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Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem mit einem ersten Speichervolumen für Produktwasser nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.
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Ein bekanntes Problem bei Brennstoffzellensystemen, und hier insbesondere bei Brennstoffzellensystemen, welche in Fahrzeugen zur Bereitstellung von elektrischer Antriebsleistung eingesetzt werden, ist die Tatsache, dass im Betrieb der Brennstoffzelle relativ viel flüssiges Produktwasser anfällt. Dieses wird dann typischerweise abgeleitet oder zunächst gesammelt und dann abgeleitet. Wird das Brennstoffzellensystem in einem Fahrzeug genutzt, dann kann es, insbesondere bei sehr niedrigen Temperaturen, dazu führen, dass die Abgabe des flüssigen Wassers in die Umgebung mit einer Eisbildung auf der Fahrbahn einhergeht, insbesondere weil das in der Brennstoffzelle anfallende Produktwasser sehr rein ist und bei Temperaturen um den Gefrierpunkt schnell einfriert. Auch bei höheren Temperaturen ist es typischerweise nicht erwünscht, wenn flüssiges Wasser aus dem Fahrzeug austritt. Die
DE 10 2007 039 236 A1 beschäftigt sich mit dieser Thematik und gibt ein Brennstoffzellensystem an, bei welchem über eine Düse eine Zerstäubung des angefallenen Produktwassers in feinste Wasserpartikel erfolgt. Diese können sich dann mit der Luft in der Umgebung mischen, sodass quasi keine flüssigen Wassertropfen mehr unmittelbar auf die Fahrbahn gelangen und aus dem Auspuff des Fahrzeugs tropfen.
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Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, diesen gattungsgemäßen Stand der Technik weiter zu verbessern.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen im Anspruch 1, und hier insbesondere im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1, gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen dieses Brennstoffzellensystems ergeben sich aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen. Die Aufgabe wird außerdem durch ein Verfahren zum Betreiben eines derartigen Brennstoffzellensystems gemäß Anspruch 9 gelöst. Auch ein Fahrzeug, insbesondere ein Nutzfahrzeug, mit einem derartigen Brennstoffzellensystem kann die Aufgabe lösen.
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Bei dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem ist es so, dass dieses ein erstes Speichervolumen für das Produktwasser und eine Düse zum Zerstäuben des Produktwassers aufweist. Erfindungsgemäß ist es nun so, dass ein zweites als Druckspeicher ausgebildetes Speichervolumen für das Produktwasser vorgesehen ist, welches über eine Leitung mit dem ersten Speichervolumen verbunden ist. Ferner ist das zweite Speichervolumen mit einer Druckluftquelle verbindbar, und das zweite Speichervolumen ist über eine Wasserleitung mit der Düse verbunden. Auf diese Art wird ein Aufbau geschaffen, bei welchem in dem ersten Speichervolumen praktisch drucklos oder mit dem vorliegenden Systemdruck das Produktwasser zuerst einmal gesammelt und zwischengespeichert wird. Dieser Speicher kann beispielsweise ein Flüssigwasserabscheider, ein Kondensator oder dergleichen sein. Prinzipiell ist auch ein eigenes Speichervolumen denkbar, welches mit einem oder mehreren derartigen Elementen verbunden ist.
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Von diesem drucklosen ersten Speichervolumen wird dann über eine Fördereinrichtung oder vorzugsweise durch eine Anordnung der Speichervolumina auf unterschiedlicher Höhe der Druck das Produktwasser in den zweiten Speicher übertragen bzw. dorthin gefördert. Die Verbindung mit einer Druckluftquelle erlaubt es nun, dass in dem zweiten Speichervolumen, welches als Druckspeicher ausgebildet ist, befindliche Produktwasser weiter unter Druck zu setzen, insbesondere indem ein Druckluftpolster in dem zweiten Speichervolumen oberhalb des dort gespeicherten Produktwassers vorhanden ist. Hier kann insbesondere der Druck auf einen konstanten durch die Druckluftquelle lieferbaren Druckwert eingestellt werden.
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Über die Wasserleitung wird nun das Wasser, welches unter erhöhtem Druck steht und über die Druckluft zusätzlich bedruckt wird, zu der Düse strömen und wird dort außerordentlich einfach und effizient zerstäubt. Dies kann unabhängig von eventuellen Abgasströmen, deren Temperatur oder dergleichen erfolgen, was in der Praxis ein entscheidender Vorteil ist, um beispielsweise auch bei einem Stillstand des Brennstoffzellensystems eine derartige Zerstäubung vornehmen zu können, was so bei dem Aufbau gemäß dem eingangs genannten gattungsgemäßen Stand der Technik nicht möglich wäre.
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Dies wird insbesondere dadurch möglich, dass das zweite Speichervolumen über ein Druckluftventil mit der Druckluftquelle verbunden ist, sodass die Beaufschlagung mit Druckluft und damit die Erhöhung des Drucks in dem zweiten Speichervolumen steuerbar wird.
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Die Wasserleitung zwischen dem Speichervolumen und der Düse kann gemäß einer sehr vorteilhaften Weiterbildung außerdem ein Wasserventil aufweisen, um so auch das Zerstäuben über dieses Wasserventil beispielsweise in Abhängigkeit von verschiedenen Größen steuern zu können. Diese Größen können einerseits interne Größen des Brennstoffzellensystems sein, andererseits aber auch Größen wie beispielsweise Daten eines Navigationsgeräts oder dergleichen, um feststellen zu können, dass in dieser Region das Zerstäuben von Wasser unkritisch erfolgen kann, während es beispielsweise im Stadtverkehr nicht in allen Bereichen einfach und effizient möglich ist. Die entsprechenden Werte könnten beispielsweise auch die Fahrgeschwindigkeit des Fahrzeugs berücksichtigen oder Umgebungsbedingungen wie Temperatur, Wind oder dergleichen.
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Gemäß einer weiteren sehr vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems kann auch die Leitung zwischen dem ersten und dem zweiten Speichervolumen ein Zulaufventil aufweisen oder über ein solches in das zweite Speichervolumen münden. Hierdurch wird die Regelbarkeit noch größer, da beispielsweise in Abhängigkeit bestimmter Parameter das Produktwasser überhaupt nur von dem einen Speichervolumen in das andere Speichervolumen überführt wird, beispielsweise wenn ohnehin vorhandene Überschussleistung zum Betreiben einer eventuellen Fördereinrichtung in der Leitung vorliegt.
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In einer besonders einfachen Ausgestaltung dieser Idee kann es auch vorgesehen sein, dass das Zulaufventil als Rückschlagventil ausgebildet ist, sodass also der Zulauf an Wasser immer erfolgen kann, ein Zurücklaufen des in dem zweiten Speichervolumen bedruckten Wassers jedoch zuverlässig ausgeschlossen wird.
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Die einzelnen Speichervolumina können dabei wenigstens einen, vorzugsweise zwei Füllstandsensoren aufweisen. Dies ermöglicht es beispielsweise, in Abhängigkeit dieser Füllstandsensoren die entsprechenden Ventile anzusteuern, um so bei einem vollen ersten Speichervolumen Wasser in das zweite Speichervolumen zu überführen und bei einem vollen zweiten Speichervolumen das Wasser zu zerstäuben.
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Das zweite Speichervolumen kann außerdem gemäß einer sehr günstigen Ausgestaltung der Erfindung über ein Entlüftungsventil verfügen, um so bei abgeschalteter Druckluftquelle den Grundzustand wieder herzustellen und das Fördern von Wasser aus dem ersten Speichervolumen in das zweite Speichervolumen nicht gegen den durch die Druckluft aufgebauten Druck vornehmen zu müssen.
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Die Düse selbst kann dabei gemäß einer außerordentlich günstigen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems als einfache Einstoffdüse ausgebildet sein. Eine solche Einstoffdüse kann unabhängig von einem sie umströmenden Volumenstrom einfach und effizient durch das über die Druckluft unter Druck gesetzte Wasser in dem zweiten Speichervolumen verwendet werden und kann dieses Wasser ohne zusätzliche Stoffströme oder dergleichen selbsttätig in der Umgebung zerstäuben. Die Einstoffdüse ist dabei außerordentlich einfach in ihrem Aufbau und damit sehr robust und wenig anfällig für Wartungsmaßnahmen.
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Ein besonders geeignetes Verfahren zum Betreiben eines derartigen Brennstoffzellensystems sieht nun im Wesentlichen drei Betriebsphasen vor. In einer ersten Betriebsphase wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren das erste Speichervolumen mit Produktwasser gefüllt, bis dieses einen vorgegebenen Füllstand in dem ersten Speichervolumen erreicht hat. Dieser Füllstand kann beispielsweise durch einen Füllstandsensor erfasst werden oder lässt sich auch anhand der elektrischen Größen der verwendeten Brennstoffzellenstapel des Brennstoffzellensystems berechnen, welche Rückschlüsse auf die Menge des produzierten Produktwassers zulassen.
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Danach wird in einer zweiten Betriebsphase Produktwasser von dem ersten Speichervolumen in das zweite Speichervolumen geleitet oder gefördert und anschließend wird in einer dritten Betriebsphase die Verbindung zu der Druckluftquelle hergestellt, um das in dem zweiten Speichervolumen befindliche Wasser unter Druck zu setzen und über die Düse zu zerstäuben. Diese beiden Betriebsphasen wiederholen sich, solange Wasser im ersten Speichervolumen ist.
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Der ganze Aufbau lässt sich prinzipiell bei jeder Art von Brennstoffzellensystem umsetzen. Wie es aus den eingangs aufgeführten Anmerkungen zur speziellen Problematik ersichtlich ist, hat ein derartiger Aufbau seinen besonderen Vorteil dann, wenn das Brennstoffzellensystem mobil ist, insbesondere also elektrische Antriebsleistung in einem Fahrzeug zur Verfügung stellt. Dementsprechend kann ein Fahrzeug, insbesondere, aber nicht zwingend, ein Nutzfahrzeug, vorgesehen sein, welches mit einem derartigen Brennstoffzellensystem versehen ist. Das Brennstoffzellensystem liefert in dem Fahrzeug dabei zumindest einen Teil der elektrischen Antriebsleistung.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems und des Verfahrens ergeben sich auch aus dem Ausführungsbeispiel, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figur näher beschrieben ist.
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Die einzige beigefügte Figur zeigt dabei den für das Verständnis der Erfindung relevanten Teil eines Brennstoffzellensystems in einer schematischen Darstellung.
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Die einzige beigefügte 1 zeigt einen Ausschnitt aus einem in seiner Gesamtheit nicht dargestellten Brennstoffzellensystem, welches zum elektrischen Antreiben eines Nutzfahrzeugs ausgebildet sein soll. In dem Brennstoffzellensystem anfallendes flüssiges Wasser gelangt gemäß dem mit 1 bezeichneten Pfeil in ein erstes Speichervolumen 101, welches als druckloser Wassertank ausgebildet ist. Rein beispielhaft und über das Dreieck angedeutet ist dabei eine Oberfläche 2 für das in dem Speichervolumen 101 gespeicherte Wasser bzw. Produktwasser dargestellt. Zwei Füllstandsensoren 3, 4 sind in dem ersten Speichervolumen 101 angedeutet, wobei sich im regulären Betrieb des Brennstoffzellensystems der Wasserstand idealerweise zwischen diesen beiden Füllstandsensoren 3, 4 bewegen sollte.
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Über eine Leitung 5 ist dieses erste Speichervolumen 101 nun mit einem zweiten Speichervolumen 102 verbunden. Dieses zweite Speichervolumen 102 ist dabei als Druckspeicher ausgebildet und hat ein sehr viel kleineres Volumen als das erste Speichervolumen 101. Die Leitung 5 kann entweder so geführt werden, dass das Wasser aus dem ersten Speichervolumen 101 über einen durch einen Höhenunterschied verursachten Druckunterschied in das zweite Speichervolumen 102 strömt. Alternativ dazu wäre auch eine hier eingezeichnete und mit 6 bezeichnete optionale Fördereinrichtung denkbar. Über einen Zulaufventil 7 gelangt das Wasser dann in das zweite Speichervolumen 102, wobei dieses Zulaufventil 7 optional auch als reines Rückschlagventil ausgeführt sein könnte. In diesem zweiten Speichervolumen 102 sammelt sich das Wasser, dessen Oberfläche wiederum eingezeichnet und hier mit 8 sowie einem Dreieck bezeichnet ist. Die Mündung der Leitung 5 bzw. des Zulaufventils 7 liegen dabei im bestimmungsgemäßen Einsatz oberhalb dieses Wasserspiegels 8. Auch hier sind zwei Füllstandsensoren 9, 10 angeordnet, sowie an dem im bestimmungsgemäßen Einsatz unteren Ende des Druckspeichers bzw. des zweiten Speichervolumens 102 ein Wasserventil 11, wobei es über eine Wasserleitung 12 mit einer Düse 13 zum Zerstäuben des Wassers verbunden ist. Diese Düse 13 kann nun als relativ einfache Einstoffdüse robust und kostengünstig realisiert werden.
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Das zweite Speichervolumen 102 ist außerdem über eine Druckluftleitung 14 und ein Druckluftventil 15 mit einer Druckluftquelle 16 verbunden, um das zweite Speichervolumen 102 bei Bedarf unter Druck setzen zu können. Ferner ist eine Entlüftungsleitung 17 mit einem Entlüftungsventil 18 an dem zweiten Speichervolumen 102 vorgesehen.
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Der Betrieb erfolgt nun so, dass in einem ersten Betriebszustand alle Ventile 7, 11, 15, 18 im Bereich des zweiten Speichervolumens 102 geschlossen sind. Das zweite Speichervolumen 102 kann beispielsweise leer sein, ebenso das erste Speichervolumen 101, wenn dieser Betriebszustand beispielsweise beim Start des Brennstoffzellensystems vorliegt. Alle Füllstandsensoren 3, 4 und 8, 10 wären dann ohne Kontakt zum Wasser und würden eine logische „0“ zurückliefern.
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Dieser erste Betriebszustand wird nun so lange beibehalten, bis der im bestimmungsgemäßen Einsatz obere Füllstandsensor 4 des ersten Speichervolumens 101 ein Signal liefert. Die Situation ist dann die, dass das erste Speichervolumen 101 einen Füllstand erreicht hat, welcher als voll interpretiert wird. Nun soll das in diesem ersten Speichervolumen 101 drucklos zwischengespeicherte Wasser zerstäubt werden.
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In einem zweiten Betriebszustand werden dafür die Ventile 7, also das Zulaufventil, und 18, also das Entlüftungsventil, entsprechend geöffnet. Nun kann entweder durch den Höhenunterschied oder optional durch die Fördereinrichtung 6 Produktwasser aus dem ersten Speichervolumen 101 in das zweite Speichervolumen 102 strömen, beispielsweise bis die Wasseroberfläche 8 die Höhe des Füllstandsensors 10 erreicht hat, sodass dieser auf eine logische „1“ wechselt und damit anzeigt, dass das zweite Speichervolumen 102 ausreichend voll ist. Die bisher geöffneten Ventile 7 und 18 werden dann geschlossen.
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In einem dritten Betriebszustand wird das Wasser nun über die Düse 13 zerstäubt. Hierfür wird einerseits das Wasserventil 11 geöffnet, sodass das Wasser zu der Düse 13 gelangen kann und andererseits wird die Druckluftquelle 16 durch ein Öffnen des Druckluftventils 15 mit dem zweiten Speichervolumen 102 verbunden. Die Druckluft bildet nun ein Druckluftpolster oberhalb der Oberfläche 8 des Produktwassers in dem zweiten Speichervolumen 102 und fördert damit dieses mit dem entsprechenden Druck zu der Düse 13, in welcher es zerstäubt wird. Dieser Zustand kann solange fortgeführt werden, bis die Wasseroberfläche im Bereich des Füllstandsensors 9 angekommen ist, der Druckspeicher als zweites Speichervolumen 102 also quasi leer ist und dieser Füllstandsensor 9 anders als zuvor wieder eine logische „0“ zurückliefert. Nun werden das Wasserventil 11 und das Druckluftventil 15 wieder geschlossen, das Entlüftungsventil 17 und das Zulaufventil 7 geöffnet, sodass sich der Ablauf des zweiten und des dritten Betriebszustands ständig wiederholt, solange Wasser in dem ersten Speichervolumen 101 vorhanden ist, der dritte Füllstandsensor also keine „0“ zurückliefert. Ist dies der Fall, ist typischerweise kein Betrieb des Brennstoffzellensystems mehr vorhanden, sodass kein Wasser über die Leitung 1 nachläuft. In diesem Fall kann auch das Zerstäuben über das Wechselspiel zwischen Füllen und Entleeren des zweiten Speichervolumens 102 wieder eingestellt werden.
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Neben dieser grundsätzlichen Funktion können, wie es eingangs bereits erwähnt worden ist, weitere Parameter mit berücksichtigt werden, welche sich beispielsweise aus dem mit dem Brennstoffzellensystem ausgestatteten Fahrzeug oder dessen Umgebung ergeben. Einzelne Werte lassen sich dabei über Navigationssysteme, Einrichtungen zur Umgebungserfassung oder manuelle Eingaben einer das Fahrzeug fahrenden Person bei dem grundlegenden Ablauf zusätzlich berücksichtigen, um so beispielsweise in hinsichtlich der verkehrskritischen Bereichen auf die Zerstäubung zumindest teilweise zu verzichten.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007039236 A1 [0002]
