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Die Erfindung betrifft eine Luftaufbereitungsvorrichtung für ein Brennstoffzellensystem nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art. Außerdem betrifft die Erfindung die Verwendung einer derartigen Luftaufbereitungsvorrichtung.
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Brennstoffzellensystems sind aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. Sie können beispielsweise in Fahrzeugen eingesetzt werden, um elektrische Antriebsleistung zur Verfügung zu stellen. Von den heutigen Brennstoffzellensystemen, insbesondere von denen, die zur Bereitstellung von elektrischer Antriebsleistung in Fahrzeugen eingesetzt werden, haben die allermeisten eine sogenannte PEM-Brennstoffzelle, welche eine Protonenaustauschmembran aus Polymerwerkstoffen nutzt. Um diese vor einer Austrocknung zu schützen, was die Performance der Brennstoffzelle verschlechtern würde, ist im Allgemeinen eine Aufbereitung der der Brennstoffzelle als Sauerstofflieferant zugeführten Luft notwendig und üblich. Neben üblichen Aufbereitungsverfahren wie Filtern und Verdichten der Luft sind zur Bereitstellung der gewünschten Bedingungen in der Brennstoffzelle im Rahmen einer Luftaufbereitungsvorrichtung, einer sogenannten Air Processing Unit (APU), verschiedene Maßnahmen sinnvoll. Typischerweise umfassen die zur Aufbereitung der Luft eingesetzten Komponenten dabei zumindest einen Ladeluftkühler, um die nach dem Verdichten heiße Luft abzukühlen, da das Temperaturniveau der Brennstoffzelle typischerweise unter dem der verdichteten heißen Zuluft liegt. Sehr häufig sind außerdem Befeuchter sowie gegebenenfalls Flüssigkeitsabscheider zum Zurückhalten von Flüssigkeit vor der Brennstoffzelle in der Luftaufbereitungsvorrichtung vorgesehen. Flüssigkeit könnte, wenn sie in die Brennstoffzelle eindringt, dort die Gasverteilungskanäle innerhalb der Brennstoffzelle unerwünscht blockieren. Ein weiteres sehr häufig anzutreffendes Teil der Luftaufbereitungsvorrichtung kann auch ein Luftmassenmesser bzw. ein Luftmassenstrommesser sein, welcher die der Brennstoffzelle zugeleitete Menge an Luft bestimmt, um so das die Brennstoffzelle aufweisende Brennstoffzellensystem ideal steuern zu können.
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Die Komponenten der Luftaufbereitungsvorrichtung werden gemäß dem allgemeinen Stand der Technik typischerweise an einem Rahmen oder einer Tragstruktur einzeln befestigt und untereinander mit entsprechenden Leitungselementen wie Schläuchen oder Rohren verbunden. Dies ist sehr aufwändig, benötigt viele Bauteile und viele Schnittstellen. Außerdem entsteht ein vergleichsweise hoher Platzbedarf und hohe Bauteiltoleranzen innerhalb der Luftaufbereitungsvorrichtung, sodass das Toleranzkonzept entsprechend unsicher ist. Ein weiterer Nachteil muss im vergleichsweise hohen Gewicht und Montageaufwand gesehen werden.
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Die
WO 2010/028664 A1 schlägt deshalb einen Aufbau vor, welcher eine Integration von verschiedenen Komponenten des Brennstoffzellensystems zu einer Baueinheit beschreibt. Unter anderem ist dabei eine Integration von Ladeluftkühler und Befeuchter beschrieben. Der Aufbau ist dann in der Lage, auf die zusätzlichen Leitungselemente zwischen den Komponenten zu verzichten. Hierdurch lässt sich der Aufwand hinsichtlich der Leitungselemente und der Bauraumbedarf deutlich verbessern. Weiterhin ist eine in der
WO 2010/028664 A1 nicht gezeigte und erwähnte Tragstruktur notwendig, um die miteinander zu einer Baueinheit integrierten Komponenten entsprechend aufzunehmen und mechanisch zu tragen bzw. zu stützen, und sie, beispielsweise im Motorraum eines Fahrzeugs zu lagern. Je nach Anzahl der untereinander zu einer Baueinheit zusammengeführten Einzelkomponenten wird dies entsprechend aufwändig, sodass ein Teil der Vorteile durch die Notwendigkeit einer komplexen Tragstruktur zur Aufnahme der integrierten Bauteile wieder aufgezehrt wird.
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Aus dem weiteren allgemeinen Stand der Technik in Form der
DE 10 2009 043 565 A1 ist nun außerdem eine Medienversorgungsvorrichtung für ein Brennstoffzellensystem bekannt, welche so ausgebildet ist, dass insbesondere ein Verdichter, sein Antriebsmotor sowie in Strömungsrichtung davor und danach ein Schalldämpfer in ein selbsttragendes Gehäuse integriert sind. Dieses selbsttragende schalldämmende Gehäuse übernimmt also einerseits die Einhausung der Komponenten und andererseits ihre mechanische Aufnahme bzw. Lagerung.
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Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, die oben beschriebene Integration von wenigstens zwei Komponenten einer Luftaufbereitungsvorrichtung für ein Brennstoffzellensystem dahingehend zu verbessern, dass die genannten Nachteile vermieden werden.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Luftaufbereitungsvorrichtung mit den Merkmalen im Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den abhängigen Unteransprüchen.
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Bei der erfindungsgemäß aufgebauten Luftaufbereitungsvorrichtung ist es vorgesehen, dass wenigstens zwei der Komponenten der Luftaufbereitungsvorrichtung zu einer Baueinheit integriert sind. Gleichzeitig ist diese Baueinheit erfindungsgemäß als selbsttragende Baueinheit ausgebildet. Eine aufwändige Aufnahme und Lagerung der Komponenten ist damit nicht mehr notwendig, was einen erheblichen Vorteil darstellt. Neben einer sehr einfachen und effizienten Montage und Abdichtung der Schnittstellen für die Gas- und Flüssigkeitsströme entsteht so eine selbsttragende Baueinheit, welche sehr effizient hinsichtlich der Montage, des Bauraums und des Gewichts ist.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Luftaufbereitungsvorrichtung kann es nun außerdem vorgesehen sein, dass die Funktion des Ladeluftkühlers zumindest teilweise in den Befeuchter oder einen Teil des Befeuchters und/oder den Flüssigkeitsabscheider integriert ist. Bei der Verwendung von Befeuchter und Ladeluftkühler bzw. Ladeluftkühler und Flüssigkeitsabscheider ist es möglich, die Funktion oder einen Teil der Funktion des Ladeluftkühlers in diese Komponenten zu integrieren. So kann beispielsweise ein Teil des Ladeluftkühlers in einem Befeuchterdeckel realisiert werden und/oder in einem Wasserabscheider. Hierdurch wird weiterer Bauraum eingespart, indem die Funktion einer Komponente teilweise in eine andere Komponente verlagert wird. Hierdurch kann die Komponente, deren Funktion verlagert wird, entweder ganz eingespart oder in ihrem Bauvolumen deutlich verkleinert werden.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Luftaufbereitungsvorrichtung kann es nun ferner vorgesehen sein, dass der Befeuchter mit einem Befeuchterdeckel versehen ist, in welchem zumindest ein Teil der Funktionalität des Ladeluftkühlers und/oder des Luftmassenmessers integriert ist. Der Ladeluftkühler kann wie bereits erwähnt in den Befeuchter integriert oder zumindest teilweise in diesem vorgesehen sein. Hiefür bietet sich insbesondere ein typischerweise ohnehin notwendiger Befeuchterdeckel an, welcher diese zusätzlichen Funktionalitäten mit aufnehmen kann. Ein Luftmassenstrommesser benötigt meist eine gewisse Strömungsstrecke, um den Luftmassenstrom soweit zu beruhigen, dass dieser zuverlässig gemessen werden kann. Insbesondere diese Strecke lässt sich beispielsweise in den Befeuchterdeckel integrieren, sodass nach einer gewissen Strömungsstrecke im Befeuchterdeckel der eigentliche Sensor für die Luftmassenstrommessung integriert wird. Hierdurch werden ebenfalls Bauraum und Schnittstellen eingespart.
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Eine weitere sehr günstige Variante der erfindungsgemäßen Luftaufbereitungsvorrichtung kann es nun ferner vorsehen, dass die selbsttragende integrierte Baueinheit als Versteifungselement eines Brennstoffzellensystems, in welchem die Luftaufbereitungsvorrichtung ein Subsystem ist, oder eines dieses Brennstoffzellensystem aufnehmenden Raums dient. Die selbsttragende Baueinheit kann also als Versteifungselement innerhalb des Brennstoffzellensystems oder auch als Versteifungselement eines Raums, in dem das Brennstoffzellensystem angeordnet ist, dienen. Beispielsweise beim bevorzugten Einsatz eines solchen Brennstoffzellensystems in einem Fahrzeug kann die selbsttragende Baueinheit als Versteifungselement, beispielsweise des Motorraums dienen, wenn das Brennstoffzellensystem in diesem Motorraum platziert wird. Hierdurch lassen sich zusätzlich zu den Tragstrukturen und Elementen des Brennstoffzellensystems weitere Tragstrukturen beispielsweise im Bereich der Fahrzeugkarosserie einsparen, da durch die als Versteifungselement genutzte selbsttragende Baueinheit diese Funktionalität mit übernommen werden kann.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Luftaufbereitungsvorrichtung kann es ferner vorgesehen sein, dass weitere Systemkomponenten des Brennstoffzellensystems an das selbsttragende Baueinheit als Tragstruktur angebaut sind. Die selbsttragende Baueinheit kann also zusätzlich weitere Komponenten des Brennstoffzellensystems aufnehmen, beispielsweise einen Luftfilter oder einen andersartigen Filter beispielsweise für Kühlflüssigkeit eines Ladeluftkühlers, Abdeckelemente, Drosselklappen, Leitungen, Schläuche, Ventile oder dergleichen. Durch ihr Anbringen an die selbsttragende Baueinheit der Luftaufbereitungsvorrichtung als Tragstruktur wird der Aufwand hinsichtlich des Gewichts und des Bauraums noch weiter minimiert und es kann ein sehr kompaktes Brennstoffzellensystem unter Verwendung dieser besonderen und vorteilhaften Weiterbildung der Luftaufbereitungsvorrichtung realisiert werden.
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Wie bereits mehrfach erwähnt kann die erfindungsgemäße Luftaufbereitungsvorrichtung für ein Brennstoffzellensystem idealerweise in einem Brennstoffzellensystem eingesetzt werden, welches in einem Fahrzeug zur Bereitstellung zumindest eines Teils der Antriebsleistung eingesetzt wird. In diesem Anwendungsumfeld lassen sich die Vorteile der erfindungsgemäßen Luftaufbereitungsvorrichtung ideal nutzen, da insbesondere bei Fahrzeugen Vorteile hinsichtlich Bauraum, Gewicht sowie einfacher Montage und Demontage von besonderer Bedeutung sind.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Luftaufbereitungsvorrichtung ergeben sich außerdem aus dem Ausführungsbeispiel, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figur näher beschrieben ist.
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Die einzige beigefügte Figur zeigt dabei ein prinzipmäßig angedeutetes Fahrzeug mit einem Brennstoffzellensystem.
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In der Darstellung der Figur ist ein Fahrzeug 1 sehr stark schematisiert angedeutet. Das Fahrzeug 1 soll über ein mit 2 bezeichnetes sehr stark vereinfacht dargestelltes Brennstoffzellensystem mit elektrischer Antriebsleistung versorgt werden. Den Kern des Brennstoffzellensystems 2 bildet eine Brennstoffzelle 3, welche als sogenannte PEM-Brennstoffzelle in Form eines Stapels von Einzelzellen aufgebaut ist. Dieser auch als Brennstoffzellenstack bezeichnete Aufbau umfasst in der beispielhaften Darstellung einen gemeinsamen Anodenraum 4 sowie einen gemeinsamen Kathodenraum 5. Der Anodenraum 4 wird mit Wasserstoff aus einem Druckgasspeicher 6 versorgt, welcher über ein Druckregel- und Dosierventil 7 zu dem Anodenraum 4 strömt. Unverbrauchter Wasserstoff gelangt in dem hier dargestellten sehr stark vereinfachten Ausführungsbeispiel aus dem Brennstoffzellensystem 2. Dem Fachmann ist klar, dass dieser Aufbau schematisch dargestellt ist. Genauso gut könnte er über einen sogenannten Anodenkreislauf oder eine entsprechende Nachverbrennung von Restwasserstoff verfügen. Dies ist für die hier vorliegende Erfindung jedoch von untergeordneter Bedeutung, sodass auf eine entsprechende Darstellung verzichtet worden ist.
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Dem Kathodenraum 5 wird Luft als Sauerstofflieferant über eine Luftfördereinrichtung 8 zugeführt. Diese Luftfördereinrichtung 8 kann beispielsweise als Strömungsverdichter ausgebildet sein. Sie saugt die Luft aus der Umgebung des Fahrzeugs 1 über einen Luftfilter 9 an und fördert die Luft dann zu einer Luftaufbereitungsvorrichtung 10. In dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel besteht diese Luftaufbereitungsvorrichtung 10 aus einem Ladeluftkühler 11, welcher beispielsweise von einem Kühlmedium zur Abkühlung der heißen verdichteten Zuluft zu der Brennstoffzelle 3 durchströmt wird. Dies ist lediglich durch Leitungen 12 für das flüssige Kühlmedium in der Darstellung der Figur prinzipmäßig angedeutet. Im Anschluss an den Ladeluftkühler 11 befindet sich ein Luftmassenstromsensor 13, an welchen sich dann ein Befeuchter 14 anschließt. Dieser Befeuchter 14 soll insbesondere als Gas/Gas-Befeuchter ausgebildet sein. Er wird von der nach dem Ladeluftkühler 11 abgekühlten trockenen Luft auf der einen Seite durchströmt und auf der anderen Seite, durch für die Luft undurchlässige aber für Wasserdampf durchlässige Membranen von dieser Luft getrennt, von feuchter Abluft aus dem Kathodenraum 5, welche nach dem Befeuchter in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel über eine Abluftleitung 15 in die Umgebung des Fahrzeugs 1 abströmt. Genauso gut wäre hier eine Turbine zur Rückgewinnung von Energie aus der Abluft denkbar und ist dem Fachmann geläufig. Für die hier vorliegende Erfindung hat auch dies eine untergeordnete Bedeutung, sodass auf eine entsprechende Darstellung verzichtet worden ist. Im Anschluss an den Befeuchter 14 ist ein Flüssigkeitsabscheider bzw. Wasserabscheider 16 angeordnet, welcher verhindert, dass Flüssigkeit in den Kathodenraum 5 gelangt und dort eventuell Leitungen zur Verteilung der Gase blockieren kann.
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Der Aufbau der Luftaufbereitungsvorrichtung 10 mit Ladeluftkühler 11, Luftmassenstromsensor 13, Befeuchter 14 und Flüssigkeitsabscheider 16 ist in dem hier dargestellten Beispiel als eine einzige integrierte selbsttragende Baueinheit ausgeführt. Dieser Aufbau ermöglicht einerseits die Integration aller relevanten Schnittstellen für Flüssigkeiten und Gase in die Luftaufbereitungsvorrichtung 10 und erlaubt andererseits diese als tragendes Teil des Brennstoffzellensystems 2 und gegebenenfalls des Fahrzeugs 1 mit auszugestalten, sodass auf weitere Tragstrukturen verzichtet werden kann.
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Anders als in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel angedeutet, können dabei ferner verschiedene Funktionalitäten der einzelnen Komponenten 11, 13, 14, 16 ineinander integriert werden, beispielsweise kann die Funktionalität des Ladeluftkühlers 11 teilweise in den Befeuchter 14 und/oder den Flüssigkeitsabscheider 16 integriert werden oder der Luftmassenstromsensor 13 kann in den Befeuchter 14 mit integriert werden. Neben der Kühlung des Ladeluftkühlers 11 mit flüssigem Kühlmedium, wie hier angedeutet, wäre auch eine Kühlung mit der Abluft aus dem Kathodenraum 5 denkbar. Auch eine Kombination ist denkbar, beispielsweise indem der Flüssigkeitsabscheider 16, wenn er als Teil des Ladeluftkühlers 11 ausgebildet ist, mit dem flüssigen Kühlmedium 12 in Verbindung steht, während ein anderer Teil der Kühlung des verdichteten Luftstroms – beispielsweise im Bereich des Befeuchters 14 – durch die Abluft aus dem Kathodenraum 5 erfolgt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2010/028664 A1 [0004, 0004]
- DE 102009043565 A1 [0005]
