DE10007244A1 - Vorrichtung zur Wasserrückgewinnung für ein Bordstrom-Brennstoffzellensystem - Google Patents

Vorrichtung zur Wasserrückgewinnung für ein Bordstrom-Brennstoffzellensystem

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Wasserrückgewinnung für ein Bordstrom-Brennstoffzellensystem in einem Fahrzeug. Erfindungsgemäß ist der Kühlkreislauf des Fahrzeugkühlers und/oder der Klimaanlage über einen Wärmetauscher mit mindestens einem Abgasstrom des Bordstrom-Brennstoffzellensystems gekoppelt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Wasserrückgewinnung für ein Bordstrom-Brennstoffzellensystem in einem Fahrzeug.
Bei allen autarken Brennstoffzellensystemen ist die Problematik des Wasserhaushaltes gegeben. Zur Erzeugung elektrischer Ener­ gie mittels einer PEM-Brennstoffzelle ist es erforderlich, dass die Festkörper-Polymer-Elektrolytmembranen zu allen Zeiten un­ ter feuchter Atmosphäre gehalten werden. Um dieser Anforderung zu entsprechen, wird das Brenngas sowie das oxidierende Gas mit Wasser befeuchtet.
Bei Brennstoffzellensystemen, die ein Gaserzeugungssystem um­ fassen, wird für dieses ebenfalls Wasser benötigt. So wird z. B. bei der Reformierung von Kohlenwasserstoffen für die Herstel­ lung von wasserstoffreichem Synthesegas dem Reformierungsreak­ tor zusätzliches Wasser zudosiert.
Darüber hinaus wird Wasser auch zur Kühlung der Brennstoffzelle eingesetzt.
Um die Mitführung eines Wassertanks und dessen regelmäßige Be­ füllung zu vermeiden, ist es aus der US 5,780,179 bekannt, Was­ ser aus den Abgasen des Brennstoffzellensystems rückzugewinnen. Hierzu werden Kondensatabscheider eingesetzt. Nachteilig an diesem Verfahren ist es, dass aufgrund des hohen Temperaturni­ veaus der Abgase des Brennstoffzellensystems die gewonnene Was­ sermenge relativ gering ist und für die Wasserversorgung des Bordstrom-Brennstoffzellensystems nicht ausreicht. Somit ist bei dieser Vorrichtung weiterhin ein regelmäßiges Nachfüllen eines Wassertanks erforderlich.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zu schaf­ fen, mit der an Bord eines Kraftfahrzeugs eine für den Betrieb des Brennstoffzellensystems ausreichende Menge an Wasser gewon­ nen werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Vorrichtung nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungen dieser Vorrichtung sowie Verfahren zum Betreiben dieser Vorrichtung sind Gegen­ stände weiterer Ansprüche.
Erfindungsgemäß wird der Kühlkreislauf des Fahrzeugkühlers und/oder der Kühlkreislauf der Klimaanlage über einen Wärmetau­ scher mit mindestens einem Abgasstrom des Bordstrom-Brennstoff­ zellensystems gekoppelt. Somit wird eine für die Auskondensati­ on des Wassers im Abgasstrom notwendige Kühlleistung auf sehr geringem Temperaturniveau zur Verfügung gestellt. Als Ab­ gasströme, aus denen Wasser rückgewonnen werden kann, bieten sich insbesondere das Anoden- und Kathodenabgas der Brennstoff­ zelle sowie das Abgas des Gaserzeugungsssystems an. Dabei kön­ nen wahlweise ein oder mehrere dieser Abgasströme mit dem Kühl­ kreislauf des Fahrzeugkühlers gekoppelt werden.
Durch die hohe Kühlleistung und die geringe Temperatur des Fahrzeugkühlers kann erreicht werden, dass eine Wassermenge rückgewonnen wird, die für den Betrieb des Brennstoffzellensy­ stems ausreicht (positive Wasserbilanz). Auf die Mitführung ei­ nes Wassertanks kann verzichtet werden.
Da der Fahrzeugkühler, dessen Kühlkreislauf beziehungsweise der Kühlkreislauf der Klimaanlage ohnehin im Fahrzeug vorhanden sind, entstehen durch den erfindungsgemäßen Einsatz keine wei­ teren Kosten. Auch wird nur sehr wenig zusätzlicher Bauraum be­ nötigt.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann generell in mobilen Sy­ stemen eingesetzt werden, insbesondere in Kraftfahrzeugen, Bahnsystemen oder Luftfahrzeugen. Sie ist besonders geeignet für PEM-Brennstoffzellensysteme.
Vorteilhaft kann die dem Kühlkreislauf des Fahrzeugkühlers zu­ geführte Abwärme des Bordstrom-Brennstoffzellensystems zur Mo­ torvorwärmung oder als Standheizung genutzt werden. Dadurch er­ geben sich für den Fahrzeugnutzer zusätzliche Komfortvorteile.
Vorteilhaft wird das kondensierte Wasser mittels eines Konden­ satabscheiders, der dem Wärmetauscher nachgeschaltet ist, von den Abgasen abgetrennt.
In einer bevorzugten Ausführung wird in den Kühlkreislauf des Fahrzeugkühlers oder der Klimaanlage eine Pumpe geschaltet, die für eine ausreichende Zirkulation der Kühlflüssigkeit sorgt.
Die Wasserausbeute der erfindungsgemäßen Vorrichtung hängt na­ turgemäß ganz wesentlich von der Temperatur des Fahrzeugkühlers ab. Deshalb kann es vorteilhaft sein, die Kopplung des Kühl­ kreislaufs mit einem oder mehreren Abgasströmen des Bordstrom- Brennstoffzellensystems in Abhängigkeit von der Temperatur des Fahrzeugkühlers vorzunehmen. Zum Beispiel kann die Vorrichtung so ausgelegt sein, dass erst unterhalb einer bestimmten, vorge­ gebenen Temperatur des Fahrzeugkühlers die Abgasströme in den Wärmetauscherkreislauf geschaltet werden.
In einer weiteren Ausführung ist das Bordstrom- Brennstoffzellensystem mit einer Batterie gekoppelt. In Be­ triebsphasen des Fahrzeugs, in denen der Kühler eine erhöhte Temperatur aufweist, kann der Strombedarf des Fahrzeugs aus der Batterie gedeckt werden. In Betriebsphasen des Fahrzeugs, in denen der Kühler relativ niedrige Temperaturen aufweist, insbe­ sondere im ruhenden Zustand mit abgekühltem Kühler, wird das Bordstrom-Brennstoffzellensystem für die Stromerzeugung einge­ setzt.
Die Erfindung wird nachstehend anhand einer Zeichnung, die den prinzipiellen Aufbau des Bordstrom-Brennstoffzellensystems in einem Fahrzeug zeigt, dargestellt.
Die zeigt eine Ausführung der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einem Kraftfahrzeug mit Verbrennungsmotor 5. Für die Kühlung des Verbrennungsmotors 5 ist dieser in den üblichen, an sich bekannten Kühlkreislauf 1 geschaltet. Der Kühlkreislauf 1 um­ fasst eine Pumpe 2, mit der die Kühlflüssigkeit innerhalb der Leitung 3 durch das Fahrzeuggebläse 4, den Antriebsmotor 5 so­ wie den Fahrzeugkühler 6 transportiert wird. Erfindungsgemäß befindet sich in dem Kühlkreislauf außerdem ein Wärmetauscher 7, dessen Funktion unten näher erläutert wird.
Das Bordstrom-Brennstoffzellensystem 8 umfasst ein Gaserzeu­ gungssystem 9 zur Erzeugung von wasserstoffreichem Synthesegas sowie eine Brennstoffzelle 10. Das Gaserzeugungssystem 9 ver­ sorgt über eine Zuleitung 11 die Brennstoffzelle 10 mit Brenn­ gas. Bezugsziffer 12 bezeichnet die Abgasleitung des Gaserzeu­ gungssystems 9. Die Bezugsziffern 13, 14 bezeichnen die Abgas­ leitungen (Anodenabgas 13, Kathodenabgas 14) der Brennstoffzel­ le 10.
Zur Wasserrückgewinnung werden die Abgasleitungen 12, 13, 14 dem Wärmetauscher 7 zugeführt, der mit dem Kühlkreislauf 1 des Kraftfahrzeugkühlers 1 gekoppelt ist. Dem Wärmetauscher 7 nach­ geschaltet befindet sich in jeder Abgasleitung ein Kondensa­ tabscheider 15. An diesen wird das auskondensierte Wasser aus den Abgasen abgetrennt. Mit dem dort anfallenden Wasser kann die Wasserversorgung des Bordstrom-Brennstoffzellensystems 8 gewährleistet werden.

Claims (8)

1. Vorrichtung zur Wasserrückgewinnung für ein Bordstrom- Brennstoffzellensystem in einem Fahrzeug, dadurch gekenn­ zeichnet, dass der Kühlkreislauf des Fahrzeugkühlers und/- oder der Kühlkreislauf einer Klimaanlage über einen Wärme­ tauscher mit mindestens einem Abgasstrom des Bordstrom- Brennstoffzellensystems gekoppelt ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgasstrom des Bordstrom-Brennstoffzellensystems der An­ odenabgasstrom und/oder der Kathodenabgasstrom und/oder der Abgasstrom eines Gaserzeugungssystems ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, in dem oder den Abgasströmen ein Kondensatabscheider dem Wärmetauscher nachgeschaltet ist.
4. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass in den Kühlkreislauf des Fahr­ zeugkühlers oder der Klimaanlage eine Pumpe geschaltet ist, die eine Zirkulation der Kühlflüssigkeit des Kühlkreislaufes ermöglicht.
5. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kopplung des Kühlkreislaufs des Fahrzeugkühlers oder der Klimaanlage mit mindestens einem Abgasstrom des Bordstrom-Brennstoffzellensystems in Abhän­ gigkeit von der Temperatur des Fahrzeugkühlers vorgenommen werden kann.
6. Vorrichtung nach einer der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bordstrom-Brennstoffzellensystem mit einer Batterie gekoppelt ist.
7. Verfahren zum Betrieb einer Vorrichtung nach Anspruch 6, da­ durch gekennzeichnet, dass das Bordstrom-Brennstoffzellen­ system bevorzugt bei ruhendem Fahrzeug und abgekühlten Fahr­ zeugkühler eingesetzt wird, während bei bewegtem Fahrzeug und heißem Fahrzeugkühler die Batterie die Stromversorgung übernimmt.
8. Verfahren zum Betrieb einer Vorrichtung nach einer der vor­ angegangen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die von dem oder den Abgasströmen des Bordstrom-Brennstoffzellen­ systems in den Kühlkreislauf des Fahrzeugkühlers eingespei­ ste Wärme zur Motorvorwärmung oder Standheizung eingesetzt wird.
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