DE102014220501A1

DE102014220501A1 - Flüssigkeitsspeichersystem zur Speicherung einer Flüssigkeit, Brennstoffzellensystem sowie Betriebsverfahren für ein Kraftfahrzeug mit einem Brennstoffzellensystem

Info

Publication number: DE102014220501A1
Application number: DE102014220501.8A
Authority: DE
Inventors: Marc Becker; Max Eschenbach; Stefan Kreitmeier
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2014-10-09
Filing date: 2014-10-09
Publication date: 2016-04-14

Abstract

Die offenbarte Technologie betrifft ein Flüssigkeitspeichersystem 100 zur Speicherung einer Flüssigkeit F, ein Brennstoffzellensystem 400 sowie ein Betriebsverfahren für ein Brennstoffzellensystem. Das Brennstoffzellensystem umfasst: 1) mindestens eine Brennstoffzelle 410, 2) mindestens ein Flüssigkeitsspeichersystem 100, und 3) mindestens einen Einlass 200, der geeignet ist, die im Flüssigkeitsspeichersystem 100 gespeicherte Flüssigkeit F in eine Brennstoffzellen-Zufuhr 412 der Brennstoffzelle 410 einzubringen.

Description

Die hier offenbarte Technologie betrifft ein Flüssigkeitsspeichersystem, ein Brennstoffzellensystem sowie ein Betriebsverfahren für ein Kraftfahrzeug mit einem Brennstoffzellensystem.
Aus dem Stand der Technik sind bspw. Brennstoffzellensysteme bekannt, bei denen ein flüssiges Medium, z. B. Wasser, in eine Zuführleitung eingebracht wird, durch welche der Oxidationsmittelstrom (z. B. Luft) zur Kathode gelangt. Dadurch lässt sich die Feuchtigkeit in der Brennstoffzelle erhöhen, was bspw. zu einer bessere Leistung und einen besseren Wirkungsgrad führt. In die Brennstoffzelle eintretendes Flüssigwasser kann jedoch die Brennstoffzellen blockieren. Dies kann bspw. zu einer geringeren Leistung bzw. einem geringeren Wirkungsgrad der Brennstoffzelle führen. Um dies zu vermeiden wird die maximale Einspritzmenge bei vorbekannten Lösungen so gewählt, dass die eingespritzte Menge an Wasser mit Sicherheit verdampft bzw. verdunstet. Wird das Strömungsfluid jedoch nicht vollständig beladen, so muss evtl. die Brennstoffzelle aufgrund einer zu hohen Betriebstemperatur und/oder einem zu niedrigen Wassergehalt in der Elektrolytmembran bei geringerer Leistung oder mit einem schlechteren Wirkungsgrad betrieben werden.
Die WO 10046028 A1 offenbart ein Befeuchtungssystem mit einer Dosiereinrichtung. Stromab der Dosiereinrichtung sind ein Kontaktbefeuchter und ein Membranbefeuchter vorgesehen. Bei diesem zweistufigen Befeuchtungsverfahren wird nur so viel flüssiges Medium eingebracht, dass das eingebrachte flüssige Medium vollständig verdampfen kann. Die restliche Feuchte wird von den nachgeschalteten Befeuchtern bereitgestellt. Dieses System ist vergleichsweise groß und kostenintensiv. Ohne die nachgelagerten Befeuchter wäre nicht sichergestellt, dass tatsächlich das flüssige Medium vollständig in die Dampfphase übertritt, und dass es nicht zum Überdosieren kommt. Das einbringbare flüssige Medium ist dabei durch eine Heizeinrichtung temperierbar, wobei sich die Temperierung negativ auf die Effizienz des Brennstoffzellensystems auswirken kann.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, den/die Nachteil(e) der vorbekannten Lösungen zu reduzieren bzw. zu beheben. Es ist bspw. eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, möglichst energieeffizient unter Verwendung von möglichst wenig Bauraum eine möglichst kostengünstige Befeuchtung der Brennstoffzelle bereit zu stellen, insbesondere so, dass diese auch bei hohen Leistungen effizient betrieben werden kann. Ferner ist es eine bevorzugte Aufgabe der hier offenbarten Technologie, ein System und ein Verfahren bereit zu stellen, bei dem die Befeuchtung schnell und effizient ausgeführt werden kann. Die Aufgabe(n) der hier offenbarten Technologie wird/werden gelöst durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche. Die abhängigen Patentansprüche stellen bevorzugte Ausgestaltungen dar.
Die hier offenbarte Technologie betrifft ein Brennstoffzellensystem mit mindestens einer Brennstoffzelle. Eine Brennstoffzelle umfasst eine Anode und eine Kathode, die insbesondere durch einen ionenselektiven Separator getrennt sind. Die Anode weist eine Zufuhr für einen Brennstoff zur Anode auf. Mit anderen Worten ist die Anode beim Betrieb des Brennstoffzellensystems in Fluidverbindung mit einem Brennstoffreservoir. Bevorzugte Brennstoffe für das Brennstoffzellensystem sind: Wasserstoff, niedrigmolekularer Alkohol, Biokraftstoffe, oder verflüssigtes Erdgas. Die Kathode weist beispielsweise eine Zufuhr für Oxidationsmittel auf. Bevorzugte Oxidationsmittel sind bspw. Luft, Wasserstoff und Peroxide. Der ionenselektive Separator kann bspw. als Protonenaustauschmembran (proton exchange membrane, PEM) ausgebildet sein. Bevorzugt kommt eine kationenselektive Polymerelektrolytmembran zum Einsatz. Materialien für eine solche Membran sind: Nafion^®, Flemion^® und Aciplex^®.
Ein Brennstoffzellensystem gemäß der hier offenbarten Technologie umfasst ferner periphere Systemkomponenten, auch Balance-of-Plant-Komponenten bzw. BOP-Komponenten genannt, die beim Betrieb der mindestens einen Brennstoffzelle zum Einsatz kommen können. Es wird hier teilweise vereinfachend ein System mit einer Brennstoffzelle diskutiert. Sofern eine Systemkomponente nachstehend in der Einzahl angeführt ist, soll die Mehrzahl ebenfalls mit umfasst sein. Beispielsweise kann eine Mehrzahl an Brennstoffzellen und teilweise eine Mehrzahl an BOP-Komponenten vorgesehen sein. Eine Mehrzahl an Brennstoffzellen ist in der Regel zu einem Brennstoffzellenstapel oder Stack zusammengefasst.
Die hier offenbarte Technologie betrifft ferner ein Flüssigkeitsspeichersystem zur Speicherung einer Flüssigkeit, insbesondere für das hier offenbarte Brennstoffzellensystem. Das Flüssigkeitsspeichersystem umfasst mindestens einen Behälter und mindestens eine Heizvorrichtung.
Der Behälter ist geeignet, die Flüssigkeit unter einem Druck zu speichern, der größer ist als der Druck in einem Bereich einer Brennstoffzelle-Zufuhr, in dem die Flüssigkeit eingebracht wird. Die Brennstoffzelle-Zufuhr zu der Brennstoffzelle kann bspw. eine Zufuhr zur Anode oder eine Zufuhr zur Kathode sein. Mit anderen Worten ist der Behälter geeignet, einen Druck auszuhalten, der höher ist als der Druck in einem Bereich der Anodenzuleitung und/oder der Kathodenzuleitung, indem die Flüssigkeit in die entsprechende Anoden/Kathoden-Leitung eingebracht wird.
Bevorzugt ist der Druckbehälter mit einer Isolation versehen, um die Flüssigkeit im erhitzten Zustand über längere Zeit speichern zu können. Besonders bevorzugt sind Wärmedämmmaterialien, welche durch eine geeignete Porenstruktur bzw. Hohlräume eine ausreichend kleine Wärmeleitfähigkeit haben. Beispielsweise kann die Isolation eine Wärmeleitfähigkeit kleiner 0,1 W/mK, bevorzugt zwischen 0,1 W/mK und 0,03 W/mK, und besonders bevorzugt kleiner 0,03 W/mK aufweisen. Unter anderem sind Mineralwolleplatten, Polyurethanplatten oder Korkplatten mit einer Schichtdicke von min. 2 mm geeignet.
Das Brennstoffzellensystem umfasst ferner mindestens einen Einlass, der geeignet ist, die im Flüssigkeitsspeichersystem gespeicherte Flüssigkeit in eine Brennstoffzellen-Zufuhr zu der Brennstoffzelle einzubringen. Der Einlass ist mit dem Behälter fluidisch verbunden. D. h., die Flüssigkeit kann aus dem Behälter über eine Behälterleitung mit dem Einlass verbunden sein. Der Einlass und der Behälter sind zumindest bereichsweise im gleichen Fluidspfad angeordnet. Das Einbringen kann bspw. durch Einleiten, bevorzugt durch Einspritzen bzw. Einsprühen bzw. Zerstäuben geschehen. Bevorzugt wird die Flüssigkeit so zerstäubt, dass sich die Oberfläche der Flüssigkeit vergrößert, wodurch die Flüssigkeit schnell verdunsten bzw. verdampfen kann.
Das Flüssigkeitsspeichersystem umfasst ferner eine Heizvorrichtung. Die Heizvorrichtung ist ausgebildet, die im Behälter gespeicherte Flüssigkeit auf eine Temperatur T_FB oberhalb der Siedetemperatur T_FBS zu erhitzen, insbesondere der Siedetemperatur T_FBS, die sich bei dem Druck P_FZ einstellt, der in dem Bereich der Brennstoffzellen-Zufuhr zu der Brennstoffzelle vorliegt, in dem die Flüssigkeit in die Brennstoffzellen-Zufuhr eingebracht wird. Beim Erhitzen ist der Druck P_FB im Behälter größer als der Druck in dem Einspritzbereich der Brennstoffzellen-Zufuhr. Im Behälter entsteht somit bezogen auf den Druck P_FZ im Einspritzbereich überhitztes Wasser.
Besonders bevorzugt wird also die Flüssigkeit im Behälter unter Druck überhitzt, je nach Einbringungsdruck beispielsweise auf ca. 100°C bis 300°C. Dadurch wird zusätzliche Energie in die Flüssigkeit vor der Einbringung bzw. Einspritzung eingetragen. Während der Einbringung der Flüssigkeit in die Brennstoffzellen-Zufuhr wird die Flüssigkeit auf den Druck P_FZ entspannt, der im Einbringungsbereich der Brennstoffzellen-Zufuhr vorherrscht. Da die Flüssigkeit überhitzt ist (Flüssigkeitstemperatur ist größer als die Siedetemperatur bei gegebenem Druck P_FZ), wird der Phasenwechsel der Flüssigkeitstropfen in die Dampfphase unterstützt. Im Vergleich zu vorbekannten Lösungen kann die Flüssigkeit schneller verdampft werden, da die dazu benötigte Energie oder zumindest ein Teil davon bereits der Flüssigkeit im Behälter zugefügt wurde. Es lässt sich somit vergleichsweise schnell eine große Menge an Flüssigkeit zur Befeuchtung der Brennstoffzelle bereitstellen, wobei die Gefahr von Flüssigwasser in der Brennstoffzelle reduziert ist.
Bevorzugt umfasst die Heizvorrichtung Heizdrähte oder Heizpatronen, die direkt mit der Flüssigkeit in Kontakt kommen. Somit ist ein effizienterer Wärmeeintrag im Vergleich zum Wärmeübergang im Wärmetauscher nach der Einspritzung möglich.
Bevorzugt ist der Bereich, in dem die Flüssigkeit in die Zufuhrleitung eingebracht wird, stromaufwärts der Kathode und stromabwärts eines Oxidationsfluidförderers vorgesehen, besonders bevorzugt stromabwärts und unmittelbar benachbart zum Oxidationsmittelförderer. Dort liegt in der Regel eine turbulente Oxidationsmittelströmung vor, beispielsweise mit einer Temperatur von ca. 150°C bis 180°C. Die Flüssigkeit kann bspw. in einem Abstand von max. 10 cm, bevorzugt max. 5 cm, und besonders bevorzugt max. 2 cm vom Oxidationsmittelförderer bzw. am Oxidationsmittelförderer eingebracht werden. Die feine Zerstäubung, die erhöhte Temperatur, die turbulente Strömung sowie die Tatsache, dass sich die überhitzte Flüssigkeit entspannt, tragen zu einer besonders schnellen und vollständigen Verdampfung bei.
Der Druck in der Kathodenzuleitung kann bspw. 1 bis 3 bara betragen. Der Behälter ist dementsprechend ausgelegt, höhere Drücke als diese Betriebsdrücke in der Kathodenzuleitung bzw. die entsprechenden Drücke in der Anodenzuleitung stand zu halten. Der Behälter kann bspw. ein isolierter Druckbehälter sein.
Die hier offenbarte Technologie umfasst ferner ein Betriebsverfahren für ein Kraftfahrzeug bzw. eines Kraftfahrzeuges mit einem Brennstoffzellensystem, insbesondere ein Brennstoffzellensystem, wie es hier auch offenbart ist.
Das Betriebsverfahren umfasst den Schritt:

– Erhitzen einer insbesondere in einem Behälter eines Flüssigkeitsspeichersystems gespeicherten Flüssigkeit auf eine Temperatur T_FB oberhalb der Siedetemperatur T_FSB der Flüssigkeit, wobei die Siedetemperatur T_FSB die Siedetemperatur ist, die sich beim Druck P_FZ in einem Flüssigkeits-Einbringungsbereich einer Brennstoffzellen-Zufuhr ergibt.

_FZ

_FSB

_FB

_FZ

Das Betriebsverfahren umfasst ferner den Schritt:

– Einbringen der gespeicherten Flüssigkeit in eine Brennstoffzellen-Zufuhr einer Brennstoffzelle des Brennstoffzellensystems.

Das Einbringen kann bspw. durch Einspritzen oder Einsprühen bzw. Zerstäuben erfolgen, bevorzugt benachbart zum Oxidationsmittelförderer.
Bevorzugt ist die Heizvorrichtung des Flüssigkeitsspeichersystems derart ausgebildet, dass sie mit mindestens einer elektrischen Arbeitsmaschine eines Kraftfahrzeugs mit einem Brennstoffzellensystem verbunden und betrieben werden kann. Die elektrische Arbeitsmaschine ist die Antriebs- bzw. Traktions-Arbeitsmaschine, die das Fahrzeug fortbewegt, wenn die Arbeitsmaschine motorisch betrieben wird. Falls der Fahrer beispielsweise das Fahrzeug abbremst, kann die elektrische Arbeitsmaschine generatorisch betrieben werden, so dass kinetische Energie wieder in elektrische Energie umgewandelt werden kann (Rekuperation). Das Prinzip solcher Rekuperationsbremsen ist allgemein bekannt und wird hier nicht weiter beschrieben. Die Heizvorrichtung des Flüssigkeitsspeichersystems/Brennstoffzellensystems ist elektrisch mit der elektrischen Arbeitsmaschine verbunden, so dass Rekuperationsenergie zur Erwärmung bzw. Erhitzung der Flüssigkeit genutzt werden kann. Die im Flüssigkeitsspeichersystem gespeicherte Flüssigkeit wird also mit elektrischer Energie erhitzt, die von mindestens einer elektrischen Arbeitsmaschine des Kraftfahrzeugs bereitgestellt wird.
Alternativ oder zusätzlich kann das Flüssigkeitsspeichersystem/Brennstoffzellensystem mit einer fahrzeug-externe Energiequelle verbindbar sein. Die im Flüssigkeitsspeichersystem des Brennstoffzellensystems gespeicherte Flüssigkeit kann also alternativ oder zusätzlich mit elektrischer Energie erhitzt werden, die von mindestens einer fahrzeug-externen Energiequelle bereitgestellt wird. Als fahrzeug-externe Energiequelle ist bspw. eine Ladestation anzusehen, die bspw. eine Traktionsbatterie bzw. Hochvoltspeicher (nachstehend: Hochvoltspeicher) des Kraftfahrzeugs auflädt. Bevorzugt wird also während eines Ladevorgangs des Kraftfahrzeugs nicht nur der Hochvoltspeicher, sondern auch das Flüssigkeitsspeichersystem durch die Ladestation aufgeladen. Eine solche Vorkonditionierung kann bspw. über Nacht geschehen, wenn das Fahrzeug in der Garage an das Ladegerät angeschlossen ist. Durch das Aufladen der beiden Energiespeicher „Hochvoltspeicher” und „Flüssigkeitsspeichersystem”, lässt sich die maximale Reichweite verbessern und der Verbrauch kann gesenkt werden.
Die Kapazität des Hochvoltspeichers und damit der Umfang der Energie-Rekuperation mit einem solchen Hochvoltspeicher sind durch den im Fahrzeug vorhandenen Bauraum, den vergleichsweise hohen Kosten von Hochvoltspeichern und deren Gewicht beschränkt. Bspw. verfügen derzeit gängige Hochvoltspeicher über eine maximale Kapazität von ca. 200 kWh. Dementsprechend ist es möglich, dass die Rekuperationsenergie nicht vollständig im Hochvoltspeicher gespeichert werden kann. Gemäß der hier offenbarten Technologie kann die Rekuperationsenergie auch im Flüssigkeitsspeichersystem gespeichert werden. Da nun ein Teil der Rekuperationsenergie im Flüssigkeitsspeichersystem gespeichert werden kann, kann ein Hochvoltspeicher mit kleinerer Speicherkapazität eingesetzt werden. Dies reduziert Bauraum, Gewicht und Kosten.
Die elektrische Arbeitsmaschine kann bevorzugt die Flüssigkeit nur erhitzen, wenn ein Schwellwert für einen Ladezustand eines Hochvoltspeicher überschritten ist. Der Schwellwert für diesen Ladezustand kann bspw. 80%, bevorzugt 90%, und besonders bevorzugt 100% Ladezustand (State of Charge) sein. Mit anderen Worten sieht das Betriebsverfahren für das Kraftfahrzeug vor, dass Rekuperationsenergie zunächst im Hochvoltspeicher gespeichert wird, bevor die elektrische Energie dazu verwendet wird, die Flüssigkeit im Flüssigkeitsspeichersystem zu erhitzen.
In einem bevorzugten Betriebsmodus wird die in dem Flüssigkeitsspeichersystem gespeicherte Flüssigkeit nur mit Rekuperationsenergie erhitzt. Das erhitzte Wasser fungiert im Flüssigkeitsspeichersystem somit als kostengünstiger Energiespeicher. In einem weiteren Betriebsmodus kann die Flüssigkeit im Behälter auch durch die Brennstoffzelle oder durch den Hochvoltspeicher erhitzt werden. Ein solcher Betriebsmodus ist generell nicht wünschenswert. Falls das Kraftfahrzeug jedoch über längere Zeit im Hochtemperaturbetrieb fährt (oder eine solche Fahrt prognostiziert wird) und eine Austrocknung der Brennstoffzelle droht und zeitgleich keine Flüssigkeit im überhitzten Zustand mehr vorhanden ist, könnte die Flüssigkeit auch durch Energie aus der Batterie und/oder der Brennstoffzelle erhitzt werden, damit die Brennstoffzelle weiterhin im Hochtemperaturbetrieb mit maximaler Leistung und erhöhtem Wirkungsgrad betrieben werden kann.
Ferner kann vorgesehen sein, die Heizvorrichtung aus einer Hochvoltbatterie oder aus Superkondensatoren zu betreiben. Es kann ebenfalls vorgesehen sein, die Heizvorrichtung aus dem Brennstoffzellensystem mit elektrischer Energie zu versorgen.
Ein eingeschaltetes Brennstoffzellensystem stellt kontinuierlich eine gewisse Mindestleistung bereit. Es kann daher beispielsweise in einem Betriebsmodus (z. B. Leerlaufbetrieb) vorkommen, dass das Brennstoffzellensystem mehr Energie bereit stellt, als das Kraftfahrzeug momentan verbraucht. Da das Abschalten der Brennstoffzelle zu einer Degradation des Brennstoffzellensystems führen kann, sollten Abschaltungen vermieden werden. Die nicht benötigte Energie kann beispielsweise in einem Hochvoltspeicher gespeichert werden. Alternativ oder zusätzlich kann diese nicht vom Kraftfahrzeug benötigte Energie dazu genutzt werden, die Heizvorrichtung mit elektrischer Energie zu versorgen, so dass Energie in dem Flüssigkeitsspeichersystem gespeichert wird. Eine Abschaltung des Brennstoffzellensystems aufgrund von „zu viel produzierter Energie” kann somit vermieden oder verzögert werden. Weniger Abschaltungen des Brennstoffzellensystems können die Degradation des Brennstoffzellensystems positiv beeinflussen. Ferner kann während des Kalt- oder Froststarts die von der Brennstoffzelle produzierte Energie dazu verwendet werden, die Heizvorrichtung zu betreiben.
Der Einlass des Brennstoffzellensystems kann ferner mit einer (zusätzlichen) Fluidleitung verbunden sein, die ebenfalls einzubringende Flüssigkeit bereitstellen kann, ohne dass die Flüssigkeit vorher durch das Flüssigkeitsspeichersystem strömt. Mit anderen Worten kann die Fluidleitung fluidisch parallel geschaltet sein zum Fluidpfad der Flüssigkeit, in dem der Behälter angeordnet ist. Die Fluidleitung kann bspw. eine Bypass-Leitung sein, die stromaufwärts vom Behälter abzweigt und stromabwärts vom Behälter wieder in den Fluidpfad der Flüssigkeit mündet, in dem der Behälter angeordnet ist. Beispielsweise kann im Mündungsbereich ein 3-Wege-Ventil vorgesehen sein.
Je nach Betriebsmodus kann überhitztes Wasser aus dem Behälter (z. B. während des Hochtemperatur-Betriebs) des Flüssigkeitsspeichersystems oder aus der Bypass-Leitung in die Brennstoffzellen-Zufuhr einer Brennstoffzelle eingebracht werden. Somit kann bspw. sichergestellt werden, dass die überhitzte Flüssigkeit nur dann verwendet wird, wenn zum optimalen Betrieb der Brennstoffzelle viel Feuchtigkeit in die Brennstoffzelle eingebracht werden muss. Wird indes vergleichsweise wenig Feuchtigkeit benötigt, kann die in die Brennstoffzellen-Zufuhr einzubringende Menge an Flüssigkeit so gering sein, dass die erhöhte Temperatur des Oxidationsmittels ausreicht, um die zerstäubte Flüssigkeit sicher zu verdampfen bzw. zu verdunsten. In einem weiteren Betriebsmodus kann auf eine Befeuchtung der Zuluft verzichtet werden, beispielsweise wenn die Brennstoffzelle feucht genug ist.
Der Feuchtegrad der mindestens einen Brennstoffzelle kann beispielsweise gemessen werden oder aus anderen Betriebsparametern ermittelt werden.
Die Mess- bzw. Berechnungsverfahren zur Bestimmung des Feuchtegrades sind allgemein bekannt und werden daher hier nicht näher erläutert. Der Feuchtegrad innerhalb der Brennstoffzelle soll bevorzugt immer einem gewissen Soll-Feuchtegrad entsprechen. Abhängig vom Feuchtegrad der mindestens einen Brennstoffzelle, und bevorzugt auch von der geforderten Leistung, kann beispielsweise keine Flüssigkeit, überhitzte Flüssigkeit aus dem Flüssigkeitsspeichersystem oder nicht überhitzte Flüssigkeit aus der parallelen Fluidleitung eingebracht werden.
Alternativ oder zusätzlich zur Erhitzung der Flüssigkeit durch elektrische Rekuperationsenergie kann die im Flüssigkeitsspeichersystem gespeicherte Flüssigkeit auch durch mindestens eine Komponente erhitzt werden, die eine Temperatur oberhalb der Siedetemperatur aufweist, insbesondere der Siedetemperatur bei dem Druck im Bereich der Brennstoffzellen-Zufuhr. Dies kann bspw. durch eine direkte Wärmekopplung mit einer solaren Heat-Pipe geschehen. Ferner können in der elektrischen Arbeitsmaschine hohe Temperaturen auftreten, die die Siedetemperatur von Wasser übersteigen. Diese Wärme könnte bspw. über einen Wärmetauscher der Flüssigkeit, beispielsweise im Behälter, zugeführt werden.
Als Flüssigkeit, die im Flüssigkeitsspeichersystem gespeichert wird, wird gemäß der hier offenbarten Technologie bevorzugt Wasser eingesetzt. Besonders bevorzugt wird das Produktwasser eingesetzt, welches bspw. stromabwärts aus dem Abgas der Kathode und/oder der Anode durch eine Vorrichtung zur Wasserabscheidung aus dem Abgas abgeschieden wird. Dieses Wasser kann bspw. in einem Reservoir gespeichert werden, aus dem dann der Behälter bzw. die Bypass-Leitung gespeist wird. Ferner kann das Produktwasser auch direkt in den Behälter befördert werden.
Gemäß dem hier offenbarten Betriebsverfahren kann das Flüssigkeitsspeichersystem bevorzugt einen Behälter umfassen, in dem die zu speichernde Flüssigkeit gespeichert ist. Der Füllstand des Behälters, die Temperatur T_FB der gespeicherten Flüssigkeit und/oder der Druck P_FB im Behälter in Abhängigkeit von einer Fahrverhaltensinformation, einer Navigationsinformation und/oder einer Umgebungsinformation geregelt bzw. gesteuert werden. Besonders bevorzugt wird in Abhängigkeit von einer Fahrverhaltensinformation, einer Navigationsinformation und/oder einer Umgebungsinformation der zukünftige Bedarf an gespeicherter und überhitzter Flüssigkeit prognostiziert und der Füllstand des Behälters, die Temperatur T_FB der gespeicherten Flüssigkeit und/oder der Druck P_FB im Behälter an den zukünftigen Bedarf angepasst.
Die das Verhalten des Fahrers repräsentierende Fahrverhaltensinformationen sind bspw. Überholhäufigkeit; Geschwindigkeitsprofil in der Stadt, über Land, auf der Autobahn; Schaltverhalten; etc. Bevorzugt kann die Steuerung des Kraftfahrzeugs anhand von Messwerten, fahrerspezifischen Eingaben und/oder fahrerspezifischen Systemen den Fahrer erkennen. Fahrerspezifische Systeme sind bspw. eine Schlüssel-Codierung oder ein einem Fahrer zugeordnetes Mobiltelefon, welches sich mit dem Auto verbindet. Fahrerspezifische Eingaben sind bspw. die Profilauswahl oder die Auswahl einer abgespeicherten und einem Fahrer zugeordneten Sitzposition, eindeutig zuordenbare Fahrtstrecke (Weg zur Arbeit), Spiegeleinstellung, etc. Eine weitere Fahrererkennungsvorrichtung ist bspw. eine Gesichtserkennung.
Zur Ermittlung des Fahrverhaltens kann insbesondere auch die Fahrzeugsensorik oder etwaige Eingabeelemente herangezogen werden. Beispielsweise können folgende Faktoren berücksichtigt werden: Neigungssensor, Fahrdynamik, Querbeschleunigungssensor, Erkennung der Pedaldynamik, Erkennung von Überholmanöver, Fahrerlebnisschalter, Geschwindigkeitsprofil, Stellung der Pumpe für den Kühlermassendurchfluss, Stellung von aerodynamischen Komponenten, wie bspw. Heckspoiler, etc. Die Steuerung ist bevorzugt in der Lage, das Fahrverhalten zu analysieren und einem Fahrer zuzuordnen. Eine Fahrverhaltensanalyse kann es erlauben, genauer den Leistungsbedarf zu prognostizieren und die Fluidfördereinrichtung vorrausschauend zu betreiben. Vorteilhaft handelt es sich um eine lernfähige Steuerung, bspw. basierend auf Fuzzy Logic. Vorteilhaft ist die Steuerung auch in der Lage, wiederkehrende Bedingungen und Ereignisse beispielsweise anhand von erfassten externen Parametern zu analysieren. Bevorzugt ist die Steuerung nicht nur in der Lage, aus dem Fahrverhalten des Fahrers zu lernen, sondern kann überdies auch Navigationsinformationen und Umweltinformationen auswerten und eine optimierte Prognose potenzieller Betriebsparameter durchführen. Beispielsweise ist die Steuerung derart konfiguriert, dass wiederkehrende Fahrtstrecken von einem Fahrer optimiert werden, und zwar basierend auf den Erkenntnissen aus den vorherigen Fahrten. Ein Anwendungsbeispiel hierfür ist bspw. die häufig gefahrene Strecke zwischen Wohnort und Arbeitsstätte.
Vorteilhaft wird somit vorausschauend im Vorhinein schon auf den Betrieb des Flüssigkeitsspeichersystems derart eingewirkt, dass bevorstehende Verschlechterungen des Betriebszustandes der Brennstoffzelle nicht eintreten. Diese vorschauende Betriebsweise des Flüssigkeitsspeichersystems für zukünftige Betriebspunkte bzw. Betriebszustände ermöglicht einen effizienteren Betrieb mit einer höheren System-Performance.
Externe Parameter, die eine Navigationsinformation repräsentieren, sind bspw. Navigationsparameter, die Geoinformationen umfassen, wie bspw. Positions-, Strecken- und/oder Höhenprofileinformationen. Navigationsinformationen sind ferner Informationen über den Fahrzyklus, d. h. der Mix aus Stadt-, Überland- und/oder Autobahnanteil an der Gesamtfahrstrecke. Eine weitere Navigationsinformation ist bspw. eine längere Fahrt mit erhöhter Steigung (Bergfahrt), die oft einen Betrieb der Brennstoffzelle im oberen Lastbereich bzw. einen Hochtemperaturbetrieb mit sich bringen kann. Weitere Navigationsinformationen sind bspw. auch Verkehrsinformationen, wie aktuelle oder zukünftige Verkehrsbeeinträchtigungen. Beispielsweise zählen aktuelle Staumeldungen oder voraussehbare Verkehrsverdichtungen aufgrund von Großereignissen, Berufsverkehr, besonderen Vorkommnissen und Events, wie bspw. Massenveranstaltung, etc. zu den Navigationsinformationen.
Umgebungsinformationen sind bspw. aktuelle oder zukünftige Wetter- und/oder Rauminformationen, bspw. Temperatur, Luftfeuchtigkeit, Niederschläge, Windgeschwindigkeit, Luftdruck, etc. Ein Raum kann beispielsweise ein Abstellungsort, wie beispielsweise die Garage, sein. Ist beispielsweise prognostiziert, dass das Fahrzeug bald an einer Ladestation abgestellt wird, so kann vorgesehen sein, den Behälter und/oder den Hochvoltspeicher auch einen unteren Schwellwert „leer zu fahren”.
Die hier offenbarte Technologie wird nun anhand der 1 näher beschrieben. 1 zeigt das Brennstoffzellensystem 400 mit der mindestens einen Brennstoffzelle 410, einem Flüssigkeitsspeichersystem 100 und dem Einlass 200.
Hier dargestellt ist exemplarisch die Befeuchtung einer Kathode einer Brennstoffzelle 410. Nach demselben Prinzip kann ebenfalls die Anode der Brennstoffzelle 410 befeuchtet werden.
Ein Oxidationsmittelförderer 420 saugt Oxidationsmittel O, bspw. Luft, an und verdichtet diese auf einen Druck von ca. 1 bis ca. 3 bara. Benachbart zum Oxidationsmittelförderer 420 ist ein Einlass 200 angeordnet, der bspw. als Injektor bzw. als Strahlpumpe ausgestaltet sein kann. Beispielsweise kann eine Zerstäuberdüse im Oxidationsmittelstrom angeordnet sein, die die Flüssigkeit fein zerstäubt aussprüht, so dass ein Aerosol mit feinen Flüssigkeitströpfchen entsteht. Es entsteht eine große reaktive Flüssigkeitsoberfläche. Die eingesprühte Flüssigkeit, z. B. Wasser, entspannt sich dabei und verdampft direkt, da das Wasser überhitzt ist. Die Wassertemperatur ist größer als die Siedetemperatur beim gegebenen Einlassdruck, wodurch der Phasenwechsel der Wassertropfen in die Dampfphase unterstützt wird. Das Wasser des Aerosols verdampft schnell, da die entsprechende Energie oder ein Teil davon bereits dem Medium hinzugefügt wurde. Zusätzlich wird die Verdampfung durch die große reaktive Flüssigkeitsoberfläche, der erhöhten Temperatur des Oxidationsmittels O direkt nach der Verdichtung im Oxidationsmittelförderer 420 sowie durch die turbulente Strömung begünstigt. Das Oxidationsmittel O wird somit mit vergleichsweise viel Feuchtigkeit beladen, ohne dass Flüssigwasser in die Brennstoffzelle 410 gelangt. Zusätzliche Befeuchtungseinrichtungen oder Ladeluftkühler 470 stromabwärts des Einlasses 200 können entsprechend klein ausfallen oder bevorzugt ganz entfallen. Ferner können etwaige zusätzliche Wasserabscheider stromaufwärts der mindestens einen Brennstoffzelle 410 bevorzugt entfallen. Wird die Brennstoffzelle 410 optimal befeuchtet, so kann die Verfügbarkeit der maximalen Leistung, der Wirkungsgrad der Brennstoffzelle 410, sowie die Zeit der Dauerleistung weiter optimiert werden. Ein dauerhaft effizienter Betrieb der Brennstoffzelle 410 mit höherer Performance ist möglich und die Brennstoffzellen können im Vergleich zu vorbekannten Brennstoffzellen kleiner dimensioniert sein.
In der 1 ist vereinfachend eine Brennstoffzelle 410 gezeigt. Das Brennstoffzellensystem 400 umfasst bevorzugt mehrere Brennstoffzellen 410, die zu einem Brennstoffzellenstapel bzw. Stack zusammengefasst sind. Weisen die einzelnen Brennstoffzellen 410 eine höhere Performance auf, kann der Stack insgesamt kleiner ausgebildet sein. Im Brennstoffzellenstapel laufen die elektrochemischen Prozesse ab, bei denen das Oxidationsmittel O und der Brennstoff, hier Luft und Wasserstoff, zu den Reaktionsprodukten umgewandelt werden. Die Reaktionsprodukte verlassen den Brennstoffzellenstapel bzw. die Brennstoffzelle 410 durch die Brennstoffzellenableitung 414 als Abgas A. Stromabwärts kann in der Ableitung 414 ein Wärmetauscher bzw. Wasserkondensator 430 angeordnet sein, der die Temperatur des Abgases A senkt. Dadurch wird die Menge an flüssigem Wasser im Abgasstrom A gesteigert, die anschließend im Wasserabscheider 440 abgeschieden und in ein optionales Wasserreservoir 450 geleitet wird. Eine Pumpe 460 fördert das Wasser zum Flüssigkeitsspeichersystem 100 sowie zu einer parallel zum Speichersystem angeordneten Bypass-Leitung 610.
Das Flüssigkeitsspeichersystem 100 umfasst den Behälter 110 sowie die Heizvorrichtung 120. Die Heizvorrichtung 120 ist ausgebildet, das im Behälter 110 gespeicherte Wasser auf eine Temperatur T_FB oberhalb der Siedetemperatur T_FBS des Wassers zu erhitzen. Die Siedetemperatur T_FBS kann je nach Druck, der im Einlassbereich, d. h. der Bereich, in dem die gespeicherte Flüssigkeit in die Brennstoffzellen-Zufuhr bzw. Zuleitung 412 eingebracht wird, variieren. Nicht dargestellt in 1 ist die Isolation des Behälters 110. Die Isolation besteht aus Wärmedämmmaterialien welche durch eine geeignete Porenstruktur bzw. Hohlräume eine ausreichend kleine Wärmeleitfähigkeit haben. Beispielsweise kann die Isolation eine Wärmeleitfähigkeit kleiner 0,1 W/mK, bevorzugt zwischen 0,1 W/mK und 0,03 W/mK, und besonders bevorzugt kleiner 0,03 W/mK aufweisen. Unter anderem sind Mineralwolleplatten, Polyurethanplatten oder Korkplatten mit einer Schichtdicke von min. 2 mm geeignet.
Die Pumpe 460 fördert das Wasser in den Behälter 110. Durch die Zuführung von Wärmeenergie mittels der Heizvorrichtung 120 werden die Temperatur T_FB und der Druck P_FB des Wassers im (Hochdruck-)Behälter 110 weiter erhöht. Druck und Temperatur im Behälter 110 können bspw. durch Sensoren überwacht werden. Die elektrische Energie für die Heizvorrichtung 120 kann bspw. Über den Hochvoltbus 800 bereitgestellt werden. Der Hochvoltbus 800 kann mehrere Komponenten, wie bspw. die elektrische Arbeitsmaschine 500 und etwaige Energiespeicher 300, wie bspw. den Hochvoltspeicher oder Superkondensatoren (Super Capacitors), miteinander elektrisch verbinden. Die Energie zum Erhitzen des Wassers durch die Heizvorrichtung 120 kann bspw. Über den Hochvoltbus 800 entweder aus dem regenerativen Betrieb der elektrischen Arbeitsmaschine 500 (Rekuperationsenergie), dem Brennstoffzellensystem 400 oder aus einem elektrischen Speicher 300 bereitgestellt werden.
Nicht dargestellt ist die Möglichkeit, thermische Energie durch mindestens eine weitere erhitzte Komponente bereitzustellen, die eine Temperatur T_FBS oberhalb der Siedetemperatur aufweist. Die Einspritzung des Wassers erfolgt bedarfsgerecht über die zuvor beschriebene Einspritzdüse 200 die über eine Leitung 620 Bestandteil des gleichen Fluidpfads ist, in dem auch der Behälter 110 angeordnet ist.
Nach dem Abstellen des Kraftfahrzeugs kann der Behälter 110 über eine Leitung 730 entleert werden. Das Wasser kann dann entweder zurück in das Wasserreservoir 450 oder in den Abgaspfad der Ableitung 414 strömen. Dies kann bspw. sinnvoll sein, wenn das Fahrzeug in der kalten Jahreszeit draußen abgestellt ist.
Überhitztes Wasser wird insbesondere dann eingesprüht, wenn die Brennstoffzelle 410 im Hochtemperaturbetrieb arbeitet. Liegt indes kein Hochtemperaturbetrieb vor, so kann es ausreichend sein, dass lediglich geringe Mengen an Wasser in den durch die Zuleitung 412 fließenden Oxidationsmittelstrom O eingebracht werden. Beispielsweise ist es im Niedriglastbereich gut möglich, dass die Wärmeenergie des Oxidationsmittelstromes O ausreicht, die geringen Mengen an Wasser sicher vollständig zu verdampfen. In einem solchen Szenario kann bspw. Wasser aus der Bypass-Leitung 610 in die Brennstoffzellen-Zufuhr 412 eingespritzt werden. Dies kann insbesondere dann sinnvoll sein, wenn aufgrund einer Fahrverhaltensinformation, einer Navigationsinformation und/oder einer Umgebungsinformation bereits Fahrabschnitte prognostiziert werden, in denen große Mengen überhitzter Flüssigkeit eingebracht werden müssen. Das Wasser im Behälter 110 wird dann also für solche Streckenabschnitte geschont. Beispielsweise kann ein 3-Wege-Ventil 710 die betriebsmodusabhängige Einbringung von überhitzter oder nicht überhitzer Flüssigkeit steuern.
Ferner nicht dargestellt ist die Möglichkeit, die Heizvorrichtung 120 an eine externe Stromversorgung anzuschließen. Beispielsweise könnte der Speicher 300 sowie das Flüssigkeitsspeichersystem 100 über Nacht durch eine fahrzeug-externe Quelle, z. B. ein Ladegerät, aufgeladen werden.
Die vorhergehende Beschreibung der vorliegenden Erfindung dient nur zu illustrativen Zwecken und nicht zum Zwecke der Beschränkung der Erfindung. Im Rahmen der Erfindung sind verschiedene Änderungen und Modifikationen möglich, ohne den Umfang der Erfindung sowie ihrer Äquivalente zu verlassen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 10046028 A1 [0003]

Claims

Flüssigkeitsspeichersystem (100) zur Speicherung einer Flüssigkeit (F) mit einem Behälter (110) und einer Heizvorrichtung (120), – wobei der Behälter (110) geeignet ist, die Flüssigkeit (F) unter einem Druck (P_FB) zu speichern, der größer ist als der Druck (P_FZ) in einem Bereich einer Brennstoffzelle-Zufuhr (412) einer Brennstoffzelle (410), in dem die Flüssigkeit (F) eingebracht wird, und – wobei die Heizvorrichtung (120) ausgebildet ist, die im Behälter (110) gespeicherte Flüssigkeit (F) auf eine Temperatur (T_FB) oberhalb der Siedetemperatur (T_FBS) zu erhitzen.
Flüssigkeitsspeichersystem (100) nach Anspruch 1, wobei die Heizvorrichtung (120) ausgebildet ist, mit mindestens einer elektrischen Arbeitsmaschine (500) verbunden und betrieben zu werden.
Brennstoffzellensystem (400) für ein Kraftfahrzeug, umfassend: – mindestens eine Brennstoffzelle (410), – mindestens ein Flüssigkeitsspeichersystem (100) nach einem der vorherigen Ansprüche, und – mindestens einen Einlass (200), der geeignet ist, die im Flüssigkeitsspeichersystem (100) gespeicherte Flüssigkeit (F) in eine Brennstoffzellen-Zufuhr (412) der Brennstoffzelle (410) einzubringen.
Brennstoffzellensystem (400) nach Anspruch 3, wobei die Heizvorrichtung (120) des Flüssigkeitsspeichersystems (100) elektrisch mit der elektrischen Arbeitsmaschine (500) verbunden ist, und/oder mit einer Fahrzeug-externen Energiequelle verbindbar ist.
Brennstoffzellensystem (400) nach Anspruch 3 oder 4, wobei der Einlass (200) ferner mit einer Fluidleitung (610) verbunden ist, die parallel geschaltet ist zum Fluidpfad (620) der Flüssigkeit (F), in dem der Behälter (110) angeordnet ist.
Betriebsverfahren für ein Kraftfahrzeug mit einem Brennstoffzellensystem (400), umfassend die Schritte: – Erhitzen einer in einem Flüssigkeitsspeichersystems (100) gespeicherten Flüssigkeit (F) auf eine Temperatur (T_FB) oberhalb der Siedetemperatur (T_FSB) der Flüssigkeit (F), wobei die Siedetemperatur (T_FSB) die Siedetemperatur ist, die sich beim Druck (P_FZ) in einem Flüssigkeits-Einbringungsbereich einer Brennstoffzellen-Zufuhr (412) ergibt; und – Einbringen der gespeicherten Flüssigkeit (F) in den Flüssigkeits-Einbringungsbereich der Brennstoffzellen-Zufuhr (412).
Verfahren nach Anspruch 6, wobei die im Flüssigkeitsspeichersystem (100) gespeicherte Flüssigkeit (F) mit elektrischer Energie erhitzt wird, die von mindestens einer elektrische Arbeitsmaschine (500) des Kraftfahrzeugs und/oder einer Fahrzeug-externen Energiequelle bereitgestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei die elektrische Arbeitsmaschine (500) die Flüssigkeit (F) nur erhitzt, wenn ein Schwellwert für einen Ladezustand eines Hochvoltspeichers (300) überschritten ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei die im Flüssigkeitsspeichersystem (100) gespeicherte Flüssigkeit (F) durch mindestens eine Komponente erhitzt wird, die eine Temperatur oberhalb der Siedetemperatur (T_FSB) aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, wobei in Abhängigkeit des Feuchtegrades der mindestens einen Brennstoffzelle (410) keine Flüssigkeit (F), überhitzte Flüssigkeit (F) oder nicht überhitzte Flüssigkeit (F) eingebracht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 10, wobei das Flüssigkeitsspeichersystems (100) einen Behälter (110) aufweist, wobei der Füllstand des Behälters (110), die Temperatur (T_FB) der gespeicherten Flüssigkeit (F) und/oder der Druck im Behälters (110) in Abhängigkeit von einer Fahrverhaltensinformation, einer Navigationsinformation und/oder einer Umgebungsinformation geregelt oder gesteuert wird.