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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems sowie ein Brennstoffzellensystem, das zur Durchführung des Verfahrens geeignet bzw. nach dem Verfahren betreibbar ist.
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Stand der Technik
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Brennstoffzellen wandeln einen Brennstoff, beispielsweise Wasserstoff, und Sauerstoff in elektrische Energie, Wärme und Wasser. Als Sauerstofflieferant kann Luft, insbesondere Umgebungsluft, dienen. Die Luft wird über einen Zuluftpfad einer Kathode der Brennstoffzellen zugeführt. Da der Energiewandlungsprozess einen gewissen Luftmassenstrom und ein gewisses Druckniveau erfordert, wird die kathodenseitig zugeführte Luft zuvor mit Hilfe eines im Zuluftpfad angeordneten Luftverdichters verdichtet. Vor dem Eintritt in die Brennstoffzellen wird die Luft zudem befeuchtet, um ein Austrocknen der Membranen der Brennstoffzellen zu verhindern. Andernfalls besteht die Gefahr, dass die Brennstoffzellen beschädigt werden.
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Zum Befeuchten kann ein Gas-zu-Gas Membran-Befeuchter eingesetzt werden, der Wasser, insbesondere Produktwasser, das im Betrieb der Brennstoffzellen anfällt, von der Austrittsseite auf die Eintrittsseite der Brennstoffzellen transportiert. Alternativ kann die Befeuchtung mittels Spraydosierung realisiert werden. In diesem Fall ist darauf zu achten, dass die Luft ausreichend erwärmt ist, um das eindosierte Wasser vollständig zu verdampfen. Bei hohen Lastpunkten ist dies durch die Verdichtungsarbeit des Luftverdichters gewährleistet. Bei niedrigen Lastpunkten dagegen reicht diese Wärme nicht aus, so dass die Befeuchtung der Luft unzureichend ist. Das heißt, dass die Membranen der Brennstoffzellen austrocknen können.
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Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung bereitzustellen, mit deren Hilfe eine ausreichende Befeuchtung der Luft in einem Zuluftpfad eines Brennstoffzellensystems mittels Spraydosierung auch bei Niedriglast gewährleistet ist.
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Zur Lösung der Aufgabe werden das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie das Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Anspruchs 7 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den jeweiligen Unteransprüchen zu entnehmen.
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Offenbarung der Erfindung
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Vorgeschlagen wird ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems, das mindestens eine Brennstoffzelle umfasst. Der Brennstoffzelle wird über einen Zuluftpfad Luft zugeführt, die vor ihrem Eintritt in die Brennstoffzelle mit Hilfe eines in den Zuluftpfad integrierten Luftverdichters verdichtet wird. Der Luftverdichter wird dabei mit Hilfe eines Elektromotors angetriebenen. Lastabhängig, insbesondere in niedrigen Lastpunkten, wird dabei die Abwärme des Elektromotors oder einer am Elektromotor angeordneten, Abwärme produzierenden Komponente zum Verdampfen von Wasser genutzt, das mit Hilfe einer Befeuchtungseinrichtung in den Luftmassenstrom stromabwärts des Luftverdichters eingebracht wird.
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Mit Hilfe des vorgeschlagenen Verfahrens kann die mit Hilfe des Luftverdichters verdichtete Luft zusätzlich erwärmt werden. Auf diese Weise soll sichergestellt werden, insbesondere in niedrigen Lastphasen, dass das zum Befeuchten eingebrachte Wasser möglichst vollständig verdampft und die der Brennstoffzelle zugeführte Luft ausreichend befeuchtet wird.
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Da zum Erwärmen der verdichteten Luft die Abwärme des Elektromotors oder einer am Elektromotor angeordneten, Abwärme produzierenden Komponente genutzt wird, kann das Verfahren besonders energieeffiizient durchgeführt werden. Zugleich kann durch die Nutzung der Abwärme eine Kühlung des Elektromotors bzw. der Komponente erreicht werden. Bei der weiteren Komponente kann es sich beispielsweise um einen Inverter handeln.
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Bevorzugt wird das Wasser mit Hilfe einer Ventileinheit der Befeuchtungseinrichtung in den Luftmassenstrom eingebracht, insbesondere eingedüst. Mit Hilfe der Ventileinheit kann das Wasser als Spray eingebracht werden. Das heißt, dass feinste Tröpfchen gebildet werden, die ein Verdampfen des Wassers erleichtern.
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Ferner bevorzugt wird mit Hilfe der Abwärme des Elektromotors oder der Komponente eine den Zuluftpfad im Bereich der Befeuchtungseinrichtung begrenzende Wandung beheizt. Mit Hilfe der Befeuchtungseinrichtung eingebrachtes Wasser, das nicht schon in der verdichteten (heißen) Luft verdampft, verdampft dann an der heißen Oberfläche der Wandung. Dies gilt insbesondere für Wassertropfen, die sich an der Oberfläche der Wandung niederschlagen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird für den Wärmetransport vom Elektromotor bzw. von der Komponente zur Wandung eine Heatpipe verwendet. Die Heatpipe ermöglicht einen besonders effizienten Wärmetransport, wobei sie den Elektromotor bzw. die Komponente als Wärmequelle und die Wandung als Wärmesenke nutzt. Vorteilhafterweise bildet die Wandung im Bereich der Heatpipe eine thermische Masse aus. Die thermische Masse der Wandung wird dabei bevorzugt so bemessen, dass bei maximaler Wasserdosierung die Temperatur der Oberfläche idealerweise nahezu konstant bleibt.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird für den Wärmetransport vom Elektromotor bzw. von der Komponente zur Wandung ein Kühlmittel verwendet. Hierzu kann das Kühlmittel verwendet werden, das auch zur Kühlung des Elektromotors bzw. der Komponente eingesetzt wird. In diesem Fall muss die Wandung lediglich über eine Kühlleitung an den vorhandenen Kühlkreis angebunden werden. Vorzugsweise wird das Kühlmittel über einen Hohlraum der Wandung geführt. Das heißt, dass die Wandung zumindest bereichsweise doppelwandig ausgeführt ist und der Hohlraum mit dem Kühlmittel beaufschlagbar ist. Beispielsweise kann die Wandung durch ein spiralförmig gewickeltes Rohr ausgebildet werden, so dass die den Zuluftpfad begrenzende Oberfläche zugleich vergrößert wird. Auf diese Weise kann ein Abschnitt des Zuluftpfads als Befeuchtungsstrecke ausgebildet werden.
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Zum Befeuchten der verdichteten Luft wird vorzugsweise Wasser verwendet, das in einem Tank bevorratet, mittels einer Pumpe dem Tank entnommen und der Befeuchtungseinrichtung, insbesondere der Ventileinheit der Befeuchtungseinrichtung, zugeführt wird. Dies ermöglicht die Verwendung von beispielsweise deionisiertem Wasser.
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Das darüber hinaus zur Lösung der eingangs genannten Aufgabe vorgeschlagene Brennstoffzellensystem umfasst mindestens eine Brennstoffzelle, der über einen Zuluftpfad Luft zuführbar ist. Ferner umfasst das Brennstoffzellensystem einen in den Zuluftpfad integrierten Luftverdichter, der mit Hilfe eines Elektromotors antreibbar ist, sowie eine stromabwärts des Luftverdichters in den Zuluftpfad integrierte Befeuchtungseinrichtung, im Bereich welcher der Zuluftpfad von einer beheizbaren Wandung begrenzt ist.
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Mittels der Befeuchtungseinrichtung eingebrachtes Wasser, das nicht direkt verdampft, sondern sich in Form von Tropfen an der Wandung niederschlägt, wird dann über die heiße Oberfläche der Wandung verdampft. Dies erweist sich insbesondere im niedrigen Lastbereich als Vorteil, da dann die Luft beim Verdichten weniger stark erwärmt wird.
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Das vorgeschlagene Brennstoffzellensystem ist insbesondere zur Durchführung des zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet bzw. nach diesem Verfahren betreibbar. In diesem Fall wird zum Beheizen der Wandung die Abwärme des Elektromotors oder einer am Elektromotor angeordneten, Abwärme produzierenden Komponente genutzt.
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Bevorzugt umfasst die Befeuchtungseinrichtung eine Ventileinheit zum Einbringen, insbesondere Eindüsen, von Wasser. Mit Hilfe der Ventile Einheit kann das Wasser als Spray, das heißt in Form feinster Tröpfchen, eingebracht werden, welche ein Verdampfen des Wassers unterstützen.
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Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass die beheizbare Wandung eine thermische Masse ausbildet, die über eine Heatpipe mit dem Elektromotor oder einer am Elektromotor angeordneten, Abwärme produzierenden Komponente verbunden ist, so dass die Abwärme des Elektromotors bzw. der Komponente zum Beheizen der Wandung nutzbar ist. Mit Hilfe der Heatpipe kann die Abwärme besonders effizient transportiert werden.
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Alternativ wird vorgeschlagen, dass in der beheizbaren Wandung mindestens ein mit einem Kühlmittel beaufschlagbarer Hohlraum ausgebildet ist. Die Beheizung der Wandung erfolgt in diesem Fall mit Hilfe des Kühlmittels. Vorzugsweise ist der in der Wandung ausgebildete Hohlraum über eine Kühlmittelleitung an einen Kühlkreis des Elektromotors oder der Komponente angeschlossen, so dass auch hier die Abwärme des Elektromotors bzw. der Komponente zum Beheizen der Wandung nutzbar ist.
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In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die beheizbare Wandung - unabhängig von der Art der Beheizung - durch ihre Formgebung und/oder durch Einbauten, wie beispielsweise Rippen, eine vergrößerte Oberfläche aufweist. Die vergrößerte Oberfläche führt zu einer längeren Kontaktzeit des sich an der Oberfläche niederschlagenden Wassers, so dass ein vollständiges Verdampfen des Wassers gefördert wird. Zusätzlich wird eine stärkere Erwärmung der durch diesen Bereich strömenden Luft erreicht, so dass diese eher auf Solltemperatur gebracht werden kann. Mit Hilfe der die Oberfläche vergrößernden Formgebung und/oder Einbauten kann zudem eine Verwirbelung der Luft erzielt werden, was die Durchmischung und damit einhergehend eine gleichmäßige Feuchteverteilung fördert.
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In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird die beheizbare Wandung durch ein spiralförmig verlaufendes Rohr ausgebildet. Auf diese Weise können zugleich ein Hohlraum sowie eine vergrößerte Oberfläche geschaffen werden. Das Rohr kann einen beliebigen Querschnitt aufweisen, beispielsweise einen kreisförmigen oder elliptischen Querschnitt. Denkbar ist aber auch ein eckiges Profil.
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Wird die verdichtete Luft alleine durch das Verdichten auf ein Temperaturniveau gebracht, das eine ausreichende Befeuchtung der Luft gewährleistet, kann über einen Bypasspfad der beheizbare Wandabschnitt umgangen werden. Denn ein zusätzliches Erwärmen der Luft ist in diesem Fall verzichtbar.
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Des Weiteren kann in den Zuluftpfad, vorzugsweise stromabwärts des beheizbaren Wandabschnitts, ein Wärmetauscher integriert sein, um eine weitere Temperierung der Luft zu bewirken. Der Wärmetauscher kann den Kühlkreis des Brennstoffzellensystems angebunden sein und ein Temperaturniveau aufweisen, das nahe der Solltemperatur liegt. Der Wärmetauscher kann zusammen mit der Befeuchtungseinrichtung in einem Bauteil vereint werden, so dass eine kompakte Baueinheit geschaffen wird.
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Die Befeuchtungseinrichtung kann ferner einen Tank zum Bevorraten von Wasser und eine Pumpe zum Fördern des Wassers aufweisen. Im Tank kann insbesondere deionisiertes Wasser bevorratet werden. Mit Hilfe der Pumpe kann das Wasser auf ein bestimmtes Druckniveau gefördert werden, so dass eine gute Sprayaufbereitung gewährleistet ist.
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Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung und
- 2 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.
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Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
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Das in der 1 dargestellte Brennstoffzellensystem 1 umfasst mindestens eine Brennstoffzelle 2, der über einen Zuluftpfad 3 Luft zuführbar ist. Vor dem Eintritt in die Brennstoffzelle 2 wird die Luft mit Hilfe eines in den Zuluftpfad 3 integrierten Luftverdichters 4 verdichtet und mit Hilfe einer stromabwärts des Luftverdichters 4 im Zuluftpfad 3 angeordneten Befeuchtungseinrichtung 6 befeuchtet. An die Befeuchtungseinrichtung 6 schließt vorliegend ein Wärmetauscher 17 an, der zusätzlich eine Temperierung der Luft bewirkt. Aus der Brennstoffzelle 2 austretende Luft bzw. Abluft wird über einen Abluftpfad 18 einer Turbine 19 zugeführt, die über eine gemeinsame Welle 16 mit dem Luftverdichter 4 verbunden ist. Dadurch, dass der Turbine 19 die Abluft zugeführt wird, kann ein Teil der zuvor beim Verdichten eingebrachten Energie zurückgewonnen werden. Zugleich wird ein dem Antrieb des Luftverdichters 4 dienender Elektromotor 5 entlastet.
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Am Elektromotor 5 ist vorliegend eine Abwärme produzierende Komponente 8 angeordnet, beispielsweise ein Inverter. Die Komponente 8 ist dabei über eine Heatpipe 10 mit einer thermischen Masse verbunden, die durch eine den Zuluftpfad 3 begrenzende Wandung 9 ausgebildet wird. Die Wandung 9 wird somit durch die Abwärme der Komponente 8 beheizt. Da im Bereich der beheizbaren Wandung 9 zugleich eine Ventileinheit 7 der Befeuchtungseinrichtung 6 angeordnet ist, trifft das mittels der Ventileinheit 7 eingedüste Wasser, sofern es nicht direkt verdampft, auf eine heiße Oberfläche 15 der Wandung 9, so dass spätestens dann das Wasser verdampft. Auf diese Weise kann ein vollständiges Verdampfen des eingebrachten Wassers gefördert werden.
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Bevor die verdichtete und befeuchtete Luft in den Wärmetauscher 17 gelangt, durchströmt sie eine Befeuchtungsstrecke 23. Im Bereich der Befeuchtungsstrecke 23 können Einbauten (nicht dargestellt) vorgesehen sein, die eine Verwirbelung der hindurchströmenden Luft bewirken, so dass eine optimale Feuchteverteilung erzielt wird.
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Die in der 1 dargestellte Befeuchtungseinrichtung 6 umfasst neben der Ventileinheit 7 einen Tank 13 zum Bevorraten von Wasser sowie eine Pumpe 14 zur Entnahme von Wasser aus dem Tank 13. Ferner kann mit Hilfe der Pumpe 14 das Wasser auf ein bestimmtes Druckniveau gefördert werden.
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Eine weitere bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems 1 ist in der 2 dargestellt. Auch diese Ausführungsform nutzt die Abwärme einer Komponente 8 zum Verdampfen von Wasser, das mit Hilfe einer Befeuchtungseinrichtung 6 in den Zuluftpfad 3 eingebracht wird. Die Befeuchtungseinrichtung 6 umfasst hierzu eine Ventileinheit 7, der mit Hilfe einer Pumpe 14 Wasser aus einem Tank 13 zuführbar ist.
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Stromabwärts der Ventileinheit 7 führt der Zuluftpfad 3 über eine Befeuchtungsstrecke 23, die von einer Wandung 11 begrenzt wird, die als spiralförmiges Rohr ausgebildet ist. Das Rohr bzw. ein Hohlraum 12 des Rohrs ist mit einem Kühlmittel zur Kühlung der Komponente 8 beaufschlagbar. Das Rohr ist hierzu über eine Kühlmittelleitung 21 an einen Kühlkreis 22 der Komponente 8 geschlossen. Mit Hilfe des Kühlmittels ist demnach die Wandung 11 beheizbar. Ist eine Beheizung der Wandung 11 nicht erforderlich, da sich die Luft bereits beim Verdichten stark erwärmt hat, kann mit Hilfe eines Ventils 20 die Kühlmittelleitung 21 vom Kühlkreis 22 getrennt werden.
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Das den Hohlraum 12 der Wandung 11 ausbildende Rohr weist vorliegend einen kreisrunden Querschnitt auf, so dass die Oberfläche 15 der Wandung 11 vergrö-ßert wird. Durch die vergrößerte Oberfläche 15 wird die Wärmeübertragung optimiert, so dass gegebenenfalls die Befeuchtungsstrecke 23 verkürzt werden kann. Der Rohrquerschnitt führt ferner zu einer Innenkontur der Wandung 11, die das eine Verwirbelung der hindurchströmenden Luft fördert. Auf diese Weise wird eine gleichmäßige Feuchteverteilung erreicht.
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Im Übrigen kann das Brennstoffzellensystem 1 der 2 analog dem Brennstoffzellensystem 1 der 1 ausgebildet sein.
