzustellen. Im Rahmen der Erfindung ist es jedoch möglich, ein und denselben Wärmetauscher sowohl für die Luft für die Brennstoffzelle als auch die rückgeführte Luft zum Verdichter zu kühlen.
Das Brennstoffzellensystem umfasst bevorzugt eine Abgasstrecke. Die Abgasstrecke führt von der Brennstoffzelle in die Umgebung. In der Kühlermatrix ist eine Abgas-Flut abgetrennt. Durch diese Abgas-Flut verläuft die Abgasstrecke. Zusätzlich zu der Abgas-Flut weist die Kühlermatrix die Brennstoffzellenluft-Flut auf.
Die bereits beschriebene Verdichterkühlluft-Flut kann als bevorzugte dritte Flut innerhalb der Kühlermatrix abgetrennt sein.
Besonders bevorzugt verläuft die Brennstoffzellenluft-Flut in entgegengesetzter Richtung zur Abgas-Flut. Dementsprechend befindet sich auf einer Seite des Gehäuses der Lufteinlass und auf der anderen Seite des Gehäuses der entsprechende Abgaseinlass.
Die Verdichterkühlluft-Flut verläuft vorzugsweise in gleicher Richtung wie die Brennstoffzellenluft-Flut. Dementsprechend befinden sich an einer Gehäuseseite sowohl der Abgaseinlass als auch der Verdichterkühlluft-Auslass und der Brennstoffzellenluft-Auslass.
Die zumindest eine Abtrennung in der Kühlermatrix ist bevorzugt so angeordnet, sodass die zwei Fluten, vorzugsweise alle drei Fluten, parallel zueinander verlaufen.
Das aus der Brennstoffzelle austretende Abgas ist relativ feucht und wird in der Kühlermatrix gekühlt, sodass ein Teil des Wassers im Abgas kondensiert. Das flüssige Wasser aus dem Abgas wird vorzugsweise im Wärmetauscher oder stromab des Wärmetauschers in einem Wassersammelbehälter aufgefangen. Hierzu ist insbesondere innerhalb des Wärmetauschers oder stromab des Wärmetauschers ein Wasserabscheider vorgesehen.
In dieser bevorzugten Ausführung dient der Wärmetauscher also nicht nur als Ladeluftkühler sondern gleichzeitig auch als Kondensator für das Abgas und vorteilhafterweise auch für die Kühlung der zum Verdichter rückgeführten Luft.
Im Stand der Technik wird ein eigener Kondensator in der Abluftstrecke verwendet. Die Kondensationsenthalpie von Wasser von ca. 2500 kJ/kg führt dabei zu einem sehr hohen Wärmeübertrag in das Kühlfluid. Wenn, wie im Stand der Technik, der Kondensator getrennt verschaltet wird, ist ein erheblicher Aufwand nötig um in allen Betriebszuständen die Wasserkondensation sicherzustellen. Dies erfolgt dabei beispielsweise mit einem eigenen Kühlkreislauf mit Radiator. Der erfindungsgemäße Wärmetauscher führt hier zu einem sehr viel einfacheren Aufbau, da auch für die Kondensation des Wassers aus dem Abgas dieselbe Kühlermatrix und die selbe Kühlfluidstrecke verwendet wird.
In Betriebszuständen, in denen Wasser über die Düse eingespritzt wird, wird in der Brennstoffzellenluft-Flut Wärme zur Verdunstung des Wassers benötigt. Dies führt zu einer Absenkung der Temperatur des Kühlfluides. Gleichzeitig wird dabei in der Abgas-Flut bei der Kondensation des Wassers Wärme an das Kühlfluid abgegeben. Dadurch ergibt sich eine relativ wärmeneutrale Lösung, bei der die Wassereinspritzung keinen Mehraufwand im Kühlmittelsystem verlangt.
Wie bereits beschrieben, kann mittels der Düse Wasser in die der Brennstoffzelle zugeführte Luft eingespritzt werden. Hierzu wird vorteilhafterweise das aus dem Abgas kondensierte Wasser verwendet.
Eine Alternative Ausgestaltung sieht vor, dass die Kühlermatrix lediglich in die Brennstoffzellenluft-Flut und die Verdichterkühlluft-Flut unterteilt ist. Stromab der Kühlermatrix ist ein Membranbefeuchter vorgesehen. Die Abgasstrecke führt durch den Membranbefeuchter. Durch eine Membran innerhalb des Membranbefeuchters wird die der Brennstoffzelle zugeführte, gekühlte Luft durch das Abgas befeuchtet.
In bevorzugter Ausgestaltung ist der Membranbefeuchter in das Gehäuse des Wärmetauschers integriert. Hierzu ist insbesondere vorgesehen, dass das Gehäuse ein Mittelstück aufweist, in dem die Kühlermatrix angeordnet ist. An dieses Mittelstück ist der Membranbefeuchter direkt angesetzt, sodass keine zusätzlichen Leitungen, Schläuche oder Rohre für die Führung der Luft aus der Kühlermatrix in den Membranbefeuchter notwendig sind.
In bevorzugter Ausführung ist zwischen das Mittelstück des Gehäuses und den Membranbefeuchter ein Zwischenstück eingesetzt. In diesem Zwischenstück sammelt sich die aus der Verdichterkühlluft-Flut austretende Luft.
Dementsprechend ist an dem Zwischenstück auch der Verdichterkühlluft-Auslass ausgebildet.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und den Figuren. Es zeigen:

1 eine erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem mit einem erfindungsgemäßen Wärmetauscher gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,
2 zwei Ansichten des erfindungsgemäßen Wärmetauschers gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel,
3 das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem mit dem erfindungsgemäßen Wärmetauscher gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel,
4 das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem mit dem erfindungsgemäßen Wärmetauscher gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel, und
5 zwei Ansichten des erfindungsgemäßen Wärmetauschers gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel.

Die 1 bis 5 zeigen in unterschiedlichen Ausführungsbeispielen in schematischen Ansichten einen Wärmetauscher 2 in einem Brennstoffzellensystem 1. Es sind jeweils nur die Komponenten des Brennstoffzellensystems 1 gezeigt, die für die Erläuterung der Erfindung nötig sind. Das Brennstoffzellensystem 1 kommt insbesondere in einem Fahrzeug zur Anwendung.
In allen Ausführungsbeispielen sind gleiche bzw. funktional gleiche Bauteile mit denselben Bezugszeichen versehen.
1 zeigt das Brennstoffzellensystem 1 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel. Das Brennstoffzellensystem 1 umfasst zumindest eine Brennstoffzelle 3. Insbesondere sind mehrere der Brennstoffzellenzellen 3 in einem Stapel angeordnet. Des Weiteren umfasst das Brennstoffzellensystem 1 einen Verdichter 4, den Wärmetauscher 2, eine Luftstrecke 5 und eine Verdichterkühlluft-Rückführung 11.
Der Verdichter 4 saugt Umgebungsluft axial an und gibt die verdichtete Luft über einen Verdichterausgang 7 ab. Des Weiteren weist der Verdichter 4 einen entsprechenden Eingang und Ausgang für die Verdichterkühlluft-Rückführung 11 auf.
Der Wärmetauscher 2 umfasst ein Gehäuse 12. An dem Gehäuse 12 ist ein Lufteinlass 8 (allgemein als Gaseinlass bezeichnet) ausgebildet. An der gegenüberliegenden Seite des Gehäuses 12 befinden sich ein Brennstoffzellenluft-Auslass 9 und ein Verdichterkühlluft-Auslass 10 (allgemein als Gasauslässe bezeichnet).
Ferner sind am Gehäuse 12 ein Kühlfluid-Einlass 20 und ein Kühlfluid-Auslass 21 ausgebildet. Ein entsprechendes Kühlfluid fließt über den Kühlfluid-Einlass 20 in den Wärmetauscher 2 und verlässt über den Kühlfluid-Auslass 21 den Wärmetauscher 2. Somit verläuft eine Kühlfluidstrecke 22 des Wärmetauschers 2 über den Kühlfluid-Einlass 20 und den Kühlfluid-Auslass 21.
Die Luftstrecke 5 des Brennstoffzellensystems 1 führt vom Verdichterausgang 7 zum Lufteinlass 8 des Wärmetauschers 2, durch den Wärmetauscher 2 hindurch und vom Brennstoffzellenluft-Auslass 9 bis zur Kathodenseite der Brennstoffzelle 3.
Die Verdichterkühlluft-Rückführung 11 führt vom Verdichterkühlluft-Auslass 10 zurück zum Verdichter 4.
Von der Brennstoffzelle 3 in die Umgebung führt eine Abgasstrecke 6.
2 zeigt in 2 unterschiedlichen Darstellungen den Aufbau des Wärmetauschers 2 im Detail. Die linke Darstellung in 2 zeigt einen Längsschnitt durch den Wärmetauscher 2. Die rechte Darstellung in 2 zeigt den in der linken Darstellung gekennzeichneten Schnitt A:A.
Das Gehäuse 12 des Wärmetauschers 2 umfasst eine Vorkammer 13 und ein Endstück 15. Zwischen der Vorkammer 13 und dem Endstück 15 ist ein Mittelstück 14 des Gehäuses 12 angeordnet.
Im Mittelstück 14 des Gehäuses 12 ist eine Kühlermatrix 17 des Wärmetauschers 2 positioniert. Die Kühlermatrix 17 ist fluidleitend verbunden mit dem Kühlfluid-Einlass 20 und dem Kühlfluid-Auslass 21. Die Kühlermatrix 17 bildet somit die Kühlfluidstrecke 22 zwischen Kühlfluid-Einlass 20 und Kühlfluid-Auslass 21.
In der Kühlermatrix 17 können verschiedene Kühlelemente 18 vorgesehen sein. Diese Kühlelemente 18 sind beispielsweise Rohre oder Platten, wobei das Kühlfluid in den Rohren oder zwischen den Platten fließt. Ferner können die Kühlelemente auch durch dünne Kühlrippen oder Bleche gebildet sein, in denen kein Kühlfluid fließt, die jedoch durch das Kühlfluid stetig gekühlt werden.
Die Kühlermatrix 17 bildet eine Vielzahl an Hohlräumen 19. Diese Hohlräume 19 befinden sich insbesondere zwischen den einzelnen Kühlelementen 18 der Kühlermatrix 17. Die Gesamtheit dieser Hohlräume 19 stellt die Gasstrecke dar. Das Gas in dieser Gasstrecke wird durch die Kühlermatrix 17 gekühlt.
Gemäß den beiden Schnittdarstellungen in 2 ist die Kühlermatrix 17 durch eine Abtrennung 23 in zwei Fluten unterteilt. Dabei handelt es sich um eine Brennstoffzellenluft-Flut 24 und eine Verdichterkühlluft-Flut 25. Die Abtrennung 23 erstreckt sich über die gesamte Länge und Breite der Kühlermatrix 17. Dadurch sind die beiden Fluten 24, 25 vollständig voneinander getrennt.
In die Vorkammer 13 des Gehäuses 12 strömt die vom Verdichter 4 verdichtete Luft. In der Vorkammer 13 ist ein Leitelement 16 angeordnet. Mittels dieses Leitelements 16 wird die zuströmende Luft auf die Brennstoffzellenluft-Flut 24 und die Verdichterkühlluft-Flut 25 aufgeteilt.
Innerhalb der Kühlermatrix 17 wird die Luft in beiden Fluten 24, 25 mittels der gleichen Kühlermatrix 17, mittels der gleichen Kühlfluidstrecke 22 und somit mittels des gleichen Kühlfluides gleichzeitig gekühlt.
Im Endstück 18 des Gehäuses 12 sind der Brennstoffzellenluft-Auslass 9 und der Verdichterkühlluft-Auslass 10 getrennt voneinander ausgebildet. Dadurch wird sichergestellt, dass die Luft aus der Brennstoffzellenluft-Flut 24 lediglich in dem den Brennstoffzellenluft-Auslass 9 strömt und die Luft aus der Verdichterkühlluft-Flut 25 lediglich in den Verdichterkühlluft-Auslass 10 strömt.
Wie der Schnitt A:A in 2 zeigt, wird die gesamte Querschnittsfläche der Kühlermatrix 17 beibehalten und lediglich durch die zumindest eine Abtrennung 23 unterteilt. Insbesondere ist dabei vorgesehen, dass der Querschnitt der Kühlermatrix 17 für die Unterteilung in die einzelnen Fluten nicht eingeengt oder eingeschnürt wird. Vielmehr wird die herkömmliche Querschnittsform, beispielsweise die rechteckige, kreisförmige oder ovale Form, einer herkömmlichen Kühlermatrix beibehalten und lediglich durch die zumindest eine Abtrennung 23 in Fluten unterteilt.
3 zeigt das Brennstoffzellensystem 1 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel. Im zweiten Ausführungsbeispiel weist die Kühlermatrix 17 zumindest zwei Fluten auf: die Brennstoffzellenluft-Flut 24 und eine Abgas-Flut 33.
Zusätzlich zu diesen beiden Fluten 24, 33 kann im zweiten Ausführungsbeispiel noch die Verdichterkühlluft-Flut 25 abgetrennt sein, wie dies im Rahmen des ersten Ausführungsbeispiels erläutert wurde. Im Rahmen des zweiten Ausführungsbeispiels wird jedoch insbesondere die Möglichkeit zur Nutzung des Wärmetauschers 2 für die Kondensation von Wasser in der Abgasstrecke 6 gezeigt.
Im zweiten Ausführungsbeispiel verläuft die Abgasstrecke 6 durch die Abgas-Flut 33 des Wärmetauschers 2. Hierzu umfasst das Gehäuse 12 des Wärmetauschers 2 einen Abgaseinlass 26 und einen Abgasauslass 27.
Im gezeigten Ausführungsbeispiel verlaufen die Brennstoffzellenluft-Flut 24 und die Abgas-Flut 33 gegenläufig. Die beiden Gasströme, nämlich die Luft und das Abgas, sind strikt voneinander getrennt. Deshalb ist der Abgaseinlass 26 vom Brennstoffzellenluft-Auslass 9 getrennt. Der Abgasauslass 27 ist vom Lufteinlass 8 getrennt. Nichtsdestotrotz kann der Lufteinlass 8 zusammen mit dem Abgasauslass 27 und/oder kann der Brennstoffzellenluft-Auslass 9 zusammen mit dem Abgaseinlass 26 in einem Gehäusebauteile integriert sein.
Stromab des Wärmetauschers 2 durchläuft die Abgasstrecke 6 einen Wasserabscheider 21. Das darin abgeschiedene Wasser wird in einem Wassersammelbehälter 29 gesammelt.
Vom Wasserbehälter 29 führt eine Wasserleitung zu einer Düse 32. Vorteilhafterweise befinden sich in dieser Wasserleitung eine Pumpe 31 und/oder zumindest ein Filter 30.
Die Düse 32 befindet sich in der Vorkammer 13 und ist so angeordnet, dass das Wasser lediglich in oder vor die Brennstoffzellenluft-Flut 24 eingespritzt wird.
Bei Kombination dieser Wassereinspritzung mit der separaten Ausbildung der Verdichterkühlluft-Flut 25 innerhalb der Kühlermatrix 17, wie dies in 2 gezeigt ist, wäre die Düse 32 unterhalb des Leitelements 16 angeordnet. Dadurch wird erreicht, dass das Wasser lediglich in oder vor die Brennstoffzellenluft-Flut 24 und nicht in die Verdichterkühlluft-Flut 25 eingespritzt wird.
4 zeigt das Brennstoffzellensystem 1 gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel. Im dritten Ausführungsbeispiel ist ein Membranbefeuchter 34 vorgesehen.
Die Abgasstrecke 6 verläuft hier durch den Membranbefeuchter 34. Ferner verläuft die Luftstrecke 5 stromab der Kühlermatrix 17 ebenfalls durch den Membranbefeuchter 34. Im Membranbefeuchter 34 wird die der Brennstoffzelle 3 zugeführte Luft mittels des relativ feuchten Abgases befeuchtet.
Im dritten Ausführungsbeispiel ist die Kühlermatrix 17 in zwei Fluten, nämlich die Brennstoffzellenzuluft-Flut 24 und die Abgas-Flut 33 unterteilt.
Den genauen Aufbau des Wärmetauschers 2 des dritte Ausführungsbeispiels zeigt die 5. In 5 ist in der linken Darstellung der Wärmetauscher 2 in einer Explosionsdarstellung dargestellt. Die rechte Darstellung zeigt den zusammengesetzten Wärmetauscher 2.
Anstatt des Endstück 15, umfasst das Gehäuse 12 den Membranbefeuchter 34. Am rechten Ende des Membranbefeuchters 34 ist der Brennstoffzellenluft-Auslass 9 ausgebildet. Die der Kühlermatrix 17 zugewandte Seite des Membranbefeuchters 34 erstreckt sich über die gesamte Querschnittsfläche der Brennstoffzellenluft-Flut 24. Dadurch verschließt der Membranbefeuchter 34 das Gehäuse 12 bzw. das Mittelstück 14 auf einer Seite und kann somit als integraler Bestandteil des Gehäuses 12 verwendet werden.
Zwischen dem Membranbefeuchter 34 und dem Mittelstück 14 ist ein Zwischenstück 35 eingesetzt. Dieses Zwischenstück 35 erstreckt sich als Rahmen um den gesamten Querschnitt der Kühlermatrix 17. Am Ende der Verdichterkühlluft-Flut 25 bildet das Zwischenstück 35 einen Sammelraum um die zum Verdichter 4 rückzuführende Luft zum Verdichterkühlluft-Auslass 10 zu leiten.
Bezugszeichenliste

1: Brennstoffzellensystem
2: Wärmetauscher
3: Brennstoffzelle
4: Verdichter
5: Luftstrecke
6: Abgasstrecke
7: Verdichterausgang
8: Lufteinlass (Gaseinlass)
9: Brennstoffzellenluft-Auslass (Gasauslass)
10: Verdichterkühlluft-Auslass (Gasauslass)
11: Verdichterkühlluft-Rückführung
12: Gehäuse
13: Vorkammer
14: Mittelstück
15: Endstück
16: Leitelement
17: Kühlermatrix
18: Kühlelemente
19: Hohlräume
20: Kühlfluid-Einlass
21: Kühlfluid-Auslass
22: Kühlfluidstrecke
23: Abtrennung
24: Brennstoffzellenluft-Flut
25: Verdichterkühlluft-Flut
26: Abgaseinlass (Gaseinlass)
27: Abgasauslass (Gasauslass)
28: Wasserabscheider
29: Wassersammelbehälter
30: Filter
31: Pumpe
32: Düse
33: Abgas-Flut
34: Membranbefeuchter
35: Zwischenstück

Claims

Brennstoffzellensystem (1) für ein Fahrzeug, umfassend: • zumindest eine Brennstoffzelle (3), • einen Verdichter (4), • eine Luftstrecke (5) vom Verdichter (4) zur Kathodenseite der Brennstoffzelle (3), und • einen Wärmetauscher (2) in der Luftstrecke (5), wobei der Wärmetauscher umfasst: • eine Gastrecke (5, 6) für zumindest ein Gas und eine Kühlfluidstrecke (22) zum Kühlen des zumindest einen Gases, • ein Gehäuse (12), • eine im Gehäuse (12) angeordnete Kühlermatrix (17) in der die Kühlfluidstrecke (22) ausgebildet ist, wobei die Kühlermatrix (17) eine Vielzahl an Hohlräumen (19) bildet, die die Gasstrecke darstellen, • zumindest einen Gaseinlass (8, 26) am Gehäuse (12), • zumindest eine Abtrennung (23) in der Kühlermatrix (17) zur Unterteilung der Gastrecke in zumindest zwei Fluten (24, 25, 33), sodass die zumindest zwei Fluten (24, 25, 33) durch die selbe Kühlfluidstrecke (22) kühlbar sind, zumindest zwei Gasauslässe (9, 10, 27) am Gehäuse (12), wobei jede Flut (24, 25, 33) in einen eigenen Gasauslass (9, 10, 27) mündet; • wobei ein Verdichterausgang (7) an den Gaseinlass (8) des Wärmetauschers (2) angeschlossen ist, undwobei in der Kühlermatrix (17) eine Brennstoffzellenluft-Flut (24) abgetrennt ist und die Luft aus der Brennstoffzellenluft-Flut (24) kathodenseitig der Brennstoffzelle (3) zuführbar ist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der Kühlermatrix (17) eine Verdichterkühlluft-Flut (25) abgetrennt ist, und die abgetrennte Luft aus der Verdichterkühlluft-Flut (25) zum Verdichter (4) rückführbar ist.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, • dass im Gehäuse (12) vor der Kühlermatrix (17) eine Vorkammer (13) ausgebildet ist, • wobei die Brennstoffzellenluft-Flut (24) von der/den weiteren Flut(en) (25, 33) innerhalb der Vorkammer (13) abgetrennt ist, und • wobei in der Vorkammer (13) eine Düse (32) zum Einspritzen von Wasser in die Brennstoffzellenluft-Flut (24) angeordnet ist.
Brennstoffzellensystem nach einem der vorherigen Ansprüche, gekennzeichnet durch • eine Abgasstrecke (6) von der Brennstoffzelle (3) in die Umgebung, • wobei in der Kühlermatrix (17) eine Abgas-Flut (33) abgetrennt ist, durch die die Abgasstrecke (6) verläuft.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass in oder nach der Abgas-Flut (33) Wasser aus dem Abgas abscheidbar ist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch • eine Abgasstrecke (6) von der Brennstoffzelle (3) in die Umgebung, • wobei in dem Gehäuse (12), im Anschluss an die Brennstoffzellenluft-Flut (24) ein Membranbefeuchter (34) integriert ist und die Abgasstrecke (6) durch den Membranbefeuchter (34) verläuft.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Abtrennung (23) durch und/oder über mehrere der Hohlräume (19) der Kühlermatrix (17) erstreckt.
Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest zwei Fluten (24, 25, 33) über die gesamte Länge der Gasstrecke durch die zumindest eine Abtrennung (23) voneinander getrennt sind.