-
Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellenfahrzeug mit einem Kühlsystem zumindest für eine Brennstoffzelle, nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.
-
Ein derartiges Brennstoffzellenfahrzeug ist prinzipiell aus der
US 6,584,789 B2 bekannt. Das dortige Brennstoffzellenfahrzeug umfasst wenigstens eine Brennstoffzelle sowie ein Kühlsystem für eben diese Brennstoffzelle. Um die Kühlung zu verbessern, wird über einen Verteiler und eine Wasserpumpe auskondensiertes Wasser in den Bereich der Kühlwärmetauscher zerstäubt. Dies ist insbesondere bei Volllast des Brennstoffzellenfahrzeugs und entsprechend hohen Temperaturen sowie einer geringen Fahrgeschwindigkeit, beispielsweise einer Bergauffahrt, notwendig.
-
Der Nachteil bei diesem System besteht darin, dass einerseits eine Pumpe benötigt wird, um die Feuchtigkeit zu zerstäuben, und dass andererseits ein Teil der zur Verfügung stehenden Kühlfläche, welche durch das Fahrzeugdesign im Frontbereich eines Fahrzeugs ohnehin eingeschränkt ist, für den Kondensator benötigt wird.
-
Einen ähnlichen Aufbau beschreibt die
KR 1000 634 870 B1 . Hier muss das Wasser in einem eigenen Tank mitgeführt werden, was den Aufbau entsprechend aufwändig in der Handhabung macht, da hier Wasser nachgetankt werden muss.
-
Zum weiteren Stand der Technik ist außerdem die
JP 2007-242 280 A bekannt. Auch diese beschreibt ein Brennstoffzellenfahrzeug, bei welchem über einen Injektor Wasser in den Bereich des Kühlwärmetauschers gesprüht wird, um die Kühlleistung zu verbessern.
-
Außerdem ist die
JP 2001-357 864 A bekannt. In dieser Schrift ist eine Rohrleitung beschrieben, über welche durch eine Vielzahl von Öffnungen in der Rohrleitung das Wasser über den Kühlwärmetauscher verteilt wird, um so eine möglichst effiziente Kühlung im Bereich der gesamten Oberfläche des Kühlwärmetauschers zu erzielen.
-
Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung ist es, ein Brennstoffzellenfahrzeug mit einem Kühlsystem gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zu schaffen, welches gegenüber dem Stand der Technik weiter verbessert ist, und welches insbesondere die oben genannten Nachteile vermeidet.
-
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Brennstoffzellenfahrzeug mit den Merkmalen im Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen.
-
Bei dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellenfahrzeug ist es vorgesehen, dass der Kondensator ein Gehäuse mit einem Gitter oder Geflecht aufweist, welches von der feuchten Abluft und/oder dem feuchten Abgas der Brennstoffzelle durchströmt ist. Beim bestimmungsgemäßen Einsatz in Richtung der Schwerkraft unterhalb des Gitters oder Geflechts befindet sich ein Sammelbereich, welcher insbesondere von Gitter oder Geflecht frei sein kann. Das auskondensierte Wasser sammelt sich aufgrund der Schwerkraft in diesem Sammelbereich. Über wenigstens eine Leitung ist dieser Sammelbereich mit einem Vorratsbehälter für die Zufuhr des Wassers in den Bereich des Kühlwärmetauschers verbunden.
-
Bei dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellenfahrzeug ist es so, dass der Aufbau realisiert werden kann, ohne dass zusätzliche Kühlerfläche in dem Fahrzeug benötigt wird, um das Wasser aus der Abluft und/oder dem Abgas der Brennstoffzelle aus zu kondensieren. Vielmehr ist der Kondensator so gestaltet, dass dieser über ein Gitter oder ein Geflecht, vorzugsweise aus einem metallischen bzw. gut wärmeleitenden Material, dem feuchten Gas beim Durchströmen des Kondensators einen Großteil der Wärme entzieht, sodass Wasser auskondensiert und sich im Bereich des Gitters oder Geflechts sammelt. Es tropft dann der Schwerkraft folgend nach unten und gelangt in den Sammelbereich, von welchem aus es über wenigstens eine Leitung in einen Vorratsbehälter für die Zufuhr des Wassers in den Bereich des Kühlwärmetauschers strömt. Dieser Aufbau ist außerordentlich einfach.
-
Eine weitere Verbesserung sieht es ferner vor, dass der Kondensator im Bereich des Gitters oder Geflechts an dem Gehäuse außen Kühlrippen aufweist. Der Kondensator kann also selbstkühlend ausgebildet sein. Insbesondere ist er an einer Stelle im Fahrzeug angeordnet, in deren Bereich er von Fahrtwind durchströmt wird, welcher insbesondere nicht zur Durchströmung des Kühlwärmetauschers benötigt wird. Der einfache und sehr kompakt zu realisierende Aufbau des Kondensators wird durch das Geflecht und die Kühlrippen sehr gut gekühlt, sodass eine sehr effiziente Kondensation stattfindet und in jedem Fall Wasser in ausreichender Menge zur Verfügung steht.
-
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Idee ist der Vorratsbehälter mit mindestens einem, bevorzugt mehreren Rohren verbunden, welche in Richtung der Durchströmung mit Fahrtwind vor dem Kühlwärmetauscher angeordnet sind, und welche zahlreiche Öffnungen zur Abgabe von Wasser aufweisen. Eines oder vorzugsweise mehrere solche Rohre können in der Art eines Feldes in Strömungsrichtung des Fahrtwinds vor dem Kühlwärmetauscher angeordnet sein. Der Fahrwind, oder gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung auch der durch ein Gebläse aufrechterhaltene Luftstrom, nimmt dann aus dem Bereich der einzelnen Öffnungen Wassertropfen auf und trägt sie in den Bereich des Kühlwärmetauschers. Dort werden sie entsprechend verdampft, sodass die Kühlleistung, welche durch den Kühlwärmetauscher zu erzielen ist, verbessert wird.
-
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Idee hat der Vorratsbehälter in seinem im bestimmungsgemäßen Einsatz in Richtung der Schwerkraft oberen Abschnitt wenigstens eine Überlauföffnung. Eine oder vorzugsweise mehrere derartige Überlauföffnungen stellen sicher, dass das Waser sich nicht in den Bereich des Kondensators und des Sammelbereichs zurückstaut, sondern durch die Überlauföffnungen austritt und in die Umgebung gelangt. So kann kein Fluten des Kondensators auftreten, welches in unerwünschter Art und Weise, bei einem sehr starken Rückstau, zu einem Fluten des Brennstoffzellensystems führen könnte.
-
Eine weitere sehr vorteilhafte Ausgestaltung der Idee kann es nun vorsehen, dass im Bereich des wenigstens einen Rohrs eine Ventileinrichtung angeordnet ist. Eine solche Ventileinrichtung kann im Bereich des einen Rohrs bzw., wenn mehrere Rohre vorhanden sind, im Bereich der mehreren Rohre, als reine Auf/Zu-Ventileinrichtung ausgebildet sein. Ist sie geschlossen, kann kein Wasser in das Rohr gelangen und verbleibt im Sammler. Falls der Sammler entsprechend voll wird, kann bei der oben beschriebenen vorteilhaften Ausgestaltung mit der Überlauföffnung dieser selbsttätig entleert werden. Insbesondere bei der Verwendung von mehreren Rohren, bei welchen jedes der Rohre eine einzelne Ventileinrichtung hat, kann auch die Menge an Wasser, welche in die Kühlluftstrom gelangt, gesteuert werden, indem beispielsweise alle Rohre oder nur ein Teil der Rohre freigegeben werden. Hierdurch lässt sich in vorteilhafter Weise nicht nur beeinflussen ob das Wasser in den Bereich des Kühlwärmetauschers gelangt, sondern auch die Menge an Wasser. Durch die Ventileinrichtungen ist so eine besonders effiziente Regelung der Kühlleistung bzw. der Steigerung der Kühlleistung durch das zu verdampfende Wasser aus dem Vorratsbehälter möglich.
-
Der Vorratsbehälter kann gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung dabei als Eingangssammler mit mehreren Rohren verbunden sein, welche an ihrem anderen Ende mit einem Ausgangssammler verbunden sind, welcher eine Ablauföffnung für Restwasser aufweist. Über den Vorratsbehälter als Eingangssammler und eine Mehrzahl von Rohrleitungen, welche vorzugsweise horizontal mit leichtem Gefälle in Richtung des Ausgangssammlers verlaufen, wird ein Feld in Strömungsrichtung der Luft vor dem Kühlwärmetauscher aufgebaut, bei welchem sehr gleichmäßig durch die Öffnung in den Rohren das Wasser über die gesamte zur Verfügung stehende Fläche des Kühlwärmetauschers verteilt wird. Eventuelles Restwasser sammelt sich in dem Ausgangssammler und gelangt von diesem in die Umgebung.
-
Eine außerordentlich vorteilhafte Weiterbildung der Idee sieht es dabei vor, dass der Vorratsbehälter im bestimmungsgemäßen Einsatz in Richtung der Schwerkraft unterhalb des Kondensators angeordnet ist. Der gesamte Aufbau kann dann ohne zusätzlichen Energiebedarf wie insbesondere den Energiebedarf einer Pumpe betrieben werden. Alleine die Schwerkraft reicht aus, um das auskondensierte Wasser im Sammelbereich zu sammeln und zielgerichtet in den Vorratsbehälter zu leiten. Von dort gelangt es über die Leitung mit den Öffnungen in den Bereich des Kühlwärmetauschers und eventuell verbleibendes Restwasser kann insbesondere gemäß der oben beschriebenen Ausgestaltung über den Ausgangssammler gesammelt und abgeleitet werden. Der ganze Aufbau ist dabei außerordentlich energieeffizient. Darüber hinaus sind keinerlei Wartungsarbeiten an einer Pumpe oder dergleichen notwendig, da die Funktionalität des gesamten Aufbaus selbsttätig in der gewünschten Art und Weise funktioniert. Lediglich über eine Ventileinrichtung kann die Funktion ein- bzw. ausgeschaltet werden, wie es oben gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung bereits beschrieben ist. Hierdurch ist eine außerordentlich einfache und effiziente bedarfsgerechte Kühlung in dem Brennstoffzellenfahrzeug möglich.
-
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Idee ergeben sich auch aus dem Ausführungsbeispiel, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben ist.
-
Dabei zeigen:
- 1 ein prinzipmäßig angedeutetes Fahrzeug mit einem Brennstoffzellensystem gemäß der Erfindung; und
- 2 eine vergrößerte Darstellung des Kondensators und des Kühlers in dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellenfahrzeug.
-
In der Darstellung der 1 ist schematisch angedeutet ein Fahrzeug 1 zu erkennen, welches seine elektrische Leistung von einem Brennstoffzellensystem 2 beziehen soll. Das Brennstoffzellensystem 2 in der hier dargestellten Ausführungsvariante ist dabei rein beispielhaft zu verstehen und kann durch den Fachmann in der gewünschten Art und Weise ausgebildet werden. Das hier beispielhaft dargestellte Brennstoffzellensystem 2 umfasst einen Stapel von Einzelzellen, einen sogenannten Brennstoffzellenstack 3, zur Bereitstellung von elektrischer Antriebsleistung.
-
Dem Brennstoffzellenstack 3 wird auf seiner Anodenseite 4 Wasserstoff aus einer nicht näher dargestellten Wasserstoffquelle, beispielsweise einem Tank, zugeführt. Dies ist in der Darstellung der Figur durch das chemische Zeichen H2 für Wasserstoff angedeutet. Der nicht verbrauchte Wasserstoff gelangt über eine Rezirkulationsleitung 5 zu einer Gasstrahlpumpe 6 und wird hier von dem frischen Wasserstoffstrom wieder angesaugt dem Anodenbereich 4 erneut zugeführt. Über ein Ablassventil 7 wird von Zeit zu Zeit Wasser und Gas aus diesem Anodenkreislauf abgelassen.
-
Einem Kathodenbereich 8 des Brennstoffzellenstacks 3 wird Luft über eine Luftfördereinrichtung 9 zugeführt. Die verdichtete heiße Zuluft strömt über einen Ladeluftkühler 10 sowie bei Bedarf über einen Befeuchter 11 oder in einem Bypass 12 um diesen Befeuchter in den Kathodenbereich 8 des Brennstoffzellenstapels 3. Von dort aus gelangt das feuchte Abgas aus dem Kathodenbereich 8 wiederum in den Befeuchter 11, welcher als Gas/Gas-Befeuchter ausgebildet ist und gibt einen Teil seiner Feuchte an die Zuluft ab. Die weiterhin mit einer Restfeuchte versehene Abluft gelangt dann zu einer Abluftturbine 13, nachdem sie sich mit dem Abgas aus dem Anodenbereich 4 nach dem Ablassventil 7 entsprechend vermischt hat. Das feuchte typischerweise von Tröpfchen über einen Tropfenabscheider befreite Gas/Luft-Gemisch gibt einen Teil seiner Energie an die Abluftturbine 13 ab. Diese treibt zusammen mit einem elektrischen Motor 14 die Luftfördereinrichtung 9 an. Ist die Energieausbeute im Bereich der Abluftturbine 13 höher als die von der Luftfördereinrichtung 9 benötigte Leistung, dann kann der elektrische Motor 14 auch generatorisch betrieben werden, um Energie zurückzugewinnen.
-
In dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellenfahrzeug 1 ist es nun so, dass der feuchte Gasstrom nach der Abluftturbine 13 in einen Kondensator 15 gelangt. Dieser Kondensator 15 weist in seinem in Richtung der Schwerkraft g im bestimmungsgemäßen Einsatz oberen Bereich 16 ein Gitter bzw. Geflecht, vorzugsweise aus einem metallischen Werkstoff, auf. Der Wasserdampf nach der Abluftturbine 13 wird hier abgekühlt. Im Bereich des Geflechts kann Feuchtigkeit auskondensieren. Das Kondensat tropft der Schwerkraft g folgend in einen Sammelbereich 17, welcher in Richtung der Schwerkraft g unterhalb des Gitters oder Geflechts 16 liegt. Durch einen Auslass 18 strömt dann weitgehend trockene Luft bzw. das weitgehend trockene Gas aus dem Brennstoffzellenfahrzeug 1 ab. Dies hat den Vorteil, dass kein Wasser unkontrolliert in die Umgebung gelangt, was insbesondere bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts von Wasser ein Nachteil wäre.
-
Über eine Kondensatleitung 19 strömt das Kondensat aus dem Sammelbereich 17 der Schwerkraft folgend ab und gelangt in einen mit 20 bezeichneten Vorratsbehälter. Der gesamte Aufbau mit dem Kondensator, der Kondensatleitung und dem Sammelbehälter ergibt sich außerdem später noch aus der Beschreibung der nachfolgenden 2.
-
Das Brennstoffzellenfahrzeug 1 weist nun außerdem einen sehr stark schematisiert angeordneten Kühlkreislauf 21 auf. In dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel besteht dieser lediglich aus zwei Kühlmedienleitungen 22, welche einen Kühlwärmetauscher 23 mit dem Brennstoffzellenstack 3 verbinden, um diesen zu kühlen. Eine Kühlmedienfördereinrichtung 24 ist prinzipmäßig angedeutet. In der Realität wird ein solcher Kühlkreislauf 21 weitere Elemente umfassen. Er kann beispielsweise den Ladeluftkühler 10 mit kühlen, er kann einen Wärmetauscher für die Vorwärmung von Wasserstoff aufweisen und kann verschiedene Bypassbereiche aufweisen, um die Kühlleistung nicht nur durch den Volumenstrom sondern auch durch die Menge an Kühlmedium, welches durch den Kühlwärmetauscher 23 strömt, und welches diesen im Bypass passiert, einstellen zu können. All dies ist dem Fachmann für Kühlsysteme in Brennstoffzellenfahrzeugen 1 soweit geläufig, sodass hierauf nicht weiter eingegangen werden muss.
-
Der Vorratsbehälter 20 ist in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel als eine Art Eingangssammler ausgebildet, welcher mit mehreren im Prinzip horizontal laufenden aber ein leichtes Gefälle aufweisenden Rohren 25, welche auch in der 2 zu erkennen sind, mit einem Ausgangssammler 26 verbunden ist. Der Ausgangssammler 26 weist wiederum eine Ableitung 27 auf, um überschüssiges Restwasser in die Umgebung abzugeben.
-
In der Darstellung der 2 ist nun dieser Bereich des Kondensators 15 sowie des Vorratsbehälters 20 und des Ausgangssammlers 26 zusammen mit dem Kühlwärmetauscher 23 nochmals vergrößert dargestellt. Der Kondensator 15 ist mit seinem Sammelbereich 17 in Richtung der Schwerkraft g unten und dem Bereich mit dem Gitter oder Geflecht 16 oben dargestellt. Selbstverständlich kann hier auch eine Kombination von Gitter und Geflecht, ein Gewirke oder ähnliches eingesetzt werden. Dieses ist insbesondere aus einem gut leitenden Material, vorzugsweise aus einem metallischen Material. Zur Ableitung der Wärme nach außerhalb des Gehäuses des Kondensators 15 können außerdem Kühlrippen 28 vorgesehen sein, von welchen eine beispielhaft an dem Kondensator 15 angedeutet ist. Die Kondensatleitung 19 ist in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel ohne die Ventileinrichtung 21 ausgestaltet. Der Vorratsbehälter 20 dient als Eingangssammler und ist in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel rein beispielhaft mit drei Rohren 25 mit dem Ausgangssammler 26 verbunden. Dieser weist die Ablauföffnung 27 an seinem in Richtung der Schwerkraft g bestimmungsgemäßen Einsatz unteren Ende auf.
-
In dem im bestimmungsgemäßen Einsatz in Richtung der Schwerkraft g oberen Ende des Vorratsbehälter 20, sind in diesen mehrere Überlauföffnungen 29 vorgesehen. In jedem der Rohre 25 ist außerdem eine mit 30 bezeichnete Ventileinrichtung angedeutet. Die Rohre 25 selbst weisen über ihre Länge verteilt zahlreiche kleine Öffnungen 31 auf, welche nur an einem der Rohre 25 mit Bezugszeichen versehen sind. Über diese Öffnungen 31 gelangen Wassertropfen aus den Rohren 25, insbesondere tropfen sie der Schwerkraft g folgend nach unten aus den Rohren 25, bei entsprechender Anordnung der Öffnungen 31 an den Rohren 25 jeweils unten. Aus der Richtung des Betrachters strömt nun der Fahrtwind, welcher durch ein hier nicht dargestelltes aber an sich bekanntes Gebläse beispielsweise in Strömungsrichtung vor oder nach dem Kühlwärmetauscher 23 unterstützt werden kann, quer zu den Rohren 25 und dann zu dem Kühlwärmetauscher 23. Je nach Bedarf können nun alle Ventileinrichtungen 30, einige der Ventileinrichtungen 30 oder keine der Ventileinrichtungen 30 an den Rohren 25 geöffnet werden. Ist keine der Ventileinrichtungen 30 geöffnet, dann tropft kein Wasser aus den Öffnungen 31 der Rohren 25. Die Kühlung funktioniert dann wie bei einem bisherigen Brennstoffzellenfahrzeug 1 auch. Bei Bedarf kann nun eine oder mehrere der Ventileinrichtungen 30 geöffnet werden. Dann tropft an einem oder mehreren der Rohre 25 Wasser aus den Öffnungen 31. Dieses Wasser wird von der zu dem Kühlwärmetauscher 23 strömenden Luft mitgenommen und kann in dieser Luft und/oder im Bereich des Kühlwärmetauschers 23 verdampfen. Die dabei benötigte Wärmemenge zum Verdampfen des Wassers wird als zusätzliche Kühlleistung im Bereich des Kühlwärmetauschers 23 zur Verfügung gestellt. Hierdurch lässt sich die Kühlung durch die Ventileinrichtungen 30 bedarfsgerecht steuern und verbessern.
-
Sammelt sich in dem Vorratsbehälter 20 zu viel Wasser an, insbesondere wenn die Ventileinrichtungen 30 an allen Rohrleitungen 25 geschlossen sind, beispielsweise weil kühlere Umgebungsbedingungen und eine schnelle Fahrt mit wenig Leistung des Brennstoffzellenfahrzeugs 1 vorliegt, dann kann über die Überlauföffnungen 29 das Wasser aus dem Vorratsbehälter 20 ablaufen, um so zu verhindern, dass es zu einem Rückstau in den Sammelbereich 17 des Kondensators und von dort aus in den Bereich der Leitungen und schlimmstenfalls in den Bereich der Abluftturbine 13 bzw. des Befeuchters 11 oder der Brennstoffzelle 3 selbst kommt.
-
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
-
- US 6584789 B2 [0002]
- KR 1000634870 B1 [0004]
- JP 2007242280 A [0005]
- JP 2001357864 A [0006]
