WO2022012958A1 - Brennstoffzellen-anordnung, kraftfahrzeug und verfahren - Google Patents

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Richard BRÜMMER
Christian BÜRCK
Rainer Lutz
Jan Schultes
Thomas Strauss
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Mahle International GmbH
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    • Y02T90/40—Application of hydrogen technology to transportation, e.g. using fuel cells

Definitions

  • Fuel cell arrangement Fuel cell arrangement, motor vehicle and method
  • the invention relates to a fuel cell arrangement and a motor vehicle with such a fuel cell arrangement.
  • the invention also relates to a method for operating such a fuel cell arrangement.
  • the hydrogen is oxidized by the oxygen to form water, which is emitted from the fuel cell as a (by-)product of the cold combustion.
  • the water produced as a result of cold combustion is initially pure water with a pH value of 7.
  • part of the CO2 usually contained in the air is absorbed into the water Solution.
  • the water becomes carbonic and then—when leaving the fuel cell—usually has a pH of 4 to 5.
  • Conventional fuel cells therefore give off acidic water during operation as a result of cold combustion.
  • this acidic water emitted by the fuel cell has a highly corrosive effect in a water line of a conventional fuel cell arrangement that includes the fuel cell.
  • the acidic water also has a corrosive effect on any other components of such a fuel cell arrangement that are arranged in the water line or come into contact with the acidic water in any form.
  • a fuel cell arrangement according to the invention which is expediently set up for use in a motor vehicle, comprises a fuel cell which, during operation, emits water as a product of cold combustion.
  • the water emitted by the fuel cell during operation has a pH of less than 7, in particular between at least 4 and at most 5.
  • the fuel cell arrangement also has a structural unit which can be temperature-controlled by means of the water emitted by the fuel cell.
  • the fuel cell arrangement comprises a water line fluidically connecting the fuel cell and the structural unit, via which the water discharged from the fuel cell can be supplied to the structural unit for tempering the same.
  • the fuel cell assembly summarizes one arranged in the water line and the ionizer through which the water can flow.
  • the ionizer is designed in such a way that the pH value of the water is increased as it flows through the ionizer. What is advantageously achieved hereby is that acidic water discharged from the fuel cell is deacidified and consequently loses its corrosive effect.
  • the fuel cell arrangement realized in this way thus allows the water line of the fuel cell arrangement and the structural unit present in the water line to be effectively protected against corrosion.
  • the structural unit of the fuel cell arrangement includes a heat exchanger or is a heat exchanger.
  • the heat exchanger can be wetted on the outside by means of a wetting device of the heat exchanger provided for this purpose with the water released from the fuel cell and deacidified by means of the ionizer.
  • the heat exchanger is fluidly separated from the water wetting the heat exchanger and can be flown through by at least one heat transport fluid. In this way, heat can be transferred between the heat transport fluid and the water by means of the heat exchanger.
  • the water discharged from the fuel cell during cold combustion can therefore be used to control the temperature of the heat exchanger or of the heat transport fluid flowing through it, thereby avoiding premature corrosion of the heat exchanger.
  • the wetting device can be designed as a sprinkling device, which means that the heat exchanger is sprinkled with the water W.
  • the wetting device of the heat exchanger comprises at least one wetting line through which the water can flow.
  • This wetting line has several spaced-apart openings or pores that are fluidically open in the direction of a heat transfer area of the heat exchanger.
  • the Heat transfer area of the heat exchanger can be wetted with the deacidified water.
  • a further preferred development of the fuel cell arrangement provides that a delivery device, in particular a gear pump, is present in the water line between the fuel cell and the structural unit.
  • This winningein direction is used to promote the water from the fuel cell to the assembly in a flow direction.
  • the structural unit can also be supplied with the water emitted by the fuel cell against gravity if the given installation space conditions require positioning in which the fuel cell is arranged above the heat exchanger with respect to a direction of gravity.
  • the delivery device is attached to the structural unit.
  • the conveying device is preferably formed integrally on the structural unit, i.e. the conveying device and the structural unit are formed in one piece and from the same material. This makes it easier to position the conveyor device and the structural unit relative to one another or makes such a complex positioning obsolete.
  • a buffer storage tank through which the water can flow is arranged in the water line between the fuel cell and the assembly for temporarily storing the water.
  • the buffer storage allows to compensate for a fluctuating demand for water on the part of the building unit.
  • the conveying device is arranged in the water line between the buffer store and the structural unit. This advantageously ensures that the water requirement can be met particularly precisely by the structural unit.
  • a valve device to be present in the water line between the buffer store and the structural unit, by means of which a volume flow of water that can be supplied to the structural unit can be varied. This is advantageously accompanied by the fact that the water requirement can be met even more precisely by the structural unit.
  • the delivery device is attached to the buffer store.
  • the conveying device is preferably formed integrally on the buffer store. This makes it easier to position the conveyor device and the buffer store relative to one another or makes such a complicated positioning process obsolete.
  • a further preferred development of the fuel cell arrangement provides that the ionizer is arranged in the water line between the structural unit and the buffer storage. This offers the advantage that corrosion of the structural unit can be avoided or at least delayed particularly well.
  • the ionizer is arranged in the water line between the buffer storage and the fuel cell. It is thus advantageously achieved that corrosion of the buffer store can be avoided or at least slowed down particularly well. According to a further advantageous development of the fuel cell arrangement, the ionizer is arranged in a reservoir interior of the buffer reservoir that forms the water line in certain areas. In this way, the ionizer can be placed in the fuel cell arrangement in a particularly space-saving manner.
  • a further preferred development of the fuel cell arrangement provides that the ionizer is arranged in the water line between the structural unit and the conveyor. It can thus advantageously be ensured that the ionizer is flowed through by a delivery flow of water that can be determined by means of the delivery device.
  • the ionizer is arranged in the water line between the delivery device and the fuel cell. This offers the advantage that the water coming into contact with the conveying device during its conveyance is already deacidified and can have a correspondingly less corrosive effect on the conveying device.
  • the ionizer is attached to the delivery device.
  • the ionizer is preferably formed integrally on the conveying device. This makes it easier to position the ionizer and the conveying device relative to one another or makes such a complicated positioning obsolete.
  • the ionizer is attached to the structural unit or to the fuel cell.
  • the ionizer is integrally formed on the assembly. This makes it easier to position the ionizer and the structural unit relative to one another or makes such a complicated positioning obsolete.
  • the invention also relates to a motor vehicle which includes an electrical drive train.
  • the motor vehicle has a fuel cell arrangement according to the invention as described above, by means of which the electrical drive train can be supplied with electrical energy or power.
  • the invention relates to a method for operating a fuel cell arrangement according to the invention, as already described above, in particular in a motor vehicle according to the invention, also described above, comprising such a fuel cell arrangement.
  • acidic water is emitted from the fuel cell as a result of cold combustion.
  • Ions are added to this acidic water emitted by the fuel cell by means of the ionizer. This increases the pH value of the water as it flows through the ionizer.
  • the building unit is also supplied with the water deacidified by means of the ionizer, in particular by trickling. Heat is supplied to or removed from the water by means of the structural unit.
  • Fig. 2 shows another example of a fuel cell arrangement according to the invention in a structural diagram
  • FIG. 3 an example of a further fuel cell arrangement according to the invention in a structural diagram
  • Fig. 4 shows another example of a fuel cell arrangement according to the invention in a structural diagram.
  • FIG. 1 shows the structure of an example of a fuel cell arrangement 1 according to the invention in a roughly schematic manner.
  • the fuel cell arrangement 1 is in a motor vehicle according to the invention (not shown) replaceable bar.
  • Such a motor vehicle with such a fuel cell arrangement 1 comprises an electric drive train which can be supplied with electrical energy or power by means of the fuel cell arrangement 1 .
  • the fuel cell arrangement 1 includes a fuel cell 2.
  • the fuel cell 2 is in the example set up for the cold combustion of hydrogen and oxygen.
  • fuel cell 2 is a product of cold combustion—in addition to the energy or power generated by cold combustion—from water W.
  • This water W given off by the fuel cell 2 is acidic, ie has a pH value of less than 7.
  • the water discharged from the fuel cell 2 has a pH between - 4 and 5 inclusive.
  • the fuel cell arrangement 1 also includes a structural unit 3 which can be tempered by means of the water W emitted by the fuel cell 2 .
  • the fuel cell assembly 1 has a water line 4 which fluidically connects the fuel cell 2 and the structural unit 3 to one another.
  • the water W discharged from the fuel cell 2 can be fed to the structural unit 3 via this water line 4 of the fuel cell arrangement 1 in order to control the temperature of the same.
  • the fuel cell arrangement 1 also has an ionizer 5 which is arranged in the water line 4 and through which the water W flows when the arrangement 1 is in operation.
  • the ionizer 5 is designed in such a way that the pH value of the water W is increased as it flows through the ionizer 5 .
  • the ionizer 5 can also be referred to as a salting device, by means of which the water W is salted as it flows through the ionizer 5 or the salting device.
  • ions are dissolved in the water W, which results in the change or increase in the pH value of the water W that has been described.
  • Permitted examples of the fuel cell assembly 1 are shown by means of structural diagrams.
  • the structural unit 3 of the fuel cell arrangement 1 includes a heat exchanger 6 or is a heat exchanger 6. It goes without saying that the structural unit 3 can also fulfill any other function that requires use of the water W discharged from the fuel cell is allowed.
  • the fuel cell arrangements 1 according to the invention shown as an example in FIGS. 1 to 4 can be operated using a method according to the invention for operating such a fuel cell arrangement 1, for example in the motor vehicle according to the invention with the fuel cell arrangement 1. According to this method, acidic water W is discharged from the fuel cell 2 of the fuel cell assembly 1 as a result of cold combustion.
  • Ions are supplied to the acidic water W discharged from the fuel cell 2 by the ionizer 5 of the fuel cell assembly 1 so that the pH value of the water W is increased as it flows through the ionizer 5 .
  • the structural unit 3 of the fuel cell arrangement 1 is supplied with the water W deacidified by means of the ionizer 5, for example sprinkled with water. Heat can be supplied to or removed from the water W by means of the structural unit 3 .
  • the heat exchanger 6 forming the structural unit 3 of the fuel cell arrangement 1 comprises a wetting device 7 .
  • the wetting device 7 of the heat exchanger 6 the heat exchanger 6 can be wetted on the outside with the water W released from the fuel cell 2 and deacidified by means of the ionizer 5 in order to control the temperature of the same.
  • the water W that wets the heat exchanger 6 can flow through the heat exchanger 6 separately from at least one heat transport fluid F. Heat can be transferred between the heat transfer port fluid F and the water W by means of the heat exchanger 6 .
  • the wetting device 7 of the heat exchanger 6 comprises at least one wetting line 8 through which the water 6 can flow. About these through openings 10 and pores 11 of the wetting line 7, the water W is for wetting zen or sprinkling of the heat exchanger 6 in its heat transfer Be rich 9 from the wetting line 7 executable.
  • the wetting device 7 can therefore be designed as a sprinkling device, which means that the heat exchanger 6 is sprinkled with the water W after it has exited the wetting line 7 .
  • FIGS. 1 to 4 also show that the fuel cell arrangement 1 can include a delivery device 12 which is arranged in the water line 4 between the fuel cell 2 and the structural unit 3 .
  • the conveying device 12 is implemented as a gear pump 13 in the examples shown.
  • the water W can be conveyed from the fuel cell 2 to the structural unit 3 in a flow direction S by means of the conveying device 12 .
  • the fuel cell arrangement 1 includes or can include a buffer store 14 .
  • the water W can flow through the buffer store 14 and is arranged in the water line 4 between the fuel cell 2 and the structural unit 3 .
  • the buffer storage cher 4 serves to temporarily store the water W.
  • the conveying device 12 is arranged in accordance with the examples shown in the water pipe 4 between the buffer storage 14 and the structural unit 3 .
  • the conveying device 12 is on the structural unit 3, which is designed as a heat exchanger 6 in these examples.
  • the conveyor device 12 can be formed integrally on the structural unit 3 .
  • a valve device 15 is present in the water line 4 between the buffer store 14 and the structural unit 3 .
  • a volume flow of the water W that can be supplied to the structural unit 3 can be varied.
  • a centrifugal pump is used as a conveying device 12
  • the volume flow of the water W that can be fed to the structural unit 3 can be varied by means of the valve device 15 take place in the sense of a, in particular digital, connection or disconnection of the volume flow.
  • a gear pump is used as the delivery device 12, the volume flow of the water W that can be supplied to the structural unit 3 can be varied continuously by means of the valve device 15 or in the sense of switching it on or off, in particular digitally.
  • the delivery device 12 is on the buffer storage tank 14, for example fastened.
  • the conveyor device 12 can be integrally formed on the buffer store.
  • the ionizer 5 is arranged in the water line 4 between the fuel cell 2 and the buffer store 14 .
  • the ionizer 5 according to FIGS. 3 and 4 is arranged in the water line between the buffer storage tank 14 and the structural unit 3.
  • the ionizer 5 is arranged in accordance with the example in FIG.
  • the ionizer 5 is arranged in the water line 4 between the structural unit 3 and the conveying device 12 .
  • the ionizer 5 according to FIGS. 1, 2 and 3 is arranged in the water line 4 between the delivery device 12 and the fuel cell 2 .
  • the ionizer 5 is attached to the conveying device 12 .
  • the ionizer 5 is integrally formed on the conveyor 12 out.
  • the ionizer in FIG. 4 is attached to the structural unit 3 or formed integrally on the structural unit 3 .
  • the ionizer 5 can be attached to the fuel cell 2 or formed integrally.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzellen-Anordnung (1), mit einer Brennstoffzelle (2), welche im Betrieb als Produkt kalter Verbrennung Wasser (W) abgibt, das einen pH-Wert kleiner 7 aufweist, und mit einer Baueinheit (3), welche mittels des von der Brennstoffzelle (2) abgegebenen Wassers (W) temperierbar ist, und mit einer die Brennstoffzelle (2) und die Baueinheit (3) fluidisch verbindenden Wasserleitung (4), über welche das von der Brennstoffzelle (2) abgegebene Wasser (W) der Baueinheit (3) zum Temperieren derselben zuführbar ist, und mit einem in der Wasserleitung (4) angeordneten und von dem Wasser (W) durchströmbaren Ionisator (5), derart ausgebildet, dass der pH-Wert des Wassers (W) beim Durchströmen des Ionisators (5) erhöht wird.

Description

Brennstoffzellen-Anordnung, Kraftfahrzeug und Verfahren
Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzellen-Anordnung sowie ein Kraftfahrzeug mit einer solchen Brennstoffzellen-Anordnung. Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Brennstoffzellen-Anordnung.
Bei herkömmlichen Brennstoffzellen, worunter im Folgenden eine Wasserstoff- Sauerstoff-Brennstoffzelle verstanden wird, wird Wasserstoff mittels Sauerstoff als Oxidationsmittel oxidiert und ein Großteil der dabei freiwerdenden Energie in elektrischer Form abgegriffen. Hierbei fällt ein gegenüber einer Verbrennung des Wasserstoffs mit Sauerstoff vergleichsweise geringer Anteil der bei der Oxidation freiwerdenden Energie als Wärme an. Daher wird der in der Brennstoffzelle statt habende Oxidationsprozess im Fachjargon oft auch als kalte Verbrennung be zeichnet. Solche Brennstoffzellen werden seit geraumer Zeit in Kraftfahrzeugen eingesetzt, um einen elektrischen Antriebsstrang eines solchen Kraftfahrzeugs mit elektrischer Energie bzw. Leistung zu versorgen.
Bei der kalten Verbrennung wird der Wasserstoff mittels des Sauerstoffs zu Was ser oxidiert, welches von der Brennstoffzelle als (Neben-)Produkt der kalten Ver brennung abgegeben wird. Dabei handelt es sich bei dem infolge der kalten Ver brennung entstehenden Wasser zunächst um reines Wasser mit einem pH-Wert von 7. Sobald dieses reine Wasser aber mit Luft in Kontakt kommt, geht ein Anteil des in der Luft üblicherweise enthaltenen CO2 in dem Wasser in Lösung. Hier durch wird das Wasser kohlensauer und weist dann - bei einem Austritt aus der Brennstoffzelle - üblicherweise einen pH-Wert von 4 bis 5 auf. Herkömmliche Brennstoffzellen geben also im Betrieb infolge der kalten Verbrennung saures Wasser ab. Als nachteilig erweist es sich dabei jedoch, dass dieses von der Brennstoffzelle abgegebene saure Wasser in einer Wasserleitung einer die Brennstoffzelle umfas senden herkömmlichen Brennstoffzellen-Anordnung stark korrosiv wirkt. Ebenso wirkt das saure Wasser korrosiv auf etwaige weitere Komponenten einer solchen Brennstoffzellen-Anordnung, die in der Wasserleitung angeordnet sind bzw. in ir gendeiner Form mit dem sauren Wasser in Kontakt kommen.
Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung- insbe sondere zur Beseitigung des voranstehend aufgezeigten Nachteils - für Brenn- stoffzellen-Anordnungen sowie für Kraftfahrzeuge mit einer solchen Brennstoffzel len-Anordnung und für Verfahren zum Betreiben einer derartigen Brennstoffzellen- Anordnung neue Wege aufzuzeigen.
Diese Aufgabe wird durch eine Brennstoffzellen-Anordnung gemäß dem unabhän gigen Patentanspruch 1 sowie durch das Kraftfahrzeug gemäß dem nebengeord neten Patentanspruch 14 und durch das Verfahren des nebengeordneten Pa tentanspruchs 15 gelöst.
Eine erfindungsgemäße Brennstoffzellen-Anordnung, welche zweckmäßiger Weise für einen Einsatz in einem Kraftfahrzeug eingerichtet ist, umfasst eine Brennstoffzelle, die im Betrieb als Produkt kalter Verbrennung Wasser abgibt. Das von der Brennstoffzelle im Betrieb abgegebene Wasser weist einen pH-Wert klei ner 7, insbesondere zwischen mindestens 4 und höchstens 5, auf. Die Brennstoff zellen-Anordnung weist außerdem eine Baueinheit auf, welche mittels des von der Brennstoffzelle abgegebenen Wassers temperierbar ist. Ferner umfasst die Brenn stoffzellen-Anordnung eine die Brennstoffzelle und die Baueinheit fluidisch verbin denden Wasserleitung, über welche das von der Brennstoffzelle abgegebene Wasser der Baueinheit zum Temperieren derselben zuführbar ist. Außerdem um fasst die Brennstoffzellen-Anordnung einen in der Wasserleitung angeordneten und von dem Wasser durchström baren Ionisator. Der Ionisator ist derart ausgebil det, dass der pH-Wert des Wassers beim Durchströmen des Ionisators erhöht wird. Vorteilhaft wird hierdurch erreicht, dass von der Brennstoffzelle abgegebene saure Wasser entsäuert wird und infolgedessen seine korrosive Wirkung verliert. Damit erlaubt es die derart realisierte Brennstoffzellen-Anordnung, dass die Was serleitung der Brennstoffzellen-Anordnung sowie die in der Wasserleitung vorhan dene Baueinheit wirksam vor Korrosion geschützt werden kann.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Brennstoffzellen-Anordnung umfasst die Baueinheit der Brennstoffzellen-Anordnung einen Wärmeübertrager oder ist ein Wärmeübertrager. Der Wärmeübertrager ist zur Temperierung desselben au ßenseitig mittels einer dafür eingerichteten Benetzungseinrichtung des Wärme übertragers mit dem von der Brennstoffzelle abgegebenen und mittels des Ionisa tors entsäuerten Wasser benetzbar. Dabei ist der Wärmeübertrager fluidisch von dem den Wärmeübertrager benetzenden Wasser getrennt von wenigstens einem Wärmetransport-Fluid durchström bar. Damit ist mittels des Wärmeübertragers Wärme zwischen dem Wärmetransport-Fluid und dem Wasser übertragbar. Vor teilhaft kann das bei der kalten Verbrennung von der Brennstoffzelle abgegebene Wasser also zur Temperierung des Wärmeübertragers bzw. des diesen durchströ menden Wärmetransport-Fluides verwendet werden und dabei eine vorschnelle Korrosion des Wärmeübertragers vermieden werden. Die Benetzungseinrichtung kann als Berieselungseinrichtung ausgebildet sein, was bedeutet, dass der Wär meübertrager mit dem Wasser W berieselt wird.
Bei einerweiteren vorteilhaften Weiterbildung der Brennstoffzellen-Anordnung um fasst die Benetzungseinrichtung der Wärmeübertragers wenigstens eine von dem Wasser durchström bare Benetzungsleitung. Diese Benetzungsleitung weist meh rere im Abstand zueinander angeordnete und in Richtung eines Wärmeübertra gungs-Bereichs des Wärmeübertragers fluidisch geöffnete Durchbrüche oder Po ren auf. Übern besagte Durchbrüche bzw. Poren der Benetzungsleitung ist der Wärmeübertragungs-Bereich des Wärmeübertragers mit dem entsäuerten Wasser benetzbar. Dies ermöglicht vorteilhaft eine besonders gute Wärmeübertragung zwischen dem Wasser und dem Wärmeübertrager bzw. dem Wärmetransport- Fluid, insbesondere, wenn das Wasser zur Kühlung des Wärmeübertragers bzw. des Wärmetransport-Fluides eingesetzt wird.
Eine weitere bevorzugte Weiterbildung der Brennstoffzellen-Anordnung sieht vor, dass in der Wasserleitung zwischen Brennstoffzelle und Baueinheit eine Förder einrichtung, insbesondere eine Zahnradpumpe, vorhanden ist. Diese Förderein richtung dient zum Fördern des Wassers von der Brennstoffzelle zur Baueinheit in einer Strömungsrichtung. Vorteilhaft lässt sich somit die Baueinheit auch entgegen der Schwerkraft mit dem von der Brennstoffzelle abgegebenen Wasser versorgen, falls gegebene Bauraumverhältnisse eine Positionierung erfordern, bei welcher die Brennstoffzelle bezüglich einer Schwerkraftrichtung oberhalb des Wärmeübertra gers angeordnet ist.
Bei einerweiteren vorteilhaften Weiterbildung der Brennstoffzellen-Anordnung ist die Fördereinrichtung an der Baueinheit befestigt. Vorzugsweise ist die Förderein richtung integral an der Baueinheit ausgeformt, d.h. die Fördereinrichtung und die Baueinheit sind einstückig und materialeinheitlich ausgebildet. Dies erleichtert eine Positionierung der Fördereinrichtung und der Baueinheit relativ zueinander bzw. macht eine solche aufwändige Positionierung obsolet.
Gemäß einer anderen vorteilhaften Weiterbildung der Brennstoffzellen-Anordnung ist in der Wasserleitung zwischen Brennstoffzelle und Baueinheit ein von dem Wasser durchströmbarer Pufferspeicher zum Zwischenspeichern des Wassers an geordnet. Damit lassen sich vorteilhaft mögliche Schwankungen der Abgabe menge des von der Brennstoffzelle abgegebenen Wassers ausgleichen. Außer dem erlaubt es der Pufferspeicher einen schwankenden Bedarf an Wasser seitens der Baueinheit auszugleichen. Bei einerweiteren bevorzugten Weiterbildung der Brennstoffzellen-Anordnung ist die Fördereinrichtung in der Wasserleitung zwischen dem Pufferspeicher und der Baueinheit angeordnet. Damit lässt sich vorteilhaft sicherstellen, dass der Bedarf an Wasser seitens der Baueinheit besonders präzise erfüllt werden kann.
Bei einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Brennstoffzellen-Anordnung ist vorgesehen, dass in der Wasserleitung zwischen Pufferspeicher und Baueinheit eine Ventileinrichtung vorhanden ist, mittels welcher ein der Baueinheit zuführbarer Volumenstrom an Wasser variiert werden kann. Damit geht vorteilhaft einher, dass der Bedarf an Wasser seitens der Baueinheit noch präziser erfüllt werden kann.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Brennstoffzellen-Anordnung ist die Fördereinrichtung am Pufferspeicher befestigt. Vorzugsweise ist die Förder einrichtung integral an dem Pufferspeicher ausgeformt. Dies erleichtert eine Positi onierung der Fördereinrichtung und der Pufferspeichers relativ zueinander bzw. macht eine solche aufwändige Positionierung obsolet.
Eine weitere bevorzugte Weiterbildung der Brennstoffzellen-Anordnung sieht vor, dass der Ionisator in der Wasserleitung zwischen der Baueinheit und dem Puffer speicher angeordnet ist. Dies bietet den Vorteil, dass eine Korrosion der Bauein heit besonders gut vermieden oder zumindest verzögert werden kann.
Bei einer anderen vorteilhaften Weiterbildung der Brennstoffzellen-Anordnung ist der Ionisator in der Wasserleitung zwischen dem Pufferspeicher und der Brenn stoffzelle angeordnet. Vorteilhaft wird somit erreicht, dass eine Korrosion des Puf ferspeichers besonders gut vermieden oder zumindest abgebremst werden kann. Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Brennstoffzellen-Anordnung ist der Ionisator in einem die Wasserleitung bereichsweise ausbildenden Speicher innenraum des Pufferspeichers angeordnet ist. So lässt sich der Ionisator beson ders bauraumsparend in der Brennstoffzellen-Anordnung platzieren.
Eine weitere bevorzugte Weiterbildung der Brennstoffzellen- Anordnung sieht vor, dass der Ionisator in der Wasserleitung zwischen der Baueinheit und der Förder einrichtung angeordnet ist. Damit lässt sich vorteilhaft sicherstellen, dass der Ioni sator von einem mittels der Fördereinrichtung festlegbaren Förderstrom an Was ser durchströmt wird.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung der Brennstoffzellen-Anordnung ist der Ionisator in der Wasserleitung zwischen der Fördereinrichtung und der Brennstoffzelle angeordnet. Dies bietet den Vorteil, dass das mit der Förderein richtung bei seiner Förderung in Kontakt kommende Wasser bereits entsäuert ist und entsprechend weniger korrosiv auf die Fördereinrichtung wirken kann.
Bei einer anderen vorteilhaften Weiterbildung der Brennstoffzellen-Anordnung ist der Ionisator an der Fördereinrichtung befestigt. Vorzugsweise ist der Ionisator an der Fördereinrichtung integral ausgeformt. Dies erleichtert eine Positionierung des Ionisators und der Fördereinrichtung relativ zueinander bzw. macht eine solche aufwändige Positionierung obsolet.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Brennstoffzellen-Anordnung ist der Ionisator an der Baueinheit oder an der Brennstoffzelle befestigt. Insbeson dere ist der Ionisator integral an der Baueinheit ausgeformt. Dies erleichtert eine Positionierung des Ionisators und der Baueinheit relativ zueinander bzw. macht eine solche aufwändige Positionierung obsolet. Die Erfindung betrifft ferner ein Kraftfahrzeug, welches einen elektrischen An triebsstrang umfasst. Darüber hinaus weist das Kraftfahrzeug eine erfindungsge mäße Brennstoffzellen-Anordnung gemäß der voranstehenden Beschreibung auf, mittels welcher der elektrische Antriebsstrang mit elektrischer Energie bzw. Leis tung versorgbar ist. Die oben aufgezeigten Vorteile der erfindungsgemäßen Brennstoffzellen-Anordnung übertragen sich somit auch auf das erfindungsge mäße Kraftfahrzeug mit einer solchen Brennstoffzellen-Anordnung.
Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer erfindungsgemä ßen Brennstoffzellen-Anordnung wie oben bereits beschrieben, insbesondere in einem ebenfalls voranstehend beschriebenen erfindungsgemäßen eine solche Brennstoffzellen-Anordnung umfassenden Kraftfahrzeug. Gemäß dem Verfahren wird von der Brennstoffzelle infolge kalter Verbrennung saures Wasser abgege ben. Diesem von der Brennstoffzelle abgegebenen sauren Wasser werden mittels des Ionisators Ionen zugeführt. Damit wird der pH-Wert des Wassers beim Durch strömen des Ionisators erhöht. Gemäß dem Verfahren wird außerdem die Bauein heit mit dem mittels des Ionisators entsäuerten Wasser versorgt, insbesondere be rieselt. Dem Wasser wird mittels der Baueinheit Wärme zugeführt oder entzogen. Die voranstehend aufgezeigten Vorteile der erfindungsgemäßen Brennstoffzellen- Anordnung und des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs übertragen sich in analo ger Weise auch auf das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben einer sol chen Brennstoffzellen-Anordnung.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Un teransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschrei bung anhand der Zeichnungen.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu er läuternden 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 darge stellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Kompo nenten beziehen.
Es zeigen, jeweils schematisch
Fig. 1 ein Beispiel einer erfindungsgemäßen Brennstoffzellen-Anordnung in einem Aufbauschaubild,
Fig. 2 ein weiteres Beispiel einer erfindungsgemäßen Brennstoffzellen-An ordnung in einem Aufbauschaubild,
Fig. 3 beispielhaft eine weitere erfindungsgemäße Brennstoffzellen-Anord nung in einem Aufbauschaubild,
Fig. 4 ein weiteres erfindungsgemäßes Beispiel einer Brennstoffzellen-An ordnung in einem Aufbauschaubild.
In der Figur 1 ist grobschematisch der Aufbau eines Beispiels einer erfindungsge mäßen Brennstoffzellen-Anordnung 1 veranschaulicht. Die Brennstoffzellen-An ordnung 1 ist in einem erfindungsgemäßen Kraftfahrzeug (nicht gezeigt) ersetz bar. Ein solches Kraftfahrzeug mit einer derartigen Brennstoffzellen-Anordnung 1 umfasst einen elektrischen Antriebsstrang, der mittels der Brennstoffzellen-Anord nung 1 mit elektrischer Energie bzw. Leistung versorgbar ist. Die Brennstoffzellen- Anordnung 1 umfasst eine Brennstoffzelle 2. Die Brennstoffzelle 2 ist im Beispiel zur kalten Verbrennung von Wasserstoff und Sauerstoff eingerichtet. Die Brenn stoffzelle 2 gibt im Betrieb als Produkt der kalten Verbrennung - neben der mittels der kalten Verbrennung erzeugten Energie bzw. Leistung - Wasser W ab. Dieses von der Brennstoffzelle 2 abgegebene Wasser W ist sauer, weist also einen pH- Wert kleiner 7 auf. Beispielsweise weist das von der Brennstoffzelle 2 abgegebene Wasser einen pH-Wert zwischen - jeweils einschließlich - 4 und 5 auf.
Gemäß Figur 1 umfasst die Brennstoffzellen-Anordnung 1 außerdem eine Bauein heit 3, die mittels des von der Brennstoffzelle 2 abgegebenen Wassers W tempe rierbar ist. Darüber hinaus weist die Brennstoffzellen-Anordnung 1 eine Wasserlei tung 4 auf, die die Brennstoffzelle 2 und die Baueinheit 3 fluidisch miteinander ver bindet. Über diese Wasserleitung 4 der Brennstoffzellen-Anordnung 1 ist das von der Brennstoffzelle 2 abgegebene Wasser W der Baueinheit 3 zum Temperieren derselben zuführbar. Die Brennstoffzellen-Anordnung 1 weist ferner einen in der Wasserleitung 4 angeordneten Ionisator 5 auf, welcher im Betrieb der Anordnung 1 von dem Wasser W durchströmt wird. Der Ionisator 5 ist derart ausgebildet, dass der pH-Wert des Wassers W beim Durchströmen des Ionisators 5 erhöht wird. Der Ionisator 5 kann auch als Besalzer bezeichnet werden, mittels welchem das Was ser W beim Durchströmen des Ionisators 5 bzw. des Besalzers besalzt wird. Beim Besalzen des Wassers W werden Ionen in dem Wasser W gelöst, was die be schriebene Änderung bzw. Erhöhung des pH-Werts des Wassers W zur Folge hat.
In den Figuren 2, 3 und 4 sind mittels Aufbauschaubildern weitere erfindungsge mäße Beispiele der Brennstoffzellen-Anordnung 1 gezeigt. Bei jedem der Bei spiele der Figuren 1 bis 4 umfasst die Baueinheit 3 der Brennstoffzellen-Anord nung 1 einen Wärmeübertrager 6 bzw. ist ein Wärmeübertrager 6. Es versteht sich, dass die Baueinheit 3 aber auch eine beliebige andere Funktion erfüllen kann, welche eine Nutzung des von der Brennstoffzelle abgegebenen Wassers W erlaubt. Die beispielhaft in den Figuren 1 bis 4 gezeigten erfindungsgemäßen Brennstoff- zellen-Anordnungen 1 können mittels eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben einer solchen Brennstoffzellen-Anordnung 1 , beispielsweise in dem er findungsgemäßen Kraftfahrzeug mit der Brennstoffzellen-Anordnung 1, betrieben werden. Gemäß diesem Verfahren wird von der Brennstoffzelle 2 der Brennstoff zellen-Anordnung 1 infolge kalter Verbrennung saures Wasser W abgegeben.
Dem von der Brennstoffzelle 2 abgegebenen sauren Wasser W werden mittels des Ionisators 5 der Brennstoffzellen-Anordnung 1 Ionen zugeführt, sodass der pH-Wert des Wassers W beim Durchströmen des Ionisators 5 erhöht wird. Die Baueinheit 3 der Brennstoffzellen-Anordnung 1 wird mit dem mittels des Ionisators 5 entsäuerten Wasser W versorgt, beispielsweise berieselt. Dem Wasser W kann mittels der Baueinheit 3 Wärme zugeführt oder entzogen werden.
Den Figuren 1 bis 4 ist jeweils zu entnehmen, dass der die Baueinheit 3 der Brennstoffzellen-Anordnung 1 ausbildende Wärmeübertrager 6 eine Benetzungs einrichtung 7 umfasst. Mittels dieser Benetzungseinrichtung 7 des Wärmeübertra gers 6 ist der Wärmeübertrager 6 zur Temperierung desselben außenseitig mit dem von der Brennstoffzelle 2 abgegebenen und mittels Ionisators 5 entsäuerten Wassers W benetzbar.
Der Wärmeübertrager 6 ist fluidisch von dem den Wärmeübertrager 6 benetzen den Wasser W getrennt von wenigstens einem Wärmetransport-Fluid F durch- strömbar. Mittels des Wärmeübertragers 6 ist Wärme zwischen dem Wärmetrans port-Fluid F und dem Wasser W übertragbar. Die Benetzungseinrichtung 7 des Wärmeübertragers 6 umfasst wenigstens eine von dem Wasser 6 durchström bare Benetzungsleitung 8. Die Benetzungsleitung 8 weist mehrere im Abstand zueinan der angeordnete und in Richtung eines Wärmeübertragungs-Bereichs 9 des Wär meübertragers 6 geöffnete Durchbrüche 10 oder Poren 11 auf. Über diese Durch brüche 10 bzw. Poren 11 der Benetzungsleitung 7 ist das Wasser W zum Benet- zen bzw. Berieseln des Wärmeübertragers 6 in seinem Wärmeübertragungs-Be reich 9 aus der Benetzungsleitung 7 ausführbar. Die Benetzungseinrichtung 7 kann also als Berieselungseinrichtung ausgebildet sein, was bedeutet, dass der Wärmeübertrager 6 mit dem Wasser W nach dessen Austritt aus der Benetzungs leitung 7 berieselt wird.
Die Figuren 1 bis 4 lassen darüber hinaus erkennen, dass die Brennstoffzellen-An- ordnung 1 eine Fördereinrichtung 12 umfassen kann, welche in der Wasserleitung 4 zwischen Brennstoffzelle 2 und Baueinheit 3 angeordnet ist. Die Fördereinrich tung 12 ist in den gezeigten Beispielen als Zahnradpumpe 13 realisiert. Mittels der Fördereinrichtung 12 ist das Wasser W von der Brennstoffzelle 2 zur Baueinheit 3 in einer Strömungsrichtung S förderbar. Es ist ferner gezeigt, dass die Brennstoff- zellen-Anordnung 1 einen Pufferspeicher 14 umfasst bzw. umfassen kann. Der Pufferspeicher 14 ist von dem Wasser W durchströmbar und in der Wasserleitung 4 zwischen der Brennstoffzelle 2 und der Baueinheit 3 angeordnet. Der Pufferspei cher 4 dient zum Zwischenspeichern des Wassers W. Dabei ist die Fördereinrich tung 12 den gezeigten Beispielen entsprechend in der Wasserleitung 4 zwischen dem Pufferspeicher 14 und der Baueinheit 3 angeordnet.
Gemäß den Beispielen der Figuren 3 und 4 ist die Fördereinrichtung 12 an der Baueinheit 3, welche in diesen Beispielen als Wärmeübertrager 6 ausgebildet ist. Die Fördereinrichtung 12 kann integral an der Baueinheit 3 ausgeformt sein.
Bei den Beispielen der Brennstoffzellen-Anordnung 1 der Figuren 1 und 2 ist in der Wasserleitung 4 zwischen dem Pufferspeicher 14 und der Baueinheit 3 eine Venti leinrichtung 15 vorhanden. Mittels dieser Ventileinrichtung 15 ist ein Volumen strom des der Baueinheit 3 zuführbaren Wassers W variierbar. Falls als Förderein richtung 12 eine Kreiselpumpe eingesetzt wird, kann das Variieren des Volumen stroms des der Baueinheit 3 zuführbaren Wassers W mittels der Ventileinrichtung 15 im Sinne eines, insbesondere digitalen, Zu- bzw. Abschaltens des Volumen stroms erfolgen. Falls als Fördereinrichtung 12 eine Zahnradpumpe eingesetzt wird, kann das Variieren des Volumenstroms des der Baueinheit 3 zuführbaren Wassers W mittels der Ventileinrichtung 15 stufenlos oder im Sinne eines, insbe sondere digitalen, Zu- bzw. Abschaltens erfolgen Die Fördereinrichtung 12 ist bei spielsweise am Pufferspeicher 14 befestigt. Die Fördereinrichtung 12 kann an dem Pufferspeicher integral angeformt sein.
Im Beispiel der Figur 1 ist der Ionisator 5 in der Wasserleitung 4 zwischen der Brennstoffzelle 2 und dem Pufferspeicher 14 angeordnet. Alternativ ist der Ionisa tor 5 gemäß den Figuren 3 und 4 in der Wasserleitung zwischen dem Pufferspei cher 14 und der Baueinheit 3 angeordnet. Eine weitere Alternative bildend ist der Ionisator 5 dem Beispiel der Figur 2 entsprechend in einem die Wasserleitung 4 bereichsweise ausbildenden Speicherinnenraum 16 des Pufferspeichers 14 ange ordnet.
Gemäß Figur 4 ist der Ionisator 5 in der Wasserleitung 4 zwischen der Baueinheit 3 und der Fördereinrichtung 12 angeordnet. Alternativ ist der Ionisator 5 gemäß den Figuren 1 , 2 und 3 in der Wasserleitung 4 zwischen der Fördereinrichtung 12 und der Brennstoffzelle 2 angeordnet.
Beim Beispiel der Figur 3 ist der Ionisator 5 an der Fördereinrichtung 12 befestigt. In diesem Beispiel ist der Ionisator 5 integral an der Fördereinrichtung 12 ausge formt. Alternativ ist der Ionisator in Figur 4 an der Baueinheit 3 befestigt bzw. in tegral an der Baueinheit 3 ausgeformt. In einer weiteren Alternative kann der Ioni sator 5 an der Brennstoffzelle 2 befestigt bzw. integral ausgeformt sein.
*****

Claims

Ansprüche
1. Brennstoffzellen-Anordnung (1), insbesondere für ein Kraftfahrzeug,
- mit einer Brennstoffzelle (2), welche im Betrieb als Produkt kalter Verbrennung Wasser (W) abgibt, das einen pH-Wert kleiner 7, insbesondere zwischen 4 und 5, aufweist,
- mit einer Baueinheit (3), welche mittels des von der Brennstoffzelle (2) abgege benen Wassers (W) temperierbar ist,
- mit einer die Brennstoffzelle (2) und die Baueinheit (3) fluidisch verbindenden Wasserleitung (4), über welche das von der Brennstoffzelle (2) abgegebene Wasser (W) der Baueinheit (3) zum Temperieren derselben zuführbar ist,
- mit einem in der Wasserleitung (4) angeordneten und von dem Wasser (W) durchströmbaren Ionisator (5), derart ausgebildet, dass der pH-Wert des Was sers (W) beim Durchströmen des Ionisators (5) erhöht wird.
2. Brennstoffzellen-Anordnung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
- die Baueinheit (3) einen Wärmeübertrager (6) umfasst oder ein Wärmeübertra ger (6) ist,
- wobei der Wärmeübertrager (6) zur Temperierung desselben außenseitig mit tels einer dafür eingerichteten Benetzungseinrichtung (7) des Wärmeübertra gers (6) mit dem von der Brennstoffzelle (2) abgegebenen und mittels des Ioni sators (5) entsäuerten Wasser (5) benetzbar, insbesondere berieselbar ist,
- wobei der Wärmeübertrager (6) fluidisch von dem den Wärmeübertrager (6) be netzenden Wasser (W) getrennt von wenigstens einem Wärmetransport-Fluid (F) durchströmbar ist, sodass mittels des Wärmeübertragers (6) Wärme zwi schen dem Wärmetransport-Fluid (F) und dem Wasser (W) übertragbar ist.
3. Brennstoffzellen-Anordnung (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Benetzungseinrichtung (7) wenigstens eine von dem Wasser (W) durch- strömbare Benetzungsleitung (8) umfasst, die mehrere im Abstand zueinander angeordnete und in Richtung eines Wärmeübertragungs-Bereichs (9) des Wär meübertragers (6) geöffnete Durchbrüche (10) oder Poren (11) umfasst, über welche der Wärmeübertragungs-Bereich (9) mit dem Wasser (W) benetzbar ist.
4. Brennstoffzellen-Anordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass in der Wasserleitung (4) zwischen Brennstoffzelle (2) und Baueinheit (3) eine Fördereinrichtung (12), insbesondere eine Zahnradpumpe (13), zum Fördern des Wassers (W) von der Brennstoffzelle (2) zur Baueinheit (3) vorhanden ist.
5. Brennstoffzellen-Anordnung (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Fördereinrichtung (12) an der Baueinheit (3) befestigt, insbesondere integral ausgeformt, ist.
6. Brennstoffzellen-Anordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Wasserleitung (4) zwischen Brennstoffzelle (2) und Baueinheit (3) ein von dem Wasser (W) durchström barer Pufferspeicher (14) zum Zwischenspeichern des Wassers (W) vorhanden ist.
7. Brennstoffzellen-Anordnung (1) nach Anspruch 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Fördereinrichtung (12) in der Wasserleitung (4) zwischen dem Pufferspei cher (14) und der Baueinheit (3) angeordnet ist.
8. Brennstoffzellen-Anordnung (1) nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass in der Wasserleitung (4) zwischen Pufferspeicher (14) und Baueinheit (3) eine Ventileinrichtung (15) vorhanden ist, mittels welcher ein der Baueinheit (3) zu- führbarer Volumenstrom an Wasser (W) variierbar ist.
9. Brennstoffzellen-Anordnung (1) nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Fördereinrichtung (12) am Pufferspeicher (14) befestigt, insbesondere integ ral ausgeformt, ist.
10. Brennstoffzellen-Anordnung (1) nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass
- der Ionisator (5) in der Wasserleitung (4) zwischen der Baueinheit (3) und dem Pufferspeicher (14) angeordnet ist; oder dass
- der Ionisator (5) in der Wasserleitung (4) zwischen dem Pufferspeicher (14) und der Brennstoffzelle (2) angeordnet ist; oder dass
- der Ionisator (5) in einem die Wasserleitung (4) bereichsweise ausbildenden Speicherinnenraum (16) des Pufferspeichers (14) angeordnet ist.
11. Brennstoffzellen-Anordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei Rückbezug auf Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Ionisator (5) in der Wasserleitung (4) zwischen der Baueinheit (3) und der Fördereinrichtung (12) angeordnet ist; oder dass der Ionisator (5) in der Wasserleitung (4) zwischen der Fördereinrichtung (12) und der Brennstoffzelle (2) angeordnet ist;
12. Brennstoffzellen-Anordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei Rückbezug auf Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Ionisator (5) an der Fördereinrichtung (12) befestigt, insbesondere integral ausgeformt, ist.
13. Brennstoffzellen-Anordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ionisator (5) an der Baueinheit (3) oder an der Brennstoffzelle (2) befestigt, insbesondere integral ausgeformt, ist.
14. Kraftfahrzeug,
- mit einem elektrischen Antriebsstrang,
- mit einer Brennstoffzellen-Anordnung (1 ) nach einem der vorhergehenden An sprüche, mittels welcher der elektrische Antriebsstrang mit elektrischer Energie bzw. Leistung versorgbar ist.
15. Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellen-Anordnung nach einem An sprüche 1 bis 13, insbesondere in einem Kraftfahrzeug nach Anspruch 14, gemäß welchem
- von der Brennstoffzelle (2) infolge kalter Verbrennung saures Wasser (W) abge geben wird,
- dem von der Brennstoffzelle (2) abgegebenen sauren Wasser (W) mittels des Ionisators (5) Ionen zugeführt werden, sodass der pH-Wert des Wassers (W) beim Durchströmen des Ionisators (5) erhöht wird,
- die Baueinheit (3) mit dem mittels des Ionisators (5) entsäuerten Wasser (W) versorgt, insbesondere benetzt, wird,
- dem Wasser (W) mittels der Baueinheit (3) Wärme zugeführt oder entzogen wird.
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