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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem und ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Brennstoffzellensystems.
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Um ein Austrocknen der Elektrolytmembran zu vermeiden ist es bei Brennstoffzellen notwendig, dass die zur Kathode geleitete Luft befeuchtet wird. Durch eine Zuluftbefeuchtung kann das Wassergleichgewicht über einen weiten Temperaturbereich stabil gehalten werden. Für einen Feuchtekreislauf ist es erforderlich, dass das Prozesswasser, das zu einem hohen Anteil in der Kathodenabluft enthalten ist, in den Zuluftstrom übertragen wird. Dafür können beispielsweise Membranbefeuchter eingesetzt werden. Es ist auch bekannt das auskondensierte und optional gereinigte Prozesswasser in die Kathodenversorgung einzudüsen oder mit Ultraschall einzunebeln.
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Stand der Technik
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Aus der
EP 0 629 014 B1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Befeuchtung von Prozessgas für den Betrieb von Brennstoffzellensystemen bekannt.
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Der Hintergrund der Erfindung liegt darin, dass gerade beim Einspritzen von Wasser die Gefahr besteht, dass dieses Wasser nicht vollständig verdampft und als Wassertropfen am Kathodeneintritt vorliegt. Dies kann insbesondere bei kalten Jahreszeiten oder beim Kaltstart der Brennstoffzelle vorkommen.
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Brennstoffzellensystem anzugeben, bei welcher auf wirtschaftliche Weise eine Befeuchtung der Brennstoffzellenmembran bereitgestellt werden kann, bei welcher eine Bildung von Wassertropfen am Kathodeneintritt weitgehendst vermieden wird.
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Offenbarung der Erfindung
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Die Aufgabe wird durch ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen nach Anspruch 1 gelöst. Hinsichtlich eines Verfahrens zum Betreiben eines solchen Brennstoffzellensystems wird auf Anspruch 8 verwiesen. Die jeweils rückbezogenen abhängigen Ansprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung wieder.
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Das Brennstoffzellensystem umfasst dabei eine Brennstoffzelle, einen Zuluftpfad, mit welchem einem Kathodenpfad der Brennstoffzelle Luft zuführbar ist, einen Abluftpfad, mit welchem Abluft der Brennstoffzelle abführbar ist, einen Wasserabscheider, welcher im Abluftpfad angeordnet ist, über welchen Wasser in einen Wassertank abführbar ist, ein Kühlsystem, mittels welchem die Brennstoffzelle kühlbar ist, wobei das Kühlsystem thermisch mit dem Wasser im Wassertank gekoppelt ist, und eine Einspritzeinrichtung, welche im Zuluftpfad angeordnet ist, mit welcher das Wasser aus dem Wassertank in den Zuluftpfad einspritzbar ist.
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Als Wasser im Sinne der Erfindung wird auch das gefrorene Wasser, welches in Form von Eis vorliegt, verstanden. Entsprechend ist der Wassertank vorzugsweise gefriertauglich.
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Durch die thermische Koppelung des Kühlsystems mit dem einzuspritzenden Wasser kann dieses Wasser so weit vorgewärmt werden, dass das Wasser im Zuluftpfad verdampft. Dadurch wird verhindert, dass sich am Kathodeneintritt der Brennstoffzelle Wassertropfen bilden, welche die Funktion der Brennstoffzelle beeinträchtigen. Eine Vorwärmung des Wassers im Wassertank ist insbesondere bei kalten Temperaturen vorteilhaft. Bei diesen Temperaturen kann das Kühlmedium sowohl zum Aufheizen des kalten Wassers im Wassertank als auch zum Abtauen des sich im Wassertank gebildeten Eis dienen. Da ein Kühlsystem zum Kühlen der Brennstoffzelle in aller Regel vorgesehen ist, fallen keine signifikanten zusätzlichen Kosten an, um ein solches System zum Vorwärmen des Wassers im Wassertank zu installieren. Es ist lediglich eine thermische Koppelung zwischen Wassertank und Kühlsystem notwendig. Dadurch kann auf wirtschaftliche Weise eine Befeuchtung der Brennstoffzellenmembran bereitgestellt werden kann, bei welcher eine Bildung von Wassertropfen am Kathodeneintritt weitgehendst vermieden wird und das einzudosierende Wasser im Frostfall auch aufgetaut werden kann.
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Darüber hinaus haben diese Merkmale den Vorteil, dass gerade bei heißen Betriebsphasen der Brennstoffzelle über die thermische Koppelung mit dem Wassertank das Kühlmedium eine weitere Kühlung erfährt, so dass eine Leistungsbeschränkung der Brennstoffzelle aufgrund einer Überhitzung zeitlich verzögert werden kann. In dem Zustand der Leistungsbeschränkung kann dieser Zustand durch die thermische Koppelung zusätzlich schneller verlassen werden. Auch kann durch den Kühlungseffekt des eingespritzten Wassers ein Zwischenkühler kleiner ausgelegt werden oder vollends entfallen. Folglich wird auch hier das Brennstoffzellensystem wirtschaftlicher.
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In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung ist das Kühlsystem über einen Wärmetauscher mit dem Wassertank thermisch gekoppelt. Dies hat den Vorteil das die Wärme aus dem Kühlsystem effektiver an das Wasser im Wassertank abgegeben werden kann.
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Vorzugsweise ist der Wärmetauscher im Wassertank angeordnet. Der Wärmetauscher ist dadurch in einem direkten physischen Kontakt mit dem Wasser im Wassertank. Dadurch wird ein optimaler thermischer Kontakt zum Wasser hergestellt, so dass eine Wärmeabgabe an das Wasser im Wassertank verbessert ist.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung ist das Kühlsystem mittels eines Vorlaufs und eines Rücklaufs thermisch mit dem Wasser im Wassertank gekoppelt. Dadurch kann das Kühlsystem mit dem Wassertank verbunden werden, so dass die thermische Energie des Kühlsystems in den Wassertank abführbar ist.
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In einer bevorzugten Weiterbildung ist im Vorlauf und/oder im Rücklauf ein Ventil zum Regel eines zum Wassertank geleiteten Kühlmediums angeordnet. Über das Ventil kann das zum Kühler geleitet Kühlmedium und damit die in den Wassertank eingeleitete thermische Energie gesteuert werden.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist ein Kondensator im Abluftpfad angeordnet. Durch einen Kondensator ist zusätzliches Wasser aus der Luft im Abluftpfad abtrennbar. Dieses Wasser wird besonders bevorzugt in den Wassertank eingeleitet, so dass ausreichend Wasser für die Einspritzung in den Zuluftpfad vorhanden ist. Auch werden in Strömungsrichtung dem Kondensator nachgeordnete Bauteile, wie z.B. eine Turbine weniger durch einen hohen Wassergehalt in der Abluft geschädigt. Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Wasserabscheider mit dem Kondensator in einer einzigen Einrichtung kombiniert sind.
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Vorzugsweise ist in dem Wassertank ein elektrischer Heizer angeordnet. Durch den elektrischen Heizer ist es möglich bei einem Kaltstart gefrorenes Wasser im Wassertank aufzutauen, so dass dieses in den Zuluftpfad einspritzbar ist. Dies ist insbesondere ganz zu Beginn des Kaltstartes wichtig, bei welchem das Kühlsystem noch keine Betriebstemperatur hat, um das gefrorene Wasser aufzuwärmen. Dadurch kann ein optimaler Betrieb des Brennstoffzellensystems auch bei kalter Witterung sichergestellt werden.
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Im Abluftpfad ist vorzugsweise in Strömungsrichtung nach dem Wasserabscheider eine Turbine angeordnet. Durch die Turbine kann die in der Abluft vorhandene Druckenergie genutzt werden um beispielsweise die Antriebsleistung einer E-Maschine eines Verdichters zu reduzieren.
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Vorteilhafterweise ist im Zuluftpfad ein Zwischenkühler angeordnet. Über den Zwischenkühler wird die Zuluft für die Brennstoffzelle auf eine für die Brennstoffzelle notwendige Temperatur abgekühlt, so dass die Zuluft für einen optimalen Betrieb der Brennstoffzelle vorbereitet werden kann.
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Die Erfindung umfasst zusätzlich ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems, insbesondere des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems. Das Verfahren umfasst dabei die Schritte des Einbringens von Luft in einen Zuluftpfad, wobei die Luft durch Einspritzen von Wasser aus einem Wassertank in den Zuluftpfad, angefeuchtet wird, des Einleitens der angefeuchteten Luft in einen Kathodenpfad der Brennstoffzelle, des Abführens der Luft aus der Brennstoffzelle in einen Abluftpfad, wobei das in der Luft des Abluftpfades enthaltene Wasser abgetrennt wird, des Einleitens des abgetrennten Wassers in den Wassertank, des Ausgebens der Luft an die Umgebung, des Kühlens der Brennstoffzelle über ein Kühlsystem, und des Aufheizens des einzuspritzenden Wassers über das Kühlsystem.
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Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben des Brennstoffzellensystems werden die zum Brennstoffzellensystem genannten Vorteile erzielt. Zusätzlich kann durch das Verfahren eine kurzzeitige Pufferung von zusätzlicher Wärmeenergie, die nicht mehr an die Umgebung abführbar ist erreicht werden. Dies hat den Vorteil, dass eine Reduzierung der Leistung der Brennstoffzelle verzögert werden kann.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung wird das Kühlsystem durch den Wassertank geführt. Dadurch kann eine optimale Wärmeübertragung zwischen Kühlsystem und Wasser gewährleistet werden.
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Die Erfindung umfasst zusätzlich ein Kraftfahrzeug mit dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem. Das Kraftfahrzeug weist dabei die gleichen zu dem Brennstoffzellensystem genannten Vorteile auf.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:
- 1 Blockschaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems, und
- 2 Blockschaltbild eines zweiten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems.
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In 1 ist ein Blockschaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems 10 gezeigt. Das Brennstoffzellensystem 10 umfasst eine Brennstoffzelle 14, welcher Luft über einen Zuluftpfad 18 zuführbar ist. Die Luft, welche aus einer Umgebung 22 des Brennstoffzellensystems 10 entnommen ist, wird über einen Luftfilter 26 gereinigt und anschließend mittels eines über einen elektrischen Motor M angetriebenen Kompressor 30 komprimiert. Durch die Kompression der Luft erhöht sich die Temperatur und der Druck der Luft hinter dem Kompressor 30. Dem Kompressor 30 nachgeschaltet ist im Zuluftpfad 18 eine Einspritzeinrichtung 34, mittels der Wasser in die komprimierte Luft einspritzbar ist. Bei einer ausreichenden Temperatur der komprimierten Luft oder des eingespritzten Wassers, verdampft dieses Wasser im Zuluftpfad 18. In Strömungsrichtung hinter der Einspritzeinrichtung 34 ist ein Zwischenkühler 38 angeordnet, welcher die Temperatur der Luft im Zuluftpfad 18 auf einen für die Brennstoffzelle 14 notwendige Temperatur bringt.
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Die den Zwischenkühler 38 verlassende Luft wird in einem nächsten Schritt einem Kathodenpfad der Brennstoffzelle 14 zugeführt. Die Brennstoffzelle 14 ist mit einem Abluftpfad 42 verbunden, über den Abluft der Brennstoffzelle 14 an die Umgebung 22 abführbar ist. Die die Brennstoffzelle 14 verlassende Abluft wird in einem ersten Schritt einen im Abluftpfad 42 angeordneten Wasserabscheider 46 zugeführt. In dem Wasserabscheider 46 wird das in der Abluft enthaltene Wasser abgeschieden und an einen die Einspritzeinrichtung 34 mit Wasser speisenden Wassertank 50 geleitet. Von dem Wassertank 50 ist dieses Wasser über eine Pumpe 54 der Einspritzeinrichtung 34 zuführbar. Die den Wasserabscheider 46 verlassende Abluft wird anschließend an die Umgebung 22 abgeführt.
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Zwischen Zuluftpfad 18 und Abluftpfad 42 ist ein über ein Bypassventil 58 regelbarer Bypass 62 angeordnet. Über den Bypass 62 ist Luft in Strömungsrichtung unmittelbar hinter dem Kompressor 30 direkt in den Abluftpfad 42 einleitbar.
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Zum Kühlen der Brennstoffzelle 14 weist das Brennstoffzellensystem 10 ein Kühlsystem 66 auf. Das die Brennstoffzelle 14 kühlende Kühlmedium wird dabei über eine Kühlmediumpumpe 70 durch die Brennstoffzelle 14 gepumpt. Im Kühlsystem 66 ist in Strömungsrichtung hinter der Brennstoffzelle 14 ein Kühler 74 mit einem Gebläse 78 angeordnet, über welchen das die Brennstoffzelle 14 verlassende Kühlmedium kühlbar ist. Über ein Mehrwegeventil 82 ist das Kühlmedium im Bereich des Kühlers 74 steuerbar, so dass ein Teil des Kühlmediums ungekühlt am Kühler 74 vorbeileitbar ist.
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Das ungekühlte bzw. das gekühlte Kühlmedium wird in Strömungsrichtung hinter dem Mehrwegeventil 82 zurück zur Kühlmediumpumpe 70 geleitet. Mittels der Kühlmediumpumpe 70 wird das Kühlmedium abgesehen von dem Kühlmediumstrom zur Brennstoffzelle 14 zusätzlich zu einem lonentauscher 86 und einem im Wassertank 50 angeordneten Wärmetauscher 90 geleitet. Der Kühlmediumstrom zum Wärmetauscher 90 im Wassertank 50 kann über ein im Vorlauf 94 zum Wärmetauscher 90 angeordnetes Ventil 98 gesteuert werden. Durch den Wärmetauscher 90 im Wassertank 50 wird das einzuspritzende Wasser aufgeheizt, so dass beim Einspritzen in den Zuluftpfad 18 das eingespritzte Wasser verdampft. In dem Wassertank 50 ist zusätzlich ein elektrischer Heizer 102 angeordnet, welcher über elektrische Energie insbesondere vor Erreichen einer Betriebstemperatur des Kühlmediums das Wasser im Wassertank 50 aufheizen kann. Dadurch kann auch im Winter gefrorenes Wasser im Wassertank 50 aufgetaut bzw. zum Einspritzen vorgewärmt werden.
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In 2 ist ein Blockschaltbild eines zweiten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems 10 gezeigt. Dieses Brennstoffzellensystems 10 unterscheidet sich insbesondere dadurch von dem ersten Ausführungsbeispiel in 1, dass zusätzlich zu dem Wasserabscheider 46 ein Kondensator 106 im Abluftpfad 42 angeordnet ist. Dieser Kondensator 106 ist in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel mit dem Wasserabscheider 46 kombiniert. Der Kondensator 106 kann jedoch in einem anderen Ausführungsbeispiel unabhängig von dem Wasserabscheider 46 im Abluftpfad 42 angeordnet sein.
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Zusätzlich unterscheidet sich das zweite Ausführungsbeispiel dadurch, dass im Abluftpfad 42 in Strömungsrichtung hinter dem Kondensator 106 und hinter dem Bypass 62 eine Turbine 110 angeordnet ist, über welche die Energie in dem Abluftpfad 42 genutzt wird, um beispielsweise einen Motor M beim Antreiben des Kompressors 30 zu unterstützen und um damit den Energiebedarf des Motors M zu senken. Dazu ist die Turbine 110 mit dem Motor M mechanisch verbunden. Darüber hinaus ist in dem zweiten Ausführungsbeispiel kein elektrischer Heizer 102 im Wassertank 50 angeordnet. Auch ist das den Kühlmediumstrom regelnde Ventil 98 nicht im Vorlauf 94, sondern in einem Rücklauf 114 des Wärmetauschers 90 angeordnet.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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