DE102018205704A1

DE102018205704A1 - Vorrichtung zur Kühlung und/oder Feuchteregulierung einer Brennstoffzelle, Brennstoffzellensystem und Verfahren zum lastabhängigen Betrieb eines Brennstoffzellensystem

Info

Publication number: DE102018205704A1
Application number: DE102018205704.4A
Authority: DE
Inventors: Hendrik Piechottka
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2018-04-16
Filing date: 2018-04-16
Publication date: 2019-10-17

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (6) zur Kühlung und/oder zur Feuchteregulierung einer Brennstoffzelle (2), mit wenigstens einer mit einer Anode (3) oder einer Kathode (5) der Brennstoffzelle (2) verbundenen oder verbindbaren Reaktantenabfuhrleitung (7), durch die im Betrieb der Vorrichtung (6) ein aus der Brennstoffzelle (2) abgegebener Reaktant strömt, mit einem mit der Reaktantenabfuhrleitung (7) strömungsmechanisch verbundenen Abscheider (8) zur Abscheidung von Flüssigkeit aus dem abgegebenen Reaktanten, und mit einer mit dem Abscheider (8) strömungsmechanisch verbundenen Flüssigkeitsleitung (9), die mit der Brennstoffzelle (2) verbunden oder verbindbar ist, um eine aus dem abgegebenen Reaktanten abgeschiedene Flüssigkeit der Brennstoffzelle (2) zuzuführen, wobei dem Abscheider (8) ein Wärmeübertrager (10) vorgelagert oder zugeordnet ist, in welchem die Reaktantenabfuhrleitung (7) zumindest abschnittsweise in einer wärmeleitenden Verbindung mit wenigstens einem Abschnitt einer Kühlmittelleitung (11) eines Kühlkreislaufes (12) steht zur Kühlung des in der Reaktantenabfuhrleitung (7) strömenden abgegebenen Reaktanten. Ferner betrifft die Erfindung ein Brennstoffzellensystem mit einer solchen Vorrichtung und ein Verfahren zum lastabhängigen Betrieb dieses Brennstoffzellensystems.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Kühlung und/oder zur Feuchteregulierung einer Brennstoffzelle, mit wenigstens einer mit einer Anode oder einer Kathode der Brennstoffzelle verbundenen oder verbindbaren Reaktantenabfuhrleitung, durch die im Betrieb der Vorrichtung ein aus der Brennstoffzelle abgegebener Reaktant strömt. Zudem ist ein mit der Reaktantenabfuhrleitung strömungsmechanisch verbundener Abscheider zur Abscheidung von Flüssigkeit aus dem abgegebenen Reaktanten vorhanden. Weiterhin umfasst die Vorrichtung eine mit dem Abscheider strömungsmechanisch verbundene Flüssigkeitsleitung, die mit der Brennstoffzelle verbunden oder verbindbar ist, um eine aus dem abgegebenen Reaktanten abgeschiedene Flüssigkeit der Brennstoffzelle zuzuführen. Ferner betrifft die Erfindung ein Brennstoffzellensystem mit einer solchen Vorrichtung und ein Verfahren zum lastabhängigen Betrieb dieses Brennstoffzellensystems.
In der DE 11 2012 003 039 T5 ist ein Direktoxidationsbrennstoffzellensystem offenbart, bei dem der Brennstoff mit Wasser vermischt und zu der Anode als eine wässrige Brennstofflösung geliefert wird. Die Oxidationsreaktion an der Anode einer Direktoxidationsbrennstoffzelle erfordert Wasser. Hierbei wird das von der Kathode abgegebene Produktwasser der Brennstoffzelle in einem Tank mit der an der Anode unverbrauchten Brennstofflösung durchmischt, wobei dem Tank zusätzlich reiner Brennstoff zugeleitet werden kann. Zur Kühlung des Produktwassers wird ein Radiator verwendet. Das gekühlte Produktwasser kühlt die im Tank enthaltene wässrige Brennstofflösung herunter, bevor sie der Anode der Brennstoffzelle zugeführt wird. Damit ist eine indirekte Kühlung der Brennstoffzelle realisiert.
In der DE 10 2016 203 999 A1 wird eine Brennstoffzellenvorrichtung vorgeschlagen, bei der die kathodenseitige Abwärme des Kathodengases genutzt wird, um eine Wärmekraftmaschine oder einen thermoelektrischen Generator zu betreiben. Die Wärmekraftmaschine oder der thermoelektrische Generator treiben dann das anodenseitig angeordnete Rezirkulationsgebläse der Anodenrezirkulation an.
In der US 5,200,278 A wird ein Brennstoffzellensystem beschrieben, bei dem das Abwasser des Kathodenabgases mittels eines Abscheiders abgeschieden und in einem Reservoir gesammelt wird. Das Reservoir ist mit einem Kühlkreislauf verbunden. In diesen Kühlkreislauf ist ein Wärmeübertrager integriert, der das Abwasser herunterkühlt, bevor es dem Brennstoffzellenstapel zur Befeuchtung der Reaktanten oder zur Kühlung des Stapels zugeführt wird. Der Brennstoffzellenstapel untergliedert sich dabei in einen Befeuchtungsabschnitt zur Befeuchtung der Reaktanten und in einen elektrochemisch aktiven Abschnitt, in welchem die Stromerzeugung erfolgt. Das Brennstoffzellensystem weist dabei - trotz seines erhöhten Grades an Integration - einen komplexen Aufbau auf und benötigt viel Bauraum, was als nachteilig empfunden wird.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zur Kühlung und/oder zur Feuchteregulierung einer Brennstoffzelle der eingangs genannten Art derart weiterzubilden, dass sie einen höheren Grad an Integration und einen vereinfachten Gesamtaufbau besitzt. Außerdem ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Brennstoffzellensystem mit einer solchen Vorrichtung sowie ein Verfahren zum lastabhängigen Betrieb eines Brennstoffzellensystems mit einer solchen Vorrichtung bereitzustellen.
Diese Aufgaben werden gelöst durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1, durch ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Anspruchs 4 und durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 8.
Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass dem Abscheider ein Wärmeübertrager vorgelagert oder zugeordnet ist, in welchem die Reaktantenabfuhrleitung zumindest abschnittsweise in einer wärmeleitenden Verbindung mit wenigstens einem Abschnitt einer Kühlmittelleitung eines Kühlkreislaufes steht zur Kühlung des in der Reaktantenabfuhrleitung strömenden abgegebenen Reaktanten.
Damit ist der Vorteil verbunden, dass der - in der Regel warme - abgegebene Reaktant, welcher aus der Brennstoffzelle strömt, mittels des Wärmeübertragers heruntergekühlt wird, so dass das Abscheiden von Flüssigkeit aus dem Reaktanten mittels des Abscheiders begünstigt wird. Diese Flüssigkeit kann mitttels der Flüssigkeitsleitung zu einer indirekten Kühlung einer einzelnen Brennstoffzelle oder eines Brennstoffzellenstapels genutzt werden. Alternativ oder ergänzend kann die abgeschiedene Flüssigkeit auch dazu verwendet werden, die Membran der Brennstoffzelle zu befeuchten, so dass der Ionentransport durch die Membran begünstigt wird. Eine direkte Kühlung der Brennstoffzelle lässt sich dadurch ebenfalls erreichen, nämlich dann, wenn die auf die Membran gegebene Flüssigkeit verdunstet, was aufgrund der für den Phasenübergang benötigten latenten Wärme zu einer Kühlung der Zelle führt.
Eine noch höhere Integration der Vorrichtung und damit ein noch geringerer Bauraumbedarf, lassen sich dadurch erreichen, dass eine Reaktantenzufuhrleitung vorhanden ist, die derart mit dem Abscheider verbunden ist, dass ein in der Reaktantenzufuhrleitung strömender zuzuführender Reaktant befeuchtet wird, bevor der zuzuführende Reaktant der Brennstoffzelle zugeführt wird. Durch diese Vorbefeuchtung des zuzuführenden Reaktanten lässt sich außerdem die Feuchtigkeit innerhalb der Zelle regulieren.
In diesem Zusammenhang hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Reaktantenabfuhrleitung als eine Kathodenabgasleitung gebildet ist, und wenn die Reaktantenzufuhrleitung eine mit einem Brennstoffspeicher verbundene Anodenzufuhrleitung ist, so dass das Anodengas befeuchtet wird, bevor es der Brennstoffzelle zugeführt wird.
Alternativ kann die Reaktantenabfuhrleitung auch eine Anodenrezirkulationsleitung sein, wobei die Reaktantenzufuhrleitung dann als eine Kathodengaszufuhrleitung gebildet ist, die derart mit dem Abscheider in Kontakt steht, dass das der Brennstoffzelle zuzuführende Kathodengas befeuchtet wird, bevor es an die Kathode bzw. an den Kathodenraum der Brennstoffzelle geleitet wird.
Alternativ oder ergänzend steht die Reaktantenzufuhrleitung im Wärmeübertrager zumindest abschnittsweise in einer wärmeleitenden Verbindung mit wenigstens einem Abschnitt der Kühlmittelleitung des Kühlkreislaufes zur Kühlung eines in der Reaktantenzufuhrleitung strömenden zuzuführenden Reaktanten, bevor der zuzuführende Reaktant der Brennstoffzelle zugeführt wird. Damit lässt sich eine indirekte Kühlung der Brennstoffzelle hervorrufen, bei der der Reaktant heruntergekühlt wird, bevor er der Brennstoffzelle zugeführt wird.
Die Reaktantenzufuhrleitung kann dabei die Kathodenzufuhrleitung sein, wobei das Kathodengas heruntergekühlt wird, bevor es der Kathode oder dem Kathodenraum der Brennstoffzelle zugeführt wird. Alternativ kann die Reaktantenzufuhrleitung auch die Anodenzufuhrleitung sein, wobei das Anodengas heruntergekühlt wird, bevor es an die Anode oder an den Anodenraum der Brennstoffzelle geleitet wird.
Wenn die Vorrichtung zur Kühlung und/oder zur Feuchteregulierung der Brennstoffzelle in ein Brennstoffzellensystem integriert wurde, so lässt sich damit ein besonders kompaktes System mit geringem Bauraumbedarf bilden. Zugleich kann das Brennstoffzellensystem die Brennstoffzelle kombiniert Kühlen, nämlich mittels einer direkten und einer indirekten Kühlung. Die direkte Kühlung erfolgt über die Verdampfung der Flüssigkeit innerhalb der Brennstoffzelle. Die indirekte Kühlung erfolgt über eine Vorkonditionierung der Reaktanten oder über ein Kühlmittel, welche durch die Brennstoffzelle geleitet werden.
Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn das Brennstoffzellensystem umschaltbar ist zwischen (A) einem Systemstartbetrieb oder einem Niederlastbetrieb, in welchem der zuzuführende Reaktant im Wärmeübertrager gekühlt und der Brennstoffzelle zugeführt wird, und (B) einem Hochlastbetrieb, in welchem (i) der zuzuführende Reaktant im Wärmeübertrager gekühlt und der Brennstoffzelle zugeführt wird, (ii) der abgegebene Reaktant mittels des Wärmeübertragers gekühlt und die Flüssigkeit aus dem abgegebenen Reaktanten mittels des Abscheiders abgeschieden wird, und (iii) die abgeschiedene Flüssigkeit mittels der Flüssigkeitsleitung der Brennstoffzelle zugeführt wird.
Beim Systemstartbetrieb, mithin also beim Starten des Brennstoffzellensystems, liegt in der Regel noch kein feuchtes Abgas vor, so dass ein Abscheiden von Flüssigkeit aus dem abgegebenen Reaktanten innerhalb des Abscheiders nicht erfolgt. Im Falle eines Niederlastbetriebs, in welchem nur eine geringe Stromabnahme von der Brennstoffzelle vorliegt, ist keine starke Kühlung erforderlich, so dass keine Flüssigkeit an die Brennstoffzelle geleitet werden muss, um sie dort direkt zu kühlen. In beiden Fällen genügt die Vorkühlung des Reaktanten, der dann der Brennstoffzelle zugeführt wird, womit er diese indirekt kühlt.
Um im Hochlastbetrieb zusätzlich eine Verdunstungskühlung in der Brennstoffzelle und damit eine direkte Kühlung der Brennstoffzelle herbeizuführen, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Flüssigkeitsleitung derart ausgestaltet ist, dass die aus dem abgegebenen Reaktanten abgeschiedene Flüssigkeit auf die Membran geleitet ist.
Alternativ oder ergänzend kann in die Flüssigkeitsleitung auch ein Deionisationsfilter fluidmechanisch eingekoppelt sein, so dass die abgeschiedene Flüssigkeit von Ionen befreit wird, welche den Protonentransport von der Anode zur Kathode behindern könnten. Vorzugsweise kann der Membran auf diese Weise destilliertes, deionisiertes Wasser zugeführt werden, um die Feuchte der Membran einzustellen und um die direkte (Verdunstungs-)Kühlung der Brennstoffzelle zu bewirken.
Eine weitere Möglichkeit, die Brennstoffzelle indirekt zu kühlen, sieht vor, dass die Kühlmittelleitung des Kühlkreislauf durch die Brennstoffzelle geführt ist, bevor sie in die Vorrichtung eintritt.
Um das Gesamtsystem besonders kompakt und mit einem geringen Bauraumbedarf zu gestalten, hat es sich außerdem als vorteilhaft erwiesen, wenn die Kühlmittelleitung einen Teil eines Fahrzeugkühlsystems bildet, das zugleich andere Bauteile eines Fahrzeuges mit dem Kühlmittel versorgt.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist der Vorteil verbunden, dass die Vorrichtung sowohl beim Systemstart als auch bei einem Niederlastbetrieb der Brennstoffzelle oder des Brennstoffzellensystems eingesetzt werden kann. Zudem lässt sich die Vorrichtung in einem Hochlastbetrieb betreiben, in welchem eine große Stromabnahme von der Brennstoffzelle oder von dem Brennstoffzellenstapel erfolgt.
Das Verfahren zeichnet sich insbesondere durch die folgenden Schritte aus: (A) In einem Systemstartbetrieb oder in einem Niederlastbetrieb des Brennstoffzellensystems wird der zuzuführende Reaktant im Wärmeübertrager gekühlt und der Brennstoffzelle zugeführt. Ein Abscheiden von Flüssigkeit ist beim Systemstartbetrieb entweder nicht möglich oder beim Niederlastbetrieb nicht nötig. (B) In einem Hochlastbetrieb des Brennstoffzellensystems (i) wird der zuzuführende Reaktant im Wärmeübertrager gekühlt und der Brennstoffzelle zugeführt, außerdem (ii) wird der abgegebene Reaktant mittels des Wärmeübertragers gekühlt und die Flüssigkeit aus dem abgegebenen Reaktanten mittels des Abscheiders abgeschieden, letztlich (iii) wird die abgeschiedene Flüssigkeit mittels der Flüssigkeitsleitung der Brennstoffzelle zugeführt.
Vorzugsweise wird das Brennstoffzellensystem, insbesondere dessen Brennstoffzelle, beim Systemstartbetrieb oder beim Niederlastbetrieb nur indirekt durch den gekühlten zuzuführenden Reaktanten gekühlt. Beim Hochlastbetrieb erfolgt sowohl eine indirekte Kühlung durch den zuvor gekühlten zuzuführenden Reaktanten als auch eine direkte Kühlung durch die Einbringung der aus dem abgegebenen Reaktanten abgeschiedenen Flüssigkeit in die Brennstoffzelle.
Eine Feuchteregulierung der Brennstoffzelle lässt sich zudem erreichen, indem der zuzuführende Reaktant mittels eines Teils der im Abscheider abgeschiedene Flüssigkeit befeuchtet wird, bevor der zuzuführende Reaktant der Brennstoffzelle zugeführt wird.
Um insbesondere eine Verdampfungskühlung und damit eine direkte Kühlung der Brennstoffzelle herbeizuführen, hat es sich als sinnvoll erwiesen, wenn die abgeschiedene Flüssigkeit mittels eines Deionisationsfilters von Ionen befreit wird, bevor die abgeschiedene, deionisierte Flüssigkeit auf die Membran der Brennstoffzelle geleitet wird.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:

1 ein Brennstoffzellensystem mit einer Vorrichtung zur Kühlung und/oder zur Feuchteregulierung dessen Brennstoffzelle.

In der Figur ist ein Brennstoffzellensystem 1 gezeigt, das eine Vorrichtung 6 zur Kühlung und/oder zur Feuchteregulierung einer Brennstoffzelle 2 umfasst. Dieses Brennstoffzellensystem 1 zeigt nur eine einzige Brennstoffzelle 2, wobei auch ein Brennstoffzellenstapel aus einer Mehrzahl von in Reihe geschalteter Brennstoffzellen 2 vorgesehen sein kann.
Jede der Brennstoffzellen 2 umfasst eine Anode 3, eine Kathode 5 sowie eine die Anode 3 von der Kathode 5 trennende, protonenleitfähige Membran 4. Die Membran 4 ist aus einem lonomer, vorzugsweise einem sulfonierten Tetrafluorethylen-Polymer (PTFE) oder einem Polymer der perfluorierten Sulfonsäure (PFSA) gebildet. Alternativ kann die Membran 4 als eine Hydrocarbon-Membran gebildet sein.
Den Anoden 3 und/oder den Kathoden 5 kann zusätzlich ein Katalysator beigemischt sein, wobei die Membran 4 vorzugsweise auf ihrer ersten Seite und/oder auf ihrer zweiten Seite mit einer Katalysatorschicht aus einem Edelmetall oder aus einem Gemisch umfassend Edelmetalle wie Platin, Palladium, Ruthenium oder dergleichen beschichtet ist, die als Reaktionsbeschleuniger bei der Reaktion der jeweiligen Brennstoffzelle 2 dienen.
Über einen Anodenraum kann der Anode 3 Brennstoff (z.B. Wasserstoff) zugeführt werden. In einer Polymerelektrolytmembranbrennstoffzelle (PEM-Brennstoffzelle) werden an der Anode 3 Brennstoff oder Brennstoffmoleküle in Protonen und Elektronen aufgespaltet. Die Membran 4 lässt die Protonen (z.B. H⁺) hindurch, ist aber undurchlässig für die Elektronen (e^-). An der Anode 3 erfolgt beispielsweise die folgende Reaktion: : 2H₂ → 4H⁺ + 4e^- (Oxidation/Elektronenabgabe). Während die Protonen durch die Membran 4 zur Kathode 5 hindurchtreten, werden die Elektronen über einen externen Stromkreis an die Kathode 5 oder an einen Energiespeicher geleitet.
Über einen Kathodenraum kann der Kathode 5 das Kathodengas (z.B. Sauerstoff oder Sauerstoff enthaltende Luft) zugeführt werden, so dass kathodenseitig die folgende Reaktion stattfindet: O₂ + 4H⁺ + 4e^- → 2H₂O (Reduktion/E lektronenaufnahme).
Um eine lonenleitfähigkeit für Wasserstoffprotonen durch die Membran 4 zu gewährleisten, ist das Vorhandensein von Wassermolekülen in der Membran 4 erforderlich. Deshalb wird der Brennstoff und/oder das Kathodengas befeuchtet, bevor sie der Brennstoffzelle 2 zugeführt werden, um eine Feuchtigkeitssättigung der Membran 4 herbeizuführen. Außerdem wird die Brennstoffzelle 2 im Betrieb warm, so dass eine Kühlung der Zelle erforderlich ist. Diese Kühlung kann über die Temperatur der Reaktanten erfolgen, womit eine indirekte Kühlung der Zelle vorliegt. Alternativ kann auch eine Verdunstungskühlung innerhalb der Brennstoffzelle 2 stattfinden, was einer direkten Kühlung der Zelle entspricht.
Die Vorrichtung 6 zur Kühlung und/oder zur Feuchteregulierung der Brennstoffzelle 2 kombiniert beide Kühlverfahren, nämlich das direkte Kühlen mittels Verdunstungskühlung und das indirekte Kühlen mittels eines zuvor heruntergekühlten Reaktanten. Zudem ist die Vorrichtung 6 ausgestaltet, die Feuchtigkeit innerhalb der Brennstoffzelle 2 zu regulieren, wobei ein zuzuführender Reaktant zuvor mit Feuchtigkeit angereichert wird, bevor er der Zelle zugeführt wird.
Die Vorrichtung 6 umfasst vorliegend eine mit der Kathode 5 der Brennstoffzelle 2 verbundene Reaktantenabfuhrleitung 7, durch die im Betrieb der Vorrichtung 6 ein aus der Brennstoffzelle 2 abgegebener Reaktant, nämlich ein Kathodenabgas strömt. Die Reaktantenabfuhrleitung 7 ist strömungsmechanisch mit einem Abscheider 8 verbunden, so dass die im Kathodenabgas enthaltene Flüssigkeit abgeschieden und einer Flüssigkeitsleitung 9 zugeführt wird. Hierzu ist die Flüssigkeitsleitung 9 ebenfalls mit den Abscheider 8 strömungsmechanisch verbunden. Um die Flüssigkeit aus dem Kathodenabgas auf einfache Weise mittels des Abscheiders 8 abscheiden zu können, ist dem Abscheider 8 ein Wärmeübertrager 10 vorgelagert oder zugeordnet, in welchem die Reaktantenabfuhrleitung 7 zumindest abschnittsweise in einer wärmeleitenden Verbindung mit wenigstens einem Abschnitt einer Kühlmittelleitung 11 eines Kühlkreislaufes 12 steht zur Kühlung des in der Reaktantenabfuhrleitung 7 strömenden Kathodenabgases. Das dann zumindest teilweise getrocknete Kathodenabgas kann über einen Schalldämpfer 23, beispielsweise an die Umgebung, abgegeben werden.
Die Vorrichtung 6 weist zudem eine Reaktantenzufuhrleitung 13, nämlich eine Anodenzufuhrleitung 26 zur Zuführung des Anodengases auf. Diese Reaktantenzufuhrleitung 13 steht ebenfalls im Wärmeübertrager 10 zumindest abschnittsweise in einer wärmeleitenden Verbindung mit wenigstens einem Abschnitt der Kühlmittelleitung 11 des Kühlkreislaufes 12, wodurch ein in der Reaktantenzufuhrleitung 13 strömender, zuzuführender Reaktant gekühlt wird, bevor der zuzuführende Reaktant selbst der Brennstoffzelle 2 zugeführt wird. Außerdem ist die Reaktantenzufuhrleitung 13 derart mit dem Abscheider 8 verbunden, dass der zuzuführende Reaktant befeuchtet wird, bevor der zuzuführende Reaktant selbst der Brennstoffzelle 2 zugeführt wird. Es wird also die im Kathodenabgas enthaltene Feuchtigkeit genutzt, um das Anodengas zu befeuchten, welches diese wieder in die Brennstoffzelle 2, insbesondere an die Membran 4, zurückgeführt. Der Wärmeübertrager 10, der Abscheider 8, die Reaktantenabfuhrleitung 7, die Flüssigkeitsleitung 9 und die Reaktantenzufuhrleitung 13 sind in einem gemeinsamen Gehäuse 27 angeordnet, was zu einer sehr kompakten Bauweise der Vorrichtung 6 führt.
Vorliegend ist der Kühlkreislauf 12 mit einem Fahrzeugkühler 16 verbunden, wobei in den Kühlkreislauf 12 eine Kühlkreislaufpumpe 24 fluidmechanisch integriert ist. Die Kühlkreislaufpumpe 24 fördert Kühlmittel durch Kanäle der Brennstoffzelle 2, wodurch eine indirekte Kühlung der Brennstoffzelle 2 mittels des im Kühlkreislauf 12 strömenden Kühlmittels (z.B. Wasser) erfolgt. Ausgehend von der Brennstoffzelle 2 wird das Kühlmittel dann in die Kühlmittelleitung 11 der Vorrichtung 6 eingebracht. Die Kühlmittelleitung 11 bildet dabei einen Bestandteil des Wärmeübertragers 10. Ausgehend von der Vorrichtung 6 zirkuliert das Kühlmittel zurück zum Fahrzeugkühler 16.
Vorliegend wird der der Kathode 5 zugeführte Reaktant, nämlich das Kathodengas, mittels eines Verdichters 18 angesaugt, wobei es zuvor mittels eines Luftfilters 17 gefiltert wurde. Ausgehend vom Verdichter 18 wird das komprimierte Kathodengas über die Kathodenzufuhrleitung 25 der Kathode 5 bzw. dem Kathodenraum der Brennstoffzelle 2 zugeführt, wo es an der elektrochemischen Reaktion der Brennstoffzelle 2 teilnimmt. Das Produkt dieser elektrochemischen Reaktion ist Wasser, so dass das Kathodenabgas über die Reaktantenabfuhrleitung 7 stark befeuchtet in die Vorrichtung 6 eingebracht wird. Die Reaktantenabfuhrleitung 7 der Vorrichtung 6 bildet ebenfalls einen Bestandteil des Wärmeübertragers 10, wobei die Reaktantenabfuhrleitung 7 mit der Kühlmittelleitung 11 in einer wärmeleitenden Verbindung steht. Das in der Reaktantenabfuhrleitung 7 strömende Kathodenabgas wird durch das Kühlmittel heruntergekühlt, womit ein Abscheiden des Produktwassers aus dem Kathodenabgas mittels des Abscheiders 8 begünstigt wird. Das zumindest teilweise getrocknete Kathodenabgas wird aus der Vorrichtung 6 ausgegeben und über einen Schalldämpfer 23, vorzugsweise an die Umgebung abgegeben.
Das aus dem Kathodenabgas abgeschiedene Wasser wird mit Hilfe des Abscheiders 8 der Flüssigkeitsleitung 9 zugeführt. In die Flüssigkeitsleitung 9 ist vorliegend eine Flüssigkeitspumpe 22 fluidmechanisch integriert, die ausgestaltet ist, die Flüssigkeit zur oder in die Membran 4 der Brennstoffzelle 2 zu fördern. Außerdem ist in die Flüssigkeitsleitung 9 - der Flüssigkeitspumpe 22 nachgeschaltet - ein Deionisationsfilter 14 integriert, wodurch das Produktwasser von Ionen befreit wird, womit nicht leitendes, mithin deionisiertes, destilliertes Wasser der Membran 4 zugeführt wird. In der Membran 4 verdunstet dieses Wasser, was zu einer direkten Kühlung der Brennstoffzelle 2 führt.
Der Brennstoff des Brennstoffzellensystems 1 ist in einem, insbesondere wiederbefüllbaren, Brennstoffspeicher 20 gespeichert und kann vorliegend mittels einer Rezirkulationspumpe 21 in die Reaktantenzufuhrleitung 13 der Vorrichtung 6 gefördert werden. Es kann auch ein nicht näher dargestelltes Druckregelventil in die Reaktantenzufuhrleitung 13 integriert sein, um die Strömung eines im Brennstoffspeicher 20 unter Druck stehenden Anodengases in die Brennstoffzelle 2 zu regulieren. Vorliegend kann die Rezirkulationspumpe 21 sowohl den aus dem Brennstoffspeicher 20 stammenden Brennstoff als auch den in der Brennstoffzelle 2 nicht abreagierten Brennstoff über eine Rezirkulationsleitung 19 in die Vorrichtung 6 fördern. In der Vorrichtung 6 steht die Reaktantenzufuhrleitung 13 dabei einerseits in Kontakt mit dem Abscheider 8, so dass ein der Anode 3 zuzuführendes Anodengas befeuchtet wird, bevor es in die Brennstoffzelle 2 eintritt. Andererseits steht die Reaktantenzufuhrleitung 13 als Bestandteil des Wärmeübertragers 10 aber auch in wärmeleitenden Kontakt mit der Kühlmittelleitung 11, so dass das Anodengas zudem zuvor temperiert wird. Über die Anodenzufuhrleitung 26 wird das konditionierte, nämlich temperierte und befeuchtete Anodengas, der mindestens einen Anode 3 der Brennstoffzelle 2 zugeführt, wo es an der elektrochemischen Reaktion der Brennstoffzelle 2 teilnimmt.
Zusammenfassend ist festzustellen, dass die Vorrichtung die Vorteile einer direkten und einer indirekten Kühlung kombiniert und lediglich ein einziger Wärmeübertrager 10 benötigt wird, um günstige Bedingungen für die Brennstoffzellenreaktion in der Brennstoffzelle 2 einzustellen. Aufgrund der hohen Integration der Vorrichtung 6 in dem gemeinsamen Gehäuse 27 ergeben sich zudem vorteilhafte Bauraumeinsparungen.
Bezugszeichenliste

1: Brennstoffzellensystem
2: Brennstoffzelle
3: Anode
4: Membran
5: Kathode
6: Vorrichtung
7: Reaktantenabfuhrleitung
8: Abscheider
9: Flüssigkeitsleitung
10: Wärmeübertrager
11: Kühlmittelleitung
12: Kühlkreislauf
13: Reaktantenzufuhrleitung
14: Deionisationsfilter
15: Fahrzeugkühlsystem
16: Fahrzeugkühler
17: Luftfilter
18: Verdichter
19: Rezirkulationsleitung
20: Brennstoffspeicher
21: Rezirkulationspumpe
22: Flüssigkeitspumpe
23: Schalldämpfer
24: Kühlkreislaufpumpe
25: Kathodenzufuhrleitung
26: Anodenzufuhrleitung

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 112012003039 T5 [0002]
DE 102016203999 A1 [0003]
US 5200278 A [0004]

Claims

Vorrichtung (6) zur Kühlung und/oder zur Feuchteregulierung einer Brennstoffzelle (2), mit wenigstens einer mit einer Anode (3) oder einer Kathode (5) der Brennstoffzelle (2) verbundenen oder verbindbaren Reaktantenabfuhrleitung (7), durch die im Betrieb der Vorrichtung (6) ein aus der Brennstoffzelle (2) abgegebener Reaktant strömt, mit einem mit der Reaktantenabfuhrleitung (7) strömungsmechanisch verbundenen Abscheider (8) zur Abscheidung von Flüssigkeit aus dem abgegebenen Reaktanten, und mit einer mit dem Abscheider (8) strömungsmechanisch verbundenen Flüssigkeitsleitung (9), die mit der Brennstoffzelle (2) verbunden oder verbindbar ist, um eine aus dem abgegebenen Reaktanten abgeschiedene Flüssigkeit der Brennstoffzelle (2) zuzuführen, dadurch gekennzeichnet, dass dem Abscheider (8) ein Wärmeübertrager (10) vorgelagert oder zugeordnet ist, in welchem die Reaktantenabfuhrleitung (7) zumindest abschnittsweise in einer wärmeleitenden Verbindung mit wenigstens einem Abschnitt einer Kühlmittelleitung (11) eines Kühlkreislaufes (12) steht zur Kühlung des in der Reaktantenabfuhrleitung (7) strömenden abgegebenen Reaktanten.
Vorrichtung (6) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Reaktantenzufuhrleitung (13) vorhanden ist, die derart mit dem Abscheider (8) verbunden ist, dass ein in der Reaktantenzufuhrleitung (13) strömender zuzuführender Reaktant befeuchtet wird, bevor der zuzuführende Reaktant der Brennstoffzelle (2) zugeführt wird.
Vorrichtung (6) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Reaktantenzufuhrleitung (13) vorhanden ist, die im Wärmeübertrager (10) zumindest abschnittsweise in einer wärmeleitenden Verbindung mit wenigstens einem Abschnitt der Kühlmittelleitung (11) des Kühlkreislaufes (12) steht zur Kühlung eines in der Reaktantenzufuhrleitung (13) strömenden zuzuführenden Reaktanten, bevor der zuzuführende Reaktant der Brennstoffzelle (2) zugeführt wird.
Brennstoffzellensystem (1) mit einer Vorrichtung (6) nach einem der Ansprüche 1 bis 3 und mit einer Brennstoffzelle (2), die eine Anode (3), eine Kathode (5) und eine die Anode (3) von der Kathode (5) trennende, protonenleitfähige Membran (4) umfasst.
Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Brennstoffzellensystem (1) umschaltbar ist zwischen (A) einem Systemstartbetrieb oder einem Niederlastbetrieb, in welchem (i) der zuzuführende Reaktant im Wärmeübertrager (10) gekühlt und der Brennstoffzelle (2) zugeführt wird, (B) und einem Hochlastbetrieb, in welchem (i) der zuzuführende Reaktant im Wärmeübertrager (10) gekühlt und der Brennstoffzelle (2) zugeführt wird, (ii) der abgegebene Reaktant mittels des Wärmeübertragers (10) gekühlt und die Flüssigkeit aus dem abgegebenen Reaktanten mittels des Abscheiders (8) abgeschieden wird, und (iii) die abgeschiedene Flüssigkeit mittels der Flüssigkeitsleitung (9) der Brennstoffzelle (2) zugeführt wird.
Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeitsleitung (9) derart ausgestaltet ist, dass die aus dem abgegebenen Reaktanten abgeschiedene Flüssigkeit auf die Membran (4) geleitet ist und/oder dass in die Flüssigkeitsleitung (9) ein Deionisationsfilter (14) fluidmechanisch eingekoppelt ist.
Brennstoffzellensystem (1) nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlmittelleitung (11) durch die Brennstoffzelle (2) geführt ist, bevor sie in die Vorrichtung (6) eintritt und/oder dass die Kühlmittelleitung (11) einen Teil eines Fahrzeugkühlsystems (15) bildet.
Verfahren zum lastabhängigen Betrieb eines Brennstoffzellensystems (1) nach einem der Ansprüche 4 bis 7, wobei (A) bei einem Systemstartbetrieb oder bei einem Niederlastbetrieb des Brennstoffzellensystems (1) (i) der zuzuführende Reaktant im Wärmeübertrager (10) gekühlt und der Brennstoffzelle (2) zugeführt wird, und (B) bei einem Hochlastbetrieb des Brennstoffzellensystems (1) (i) der zuzuführende Reaktant im Wärmeübertrager (10) gekühlt und der Brennstoffzelle (2) zugeführt wird, (ii) der abgegebene Reaktant mittels des Wärmeübertragers (10) gekühlt und die Flüssigkeit aus dem abgegebenen Reaktanten mittels des Abscheiders (8) abgeschieden wird, und (iii) die abgeschiedene Flüssigkeit mittels der Flüssigkeitsleitung (9) der Brennstoffzelle (2) zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der zuzuführende Reaktant mittels eines Teils der im Abscheider (8) abgeschiedenen Flüssigkeit befeuchtet wird, bevor der zuzuführende Reaktant der Brennstoffzelle (2) zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die abgeschiedene Flüssigkeit mittels eines Deionisationsfilters (14) von Ionen befreit wird, bevor die abgeschiedene, deionisierte Flüssigkeit auf die Membran (4) der Brennstoffzelle (2) geleitet wird.