-
Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzellenvorrichtung mit einem Brennstoffzellenstapel als Wärmequelle und einer Kühleinrichtung und einem Kühlmittelrohr, das die Wärmequelle mit der Kühleinrichtung fluidmechanisch verbindet und das zumindest in einem Teil seiner Längserstreckung eine ins Rohrinnere eingebrachte, gasdichte Membran aufweist, welche mit einer Kühlmittelrohrinnenwand des Kühlmittelrohrs einen gasgefüllten Ausgleichsraum begrenzt. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Kraftfahrzeug mit einer solchen Brennstoffzellenvorrichtung.
-
Brennstoffzellenvorrichtungen werden für die chemische Umsetzung eines Brennstoffs mit Sauerstoff zu Wasser genutzt, um elektrische Energie zu erzeugen. Hierfür enthalten Brennstoffzellen als Kernkomponente die sogenannte Membranelektrodeneinheit, die ein Verbund aus einer protonenleitenden Membran und jeweils einer, beidseitig an der Membran angeordneten Elektrode (Anode und Kathode) ist. Zudem können Gasdiffusionslagen (GDL) beidseitig der Membranelektrodeneinheit an den der Membran abgewandten Seiten der Elektroden angeordnet sein. Im Betrieb der Brennstoffzellenvorrichtung mit einer Mehrzahl zu einem Brennstoffzellenstapel zusammengefasster Brennstoffzellen wird der Brennstoff, insbesondere Wasserstoff (H2) oder ein wasserstoffhaltiges Gasgemisch der Anode zugeführt, wo eine elektrochemische Oxidation von H2 zu H+ unter Abgabe von Elektronen stattfindet. Über die Membran, welche die Reaktionsräume gasdicht voneinander trennt und elektrisch isoliert, erfolgt ein (wassergebundener oder wasserfreier) Transport der Protonen H+ aus dem Anodenraum in den Kathodenraum. Die an der Anode bereitgestellten Elektronen werden über eine elektrische Leitung der Kathode zugeleitet. Der Kathode wird Sauerstoff oder ein sauerstoffhaltiges Gasgemisch zugeführt, so dass eine Reduktion von O2 zu O2- unter Aufnahme der Elektronen stattfindet. Gleichzeitig reagieren im Kathodenraum diese Sauerstoffanionen mit den über die Membran transportierten Protonen unter Bildung von Wasser.
-
Für einen effizienten Betrieb der Brennstoffzellen ist neben der relativen Feuchte der den Protonentransport bewirkenden Membranen auch deren Temperatur bedeutsam, so dass Brennstoffzellen unter zu niedrigen oder unter zu hohen Temperaturen Leistungseinbußen aufzeigen. Aus diesem Grund ist es bekannt, den Brennstoffzellenstapel in einen Kühlmittelkreislauf einzubinden, womit die bei der Brennstoffzellenreaktion entstehende Abwärme abtransportiert und an andere Konstituenten der Brennstoffzellenvorrichtung oder an die Umgebung abgegeben wird.
-
In Kühlmittelkreislaufsystemen kommt es zu Druckveränderungen, beispielsweise aufgrund von Temperaturänderungen des Kühlmittels oder aufgrund einer Änderung der Drehzahl einer im Kühlkreislauf vorhandenen Kühlmittelpumpe. Um auf diese Druckveränderungen reagieren zu können, werden typischerweise sogenannte Kühlmittelausgleichsbehälter eingesetzt, die neben der Aufnahme des Kühlmittels auch den Flüssigkeitsdruck im System begrenzen können. Typischerweise wird hierfür der Behälter mit einem Hohlkörper ausgeführt, in welchem das Kühlmittelvolumen und ein Volumen einer Gasvorlage, beispielsweise ein Luftpolster, enthalten sind, die aufeinander abgestimmt und angepasst sind an die gegebenen Randbedingungen, wie einem erwartenden Temperaturhub, thermische Eigenschaften des Kühlmittels, Kühlmittelvolumen und Pumpenleistung der Kühlmittelpumpe.
-
In Abhängigkeit des Kühlmittelvolumens im Kühlkreislauf, der zu erwartenden Temperaturen und den zulässigen Grenzdrücken ist die Gasvorlage als druckregulierendes Medium im Ausgleichsbehälter sehr groß auszulegen. Der Bauraum für eine Kühlmittelausgleichsanordnung ist deshalb entsprechend groß zu wählen. Ein Druckausgleich oder eine Druckregulierung aufgrund dieses Luftpolsters unterliegt nur einer geringen Dynamik, sodass die Druckregulierung bei bekannten Kühlmittelausgleichsanordnungen auf Druckveränderungen vergleichsweise träge reagiert.
-
Da der Brennstoffzellenstapel aufgrund seiner Stapelbauweise in seiner Druckstabilität begrenzt ist, darf ein bestimmter Druck vor dem Stapel nicht überschritten werden. Aufgrund dieses geringen Betriebsdruckes bedarf es eines größeren Ausgleichsbehälters im Kühlmittelkreislauf, um die unterschiedlichen Fahrzustände bei identischen Leistungen darstellen zu können. Dies erfordert einen großen Bauraum und zudem sind konventionelle Ausgleichsbehälter nicht hermetisch gegenüber der Umgebung abgedichtet, sodass sie bei Abkühlung Luftsauerstoff aus der Umgebung ziehen, wodurch es bei einer Brennstoffzellenanwendung zu Problemen kommt.
-
Die
DE 10 2004 027 211 A1 beschreibt ein Heizgerät, in dem ein Ausdehnungsgefäß mit einer luft- oder stickstoffgefüllten ersten Kammer und einer mit Heizwasser gefüllten zweiten Kammer und eine Wärmetauschereinheit angeordnet ist.
-
Die
DE 100 54 032 A1 offenbart ein Heizgerät mit einem Gehäuse, in dem ein an ein Leitungsnetz angeschlossener Wärmetauscher angeordnet ist. Weiterhin weist das Heizgerät ein Ausdehnungsgefäß auf, das ebenfalls mit dem Leitungsnetz verbunden ist und die Gehäusewand als Wandung nutzt.
-
Einen Radiator mit einer Membran-Expansionsleitung, die mit einem Flachheizkörper verbunden ist, offenbart die WO 2009 / 127 899 A2. Die Membran-Expansionsleitung besteht aus mindestens zwei Bereichen, wobei ein erster Bereich eine Flüssigkeitskammer darstellt und ein zweiter Bereich eine Gaskammer. Beide Bereiche werden von einer Membran separiert.
-
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Brennstoffzellenvorrichtung mit einem Kühlmittelrohr sowie ein verbessertes Kraftfahrzeug bereitzustellen.
-
Diese Aufgabe wird durch eine Brennstoffzellenvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 8 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
-
Der erfindungsgemäße Aufbau der Brennstoffzellenvorrichtung ermöglicht es, das Volumen eines zusätzlichen Ausgleichbehälters deutlich zu reduzieren und bei Verwendung von mehreren mit einer Membran ausgestatteten Kühlmittelrohren auf einen Ausgleichsbehälter vollständig zu verzichten, wodurch Bauraum eingespart wird. Weiterhin kommt es durch diesen Aufbau zu keinem Kontakt des Kühlmittels mit Luftsauerstoff, wodurch das Kühlmittel nicht durch Ionen oder Partikel verunreinigt wird und so der Leitwert des Kühlmittels gering und der Isolationswiderstand hoch gehalten werden.
-
Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die Membran des Kühlmittelrohrs schlauchartig ausgebildet ist und damit das Rohrinnere in Umfangsrichtung auskleidet. Dies ist vorteilhaft, da durch die innenliegende Membran das Ausgleichsvolumen im Verhältnis zum Kühlmittelrohrdurchmesser vergrößert ist.
-
Vorteilhaft ist es außerdem, wenn das Kühlmittelrohr einen Ventilstutzen aufweist, der fluidmechanisch mit dem gasgefüllten Ausgleichsraum verbunden ist. Es ist für einen gasdichten Verschluss des Ausgleichsraums bevorzugt, wenn dem Ventilstutzen einer Schutzkappe zugeordnet ist. Dieser vorzusweise durch die Wandung des Kühlmittelrohrs hindurchragende Ventilstutzen ermöglicht es, ein inertes, d.h. reaktionsträges Gas einzufüllen und so einen definierten Vordruck innerhalb des Ausgleichsraums „von außen“ einzustellen. Auf diese Weise ist es zudem möglich, eine Feinjustage des Systems über den voreingestellten Gegendruck vorzunehmen, wodurch Schäden durch einen zu hohen Druck an den Bauteilen verhindert werden.
-
Es ist sinnvoll, wenn das Kühlmittelrohr zwei Anschlussstutzen aufweist zu mittelbaren oder unmittelbaren Kopplung mit der Wärmequelle einerseits und der Kühleinrichtung andererseits. Auf diese Weise kann das Rohrstück auch in bereits bestehende Kühlmittelkreisläufe eingesetzt und nachgerüstet werden.
-
Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn das Kühlmittelrohr aus einem starren Material besteht. Auf diese Weise wird der Druckausgleich lediglich durch die Bewegung der Membran bewirkt, die eine deutlich größere Elastizität gegenüber dem feststehenden Material des Kühlmittelrohres aufzeigt.
-
In diesem Zusammenhang ist es ferner von Vorteil, wenn das Kühlmitelrohr aus einem temperatur- und witterungsbeständigen Material besteht. Somit behält das Rohr seine Konfiguration auch unter den verschiedensten Umwelteinflüssen, so dass diese keinen Einfluss auf das Druckausgleichsverhalten haben.
-
Vorzugsweise ist das Kühlmittelrohr aus einem Metall, insbesondere einem Edelstahl, oder aus einem harten Polymer, insbesondere einem Duroplasten, gefertigt.
-
Die Merkmale und Vorteile der erfindungsgemäßen Brennstoffzellenvorrichtung gelten in gleichem Maße für das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug, dessen verfügbarer Bauraum besser ausgenutzt wird.
-
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.
-
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:
- 1 einen schematischen Aufbau einer Brennstoffzellenvorrichtung und
- 2 einen schematischen Aufbau des Kühlmittelrohrs.
-
In der 1 ist der durch eine Mehrzahl von Brennstoffzellen gebildete Brennstoffzellenstapel 2 gezeigt, dem die Reaktanten zugeführt werden, damit im Brennstoffzellenstapel 2 kontrolliert die elektrochemische Reaktion zur Erzeugung elektrischer Energie ablaufen kann. Zur Regelung der Temperatur des Brennstoffzellenstapels 2 und dabei insbesondere zur Abfuhr der bei der elektrochemischen Reaktion erzeugten Wärme ist dem Brennstoffzellenstapel 2 der Kühlmittelkreislauf 3 mit dem Kühler 4 zugeordnet, so dass durch den Kühler 4 sichergestellt werden kann, dass die Kühlmitteltemperatur am Zulauf der Brennstoffzelle den gewünschten Wert aufweist. Das Kühlmittel wird beim Durchqueren des Brennstoffzellenstapels 2 erwärmt, so dass sich eine Temperaturerhöhung für das Kühlmittel ergibt, welches aufgrund der von einer Kühlmittelpumpe 5 bewirkten Zirkulation des Kühlmittels im Kühler 4 wieder heruntergekühlt wird.
-
Die 2 zeigt den schematischen Aufbau des Kühlmittelrohrs 6. Das Kühlmittelrohr 6 besteht aus einem starren Material, das seine Konfiguration auch unter verschiedensten Umwelteinflüssen nicht ändert. So ist es möglich, dass das Rohr aus einem Metall oder einem Polymer gefertigt ist. Das Kühlmittelrohr 6 verbindet den Brennstoffzellenstapel 2 als Wärmequelle mit der den Kühler 4 umfassenden Kühleinrichtung fluidmechanisch. Hierzu weist das Kühlmittelrohr 9 oder ein entsprechender Abschnitt desselben, zwei - nicht näher gezeigte - endständig an Rohrenden angeordnete Anschlussstutzen auf. Das Kühlmittelrohr 9 zeichnet sich dadurch aus, dass es zumindest in einem Teil seiner Längserstreckung eine ins Rohrinnere eingebrachte, gasdichte Membran 8 aufweist, welche mit einer Kühlmittelrohrinnenwand des Kühlmittelrohrs 6 einen gasgefüllten Ausgleichsraum 7 begrenzt. Dabei kleidet die Membran 8 das Rohrinnere in Umfangsrichtung schlauchartig aus. Die Membran 8 separiert einen vom Kühlmittel durchströmten Kühlmittelkanal 9 vom mit Inertgas befüllten Ausgleichsraum 7. Für das Befüllen des Ausgleichsraums 7 mit einem Inertgas weist das Kühlmittelrohr 6 einen Ventilstutzen 10 auf, der die Wandung des Rohres durchdringt.
-
Der Ventilstutzen 10 ist fluidmechanisch mit dem gasgefüllten Ausgleichsraum 7 verbunden. Um eine Gasdichtigkeit zusätzlich zu gewährleisten, ist dem Ventilstutzen 10 eine Schutzkappe 11 zugeordnet.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Brennstoffzellenvorrichtung
- 2
- Brennstoffzellenstapel
- 3
- Kühlmittelkreislauf
- 4
- Kühler
- 5
- Kühlmittelpumpe
- 6
- Kühlmittelrohr
- 7
- Ausgleichsraum
- 8
- Membran
- 9
- Kühlmittelkanal
- 10
- Ventilstutzen
- 11
- Schutzkappe
-
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 102004027211 A1 [0007]
- DE 10054032 A1 [0008]
