DE102014002044A1

DE102014002044A1 - Fahrzeug mit einem Brennstoffzellensystem

Info

Publication number: DE102014002044A1
Application number: DE102014002044.4A
Authority: DE
Inventors: Yun Zhang
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2014-02-13
Filing date: 2014-02-13
Publication date: 2015-08-13

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Fahrzeug (1) mit einem Brennstoffzellensystem (2) und einem Innenraumheizkreislauf (13), wobei das Brennstoffzellensystem (2) wenigstens eine Brennstoffzelle (3) mit einem Kathodenraum (5) und einem Anodenraum (4) aufweist, wobei die Abluft aus dem Kathodenraum (5) über einen Wärmetauscher (12) in die Umgebung strömt, und wobei der Wärmetauscher (12) außerdem von einem Heizungsmedium des Innenraumheizkreislauf (13) durchströmt ist. Das erfindungsgemäße Fahrzeug ist dadurch gekennzeichnet, dass die Abluft in Strömungsrichtung vor und/oder nach dem Wärmetauscher einen Wasserabscheider (11) durchströmt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Fahrzeug mit einem Brennstoffzellensystem und einem Innenraumheizkreislauf, insbesondere soll das Fahrzeug als Nutzfahrzeug oder Omnibus ausgebildet sein.
Problematisch insbesondere bei Omnibussen, bei denen das Brennstoffzellensystem häufig auf dem Dach angeordnet wird, ist die Abgabe von Wasserdampf in die Umgebung. Wird der Wasserdampf beispielsweise im hinteren Bereich des Brennstoffzellensystems an die Umgebung abgegeben, so kann es zu einer erheblichen Dampfbildung kommen, insbesondere bei niedrigen Umgebungstemperaturen. In der Praxis bedeutet dies, dass im Winter die Bereiche, in denen die mit Wasserdampf beladene Abluft an die Umgebung abgegeben wird, vereisen können, was höchst unerwünscht ist und gegebenenfalls auch die Sicherheit beeinträchtigen kann.
Aus dem Stand der Technik in Form der US 2008/0152976 ist ein Brennstoffzellensystem bekannt, bei dem die Kühlung der Brennstoffzelle und die Temperierung des Innenraums eines mit dem Brennstoffzellensystem ausgestatteten Fahrzeugs miteinander gekoppelt ist. Der Aufbau sieht es dabei vor, dass die Abluft aus dem Brennstoffzellensystem durch einen Wärmetauscher strömt, welcher in wärmetauschendem Kontakt mit dem Heizungsmedium, in diesem Fall mit dem Klimamittel einer Klimaanlage, steht. Der Aufbau kann einerseits zur Beheizung des Innenraums eingesetzt werden, indem Wärme aus dem Brennstoffzellensystem dem Innenraum direkt zugeführt wird, wozu ein Kühlmittelkreislauf des Brennstoffzellensystems in wärmetauschender Verbindung zur dem Innenraum zugeführten Luft steht. Andererseits kann über den Klimakreislauf Wärme aus der Abluft des Brennstoffzellensystems genutzt werden, um zusätzliche Wärme zur Beheizung des Innenraums zu generieren. Die Art der Abgabe von Wasserdampf an die Umgebung spielt dabei bei den Überlegungen der genannten US-Veröffentlichung jedoch keine Rolle.
Außerdem ist ein Kühlbetrieb beschrieben, bei dem über die Klimaanlage sowohl die Brennstoffzelle als auch der Innenraum des Fahrzeugs gekühlt werden kann.
Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, dieser eingangs genannten Problematik abzuhelfen.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Fahrzeug mit den Merkmalen im Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Idee ergeben sich aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen.
Bei dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem in dem Fahrzeug ist es vorgesehen, dass dieses, ähnlich wie der Aufbau in dem zuerst genannten Stand der Technik, so ausgebildet ist, dass ein Wärmetauscher zwischen der Abluft und dem Heizungsmedium eines Innenraumheizkreislaufs angeordnet ist. Dies ermöglicht die Übertragung von Wärme aus der Abluft auf das Heizungsmedium. Dies ist insbesondere im Winterbetrieb von Vorteil, da hier einerseits ein höherer Heizbedarf für den Innenraum besteht, und da andererseits genau in diesen Betriebssituationen die Abgabe von Wasserdampf an die Umgebung möglichst verhindert oder auf ein absolutes Minimum begrenzt werden sollte. Durch die Abgabe von Wärme aus der mit Wasserdampf beladenen Abluft an das Heizungsmedium resultiert eine hohe Kondensation von Wasserdampf, sodass einerseits die Kondensationswärme dem Heizungsmedium zur Verfügung gestellt werden kann, und dass außerdem der größte Teil des in der Abluft befindlichen Wasserdampfs auskondensiert und anschließend in flüssiger Form vorliegt. Vor und/oder nach, insbesondere vor und nach dem Wärmetauscher, ist wenigstens ein Wasserabscheider angeordnet, welcher von der Abluft durchströmt wird. Dieser Wasserabscheider ermöglicht in an sich bekannter Art und Weise, wobei alle aus dem allgemeinen Stand der Technik denkbaren Aufbauten von Wasserabscheider hier eingesetzt werden können, dass Wasser aus der Abluft entfernt wird. Die Abluft gelangt dann weitgehend frei von flüssigem Wasser und weitgehend frei von Wasserdampf, welcher zuvor auskondensiert und in den Wasserabscheidern aus der Abluft entfernt worden ist, in die Umgebung. Die Problematik, dass Wasserdampf in der Umgebung kondensiert und beispielsweise an den Scheiben oder in der Umgebung festfriert, ist damit gebannt. Zusätzlich wird die anfallende Kondensationswärme der Innenraumheizung zur Verfügung gestellt, sodass diese besonders energieeffizient funktionieren kann.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Fahrzeugs ist es nun so, dass das Heizungsmedium als Wärmeträgermedium ausgebildet ist, welches im Innenraumheizkreislauf seinen Aggregatzustand durchgehend beibehält. Ein solches Heizungsmedium kann insbesondere ein Gemisch von Wasser und von einem Frostschutzzusatz sein. Anders als das Klimamittel bei dem Aufbau gemäß dem genannten Stand der Technik wird hier also ein sehr einfacher Innenraumheizkreislauf mit einem Wärmeträgermedium, beispielsweise Wasser, eingesetzt. Der Aufbau ist sehr viel einfacher als der im Stand der Technik beschriebene Aufbau, welcher eine eigene Klimatisierungseinrichtung mit Kompressor und Entspannungseinrichtung benötigt. Der Aufbau kann daher effizienter realisiert werden. Er funktioniert insbesondere im Winterbetrieb, wenn Heizenergie im Inneren des Fahrzeugs benötigt wird, hervorragend, in anderen Betriebssituationen ist typischerweise die Umgebung des Fahrzeugs so warm, dass ein Auskondensieren der gesamten Wassermenge in der Abluft gar nicht notwendig ist, weil ein festfrieren von eventuellem Wasserdampf in der Umgebung des Brennstoffzellensystems bzw. des Fahrzeugs gar nicht befürchtet werden muss.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Fahrzeugs ergeben sich aus dem Ausführungsbeispiel, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben ist.
Dabei zeigen:
1 eine Prinzipdarstellung eines Fahrzeugs mit einem Brennstoffzellensystem; und
2 ein Detail des Brennstoffzellensystems in einer möglichen erfindungsgemäßen Ausführungsform des Fahrzeugs.
In der Darstellung der 1 ist sehr stark schematisiert ein Fahrzeug 1 dargestellt, welches in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel als Nutzfahrzeug, insbesondere als Omnibus ausgebildet sein soll. Das Fahrzeug 1 wird zumindest teilweise elektrisch angetrieben, wofür elektrische Antriebsleistung von einem Brennstoffzellensystem 2 bereitgestellt wird, welches in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel auf dem Dach des Fahrzeugs 1 angeordnet ist. Den Kern des Brennstoffzellensystems 2 bildet eine Brennstoffzelle 3, welche typischerweise als Stapel von Einzelzellen beispielsweise in PEM-Technologie aufgebaut ist. Insbesondere das Brennstoffzellensystem 2 für einen Omnibus kann dabei auch mehrere derartige Brennstoffzellenstapel umfassen, um die benötigte elektrische Leistung bereitstellen zu können.
Rein beispielhaft sind in der schematischen Darstellung der 1 ein Anodenraum 4 und ein Kathodenraum 5 einer einzigen beispielhaften Brennstoffzelle 3 exemplarisch dargestellt. Der Anodenraum 4 wird mit Wasserstoff beispielsweise aus einem Druckgasspeicher 6 über ein Druckregel- und Dosierventil 7 versorgt. In dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel gelangt nicht verbrauchter Restwasserstoff zusammen mit der Abluft aus dem Brennstoffzellensystem in die Umgebung. Alternative Aufbauten sind hier denkbar und dem Fachmann geläufig. Für die hier vorliegende Erfindung ist dies von untergeordneter Bedeutung, sodass lediglich dieser eine Aufbau beispielhaft dargestellt ist.
Dem Kathodenraum 5 der Brennstoffzelle 3 wird Luft über eine Luftfördereinrichtung 8 als Sauerstofflieferant zugeführt. Der Sauerstoff in der Luft wird zusammen mit dem Wasserstoff in der Brennstoffzelle 3 zu elektrischer Leistung und Produktwasser umgesetzt. Die Abluft aus der Brennstoffzelle 3 gelangt über eine mit 9 bezeichnete Abluftleitung in die Umgebung, in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel an dem in Fahrtrichtung F hinteren Ende des Fahrzeugs 1. Dieser Aufbau entspricht soweit dem Stand der Technik und führt insbesondere im Winterbetrieb häufig dazu, dass Wasserdampf im Bereich des Austritts 10 aus der Abluftleitung 9 auskondensiert und beispielsweise im Bereich der Heckscheibe des Fahrzeugs 1 festfriert. Es ist auch denkbar, dass der Wasserdampf im Bereich der Umgebung auskondensiert und beispielsweise auf der Straße festfriert. Sowohl das Zufrieren der Heckscheibe und die damit einhergehende Sichtbeeinträchtigung als auch das Festfrieren von kondensiertem Wasser auf der Straße kann ein erhebliches Sicherheitsrisiko darstellen und ist, was das Zufrieren der Heckscheibe angeht, eine Komforteinbuße für den Nutzer des Fahrzeugs 1.
Um dieser Problematik abzuhelfen ist daher in der Darstellung der 2 ein mögliches Detail eines erfindungsgemäßen Aufbaus des Fahrzeugs 1 dargestellt. Die Abluftleitung 9 weist in dem dargestellten Ausführungsbeispiel einen Wasserabscheider 11 auf, welcher in Strömungsrichtung vor einem Wärmetauscher 12 angeordnet ist. Der Wärmetauscher 12 wird von der Abluft nach dem Wasserabscheider 11 einerseits und von einem Heizungsmedium in einem Innenraumheizkreislauf 13 andererseits durchströmt. Wärme wird also an das Heizungsmedium, typischerweise ein Wasserfrostschutzgemisch, des Innenraumheizkreislaufs 13 abgegeben. Über eine Heizungspumpe 14 wird das Heizungsmedium umgepumpt und die Wärme kann dann zur Beheizung des Innenraums des Fahrzeugs 1 eingesetzt werden. Die Abluft, in welcher im Bereich des Wärmetauschers 12 weiteres Wasser auskondensiert ist, gelangt zurück zu dem Wasserabscheider 11, oder, je nach Bauart, auch zu einem zweiten Wasserabscheider. Erst dann gelangt die Abluft an die Umgebung, sodass sichergestellt ist, dass der annähernd größte Teil des Wasserdampfs auskondensiert ist und durch die Wasserabscheider 11 abgeschieden ist. Der oder die Wasserabscheider 11 sind so aufgebaut, dass sich das auskondensierte Wasser in einem Kondensatspeicher 15 sammelt, um dann beispielsweise gezielt abgelassen zu werden, wenn keine Gefährdung vorliegt. Dies kann beispielsweise nach Schichtende in einem Depot erfolgen, wobei die Größe des Kondensatspeichers 15 selbstverständlich der täglichen Betriebsdauer des Fahrzeugs 1 angepasst sein muss.
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 2008/0152976 [0003]

Claims

Fahrzeug (1) mit einem Brennstoffzellensystem (2) und einem Innenraumheizkreislauf (13), wobei das Brennstoffzellensystem (2) wenigstens eine Brennstoffzelle (3) mit einem Kathodenraum (5) und einem Anodenraum (4) aufweist, wobei die Abluft aus dem Kathodenraum (5) über einen Wärmetauscher (12) in die Umgebung strömt, und wobei der Wärmetauscher (12) außerdem von einem Heizungsmedium des Innenraumheizkreislauf (13) durchströmt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Abluft in Strömungsrichtung vor und/oder nach dem Wärmetauscher einen Wasserabscheider (11) durchströmt.
Fahrzeug (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizungsmedium als Wärmeträgermedium ausgebildet ist, welches in dem Innenraumheizkreislauf (13) seinen Aggregatszustand durchgehend beibehält.
Fahrzeug (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizungsmedium Wasser und ein Frostschutzmittel aufweist.
Fahrzeug (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Wasserabscheider (11) in Strömungsrichtung vor und nach dem Wärmetauscher (12) angeordnet ist.
Fahrzeug (1) gekennzeichnet durch seine Ausbildung als Nutzfahrzeug, insbesondere als Omnibus.