DE102021207794A1 - Brennstoffzellenvorrichtung sowie deren Verwendung in einem Kraftfahrzeug - Google Patents

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Richard Brümmer
Matthias Gänswein
Sven Alexander Kaiser
Frank Von Lützau
Jan Schultes
Thomas Strauss
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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennstoffzellenvorrichtung (1) mit einer Brennstoffzelle (2), welche im Betrieb als Produkt kalter Verbrennung Wasser abgibt, einem zur Brennstoffzelle (2) hinführenden Zuluftpfad (3) für einen eine Zuluftströmungsrichtung (4) definierenden Kathodenzuluftstrom (5) aus einer der Brennstoffzelle (2) zugeführten, Wasser enthaltenden Zuluft und einem von der Brennstoffzelle (2) wegführenden Abluftpfad (7) für einen eine Abluftströmungsrichtung (8) definierenden Kathodenabluftstrom (9) aus einer von der Brennstoffzelle (2) abströmenden, Wasser enthaltenden Abluft. Der Zuluftpfad (3) und der Abluftpfad (7) sind durch einen mit der Zuluft und der Abluft fluidisch kommunizierenden Befeuchter (10) der Brennstoffzellenvorrichtung (1) zum Befeuchten der Zuluft und Entfeuchten der Abluft geführt. Der Abluftpfad (7) ist ferner durch einen mit der Abluft fluidisch kommunizierenden Wasserabscheider (11) der Brennstoffzellenvorrichtung (1) zum Entfernen von Wasser aus der Abluft und zum Bereitstellen diesen Wassers als Verdunstungswasser geführt. Die Brennstoffzellenvorrichtung (1) weist ferner einen Wärmetauscher (12) zum Kühlen der Brennstoffzelle (2) auf, der einen Verdunstungskühler (13) zum Kühlen des Wärmetauschers (12) aufweist. Wesentlich ist, dass der Verdunstungskühler (13) dem Wasserabscheider (11) fluidisch kommunizierend zugeordnet und durch denselben mit Verdunstungswasser gespeist ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzellenvorrichtung nach Anspruch 1 sowie deren Verwendung in einem Kraftfahrzeug.
  • Brennstoffzellenvorrichtungen der eingangs genannten Art sind seit langem bekannt. Nachteilig an ihnen ist, dass sie im Betrieb gekühlt werden müssen.
  • Die Aufgabe der Erfindung liegt darin, eine verbesserte oder zumindest eine andere Ausführungsform einer Brennstoffzellenvorrichtung anzugeben. Insb. soll die Kühlung der Brennstoffzellenvorrichtung verbessert oder vereinfacht werden.
  • Bei der vorliegenden Erfindung wird diese Aufgabe insb. durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche und der Beschreibung.
  • Der Grundgedanke der Erfindung liegt darin, einer Brennstoffzelle einer Brennstoffzellenvorrichtung einen Wärmetauscher zum Kühlen zuzuordnen, wobei der Wärmetauscher einen Verdunstungskühler zum Kühlen des Wärmetauschers aufweist, welcher mittels aus dem Kathodenabluftstrom der Brennstoffzelle bereitgestellten Verdunstungswassers gespeist ist.
  • Hierzu ist eine Brennstoffzellenvorrichtung vorgesehen, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, die eine Brennstoffzelle, welche im Betrieb als Produkt kalter Verbrennung Wasser abgibt, einen zur Brennstoffzelle hinführenden Zuluftpfad für einen eine Zuluftströmungsrichtung definierenden Kathodenzuluftstrom aus einer der Brennstoffzelle zugeführten, Wasser enthaltenden Zuluft und einen von der Brennstoffzelle wegführenden Abluftpfad für einen eine Abluftströmungsrichtung definierenden Kathodenabluftstrom aus einer von der Brennstoffzelle abströmenden, Wasser enthaltenden Abluft aufweist. Die Zuluft kann dabei aus der Kathodenabluft oder einer Umgebungsluft der Brennstoffzellenvorrichtung realisiert bzw. gewonnen und bspw. mittels einer nachfolgend noch detaillierter beschriebenen Kompressoreinrichtung entlang des Zuluftpfads zur Brennstoffzelle gefördert werden. Die Abluft kann bezüglich der Umgebungsluft der Brennstoffzellenvorrichtung unter Überdruck stehen, bspw. 0,8 bis 1,5 bar oder bzw. 1,8 bar bis 2,5 bar oder 1,5 bar bis 3,0 bar Absolutdruck. Dadurch strömt die Abluft selbsttätig aus der Brennstoffzelle. Weiterhin ist vorgesehen, dass der Zuluftpfad und der Abluftpfad durch einen mit der Zuluft und der Abluft fluidisch kommunizierenden Befeuchter der Brennstoffzellenvorrichtung zum Befeuchten der Zuluft und Entfeuchten der Abluft geführt ist, wobei der Abluftpfad ferner durch einen mit der Abluft fluidisch kommunizierenden Wasserabscheider der Brennstoffzellenvorrichtung, den man auch als Wassergewinnungseinrichtung bezeichnen könnte, zum Entfernen von Wasser aus der Abluft und zum Bereitstellen diesen Wassers als Verdunstungswasser geführt ist. Der Wasserabscheider kann beispielsweise durch einen Vorwasserabscheider, einen Feinwasserabscheider, einen Abluftkondensator, einen Wasserauslass an oder nach einer Expansionsturbine des Abluftpfades der Brennstoffzelle oder durch eine beliebige Kombination dieser Komponenten realisiert sein. Die Brennstoffzellenvorrichtung hat ferner einen Wärmetauscher zum Kühlen der Brennstoffzelle. Der Wärmetauscher weist einen Verdunstungskühler auf, welcher zum Kühlen des Wärmetauschers dient. Der Verdunstungskühler ist dem Wasserabscheider fluidisch kommunizierend zugeordnet und durch denselben mit Verdunstungswasser gespeist oder zumindest speisbar. Dadurch ist das in der Abluft der Brennstoffzelle mitgeführte Wasser kein aufwändig zu entsorgendes Nebenprodukt der kalten Verbrennung in der Brennstoffzelle, sondern kann unmittelbar zur Kühlung derselben wiederverwendet werden. Bspw. entfällt dadurch die Bereitstellung externen Wassers für die Kühlung. Mithin ist die Brennstoffzellenvorrichtung verbessert oder zumindest vereinfacht.
  • Zweckmäßigerweise kann der besagte Verdunstungskühler eine Verdunstungskühlervorrichtung bilden, die einen Kühlmittelkühler und stromauf des Kühlmittelkühlers eine Berieselungseinheit und/oder eine Vernebelungseinheit, bspw. einen Rotationsvernebler, aufweist.
  • Zweckmäßig ist ferner, wenn der Wasserabscheider bezüglich der Abluftströmungsrichtung des Kathodenabluftstroms stromauf des Befeuchters angeordnet ist. Alternativ oder zusätzlich kann der Wasserabscheider bezüglich der Abluftströmungsrichtung des Kathodenabluftstroms stromab des Befeuchters angeordnet sein. Weiterhin zusätzlich oder alternativ kann der besagte Wasserabscheider in oder nach einer Expansionsturbine angeordnet oder von selbiger gebildet sein. Die Expansionsturbine kann von Abluft durchströmbar und strömungstechnisch stromab des Befeuchters und/oder stromab eines noch zu erläuternden Verdunstungswassertanks in den Kathodenabluftstrom fluidisch kommunizierend eingefügt sein. Insb. kann sie eine noch zu erläuternde Antriebsturbine fluidisch mit dem noch zu erläuternden Verdunstungswassertank verbinden. Wenn Abwärme der Brennstoffzelle genutzt wird, kann in der Expansionsturbine relativ viel Wasser anfallen, dieses hat jedoch keinen oder nur wenig Überdruck bezüglich der Standardatmosphäre, insbesondere wenn es erst am Austritt der Turbine oder nach dieser gewonnen wird. In diesem Zusammenhang kann auch vorgesehen sein, dass der stromauf des Befeuchters angeordnete Wasserabscheider durch einen Grobwasserabscheider zum Entfernen von Wasser aus der Abluft und zum Bereitstellen diesen Wassers als Verdunstungswasser gebildet ist. Der Grobwasserabscheider ist dabei bezüglich der Abluftströmungsrichtung des Kathodenabluftstroms stromauf des Befeuchters angeordnet und diesem fluidisch vorgeschaltet. Er kann relativ große Wassertröpfchen aus der Abluft entfernen. Dadurch kann er vorteilhafterweise eine relativ große Wassermenge oder ein relativ großes Wasservolumen aus der Abluft entfernen und als Verdunstungswasser für die Versorgung des Verdunstungskühlers gewinnen und bereitstellen. Zudem bewirkt der Grobwasserabscheider den Vorteil, dass der Befeuchter vor Feuchteschäden geschützt werden kann, die durch übermäßigen Wassereintrag mit der Abluft hervorgerufen werden können. Zusätzlich oder alternativ kann vorgesehen sein, dass der stromab des Befeuchters angeordnete Wasserabscheider durch einen Feinwasserabscheider zum Entfernen von Wasser aus der Abluft und zum Bereitstellen diesen Wassers als Verdunstungswasser gebildet ist. Der Feinwasserabscheider ist dabei bezüglich der Abluftströmungsrichtung des Kathodenabluftstroms stromab des Befeuchters angeordnet und diesem fluidisch nachgeschaltet. Er kann relativ kleine Wasserteilchen aus der Abluft entfernen. Dadurch kann er vorteilhafterweise eine Wassermenge oder ein Wasservolumen aus der Abluft, die aus dem Befeuchter ausströmt, entfernen und als Verdunstungswasser für die Versorgung des Verdunstungskühlers gewinnen und bereitstellen. Der Feinwasserabscheider bietet den weiteren Vorteil, dass er Restfeuchtigkeit aus der vom Befeuchter ausströmenden Abluft entfernt, wodurch weiter stromab im Kathodenabluftstrom angeordnete Komponenten der Brennstoffzellenvorrichtung, insb. eine Kompressoreinrichtung, insb. eine Abluftturbine einer Luftversorgungseinrichtung, vor Feuchteschäden, insb. Tropfenschlag, geschützt werden kann. Dabei kann vorgesehen sein, dass der Feinwasserabscheider mit einem Wasserablass oder einem Wasserablassventil ausgerüstet ist, durch welchen oder durch welches mittels des Feinwasserabscheiders bereitgestelltes Verdunstungswasser in die Umgebung der Brennstoffzellenvorrichtung abfließen oder anderweitig in der Brennstoffzellenvorrichtung genutzt werden kann. Weiter kann das Wasser aus einer Abluftturbine einer Luftversorgungseinrichtung für die Verdunstungskühlung genutzt werden, wenn dort flüssiges Wasser zur Verfügung steht.
  • Zweckmäßig kann der Wasserabscheider sowohl durch einen Grobwasserabscheider und einen Feinwasserabscheider gebildet sein. Dadurch ist zum einen ein relativ großer Anteil von Wasser aus der Abluft des Kathodenabluftstroms entfernbar. Zum anderen kann dadurch eine relativ große Wassermenge oder ein relativ großes Wasservolumen als Verdunstungswasser für die Versorgung des Verdunstungskühlers gewonnen und bereitgestellt werden.
  • Zweckmäßigerweise kann das bereitgestellte Verdunstungswasser von Abluft des Kathodenabluftstroms druckbeaufschlagt sein. Die unter Überdruck stehende Abluft aus der Brennstoffzelle, bspw. 1,8 bar bis 2,5 bar oder 1,5 bar bis 3,0 bar Absolutdruck, bewirkt dadurch, dass das mittels der Wasserabscheider aus der Abluft abgeschiedene Verdunstungswasser in den Verdunstungskühler gefördert wird. Dadurch kann der Wärmetauscher bzw. der Verdunstungskühler ohne eine Fördereinrichtung für das Verdunstungswasser realisiert werden, wodurch eine entsprechende Brennstoffzellenvorrichtung relativ kostengünstig hergestellt werden kann.
  • Zweckmäßig ist ferner, wenn die Brennstoffzellenvorrichtung zur Speisung des Verdunstungskühlers einen vom Wasserabscheider zum Verdunstungskühler führenden Speisewasserpfad für einen eine Speiseströmungsrichtung definierenden Speisewasserstrom aus Verdunstungswasser aufweist. Dadurch ist der Verdunstungskühler fluidisch kommunizierend mit dem Wasserabscheider verbunden, so dass vom Wasserabscheider bereitgestelltes Verdunstungswasser aus der Abluft vom Wasserabscheider zum Verdunstungskühler strömen kann. Der Speisewasserpfad kann bspw. durch eine den Wasserabscheider mit dem Verdunstungskühler fluidisch verbindende Verdunstungswasserleitung der Brennstoffzellenvorrichtung führen. Alternativ kann vorgesehen sein, dass die Brennstoffzellenvorrichtung zur Speisung des Verdunstungskühlers ein Paar strömungstechnisch paralleler Speisewasserpfade hat, nämlich einen Speisewasserpfad für einen eine Speiseströmungsrichtung definierenden Speisewasserstrom aus Verdunstungswasser, der vom Grobwasserabscheider zum Verdunstungskühler führt sowie einen weiteren Speisewasserpfad für einen eine weitere Speiseströmungsrichtung definierenden weiteren Speisewasserstrom aus Verdunstungswasser, der vom Feinwasserabscheider zum Verdunstungskühler führt. Dadurch kann vom Grobwasserabscheider und Feinwasserabscheider aus der Abluft bereitgestelltes Verdunstungswasser zum Verdunstungskühler strömen, wodurch die Speisung des Verdunstungskühlers realisiert ist. D.h., dass der Verdunstungskühler fluidisch kommunizierend mit dem Grobwasserabscheider und dem Feinwasserabscheider verbunden ist, so dass bereitgestelltes Verdunstungswasser aus der Abluft vom Grobwasserabscheider und Feinwasserabscheider zum Verdunstungskühler strömen kann. Der Speisewasserpfad und der weitere Speisewasserpfad können bspw. jeweils durch eine den Grobwasserabscheider bzw. den Feinwasserabscheider mit dem Verdunstungskühler fluidisch verbindende Verdunstungswasserleitung geführt sein.
  • Ferner kann die Brennstoffzellenvorrichtung eine Ventileinrichtung zum Steuern oder Regeln eines Masse- oder Volumenstroms des Verdunstungswassers aufweisen, die von Verdunstungswasser durchströmbar und strömungstechnisch zwischen dem Verdunstungskühler und dem Wasserabscheider in den Speisewasserstrom oder in den weiteren Speisewasserstrom oder in den einen Speisewasserstrom und den weiteren Speisewasserstrom eingefügt ist. Dadurch führt der Speisewasserpfad für den besagten Speisewasserstrom durch eine Ventileinrichtung. Diese erlaubt es, eine Steuerung oder eine Regelung des Speisewasserstroms, bspw. hinsichtlich der durchströmenden Wassermenge oder des durchströmenden Wasservolumens des Verdunstungswassers, vorzunehmen. Vorteilhafterweise kann dadurch die Kühlleistung des Verdunstungskühlers gesteuert oder geregelt werden.
  • Ferner können mindestens zwei Ventileinrichtungen zum Steuern oder Regeln eines Masse- oder Volumenstroms des Verdunstungswassers vorgesehen sein, wobei die eine Ventileinrichtung von Verdunstungswasser durchströmbar und strömungstechnisch zwischen dem Verdunstungskühler und dem Grobwasserabscheider in den Speisewasserstrom eingefügt ist und wobei die weitere Ventileinrichtung von Verdunstungswasser durchströmbar und strömungstechnisch zwischen dem Verdunstungskühler und dem Feinwasserabscheider in den weiteren Speisewasserstrom eingefügt ist. Auch hierdurch kann vorteilhafterweise die Kühlleistung des Verdunstungskühler gesteuert oder geregelt werden.
  • Zweckmäßig ist ferner, wenn die eine Ventileinrichtung durch ein Wasserspeiseventil, ein Schwimmerventil, ein Schwimmerventil mit Leckage, ein Überdruckventil, ein Rückschlagventil oder durch eine Kombination dieser Ventile realisiert ist.
  • Ferner kann die besagte weitere Ventileinrichtung durch ein Wasserspeiseventil mit oder ohne Leckage, ein Schwimmerventil mit oder ohne Leckage, ein Überdruckventil, ein Rückschlagventil oder durch eine Kombination dieser Ventile realisiert sein. Dabei stellt ein Wasserspeiseventil eine kostengünstige Möglichkeit zur Realisierung einer Ventileinrichtung dar. Ein Schwimmerventil kann vorteilhafterweise das Ausströmen von Abluft in die Verdunstungskühlanlage, also den verdunstungswasserführenden Bereich stromab des Wasserabscheiders, verhindern, wenn kein oder praktisch fast kein Wasser oder Verdunstungswasser am Wasserabscheider bereitsteht. Eine beabsichtigte Leckage des Wasserspeiseventils oder des Schwimmerventils oder auch ein kurzzeitiges Öffnen des Ventils ermöglicht es, dass Abluft aus dem Brennstoffzellenabluftsystem gezielt durch die Verdunstungskühlanlage strömen kann, um die gesamte Anlage oder zumindest den Verdunstungskühler von Verdunstungswasser zu befreien. In der Praxis kann dies auch als „Ausblasen“ bezeichnet werden. Das hat den Vorteil, dass die gesamte Anlage oder zumindest der Verdunstungskühler nicht einfrieren kann, wenn die Umgebungstemperaturen entsprechend weit absinken. Ein Leeren der Anlage ist dann nicht erforderlich. Ein Überdruckventil schützt den Wärmetauscher oder den Verdunstungskühler vor Drücken im Kathodenabluftstrom, welche über einen festgelegten oder festlegbaren für den Wärmetauscher oder Verdunstungskühler zulässigen Grenzdruck steigen. Dadurch kann einer Beschädigung des Wärmetauschers und/oder des Verdunstungskühlers durch Überdruck vorgebeugt werden. Ein Rückschlagventil kann den Kathodenabluftstrom sowie die mit diesem fluidisch kommunizierenden Bauteile in dem Fall schützen, dass im Wärmetauscher oder im Verdunstungskühler, insb. in einem Verdunstungswassertank des Wärmetauschers oder des Verdunstungskühlers, ein relativ zum Druck im Kathodenabluftstrom gemessener Überdruck auftritt, der über einen festgelegten oder festlegbaren für den Kathodenabluftstrom sowie die mit diesem fluidisch kommunizierenden Bauteile zulässigen Grenzdruck steigt. Damit kann einer Druckbeaufschlagung des Kathodenabluftstroms sowie einer Beschädigung der mit diesem fluidisch kommunizierenden Bauteile vorgebeugt werden. Denkbar ist ferner, dass die Ventileinrichtung auch als Luftventil fungiert und neben Verdunstungswasser auch Abluft und/oder Zuluft durchleitet.
  • Weiter zweckmäßigerweise kann die Brennstoffzellenvorrichtung ein Sammelvolumen zum Sammeln von Verdunstungswasser aufweisen. Das Sammelvolumen kann einerseits mit dem Verdunstungskühler und andererseits mit dem Wasserabscheider oder dem Grobwasserabscheider und/oder dem Feinwasserabscheider fluidisch verbunden sein.
  • Zweckmäßig ist ferner, wenn das besagte Sammelvolumen von mindestens einer Verdunstungswasserleitung für einen Speisewasserstrom aus Verdunstungswasser gebildet oder begrenzt ist. Zusätzlich zu dieser mindestens einen Verdunstungswasserleitung kann das Sammelvolumen auch von mindestens einer weiteren Verdunstungswasserleitung für den weiteren Speisewasserstrom aus Verdunstungswasser gebildet oder begrenzt sein. Bspw. kann das Sammelvolumen von einer einzigen Verdunstungswasserleitung gebildet oder begrenzt sein, welche zweckmäßigerweise den Wasserabscheider oder Grobwasserabscheider mit dem Verdunstungskühler fluidisch verbindet. Alternativ kann das Sammelvolumen von zwei oder mehreren Verdunstungswasserleitungen gebildet oder begrenzt sein, die bspw. den Grobwasserabscheider mit dem Verdunstungskühler sowie den Feinwasserabscheider mit dem Verdunstungskühler fluidisch verbindet. Dadurch ist insgesamt eine vorteilhafte, relativ kostengünstige und relativ kompakte Gestalt des Sammelvolumens angegeben.
  • Weiterhin kann die Brennstoffzellenvorrichtung einen separaten Verdunstungswassertank zum Sammeln von Verdunstungswasser aufweisen. Dieser kann das Sammelvolumen ergänzen oder bilden oder begrenzen. Der Verdunstungswassertank ist zweckmäßigerweise von Verdunstungswasser durchströmbar und strömungstechnisch zwischen dem Grobwasserabscheider und dem Verdunstungskühler in den Speisewasserstrom eingefügt. Alternativ kann die Brennstoffzellenvorrichtung einen separaten Verdunstungswassertank zum Sammeln von Verdunstungswasser aufweisen, der das Sammelvolumen ergänzt oder bildet oder begrenzt und von Verdunstungswasser durchströmbar und strömungstechnisch zwischen der Ventileinrichtung und dem Verdunstungskühler in den Speisewasserstrom eingefügt ist. Es ist ferner eine Ausführungsform der Brennstoffzellenvorrichtung vorstellbar, bei der Verdunstungswassertanks sowohl stromauf als auch stromab der Ventileinrichtung angeordnet sind. Mit dem Verdunstungswassertank ist es möglich, Verdunstungswasser zu bevorraten. Dadurch wird die Speisung des Verdunstungskühlers mit Verdunstungswasser unempfindlicher gegenüber Schwankungen der vom Grobwasserabscheider bereitgestellten Verdunstungswassersmenge bzw. Verdunstungswasservolumen, was bspw. auf unterschiedliche Betriebszustände der Brennstoffzelle zurückgeführt werden kann. Eine dem Verdunstungswassertank bezüglich der Speiseströmungsrichtung stromauf vorgeschaltete Ventileinrichtung ermöglicht es, die in den Verdunstungswassertank einströmende Verdunstungswassersmenge bzw. das Verdunstungswasservolumen zu kontrollieren.
  • Zweckmäßig ist ferner, wenn der Verdunstungswassertank ein Tanksammelvolumen von größer 0 Liter / kW und kleiner oder gleich 0,1 Liter / kW installierter elektrischer Leistung der Brennstoffzelle aufweist. Bspw. kann das Tanksammelvolumen 30 Liter und die elektrische Leistung der Brennstoffzelle 300kW betragen. Den Ausdruck „Liter / kW“ liest der Fachmann zweckmäßigerweise als „Liter pro Kilowatt“.
  • Ferner kann der Verdunstungswassertank mittels unter Überdruck stehender Zuluft aus dem Kathodenzuluftstrom und/oder mittels unter Überdruck stehender Abluft aus dem Kathodenabluftstrom druckbeaufschlagt sein. Dadurch lässt sich der Verdunstungswassertank mit einem bezüglich der Umgebung der Brennstoffzellenvorrichtung gemessenen Überdruck der Abluft oder der Zuluft von bspw. 1,8 bar bis 2,5 bar oder 2,8 bar bis 3,5 bar Absolutdruck beaufschlagen. Der Überdruck kann alternativ zwischen dem Druck im Verdunstungskühler oder dem Umgebungsdruck der Brennstoffzellenvorrichtung und dem Druck im Kathodenabluftstrom liegen. Die Abluft kann zweckmäßigerweise stromauf des Grobwasserabscheiders oder stromab des Befeuchters oder stromab des Feinwasserabscheiders aus dem Kathodenabluftstrom abgegriffen werden. Die Zuluft kann zweckmäßigerweise stromauf der Brennstoffzelle aus Kathodenzuluftstrom abgegriffen werden. Die abgegriffene Druckluft kann in beiden Fällen durch eine eigene Druckluftleitung, in die ein steuerbares oder regelbares Luftventil eingebaut sein kann, zum Verdunstungswassertank strömen. Der so druckbeaufschlagte Verdunstungswassertank hat den Vorteil, dass im Verdunstungswassertank gesammeltes Verdunstungswasser selbsttätig aus dem Verdunstungswassertank zum Verdunstungskühler strömt. Das hat den Vorteil, dass auf eine separate Fördereinrichtung verzichtet werden kann. Der Verdunstungswassertank kann natürlich grundsätzlich bezüglich der Umgebung der Brennstoffzellenvorrichtung drucklos gehalten sein, insb. bei Verwendung einer noch beschriebenen Förderpumpe.
  • Zweckmäßig ist ferner, wenn zur Druckbeaufschlagung des Verdunstungswassertanks ein Luftventil vorgesehen ist, welches den Kathodenzuluftstrom fluidisch kommunizierend mit dem Verdunstungswassertank verbindet, so dass Zuluft durch das Luftventil hindurch in den Verdunstungswassertank einströmen und diesen druckbeaufschlagen kann. Dadurch kann bspw. auf eine separate Fördereinrichtung zur Förderung des Verdunstungswassers aus dem Verdunstungswassertank in den Verdunstungskühler verzichtet werden. Denkbar ist, dass das Luftventil durch ein 4/3 Wegeventil mit Abschaltfunktion realisiert ist.
  • Weiter zweckmäßigerweise kann die Brennstoffzellenvorrichtung eine Speiseventileinrichtung zum Steuern oder Regeln eines Masse- oder Volumenstroms des Verdunstungswassers, die von Verdunstungswasser durchströmbar und strömungstechnisch zwischen dem Verdunstungskühler und dem Verdunstungswassertank in den einen Speisewasserstrom eingefügt ist, aufweisen. Die dem Verdunstungswassertank in Speiseströmungsrichtung stromab nachgeschaltete Speiseventileinrichtung hat den Zweck, den Masse- oder Volumenstrom des aus dem Verdunstungswassertank ausströmenden Verdunstungswassers zu steuern oder zu regeln. Hierzu kann vorgesehen sein, dass die Speiseventileinrichtung durch ein Berieselungsventil realisiert ist. Ein Berieselungsventil soll den Berieselungs- oder Verdunstungswassermassenstrom von Verdunstungswasser bzw. Prozesswasser für die Verdunstungskühlung steuern und/oder regeln. Dieses Ventil kann als Proportionalventil ausgeführt werden, um den Verdunstungswassermassenstrom stufenlos steuern oder regeln zu können. Alternativ ist auch ein on/off-Ventil denkbar. In diesem Fall kann der Verdunstungswassermassenstrom durch Drosselung der Leitung, verändern des Drucks im Verdunstungswassertank oder eine variable Fördereinrichtung, z.B. eine Pumpe, variiert werden.
  • Zweckmäßig ist ferner, wenn die Speiseventileinrichtung ein Berieselungsventil zum Steuern oder Regeln des Masse- oder Volumenstrom des aus dem Verdunstungswassertank ausströmenden Verdunstungswassers aufweist oder von dieser gebildet ist. Alternativ oder zusätzlich kann die Speiseventileinrichtung eine Fördereinrichtung zum Fördern von Verdunstungswasser aus dem Verdunstungswassertank hin zum Verdunstungskühler aufweisen oder von dieser gebildet sein. Weiter alternativ oder zusätzlich kann die Speiseventileinrichtung ein Wasserablassventil zum Ablassen von Verdunstungswasser aus dem Verdunstungswassertank aufweisen oder von dieser gebildet sein, wobei das Wasserablassventil entweder fluidisch unmittelbar direkt an den Verdunstungswassertank oder fluidisch mittelbar indirekt über die Fördereinrichtung oder ein Berieselungsventil an den Verdunstungswassertank angeordnet ist. Dadurch kann der zum Verdunstungswassertank strömende Masse- oder Volumenstrom von Verdunstungswasser kontrolliert werden. Ferner kann mittels des Wasserablassventils Verdunstungswasser abgelassen werden, bspw. zur Umgebung der Brennstoffzellenvorrichtung hin. Dies kann bspw. beim Abschalten der Brennstoffzellenvorrichtung oder beim Überlaufen des Verdunstungswassertanks oder als Einfrierschutz bei Temperaturen um 0°C sinnvoll sein. Die Fördereinrichtung erlaubt es Verdunstungswasser mit einem vorgegebenen Masse- oder Volumenstrom hin zum Verdunstungswassertank zu fördern.
  • Weiterhin kann die Fördereinrichtung durch eine Förderpumpe, insb. eine Peripheralradpumpe oder einen Seitenkanalverdichter, realisiert ist. Die Peripheralradpumpe oder die Seitenkanalverdichter arbeitet vorzugsweise bei relativ kleinen Volumenströmen und relativ hohen Absolutdrücken.
  • Zweckmäßig ist ferner, wenn die Brennstoffzellenvorrichtung eine Kompressoreinrichtung aufweist, welche einen abluftbetriebenen oder abluftbetreibbaren Kompressor hat. Dessen Verdichter zum Verdichten von Zuluft ist von Zuluft durchströmbar und strömungstechnisch stromauf der Brennstoffzelle in den Kathodenzuluftstrom eingefügt, wobei dessen Antriebsturbine zum Antreiben des Verdichters von Abluft durchströmbar und strömungstechnisch stromab des Befeuchters oder des Feinwasserabscheiders in den Kathodenabluftstrom eingefügt ist. Es ist denkbar, dass die Kompressoreinrichtung einen Kühler zum Kühlen von durch den Verdichter komprimierter Zuluft hat, wobei dieser Kühler bezüglich des Kathodenzuluftstroms stromab des Verdichters von komprimierter Zuluft durchströmbar an den Verdichter angeordnet ist.
  • Ferner kann folgendes vorgesehen oder realisiert sein:
    • - der Wärmetauscher oder der Verdunstungskühler wird oder ist bei einer Umgebungstemperatur der Brennstoffzellenvorrichtung von größer gleich 5°C oder einer Umgebungstemperatur von deutlich über dem Gefrierpunkt betrieben oder verwendet, oder
    • - der Wärmetauscher oder die Verdunstungskühlung wird auch bei Temperaturen unter dem Gefrierpunkt verwendet, um das Wasser „loszuwerden“, ohne es auf die kalte Straße zu tropfen, wobei eine Beheizung des Verdunstungswassertanks und der übrigen Anlage, d.h. der Brennstoffzellenvorrichtung, z.B. mittels Kühlmittel sinnvoll sein kann,
    • - der Betrieb des Wärmetauschers oder des Verdunstungskühlers wird oder ist bei einer Kühlmitteltemperatur aus der Brennstoffzelle von größer gleich 60°C oder größer gleich 70°C oder größer gleich 75°C oder einer Kühlmitteltemperatur in einem Bereich zwischen 60°C bis 90°C vorgenommen, oder
    • - der Betrieb des Wärmetauschers oder des Verdunstungskühlers ist oder wird mittels einer Zuschaltkennlinie gesteuert oder geregelt, wobei der Zuschaltgrad zVerd von der Wärmemenge QFC der Brennstoffzelle und der Umgebungstemperatur TAmb in °C der Brennstoffzellenvorrichtung etwa gemäß nachfolgender Gleichung erfolgt: ZVerd ≈ f ( QFC/Qmax * 55 ° C/ ( 75 ° C − TAmb ) )
      Figure DE102021207794A1_0001
      wobei das Zeichen „*“ als mathematisches Malzeichen zu verstehen ist und wobei f(x) = 0 für x < 0,5, oder
    • - der Betrieb des Wärmetauschers oder des Verdunstungskühlers ist oder wird geregelt, wobei die Regelung über ein Bedarfskennfeld mit oder ohne Berücksichtigung der thermischen Trägheit der Brennstoffzellenvorrichtung erfolgt, oder
    • - der Betrieb des Wärmetauschers oder des Verdunstungskühlers ist oder wird geregelt, wobei die Regelung anhand der Umgebungstemperatur der Brennstoffzellenvorrichtung oder der Umgebungstemperatur der Brennstoffzellenvorrichtung und Feuchte oder einer Kühlmitteltemperatur erfolgt, oder
    • - der Betrieb des Wärmetauschers oder des Verdunstungskühlers ist oder wird geregelt, wobei die Regelung durch ein Thermostatventil geregelt und/oder durch die Zuschaltung eines Lüfters unterstützt ist, oder
    • - der Betrieb des Wärmetauschers oder des Verdunstungskühlers ist oder wird geregelt, wobei in die Regelung eine oder alle der nachfolgenden Größen einbezogen werden: Füllstand des Wassers im Vorratsbehälter, Retardereinsatz, Klimaanlage, Ladestand und Temperatur der Batterie, Fahrgeschwindigkeit, Gesamtgewicht, Geländetopologie und Verkehrslage.
  • Ferner ist denkbar, dass
    • - die Speisung des Verdunstungskühlers mit Verdunstungswasser geregelt ist, oder
    • - die Speisung des Verdunstungskühlers mit Verdunstungswasser bedarfsgerecht erfolgt, wobei eine den Betriebszustand der Brennstoffzelle widerspiegelnde Brennstoffzellenlast proportional zur durch den Wasserabscheider aus der Abluft entfernten Wassermenge ist, um bei relativ hoher Brennstoffzellenlast eine bedarfsgerechte Kühlung umzusetzen, oder
    • - die Speisung des Verdunstungskühlers mit einer Wassermenge von 2,5 bis 20 g/s pro Brennstoffzellen-Stack, oder 5,0 bis 15 g/s pro Brennstoffzellen-Stack, oder im Mittel zwischen 0,025 bis 0,2 g/kJel, oder im Mittel zwischen 0,005 bis 0,15 g/kJel erfolgt, oder
    • - die Speisung des Verdunstungskühlers mit einer Wassermenge erfolgt, die sich nach der elektrischen Arbeit der Brennstoffzelle richtet, wobei diese Wassermenge im Mittel zwischen 0,005 bis 0,16 g/kJ liegt, oder
    • - die Speisung des Verdunstungskühlers mit Verdunstungswasser erst dann erfolgt, wenn ein dem Verdunstungskühler strömungstechnisch vorgeschalteter Verdunstungswassertank zum Sammeln von Verdunstungswasser zur Speisung des Verdunstungskühlers voll ist, wobei die in den Verdunstungskühler eingespeiste Verdunstungswassermenge so eingestellt ist, dass das im Verdunstungswassertank bevorratete Verdunstungswasservolumen konstant bleibt. Dadurch wird lediglich so viel Verdunstungswasser für den Verdunstungskühler verbraucht, wie gesammelt wird, so dass ein dauerhafter Betrieb des Wärmetauschers gewährleistet ist. Dabei ist denkbar, dass, wenn ausnahmsweise die Kühlleistungsgrenze erreicht wird, d.h. wenn die Kühlmitteltemperatur der Brennstoffzelle nicht eingehalten werden kann, eine Steigerung der in den Verdunstungskühler eingespeisten Verdunstungswassermenge erfolgt, bis die Kühlmittelgrenztemperatur wieder erreicht ist bzw. knapp unterschritten ist.
  • Zweckmäßig ist ferner, wenn der Verdunstungswassertank bis zu einem gewissen Mindestmaß gefüllt ist, was vor allem von der Umgebungstemperatur und der absoluten Tankgröße abhängig sein kann. Ein weiteres wichtiges Kriterium ist, wenn der Verdunstungswassertank vom Befeuchter mit genutzt wird, wobei dann immer eine gewisse Bevorratungsmenge an Verdunstungswasser mind. für die Befeuchtung vorhanden sein muss, bevor die Verdunstungskühlung aktiviert wird. Ergänzend kann das Mindestmaß auch von der Fahrroute oder einer theoretischen mindest-Betriebsdauer bei maximalen Wassermassenstrom abhängen.
  • Zur Lösung der oben genannten Aufgabe ist weiter zweckmäßigerweise eine Verwendung der Brennstoffzellenvorrichtung nach der vorangehenden Beschreibung in einem Kraftfahrzeug vorgesehen. Die Brennstoffzellenvorrichtung kann hierbei unmittelbar in das Kraftfahrzeug integriert oder nachgerüstet sein. Sie kann ferner gemäß den vorstehenden genannten Betriebsparametern betrieben werden.
  • Zur Lösung der oben genannten Aufgabe ist weiterhin zweckmäßigerweise ein Verfahren zum Betreiben der Brennstoffzellenvorrichtung nach der vorangehenden Beschreibung mit den folgenden Betriebsschritten vorgesehen:
    • - Start der Brennstoffzelle, wobei aus deren Abluft mittels Wasserabscheider Wasser entfernt, angesammelt und als Verdunstungswasser bereitgestellt wird,
    • - wenn ein Sammelvolumen der Brennstoffzellenvorrichtung für das bereitgestellte Verdunstungswasser voll oder praktisch voll ist, Aktivierung des Verdunstungskühlers des Wärmetauschers der Brennstoffzellenvorrichtung,
    • - Einstellen der Wassermenge oder des Wasservolumens des in den Verdunstungskühler eingespeisten Verdunstungswassers, so dass die im Sammelvolumen bevorratete Wassermenge oder Wasservolumen von Verdunstungswasser gleich oder praktisch gleich bleibt, insb. so, dass nur so viel Verdunstungswasser für den Verdunstungskühler verwendet wird, wie durch die Wasserabscheider gesammelt wird,
    • - Steigerung der in den Verdunstungskühler eingespeisten Wassermenge oder Wasservolumens von Verdunstungswasser zum Erhöhen der Kühlleistung des Verdunstungskühlers, wenn Kühlleistungsgrenze des Wärmetauschers erreicht wird und/oder die Kühlmitteltemperaturen des Wärmetauschers nicht eingehalten werden.
  • In allen Ausführungsbeispielen kann der Verdunstungswassertank auch als Wassertank bezeichnet sein, oder umgekehrt. In allen Ausführungsbeispielen kann Verdunstungswasser auch als Kühlwasser oder Wasser bezeichnet sein, oder umgekehrt.
  • Zusammenfassend bleibt festzuhalten: Die vorliegende Erfindung betrifft vorzugsweise eine Brennstoffzellenvorrichtung mit einer Brennstoffzelle, welche im Betrieb als Produkt kalter Verbrennung Wasser abgibt, einem zur Brennstoffzelle hinführenden Zuluftpfad für einen eine Zuluftströmungsrichtung definierenden Kathodenzuluftstrom aus einer der Brennstoffzelle zugeführten Zuluft und einem von der Brennstoffzelle wegführenden Abluftpfad für einen eine Abluftströmungsrichtung definierenden Kathodenabluftstrom aus einer von der Brennstoffzelle abströmenden, Wasser enthaltenden Abluft. Der Zuluftpfad und der Abluftpfad sind durch einen mit der Zuluft und der Abluft fluidisch kommunizierenden Befeuchter der Brennstoffzellenvorrichtung zum Befeuchten der Zuluft und Entfeuchten der Abluft geführt. Der Abluftpfad ist ferner durch einen mit der Abluft fluidisch kommunizierenden Wasserabscheider der Brennstoffzellenvorrichtung zum Entfernen von Wasser aus der Abluft und zum Bereitstellen diesen Wassers als Verdunstungswasser geführt. Die Brennstoffzellenvorrichtung weist ferner einen Wärmetauscher zum Kühlen der Brennstoffzelle auf, der einen Verdunstungskühler zum Kühlen des Wärmetauschers aufweist. Wesentlich ist, dass der Verdunstungskühler dem Wasserabscheider fluidisch kommunizierend zugeordnet und durch denselben mit Verdunstungswasser gespeist ist.
  • Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
  • 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.
  • 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.
  • Es zeigen die
    • 1 bis 7 jeweils schematisch ein vereinfachtes Schaubild eines bevorzugten Ausführungsbeispiels einer Brennstoffzellenvorrichtung.
  • Die 1 bis 7 zeigen bevorzugte Ausführungsbeispiele einer von im gesamten mit der Bezugsziffer 1 bezeichneten Brennstoffzellenvorrichtung. Sie alle können in einem Kraftfahrzeug integriert sein oder nachgerüstet werden.
  • In der 1 ist ein vereinfachtes Schaubild eines bevorzugten Ausführungsbeispiels einer Brennstoffzellenvorrichtung 1 dargestellt. Die Brennstoffzellenvorrichtung 1 verfügt über eine Brennstoffzelle 2, die durch ein Kästchen angedeutet ist.
  • Zur Brennstoffzelle 2 führt ein Zuluftpfad 3 für einen eine Zuluftströmungsrichtung 4 definierenden Kathodenzuluftstrom 5 aus einer der Brennstoffzelle 2 zugeführten Zuluft, welche Wasser enthält. Die Brennstoffzellenvorrichtung 1 weist ferner einen von der Brennstoffzelle 2 wegführenden Abluftpfad 7 für einen eine Abluftströmungsrichtung 8 definierenden Kathodenabluftstrom 9 aus einer von der Brennstoffzelle 2 abströmenden, Wasser enthaltenden Abluft auf. Betriebsbedingt steht die aus der Brennstoffzelle strömende Abluft unter einem Absolutdruck von bspw. 0,8 bis 1,5 bar oder 1,8 bar bis 2,5 bar oder 1,5 bar bis 3,0 bar. Der Zuluftpfad 3 und der Abluftpfad 7 sind jeweils durch einen mit der Zuluft und der Abluft fluidisch kommunizierenden Befeuchter 10 der Brennstoffzellenvorrichtung 1, der ebenfalls durch ein Kästchen angedeutet ist und zum Befeuchten der Zuluft und Entfeuchten der Abluft dient, geführt. Der Abluftpfad 7 ist ferner durch einen mit der Abluft fluidisch kommunizierenden, mehrteiligen Wasserabscheider 11 der Brennstoffzellenvorrichtung 1 zum Entfernen von Wasser aus der Abluft und zum Bereitstellen diesen Wassers als Verdunstungswasser geführt. Der eine, bezüglich des Kathodenabluftstroms 9 stromauf des Befeuchters 10 angeordnete Teil des mehrteiligen Wasserabscheiders 11 ist durch einen Grobwasserabscheider 14 zum Entfernen von Wasser aus der Abluft und zum Bereitstellen diesen Wassers als Verdunstungswasser gebildet. Der Grobwasserabscheider 14 kann relativ große Wassertröpfchen aus der Abluft entfernen, wodurch vorteilhafterweise eine relativ große Wassermenge oder ein relativ großes Wasservolumen gewonnen und bereitgestellt werden kann. Der stromab des Befeuchters 10 angeordnete, andere Teil des mehrteiligen Wasserabscheiders 11 ist exemplarisch durch einen Feinwasserabscheider 15 zum Entfernen von Wasser aus der Abluft, die aus dem Befeuchter 10 ausströmt, und zum Bereitstellen diesen Wassers als Verdunstungswasser gebildet. Der Feinwasserabscheider 15 kann dabei relativ kleine Wasserteilchen und/oder Restfeuchtigkeit aus der Abluft entfernen. Dadurch kann er vorteilhafterweise zumindest eine relativ kleine Wassermenge oder ein relativ kleines Wasservolumen aus der Abluft, die aus dem Befeuchter 10 ausströmt, entfernen und als Verdunstungswasser bereitstellen. Der Feinwasserabscheider 15 bietet den weiteren Vorteil, dass die Abluft derart entfeuchtet ist, dass weiter stromab im Kathodenabluftstrom 9 angeordnete Komponenten der Brennstoffzellenvorrichtung 1, insb. eine nachfolgend noch erläuterte Kompressoreinrichtung 34, vor Feuchteschäden, insb. Tropfenschlag, geschützt werden. Der Feinwasserabscheider 15 ist vorliegend mit einem Wasserablass 39 ausgerüstet, welcher erlaubt, gesammeltes Abwasser/Verdunstungswasser in die Umgebung 6 der Brennstoffzellenvorrichtung 1 abzuleiten, was in 1 rein symbolisch durch einen Pfeil angedeutet ist.
  • In 1 ist ferner ein Wärmetauscher 12 angedeutet, welcher zum Kühlen der Brennstoffzelle 2 dient und einen Verdunstungskühler 13 aufweist, welcher zum Kühlen des Wärmetauschers 12 vorgesehen ist. Der Verdunstungskühler 13 ist exemplarisch dem Grobwasserabscheider 14 fluidisch kommunizierend zugeordnet und durch denselben mit Verdunstungswasser gespeist. Das Verdunstungswasser strömt exemplarisch durch eine den Verdunstungskühler 13 mit dem Grobwasserabscheider 14 fluidisch verbindende Verdunstungswasserleitung 19, durch die ein Speisewasserpfad 16 für einen eine Speiseströmungsrichtung 17 definierenden Speisewasserstrom 18 aus Verdunstungswasser führt. Erfindungsgemäß ist es dadurch möglich, im Betrieb der Brennstoffzellenvorrichtung 1 mittels des Grobwasserabscheiders 14 Wasser aus dem Kathodenabluftstrom 9 zu entfernen und als Verdunstungswasser für den Verdunstungskühler 13 weiterzuverwenden. Zweckmäßigerweise kann im Betrieb der Brennstoffzellenvorrichtung 1 eine ausreichende Wassermenge bzw. eine ausreichendes Wasservolumen am Grobwasserabscheider 14 als Verdunstungswasser bereitgestellt werden, so dass der Verdunstungskühler 13 optimal versorgbar ist, wodurch dieser eine vorgegebene oder vorgebare Kühlleistung generieren kann. Das hat den Vorteil, dass auf externe Verdunstungswasserquellen verzichtet werden kann, was die Brennstoffzellenvorrichtung 1 vereinfacht.
  • In der 2 ist ein vereinfachtes Schaubild eines bevorzugten, weiteren Ausführungsbeispiels einer Brennstoffzellenvorrichtung 1 dargestellt. Es unterscheidet sich vom vorangehenden Ausführungsbeispiel insb. durch eine mit der Bezugsziffer 34 beschriftete Kompressoreinrichtung sowie eine Ventileinrichtung 23. Die Kompressoreinrichtung 34 weist exemplarisch einen Kompressor 35 auf, der eine abluftbetriebene oder abluftbetreibbare Antriebsturbine 38 und einen Verdichter 36 zum Verdichten von Zuluft hat. Der Verdichter 36 ist bezüglich der Zuluftströmungsrichtung 4 stromauf der Brennstoffzelle 2 sowie des Befeuchters 10 in den Kathodenzuluftstrom 5 von Zuluft durchströmbar in den Kathodenzuluftstrom 5 eingefügt. In Zuluftströmungsrichtung 4 stromauf des Verdichters 36 ist ein Luftfilter 40 der Kompressoreinrichtung 34 zum Filtern der in den Verdichter 36 strömenden Zuluft und stromab des Verdichters 36 ein Ladeluftkühler 41 der Kompressoreinrichtung 34 zum Kühlen komprimierter Zuluft angeordnet. Die Antriebsturbine 38 des Kompressors 35 ist von Abluft durchströmbar, in Abluftströmungsrichtung 8 nach dem Feinwasserabscheider 15 in den Kathodenabluftstrom 9 eingefügt. Sie überträgt Bewegungsenergie von der Abluft auf den Verdichter 36, welcher diese dann auf die Zuluft überträgt. Die erwähnte Ventileinrichtung 23 dient zum Steuern oder Regeln eines Masse- oder Volumenstroms des durch die Verdunstungswasserleitung 19 strömenden Speisewasserstroms 18 aus Verdunstungswasser. Sie ist exemplarisch durch ein Wasserspeiseventil 25 oder ein Schwimmerventil 26 realisiert und von Verdunstungswasser durchströmbar und strömungstechnisch zwischen dem Verdunstungskühler 13 und dem Grobwasserabscheider 14 in den Speisewasserstrom 18 eingefügt, so dass sich der in den Verdunstungskühler 13 strömende Masse- oder Volumenstrom von Verdunstungswasser bequem steuern oder regeln lässt.
  • In der 3 ist ein vereinfachtes Schaubild eines bevorzugten, weiteren Ausführungsbeispiels einer Brennstoffzellenvorrichtung 1 dargestellt. Es unterscheidet sich von den vorangehenden Ausführungsbeispielen insb. dadurch, dass der Feinwasserabscheider 15 fluidisch kommunizierend über ein Wasserablassventil 33a mit dem Wasserablass 39 verbunden ist, so dass das Ablassen von Abwasser/Verdunstungswasser vom Feinwasserabscheider 15 zur Umgebung 6 der Brennstoffzellenvorrichtung 1 steuerbar oder regelbar ist. Ferner kann man in 3 ein mit der Bezugsziffer 27 bezeichnetes Sammelvolumen zum Sammeln von Verdunstungswasser erkennen. Das Sammelvolumen 27 ist einerseits mit dem Verdunstungskühler 13 und andererseits mit dem Grobwasserabscheider 14 fluidisch verbunden, so dass Verdunstungswasser vom Grobwasserabscheider 14 zum Verdunstungskühler 13 strömen kann. Das Sammelvolumen 27 ist vorliegend sowohl von der Verdunstungswasserleitung 19 für den Speisewasserstrom 18 aus Verdunstungswasser als auch durch einen separaten, fluidisch in den Speisewasserstrom 18 eingefügten Verdunstungswassertank 28 gebildet oder begrenzt. Der Verdunstungswassertank 28 ist dabei von Verdunstungswasser durchströmbar und strömungstechnisch zwischen der Ventileinrichtung 23 und dem Verdunstungskühler 13 angeordnet. Exemplarisch ist vorgesehen, dass dem Verdunstungswassertank 28 bezüglich der Speiseströmungsrichtung 17 stromab eine Speiseventileinrichtung 31 nachgeschaltet ist, welches mit dem Verdunstungswassertank 28 und dem Verdunstungskühler 13 fluidisch kommuniziert. Es dient zum Steuern oder Regeln eines Masse- oder Volumenstroms des aus dem Verdunstungswassertank 28 in Richtung des Verdunstungskühlers 13 ausströmenden Speisewasserstroms 18 aus Verdunstungswasser. Die Speiseventileinrichtung 31 ist dabei von Verdunstungswasser durchströmbar und strömungstechnisch zwischen dem Verdunstungskühler 13 und dem Verdunstungswassertank 28 in den Speisewasserstrom 18 eingefügt. Exemplarisch ist die Speiseventileinrichtung 31 durch ein Berieselungsventil 42 realisiert, welches das Einspeisen von Verdunstungswasser in den Verdunstungskühler 13 dem Volumen oder der Menge nach steuert oder regelt. Der Verdunstungswassertank 28 hat exemplarisch ein Tanksammelvolumen 29 von größer 0 Liter / kW und 0,1 Liter / kW installierter elektrischer Leistung der Brennstoffzelle 2.
  • In der 4 ist ein vereinfachtes Schaubild eines bevorzugten, weiteren Ausführungsbeispiels einer Brennstoffzellenvorrichtung 1 dargestellt. Es unterscheidet sich von dem vorangehenden Ausführungsbeispiel insb. dadurch, dass die Speiseventileinrichtung 31 nun mehrteilig ist und eine Fördereinrichtung 32 zum Fördern von Verdunstungswasser aus dem Verdunstungswassertank 28 hin zum Verdunstungskühler 13 sowie ein weiteres Wasserablassventil 33 zum Ablassen von Verdunstungswasser aus dem Verdunstungswassertank 28 aufweist. Die Fördereinrichtung 32 ist exemplarisch durch eine Förderpumpe, insb. eine Peripheralradpumpe oder ein Seitenkanalverdichter, realisiert. Das Wasserablassventil 33 ist fluidisch mittelbar indirekt über die Fördereinrichtung 32 an den Verdunstungswassertank 28 angeordnet.
  • In der 5 ist ein vereinfachtes Schaubild eines bevorzugten, weiteren Ausführungsbeispiels einer Brennstoffzellenvorrichtung 1 dargestellt. Es unterscheidet sich von dem vorangehenden Ausführungsbeispiel insb. dadurch, dass das weitere Wasserablassventil 33 der Speiseventileinrichtung 31 zum Ablassen von Verdunstungswasser aus dem Verdunstungswassertank 28 nun unmittelbar direkt und nicht über die Fördereinrichtung 32 am Verdunstungswassertank 28 angeordnet ist und dass die Fördereinrichtung 32 der Speiseventileinrichtung 31 nun durch ein Berieselungsventil 42 realisiert ist. Weiterhin ist gemäß diesem Ausführungsbeispiel vorgesehen, dass der Verdunstungswassertank 28 mittels unter Überdruck stehender Zuluft aus dem Kathodenluftsystem, beispielsweise aus dem Kathodenzuluftstrom 5 druckbeaufschlagt ist. Hierzu ist eine Druckluftleitung 43 vorgesehen, die einenends in den Zuluftpfad 3 und anderenends in den Verdunstungswassertank 28 mündet. In die Druckluftleitung 43 ist weiterhin ein von Luft aus dem Kathodenzuluftstrom 5 durchströmbares Luftventil 30 eingesetzt, welches eine Steuerung oder Regelung des durch die Druckluftleitung 43 strömendes Luftstroms erlaubt, so dass die Druckluftbeaufschlagung des Verdunstungswassertanks 28 kontrollierbar ist.
  • In der 6 ist ein vereinfachtes Schaubild eines bevorzugten, weiteren Ausführungsbeispiels einer Brennstoffzellenvorrichtung 1 dargestellt. Es unterscheidet sich von dem vorangehenden Ausführungsbeispiel insb. dadurch, dass Verdunstungswasser nicht nur vom Grobwasserabscheider 14 an den Verdunstungswassertank 28 bereitgestellt wird, sondern auch vom Feinwasserabscheider 15. Hierzu ist exemplarisch ein weiterer Speisewasserpfad 20 für einen eine weitere Speiseströmungsrichtung 21 definierenden weiteren Speisewasserstrom 22 aus Verdunstungswasser vorgesehen, der vom Feinwasserabscheider 15 über ein Wasserspeiseventil 33a zum Verdunstungswassertank 28 führt. D.h., dass der Verdunstungswassertank 28 fluidisch kommunizierend mit dem Grobwasserabscheider 14 und dem Feinwasserabscheider 15 verbunden ist, so dass bereitgestelltes Verdunstungswasser aus der Abluft vom Grobwasserabscheider 14 und vom Feinwasserabscheider 15 her zum Verdunstungswassertank 28 und von dort aus entweder über ein Berieselungsventil 42 oder eine Fördereinrichtung 32 zum Verdunstungskühler 13 und/oder über ein weiteres Wasserablassventil 33 zur Umgebung 6 der Brennstoffzellenvorrichtung 1 strömen kann. Der Speisewasserpfad 16 und der weitere Speisewasserpfad 20 sind exemplarisch jeweils durch eine den Grobwasserabscheider 14 bzw. den Feinwasserabscheider 15 mit dem Verdunstungswassertank 28 fluidisch verbindende Verdunstungswasserleitung 19 geführt.
  • Die 7 zeigt ein weiteres vereinfachtes Schaubild eines bevorzugten, weiteren Ausführungsbeispiels einer Brennstoffzellenvorrichtung 1. Es unterscheidet sich von dem Ausführungsbeispiel gemäß 6 lediglich durch eine hinzugefügte Entnahmestelle für Wasser an oder nach der Antriebsturbine 38. Das an der Entnahmestelle anfallende Wasser kann über ein Ventil, das in 7 durch ein Kästchen illustriert und mit dem Bezugszeichen 44 beschriftet ist, dem Verdunstungswassertank 28 zugeführt werden. Dabei ist exemplarisch vorgesehen, dass der besagte Verdunstungswassertank 28 über das Ventil 44 fluidisch mit der Antriebsturbine 38 verbunden ist. Dadurch kann Wasser aus dem Abluftstrom 9 der Brennstoffzelle 2 über das Ventil 44 in den Verdunstungswassertank 28 strömen. Insb. wenn Abwärme der Brennstoffzelle 2 genutzt wird, kann in oder an der Antriebsturbine 38 relativ viel Wasser anfallen, dieses hat jedoch keinen oder nur wenig Überdruck bezüglich der Standardatmosphäre. Dabei ist es besonders vorteilhaft, den Verdunstungswassertank 28 unterhalb der Antriebsturbine 38 anzuordnen, damit das gewonnene Wasser in den Verdunstungswassertank 28 strömen kann. Alternativ oder zusätzlich kann auch eine Pumpe (nicht dargestellt) zum Fördern des Wassers in den Verdunstungswassertank 28 eingesetzt werden.
  • In allen Ausführungsbeispielen kann der Verdunstungswassertank 28 auch als Wassertank 28 bezeichnet sein, oder umgekehrt. In allen Ausführungsbeispielen kann Verdunstungswasser auch als Kühlwasser bezeichnet sein, oder umgekehrt.

Claims (18)

  1. Brennstoffzellenvorrichtung (1), insbesondere für ein Kraftfahrzeug, - mit einer Brennstoffzelle (2), einem zur Brennstoffzelle (2) hinführenden Zuluftpfad (3) für einen eine Zuluftströmungsrichtung (4) definierenden Kathodenzuluftstrom (5) aus einer der Brennstoffzelle (2) zugeführten, Wasser enthaltenden Zuluft und einem von der Brennstoffzelle (2) wegführenden Abluftpfad (7) für einen eine Abluftströmungsrichtung (8) definierenden Kathodenabluftstrom (9) aus einer von der Brennstoffzelle (2) abströmenden, Wasser enthaltenden Abluft, - wobei der Zuluftpfad (3) und der Abluftpfad (7) durch einen mit der Zuluft und der Abluft fluidisch kommunizierenden Befeuchter (10) der Brennstoffzellenvorrichtung (1) zum Befeuchten der Zuluft und Entfeuchten der Abluft geführt ist, - wobei der Abluftpfad (7) durch einen mit der Abluft fluidisch kommunizierenden Wasserabscheider (11) der Brennstoffzellenvorrichtung (1) zum Entfernen von Wasser aus der Abluft und zum Bereitstellen diesen Wassers als Verdunstungswasser geführt ist, - mit einem Wärmetauscher (12) zum Kühlen der Brennstoffzelle (2), der einen Verdunstungskühler (13) zum Kühlen des Wärmetauschers (12) aufweist, - wobei der Verdunstungskühler (13) dem Wasserabscheider (11) fluidisch kommunizierend zugeordnet und durch denselben mit Verdunstungswasser gespeist ist.
  2. Brennstoffzellenvorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass - der Wasserabscheider (11) bezüglich der Abluftströmungsrichtung (8) des Kathodenabluftstroms (9) stromauf des Befeuchters (10) angeordnet ist, und/oder - der Wasserabscheider (11) bezüglich der Abluftströmungsrichtung (8) des Kathodenabluftstroms (9) stromab des Befeuchters (10) angeordnet ist, und/oder - der Wasserabscheider (11) in oder nach einer Antriebsturbine (38) angeordnet oder von selbiger gebildet ist.
  3. Brennstoffzellenvorrichtung (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass - der stromauf des Befeuchters (10) angeordnete Wasserabscheider (11) durch einen Grobwasserabscheider (14) zum Entfernen von Wasser aus der Abluft und zum Bereitstellen diesen Wassers als Verdunstungswasser gebildet ist, und/oder - der stromab des Befeuchters (10) angeordnete Wasserabscheider (11) durch einen Feinwasserabscheider (15) zum Entfernen von Wasser aus der Abluft und zum Bereitstellen diesen Wassers als Verdunstungswasser gebildet ist.
  4. Brennstoffzellenvorrichtung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - sie zur Speisung des Verdunstungskühlers (13) einen vom Wasserabscheider (11) zum Verdunstungskühler (13) führenden Speisewasserpfad (16) für einen eine Speiseströmungsrichtung (17) definierenden Speisewasserstrom (18) aus Verdunstungswasser aufweist, oder - sie zur Speisung des Verdunstungskühlers (13) ein Paar strömungstechnisch paralleler Speisewasserpfade (16, 20) hat, nämlich einen Speisewasserpfad (16) für einen eine Speiseströmungsrichtung (17) definierenden Speisewasserstrom (18) aus Verdunstungswasser, der vom Grobwasserabscheider (14) zum Verdunstungskühler (13) führt sowie einen weiteren Speisewasserpfad (20) für einen eine weitere Speiseströmungsrichtung (21) definierenden weiteren Speisewasserstrom (22) aus Verdunstungswasser, der vom Feinwasserabscheider (15) zum Verdunstungskühler (13) führt.
  5. Brennstoffzellenvorrichtung (1) nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch eine Ventileinrichtung (23) zum Steuern oder Regeln eines Masse- oder Volumenstroms des Verdunstungswassers, die von Verdunstungswasser durchströmbar und strömungstechnisch zwischen dem Verdunstungskühler (13) und dem Wasserabscheider (11) in den Speisewasserstrom (18) oder in den weiteren Speisewasserstrom (22) oder in den einen Speisewasserstrom (18) und den weiteren Speisewasserstrom (22) eingefügt ist.
  6. Brennstoffzellenvorrichtung (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die eine Ventileinrichtung (23) durch ein Wasserspeiseventil (25), ein Schwimmerventil, ein Schwimmerventil (26) mit Leckage, ein Überdruckventil, ein Rückschlagventil oder durch eine Kombination dieser Ventile realisiert ist.
  7. Brennstoffzellenvorrichtung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein Sammelvolumen (27) zum Sammeln von Verdunstungswasser, das einerseits mit dem Verdunstungskühler (13) und andererseits mit dem Wasserabscheider (11) oder dem Grobwasserabscheider (14) und/oder dem Feinwasserabscheider (15) und/oder einer Antriebsturbine (38) fluidisch verbunden ist.
  8. Brennstoffzellenvorrichtung (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Sammelvolumen (27) von mindestens einer Verdunstungswasserleitung (19) für einen Speisewasserstrom (18, 22) aus Verdunstungswasser gebildet oder begrenzt ist.
  9. Brennstoffzellenvorrichtung (1) nach Anspruch 7 oder 8, gekennzeichnet durch, - einen separaten Verdunstungswassertank (28) zum Sammeln von Verdunstungswasser, der das Sammelvolumen (27) ergänzt oder bildet oder begrenzt und von Verdunstungswasser durchströmbar und strömungstechnisch zwischen dem Grobwasserabscheider (14) und dem Verdunstungskühler (13) in den Speisewasserstrom (18) eingefügt ist, oder - einen separaten Verdunstungswassertank (28) zum Sammeln von Verdunstungswasser, der das Sammelvolumen (27) ergänzt oder bildet oder begrenzt und von Verdunstungswasser durchströmbar und strömungstechnisch zwischen der Ventileinrichtung (23) und dem Verdunstungskühler (13) in den Speisewasserstrom (18) eingefügt ist.
  10. Brennstoffzellenvorrichtung (1) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdunstungswassertank (28) ein Tanksammelvolumen (29) von größer 0 Liter / kW und kleiner oder gleich 0,1 Liter / kW installierter elektrischer Leistung der Brennstoffzelle (2) aufweist.
  11. Brennstoffzellenvorrichtung (1) nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdunstungswassertank (28) mittels unter Überdruck stehender Zuluft aus dem Kathodenzuluftstrom (5) und/oder mittels unter Überdruck stehender Abluft aus dem Kathodenabluftstrom (9) druckbeaufschlagt ist.
  12. Brennstoffzellenvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass zur Druckbeaufschlagung des Verdunstungswassertanks (28) ein Luftventil (30) vorgesehen ist, welches den Kathodenzuluftstrom (5) fluidisch kommunizierend mit dem Verdunstungswassertank (28) verbindet, so dass Zuluft durch das Luftventil (30) hindurch in den Verdunstungswassertank (28) einströmen und diesen druckbeaufschlagen kann.
  13. Brennstoffzellenvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 9 bis 12, gekennzeichnet durch eine Speiseventileinrichtung (31) zum Steuern oder Regeln eines Masse- oder Volumenstroms des Verdunstungswassers, die von Verdunstungswasser durchströmbar und strömungstechnisch zwischen dem Verdunstungskühler (13) und dem Verdunstungswassertank (28) in den einen Speisewasserstrom (18) eingefügt ist.
  14. Brennstoffzellenvorrichtung (1) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass - die Speiseventileinrichtung (31) ein Berieselungsventil (42) zum Steuern oder Regeln des Masse- oder Volumenstrom des aus dem Verdunstungswassertank (28) ausströmenden Verdunstungswassers aufweist oder von dieser gebildet ist, und/oder - die Speiseventileinrichtung (31) eine Fördereinrichtung (32) zum Fördern von Verdunstungswasser aus dem Verdunstungswassertank (28) hin zum Verdunstungskühler (13) aufweist oder von dieser gebildet ist, und/oder - die Speiseventileinrichtung (31) ein Wasserablassventil (33) zum Ablassen von Verdunstungswasser aus dem Verdunstungswassertank (28) aufweist oder von dieser gebildet ist, wobei das Wasserablassventil (33) entweder fluidisch unmittelbar direkt an den Verdunstungswassertank (28) oder fluidisch mittelbar indirekt über die Fördereinrichtung (32) an den Verdunstungswassertank (28) angeordnet ist.
  15. Brennstoffzellenvorrichtung (1) nach Anspruch 9 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Fördereinrichtung (32) durch eine Förderpumpe, insb. eine Peripheralradpumpe oder einen Seitenkanalverdichter, realisiert ist.
  16. Brennstoffzellenvorrichtung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch - eine Kompressoreinrichtung (34), welche einen abluftbetriebenen oder abluftbetreibbaren Kompressor (35) hat, - wobei dessen Verdichter (36) zum Verdichten von Zuluft von Zuluft durchströmbar und strömungstechnisch stromauf der Brennstoffzelle (2) in den Kathodenzuluftstrom (5) eingefügt ist und - wobei dessen Antriebsturbine (38) zum Antreiben des Verdichters (36) von Abluft durchströmbar und strömungstechnisch stromab des Befeuchters (10) oder des Feinwasserabscheiders (15) in den Kathodenabluftstrom (9) eingefügt ist.
  17. Brennstoffzellenvorrichtung (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - der Wärmetauscher (12) oder der Verdunstungskühler (13) bei einer Umgebungstemperatur der Brennstoffzellenvorrichtung (1) von größer gleich 5°C betrieben oder verwendet ist, oder - der Betrieb des Wärmetauschers (12) oder des Verdunstungskühlers (13) bei einer Kühlmitteltemperatur aus der Brennstoffzelle (2) von größer gleich 60°C oder größer gleich 70°C oder größer gleich 75°C erfolgt, oder - der Betrieb des Wärmetauschers (12) oder des Verdunstungskühlers (13) mittels einer Zuschaltkennlinie gesteuert oder geregelt ist, wobei der Zuschaltgrad zVerd von der Wärmemenge QFC der Brennstoffzelle (2) und der Umgebungstemperatur TAmb in °C der Brennstoffzellenvorrichtung (1) etwa gemäß nachfolgender Gleichung erfolgt: Z Verd ≈ ƒ ( Q FC /Q max * 55 ° C/ ( 75 ° C − T Amb ) )
    Figure DE102021207794A1_0002
    wobei f(x) ≈ 0 für x < 0,5, oder - der Betrieb des Wärmetauschers (12) oder des Verdunstungskühlers (13) geregelt ist, wobei die Regelung über ein Bedarfskennfeld mit oder ohne Berücksichtigung der thermischen Trägheit der Brennstoffzellenvorrichtung () erfolgt, oder - der Betrieb des Wärmetauschers (12) oder des Verdunstungskühlers (13) geregelt erfolgt, wobei die Regelung anhand der Umgebungstemperatur der Brennstoffzellenvorrichtung (1) oder der Umgebungstemperatur der Brennstoffzellenvorrichtung (1) und Feuchte oder einer Kühlmitteltemperatur erfolgt, oder - der Betrieb des Wärmetauschers (12) oder des Verdunstungskühlers (13) geregelt erfolgt, wobei die Regelung durch ein Thermostatventil geregelt und/oder durch die Zuschaltung eines Lüfters unterstützt ist, oder - der Betrieb des Wärmetauschers (12) oder des Verdunstungskühlers (13) geregelt erfolgt, wobei in die Regelung eine oder alle der nachfolgenden Größen einbezogen werden: Füllstand des Wassers im Vorratsbehälter, Retardereinsatz, Klimaanlage, Ladestand und Temperatur der Batterie, Fahrgeschwindigkeit, Gesamtgewicht, Geländetopologie und Verkehrslage.
  18. Verwendung einer Brennstoffzellenvorrichtung (1) gemäß den vorangehenden Ansprüchen in einem Kraftfahrzeug, wobei die Brennstoffzellenvorrichtung (1) in das Kraftfahrzeug integriert oder nachgerüstet ist.
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