DE102012020503A1 - Fahrzeug und Verfahren zu dessen Betrieb - Google Patents

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Christian Dülk
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Fahrzeug (1) mit einem HVAC-System (2) und einem Brennstoffzellensystem (3), wobei das HVAC-System (2) mit zumindest einem Kondensatableiter (4) gekoppelt ist. Erfindungsgemäß ist der Kondensatableiter (4) mit in dem HVAC-System (2) erzeugtem Kondenswasser (H2O) beaufschlagbar und mit einem Kathodeneingang und/oder einer Protonenaustauschmembran zumindest einer Brennstoffzelle des Brennstoffzellensystems (3) fluidisch gekoppelt, wobei das Kondenswasser (H2O) mittels des Kondensatableiters (4) von dem HVAC-System (2) zu dem Kathodeneingang und/oder der Protonenaustauschmembran führbar ist. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Betrieb eines solchen Fahrzeugs (1).

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Fahrzeug mit einem HVAC-System und einem Brennstoffzellensystem, wobei das HVAC-System mit zumindest einem Kondensatableiter gekoppelt ist.
  • Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Betrieb eines solchen Fahrzeugs.
  • Aus der US 2010/0307176 A1 ist ein Fahrzeug mit einem Heizungs-, Lüftungs- und Klimatechniksystem, im Folgenden HVAC-System genannt (im Englischen: Heating, Ventilation and Air Conditioning), bekannt. Das HVAC-System umfasst einen Verdampfer, einen Kühlmittelkompressor, einen Kondensator, eine Entspannungseinheit und einen Wasser-Vorratsbehälter. Der Wasser-Vorratsbehälter ist zur Aufnahme von in dem HVAC-System anfallenden Wasser und zur Abgabe desselben zur Kühlung des Kondensators ausgebildet. Weiterhin umfasst das HVAC-System einen Wasserauslass aus einer Brennstoffzelle und einen Kondensatableiter, welcher dazu vorgesehen ist, in der Brennstoffzelle erzeugtes Wasser von dem Wasserauslass in den Wasser-Vorratsbehälter zu leiten.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein gegenüber dem Stand der Technik verbessertes Fahrzeug mit einem HVAC-System und einem Brennstoffzellensystem sowie ein Verfahren zum Betrieb eines solchen Fahrzeugs anzugeben.
  • Hinsichtlich des Fahrzeugs wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale und hinsichtlich des Verfahrens durch die im Anspruch 3 angegebenen Merkmale gelöst.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • Das Fahrzeug weist ein HVAC-System und einem Brennstoffzellensystem auf, wobei das HVAC-System mit zumindest einem Kondensatableiter gekoppelt ist. Erfindungsgemäß ist der Kondensatableiter mit in dem HVAC-System erzeugtem Kondenswasser beaufschlagbar und mit einem Kathodeneingang und/oder einer Protonenaustauschmembran zumindest einer Brennstoffzelle des Brennstoffzellensystems fluidisch gekoppelt. Das Kondenswasser ist mittels des Kondensatableiters von dem HVAC-System zu dem Kathodeneingang und/oder der Protonenaustauschmembran führbar.
  • Unter einen HVAC-System wird dabei vorliegend ein Heizungs-, Lüftungs- und/oder Klimatechniksystem verstanden, welches insbesondere zur Beheizung, Lüftung und/oder Klimatisierung eines Fahrzeuginnenraumes vorgesehen ist.
  • Die Erfindung ermöglicht in besonders vorteilhafter Weise, dass das im HVAC-System erzeugte und überschüssige Wasser zur Befeuchtung eines dem Kathodeneingang zugeführten, insbesondere als Kathodeneingangsgas ausgebildeten Oxidationsmittels und/oder zur Befeuchtung der Protonenaustauschmembran der Brennstoffzelle verwendet und somit ein Betrieb und eine Effizienz dieser verbessert werden. Weiterhin ist es möglich, dass ein Vorratsbehälter zur Bevorratung von Wasser, welches zur Befeuchtung des Oxidationsmittels und/oder der Protonenaustauschmembran vorgesehen ist, verkleinert werden oder entfallen kann. Somit steht im Fahrzeug mehr Bauraum zur Verfügung und ein Gewicht sowie Herstellungskosten des Fahrzeugs können verringert werden. Ein besonderer Vorteil ergibt sich weiterhin daraus, dass das Kondenswasser eine besonders hohe Reinheit aufweist, da bei der Befeuchtung des Oxidationsmittels und/oder der Protonenaustauschmembran ein Eintrag von Fremdkörpern in die Brennstoffzelle und daraus folgende Verschmutzungen der Brennstoffzellenkomponenten vermieden werden müssen, um eine Beschädigung der Brennstoffzelle zu vermeiden.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
  • Dabei zeigen:
  • 1 schematisch ein erfindungsgemäßes Fahrzeug mit einem HVAC-System und einem Brennstoffzellensystem,
  • 2 schematisch eine Detaildarstellung des HVAC-Systems und des Brennstoffzellensystems gemäß 1 und
  • 3 schematisch einen Wasserbedarf einer Brennstoffzelle des Brennstoffzellensystems gemäß 1 in Abhängigkeit von einer abgegebenen Leistung.
  • Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
  • In 1 ist ein erfindungsgemäßes Fahrzeug 1 mit einem HVAC-System 2 und einem Brennstoffzellensystem 3 dargestellt.
  • Das HVAC-System 2 ist zur Heizung, Lüftung und Klimatisierung eines Innenraums I des Fahrzeugs 1 vorgesehen. Das HVAC-System 2 und das Brennstoffzellensystem 3 sind fluidisch mittels eines Kondensatableiters 4 gekoppelt.
  • 2 zeigt eine Detaildarstellung des mittels des Kondensatableiters 4 mit dem Brennstoffzellensystem 3 fluidisch gekoppelten HVAC-Systems 2 gemäß 1.
  • Das Brennstoffzellensystem 3 umfasst einen aus mehreren nicht näher dargestellten Brennstoffzellen gebildeten Brennstoffzellenstapel 5 und auf einer Anodenseite AS eine Kühleinheit 6 zur Kühlung des Brennstoffzellenstapels 5 und für einen damit verbundenen Abtransport entstehender Wärme W, einen Vorratsbehälter 7 für einen Brennstoff B, eine Brennstoffeinheit 8 zur Zuführung des Brennstoffs B in den Brennstoffzellenstapel 5 und zur Abführung von Abgas G aus dem Brennstoffzellenstapel 5. Bei dem Brennstoff B handelt es sich beispielsweise um Wasserstoff.
  • Weiterhin umfasst das Brennstoffzellensystem 3 auf einer Kathodenseite KS eine Fördereinheit 9 zur Förderung eines als Kathodeneingangsgas ausgebildeten Oxidationsmittels O, beispielsweise Sauerstoff, einer Oxidationsmitteleinheit 10 zur Zuführung des Oxidationsmittels O in den Brennstoffzellenstapel 5 und zur Abführung von Abgas G aus dem Brennstoffzellenstapel 5.
  • Aus einer chemischen Reaktion des Brennstoffes B mit dem Oxidationsmittel O wird mittels des Brennstoffzellensystems 3 elektrische Energie E erzeugt. Zur Einstellung vorgegebener Parameter der erzeugten elektrischen Energie E, beispielsweise der elektrischen Spannung, des elektrischen Stromes und einer Frequenz, und zu einer Kopplung des Brennstoffzellenstapels 5 mit einem Energiespeicher 11 und nicht näher dargestellten elektrischen Verbrauchern umfasst das Brennstoffzellensystem 3 weiterhin eine Leistungselektronik 12.
  • Zur Steuerung aller Komponenten des Brennstoffzellensystems 3, insbesondere auch zur Realisierung eines Energiemanagements und zur Sicherheitskontrolle, umfasst dieses ferner eine Steuereinheit 13, welche mit allen Komponenten des Brennstoffzellensystems 3 gekoppelt ist.
  • Das HVAC-System 2 stellt einen geschlossenen Kreislauf dar, in welchem ein Kältemittel KM geführt wird. Das HVAC-System 2 umfasst einen Verdampfer 14, welchem das Kältemittel KM mit niedrigem Druck und niedriger Temperatur zugeführt wird. Im Verdampfer 14 dehnt sich das Kältemittel KM aus und nimmt dabei Umgebungswärme auf. An einer Außenseite des Verdampfers 14 geführte Luft wird abgekühlt und zur Klimatisierung dem Innenraum I des Fahrzeugs 1 zugeführt. In Strömungsrichtung R nach dem Verdampfer 14 ist eine Niederdruckanzapfung 15 vor einem Kompressor 16 angeordnet. Der Kompressor 16 saugt das Kältemittel KM an und verdichtet dieses. Somit steigen Druck und Temperatur des Kältemittels KM an.
  • Anschließend wird das Kältemittel KM einem Kondensator 17 zugeführt, in welchem dieses Wärme W an die Umgebung abgibt. In Strömungsrichtung R des Kältemittels KM nach dem Kondensator 17 ist ein Trockner 18 angeordnet, welcher zum einen zur Entfeuchtung und Filterung des Kältemittels KM und zum anderen als Speicherbehälter für das Kältemittel KM dient. In Strömungsrichtung R nach dem Trockner 18 und einer Hochdruckanzapfung 19 ist ein Expansionsventil 20 vorgesehen, mittels welchem eine Menge des dem Verdampfer 14 zugeführten Kältemittels KM gesteuert wird. Innerhalb des Expansionsventils 20 expandiert das Kältemittel KM, so dass dessen Druck und Temperatur absinken.
  • Aufgrund der geringen Temperatur des Kältemittels KM kommt es insbesondere am Verdampfer 14 zur Kondensation von Wasser aus Innenraumluft des Fahrzeugs 1, welche zur Abkühlung am Verdampfer 14 vorbeigeführt wird.
  • Für einen effizienten Betrieb der Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels 5 ist es erforderlich, dass das den Brennstoffzellen kathodenseitig zugeführte Oxidationsmittel O zusätzlich befeuchtet wird.
  • In einer bevorzugten Weiterbildung sind die Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels 5 als Polymerelektrolytbrennstoffzellen ausgebildet, welche jeweils eine Protonenaustauschmembran aufweisen. Um einen optimierten Betrieb einer solchen Protonenaustauschmembran sicherzustellen, ist eine Befeuchtung der Protonenaustauschmembran erforderlich.
  • Aus diesem Grund ist der Kondensatableiter 4 mit dem in dem HVAC-System 2 erzeugtem Kondenswasser H2O beaufschlagbar und mit einem jeweiligen Kathodeneingang und der Protonenaustauschmembran der Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels 5 fluidisch gekoppelt. Mittels des Kondensatableiters 4 wird das Kondenswasser H2O vom Verdampfer 14 des HVAC-Systems 2 zu den Kathodeneingängen und Protonenaustauschmembranen geführt. Weiterhin wird dem jeweiligen Kathodeneingang und der Protonenaustauschmembran der Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels 5 in nicht näher dargestellter Weise zur Befeuchtung Wasser zugeführt, welches als Reaktionsprodukt der in den Brennstoffzellen ablaufenden Reaktion erzeugt wird.
  • Welche Masse m von Wasser dem Brennstoffzellenstapel 5 zur Befeuchtung zugeführt werden muss, ist abhängig von einer vom Brennstoffzellenstapel 5 abgegebenen elektrischen Ausgangsleistung P. Diese Abhängigkeit ist in 3 näher dargestellt.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Fahrzeug
    2
    HVAC-System
    3
    Brennstoffzellensystem
    4
    Kondensatableiter
    5
    Brennstoffzellenstapel
    6
    Kühleinheit
    7
    Vorratsbehälter
    8
    Brennstoffeinheit
    9
    Fördereinheit
    10
    Oxidationsmitteleinheit
    11
    Energiespeicher
    12
    Leistungselektronik
    13
    Steuereinheit
    14
    Verdampfer
    15
    Niederdruckanzapfung
    16
    Kompressor
    17
    Kondensator
    18
    Trockner
    19
    Hochdruckanzapfung
    20
    Expansionsventil
    AS
    Anodenseite
    B
    Brennstoff
    E
    elektrische Energie
    H2O
    Kondenswasser
    I
    Innenraum
    KS
    Kathodenseite
    KM
    Kältemittel
    m
    Masse
    O
    Oxidationsmittel
    P
    elektrische Ausgangsleistung
    R
    Strömungsrichtung
    W
    Wärme
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • US 2010/0307176 A1 [0003]

Claims (3)

  1. Fahrzeug (1) mit einem HVAC-System (2) und einem Brennstoffzellensystem (3), wobei das HVAC-System (2) mit zumindest einem Kondensatableiter (4) gekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Kondensatableiter (4) mit in dem HVAC-System (2) erzeugtem Kondenswasser (H2O) beaufschlagbar ist und mit einem Kathodeneingang und/oder einer Protonenaustauschmembran zumindest einer Brennstoffzelle des Brennstoffzellensystems (3) fluidisch gekoppelt ist, wobei das Kondenswasser (H2O) mittels des Kondensatableiters (4) von dem HVAC-System (2) zu dem Kathodeneingang und/oder der Protonenaustauschmembran führbar ist.
  2. Fahrzeug (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Brennstoffzelle eine Polymerelektrolytbrennstoffzelle ist.
  3. Verfahren zum Betrieb eines Fahrzeugs (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kondensatableiter (4) mit in dem HVAC-System (2) erzeugtem Kondenswasser (H2O) beaufschlagt wird, wobei das Kondenswasser (H2O) mittels des Kondensatableiters (4) von dem HVAC-System (2) zur Befeuchtung eines dem Kathodeneingang zugeführten Oxidationsmittels (O) zu dem Kathodeneingang und/oder zur Befeuchtung der Protonenaustauschmembran der Protonenaustauschmembran zugeführt wird.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20100307176A1 (en) 2009-06-03 2010-12-09 Gm Global Technology Operations, Inc. Water Cooled Condenser in a Vehicle HVAC System

Patent Citations (1)

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