WO2014173529A2 - Vorrichtung zur aufbereitung von luft - Google Patents

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WO2014173529A2
WO2014173529A2 PCT/EP2014/001066 EP2014001066W WO2014173529A2 WO 2014173529 A2 WO2014173529 A2 WO 2014173529A2 EP 2014001066 W EP2014001066 W EP 2014001066W WO 2014173529 A2 WO2014173529 A2 WO 2014173529A2
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fuel cell
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cooling
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Viktoria FRICK
Simon Hollnaicher
Alfred Kolbe
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Daimler Ag
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    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the invention relates to a device for the treatment of incoming air flowing to a fuel cell according to the closer defined in the preamble of claim 1.
  • a generic device for the treatment of air is known from the German patent application DE 10 2009 051 476 A1.
  • the device for processing the supply air which flows to the fuel cell, is designed so that it has in each case a heat exchanger as intercooler and a humidifier and a water separator.
  • the humidifier is used as a gas / gas humidifier
  • Fuel cell is moistened.
  • the exhaust air after the fuel cell and possibly after a turbine is used to cool down according to the air conveyor hot air supply, so that here an air / air heat exchanger is formed.
  • Assembly unit has the disadvantage that in certain operating situations, for example in a sudden increase in the electrical power required by the fuel cell, no sufficient cooling of the supply air can take place, since the exhaust air flow used for cooling in relation to the supply air flow to be cooled is still very small. In reverse operation case, however, can be done too much cooling with the disadvantage of condensation of supplied moisture when the exhaust air flow used for cooling is still very large, while the supply air is already very small due to a sudden power reduction to the fuel cell.
  • Claim 10 also describes a preferred use of such a device.
  • the heat exchanger is cooled by a liquid cooling medium.
  • This liquid cooling medium may in particular be the cooling medium in a cooling circuit of a fuel cell system, of which the fuel cell is a crucial part.
  • the cooling medium may also belong to another cooling circuit, e.g. a high temperature or
  • the heat exchanger in the apparatus for processing the supply air flowing to the fuel cell can then be flowed through accordingly via this cooling circuit which is present anyway.
  • a targeted cooling of the supply air in all operating situations on the liquid cooling medium is possible. Even when load jumps both down and up, a sufficiently large or small heat dissipation over the liquid cooling medium can be achieved easily and efficiently.
  • the heat exchanger is designed in the form of a plate which terminates the integrated structural unit on one side.
  • the heat exchanger may also be formed as a separate module, which is integrated in the aforementioned, the integrated unit final plate.
  • Such a plate-like heat exchanger which consists of a plate with integrated channels for the cooling liquid, may preferably be formed as one of the end faces of the integrated assembly.
  • the plate of a metallic material in particular aluminum or a Aluminum alloy, is formed.
  • the plate may be at this preferred
  • Embodiment variant may be formed in particular of a metallic material.
  • this has the advantage of good heat conduction and, on the other hand, because of the high strength as the final side of the integrated structural unit, it can carry this as a self-supporting structure.
  • a metallic material particularly preferably, aluminum or an aluminum alloy can be used.
  • the material has the advantage of a correspondingly good heat conduction with comparatively high mechanical stability and a low weight. This will be a very efficient and yet effective
  • this structure in which the plate closes the integrated assembly down, allows a structure in which the entire integrated assembly is supported on the plate.
  • further components can be integrated, which must be designed to extend in the direction of gravity down or down. This may be, according to an advantageous development, for example, at least part of a water separator or one or more drainage lines for the removal of liquid from the integrated unit.
  • Their arrangement below and in the heat exchanger designed as a plate allows a very good operation, since in particular by the liquid cooling medium, the plate at the start of the
  • Fuel cell system can be heated very quickly, so maybe
  • the plate designed as a heat exchanger keeps the temperature comparatively long even after the system has been switched off, so that water separators and drainage lines can ideally run completely empty before the structure has cooled down so far that there is a risk of water in the region of water separators and / or drainage lines frozen in the plate.
  • the device according to the invention as a whole allows a very compact integrated structure, which is associated with very few parts and a concomitant simplification of construction and assembly.
  • By the Combination of heat and moisture exchange also achieves improved humidifier performance, which is sufficient in all operating situations
  • Membranes of the fuel cell typically designed as a PEM fuel cell does not dry out.
  • the fuel cell can thus be operated very gently and efficiently over a long service life.
  • Another advantage which arises from the heat exchanger through which the liquid cooling medium flows is a kind of "integrated defrosting function", in that the cooling water of the gas / liquid heat exchanger used as intercooler is led past components in the integrated structural unit, which optionally thawed if water is frozen in their area
  • Cooling water is typically already heated immediately upon system startup, so it can be ideally used to quickly warm up the integrated package.
  • the plate has channels and / or functional elements for a volume flow to and / or from an anode space of the fuel cell.
  • channels or functional elements such as a water separator or a gas jet pump, which correspond to the anode side of the fuel cell, in which so hydrogen and anode exhaust gas flows, can be designed integrated into the plate. This makes it possible, for example, to preheat a hydrogen stream before flowing into the anode chamber via the cooling water in the plate and thus dissipate both heat from the cooling water and heat from the supply air to the hydrogen stream.
  • the thus preheated hydrogen flow allows better performance of the fuel cell and at the same time can be reduced by the absorption of heat by the hydrogen flow, the required cooling capacity for cooling the liquid cooling water in the fuel cell system accordingly.
  • the required outer surface of a radiator in particular when used in a vehicle, correspondingly reduced or a possible thermal limitation of the fuel cell system due to the available
  • Cooling surface is prevented or at least delayed.
  • the plate is simultaneously formed as part of the fuel cell.
  • the plate can be part of the integrated assembly as well as part of the fuel cell itself in the described construction in this embodiment. This results in a very compact construction with comparatively small conduction paths, for example for air and / or gases from and / or to the fuel cell.
  • the device according to the invention can ideally be designed such that it very well supports a cold start of the fuel cell system in which it is used and, on the other hand, can be made very small, compact and efficient. It is therefore particularly suitable for fuel cell systems, which have to make do with little space, and which must be turned off and restarted comparatively often, especially at temperatures below freezing.
  • fuel cell systems are mainly used in vehicles in which they are used to provide electrical drive power.
  • the preferred use of the device according to the invention is therefore in use in such a fuel cell system, which is used in a vehicle for providing electrical drive power.
  • Figure 1 is a principle indicated vehicle with a fuel cell system.
  • Fig. 2 is a schematic representation of a fuel cell system with a
  • FIG. 3 is a schematic sectional view through a possible embodiment of the device according to the invention.
  • Fig. 4 is a schematic sectional view through an alternative embodiment of the device according to the invention.
  • vehicle 1 comprises a fuel cell system 2, which provides electric power. This electrical power is supplied via a power electronics 3 an indicated traction motor 4 of the vehicle 1.
  • an electrical energy storage device 5 for example a battery, a number of high-performance capacitors or a combination thereof in the vehicle 1 may be indicated.
  • the fuel cell system 2 in the area of the underbody of the vehicle 1 is merely exemplary. It is also possible that the fuel cell system 2 is arranged in other areas of the vehicle 1, e.g. in the area of the stem (so-called engine compartment in conventional vehicles with internal combustion engine). Likewise, the power electronics 3, the traction motor 4 and the energy storage device 5 may be arranged in other areas of the vehicle.
  • the fuel cell system 2 in the vehicle 1 can now be constructed, for example, as indicated in the illustration of FIG.
  • Fuel cell system 2 forms a fuel cell 6, which is typically constructed as a stack of individual PEM cells. Each of the individual cells has an anode region, a cathode region, a proton exchange membrane and a region through which cooling fluid flows.
  • a cathode compartment 7 an anode compartment 8
  • a proton exchange membrane an organic compound
  • the cathode side or the cathode compartment 7 of the fuel cell 6 is supplied with air as an oxygen supplier via an air conveyor 11.
  • the supply air flow flowing after the air conveying device 1 1 via an air supply line 12 first enters an integrated structural unit 13, which has a humidifier 14. After this
  • Humidifier 14 enters the humidified supply air via a second section 12.2 of the supply air line 12 in the cathode compartment 7 of the fuel cell 6. From the cathode compartment 7 of the fuel cell 6 exhaust air flows through a first part 15.1 an exhaust duct 15 in turn into the humidifier 14 and here passes through moisture for Water vapor permeable membranes 16 of the humidifier 14 through into the supply air. After the humidifier 14, the exhaust air flows in the embodiment shown here via a second part 15.2 of the exhaust duct 15 into a turbine 17, in which the exhaust air is expanded. In the turbine 17 can thus be at least partially recovered thermal energy and pressure energy in the exhaust air.
  • the turbine 17, which as optional Design is to be understood sitting together with an electric machine 18 and the air conveyor 11 on a shaft, so that through the turbine 17
  • Air conveyor 11 is at least partially driven with. Additional required drive power is provided via the electric machine 18.
  • This structure is also referred to as an electric turbocharger or ETC (Electric Turbo Charger). If there is greater energy recovery in the area of the turbine 17 than power required to operate the air conveyor 11, electrical power can also be generated directly via the electric machine 18 in regenerative operation and stored, for example, in the energy storage device 5 mentioned.
  • a water separator 19 is additionally provided on the cathode side of the fuel cell system 2. Also, this water separator 19 is part of the integrated assembly 13, which in addition to the water separator 19 and the humidifier 14 also includes a heat exchanger 20 described in more detail below.
  • the anode side of the fuel cell system 2 is designed so that the anode chamber 8 of the fuel cell 6 is supplied with hydrogen from a compressed gas reservoir 21.
  • the hydrogen passes through a pressure regulating and metering device 22 in the region of a gas jet pump 23 as Rezirkulationsmake Rhein and from there into the anode compartment 8.
  • Exhaust from the anode compartment 8 passes through a recirculation line 24 back into the range of the already-mentioned gas jet pump 23 and is in this Vacuum effects and / or momentum exchange of the fresh to the anode chamber 8 flowing hydrogen sucked in accordance with and fed to the anode chamber 8 again.
  • This structure is also known from the general state of the art
  • the recirculation line 24 is another water separator 25, which is also referred to as Anodenwasserabscheider 25 to distinguish it from the cathode-side cathode water separator 19, which has been previously described.
  • the anode water separator 25 serves to deposit droplets entrained in liquid form with the recirculated gas stream, so that they are not conveyed back into the anode chamber 8 and could clog or channel any gas-carrying channels there.
  • the Anodenwasserabscheider 25 must be emptied, for example, depending on the level or from time to time.
  • valve device 26 over which, if necessary, gases can be discharged with, since in the anode circuit with time inert gases and nitrogen, which are diffused through the membranes 9 from the cathode compartment 7 in the anode compartment 8, accumulate.
  • the cooling circuit 27 comprises at least one coolant delivery device 29 and in the representation of FIG. 2 a bypass line 30 with a bypass valve 31, so that the vehicle cooler 28 can be bypassed in certain situations, for example if a very rapid heating of the system takes place after starting the fuel cell system 2 should.
  • Coolant conveyor 29 circulates so as to quickly warm up the system and prevent cooling of the cooling water in this operating situation.
  • the integrated assembly 13 includes in a first embodiment, which can be seen in a schematic sectional view in Figure 3, as already from the
  • Drainage lines 34 are merged within the plate 32, if several are present. You can go out from anywhere in the integrated assembly 13, but always end with their water in the environment donating part always in the area of the plate 32.
  • the structure of the integrated unit 13 is completed by the mentioned humidifier 14. About the supply air line 12.1 flows a hot and dry air flow from the
  • Air conveyor 11 in the integrated unit 13 a It leaves as with the aid of the heat exchanger 20 and the exhaust air stream cooled and moistened by the humidifier 14 supply air flow the integrated unit 13 through the supply air line 12.2 through the cathode compartment 7 of the fuel cell 6.
  • a volume flow from the cathode compartment 7 via the exhaust duct 15.1 flows into the other Side of the humidifier 14 and moistened through the water vapor permeable membranes 16 of the humidifier 14 through the supply air.
  • the exhaust air Via the cathode water separator 19, the exhaust air then flows into the exhaust air line 15.2 in the direction of the turbine 17.
  • cooling water channels 33 of the heat exchanger 20 is then the main cooling of the hot air supply to the air conveyor 11, so that the temperature of the supply air flow can be very selectively adjusted. Due to the high heat capacity of the cooling water, a very efficient and easily controllable or controllable cooling is possible.
  • the structure of the integrated assembly 13 can be realized very compact and efficient.
  • the plate 32 which may be formed in particular from an aluminum material, has, in addition to the cooling water channels 33, as already mentioned, one or more drainage channels 34 and at least the lower part of the Kathodenwasserabscheiders 19 in the intended use. These drainage channels 34 and the lower part of the water separator 19 are particularly at risk from freezing when the fuel cell system 2 stops after switching off at temperatures below freezing until its restart. Characterized in that, as already mentioned above, in the cooling circuit 27, bypassing the
  • Vehicle cooler 28 a very rapid warming of the cooling water can be achieved, then the cooling water, which flows through the heat exchanger 20, then warmed up quickly, so that the plate 32 and then the entire integrated assembly 13 is heated relatively quickly. Especially the fast
  • Heating the plate 32 causes any frozen water in the region of the drainage line 34 and / or the lower part of the Kathodenwasserabscheiders 19 is thawed very quickly, so that the integrated assembly 13 and thus the
  • Fuel cell system 2 can be put into operation very quickly.
  • an alternative embodiment of the integrated structural unit 13 is shown analogously to the illustration in FIG.
  • the integrated assembly 13 in this case also has additional components in the area of the plate 32. These are in the illustrated embodiment, the Anodenwasserabscheider 25 and at least a portion of the recirculation line 24.
  • Gas jet pump 23 and optionally the gas jet pump 23 itself in the plate 32 has the advantage that the hydrogen, before it flows into the gas jet pump 23, is heated by the cooling water flowing through the cooling water channels 32 cooling water. In this way, on the one hand, the cooling capacity to be applied by the vehicle radiator 28 can be reduced and, on the other hand, the hydrogen can be heated to such an extent that a condensation of moisture in the hydrogen, in particular after the
  • Liquid droplets present these components are critical to freezing.
  • a rapid heating of the plate 32 thus leads in the embodiment shown in Figure 4 also to a very fast start possibility for the
  • the structure is also very simple, efficient and can be realized very space-saving. It can be arranged as an integrated unit 13 alone in the fuel cell system 2 or it can be combined with other components, in particular the fuel cell 6 accordingly.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Aufbereitung von zu einer Brennstoffzelle (6) strömender Zuluft mit einer integrierten Baueinheit (13), welche zumindest einen Befeuchter (14), einen Wärmetauscher (20) und wenigstens einen Wasserabscheider (19, 25), aufweist. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (20) von einem flüssigen Kühlmedium gekühlt ist.

Description

Vorrichtung zur Aufbereitung von Luft
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Aufbereitung von zu einer Brennstoffzelle strömender Zuluft nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.
Eine gattungsgemäße Vorrichtung zur Aufbereitung von Luft ist aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 10 2009 051 476 A1 bekannt. Die Vorrichtung zur Aufbereitung der Zuluft, welche zu der Brennstoffzelle strömt, ist dabei so ausgebildet, dass diese in jedem Fall einen Wärmetauscher als Ladeluftkühler sowie einen Befeuchter und einen Wasserabscheider aufweist. Der Befeuchter ist dabei als Gas/Gas-Befeuchter
ausgebildet, bei welchem die trockene Zuluft durch die feuchte Abluft aus der
Brennstoffzelle befeuchtet wird. Gleichzeitig dient die Abluft nach der Brennstoffzelle sowie gegebenenfalls nach einer Turbine dazu, die nach der Luftfördereinrichtung heiße Zuluft entsprechend abzukühlen, sodass hier ein Luft/Luft-Wärmetauscher ausgebildet ist.
Die Vorrichtung zur Aufbereitung der Zuluft zu der Brennstoffzelle gemäß diesem Stand der Technik hat dabei trotz der hohen Integration von Bauteilen in eine integrierte
Baueinheit den Nachteil, dass in bestimmten Betriebssituationen, beispielsweise bei einem schlagartigen Anstieg der von der Brennstoffzelle benötigten elektrischen Leistung, keine ausreichende Kühlung der Zuluft erfolgen kann, da der zur Kühlung verwendete Abluftstrom im Verhältnis zu dem zu kühlenden Zuluftstrom noch sehr klein ist. Im umgekehrten Betriebsfall kann dagegen eine zu starke Abkühlung mit dem Nachteil der Auskondensation von zugeführter Feuchte erfolgen, wenn der zur Kühlung eingesetzte Abluftstrom noch sehr groß ist, während der Zuluftstrom aufgrund einer schlagartigen Leistungsreduzierung an der Brennstoffzelle bereits sehr klein ist.
BESTÄTIGUNGSKOPIE Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, diese genannten
Nachteile zu vermeiden und eine Vorrichtung zur Aufbereitung von Zuluft für eine
Brennstoffzelle anzugeben, welche sehr einfach und effizient aufgebaut werden kann.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und
Weiterbildungen ergeben sich aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen. Im
Anspruch 10 ist außerdem eine bevorzugte Verwendung einer derartigen Vorrichtung beschrieben.
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es so, dass der Wärmetauscher von einem flüssigen Kühlmedium gekühlt ist. Dieses flüssige Kühlmedium kann insbesondere das Kühlmedium in einem Kühlkreislauf eines Brennstoffzellensystems, von welchem die Brennstoffzelle ein entscheidender Teil ist, sein. Alternativ dazu kann das Kühlmedium auch zu einem anderen Kühlkreislauf gehören, z.B. ein Hochtemperatur- oder
Niedertemperatur-Kühlkreislauf. Über diesen ohnehin vorhandenen Kühlkreislauf kann dann der Wärmetauscher in der Vorrichtung zur Aufbereitung der zu der Brennstoffzelle strömenden Zuluft entsprechend durchströmt werden. Hierdurch ist eine gezielte Kühlung der Zuluft in allen Betriebssituationen über das flüssige Kühlmedium möglich. Auch bei Lastsprüngen sowohl nach unten als auch nach oben kann eine ausreichend große bzw. kleine Wärmeabfuhr über das flüssige Kühlmedium einfach und effizient erzielt werden.
In einer sehr günstigen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann es nun außerdem vorgesehen sein, dass der Wärmetauscher in Form einer Platte ausgebildet ist, welche die integrierte Baueinheit auf einer Seite abschließt. Alternativ dazu kann der Wärmetauscher auch als separates Modul ausgebildet sein, welches in die vorgenannte, die integrierte Baueinheit abschließende Platte integriert ist. Ein solcher plattenartiger Wärmetauscher, welcher aus einer Platte mit integrierten Kanälen für die Kühlflüssigkeit besteht, kann vorzugsweise als eine der Abschlussseiten der integrierten Baueinheit ausgebildet sein. Hierdurch wird ein sehr einfacher und effizienter Aufbau erzielt, welcher über die die integrierte Baueinheit abschließende Platte eine gute und zielgenau zu steuernde Kühlung des Zuluftstroms zu der Brennstoffzelle ermöglicht.
In einer vorteilhaften Weiterbildung dieser Idee kann es dabei vorgesehen sein, dass die Platte aus einem metallischen Material, insbesondere aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung, ausgebildet ist. Die Platte kann bei dieser bevorzugten
Ausführungsvariante insbesondere aus einem metallischen Material ausgebildet sein. Dies hat einerseits den Vorteil einer guten Wärmeleitung und andererseits kann sie aufgrund der hohen Festigkeit als abschließende Seite der integrierten Baueinheit diese als selbstragenden Aufbau tragen. Besonders bevorzugt kann dabei Aluminium oder eine Aluminiumlegierung eingesetzt werden. Das Material hat den Vorteil einer entsprechend guten Wärmeleitung bei vergleichsweise hoher mechanischer Stabilität und einem geringen Gewicht. Hierdurch wird ein sehr effizient wirkender und dennoch
vergleichsweise leichter Aufbau der integrierten Baueinheit der Vorrichtung zur
Aufbereitung der Zuluft möglich.
In einer weiteren sehr günstigen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann es nun ferner vorgesehen sein, dass die Platte die integrierte Baueinheit im
bestimmungsgemäßen Einsatz nach unten abschließt. Insbesondere dieser Aufbau, bei dem die Platte die integrierte Baueinheit nach unten abschließt, ermöglicht einen Aufbau, bei dem die gesamte integrierte Baueinheit sich auf der Platte abstützt. Außerdem können in die in diesem Fall unten angeordnete Platte weitere Bauelemente integriert werden, welche in Richtung der Schwerkraft unten oder nach unten verlaufend ausgebildet sein müssen. Dies kann gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung beispielsweise zumindest ein Teil eines Wasserabscheiders oder auch eine oder mehrere Drainageleitungen zur Abfuhr von Flüssigkeit aus der integrierten Baueinheit sein. Ihre Anordnung unten und in dem als Platte ausgeführten Wärmetauscher ermöglicht einen sehr guten Betrieb, da durch das flüssige Kühlmedium insbesondere die Platte bei der Inbetriebnahme des
Brennstoffzellensystems sehr schnell erwärmt werden kann, sodass eventuell
eingefrorene Drainageleitungen und/oder ein eingefrorener Wasserabscheider sehr schnell aufgetaut wird. Andererseits hält die als Wärmetauscher ausgeführte Platte die Temperatur auch nach dem Abschalten des Systems vergleichsweise lange, sodass Wasserabscheider und Drainageleitungen idealerweise vollständig leer laufen können, bevor der Aufbau soweit abgekühlt ist, dass die Gefahr besteht, dass Wasser im Bereich von Wasserabscheider und/oder Drainageleitungen in der Platte einfriert.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung als Ganzes ermöglicht einen sehr kompakten integrierten Aufbau, welcher mit sehr wenigen Teilen und einer damit einhergehenden Vereinfachung von Konstruktion und Montage einhergeht. Außerdem lässt sich durch den integrierten Aufbau der Baueinheit eine Gewichtsreduktion realisieren. Durch die Kombination von Wärme- und Feuchteaustausch wird außerdem eine verbesserte Befeuchterleistung erzielt, welche in allen Betriebssituationen eine ausreichende
Befeuchtung des Zuluftstroms zu der Brennstoffzelle gewährleistet und somit die
Membranen der typischerweise als PEM-Brennstoffzelle ausgebildeten Brennstoffzelle nicht austrocknet. Die Brennstoffzelle lässt sich damit sehr schonend und effizient über eine hohe Lebensdauer hinweg betreiben.
Ein weiterer Vorteil, welcher durch den von dem flüssigen Kühlmedium durchströmten Wärmetauscher entsteht, ist eine Art„integrierte Auftaufunktion", dadurch, dass das Kühlwasser des als Ladeluftkühler genutzten Gas/Flüssigkeits-Wärmetauschers in der integrierten Baueinheit nahe an Komponenten vorbeigeführt wird, welche gegebenenfalls aufgetaut werden müssen, falls Wasser in ihrem Bereich eingefroren ist. Da das
Kühlwasser unmittelbar mit dem Start des Systems typischerweise bereits erwärmt wird, kann es ideal genutzt werden, um die integrierte Baueinheit schnell aufzuwärmen.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann es nun außerdem vorgesehen sein, dass die Platte Kanäle und/oder Funktionselemente für einen Volumenstrom zu und/oder von einem Anodenraum der Brennstoffzelle aufweist. Auch Kanäle oder Funktionselemente wie beispielsweise ein Wasserabscheider oder eine Gasstrahlpumpe, welche mit der Anodenseite der Brennstoffzelle korrespondieren, in welchen also Wasserstoff und Anodenabgas strömt, können in die Platte integriert ausgeführt sein. Hierdurch wird es beispielsweise möglich, einen Wasserstoffstrom vor dem Einströmen in den Anodenraum über das Kühlwasser in der Platte vorzuwärmen und damit sowohl Wärme aus dem Kühlwasser als auch Wärme aus der Zuluft an den Wasserstoffstrom abzuführen. Der so vorgewärmte Wasserstoffstrom erlaubt eine bessere Performance der Brennstoffzelle und gleichzeitig kann durch die Aufnahme von Wärme durch den Wasserstoffstrom die benötigte Kühlleistung zum Abkühlen des flüssigen Kühlwassers in dem Brennstoffzellensystem entsprechend reduziert werden. Hierdurch wird beispielsweise die benötigte Außenfläche eines Kühlers, insbesondere beim Einsatz in einem Fahrzeug, entsprechend reduziert bzw. eine eventuelle thermische Limitierung des Brennstoffzellensystems aufgrund der zur Verfügung stehenden
Kühlfläche wird verhindert oder zumindest hinausgezögert.
Gemäß einer weiteren sehr günstigen Ausgestaltung kann es nun außerdem vorgesehen sein, dass die Platte gleichzeitig als Teil der Brennstoffzelle ausgebildet ist. Die Platte kann bei dem beschriebenen Aufbau in dieser Ausführungsvariante sowohl Teil der integrierten Baueinheit als auch Teil der Brennstoffzelle selbst sein. Hierdurch entsteht ein sehr kompakter Aufbau mit vergleichsweise geringen Leitungswegen beispielsweise für Luft und/oder Gase von und/oder zu der Brennstoffzelle.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung lässt sich in einer oder mehreren der beschriebenen Ausführungsvarianten, wie erwähnt, ideal so ausführen, dass diese sehr gut einen Kaltstart des Brennstoffzellensystems, in welchem sie eingesetzt wird, unterstützt und sie kann andererseits sehr klein, kompakt und effizient realisiert werden. Sie eignet sich deshalb insbesondere für Brennstoffzellensysteme, welche mit geringem Bauraum auskommen müssen, und welche insbesondere auch bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts vergleichsweise häufig abgestellt und wieder gestartet werden müssen. Derartige Brennstoffzellensysteme kommen vor allem in Fahrzeugen vor, in denen sie zur Bereitstellung von elektrischer Antriebsleistung eingesetzt werden. Die bevorzugte Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung liegt daher im Einsatz in einem derartigen Brennstoffzellensystem, welches in einem Fahrzeug zur Bereitstellung von elektrischer Antriebsleistung dient.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sowie ihrer Verwendung ergeben sich aus den restlichen abhängigen Unteransprüchen und werden anhand des Ausführungsbeispiels deutlich, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben ist.
Dabei zeigen:
Fig. 1 ein prinzipmäßig angedeutetes Fahrzeug mit einem Brennstoffzellensystem;
Fig. 2 eine prinzipmäßige Darstellung eines Brennstoffzellensystems mit einer
erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Aufbereitung von Zuluft zu der
Brennstoffzelle;
Fig. 3 eine schematische Schnittdarstellung durch eine mögliche Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung; und
Fig. 4 eine schematische Schnittdarstellung durch eine alternative Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung. In der Darstellung der Figur 1 ist sehr stark schematisiert ein Fahrzeug 1 angedeutet. Das Fahrzeug 1 umfasst ein Brennstoffzellensystem 2, welches elektrische Leistung bereitstellt. Diese elektrische Leistung wird über eine Leistungselektronik 3 einem angedeuteten Fahrmotor 4 des Fahrzeugs 1 zugeführt. Außerdem kann in elektrischer Korrespondenz mit der Leistungselektronik 3 eine elektrische Energiespeichereinrichtung 5, beispielsweise eine Batterie, eine Anzahl von Hochleistungskondensatoren oder auch eine Kombination hiervon in dem Fahrzeug 1 angedeutet sein. Die dargestellte
Anordnung des Brennstoffzellensystems 2 im Bereich des Unterbodens des Fahrzeugs 1 ist lediglich beispielhaft. Es ist auch möglich, dass das Brennstoffzellensystem 2 in anderen Bereichen des Fahrzeugs 1 angeordnet ist, z.B. im Bereich des Vorbaus (sog. Motorraum bei herkömmlichen Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor). Ebenso können die Leistungselektronik 3, der Fahrmotor 4 und die Energiespeichereinrichtung 5 in anderen Bereichen des Fahrzeugs angeordnet sein.
Das Brennstoffzellensystem 2 in dem Fahrzeug 1 kann nun beispielsweise, wie in der Darstellung der Figur 2 angedeutet, aufgebaut sein. Den Kern des
Brennstoffzellensystems 2 bildet eine Brennstoffzelle 6, welche typischerweise als Stapel von einzelnen PEM-Zellen aufgebaut ist. Jede der einzelnen Zellen verfügt dabei über einen Anodenbereich, einen Kathodenbereich, eine Protonenaustauschmembran sowie einen von Kühlflüssigkeit durchströmten Bereich. Rein beispielhaft sind in der Darstellung der Figur 2 hiervon ein Kathodenraum 7, ein Anodenraum 8, eine
Protonenaustauschmembran 9 sowie ein Wärmetauscher 10 in der Brennstoffzelle 6 angedeutet. Die Kathodenseite bzw. der Kathodenraum 7 der Brennstoffzelle 6 wird mit Luft als Sauerstofflieferant über eine Luftfördereinrichtung 11 versorgt. Der nach der Luftfördereinrichtung 1 1 über eine Zuluftleitung 12 strömende Zuluftstrom gelangt zuerst in eine integrierte Baueinheit 13, welche einen Befeuchter 14 aufweist. Nach dem
Befeuchter 14 gelangt die befeuchtete Zuluft über einen zweiten Abschnitt 12.2 der Zuluftleitung 12 in den Kathodenraum 7 der Brennstoffzelle 6. Aus dem Kathodenraum 7 der Brennstoffzelle 6 strömt Abluft über einen ersten Teil 15.1 einer Abluftleitung 15 wiederum in den Befeuchter 14 und gibt hier Feuchtigkeit durch für Wasserdampf durchlässige Membranen 16 des Befeuchters 14 hindurch in die Zuluft ab. Nach dem Befeuchter 14 strömt die Abluft in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel über einen zweiten Teil 15.2 der Abluftleitung 15 in eine Turbine 17, in welcher die Abluft entspannt wird. In der Turbine 17 kann somit thermische Energie und Druckenergie in der Abluft zumindest teilweise zurückgewonnen werden. Die Turbine 17, welche als optionale Ausgestaltung zu verstehen ist, sitzt gemeinsam mit einer elektrischen Maschine 18 und der Luftfördereinrichtung 11 auf einer Welle, sodass durch die Turbine 17 die
Luftfördereinrichtung 11 zumindest teilweise mit angetrieben wird. Zusätzliche benötigte Antriebsleistung wird über die elektrische Maschine 18 bereitgestellt. Dieser Aufbau wird auch als elektrischer Turbolader oder ETC (Electric Turbo Charger) bezeichnet. Kommt es im Bereich der Turbine 17 zu einer größeren Energierückgewinnung, als Leistung zum Betreiben der Luftfördereinrichtung 11 benötigt wird, dann kann über die elektrische Maschine 18 im generatorischen Betrieb auch elektrische Leistung direkt erzeugt und beispielsweise in der angesprochenen Energiespeichereinrichtung 5 gespeichert werden.
Um zu verhindern, dass flüssige Tröpfchen in den Bereich der Turbine 17 gelangen, ist außerdem ein Wasserabscheider 19 auf der Kathodenseite des Brennstoffzellensystems 2 vorgesehen. Auch dieser Wasserabscheider 19 ist Teil der integrierten Baueinheit 13, welche neben dem Wasserabscheider 19 und dem Befeuchter 14 außerdem einen später noch näher beschriebenen Wärmetauscher 20 umfasst.
Die Anodenseite des Brennstoffzellensystems 2 ist so gestaltet, dass der Anodenraum 8 der Brennstoffzelle 6 mit Wasserstoff aus einem Druckgasspeicher 21 versorgt wird. Der Wasserstoff gelangt über eine Druckregel- und Dosiereinrichtung 22 in den Bereich einer Gasstrahlpumpe 23 als Rezirkulationsfördereinrichtung und von dort in den Anodenraum 8. Abgas aus dem Anodenraum 8 gelangt über eine Rezirkulationsleitung 24 zurück in den Bereich der bereits angesprochenen Gasstrahlpumpe 23 und wird in dieser durch Unterdruckeffekte und/oder Impulsaustausch von dem frischen zu dem Anodenraum 8 strömenden Wasserstoff entsprechend angesaugt und dem Anodenraum 8 erneut zugeführt. Dieser Aufbau ist aus dem allgemeinen Stand der Technik auch als
sogenannter Anodenkreislauf bekannt.
In der Rezirkulationsleitung 24 befindet sich ein weiterer Wasserabscheider 25, welcher auch als Anodenwasserabscheider 25 bezeichnet wird, um ihn von dem kathodenseitigen Kathodenwasserabscheider 19, welcher zuvor beschrieben worden ist, zu unterscheiden. Der Anodenwasserabscheider 25 dient dazu in flüssiger Form mit dem rezirkulierten Gasstrom mitgeführte Tröpfchen abzuscheiden, sodass diese nicht in den Anodenraum 8 zurückgefördert werden und dort eventuell gasführende Kanäle verstopfen oder fluten könnten. Der Anodenwasserabscheider 25 muss beispielsweise in Abhängigkeit des Füllstands oder von Zeit zu Zeit entleert werden. Dies erfolgt über eine Ventileinrichtung 26, über welche bei Bedarf auch Gase mit abgelassen werden können, da sich in dem Anodenkreislauf mit der Zeit inerte Gase und Stickstoff, welche durch die Membranen 9 aus dem Kathodenraum 7 in den Anodenraum 8 diffundiert sind, anreichern.
Der bereits angesprochene Wärmetauscher 10 im Bereich der Brennstoffzelle 6 sowie der Wärmetauscher 20 im Bereich der integrierten Baueinheit 13 sind nun, neben
gegebenenfalls weiteren zu kühlenden Komponenten des Brennstoffzellensystems 2, Teil eines Kühlkreislaufs 27, welcher die Wärmetauscher 10, 20 mit einem Fahrzeugkühler 28 verbindet, über welchen Wärme in die Umgebung des Fahrzeugs 1 abgegeben werden kann. Der Kühlkreislauf 27 umfasst dazu zumindest eine Kühlmittelfördereinrichtung 29 sowie in der Darstellung der Figur 2 eine Bypassleitung 30 mit einem Bypassventil 31 , sodass in bestimmten Situationen der Fahrzeugkühler 28 umgangen werden kann, beispielsweise wenn nach dem Starten des Brennstoffzellensystems 2 eine sehr schnelle Aufheizung des Systems erfolgen soll. In diesem Fall wird das Kühlwasser in dem
Kühlkreislauf lediglich zwischen den Wärmetauschern 10, 20 und der
Kühlmittelfördereinrichtung 29 zirkuliert, um so das System schnell aufzuwärmen und eine Abkühlung des Kühlwassers in dieser Betriebssituation zu verhindern.
Die integrierte Baueinheit 13 umfasst in einer ersten Ausführungsvariante, welche in einer prinzipmäßigen Schnittdarstellung in Figur 3 zu erkennen ist, wie bereits aus der
Darstellung der Figur 2 bekannt, den Befeuchter 14, den Kathodenwasserabscheider 19 sowie den Wärmetauscher 20, welcher insbesondere in Form einer im unteren Bereich der integrierten Baueinheit 13 angeordneten Platte 32 besteht. In dieser Platte 32 sind Kanäle 33 für das Kühlwasser des Kühlkreislaufs 27 angedeutet. Außerdem befindet sich im Bereich der Platte 32 zumindest der untere Teil des Kathodenwasserabscheiders 19 sowie eine Drainageleitung 34 zur Abfuhr von Wasser aus dem
Kathodenwasserabscheider 19 und gegebenenfalls aus anderen Bereichen der integrierten Baueinheit, beispielsweise aus dem Befeuchter 14. Verschiedene
Drainageleitungen 34 werden innerhalb der Platte 32 zusammengeführt, sofern mehrere vorhanden sind. Sie können von überall in der integrierten Baueinheit 13 ausgehen, enden jedoch immer mit ihrem das Wasser in die Umgebung abgebenden Teil immer im Bereich der Platte 32. Der Aufbau der integrierten Baueinheit 13 wird durch den angesprochenen Befeuchter 14 komplettiert. Über die Zuluftleitung 12.1 strömt ein heißer und trockener Luftstrom aus der
Luftfördereinrichtung 11 in die integrierte Baueinheit 13 ein. Er verlässt als mit Hilfe des Wärmetauschers 20 und des Abluftstroms abgekühlter und durch den Befeuchter 14 befeuchteter Zuluftstrom die integrierte Baueinheit 13 durch die Zuluftleitung 12.2 hindurch zum Kathodenraum 7 der Brennstoffzelle 6. Außerdem strömt ein Volumenstrom aus dem Kathodenraum 7 über die Abluftleitung 15.1 in die andere Seite des Befeuchters 14 ein und befeuchtet durch die für Wasserdampf durchlässigen Membranen 16 des Befeuchters 14 hindurch die Zuluft. Über den Kathodenwasserabscheider 19 strömt die Abluft dann in die Abluftleitung 15.2 in Richtung der Turbine 17 ab. In der integrierten Baueinheit 13 erfolgt somit einerseits der Übergang von Feuchtigkeit aus der Abluft in die Zuluft im Bereich des Befeuchters 14 und gleichzeitig ein gewisser Wärmetausch zwischen den Gasen. Durch die in der Platte 32 integrierten Kühlwasserkanäle 33 des Wärmetauschers 20 erfolgt dann die hauptsächliche Abkühlung des heißen Zuluftstroms nach der Luftfördereinrichtung 11 , sodass sehr gezielt die Temperatur des Zuluftstroms eingestellt werden kann. Über die hohe Wärmekapazität des Kühlwassers ist dabei eine sehr effiziente und leicht Steuer- bzw. regelbare Kühlung möglich.
Der Aufbau der integrierten Baueinheit 13 lässt sich dabei sehr kompakt und effizient realisieren. Die Platte 32, welche insbesondere aus einem Aluminiummaterial ausgebildet sein kann, weist dabei neben den Kühlwasserkanälen 33, wie bereits angesprochen, einen oder mehrere Drainagekanäle 34 sowie zumindest den im bestimmungsgemäßen Einsatz unteren Teil des Kathodenwasserabscheiders 19 auf. Diese Drainagekanäle 34 und der untere Teil des Wasserabscheiders 19 sind dabei besonders gefährdet hinsichtlich eines Einfrierens, wenn das Brennstoffzellensystem 2 nach dem Abstellen bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts bis zu seinem Wiederstart ausharrt. Dadurch, dass, wie bereits oben erwähnt, in dem Kühlkreislauf 27 unter Umgehung des
Fahrzeugkühlers 28 eine sehr schnelle Aufwärmung des Kühlwassers erzielt werden kann, wird dann auch das Kühlwasser, welches den Wärmetaucher 20 durchströmt, entsprechend schnell aufgewärmt, sodass die Platte 32 und anschließend die gesamte integrierte Baueinheit 13 relativ schnell erwärmt wird. Insbesondere das schnelle
Erwärmen der Platte 32 führt dazu, dass eventuell eingefrorenes Wasser im Bereich der Drainageleitung 34 und/oder des unteren Teils des Kathodenwasserabscheiders 19 sehr schnell aufgetaut wird, sodass die integrierte Baueinheit 13 und damit das
Brennstoffzellensystem 2 sehr schnell in Betrieb genommen werden kann. In der Darstellung der Figur 4 ist analog zur Darstellung in Figur 3 eine alternative Ausführungsform der integrierten Baueinheit 13 dargestellt. Die integrierte Baueinheit 13 weist in diesem Fall im Bereich der Platte 32 außerdem weitere Komponenten auf. Diese sind in dem dargestellten Ausführungsbeispiel der Anodenwasserabscheider 25 sowie zumindest ein Teil der Rezirkulationsleitung 24. Außerdem befindet sich ein Teil der Wasserstoffzuleitung zwischen dem Druckregel- und Dosierventil 22 und der
Gasstrahlpumpe 23 sowie optional die Gasstrahlpumpe 23 selbst in der Platte 32. Dies hat den Vorteil, dass der Wasserstoff, bevor er in der Gasstrahlpumpe 23 einströmt, über das durch die Kühlwasserkanäle 32 strömende Kühlwasser aufgewärmt wird. Hierdurch kann einerseits die durch den Fahrzeugkühler 28 aufzubringende Kühlleistung reduziert werden und andererseits kann der Wasserstoff so weit erwärmt werden, dass eine Auskondensation von Feuchtigkeit in dem Wasserstoff, insbesondere nach dem
Zusammentreffen mit dem rezirkulierten feuchten Abgasstrom im Bereich der
Gasstrahlpumpe 23, sicher und zuverlässig vermieden werden kann. Da auch in diesen anodenseitigen Leitungselementen beim Abstellen des Brennstoffzellensystems reines Wasser in Form von Wasserdampf und nach dem Auskondensieren in Form von
Flüssigkeitströpfchen vorliegt, sind auch diese Komponenten hinsichtlich des Einfrierens kritisch. Eine schnelle Erwärmung der Platte 32 führt bei dem in Figur 4 dargestellten Ausführungsbeispiel also auch zu einer sehr schnellen Startmöglichkeit für die
Anodenseite, sodass in diesem in Figur 4 dargestellten Aufbau ein sehr schneller Start des gesamten Brennstoffzellensystems 2 möglich wird. Der Aufbau ist außerdem sehr einfach, effizient und kann sehr platzsparend realisiert werden. Er kann als integrierte Baueinheit 13 alleine in dem Brennstoffzellensystem 2 angeordnet werden oder er kann mit weiteren Komponenten, insbesondere der Brennstoffzelle 6 entsprechend kombiniert werden.

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung zur Aufbereitung von zu einer Brennstoffzelle (6) strömender Zuluft mit einer integrierten Baueinheit (13), welche zumindest einen Befeuchter (14), einen Wärmetauscher (20) und wenigstens einen Wasserabscheider (19, 25), aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass
der Wärmetauscher (20) von einem flüssigen Kühlmedium gekühlt ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Wärmetauscher (20) in Form einer Platte (32) ausgebildet ist oder in Form eines separaten Moduls, das in eine Platte (32) integriert ist, wobei die Platte (32) Kühlmediumkanäle (33) aufweist und die integrierte Baueinheit (13) auf einer Seite abschließt.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Platte (32) aus einem metallischen Material, insbesondere aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung, ausgebildet ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Platte (32) die integrierte Baueinheit (13) im bestimmungsgemäßen Einsatz nach unten abschließt.
5. Vorrichtung nach Anspruch 2, 3 oder 4,
dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil des wenigstens einen Wasserabscheiders (19, 25) in die Platte (32) integriert ausgebildet ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 4 und 5,
dadurch gekennzeichnet, dass
der im bestimmungsgemäßen Einsatz untere Teil des wenigstens einen
Wasserabscheiders (19, 25) in die Platte (32) integriert ausgebildet ist.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, dass
wenigstens eine Drainageleitung (34) zur Abfuhr von Flüssigkeit in der integrierten Baueinheit (13) ausgebildet ist, wobei die Drainageleitung (34) in der Platte (32) nach außen geführt ist.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Platte (32) Kanäle (24) und/oder Funktionselemente (23, 25) für einen
Volumenstrom zu und/oder von einem Anodenraum (8) der Brennstoffzelle (6) aufweist.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Platte (32) gleichzeitig als Teil der Brennstoffzelle (6) ausgebildet ist.
10. Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9 in einem
Brennstoffzellensystem (2), welches in einem Fahrzeug (1) zur Bereitstellung von elektrischer Antriebsleistung dient.
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