DE102020124754A1

DE102020124754A1 - Brennstoffzellen-architekturen, nachbehandlungssysteme und steuerungslogik für die abwasserentnahme

Info

Publication number: DE102020124754A1
Application number: DE102020124754.0A
Authority: DE
Inventors: John A. Martuscelli; Jared Phillips; Anahita Rastkar; Jeffrey A. Bozeman
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2019-10-11
Filing date: 2020-09-23
Publication date: 2021-04-15
Also published as: US20210111421A1; CN112652787A; CN112652787B; US11211619B2

Abstract

Vorgestellt werden Brennstoffzellensysteme und Steuerlogik für die Wasserentnahme aus dem Systemabgas, Verfahren zur Herstellung/Nutzung solcher Systeme und Fahrzeuge mit Elektroantrieb und Nachbehandlungssystemen zur Wasserentnahme aus dem Brennstoffzellenabgas. Ein Nachbehandlungssystem für einen Brennstoffzellenstapel umfasst einen Kondensat-Generator, der in Fluidverbindung mit dem Brennstoffzellenstapel steht, um die Abgasabgabe von diesem zu erhalten. Der Kondensat-Generator enthält einen Verdampferkern mit einer Kältemittelleitung, die das Abgas aktiv über eine kontrollierte Zirkulation des Kältemittelfluids kühlt. Ein Kondensat-Sammler, der in Fluidverbindung mit dem Kondensat-Generator steht, umfasst ein Reservoir-Gehäuse mit einer Kondensat-Falle, die mitgerissenen Wasserdampf vom gekühlten Abgas abscheidet. Das Reservoir-Gehäuse sammelt den abgeschiedenen Wasserdampf als flüssiges Wasser. Ein Flüssigkeitsspeicherbehälter, der in Fluidverbindung mit dem Kondensat-Sammler steht, nimmt das gesammelte Wasser auf und speichert es. Ein Expansionsventil reguliert die Menge an Kältemittelflüssigkeit, die durch die Kältemittelleitung in den Verdampferkern gelangt.

Description

EINFÜHRUNG
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich im Allgemeinen auf elektrochemische Brennstoffzellensysteme zur Umwandlung wasserstoffbasierter Brennstoffe in Elektrizität. Genauer gesagt, beziehen sich Aspekte dieser Offenbarung auf Systeme und Verfahren zur Extraktion von Wasser aus den Abgasen von Brennstoffzellensystemen.
Kraftfahrzeuge aus der aktuellen Produktion, wie z.B. das moderne Automobil, sind ursprünglich mit einem Antriebsstrang ausgestattet, der das Fahrzeug antreibt und die Bordelektronik des Fahrzeugs mit Strom versorgt. In Automobilanwendungen beispielsweise wird der Antriebsstrang des Fahrzeugs im Allgemeinen durch eine Antriebsmaschine charakterisiert, die das Antriebsmoment über eine automatische oder manuell geschaltete Kraftübertragung an das Endantriebssystem des Fahrzeugs (z.B. Differential, Achswellen, Straßenräder usw.) abgibt. In der Vergangenheit wurden Kraftfahrzeuge aufgrund ihrer leichten Verfügbarkeit und der relativ niedrigen Kosten, des geringen Gewichts und des Gesamtwirkungsgrades mit einer ICE-Baugruppe (Hubkolben-Verbrennungsmotor) angetrieben. Zu diesen Motoren gehören Dieselmotoren mit Kompressionszündung (CI), Ottomotoren mit Fremdzündung (SI), Zwei-, Vier- und Sechstaktmotoren und Rotationsmotoren als einige nicht limitierende Beispiele. Hybridelektrische und vollelektrische Fahrzeuge hingegen nutzen alternative Energiequellen zum Antrieb des Fahrzeugs, wie z.B. Elektromotor-Generator-Einheiten (MGU), und minimieren oder eliminieren daher die Abhängigkeit von einem auf fossilen Brennstoffen basierenden Motor für die Zugkraft.
Hybridelektrische und vollelektrische (zusammenfassend „Elektroantrieb“) Antriebsstränge haben verschiedene Architekturen, von denen einige ein Brennstoffzellensystem nutzen, um Strom für einen oder mehrere elektrische Fahrmotoren zu liefern. Eine Brennstoffzelle ist eine elektrochemische Vorrichtung, die im Allgemeinen aus einer Anodenelektrode besteht, die Wasserstoff (H₂) aufnimmt, einer Kathodenelektrode, die Sauerstoff (O₂) aufnimmt, und einem Elektrolyten, der zwischen Anode und Kathode angeordnet ist. Eine elektrochemische Reaktion wird induziert, um Wasserstoffmoleküle an der Anode zu oxidieren, um freie Protonen (H+) zu erzeugen, die dann durch den Elektrolyten zur Reduktion an der Kathode mit einem Oxidationsmittel, wie z.B. Sauerstoff, geleitet werden. Insbesondere wird Wasserstoffgas in einer Oxidations-Halbzellenreaktion in der Anodenkatalysatorschicht katalytisch gespalten, um freie Wasserstoffprotonen und Elektronen zu erzeugen. Diese Wasserstoffprotonen gelangen durch den Elektrolyten zur Kathode, wo die Wasserstoffprotonen mit Sauerstoff und Elektronen in der Kathode reagieren und verschiedene Stapel-Nebenprodukte bilden. Die Elektronen von der Anode können jedoch nicht durch den Elektrolyten gelangen; diese Elektronen werden durch eine Last, wie z.B. den Fahrmotor eines Fahrzeugs oder eine nicht fahrzeuggebundene Last, die eine stationäre Stromerzeugung erfordert, umgeleitet, bevor sie zur Kathode geschickt werden.
Brennstoffzellenkonstruktionen, die häufig in Automobilanwendungen eingesetzt werden, verwenden eine Festpolymerelektrolytmembran (PEM) - auch als „Protonenaustauschmembran“ (PEM) bezeichnet - um den Ionentransport zwischen Anode und Kathode zu gewährleisten. Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen (PEMFC) verwenden im Allgemeinen eine protonenleitende Festpolymerelektrolyt (SPE)-Membran, wie z.B. eine Perfluorsulfonsäure-Membran, um Produktgase abzutrennen und zusätzlich zur Leitung von Protonen eine elektrische Isolierung der Elektroden zu gewährleisten. Die Anode und Kathode enthalten in der Regel fein dispergierte katalytische Partikel, wie z.B. Platin, die auf Kohlenstoffpartikeln getragen und mit einem Ionomer gemischt werden. Diese katalytische Mischung wird an den Seiten der Membran abgeschieden, um die Anoden- und Kathodenschichten zu bilden. Die Kombination der katalytischen Anodenschicht, der katalytischen Kathodenschicht und der Elektrolytmembran definiert eine Membran-Elektroden-Anordnung (MEA), bei der der Anodenkatalysator und der Kathodenkatalysator auf gegenüberliegenden Seiten der ionenleitenden festen Polymermembran aufgebracht sind.
Um den für den Antrieb eines Kraftfahrzeugs erforderlichen Strom zu erzeugen, werden typischerweise zahlreiche Brennstoffzellen in Reihe oder parallel zu einem Brennstoffzellenstapel kombiniert, um eine höhere Ausgangsspannung zu erreichen und eine stärkere Stromentnahme zu ermöglichen. Ein typischer Brennstoffzellenstapel für ein Automobil kann zum Beispiel mehr als zweihundert gestapelte Zellenenthalten. Diese Brennstoffzellenstapel erhalten Reaktionsgas als Kathodeneingang, typischerweise als dosierten Strom von Umgebungsluft oder konzentriertem gasförmigem Sauerstoff, der von einem Kompressor durch den Stapel gepresst wird. Während des normalen Betriebs wird eine quantifizierbare Masse des Sauerstoffs nicht durch den Stapel verbraucht; ein Teil des Restsauerstoffs wird als Kathodenabgasausgegeben, das Wasser als Stapel-Nebenprodukt enthalten kann. Der Brennstoffzellenstapel erhält auch Wasserstoff oder wasserstoffreiches Reaktionsgas als Anodeninput, das in die Anodenseite des Stapels strömt. Die Verteilung des Wasserstoffs innerhalb der Anoden-Strömungskanäle wird in der Regel für einen ordnungsgemäßen Betrieb des Brennstoffzellenstapels im Wesentlichen konstant gehalten. In einigen Betriebsmodi wird zusätzlicher Wasserstoff in den Brennstoffzellenstapel eingespeist, so dass das Anodengas gleichmäßig verteilt wird, um eine kalibrierte Stapelausgangslast zu erreichen. Zusätzlich kann ein Brennstoffzellenstapel so betrieben werden, dass die MEAs in einem befeuchteten Zustand gehalten werden; dem Brennstoffzellenstapel zugeführte Gase können befeuchtet werden, um das Austrocknen der MEAs zu verhindern. Die durch den Brennstoffzellenstapel erzeugten Abgase können daher Wasserdampf, flüssiges Wasser, Luft, geringe Mengen an Wasserstoffabgas und andere Spurenelemente enthalten.
BESCHREIBUNG
Vorgestellt werden Brennstoffzellensysteme mit zugehöriger Steuerlogik zur Wasserentnahme aus den Systemabgasen, Verfahren zur Herstellung und Verfahren zur Verwendung solcher Systeme sowie Fahrzeuge mit Elektroantrieb mit Nachbehandlungssystemen zur Entnahme von mitgerissenem Wasser aus den Abgasen von Brennstoffzellensystemen. Als Beispiel werden Brennstoffzellenarchitekturen mit Abgasnachbehandlungssystemen vorgestellt, die dafür ausgelegt sind, flüssiges Wasser aus den feuchtigkeitsreichen Abgasen, die aus den kathodenseitigen Diffusionsmedien des Systems austreten, zu extrahieren und zu übertragen. Das Abgassystem enthält einen Abgas-Vorkonditionierer, der einen passiven Luft-Wärme-Austausch zur Kühlung des Abgases ermöglicht. Ein Kondensat-Generator, der strömungstechnisch hinter dem Abgas-Vorkonditionierer angeordnet ist, verwendet einen Verdampferkern mit Kältemittelleitungen, die für eine aktive Abgaskühlung sorgen, die zur Einleitung der Kondensation ausreicht. Ein Kondensat-Sammler, der sich in Strömungsrichtung hinter dem Kondensat-Generator befindet, sorgt für Wasserabscheidung und Lärmminderung und pumpt abgeschiedenes flüssiges Wasser in einen flüssigkeitsdichten Wasservorratsbehälter zum Stauen und Liefern des gesammelten Wassers. Ein Zwei-Phasen-Strömungsabscheider vom Zyklontyp kann zwischen dem Kondensat-Generator und dem Sammler angeordnet werden, um die Wasserabscheidung durch Zentrifugation einzuleiten. Eine elektrische oder thermostatische Expansionsvorrichtung, ein Kapillarrohr oder eine Vorrichtung mit gesteuerter Blende kann vorgesehen werden, um die aus dem Abgas des Brennstoffzellensystems entnommene Wassermenge selektiv zu erhöhen und zu verringern. Das System verwendet sowohl aktive als auch passive Verfahren, um Wasser während des Brennstoffzellenbetriebs nach Bedarf zu extrahieren, einzufangen und zu speichern.
Aspekte dieser Offenbarung beziehen sich auf die Architekturen von Brennstoffzellensystemen mit dazugehöriger Steuerlogik für die Entfernung von mitgerissenem Wasser aus den Systemabgasen. Als ein nicht einschränkendes Beispiel wird ein Abgasnachbehandlungssystem vorgestellt, um Wasser aus dem Abgasausstoß eines elektrochemischen Brennstoffzellenstapels zu extrahieren, der in der Lage ist, wasserstoffbasierten Brennstoff in Elektrizität umzuwandeln. Das Abgasnachbehandlungssystem umfasst einen Kondensat-Generator, der in Fluidverbindung mit dem Brennstoffzellenstapel steht, um den Abgasausstoß von diesem zu erhalten. Der Kondensat-Generator enthält einen Verdampferkern mit einer Kältemittelleitung, die das Abgas aktiv über eine kontrollierte Zirkulation des Kältemittelfluids kühlt. Ein Kondensat-Sammler, der in Fluidverbindung mit dem Kondensat-Generator steht, um das gekühlte Abgas aufzunehmen, umfasst ein Reservoir-Gehäuse, das darin eine Kondensat-Falle enthält. Die Kondensat-Falle scheidet mitgerissenen Wasserdampf aus dem gekühlten Abgas ab, und das Reservoir-Gehäuse sammelt den abgeschiedenen Wasserdampf als flüssiges Wasser. Das Nachbehandlungssystem umfasst auch einen Flüssigkeitsspeicherbehälter, der in Fluidverbindung mit dem Kondensat-Sammler steht, um das gesammelte Wasser von diesem aufzunehmen und zu speichern. Eine Expansionsvorrichtung, die in Fluidverbindung mit dem Kondensat-Generator steht, reguliert selektiv die Menge an Kältemittelfluid, die von einem Kältemittelsystem empfangen und durch die Kältemittelleitung in den Verdampferkern geleitet wird.
Weitere Aspekte dieser Offenbarung beziehen sich auf elektrisch angetriebene Fahrzeuge mit Nachbehandlungssystemen zur Extraktion von mitgerissenem Wasser aus dem Abgasausstoß des Brennstoffzellensystems des Fahrzeugs. In der hier verwendeten Form können die Begriffe „Fahrzeug“ und „Kraftfahrzeug“ austauschbar und synonym verwendet werden, um jede relevante Fahrzeugplattform einzubeziehen, wie z.B. Personenfahrzeuge (z.B. hybrid-elektrisch, vollelektrisch, voll- und teilautonom usw.), Nutzfahrzeuge, Industriefahrzeuge, Kettenfahrzeuge, Gelände- und Geländefahrzeuge (ATV), Motorräder, landwirtschaftliche Geräte, Wasserfahrzeuge, Flugzeuge usw. Offengelegte Brennstoffzellenstapel und Nachbehandlungssysteme können sowohl in automobilen als auch in nicht-automobilen Anwendungen eingesetzt werden, einschließlich tragbarer Brennstoffzellengeneratoren, z.B. für die Versorgung von privaten und kommerziellen Geräten, und stationärer Brennstoffzellenkraftwerke, z.B. für die Versorgung von Flughäfen, Krankenhäusern, Schulen, Banken usw. In einem Beispiel wird ein Fahrzeug mit Elektroantrieb vorgestellt, das eine Fahrzeugkarosserie mit mehreren Straßenrädern und anderer serienmäßiger Erstausrüstung umfasst. Ebenfalls an der Fahrzeugkarosserie montiert ist ein Antriebsstrangsystem mit einer Antriebsmaschine, die einen oder mehrere Traktionsmotorenumfassen kann, die allein oder in Verbindung mit einem Verbrennungsmotor arbeiten, um eines oder mehrere der Straßenräder anzutreiben und dadurch das Fahrzeug anzutreiben. Das Fahrzeug ist auch mit einem Kältemittelsystemausgestattet, das ein phasengesteuertes Kältemittel abgibt, sowie mit einem Brennstoffzellensystem, das den/die elektrischen Fahrmotor(en)antreibt.
In Fortführung der Diskussion des obigen Beispielsenthält das Fahrzeug mit Elektroantrieb auch ein Brennstoffzellen-Abgasnachbehandlungssystem, das aus einem Kondensat-Generator, einem Kondensat-Sammler, einem Flüssigkeitsspeicherbehälter, einer Expansionseinrichtung und optional einem Zweiphasen-Strömungsabscheider besteht. Der Kondensat-Generator ist strömungstechnisch mit dem Brennstoffzellenstapel verbunden, z.B. über einen optionalen Gas-zu-Gas-Wärmetauscher, um die Abgasleistung des Stapels aufzunehmen. Der Kondensat-Generator enthält einen Verdampferkern mit einer Kältemittelleitung, die das Abgas des Stapels über eine kontrollierte Zirkulation von Kältemittelfluid, das vom Kältemittelsystem erhalten wird, gemeinsam kühlen. Der Kondensat-Sammler ist strömungstechnisch mit dem Kondensat-Generator verbunden, um von dort das gekühlte Abgas aufzunehmen. Der Kondensat-Sammler umfasst einen Kondensatabscheider, der mitgerissenen Wasserdampf aus dem gekühlten Abgas abscheidet, und ein Reservoir-Gehäuse, das den abgeschiedenen Wasserdampf als flüssiges Wasser sammelt. Der Flüssigkeitsspeicherbehälter steht in Fluidverbindung mit dem Kondensat-Sammler, z.B. über eine Pumpe und einen Filter, um das gesammelte flüssige Wasser aufzunehmen und zu speichern. Die Expansionsvorrichtung, die fluidisch zwischen dem Kältemittelsystem und dem Kondensat-Sammler angeordnet ist, reguliert selektiv die Menge an Kältemittel, die aus dem Kältemittelsystem empfangen und durch die Kältemittelleitung in den Verdampferkern geleitet wird.
Weitere Aspekte dieser Offenbarung beziehen sich auf Steueralgorithmen und im Speicher gespeicherte, prozessorausführbare Anweisungen zur Herstellung oder Verwendung der offengelegten Fahrzeuge, Brennstoffzellenstapel und/oder Nachbehandlungssysteme. In einem Beispiel wird ein Verfahren zur Regelung des Betriebs eines Abgasnachbehandlungssystems für einen Brennstoffzellenstapel vorgestellt. Dieses repräsentative Verfahren umfasst in beliebiger Reihenfolge und in beliebiger Kombination mit einer der oben und unten angegebenen Optionen und Merkmale: Empfangen des Abgasausstoßes aus dem Brennstoffzellenstapel über einen Kondensat-Generator; aktives Kühlen des Abgases durch kontrollierte Zirkulation von Kältemittelfluid durch einen Verdampferkern und eine Kältemittelleitung des Kondensat-Generators; Empfangen des gekühlten Abgases über einen Kondensat-Sammler, der in Fluidverbindung mit dem Kondensat-Generator steht; Abscheiden von mitgerissenem Wasserdampf aus dem gekühlten Abgas über eine Kondensat-Falle, die in einem Reservoir-Gehäuse des Kondensat-Sammlers enthalten ist; Sammeln des abgetrennten Wasserdampfes als flüssiges Wasser über das Reservoir-Gehäuse; Aufnehmen und Speichern des gesammelten flüssigen Wassers über einen Flüssigkeitsspeicherbehälter, der in Fluidverbindung mit dem Kondensat-Sammler steht; und selektives Regulieren einer Menge des Kältemittelfluids, das von einem Kältemittelsystem erhalten und durch die Kältemittelleitung in den Verdampferkern geleitet wird, über eine Expansionsvorrichtung, die in Fluidverbindung mit dem Kondensat-Generator steht.
Die obige Zusammenfassung soll nicht jede Ausführungsform oder jeden Aspekt der vorliegenden Offenbarung darstellen. Vielmehr bietet die vorstehende Zusammenfassung lediglich eine Veranschaulichung einiger der hier dargelegten neuartigen Konzepte und Merkmale. Die oben genannten Merkmale und Vorteile sowie andere Merkmale und damit verbundene Vorteile dieser Offenbarung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung der illustrierten Beispiele und repräsentativen Ausführungsformen zur Durchführung der vorliegenden Offenbarung leicht ersichtlich, wenn sie in Verbindung mit den beigefügten Figuren und den beigefügten Ansprüchen genommen werden. Darüber hinaus umfasst diese Offenbarung ausdrücklich alle Kombinationen und Unterkombinationen der oben und unten dargestellten Elemente und Merkmale.
Figurenliste

1 ist eine perspektivische Darstellung eines repräsentativen Kraftfahrzeugs mit einem eingefügten schematischen Schema einer repräsentativen Brennstoffzellen-Stapel-Architektur mit einem Abgasnachbehandlungssystem in Übereinstimmung mit Aspekten der vorliegenden Offenbarung.
2 ist ein Flussdiagramm, das ein repräsentatives Abgasnachbehandlungsprotokoll für die Entnahme von mitgerissenem Wasser aus dem Abgas des Brennstoffzellensystems illustriert, das gespeicherten Anweisungen entsprechen kann, die von einer Bord- oder Fernsteuerung, einer Steuerlogikschaltung, einer programmierbaren elektronischen Steuereinheit oder einer anderen integrierten Schaltung (IC) oder einem Netzwerk von IC-Geräten in Übereinstimmung mit Aspekten der offengelegten Konzepte ausgeführt werden.

Die vorliegende Offenbarung ist verschiedenen Modifikationen und alternativen Formen zugänglich, und einige repräsentative Ausführungsformen sind in den Figuren beispielhaft dargestellt und werden hier ausführlich beschrieben. Es sollte jedoch verstanden werden, dass die neuartigen Aspekte dieser Offenbarung nicht auf die besonderen Formen beschränkt sind, die in den oben aufgezählten Zeichnungen dargestellt sind. Vielmehr soll die Offenbarung alle Modifikationen, Äquivalente, Kombinationen, Unterkombinationen, Permutationen, Gruppierungen und Alternativen umfassen, die in den Geltungsbereich dieser Offenbarung fallen, wie er von den beigefügten Ansprüchen umfasst wird.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Diese Offenbarung kann in vielen verschiedenen Formen verkörpert werden. Repräsentative Ausführungsformen der Offenbarung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden hier im Detail beschrieben, wobei diese Ausführungsformen als Beispiel für die offengelegten Prinzipien und nicht als Einschränkung der allgemeinen Aspekte der Offenbarung dienen. Insofern sollten Elemente und Einschränkungen, die z.B. in den Abschnitten „Beschreibung“, „Einleitung“, „Zusammenfassung‟ und „Detaillierte Beschreibung“ beschrieben, aber nicht ausdrücklich in den Ansprüchen dargelegt sind, weder einzeln noch kollektiv, durch Implikation, Schlussfolgerung oder auf andere Weise in die Ansprüche aufgenommen werden.
Für die Zwecke dieser ausführlichen Beschreibung gilt, sofern nicht ausdrücklich ausgeschlossen: Der Singular schließt den Plural ein und umgekehrt; die Wörter „und“ und „oder“ sind sowohl konjunktive als auch disjunktive Wörter; die Wörter „irgendeins“ und „alle“ bedeuten „irgendeins und alle“; und die Wörter „einschließlich“, „enthaltend“, „umfassend“, „mit“, „haben“ und dergleichen bedeuten jeweils „einschließlich ohne Einschränkung“. Darüber hinaus können hier Näherungswörter wie „ungefähr“, „fast“, „im Wesentlichen‟, „allgemein‟, „annähernd“ und der gleichen jeweils im Sinne von „an, in der Nähe oder nahezu an“ oder „innerhalb von 0-5% von“ oder „innerhalb annehmbarer Fertigungstoleranzen“ oder einer logischen Kombination davonverwendet werden. Schließlich können Richtungsadjektive und Adverbien, wie z.B. vorwärts, rückwärts, innerhalb, außerhalb, steuerbords, backbords, vertikal, horizontal, aufwärts, abwärts, vorne, hinten, links, rechts usw., in Bezug auf ein Kraftfahrzeugverwendet werden, wenn das Fahrzeug betriebsmäßig auf einer horizontalen Fahrfläche ausgerichtet ist.
Unter Bezugnahme auf die Figuren, in denen sich gleiche Bezugsziffern auf gleiche Merkmale in den verschiedenen Ansichten beziehen, wird in 1 ein repräsentatives Automobil gezeigt, das im Allgemeinen mit 10 bezeichnet und hier zu Diskussionszwecken als sedan ähnliches, hybridelektrisches oder vollelektrisches („Elektroantrieb“) Personenfahrzeug dargestellt wird. Innerhalb der Fahrzeugkarosserie 12 von Automobil 10 befindet sich ein repräsentatives Brennstoffzellensystem, das im Allgemeinen mit 14 bezeichnet wird, um einen oder mehrere Traktionsmotoren anzutreiben, wie z.B. die Elektromotor-Generator-Einheit (MGU) 16, die für den Antrieb der Straßenräder 18 des Fahrzeugs betrieben werden kann. Das abgebildete Automobil 10 - hier auch als „Kraftfahrzeug“ oder kurz „Fahrzeug“ bezeichnet - ist lediglich eine beispielhafte Anwendung, mit der Aspekte und Merkmale dieser Offenbarung geübt werden können. In gleicher Weise sollte auch die Umsetzung der vorliegenden Konzepte in ein Brennstoffzellensystem 14 vom Typ PEMFC als eine beispielhafte Anwendung der hier offengelegten neuartigen Konzepte gewürdigt werden. Es wird davon ausgegangen, dass die Aspekte und Merkmale dieser Offenbarung auch auf andere Brennstoffzellensystem-Architekturen angewendet werden können, die für andere automobile und nicht-automobile Anwendungen genutzt und von jedem logisch relevanten Kraftfahrzeugtyp implementiert werden können. Schließlich sind die hier vorgestellten Zeichnungen nicht notwendigerweise maßstabsgetreu und werden nur zu Lehrzwecken zur Verfügung gestellt. Daher sind die in den Zeichnungen gezeigten spezifischen und relativen Abmessungen nicht als Begrenzung zu verstehen.
Das Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellensystem 14 von 1 ist mit einem oder mehreren Brennstoffzellenstapeln 20 ausgestattet, die jeweils aus mehreren Brennstoffzellen 22 vom PEM-Typ bestehen, die elektrisch in Reihe oder parallel zueinander montiert sind. In der dargestellten Architektur ist jede Brennstoffzelle 22 eine Mehrschichtkonstruktion mit einer Anodenseite 24 und einer Kathodenseite 26, die durch eine protonenleitende Perfluorsulfonsäure-Membran 28 getrennt sind. Eine Anoden-Diffusionsmedienschicht 30 ist auf der Anodenseite 24 der PEMFC 22 vorgesehen, wobei eine Anoden-Katalysatorschicht 32 zwischen der Membran 28 und der entsprechenden Diffusionsmedienschicht 30 angeordnet ist und diese operativ miteinander verbindet. Ebenso ist eine Kathoden-Diffusionsmedienschicht 34 auf der Kathodenseite 26 der PEMFC 22 vorgesehen, wobei eine Kathodenkatalysatorschicht 36 zwischen der Membran 28 und der entsprechenden Diffusionsmedienschicht 34 angeordnet ist und diese operativ verbindet. Diese beiden Katalysatorschichten 32 und 36 arbeiten mit der Membran 28 zusammen, um ganz oder teilweise eine MEA 38 zu definieren. Um pointiert und prägnant zu bleiben, sind nur ausgewählte Komponenten des Kraftfahrzeuges 10 und des Brennstoffzellensystems 14 gezeigt worden und werden hier zusätzlich detailliert beschrieben. Nichtsdestotrotz können die im Folgenden besprochenen Fahrzeuge, Systeme und Geräte zahlreiche zusätzliche und alternative Merkmale sowie andere kommerziell erhältliche periphere Komponenten enthalten, z.B. zur Ausführung der verschiedenen Protokolle und Algorithmen dieser Offenbarung.
Bei den Diffusionsmedienschichten 30 und 34 handelt es sich um poröse Konstruktionen, die für den Flüssigkeitseinlasstransport zur MEA 38 und den Flüssigkeitsauslasstransport aus der MEA 38 sorgen. Eine Anodenströmungsfeldplatte (oder „erste Bipolarplatte“) 40 ist auf der Anodenseite 24 in anstoßender Beziehung zur Anoden-Diffusionsmedienschicht 30 vorgesehen. In der gleichen Richtung ist eine Kathodenströmungsfeldplatte (oder „zweite Bipolarplatte“) 42 auf der Kathodenseite 26 in anstoßender Beziehung zur Kathodendiffusionsmedienschicht 34 vorgesehen. Die Kühlmittelflusskanäle 44 durchqueren jede der Bipolarplatten 40 und 42, damit Kühlflüssigkeit durch die Brennstoffzelle 22 fließen kann. Entsprechende Flüssigkeitseinlassöffnungen und Verteiler leiten Wasserstoffbrennstoff und Oxidationsmittel zu den Durchgängen in den Anoden- und Kathodenströmungsfeldplatten. Die MEA 38 und die Bipolarplatten 40, 42 können zusammen zwischen den Edelstahl-Klemmplatten 41 und 43 und monopolaren Endplatten (nicht abgebildet) gestapelt werden. Diese Klemmplatten 41, 43 können von den Endplatten durch eine Dichtung oder dielektrische Beschichtung elektrisch isoliert werden (nicht abgebildet). Das Brennstoffzellensystem 14 kann auch eine Anodenrückführung verwenden, bei der ein Anodenrückführgas von einem Auspuffkrümmer durch eine Anodenrückführleitung zur Rückführung von Wasserstoff zurück zum anodenseitigen 24 Eingang geleitet wird, um Wasserstoffgas im Stapel 20 zu konservieren.
Der Wasserstoff (H₂)-Einlassstrom - ob gasförmig, konzentriert, mitgerissen oder nicht - wird von einer Wasserstoff/Stickstoff-Quelle 46 zur Anodenseite 24 des Brennstoffzellenstapels 20 über eine Flüssigkeitseinspritzdüse 47 übertragen, die mit einer (ersten) Flüssigkeitszuleitung oder einem Schlauch 48 verbunden ist. Das Anodenabgas verlässt den Stapel 20 über eine (erste) Flüssigkeitsabfuhrleitung oder einen Schlauch 50; die Anodenabfuhrleitung 50 leitet das Abgas zu einem Abgasnachbehandlungssystem 70. Ein zentraler aktiver Bereich der Bipolarplatte 40 der Anode, der der protonenleitenden Membran 28 gegenüberliegt, kann mit einer Arbeitsfläche hergestellt werden, die ein Anodenströmungsfeld mit serpentinenförmigen Strömungskanälen zur Verteilung von Wasserstoff über eine gegenüberliegende Fläche der Membran 28 aufweist. Ein Kompressor oder eine Pumpe 52 liefert einen Kathodeneinlassstrom, z.B. von Umgebungsluft, deionisiertem Wasser (DI H₂O) und/oder konzentriertem gasförmigem Sauerstoff (O₂), über eine (zweite) Flüssigkeitseinlassleitung oder einen Schlauch 54 zur Kathodenseite 26 des Stapels 20. Kathodenabgase werden aus dem Stapel 20 über eine (zweite) Flüssigkeitsabgasleitung oder einen Schlauch 56 abgegeben; die Kathodenabgasleitung 56 leitet die Abgase zu einem Auspuffkrümmer 58 zur Kombination mit Anodenabgasen vor dem Getriebe-Nachbehandlungssystem 70. Durchflußregelventile, Durchflußbegrenzungen, Filter und andere geeignete Vorrichtungen zur Regelung des Flüssigkeitsstroms können durch das Brennstoffzellensystem14 von 1 implementiert werden. Ein Wasserstoff-Entlüftungsventil 49 z.B. entlüftet oder leitet anderweitig ein dosiertes Volumen des Wasserstoffstroms von der Flüssigkeitszuleitung 48 der Anode zum Kathodeneingang um (z.B. über die Flüssigkeitszuleitung 54). In derselben Ader umgeht oder leitet ein Sauerstoff-Bypassventil 51ein dosiertes Luftvolumen in die eine oder beide Abgasleitungen 50, 56 um oder leitet es auf andere Weise um, so dass die Wasserstoffkonzentration am Auslass verdünnt wird.
Die programmierbare elektronische Steuereinheit (ECU) 60 hilft bei der Steuerung des Betriebs des Brennstoffzellensystems 14. Zum Beispiel empfängt die ECU 60 ein oder mehrere Temperatursignale T1 vom Temperatursensor 62, der die Temperatur des Brennstoffzellenstapels 20 anzeigt; die ECU 60 kann so programmiert werden, dass sie daraufhin ein oder mehrere Steuersignale C1 ausgibt, um den Betrieb des Stapels 20 und/oder des Abgasnachbehandlungssystems 70 zu modulieren. Das Steuergerät 60 in 1 empfängt auch ein oder mehrere Spannungssignale VI vom Spannungssensor 64; das Steuergerät 60 kann so programmiert werden, dass es in Erwiderung darauf ein oder mehrere Steuersignale C2 ausgibt, um den Betrieb der Wasserstoffquelle 46 und/oder des Kompressors/der Pumpe 52 zu modulieren und dadurch die elektrische Leistung des Stapels 20 zu regeln. 1 zeigt auch, dass die ECU 60 ein oder mehrere Flüssigkeitsstandssignale L1 von einem Wasserstandsanzeiger 66empfängt; die ECU 60 kann so programmiert werden, dass sie in Erwiderung darauf ein oder mehrere Steuersignale C3 ausgibt, um den Betrieb des Abgasnachbehandlungssystems 70 zu modulieren. Zusätzliche Sensorsignale S_N können von der ECU 60 empfangen und zusätzliche Steuerbefehle C_N können von der ECU 60 ausgegeben werden, z.B. zur Steuerung eines anderen hier abgebildeten und/oder beschriebenen Teilsystems oder Bauteils. Ein beispielhafter Algorithmus, der von der ECU 60 ausgeführt werden kann, um mitgerissenes Wasser aus dem Brennstoffzellenabgas zu extrahieren, wird weiter unten ausführlicher behandelt. In 1 sind die Pfeile, die von der ECU 60 ausgehen oder sich zu ihr erstrecken, emblematisch für elektronische Signale oder andere Kommunikationsvorgänge, durch die Daten und/oder Steuerbefehle von einer Komponente zur anderen übertragen werden.
Unter weiterer Bezugnahme auf 1 ist das Brennstoffzellensystem 14 mit einem Brennstoffzellen-Abgasnachbehandlungssystem 70 ausgestattet, das flüssiges Wasser aus dem feuchtigkeitsreichen Abgas des/der Brennstoffzellenstapel 20 des Systems extrahieren und übertragen soll. Das in den Zeichnungen dargestellte repräsentative Nachbehandlungssystem 70 besteht aus sechs primären Subsystemkomponenten: einem Abgas-Vorkonditionierer 72, einem Kondensat-Generator 74, einem Zweiphasen-Strömungsabscheider 76, einer Expansionsvorrichtung 78, einem Kondensat-Sammler 80 und einem Flüssigkeitsspeicherbehälter 82. Die in 1 dargestellte Architektur des Nachbehandlungssystems 70 ermöglicht es den Benutzern, flüssiges Wasser, das ein natürliches Nebenprodukt des Stromerzeugungsprozesses der Brennstoffzelle ist, aufzufangen und zu speichern. Das System 70 ermöglicht es dem Benutzer oder, bei voll- oder teilautomatisierten Systemen, einer programmierbaren elektronischen Steuerung, zu entscheiden, wie Wasser erzeugt werden soll. Zu den Vorteilen, die zumindest bei einigen der offengelegten Konzepte zu erwarten sind, gehören eine verbesserte Zuverlässigkeit des Brennstoffzellensystems, eine erhöhte Systemeffizienz, eine verkürzte Startzeit bei Kalt-/Froststarts, verringerte Systememissionen und reduzierte Gesamtsystemkosten. Das System kann auch so eingerichtet werden, dass ein Teil oder der gesamte Abgasstrom um das System 70 herum umgeleitet wird, um den Abgasgegendruck zu verringern oder während des Betriebs bei Frosttemperatur.
Der Abgas-Vorkonditionierer 72 ist ein passives Kühlgerät, das die gekühlten Abgase E_REF , die vom Kondensat-Generator 74 zurückgeführt werden, zur Vorkühlung der eingehenden Brennstoffzellenabgase E_IN , die über das Nachbehandlungssystem 70 von dem/den Brennstoffzellenstapel(n) 20 erhalten werden, zurückführt. In Übereinstimmung mit der repräsentativen Architektur von 1 ist der Abgas-Vorkonditionierer 72 zwischen dem Kondensat-Generator 74 und dem/den Brennstoffzellenstapel(n) 20 zwischengeschaltet, strömungstechnisch stromaufwärts vom Verdampferkern 75des Kondensat-Generators und stromabwärts von den Abgasleitungen 50, 56 und Krümmer 58 des Stapels verbunden. Der Abgas-Vorkonditionierer 72 kann in der Art eines Gas-zu-Gas-Wärmetauschers ausgeführt sein, der zur passiven Kühlung des Abgases ausgelegt ist, das von der Brennstoffzelle 22 abgegeben wird, bevor es vom Kondensat-Generator 74 aufgenommen wird. Obwohl oben als eine der sechs primären Subsystemkomponenten des Abgasnachbehandlungssystems 70 aufgezählt, ist vorgesehen, dass der Abgas-Vorkonditionierer 72 aus der Architektur des Nachbehandlungssystems 70 eliminiert werden kann, z.B. für Anwendungen in gemäßigten oder kühlen Betriebsbedingungen. Darüber hinaus kann der Abgas-Vorkonditionierer 72 innerhalb des beabsichtigten Geltungsbereichs dieser Offenbarung eine Vielzahl verschiedener Formen annehmen, einschließlich passiver Wärmetauscher vom Typ Gas-zu-Gas, Gas-zu-Luft und Gas-zu-Flüssigkeit.
Die Baugruppe des Abgas-Vorkonditionierers 72 von 1 besteht aus einem flüssigkeitsdichten Außengehäuse („Austauschergehäuse“)71 mit einem ersten Satz Luftleitungen 73 (z.B. Kamin-Abgaseinlass- und -auslasssammler), die den Kondensat-Generator 74 mit dem Brennstoffzellenstapel 20 flüssigkeitsdichtverbinden, so dass das ankommende Brennstoffzellenabgas E_IN durch den im Gehäuse 71 untergebrachten Gas/Gas-Wärmetauscher geleitet wird. Das Austauschergehäuse 71 ist auch mit einem zweiten Satz Luftleitungen 77 (z.B. Einlass- und Auslassköpfe für rezykliertes Abgas) ausgestattet, die den Kondensat-Sammler 80 mit einer Abgasleitung 84 fluidisch verbinden, so dass die gekühlten Abgase EREF durch den Gas-zu-Gas-Wärmetauscher und aus dem Brennstoffzellensystem 14 herausströmen. Der Gas/Gas-Wärmetauscher kann im allgemeinen aus einemersten Satz von im wesentlichen parallelen Strömungskanälen 79,die z.B. durch einen ersten Stapel von beabstandeten, dünnen Metallkanälen definiert sind, die die Einlaß- und Auslaßenden des ersten Luftkanals 73 strömungstechnisch verbinden, und einem zweiten Satz von im wesentlichen parallelen Strömungskanälen 81, die z.B. durch einen zweiten Stapel von beabstandeten, dünnen Metallkanälen definiert sind, die die Einlass- und Auslassenden des zweiten Luftkanals 77 strömungstechnisch verbinden, bestehen. Der erste Satz von Strömungskanälen 79 ist wechselseitig parallel zum zweiten Satz von Strömungskanälen 81 und mit diesem verschachtelt (z.B. in einem kreuzförmigen Muster). Bei dieser Konfiguration wird kältemittelgekühltes gasförmiges Abgas aus dem Kondensat-Generator 74 zurückgeführt und durch den Abgas-Vorkonditionierer 72 über die Wärmeleitfähigkeit durch die Trennwände der verschachtelten Kanäle 79, 81 zum „Vorkühlen“ des Abgasaustritts durch den Stapel 20 zurückgeführt. Durch diese passive Kühlung des Brennstoffzellen-Abgases kann das Abgasnachbehandlungssystem 70 das einströmende Abgas ohne zusätzlichen Energieaufwandkühlen und so den Gesamtwirkungsgrad des Systems 70 erhöhen.
Im Gegensatz zur passiven Kühlung durch den Abgas-Vorkonditionierer 72 handelt es sich beim Kondensat-Generator 74 um ein kältemittelbasiertes Wärmeaustauschsystem, das eine aktive Kühlung ermöglicht. In Übereinstimmung mit der repräsentativen Architektur von 1 ist der Kondensat-Generator 74 zwischen dem Abgas-Vorkonditionierer 72 und dem Kondensat-Sammler 80 angeordnet und strömungstechnisch mit dem Gas-zu-Gas-Wärmetauscher verbunden, um die vorkonditionierte Abgas-E_PRC-Leistung von diesem zu erhalten. Die Kondensat-Generator Baugruppe 74 besteht im Allgemeinen aus einem Verdampferkern 75, der mit einer Kältemittelleitung 83 zusammenwirkt, um den Abgas-E_PRC über eine kontrollierte Zirkulation von gekühltem Kältemittelfluid, das von einem Kältemittelsystem 86 erhalten wird, aktiv zu kühlen. Der Verdampferkern 75 ist innerhalb eines wärmeisolierten Außengehäuses („Kerngehäuse“) 85 mit Abgas-Einlass- und Auslassöffnungen 87 bzw. 89 für den Einlass und Auslass des vorkonditionierten Abgas-E_PRC untergebracht. Das Kerngehäuse 85 ist ebenfalls mit Kältemittel-Einlass- und - Auslassöffnungen 91 bzw. 93 für den Einlass und Auslass des Kältemittelfluids ausgestattet.
Während des Brennstoffzellenstapelbetriebs liefert das Kältemittelsystem 86, das aus einem Verdränger- oder hydrodynamischen Kompressor 88 bestehen kann, der mit einem Fluidkondensator 90 operativ gekoppelt ist, Kältemittelfluid (Flüssigkeit und Dampf) mit hohem Druck und niedriger Enthalpie über den Kältemitteleinlassanschluss 91 an den Kondensat-Generator 74. Das kühle Kältemittelfluid zirkuliert durch die Kältemittelleitung 83, während der Abgas-E_PRC durch den Verdampferkern 75 läuft. Das zirkulierende Kältemittel kühlt das vorgekühlte Brennstoffzellenabgas E_PRC ausreichend auf eine Temperatur ab, die die Kondensation des im Abgas mitgerissenen Wasserdampfes induziert. Hochenthalpie, Niederdruck-Kältemittel (Gas) wird danach vom Verdampferkern 75 zum Kältemittelsystem 86 zurückgeführt. Zumindest für einige gewünschte Systemkonfigurationen kann ein Sammlertrockner, der für die Speicherung und Trocknung von Kältemittel ausgelegt ist, in das Kältemittelsystem 86 integriert werden, das sich stromabwärts vom Verflüssiger 90 befindet (z.B. in Anwendungen, die ein TXV oder eXV verwenden). In diesem Zusammenhang kann ein Sammlertrockner zum Sammeln und Trocknen von Kältemittel stromabwärts des Verdichters 88 und stromaufwärts des Verflüssigers 90 angeordnet werden (z.B. in Systemarchitekturen, die ein Blenden- oder Kapillarrohr verwenden). Als weitere Option kann die Expansionsvorrichtung 78 in das Kältemittelsystem 86 eingebaut werden oder, wie gezeigt, als diskretes Teil verpackt werden, das für einen Fahrzeugführer oder Insassen leicht zugänglich ist.
Mit der vorgenannten Systemarchitektur kann der Kondensat-Generator 74 unabhängig vom oder in Zusammenarbeit mit dem Abgas-Vorkonditionierer 72 betrieben werden. Beispielsweise kann das Abgasnachbehandlungssystem 70 in einem passiven Kühlmodus betrieben werden, in dem der Kondensat-Generator 74 deaktiviert und/oder das Kältemittelsystem 86 zur Kühlung eines Fahrzeuginnenraums umgelenkt wird, so dass dem Brennstoffzellenabgas mit Hilfe des Vorkonditionierers 72 Wasser fast ausschließlich auf der Grundlage der Umgebungstemperaturen entzogen wird. Das Nachbehandlungssystem 70 kann auch in einem energieeffizienten Hybrid-Kühlmodus arbeiten, in dem der Kondensat-Generator 74 aktiviert wird, das Kältemittelsystem 86 die Kühlung zwischen dem Nachbehandlungssystem 70 und dem Fahrzeuginnenraum aufteilt und dem Brennstoffzellenabgas auf der Grundlage einer Kombination aus passivem und aktivem Wärmeaustausch Wasser entzogen wird. Als weitere Option kann das Nachbehandlungssystem 70 in einem aktiven Kühlmodus mit hoher Leistung arbeiten, in dem der größte Teil/die gesamte Kompressorleistung zum Kondensat-Generator 74 geleitet wird, um eine maximale H₂O-Abscheidung zu erreichen.
Die Wärmeleistung des Verdampferkerns 75 kann durch eine Expansionseinrichtung 78 moduliert werden, bei der es sich um eine Blende, ein Kapillarrohr, eine pneumatisch gesteuerte Durchflussregeleinrichtung oder ein elektronisches Gerät handeln kann, das durch ein residentes Steuergerät, wie z.B. ein programmierbares ECU 60, geregelt wird. In diesem Sinne kann die Expansionsvorrichtung 78 die Art eines thermostatischen Expansionsventils oder eines reglergesteuerten automatischen Expansionsventils sein, das die Hochdruck- und Niederdruckseite des Kältemittelsystems 86 trennt und gleichzeitig die Geschwindigkeit reguliert, mit der flüssiges Kältemittel in den Verdampferkern 75 fließt. Ein thermostatisches Expansionsventil (TXV) kann ein temperaturempfindliches pneumatisches Steuersystem verwenden, um den Kältemittelfluss zu regulieren, während ein elektronisches Expansionsventil (eXV) einen Schrittmotor, externe Druck- und Temperatursensoren und ein Computersteuersystemverwenden kann, um den Kältemittelfluss zu regulieren. Diese Expansionsvorrichtung 78ermöglicht auch die Modulation des Kältemittelflusses für eine gewünschte Verdampfertemperatur bei einem gegebenen Betriebsdruck (z.B. während instationärer Betriebszustände des Brennstoffzellensystems 14). Zusätzlich trägt die Expansionsvorrichtung 78 dazu bei, sicherzustellen, dass gasförmiges (dampfförmiges) Kältemittelanstelle von flüssigem Kältemittel in den Verdichter 88 zurückgeführt wird. Die ordnungsgemäße Steuerung der Kältemitteltemperatur über die Expansionsvorrichtung 78 trägt auch dazu bei, Temperaturschwankungen über die Verdampferfläche zu reduzieren, um dadurch die Wassersammlung zu maximieren.
Zwischen dem Kondensat-Generator 74 und dem Kondensat-Sammler 80 befindet sich ein Zweiphasen-Strömungsabscheider 76, der passiv die Abscheidung von mitgerissenem Wasser aus dem gekühlten Abgas E_COOL einleitet, das vom Verdampferkern 75 empfangen wird. In Übereinstimmung mit dem abgebildeten Beispiel wird die Baugruppe des Zweiphasen-Strömungsabscheiders 76 mit einem starren Außengehäuse („Abscheidergehäuse“) 95 mit Einlass- und Auslassöffnungen für den Einlass bzw. Auslass der Abgas E_COOL hergestellt. Eine stationäre Spiralschaufel 97 ist innerhalb des Abscheidergehäuses 95 axial langgestreckt und erstreckt sich zwischen den Ein- und Auslassöffnungen des Abscheiders. Diese Spiralschaufel 97 bewirkt, dass sich die gekühlte Abgas E_COOL in einer wirbelartigen Bewegung dreht oder „rührt“; dadurch werden Zentrifugalkräfte auf den Abgas E_COOL -Strom übertragen, um dadurch die Trennung der Gas- und Flüssigkeitsphase in der gekühlten Abgas E_COOL einzuleiten. Der Zwei-Phasen-Strömungsabscheider 76 kann auch dazu beitragen, feste Verunreinigungen und andere Verunreinigungen aus dem Abgasstrom zu entfernen.
Dem Zwei-Phasen-Strömungsabscheider 76 nachgeschaltet ist ein Kondensat-Sammler 80 zum Auffangen und Sammeln des flüssigen Wassers aus dem Abgasstrom und zur selektiven Weiterleitung in den Flüssigkeitsspeicherbehälter 82. Wie gezeigt, ist die Kondensat-Sammler-Baugruppe 80 mit einem flüssigkeitsdichten Außengehäuse („Reservoir-Gehäuse“) 99 mit einem Niveauschalter 101 zur Messung der Menge an Kondensat versehen, die sich als flüssiges Wasser im Boden des Reservoir-Gehäuses 99 angesammelt hat. Das Reservoir-Gehäuse 99 ist mit Einlass- und Auslassöffnungen 103 bzw. 105 ausgebildet, durch die gekühltes Abgas E_COOL vom Kondensat-Generator 74 empfangen und zum Abgas-Vorkonditionierer 72 abgegeben wird. Ein Sumpfanschluss und eine Leitung 107 verbinden den Kondensat-Sammler 80 mit dem Flüssigkeitsspeicherbehälter 82, so dass flüssiges Wasser W_LIQ, das vom Reservoir-Gehäuse 99 gesammelt wird, dazwischen transferiert werden kann. Eine Kondensat-Falle 109, die innerhalb des Reservoir-Gehäuses 99 montiert ist, hat die Aufgabe, mitgerissenes Wasser aus dem gekühlten Abgas E_COOL zu entfernen, gekühlte Abgase E_REF zum Abgas-Vorkonditionierer 72 zur Vorkühlung des einströmenden Abgas E_IN (wie oben beschrieben) zurückzuleiten und das entfernte Wasser zum Boden des Reservoir-Gehäuses 99 umzulenken. Eine Wasserreservoirpumpe 111, die fluidmäßig mit dem Sumpfanschluss 107 verbunden ist, kann wahlweise gesammeltes flüssiges Wasser aus dem Reservoir-Gehäuse 99 zum Flüssigkeitsspeicherbehälter 82 pumpen. Der Betrieb der Wasserbehälterpumpe 111 kann automatisiert werden, z.B. über ECU 60, basierend auf einem über den Niveauschalter 101 erfassten Wasserstand und/oder bei eisigen Umgebungstemperaturen.
In Anlehnung an die Inset-Ansicht von 1 dient der Kondensat-Sammler 80 auch als Schalldämpfungsvolumen zur Minderung von Lärm und Vibrationen, die durch das Abgasnachbehandlungssystem 70 hindurchgehen. Als ein nicht einschränkendes Beispiel kann das Reservoir-Gehäuse 99 so geformt werden, dass es bei einer vorbestimmten Resonanzfrequenz schwingt und dadurch die vom Kältemittelsystem 86 übertragenen Kompressorgeräusche und Vibrationen dämpft. Als weitere oder alternative Option können eine oder mehrere der Flüssigkeitsleitungen, die zur Bildung der Kondensat-Falle 109 verwendet werden, aus einem Satz perforierter Rohre 113 bestehen, die zusammenwirkend so gestaltet sind, dass sie Schallwellen reflektieren und dadurch Schallwellen dämpfen, die sich vom Kältemittelsystem 86 ausbreiten.
Der Flüssigkeitsvorratsbehälter 82 kann im allgemeinen aus einem oder mehreren flüssigkeitsdichten Vorratsbehältern 115 bestehen, in denen eine optionale Wasserabgabepumpe 117 und ein Wasserfilter 119 untergebracht sind, z.B. wenn Trinkwasser gewünscht wird. Die Wasserfilterung kann durch jedes geeignete Mittel erreicht werden, einschließlich eines Filterbeutels aus plissiertem Gewebe oder eines Aktivkohlefilterkanisters. Die Wasserabgabepumpe 117 gibt gespeichertes Wasser ab und kann, wie die Wasserreservoirpumpe 111, bei Frostbedingungen automatisch den Vorratsbehälter 82 entleeren. Der flüssigkeitsdichte Vorratsbehälter 115 ist mit einem manuellen oder elektronischen Ventil 121 versehen, durch das das gespeicherte flüssige Wasser selektiv aus dem Flüssigkeitsvorratsbehälter 82 abgelassen wird. Der Wasserstandsanzeiger 66 gibt Sensorsignale aus, die in Echtzeit das im Vorratsbehälter 82 vorhandene Wasservolumen anzeigen.
Unter Bezugnahme auf das Flussdiagramm von 2 wird ein verbessertes Abgasnachbehandlungsprotokoll zur Extraktion von mitgerissenem Wasser aus dem Abgas eines Brennstoffzellensystems, wie z.B. des Brennstoffzellensystems 14 von 1, eines Fahrzeugs mit Elektroantrieb, wie z.B. des Fahrzeugs 10 von 1, gemäß den Aspekten der vorliegenden Offenbarung im Allgemeinen mit 200 beschrieben. Einige oder alle der in 2 dargestellten und nachstehend näher beschriebenen Vorgänge können repräsentativ für einen Algorithmus sein, der prozessorausführbaren Anweisungen entspricht, die z.B. im Haupt-, Hilfs- oder Fernspeicher gespeichert und z.B. von einem on-board oder off-board Controller, einer Prozessoreinheit, einer Steuerlogikschaltung oder einem anderen Modul oder Gerät oder einem Netzwerk von Modulen/Geräten ausgeführt werden können, um einige oder alle der oben oder unten beschriebenen Funktionen in Verbindung mit den offengelegten Konzepten auszuführen. Es ist zu beachten, dass die Reihenfolge der Ausführung der dargestellten Operationsblöcke geändert, zusätzliche Blöcke hinzugefügt und einige der beschriebenen Blöcke modifiziert, kombiniert oder eliminiert werden können.
Das Verfahren 200 beginnt am Block 201 von 3 mit prozessorausführbaren Befehlen für eine speicherprogrammierbare Steuerung oder ein Steuermodul oder einen ähnlich geeigneten Prozessor, um eine Initialisierungsprozedur für ein Echtzeit-Brennstoffzellen-Abgaswasserentnahmeprotokollaufzurufen. Diese Routine kann in Echtzeit, kontinuierlich, systematisch, sporadisch und/oder in regelmäßigen Abständen, z.B. alle 100 Millisekunden, während des aktiven oder autonomen Fahrzeugbetriebs ausgeführt werden. Als eine weitere Option kann Block 201 in Erwiderung auf eine Benutzeraufforderung von einem Fahrzeuginsassen oder auf ein Broadcast-Prompt-Signal von einem Backend- oder Middleware-Rechenknoten initialisiert werden, der mit dem Sammeln, Analysieren, Sortieren, Speichern und Verteilen von Fahrzeugbefehlen und - daten beauftragt ist. Um dieses Protokoll auszuführen, kann ein Fahrzeugsteuersystem oder eine beliebige Kombination aus einem oder mehreren Teilsystemen so betrieben werden, dass es einschlägige Informationen und Eingaben empfängt, verarbeitet und synthetisiert und Steuerlogik und Algorithmen ausführt, um verschiedene Komponenten des Antriebsstrangsystems, des Heiz-, Lüftungs- und Kühlsystems (HVAC), des Brennstoffzellensystems und/oder des Batteriesystems zu regeln, um die gewünschten Steuerziele zu erreichen.
Von Block 201 zum vordefinierten Prozessblock 203 fortschreitend, beginnt das Verfahren 200 von 2 mit der Wassererfassung unter Verwendung eines Abgaswasserentnahmesystems, wie z.B. Abgasnachbehandlungssystem 70 von 1. Wie oben beschrieben, kann die Brennstoffzellen-Abgaswasserentnahme mit einem passiven Wärmetauscher beginnen, wie z.B. dem Gas-zu-Gas-Wärmetauscher im Abgas-Vorkonditionierer 72 von 1, der das Abgas von einem Brennstoffzellenstapel, wie z.B. dem/den Brennstoffzellenstapel(n) 20, erhält. Der passive Wärmetauscher konditioniert das Abgas vor und leitet dieses gekühlte Abgas an einen aktiven Wärmetauscher weiter. Zum Beispiel empfängt der Kondensat-Generator 74 von 1 die vorkonditionierte Abgas-E_PRC-Ausgabe vom Abgas-Vorkonditionierer 72. Nach Erhalt des vorgekühlten Abgases kühlt der aktive Wärmetauscher das Abgas, z.B. durch kontrollierte Zirkulation eines Kältemittelfluids durch eine Kältemittelleitung innerhalb eines Verdampferkerns. Ein Zyklonphasenabscheider, wie z.B. der Zweiphasen-Strömungsabscheider 76 aus 1, ist mit dem aktiven Wärmetauscher strömungstechnisch verbunden und leitet die Abscheidung von mitgerissenem Wasserdampf aus dem gekühlten Abgas ein.
Der Wasserauffangvorgang des vordefinierten Prozessblocks 203 von 2 kann ferner eine Kondensatauffang- und -sammelvorrichtung umfassen, wie z.B. den Kondensat-Sammler 80 von 1, der das gekühlte Abgas aufnimmt, abgeschiedenen Wasserdampf aus dem gekühlten Abgas auffängt und gleichzeitig den aufgefangenen Wasserdampf als flüssiges Wasser sammelt. Ein flüssigkeitsdichter Behälter, wie z.B. der Flüssigkeitsvorratsbehälter 82, nimmt das gesammelte flüssige Wasser auf und speichert es für die spätere Verwendung, z.B. über einen Fahrzeugantriebsstrang oder ein HVAC-System oder über einen Fahrzeuginsassen oder einen Drittnutzer. Die aus einem Kältemittelsystem erhaltene und in den aktiven Wärmetauscher geleitete Menge an abgaskühlendem Kältemittel kann über eine geeignete Durchflussregeleinrichtung, wie z.B. Expansionseinrichtung 78 von 1, selektiv geregelt werden.
Vor, gleichzeitig mit oder nach der Auslösung der Brennstoffzellen-Abgaswasserentnahme kann ein Benutzer oder eine Systemsteuerung selektiv die Wassermenge modulieren, die durch das Abgaswasserentnahmesystemerfasst und gespeichert wird. Der Input/Output-Block 205 von 2 beinhaltet beispielsweise das Empfangen (z.B. von einem Benutzer über eine geeignete Mensch-Maschine-Schnittstelle (HMI)) oder das Senden (z.B. über ein residentes Fahrzeug-Steuergerät über eine geeignete Netzwerkverbindungsschnittstelle) einer Modusauswahl für das Abgas-Wasserentnahmesystem. Im Entscheidungsblock 207 bestimmt das Verfahren 200, ob der gewählte Modus ein passiver Kühlmodus ist. Ist dies der Fall (Block 207=JA), geht das Verfahren 200 zum Verarbeitungsblock 209 mit prozessorausführbaren Befehlen über, um ein Deaktivierungssignal an die aktive Wärmetauschereinrichtung (z.B. Kondensat-Generator 74) und/oder ein Absperr-Strömungssteuersignal an ein Kältemittelventil (z.B. Expansionseinrichtung 78) zu übertragen, um den Kältemittelstrom zur aktiven Wärmetauschereinrichtung zu unterbrechen. Sobald diese Maßnahmen abgeschlossen sind, kann das Verfahren 200 von 2 vom Prozessblock 209 zum Block 211 fortschreiten und enden oder zum Block 201 zurückschleifen und in einer Endlosschleife laufen.
Wenn festgestellt wird, dass der gewählte Modus keine passive Kühlung ist (Block 207=NO), fährt das Verfahren 200 mit dem Entscheidungsblock 213 fort, um festzustellen, ob der gewählte Modus ein normaler („hybrider“) Kühlmodus ist. Wenn dies der Fall ist (Block 213=JA), fährt das Verfahren 200 mit prozessorausführbaren Befehlen zur Verarbeitung von Block 215 fort, um ein Aktivierungssignal an die aktive Wärmetauschvorrichtung (z.B. Kondensat-Generator 74) und/oder ein Steuersignal für die Aufteilung des Kältemittelstroms an ein Kältemittelventil (z.B. Expansionsvorrichtung 78) zu übertragen, um den Kältemittelstrom zwischen der aktiven Wärmetauschvorrichtung und einem Fahrzeug-Heizkühlsystem, das den Fahrgastraum des Fahrzeugs kühlt und heizt, aufzuteilen. Wenn es sich bei dem gewählten Modus nicht um den normalen („Hybrid“-) Kühlmodus (Block 213=NO) handelt, fährt das Verfahren 200 mit dem Entscheidungsblock 217 fort, um festzustellen, ob es sich bei dem gewählten Modus um einen Modus mit maximaler Wasserentnahme handelt. Wenn dies der Fall ist (Block 217=JA), fährt das Verfahren 200 mit der Verarbeitung von Block 219 mit prozessorausführbaren Befehlen fort, um ein Aktivierungssignal an die aktive Wärmetauschvorrichtung (z.B. Kondensat-Generator 74) und/oder ein Steuersignal für maximalen Durchfluss an ein Kältemittelventil (z.B. Expansionsvorrichtung 78) zu übertragen, um den größten/größten Teil/allen Kältemittelfluss an die aktive Wärmetauschvorrichtung zu übertragen. Sobald die Prozessblöcke 215 oder 219 abgeschlossen sind, geht das Verfahren 200 von 2 bis zum Anschlussblock 211 weiter oder führt zurück zum Anschlussblock 201.
Aspekte dieser Offenbarung können in einigen Ausführungsformen durch ein computerausführbares Befehlsprogramm implementiert werden, wie z.B. Programm-Module, allgemein als Software-Anwendungen oder Anwendungsprogramme bezeichnet, die von einem Controller oder den hier beschriebenen Controller-Varianten ausgeführt werden. Software kann, in nicht einschränkenden Beispielen, Routinen, Programme, Objekte, Komponenten und Datenstrukturen enthalten, die bestimmte Aufgaben ausführen oder bestimmte Datentypen implementieren. Die Software kann eine Schnittstelle bilden, um es einem Computer zu ermöglichen, entsprechend einer Eingabequelle zu reagieren. Die Software kann auch mit anderen Codesegmenten zusammenarbeiten, um in Erwiderung auf Daten, die in Verbindung mit der Quelle der empfangenen Daten empfangen werden, eine Vielzahl von Aufgaben zu initiieren. Die Software kann auf einer Vielzahl von Speichermedien gespeichert werden, wie CD-ROM, Magnetplatte, Blasenspeicher und Halbleiterspeicher (z.B. verschiedene Arten von RAM oder ROM).
Darüber hinaus können Aspekte der vorliegenden Offenbarung mit einer Vielzahl von Computersystem- und Computernetzwerkkonfigurationen praktiziert werden, einschließlich Multiprozessorsystemen, mikroprozessorbasierter oder programmierbarer Unterhaltungselektronik, Minicomputern, Großrechnern und dergleichen. Darüber hinaus können Aspekte der vorliegenden Offenbarung in Umgebungen mit verteilter Datenverarbeitung praktiziert werden, in denen Aufgaben von ortsansässigen und fernverarbeitenden Geräten ausgeführt werden, die durch ein Kommunikationsnetz miteinander verbunden sind. In einer Umgebung mit verteilter Datenverarbeitung können sich die Programmmodule sowohl in lokalen als auch in entfernten Computerspeichermedien einschließlich Speichergeräten befinden. Aspekte der vorliegenden Offenbarung können daher in Verbindung mit verschiedener Hardware, Software oder einer Kombination davon in einem Computersystem oder einem anderen Verarbeitungssystem implementiert werden.
Jedes der hierin beschriebenen Verfahren kann maschinenlesbare Anweisungen zur Ausführung durch enthalten: (a) einem Prozessor, (b) einem für die Verarbeitung Verantwortlichen und/oder (c) jeder anderen geeigneten Verarbeitungseinrichtung. Jeder Algorithmus, jede Software, Steuerlogik, jedes Protokoll oder jedes Verfahren, die hier offengelegt werden, können als Software auf einem greifbaren Medium wie z.B. einem Flash-Speicher, einer CD-ROM, einer Diskette, einer Festplatte, einer Digital Versatile Disk (DVD) oder anderen Speichergeräten gespeichert werden. Der gesamte Algorithmus, die Steuerlogik, das Protokoll oder das Verfahren und/oder Teile davon können alternativ von einer anderen Vorrichtung als einem Controller ausgeführt werden und/oder in Firmware oder dedizierter Hardware in einer verfügbaren Weise verkörpert sein (z.B. implementiert durch eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC), eine programmierbare Logikvorrichtung (PLD), eine feldprogrammierbare Logikvorrichtung (FPLD), diskrete Logik usw.). Darüber hinaus können, obwohl spezifische Algorithmen unter Bezugnahme auf die hier dargestellten Flussdiagramme beschrieben werden, alternativ viele andere Verfahren zur Implementierung der maschinenlesbaren Beispielbefehle verwendet werden.
Aspekte der vorliegenden Offenbarung wurden unter Bezugnahme auf die illustrierten Ausführungsformen ausführlich beschrieben; diejenigen, die sich in dem Fachgebiet auskennen, werden jedoch erkennen, dass viele Änderungen daran vorgenommen werden können, ohne vom Anwendungsbereich der vorliegenden Offenbarung abzuweichen. Die vorliegende Offenbarung beschränkt sich nicht auf den genauen Aufbau und die genauen Zusammensetzungen, die hierin offenbart werden; alle Modifikationen, Änderungen und Variationen, die sich aus den vorstehenden Beschreibungen ergeben, fallen in den Geltungsbereich der Offenbarung, wie er durch die beigefügten Ansprüche definiert ist. Darüber hinaus umfassen die vorliegenden Konzepte ausdrücklich alle Kombinationen und Unterkombinationen der vorstehenden Elemente und Merkmale.

Claims

Ein Abgasnachbehandlungssystem für einen elektrochemischen Brennstoffzellenstapel, der betreibbar ist, um Brennstoff auf Wasserstoffbasis in Elektrizität umzuwandeln, wobei das Abgasnachbehandlungssystem Folgendes umfasst: einen Kondensat-Generator, der so eingerichtet ist, dass er eine Fluidverbindung mit dem Brennstoffzellenstapel herstellt, um Abgasausstoß von diesem zu erhalten, wobei der Kondensat-Generator einen Verdampferkern mit einer Kältemittelleitung enthält, die so eingerichtet ist, dass sie das Abgas über eine gesteuerte Zirkulation eines Kältemittelfluids aktiv kühlt; einen Kondensat-Sammler, der in Fluidverbindung mit dem Kondensat-Generator steht, um von diesem das gekühlte Abgas aufzunehmen, wobei der Kondensat-Sammler ein Reservoir-Gehäuse aufweist, das darin eine Kondensat-Falle enthält, die so eingerichtet ist, dass sie mitgerissenen Wasserdampf von dem gekühlten Abgas abscheidet, wobei das Reservoir-Gehäuse den abgeschiedenen Wasserdampf als flüssiges Wasser sammelt; einen Flüssigkeitsspeicherbehälter, der in Fluidverbindung mit dem Kondensat-Sammler steht, um das gesammelte flüssige Wasser von diesem aufzunehmen und zu speichern; und eine Expansionsvorrichtung, die in Fluidverbindung mit dem Kondensat-Generator steht und so eingerichtet ist, dass sie selektiv eine Menge des Kältemittelfluids reguliert, das von einem Kältemittelsystem empfangen und durch die Kältemittelleitung in den Verdampferkern geleitet wird.
Das Abgasnachbehandlungssystem nach Anspruch 1, ferner umfassend einen Abgas-Vorkonditionierer, der stromaufwärts vom Verdampferkern in Fluidverbindung mit dem Kondensat-Generator steht, wobei der Abgas-Vorkonditionierer einen Gas-zu-Gas-Wärmetauscher enthält, der so eingerichtet ist, dass er den Abgasausstoß aus dem Brennstoffzellenstapel passiv kühlt, bevor er vom Kondensat-Generator aufgenommen wird.
Das Abgasnachbehandlungssystem nach Anspruch 2, wobei der Gas-zu-Gas-Wärmetauscher ein Austauschergehäuse mit einer ersten Luftleitung, die so eingerichtet ist, dass sie den Abgas-Vorkonditionierer mit dem Kondensat-Generator und dem Brennstoffzellenstapel strömungsmäßig verbindet, um den Abgasausstoß des Brennstoffzellenstapels durch den Abgas-Vorkonditionierer zu leiten, und eine zweite Luftleitung umfasst, die den Abgas-Vorkonditionierer mit dem Kondensat-Sammler und einer Abgasleitung strömungsmäßig verbindet, um das gekühlte Abgas getrennt vom Wasserdampf durch diese zu leiten, so dass das gekühlte Abgas den Abgasausstoß vorkühlt.
Das Abgasnachbehandlungssystem nach Anspruch 3, wobei der Gas-zu-Gas-Wärmetauscher ferner einen ersten Satz von im wesentlichen parallelen Strömungskanälen, die mit der ersten Luftleitung strömungstechnisch verbunden sind, und einen zweiten Satz von im wesentlichen parallelen Strömungskanälen, die mit der zweiten Luftleitung strömungstechnisch verbunden und mit dem ersten Satz von parallelen Strömungskanälen verschachtelt sind, aufweist.
Das Abgasnachbehandlungssystem nach Anspruch 1, wobei die Expansionsvorrichtung ein regler-automatisches Expansionsventil, ein thermostatisches Expansionsventil, eine Kapillarrohrvorrichtung und/oder eine Blendenrohrvorrichtung umfasst.
Das Abgasnachbehandlungssystem nach Anspruch 1, wobei der Kondensat-Generator ferner ein Kerngehäuse mit Abgaseinlass- und -auslassöffnungen, die so eingerichtet sind, dass sie den Abgasauslass vom Brennstoffzellenstapel hindurchführen, und Kühlmitteleinlass- und - auslassöffnungen, die so eingerichtet sind, dass sie das Kühlmittelfluid hindurchführen, umfasst.
Das Abgasnachbehandlungssystem nach Anspruch 1, wobei das Reservoir-Gehäuse Behältereinlass- und -auslassöffnungen, die so eingerichtet sind, dass der gekühlte Abgasauslass vom Kondensat-Generator durch sie hindurchgeht, und eine Sumpföffnung umfasst, die mit dem Flüssigkeitsspeicherbehälter in Fluidverbindung steht und so eingerichtet ist, dass sie das vom Reservoir-Gehäuse gesammelte flüssige Wasser ausgibt.
Das Abgasnachbehandlungssystem nach Anspruch 6, wobei der Kondensat-Sammler ferner eine Wasserpumpe umfasst, die in Fluidverbindung mit dem Sumpfanschluss steht und so eingerichtet ist, dass sie das gesammelte flüssige Wasser selektiv aus dem Reservoir-Gehäuse in den Flüssigkeitsspeicherbehälter pumpt.
Das Abgasnachbehandlungssystem nach Anspruch 6, wobei das Reservoir-Gehäuse so eingerichtet ist, dass es Geräusche und Vibrationen, die durch das Abgasnachbehandlungssystem hindurchgehen, dämpft.
Das Abgasnachbehandlungssystem nach Anspruch 9, wobei das Reservoir-Gehäuse einen Satz perforierter Rohre darin enthält, die zusammenwirkend so ausgelegt sind, dass sie Schallwellen, die durch das Kühlsystem erzeugt werden, reflektieren und dadurch dämpfen.