-
Vorliegende Erfindung betrifft ein Kondensationssystem zum Auskondensieren von Wasser aus Abgas einer Brennstoffzelle. Ferner betrifft die Erfindung ein Brennstoffzellensystem, vorzugsweise für ein Fahrzeug, mit dem Kondensationssystem sowie ein entsprechendes Verfahren.
-
Im Stand der Technik gibt es unterschiedliche Möglichkeiten zur Kondensation von Wasser aus dem Abgas einer Brennstoffzelle: Beispielsweise
DE 101 52 311 A1 beschreibt ein System zur Wasserrückgewinnung mit einem Wärmetauscher zur Erzeugung eines Wärmeübergangs zwischen zwei Bereichen des Brennstoffzellenabgasstroms unterschiedlicher Temperatur. Die unterschiedlichen Temperaturen im Abgas werden dabei durch weitere Wärmetauscher und entsprechende Expander erzeugt. Dabei entsteht jedoch eine relativ geringe Temperaturdifferenz vor und nach dem Expander, welche lediglich mit einer geringen Wasserabscheidung verbunden ist. Für eine effiziente Wasserausbeute ist ein externes Kühlmittel mit entsprechender externen Kühlung zu verwenden.
-
DE 199 43 059 A1 zeigt eine weitere Möglichkeit zum Auskondensieren von Wasser aus dem Abgas einer Brennstoffzelle. Dabei werden mehrere Wärmetauscher verwendet. Zusätzlich werden eine Turbine und ein Verdichter eingesetzt, die mechanisch miteinander verbunden sind. Der Abgasstrom wird dabei mittels der Turbine auf ein Druckniveau unterhalb des Umgebungsdrucks entspannt. Die in der Turbine gewonnene Arbeit wird am Ende des Systems im Verdichter zur Kompression des Abgasstroms verwendet. Zusätzlich umfasst das System noch eine externe Kühleinrichtung. Nachteilig dabei ist, dass das Abgas nach der Expansion auf ein relativ niedriges Druckniveau wieder auf den Umgebungsdruck komprimiert werden muss.
-
Es ist Aufgabe vorliegender Erfindung, ein Kondensationssystem zum Auskondensieren von Wasser aus Abgas einer Brennstoffzelle anzugeben, dass bei einfachem und betriebssicherem Aufbau, eine effiziente Abscheidung von Wasser aus Abgas einer Brennstoffzelle ermöglicht. Ferner soll ein entsprechendes Brennstoffzellensystem mit dem Kondensationssystem angegeben werden. Darüber hinaus soll ein entsprechendes, ebenfalls effizientes Verfahren zum Auskondensieren von Wasser aus Abgas einer Brennstoffzelle angegeben werden.
-
Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche. Die abhängigen Ansprüche haben vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung zum Gegenstand.
-
Somit wird die Aufgabe gelöst durch ein Kondensationssystem zum Auskondensieren von Wasser aus Abgas eine Brennstoffzelle. Der Einfachheit halber wird hier von einer Brennstoffzelle gesprochen. Im tatsächlichen Anwendungsfall handelt es sich jedoch meist um mehrere, zu einem Stapel zusammengesetzter Brennstoffzellen. Das Kondensationssystem umfasst eine Abgasführung zum Führen des Abgases von der Brennstoffzelle in die Umgebung. Die weiteren Komponenten des Kondensationssystems sind in diese Abgasführung integriert.
-
Das Kondensationssystem umfasst eine Wärmepumpe. Die Wärmepumpe weist eine Kaltseite und eine Warmseite auf. Die Kaltseite ist in die Abgasführung derart integriert, sodass sie zum Kühlen des Abgases verwendet wird. Die Warmseite ist derart in die Abgasführung integriert, sodass sie das Abgas erwärmt und somit die Warmseite der Wärmepumpe gekühlt wird.
-
Zwischen der Kaltseite und der Warmseite ist innerhalb der Abgasführung eine Entspannungsvorrichtung angeordnet. Die Entspannungsvorrichtung ist vorzugsweise eine Turbine. In einer einfacheren Ausgestaltung kann auch eine Drossel als Entspannungsvorrichtung verwendet werden. Die Entspannungsvorrichtung dient zur Reduzierung des Drucks in der Abgasführung und somit zur Reduzierung der Temperatur des Abgases.
-
In der Abgasführung ist zwischen der Kaltseite und der Warmseite der Wärmepumpe zumindest ein Wasserabscheider angeordnet. Dieser Wasserabscheider dient zum Abscheiden von Wasser aus dem Abgas. Das abgeschiedene Wasser kann beispielsweise zum Befeuchten der der Brennstoffzelle zugeführten Luft oder zur Kühlung weiterer Systeme verwendet werden. Hierzu wird das Wasser entweder direkt verwendet oder vorerst einem Speicher zugeführt.
-
Im Betrieb des Kondensationssystems gibt das Abgas einen Teil seiner Wärmeenergie an der Kaltseite an die Wärmepumpe ab, wodurch es abgekühlt wird und seinen Taupunkt unterschreitet. Dadurch kann das kondensierte Wasser in dem nachfolgenden, zumindest einen Wasserabscheider aus dem Abgas abgetrennt werden.
-
In der Entspannungsvorrichtung wird der Abgasstrom, vorzugsweise arbeitsleistend mittels einer Turbine, auf einen Druck größer oder gleich dem Umgebungsdruck (Atmosphärendruck) entspannt. Durch die Entspannung des Abgases wird der Taupunkt weiter unterschritten. Nach dem Abscheiden des Wassers nimmt der kühle Abgasstrom an der Warmseite der Wärmepumpe die Wärmeenergie des warmen Abgasstromes auf und kühlt diesen dadurch. Anschließend wird das Abgas an die Umgebung abgegeben.
-
Bei dem erfindungsgemäßen Kondensationssystem erlaubt es der spezielle Aufbau mit der Wärmepumpe, dass Abgas auf ein sehr niedriges Zwischentemperaturniveau (zwischen der Kaltseite und der Warmseite der Wärmepumpe) abzusenken. Dadurch wird die Wasserausbeute in dem zumindest einen Wasserabscheider gegenüber dem Stand der Technik deutlich erhöht. Vorzugsweise erfolgt dies ohne unterschreiten des Atmosphärendrucks, wodurch sich energieaufwendige Verdichter zum nachträglichen Erhöhen des Abgasdrucks erübrigen. Ferner wird vorzugsweise auf ein externes Kühlsystem und auf Wärmetauscher verzichtet, sodass keine aktive Abgabe von Wärme aus dem Abgas in die Umgebung erfolgt. Dies erhöht die Gesamteffizienz des Systems, reduziert die Baugröße und das Gewicht.
-
Wie beschrieben, umfasst das Kondensationssystem zumindest einen Wasserabscheider, der zwischen Kaltseite und Warmseite der Wärmepumpe angeordnet ist. Im Folgenden werden drei Wasserabscheider beschrieben, wobei erfindungsgemäß zumindest der zweite Wasserabscheider oder der dritte Wasserabscheider zu verwenden sind.
-
Vorzugsweise umfasst das Kondensationssystem einen ersten Wasserabscheider. Dieser Wasserabscheider wird als erster Wasserabscheider bezeichnet, da er in Strömungsrichtung des Abgases als erstes angeordnet ist. Der optionale erste Wasserabscheider befindet sich stromauf der Kaltseite der Wärmepumpe. Nach der Brennstoffzelle durchläuft das mit Wasser gesättigte Abgas diesen ersten Wasserabscheider, der die flüssige Wasserphase abtrennt. Anschließend gibt das Abgas einen Teil seiner Wärmeenergie an die Kaltseite der Wärmepumpe ab.
-
Vorzugsweise umfasst das Kondensationssystem einen zweiten Wasserabscheider in der Abgasführung zwischen der Kaltseite der Wärmepumpe und der Entspannungsvorrichtung. Durch Abgabe der Wärmeenergie an der Kaltseite der Wärmepumpe unterschreitet das Abgas seinen Taupunkt. Das dabei auskondensierte Wasser wird in dem zweiten Wasserabscheider abgeschieden.
-
Vorzugsweise umfasst das Kondensationssystem einen dritten Wasserabscheider in der Abgasführung zwischen der Entspannungsvorrichtung und der Warmseite der Wärmepumpe. Durch die Entspannung des Abgases in der Entspannungsvorrichtung wird der Taupunkt weiter unterschritten und in dem anschließenden dritten Wasserabscheider erfolgt erneut das Abbrennen von Wasser aus dem Abgas.
-
Die mehreren Wasserabscheider müssen nicht durchgehend in Betrieb sein. So können über entsprechende Bypässe auch, je nach Betriebszustand der Brennstoffzelle, einzelne Wasserabscheider umgangen werden.
-
Für die Wärmepumpe wird vorzugsweise eine Kompressorwärmepumpe verwendet. Dementsprechend umfasst die Wärmepumpe einen Kühlmittelkreislauf der die Warmseite und die Kaltseite miteinander verbindet. Dieser Kühlmittelkreislauf ist insbesondere geschlossen. In dem Kühlmittelkreislauf befindet sich (im Kühlmittelstrom von der Kaltseite zur Warmseite) ein Kompressor. Auf der gegenüberliegenden Seite (im Kühlmittelstrom von der Warmseite zur Kaltseite) ist eine Drossel angeordnet. Der Kompressor wird vorzugsweise mit elektrischer Energie angetrieben und weist dementsprechend einen Elektromotor auf. Alternativ dazu ist auch ein direkter mechanischer Antrieb, beispielsweise über den Antriebstrang eines Fahrzeuges oder durch eine Verbindung mit der Entspannungsvorrichtung, ausgebildet als Turbine, möglich.
-
Ferner ist vorzugsweise vorgesehen, die Wärmepumpe als Thermogenerator, insbesondere mit Peltierelementen, auszubilden.
-
Die Entspannungsvorrichtung ist vorteilhafterweise als eine durch das Abgas angetriebene Turbine ausgebildet. Wie soeben beschrieben, kann diese Turbine mechanisch mit dem Kompressor der Wärmepumpe verbunden werden. In einer bevorzugten Variante ist jedoch vorgesehen, dass über die Turbine ein Generator betrieben wird. Der Generator erzeugt elektrische Energie, die vorzugsweise zum Antrieb des Kompressors der Wärmepumpe, zum Laden eines Energiespeichers oder anderweitig verwendet wird.
-
Die Erfindung umfasst ferner ein Brennstoffzellensystem. Das Brennstoffzellensystem kommt insbesondere in einem Fahrzeug zur Anwendung. Das Brennstoffzellensystem umfasst ein soeben beschriebenes Kondensationssystem sowie zumindest eine Brennstoffzelle. Die mit der Brennstoffzelle erzeugte elektrische Energie wird insbesondere zum Antrieb des Fahrzeugs verwendet.
-
Ferner umfasst die Erfindung ein Verfahren zum Auskondensieren von Wasser aus Abgas einer Brennstoffzelle. Insbesondere wird das Verfahren zum Betrieb des beschriebenen Kondensationssystems verwendet.
-
Das Verfahren umfasst folgende Schritte: Kühlen des Abgases aus der Brennstoffzelle an einer Kaltseite einer Wärmepumpe und Kühlen einer Warmseite der Wärmepumpe mit dem Abgas stromab der Kaltseite. Ferner erfolgt ein Entspannen des Abgases zwischen der Kaltseite und der Warmseite sowie ein Abscheiden von Wasser zumindest zwischen der Kaltseite und der Warmseite.
-
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und der Figur. Es zeigt:
-
1 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems mit dem erfindungsgemäßen Kondensationssystem gemäß einem Ausführungsbeispiel.
-
1 zeigt gemäß einem Ausführungsbeispiel ein Kondensationssystem 1 in einem Brennstoffzellensystem 2. Das Brennstoffzellensystem 2 wird vorzugsweise in einem Fahrzeug verwendet. Das erfindungsgemäße Verfahren wird vorzugsweise in dem Kondensationssystem 1 durchgeführt.
-
Das Brennstoffzellensystem 2 umfasst neben dem Kondensationssystem 1 eine Brennstoffzelle 3 und einen Brennstoffzellenkompressor 4. Zu Beginn des Brennstoffzellensystems 2 wird die Umgebungsluft mittels des Brennstoffzellenkompressors 4 auf das erforderliche Druckniveau für eine optimale Arbeitsweise der Brennstoffzelle 3 gebracht. Nach der Brennstoffzelle 3 wird das Abgas aus der Brennstoffzelle 3 dem Kondensationssystem 1 zugeführt.
-
Das Kondensationssystem 1 umfasst eine Abgasführung 5, die von der Brennstoffzelle 3 bis zur Umgebung führt. In dieser Abgasführung 5 befindet sich eine Wärmepumpe 6. Die Wärmepumpe 6 weist eine Kaltseite 12 und eine Warmseite 13 auf. Das Abgas in der Abgasführung 5 durchläuft zunächst die Kaltseite 12 und im weiteren Verlauf die Warmseite 13.
-
Zwischen der Brennstoffzelle 3 und der Kaltseite 12 befindet sich ein erster Wasserabscheider 9 in der Abgasführung 5.
-
Zwischen der Kaltseite 12 und der Warmseite 13 ist eine Entspannungsvorrichtung 7 in der Abgasführung 5 angeordnet. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Entspannungsvorrichtung 7 als Turbine ausgebildet. Die Turbine wird durch das Abgas in der Abgasführung 5 angetrieben. Die Turbine ist mit einem Generator 8 verbunden. Der Generator 8 erzeugt elektrische Energie.
-
Die Wärmepumpe 6 benötigt elektrische Energie. Im gezeigten Ausführungsbeispiel wird hierzu die elektrische Energie des Generators 8 verwendet. Allerdings kann auch die Energie direkt aus der Brennstoffzelle 3 oder einem Energiespeicher bezogen werden. Vorzugsweise handelt es sich bei der Wärmepumpe 6 um eine Kompressorwärmepumpe. Bei dieser Bauart von Wärmepumpen verläuft ein Kühlmittelkreislauf zwischen der Kaltseite 12 und der Warmseite 13. Mittels des Kompressors in der Wärmepumpe 6 wird dieses Kühlmittel gefördert und verdichtet.
-
Zwischen der Kaltseite 12 und der Entspannungsvorrichtung 7 befindet sich ein zweiter Wasserabscheider 10. Zwischen der Entspannungsvorrichtung 7 und der Warmseite 13 ist ein dritter Wasserabscheider 11 angeordnet.
-
Das mit Wasser gesättigte Abgas aus der Brennstoffzelle 3 durchläuft zunächst den optionalen ersten Wasserabscheider 9 zur Abtrennung der flüssigen Wasserphase. Anschließend gibt das Abgas einen Teil seiner Wärmeenergie an der Kaltseite 12 der Wärmepumpe 6 ab, wodurch das Abgas abgekühlt wird und seinen Taupunkt unterschreitet. Zumindest der zweite Wasserabscheider 10 oder der dritte Wasserabscheider 11 sind zwingend notwendig, um den Vorteil der Wärmepumpe 6 auszunutzen und folglich nach der Wärmepumpe 6 das auskondensierte Wasser abzutrennen. Wie das Ausführungsbeispiel zeigte, wird sowohl vor der Entspannungsvorrichtung 7 als auch nach der Entspannungsvorrichtung 7 Wasser abgeschieden, um eine größtmögliche Wasserausbeute zu erzielen.
-
Nach dem dritten Wasserabscheider 11 durchläuft das Abgas die Warmseite 13 der Wärmepumpe 6. Dabei nimmt das Abgas Wärmeenergie aus der Wärmepumpe 6 auf und ermöglicht somit eine energieeffiziente Kühlung des Abgases an der Kaltseite 12.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Kondensationssystem
- 2
- Brennstoffzellensystem
- 3
- Brennstoffzelle
- 4
- Brennstoffzellenkompressor
- 5
- Abgasführung
- 6
- Wärmepumpe
- 7
- Entspannungsvorrichtung, vorzugsweise Turbine
- 8
- Generator
- 9
- erster Wasserabscheider
- 10
- zweiter Wasserabscheider
- 11
- dritter Wasserabscheider
- 12
- Kaltseite
- 13
- Warmseite
-
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 10152311 A1 [0002]
- DE 19943059 A1 [0003]
