DE102018204827A1 - Brennstoffzellensystem für ein Fahrzeug - Google Patents

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Abstract

Ein wasserstoffbetriebenes Brennstoffzellensystem (1) mit mindestens einer Brennstoffzelle (B) für ein Fahrzeug, mit einem Wassertank (3), der zum Speichern des durch den Brennstoffzellenprozess entstehendes Wasser vorgesehen ist, soll dahingehend verbessert werden, dass das Fahrzeug auch bei sehr kaltem Wetter tauglich ist. Dies wird dadurch erreicht, dass das System (1) mit einer Enteisungsvorrichtung und/oder einer Enteisungsanordnung für das Wasser des Wassertanks (3) versehen ist, wobei die Enteisungsvorrichtung und/oder die Enteisungsanordnung derart ausgeführt ist bzw. sind, dass ein Einfrieren des Wassers im Wassertank (3) nach Möglichkeit verhindert wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein wasserstoffbetriebenes Brennstoffzellensystem für ein Fahrzeug, mit einem Wassertank, der zum Speichern des durch den Brennstoffzellenprozess entstehenden Wassers vorgesehen ist.
  • Bei brennstoffzellenbetriebenen Fahrzeugen sorgt bei sehr kaltem Wetter das durch den Brennstoffzellenprozess entstehende Wasser für Probleme. Wird das Wasser nämlich einfach auf die Fahrbahn geleitet, dass kann es Einfrieren und zu einer Gefahr für Dritte werden.
  • Die Druckschrift US 2006 / 0 068 240 A1 beschreibt ein Fahrzeug, das zur Vermeidung eines ungewollten Ablassens von Wasser auf die Fahrbahn einen Wassertank als Puffer aufweist.
  • Aus der US 9 054 354 B2 ist ein mit Brennstoffzellen betriebenes Fahrzeug mit einer automatischen Entleerungseinrichtung eines Wassertanks bekannt. Dieser Wassertank sammelt das Wasser, das beim Brennstoffzellenvorgang entsteht. Zum automatischen Entleeren des Wassertanks während eines Tankvorgangs mit Wasserstoff ist eine gemeinsame Ventilvorrichtung als eine Art Zapfpistole vorgesehen. Diese Vorrichtung hat ein erstes Ventil für den Wasserstoff, der über einen Schlauch mit einem Wasserstofftank verbunden ist. Ein zweites Ventil der Zapfvorrichtung erlaubt das Entleeren des Wassertanks. Das zweite Ventil ist mit einem zweiten Schlauch mit dem Wassertank verbunden. Ein Sensor erkennt die Wasserstoffzufuhr und steuert so automatisch das Wasserventil. Der Wassertank wird durch ein Pumpsystem geleert.
  • Die US 2008 / 0 299 432 A1 lehrt, wie bei einem Flugzeug Sauerstoff und Trinkwasser durch eine Brennstoffzelle bereitgestellt werden kann. Der Sauerstoff ist bei großen Flughöhen notwendig. Das Trinkwasser kann zur Toiletten- und Bordküchenversorgung aber auch für einen Trinkwasserspender genutzt werden. Das beim Brennstoffzellenvorgang entstehende Wasser gelangt in einen Wassertank. Dadurch wird Gewicht beim Start und danach im Flugbetrieb gespart. Der Wassertank ist über einen Kondensator mit einem Wärmetauscher verbunden. Der Wärmetauscher kühlt die Brennstoffzelle und erwärmt das Wasser des Wassertanks. Ein zusätzlicher Wärmetauscher verhindert das Einfrieren von Wassertanks.
  • Die US 7 040 430 B2 betrifft ein Fahrzeug mit einer mobilen Wohneinheit, das eine Brennstoffzelle aufweist. Das entstehende Wasser der Brennstoffzelle wird in einem Kondensator aufbereitet und in einem Tank gespeichert. Dadurch kann warmes Wasser für eine Küche oder ein Badezimmer genutzt oder als Trinkwasser verwendet werden.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein wasserstoffbetriebenes Brennstoffzellensystem so zu verbessern, dass dieses auch bei sehr kaltem Wetter tauglich ist.
  • Diese Aufgabe wird durch ein System mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen beschrieben.
  • Durch die erfindungsgemäße Lösung ist der Einsatz des als Speicher und Puffer wirkenden Wassertanks des Fahrzeuges auch bei sehr niedrigen Temperaturen einsatzbereit. Das Einfrieren des Wassers im Tank würde eine Weiterfahrt verhindern, weil keine Tankentleerung im Gefrierzustand möglich wäre. Zudem besteht die Gefahr der Beschädigung des Wassertanks durch das expandierende Eis.
  • Durch die erfindungsgemäße Lösung kann im Winter, selbst wenn das Fahrzeug für eine bestimmte Zeit geparkt wird, das Wasser flüssig gehalten werden. Dies kann durch einen automatischen Zwischenbetrieb der Zelle, durch elektrische Beheizung und/oder durch eine geeignete Wärmeisolierung des Wassertanks erreicht werden.
  • Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Lösung ist vorgesehen, dass der Wassertank mit einer Trinkwasseraufbereitungsvorrichtung gekoppelt oder versehen ist. Dies ist vorteilhaft, weil sich durch die Lagerung des Wassers, insbesondere bei Temperaturen von 30° bis 50°, Bakterien schnell vermehren können. Diese können durch eine Trinkwasseraufbereitungsvorrichtung beseitigt oder unschädlich gemacht werden. Die Trinkwasseraufbereitungsvorrichtung muss nicht auf eine Entkeimung beschränkt sein. Sie kann auch nur eine geschmackliche Verbesserung oder Reduzierung anderer Stoffe, wie chemischer Verbindungen, zum Ziel haben, wie es beispielsweise mittels eines Aktivkohlefilters möglich ist.
  • Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Systems ist dadurch gekennzeichnet, dass bei der Enteisungsanordnung der Wassertank oder ein Teil des Tanks in der Nähe der Brennstoffzelle angeordnet ist, so dass eine Wärmekopplung zwischen dem Wassertank und der Brennstoffzelle stattfindet. Dadurch findet ein einfacher, jedoch wirksamer Schutz gegen Vereisung statt. Der Tank kann zweiteilig sein, wobei ein Tankteil die Zelle umschließen kann. Ohne weiteres kann ein passiver Wärmetauscher aus Metall oder einer Paste oder ein aktiver Wärmetauscher mit Kühlmittel und Pumpbetrieb verwendet werden.
  • Um eine Unabhängigkeit vom Zellenbetrieb zu erreichen ist, ist in einer anderen vorteilhaften Ausführungsform des Systems die Enteisungsvorrichtung als elektrische Heizvorrichtung ausgeführt. Durch Batteriebetrieb kann auch im Parkzustand das Einfrieren des Wassers im Tank verhindert werden.
  • Eine andere bevorzugte Lösung zeichnet sich dadurch aus, dass die Trinkwasseraufbereitungsvorrichtung einen Entkeimungsfilter, einen (Aktiv-)Kohlefilter und/oder eine UV-Entkeimungslampe umfasst, wobei die Trinkwasseraufbereitungsvorrichtung vorzugsweise mit der Enteisungsvorrichtung und/oder der Enteisungsanordnung gekoppelt oder mit einer zusätzlichen Enteisungsvorrichtung versehen ist. Als Entkeimungsfilter kommen bekannte Keramikfilter oder andere Filter mit einer Porengröße in Frage, die Bakterien wirksam ausfiltern können. Zusätzlich oder alternativ kann eine geeignete UV-Lampe verwendet werden, die selbst kleinste Viren unschädlich machen kann.
  • Bei einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Lösung ist vorgesehen, dass die Trinkwasseraufbereitungsvorrichtung mit einer elektrischen Wasserpumpe verbunden ist. Dadurch wird in bequemer Weise das zu entkeimende Wasser mit der Pumpe durch den Filter gepresst, das dann direkt getrunken werden kann.
  • Eine sehr einfache, aber enorm wirkungsvolle Maßnahme zur Temperaturerhaltung besteht darin, den Wassertank mit einer Wärmeisolation zu versehen. Die Isolation kann aus geeigneten Kunststoffmaterialien, aus Luftschichten bzw. einem Vakuum oder anderen isolierenden Stoffen geschaffen werden.
  • Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn der Wassertank mit einer automatischen Entleerungsvorrichtung verbunden ist, die derart ausgeführt ist, dass diese beim Wasserstofftanken der Wassertank automatisch zumindest teilweise entleert. Der Nutzer muss sich dann keine Gedanken über die Tankentleerung des Wassertanks machen. Hierfür sind eine elektrische Wasserpumpe und/oder ein elektrisches Ventil vorteilhaft.
  • Sehr bequem ist es, wenn die Entleerungsvorrichtung mit einem gemeinsamen Tankkopf oder Tankpistole zum gleichzeitigen Wasserstofftanken und Entleeren des Wassertanks verbunden ist. Beim Tanken wird dann automatisch der Wassertank geleert.
  • Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Systems anhand der Zeichnungen beschrieben.
  • Es zeigen:
    • 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems für ein Fahrzeug mit automatischer Wassertankentleerung,
    • 2 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems mit einem zweiteiligen Wassertank, und
    • 3 eine weitere schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems mit Trinkwasseraufbereitung.
  • 1 zeigt ein Brennstoffzellensystem 1 für ein Fahrzeug. Dieses kann ein Pkw, ein Lkw, ein Bus, ein Wohnmobil oder ähnliches sein. Das Brennstoffzellensystem 1 umfasst eine Brennstoffzelle B, die in bekannter Weise mit Wasserstoff H2 betrieben und beim Zellenprozess kondensiertes Wasser H2O und Sauerstoff (O2) abgibt. Die Zelle B erzeugt Strom u.a. zum Antrieb eines Elektromotors.
  • Das Fahrzeug kann an einer Wasserstoffstation betankt werden. Der Wasserstoff zum Betreiben der Zelle B befindet sich in einem Wasserstofftank 2 im Fahrzeug. Ebenfalls im Fahrzeug ist ein Wassertank 3 für das abgegebene Wasser der Zelle B angeordnet. Der Wassertank 3 ist durch eine Leitung 4 mit der Zelle B verbunden. Der Wasserstofftank 2 ist mit einer Leitung 5 mit der Zelle B verbunden. Der Wassertank ist für seine Entleerung an die Leitung 6 angeschlossen.
  • Dieses wasserstoffbetriebenes Brennstoffzellensystem vermeidet durch den Wassertank, der zum Speichern des durch den Brennstoffzellenprozess entstehendes Wasser vorgesehen ist, ein Ablassen des Wassers auf die Fahrbahn bzw. Straße und somit eine Eisbildung bei Temperaturen unterhalb von 0° C.
  • Wie 1 veranschaulicht, ist der Wassertank 3 im Ausführungsbeispiel thermisch mit der Zelle B gekoppelt. Diese Kopplung wird mit der Linie 7 verdeutlicht. Das System 1 ist nämlich mit einer Enteisungsvorrichtung und/oder Enteisungsanordnung für das Wasser des Wassertanks 3 versehen ist, wobei die Enteisungsvorrichtung und/oder die Enteisungsanordnung derart ausgeführt ist bzw. sind, dass ein Einfrieren des Wassers im Wassertank 3 verhindert wird.
  • Bei der Enteisungsanordnung ist der Wassertank 3 oder ein Teil des Tanks in der Nähe der Brennstoffzelle B angeordnet. So kann eine Wärmekopplung zwischen dem Wassertank 3 und der Brennstoffzelle B stattfinden. Eine Doppel-Tanklösung wird weiter unten anhand von 2 erörtert.
  • Die Enteisungsvorrichtung ist als elektrische Heizvorrichtung 8 ausgeführt, wie weiter unten anhand von 3 näher erläutert wird.
  • 1 zeigt, dass der Wassertank 3 mit einer automatischen Entleerungsvorrichtung verbunden ist. Der Wassertank 3 ist durch die Leitung 6 mit einem Kopf 9 verbunden. Mit diesem Kopf 9 ist auch der Wasserstofftank 2 durch die Leitung 10 für eine Betankung verbunden. Die automatische Entleerungsvorrichtung nutzt einen Sensor, z.B. einen Durchflusssensor, der ein Signal abgibt, sobald eine Wasserstoffbetankung stattfindet. Durch das Signal wird eine nicht gezeigte Pumpe und/oder ein Ventil 20 (3) für das Wasser angesteuert, so dass der Wassertank 3 während der Wasserstoffbetankung gleichzeitig geleert werden kann. Somit ist das System 1 derart ausgebildet, dass dieses beim Wasserstofftanken den Wassertank automatisch zumindest teilweise entleert. Die in 1 gezeigte Entleerungsvorrichtung ist also mit einem gemeinsamen Tankkopf bzw. Tankstutzen 9 zur Aufnahme einer Tankpistole zum gleichzeitigen Wasserstofftanken und Entleeren des Wassertanks versehen.
  • Anhand der 2 wird nun eine mögliche Wärmekopplung zwischen dem Wassertank 3 und der Brennstoffzelle B näher erläutert. Der Wassertank 3 ist im Grunde zweiteilig und umfasst einen Haupttank 3a und eine Wärmekopplungsvorrichtung bzw. einen Wärmekopplungstank 3b. Anstelle des Tanks 3b kann eine Wasserleitungsanordnung oder ähnliches verwendet werden. Der Wärmekopplungstank 3b umschließt die Brennstoffzelle B und bildet einen Wassermantel. Die Innenwand des Tanks 3b kann die Außenwand der Zelle B sein. Der Wärmekopplungstank 3b sowie die Zelle B sind mit einer gemeinsamen Isolation 11 versehen, um die Wärmeenergie des Tanks 3b zu speichern. Der Tank 3b ist mit dem Haupttank 3a mit den Leitungen 12 und 13 verbunden, die einen Wasserkreislauf bilden. Der Haupttank 3a ist ebenfalls thermisch durch eine weitere Isolation 14 umschlossen. Um im Sommer eine Überhitzung der Zelle B zu vermeiden, ist diese mit einem aktiven Kühlsystem versehen, das die Kühlkreislaufleitungen 15 und 16 umfasst.
  • Das System 1 umfasst weiter eine Trinkwasseraufbereitung 17. Die Trinkwasseraufbereitung 17 wird am besten anhand der 3 beschrieben. Die 3 zeigt auch den Tankkopf 9. 3 zeigt das Wasserventil 20, das von einer Steuereinheit 19 zum automatischen Entleeren des Wassertanks während der Wasserstoffbetankung gesteuert wird. Die elektrische Heizvorrichtung 8 wird von einer Anti-Eis-Steuerung 18 gesteuert.
  • Die Trinkwasseraufbereitungsvorrichtung umfasst einen Entkeimungsfilter 21, der als Keramikfilter 21 mit Kohlefilter ausgeführt ist. Alternativ kann hier eine UV-Licht-Entkeimungslampe verwendet werden. Eine Pumpe 22 sorgt für den Filterdruck. Die Trinkwasseraufbereitungsvorrichtung ist also mit einer elektrischen Wasserpumpe 22 verbunden.
  • Damit ein Zufrieren des Filters 21 im Winter vermieden werden kann, kann die Trinkwasseraufbereitungsvorrichtung mit der Enteisungsvorrichtung und/oder der Enteisungsanordnung gekoppelt oder mit einer zusätzlichen nicht gezeigten Enteisungsvorrichtung versehen werden. Diese kann eine weitere elektrische Heizvorrichtung umfassen.
  • Die in 3 gezeigte Wasserentleerungsvorrichtung umfasst eine elektrische Wasserpumpe (nicht gezeigt) und ein elektrisches Ventil 20.
  • Der Wassertank 3 ist so zu dimensionieren, dass berücksichtigt wird, dass 1 kg Wasserstoff pro 100 km 9 kg Wasser pro 100 km ergibt. Der Wassertank sollte etwa 20 % (10% - 30%) größer dimensioniert werden als notwendig, um eine Tankreserve für das Wasser zu haben. Eine Tankgröße von 50 Litern bzw. 30 bis 80 Litern ist bei den meisten Anwendungen im Pkw-Bereich ausreichend. Das Volumen des Wassertanks ist also größer als das durch eine Wasserstofffüllung entstehende Wasservolumen.
  • Die Trinkwasseraufbereitung ist im Sommer sehr nützlich und bietet im Campingbereich Vorteile. Das gesammelte Wasser kann für die Campingküche, für eine Waschgelegenheit oder ähnliches verwendet werden.
  • Auch andere Wärmekopplungssysteme, die den Wassertank 3 mit der Zelle B verbinden, können verwendet werden. Beispielsweise können Peltier-Elemente eingesetzt werden, die mit dem Strom der Zelle B betrieben werden können. So wird die Zelle B gekühlt.
  • Die Erfindung ist nicht auf ein mit Brennstoffzellen angetriebenes Fahrzeug beschränkt. Sie kann z.B. auch auf ein Wohnmobil mit Verbrennungsmotor angewendet werden, wobei nur die Stromversorgung des Wohnmobils mit dem System 1 erfolgt.
  • Auch kann das beschriebene Wassermanagement mit einem Wasseraustritt direkt auf die Straße kombiniert werden. Bei Regen und Temperaturen über dem Gefrierpunkt kann das kondensierte Wasser der Zelle B ohne Gefahr auf die Straße abgeleitet werden. So können auch zusätzliche Sensoren wie, Temperatursensoren, Regensensoren oder ähnliches eingesetzt werden.
  • Das System 1 kann eine oder mehrere Brennstoffzellen B umfassen.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Brennstoffzellensystem
    2
    Wasserstofftank
    3
    Wassertank
    4
    erste Leitung
    5
    zweite Leitung
    6
    dritte Leitung
    7
    Thermische Kopplung
    8
    Heizvorrichtung
    9
    Tankkopf/Tankstutzen
    10
    vierte Leitung
    11
    erste Isolation
    12
    fünfte Leitung
    13
    sechste Leitung
    14
    zweite Isolation
    15
    siebte Leitung
    16
    achte Leitung
    17
    Trinkwasseraufbereitung (-Vorrichtung)
    18
    Anti-Eis-Steuerung
    19
    Steuereinheit
    20
    Ventil
    21
    Filter
    22
    Pumpe
  • 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 20060068240 A1 [0003]
    • US 9054354 B2 [0004]
    • US 20080299432 A1 [0005]
    • US 7040430 B2 [0006]

Claims (10)

  1. Wasserstoffbetriebenes Brennstoffzellensystem (1) mit mindestens einer Brennstoffzelle (B) für ein Fahrzeug, mit einem Wassertank (3), der zum Speichern des durch den Brennstoffzellenprozess entstehenden Wassers vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass das System (1) mit einer Enteisungsvorrichtung und/oder einer Enteisungsanordnung für das Wasser des Wassertanks (3) versehen ist, wobei die Enteisungsvorrichtung und/oder Enteisungsanordnung derart ausgeführt ist, um ein Einfrieren des Wassers im Wassertank (3) zu verhindern.
  2. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wassertank (3) mit einer Trinkwasseraufbereitungsvorrichtung (17) gekoppelt oder versehen ist.
  3. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Enteisungsanordnung der Wassertank (3) oder ein Teil des Tanks (3) in der Nähe der Brennstoffzelle (B) angeordnet ist, so dass eine Wärmekopplung zwischen dem Wassertank (3) und der Brennstoffzelle (B) stattfindet.
  4. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Enteisungsvorrichtung als elektrische Heizvorrichtung (8) ausgeführt ist.
  5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Trinkwasseraufbereitungsvorrichtung (17) einen Entkeimungsfilter (21), einen Kohlefilter und/oder eine UV-Entkeimungslampe umfasst, wobei die Trinkwasseraufbereitungsvorrichtung (17) vorzugsweise mit der Enteisungsvorrichtung und/oder der Enteisungsanordnung gekoppelt oder mit einer zusätzlichen Enteisungsvorrichtung versehen ist.
  6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Trinkwasseraufbereitungsvorrichtung (17) mit einer elektrischen Wasserpumpe (22) verbunden ist.
  7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wassertank (3) mit mindestens einer Wärmeisolation (11, 14) versehen ist.
  8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wassertank (3) mit einer automatischen Entleerungsvorrichtung verbunden ist, die derart ausgeführt ist, dass diese beim Wasserstofftanken den Wassertank automatisch zumindest teilweise entleert.
  9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Entleerungsvorrichtung eine elektrische Wasserpumpe und/oder ein elektrisches Ventil (20) umfasst.
  10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass dass die Entleerungsvorrichtung mit einem gemeinsamen Tankkopf (9) oder Tankpistole zum gleichzeitigen Wasserstofftanken und Entleeren des Wassertanks (3) verbunden ist.
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