-
Die hier offenbarte Technologie betrifft ein Brennstoffzellensystem mit einem befeuchteten Oxidationsmittelstrom, ein Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems sowie einen Wärmetauscher für ein Brennstoffzellensystem.
-
Durch die Befeuchtung der Kathodenluft kann die Leistungsfähigkeit und Effizienz einer Brennstoffzelle erhöht werden. Dies ist insbesondere der Fall bei erhöhten Betriebstemperaturen der Brennstoffzelle, z.B. bei einer Kühlmittelaustrittstemperatur aus der Brennstoffzelle von über 75°C. Eine zusätzliche Befeuchtung des Oxidationsmittelstromes ist insbesondere bei erhöhten Betriebstemperaturen und/oder bei hohen Brennstoffzellenleistungen erforderlich. Sofern nicht sichergestellt ist, dass die eingebrachte Flüssigkeit komplett verdampft bzw. verdunstet, kann es zu Flüssigwassereintrag in den Brennstoffzellenstapel kommen, der den Betrieb des Brennstoffzellenstapels generell negativ beeinflussen kann.
Aus dem Stand der Technik bekannt sind Befeuchtungseinrichtungen, die stromabwärts vom Verdichter und stromaufwärts von der Kathode die Kathodenzuluft befeuchten. Dabei wird die erhöhte Lufttemperatur der verdichteten
Luft (z.B. bis zu 200°C) dazu genutzt, das eingebrachte Wasser zu verdampfen. Bei Systemen, die Flüssigkeit in der Kathodenzuluft verdampfen lassen, reicht in einigen Betriebspunkten die Energie des verdichteten Oxidationsmittelstromes nicht aus, um die für die gewünschte Befeuchtung der Brennstoffzelle benötigte Wassermenge in die Gasphase zu überführen.
Die Dokumente
DE 100 28 331 A1 und
DE 102 03 311 A1 zeigen Stand der Technik.
In der
WO 2010/046028 A1 ist eine Vorrichtung offenbart, bei der ein flüssiges Medium stromaufwärts eines Ladeluftkühlers und stromabwärts eines Verdichters mittels einer Dosiereinrichtung einbringbar ist. Der Befeuchtungsgrad wird dabei durch einen als Kontaktbefeuchter agierenden Ladeluftkühler und durch einen zusätzlichen Membranbefeuchter eingestellt. Ein solcher Aufbau ist vergleichsweise komplex, kostenintensiv und groß, wenn sicher vermieden werden soll, dass kein Flüssigwasser in den Brennstoffzellenstapel gelangt. Ferner wird in der Druckschrift vorgeschlagen, das flüssige Medium vor der Einbringung zu erhitzen, was einen zusätzlichen Energieaufwand darstellt.
-
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Nachteile der vorbekannten Lösungen zu verringern oder zu beheben. Weitere Aufgaben ergeben sich aus den vorteilhaften Effekten der hier offenbarten Technologie. Die Aufgabe(n) wird/werden gelöst durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche. Die abhängigen Patentansprüche stellen bevorzugte Ausgestaltungen der hier offenbarten Technologie dar.
-
Die hier offenbarte Technologie betrifft ein Brennstoffzellensystem mit mindestens einer Brennstoffzelle. Das Brennstoffzellensystem ist beispielsweise für mobile Anwendungen wie Kraftfahrzeuge gedacht. In ihrer einfachsten Form ist eine Brennstoffzelle ein elektrochemischer Energiewandler, der Brennstoff und Oxidationsmittel in Reaktionsprodukte umwandelt und dabei Elektrizität und Wärme produziert. Beispielsweise wird in einer solchen Brennstoffzelle Wasserstoff als Brennstoff und Luft oder Sauerstoff als Oxidationsmittel verwendet. Das Reaktionsprodukt der Reaktion in der Brennstoffzelle ist beispielsweise Wasser. Die Gase werden dabei in entsprechende Diffusionselektroden gespeist, die durch einen festen oder flüssigen Elektrolyten voneinander getrennt werden. Der Elektrolyt transportiert geladene Ionen zwischen den beiden Elektroden. Die Brennstoffzelle umfasst eine Anode und eine Kathode, die durch einen ionenselektiven Separator getrennt sind. Die Anode weist eine Zufuhr für einen Brennstoff zur Anode auf. Bevorzugte Brennstoffe sind: Wasserstoff, niedrigmolekularer Alkohol, Biokraftstoffe, oder verflüssigtes Erdgas. Die Kathode weist beispielsweise eine Zufuhr für Oxidationsmittel auf. Bevorzugte Oxidationsmittel sind bspw. Luft, Sauerstoff 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 beispielsweise: Nation®, Flemion® und Aciplex®. Ein Brennstoffzellensystem umfasst mindestens eine Brennstoffzelle sowie periphere Systemkomponenten (BOP-Komponenten), die beim Betrieb der mindestens einen Brennstoffzelle zum Einsatz kommen können. In der Regel sind mehrere Brennstoffzellen zu einem Brennstoffzellenstapel bzw. Stack zusammengefasst.
-
Das Brennstoffzellensystem umfasst einen Oxidationsmittelförderer, der ein Oxidationsmittel zu der Kathode fördert. Ein solcher Oxidationsmittelförderer kann bspw. als Kompressor bzw. Turbokompressor bzw. als Verdichter ausgebildet sein. Der Oxidationsmittelförderer kann das Oxidationsmittel, bevorzugt Sauerstoff oder Luft, durch eine Kathodenzufuhrleitung in die Kathode fördern. Der Oxidationsmittelförderer ist bspw. in der Lage, das Oxidationsmittel auf einen Druck größer 1 bar zu verdichten. Dabei erwärmt sich das Oxidationsmittel bspw. auf 160 °C. Der Oxidationsmittelförderer ist in der Kathodenzufuhrleitung stromaufwärts der Kathode angeordnet.
-
Das Brennstoffzellensystem umfasst ferner eine Befeuchtungseinrichtung, die eine Flüssigkeit, hier Wasser, in den Oxidationsmittelstrom einbringt, bevorzugt einspritzt bzw. einsprüht. Die Befeuchtungseinrichtung ist im und/oder stromabwärts vom Oxidationsmittelförderer und stromaufwärts von einem Wärmetauscher bzw. Wärmeübertrager (nachstehend: Wärmetauscher) in der Kathodenzufuhrleitung angeordnet.
-
Der Wärmetauscher ist derart ausgebildet und im Brennstoffzellensystem angeordnet, dass der Wärmetauscher den befeuchteten Oxidationsmittelstrom vor Eintritt in die Kathode erwärmen kann. Mit anderen Worten weist das Brennstoffzellensystem eine Konfiguration auf, bei der der Wärmetauscher nicht nur den Oxidationsmittelstrom vor Eintritt in die Kathode kühlen kann, wie es bspw. bei vorbekannten Ladeluftkühlern der Fall ist, sondern der Wärmetauscher kann ebenfalls das befeuchtete Oxidationsmittel (wieder) erwärmen. Dieser Konfiguration liegt der Gedanke zugrunde, dass durch die Erwärmung des Oxidationsmittelstromes das zuvor durch die Befeuchtungseinrichtung eingebrachte Wasser komplett in die Gasphase überführt werden kann. Somit wird sichergestellt, dass kein Flüssigwasser in die Kathode der Brennstoffzelle gelangt, ohne dass dazu zusätzlicher Bauraum benötigt wird oder hohe Zusatzkosten anfallen.
-
Die hier offenbarte Technologie umfasst ebenso ein Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems mit den Schritten:
- - Verdichten des Oxidationsmittelstromes in einem Oxidationsmittelförderer stromaufwärts einer Kathode von mindestens einer Brennstoffzelle des Brennstoffzellensystems;
- - Einbringen bzw. Einspritzen bzw. Einsprühen von Flüssigkeit, insbesondere Wasser, in den Oxidationsmittelstrom im und/oder stromabwärts vom Oxidationsmittelförderer und stromaufwärts von einem Wärmetauscher und stromaufwärts der Kathode; und
- - Erhöhen der Temperatur des befeuchteten Oxidationsmittelstroms im Wärmetauscher vor Eintritt in die Kathode der mindestens einen Brennstoffzelle.
-
Bevorzugt werden die Schritte in der hier dargestellten Reihenfolge ausgeführt. Bevorzugt ist die eingebrachte Wassermenge derart bemessen, dass eine ausreichende Befeuchtung der mindestens einen Brennstoffzelle möglich ist.
-
Gemäß dem hier offenbarten Verfahren ist es mit einfachen Mitteln möglich, unter Verwendung von geringem Bauraum, kostengünstig eine ausreichende Befeuchtung der mindestens einen Brennstoffzelle auch für den Betrieb bei hohen Brennstoffzellentemperaturen und/oder hohen Leistungen des Brennstoffzellensystems, beispielsweise während einer Bergfahrt, sicherzustellen.
-
Die hier offenbarte Technologie umfasst ferner eine Befeuchtungseinrichtung, die ausgebildet ist, Wasser in den Oxidationsmittelstrom einzusprühen sowie ein Verfahren, bei dem das Wasser eingesprüht wird. Unter Einsprühen bzw. Zerstäuben der Flüssigkeit ist hierbei das Zerteilen der Flüssigkeit in feinste Tröpfchen (Aerosol bzw. Nebel) im Oxidationsmittel zu verstehen. Durch das Zerstäuben des Wassers kann eine gute Durchmischung mit dem Luftstrom sichergestellt werden und das eingespritzte Wasser kann aufgrund der großen reaktiven Flüssigkeitsoberfläche schneller verdampfen bzw. verdunsten. Hierzu kann das Brennstoffzellensystem mit Druckdüsen ausgestattet sein, die das Wasser in den Oxidationsmittelstrom eindüsen. Für feinste Tröpfchen wird beispielsweise ein Injektor bzw. eine Düse mit einem Wasserdruck von bis zu 20 bar vorgesehen. Die Düsen können auch derart ausgestaltet sein, das nach dem Venturi-Effekt bzw. nach dem Prinzip der Strahlpumpe der Oxidationsmittelstrom das Wasser selbst ansaugt. Das bevorratete Wasser, welches eingespritzt wird, stellt einen Speicher für Kühlleistung dar. Ein Wasservorrat kann hierzu beispielsweise das anfallende Produktwasser speichern, welches beispielsweise aus dem Abgas der Brennstoffzelle abgeschieden wird.
-
Gemäß der hier offenbarten Technologie findet die Wassereinbringung vor dem Wärmetauscher statt und der Wärmetauscher wird kühlmittelseitig durch einen Kühlmittelstrom durchströmt. Im befeuchteten Betrieb überträgt der Wärmetauscher Energie von dem Kühlmittel, welches durch den Wärmetauscher entlang eines ersten Strömungspfad fließt, auf den Oxidationsmittelstrom, welcher durch den Wärmetauscher entlang eines zweiten Strömungspfades fließt, um die Verdunstung zumindest von einem Teil des eingebrachten Wassers zu erreichen. Auch wenn im befeuchteten Betrieb das Kühlmittel im Wärmetauscher dazu dient, den Oxidationsmittelstrom zu erwärmen, werden hier vereinfacht auch Begriffe wie Kühlmittel, kühlmittelseitig, Kühlmittelstrom oder Kühlmittelkreis verwendet.
-
Bevorzugt weist der Wärmetauscher also mindestens zwei Strömungspfade auf, einen ersten Strömungspfad eines Kühlmittels und einen zweiten Strömungspfad eines Oxidationsmittelstromes. Bevorzugt handelt es sich um einen Gas/Flüssigwärmetauscher bzw. Luft/Kühlmittel-Wärmeübertrager. Das Kühlmittel kann beispielsweise Wasser sein, dem Additive zugemischt sind. Bevorzugt ist der Wärmetauscher im gleichen Kühlmittelkreis stromabwärts der mindestens einen Brennstoffzelle oder im gleichen Kühlmittelkreis parallel zur Brennstoffzelle angeordnet. Mit anderen Worten werden die Brennstoffzelle und der Wärmetauscher vom gleichen Kühlmittel durchströmt. Bevorzugt ist der Kühlmittelkreis der Hochtemperatur-Kühlmittelkreis des Kraftfahrzeuges. Im Kraftfahrzeug sind verschiedene Komponenten an verschiedenen Kühlkreisen angeschlossen, die unterschiedliche Temperaturen aufweisen. Teil eines Niedrigtemperaturkühlkreis (NT-Kühlmittelkreis) kann beispielsweise die Elektronik, der Kondensator oder der Hochvoltspeicher sein. Teil des Hochtemperaturkühlkreis (HT-Kühlmittelkreis) kann beispielsweise die Brennstoffzelle oder der Wärmetauscher der Innenraumheizung sein. Die Kühlmitteltemperatur im NT-Kühlkreis ist in der Regel niedriger als im HT-Kühlkreis. Die Kühlmitteltemperatur kann beispielsweise im NT-Kühlkreis maximal 70°C betragen. Im HT-Kühlkreis liegen in der Regel Kühlmitteltemperaturen oberhalb von 70°C vor.
-
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung wird also der Wärmetauscher von dem Kühlmittelstrom der Brennstoffzelle durchströmt. Der Oxidationsmittelstrom wird durch das Einspritzen und Verdampfen bzw. Verdunsten von Wasser stromaufwärts des Wärmetauschers auf eine Temperatur abgekühlt, die unterhalb des Temperaturniveaus des Kühlmittels im Wärmetauscher liegt. Das befeuchtete Oxidationsmittel strömt durch den Wärmetauscher und wird dabei durch das aus der Brennstoffzelle ausgetretene Kühlmittel erwärmt. Das hier offenbarte Verfahren betrifft also einen Wärmetauscher, der Bestandteil des gleichen Kühlmittelkreises ist wie die mindestens eine Brennstoffzelle, wobei der Wärmetauscher stromabwärts der mindestens einen Brennstoffzelle angeordnet ist, so dass das Kühlmittel zumindest einen Teil der in der mindestens einen Brennstoffzelle aufgenommene Energie im Wärmetauscher wieder an den Oxidationsmittelstrom abgibt.
-
Das hier offenbarte System und Verfahren haben den Vorteil, dass die für die Verdunstung benötigte Energie zum Teil durch die Abwärme der Brennstoffzelle bereitgestellt wird. Insbesondere beim Hochtemperaturbetrieb bzw. bei hohen Leistungsanforderungen an die Brennstoffzelle kann die Kühlleistung des Kühlsystems einer Brennstoffzelle bzw. eines Kraftfahrzeuges kritisch sein. Durch die Abgabe der Wärmeenergie an den Oxidationsmittelstrom ist der Kühlmittelkreis weniger belastet. Gegenüber einem System ohne zusätzlichen Energieeintrag in die Kathodenluft ermöglicht die hier offenbarte Technologie einen höheren Wassereintrag in die Kathode und somit einen höheren Befeuchtungsgrad der Brennstoffzelle, ohne das dazu viel zusätzliche Energie verbraucht wird.
-
Im permanent befeuchteten Betrieb ist es sinnvoll, den Wärmetauscher kühlmittelseitig hinter der mindestens einen Brennstoffzelle zu schalten, um eine möglichst hohe Kühlmitteltemperatur und somit eine gute Wärmeübertragung im Wärmetauscher zu erreichen. Es kann aber auch sinnvoll sein, die Wassereinspritzung nur in bestimmten Betriebspunkten vorzusehen, bspw. oberhalb eines ersten Schwellwertes der Betriebstemperatur der Brennstoffzelle. Mit anderen Worten wird das Wasser in den Oxidationsmittelstrom gemäß dem hier offenbarten Verfahren eingebracht und die Temperatur des befeuchteten Oxidationsmittelstroms im Wärmetauscher erhöht, wenn die Betriebstemperatur der Brennstoffzelle oberhalb eines ersten Schwellwertes liegt. In anderen Betriebspunkten, beispielsweise bei einer Betriebstemperatur unterhalb des Schwellwertes, kann es beispielsweise angebracht sein, kein Wasser einzubringen.
-
Wird der Oxidationsmittelstrom nicht zusätzlich befeuchtet, tritt der Oxidationsmittelstrom in den Wärmetauscher mit einer Temperatur ein, die oberhalb der Temperatur des Kühlmittelstromes im Wärmetauscher liegt. In diesem Fall kühlt also der Wärmetauscher den Oxidationsmittelstrom ähnlich wie es bei vorbekannten Ladeluftkühlern der Fall ist, die als Kühlmittel das Kathodenabgas nutzen. Sofern bei Brennstoffzellen mit permanenter oder punktueller Befeuchtung kein Wasser zur Einspritzung bereitgestellt werden kann, muss die Leistung des Brennstoffzellensystems verringert werden (auch „Derating“ genannt), um thermische Schäden an der Brennstoffzelle zu vermeiden. Wird der Wärmetauscher parallel zur Brennstoffzelle im gleichen Kühlmittelkreis angeordnet, so fließt durch den Wärmetauscher ein Kühlmittel mit einer niedrigeren Temperatur. Ein Derating kann bei einer solchen Anordnung eher vermieden werden. Solche Systeme können dann so ausgelegt sein, dass eine Bergfahrt auch ohne Wassereinspritzung möglich ist.
-
In einer weiteren Ausgestaltung ist die Befeuchtungseinrichtung in den Wärmetauscher integriert. Bevorzugt ist der Wärmetauscher dabei so ausgelegt, dass die komplette Verdunstung bzw. Verdampfung des Wassers innerhalb des Kühlers erfolgen kann. Insbesondere kann ein Wasservorrat (evtl. lediglich eine Zuleitung) der Befeuchtungseinrichtung derart am bzw. im Wärmetauscher ausgebildet sein, dass die Wärme des Kühlmittels auch auf das einzuspritzende Wasser übertragen wird. Das Wasser wird also vor der Einbringung bereits vorgewärmt. Wird das Wasser innerhalb des Wärmetauschers eingebracht, so kann es sich homogener auf die einzelnen Platten des Wärmetauschers verteilen.
-
„Stromaufwärts von einem Wärmetauscher“ wird hier funktional verstanden. Somit fallen darunter auch Ausgestaltungen, bei denen das Wasser innerhalb eines Wärmetauschers stromaufwärts eines Wärmeaustauschteilbereiches eingebracht wird, wobei im Wärmeaustauschteilbereich durch Wärmeaustausch der Oxidationsmittelstrom erwärmt wird bzw. werden kann.
-
Die Befeuchtungseinrichtung ist bevorzugt beabstandet vom Wärmetauscher angeordnet. Vorzugsweise ist die Befeuchtungseinrichtung im (z.B. in der Volute) und/oder benachbart zum Oxidationsmittelförderer angeordnet. Bevorzugt umfasst die hier offenbarte Technologie ein Verfahren, wobei das Wasser beabstandet vom Wärmetauscher und/oder im und/oder benachbart zum Oxidationsmittelförderer eingebracht wird.
-
Besonders bevorzugt ist die Befeuchtungseinrichtung mindestens ca. 0,3L, ferner bevorzugt mindestens ca. 0,5L, und besonders bevorzugt mindestens ca. 0,75L vom Wärmetauscher beabstandet angeordnet, wobei L die Wegstrecke des Oxidationsmittelstromes zwischen Oxidationsmittelförderer und Wärmetauscher ist. Bevorzugt ist die Befeuchtungseinrichtung maximal ca. 0,2L, ferner bevorzugt maximal ca. 0,1 L, und besonders bevorzugt max. ca. 0,05L vom Oxidationsmittelförderer entfernt angeordnet. Der Begriff „im oder benachbart zum Oxidationsmittelförderer“ umfasst Ausgestaltungen, bei denen die Befeuchtungseinrichtung innerhalb des Oxidationsmittelförderers unmittelbar neben den Oxidationsmittelförderer oder in einem geringen Abstand zum Oxidationsmittelförderer angeordnet ist. Mit anderen Worten ist die Befeuchtungseinrichtung bevorzugt näher zum Oxidationsmittelförderer angeordnet als zum Wärmetauscher. Dadurch wird vorteilhaft erreicht, dass zumindest ein großer Teil des eingesprühten Wasser verdampft, bevor es in den Wärmetauscher eintritt. Somit lässt sich effizient die Temperatur des befeuchteten Oxidationsmittels reduzieren, wodurch ein größerer Temperaturgradient im Wärmetauscher einen effizienteren Wärmeaustausch ermöglicht. Auch lässt sich der Flüssigwasseranteil im Oxidationsmittel weiter reduzierten.
-
Bevorzugt ist die Befeuchtungseinrichtung integral mit Oxidationsmittelförderer ausgebildet. Ferner bevorzugt kann der Oxidationsmittelförderer wärmeleitend mit der Befeuchtungseinrichtung verbunden sein. Beispielsweise können die Befeuchtungseinrichtung und der Oxidationsmittelförderer ein gemeinsames Gehäuse, bevorzugt ein Metallgehäuse, aufweisen. Ferner bevorzugt kann die Befeuchtungseinrichtung an den Oxidationsmittelförderer wärmeleitend verbunden, bspw. angeflanscht, sein.
-
Im Gehäuse des Oxidationsmittelförderers sowie am Ausgang des Oxidationsmittelförderers weist das Oxidationsmittel eine hohe Temperatur und eine hohe Turbulenz auf. In diesem Bereich eingespritztes Wasser vermischt sich besonders gut und kann aufgrund der hohen Temperaturen effizient verdampft bzw. verdunstet werden. Aufgrund der vergleichsweise langen Verdunstungsstrecke wird überdies ein erhöhter Verdunstungsgrad erzielt.
-
Bevorzugt umfassen die Befeuchtungseinrichtung und/oder der Oxidationsmittelförderer einen Rohrabschnitt aus einem Metallmaterial, in welches das Wasser eingebracht wird. Bevorzugt ist der Rohrabschnitt mit dem Gehäuse des Oxidationsmittelförderers derart verbunden, dass zumindest ein Teil der während der Förderung des Oxidationsmittels im Oxidationsmittelförderer anfallenden Wärmeenergie in den Rohrabschnitt durch konduktive Wärmeleitung eingebracht wird. Ferner bevorzugt weist der Rohrabschnitt auf seiner Innenseite mindestens eine Kühlrippe auf, die von Oxidationsmittel umströmt wird. Bevorzugt weist der Rohrabschnitt eine axiale Länge von mindestens ca. 5 cm, bevorzugt mindestens 10 cm und besonders bevorzugt mindestens 20 cm auf. Bevorzugt ist die Länge des Rohrabschnitts derart gewählt, dass der überwiegende Teil an Wärmeenergie, die während der Förderung des Oxidationsmittels im Oxidationsmittelförderer anfällt, über den Rohrabschnitt an das Oxidationsmittel wieder abgegeben wird.
-
Bevorzugt weist der Wärmetauscher einen geschichteten Aufbau mit mehreren Wärmetauscherplatten auf. Der Oxidationsmittelstrom kann durch Leitbleche auf die verschiedenen Zwischenräume, die zwischen jeweils zwei Wärmeleiterplatten ausgebildet sind, insbesondere dergestalt aufgeteilt werden, dass eine Impaktion verringert bzw. vermieden wird. Bevorzugt sind die Leiterplatten in ihrem stromaufwärts vorderen Bereich parallel zur Strömungsrichtung des Oxidationsmittelstroms angeordnet. Wird die Impaktion gering gehalten, so verringert sich die Gefahr der Tropfenbildung aus dem fein verteilten Aerosol. Bevorzugt sind die Leitbleche thermisch mit den Wärmetauscherplatten verbunden. Vorteilhaft lässt sich dadurch der Wärmeeintrag in den Oxidationsmittelstrom vergrößern.
-
Vorteilhaft kann der Wärmetauscher als Gegenstromwärmetauscher oder als Gleichstromwärmetauscher ausgeführt sein. Grundsätzlich sind Wärmetauscher mit verschiedenen Geometrien oder Prinzipien abweichend vom Plattenwärmetauscher einsetzbar.
-
Bevorzugt umfasst der Wärmetauscher einen Retentionsbereich, in dem Retentions-Maßnahmen bzw. Retentionsmittel vorgesehen sind, um die Flüssigkeitstropfen an die Wärmetauscherinnenoberfläche zu bringen. Durch die Retention der Flüssigkeitstropfen kann die Gefahr verringert werden, dass schädliches Flüssigwasser in die mindestens eine Brennstoffzelle gelangt. Die Einspritzmenge an Wasser muss dann nicht so genau geregelt bzw. limitiert werden. Falls im Dynamikfall zu viel Wasser eingespritzt wird, können die Retentionsmittel im Wärmetauscher Flüssigkeit zumindest für eine gewisse Zeit zurückhalten. Das Wasser kann dann im Wärmetauscher noch verdunsten.
-
Beispielsweise kann der Wärmetauscher mindestens eine Retentions-Leitvorrichtung, bspw. ein Retentions-Leitblech oder eine Strömungsumlenkung umfassen. In einer weiteren Ausgestaltung kann der Wärmetauscher mindestens ein Drallblech umfassen, bevorzugt einen Axialdrall-Erzeuger. Ferner vorteilhaft kann im Wärmetauscher ein Filtervlies, bevorzugt ein Metallfiltervlies vorgesehen sein. Alternativ und/oder zusätzlich kann ein Gewebe, bevorzugt ein Metallgewebe, verwendet werden. Ferner bevorzugt kann ein geschäumtes Material, insbesondere ein offenzelliger Metallschaum vorgesehen sein. Bevorzugt umfasst das Brennstoffzellensystem ein Vlies, Gewebe und/oder Schaum, welches in oder benachbart zum Wärmetauscher zumindest abschnittsweise vorgesehen ist. Das Vlies, Gewebe und/oder Schaum ist/sind bevorzugt derart angeordnet, dass es vom Oxidationsmittelstrom durchflossen wird.
-
Die hier offenbarte Technologie betrifft ferner einen Wärmetauscher, insbesondere für das hier gezeigte Brennstoffzellensystem, wobei die Innenwand des Wärmetauschers mit einem Vlies, einem Gewebe und/oder Schaum wärmeleitend verbunden ist. Das Vlies, das Gewebe und/oder der Schaum kann vom Oxidationsmittelstrom durchflossen werden, insbesondere derart, dass im Oxidationsmittelstrom vorhandene Tropfen zurückgehalten und/oder zur Innenwand befördert werden.
-
Besonders bevorzugt ist das Vlies, das Gewebe und/oder der Schaum in einem Bereich angeordnet, in dem die Strömungsrichtung des Oxidationsmittelstromes ab- und/oder umgelenkt wird. Die Ablenkung ist bevorzugt so groß, dass bei der sich einstellenden Strömungsgeschwindigkeit eine Tröpfchenabscheidung erreicht werden kann. Beispielsweise kann die Ablenkung 30° betragen. Eine Umlenkung in diesem Sinne ist eine Ablenkung der Strömung um bevorzugt ca. 180°. Eine solche Umlenkung ist bei kleinem Bauraum gut umsetzbar. Bevorzugt können gewebte oder nicht gewebte (Metall)faserstrukturen eingesetzt werden. Ferner bevorzugt weisen die Oberflächen des Wärmetauschers, insbesondere des Vlies, des Gewebes und/oder des Schaumes, hydrophile Oberflächen auf. Solche Oberflächen saugen und verteilen zumindest teilweise die Wassertropfen und es bildet sich ein Film aus.
-
Durch diese Maßnahmen lässt sich die Verweilzeit des Wassers im Wärmetauscher bzw. in den unmittelbar benachbarten Strukturen erhöhen. Gleichsam verringert sich dadurch die Gefahr, dass Flüssigwasser in die Brennstoffzelle gelangt.
-
Das Vlies, das Gewebe und/oder der Schaum kann sich entlang der Innenwand insbesondere parallel zur Strömungsrichtung des Oxidationsmittelstroms erstrecken. Zweckmäßig kann oberhalb vom Vlies, Gewebe und/oder Schaum ein freiliegender Strömungsbereich angeordnet sein, durch den ein Teil des Oxidationsmittelstroms strömen kann, ohne das Vlies, das Gewebe und/oder den Schaum zu kontaktieren. Vorteilhaft bedeckt das Vlies, das Gewebe und/oder der Schaum maximal ca. 70 %, ferner bevorzugt max. ca. 40 % und besonders bevorzugt max. ca. 10 % der Querschnittsfläche des Strömungskanalabschnittes des Oxidationsmittelstroms senkrecht zur Strömungsrichtung.
-
Gemäß dieser besonders bevorzugten Ausgestaltung wird das Wasser durch den Wärmetauscher bzw. den benachbarten Komponenten zurückgehalten, ohne dass hierdurch der Strömungswiderstand in der Kathodenzuleitung zu stark zunimmt.
-
Ferner vorteilhaft verteilt das Vies, das Gewebe und/oder der Schaum das Wasser auch in nicht benetzte Bereiche und verbessert somit die gleichmäßige Verteilung des Wassers innerhalb des Wärmetauschers. Vorteilhaft kann es somit zu Nebenströmungen durch das Vlies kommen. Bevorzugt ist das Maß an Ablenkung bzw. Umlenkung des Retentionsmittels derart gewählt, dass sich große Tropfen aufgrund ihrer Trägheit zum Vlies hin bewegen.
-
Weiter bevorzugt kann ein Drall derart erzeugt werden, dass sich größere Tropfen zu dem an der Innenwand angeordneten Vlies, Gewebe und/oder Schaum bewegen.
-
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann ein Wasserabscheider, bspw. ein Zyklonabscheider vorgesehen sein. Wassertropfen, die evtl. den Wärmetauscher noch verlassen, weisen einen vergleichsweise großen Tropfendurchmesser auf. Solche Tropfen lassen sich vergleichsweise einfach aus dem Oxidationsmittelstrom mit dem Abscheider aussondern. Die abgeschiedene Flüssigkeit kann dann wieder durch die Befeuchtungseinrichtung in den Oxidationsmittelstrom eingebracht werden, beispielsweise mittels einer vorteilhaft selbstansaugenden Venturi-Düse.
-
Bevorzugt ist das Vlies, das Gewebe und/oder der Schaum bzw. die Innenwand mit einem kühlmittelführenden Bauteil des Wärmetauschers wärmeleitend verbunden.
-
Beispielsweise kann als Metallfaservlies das Vlies „Bekipor®“ der Firma Bekaert eingesetzt werden. Bevorzugt kann das Metallfaservlies thermisch unter Luft behandelt werden, damit sich eine Oxidschicht ausbildet.
-
Bevorzugt kann ein Vlies, Gewebe oder Schaum (auch) im Eingangsbereich eines Brennstoffzellenstapels stromaufwärts der mindestens einen Brennstoffzelle angeordnet sein. Der Brennstoffzellenstapel selbst weist ebenfalls vergleichsweise hohe Temperaturen auf, die eine Verdunstung des Wassers begünstigen. Somit könnten (auch) in diesem Bereich vor Eintritt des Flüssigwassers in die Brennstoffzelle die Wassertropfen verdunsten.
-
Anstatt dem Metallvlies bzw. Metallgewebe kann als Retentionsmittel auch ein anderes poröses oberflächenvergrößerndes Material eingesetzt werden, welches bevorzugt in gleicher Weise angeordnet und ausgebildet ist wie das Metallvlies bzw. Metallgewebe. Solche Materialien sind beispielsweise Schäume, Faser-Gebilde und/oder Keramiken. Beispielsweise können offenzellige Metallschäume, hydrophile Polymerfasern (z.B. Polyester), Cellulose und/oder textile Fasern (wover/nonwoven) eingesetzt werden. Ebenso kann ein Metal Mesh (gestanzte oder gewalzte Metallplatten) eingesetzt werden. Ein solches Metal Mesh ist beispielsweise in der
JP 2010-170984 A2 gezeigt, deren Inhalt hiermit durch Verweis aufgenommen wird.
-
Mit dem Vlies, Gewebe bzw. offenzelligem Schaum (nachstehend Retentionsmittel) gehen bevorzugt folgende Vorteile einher:
- - Durch die Retention der Wassertropfen wird die Verweildauer der Wassertropfen im Wärmetauscher erhöht, wodurch insgesamt die Verdunstungsmenge ansteigt.
- - Das Retentionsmittel vergrößert die Oberfläche, wodurch mehr Wärme an das eingebrachte Wasser übergeben werden kann.
- - Das Retentionsmittel steigert die Wärmekapazität des Wärmetauschers, wodurch etwaige punktuelle Fehldosierungen der Wassermenge kompensiert werden können.
- - Die vorgenannten Retentionsmittel weisen vergleichsweise geringe Strömungswiderstände auf.
-
Im Folgenden wird die hier offenbarte Technologie nun anhand von Figuren erläutert, wobei der beanspruchte Gegenstand nicht anhand der nachfolgenden bevorzugten Ausgestaltungen einschränkend auszulegen ist. Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung des hier offenbarten Brennstoffzellensystems 100,
- 2 eine schematische Darstellung eines Oxidationsmittelförderers 120 mit einer Befeuchtungseinrichtung 130,
- 3 einen Wärmetauscher 140 mit angeschlossenen Leitblechen 146, und
- 4 bis 7 vergrößerte schematische Teilansichten von Wärmetauschern 140.
-
1 zeigt schematisch das Brennstoffzellensystem 100. Oxidationsmittel O wird durch den Oxidationsmittelförderer 120 angesaugt und durch die Kathodenzuleitung 160 der Brennstoffzelle 110 zugeführt. Dabei wird das Oxidationsmittel O auf einen Druck von ca. 1 bis 3 bar verdichtet. Direkt hinter dem Oxidationsmittelförderer 120, hier ein Turbokompressor 120, weist das Oxidationsmittel O bspw. eine Temperatur von 160° auf. Unmittelbar benachbart zum Oxidationsmittelförderer 120 ist hier die Befeuchtungseinrichtung 130 angeordnet. Die Befeuchtungseinrichtung 130 umfasst hier eine Einspritzdüse 136 (vgl. 2), durch die das Wasser in den Oxidationsmittelstrom O fein zerstäubt eingebracht wird. Aufgrund der hohen Temperatur, die an diesem Ort vorherrscht, sowie der relativ langen Verweilzeit in der Kathodenzuleitung 160 bis zum Wärmetauscher 140 verdunstet ein Großteil des eingesprühten Wassers in der turbulenten Strömung.
-
Dabei verringert sich die Temperatur des Oxidationsmittels O auf eine Temperatur am Eingang des Wärmetauschers 140, die geringer ist als die Temperatur des Kühlmittelstroms K, welcher über einen ersten Strömungspfad 144 durch den Wärmetauscher strömt. Beispielsweise kann das Oxidationsmittel am Wärmetauschereingang eine Temperatur von ca. 50 °C aufweisen wohingegen die Temperatur des Kühlmittelstroms K beispielsweise ca. 70°C betragen kann.
-
Das Kühlmittel K strömt hier durch den Hochtemperaturkühlkreis. Unmittelbar stromaufwärts vom Wärmetauscher 140 ist die Brennstoffzelle 110 im gleichen Kühlmittelstromkreis angeordnet. Die Brennstoffzelle 110 weist beispielsweise eine nominale Betriebstemperatur von ca. 65 °C bis ca. 95 °C auf. Das Kühlmittel K, welches aus der Brennstoffzelle 110 austritt, weist beispielsweise eine Temperatur von ca. 75 °C auf. Dieses erhitzte Kühlwasser K gibt anschließend einen Teil seiner Wärmeenergie im Wärmetauscher 140 an das Oxidationsmittel O ab, welches durch einen zweiten Pfad 142 (vgl. 3) durch den Wärmetauscher 140 strömt.
-
Gegebenenfalls ist ein Wasserabscheider 150 stromabwärts des Wärmetauschers 140 und stromaufwärts der Kathode 112 angeordnet. Nicht dargestellt ist eine Rücktransportleitung die für den Rücktransport des abgeschiedenen Wassers zur Befeuchtungseinrichtung 130 vorgesehen sein kann. In einer bevorzugten Ausführung ist ein solcher Wasserabscheider 150 nicht mehr erforderlich.
-
Das Oxidationsmittel O strömt anschließend in die Kathode 112 und nimmt dort an der elektrochemischen Reaktion teil. Die Kathodenzuluft O verlässt anschließend die Brennstoffzelle als Abluft A. Der Wärmetauscher 140 ist dabei derart geometrisch ausgebildet und in den Oxidationsmittelstromkreis und Kühlmittelkreis derart angeordnet, dass der Wärmetauscher den befeuchteten Oxidationsmittelstrom vor Eintritt in die Kathode 112 erwärmen kann. Durch diese Erwärmung kann ein weiterer Anteil des Flüssigwassers in die Gasphase überführt werden, wodurch Flüssigwasser in der mindestens einen Brennstoffzelle vorteilhaft verringert bzw. vermieden werden kann.
-
Insbesondere vorteilhaft ist die Kathodenleitung 160 bzw. der Strömungsweg O des Oxidationsmittelstroms O derart gestaltet, dass die Impaktion in weiten Bereichen vermieden wird. Dazu ist insbesondere eine Konfiguration geeignet, die wenige Biegungen bzw. lediglich Biegungen mit geringen Winkeln aufweist. Ferner sind bevorzugt möglichst wenige Bauteile im Strömungsweg des Oxidationsmittelstrom O angeordnet. Eine Ausnahme hierzu sind gewollte Impaktionen zur Retention, wie sie bspw. in den 4 bis 7 gezeigt sind.
-
2 zeigt schematisch einen Oxidationsmittelförderer 120 mit einem Gehäuse 122. Die Befeuchtungseinrichtung 130 ist hier direkt mit dem Gehäuse 120 verbunden. Sowohl das Gehäuse 122 als auch der Rohrabschnitt 132 der Befeuchtungseinrichtung 130 umfassen zumindest einen Metallmaterialabschnitt. Über diese Metallabschnitte wird die während der Verdichtung des Oxidationsmittels O anfallende Verlustwärme des Oxidationsmittelförderers 120 in den Rohrabschnitt 132 eingebracht. Diese zusätzliche Wärmeenergie führt dazu, dass die Temperatur im Rohrabschnitt 132 weiter ansteigt. Im Rohrabschnitt 132 ist eine Einspritzdüse 136 angeordnet, die das Wasser in den Rohrabschnitt 132 fein zerstäubt einbringt. Aufgrund der turbulenten Strömung, den hohen Temperaturen sowie der feinen Zerstäubung des Wassers kann ein großer Teil des Wassers bereits frühzeitig in die Gasphase übergehen. In einer bevorzugten Ausgestaltung sind im Inneren des Rohrabschnitts 132 Kühlrippen 134 angeordnet, die zusätzlich den Wärmeübergang der Verlustwärme des Oxidationsmittelförderers 120 in den Innenraum des Rohrabschnittes 132 verstärken. Somit lässt sich der Verdampfungseffekt im Rohrabschnitt 132 aufgrund der weiter erhöhten Temperatur nochmals verstärken. Bevorzugt sind der Rohrabschnitt 132 sowie das Gehäuse 122 aus Aluminium hergestellt.
-
3 zeigt schematisch den Aufbau eines Wärmetauschers 140. Der Wärmetauscher 140 weist mehrere von Kühlmittel K durchströmte Platten auf, die hier parallel zueinander beabstandet angeordnet sind. Die Platten selbst umfassen jeweils den ersten Strömungspfad 144, der vom Kühlmittel K durchströmt wird. Zwischen zwei Platten bildet sich jeweils der zweite Strömungspfad bzw. Strömungskanalabschnitt 142 des Oxidationsmittelstroms O aus, durch den der Oxidationsmittelstrom O strömt. Stromaufwärts sind Leitbleche 146 angeordnet, die den Oxidationsmittelstrom O möglichst verlustfrei auf die verschiedenen zweiten Strömungspfade 142 aufteilen. Die Leitbleche 146 sind bevorzugt aus einem Metallmaterial ausgebildet und thermisch mit den kühlmitteldurchflossenen Platten verbunden. Stromabwärts der Platten können weitere Leitbleche angeordnet sein, die den Oxidationsmittelstrom O wieder zusammenführen.
-
Dargestellt ist ein Wärmetauscher mit parallelen Platten. Selbstverständlich sind andere geometrische Ausgestaltungen möglich.
-
4 zeigt schematisch einen Ausschnitt aus einem Wärmetauscher 140. An der Innenwand 149 des Wärmetauschers 140 ist hier ein Metallvlies oder Metallgewebe 148 angeordnet (nachstehend wird vereinfacht nur von einem Metallvlies 148) gesprochen. Das Metallvlies 148 ist an der Innenwand 149 und im Wesentlichen parallel zur Strömungsrichtung des Oxidationsmittelstroms O angeordnet. Das Metallvlies 148 überträgt die Wärmeenergie des Kühlmittels K auf das Oxidationsmittel O. Ferner hält es etwaige Wassertröpfchen zurück und lenkt diese Richtung Innenwand 149. Gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel nimmt das Metallvlies 148 ca. 30 % der Querschnittsfläche des zweiten Strömungspfades 142 ein.
-
Das Filtervlies 148 weist bevorzugt eine stark hydrophile Oberfläche auf und saugt so Wasser auf und verteilt dieses schließlich an der Innenwand 149 und auf der Faseroberfläche. Somit lässt sich vorteilhaft die Verweilzeit des Flüssigwassers im Wärmetauscher 140 erhöhen wobei gleichzeitig lediglich ein geringer Strömungswiderstand im Wärmetauscher 140 von dem Oxidationsmittel O überwunden werden muss. Das Vlies ist vorteilhaft in der Lage, das Wasser auch in nicht benetzte Bereiche zu verteilen und verbessert somit die gleichmäßige Verteilung des Wassers im Wärmetauscher 140, was zusätzlich die Befeuchtung bzw. Verdunstung des Wassers verbessern kann. Es kann also zu einer Flüssigwasserströmung innerhalb des Vlieses kommen.
-
Als weiteres Retentionsmittel neben dem vorgenannten Metallvlies bzw. Metallgewebe, kann ferner ein Drallblech bzw. Axialdrall-Erzeuger vorgesehen sein, der den Oxidationsmittelstrom zur Innenwand 149 hin ausrichtet. Ein solcher Wärmetauscher 140 mit einem Drall-Erzeuger 146 ist bspw. in 5 gezeigt. Der Drall-Erzeuger 146 überlagert den Oxidationsmittelstrom O mit einer Drall-Bewegung, so dass Wassertröpfchen in Richtung der Innenwand 149 abgelenkt werden. In der hier dargestellten Ausführung ist der erste Strömungspfad 144 ebenfalls in der Innenwand 149 vorgesehen, so dass ein effizienter Wärmeaustausch zwischen dem Oxidationsmittel O und dem Kühlmittel K stattfinden kann. Besonders bevorzugt ist an der Innenwand 149 wiederum ein Metallvlies bzw. Metallgewebe 148 angebracht. Besonders bevorzugt ist der hier dargestellte Ausschnitt eines Wärmetauschers 140 rohrförmig ausgebildet. Innerhalb des Metallvlieses 148 treten im Wesentlichen dieselben Effekte auf, wie sie zuvor im Zusammenhang mit den 3 und 4 diskutiert wurden. Durch die Drall-Erzeugung können insbesondere große Tropfen effizient in die Nähe bzw. an die Innenwand 149 transportiert werden.
-
6 zeigt einen Ausschnitt eines Wärmetauschers 140, in dem der Oxidationsmittelstrom O um einen Winkel α abgelenkt wird. Dabei ist der Winkel α so gewählt, dass zuverlässig Wassertröpfchen zur Innenwand 149 gelangen. Bevorzugt ist im abgeknickten bzw. abgelenkten Bereich des zweiten Strömungspfads 142 ein Metallvlies bzw. Metallgewebe 148 angeordnet, welches bevorzugt in der zuvor beschriebenen Art und Weise Wassertröpfchen zurückhält und deren Verdunstung begünstigt. In der schraffiert dargestellten Wand sind erste Strömungspfade 144 angeordnet, durch die das Kühlmittel K strömt.
-
7 zeigt eine weitere Ausgestaltung eines Wärmetauschers 140, bei dem der Oxidationsmittelstrom O um ca. 180° umgelenkt wird. Auf der Innenseite 149 des zweiten Strömungspfades 142 ist wiederum ein Metallvlies 148 angeordnet. Während der Umlenkung des Oxidationsmittelstromes O werden die Wassertröpfchen aufgrund ihrer Massenträgheit zum Metallvlies 148 hin befördert. Der Umlenkradius r hängt im Wesentlichen von der Größe der Wassertröpfchen sowie der Geschwindigkeit des Oxidationsmittelstromes O ab. Die in den 4 bis 7 gezeigten Retentionsmittel erhöhen bevorzugt die Verweilzeit des Flüssigwassers im Wärmetauscher 140. Dadurch kann mit einfachen Mitteln der Verdunstungsgrad verbessert werden, ohne einen allzu großen Strömungswiderstand zu erhalten.
-
Die vorgenannten Retentionsmittel wurden im Zusammenhang mit dem Wärmetauscher 140 beschrieben. Es ist ebenso möglich, die Retentionsmittel außerhalb des Wärmetauschers an einer erwärmten Komponente der Kathodenzuleitung 160 anzuordnen. Beispielsweise können diese Mittel am Eingang des Brennstoffzellenstapels noch vor den einzelnen Brennstoffzellen 110 angeordnet sein. Ferner ist es auch möglich, diese Retentionsmittel in die Kathodenleitung 160 selbst zu verlagern, wobei die Retentionsmittel dann mit Wärmequellen, wie bspw. den Brennstoffzellenstapel und/oder den Wärmetauscher 140 wärmeleitend verbunden sein sollten.
-
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.
