DE102017213789A1

DE102017213789A1 - Brennstoffzellensystem

Info

Publication number: DE102017213789A1
Application number: DE102017213789.4A
Authority: DE
Inventors: Thomas Lichius; Johannes Weis; Thomas Weustenfeld
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2017-08-08
Filing date: 2017-08-08
Publication date: 2019-02-14

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem für ein Kraftfahrzeug und ein Verfahren zum Betreiben des Brennstoffzellensystems.

Description

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem für ein Kraftfahrzeug und ein Verfahren zum Betreiben des Brennstoffzellensystems.
Bei der Umsetzung eines Brennstoffs, z.B. Wasserstoff, in einer Brennstoffzelle wird als Reaktionsprodukt Wasser erzeugt. Das erzeugte Wasser wird während des Betriebs des Brennstoffzellensystems über die Abluft aus der Brennstoffzelle abgeführt. Nach dem Abstellen des Brennstoffzellenfahrzeugs muss das restliche Produktwasser, welches sich in gasförmigem oder flüssigem Zustand noch in der Brennstoffzelle befindet, ausgetragen werden. Für das Austragen wird der Verdichter des Brennstoffzellensystems verwendet. Dieser befördert das gasförmige oder flüssige Produktwasser durch den Abgasstrang in die Umgebung. Am Austritt des Abgasstrangs liegt das Produktwasser zum Großteil in flüssigem Zustand vor. Entsprechend entsteht am Ausgang der Abgasanlage eine Wasserlache. Diese kann ein Volumen von mehreren hundert Millilitern betragen. Diese Wasserlachen hinter oder unter dem Fahrzeug sind unerwünscht, insbesondere in Garagen. Im Winter können diese Wasserlachen auch gefrieren, so dass es zu Rutschgefahr in der Nähe des Fahrzeugs kommt.
Vor diesem Hintergrund hat sich die vorliegende Erfindung die Aufgabe gestellt, eine Bildung von Wasserlachen nach Abstellen des Kraftfahrzeugs zu vermeiden.
Es ist bereits vorgeschlagen worden, das in einer Brennstoffzelle erzeugte Wasser in der Brennstoffzelle oder in einem speziellen Tank zu sammeln. Die DE 698 00 462 T2 offenbart eine Brennstoffzelle mit plattenförmigen Reaktanden-Verteilerelementen, die Wasser in porösen Strukturen sammelt und das Wasser zur Befeuchtung von Reaktionsgasen und zur Kühlung der Brennstoffzelle durch Verdampfen nutzt.
Aus der DE 10 2010 022 274 A1 ist ein wassergekühlter Kondensator in einem HLK-System (Heizung-Lüftung-Kühlung) eines Fahrzeugs bekannt. Das Fahrzeug sammelt das in einer Brennstoffzelle erzeugte Wasser, speichert das Wasser in einem Tank und verdampft es bei Bedarf zur Kühlung.
Aus der DE 10 2013 225 368 A1 gehen ein Brennstoffzellensystem und ein Verfahren zum Befeuchten und Kühlen desselben hervor. Das Brennstoffzellensystem umfasst eine Vorrichtung zum Speichern von Wasser aus einer Brennstoffzelle und nutzt das Wasser zur Kühlung durch Verdampfen.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass das nach dem Abstellen des Fahrzeugs noch vorhandene Produktwasser nach dem physikalischen Prinzip der Absorption gebunden wird. Die Absorption wird mittels einer offenen oder geschlossenen Sorptionsanlage, die mit einem Sorptionsmaterial (Sorbens) wie z.B. Zeolith, Aktivkohle oder Silikagel ausgestattet ist, realisiert. In einer Ausführungsform wird bei Fahrtantritt das gebundene Produktwasser mittels eines elektrischen Heizers desorbiert und der Umgebung zugeführt. Im Anschluss an die Desorption kann die Sorptionsanlage wieder Wasser binden, so dass beim nächsten Abstellen des Fahrzeugs der Prozess von vorne beginnen kann.
Gegenstand der Erfindung ist ein Brennstoffzellensystem für ein Kraftfahrzeug, dessen Abgasstrang eine Vorrichtung umfasst, die dafür eingerichtet ist, Wasser aus einem Abgasstrom zu absorbieren. In einer Ausführungsform ist die Vorrichtung auch dafür eingerichtet, absorbiertes Wasser wieder zu desorbieren und an einen Abgasstrom abzugeben.
In einer Ausführungsform umfasst die Vorrichtung ein Sorptionsmaterial, welches in der Lage ist, Wasser reversibel zu absorbieren und zu desorbieren. Beispiele geeigneter Sorptionsmaterialien umfassen Molekularsiebe wie Zeolithe; Aluminiumoxid; Bentonit; Aktivkohle; Sulfate wie Natriumsulfat, Magnesiumsulfat, Calciumsulfat, Kupfersulfat; und Silikagel. In einer Ausführungsform enthält das Sorptionsmaterial mindestens einen Zeolithen. In einer weiteren Ausführungsform ist das Sorptionsmaterial ein Schichtsilikat. In einer anderen Ausführungsform ist das Sorptionsmaterial Magnesiumsulfat. In einer weiteren Ausführungsform ist das Sorptionsmaterial Kieselgel (Silikagel).
In einer Ausführungsform weist die Vorrichtung mindestens ein Lochblech auf, das mit einem Sorptionsmaterial in Kontakt steht. In einer Ausführungsform liegt das Sorptionsmaterial als Schüttung vor. In einer weiteren Ausführungsform umfasst die Vorrichtung eine Schüttung des Sorptionsmaterials zwischen zwei Lochblechen. Durch das Lochblech bzw. die Lochbleche kann gasförmiges und flüssiges Produktwasser die Vorrichtung durchströmen. Die Lochgeometrie ist bevorzugt so gewählt, dass der Druckverlust über die Vorrichtung minimiert wird. Durch Einsatz des Sorptionsmaterials als Schüttung kann die maximale aktive Sorptionsoberfläche verwendet werden und es ist durch Optimierung der Packung eine höhere Beladung der Vorrichtung möglich.
In einer anderen Ausführungsform weist die Vorrichtung mindestens ein Lochblech auf, das mit dem Sorptionsmaterial beschichtet ist. Dies optimiert die Sorptionsdynamik.
In einer Ausführungsform ist die Vorrichtung beheizbar. Durch Erhitzen des Sorptionsmaterials wird im Sorptionsmaterial absorbiertes Wasser wieder desorbiert und an den die Vorrichtung durchströmenden Abgasstrom abgegeben. In einer Ausführungsform wird die Vorrichtung elektrisch beheizt. In einer Ausführungsform ist mindestens ein in der Vorrichtung vorhandenes Lochblech aus einem hochohmigen Metall ausgeführt und elektrisch leitend, so dass es als Heizer fungieren und das Sorptionsmaterial erhitzen kann. In einer anderen Ausführungsform ist in einer Schüttung des Sorptionsmaterials ein Heizelement angeordnet, beispielsweise ein Heizdraht.
In einer Ausführungsform umfasst das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem Mittel, um einen Abgasstrom wahlweise durch eine Vorrichtung, die dafür eingerichtet ist, Wasser aus dem Abgasstrom zu absorbieren, zu leiten oder an der Vorrichtung vorbei zu leiten. In einer weiteren Ausführungsform umfasst das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem Mittel, um einen Abgasstrom bedarfsweise über oder durch ein von der Vorrichtung umfasstes Sorptionsmaterial zu leiten. In einer Ausführungsform ist die Vorrichtung beweglich angeordnet. In einer weiteren Ausführungsform ist die Vorrichtung dafür eingerichtet, in einen Abgasstrom hineinbewegt und aus diesem hinausbewegt zu werden. In einer Ausführungsform ist die Vorrichtung klappbar montiert. In einer weiteren Ausführungsform ist die Vorrichtung verschiebbar.
Gegenstand der Erfindung ist auch ein Verfahren zum Betreiben des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems. Im erfindungsgemäßen Verfahren wird am Ende einer Fahrt des Kraftfahrzeugs Produktwasser aus mindestens einer Brennstoffzelle in dem Fachmann im Prinzip bekannter Weise mittels eines Luftverdichters in den Abgasstrang eingebracht und durch die Vorrichtung, die dafür eingerichtet ist, Wasser aus einem Abgasstrom zu absorbieren, geführt und darin absorbiert. Somit tritt kein Produktwasser aus dem Fahrzeug aus. Nach einem erneuten Start des Kraftfahrzeugs wird das in der Vorrichtung absorbierte Wasser desorbiert und in den Abgasstrom abgegeben. In einer Ausführungsform wird die Desorption des in der Vorrichtung absorbierten Wassers durch Erhitzen der Vorrichtung herbeigeführt.
In einer Ausführungsform des Verfahrens wird das Wasser in einem von der Vorrichtung umfassten Sorptionsmaterial gebunden. Nach einem erneuten Start des Kraftfahrzeugs wird das im Sorptionsmaterial gebundene Wasser desorbiert und in den Abgasstrom abgegeben. Es kann dann im Fahrzeugbetrieb während der Fahrt an die Umgebung abgegeben werden. In einer Ausführungsform wird die Desorption des im Sorptionsmaterial gebundenen Wassers durch Erhitzen des Sorptionsmaterials herbeigeführt. In einer Ausführungsform erfolgt das Erhitzen des Sorptionsmaterials durch ein elektrisches Heizelement. Ein zusätzlicher Vorteil dieser Ausführungsform besteht darin, dass dadurch auch ein Kaltstart und ein Froststart positiv beeinflusst werden, da unmittelbar nach Fahrzeugstart eine elektrische Last hinzugeschaltet wird.
Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Die Erfindung ist anhand von Ausführungsformen in den Zeichnungen illustriert und wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen und in den nachfolgenden Beispielen weiter beschrieben. Es zeigt:

1 eine schematische Darstellung eines Lochblechs mit einer Schüttung von Sorptionsmaterial;
2 eine schematische Darstellung eines mit Sorptionsmaterial beschichteten Lochblechs;
3 eine schematische Darstellung eines Ausschnitts einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems.

1 zeigt schematisch ein Lochblech 11, auf dem sich eine Schüttung eines Sorptionsmaterials 12 befindet. Durch das Lochblech 11 kann gasförmiges und flüssiges Produktwasser strömen, das von dem Sorptionsmaterial 12 absorbiert oder aus ihm freigesetzt wird. Die Lochgeometrie ist bevorzugt so gewählt, dass der Druckverlust minimal ist. Wird das Sorptionsmaterial 12, wie in 1 angedeutet, als Schüttgut auf dem Lochblech aufgetragen, kann die maximale aktive Sorptionsoberfläche ausgenutzt werden. Dadurch wird eine höhere Sorptionsbeladung möglich (packungsoptimiert). In der Schüttung des Sorptionsmaterials 12 kann ein Heizdraht (nicht dargestellt) angeordnet sein, mit dem das Sorptionsmaterial 12 erhitzt werden kann, um eine Desorption von Wasser aus dem Sorptionsmaterial 12 zu bewirken.
2 zeigt schematisch ein Lochblech 11, das eine Beschichtung mit einem Sorptionsmaterial 12 aufweist. Eine Beschichtung des Lochblechs 11 optimiert die Sorptionsdynamik. Bevorzugt ist das Lochblech 11 aus einem hochohmigen Metall ausgeführt und ist elektrisch leitend, so dass es direkt als Heizer fungieren kann, um die Desorption von Wasser aus dem Sorptionsmaterial 12 zu bewirken.
3 ist eine schematische Darstellung eines Ausschnitts einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems. Im Abgasstrang 10 des Brennstoffzellensystems ist eine Sorptionsanlage 20 montiert, die ein Sorptionsmaterial 12 enthält. Die Sorptionsanlage 20 kann beispielsweise eine Schüttung eines Sorptionsmaterials 12 enthalten oder ein oder mehrere mit einem Sorptionsmaterial 12 beschichtete(s) Lochblech(e) 11 umfassen. In der in 3 gezeigten Ausführungsform ist die Sorptionsanlage 20 im Abgasstrang 10 klappbar montiert. Ist die Sorptionsanlage 20 ausgeklappt, so füllt sie den Querschnitt des Abgasstranges 10 aus und wird von dem Abgasstrom durchströmt. In eingeklapptem Zustand fließt der Abgasstrom an der Sorptionsanlage 20 vorbei.
Am Ende einer Fahrt wird die Sorptionsanlage 20 in den Abgasstrang 10 eingeklappt. Das in der Brennstoffzelle des Brennstoffzellensystems noch vorhandene Produktwasser wird, wie im Stand der Technik beschrieben, mittels des Luftverdichters in den Abgasstrang 10 geführt. Das Produktwasser wird in dem Sorptionsmaterial 12 der Sorptionsanlage 20 gebunden. Somit tritt kein Produktwasser aus dem Kraftfahrzeug aus.
Beim Fahrzeugstart wird die Sorptionsanlage 20 wieder eingeklappt und mittels eines elektrischen Heizers (nicht dargestellt) erhitzt, wodurch das im Sorptionsmaterial 12 gebundene Wasser desorbiert und die Sorptionsanlage 20 ausgetrocknet wird. Das so entstehende Wasser tropft in die Abgasanlage 10 und wird im Fahrzeugbetrieb während der Fahrt an die Umgebung abgegeben. Die getrocknete Sorptionsanlage 20 ist bereit, am Ende der Fahrt wieder Wasser zu absorbieren.
Als positiver Nebeneffekt kann erwähnt werden, dass die Anlage 20 ebenfalls den Kaltstart und Froststart positiv beeinflusst, da so unmittelbar nach Fahrzeugstart eine elektrische Last hinzugeschaltet werden kann.
Bezugszeichenliste

10: Abgasstrang
11: Lochblech
12: Sorptionsmittel
20: Sorptionsvorrichtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 69800462 T2 [0004]
DE 102010022274 A1 [0005]
DE 102013225368 A1 [0006]

Claims

Brennstoffzellensystem für ein Kraftfahrzeug, dessen Abgasstrang (10) eine Vorrichtung (20) umfasst, die dafür eingerichtet ist, Wasser aus einem Abgasstrom zu absorbieren.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, bei dem die Vorrichtung (20) auch dafür eingerichtet ist, absorbiertes Wasser wieder zu desorbieren und an einen Abgasstrom abzugeben.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Vorrichtung ein Sorptionsmaterial (12) umfasst, welches in der Lage ist, Wasser reversibel zu absorbieren und zu desorbieren.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 3, bei dem das Sorptionsmaterial (12) mindestens einen Zeolithen enthält.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die Vorrichtung (20) mindestens ein Lochblech (11) umfasst, das mit einem Sorptionsmaterial (12) in Kontakt steht.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 3 bis 5, bei dem das Sorptionsmaterial (12) als Schüttung vorliegt.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem die Vorrichtung (20) beheizbar ist.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem die Vorrichtung (20) beweglich angeordnet ist.
Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems nach einem der voranstehenden Ansprüche, worin am Ende einer Fahrt des Kraftfahrzeugs Wasser aus mindestens einer Brennstoffzelle mittels eines Luftverdichters in den Abgasstrang (10) und durch die Vorrichtung (20), die dafür eingerichtet ist, Wasser aus einem Abgasstrom zu absorbieren, geführt und darin absorbiert wird; und nach einem erneuten Start des Kraftfahrzeugs das in der Vorrichtung (20) absorbierte Wasser desorbiert und in den Abgasstrom abgegeben wird.
Verfahren nach Anspruch 9, worin die Desorption des in der Vorrichtung (20) absorbierten Wassers durch Erhitzen der Vorrichtung (20) herbeigeführt wird.