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Die Erfindung betrifft einen Ladeluftkühler für ein Brennstoffzellensystem nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.
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Aus der gattungsgemäßen
DE 10 2004 046 922 A1 ist ein Brennstoffzellensystem sowie ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems bekannt. Das Brennstoffzellensystem weist dabei eine Luftfördereinrichtung auf, über welche ein Zuluftstrom zu dem Brennstoffzellensystem verdichtet wird. Zum Abkühlen dieses nach dem Verdichten sehr heißen Zuluftstroms dient ein Ladeluftkühler, welcher einen ersten von dem heißen Zuluftstrom durchströmten Bereich und einen in thermischem Kontakt damit stehenden zweiten von einem feuchten beziehungsweise nassen Abluftstrom der Brennstoffzelle durchströmten Bereich aufweist. Der Abluftstrom der Brennstoffzelle mit teilweise dampfförmigem und teilweise flüssigem Produktwasser kann nun ideal zum Abkühlen des heißen Zuluftstroms nach dem Verdichter genutzt werden. Der Abluftstrom ist selbst schon vergleichsweise kühl im Vergleich zum heißen Zuluftstrom. Außerdem transportiert er einen großen Teil an flüssigem Wasser, welches im Bereich des Ladeluftkühlers verdampfen kann und dadurch für eine weitere Abkühlung des Zuluftstroms sorgt. Als positiver Nebeneffekt wird außerdem die Abgabe von flüssigem Wasser an die Umgebung verhindert, da dieses durch den heißen Zuluftstrom annähernd vollständig verdampft werden kann. Damit besteht bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts nicht die Gefahr, dass aus dem Brennstoffzellensystem austretendes Wasser gefriert. Dies ist insbesondere beim Einsatz in Fahrzeugen von entscheidender Bedeutung, da weder im Bereich des Fahrzeugs selbst noch im Bereich von eventuell durch das Fahrzeug mit flüssigem Wasser benetzten Straßen die Bildung von Eis erwünscht ist. Bei dem beschriebenen Aufbau ist es dabei nachteilig, dass immer ein Vorrat an Produktwasser vorhanden sein muss, um eine ausreichende Abkühlung des Zuluftstroms durch die Verdampfung dieses flüssigen Produktwassers in jedem Fall – insbesondere unmittelbar nach dem Start des Brennstotfzellensystems – sicherzustellen. Es wird also immer eine gewisse Wassermenge benötigt, um sicher zu gewährleisten, dass die verdichtete Luft vor dem Erreichen der Brennstoffzelle auf das erforderliche Temperaturniveau abgekühlt ist. Zu heiße in die Brennstoffzelle einströmende Luft könnte die dortigen Membranen austrocknen und schlimmstenfalls thermisch schädigen.
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Das Bevorraten von Produktwasser zur Kühlung des Zuluftstroms stellt jedoch in Brennstoffzellen immer dann einen gravierenden Nachteil dar, wenn diese bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts abgestellt und wieder gestartet werden. Genau in dieser Situation ist aber gerade eine sehr gute Abkühlung des heißen Zuluftstroms sicherzustellen. Gleichzeitig wird im Bereich der Brennstoffzelle selbst noch keine ausreichende Menge an Produktwasser produziert, um diese Abkühlung alleine über den Abluftstrom aus der Brennstoffzelle zu gewährleisten. Deshalb ist eine Ladeluftkühlung in der oben beschriebenen Art speziell beim Starten des Brennstoffzellensystems und insbesondere beim Starten des Brennstoffzellensystems bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts äußerst wichtig.
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Aus dem weiteren allgemeinen Stand der Technik zu Brennstoffzellensystemen ist es ferner bekannt, einen Latentwärmespeicher, welcher ein sogenanntes Phasenwechselmaterial oder auch PCM (Phase-Change-Material) aufweist, in der Brennstoffzelle selbst vorzusehen. Beispielhaft wird hierzu auf die
DE 103 37 898 A1 oder die
DE 10 2004 013 256 A1 verwiesen. Beide Offenlegungsschriften beschreiben dabei einen Latentwärmespeicher mit einem Phasenwechselmaterial, welcher den Kaltstartvorgang einer Brennstoffzelle unterstützen soll. Ein vergleichbarer Aufbau mit einem um den Brennstoffzellenstapel angeordneten Phasenwechselmaterial beschreibt ferner die
DE 10 2007 033 428 A1 , welche im Wesentlichen dieselbe Zielsetzung hat.
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Letztlich ist es aus dem weiteren allgemeinen Stand der Technik zu Brennstoffzellensystemen in Form der
JP 2005-203148 A1 außerdem bekannt, ein Kühlmedium für ein Brennstoffzellensystem vorzusehen, welches aus Wasser und einem darin gelösten Phasenwechselmaterial besteht. Ähnliche Kühlmittel sind ferner aus dem Bereich von Verbrennungskraftmaschinen bekannt.
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Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, einen Ladeluftkühler für ein Brennstoffzellensystem anzugeben, welcher die eingangs genannten Nachteile vermeidet, und welcher einen sicheren und zuverlässigen Betrieb der Brennstoffzelle gewährleistet, ohne dass die Gefahr besteht, dass die Brennstoffzelle durch einen zu heißen Zuluftstrom geschädigt wird.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 9 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen.
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Der erfindungsgemäße Ladeluftkühler ist im Wesentlichen so aufgebaut, wie der eingangs beschriebene gattungsgemäße Ladeluftkühler auch. Er wird von dem heißen Zuluftstrom in einem ersten Bereich durchströmt und von dem feuchten beziehungsweise nassen Abluftstrom der Brennstoffzelle in einem zweiten Bereich. Diese Bereiche stehen in thermischem Kontakt zueinander, sodass der nasse Abluftstrom zur Kühlung des heißen Zuluftstroms eingesetzt werden kann und im regulären Betrieb in dem Abluftstrom enthaltenes Wasser zur Abkühlung des Zuluftstroms verdampft wird. Erfindungsgemäß weist dieser Ladeluftkühler nun zusätzlich in thermischem Kontakt zu dem ersten Bereich ein Phasenwechselmaterial auf. Dieses Phasenwechselmaterial, welches in thermischem Kontakt zu dem ersten Bereich angeordnet ist, ermöglicht eine Abkühlung des Zuluftstroms zu der Brennstoffzelle auf ein gewünschtes Temperaturniveau in der Größenordnung von 70 bis 80°C. Es hat dabei den entscheidenden Vorteil, dass es bereits beim Kaltstart des Brennstoffzellensystems, und insbesondere auch bei einem Start unter Gefrierbedingungen, bereits zur Verfügung steht. Es kann von Anfang an die Wärme des heißen verdichteten Zuluftstroms aufnehmen und speichern. Dabei kann so lange Wärme auf dem annähernd selben Temperaturniveau aufgenommen werden, solange das Phasenwechselmaterial in seinem ersten Aggregatzustand ist. Erst nach Wechsel des Aggregatzustands von fest nach flüssig erhöht sich die Temperatur. Bei Verwendung einer ausreichenden Menge an Phasenwechselmaterial wird zu diesem Zeitpunkt der Startvorgang der Brennstoffzelle beziehungsweise des Brennstoffzellensystems typischerweise jedoch bereits abgeschlossen sein. Dann liegt eine ausreichende Menge an nasser Abluft zur Abkühlung des Zuluftstroms vor. Gleichzeitig kann durch eine Verdampfung des in dem Abluftstrom enthaltenen flüssigen Wassers auch das Phasenwechselmaterial wieder entsprechend abgekühlt werden und ändert so seine Phase zurück. Dies erfolgt insbesondere auch beim Abstellen des Brennstoffzellensystems. Hier gibt das Phasenwechselmaterial noch vergleichsweise lange Wärme ab, nämlich bis der Phasenübergang wieder komplett abgeschlossen ist. So lange steht weiterhin Wärme zur Verfügung, um Wasser im Bereich des Ladeluftkühlers zu verdampfen und so einfach und effizient aus dem Brennstoffzellensystem auszutragen. Das Brennstoffzellensystem wird dadurch getrocknet und kann bei einem Wiederstart nicht so leicht einfrieren, da ein Großteil des Wassers verdampft und aus dem System ausgetragen worden ist.
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Wie erläutert, birgt der Einsatz eines Phasenwechselmaterials im Bereich des Ladeluftkühlers also eine Vielzahl von Vorteilen für ein Brennstoffzellensystem, insbesondere in einer Startphase desselben. Da Brennstoffzellensysteme, welche zur Erzeugung von elektrischer Antriebsleistung in Fahrzeugen eingesetzt werden, sehr häufig abgestellt und wieder gestartet werden, ist es von besonderem Vorteil für ein solches in einem Fahrzeug eingesetztes Brennstoffzellensystem, wenn es den erfindungsgemäßen Ladeluftkühler aufweist. Seine bevorzugte Verwendung liegt daher in einem Brennstoffzellensystem, welches zur Bereitstellung von elektrischer Antriebsleistung in einem Fahrzeug eingesetzt wird. Außerdem werden Fahrzeuge häufig auch bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts bewegt und abgestellt und müssen dann bei diesen Temperaturen auch wieder gestartet werden. In diesen Situationen ist der mit dem Phasenwechselmaterial versehene Ladeluftkühler von besonderem Vorteil.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Ladeluftkühlers ergeben sich aus dem Ausführungsbeispiel, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figur näher beschrieben ist.
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Die einzige beigefügte Figur zeigt ein Brennstoffzellensystem in einem schematisch angedeuteten Fahrzeug.
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In der Darstellung der einzigen beigefügten Figur ist ein Brennstoffzellensystem 1 in einem angedeuteten Fahrzeug 2 zu erkennen. Das Brennstoffzellensystem 2 weist eine Brennstoffzelle 3 auf, welche beispielsweise als Stapel von PEM-Brennstoffzellen, als sogenannter Brennstoffzellenstack, ausgebildet sein soll. Die Brennstoffzelle 3 umfasst einen Anodenraum 4 und einen Kathodenraum 5. Zwischen dem Anodenraum 4 und dem Kathodenraum 5 sind für Protonen durchlässige Membranen 6 prinzipmäßig angedeutet. Dem Anodenraum 5 der Brennstoffzelle 3 kann beispielweise aus einem Druckgasspeicher 7 über eine Ventileinrichtung 8 Wasserstoff als Brennstoff zugeführt werden. In dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel gelangt dieser Wasserstoff nach dem Anodenraum 5 in die Umgebung. Er könnte prinzipiell auch in einem sogenannten Anodenkreislauf geführt werden, und/oder vor der Abgabe an die Umgebung beispielsweise einer Verbrennung zugeführt werden.
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Dem Kathodenraum 4 der Brennstoffzelle 3 wird ein Zuluftstrom über eine Luftfördereinrichtung 9 zugeführt. Die Luftfördereinrichtung 9 kann beispielsweise als Schraubenverdichter, Strömungsverdichter oder dergleichen ausgebildet sein. Durch die Verdichtung in der Luftfördereinrichtung 9 erhält der Zuluftstrom eine Lufttemperatur von 150 bis 200°C. Da die typische Betriebstemperatur der Brennstoffzelle 3 in der Größenordnung von 70 bis 90°C liegt, muss der heiße verdichtete Zuluftstrom auf ein derartiges niedrigeres Temperaturniveau abgekühlt werden, um ein Austrocknen und eine thermische Schädigung der Membranen 6 der Brennstoffzelle 3 zu verhindern. Hierfür ist Ladeluftkühler 10 vorgesehen. Der Ladeluftkühler 10 ist in an sich bekannter Art und Weise als Luft-Luft-Kühler ausgebildet und weist einen ersten Bereich 11 auf, welcher von dem heißen Zuluftstrom nach der Luftfördereinrichtung 9 durchströmt wird. In wärmeleitendem Kontakt hierzu weist der Ladeluftkühler 10 einen zweiten Bereich 12 auf, welcher von dem nassen Abluftstrom aus dem Kathodenraum 4 der Brennstoffzelle 3 als Kühlmedium durchströmt wird. Die beiden Bereiche sind in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel über eine Trennwand 13 voneinander getrennt, stehen über das Material dieser Trennwand 13 jedoch in wärmeleitendem Kontakt zueinander.
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In dem Ladeluftkühler 10 wird nun die überschüssige Wärme in dem Zuluftstrom zu dem Kathodenraum 4 der Brennstoffzelle 3 auf den kühleren Abluftstrom aus dem Kathodenraum 4 der Brennstoffzelle 3 übertragen. Außerdem transportiert der Abluftstrom den größten Teil des in der Brennstoffzelle 3 entstehenden Produktwassers zumindest teilweise in flüssiger Form. In dem zweiten Bereich 12 des Ladeluftkühlers 10 kann dieses Wasser durch Wärme aus dem Zuluftstrom im ersten Bereich 11 des Ladeluftkühlers 10 verdampft werden. Dadurch ist eine sehr gute Wärmeabfuhr während des Betriebs des Brennstoffzellensystems 1 möglich. Außerdem wird der größte Teil des anfallenden Produktwassers bei dem hier beschriebenen Brennstoffzellensystem 1 verdampft und gelangt als Wasserdampf an die Umgebung. Dadurch wird ein Benetzen der Außenfläche des Fahrzeugs 2 beziehungsweise einer Straße, auf welcher das Fahrzeug sich bewegt, mit flüssigem Wasser verhindert. Dies ist insbesondere bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts ein entscheidender Vorteil, da so keine Eisbildung im Bereich des Fahrzeugs 2 und insbesondere nicht im Bereich der Fahrbahn auftreten kann, welche ein Sicherheitsrisiko darstellen könnte.
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Problematisch ist der hier beschriebene Aufbau nun insbesondere dann, wenn das Brennstoffzellensystem 1 gestartet wird. Sofort nach dem Start der Luftfördereinrichtung 9 liegt der heiße verdichtete Zuluftstrom im Bereich des Ladeluftkühlers 10 vor. Allerdings produziert die Brennstoffzelle 3 zu diesem Zeitpunkt noch kein Produktwasser, sodass durch die Verdampfung des Produktwassers keine ausreichende Kühlung des Zuluftstroms sichergestellt werden kann. Es besteht prinzipiell die Möglichkeit, Produktwasser in flüssiger Form für diese Betriebsphase des Brennstoffzellensystems 1 mitzuführen. Dies ist jedoch insbesondere bei Starts bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts ein großer Nachteil, da dieses bevorratete Produktwasser entsprechend gefrieren kann und dann für den Start nicht zur Verfügung steht. Außerdem müssen Ventile, Vorratsbehälter und Leitungen vor einem eventuellen Start des Brennstoffzellensystems gegebenenfalls erst aufgetaut werden. Dies ist zeit- und energieintensiv.
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Das hier beschriebene Brennstoffzellensystem 1 weist in dem Ladeluftkühler 10 daher ein Phasenwechselmaterial 14 auf. Dieses Phasenwechselmaterial 14 bildet einen Latentwärmespeicher und steht vorzugsweise sowohl mit dem ersten Bereich 11 als auch mit dem zweiten Bereich 12 des Ladeluftkühlers 10 in Verbindung. Dies kann insbesondere in der hier dargestellten eingezeichneten Form so ausgeführt werden, dass ein Teil der einander zugewandten Fläche der beiden Bereiche 11, 12 durch die Trennwand 13 gebildet wird und ein anderer Teil durch das Phasenwechselmaterial 14. Das Phasenwechselmaterial kann beispielsweise technische Stearinsäure oder Ba(OH)28H2O aufweisen. Die Stearinsäure hat dabei eine Umwandlungstemperatur von 64,8°C, Ba(OH)28H2O eine Umwandlungstemperatur von 78°C. Beide Materialien sind in der Lage, so lange Wärme aufzunehmen, solange sie die Umwandlung von fest nach flüssig noch nicht abgeschlossen haben. Sie bleiben dabei immer im Bereich der Umwandlungstemperatur, sodass sie den heißen Zuluftstrom auf eine Temperatur in der Größenordnung von 65 bis 70°C oder eine Temperatur in der Größenordnung von 80 bis 85°C abkühlen können. Erst wenn die Phasenumwandlung im Bereich des Phasenwechselmaterials 14 gänzlich abgeschlossen ist, kann sich das Material auf höhere Temperaturen erwärmen.
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Nun kann durch eine geeignete Wahl der Menge des Phasenwechselmaterials 14 erreicht werden, dass dieses den verdichteten Zuluftstrom so lange auf ein ausreichend niedriges Temperaturniveau abkühlt, bis in der Brennstoffzelle 3 selbst soviel Produktwasser produziert wird, dass die Abkühlung über den nassen Abluftstrom in der während des regulären Betriebs üblichen Art und Weise erfolgen kann. Durch das Phasenwechselmaterial 14 wird der bisherige Aufbau also so ergänzt, dass er seine Nachteile im Startbetrieb nun nicht mehr hat, im regulären Betrieb aber weiterhin wie bisher betrieben werden kann, wobei auch weiterhin dafür gesorgt wird, dass Produktwasser im Abluftstrom annähernd vollständig verdampft wird und nicht in flüssiger Form an die Umgebung gelangt.
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Das Phasenwechselmaterial 14 kann dann während des regulären Betriebs ebenfalls durch den feuchten beziehungsweise nassen Abluftstrom wieder abgekühlt werden, sodass es seine Phase erneut wechselt und beim nächsten Start des Brennstoffzellensystems 1 wieder in der oben beschriebenen Art und Weise zur Verfügung steht. Der Aufbau ist dabei besonders einfach und effizient, da er lediglich die Integration des Phasenwechselmaterials 14 in den Ladeluftkühler 10 erforderlich macht, ohne dass zusätzliche Bauteile, Leitungselemente, Ventile oder dergleichen notwendig wären. Außerdem ist keinerlei aktive Ansteuerung notwendig.
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Auch beim Abstellen des Systems kann durch das Phasenwechselmaterial ein entsprechender Vorteil erzielt werden, insbesondere dann, wenn das Phasenwechselmaterial auf einer Temperatur oberhalb der Übergangstemperatur verbleibt. Durch eine entsprechende Temperatur im Bereich der Brennstoffzelle 3 im Verhältnis zur Übergangstemperatur des Phasenwechselmaterials 14 während des Betriebs kann ein solches Verhalten eingestellt werden. Einen Phasenübergang des Phasenwechselmaterials 14 erfolgt dann erst, nachdem das Brennstoffzellensystem 1 abgestellt worden ist. In dieser Situation kann das Phasenwechselmaterial 14 dann immer noch vergleichsweise lang Wärme abgeben und so in dem Brennstoffzellensystem 1 befindliches flüssiges Wasser zumindest teilweise verdampfen. Dadurch kann Flüssigwasser im Bereich des Brennstoffzellensystems 1 vermieden werden, welches bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts einfrieren und dann den Wiederstart des Brennstoffzellensystems 1 behindern könnte.
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Alles in allem entsteht so durch das Brennstoffzellensystem 1 mit dem erfindungsgemäßen Ladeluftkühler 10 ein idealer Aufbau, welcher weiterhin alle Vorteile des bisherigen Aufbaus hat und darüber hinaus dessen Probleme vermeidet und neue Vorteile in der Start- und Abstellphase des Brennstoffzellensystems 1 schafft.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102004046922 A1 [0002]
- DE 10337898 A1 [0004]
- DE 102004013256 A1 [0004]
- DE 102007033428 A1 [0004]
- JP 2005-203148 A1 [0005]
