DE102015011186A1

DE102015011186A1 - Brennstoffzellensystem und Fahrzeug

Info

Publication number: DE102015011186A1
Application number: DE102015011186.8A
Authority: DE
Inventors: Leif-Patrik Barthel; Simon Hollnaicher; Dietmar Mirsch
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2015-08-27
Filing date: 2015-08-27
Publication date: 2017-03-02

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem (10), insbesondere für ein Fahrzeug, mit einem Befeuchter (14) zum Befeuchten von Zuluft (16), welche über eine Zuluftleitung (18) in einen Brennstoffzellenstapel (12) des Brennstoffzellensystems (10) einbringbar ist. Der Brennstoffzellenstapel (12) ist über eine Abluftleitung (20) mit dem Befeuchter (14) verbunden, über welche dem Befeuchter (14) Abluft als Befeuchtungsmedium zum Befeuchten der Zuluft (16) zuführbar ist. Das Brennstoffzellensystem (10) umfasst einen Verdichter (24) zum Verdichten der Zuluft (16) und einen Wärmeübertrager (22) zum Erwärmen der Zuluft (16). Hierbei ist der Wärmeübertrager (22) stromaufwärts des Befeuchters (14) angeordnet und der Verdichter (24) stromabwärts des Befeuchters (14). Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Fahrzeug mit einem solchen Brennstoffzellensystem (10).

Description

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem mit einem Befeuchter zum Befeuchten von Zuluft, welche über eine Zuluftleitung in einen Brennstoffzellenstapel des Brennstoffzellensystems eingebracht werden kann. Der Brennstoffzellenstapel ist über eine Abluftleitung mit dem Befeuchter verbunden. Über die Abluftleitung ist dem Befeuchter Abluft des Brennstoffzellenstapels als Befeuchtungsmedium zuführbar, welche dem Befeuchten der Zuluft dient. Weiterhin umfasst das Brennstoffzellensystem einen Verdichter zum Verdichten der Zuluft und einen Wärmeübertrager zum Erwärmen der Zuluft. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Fahrzeug mit einem solchen Brennstoffzellensystem.
Ein derartiges Brennstoffzellensystem ist in der DE 102 02 471 B4 beschrieben. Hierbei ist in einem Zuluftstrang, über welchen einem Brennstoffzellenstapel Luft zugeführt wird, ein Auflader angeordnet, welchem ein Ladeluftkühler nachgeschaltet ist. Stromabwärts des Ladeluftkühlers ist ein Wärmetauscher angeordnet, mittels welchem sich die einem Kathodeneinlass des Brennstoffzellenstapels zuzuführende Zuluft erhitzen lässt. Der Wärmetauscher wird mit einem Kühlfluid beaufschlagt, mittels welchem Wärme von dem Brennstoffzellenstapel abgeführt wird.
In Brennstoffzellensystemen, welche Luft als Oxidationsmittel nutzen, kann die zugeführte Zuluft im Winterbetrieb selbst nach einer eventuellen Verdichtung unter 0°C liegen. In einem Membranbefeuchter, in welchem die Abluft des Brennstoffzellenstapels als Befeuchtungsmedium zum Befeuchten der Zuluft genutzt wird, kommt diese thermisch mit der Abluft des Brennstoffzellenstapels in Kontakt. Da die Abluft das bei der Brennstoffzellenreaktion gebildete Produktwasser oder Prozesswasser enthält, kann sich die Situation ergeben, dass das in der Abluft enthaltene Prozesswasser ausfriert. Das gefrorene Wasser kann sich an diesen Stellen des thermischen Kontakts der Abluftleitung oder Abluftstrecke mit der Zuluft akkumulieren, bis die Abluftstrecke durch das gebildete Eis blockiert ist. Dies führt dazu, dass die Durchströmung des Brennstoffzellensystems zum Stillstand kommt. In der Folge kann das Brennstoffzellensystem nicht mehr betrieben werden, bis das Eis partiell oder ganz aufgetaut worden ist.
Bei einigen aus dem Stand der Technik bekannten Brennstoffzellensystemen ist eine Vorwärmung der Zuluft vorgesehen, damit das Brennstoffzellensystem bei Startvorgängen unterhalb des Gefrierpunkts möglichst schnell in Betriebsbereitschaft gesetzt wird. Allerdings besteht das Problem einer einfrierenden Abluftstrecke oder Abluftleitung auch bei bereits aufgewärmtem Brennstoffzellensystem im laufenden Betrieb. Es kann nämlich selbst nach einer eventuellen Vorverdichtung der Zuluft je nach Betriebszustand die Temperatur der Zuluft immer noch unter 0°C liegen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Brennstoffzellensystem der eingangs genannten Art und ein Fahrzeug mit einem solchen Brennstoffzellensystem zu schaffen, bei welchem ein besonders robuster Betrieb ermöglicht ist.
Diese Aufgabe wird durch ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und durch ein Fahrzeug mit den Merkmalen des Patentanspruchs 5 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
Bei dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem ist der Wärmeübertrager stromaufwärts des Befeuchters angeordnet und der Verdichter stromabwärts des Befeuchters. Bei einem solchen Brennstoffzellensystem, bei welchem der Befeuchter dem Verdichter zum Verdichten der Frischluft oder Zuluft vorgeschaltet ist, ist eine Vorwärmung der Frischluft besonders wichtig. Dies liegt daran, dass eine Temperaturerhöhung, welche sich aufgrund der Verdichtung der Frischluft oder Zuluft ergibt, nicht zum Vorwärmen der dem Befeuchter zugeführten Frischluft oder Zuluft genutzt werden kann.
Durch das Anordnen des Wärmeübertragers stromaufwärts des Befeuchters wird jedoch dafür gesorgt, dass der Befeuchter des Brennstoffzellensystems während des laufenden Betriebs auch bei Umgebungsbedingungen unter 0°C nicht einfriert. Somit ist ein robuster Betrieb des Brennstoffzellensystems auch bei winterlichen Umgebungsbedingungen ermöglicht.
Es wird also durch die Vorwärmung der Zuluft mittels des Wärmeübertragers die Gefahr vermieden, dass sich in der durch den Befeuchter hindurchgeführten Abluftleitung oder Abluftstrecke Eis bildet. Dies liegt daran, dass während des laufenden Betriebs die Zuluft für den Brennstoffzellenstapel durch den Wärmeübertrager oder Wärmetauscher auf eine bestimmte Temperatur vorgewärmt und erst dann zum Befeuchter weitergeleitet wird.
Bevorzugt ist der Wärmeübertrager dazu ausgebildet, die Zuluft im Betrieb des Brennstoffzellensystems auf eine Temperatur von mehr als 0°C zu erwärmen. Wird nämlich beim Eintritt der Zuluft in den Befeuchter diese auf eine Temperatur oberhalb des Gefrierpunktes vorgewärmt, so führt ein thermischer Kontakt mit der Abluft im Befeuchter nicht mehr zur Blockade oder zu einer Druckverlusterhöhung in der Abluftstrecke oder Abluftleitung.
Bevorzugt ist der Wärmeübertrager mit einem Kühlmittel beaufschlagbar, mittels welchem im Betrieb des Brennstoffzellensystems Wärme von dem Brennstoffzellenstapel abgeführt wird. Der Wärmeübertrager kann also insbesondere als sogenannter Water Intercooler (WIC) ausgebildet sein, bei welchem flüssiges Kühlmittel oder Kühlwasser für das Erwärmen der Zuluft in dem Wärmeübertrager sorgt.
Der Befeuchter ist bevorzugt als Membranbefeuchter ausgebildet. Anstelle von Umgebungsluft oder zusätzlich zu dieser kann dem Brennstoffzellenstapel auch ein anderes Sauerstoff enthaltenes Oxidationsmittel zugeführt werden, welches im Brennstoffzellenstapel an der Brennstoffzellenreaktion teilnimmt.
In einer Variante des Brennstoffzellensystems kann der Verdichter stromaufwärts des Wärmeübertragers in der Zuluftleitung angeordnet sein. Dann kann zusätzlich zu der mittels des Wärmeübertragers in die Zuluft eingetragenen Wärme die beim Verdichten sich einstellende Erwärmung zum Anheben der Temperatur der Zuluft genutzt werden.
Das erfindungsgemäße Fahrzeug umfasst ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem. Die für das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem beschriebenen Vorteile und bevorzugten Ausführungsformen gelten auch für das erfindungsgemäße Fahrzeug.
Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in der Figur alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Es sind somit auch Ausführungen als von der Erfindung umfasst und offenbart anzusehen, die in der Figur nicht explizit gezeigt oder erläutert sind, jedoch durch separierte Merkmalskombinationen aus den erläuterten Ausführungen hervorgehen und erzeugbar sind.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnung.
Diese zeigt schematisch ein Brennstoffzellensystem für ein Fahrzeug, bei welchem mittels eines Wärmeübertragers die einem Befeuchter zugeführte Zuluft auf eine Temperatur von mehr als 0°C erwärmt wird, wobei dem Befeuchter ein Verdichter nachgeschaltet ist.
Von einem Brennstoffzellensystem 10 für ein Fahrzeug sind in der Figur ein Brennstoffzellenstapel 12 und ein Befeuchter 14 gezeigt, welcher stromaufwärts des Brennstoffzellenstapels 12 angeordnet ist. Dem Befeuchter 14 wird Zuluft 16 als Oxidationsmittel zugeführt, welches in dem Brennstoffzellenstapel 12 an der Brennstoffzellenreaktion teilnimmt. Die Zuluft 16 wird über eine Zuluftleitung 18 dem Befeuchter 14 und weiter dem Brennstoffzellenstapel 12 zugeführt.
Des Weiteren wird Abluft des Brennstoffzellenstapels 12 dem Befeuchter 14 als Befeuchtungsmedium zugeführt. Dies geschieht über eine Abluftleitung 20. Da die Abluft einer Kathode des Brennstoffzellenstapels 12 das bei der Brennstoffzellenreaktion gebildete Produktwasser enthält, dient die Abluft als Befeuchtungsmedium zum Befeuchten der Zuluft 16.
Bei sehr kalten Umgebungstemperaturen, wie sie beispielsweise im Winter auftreten können, kann es vorkommen, dass die Temperatur der Zuluft 16 unter 0°C liegt. Wenn in dem Befeuchter 14, welcher vorliegend als Membranbefeuchter ausgebildet ist, diese sehr kalte Zuluft 16 mit der Abluft in thermischen Kontakt gelangt, kann das in der Abluft enthaltene Produktwasser gefrieren. Sich akkumulierendes Eis kann dann zu einer Blockade der Abluftleitung 20 führen.
Dies wird vorliegend durch das Vorsehen eines Wärmeübertragers 22 verhindert, welcher dem Befeuchter 14 vorgeschaltet, also stromaufwärts des Befeuchters 14 angeordnet ist.
Der Wärmeübertrager 22 ist bevorzugt als Water Intercooler ausgebildet, also als Wärmeübertrager, durch welchen ein flüssiges Kühlmittel strömt. Bei diesem Kühlmittel kann es sich insbesondere um das Kühlmittel handeln, welches in dem Brennstoffzellensystem 10 Wärme von dem Brennstoffzellenstapel 12 abführt.
Der Wärmeübertrager 22 sorgt dafür, dass die Temperatur der Zuluft 16 auf mehr als 0°C angehoben wird, bevor die Zuluft 16 in den Befeuchter 14 eintritt. So wird sicher verhindert, dass das Produktwasser, welches in der Abluft enthalten ist, im Bereich des Befeuchters 14 oder in einem dem Befeuchter 14 nahen Bereich der Abluftleitung 20 gefriert. Auf diese Weise ist ein robuster Betrieb des Brennstoffzellensystems 10 auch bei winterlichen Umgebungsbedingungen ermöglicht.
Vorliegend ist dem Befeuchter 14 ein Verdichter 24 nachgeschaltet. Der Verdichter 24 ist also stromabwärts des Befeuchters 14 in der Zuluftleitung 18 angeordnet, welche die Zuluft 16 der Kathode des Brennstoffzellenstapels 12 zuführt.
Bezugszeichenliste

10: Brennstoffzellensystem
12: Brennstoffzellenstapel
14: Befeuchter
16: Zuluft
18: Zuluftleitung
20: Abluftleitung
22: Wärmeübertrager
24: Verdichter

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 10202471 B4 [0002]

Claims

Brennstoffzellensystem, insbesondere für ein Fahrzeug, mit einem Befeuchter (14) zum Befeuchten von Zuluft (16), welche über eine Zuluftleitung (18) in einen Brennstoffzellenstapel (12) des Brennstoffzellensystems (10) einbringbar ist, wobei der Brennstoffzellenstapel (12) über eine Abluftleitung (20) mit dem Befeuchter (14) verbunden ist, über welche dem Befeuchter (14) Abluft als Befeuchtungsmedium zum Befeuchten der Zuluft (16) zuführbar ist, mit einem Verdichter (24) zum Verdichten der Zuluft (16) und mit einem Wärmeübertrager (22) zum Erwärmen der Zuluft (16), dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeübertrager (22) stromaufwärts des Befeuchters (14) angeordnet ist und der Verdichter (24) stromabwärts des Befeuchters (14).
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeübertrager (22) dazu ausgebildet ist, die Zuluft (16) im Betrieb des Brennstoffzellensystems (10) auf eine Temperatur von mehr als 0°C zu erwärmen.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeübertrager (22) mit einem Kühlmittel beaufschlagbar ist, mittels welchem im Betrieb des Brennstoffzellensystems (10) Wärme von dem Brennstoffzellenstapel (12) abführbar ist.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Befeuchter (14) als Membranbefeuchter ausgebildet ist.
Fahrzeug mit einem Brennstoffzellensystem (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4.