DE102015204620A1 - Brennstoffzellensystem mit einem befeuchteten Oxidationsmittelstrom - Google Patents

Brennstoffzellensystem mit einem befeuchteten Oxidationsmittelstrom Download PDF

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Abstract

Die hier offenbarte Technologie betrifft ein Brennstoffzellensystem 100. Das Brennstoffzellensystem 100 umfasst mindestens eine Brennstoffzelle 100, einen Oxidationsmittelförderer 120, eine Befeuchtungseinrichtung 130, 130', und mindestens eine Wassersenke 140. Der Oxidationsmittelförderer 120 fördert ein Oxidationsmittel O durch eine Zuleitung 160 zu der Brennstoffzelle 110. Die Befeuchtungseinrichtung 130, 130' bringt Wasser in den Oxidationsmittelstrom O ein. Die Befeuchtungseinrichtung 130, 130' ist im und/oder stromabwärts vom Oxidationsmittelförderer 120 und stromaufwärts der Brennstoffzelle 110 angeordnet. Die Wassersenke 140 ist zwischen der Brennstoffzelle 110 und dem Oxidationsmittelförderer 120 angeordnet. Die Wassersenke 140 ist in der Zuleitung 160 derart ausgebildet und angeordnet, dass sie in der Zuleitung 160 befindliches Flüssigwasser daran hindert, zum Oxidationsmittelförderer 120 zu fließen.

Description

  • Die hier offenbarte Technologie betrifft ein Brennstoffzellensystem mit einem befeuchteten Oxidationsmittelstrom.
  • 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.
  • In der DE102008053151 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. Es wurde festgestellt, dass es bei Brennstoffzellensystemen mit Befeuchtungseinrichtungen vermehrt zum Ausfall der Verdichter kam. Es kommt ferner bei den vorbekannten Systemen vor, dass beim Einbringen des Wassers in die Zuleitung das Wasser nicht vollständig verdampft. Ferner kann sich an den Wänden der Zuleitung auch aus verdampftem Wasser wieder Flüssigwasser bilden. Im Winter kann dieses Flüssigwasser in der Zuleitung gefrieren. Während des Kaltstarts auftauendes Wasser im Zulauf der Brennstoffzelle kann den Kaltstart merklich verschlechtern. Ferner kann das gefrorene Flüssigwasser die Zuleitung beschädigen.
  • 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. 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: Nafion®, 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 der Brennstoffzelle 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 bzw. Zuleitung bzw. Ansaugtrakt (nachstehend wird vereinfachend der Begriff „Zuleitung” verwendet) in die Kathode fördern. Der Oxidationsmittelförderer ist bspw. in der Lage, das Oxidationsmittel auf einen Druck größer 1 bar zu verdichten. Dabei kann sich das Oxidationsmittel bspw. auf bis zu 160°C und mehr erwärmen. Der Oxidationsmittelförderer ist in der Zuleitung stromaufwärts der Kathode angeordnet.
  • Das Brennstoffzellensystem umfasst ferner mindestens eine Befeuchtungseinrichtung, die eine Flüssigkeit, hier Wasser, in den Oxidationsmittelstrom einbringt, bevorzugt einspritzt bzw. einsprüht. 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. Die Befeuchtungseinrichtung ist im und/oder stromabwärts vom Oxidationsmittelförderer und stromaufwärts von der Brennstoffzelle, bevorzugt stromaufwärts von einem Wärmetauscher bzw. Wärmeübertrager (nachstehend: Wärmetauscher) in der Zuleitung angeordnet. Das 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. Die Befeuchtungseinrichtung ist bevorzugt beabstandet vom Wärmetauscher angeordnet. Vorzugsweise ist die Befeuchtungseinrichtung im (z. B. in der Volute) und/oder benachbart zum Oxidationsmittelförderer angeordnet. Besonders bevorzugt ist die Befeuchtungseinrichtung mindestens ca. 0,3 L, ferner bevorzugt mindestens ca. 0,5 L, und besonders bevorzugt mindestens ca. 0,75 L vom Wärmetauscher bzw. von der Brennstoffzelle beabstandet angeordnet, wobei L die Wegstrecke des Oxidationsmittelstromes zwischen Oxidationsmittelförderer und Wärmetauscher ist. Bevorzugt ist die Befeuchtungseinrichtung integral mit Oxidationsmittelförderer ausgebildet. Dadurch wird vorteilhaft erreicht, dass zumindest ein großer Teil des eingesprühten Wasser verdampft, bevor es in den Wärmetauscher eintritt.
  • Das hier offenbarte Brennstoffzellensystem umfasst mindestens eine Wassersenke. Die Wassersenke ist insbesondere zwischen der mindestens einen Brennstoffzelle und dem Oxidationsmittelförderer angeordnet.
  • Es wurde festgestellt, dass das Flüssigwasser durch ungünstige geometrische Integration, dynamischen Betrieb (konstante Quer-Längsbeschleunigung) oder Neigung in den Kompressor zurücklaufen und diesen Schädigen kann. Die Wassersenke kann in der Zuleitung derart ausgebildet und angeordnet sein, dass sie in der Zuleitung befindliches Flüssigwasser daran hindert, zurück bzw. zum bzw. in den Oxidationsmittelförderer zu fließen.
  • Eine solche Wassersenke kann auch als Rücklaufsperre bezeichnet werden. Insbesondere kann die Wassersenke eine Vertiefung oder Ausbuchtung in Bezug auf andere Bereiche der Zuleitung sein. Die Vertiefung oder Ausbuchtung kann niedriger bzw. tiefer angeordnet sein als die umliegenden Bereiche der Zuleitung. Etwaiges Flüssigwasser, welches sich in der Zuleitung (bspw. an den Wänden der Zuleitung) befindet, sammelt sich in der Wassersenke. Die Wassersenke ist also derart ausgebildet und angeordnet, dass die Wassersenke in der Zuleitung befindliches Flüssigwasser sammeln bzw. speichern kann. Bevorzugt ist die Wassersenke am tiefsten Punkt des Zuleitungsabschnittes angeordnet, dessen Flüssigwasser die Wassersenke sammeln soll. Ein Rücklauf des Wassers zum Oxidationsmittelförderer kann somit unterbunden werden. Somit kann sichergestellt werden, dass das Flüssigwasser nicht im Oxidationsmittelförderer mechanische und/oder elektrische Schäden verursachen kann. Ferner bevorzugt ist die Wassersenke in der Zuleitung derart ausgebildet, dass sich durch die Wassersenke der Strömungsquerschnitt für den Oxidationsmittelstrom O nicht ändert. Mit anderen Worten ist die Wassersenke durch eine Vertiefung bzw. Ausbuchtung in der Zuleitungswand ausgebildet.
  • Der Begriff „benachbart zum Oxidationsmittelförderer” umfasst Ausgestaltungen, bei denen die Befeuchtungseinrichtung bzw. die Wassersenke unmittelbar neben dem Oxidationsmittelförderer oder in einem geringen Abstand zum Oxidationsmittelförderer angeordnet ist. Bevorzugt ist die mindestens eine Wassersenke benachbart zum Oxidationsmittelförderer ausgebildet. Bevorzugt ist die Befeuchtungseinrichtung und/oder die Wassersenke maximal ca. 0,2 L, ferner bevorzugt maximal ca. 0,1 L, und besonders bevorzugt max. ca. 0,05 L vom Oxidationsmittelförderer entfernt angeordnet.
  • Bevorzugt ist die mindestens eine Wassersenke fluidverbunden mit der Befeuchtungseinrichtung und/oder mit mindestens einer weiteren Wassereinspritzvorrichtung. Somit ist sichergestellt, dass mit einfachen Mitteln das gesammelte Flüssigwasser wieder abgeführt werden kann. Das Flüssigwasser wird somit wieder effizient für die Befeuchtung der Brennstoffzelle verwendet. Beispielsweise kann die Wassersenke mit der mindestens einen Befeuchtungseinrichtung über entsprechende Leitungen verbunden werden. Bevorzugt ist jedoch eine Ausführung, bei der die Wassersenke lediglich mit einer Wassereinspritzvorrichtung fluidverbunden ist, die unmittelbar benachbart zur Wassersenke in der Zuleitung angeordnet ist. Bevorzugt beträgt der Abstand zwischen der Wassersenke und der Wassereinspritzvorrichtung maximal ca. 0,21, ferner bevorzugt maximal ca. 0,1 L, und besonders bevorzugt max. ca. 0,05 L. Vorteilhaft können somit etwaige platz- und kostenintensive Leitungen entfallen.
  • Bevorzugt ist die mindestens eine Wassereinspritzvorrichtung als Strahlpumpe ausgebildet. Strahlpumpen als solche sind bekannt. Sie stellen im Wesentlichen ein gedrehtes Prandl-Staurohr dar, welches bspw. nach dem Venturi-Effekt Wasser selbst ansaugen kann. Solche Strahlpumpen werden auch als Ejektoren oder als Jet-Pumpen bezeichnet. Als Treibmedium kann hier das an der Strahlpumpe vorbeiströmende Oxidationsmittel dienen, welches zweckmäßig bewirkt, dass die Strahlpumpe Fluidwasser ansaugt. Eine solche Ausgestaltung ist besonders vorteilhaft, da die Strahlpumpe so ausgestaltet sein kann, dass sie ohne externe (z. B. elektrische oder pneumatische) Energie auskommt. Sie ist besonders kostengünstig und robust und nimmt überdies nur wenig Bauraum in Anspruch.
  • Die Wassereinspritzvorrichtung bzw. Strahlenpumpe ist bevorzugt derart ausgebildet, dass sie das in der Wassersenke gesammelte Flüssigwasser in den Oxidationsmittelstrom einbringen kann. Hierdurch wird das Flüssigwasser aus dem Sammelreservoir durch den niedrigen statischen Druck direkt in den turbulenten Teil der Oxidationsmittelströmung eingebracht, wodurch eine verstärkte Zerstäubung bewirkt wird. Eine Wandfilmbildung wird vermindert und eine vollständige Entleerung der Wassersenke kann auch bei abgesenkten Strömungsgeschwindigkeiten sichergestellt werden.
  • Bevorzugt weist das Brennstoffzellensystem mindestens einen Verstellmechanismus auf. Der Verstellmechanismus kann ausgebildet sein, die Position der Wassereinspritzvorrichtung in der Zuleitung zu verändern. Insbesondere kann der Verstellmechanismus geeignet sein, die Wassereinspritzvorrichtung in eine erste bzw. abgesenkte Position zu befördern, in der die Wassereinspritzvorrichtung den Oxidationsmittelstrom weniger behindert als in einer zweiten bzw. aufgestellten Position, die die Wassereinspritzvorrichtung einnimmt, falls sich zumindest etwas Wasser in der Wassersenke angesammelt hat. In der zweiten Position ist die Wassereinspritzvorrichtung in der Lage, Flüssigwasser in den Oxidationsmittelstrom einzuspritzen.
  • Bevorzugt umfasst der Verstellmechanismus einen Schwimmer, der an der Wassereinspritzvorrichtung befestigt ist. Ferner umfasst der Verstellmechanismus bevorzugt ein Gelenk, welches die Wassereinspritzvorrichtung drehbar mit der Zuleitung verbindet.
  • Das Brennstoffzellensystem kann mehrere Wassersenken umfassen. Die mindestens eine Wassereinspritzvorrichtung kann mit den mehreren Wassersenken fluidverbunden sein, beispielsweise über entsprechende Wasserleitungen. Zumindest eine, bevorzugt alle, der mehreren Wassersenken können jeweils eine Schließvorrichtung umfassen. Die Schließvorrichtung kann ausgebildet sein, die Fluidverbindung zwischen der Wassersenke und der mindestens einen Wassereinspritzvorrichtung zu unterbrechen. Im Falle der nichtlokalen Wiedereinbringung des Flüssigwassers einer oder mehrerer Senken ist eine Schließvorrichtung, beispielsweise eine durch einen Schwimmer aktuierte Konstruktion, vorteilhaft, um die jeweils nicht benötigten Wasserleitungen bzw. Saugleitungen zu verschließen. Somit lässt sich die Saugleistung der Wassereinspritzvorrichtung konzentrieren auf die Wassersenken, die tatsächlich Flüssigwasser speichern. Parasitäre Luftströme ohne Flüssigwasseranteil werden verhindert bzw. reduziert. Eine gemeinsame Wassereinspritzvorrichtung für mehrere Wassersenken, auch in unterschiedlichen Funktionen (Rücklaufverhinderung/Sperrung in Fluidrichtung) kann durch passive Wasser- bzw. Saugleitungen zu den jeweiligen Wassesenken realisiert werden.
  • Mit der hier offenbarten Technologie ist es möglich, Komponentenschädigung vorzubeugen und gleichzeitig eine verbesserte Zerstäubung und eine bessere Wirksamkeit der ursprünglichen Wassereinspritzung durch effizientes Wiedereinbringen von rückströmendem Verlustwasser zu erzielen. Das System arbeitet überwiegend mit passiv aktuierten Komponenten und ist daher sehr zuverlässig.
  • 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 einer Zuleitung 160 mit einer Wassereinspritzvorrichtung 150,
  • 3 eine Querschnittsansicht entlang der Linie A-A der 2, und
  • 4 ein Brennstoffzellensystem 100 mit mehreren Wassersenken 140, 140'.
  • 1 zeigt schematisch den Aufbau des Brennstoffzellensystems 100. Das Brennstoffzellensystem 100 umfasst eine Brennstoffzelle 110 mit einer Kathode 112 und einer Anode 114, die durch einen hier gestrichelt gezeichnete Ionen-Separator voneinander getrennt sind. Die Zuleitung 160 umfasst ein erstes Ende 162, welches mit dem Oxidationsmittelförderer 120, bspw. ein Kompressor 120, verbunden ist. Das zweite Ende 164 der Zuleitung 160 endet in der Kathode 112 der Brennstoffzelle 110. Vereinfachend ist hier lediglich eine Brennstoffzelle 110 gezeigt. Bevorzugt sind mehrere Brennstoffzellen 110 zu einem Brennstoffzellenstapel zusammengefasst. Am ersten Ende 162 der Zuleitung 160 ist die Befeuchtungseinrichtung 130 angeordnet, die hier bspw. eine Einspritzdüse umfasst, durch die Wasser in den Oxidationsmittelstrom O eingedüst wird. Stromab der Befeuchtungseinrichtung 130 ist eine Wassersenke 140 angeordnet (vgl. 2). Eine zweite Befeuchtungseinrichtung 130' ist zwischen dem Wärmetauscher bzw. Ladeluftkühler 180 und der Wassersenke 140 angeordnet. Zwischen dem Ladeluftkühler 180 und dem kathodenseitigen Einlass der Brennstoffzelle 110 ist ferner ein Wasserabscheider 190 vorgesehen, der kurz vor der Brennstoffzelle 110 etwaiges Wasser aus dem Oxidationsmittelstrom O abscheidet. Nach der elektrochemischen Reaktion in der Brennstoffzelle verlässt das Oxidationsmittel O die Brennstoffzelle als Brennstoffzellenabgas A.
  • 2 zeigt schematisch und vergrößert einen Ausschnitt der Zuleitung 160 sowie den Oxidationsmittelförderer 120. Der Oxidationsmittelförderer 120 ist mit dem ersten Ende 162 der Zuleitung 160 verbunden. Der Oxidationsmittelförderer 120 befindet sich im Vergleich zu anderen Abschnitten der Zuleitung 160 an einer tieferen Position. Der Oxidationsmittelförderer 120 generiert einen Oxidationsmittelstrom O. Dieser Oxidationsmittelstrom O weist eine turbulente Strömung und eine vergleichsweise hohe Temperatur auf. In dem Bereich benachbart zum ersten Ende 162 der Zuleitung 160 wird durch die Befeuchtungseinrichtung 130 Wasser in die Zuleitung 160 eingebracht. Dieses Wasser verteilt sich feindispers in der turbulenten Oxidationsmittelströmung O und verdampft zum größten Teil. Weiter stromab ist eine zweite Befeuchtungseinrichtung 130' dargestellt, die ebenfalls Wasser in den Oxidationsmittelstrom O einbringt. Ein Teil des eingebrachten Wassers verdampft jedoch nicht vollständig bzw. kondensiert an den Wänden der Zuleitung 160. Somit kommt es zu Wasseransammlungen an den Zuleitungswänden. Dieses Wasser strömt in der hier dargestellten Ausführungsform zurück in die Wassersenke 140. Die Wassersenke ist so bemessen, dass sie genügend Flüssigwasser bevorraten kann, so dass kein Flüssigwasser zurück in den Oxidationsmittelförderer 120 strömt.
  • Das in der Wassersenke 140 angesammelte Flüssigwasser wird durch eine als Strahlpumpe ausgebildete Wassereinspritzvorrichtung wieder in den Oxidationsmittelstorm 150 eingebracht. Die Strahlpumpe umfasst ein Zuleitungsrohr 152, welches in die Wassersenke 140 hinein ragt. Durch das Zuleitungsrohr 152 saugt der Elektrokopf 158 das Flüssigwasser an, welches anschließend in der turbulenten Oxidationsmittelströmung 0 feindispers verteilt wird. Die Strahlpumpe 150 ist bevorzugt so bemessen, dass sie auch bei geringen Mengen an Oxidationsmittelstrom O genügend Wasser einbringen kann, damit sich allenfalls geringe Mengen an Flüssigwasser in der Wassersenke 140 ansammeln. Somit wird die Menge an Flüssigwasser in der Zuleitung 160 verringert, was sich positiv auf das Kaltstartverhalten auswirkt. Auch ist die Gefahr deutlich verringert, dass eingefrorenes Flüssigwasser die Zuleitung 160 beschädigt. Das Zuleitungsrohr 152 ist über eine starre Verbindung mit einem Schwimmer 156 verbunden. Ferner ist das Zuleitungsrohr 152 über ein Gelenk 154 und einer Halterung 155 mit der Zuleitung 160 verbunden. Das Gelenk 154 und der Schwimmer 156 sind derart ausgebildet, dass sie ein Schwenken der Strahlpumpe 150 um das Gelenk 154 ermöglichen. Insbesondere kann die Strahlpumpe 150 bei sehr niedrigem Wasserstand eine erste Position einnehmen, in der die Strahlpumpe den Oxidationsmittelstrom O weniger behindert als in einer zweiten Position, die die Strahlpumpe 150 einnimmt, wenn sich Wasser im Wasserreservoir 140 angesammelt hat. In dieser zweiten Position ist der Ejektor 158 in der Oxidationsmittelströmung O angeordnet und bringt Flüssigwasser in den Oxidationsmittelstrom O ein.
  • 3 zeigt einen Querschnitt entlang der Linie A-A entlang der 2. Das Zuleitungsrohr 152 ragt in das in der Wassersenke 140 angesammelte Flüssigwasser hinein. Das Flüssigwasser steigt in dem Zuleitungsrohr 152 auf und wird durch den Ejektor 158 ausgesprüht.
  • 4 zeigt die Zuleitung 160 sowie einen weiteren Abschnitt 160' der Zuleitung 160. Der weitere Abschnitt 160' kann beispielsweise weiter stromab, z. B. beim zweiten Ende 164 der Zuleitung 160 angeordnet sein. Ebenso wären zwei parallele Zuleitungen 160, 160' denkbar. In den Wassersenken 140, 140' kann sich Flüssigwasser ansammeln, wie dies auch zuvor zu den anderen Figuren bereits beschrieben wurde. Die beiden Wassersenken 140, 140' sind über Wasserleitungen 170, 170' mit einer gemeinsamen Wassereinspritzvorrichtung 150 verbunden, die das gesammelte Flüssigwasser der Wassersenken 140, 140' wieder in den Oxidationsmittelstrom O einbringt, bevorzugt in der Nähe des Oxidationsmittelförderers 120, da in diesem Bereich die Verdampfung/Verdunstung besonders gut erzielt werden kann. Die Wasserleitungen 170, 170' und die Wassereinspritzvorrichtung 150 sind bevorzugt derart ausgebildet und angeordnet, dass das Flüssigwasser passiv angesaugt werden kann, d. h. ohne den Einsatz von elektrischer und/oder mechanischer Energie. Hierzu kann beispielsweise eine Strahlpumpe 150 eingesetzt werden. Die Wassersenken 140, 140' umfassen hier jeweils eine Schließvorrichtung 142, 142', die ausgebildet ist, die Fluidverbindung zwischen der jeweiligen Wassersenke 140, 140' und der mindestens einen Wassereinspritzvorrichtung 150 zu unterbrechen. Hierzu kann die Schließvorrichtung 142, 142' beispielsweise einen Schwimmer umfassen, der mit einem Wassersenkenöffnungsventil verbunden ist und dieses wasserstandsabhängig öffnet oder schließt. Befindet sich beispielsweise in der Wassersenke 140' kein Flüssigwasser, so ist das Ventil 142' geschlossen und die Saugleitung 170' saugt keine Luft an. Die volle Saugleistung der Wassereinspritzvorrichtung 150 steht dann der Wassersenke 140 zur Verfügung. Die Wassersenke 140, die Zuleitung 160, die Wassereinspritzvorrichtung 150 und die Befeuchtungseinrichtung 130 können ansonsten denen der restlichen Figuren entsprechen.
  • 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
    • DE 102008053151 A1 [0003]

Claims (11)

  1. Brennstoffzellensystem (100), umfassend: – mindestens eine Brennstoffzelle (110); – einen Oxidationsmittelförderer (120), der ein Oxidationsmittel (O) durch eine Zuleitung (160) zu der Brennstoffzelle (110) fördert; – mindestens eine Befeuchtungseinrichtung (130, 130'), die Wasser in den Oxidationsmittelstrom (O) einbringt; und – mindestens eine Wassersenke (140), die zwischen der mindestens einen Brennstoffzelle (110) und dem Oxidationsmittelförderer (120) angeordnet ist.
  2. Brennstoffzellensystem (100) nach Anspruch 1, wobei die Wassersenke (140) in der Zuleitung (160) derart ausgebildet und angeordnet ist, dass sie in der Zuleitung (160) befindliches Flüssigwasser daran hindert, zum und/oder in den Oxidationsmittelförderer (120) zu fließen.
  3. Brennstoffzellensystem (100) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Wassersenke (140) ausgebildet ist, in der Zuleitung (160) Flüssigwasser zu sammeln.
  4. Brennstoffzellensystem (100) nach Anspruch 3, wobei die Wassersenke (140) fluidverbunden ist mit der Befeuchtungseinrichtung (130, 130') und/oder mit mindestens einer Wassereinspritzvorrichtung (150).
  5. Brennstoffzellensystem (100) nach Anspruch 4, wobei die Wassereinspritzvorrichtung (150) unmittelbar benachbart zur Wassersenke (140) in der Zuleitung (160) angeordnet ist.
  6. Brennstoffzellensystem (100) nach Anspruch 4 oder 5, wobei die Wassereinspritzvorrichtung (150) ausgebildet ist, das in der Wassersenke (140) gesammelte Flüssigwasser in den Oxidationsmittelstrom (O) einzubringen.
  7. Brennstoffzellensystem (100) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Wassereinspritzvorrichtung (150) als Strahlpumpe (150) ausgebildet ist.
  8. Brennstoffzellensystem (100) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Brennstoffzellensystem (100) einen Verstellmechanismus (154, 156) aufweist, wobei der Verstellmechanismus (154, 156) ausgebildet ist, die Position der Wassereinspritzvorrichtung (150) in der Zuleitung (160) zu verändern.
  9. Brennstoffzellensystem (100) nach Anspruch 8, wobei der Verstellmechanismus (154, 156) einen Schwimmer (156) umfasst, der an der Wassereinspritzvorrichtung (150) befestigt ist, und wobei der Verstellmechanismus (154, 156) ein Gelenk (154) umfasst, dass die Wassereinspritzvorrichtung (150) drehbar mit der Zuleitung (160) verbindet.
  10. Brennstoffzellensystem (100) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Brennstoffzellensystem (100) mehrere Wassersenken (140, 140') umfasst, und wobei die mindestens eine Wassereinspritzvorrichtung (150) mit den mehreren Wassersenken (140, 140') fluidverbunden ist.
  11. Brennstoffzellensystem (100) nach Anspruch 9, wobei zumindest eine der mehreren Wassersenken (140, 140') eine Schließvorrichtung (142, 142') umfasst, die ausgebildet ist, die Fluidverbindung zwischen der Wassersenke (140, 140') und der mindestens einen Wassereinspritzvorrichtung (150) zu unterbrechen.
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102015220093A1 (de) 2015-10-15 2017-04-20 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Brennstoffzellensystem mit einem befeuchteten Oxidationsmittelstrom und einem Schalldämpfer
DE102017220633A1 (de) * 2017-11-17 2019-05-23 Volkswagen Ag Befeuchtungssystem und Brennstoffzellensystem mit einem Befeuchtungssystem
DE102018210187A1 (de) 2018-06-22 2019-12-24 Audi Ag Befeuchtungssystem und Brennstoffzellensystem

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102008053151A1 (de) 2008-10-24 2010-04-29 Daimler Ag Befeuchtungseinrichtung und Verfahren zum Befeuchten eines einem Brennstoffzellenstapel zuführbaren Oxidationsmittelstroms und Brennstoffzellensystem
DE102010007977A1 (de) * 2010-02-15 2011-08-18 Daimler AG, 70327 Brennstoffzellensystem mit wenigstens einer Brennstoffzelle

Family Cites Families (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4325016B2 (ja) * 1999-05-17 2009-09-02 株式会社豊田中央研究所 噴射ノズル式ミスト発生器および燃料電池用ミスト発生器取付装置
US20040131899A1 (en) * 2002-09-23 2004-07-08 Hydrogenics Corporation System and method for process gas stream delivery and regulation using down spool control
DE102004053237A1 (de) * 2004-11-04 2006-05-11 Daimlerchrysler Ag Steuergerät sowie Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems
DE102004056952A1 (de) * 2004-11-25 2006-06-08 Nucellsys Gmbh Brennstoffzellensystem mit Flüssigkeitsabscheider
KR20110044659A (ko) * 2009-10-23 2011-04-29 주식회사 효성 연료전지 시스템
DE102010011347B4 (de) * 2010-03-12 2012-03-01 Dge Dr.-Ing. Günther Engineering Gmbh Verfahren zur adsorptiven Trocknung von gereinigtem Biogas und Regenerierung beladener Adsorptionsmittel
US9054354B2 (en) * 2010-04-16 2015-06-09 The Raymond Corporation Fuel cell water disposal
US8765194B2 (en) * 2011-08-08 2014-07-01 Michelle Mills Natural—topical analgesic and anti-inflammatory composition
KR101461874B1 (ko) * 2012-12-31 2014-11-13 현대자동차 주식회사 연료 전지 시스템 및 그 가습 및 냉각방법
US9853303B2 (en) * 2013-06-21 2017-12-26 Ford Global Technologies, Llc Centrifugal water separator for a fuel cell system

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102008053151A1 (de) 2008-10-24 2010-04-29 Daimler Ag Befeuchtungseinrichtung und Verfahren zum Befeuchten eines einem Brennstoffzellenstapel zuführbaren Oxidationsmittelstroms und Brennstoffzellensystem
DE102010007977A1 (de) * 2010-02-15 2011-08-18 Daimler AG, 70327 Brennstoffzellensystem mit wenigstens einer Brennstoffzelle

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102015220093A1 (de) 2015-10-15 2017-04-20 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Brennstoffzellensystem mit einem befeuchteten Oxidationsmittelstrom und einem Schalldämpfer
DE102017220633A1 (de) * 2017-11-17 2019-05-23 Volkswagen Ag Befeuchtungssystem und Brennstoffzellensystem mit einem Befeuchtungssystem
US11837758B2 (en) 2017-11-17 2023-12-05 Volkswagen Ag Humidification system, and fuel cell system comprising a humidification system
DE102018210187A1 (de) 2018-06-22 2019-12-24 Audi Ag Befeuchtungssystem und Brennstoffzellensystem

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