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Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.
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Brennstoffzellensysteme sind aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. Sie können beispielsweise Brennstoffzellen nutzen, welche als Brennstoffzellenstapel bzw. Brennstoffzellenstack aus einer Vielzahl von Einzelzellen aufgebaut sind. Die Einzelzellen können dabei vorzugsweise in PEM-Technologie realisiert werden. Derartige Brennstoffzellensysteme sind allgemein bekannt und üblich und werden beispielsweise zur Bereitstellung von elektrischer Antriebsleistung in Fahrzeugen eingesetzt. Aus dem gattungsgemäßen Stand der Technik in Form der
WO 2008/052578 A1 ist es nun bekannt, dass Anodenabgas in einem sogenannten Anodenkreislauf bzw. Brennstoffkreislauf, wie er in der erwähnten WO-Schrift genannt wird, um den Anodenraum geführt wird. In diesem Anodenkreislauf reichert sich mit der Zeit Wasser und inertes Gas, welches durch die Membranen vom Kathodenraum in den Anodenraum der Brennstoffzelle diffundiert, an. Um dieses Wasser und das inerte Gas von Zeit zu Zeit oder in Abhängigkeit eines Füllstands des Wasserabscheiders abzulassen, schlägt die gattungsgemäße Schrift vor, dass Wasser und Gas beispielsweise in die Zuluftleitung zu dem Kathodenraum der Brennstoffzelle eingedüst werden. Hier ist typischerweise ohnehin eine Befeuchtung notwendig und am Katalysator des Kathodenraums kann mit austretender Restwasserstoff mit dem dort vorhandenen Sauerstoff zu Wasser abreagieren. Hierdurch werden Wasserstoffemissionen an die Umgebung sicher und zuverlässig verhindert.
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Die Problematik liegt nun insbesondere darin, dass bei diesem Aufbau je nach Lastfall des Brennstoffzellensystems gegebenenfalls zu einem ungünstigen Zeitpunkt so viel Wasser in den Zuluftstrom zu dem Kathodenraum eingedüst wird, dass Wasser wichtige Gasführungskanäle in dem Kathodenraum benetzt und damit dafür sorgt, dass einzelne Zellen nicht mehr ausreichend mit Luft bzw. Sauerstoff versorgt werden. In diesen Zellen fällt dann die Spannung stark ab, man spricht von sogenannten „Low-Cells”. Dies ist für die Performance der Brennstoffzelle überaus schädlich und kann insbesondere zu einem bleibenden Schaden im Bereich der Einzelzellen, welche in der Spannung abgefallen sind, führen, da dies beispielsweise bis zu einer Umpolung der Einzelzellen führen kann, welche dann „zerstört” wären.
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Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, ein Brennstoffzellensystem gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 anzugeben, welches diesen Nachteil mindert oder gänzlich vermeidet.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den restlichen abhängigen Unteransprüchen.
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Bei dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem ist es nun vorgesehen, dass in der üblichen Art und Weise ein Befeuchter, welcher insbesondere als Gas/Gas-Befeuchter ausgebildet ist, in der Zuluftleitung zu dem Kathodenraum der Brennstoffzelle angeordnet ist. Ein Leitungselement, welches einen Wasserabscheider mit der Zuluftleitung verbindet, mündet nun erfindungsgemäß auf der stromabwärts angeordneten Seite des Befeuchters in diesen, wobei zwischen der Mündung und den für Wasserdampf durchlässigen Membranen des Befeuchters ein Prallschutz angeordnet ist. Eine solche Eindüsung in den stromabwärtsseitigen Teil des Befeuchters ermöglicht eine sehr gute und gleichmäßige Verteilung der eingebrachten Gase und des in dampfförmiger Form eingebrachten Wassers in den Zuluftstrom zur Kathode, weil durch den Befeuchter ein vergleichsweise breiter Strömungsquerschnitt vorliegt, welcher nach dem Durchströmen der Membranen des Befeuchters eine vergleichsweise langsame und gleichmäßig über den Querschnitt verteilte Strömung aufweist. Durch das Einbringen der gasförmigen Stoffe in diesen Stoffstrom wird daher eine besonders gute Verteilung erreicht, was letztlich zu einer Verminderung der Gefahr des Eintrags von flüssigem Wasser in vergleichsweise hoher Menge an einzelnen punktuellen Stellen des Brennstoffzellenstapels führt.
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Über den Prallschutz wird außerdem dafür gesorgt, dass flüssiges Wasser nicht unmittelbar in den Bereich der Membranen des Befeuchters gelangt und diese zusetzt, da hierdurch das Problem der mit Wasser zugesetzten Membranen lediglich von der Brennstoffzelle auf den Befeuchter verlagert würde, was in der Praxis nicht erwünscht ist, da eine nicht ausreichende Befeuchtung für die Brennstoffzelle selbst ebenfalls schnell zu einem gravierenden Problem führen kann.
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In einer besonders günstigen Weiterbildung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems ist es darüber hinaus vorgesehen, dass zwischen der Mündung des Leitungselements und dem Gasaustritt aus dem Befeuchter ein Wasserablauf angeordnet ist. Ein solcher zusätzlicher Wasserablauf aus dem Befeuchter, und zwar zwischen der Mündung des Leitungselements und dem Gasaustritt aus dem Befeuchter, kann nun dafür sorgen, dass mitgerissenes Wasser durch den Wasserablauf ablaufen kann. Hierdurch wird die Gefahr, dass dieses Wasser inhomogen verteilt punktuell in den Brennstoffzellenstapel gelangt, noch weiter verringert, wodurch eine weitere Verbesserung hinsichtlich der eingangs geschilderten Problematik erzielt wird. In einer weiteren sehr günstigen Ausgestaltung hiervon kann es dabei vorgesehen sein, dass der Wasserablauf im bestimmungsgemäßen Einsatz in Richtung der Schwerkraft unten angeordnet ist. Eine solche Anordnung des Wasserablaufs unten sorgt dafür, dass durch die Schwerkraft das Wasser über den Wasserablauf abfließen kann. Dieser kann dann beispielsweise direkt mit der Kathodenabluft oder beispielsweise auch mit einem in der Kathodenabluft angeordneten Wasserabscheider in Verbindung stehen.
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In einer weiteren sehr günstigen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems kann es nun außerdem vorgesehen sein, dass das Leitungselement so in den Befeuchter mündet, dass die Strömung aus dem Leitungselement mit einer im bestimmungsgemäßen Einsatz in Richtung der Schwerkraft nach oben weisenden Richtungskomponente in den Befeuchter strömt. Ein solches Einströmen des Leitungselements, durch welchen der Wasser und/oder Gas in den Befeuchter gelangt, schräg nach oben unterstützt eine möglichst gleichmäßige Verteilung der gasförmigen Bestandteile in dem nach dem Durchströmen der Membranen des Befeuchters aufgefächerten Zuluftstrom zu dem Kathodenraum und erlaubt es im Gegenzug, das Wasser sich im unteren Bereich sammeln und beispielsweise durch den Wasserablauf, sofern dieser vorhanden ist, nach unten ablaufen kann.
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In einer weiteren sehr günstigen Ausgestaltung kann es nun außerdem vorgesehen sein, dass das Leitungselement so in den Befeuchter mündet, dass die Strömung aus dem Leitungselement in Richtung der Strömungsrichtung der aus dem Befeuchter abströmenden Zuluft in den Befeuchter strömt. Eine solche Einströmung mit einer Komponente in Strömungsrichtung zur Zuluftströmung aus dem Befeuchter ermöglicht ein Einbringen, welches einen geringen Druckverlust und wenig Störungen der Strömung in der Zuluftleitung bewirkt. Dies ist insbesondere für eine gleichmäßige Strömung, welche beispielsweise von einem Luftmassenstromsensor erfasst werden soll, von entscheidendem Vorteil. Außerdem sorgt es dafür, dass keine unnötig hohen Druckverluste auftreten, was im Hinblick auf die zur Förderung der Zuluft benötigte Leistung einen Vorteil darstellt. Es kann dabei insbesondere vorgesehen sein, dass die beiden zuletzt beschriebenen Varianten so miteinander kombiniert sind, dass das Leitungselement schräg nach oben mit einer Schräge in Strömungsrichtung in den Befeuchter mündet, sodass die beschriebenen Vorteile beide erzielt werden können.
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Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem erlaubt dabei einen dynamischen Betrieb, welcher immer bestmöglichst sicherstellt, dass eine Beeinträchtigung der Brennstoffzelle durch flüssiges Wasser, welches über das Leitungselement zum Kathodenraum gelangt, unterbunden wird. Hierdurch ist es insbesondere für ein Brennstoffzellensystem geeignet, welches hinsichtlich seiner Lastanforderungen hochdynamisch betrieben wird. Dies ist typischerweise bei Brennstoffzellensystemen der Fall, welche in Fahrzeugen zur Bereitstellung von elektrischer Antriebsleistung eingesetzt werden, da Fahrzeuge typischerweise mit einem hochdynamischen Leistungsbedarf betrieben werden. Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem kann also besonders bevorzugt in einem Fahrzeug zur Bereitstellung von elektrischer Antriebsleistung verwendet werden.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems sowie seiner Verwendung ergeben sich aus den restlichen abhängigen Unteransprüchen und werden anhand des Ausführungsbeispiels deutlich, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben ist.
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Dabei zeigen:
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1 ein prinzipmäßig angedeutetes Fahrzeug mit einem Brennstoffzellensystem; und
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2 eine mögliche Ausführungsform einer Mündung eines Leitungselements in einen Befeuchter in einem Brennstoffzellensystem gemäß der Erfindung.
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In der Darstellung der 1 ist ein Brennstoffzellensystem 1 prinzipmäßig angedeutet, welches in einem Fahrzeug 2 zur Bereitstellung von elektrischer Antriebsleistung eingesetzt sein soll. Das Brennstoffzellensystem 1 ist dabei lediglich mit den für die Erfindung relevanten Komponenten in der Darstellung der 1 angedeutet. Es kann weitere Komponenten und Ausgestaltungen aufweisen, welche dem Fachmann geläufig sind, und welche auch hier zum Einsatz kommen könnten.
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Den Kern des Brennstoffzellensystems 1 bildet eine Brennstoffzelle 3, welche als Stapel von Einzelzellen, als sogenannter Brennstoffzellenstack, aufgebaut ist. Jede der Einzelzellen umfasst dabei einen Anodenbereich, einen Kathodenbereich sowie eine Membran und einen Bereich für Kühlmittel. Rein beispielhaft sind in der Darstellung der 1 ein Kathodenraum 4, ein Anodenraum 5 sowie eine dazwischen angeordnete Membran 6 prinzipmäßig angedeutet. Dem Anodenraum 5 der Brennstoffzelle 3 wird Wasserstoff aus einem Druckgasspeicher 7 über ein Druckregel- und Dosierventil 8 zugeführt. Nicht verbrauchter Wasserstoff gelangt zusammen mit Inertgasen, welche durch die Membranen 6 vom Kathodenraum 4 in den Anodenraum 5 diffundiert sind und mit im Anodenraum 5 entstandenem Produktwasser, über eine Rezirkulationsleitung 9 eines sogenannten Anodenkreislaufs zurück zum Eingang des Anodenraums 5 und wird diesem vermischt mit frischem Wasserstoff erneut zugeführt. Um die Druckverluste in der Brennstoffzelle 3 bzw. dem Anodenraum 5 und der Rezirkulationsleitung 9 auszugleichen, ist in der Rezirkulationsleitung 9 eine Rezirkulationsfördereinrichtung 10 vorgesehen. Diese ist hier rein beispielhaft als Gebläse dargestellt. Neben einem solchen Wasserstoffrezirkulationsgebläse könnte die Rezirkulationsfördereinrichtung 10 auch als Gasstrahlpumpe ausgebildet sein, welche durch den frischen Wasserstoff nach dem Druckregel- und Dosierventil 8 angetrieben wird, um durch Unterdruck und Impulsaustausch den Gasstrom aus der Rezirkulationsleitung 9 entsprechend anzusaugen und in Richtung des Anodenraums 5 der Brennstoffzelle 3 zu fördern. Auch eine Kombination aus Gasstrahlpumpe und Gebläse als Rezirkulationsfördereinrichtung 10 ist bekannt und wäre hier möglich.
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Wie bereits erwähnt, werden durch die Rezirkulationsleitung 9 Wasser und inerte Gase transportiert. Das Wasser wird dabei in einem Wasserabscheider 11 in der Rezirkulationsleitung 9 abgeschieden, um zu verhindern, dass es in flüssiger Form in großer Menge zurück in den Anodenraum gelangt und dort die gasführenden Kanäle flutet, was zu einer erheblichen Beeinträchtigung der elektrochemischen Performance der Brennstoffzelle 3 führen könnte. Dieses Wasser wird, wie es aus dem Stand der Technik bekannt ist, zusammen mit Gas beispielsweise in Abhängigkeit des Füllstands des Wasserabscheiders 11 oder von Zeit zu Zeit aus dem Anodenkreislauf abgelassen, einerseits um das Wasser zu entfernen (der sogenannte Drain) und andererseits um Inertgase abzublasen (sogenannter Purge), um eine ausreichend hohe Wasserstoffkonzentration in dem Anodenkreislauf über die Dauer des Betriebs hinweg zu gewährleisten. Die abgelassenen Gase und das abgelassene Wasser, welche in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel über ein kombiniertes Purge/Drain-Ventil 12 abgelassen werden, gelangen über ein Leitungselement 13 in an sich bekannter Art und Weise in eine Zuluftleitung 14 zu dem Kathodenraum 4 der Brennstoffzelle 3. In den Gasen unvermeidlich immer enthaltener Wasserstoff wird dann am Katalysator des Kathodenraums 4 zusammen mit dem Sauerstoff aus der Luft umgesetzt, sodass Wasserstoffemissionen an die Umgebung sicher und zuverlässig verhindert werden können.
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Dem Kathodenraum 4 der Brennstoffzelle 3 wird nun wie bereits erwähnt Luft über die Zuluftleitung 14 als Sauerstofflieferant zugeführt. Hierfür dient eine Luftfördereinrichtung 15, welche beispielsweise als Strömungsverdichter ausgebildet sein kann. Die Luftfördereinrichtung 15 fördert einen Luftstrom durch die Zuluftleitung 14 und einen Befeuchter 16 zu dem Kathodenraum 4 der Brennstoffzelle 3. Im Befeuchter 16 wird die Luft dabei durch für Wasserdampf durchlässige Membranen 17 hindurch befeuchtet. Von den Membranen 17 ist dabei in der Darstellung der 1 lediglich eine beispielhaft angedeutet, analog zur prinzipmäßigen Darstellung der Brennstoffzelle 3. Die Abluft aus dem Kathodenraum 4 der Brennstoffzelle 3 strömt wiederum durch den Befeuchter 16 und dient in diesem auf der anderen Seite der Membranen 17 als Feuchtelieferant. Die in der Brennstoffzelle entstehende Feuchte in Form des Produktwassers wird so genutzt, um die über die Zuluftleitung 14 zu dem Kathodenraum 4 der Brennstoffzelle 3 strömende Zuluft zu befeuchten.
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In dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel ist außerdem in einer Abluftleitung 18 in Strömungsrichtung nach dem Befeuchter 16 ein Wasserabscheider 19 angeordnet, um Flüssigkeit aus der Abluft zu entfernen. Danach strömt die von flüssigen Tröpfchen befreite Abluft über eine Abluftturbine 20, welche zusammen mit einer elektrischen Maschine 21 auf derselben Welle wie die Luftfördereinrichtung 15 angeordnet ist. Dieser Aufbau dient dazu, dass die im Bereich der Abluftturbine 20 zurückgewonnene Energie in Form von Druck und Wärme aus der Abluft genutzt werden kann, um die Luftfördereinrichtung 15 mitanzutreiben. Der Aufbau ist aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt und wird als elektrischer Turbolader oder ETC (Electric Turbo Charger) bezeichnet.
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Nun ist es so, dass das Einbringen von Wasser und Gas über die Leitungselement 13 in die Zuluftleitung 14 gelegentlich zu Problemen führen kann, wenn es zu einer ungleichmäßigen Verteilung kommt und beispielsweise bei niedriger Last der Brennstoffzelle 3 und damit einhergehenden niedrigen Massenstrom der Luft in der Zuluftleitung 14 eine vergleichsweise hohe Menge an Wasser in die Zuluft eingebracht wird. Es kann dann zu einem Fluten einzelner Bereiche des Kathodenraums 4 mit dem Wasser kommen, was letztlich zu einem Abfall der Spannung in einzelnen Zellen des Brennstoffzellenstapels führt, sodass dieser die gewünschte Performance nicht liefern kann.
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Bei dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem ist es deshalb vorgesehen, dass das Leitungselement 13 auf der stromabwärts angeordneten Seite des Befeuchters 16 in diesen mündet. Dies ist in der Darstellung der 2 in einem möglichen Ausführungsbeispiel zu erkennen. Dabei sind in der Darstellung der 2 ein Teil der Membranen 17 des Befeuchters 16 sowie sein stromabwärts gewandtes Ende zu erkennen. Der Befeuchter 16 weist dabei einen größeren Querschnitt auf, als die Zuluftleitung 14 in Strömungsrichtung vor und, wie aus der 2 zu erkennen ist, nach dem Befeuchter. In das stromabwärts gewandte Ende des Befeuchters 16 mündet nun schräg von unten im bestimmungsgemäßen Einsatz das Leitungselement 13, über welches Wasser und Gas in den Zuluftstrom eingebracht wird. Über einen Prallschutz 22 wird verhindert, dass flüssige Tröpfchen unmittelbar in den Bereich der Membranen 17 des Befeuchters 16 gelangen. Das eingebrachte Gas und das eingebrachte Wasser kann sich so relativ gleichmäßig auf die nach der Durchströmung der Membranen 17 gleichmäßige und einen großen Strömungsquerschnitt und damit eine langsame Strömungsgeschwindigkeit aufweisende Gasströmung des Zuluftstroms aufteilen und wird gleichmäßig mit dieser vermischt in Richtung des Kathodenraums 14 strömen.
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Außerdem ist in dem hier dargestellten Aufbau in Richtung der Schwerkraft g unten ein Wasserablass 23 vorgesehen, welcher flüssiges Wasser, welches sich im Abströmbereich des Befeuchters 16 sammelt, aufnimmt und ableitet. Der Wasserablass 23 kann beispielsweise in die Abluftleitung 18 münden, insbesondere vor dem Wasserabscheider 19 oder in diesen, um die Abluftturbine 20 nicht mit flüssigen Tröpfchen zu belasten. Ist keine Abluftturbine 20 vorhanden, was bei alternativen Aufbauten des Brennstoffzellensystems 1 selbstverständlich auch denkbar ist, dann kann der Wasserablass 23 auch unmittelbar in die Abluft geleitet werden. Ebenso wäre es denkbar, den Wasserablass 23 beispielsweise direkt in die Umgebung abzuleiten, um so das Wasser in die Umgebung abzuführen.
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Der beschriebene Aufbau ermöglicht sehr einfach und effizient ein Einströmen von Wasser und Gas über das Leitungselement 13 in die Zuluftleitung 14 bzw. in die stromabwärts liegende Seite des Befeuchters 16 und erlaubt so ein Einbringen von Wasser und Gas in den Zuluftstrom, ohne dass die Gefahr besteht, dass Teile des Kathodenraums 4 mit dem Wasser geflutet und in ihrer Leistungsfähigkeit beeinträchtigt werden. Hierdurch wird es möglich, mit einer einzigen Leitung Wasser und Gas aus dem Anodenkreislauf abzulassen, ohne die Performance der Brennstoffzelle 3 zu gefährden. Der entscheidende Vorteil gegenüber einem Ablassen in die Abluft liegt dabei darin, dass durch das Ablassen in die Zuluftleitung 14 sichergestellt wird, dass keine Wasserstoffemissionen an die Umgebung entstehen, weil Wasserstoff, welcher unweigerlich immer auch über das Leitungselement 13 mit abströmt, an dem Katalysator des Kathodenraums 4 mit Sauerstoff zu Wasser oxidiert und damit nicht als schädliche Emission in die Umgebung gelangt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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