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Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzellenvorrichtung mit einem eine Mehrzahl von Brennstoffzellen aufweisenden Brennstoffzellenstapel, der zur Gewährleistung eines Kühlmittelkreislaufes über einen Kühlmittelkanal verfügt, der an einen Kühlmitteleintritt und einen Kühlmittelaustritt angeschlossen ist. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Kraftfahrzeug mit einer Brennstoffzellenvorrichtung.
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Brennstoffzellenvorrichtungen dienen dazu, durch eine elektrochemische Reaktion elektrische Energie bereitzustellen, wobei ein Brennstoff, in der Regel Wasserstoff, und Sauerstoff oder ein sauerstoffhaltiges Gasgemisch, in der Regel Luft, der Brennstoffzelle als Reaktanten zugeführt werden. Bei der elektrochemischen Reaktion wird neben der Erzeugung von Produktwasser und elektrischer Energie auch Wärme generiert, die aus dem Brennstoffzellenstapel abgeführt werden muss, um diesen in einem günstigen Temperaturintervall betreiben zu können. Dazu ist der Kühlmittelkreislauf vorgesehen, durch den ein Kühlmittel über den Kühlmittelkanal in das Innere des Brennstoffzellenstapels geleitet wird, um die im Brennstoffzellenstapel generiert Wärme im thermischen Kontakt aufzunehmen und durch den Kühlmittelaustritt aus dem Brennstoffzellenstapel herauszutragen.
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Zu beachten ist, dass eine Brennstoffzellenvorrichtung über den Brennstoffzellenstapel hinaus auch weitere Bauteile bzw. Nebenaggregate aufweist, die im Betrieb auch kühlpflichtig sein können. Aus Effizienzgründen ist es dazu bekannt, für den dem Kühlmittelkreislauf zugeordneten Druckerzeuger parallel zum Kühlmittelkreislauf einen weiteren Strömungspfad zu eröffnen. Nachteilig dabei ist allerdings, dass neben dem Brennstoffzellenstapel zusätzliche Kühlmittelleitungen erforderlich sind, obwohl dort nur wenig Bauraum zur Verfügung steht, insbesondere wenn die Brennstoffzellenvorrichtung in einem Kraftfahrzeug betrieben werden soll.
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In der
US 8 343 677 B2 wird ein Verfahren vorgestellt, um in einem Brennstoffzellenstapel schnell dessen innere Temperatur während eines Startvorganges erhöhen zu können, wozu dem durch den Brennstoffzellenstapel führenden Kühlmittelkreislauf ein paralleler Pfad zugewiesen ist, in dem ein Heizelement angeordnet ist zur aktiven schnellen Erwärmung des im Kühlkreislauf zirkulierenden Kühlmittels.
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In der
US 2015/0236361 A1 ist für einen Brennstoffzellenstapel ein Kühlmittelflussfeld beschrieben, bei dem an dem einen Ende des Brennstoffzellenstapels ein erster Kühlmitteleintritt und an dem gegenüberliegenden zweiten Ende des Brennstoffzellenstapels ein zweiter Kühlmitteleintritt ausgebildet ist, durch die das Kühlmittel in den Brennstoffzellen stark geleitet werden können, wobei die Besonderheit der Betriebsweise daran liegt, dass der erste Kühlmitteleintritt und der zweite Kühlmitteleintritt alternierend eingesetzt werden, um Unterschiede auszugleichen, die sich von dem Ende des Brennstoffzellenstapels zu dem anderen Ende beim Durchfluss des Kühlmittels ergeben.
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Die
WO 2017/148487 A1 offenbart eine Brennstoffzellenvorrichtung mit einem Brennstofftank, dem ein Verdampfer zugeordnet ist, um den flüssigen Brennstoff zu verdampfen. Der Kühlmittelkreislauf umfasst einen den Brennstoffzellenstapel durchquerenden Kühlmittelkanal, der in Serie mit einem ersten Wärmetauscher und einem Ventil verbunden ist. Des Weiteren verfügt der Kühlkreislauf über einen Seitenarm, der stromauf und stromab mit dem ersten Wärmetauscher verbunden ist, wobei der Seitenarm durch den Verdampfer geführt ist, um Wärme von dem Kühlmittel auf den flüssigen Brennstoff zum Zwecke der Verdampfung zu übertragen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Brennstoffzellenvorrichtung der eingangs genannten Art so weiter zu entwickeln, dass der Bauraumbedarf für die Versorgung eines sekundären Bauteils mit dem Kühlmittel reduziert wird. Aufgabe ist es weiterhin, ein verbessertes Kraftfahrzeug mit verringertem Bauraumbedarf bereitzustellen.
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Diese Aufgabe wird durch eine Brennstoffzellenvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Die erfindungsgemäße Brennstoffzellenvorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass das Kühlmittel für mindestens ein sekundäres Bauteil sowohl stromauf vor im Zu- und Abfluss durch den Brennstoffzellenstapel geführt ist, also ein Teil der Leitungen für die Kühlmittelversorgungen des sekundären Bauteils im Inneren des Brennstoffzellenstapels angeordnet sind. Dadurch ist vermieden, dass außerhalb des Brennstoffzellenstapels in einem parallelen Strömungspfad Kühlmittel zu dem sekundären Bauteil hingeführt und auch wieder abgeführt werden, so dass der dafür erforderliche Bauraum eingespart werden kann.
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Ganz besonders bevorzugt ist dabei, wenn das Kühlmittel für das sekundäre Bauteil durch den Kühlmittelkanal des Brennstoffzellenstapels geführt ist und der Kühlmittelkanal diesen in einem sekundären Kühlmittelaustritt verlässt und in einem sekundären Kühlmitteleintritt in den Brennstoffzellenstapel zurückgeführt ist, und wenn in dem außerhalb des Brennstoffzellenstapels verlaufenden Teilkanal das mindestens eine sekundäre Bauteil in den Kühlmittelkreislauf einbezogen ist. Es besteht also nicht die Notwendigkeit, die Komplexität der Brennstoffzellenvorrichtung zu steigern, indem in dem Brennstoffzellenstapel für das sekundäre Bauteil separate Kühlmittelleitungen vorgesehen werden müssen; vielmehr ist es ausreichend, den bereits präsenten, insbesondere die Bipolarplatten versorgenden, Kühlmittelkanal zu nutzen, wenn durch den sekundären Kühlmittelaustritt und den sekundären Kühlmitteleintritt sichergestellt ist, dass das sekundäre Bauteil in den Kühlmittelkreislauf eingebunden werden kann. Der das sekundäre Bauteil durchziehende Strömungspfad stellt damit aus Sicht des Kühlmittelkreislaufes einen zusätzlichen Zweig dar, also die Erhöhung der Anzahl der im Brennstoffzellenstapel gegebenen Strömungswege um eins.
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Als zweckmäßig hat es sich weiterhin erwiesen, wenn der Querschnitt des im Brennstoffzellenstapel verlaufenden Kühlmittelkanals über den durch den Brennstoffzellenstapel bestimmten Bedarf hinaus vergrößert ist, also die Möglichkeit einbezogen ist, durch einen vergrößerten Querschnitt eine größere Menge an Kühlmittel in dem Kühlmittelkreislauf bereitzustellen und zu transportieren, um die zusätzliche Wärmebelastung durch das sekundäre Bauteil auffangen zu können. Hinsichtlich der Einfachheit des Aufbaus ist es bevorzugt, wenn der sekundäre Kühlmittelaustritt und der sekundäre Kühlmitteleintritt auf der dem Kühlmitteleintritt und dem Kühlmittelaustritt gegenüberliegenden Seite des Brennstoffzellenstapels angeordnet sind, also sich in einfacher Weise ein zusätzlicher Pfad parallel zu den Brennstoffzellen in dem Brennstoffzellenstapel ergibt.
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Bevorzugt ist weiterhin, wenn für die Regelung des Kühlmittelteilstroms durch den Teilkanal mit dem sekundären Bauteil ein Drosselventil vorgesehen ist, da so der Durchfluss durch den Teilkanal damit in einfacher Weise geregelt werden kann. Alternativ besteht auch die Möglichkeit, statt eines Drosselventils eine Pumpe vorzusehen.
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Eine kosten- und bauraumgünstigere Variante ist gegeben, wenn für die Einstellung des Kühlmittelteilstroms durch den Teilkanal mit dem sekundären Bauteil eine hydraulische Auslegung des Querschnitts und der Länge des Teilkanals erfolgt.
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Günstig ist es weiterhin, wenn das mindestens eine sekundäre Bauteil durch einen Wärmetauscher gebildet ist, durch den die in einer beliebigen Komponente anfallende oder erzeugte Wärme an den Kühlkreislauf abgegeben werden kann.
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Alternativ besteht auch die Möglichkeit, dass das mindestens eine sekundäre Bauteil zur Konditionierung des für den Brennstoffzellenstapel bestimmten Kühlmittels vorgesehen; das sekundäre Bauteil kann damit dazu genutzt werden, die Wärmebeladung des Kühlmittels den Bedürfnissen entsprechend anzupassen, also bei einer gewünschten schnellen Erwärmung des Brennstoffzellenstapels als Heizelement zu fungieren. Entsprechend besteht auch die Möglichkeit, dem Kühlmittel zusätzlich Wärme zu entziehen, um vor dem erneuten Eintritt in den Brennstoffzellenstapel durch den sekundären Kühlmittel eine verbesserte Kühlung zu ermöglichen.
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Bei einem Kraftfahrzeug mit einer Brennstoffzellenvorrichtung der vorstehend genannten ergibt sich ein verringerter Bauraum, so dass eine kompaktere und effizientere Bauweise ermöglicht ist.
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Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Es sind somit auch Ausführungen als von der Erfindung umfasst und offenbart anzusehen, die in den Figuren nicht explizit gezeigt oder erläutert sind, jedoch durch separierte Merkmalskombinationen aus den erläuterten Ausführungen hervorgehen und erzeugbar sind.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:
- 1 eine schematische Teildarstellung des einem Brennstoffzellenstapel zugeordneten Kühlmittelkreislaufes mit dem dem sekundären Bauteil zugeordneten Teilkanal,
- 2 eine der 1 entsprechende Darstellung einer aus dem Stand der Technik bekannten Ausführungsform,
- 3 eine der 1 entsprechende Darstellung mit einem in den Teilkanal für das sekundäre Bauteil eingebundenen Drosselventil,
- 4 eine der 3 entsprechende Darstellung mit einer Pumpe statt dem Drosselventil,
- 5 eine Darstellung des der einzelnen Brennstoffzelle zugeordneten Massenstroms, mit der Zuordnung des Massenstroms zu der Abszisse und der Zellennummer der Brennstoffzelle in dem Brennstoffzellenstapel zu der Ordinate, und
- 6 eine der 5 entsprechende Darstellung für den aus dem Stand der Technik bekannten Brennstoffzellenstapel gemäß 2.
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Eine Brennstoffzellenvorrichtung umfasst in der Regel einen Brennstoffzellenstapel, der eine Mehrzahl von in Reihe geschalteten Brennstoffzellen aufweist.
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Jede der Brennstoffzellen umfasst eine Anode und eine Kathode sowie eine die Anode von der Kathode trennende protonenleitfähige Membran. Die Membran ist aus einem lonomer, vorzugsweise einem sulfonierten Tetrafluorethylen-Polymer (PTFE) oder einem Polymer der perfluorierten Sulfonsäure (PFSA) gebildet. Alternativ kann die Membran als eine sulfonierte Hydrocarbon-Membran gebildet sein.
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Den Anoden und/oder den Kathoden kann zusätzlich ein Katalysator beigemischt sein, wobei die Membranen vorzugsweise auf ihrer ersten Seite und/oder auf ihrer zweiten Seite mit einer Katalysatorschicht aus einem Edelmetall oder aus Gemischen umfassend Edelmetalle wie Platin, Palladium, Ruthenium oder dergleichen beschichtet sind, die als Reaktionsbeschleuniger bei der Reaktion der jeweiligen Brennstoffzelle dienen.
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Über Anodenräume innerhalb des Brennstoffzellenstapels 1 wird den Anoden Brennstoff (zum Beispiel Wasserstoff) zugeführt. In einer Polymerelektrolytmembranbrennstoffzelle (PEM-Brennstoffzelle) werden an der Anode Brennstoff oder Brennstoffmoleküle in Protonen und Elektronen aufgespaltet. Die Membran lässt die Protonen (zum Beispiel H+) hindurch, ist aber undurchlässig für die Elektronen (e-). An der Anode erfolgt dabei die folgende Reaktion: 2H2 → 4H+ + 4e- (Oxidation/Elektronenabgabe). Während die Protonen durch die Membran zur Kathode hindurchtreten, werden die Elektronen über einen externen Stromkreis an die Kathode oder an einen Energiespeicher geleitet. Über Kathodenräume innerhalb des Brennstoffzellenstapels 1 kann den Kathoden Kathodengas (zum Beispiel Sauerstoff oder Sauerstoff enthaltende Luft) zugeführt werden, so dass kathodenseitig die folgende Reaktion stattfindet: O2 + 4H+ + 4e- → 2H2O (Reduktion/Elektronenaufnahme).
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In 1 ist ein Teil eines Kühlmittelkreislaufes 3 gezeigt, in welchen der Brennstoffzellenstapel 1 strömungsmechanisch eingebunden ist. In den Kühlmittelkreislauf 3 kann zusätzlich ein Reservoir für Kühlmittel vorhanden sein, das seinerseits strömungsmechanisch mit dem Brennstoffzellenstapel 1 gekoppelt ist.
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Die 1 lässt erkennen, dass in dem Brennstoffzellenstapel 1 ein Kühlmittelkanal 4 ausgebildet ist, der an einen Kühlmitteleintritt 5 und einen Kühlmittelaustritt 6 angeschlossen ist, so dass das Kühlmittel in den Brennstoffzellenstapel eintreten, in diesem zirkulieren und aus diesem auch wieder austreten kann. Zu beachten ist bei der in 1 dargestellten Ausführungsform, dass der Kühlmittelkanal 4 dem Brennstoffzellenstapel 1 in einem sekundären Kühlmittelaustritt 7 wieder verlässt, in einem Teilkanal 8 durch ein sekundäres Bauteil 9 im Zufluss und Abfluss geführt ist und aus dem Teilkanal 8 durch einen sekundären Kühlmitteleintritt 10 in den Brennstoffzellenstapel 1 zurückgeführt wird, so dass im Ergebnis das Kühlmittel für das sekundäre Bauteil 9 durch den Brennstoffzellenstapel 1 geführt ist und außerhalb des Brennstoffzellenstapels 1 kein zusätzlicher Bauraum für Verrohrungen 11 bzw. Leitungen erforderlich ist, wie dies in der 2 bei einer aus dem Stand der Technik bekannten Ausführungsform vorliegt.
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Es wird daher der durch den Brennstoffzellenstapel 1 führende Kühlmittelkanal 4 zur Versorgung auch des sekundären Bauteils 9 genutzt, wozu eine entsprechende Anpassung des Querschnittes des im Brennstoffzellenstapels 1 verlaufenden Kühlmittelkanals 4 vorgesehen ist, der über den durch den Brennstoffzellenstapel 1 bestimmten Bedarf hinaus vergrößert ist, um zusätzlich das sekundäre Bauteil 9 mit dem Kühlmittel versorgen zu können, also die zusätzliche Wärmebelastung des Kühlmittels durch das sekundäre Bauteil 9 bei der Dimensionierung des Querschnitts und damit auch der Menge des in dem Kühlmittelkreislauf 3 aufgenommenen Kühlmittels einbezogen wird.
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1 lässt erkennen, dass der sekundäre Kühlmittelaustritt 7 und der sekundäre Kühlmitteleintritt 10 auf der dem Kühlmitteleintritt 5 und dem Kühlmittelaustritt 6 gegenüberliegenden Seite des Brennstoffzellenstapels 1 angeordnet sind. 3 weist darauf hin, dass für die Regelung des Kühlmittelteilstroms durch den Teilkanal 8 mit dem sekundären Bauteil 9 ein Drosselventil 12 eingesetzt werden kann, während die 4 die Nutzung einer Pumpe 13 zeigt.
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Alternativ ist auch für die der 1 entsprechende Ausführungsform denkbar, dass für die Einstellung des Kühlmittelteilstroms durch den Teilkanal 8 mit dem sekundären Bauteil 9 eine hydraulische Auslegung des Querschnitts und der Länge des Teilkanals 8 erfolgt, also sich anhand der Strömungswiderstände aufgrund der Querschnitte in dem Teilkanal 8 und dem Kühlmittelkanal 4 eine entsprechende Aufteilung des Kühlmittelstromes ergibt.
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Das sekundäre Bauteil 9 kann in allgemeiner Weise durch einen Wärmetauscher 14 gebildet sein, der die von einer anderen Komponente abzugebende Wärme an das Kühlmittel übertragen kann. Es besteht auch die Möglichkeit das stromauf des Wärmetauschers 14 im Brennstoffzellenstapel 1 erwärmte Kühlmittel herunterzukühlen, bevor es stromab des Wärmetauschers 14 gekühlt, dem Brennstoffzellenstapel 1 erneut zugeführt wird und diesen zum Kühlmittelaustritt 6 hin durchläuft.
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Denkbar ist auch, dass das sekundäre Bauteil 9 zur Konditionierung des für den Brennstoffzellenstapel 1 bestimmten Kühlmittels vorgesehen ist, also das sekundäre Bauteil 9 einen Wärmetauscher 14 zur verbesserten Kühlung des Brennstoffzellenstapels darstellt oder ein Heizelement zum schnelleren Erwärmen des Brennstoffzellenstapels 1 nach dessen Start durch eine Wärmeabgabe an das Kühlmittel.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Brennstoffzellenstapel
- 2
- Brennstoffzelle
- 3
- Kühlmittelkreislauf
- 4
- Kühlmittelkanal
- 5
- Kühlmitteleintritt
- 6
- Kühlmittelaustritt
- 7
- Sekundärer Kühlmittelaustritt
- 8
- Teilkanal
- 9
- Sekundäres Bauteil
- 10
- Verrohrung
- 11
- Drosselventil
- 12
- Pumpe
- 13
- Wärmetauscher
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 8343677 B2 [0004]
- US 2015/0236361 A1 [0005]
- WO 2017/148487 A1 [0006]
