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Die Erfindung betrifft eine Befeuchtereinrichtung zum Befeuchten einer Kathoden-Zuluft für eine Brennstoffzelle eines Brennstoffzellensystems sowie ein solches Brennstoffzellensystem. Die Erfindung betrifft außerdem ein Elektrofahrzeug mit einem solchen Brennstoffzellensystem.
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Der Einsatz von Brennstoffzellen in Kraftfahrzeugen ist bekannt und nimmt an Bedeutung zu. Die Brennstoffzellen sind üblicherweise aufeinandergestapelt, also in einem Stapel - auch „Stack“ genannt - zusammengefasst. In solchen Brennstoffzellensystemen kommen Befeuchtereinrichtungen zum Befeuchten eines Fluids, insbesondere einer Kathoden-Zuluft, zum Einsatz. Üblicherweise umfassen solche Befeuchtereinrichtungen einen Membranstapel mit entlang einer Stapelrichtung aufeinandergestapelten Membranen, welche für Gas weitestgehend undurchlässig und für Feuchtigkeit bzw. Wasser oder Wasserdampf durchlässig sind. Eine derart ausgebildete Membran des Membranstapels wird in der Befeuchtereinrichtung jeweils auf einer Seite von einem zu befeuchtenden Gas (Kathoden-Zuluft) und auf der anderen Seite von einem feuchten Gas (Kathoden-Abluft) überströmt. Die beiden Gase sind hierbei durch die Membran fluidisch voneinander getrennt. Somit kommt es zu keiner stofflichen Vermischung der beiden die Befeuchtereinrichtung und den Membranstapel durchströmenden Gase. Die Feuchtigkeit der beiden Gase gleicht sich beim Durchströmen des Membranstapels an.
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Einsatz finden solche Befeuchtereinrichtungen gerade in solchen Brennstoffzellensystemen, in denen eine trockene Kathoden-Zuluft befeuchtet werden muss, bevor diese der Brennstoffzelle zugeführt wird. Die Kathoden-Zuluft ist zu befeuchten, um eine Austrocknung der typischerweise in einer Brennstoffzelle eingesetzten Polymerelektrolytmembranen zu vermeiden oder zumindest zu verzögern. Ein solches Austrocken wirkt sich insbesondere auf die Haltbarkeit der Polymerelektrolytmembranen sowie den Wirkungsgrad der Brennstoffzelle negativ aus.
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Als nachteilig bei einer solchen Befeuchtereinrichtung erweist es sich jedoch, dass dieser zur Abdeckung sämtlicher möglicher Betrieb-/Lastbereiche der Brennstoffzelle vergleichsweise groß ausgelegt werden muss.
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Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich daher mit dem Problem, für eine Befeuchtereinrichtung zum Befeuchten einer Kathoden-Zuluft eine verbesserte oder zumindest eine alternative Ausführungsform anzugeben, die insbesondere die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile überwindet.
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Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, sämtliche Lastbereiche einer Brennstoffzelle mit unterschiedlichen Befeuchtungsanforderungen dadurch besser abdecken zu können, dass eine Befeuchtereinrichtung hybrid mit zwei unterschiedlichen Befeuchtungssystemen ausgebildet ist, nämlich einerseits mit einem bekannten Membranbefeuchter und andererseits mit einer Wassereinspritzeinrichtung. Die erfindungsgemäße Befeuchtereinrichtung zum Befeuchten einer vergleichsweise trockenen Kathoden-Zuluft besitzt dabei einen sowohl von der trockenen Kathoden-Zuluft als auch von einer im Vergleich dazu feuchteren Kathoden-Abluft vermischungsfrei durchströmbaren Membranbefeuchter als auch die zuvor erwähnte Wassereinspritzeinrichtung zum Einspritzen von zerstäubtem Wasser in die Kathoden-Zuluft. Die erfindungsgemäße Befeuchtereinrichtung ermöglicht es im Vergleich zu einer aus dem Stand der Technik bekannten Befeuchtereinrichtung mit ausschließlich einem Membranbefeuchter, diesen kleiner auszubilden und zwar derart, dass dieser nur einen Nennlastbereich der Brennstoffzelle ausreichend abdeckt. Für einen Hochlast-/Hochtemperaturbereich kann die Wassereinspritzeinrichtung zugeschaltet werden und für die erforderliche zusätzliche Befeuchtung der Kathoden-Zuluft sorgen. Für einen Niedriglast-/Niedrigtemperaturbereich kann die Wassereinspritzeinrichtung ebenfalls zugeschaltet werden und für die erforderliche zusätzliche Befeuchtung der Kathoden-Zuluft sorgen, da in diesem Fall das Wasserangebot auf der feuchten Seite niedrig ist. Mit der erfindungsgemäßen Befeuchtereinrichtung ist es somit nicht nur möglich, diese aufgrund des deutlich kleineren Membranbefeuchters insgesamt kleiner auszulegen, sondern zudem auch eine Befeuchtung über den gesamten Lastbereich der Brennstoffzelle optimal abzudecken. Die erfindungsgemäß eingesetzte Hybridlösung mit der Wassereinspritzeinrichtung kann dabei mittels konstruktiv einfacher und kostengünstiger Technik realisiert werden, wodurch die erfindungsgemäße Befeuchtereinrichtung insgesamt kostengünstig ausgestaltet werden kann.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Befeuchtereinrichtung weist die Wassereinspritzeinrichtung eine 2-Stoff-Düse auf, über welche ein Luft-Wassertröpfchen-Gemisch in die Kathoden-Zuluft einspritzbar ist. Solche 2-Stoff-Düsen sind pneumatische Zerstäuber und verwenden zur Verstäubung eines ersten Mediums, hier von Wasser, ein zweites Medium, hier beispielsweise Pressluft oder Dampf. Das Wasser wird dabei durch die Strömungsgeschwindigkeit, beispielsweise der Luft, in feine Tröpfchen zerrissen, wodurch das Wasser selbst nur eine relativ geringe Strömungsgeschwindigkeit aufweisen muss. Ein weiterer großer Vorteil einer derartigen 2-Stoff-Düse ist, dass zur Bereitstellung des Wassers zur Befeuchtung der Kathoden-Zuluft keine Pumpe erforderlich ist, sondern dass durch die durch die 2-Stoff-Düse gepresste Luft, ähnlich einer Venturidüse, das Wasser angesaugt werden kann. Die eingesetzte 2-Stoff-Düse kann dabei eine Außenmischung oder eine Innenmischung vornehmen, wobei eine Außenmischung den Vorteil einer Verstopfungsunempfindlichkeit, eines großen Regelbereichs sowie einer einfachen Ansteuerung durch regelbare Fluidströme aufweist, während die Innenmischung durch einen breiten Sprühkegel, eine sehr feine Zerstäubung und ebenfalls eine Verstopfungsunempfindlichkeit punkten kann.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Befeuchtereinrichtung ist ausschließlich eine einzige Düse, insbesondere eine einzige 2-Stoff-Düse, zum Einspritzen von Wasser in die Kathoden-Zuluft vorgesehen. Im Vergleich zu aus dem Stand der Technik bekannten Wassereinspritzeinrichtungen ohne zusätzlichen Membranbefeuchter, bei welchen beispielsweise mehrere Düsen vorgesehen sind, reicht bei der erfindungsgemäßen Befeuchtereinrichtung bereits eine einzige Düse aus, um den nicht durch den Membranbefeuchter in die Kathoden-Zuluft eingetragenen Feuchteanteil noch in die Kathoden-Zuluft einzubringen. Durch das Vorsehen lediglich einer einzigen Düse kann die Wassereinspritzeinrichtung nicht nur kostengünstig, sondern auch bauraumoptimiert ausgestaltet werden. Selbstverständlich können, insbesondere aus Symmetrie- oder Gleichverteilungsgründen, auch zwei Düsen vorgesehen sein.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weist die Wassereinspritzeinrichtung einen Rotationszerstäuber mit insbesondere einer rotierenden Prallplatte auf. Derartige Rotationszerstäuber werden üblicherweise für Lackiereinrichtungen eingesetzt, können aber auch im vorliegenden Fall zur Zerstäubung von Wasser und damit zur Befeuchtung der Kathoden-Zuluft verwendet werden. Ein solcher Rotationszerstäuber weist beispielsweise eine rotierenden Prallplatte oder einen rotierenden Kegel auf, der beispielsweise mittels Pressluft angetrieben werden kann und zur Zerstäubung des Wassers dient.
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Zusätzlich oder alternativ kann die Wassereinspritzeinrichtung selbstverständlich auch einen Ultraschallzerstäuber aufweisen, bei welchem Ultraschallwellen das Wasser in Schwingungen versetzen, bis sich kleine Wassertröpfchen absetzen und in die Luft übergehen. Mit einem solchen Ultraschallzerstäuber lässt sich eine besonders feine Zerstäubung von Wasser in der Kathoden-Zuluft erreichen. Zudem ist ein derartiger Ultraschallzerstäuber im Betrieb nahezu geräuschlos und erfordert einen nur minimalen Energiebedarf, was insbesondere im Vergleich zu einem Rotationszerstäuber beim Einsatz in einem mittels einer Brennstoffzelle angetriebenen Elektrofahrzeug von großem Vorteil ist.
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Die vorliegende Erfindung beruht weiter auf dem allgemeinen Gedanken, ein Brennstoffzellensystem mit einer Brennstoffzelle zur Erzeugung elektrischer Energie mittels kalter Verbrennung anzugeben, infolge welcher an einer Kathode der Brennstoffzelle feuchte Kathoden-Abluft entsteht bzw. erzeugt wird. In dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem wird dabei eine in den vorherigen Absätzen beschriebene Befeuchtereinrichtung eingesetzt, deren Membranbefeuchter mit feuchter Kathoden-Abluft zum Befeuchten der trockeneren Kathoden-Zuluft versorgbar ist. Über die Wassereinspritzeinrichtung ist eine bedarfsabhängige zusätzliche Befeuchtung der Kathoden-Zuluft abdeckbar. Der große Vorteil eines derartigen Brennstoffzellensystems liegt somit in der Hybridbefeuchtung der Kathoden-Zuluft, nämlich einerseits durch Entnahme von Feuchtigkeit aus der Kathoden-Abluft und Übertragung dieser Feuchte in die Kathoden-Zuluft mittels des Membranbefeuchters, wodurch bereits ein vergleichsweise großer Leistungsbereich der Brennstoffzelle abdeckbar ist. Insbesondere Leistungsspitzen und Leistungssenken der Brennstoffzelle können dabei über die Wassereinspritzeinrichtung abgedeckt werden, welche in einem hohen und niedrigen Leistungsbereich der Brennstoffzelle zusätzlich zum Membranbefeuchter Feuchtigkeit in die Kathoden-Zuluft einträgt. Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem weist dabei eine optimierte Befeuchtung der Kathoden-Zuluft über den gesamten Leistungsbereich der Brennstoffzelle auf, wobei der Membranbefeuchter der Befeuchtereinrichtung insgesamt kleiner ausgebildet werden kann, da dieser insbesondere die Leistungsspitze nicht abdecken muss. Ein somit einsetzbarer kleinerer Membranbefeuchter in der erfindungsgemäßen Befeuchtereinrichtung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems ermöglicht nicht nur eine bauraumoptimierte, sondern auch eine kostenoptimierte Bauweise.
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Zweckmäßig weist das Brennstoffzellensystem zumindest eine der folgende Komponenten auf: Einen Verdichter zum Verdichten der Kathoden-Zuluft, einen insbesondere stromab des Verdichters angeordneten Ladeluftkühler zur Temperierung der Kathoden-Zuluft, eine insbesondere stromab des Ladeluftkühlers angeordnete und erfindungsgemäße Befeuchtereinrichtung, eine insbesondere stromab der Befeuchtereinrichtung angeordnete Brennstoffzelle, einen ersten Wasserabscheider zum Abscheiden von Wasser aus der Kathoden-Abluft zusätzlich zur Befeuchtereinrichtung, welche ebenfalls bereits Wasser aus der Kathoden-Abluft ausscheidet, einen insbesondere mit dem Wasserabscheider verbunden Wassertank sowie eine Pumpe, die insbesondere eingangsseitig mit dem Wassertank und ausgangsseitig mit der Wassereinspritzung verbunden ist. Der Ladeluftkühler kann auch ein Beheizen der Kathoden-Zuluft bewirken, insbesondere sofern bei niedrigen Lasten die Verdichteraustrittstemperatur unterhalb der Kühlmitteltemperatur des Ladeluftkühlers liegt. Über die Pumpe kann dabei die Wassereinspritzeinrichtung mit Wasser versorgt werden, wobei durch die Ausbildung des Brennstoffzellensystems in dieser Art eine äußerst flexible Bauweise erreicht werden kann, bei welcher beispielsweise die Wassereinspritzeinrichtung an nahezu beliebiger Stelle vor der Eingangsseite der Brennstoffzelle eingebaut werden kann. Durch die erhöhte Flexibilität ist nicht nur eine deutlich gesteigerte designerische Freiheit in Bezug auf die Anordnung der einzelnen Komponenten möglich, sondern es sind auch deutlich reduzierte Herstellungskosten realisierbar.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems ist die Wassereinspritzeinrichtung Bestandteil des Verdichters. Dies bietet den großen Vorteil, durch eine entsprechende Ausgestaltung des Verdichters einen Teilstrom der verdichteten Kathoden-Zuluft abzuzweigen und der Wassereinspritzeinrichtung als Treibmittel zuzuführen, wobei die Wassereinspritzeinrichtung in diesem Fall beispielsweise eine Venturidüse aufweist, die als Treibfluid den im Verdichter abgezweigten und verdichteten Kathoden-Zuluftteilstrom verwendet und über eine entsprechende Leitung mit einem Wassertank verbunden ist. In diesem Fall kann eine Pumpe entfallen, wodurch die Teilevielfalt und damit verbunden die Lager- und Logistikkosten reduziert werden können. Zur Steuerung der Wassereinspritzung an der Wassereinspritzeinrichtung kann ein steuerbares Ventil vorgesehen sein. Einen weiteren großen Vorteil bietet eine in den Verdichter integrierte Wassereinspritzeinrichtung aufgrund der besonders kompakten Bauform sowie durch das Bilden einer vorfertigbaren Baugruppe, sodass eine derartige Baugruppe mit Verdichter und Wassereinspritzeinrichtung bereits separat vorgefertigt und als vorgefertigte Baugruppe an einen Einbauort angeliefert werden kann.
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Ein derartiger Verdichter, beispielsweise in der Art eines Abgasturboladers, kann entweder von dem Abgasstrom der Brennstoffzelle und/oder mittels eines eigenen Motors, insbesondere eines Elektromotors, angetrieben werden. Der Verdichter verdichtet dabei die Kathoden-Zuluft und ermöglicht vorzugsweise die Bereitstellung von Druckluft für die Wassereinspritzeinrichtung, sodass in diesem Fall die Wassereinspritzeinrichtung beispielsweise eine Art Venturidüse aufweisen kann, über welche die von dem Verdichter bereits komprimierte Kathoden-Zuluft Wasser aus einem entsprechenden Wassertank ansaugt und dadurch die Kathoden-Zuluft befeuchtet.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems ist die Wassereinspritzeinrichtung Bestandteil des Ladeluftkühlers. Dies bietet den großen Vorteil, dass eine Integration der Wassereinspritzeinrichtung in den Ladeluftkühler vergleichsweise einfach ist. Der Ladeluftkühler kann dabei als indirekter Ladeluftkühler ausgebildet und mittels eines Kühlfluids, welches in einem mittels des Brennstoffzellensystems angetriebenen Elektrofahrzeug eingesetzt wird, gekühlt werden. Rein theoretisch ist selbstverständlich auch ein direkter Ladeluftkühler möglich. Der Vorteil der indirekten Ladeluftkühlung liegt insbesondere auch in der vergleichsweise kompakten Bauweise eines derartigen indirekten Ladeluftkühlers, eines optimierten Wassermanagements sowie einer möglichen flexiblen Anordnung der Einzelkomponenten in dem verfügbaren Bauraum. Durch den geringeren Bauraumbedarf ist auch eine deutlich verbesserte Integration eines solchen indirekten Ladeluftkühlers in einen Ansaugtrakt der Brennstoffzelle möglich. Im Vergleich zu einem direkten Ladeluftkühler zeichnet sich ein indirekter Ladeluftkühler auch durch einen deutlich reduzierten Ladeluft-Druckabfall, eine erhöhte dynamische Kühlleistung und eine Möglichkeit einer Kombination mit einem in einem Elektrofahrzeug ohnehin vorhandenen Niedertemperaturkühlsystem aus. Auch die Kombination mit einem Hochtemperaturkühlsystem ist sinnvoll.
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Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist es auch denkbar, die Wassereinspritzeinrichtung in eine zwischen einzelnen Komponenten, d. h. beispielsweise zwischen einem Verdichter und dem Ladeluftkühler oder dem Ladeluftkühler und der Brennstoffzelle verlaufende Kathoden-Zuluft-Leitung anzuordnen. Hierdurch ist eine vergleichsweise freie und damit äußerst flexible Anordnung der Wassereinspritzeinrichtung möglich.
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Zweckmäßig ist ein zweiter Wasserabscheider kathodenabluftseitig stromab des Membranbefeuchters und stromauf einer Expanderseite des Verdichters angeordnet. Zusätzlich oder alternativ ist noch die Anordnung eines dritten Wasserabscheiders kathodenabluftseitig stromab der Expanderseite des Verdichters im Bereich des Kathoden-Abluftstroms möglich. Der zweite und dritte Wasserabscheider dient dabei zur weiteren Entfeuchtung der Kathoden-Abluft und damit zum Rückgewinnen von Wasser für die Wassereinspritzeinrichtung und zum Befeuchten der Kathoden-Zuluft sowie zum Bauteilschutz für den Expander.
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Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Komponenten beziehen.
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Es zeigen, jeweils schematisch:
- 1 einen möglichen Aufbau eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems mit einer erfindungsgemäßen Befeuchtereinrichtung mit einer an einem Ladeluftkühler angeordneten Wassereinspritzeinrichtung,
- 2 eine Darstellung wie in 1, jedoch mit einer zwischen einem Verdichter und einem Ladeluftkühler angeordneter Wassereinspritzeinrichtung,
- 3 eine Darstellung wie in den 1 und 2, jedoch mit einer am Verdichter angeordneten Wassereinspritzeinrichtung.
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Entsprechend den 1 bis 3 weist ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem 1 eine Brennstoffzelle 2 zur Erzeugung elektrischer Energie mittels kalter Verbrennung auf, infolge welcher an einer Kathode der Brennstoffzelle 2 feuchte Kathoden-Abluft 11 erzeugt wird. Über die von der Brennstoffzelle 2 erzeugte elektrische Energie kann ein nicht gezeigter Elektromotor, insbesondere ein Traktionsmotor, eines Elektrofahrzeugs 3 angetrieben werden.
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In der Brennstoffzelle 2 werden unter Umständen Polymerelektrolytmembranen bzw. generell Membranen 7, eingesetzt, die im Betrieb austrocknen können, weshalb eine Kathoden-Zuluft 10 angefeuchtet werden muss. Dies erfolgt im vorliegenden Fall bei dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem 1 mittels einer erfindungsgemäßen Befeuchtereinrichtung 4, die sowohl einen Membranbefeuchter 5 als auch eine Wassereinspritzeinrichtung 6 umfasst. Durch die erfindungsgemäße Befeuchtereinrichtung 4 ist es möglich, den bislang ausschließlich eingesetzten Membranbefeuchter 5 deutlich kleiner zu dimensionieren, da dieser insbesondere keine Spitzenlasten oder Niedriglasten der Brennstoffzelle 2, bei welcher eine hohe oder zusätzliche Befeuchtung der Kathoden-Zuluft 10 erforderlich ist, mehr abdecken muss. Vielmehr ist es bei der erfindungsgemäßen Befeuchtereinrichtung 4 möglich, den Membranbefeuchter 5, so auszulegen, dass dieser einen Nennlastbereich ausreichend abdeckt, während die Wassereinspritzeinrichtung 6 zur Abdeckung von Spitzenbereichen, sowohl nach unten, als auch nach oben, herangezogen wird.
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Der Membranbefeuchter 5 dient dabei zum Befeuchten einer trockenen Kathoden-Zuluft 10 mittels einer feuchten Kathoden-Abluft 11, die vermischungsfrei den Membranbefeuchter 5 durchströmen. Über Membranen 7, von denen in den 1 bis 3 nur beispielhaft eine einzige eingezeichnet ist, kann ein Übertrag von Feuchtigkeit 8 von der feuchten Kathoden-Abluft 11 zur trockenen Kathoden-Zuluft 10 erfolgen, ohne dass sich dabei die Kathoden-Zuluft 10 mit der Kathoden-Abluft 11 mischt. Über die Wassereinspritzeinrichtung 6 erfolgt ein bedarfsabhängiges Einspritzen von zerstäubtem Wasser in die Kathoden-Zuluft 10.
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Die Wassereinspritzeinrichtung 6 kann eine 2-Stoff-Düse aufweisen, über welche ein Luft-Wassertropfen-Gemisch in die Kathoden-Zuluft 10 einspritzbar ist. Eine derartige 2-Stoff-Düse 9 weist den großen Vorteil auf, dass zur Bereitstellung des Wassers zur Befeuchtung der Kathoden-Zuluft 10 keine Pumpe 12 bereitgestellt werden muss, sondern dass durch die durch die 2-Stoff-Düse 9 mittels eines Verdichters 16 gepresste Luft, ähnlich einer Venturidüse, das Wasser angesaugt werden kann.
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Unabhängig von der Ausführungsform der Wassereinspritzeinrichtung 6 kann diese lediglich eine einzige Düse, d. h. beispielsweise lediglich eine einzige 2-Stoff-Düse 9 oder Venturidüse 9' aufweisen, wodurch eine nicht nur kostengünstige, sondern auch bauraumoptimierte Bauweise der Wassereinspritzeinrichtung 6 ermöglicht wird. Wiederum alternativ zu der 2-Stoff-Düse 9 bzw. der Venturidüse 9' kann die Wassereinspritzeinrichtung 6 einen Rotationszerstäuber mit einer rotierenden Prallplatte bzw. einem rotierenden Kegel aufweisen, und/oder einen Ultraschallzerstäuber 15.
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Betrachtet man die 1 bis 3 weiter, so kann man erkennen, dass das Brennstoffzellensystem 1 weitere Komponenten, aufweist, nämlich einen Verdichter 16 zum Verdichten der Kathoden-Zuluft 10, einen kathodenzuluftseitig stromab auf einer Verdichterseite 22 des Verdichters 16 angeordneten Ladeluftkühler 17 zur Kühlung oder Erwärmung der der Brennstoffzelle 2 zuzuführenden Kathoden-Zuluft 10, einen kathodenabluftseitig ersten Wasserabscheider 18 zum Abscheiden von Wasser aus der Kathoden-Abluft 11, einen mit dem ersten Wasserabscheider 18 verbundenen Wassertank, 13 sowie optional eine Pumpe 12 zum Pumpen von Wasser aus dem Wassertank 13 zur Wassereinspritzeinrichtung 6.
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Diese Pumpe 12 kann beispielsweise entfallen, sofern die Wassereinspritzeinrichtung 6 eine Venturidüse 9' aufweist, die ein Ansaugen von Wasser aus dem Wassertank 13 ohne zusätzliche Pumpe 12 ermöglicht. Der Verdichter 16 besitzt die erwähnte Verdichterseite 22 (kathodenzuluftseitig) und eine Expanderseite 21 (kathodenabluftseitig).
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Des Weiteren kann ein zweiter Wasserabscheider 19 vorgesehen werden, der stromab der Befeuchtereinrichtung 4, d. h. im vorliegenden Fall, kathodenabluftseitig nach dem Membranbefeuchter 5 und stromauf des Verdichters 16 angeordnet ist. Der zweite Wasserabscheider 19 kann dabei ebenfalls zum Ablassen von Wasser mit dem Wassertank 13 verbunden sein. Ein dritter Wasserabscheider 20 kann auf der Kathodenabluftseite stromab des Verdichters 16, das heißt stromab auf der Expanderseite 21, angeordnet sein. Der Verdichter 16 kann dabei beispielsweise als Abgasturbolader ausgebildet sein, welcher zumindest teilweise von der Kathoden-Abluft 11 angetrieben wird und die Kathoden-Zuluft 10 verdichtet. Selbstverständlich kann zusätzlich auch ein elektrischer Antrieb vorgesehen sein. Auch der dritte Wasserabscheider 20 ist dabei mit dem Wassertank 13 verbunden.
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Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem 1 funktioniert dabei wie folgt:
- Zunächst wird eine Kathoden-Zuluft 10 vom Verdichter 16 verdichtet und in Abhängigkeit einer jeweiligen Lastanforderung an der Brennstoffzelle 2 bzw. einem damit verbundenen Elektromotor über die Befeuchtereinrichtung 4 befeuchtet. Bei einer mittleren Lastanforderung reicht hierzu beispielsweise der Membranbefeuchter 5 aus, während bei einer hohen und einer niedrigen Lastanforderung bzw. einer sehr hohen und einer sehr niedrigen Lastanforderung die Wassereinspritzeinrichtung 6 aktiviert und dort Wasser der Kathoden-Zuluft 10 zugeführt wird.
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Entsprechend der 1 ist dabei die Wassereinspritzeinrichtung 6 an den Ladeluftkühler 17 angebaut bzw. bildet einen integralen Bestandteil derselben, während sie gemäß der 2 zwischen dem Verdichter 16 und dem Ladeluftkühler 17 und gemäß der 3 am Verdichter 16, insbesondere als integraler Bestandteil des Verdichters 16 ausgebildet, angeordnet ist. Nach Durchströmen der Wassereinspritzeinrichtung 6 wird die Kathoden-Zuluft 10 im Ladeluftkühler 17 gekühlt und anschließend im Membranbefeuchter 5 vor dem Eintritt in die Brennstoffzelle 2 befeuchtet, um insbesondere ein Austrocknen der darin angeordneten Polymerelektrolytmembranen zu verhindern. Anschließend verlässt die Kathoden-Abluft 11 die Brennstoffzelle 2 und kann in einem ersten Wasserabscheider 18 entfeuchtet werden. Der erste Wasserabscheider 18 kann dabei ebenso wie der zweite Wasserabscheider 19 und/oder der dritte Wasserabscheider 20 lediglich optional vorgesehen sein. Die Kathoden-Abluft 11 durchströmt dann den Membranbefeuchter 5, in welchem Feuchtigkeit 8 von der vergleichsweise feuchten Kathoden- Abluft 11 über die Membran 7 in die vergleichsweise trockenere Kathoden-Zuluft 10 übertragen wird. Anschließend treibt die Kathoden-Abluft 11 den Verdichter 16 in der Art eines Abgasturboladers an. Der Verdichter 16 kann dabei zusätzlich mittels eines Elektromotors oder eines anderen Antriebs angetrieben werden.
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Mit der erfindungsgemäßen Befeuchtereinrichtung 4 bzw. dem erfindungsgemä-ßen Brennstoffzellensystem 1 kann in erfindungsgemäßes Elektrofahrzeug 3 nicht nur kostengünstiger ausgebildet werden, sondern insbesondere erfordert auch der Membranbefeuchter 5 der Befeuchtereinrichtung 4 nur einen deutlich reduzierten Bauraumbedarf, da er nicht mehr Spitzenlasten abdecken muss. Die Abdeckung von Spitzenlasten, bei welcher eine erhöhte Befeuchtung der Kathoden-Zuluft 10 erforderlich ist, wird erfindungsgemäß durch die Wassereinspritzeinrichtung 6 ermöglicht. Durch die hybride Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Befeuchtereinrichtung 4 mit Wassereinspritzeinrichtung 6 und Membranbefeuchter 5 kann auch eine flexiblere Anordnung bzw. Aufteilung der einzelnen Komponenten erreicht werden, dabei bietet die Anordnung der Wassereinspritzeinrichtung 6 an einem beliebigen Ort in einer Leitung für die Kathoden-Zuluft 10 (vergleiche 2) eine besonders hohe Flexibilität.
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Eine Anordnung an dem Verdichter 16 bzw. eine Integration der Wassereinspritzeinrichtung 6 in den Verdichter 16 (vergleiche 3) bietet insbesondere thermodynamische Vorteile, da hier eine längere Zeit zum Verdampfen/Verdunsten zu Verfügung steht, während die Anordnung am Ladeluftkühler 17 (vergleiche 1) den großen Vorteil bietet, dass die im (indirekten) Ladeluftkühler 17 herrschende Temperatur zum Nachverdampfen genutzt werden kann. Der Ladeluftkühler 17 kann dabei als direkter Ladeluftkühler, d. h. mit Luft gekühlter Ladeluftkühler, oder als indirekt gekühlter Ladeluftkühler ausgebildet sein. Bei einem direkten Ladeluftkühler ist es thermodynamisch nicht sinnvoll erst am Ladeluftkühler das Wasser einzuspritzen, da bei niedrigen Außentemperaturen das Wasser einfrieren kann. In einem System mit direktem Ladeluftkühler empfiehlt sich eine Einspritzung nahe am Verdichter 16.
