DE102014222318A1

DE102014222318A1 - Brennstoffzellensystem sowie Fahrzeug mit einem solchen

Info

Publication number: DE102014222318A1
Application number: DE102014222318.0A
Authority: DE
Inventors: Oliver Kleppa; Martin Buchenberger; Jan-Philipp Brinkmeier
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2014-10-31
Filing date: 2014-10-31
Publication date: 2016-05-04

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem (100) sowie ein Fahrzeug (60) mit einem solchen. Das Brennstoffzellensystem (100) umfasst einen Brennstoffzellenstapel (10), einen Kathodenabgaspfad (32) mit einer Kathodenabgasleitung (35) zur Abführung von Kathodenabgas aus dem Brennstoffzellenstapel (100) und einen Energiespeicher (50) zur Speicherung von durch den Brennstoffzellenstapel (10) erzeugter elektrischer Energie. Es ist vorgesehen, dass der Energiespeicher (50) und die Kathodenabgasleitung (35) in thermischem Kontakt miteinander stehen, sodass eine Übertragung von Wärme von dem Energiespeicher (50) auf das Kathodenabgas erfolgt. Auf diese Weise wird einerseits eine Kühlung des Energiespeichers (50) bewirkt und andererseits ein Gefrieren von Wasser in der Kathodenabgasleitung (35) verhindert.

Description

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem sowie ein Fahrzeug mit einem solchen Brennstoffzellensystem.
Brennstoffzellen nutzen die chemische Umsetzung eines Brennstoffs mit Sauerstoff zu Wasser, um elektrische Energie zu erzeugen. Hierfür enthalten Brennstoffzellen als Kernkomponente die sogenannte Membran-Elektroden-Einheit (MEA für membrane electrode assembly), die ein Gefüge aus einer ionenleitenden (meist protonenleitenden) Membran und jeweils einer beidseitig an der Membran angeordneten Elektrode (Anode und Kathode) ist. Zudem können Gasdiffusionslagen (GDL) beidseitig der Membran-Elektroden-Einheit an den der Membran abgewandten Seiten der Elektroden angeordnet sein. In der Regel wird die Brennstoffzelle durch eine Vielzahl im Stapel (stack) angeordneter MEA gebildet, deren elektrische Leistungen sich addieren. Zwischen den einzelnen Membran-Elektroden-Einheiten sind in der Regel Bipolarplatten (auch Flussfeldplatten genannt) angeordnet, welche eine Versorgung der Einzelzellen mit den Betriebsmedien, also den Reaktanten, sicherstellen und üblicherweise auch der Kühlung dienen. Zudem sorgen die Bipolarplatten für einen elektrisch leitfähigen Kontakt zu den Membran-Elektroden-Einheiten.
Im Betrieb der Brennstoffzelle wird der Brennstoff, insbesondere Wasserstoff H₂ oder ein wasserstoffhaltiges Gasgemisch, über ein anodenseitiges offenes Flussfeld der Bipolarplatte der Anode zugeführt, wo eine elektrochemische Oxidation von H₂ zu H⁺ unter Abgabe von Elektronen stattfindet. Über den Elektrolyten oder die Membran, welche die Reaktionsräume gasdicht voneinander trennt und elektrisch isoliert, erfolgt ein (wassergebundener oder wasserfreier) Transport der Protonen H⁺ aus dem Anodenraum in den Kathodenraum. Die an der Anode bereitgestellten Elektronen werden über eine elektrische Leitung der Kathode zugeleitet. Der Kathode wird über ein kathodenseitiges offenes Flussfeld der Bipolarplatte Sauerstoff oder ein sauerstoffhaltiges Gasgemisch (zum Beispiel Luft) zugeführt, sodass eine Reduktion von O₂ zu O^2– unter Aufnahme der Elektronen stattfindet. Gleichzeitig reagieren im Kathodenraum die Sauerstoffanionen mit den, über die Membran transportierten Protonen unter Bildung von Wasser.
Um einen Brennstoffzellenstapel mit seinen Betriebsmedien, also den Reaktanten zu versorgen, weist dieser einerseits eine Anodenversorgung und andererseits eine Kathodenversorgung auf. Die Anodenversorgung umfasst einen Anodenversorgungspfad zur Zuführung eines Anodenbetriebsgases in die Anodenräume und einen Anodenabgaspfad zur Abführung eines Anodenabgases aus den Anodenräumen. Desgleichen umfasst die Kathodenversorgung einen Kathodenversorgungspfad zur Zuführung eines Kathodenbetriebsgases in die Kathodenräume und einen Kathodenabgaspfad zur Abführung eines Kathodenabgases aus den Kathodenräumen des Brennstoffzellenstapels.
Bei dem Betrieb der Brennstoffzelle entsteht durch die Brennstoffzellenreaktion in den Kathodenräumen Wasser. Dieses Produktwasser wird über das Kathodenabgas über den Kathodenabgaspfad aus dem Brennstoffzellenstapel abtransportiert. Bevor es über die Abgasanlage in die Umwelt gelangt, wird ein Teil des Wassers häufig in einem Befeuchter über eine wasserdampfpermeable Membran dem Kathodenbetriebsgas zu dessen Befeuchtung zugeführt. Stromab des Befeuchters kann das Kathodenabgas über eine Turbine, welche mit einem im Kathodenversorgungspfad angeordneten elektrisch angetriebenen Verdichter verbunden ist, expandiert werden. Dabei kühlt das Kathodenabgas ab, das Wasser kondensiert teilweise und wird über die Abgasanlage abgeführt. Nach der Expansion hat das Kathodenabgas Temperaturen um etwa 40°C bei 100% relative Feuchte. Bislang wird das kondensierte Produktwasser nur unzureichend genutzt. Zudem kann bei Frostverhältnissen die Abgasanlage des Brennstoffzellenfahrzeugs durch das gefrierende Produktwasser zufrieren und somit zu Problemen führen, beispielsweise einem Anstieg des Abgasgegendrucks. Dieses Problem ist auch von Fahrzeugen mit Verbrennungsmotoren bekannt, wobei im Kathodenabgas eines Brennstoffzellenfahrzeugs jedoch deutlich höhere Wassermengen und niedrigere Temperaturen orliegen und dieses Problem somit verstärkt auftreten kann.
JP 02-291667 A beschreibt, das im Kathodenabgas enthaltene Produktwasser zu kondensieren und aufzubereiten, um es als Elektrolytwasser für eine Batterie zu verwenden.
Es ist ebenfalls bekannt, das im Kathodenabgas enthaltene Produktwasser zu kondensieren und zur Kühlung des Brennstoffzellenstapels zu verwenden (zum Beispiel JP 2009-076216 A ).
Aus JP 2005-306210 A ist bekannt, eine Batterie, die an einer Unterbodenposition eines Brennstoffzellenfahrzeugs angeordnet ist, mit einem Gebläse zu kühlen. Die das Batteriegehäuse verlassende Kühlluft wird als Kathodenzuluft für die Brennstoffzelle verwendet.
In DE 10 2008 009 118 A1 erfolgt eine Kühlung einer Hochvolt-Batterie eines Fahrzeugs mit Luft, die aus dem Fahrgastraum angesaugt wird. Zu diesem Zweck ist eine von einem Batteriefach abführende Ejektorleitung vorgesehen, die im Kathodenabgasrohr endet. Die Abgasströmung erzeugt um das Ende der Ejektorleitung einen Unterdruck, der Luft aus dem Fahrgastraum ansaugt und durch das Batteriefach leitet.
Im Falle von Festoxidbrennstoffzellen (SOFC), die bei sehr hohen Temperaturen betrieben werden, ist zudem die Nutzung der Abwärme in dem Kathodenabgas unter Verwendung von Wärmetauschern bekannt. So beschreibt WO 2013/039022 A1 , eine Temperierung einer Sekundarbatterie vorzunehmen, indem eine Kühlung durch die Kathodenversorgungsluft der Brennstoffzelle und eine Heizung der Batterie durch das heiße Kathodenabgas erfolgt. Sofern die Batterie in einem exothermen Vorgang entladen wird, erfolgt Kühlung durch die Kathodenversorgungsluft, und wenn die Batterie in einem endothermen Vorgang geladen wird, wird das Kathodenabgas erwärmt. Die Wärmeübertragung erfolgt über einen Luft-Wärmetauscher.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Brennstoffzellensystem insbesondere für ein Fahrzeug vorzuschlagen, bei dem eine verbesserte energetische Nutzung des Produktwassers erfolgt.
Diese Aufgabe wird durch ein Brennstoffzellensystem sowie ein Fahrzeug mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem umfasst einen Brennstoffzellenstapel, einen Kathodenabgaspfad mit einer Kathodenabgasleitung zur Abführung von Kathodenabgas aus dem Brennstoffzellenstapel sowie einen Energiespeicher zur Speicherung von durch den Brennstoffzellenstapel erzeugter elektrischer Energie. Erfindungsgemäß stehen der Energiespeicher und die Kathodenabgasleitung in thermischem Kontakt miteinander, sodass eine Übertragung von Wärme von dem Energiespeicher auf das Kathodenabgas erfolgt.
Durch die erfindungsgemäße thermische Kopplung von Kathodenabgasleitung und Energiespeicher wird die Kühlung des Energiespeichers durch das vergleichsweise kühle Abgas unterstützt. Bei Brennstoffzellensystemen stellt die Kühlung von Komponenten eine besondere Herausforderung dar, da die Temperaturunterschiede zwischen dem Brennstoffzellenstapel und der Umgebung im Vergleich zu Verbrennungskraftmaschinen sehr gering sind. Daher ist jede zusätzliche Kühlung von Komponenten wünschenswert. Auf der anderen Seite kann durch die Abfuhr von Wärme des Energiespeichers durch das Kathodenabgas beziehungsweise das darin enthaltene Wasser die Vereisung der Kathodenabgasleitung verhindert werden.
Nach einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung umfasst das Brennstoffzellensystem ferner eine in dem Kathodenabgaspfad angeordnete Turbine, welche stromauf des Energiespeichers angeordnet ist. Hierdurch wird erreicht, dass das über die Turbine expandierte Abgas abkühlt und das enthaltene Produktwasser kondensiert. Das niedrigere Temperaturniveau des expandierten Abgases ist zur Kühlung besser nutzbar. Zudem kann durch das kondensierte Wasser aufgrund seiner höheren spezifischen Wärmekapazität die im Energiespeicher anfallende Wärme noch effektiver abgeführt werden. Vorzugsweise ist die Turbine mit einem Verdichter mechanisch gekoppelt, der im Kathodenversorgungpfad zur Verdichtung des Kathodenbetriebsgases angeordnet ist, insbesondere einem Elektroturbolader.
Die erfindungsgemäße thermische Kopplung zwischen Energiespeicher und Kathodenabgasleitung ist vorzugsweise dadurch realisiert, dass der Energiespeicher in Berührungskontakt mit der Kathodenabgasleitung steht, wobei insbesondere eine Gehäusewand des Energiespeichers eine Kanalwand der Kathodenabgasleitung berührt. Auf diese Weise ist eine direkte thermische Kopplung der beiden Komponenten und somit eine hohe Wärmeübertragungsrate sichergestellt.
In einer Ausführung der Erfindung ist der Energiespeicher innerhalb der Kathodenabgasleitung angeordnet. Hierdurch kann einerseits eine besonders grolle Kontaktfläche zwischen dem Abgas und dem Energiespeicher erzielt werden. Zugleich wird die Akustik verbessert, insbesondere der Geräuschpegel verringert.
In diesem Zusammenhang kann weiterhin mit Vorteil vorgesehen sein, dass der Energiespeicher so in der Kathodenabgasleitung angeordnet ist, dass er von kondensiertem Wasser zumindest teilweise umspült wird. Hierzu kann die Kathodenabgasleitung Anstaumittel aufweisen, die ein direktes Abfließen des kondensierten Wassers verhindern und somit zu einem Anstauen desselben führt. Beispielsweise ist das Anstaumittel in Form einer wannenartigen Vertiefung einer unteren Wandung der Kathodenabgasleitung ausgebildet, in der sich das Wasser teilweise ansammelt. Durch das direkte Umspülen des Energiespeichers mit dem kondensierten Wasser wird ein besonders großer Kühleffekt erzielt.
In alternativer Ausgestaltung der Erfindung ist der Energiespeicher unterhalb der Kathodenabgasleitung angeordnet. Diese Ausgestaltung lässt sich besonders gut bei Fahrzeugen realisieren, die über einen Mitteltunnel im Fahrzeug in Längsrichtung verfügen und bei denen der Kathodenabgaspfad zumindest abschnittsweise im Mitteltunnel angeordnet ist. Dabei kann der Energiespeicher so unterhalb der Kathodenabgasleitung angeordnet sein, dass ein besonders wärmeintensiver Bereich des Energiespeichers (sogenannter Hotspot) in Kontakt mit der Kathodenabgasleitung steht.
In bevorzugter Ausführung der Erfindung weist eine mit dem Energiespeicher in Berührungskontakt stehende Wand der Kathodenabgasleitung eine Oberflächen vergrößernde Struktur auf. Auf diese Weise wird eine noch höhere Wärmeübertragungsrate erzielt. Die Oberflächen vergrößernde Struktur kann beispielsweise in Form einer Rippenstruktur ausgebildet sein.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Fahrzeug, das ein Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden Erfindung aufweist. Dabei dient das Brennstoffzellensystem insbesondere der elektrischen Versorgung eines elektrischen Antriebsaggregats des Fahrzeugs.
In bevorzugter Ausgestaltung weist das Fahrzeug einen in Fahrzeuglängsrichtung verlaufenden Mitteltunnel auf, wobei zumindest ein Abschnitt des Kathodenabgaspfades im Mitteltunnel angeordnet ist. Diese Ausgestaltung ermöglicht eine besonders gute Bauraumausnutzung.
In weiterer bevorzugter Ausführung der Erfindung erstreckt sich die Kathodenabgasleitung zumindest bis zu einer Hinterachse des Fahrzeugs, besonders bevorzugt mindestens bis zu einem Ende der Karosserie. Das Auslassen des Abgases hinter dem Fahrzeug ist grundsätzlich wünschenswert, kann jedoch in heutigen Konzepten aufgrund des Problems der Vereisung oft nicht realisiert werden.
Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.
Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar.
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
1 Blockschaltbild eines Brennstoffzellensystems gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung;
2 Ausschnitt eines Fahrzeugs in Längsschnittansicht mit einem Brennstoffzellensystem gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung;
3 Ausschnitt des Fahrzeugs nach 2 in einer perspektivischen Schnittansicht mit Aufsicht auf den Kathodenabgaspfad;
4 Anordnung eines Energiespeichers innerhalb einer Kathodenabgasleitung, (A) in Querschnittansicht und (B) in Längsschnittansicht;
5 Anordnung eines Energiespeichers unterhalb einer Kathodenabgasleitung in Querschnittansicht, und
6 Anordnung eines Energiespeichers dezentral unterhalb einer Kathodenabgasleitung in Querschnittansicht.
1 zeigt ein insgesamt mit 100 bezeichnetes Brennstoffzellensystem gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung.
Das Brennstoffzellensystem 100 umfasst als Kernkomponente einen Brennstoffzellestapel 10, welcher einen Anodenraum 11 sowie einen Kathodenraum 12 aufweist, die durch eine ionenleitfähige Polymerelektrolytmembran 13 voneinander getrennt sind. Der Anoden- und Kathodenraum 11, 12 umfasst jeweils eine katalytische Elektrode, nämlich eine Anode beziehungsweise Kathode (nicht dargestellt), welche die jeweilige Teilreaktion der Brennstoffzellenumsetzung katalysiert. In einem Brennstoffzellenstapel sind üblicherweise eine Vielzahl derartiger Einzelzellen in Stapelform angeordnet, wobei zwischen zwei Membran-Elektroden-Einheiten jeweils eine Bipolarplatte angeordnet ist, welche der Zuführung der Betriebsmedien in die Anoden- und Kathodenräume 11, 12 sowie der Kühlung dient und ferner die elektrische Verbindung zwischen den einzelnen Zellen herstellt.
Um den Brennstoffzellenstapel 10 mit den Betriebsgasen zu versorgen, weist das Brennstoffzellensystem 100 einerseits eine Anodenversorgung 20 und andererseits eine Kathodenversorgung 30 auf.
Die Anodenversorgung 20 umfasst einen Anodenversorgungspfad 21, welcher der Zuführung eines Anodenbetriebsgases (dem Brennstoff), beispielsweise Wasserstoff, in die Anodenräume 11 dient. Zu diesem Zweck verbindet eine Anodenversorgungsleitung 23 einen Brennstoffspeicher 24 mit dem Brennstoffzellenstapel 10. Ein in der Anodenversorgungsleitung 23 angeordnetes Stellmittel 25 dient der Regulierung eines Massenstroms des Brennstoffs. Das Stellmittel 25 ist beispielsweise als Regelventil ausgebildet. Die Anodenversorgung 20 umfasst ferner einen Anodenabgaspfad 22, der über eine Anodenabgasleitung 26 das Anodenabgas aus den Anodenräumen 11 des Brennstoffzellenstapels 10 abführt. Darüber hinaus kann die Anodenversorgung 20 eine Brennstoffrezirkulationsleitung aufweisen (nicht dargestellt), welche die Anodenabgasleitung 26 mit der Anodenversorgungsleitung 23 verbindet. Die Rezirkulation von Brennstoff ist üblich, um den zumeist überstöchiometrisch eingesetzten Brennstoff zurückzuführen und zu nutzen.
Die Kathodenversorgung 30 umfasst einen Kathodenversorgungspfad 31 mit einer Kathodenversorgungsleitung 33, welche den Kathodenräumen 12 ein Kathodenbetriebsgas zuführt. Bei dem Kathodenbetriebsgas handelt es sich beispielsweise um Luft. Zur Förderung und Verdichtung der Luft ist in dem Kathodenversorgungspfad 31 ein Verdichter 34 angeordnet.
Die Kathodenversorgung 30 umfasst ferner einen Kathodenabgaspfad 32 mit einer Kathodenabgasleitung 35. Diese führt das Kathodenabgas (insbesondere Abluft) aus den Kathodenräumen 12 des Brennstoffzellenstapels 10 ab und führt dieses gegebenenfalls einer nicht dargestellten Abgasanlage zu. Optional kann, wie hier dargestellt, der elektrisch angetriebene Verdichter 34 durch eine Turbine 36 unterstützt angetrieben werden, welche in dem Kathodenabgaspfad 32 angeordnet ist. Dabei sind der Verdichter 34 und die Turbine 36 über einer gemeinsamen Welle miteinander verbunden. Ein Elektromotor 37 bewirkt den Hauptantrieb des Verdichters 34.
Weiterhin kann das Brennstoffzellensystem 100, bevorzugt die Kathodenversorgung 30, eine nicht dargestellte Befeuchtungseinrichtung aufweisen, die eine Befeuchtung des Kathodenbetriebsgases bewirkt. Dabei werden das trockene und zu befeuchtende Kathodenbetriebsgas sowie das feuchtere Kathodenabgas über eine wasserdampfpermeable Membran geführt, sodass der Wasserdampf aus dem Kathodenabgas über die Membran in das Kathodenbetriebsgas diffundiert und dieses befeuchtet. Die Befeuchtungseinrichtung ist bevorzugt zwischen Verdichter 24 und Kathodeneingang beziehungsweise zwischen Turbine 36 und den Kathodenausgängen des Stapels 10 angeordnet.
Verschiedene weitere Einzelheiten der Anoden- und Kathodenversorgung 20, 30 sind in der vereinfachten 1 aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht gezeigt. So kann die Kathodenversorgung 30 einen Wärmetauscher aufweisen, welcher der Vorerwärmung der durch den Verdichter 34 komprimierten Luft dient. Der Wärmetauscher wird üblicherweise durch das Kathodenabgas als Wärmeträger durchströmt. Dabei kann der Wärmetauscher sowohl seitens des Kathodenversorgungspfads 31 als auch des Kathodenabgaspfads 32 durch eine entsprechende Bypassleitung umgangen werden. Es kann ferner eine Turbinenbypassleitung seitens des Kathodenabgaspfads 32 vorgesehen sein, welche die Turbine 36 umgeht. Ferner kann eine Wastegate-Leitung vorhanden sein, welche die Kathodenversorgungsleitung 33 mit der Kathodenabgasleitung 35 verbindet. Ferner kann in dem Anoden- und/oder Kathodenabgaspfad 22, 32 ein Wasserabscheider verbaut sein, um das aus der Brennstoffzellenreaktion entstehende Produktwasser zu kondensieren und abzuleiten. Schließlich kann die Anodenabgasleitung 26 mit der Kathodenabgasleitung 35 verbunden sein, sodass das Anodenabgas und das Kathodenabgas über eine gemeinsame Abgasanlage abgeführt werden.
Das in 1 gezeigte Brennstoffzellensystem 100 umfasst ferner zumindest einen Energiespeicher 50, der elektrisch mit dem Brennstoffzellenstapel 10 verbunden ist und durch diesen mit elektrischer Energie gespeist und geladen wird. Bei dem Energiespeicher 50 handelt es sich insbesondere um eine Hochvoltbatterie, welche einen Elektrotraktionsmotor mit elektrischer Energie versorgt. Bekanntermaßen entwickeln Energiespeicher in ihrem Betrieb Wärme und bedürfen somit einer Kühlung. Erfindungsgemäß ist der Energiespeicher 50 so angeordnet, dass er mit der Kathodenabgasleitung 35 in thermischem Kontakt steht, sodass eine Übertragung von Wärme von dem Energiespeicher auf das Kathodenabgas ermöglicht ist. Vorzugsweise ist der Energiespeicher 50 stromab der Turbine 36 angeordnet. Auf diese Weise steht der Energiespeicher 50 an einer Stelle mit der Kathodenabgasleitung 35 in thermischem Kontakt, an dem das Kathodenabgas expandiert und somit abgekühlt anfällt. Üblicherweise ist an dieser Stelle bereits eine Kondensation der im Kathodenabgas vorhandenen Luftfeuchtigkeit erfolgt.
In den nachfolgenden Figuren werden Einzelheiten zu verschiedenen Varianten der Anordnung des Energiespeichers gemäß verschiedener Ausführungen der Erfindung beschrieben.
Die 1 und 2 zeigen verschiedene Ansichten eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems und seines Energiespeichers 50 in einem insgesamt mit 60 bezeichneten Fahrzeug. Dabei ist in der Detaildarstellung der 2 das Brennstoffzellenaggregat verdeutlicht.
Eine von dem Brennstoffzellenstapel 10 erzeugte elektrische Energie wird genutzt, um einen Traktionselektromotor 70 mit elektrischer Energie zu versorgen. Der Brennstoffzellenstapel 10 sowie der Elektromotor 70 sind in einem Motorraum des Fahrzeugs 60 angeordnet. Die von dem Brennstoffzellenstapel 10 gespeisten Energiespeicher 50 sind im dargestellten Ausführungsbeispiel unterhalb der Kathodenabgasleitung 35 angeordnet. Dabei steht das Gehäuse des Energiespeichers 50 in direktem Berührungskontakt mit der Kathodenabgasleitung 35. Der elektrische Turbolader, umfassend den Verdichter 34 und die Turbine 36 sind bezüglich eines Untergrunds auf einer Höhe angeordnet, die oberhalb eines Mitteltunnels des Fahrzeugs 60 liegt, in welchem der Hauptteil der Kathodenabgasleitung 35 verläuft. Auf diese Weise ist ein Gefälle der Abgasleitung 35 realisiert, die gewährleistet, dass kondensiertes Wasser des Kathodenabgases bis zu einem Abgasauslass 38 abfließt. in 2 ist ebenfalls ein Schalldämpfer 39 erkennbar, der an einem hinteren Abschnitt der Abgasleitung 35 kurz vor dem Abgasauslass 38 verbaut ist. Der Schalldämpfer 39 steht ebenfalls in Berührungskontakt mit weiteren Energiespeichermodulen 50.
Die erfindungsgemäße Anordnung der Energiespeicher 50 bewirkt einerseits eine Kühlung der Energiespeicher 50 durch das über die Turbine 34 auf ca. 40°C abgekühlte Kathodenabgas und das kondensierte Produktwasser. Die Kühlung ist insbesondere bei warmen Außentemperaturen, wie sie typischerweise im Sommer vorliegen können, erforderlich. Die Anordnung der Energiespeicher 50 an der Unterbodenposition des Fahrzeugs 60 bewirkt zusätzlich eine intensive Luftkühlung. Ferner wird durch die erfindungsgemäße Anordnung des/der Energiespeicher(s) 50 bei niedrigen Umgebungstemperaturen das Gefrieren des Produktwassers in der Kathodenabgasleitung 35 und somit ihre Vereisung verhindert.
Anders als in den 2 und 3 gezeigt, kann die Kathodenabgasleitung 35 mit Vorteil auch bis zu einem hinteren Ende 61 des Fahrzeugs 60 geführt werden. Dies wird durch die erfindungsgemäße Verhinderung der Vereisung der Abgasanlage ermöglicht.
Gemäß dem in 4A dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Energiespeicher 50 im Inneren der Kathodenabgasleitung 35 angeordnet, die zu diesem Zweck zumindest abschnittsweise mit einem vergrößerten Volumen beziehungsweise Querschnitt ausgeführt sein kann. Die Abgasleitung 35 kann dabei, wie in 4 dargestellt, unterhalb eines Unterbodens 62 des Fahrzeugs 60 über eine Flanschverbindung montiert sein oder alternativ in einem Mitteltunnel 63 des Fahrzeugs (analog 5 und 6). Die Anordnung des Energiespeichers 50 innerhalb der Abgasleitung 35 hat den Vorteil, dass der Energiespeicher 50 unmittelbar von dem Kathodenabgas 14 sowie kondensiertem Wasser 15 aus dem Kathodenabgas umströmt wird. Um die direkte Wirkung der Wasserkühlung noch zu erhöhen, weist die Kathodenabgasleitung 35 ein Anstaumittel 39 auf, welches ein Anstauen des kondensierten Wassers 15 bewirkt und seinem unverzüglichen Abfluss entgegenwirkt. In der gezeigten Ausführung ist das Anstaumittel 39 in Form einer Stufe der unteren Kanalwand der Kathodenabgasleitung 35 realisiert (siehe 4B). Die Anordnung des Energiespeichers 50 innerhalb der Kathodenabgasleitung 35 führt über die Wärmeübertragungswirkung hinausgehend auch zu einer Verbesserung der Akustik.
In dem in 5 dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Kathodenabgasleitung 35 innerhalb eines in Fahrzeuglängsrichtung verlaufenden Mitteltunnels 63 des Fahrzeugs angeordnet. Dabei ist der Energiespeicher 50 in direktem Kontakt zu der Abgasleitung 35 unterhalb derselben montiert. Somit steht eine Gehäusewand 51 des Energiespeichers 50 in direktem Berührungskontakt mit einer unteren Kanalwand der Kathodenabgasleitung 35. Um die Oberfläche der mit dem Energiespeicher 40 in Kontakt stehenden Kanalwand der Abgasleitung 35 zu erhöhen, weist die Kanalwand eine Oberflächen vergrößernde Strukturierung/Verrippung 41 an ihrer inneren Oberfläche auf. Ein in der Kathodenabgasleitung 35 durchlaufendes Gitter 42 dient dem Schwallschutz des kondensierten Wassers.
Während in 5 der Energiespeicher 50 zentral beziehungsweise symmetrisch unterhalb der Kathodenabgasleitung 35 platziert ist, zeigt 6 eine dezentrale Anordnung des Energiespeichers 50 unterhalb der Abgasleitung 35. Insbesondere ist der Energiespeicher 50 so angeordnet, dass ein Teilbereich 52 des Energiespeichers 50, der durch besonders hohe Wärmeentwicklung gekennzeichnet ist (Hotspot), mit der Kathodenabgasleitung 35 in Berührungskontakt steht. Hierdurch ist eine gezielte Kühlung derartiger Hotspots von Energiespeichern 50 möglich.
Nicht gezeigt in den 4 bis 6 ist ein Ablassventil, das an der Unterseite der Kathodenabgasleitung 35 vorgesehen sein kann, um nach einem Abstellen des Fahrzeugs das angestaute Wasser abzulassen. Dies ist sinnvoll, wenn für einen bevorstehenden Froststart das Gefrieren des angestauten Wassers verhindert werden soll.
Bezugszeichenliste

100: Brennstoffzellensystem
10: Brennstoffzellenstapel
11: Anodenraum
12: Kathodenraum
13: Polymerelektrolytmembran
14: Kathodenabgas
15: Wasser
20: Anodenversorgung
21: Anodenversorgungspfad
22: Anodenabgaspfad
23: Anodenversorgungsleitung
24: Brennstofftank
25: Stellmittel
26: Anodenabgasleitung
30: Kathodenversorgung
31: Kathodenversorgungspfad
32: Kathodenabgaspfad
33: Kathodenversorgungsleitung
34: Verdichter
35: Kathodenabgasleitung
36: Turbine
37: Elektromotor
38: Abgasauslass
39: Schalldämpfer
40: Anstaumittel
41: Oberflächenstrukturierung
42: Gitter
50: Energiespeicher
51: Gehäuse
52: wärmeintensiver Bereich/Hotspot
60: Fahrzeug
61: Fahrzeugende
62: Unterboden
63: Mitteltunnel
70: Elektromotor

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 02-291667 A [0006]
JP 2009-076216 A [0007]
JP 2005-306210 A [0008]
DE 102008009118 A1 [0009]
WO 2013/039022 A1 [0010]

Claims

Brennstoffzellensystem (100) mit einem Brennstoffzellenstapel (10), einem Kathodenabgaspfad (32) mit einer Kathodenabgasleitung (35) zur Abführung von Kathodenabgas aus dem Brennstoffzellenstapel (100) und mit einem Energiespeicher (50) zur Speicherung von durch den Brennstoffzellenstapel (10) erzeugter elektrischer Energie, dadurch gekennzeichnet, dass der Energiespeicher (50) und die Kathodenabgasleitung (35) in thermischem Kontakt miteinander stehen, sodass eine Übertragung von Wärme von dem Energiespeicher (50) auf das Kathodenabgas erfolgt.
Brennstoffzellensystem (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Brennstoffzellensystem (100) ferner eine in dem Kathodenabgaspfad (32) angeordnete Turbine (36) umfasst, welche stromauf des Energiespeichers (50) angeordnet ist.
Brennstoffzellensystem (100) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Energiespeicher (50) in Berührungskontakt mit der Kathodenabgasleitung (35) steht.
Brennstoffzellensystem (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Energiespeicher (50) innerhalb der Kathodenabgasleitung (35) angeordnet ist.
Brennstoffzellensystem (100) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Energiespeicher (50) so innerhalb der Kathodenabgasleitung (35) angeordnet ist, dass er von kondensiertem Wasser (14) zumindest teilweise umspült wird.
Brennstoffzellensystem (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Energiespeicher (50) unterhalb der Kathodenabgasleitung (35) angeordnet ist.
Brennstoffzellensystem (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine in Berührungskontakt mit dem Energiespeicher (50) stehende Kanalwand der Kathodenabgasleitung (35) eine Oberflächen vergrößernde Struktur (41) aufweist.
Fahrzeug (60) mit einem Brennstoffzellensystem (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 7.
Fahrzeug (60) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Fahrzeug (60) einen in Fahrzeuglängsrichtung verlaufenden Mitteltunnel (63) aufweist und zumindest ein Abschnitt der Kathodenabgasleitung (35) im Mitteltunnel (63) angeordnet ist.