DE102018212418A1 - Brennstoffzellensystem und Verfahren zum Entfernen von Schadstoffen - Google Patents

Brennstoffzellensystem und Verfahren zum Entfernen von Schadstoffen Download PDF

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Abstract

Es wird ein Brennstoffzellensystem (10) für ein Kraftfahrzeug vorgeschlagen, wobei das Brennstoffzellensystem (10) eine Brennstoffzelle (30) und eine Befeuchtervorrichtung (23) zum Befeuchten von Zuluft, die der Brennstoffzelle (30) zugeführt wird, mittels feuchter Abluft, die von der Brennstoffzelle (30) abgeführt wird, umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Befeuchtervorrichtung (23) eine Schadstoffentfernvorrichtung zum Entfernen von für die Brennstoffzelle (30) schädlichen Schadstoffen aus der Zuluft aufweist.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem und ein Verfahren zum Entfernen von Schadstoffen aus Zuluft, die einer Brennstoffzelle eines Brennstoffzellensystems in einem Kraftfahrzeug zugeführt wird.
  • Bei bisher bekannten Brennstoffzellensystem in Kraftfahrzeugen wird Zuluft durch einen Ansauggeräuschdämpfer angesogen, die angesogene Luft durch einen Kompressor komprimiert und anschließend der Brennstoffzelle zugeführt. Die Zuluft muss, bevor sie zu der Brennstoffzelle gelangt, gereinigt werden, um Schadstoffe aus der Zuluft zu entfernen.
  • Hierzu ist üblicherweise im Ansauggeräuschdämpfer eine Filtermatte oder ein Filtermaterial, wie z.B. Aktivkohle, angeordnet. Durch die Filtermatte bzw. das Filtermaterial entsteht ein erheblicher Druckverlust, da sich der Druckverlust vor dem Kompressor mit dem Druckverhältnis des Kompressors multipliziert. Der Druckverlust kann sich unter ungünstigen Umständen auf die Leistung der Brennstoffzelle auswirken.
  • Es ist eine bevorzugte Aufgabe der hier offenbarten Technologie, zumindest einige Nachteile der vorbekannten Lösungen zu verringern oder zu beheben. Weitere bevorzugte Aufgaben können sich aus den vorteilhaften Effekten der hier offenbarten Technologie ergeben. Die Aufgabe(n) wird/werden gelöst durch den Gegenstand des Patentanspruchs 1 und den Gegenstand des Patentanspruchs 9. Die abhängigen Ansprüche stellen bevorzugte Ausgestaltungen dar.
  • Insbesondere wird die Aufgabe durch ein Brennstoffzellensystem für ein Kraftfahrzeug gelöst, wobei das Brennstoffzellensystem eine Brennstoffzelle und eine Befeuchtervorrichtung zum Befeuchten von Zuluft, die der Brennstoffzelle zugeführt wird, mittels feuchter Abluft, die von der Brennstoffzelle abgeführt wird, umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Befeuchtervorrichtung eine Schadstoffentfernvorrichtung zum Entfernen von für die Brennstoffzelle schädlichen Schadstoffen aus der Zuluft aufweist.
  • Ein Vorteil hiervon ist, dass Schadstoffe technisch einfach aus der Zuluft entfernt werden können. Darüber hinaus kann die Menge an Filtermatten bzw. an Filtermaterial im Ansauggeräuschdämpfer verringert werden, wodurch dieser weniger Bauraum einnimmt. Zudem tritt ein etwaiger Druckverlust erst in der Befeuchtervorrichtung, d.h. üblicherweise nach dem Kompressor zum Komprimieren bzw. Verdichten der Luft, auf. Dadurch ist der absolute Druckverlust durch die Schadstoffentfernvorrichtung gering. Auch können Verunreinigungen bzw. Schadstoffe, die zwischen dem Ansauggeräuschdämpfer und der Befeuchtervorrichtung entweichen, z.B. im Kompressor, durch die Schadstoffentfernvorrichtung ebenfalls aus der Zuluft entfernt werden. Hierdurch wird ein besserer Schutz der Brennstoffzelle vor Schadstoffen erreicht.
  • Insbesondere wird die Aufgabe auch durch ein Verfahren zum Entfernen von Schadstoffen aus Zuluft, die einer Brennstoffzelle eines Brennstoffzellensystems in einem Kraftfahrzeug zugeführt wird, mittels einer Schadstoffentfernvorrichtung, die in einer Befeuchtervorrichtung zum Befeuchten der Zuluft angeordnet ist, wobei die Zuluft mittels feuchter Abluft, die von der Brennstoffzelle abgeführt wird, befeuchtet wird, gelöst, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: Überströmen und/oder Durchströmen der Schadstoffentfernvorrichtung; und Entfernen von für die Brennstoffzelle schädlichen Schadstoffen aus der Zuluft mittels der Schadstoffentfernvorrichtung.
  • Vorteilhaft hieran ist, dass Schadstoffe technisch einfach aus der Zuluft entfernt werden. Zudem wird durch dieses Verfahren eine geringere Menge an Filtermatten bzw. an Filtermaterial im Ansauggeräuschdämpfer benötigt, wodurch der Ansauggeräuschdämpfer ein geringeres Volumen aufweisen kann. Zudem tritt ein etwaiger Druckverlust erst in der Befeuchtervorrichtung, d.h. üblicherweise nach dem Kompressor zum Komprimieren bzw. Verdichten der Luft, auf. Dadurch ist der absolute Druckverlust der Luft durch dieses Verfahren gering. Auch werden Verunreinigungen bzw. Schadstoffe, die zwischen dem Ansauggeräuschdämpfer und der Befeuchtervorrichtung entstehen, z.B. im Kompressor, durch die Schadstoffentfernvorrichtung ebenfalls aus der Zuluft entfernt. Hierdurch wird ein besserer Schutz der Brennstoffzelle vor Schadstoffen erreicht.
  • Die Schadstoffe können innerhalb der Schadstoffentfernvorrichtung und/oder durch Anlagern der Schadstoffe auf der Oberfläche der Schadstoffentfernvorrichtung gespeichert werden.
  • Die Schadstoffe können insbesondere Feststoffe, Flüssigkeiten, Aerosole und/oder Gase sein, die die Brennstoffzelle, insbesondere einen Separator der Brennstoffzelle, der die Kathode von der Anode trennt, chemisch und/oder physisch schädigen können.
  • Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Schadstoffentfernvorrichtung Material, das die Schadstoffe physisorbiert, insbesondere umfasst die Schadstoffentfernvorrichtung Material, das die Schadstoffe adsorbiert und/oder absorbiert. Hierdurch können Schadstoffe technisch einfach von der Schadstoffentfernvorrichtung aus der Zuluft entfernt werden und technisch einfach in bzw. an der Schadstoffentfernvorrichtung zurückgehalten werden.
  • Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Schadstoffentfernvorrichtung Aktivkohlematerial. Ein Vorteil hiervon ist, dass die Schadstoffentfernvorrichtung eine besonders große Oberfläche zum Aufnehmen der Schadstoffe aufweist. Somit kann eine besonders große Menge an Schadstoffen durch die Schadstoffentfernvorrichtung aus der Zuluft entfernt werden. Zudem ist die Schadstoffentfernvorrichtung besonders kostengünstig.
  • Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Schadstoffentfernvorrichtung Material, das die Schadstoffe chemisorbiert. Vorteilhaft hieran ist, dass die Schadstoffe besonders sicher in der Schadstoffentfernvorrichtung gespeichert werden können.
  • Gemäß einer Ausführungsform weist die Schadstoffentfernvorrichtung lonenbindungsmaterial zum Binden von Ionen der Schadstoffe auf. Ein Vorteil hiervon ist, dass die Schadstoffe technisch einfach und besonders sicher in der Schadstoffentfernvorrichtung aufgenommen und zurückgehalten werden können.
  • Gemäß einer Ausführungsform ist die Schadstoffentfernvorrichtung Teil einer Membran der Befeuchtervorrichtung, durch die Feuchtigkeit aus der Abluft in die Zuluft strömt. Hierdurch kann die Befeuchtervorrichtung besonders kompakt bzw. raumsparend ausgebildet sein. Zudem wird auch die Membran der Befeuchtervorrichtung durch die Schadstoffentfernvorrichtung vor Schadstoffen geschützt.
  • Gemäß einer Ausführungsform überströmt die Zuluft zumindest einen Teil der Schadstoffentfernvorrichtung. Hierdurch kann der auftretende Druckverlust weiter verringert werden, so dass der Wirkungsgrad des Brennstoffzellensystems gesteigert werden kann und/oder mehr Zuluft bzw. Sauerstoff zu der Brennstoffzelle pro Zeiteinheit gelangen kann.
  • Gemäß einer Ausführungsform ist die Schadstoffentfernvorrichtung derart ausgebildet, dass die Schadstoffentfernvorrichtung eine Membran der Befeuchtervorrichtung, durch die Feuchtigkeit aus der Abluft in die Zuluft strömt, mechanisch stützt. Vorteilhaft hieran ist, dass die Schadstoffentfernvorrichtung die Befeuchtermembran physisch, insbesondere flächig, abstützen kann gegen Kräfte, die z.B. durch Druckdifferenz, Schwellung etc. entstehen. Hierdurch kann der übliche Aufbau der Membran umfassend eine selektive Schicht (z.B. PFSA) und eine Verstärkungsschicht bzw. Trägerschicht ersetzt werden, da die Schadstoffentfernvorrichtung die Membran stützt bzw. trägt und somit keine separate Verstärkungsschicht bzw. Trägerschicht notwendig ist. Auf diese Weise können Kosten eingespart werden. Zudem ist die Membran langlebiger, da die Membran größeren Kräften standhält.
  • Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens umfasst das Verfahren ferner folgenden Schritt bzw. Schritte: Ausspülen von Schadstoffen aus der Schadstoffentfernvorrichtung mittels einer Flüssigkeit und/oder Erwärmen der Schadstoffentfernvorrichtung zum Befördern der in der Schadstoffentfernvorrichtung aufgenommenen Schadstoffe aus der Schadstoffentfernvorrichtung heraus in die von der Brennstoffzelle abgeführte Abluft. Ein Vorteil hiervon ist, dass die Schadstoffe technisch einfach aus der Schadstoffentfernvorrichtung entfernt werden. Die Schadstoffe können z.B. in einer Werkstatt und/oder bei einer Fahrt über Land und/oder über die Autobahn durch Flüssigkeit, z.B. Wasser, und/oder Erhitzen aus der Schadstoffentfernvorrichtung ausgespült und in die Abluft überführt werden. Auf diese Weise wird verhindert, dass die Schadstoffe, wenn die Schadstoffentfernvorrichtung nach längerer Betriebszeit voller Schadstoffe ist, zu der Brennstoffzelle gelangen können (ein „Überlaufen“ der Schadstoffentfernvorrichtung wird somit verhindert). Durch dieses Verfahren kann die Schadstoffentfernvorrichtung technisch einfach gereinigt werden. Dies erhöht die Lebensdauer des Brennstoffzellensystems.
  • Die hier offenbarte Technologie betrifft ein Brennstoffzellensystem mit mindestens einer Brennstoffzelle. Das Brennstoffzellensystem ist beispielsweise für mobile Anwendungen wie Kraftfahrzeuge gedacht, insbesondere zur Bereitstellung der Energie für mindestens eine Antriebsmaschine zur Fortbewegung des Kraftfahrzeugs. In ihrer einfachsten Form ist eine Brennstoffzelle ein elektrochemischer Energiewandler, der Brennstoff und Oxidationsmittel in Reaktionsprodukte umwandelt und dabei Elektrizität und Wärme produziert. Die Brennstoffzelle umfasst eine Anode und eine Kathode, die durch einen ionenselektiven bzw. ionenpermeablen Separator getrennt sind. Die Anode weist eine Zufuhr für einen Brennstoff zur Anode auf. Bevorzugte Brennstoffe sind: Wasserstoff, niedrigmolekularer Alkohol, Biokraftstoffe, oder verflüssigtes Erdgas. Die Kathode weist beispielsweise eine Zufuhr für Oxidationsmittel auf. Bevorzugte Oxidationsmittel sind bspw. Luft, Sauerstoff und Peroxide. Der ionenselektive Separator kann bspw. als Protonenaustauschmembran (proton exchange membrane, PEM) ausgebildet sein. Bevorzugt kommt eine kationenselektive Polymerelektrolytmembran zum Einsatz. Materialien für eine solche Membran sind beispielsweise: Nafion®, Flemion® und Aciplex®.
  • Ein Brennstoffzellensystem umfasst mindestens eine Brennstoffzelle sowie periphere Systemkomponenten (BOP-Komponenten), die beim Betrieb der mindestens einen Brennstoffzelle zum Einsatz kommen können. In der Regel sind mehrere Brennstoffzellen zu einem Brennstoffzellenstapel bzw. Stack zusammengefasst.
  • Die Brennstoffzellen des Brennstoffzellensystems umfassen i.d.R. zwei Separatorplatten. Der ionenselektive Separator einer Brennstoffzelle ist i.d.R. jeweils zwischen zwei Separatorplatten angeordnet. Die eine Separatorplatte bildet zusammen mit dem ionenselektiven Separator die Anode aus. Die auf der gegenüberliegenden Seite des ionenselektiven Separators angeordnete weitere Separatorplatte bildet indes zusammen mit dem inonenselektiven Separator die Kathode aus. In den Separatorplatten sind bevorzugt Gaskanäle für Brennstoff bzw. für Oxidationsmittel vorgesehen.
  • Die Separatorplatten können als Monopolarplatten und/oder als Bipolarplatten ausgebildet sein. Mit anderen Worten weist eine Separatorplatte zweckmäßig zwei Seiten auf, wobei die eine Seite zusammen mit einem ionenselektiven Separator eine Anode ausbildet und die zweite Seite zusammen mit einem weiteren ionenselektiven Separator einer benachbarten Brennstoffzelle eine Kathode.
  • Zwischen den ionenselektiven Separatoren und den Separatorplatten sind i.d.R. noch sogenannte Gasdiffusionsschichten bzw. Gasdiffusionslagen (GDL) vorgesehen.
  • Der Brennstoff kann insbesondere ein Brennstoff sein, der bei Normalbedingungen (Druck von 1,013 bar und Temperatur von 0 °C) gasförmig ist.
  • Mit anderen Worten werden bei der hier offenbarten Technologie für die Brennstoffzelle schädliche Schadstoffe in der Befeuchtervorrichtung entfernt, wodurch in Strömungsrichtung der Luft gesehen vor der Befeuchtervorrichtung, insbesondere vor dem Kompressor zum Komprimieren der Luft, z.B. im Ansauggeräuschdämpfer, weniger Material zum Entfernen der für die Brennstoffzelle schädlichen Schadstoffe benötigt wird.
  • Die hier offenbarte Technologie wird nun anhand von Figuren erläutert. Es zeigen:
    • 1 eine schematische Ansicht einer ersten Ausführungsform des Bren nstoffzellensystems;
    • 2 eine schematische Querschnittsansicht des Aufbaus einer ersten Ausführungsform der Befeuchtervorrichtung mit einer Schadstoffentfernvorrichtung des Brennstoffzellensystems aus 1; und
    • 3 eine schematische Querschnittsansicht des Aufbaus einer zweiten Ausführungsform der Befeuchtervorrichtung mit einer Schadstoffentfernvorrichtung des hier offenbarten Brennstoffzellensystems aus 1.
  • 1 zeigt eine schematische Ansicht einer ersten Ausführungsform des Brennstoffzellensystems 10.
  • Das Luftzuführungssystem kann insbesondere in einem Kraftfahrzeug, z.B. einem PWK, Motorrad, LKW, Bus, Schiff, Zug oder Flugzeug, eingebaut sein. Das Kraftfahrzeug kann ein Nutzfahrzeug sein.
  • Das Luftzuführungssystem führt der Brennstoffzelle 30 Luft zu und führt feuchte Luft, die in der Brennstoffzelle 30 erzeugtes Wasser aufweist, ab. Das Luftzuführungssystem weist u.a. einen Ansauggeräuschdämpfer 87, einen Kompressor 84 und einen Turbine 85 auf. Die Luft 80 wird aus der Umgebung durch den Ansauggeräuschdämpfer 87 eingesogen. Der Ansauggeräuschdämpfer 87 kann einen Luftfilter aufweisen, um Partikel etc. aufzufangen.
  • Der Kompressor 84 komprimiert bzw. verdichtet die aus der Umgebung durch den Ansauggeräuschdämpfer 87 angesaugte Luft und führt die komprimierte Luft einer Kühlvorrichtung 50 in Form eines Luftladekühlers zu, durch den sie strömt. Da die Luft durch das Komprimieren stark erwärmt wird, muss die Luft anschließend wieder durch die Kühlvorrichtung 50 gekühlt werden, bevor sie der Brennstoffzelle 30 zugeführt werden kann.
  • Ein Kühlmittel wird von dem Kühlmittelzufluss 90 der Kühlvorrichtung 50 bzw. dem Luftladekühler und der Brennstoffzelle 30 parallel durch zwei Kühlmittelleitungen 92, 93 zugeführt. Das Kühlmittel kühlt die Luft von dem Kompressor 84 in der Kühlvorrichtung 50 bzw. im Luftladekühler und kühlt die Brennstoffzelle 30. Nach dem Durchlauf der Kühlvorrichtung 50 der Brennstoffzelle 30 wird über den Kühlmittelabfluss 91 das Kühlmittel wieder abgeführt.
  • Zwischen dem Kompressor 84 und der Brennstoffzelle 30 ist ein Zuluftkanal 40 ausgebildet. In dem Zuluftkanal 40 sind die Kühlvorrichtung 50 und eine Befeuchtervorrichtung 23 angeordnet. Der Abluftkanal 45 führt feuchte Luft von der Brennstoffzelle 30 durch den Befeuchtervorrichtung 23 zu einer Turbine 85, die die Luft als ausgeblasene Luft 81 aus dem Luftzuführungssystem bewegt.
  • Der Befeuchtervorrichtung 23 transportiert Feuchtigkeit aus der Luft in dem Abluftkanal 45 in die Luft in dem Zuluftkanal 40. Auf diese Weise wird die Brennstoffzellenmembran bzw. der Brennstoffzellenseparator, die bzw. der zwischen der Kathode und der Anode der Brennstoffzelle 30 angeordnet ist, feucht gehalten.
  • Zwischen dem Zuluftkanal 40 und dem Abluftkanal 45 ist in Strömungsrichtung vor der Kühlvorrichtung 50 ein Ventil 72 angeordnet, das eine Überströmleitung 70 zwischen Zuluftkanal 40 und Abluftkanal 45 öffnen und schließen kann. Dieses Ventil 72 kann insbesondere ein Überdruckventil sein, das bei einem zu hohen Druck in dem Zuluftkanal 40 Luft in den Abluftkanal 45 strömen lässt.
  • Die Brennstoffzelle 30 kann einen Brennstoffzellenstapel 30 mit einer Vielzahl von Anoden, Kathoden und Brennstoffzellenseparatoren bzw. Brennstoffzellenmembranen aufweisen.
  • In der Befeuchtervorrichtung ist eine Schadstoffentfernvorrichtung angeordnet, wobei die Schadstoffentfernvorrichtung Schadstoffe aus der Zuluft in dem Zuluftkanal 40 entfernt. Die Schadstoffe können in der Schadstoffentfernvorrichtung gespeichert werden. Dies kann durch eine physische und/oder chemische Reaktion in und/oder an der Schadstoffentfernvorrichtung stattfinden.
  • 2 zeigt eine schematische Querschnittsansicht des Aufbaus einer ersten Ausführungsform der Befeuchtervorrichtung 23 mit einer Schadstoffentfernvorrichtung des Brennstoffzellensystems 10 aus 1.
  • Die Schadstoffentfernvorrichtung ist Teil der Befeuchtervorrichtung 23. Die Schadstoffentfernvorrichtung nimmt Schadstoffe aus der Zuluft auf und speichert diese in der Schadstoffentfernvorrichtung. Die Schadstoffe können physisch und/oder chemisch in der Schadstoffentfernvorrichtung zurückgehalten werden. Die Schadstoffentfernvorrichtung kann von der Zuluft durchströmt und/oder überströmt werden.
  • Die Schadstoffentfernvorrichtung kann beispielsweise ein luftdurchlässiges Material aufweisen, das auf der Zuluftseite (auch trockene Seite genannt) die Membran der Befeuchtervorrichtung 23, durch die die Feuchtigkeit von der Abluft in die Zuluft gelangt, mechanisch stützt. Vorstellbar ist auch, dass die Schadstoffentfernvorrichtung auf beiden Seiten der Membran diese mechanisch stützt bzw. unterstützt.
  • Die Schadstoffentfernvorrichtung entfernt für die Brennstoffzelle 30 schädliche Gase, wie z.B. SOx, NOx, wobei x= 1, 2, 3 oder 4 ist, NH3, N2O, aus der Zuluft und speichert diese in der Schadstoffentfernvorrichtung und/oder auf einer Oberfläche der Schadstoffentfernvorrichtung. Auch ist es möglich, dass die Schadstoffentfernvorrichtung für die Brennstoffzelle 30 schädliche Aerosole (wie z.B. NH4, Na+, Cl-, Fex+, Alx+, wobei x =1, 2, 3 oder 4 ist) aus der Zuluft entfernt und in der Schadstoffentfernvorrichtung speichert. Es ist auch möglich, dass die Schadstoffentfernvorrichtung aus den Aerosolen nur die festen oder flüssigen Schwebeteilchen entfernt. Es ist auch vorstellbar, dass die Schadstoffentfernvorrichtung für die Brennstoffzelle schädliche Feststoffe aus der Zuluft entfernt, das Gas des Aerosols jedoch nicht verändert bzw. keine Gasbestandteile aus der Zuluft entfernt.
  • Die Schadstoffentfernvorrichtung reinigt somit die Zuluft von Schadstoffen und Partikeln.
  • Das Entfernen der Schadstoffe kann durch Chemisorption bzw. chemische Reaktion (z.B. Calciumsulfatbildung) und/oder durch Physisorption bzw. eine physische Reaktion durchgeführt werden. Die Schadstoffe können durch Chemisorption und/oder Physisorption in der Schadstoffentfernvorrichtung zurückgehalten bzw. aufgenommen werden. Somit kann eine Konzentration von Schadstoffen in der Zuluft um mindestens einen Faktor von ca. 2, insbesondere um einen Faktor von ca. 3 bis ca. 10, reduziert werden. Die Schadstoffentfernvorrichtung umfasst eine sehr große aktive Oberfläche, z.B. 0,5 m2 bis ca. 10 m2, vorzugsweise ca. 1 m2 bis ca. 3 m2.
  • Die Schadstoffentfernvorrichtung kann lonenbindungsmaterial aufweisen, das Ionen aus der Zuluft entfernt und diese bindet. Z.B. kann die Schadstoffentfernvorrichtung selektive Zeolithe für die Bindung von Cl--Ionen aufweisen. Auch ist es möglich, dass die Schadstoffentfernvorrichtung Material mit funktionellen Gruppen zum Binden von selektiven Ionen aufweist, z.B. Eisenionen und Chlorid. Die funktionellen Gruppen können sich in der Membran der Befeuchtervorrichtung 23 befinden. Die Ionen können beispielsweise Teil von Salz sein, das auf der Straße vorhanden ist.
  • Die Materialien der Schadstoffentfernvorrichtung, die die Schadstoffe aus der Zuluft entfernen und speichern, können auf der Befeuchtermembran und/oder auf dem Diffusionsmedium fixiert sein.
  • Vorstellbar ist, dass die Schadstoffentfernvorrichtung eine kohlenstoffhaltige Schicht bzw. eine Aktivkohleschicht auf der Zuluft-Seite der Membran der Befeuchtervorrichtung aufweist, wobei die kohlenstoffhaltige Schicht bzw. Aktivkohleschicht als Diffusionsmedium und als Abstützung der Membran dient.
  • Vorstellbar ist auch, dass die Schadstoffentfernvorrichtung Teil der Membran der Befeuchtervorrichtung 23 ist.
  • Die Zuluft kann an der Befeuchtermembran vorbeiströmen und hierdurch die Schadstoffentfernvorrichtung überströmen. Auch kann die Zuluft die Schadstoffentfernvorrichtung durchströmen.
  • Die Befeuchtervorrichtung 23 umfassend die Schadstoffentfernvorrichtung kann folgendermaßen aufgebaut sein: Auf der Zuluftseite, d.h. der Seite des Zuluftkanals 40, ist ein Strömungsfeld 100 (flow field) bzw. eine Strömungsplatte angeordnet, durch die Zuluft von dem Kompressor zu der Brennstoffzelle 30 strömt. Anschließend an das Strömungsfeld 100 ist eine Aktivkohlematte bzw. ein erstes Vlies 102 (nonwoven) angeordnet, wobei das erste Vlies 102 Material zum Entfernen der Schadstoffe aus der Zuluft aufweist. Alternativ oder zusätzlich zu dem ersten Vlies 102 kann angrenzend an das Strömungsfeld 100 der Zuluftseite eine Gasdiffusionsschicht mit Aktivkohleschicht und/oder Material zum Entfernen der Schadstoffe aus der Zuluft angeordnet sein.
  • Auf der dem Strömungsfeld 100 der Zuluft abgewandten Seite hiervon ist eine verstärkte Polymermembran 104 als wasserdampfselektive Membran der Befeuchtervorrichtung 23 angeordnet. Hierauf folgt ein zweites Vlies 106 (nonwoven), z.B. aus Polyethylenterephthalat (PET), das sich auf einer dem ersten Vlies 102 gegenüberliegenden Seite der Polymermembran 104 befindet. Auf der der Polymermembran 104 abgewandten Seite des zweiten Vlies' 106 schließt sich eine Strömungsplatte bzw. das Strömungsfeld 108 (flow field) der feuchten Abluft bzw. Abluftseite an. Die Abluft strömt von der Brennstoffzelle 30 zu der Turbine 85. Flüssigkeit bzw. Feuchtigkeit wird durch die Membran bzw. Polymermembran 104 der Befeuchtervorrichtung 23 aus der Abluft in die Zuluft transportiert.
  • Die Schadstoffentfernvorrichtung umfasst die Aktivkohlematte bzw. das erste Vlies 102 bzw. die Gasdiffusionsschicht mit Aktivkohleschicht/Material zum Entfernen der Schadstoffe aus der Zuluft. Dadurch, dass die Zuluft die Schadstoffentfernvorrichtung überströmt und/oder durchströmt, werden die Schadstoffe zumindest teilweise aus der Zuluft entfernt.
  • Die Membran der Befeuchtervorrichtung 23 kann die Polymermembran 104 und die Schadstoffentfernvorrichtung umfassen.
  • 3 zeigt eine schematische Querschnittsansicht des Aufbaus einer zweiten Ausführungsform der Befeuchtervorrichtung 23 mit einer Schadstoffentfernvorrichtung des hier offenbarten Brennstoffzellensystems 10.
  • Die in 3 gezeigte Ausführungsform unterscheidet sich von der in 2 gezeigten Ausführungsform darin, dass zwischen dem zweiten Vlies 106 und dem Strömungsfeld auf der Abluftseite 108 eine zweite Aktivkohlematte 110 und/oder eine zweite Gasdiffusionsschicht mit Aktivkohleschicht/selektivem Material angeordnet ist.
  • Die zweite Aktivkohlematte 110 und/oder die zweite Gasdiffusionsschicht mit Aktivkohleschicht/selektivem Material kann/können wie auf der Zuluftseite ausgebildet sein. Wie auf der Zuluftseite kann die zweite Aktivkohlematte 110 und/oder die zweite Gasdiffusionsschicht mit Aktivkohleschicht/selektivem Material mit dem zweiten Vlies 106 kombiniert sein. Die zweite Aktivkohlematte 110 und/oder die zweite Gasdiffusionsschicht mit Aktivkohleschicht/selektivem Material enthält Material zum Entfernen von Schadstoffen aus der Abluft.
  • Somit befindet sich zusätzlich zu der auf der Zuluftseite befindlichen Schadstoffentfernvorrichtung auf der Abluftseite eine weitere Schadstoffentfernvorrichtung zum Entfernen und Speichern von Schadstoffen.
  • Das Entfernen der Schadstoffe durch die weitere Schadstoffentfernvorrichtung auf der Abluftseite kann wie auf der Zuluftseite durch Chemisorption bzw. chemische Reaktion (z.B. Calciumsulfatbildung) und/oder durch Physisorption bzw. eine physische Reaktion durchgeführt werden.
  • Die Schadstoffe werden in der Schadstoffentfernvorrichtung auf der Zuluftseite bzw. der weiteren Schadstoffentfernvorrichtung auf der Abluftseite gespeichert. Die Schadstoffe können durch Flüssigkeit, z.B. Wasser, das durch die Schadstoffentfernvorrichtung auf der Zuluftseite gespült wird, und/oder Erhitzen der Schadstoffentfernvorrichtung aus der Schadstoffentfernvorrichtung auf der Zuluftseite ausgespült bzw. ausgeblasen und in die Abluft transportiert werden, ohne dass die Schadstoffe zur Brennstoffzelle 30 gelangen. Dies kann z.B. während einer Fahrt des Kraftfahrzeugs außerhalb der Stadt und/oder in einer Werkstatt durchgeführt werden. Vorstellbar ist auch, dass die Schadstoffentfernvorrichtung bzw. die Befeuchtervorrichtung 23 zusammen mit der Schadstoffentfernvorrichtung ausgetauscht wird und auf diese Weise die Schadstoffe aus dem Kraftfahrzeug entfernt werden.
  • Die Schadstoffentfernvorrichtung kann als Schadstofffilter fungieren.
  • Die Schadstoffentfernvorrichtung bzw. die weitere Schadstoffentfernvorrichtung schützt auch die Membran der Befeuchtervorrichtung 23 vor Schadstoffen.
  • Aus Gründen der Leserlichkeit wurde vereinfachend der Ausdruck „mindestens ein(e)“ teilweise weggelassen. Sofern ein Merkmal der hier offenbarten Technologie in der Einzahl bzw. unbestimmt beschrieben ist (z.B. die/eine Schadstoffentfernvorrichtung, die/eine Befeuchtermembran, etc.) so soll gleichzeitig auch deren Mehrzahl mit offenbart sein (z.B. die mindestens eine Schadstoffentfernvorrichtung, die mindesteins eine Befeuchtermembran, etc.).
  • Die vorhergehende Beschreibung der vorliegenden Erfindung dient nur zu illustrativen Zwecken und nicht zum Zwecke der Beschränkung der Erfindung. Im Rahmen der Erfindung sind verschiedene Änderungen und Modifikationen möglich, ohne den Umfang der Erfindung sowie ihrer Äquivalente zu verlassen.
  • Bezugszeichenliste
    • 10
    Brennstoffzellensystem
    23
    Befeuchtervorrichtung
    30
    Brennstoffzelle
    40
    Zuluftkanal
    45
    Abluftkanal
    50
    Kühlvorrichtung
    70
    Überströmleitung
    72
    Ventil
    80
    eingesogene Luft
    81
    ausgeblasene Luft
    84
    Kompressor
    85
    Turbine
    87
    Ansauggeräuschdämpfer
    90
    Kühlmittelzufluss
    91
    Kühlmittelabfluss
    92
    Kühlmittelleitung durch die Kühlvorrichtung
    93
    Kühlmittelleitung durch den Zellstapel
    100
    Strömungsfeld (Zuluftseite)
    102
    Aktivkohlematte/erstes Vlies
    104
    Polymermembran
    106
    zweites Vlies
    108
    Strömungsfeld (Abluftseite)
    110
    zweite Aktivkohlematte

Claims (10)

  1. Brennstoffzellensystem (10) für ein Kraftfahrzeug, wobei das Brennstoffzellensystem (10) eine Brennstoffzelle (30) und eine Befeuchtervorrichtung (23) zum Befeuchten von Zuluft, die der Brennstoffzelle (30) zugeführt wird, mittels feuchter Abluft, die von der Brennstoffzelle (30) abgeführt wird, umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Befeuchtervorrichtung (23) eine Schadstoffentfernvorrichtung zum Entfernen von für die Brennstoffzelle (30) schädlichen Schadstoffen aus der Zuluft aufweist.
  2. Brennstoffzellensystem (10) nach Anspruch 1, wobei die Schadstoffentfernvorrichtung Material umfasst, das die Schadstoffe physisorbiert, insbesondere die Schadstoffentfernvorrichtung Material umfasst, das die Schadstoffe adsorbiert und/oder absorbiert.
  3. Brennstoffzellensystem (10) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Schadstoffentfernvorrichtung Aktivkohlematerial umfasst.
  4. Brennstoffzellensystem (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Schadstoffentfernvorrichtung Material umfasst, das die Schadstoffe chemisorbiert.
  5. Brennstoffzellensystem (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Schadstoffentfernvorrichtung lonenbindungsmaterial zum Binden von Ionen der Schadstoffe aufweist.
  6. Brennstoffzellensystem (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Schadstoffentfernvorrichtung Teil einer Membran der Befeuchtervorrichtung (23) ist, durch die Feuchtigkeit aus der Abluft in die Zuluft strömt.
  7. Brennstoffzellensystem (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Zuluft zumindest einen Teil der Schadstoffentfernvorrichtung überströmt.
  8. Brennstoffzellensystem (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Schadstoffentfernvorrichtung derart ausgebildet ist, dass die Schadstoffentfernvorrichtung eine Membran der Befeuchtervorrichtung (23), durch die Feuchtigkeit aus der Abluft in die Zuluft strömt, mechanisch stützt.
  9. Verfahren zum Entfernen von Schadstoffen aus Zuluft, die einer Brennstoffzelle (30) eines Brennstoffzellensystems (10) in einem Kraftfahrzeug zugeführt wird, mittels einer Schadstoffentfernvorrichtung, die in einer Befeuchtervorrichtung (23) zum Befeuchten der Zuluft angeordnet ist, wobei die Zuluft mittels feuchter Abluft, die von der Brennstoffzelle (30) abgeführt wird, befeuchtet wird, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: Überströmen und/oder Durchströmen der Schadstoffentfernvorrichtung; und Entfernen von für die Brennstoffzelle (30) schädlichen Schadstoffen aus der Zuluft mittels der Schadstoffentfernvorrichtung.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei das Verfahren ferner folgenden Schritt umfasst: Ausspülen von Schadstoffen aus der Schadstoffentfernvorrichtung mittels einer Flüssigkeit und/oder Erwärmen der Schadstoffentfernvorrichtung zum Befördern der in der Schadstoffentfernvorrichtung aufgenommenen Schadstoffe aus der Schadstoffentfernvorrichtung heraus in die von der Brennstoffzelle (30) abgeführte Abluft.
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