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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem und ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Brennstoffzellensystems.
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Der Einsatz von Brennstoffzellen in Kraftfahrzeugen ist bekannt und nimmt an Bedeutung zu. Die Brennstoffzellen sind üblicherweise aufeinandergestapelt, also in einem Stapel - auch „Stack“ genannt - zusammengefasst. Die einzelnen Brennstoffzellen im Betrieb ein wasserhaltiges Abgas, welches mittels einer Abgasanlage vom Stack abtransportiert wird.
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In solchen Brennstoffzellensystemen kommen Einrichtungen zum Befeuchten eines Fluids, im Folgenden als Befeuchter bezeichnet, zum Einsatz. Mittels eines solchen Befeuchters kann in der Abluft der Brennstoffzellen enthaltene Feuchtigkeit der Abluft entzogen und auf die - gegenüber der Abluft trockenere, also weniger feuchte Zuluft übertragen werden, sodass die trockene Zuluft vor dem zuführen in die Brennstoffzellen auf diese Weise befeuchtet wird.
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Üblicherweise umfassen solche Befeuchter einen Membranstapel mit entlang einer Stapelrichtung aufeinandergestapelten Membranen, welche für Gas undurchlässig und für Feuchtigkeit bzw. Wasser oder Wasserdampf durchlässig sind. Eine derart ausgebildete Membran des Membranstapels wird im Befeuchter jeweils auf einer Seite von einem zu befeuchtenden Gas und auf der anderen Seite von einem feuchten Gas überströmt. Die beiden Gase sind hierbei durch die Membran fluidisch voneinander getrennt. Somit kommt es zu keiner stofflichen Vermischung der beiden den Befeuchter und den Membranstapel durchströmenden Gase. Allerdings kann die Feuchtigkeit des feuchteren Fluids entlang der Stapelrichtung durch die Membran treten und vom trockeneren Gas zu dessen Befeuchtung aufgenommen werden. Die Feuchtigkeit der beiden Gase gleicht sich folglich beim Durchströmen des Membranstapels an. Typischerweise sind in modernen Brennstoffzellensystem die Membranen des Befeuchters so konzipiert und dimensioniert, dass sie in allen Lastbereichen der Brennstoffzellen, in welcher besonders viel Zuluft benötigt wird, ausreichend viel Feuchtigkeit aus der feuchten Abluft übertragen können und somit der trockenen Zuluft zum Befeuchten derselben zur Verfügung stellen können.
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Als nachteilig erweist sich vor diesem Hintergrund, dass das Material der Membranen vergleichsweise teuer ist und der Befeuchter insgesamt eine erhebliche Baugröße aufweist, die im „Package“ unterzubringen ist.
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Ausführungsform für ein Brennstoffzellensystem zu schaffen, in welcher voranstehend erläuterte Problematik adressiert ist. Insbesondere soll ein möglichst kostengünstiges Brennstoffzellensystem geschaffen werden, bei dem in allen Lastpunkten Brennstoffzellen eine ausreichende Befeuchtung der trockenen Zuluft sichergestellt ist.
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Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
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Grundidee der Erfindung ist demnach, ein Brennstoffzellensystem zum Befeuchten der trockenen Zuluft mit Feuchtigkeit bzw. Wasser aus der feuchten Abluft nicht nur mit einem herkömmlichen Befeuchter aus gasdichten und wasserundurchlässigen Membranen auszustatten, sondern mit einer zusätzlichen Feuchtigkeitsrückführung, welche bei hoher Last des Brennstoffzellensystems für eine zusätzliche Rückführung von Feuchtigkeit bzw. Wasser aus der feuchten Abluft in die trockene Zuluft quasi „zugeschaltet“ werden kann. Auf diese Weise muss der - aufgrund der relativ teuren Membranen aus gasdichten und feuchtigkeitsdurchlässigen Membranmaterialien - relativ kostenintensive herkömmliche Befeuchter nicht so ausgelegt werden, dass er in allen Lastpunkten der Brennstoffzellen, in dem besonders viel feuchte Zuluft benötigt wird, entsprechend ausreichend Feuchtigkeit erzeugt. Vielmehr muss er lediglich so konzipiert sein, dass er für einen Nominalbetrieb mit geringerer Last als im Hochlastbetrieb genügend Feuchtigkeit transferieren kann; denn für den Hochlastfall steht die zusätzliche Feuchtigkeitsrückführung zur Verfügung.
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Da die Herstellungskosten für einen für besagten Betriebsbereich ausgelegten Befeuchter in Kombination mit besagter zusätzlicher Feuchtigkeitsrückführung zusammen geringer ausfällt als für einen Befeuchter, der auch für besagten Hochlastbetrieb konzipiert ist, ergeben sich somit Kostenvorteile für die Herstellung des Brennstoffzellensystems. Gleichzeitig ist sichergestellt, dass in allen möglichen Lastzuständen der Brennstoffzellen in der Zuluft ausreichend Feuchtigkeit bereitgestellt wird.
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Im Einzelnen umfasst ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem mehrere, also wenigstens zwei, vorzugsweise aufeinandergestapelte, Brennstoffzellen. Ferner umfasst das Brennstoffzellensystem einen Zuluftpfad zum Zuführen von trockener Zuluft in die Brennstoffzellen und einen Abluftpfad zum Abführen von feuchter Abluft aus den Brennstoffzellen. Weiterhin umfasst das Brennstoffzellensystem einen Befeuchter, durch welchen der Zuluftpfad und der Abluftpfad geführt sind. Zwischen dem Zuluftpfad und dem Abluftpfad ist wenigstens eine gasdichte und feuchtigkeits- bzw. wasserdurchlässige Membran des Befeuchters angeordnet, so dass im Befeuchter in der feuchten Abluft enthaltene Feuchtigkeit, insbesondere Wasser, von der feuchten Abluft auf die trockene Zuluft übertragen und auf diese Weise in die Brennstoffzellen rückgeführt werden kann. Mittels des Befeuchters ist also eine primäre Feuchtigkeitsrückführung realisiert. Erfindungsgemäß umfasst das Brennstoffzellensystem eine zusätzliche Feuchtigkeitsrückführung, also zusätzlich zur Feuchtigkeitsrückführung mittels des Befeuchters. Der Abluftpfad kommuniziert mittels der zusätzlichen Feuchtigkeitsrückführung fluidisch mit dem Zuluftpfad, so dass Feuchtigkeit bzw. Wasser aus der Abluft in die Zuluft transferiert werden kann. Die zusätzliche Feuchtigkeitsrückführung weist hierfür wenigstens einen im Abluftpfad angeordneten Wasserabscheider zum Abscheiden von Wasser aus der feuchten Abluft und einen Sammler zum Zwischenspeichern der abgeschiedenen Feuchtigkeit bzw. des abgeschiedenen Wassers sowie einen Wasserinjektor zum Einbringen der abgeschiedenen oder/und zwischengespeicherten Feuchtigkeit bzw. des abgeschiedenen oder/und zwischengespeicherten Wassers in den Zuluftpfad bzw. in die durch den Zuluftpfad geführte Zuluft auf.
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Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der wenigstens eine Wasserabscheider ein Trägheitsabscheider oder umfasst einen solchen Trägheitsabscheider. Ein solcher Trägheitsabscheider nutzt die durch Umlenkung der Abluft auf die mitgeführten Wassertröpfchen wirkende Trägheitskraft. Als besonders effizient erweist sich ein solcher Trägheitsabscheider, der den Effekt der Massenträgheit nutzt, für Wassertröpfchen mit einem Tröpfchen-Durchmesser von mehr als 1 µm. Mittels eines solchen Trägheitsabscheiders lassen sich auch Wassertröpfchen aus Luft mit einer sehr hohen Wasserkonzentration abscheiden.
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Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform ist der wenigstens eine Wasserabscheider ein Fliehkraftabscheider, insbesondere ein Zyklonabscheider, oder umfasst einen solchen Fliehkraftabscheider. Mittels des Fliehkraftabscheiders bzw. Zyklonabscheiders wird die Abluft mit den Wassertröpfen durch eine entsprechende Begrenzung des Abluftpfads, insbesondere durch eine Gehäusewand oder durch einen Rohrkörper, in Rotation versetzt, sodass auf die von der Strömung mitgeführten Wassertröpfchen Fliehkräfte wirken, die dem Wasser eine Bewegung in radialer Richtung, also senkrecht zu einer Hauptströmungsrichtung der Abluft in dem Fliehkraft- bzw. Zyklonabscheider aufzwingen. Die Wassertropfen prallen auf diese Weise gegen die Begrenzung des Abluftpfads und werden in der Folge aus der Abluft abgeschieden.
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Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform ist der wenigstens eine Wasserabscheider ein Gestrick- oder Vliesabscheider oder umfasst einen solchen Gestrick- oder Vliesabscheider. Ein Gestrick- bzw. Vliesabscheider besteht aus mehreren Gewebelagen aus Fasern, die das Gestrick bzw. das Vlies ausbilden. Ein solcher Abscheider benutzt verschiedene physikalische Effekte wie beispielsweise Trägheitseffekte, Sperreffekte und die Diffusionseffekte. Der Effekt der Trägheit wird dabei insbesondere für Wassertröpfchen mit einem Tröpfchen-Durchmesser von mehr als 10 µm effizient möglich. Kleinere Wassertropfen, insbesondere Nebel mit einem Tröpfchen-Durchmesser zwischen 1 µm und 10 µm, wird bevorzugt durch besagte Sperrwirkung aus der Abluft abgeschieden. Aerosole mit einem Aerosol-Durchmesser von weniger als 1 µm können besonders wirksam durch Diffusion aus der Abluft abgeschieden werden.
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Besonders zweckmäßig kann die zusätzliche Feuchtigkeitsrückführung einen Wasserpfad, insbesondere eine Wasserleitung, zum Durchströmen mit dem abgeschiedenen Wasser aufweisen. Der Wasserpfad bzw. die Wasserleitung erstreckt sich vom wenigstens einen Wasserabscheider zum Wasserinjektor. Bevorzugt ist im Wasserpfad bzw. in der Wasserleitung auch der Sammler der zusätzlichen Feuchtigkeitsrückführung angeordnet.
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Zweckmäßig kann der wenigstens eine Wasserabscheider stromauf oder stromab des Befeuchters im Abluftpfad angeordnet sein. Somit können insbesondere bauraumspezifische Randbedingungen berücksichtigt werden.
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Besonders bevorzugt ist stromauf des Befeuchters ein erster Wasserabscheider und stromab des Befeuchters ein zweiter Wasserabscheider im Abluftpfad angeordnet, wobei beide Wasserabscheider fluidisch mit dem Sammler kommunizieren. Auf diese Weise kann die Effizienz der Wasserabscheidung mittels der zusätzlichen Wasserrückführung verbessert werden, so dass der Befeuchter entsprechend leistungsschwächer ausgelegt werden kann. Daraus ergeben sich weitere Kostenvorteile.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung umfasst die zusätzliche Feuchtigkeitsrückführung eine Fördereinrichtung mit einstellbarer Förderleistung zum Fördern des mittels des wenigstens einen Wasserabscheiders abgeschiedenen Wassers zum Wasserinjektor. Durch Einstellen bzw. Variieren der Förderleistung kann festgelegt werden, welche Menge an mittels des wenigstens einen Wasserabscheider abgeschiedenen Wassers über den Wasserinjektor wieder in den Zuluftpfad bzw. in die durch den Zuluftpfad geführte Zuluft eingebracht werden soll. Somit kann die Leistung der zusätzlichen Feuchtigkeitsrückführung optimal an unterschiedliche Lastzustände des Brennstoffzellensystems angepasst werden.
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Besonders bevorzugt kann der Wasserinjektor stromauf des Befeuchters im Zuluftpfad angeordnet sein, so dass mittels des Wasserinjektors in die Zuluft eingebrachtes Wasser die Zuluft vor dem Durchströmen des Befeuchters vorbefeuchtet.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung ist zwischen dem Wasserinjektor und dem Befeuchter ein Ladeluftkühler im Zuluftpfad angeordnet.
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Die Erfindung betrifft ferner ein Kraftfahrzeug mit einem voranstehend vorgestellten, erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem, sodass sich die Vorteile des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem auf das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug übertragen.
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Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Komponenten beziehen.
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Es zeigen, jeweils schematisch:
- 1 in schematischer, schaltplanartiger Darstellung ein Beispiel eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems,
- 2a, 2b beispielhaft und schematisch den Aufbau eines als ein Trägheitsabscheider ausgebildeten Wasserabscheiders,
- 3 beispielhaft und schematisch den Aufbau eines als ein Fliehkraftabscheider ausgebildeten Wasserabscheiders,
- 4a-c beispielhaft und schematisch den Aufbau eines als ein Vliesabscheider ausgebildeten Wasserabscheiders.
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Die 1 zeigt in schematischer Darstellung ein Beispiel eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems 1. Demnach umfasst das Brennstoffzellensystem 1 mehrere aufeinandergestapelte Brennstoffzellen 2. Ferner umfasst das Brennstoffzellensystem 1 einen Zuluftpfad 3 zum Zuführen von trockener Zuluft ZL zu den Brennstoffzellen 2 und einen Abluftpfad 4 zum Abführen von feuchter Abluft AL aus den Brennstoffzellen 2.
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Weiterhin umfasst das Brennstoffzellensystem einen Befeuchter 15, durch welchen der Zuluftpfad 3 und der Abluftpfad 4 geführt sind. Zwischen dem Zuluftpfad 3 und dem Abluftpfad 4 ist wenigstens eine gasdichte und feuchtigkeitsdurchlässige Membran 20 des Befeuchters 15 angeordnet, so dass im Befeuchter in der feuchten Abluft enthaltene Feuchtigkeit F, insbesondere Wasser W, von der feuchten Abluft AL auf die trockene Zuluft ZL übertragen und auf diese Weise in die Brennstoffzellen rückgeführt werden kann.
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Mittels des Befeuchters 15 ist also eine primäre Feuchtigkeitsrückführung des Brennstoffzellensystems 1 realisiert. Das Brennstoffzellensystem 1 umfasst weiterhin eine zusätzliche, sekundäre Feuchtigkeitsrückführung 5, also zusätzlich zur Rückführung von Feuchtigkeit mittels des Befeuchters 15. Der Abluftpfad 4 kommuniziert mittels der zusätzlichen Feuchtigkeitsrückführung 3 fluidisch mit dem Zuluftpfad 3. Dadurch kann Feuchtigkeit F bzw. Wasser W aus der Abluft AL in die Zuluft ZL transportiert werden.
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Die zusätzliche Feuchtigkeitsrückführung 5 weist hierfür zwei im Abluftpfad 4 angeordnete Wasserabscheider 6, und zwar einen ersten Wasserabscheider 6a und einen zweiten Wasserabscheider 6b, jeweils zum Abscheiden von Wasser W aus der feuchten Abluft AL auf. Ferner umfasst die zusätzliche Feuchtigkeitsrückführung einen Sammler 7 zum Zwischenspeichern der abgeschiedenen Feuchtigkeit F bzw. des abgeschiedenen Wassers W und einen Wasserinjektor 8 zum Einbringen der abgeschiedenen oder/und zwischengespeicherten Feuchtigkeit F bzw. des abgeschiedenen oder/und zwischengespeicherten Wassers W in den Zuluftpfad 3 bzw. in die durch den Zuluftpfad 3 geführte Zuluft ZL. Die zusätzliche Feuchtigkeitsrückführung 5 umfasst im Beispiel einen Wasserpfad 16, beispielsweise in Form einer Wasserleitung 13, zum Durchströmen mit der abgeschiedenen Feuchtigkeit F bzw. mit dem abgeschiedenen Wasser W. Der Wasserpfad 16 bzw. die Wasserleitung 13 erstreckt sich vom ersten Wasserabscheider 6a zum Wasserinjektor 8. Wie die 1 veranschaulicht, kann im Wasserpfad 16 bzw. in der Wasserleitung 13 auch der Sammler 7 angeordnet sein. Die zusätzliche Feuchtigkeitsrückführung 5 umfasst ferner einen weiteren Wasserpfad 16a in Form einer weiteren Wasserleitung 13a, der sich vom zweiten Wasserabscheider 6b zum Sammler 7 erstreckt.
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Wie 1 schematisch belegt, ist ein erster Wasserabscheider 6a, 6 stromauf des Befeuchters 15 und ein zweiter Wasserabscheider 6b stromab des Befeuchters 15 6 im Abluftpfad 4 angeordnet. Beide Wasserabscheider 6a, 6b kommunizieren also fluidisch mit dem Sammler 7. In einer nicht gezeigten, vereinfachten Variante kann auf einen der beiden Wasserabscheider 6a, 6b verzichtet sein.
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Die zusätzliche Feuchtigkeitsrückführung 5 umfasst ferner eine Fördereinrichtung 12 mit einstellbarer Förderleistung, beispielsweise eine Fluid- bzw. Wasserpumpe, zum Fördern des mittels des wenigstens einen Wasserabscheiders 6 abgeschiedenen Wassers zum Wasserinjektor 8 und somit in den Zuluftpfad 3. Durch Einstellen bzw. Variieren der Förderleistung kann festgelegt werden, welche Menge an mittels der beiden Wasserabscheider 6a, 6b, 6 abgeschiedenen Wassers W über den Wasserinjektor 8 wieder in den Zuluftpfad 3 bzw. in die durch den Zuluftpfad geführte Zuluft eingebracht werden soll. Somit kann die Leistung der zusätzlichen Feuchtigkeitsrückführung 5 an unterschiedliche Lastzustände des Brennstoffzellensystems 1 angepasst werden. Im Beispielszenario ist der Wasserinjektor 8 stromauf des Befeuchters 15 im Zuluftpfad 3 angeordnet. Zwischen dem Wasserinjektor 8 und dem Befeuchter 15 kann wie gezeigt ein Ladeluftkühler 14 im Zuluftpfad 3 angeordnet sein.
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Einer der beiden Wasserabscheider 6a, 6b oder auch beide Wasserabscheider 6a, 6b können durch einen Trägheitsabscheider 9 gebildet sein, dessen Funktionsweise in 2 schematisch und somit stark vereinfacht wiedergeben ist. Der Trägheitsabscheider 9 nutzt die durch Umlenkung der Abluft AL an einem im Abluftpfad 4 angeordneten Ablenkelement 17 auf die mitgeführten Wassertröpfchen W wirkende Trägheitskraft. Als besonders effizient erweist sich der Trägheitsabscheider 9 für Wassertröpfchen mit einem Tröpfchen-Durchmesser von mehr als 1 µm. Mittels eines solchen Trägheitsabscheiders lassen sich Wassertröpfchen W in der Abluft AL mit einer sehr hohen Wasserkonzentration abscheiden.
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Einer der beiden Wasserabscheider 6a, 6b oder auch beide Wasserabscheider 6a, 6b können aber auch durch einen Fliehkraftabscheider 10 gebildet sein, dessen Funktionsweise in der 3 illustriert schematisch und somit stark vereinfacht wiedergeben ist. Die 3a zeigt dabei eine perspektivische Darstellung, die 3b einen Längsschnitt. Mittels des Fliehkraftabscheider 10 bzw. Zyklonabscheiders wird gemäß den 5a, 5b die Abluft AL mit den Wassertröpfen W durch eine entsprechende Begrenzung 18 des Abluftpfads 4, beispielsweise durch eine Gehäusewand 19 oder durch einen Rohrkörper, in Rotation versetzt, sodass auf die von der Strömung mitgeführten Wassertröpfchen Fliehkräfte wirken, die dem Wasser eine Bewegung in radialer Richtung, also senkrecht zu einer Hauptströmungsrichtung HR der Abluft in dem Fliehkraft- bzw. Zyklonabscheider aufzwingen. Die Wassertropfen W prallen auf diese Weise gegen die Begrenzung 18 des Abluftpfads 4 und werden auf diese Weise aus der Abluft AL abgeschieden.
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Einer der beiden Wasserabscheider 6a, 6b oder auch beide Wasserabscheider 6a, 6b können durch einen in den 4a bis 4c illustrierten Gestrickabscheider 11 oder Vliesabscheider gebildet sein, dessen Funktionsweise in den 6a-6c schematisch und somit stark vereinfacht wiedergeben ist. Ein solcher Gestrickabscheider 11 bzw. Vliesabscheider besteht aus mehreren Gewebelagen aus Fasern 21 (in den Figuren stark vereinfacht dargestellt), die das Gestrick bzw. das Vlies ausbilden. Ein solcher Gestrickabscheider 11 benutzt verschiedene physikalische Effekte wie beispielsweise Trägheitseffekte (vgl. 4a), Sperreffekte (vgl. 4b) und Diffusionseffekte (vgl. 4c). Der Effekt der Trägheit wird dabei insbesondere für Wassertröpfchen mit einem Tröpfchen-Durchmesser von mehr als 10 µm effizient möglich. Kleinere Wassertropfen, insbesondere Nebel mit einem Tröpfchen-Durchmesser zwischen 1 µm und 10 µm, werden bevorzugt durch besagte Sperrwirkung aus der Abluft abgeschieden. Aerosole mit einem Aerosol-Durchmesser von weniger als 1 µm können besonders wirksam durch Diffusion aus der Abluft AL abgeschieden werden.
