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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem, welches einen Stack mit zumindest einer Brennstoffzelle, eine Abgasanlage zum Abführen von im Betrieb des Stacks entstehendem Abgas sowie eine Kühleinrichtung zum Kühlen des Stacks aufweist.
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Im Betrieb einer Brennstoffzelle werden der Brennstoffzelle ein Kathodengas und ein Brennstoff zugeführt. Dabei entsteht ein wasserhaltiges Abgas. Brennstoffzellen liegen üblicherweise als sogenannte Stacks vor, in denen mehrere einzelne Brennstoffzellen zusammengefasst sind. Zum Zuführen des Kathodengases und zum Abführen des im Betrieb entstehenden Abgases sind in einem zugehörigen Brennstoffzellensystem eine Kathodengaszuführanlage sowie eine Abgasanlage vorgesehen. Im Betrieb der Brennstoffzellen entsteht dabei Wärme, die eine bedarfsgerechte Kühlung der Brennstoffzelle, insbesondere des Stacks, erforderlich macht. Zu diesem Zweck ist es bekannt, das Brennstoffzellensystem mit einer Kühleinrichtung auszustatten, welche einen Kreislauf aufweist, in dem ein Kühlmittel zirkuliert, um den Stack zu kühlen.
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Es ist bekannt, zur Erhöhung der Kühlleistung eines Kühlers den Kühler mit Wasser zu berieseln. In der
DE 10 2016 106 919 A1 ist ein Verfahren zum Betreiben einer Berieselungseinrichtung eines Ladeluftkühlers für einen Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeugs offenbart, wobei die Berieselung des Ladeluftkühlers mit Wasser abhängig von Temperaturen im zugehörigen Kraftfahrzeug erfolgt. Weitere Berieselungseinrichtungen für Kraftfahrzeuge sind aus
DE 10 2008 051 368 A1 ,
US 4771822 A ,
US 4215753 A ,
KR 100634870 B1 ,
DE 19 637 926 A1 ,
US 5101775 A ,
US 6298809 B1 ,
DE 2 358 631 A1 ,
US 4494384 A ,
DE 10 2017 209 735 A1 ,
DE 11 2007 001 422 B4 ,
FR 2833803 A1 und
DE 10 2010 036 502 A1 bekannt.
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Ein Brennstoffzellensystem in einem Kraftfahrzeug ist aus der
DE 10 2017 002 471 A1 bekannt. Hierbei ist in der Abgasanlage ein Kondensator zum Kondensieren des Abgases eingebunden. Der Kondensator weist einen Sammelbereich auf, in welchem sich beim Kondensieren des Abgases anfallendes Wasser sammelt. Eine Kühleinrichtung zum Kühlen des Stacks weist einen Kühlmittelkühler auf, mit dem das durch einen Kreislauf zirkulierende Kühlmittel gekühlt wird, wobei das Kühlmittel zum Kühlen des Stacks eingesetzt wird. Das Brennstoffzellensystem weist zudem eine Berieselungseinrichtung auf, mit der der Kühlmittelkühler mit Wasser berieselt wird, um die Kühlleistung zu erhöhen. Dieses Wasser stammt aus dem Sammelbereich des Abgaskondensators, wobei die Berieselungseinrichtung bezüglich der Schwerkraft unterhalb des Sammelbereiches angeordnet ist, sodass das Wasser aus dem Sammelbereich gravitationsbedingt in Richtung von Auslässen der Berieselungseinrichtung strömt. Somit entfällt eine Fördereinrichtung der Berieselungseinrichtung. Nachteilig hierbei ist, dass die Berieselungseinrichtung auf diese Weise lediglich dann mit Wasser versorgt wird, wenn eine entsprechende relative Anordnung des Kühlmittelkühlers zum Sammelbereich gegeben ist. Zudem können bei entsprechenden Stellungen des zugehörigen Kraftfahrzeugs Unterbrechungen der Wasserversorgung der Berieselungseinrichtung auftreten.
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Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit der Aufgabe, für ein Brennstoffzellensystem der eingangs genannten Art eine verbesserte oder zumindest andere Ausführungsform anzugeben, die sich insbesondere durch eine erhöhte Gesamteffizienz und/oder kostengünstige Herstellung auszeichnet.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, in einem Brennstoffzellensystem im Abgas einer Brennstoffzelle vorhandenes Wasser mit einer Berieselungseinrichtung zum Berieseln eines Kühlers zum Kühlen der Brennstoffzelle einzusetzen und das Wasser mit Hilfe einer Zahnradpumpe der Berieselungseinrichtung in Richtung des Kühlers zu fördern. Somit kann der Kühler bedarfsgerecht und unabhängig von der relativen Lage einzelner Bestandteile des Brennstoffzellensystems mit Wasser berieselt werden. Genutzt wird zudem die Erkenntnis, dass die Leistungssteigerung des Kühlers einer genau dosierten Berieselung bedarf. Die Zahnradpumpe hat hierbei den Vorteil, dass sich der von ihr geförderte Volumenstrom durch den Antrieb der Zahnradpumpe präzise einstellen lässt. Somit wird ein entsprechend präzises Berieseln des Kühlers durch den Antrieb der Zahnradpumpe an sich ermöglicht und folglich die Gesamteffizienz des Brennstoffzellensystems bei reduziertem Aufwand gesteigert. Der Einsatz der Zahnradpumpe erlaubt es ferner, auf die Verwendung von ansonsten zusätzlichen Bestandteilen wie Ventilen in der Berieselungseinrichtung zu verzichten oder deren Anzahl zumindest zu reduzieren. Folglich ist die Berieselungseinrichtung durch den Einsatz der Zahnradpumpe vereinfacht konstruiert und kostengünstiger hergestellt.
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Dem Erfindungsgedanken entsprechend weist das Brennstoffzellensystem einen Stack mit zumindest einer Brennstoffzelle auf. Zudem weist das Brennstoffzellensystem eine Abgasanlage zum Abführen von im Betrieb im Stack entstehendem Abgas auf. Die Abgasanlage weist einen eingebundenen Kondensator zum Kondensieren des Abgases auf, der nachfolgend auch als Abgaskondensator bezeichnet wird. Im Betrieb kondensiert also das Abgas des Stacks im Abgaskondensator, wobei Wasser anfällt, das nachfolgend auch als Kondenswasser bezeichnet wird. Das Brennstoffzellensystem weist ferner eine Kühleinrichtung zum Kühlen des Stacks auf. Die Kühleinrichtung weist einen Kreislauf auf, in welchem im Betrieb ein Kühlmittel zirkuliert. Das Kühlmittel dient dem Kühlen des Stacks. Folglich ist der Stack im Kreislauf eingebunden, sodass das Kühlmittel den Stack im Betrieb kühlt. Im Kreislauf ist ferner der Kühler zum Kühlen des Kühlmittels eingebunden, der nachfolgend auch als Kühlmittelkühler bezeichnet wird. Der Kühlmittelkühler weist zumindest einen Kanalkörper auf, durch den ein Strömungspfad des Kühlmittels, nachfolgend auch Kühlmittelpfad genannt, führt. Zudem ist der zumindest eine Kanalkörper im Strömungspfad eines Kühlgases angeordnet, der nachfolgend auch als Kühlgaspfad bezeichnet wird. Dabei sind der Kühlmittelpfad und der Kühlgaspfad fluidisch voneinander getrennt, sodass im Betrieb das Kühlmittel vom Kühlgas fluidisch getrennt Wärme auf das Kühlgas überträgt und somit gekühlt wird. Das Brennstoffzellensystem weist ferner die Berieselungseinrichtung zum Einbringen von Wasser in den Kühlgaspfad auf. Die Berieselungseinrichtung weist zu diesem Zweck zumindest einen in den Kühlmittelkühler mündenden Auslass auf, der nachfolgend auch als Berieselungsauslass bezeichnet wird. Der Berieselungsauslass ist derart angeordnet und/oder ausgestaltet, dass im Betrieb über den zumindest einen Berieselungsauslass Wasser in den Kühlgaspfad gelangt. Die Berieselungseinrichtung ist ferner fluidisch mit dem Abgaskondensator so verbunden, dass Wasser aus dem Abgaskondensator zum zumindest einen Berieselungsauslass, insbesondere in die Berieselungseinrichtung, gelangt. Zu diesem Zweck weist die Berieselungseinrichtung einen Zuführpfad auf, der nachfolgend auch als Kondenswasserzuführpfad bezeichnet wird, wobei der Kondenswasserzuführpfad fluidisch mit dem Abgaskondensator verbunden ist. Zum Fördern des aus dem Abgaskondensator stammenden Wasser in Richtung des zumindest einen Berieselungsauslasses und somit zum Berieseln des Kühlmittelkühlers weist die Berieselungseinrichtung die Zahnradpumpe auf. Im Betrieb fördert die Zahnradpumpe aus dem Abgaskondensator stammendes Wasser in Richtung des zumindest einen Berieselungsauslasses und berieselt somit den Kühlmittelkühler.
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Es versteht sich, dass das Wasser, mit dem der Kühlmittelkühler berieselt wird, außer dem vom Abgaskondensator stammenden Wasser auch andere Bestandteile enthalten kann.
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Die Berieselungseinrichtung weist bevorzugt mehrere Berieselungsauslässe auf. Dies führt zu einem verbesserten und/oder gleichmäßigerem Berieseln des Kühlers. Die Berieselungsauslässe können dabei in einem Netz und/oder Gitter der Berieselungseinrichtung vorgesehen sein.
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Als besonders bevorzugt gelten Ausführungsformen, bei denen die Zahnradpumpe selbsthemmend ausgestaltet ist. Das heißt, dass die Zahnradpumpe ein Fluid, insbesondere das Wasser, durch aktives Antreiben, beispielsweise mit einem Elektromotor, fördert. Beim Unterbleiben des aktiven Antreibens sperrt die Zahnradpumpe demgegenüber eine Fluidsperrung über die Zahnradpumpe. Somit können anderweitige Absperrungen von Strömungen in der Berieselungseinrichtung entfallen und auf den Einsatz von Ventilen verzichtet oder deren Anzahl zumindest reduziert werden. Folglich sind die Konstruktion der Berieselungseinrichtung vereinfacht und die Herstellung kostengünstiger.
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Vorteilhaft ist die Zahnradpumpe, insbesondere eine Pumpenmechanik der Zahnradpumpe in einem Gehäuse, insbesondere einem Kunststoffgehäuse, integriert. Somit ergibt sich der Vorteil, dass auf eine entsprechende Verbindung von fluidischen Verbindungen und somit auch auf deren Abdichtung verzichtete oder diese zumindest reduziert werden können.
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Das Gehäuse der Zahnradpumpe kann insbesondere in einem Wasserbehälter der Berieselungseinrichtung zum Speichern von Wasser ausgebildet sein oder dem Wasserbehälter entsprechen. Folglich sind Ausführungsformen bevorzugt, bei denen die Zahnradpumpe im Wasserbehälter der Berieselungseinrichtung integriert ist. Dies führt zu einer Reduzierung der benötigten fluidischen Verbindungen sowie einer Reduzierung von Dichtungen in der Berieselungseinrichtung. In der Folge sind die Konstruktion der Berieselungseinrichtung vereinfacht und die Herstellung kostengünstiger. Zudem kann die Berieselungseinrichtung auf diese Weise kompakter ausgebildet werden.
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Der Wasserbehälter dient vorteilhaft dem Speichern von aus dem Abgaskondensator stammendem Wasser. Der Wasserbehälter ist zweckmäßig mit dem zumindest einen Berieselungsauslass, insbesondere mit dem Kondenswasserzuführpfad, fluidisch verbunden, sodass im Abgaskondensator anfallendes Wasser in den Wasserbehälter gelangen und mit der Zahnradpumpe zum zumindest einen Berieselungsauslass gefördert werden kann. Dabei ist die Zahnradpumpe ist im Wasserbehälter integriert. Das heißt, dass die Zahnradpumpe im Wasserbehälter aufgenommen ist. Insbesondere ist die Zahnradpumpe zumindest teilweise innerhalb des Wasserbehälters angeordnet.
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Beim Wasserbehälter kann es sich um einen solchen des Abgaskondensators handeln. Das heißt, dass der Wasserbehälter am Abgaskondensator angeordnet, insbesondere ausgebildet sein kann. In diesem Fall verläuft der Kondenswasserzuführpfad zwischen der Zahnradpumpe und dem zumindest einen Berieselungsauslass.
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Der Wasserbehälter kann auch ein vom Abgaskondensator separater Bestandteil sein. In diesem Fall verbindet der Kondenswasserzuführpfad den Abgaskondensator fluidisch mit dem Wasserbehälter, so dass Wasser aus dem Abgaskondensator in den Wasserbehälter gelangen kann. Zudem weist die Berieselungseinrichtung einen den Wasserbehälter, insbesondere die Zahnradpumpe, mit dem zumindest einen Berieselungsauslass fluidisch verbindenden Strömungspfad aufweist, der nachfolgend auch als Wasserzuführpfad bezeichnet wird.
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Der Wasserbehälter ermöglicht es, in der Berieselungseinrichtung Wasser zu sammeln, um das gesammelte Wasser bei Bedarf zum Berieseln des Kühlmittelkühlers einzusetzen. Der Wasserbehälter ermöglicht es somit, den Kühlmittelkühler unabhängiger vom unmittelbar im Abgas vorhandenem Wasser zu berieseln und führt folglich zu einer Verbesserung der bedarfsgerechten Kühlung des Stacks.
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Vorstellbar ist es, auf einen Wasserbehälter zu verzichten, sodass die Berieselungseinrichtung frei von Wasserbehältern ist. In diesem Fall ist die Zahnradpumpe im Kondenswasserzuführpfad angeordnet, welcher den Abgaskondensator fluidisch mit dem zumindest einen Berieselungsauslass verbindet. Da eine steigende Kühlleistung des Kühlmittelkühlers in der Regel bei steigenden Leistungsanforderungen an den Stack benötigt wird und der Stack bei steigenden Leistungen mehr Abgas und somit Wasser erzeugt, kann somit auch ohne den Einsatz eines Wasserbehälters eine ausreichende Versorgung der Berieselungseinrichtung mit im Abgaskondensator anfallenden Wassers erfolgen. In diesem Fall ist die Berieselungseinrichtung kostengünstiger und einfacher sowie bauraumsparender.
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Vorstellbar ist es, das Gehäuse der Zahnradpumpe am Kühlmittelkühler zu integrieren. Bevorzugt ist das Gehäuse der Zahnradpumpe an einem Kasten des Kühlmittelkühlers zum Sammeln und/oder Verteilen des Kühlmittels ausgeformt. Zweckmäßig ist dabei ein vom Gehäuse begrenztes Volumen, in welchem die Zahnradpumpe, insbesondere die Pumpenmechanik, angeordnet ist, fluidisch vom Kühlmittelpfad getrennt. Somit ist die Berieselungseinrichtung besonders kompakt.
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Vorteilhaft ist der Kasten aus Kunststoff. Dies erlaubt ein besonders einfaches Ausbilden des Gehäuses.
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Bei bevorzugten Ausführungsformen erfolgt mit Hilfe der Zahnradpumpe bei Bedarf zusätzlich ein Entleeren der Berieselungseinrichtung von Wasser. Somit wird insbesondere verhindert, dass das Wasser in der Berieselungseinrichtung bei niedrigen Temperaturen gefriert und zu Beschädigungen der Berieselungseinrichtung und/oder des Kühlmittelkühlers führt. Dementsprechend ist das Brennstoffzellensystem entsprechend ausgestaltet. Dabei wird in einem Entleerungsbetrieb das Wasser aus dem Kondenswasserzuführpfad in Richtung des Abgaskondensators und/oder des zumindest einen Berieselungsauslasses gefördert, sodass die Berieselungseinrichtung nach dem Entleerungsbetrieb von Wasser entleert ist.
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Das Brennstoffzellensystem, insbesondere die Berieselungseinrichtung, kann eine Ventileinrichtung zum Freigeben und Sperren von Strömungen in der Berieselungseinrichtung aufweisen. Die Ventileinrichtung kommt dabei insbesondere zum Entleeren der Berieselungseinrichtung zum Einsatz. Die Ventileinrichtung ist derart ausgestaltet, dass sie in der Berieselungseinrichtung zumindest eine fluidische Verbindung wahlweise freigibt und sperrt. Dementsprechend weist die Ventileinrichtung zumindest ein Ventil auf.
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Vorteilhaft ist es, wenn die Ventileinrichtung ein Ventil aufweist, welches die fluidische Verbindung zwischen dem Wasserbehälter und dem zumindest einen Berieselungsauslass wahlweise sperrt und freigibt. Mit dem Ventil, nachfolgend auch als erstes Ventil bezeichnet, ist es also möglich, trotz des aktiven Antreibens der Zahnradpumpe eine Strömung zwischen dem Wasserbehälter und dem zumindest einen Berieselungsauslass zu sperren. Dies erlaubt es beispielsweise, den Wasserbehälter zu entleeren, ohne dass das Wasser aus dem Wasserbehälter zum zumindest einen Berieselungsauslass strömt.
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Bevorzugt ist es, wenn die Berieselungseinrichtung einen Ablasspfad zum Ablassen von im Wasserbehälter gespeichertem Wasser in die Umgebung und somit Entleeren des Wasserbehälters aufweist. Dabei ist es vorteilhaft, wenn die Ventileinrichtung ein Ventil aufweist, welches eine Strömung vom Wasserbehälter über den Ablasspfad in die Umgebung wahlweise sperrt und freigibt. Mit diesem Ventil, nachfolgend auch als zweites Ventil bezeichnet, ist es also möglich, beim aktiven Antreiben der Zahnradpumpe das Wasser aus dem Wasserbehälter zu entleeren. In Kombination mit dem ersten Ventil kann zugleich eine Strömung von Wasser zum zumindest einen Berieselungsauslass verhindert, dass Wasser im Wasserbehälter also ausschließlich über den Ablasspfad entleert werden. Umgekehrt kann zum Berieseln des Kühlmittelkühlers und somit in einem Berieselungsbetrieb die Strömung von Wasser über den Ablasspfad gesperrt und zum zumindest einen Berieselungsauslass freigegeben werden.
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Vorstellbar ist es, in einem ersten Entleerungsbetrieb die Ventileinrichtung derart einzustellen und die Zahnradpumpe derart anzutreiben, dass die Zahnradpumpe Wasser aus dem Wasserbehälter und dem Kondenswasserzuführpfad in Richtung der Abgasanlage fördert. Zudem werden in einem zweiten Entleerungsbetrieb die Ventileinrichtung derart eingestellt und die Zahnradpumpe derart angetrieben, dass die Zahnradpumpe Wasser aus dem Wasserzuführpfad in Richtung des zumindest einen Berieselungsauslasses fördert. Die Entleerungsbetriebe werden dabei so durchgeführt, dass nach dem ersten Entleerungsbetrieb und dem zweiten Entleerungsbetrieb die Berieselungseinrichtung von Wasser entleert ist. Es versteht sich hierbei, dass der erste Entleerungsbetrieb und der zweite Entleerungsbetrieb auch in umgekehrter Reihenfolge durchgeführt werden können.
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Zum Entleeren der Berieselungseinrichtung von Wasser kann auch eine von der Zahnradpumpe separate Fördereinrichtung des Brennstoffzellensystems zum Fördern eines Gases zum Einsatz kommen. Beim Einsatz des Brennstoffzellensystems in einem Kraftfahrzeug kann es sich dabei um eine Fördereinrichtung des Kraftfahrzeugs handeln, die im Betrieb ein Gas fördert.
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Die Fördereinrichtung ist bevorzugt eine solche, die primär das Gas für eine von der Berieselungseinrichtung separate Anwendung fördert. Dementsprechend weist das Brennstoffzellensystem einen von der Berieselungseinrichtung separaten Hauptpfad der separaten Anwendung auf, in dem die Fördereinrichtung zum Fördern eines Gases angeordnet ist. Ein Gaszuführpfad der Berieselungseinrichtung ist druckseitig der Fördereinrichtung mit dem Hauptpfad verbunden, sodass über den Gaszuführpfad Gas vom Hauptpfad abgezweigt werden kann. Dabei weist die Ventileinrichtung zweckmäßig ein Ventil, nachfolgend auch drittes Ventil genannt, auf, welches eine Strömung zwischen dem Hauptpfad und dem Gaszuführpfad wahlweise sperrt und freigibt.
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Bevorzugt wird dabei in einem ersten Entleerungsbetrieb die Ventileinrichtung derart eingestellt, dass die Fördereinrichtung Wasser aus dem Kondenswasserzuführpfad in Richtung der Abgasanlage und aus der Berieselungseinrichtung fördert. In einem zweiten Entleerungsbetrieb ist die Ventileinrichtung derart eingestellt, dass die Fördereinrichtung Wasser aus dem Wasserzuführpfad in Richtung des zumindest einen Berieselungsauslasses und aus der Berieselungseinrichtung fördert. Es versteht sich hierbei, dass der erste Entleerungsbetrieb und der zweite Entleerungsbetrieb auch in umgekehrter Reihenfolge durchgeführt werden können. Auch ist es vorstellbar, den ersten und zweiten Entleerungsbetrieb gemeinsam durchzuführen.
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Zum Betreiben des Brennstoffzellensystems, insbesondere zum Wechseln zwischen den Betriebsmodi, weist das Brennstoffzellensystem eine Steuereinrichtung auf, die entsprechend ausgestaltet ist. Die Steuereinrichtung ist zweckmäßig mit der Ventileinrichtung kommunizierend verbunden, sodass die Steuereinrichtung das zumindest eine Ventil der Ventileinrichtung im Betrieb verstellt. Zudem kann die Steuereinrichtung mit der Zahnradpumpe und/oder der Fördereinrichtung kommunizierend verbunden sein, so dass die Steuereinrichtung die Zahnradpumpe und/oder der Fördereinrichtung im Betrieb steuert, insbesondere die jeweilige Förderleistung ändern kann. Insbesondere kann die Steuereinrichtung die Förderrichtung der Zahnradpumpe ändern.
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Die Ventile der Ventileinrichtung können, wie vorstehend beschrieben, eine Strömung wahlweise freigeben und sperren. Selbstverständlich ist unter Freigeben auch ein teilweises Freigeben zu verstehen. Das heißt, dass beim jeweiligen Freigeben zumindest zwei Freigabezustände möglich sein können, mit denen unterschiedliche Volumenströme und/oder durchströmbare Querschnitte freigegeben werden.
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Das Brennstoffzellensystem kann, wie vorstehend erwähnt, Bestandteil eines Kraftfahrzeugs sein. Dabei kommt der Stack insbesondere zum Antreiben des Kraftfahrzeugs zum Einsatz.
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Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Komponenten beziehen.
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Es zeigen, jeweils schematisch, stark vereinfacht und schaltplanartig
- 1 ein Brennstoffzellensystem mit einer Berieselungseinrichtung,
- 2 eine Teilansicht des Brennstoffzellensystems im Bereich der Berieselungseinrichtung,
- 3 eine Teilansicht des Brennstoffzellensystems im Bereich der Berieselungseinrichtung bei einem anderen Ausführungsbeispiel,
- 4 eine Teilansicht des Brennstoffzellensystems im Bereich der Berieselungseinrichtung bei einem weiteren Ausführungsbeispiel,
- 5 eine Teilansicht des Brennstoffzellensystems im Bereich der Berieselungseinrichtung bei einem weiteren Ausführungsbeispiel,
- 6 eine Teilansicht des Brennstoffzellensystems im Bereich der Berieselungseinrichtung bei einem weiteren Ausführungsbeispiel,
- 7 eine Teilansicht des Brennstoffzellensystems bei einem anderen Ausführungsbeispiel.
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Ein Brennstoffzellensystem 1, wie es beispielsweise in den 1 bis 7 gezeigt ist, weist einen Stack 2 mit zumindest einer Brennstoffzelle 3 auf. Das Brennstoffzellensystem 1 kommt beispielsweise in einem Kraftfahrzeug 4 zum Einsatz, wobei der Stack 2 dem Antrieb des Kraftfahrzeugs 4 dienen kann. Der Stack 2 weist üblicherweise zwei oder mehr Brennstoffzellen 3 auf. Im Betrieb benötigt der Stack 2 einen Brennstoff sowie ein Kathodengas, beispielsweise Luft. Der Brennstoff wird dem Stack 2 über eine nicht gezeigte Brennstoffzuführanlage zugeführt. Das Kathodengas wird dem Stack 2 mit Hilfe einer Kathodengaszuführanlage 5 zugeführt. Zum Fördern des Kathodengases zum Stack 2 weist die Kathodengaszuführanlage 5 eine Fördereinrichtung 6 auf, die nachfolgend auch als Kathodengasfördereinrichtung 6 bezeichnet wird. Die Kathodengaszuführanlage 5 weist zudem und wie insbesondere in 1 gezeigt vorzugsweise eine Filtereinrichtung 7 zum Filtern des Kathodengases auf, wobei die Filtereinrichtung 7 bevorzugt stromauf der Kathodengasfördereinrichtung 6 angeordnet ist. Im Betrieb des Stacks 2 entsteht Abgas, das wasserhaltig ist, insbesondere Dampf. Dieses Abgas wird mit Hilfe einer Abgasanlage 8 des Brennstoffzellensystems 1 abgeführt. Im Betrieb des Stacks 2 entsteht ferner Wärme, sodass im Betrieb des Brennstoffzellensystems 1 eine Kühlung des Stacks 2 erforderlich sein kann. Zum Kühlen des Stacks 2 weist das Brennstoffzellensystem 1 eine Kühleinrichtung 8 auf. Die Kühleinrichtung 8 weist einen lediglich in 1 vereinfacht dargestellten Kühlkreis 9 auf, durch den im Betrieb ein Kühlmittel zirkuliert. Der Stack 2 ist derart im Kreislauf 9 eingebunden, dass er im Betrieb durch das Kühlmittel gekühlt wird. Zum Kühlen des Kühlmittels weist die Kühleinrichtung 8 einen Kühler 10 auf, der nachfolgend auch als Kühlmittelkühler 10 bezeichnet wird. Der Kühlmittelkühler 10 ist ebenfalls im Kühlkreis 9 eingebunden und im Betrieb vom Kühlmittel durchströmt. Die Kühleinrichtung 8 weist zweckmäßig weitere Bestandteile, beispielsweise eine Fördereinrichtung 11 zum Fördern des Kühlmittels durch den Kühlkreis 9, hier auch Kühlmittelfördereinrichtung 11 genannt, auf, welche im Kühlkreis 9 eingebunden sind. Zum Kühlen des Kühlmittels kommt ein Kühlgas zum Einsatz, das den Kühlmittelkühler 10 entlang eines zugehörigen Strömungspfads 12 (vgl. 1), nachfolgend auch Kühlgaspfad 12 genannt, vom Kühlmittel fluidisch getrennt durchströmt. Wie insbesondere 2 entnommen werden kann, weist der Kühlmittelkühler 10 zumindest einen Kanalkörper 13, vorzugsweise mehrere Kanalkörper 13, auf, durch welche ein Strömungspfad 14 des Kühlmittels, nachfolgend auch als Kühlmittelpfad 14 bezeichnet (vgl. 1), jeweils führt. Der zumindest eine Kanalkörper 13 ist im Kühlgaspfad 12 angeordnet, sodass im Kühlmittelkühler 10 das Kühlmittel über den zumindest einen Kanalkörper 13, vom Kühlgas fluidisch getrennt, Wärme auf das Kühlgas überträgt und somit gekühlt wird. Zur Verbesserung der Kühlung des Kühlmittels weist das Brennstoffzellensystem 1 zudem eine Berieselungseinrichtung 15 auf, mit welcher im Kühlmittelkühler 10 Wasser in den Kühlgaspfad 12 eingebracht und der Kühlmittelkühler 10, insbesondere der zumindest eine Kanalkörper 13, somit berieselt wird. Zu diesem Zweck weist die Berieselungseinrichtung 15 zumindest einen in den Kühlmittelkühler 10 mündenden Auslass 16 auf, der nachfolgend auch als Berieselungsauslass 16 bezeichnet wird. Zweckmäßig ist der zumindest eine Berieselungsauslass 16 derart angeordnet, dass das Wasser bezüglich des Kühlgaspfads 12 stromauf des zumindest einen Kanalkörpers 13 in den Kühlgaspfad 12 eingebracht wird. Wie insbesondere 2 entnommen werden kann, weist die Berieselungseinrichtung 15 dabei mehrere solche Berieselungsauslass 16 auf. Somit erfolgt eine gleichmäßige und/oder großflächige Verteilung des berieselten Wassers.
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Das zum Betrieb der Berieselungseinrichtung 15 zum Berieseln eingesetzte Wasser stammt zumindest teilweise vom im Stack 2 entstehenden Abgas. Das Brennstoffzellensystem 1 weist dabei eine Abgasanlage 17 auf, das dem Abführen des Abgases dient. In der Abgasanlage 17 ist ein Kondensator 18 zum Kondensieren des Abgases, nachfolgend auch als Abgaskondensator 18 bezeichnet, eingebunden. Die Berieselungseinrichtung 15 ist über einen den Abgaskondensator 18 mit der Berieselungseinrichtung 15 fluidisch verbindenden Strömungspfad 19, nachfolgend auch als Kondenswasserzuführpfad 19 bezeichnet, mit dem Abgaskondensator 18 verbunden, sodass in dem Abgaskondensator 18 anfallendes Kondenswasser über den Kondenswasserzuführpfad 19 in die Berieselungseinrichtung 15 gelangen und zum zumindest einen Berieselungsauslass 16 gefördert werden kann.
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Zum Fördern des Wassers in Richtung des zumindest einen Berieselungsauslasses 16 weist die Berieselungseinrichtung 15 eine Zahnradpumpe 20 auf. Die Zahnradpumpe 20 wird von einer nicht gezeigten Antriebeinrichtung, beispielweise von einem Elektromotor, angetrieben. In den gezeigten Ausführungsbeispielen und bevorzugt ist die Zahnradpumpe 20 derart ausgestaltet, dass sie Fluid, insbesondere Wasser, in beiden Richtungen fördern kann. Dies erfolgt durch einen entsprechenden Antrieb der Zahnradpumpe 20 in unterschiedlichen Richtungen mit der Antriebseinrichtung. Zudem ist die Zahnradpumpe 20 in den gezeigten Ausführungsbeispielen und bevorzugt selbthemmend. Wird die Zahnradpumpe 20 also mit der Antriebseinrichtung nicht aktiv angetrieben, sperrt sie eine Strömung über die Zahnradpumpe 20.
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In den gezeigten Ausführungsbeispielen weist die Berieselungseinrichtung 15 ferner einen Behälter 21 zum Speichern von Wasser auf, der nachfolgend auch als Wasserbehälter 21 bezeichnet wird. In den gezeigten Ausführungsbeispielen verbindet der Kondenswasserzuführpfad 19 den Abgaskondensator 18 fluidisch mit dem Wasserbehälter 21, sodass Kondenswasser aus dem Abgaskondensator 18 in den Wasserbehälter 21 strömen kann. Zudem verbindet ein Strömungspfad 22 den Wasserbehälter 21 mit dem zumindest einen Berieselungsauslass 16, sodass im Betrieb, von der Zahnradpumpe 20 gefördert, Wasser über den Strömungspfad 22, nachfolgend auch als Wasserzuführpfad 22 bezeichnet, zu dem zumindest einen Berieselungsauslass 16 strömen kann.
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Wie in den 3 und 6 jeweils gestrichelt angedeutet, kann die Berieselungseinrichtung 15 auch frei von Wasserbehältern 21 sein. In diesem Fall weist die Berieselungseinrichtung 15 keinen Wasserzuführpfad 22 auf und ist die Zahnradpumpe 20 im Kondenswasserzuführpfad 19 angeordnet. In den gezeigten Ausführungsbespielen ist die Zahnradpumpe 20 dabei unmittelbar am Kühlmittelkühler 10 angeordnet und am Kühlmittelkühler 10 integriert. Hierzu ist ein Gehäuse 38 der Zahnradpumpe 20, in welchem zumindest eine nicht gezeigte Pumpenmechanik der Zahnradpumpe 30 aufgenommen ist, vorteilhaft an einem Kasten 39 des Kühlmittelkühlers 10 ausgeformt. Der Kasten 39 dient dem Sammeln und/oder Verteilen des Kühlmittels. Dabei ist ein vom Gehäuse 38 begrenztes Volumen, in welchem die Pumpenmechanik der Zahnradpumpe 20 angeordnet ist, fluidisch vom Kühlmittelpfad 14 getrennt. Vorteilhaft ist der Kasten 39 aus Kunststoff.
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Weist die Berieselungseinrichtung 15 einen Wasserbehälter 21 auf, kann die Zahnradpumpe 20, wie in den Ausführungsbeispielen der 2 und 5 gezeigt, im Wasserbehälter 21 aufgenommen und integriert sein. Somit ist ein gesondertes Abdichten und/oder fluidisches Verbinden der Zahnradpumpe 20 nicht oder zumindest in geringerem Umfang notwendig. Bei einer derartigen Ausführung dient der Wasserbehälter 21 also zugleich als Gehäuse 38 der Zahnradpumpe 20.
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Ist in der Berieselungseinrichtung 15 ein Wasserbehälter 21 der gezeigten Art vorgesehen, kann, wie in den 2 und 5 gezeigt, die Berieselungseinrichtung 15 ferner einen Ablasspfad 23 zum Ablassen von im Wasserbehälter 21 gespeichertem Wasser in die Umgebung und somit zum Entleeren des Wasserbehälters 21 aufweisen. Vorstellbar ist es auch, das Wasser im Wasserbehälter 21 über den Wasserzuführpfad 22 durch den zumindest einen Berieselungsauslass 16 und/oder über den Kondenswasserzuführpfad 19 in Richtung der Abgasanlage 17 zu fördern und den Wasserbehälter 21 somit zu Entleeren. Dabei werden zweckmäßig auch der Wasserzuführpfad 22 und/oder der Kondenswasserzuführpfad 19 entleert.
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Wie lediglich in den 2 und 3 sowie 5 und 6 gezeigt, kann das Brennstoffzellensystem 1, insbesondere die Berieselungseinrichtung 15, eine Ventileinrichtung 24 zum Steuern von Strömungen in der Berieselungseinrichtung 20 aufweisen. Wie gezeigt kann die Ventileinrichtung 24 ein Ventil 25 aufweisen, welches die fluidische Verbindung zwischen dem Wasserbehälter 21 und dem zumindest einen Berieselungsauslass 16 wahlweise sperrt und freigibt und welches nachfolgend auch als erstes Ventil 25 bezeichnet wird. Mit dem ersten Ventil 25 kann beispielsweise trotz aktivem Antrieb der Zahnradpumpe 20 eine Strömung zwischen dem Wasserbehälter 21 und dem zumindest einen Berieselungsauslass 16 gesperrt und unterbrochen werden. Somit kann beispielsweise der Wasserbehälter 21, insbesondere über den Ablasspfad 23 entleeren werden, ohne dass das Wasser zum zumindest einen Berieselungsauslass 16 strömt. Auf die Verwendung des ersten Ventils 25 kann also verzichtet werden, wenn kein Ablasspfad 23 vorhanden ist. Bei vorhandenem Ablasspfad 23 weist die Ventileinrichtung 24 zweckmäßig ein Ventil 26 auf, welches die Strömung vom Wasserbehälter 21 über den Ablasspfad 23 in die Umgebung wahlweise sperrt und freigibt und nachfolgend auch als zweites Ventil 26 bezeichnet wird. Beim aktiven Antreiben der Zahnradpumpe 20 kann das erste Ventil 25 geschlossen und das zweiten Ventil 26 geöffnet werden, um den Wasserbehälter 21, insbesondere auch den Kondenswasserzuführpfad 19, von Wasser zu entleeren. Zum Berieseln des Kühlmittelkühlers 10 und somit in einem Berieselungsbetrieb wird demgegenüber das erste Ventil 25 geöffnet und das zweite Ventil 26 geschlossen. Wie 2 entnommen werden kann, können der Ablasspfad 23 und der Wasserzuführpfad 22 separat sein. Somit sind auch das erste Ventil 25 und das zweite Ventil 26 separat. Wie 5 entnommen werden kann, können das erste Ventil 25 und das zweite Ventil 26 gemeinsam als ein Dreiwegeventil 27 der Ventileinrichtung 24 ausgestaltet sein. Beim in 5 gezeigten Beispiel verlaufen dabei der Ablasspfad 23 und der Wasserzuführpfad 22 bis zum Dreiwegeventil 27 gemeinsam.
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Bevorzugt wird zum Entleeren der Berieselungseinrichtung 15, soweit vorhanden, zunächst der Wasserbehälter 21 entleert. Zu diesem Zweck kann das zweite Ventil 26 geöffnet und das erste Ventil 25 geschlossen sowie die Zahnradpumpe 20 derart angetrieben werden, dass die Zahnradpumpe 20 Wasser aus dem Wasserbehälter 21 über den Ablasspfad 23 in die Umgebung fördert.
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In einem ersten Entleerungsbetrieb können das erste Ventil 25 und das zweite Ventil 26 geschlossen und die Zahnradpumpe 20 derart angetrieben werden, dass Wasser aus dem Kondenswasserzuführpfad 19 in Richtung der Abgasanlage 17 gefördert wird. Zudem werden in einem zweiten Entleerungsbetrieb das erste Ventil 25 geöffnet, das zweite Ventil 26 geschlossen und die Zahnradpumpe 20 derart angetrieben, dass Wasser aus dem Wasserzuführpfad 22 in Richtung des zumindest einen Berieselungsauslasses16 und aus der Berieselungseinrichtung 15 strömt. Die Entleerungsbetriebe werden dabei so durchgeführt, dass nach den Entleerungsbetrieben die Berieselungseinrichtung 15 von Wasser entleert ist. Dabei können der erste Entleerungsbetrieb und der zweite Entleerungsbetrieb auch in umgekehrter Reihenfolge durchgeführt werden können.
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Weist die Berieselungseinrichtung keinen Wasserbehälter 21 auf, kann auch ohne eine Ventileinrichtung 24 von Wasser entleert werden. Hierzu wird das in der Berieselungseinrichtung 15 vorhandene Wasser mit der Zahnradpumpe 20 zum zumindest einen Berieselungsauslass 16 und/oder zur Abgasanlage 17 gefördert.
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Wie insbesondere den 4 bis 7 entnommen werden kann, kann das Entleeren der Berieselungseinrichtung 15 von Wasser alternativ zur Zahnradpumpe 20 oder zusätzlich zur Zahnradpumpe 20 mit einer Fördereinrichtung 28 erfolgen, die im Betrieb ein Gas fördert. Bei der Fördereinrichtung 28 handelt es sich vorzugsweise um eine solche, die im Brennstoffzellensystem 1 und/oder im Kraftfahrzeug 4 primär für eine von der Berieselungseinrichtung 15 separate Anwendung Gas fördert. In den Ausführungsbeispielen der 4 bis 6 handelt es sich bei der Fördereinrichtung 28 um die Kathodengasfördereinrichtung 6. Wie 7 entnommen werden kann, kann es sich bei der Fördereinrichtung 28 auch um eine Bremsanlagenfördereinrichtung 29 einer Bremsanlage 30 zum Bremsen des Kraftfahrzeugs 4 handeln, wobei die Bremsanlage 30 mit einem Gas, insbesondere mit Luft, betrieben ist. Wie 7 ferner entnommen werden kann, kann die Fördereinrichtung 28 alternativ oder zusätzlich eine Reifenluftfördereinrichtung 31 des Kraftfahrzeugs 4 entsprechen. Hierbei dient die Reifenluftfördereinrichtung 31 auch dem Befüllen zumindest eines nicht gezeigten Reifens des Kraftfahrzeugs 4 mit Luft, insbesondere der Notbefüllung des Reifens, und ist somit Bestandteil einer Reifenbefüllungsanlage 32 des Kraftfahrzeugs 4. Die Fördereinrichtung 28 ist dabei in einen Strömungspfad 33 der zugehörigen Anwendung, in den gezeigten Ausführungsbeispielen also beispielsweise der Kathodengaszuführanlag 5, der Bremsanlage 30 bzw. der Reifenbefüllungsanlage 32 angeordnet, der nachfolgend auch als Hauptpfad 33 bezeichnet wird. Die Berieselungseinrichtung 15 weist einen mit dem Hauptpfad 33 druckseitig der Fördereinrichtung 28, d. h. stromab der Fördereinrichtung 28 verbundenen und somit vom Hauptpfad 33 abzweigenden Strömungspfad 34 auf, der nachfolgend auch als Gaszuführpfad 34 bezeichnet wird. Im Betrieb kann also die Fördereinrichtung 28 über den Gaszuführpfad 34 Gas in die Berieselungseinrichtung 20 fördern. Die Ventileinrichtung 24 weist ein Ventil 35, nachfolgend auch als drittes Ventil 35 bezeichnet, auf, welchen die Strömung zwischen dem Hauptpfad 33 und dem Gaszuführpfad 34 wahlweise freigibt und sperrt. In den gezeigten Ausführungsbeispielen ist das dritte Ventil 25 im Gaszuführpfad 34 angeordnet.
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Beim Ausführungsbeispiel der 4 führ der Gaszuführpfad 34 direkt zu dem zumindest einen Berieselungsauslass 16. Dabei ist im Gaszuführpfad 34 ein Rückschlagventil 37 zur Verhinderung einer Strömung in Richtung des Hauptpfads 25 angeordnet ist
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Bei den Ausführungsbeispielen der 5 und 6 weist der Gaszuführpfad zwei Zweige 34a, 34b, nämlich einen ersten Zweig 34a und eine zweiten Zweig 34b auf. Die Zweige 34a, 34b umgehen dabei jeweils den Wasserbehälter 21. Der erste Zweige 34a mündet in den Kondenswasserzuführpfad 19. Der zweite Zweig 34b mündet in den Wasserzuführpfad 22. Das dritte Ventil 35 ist dabei als Dreiwegeventil 27 ausgebildet und erlaubt somit eine Strömung zwischen dem jeweiligen Zweig 34a, 34b und dem Hauptpfad 33 oder sperrt diese.
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Auch beim Einsatz der Fördereinrichtung 28 wird bevorzugt zunächst der Wasserbehälter 21, sofern vorhanden, entleert. Dies erfolgt vorzugsweise mit der Zahnradpumpe 20. Hierzu werden das zweite Ventil 26 geöffnet und das erste Ventil 25 sowie das geschlossen sowie die Zahnradpumpe 20 derart angetrieben, dass die Zahnradpumpe 20 Wasser aus dem Wasserbehälter 21 über den Ablasspfad 23 in die Umgebung fördert.
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Zum Entleeren des Kondenswasserzuführpfads 19 werden in einem ersten Entleerungsbetrieb das erste Ventil 25 und das zweite Ventil 26 geschollen und das dritte Ventil 35 derart verstellt, dass Gas aus dem Hauptpfad 33 über den ersten Zweig 34a zum Kondenswasserzuführpfad 19 strömt und das Wasser im Kondenswasserzuführpfad 19 zur Abgasanlage 17 fördert. In einem zweiten Entleerungsbetrieb werden das erste Ventil 25 und das zweite Ventil 26 geschollen und das dritte Ventil 35 derart verstellt, dass Gas aus dem Hauptpfad 33 über den zweiten Zweig 34b zum Wasserzuführpfad 19 strömt und das Wasser aus dem Wasserzuführpfad 22 in Richtung des zumindest einen Berieselungsauslasses16 und aus der Berieselungseinrichtung 15 fördert. Die Entleerungsbetriebe werden dabei so durchgeführt, dass nach den Entleerungsbetrieben die Berieselungseinrichtung 15 von Wasser entleert ist. Dabei können der erste Entleerungsbetrieb und der zweite Entleerungsbetrieb auch in umgekehrter Reihenfolge durchgeführt werden können. Auch können der erste und der zweite Entleerungsbetrieb gemeinsam durchgeführt werden.
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Das Brennstoffzellensystem 1 weist eine Steuereinrichtung 36 auf, welche lediglich in 1 angedeutet ist. Die Steuereinrichtung 36 ist kommunizierend mit der Ventileinrichtung 31, insbesondere den Ventilen 25, 26, 35, verbunden, um die Ventileinrichtung 31 zu steuern und somit die entsprechenden Strömungen wahlweise freigeben oder zu sperren. Zudem ist die Steuereinrichtung 36 mit der Zahnradpumpe 20, insbesondere der Antriebseinrichtung der Zahnradpumpe 20, und/oder der Fördereinrichtung 28 verbunden, um diese jeweils zu steuern. Die Steuereinrichtung 36 kommt insbesondere zum Wechseln zwischen den Betriebsmodi zum Einsatz.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102016106919 A1 [0003]
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