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Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem für ein Kraftfahrzeug sowie ein mit einem Brennstoffzellensystem ausgestattetes Kraftfahrzeug.
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Brennstoffzellensysteme für Kraftfahrzeuge umfassen in der Regel eine Vielzahl von Bipolarplatten, die zu einem Stapel, dem sogenannten „Stack“, zusammengefasst sind. Der Brennstoffzellenstapel ist üblicherweise von einem Gehäuse umgeben. Über entsprechende Anschlüsse des Gehäuses werden die Bipolarplatten mit Brennstoff, beispielsweise Wasserstoff oder einem wasserstoffhaltigen Gas, sowie mit Luft als Oxidationsmittel versorgt und Abgas wird aus dem Gehäuse ausgeleitet. Außerdem kann das Gehäuse Kühlmittelzuleitungen und -ableitungen für ein Kühlsystem des Brennstoffzellenstapels aufweisen.
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Durch die Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff in den Brennstoffzellen wird Elektrizität erzeugt, wobei Wasser als Reaktionsprodukt gebildet wird. Das Reaktionswasser wird als Wasserdampf mit dem Abgasstrom aus der Brennstoffzelle ausgeleitet. Je nach den in dem Brennstoffzellenstack herrschenden Bedingungen (Temperatur, Wassergehalt der Gasatmosphäre, Durchflussmenge und Durchflussgeschwindigkeit der Gase) kann Reaktionswasser auch im Brennstoffzellenstapel und/oder den Headern (für Luft und Wasserstoff) kondensieren. Üblicherweise fließt das Kondensat der Schwerkraft folgend nach unten und sammelt sich auf dem Boden eines Headers und wird von dort über einen seitlich am Gehäuse angeordneten Anschluss („Medienport“) aus dem Gehäuse ausgeleitet. Ein Header ist ein Kanal innerhalb des Brennstoffzellenstacks, der sich durch das Aufstapeln von mehreren Bipolarplatten ergibt.
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Üblicherweise ist der Header im Fahrzeug horizontal angeordnet. Bei dieser Lage ist die Entwässerung der Header in Richtung des Medienports nicht immer gewährleistet (z.B. Fahrzeugneigungen im Betrieb und beim Abstellen des Fahrzeugs). Bereits eine geringe Neigung des Headers, d.h. ein Gefälle weg vom Medienport, kann eine Flutung des Stapels und somit der einzelnen Kanäle der einzelnen Platten der Brennstoffzellen verursachen. Bei Frost gefriert das im Header angesammelte Wasser. Beim Wiederstart des Brennstoffzellensystems sind dann einzelne Gaskanäle des Brennstoffzellenstapels verschlossen. Als Folge ist ein Teil der Zellen nicht betriebsfähig. Dies kann zu einer Schädigung der betroffenen Zellen führen.
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Es bestand daher die Aufgabe, die Entfernung von Kondenswasser aus dem Brennstoffzellenstapel zu verbessern und ein Brennstoffzellensystem für ein Kraftfahrzeug zur Verfügung zu stellen, bei dem der Abfluss von Kondenswasser aus dem Gehäuse des Brennstoffzellenstapels unter allen möglichen Fahrzeugneigungen gewährleistet ist. Eine weitere Aufgabe der Erfindung bestand darin, ein Kraftfahrzeug mit einem Brennstoffzellensystem zur Verfügung zu stellen, das den Fahrzeuginsassen bei einem Aufprall des Fahrzeugs auf ein Hindernis erhöhte Sicherheit bietet.
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Aus der
DE 10 2005 025 228 A1 geht ein Lufteinlasssystem eines Fahrzeugs hervor, das ein unbeabsichtigtes Eindringen von Feuchtigkeit mit der Umgebungsluft in einen Luftkompressor oder einen anderen betriebswichtigen Teil eines Fahrzeugs verringert. Der Lufteinlass des Systems läuft schräg in ein Ansaugrohr ein und lässt Wasser am Lufteinlass vorbei nach außen abfließen.
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Die
EP 1 294 038 B1 offenbart einen Brennstoffzellenstapel mit verbessertem Abfluss von Kondenswasser. Eine spezielle Anordnung von Fluidleitungen des Brennstoffzellenstapels führt zu schwerkraftgetriebenem Ableiten von Kondenswasser aus dem Brennstoffzellenstapel.
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Aus der
DE 10 2006 026 224 A1 ist ein Motorrad mit einer daran angebrachten Brennstoffzelle bekannt, bei dem Zuführ- bzw. Einlasssystemteile so angeordnet sind, dass eine Unterkühlung eines Befeuchters verhindert und der Druckverlust in dem Zuführ- bzw. Einlasssystem unterdrückt werden kann. Aus den Zeichnungen geht eine Ausführungsform hervor, bei der die Brennstoffzelle unter dem Sattel des Motorrads angeordnet ist und um etwa 8° in Richtung des Vorderrads abfällt.
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Die Aufgaben werden erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche 1 und 5. Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Gegenstand der Erfindung ist ein Brennstoffzellensystem für ein Kraftfahrzeug. Das Brennstoffzellensystem umfasst einen Brennstoffzellenstapel in einem Gehäuse. Das Gehäuse weist Anschlüsse für Brennstoff, Luft und Kühlmittel sowie einen Anschluss zur Ausleitung von Kondenswasser aus dem Gehäuse auf. Erfindungsgemäß schließt in der Betriebsstellung des Brennstoffzellensystems die Bodenplatte des Gehäuses mit der Horizontalen einen Winkel α im Bereich von 10° bis 80° ein.
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Ein wesentliches Merkmal der Erfindung ist eine Schrägstellung der Bodenplatte des Gehäuses bzw. des Headers des Brennstoffzellensystems. Der Winkel α gegenüber der Horizontalen ist so zu wählen, dass der Wasserabfluss aus den Headern aus dem Gehäuse in Richtung des Anschlusses zur Ausleitung von Kondenswasser und damit in Richtung des Systemmoduls unter allen möglichen Fahrzeugneigungen gewährleistet ist.
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Der Winkel α muss kleiner sein als der Winkel, bei dem die Kapillarkraft der Zelle auf den Wassertropfen größer wird als die auf ihn wirkende Schwerkraft. Wenn die Kapillarkraft größer ist als die auf den Tropfen wirkende Schwerkraft, wird das Wasser in die Kanäle der Zellen eingezogen und kann den Durchfluss von Gas durch diese Kanäle blockieren. Dieser Effekt tritt schon bei Kondensation von geringen Wassermengen an der Zellwand auf, nicht erst, wenn eine Flutung des Headers vorliegt.
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In einer Ausführungsform beträgt der Winkel α von 15° bis 75°. In einer weiteren Ausführungsform beträgt der Winkel α von 15° bis 30°. In einer anderen Ausführungsform beträgt der Winkel α von 30° bis 60°.
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Zu den Vorteilen des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems gehört die Vermeidung von Wasseransammlungen im Header eines Brennstoffzellenstapels. Dadurch ist ein sicherer Wiederstart des Brennstoffzellensystems garantiert, insbesondere beim Froststart. Es sind keine aktiven Heizmaßnahmen beim Wiederstart erforderlich. Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem ist ein komplett passives System, d.h. es benötigt zum Abführen des Kondenswassers keine aktiven Elemente wie beispielsweise Pumpen.
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Gegenstand der Erfindung ist auch ein mit einem Brennstoffzellensystem ausgestattetes Kraftfahrzeug. Erfindungsgemäß umfasst das Kraftfahrzeug einen Brennstoffzellenstapel, dessen Längsachse mit der Längsachse des Kraftfahrzeugs einen Winkel α im Bereich von 1° bis 89° einschließt.
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Erfindungsgemäß ist der Brennstoffzellenstapel im Kraftfahrzeug so eingebaut, dass die Längsachse des Brennstoffzellenstapels bzw. ein Header des Brennstoffzellensystems einen Winkel α mit der Längsachse des Kraftfahrzeugs einschließt, d.h. nicht horizontal sondern schräg angeordnet ist. Insbesondere fällt die Längsachse des Brennstoffzellenstapels in Richtung auf das Fahrzeugheck ab.
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In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs befindet sich der Brennstoffzellenstapel im vorderen Teil des Kraftfahrzeugs vor der Fahrgastzelle. Dies bietet den Vorteil, dass bei einem frontalen Aufprall des Fahrzeugs auf ein Hindernis der Brennstoffzellenstapel schräg nach unten ausweicht und dadurch unter die Fahrgastzelle verschoben wird, was die Verletzungsgefahr für die Fahrzeuginsassen verringert.
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Zu den Vorzügen des erfindungsgemäßen Fahrzeugs gehört neben den bereits bei der Beschreibung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems erwähnten Vorteilen auch, dass ein Abstellen des Fahrzeugs auch unter Neigung möglich ist, z.B. am Hang oder in einer ansteigenden oder abfallenden Garagen- oder Hofeinfahrt, ohne dass die Gefahr einer Blockade von Gaskanälen im Brennstoffzellenstapel besteht.
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In einer Ausführungsform beträgt der Winkel α von 10° bis 80°. In einer weiteren Ausführungsform beträgt der Winkel α von 15° bis 75°.
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In einer speziellen Ausführungsform beträgt der Winkel α von 15° bis 25°. Mit dieser Ausführungsform können die Streckenverläufe, unter denen normale Straßenfahrzeuge üblicherweise betrieben werden, abgedeckt werden, da bei Steigungen und Gefällen bis zu 45% die Wasserabfuhr gewährleistet ist.
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In einer anderen speziellen Ausführungsform beträgt der Winkel α von 30° bis 50°. Mit dieser Ausführungsform können auch extreme Streckenverläufe, wie sie manchmal bei Fahrten mit Geländefahrzeugen oder SUVs auftreten, abgedeckt werden, da selbst bei Steigungen und Gefällen von 100% und mehr die Wasserabfuhr gewährleistet ist.
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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.
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Die Erfindung ist anhand von Ausführungsformen in den Zeichnungen illustriert und wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen weiter beschrieben. Es zeigt:
- 1 eine schematische Darstellung eines Längsschnitts einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems;
- 2 eine schematische Darstellung eines Längsschnitts einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs mit einem Brennstoffzellensystem.
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1 zeigt schematisch einen Längsschnitt durch einen Teil einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems 10 für ein Kraftfahrzeug. Ein Gehäuse 11 enthält einen Brennstoffzellenstapel 12 mit Headern 17, dessen Längsachse 16 ebenfalls eingezeichnet ist. Die Header 17 verlaufen parallel zur Längsachse 16 des Brennstoffzellenstapels 12. Das Gehäuse 11 weist an einer Seite (in der Zeichnung links) Anschlüsse 13 für Brennstoff, Luft und Kühlmittel auf, in welche die Header 17 münden. In der Nähe des in der Zeichnung linken Randes der Bodenplatte 15 ist ein weiterer Anschluss 14 angeordnet, der zur Ausleitung von Kondenswasser aus dem Gehäuse 11 genutzt werden kann. Der Übersichtlichkeit halber sind in 1 die weiteren Komponenten des Brennstoffzellensystems 10, wie z.B. Systemmodul, Medienverteilung und Nebenaggregate, nicht dargestellt.
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Wie in 1 gezeigt, schließt in der Betriebsstellung des Brennstoffzellensystems 10 die Bodenplatte 15 des Gehäuses 11 mit der Horizontalen einen Winkel α ein. Ebenso schließen die Header 17 und die Längsachse 16 des Brennstoffzellenstapels 12 mit der Horizontalen den Winkel α ein. Durch die Schrägstellung des Gehäuses 11 bzw. des Brennstoffzellenstapels 12 wird sichergestellt, dass unter der Wirkung der Schwerkraft im Brennstoffzellenstapel 12 und im Stapelgehäuse 11 gebildetes Kondensat über die Header 17 und die Bodenplatte 15 zum Anschluss 14 und dann aus dem Gehäuse 11 abfließt.
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2 zeigt schematisch einen Längsschnitt durch eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs 20, das einen Brennstoffzellenstapel 12 umfasst. Der Übersichtlichkeit halber sind in 2 außer dem Brennstoffzellenstapel 12 keine weiteren Komponenten des Brennstoffzellensystems 10 dargestellt. Der Brennstoffzellenstapel 12 ist im vorderen Teil des Kraftfahrzeugs 20 angeordnet und befindet sich vor der Fahrgastzelle. In anderen Ausführungsformen ist der Brennstoffzellenstapel 12 im Heck oder im Unterboden des Fahrzeugs angeordnet.
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In der in 2 dargestellten Ausführungsform schließt die Längsachse 16 des Brennstoffzellenstapels 12 mit der Längsachse 21 des Kraftfahrzeugs 20 einen Winkel α ein. Die Längsachsen 16 und 21 sind in der Zeichnung als Vektoren dargestellt. Der Winkel α wird in der durch den Pfeil markierten Richtung gemessen, d.h. gegen den Uhrzeigersinn. Die Längsachse 16 fällt in Richtung auf das Heck des Kraftfahrzeugs 21 ab. Der Winkel α hat also einen positiven Wert im Bereich zwischen 0° und 90°.
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Durch die Schrägstellung des Brennstoffzellenstapels 12 wird nicht nur sichergestellt, dass unter der Wirkung der Schwerkraft im Brennstoffzellenstapel 12 gebildetes Kondensat bei jeder durch die Fahrbahn vorgegebenen Fahrzeugneigung aus dem Brennstoffzellenstapel 12 abfließen kann, sondern auch, dass bei einem frontalen Aufprall des Kraftfahrzeugs 20 auf ein Hindernis und eine dadurch hervorgerufene Deformation des Vorderteils des Kraftfahrzeugs 20 der Brennstoffzellenstapel 12 schräg nach unten ausweicht und dadurch unter die Fahrgastzelle geschoben wird und somit keine Verletzungsgefahr für die Fahrzeuginsassen darstellt.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Brennstoffzellensystem
- 11
- Gehäuse
- 12
- Brennstoffzellenstapel
- 13
- Anschluss für Medien (Brennstoff, Luft, Kühlmittel)
- 14
- Anschluss zur Ausleitung von Kondenswasser aus dem Gehäuse
- 15
- Bodenplatte
- 16
- Längsachse des Brennstoffzellenstapels
- 17
- Header
- 20
- Kraftfahrzeug
- 21
- Längsachse des Kraftfahrzeugs
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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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.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102005025228 A1 [0006]
- EP 1294038 B1 [0007]
- DE 102006026224 A1 [0008]
