Titel sowie Verfahren

Stand der Technik

Wasserstoffbasierte Brennstoffzellen gelten als Mobilitätskonzept der Zukunft, da sie im Wesentlichen nur Wasser als Abgas emittieren, und schnelle Betankungszeiten ermöglichen. In einem Brennstoffzellensystem kann mittels Luft und Wasserstoff eine chemische Reaktion für das Erzeugen elektrischer Energie erfolgen.

Es herrscht ständiges Interesse daran ein Brennstoffzellensystem bzw. einen Brennstoffzellenstapel des Brennstoffzellensystems effizient und mit langer Lebensdauer zu betreiben.

Offenbarung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung zeigt ein Brennstoffzellensystem gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1, ein Fahrzeug gemäß den Merkmalen des Anspruchs 13 sowie ein Verfahren gemäß den Merkmalen des Anspruchs 14.

Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Fahrzeug und dem erfindungsgemäßen Verfahren und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann. Gemäß einem ersten Aspekt zeigt die vorliegende Erfindung ein Brennstoffzellensystem, insbesondere ein Brennstoffzellensystem für ein Fahrzeug. Das Brennstoffzellensystem umfasst einen Brennstoffzellenstapel zum Erzeugen elektrischer Energie, wobei der Brennstoffzellenstapel zumindest einen Anodenabschnitt und einen Kathodenabschnitt aufweist. Ferner umfasst das Brennstoffzellensystem eine Reduktionsmittelversorgung zum fluidtechnischen Versorgen des Anodenabschnitts des Brennstoffzellenstapels mit einem Reduktionsmittel. Ferner umfasst das Brennstoffzellensystem eine Oxidationsmittelversorgung zum fluidtechnischen Versorgen des Kathodenabschnitts des Brennstoffzellenstapels mit einem Oxidationsmittel. Ferner umfasst das Brennstoffzellensystem eine kontrollierbare Einspritzvorrichtung mit zumindest einem Einspritzelement zum Einspritzen eines Befeuchtungsfluides in die Reduktionsmittelversorgung für ein Befeuchten des in den Anodenabschnitt des Brennstoffzellenstapels einströmenden Reduktionsmittels in der Reduktionsmittelversorgung, wobei die Einspritzvorrichtung, insbesondere das zumindest eine Einspritzelement der Einspritzvorrichtung, fluidtechnisch mit der Reduktionsmittelversorgung verbunden ist.

Der Brennstoffzellenstapel kann zumindest eine Mehrzahl oder eine Vielzahl an abwechselnd übereinander in einer Stapelrichtung angeordneten Membranelektrodeneinheiten und Bipolarplatten aufweisen, um den Anodenabschnitt, den Kathodenabschnitt und insbesondere zusätzlich den Kühlmittelabschnitt des Brennstoffzellenstapels auszubilden. Der Brennstoffzellenstapel weist insbesondere in Stapelrichtung des Brennstoffzellenstapels eine erste Endplatte und eine der ersten Endplatte gegenüberliegende zweite Endplatte auf, wobei die beiden Endplatten den Brennstoffzellenstapel begrenzen.

Insbesondere ist der Brennstoffzellenstapel ein Polymerelektrolytmembran- Brennstoffzellenstapel (PEMFC).

Insbesondere erstreckt sich der Anodenabschnitt des Brennstoffzellenstapels fluidtechnisch von einem Anodeneingang des Brennstoffzellenstapels bis zu einem Anodenausgang des Brennstoffzellenstapels. Das Reduktionsmittel strömt hierbei in einem Normalbetrieb des Brennstoffzellenstapels von dem Anodeneingang fluidtechnisch in Richtung zu dem Anodenausgang.

Insbesondere erstreckt sich der Kathoden abschnitt des Brennstoffzellenstapels fluidtechnisch von einem Kathodeneingang des Brennstoffzellenstapels bis zu einem Kathodenausgang des Brennstoffzellenstapels. Das Oxidationsmittel strömt hierbei in einem Normalbetrieb des Brennstoffzellenstapels von dem Kathodeneingang fluidtechnisch in Richtung zu dem Kathodenausgang.

Insbesondere erstreckt sich der Kühlmittelabschnitt des Brennstoffzellenstapels fluidtechnisch von einem Kühlmitteleingang des Brennstoffzellenstapels bis zu einem Kühlmittelausgang des Brennstoffzellenstapels. Der Kühlmittelabschnitt strömt hierbei in einem Normalbetrieb des Brennstoffzellenstapels von dem Kühlmitteleingang fluidtechnisch in Richtung zu dem Kühlmittelausgang.

Das Reduktionsmittel umfasst insbesondere einen Brennstoff, bspw.

Wasserstoff. Das Reduktionsmittel, vorzugsweise reines Reduktionsmittel, kann in einem Reduktionsmitteltank gespeichert sein. Ferner wird das Reduktionsmittel gasförmig oder im Wesentlichen gasförmig dem Brennstoffzellenstapel zugeführt.

Das Oxidationsmittel umfasst insbesondere Sauerstoff, wobei vorzugsweise das Oxidationsmittel reiner Sauerstoff oder (sauerstoffhaltige) Luft ist. Luft als Oxidationsmittel kann dem Brennstoffzellenstapel bspw. aus der Umgebung des Brennstoffzellensystems zugeführt werden. Ferner wird das Oxidationsmittel gasförmig oder im Wesentlichen gasförmig dem Brennstoffzellenstapel zugeführt.

Das Kühlmittel umfasst insbesondere Wasser.

Die Reduktionsmittelversorgung stellt insbesondere das Reduktionsmittel bereit, bspw. in einem Reduktionsmitteltank, und führt das bereitgestellte Reduktionsmittel, bspw. mittels fluidtechnischer Leitungen, fluidtechnisch dem Anodenabschnitt des Brennstoffzellenstapels, insbesondere einem Anodeneingang des Brennstoffzellenstapels, zu. Zusätzlich kann die Reduktionsmittelversorgung eine fluidtechnische Reduktionsmittelrückführung aufweisen, um aus dem Anodenabschnitt ausströmendes Reduktionsmittel dem in den Anodenabschnitt einströmenden Reduktionsmittel (erneut) zuzuführen bzw. (erneut) zuzumischen. Somit kann aus dem Brennstoffzellenstapel ausströmendes, unverbrauchtes Reduktionsmittel, bspw. Wasserstoff, nochmals dem Brennstoffzellenstapel zugeführt werden.

Die Oxidationsmittelversorgung stellt insbesondere das Oxidationsmittel bereit, bspw. Umgebungsluft, und führt das bereitgestellte Oxidationsmittel, bspw. mittels fluidtechnischer Leitungen, fluidtechnisch dem Kathoden abschnitt des Brennstoffzellenstapels, insbesondere einem Kathodeneingang des Brennstoffzellenstapels, zu.

Die Kühlmittelversorgung stellt insbesondere das Kühlmittel bereit und führt das bereitgestellte Kühlmittel, bspw. mittels fluidtechnischer Leitungen, fluidtechnisch dem Kühlmittelabschnitt des Brennstoffzellenstapels, insbesondere einem Kühlmitteleingang des Brennstoffzellenstapels, zu. Zusätzlich kann ein Kühlmittelausgang des Brennstoffzellenstapels mittels einer (externen) fluidtechnischen Leitung mit dem Kühlmitteleingang des Brennstoffzellenstapels fluidtechnisch verbunden sein, um einen Kühlmittelkreislauf auszubilden. Somit kann das Temperieren des Brennstoffzellenstapels besonders vorteilhaft erfolgen.

Insbesondere wird die kontrollierbare Einspritzvorrichtung bzw. das zumindest eine Einspritzelement der Einspritzvorrichtung mittels einer Kontrollvorrichtung des Brennstoffzellensystems kontrolliert. Das Kontrollieren der Einspritzvorrichtung bzw. des zumindest einen Einspritzelements kann ein Steuern und/oder ein Regeln der Einspritzvorrichtung bzw. des zumindest einen Einspritzelements sein. Für das Regeln der Einspritzvorrichtung bzw. des zumindest einen Einspritzelements kann ein Feuchtigkeitssensor die Feuchtigkeit des Reduktionsmittels in der Reduktionsmittelversorgung erfassen.

Ferner ist denkbar, dass die Einspritzvorrichtung mehrere Einspritzelemente aufweist. Somit kann das Befeuchtungsfluid besonders gleichmäßig in die Reduktionsmittelversorgung für ein Befeuchten des in den Anodenabschnitt des Brennstoffzellenstapels einströmenden Reduktionsmittels in der Reduktionsmittelversorgung eingespritzt werden. Bspw. können die mehreren Einspritzelemente strömungstechnisch hintereinander angeordnet sein. Vorzugsweise sind die mehreren Einspritzelemente gleich oder im Wesentlichen gleich ausgebildet.

Insbesondere ist das Einspritzen des Befeuchtungsfluides mittels dem zumindest einen Einspritzelement der kontrollierbaren Einspritzvorrichtung als ein Zerstäuben bzw. ein Sprühen zu verstehen. Somit kann eine große reaktive Oberfläche, insbesondere Flüssigkeitsoberfläche, erzeugt werden.

Das Befeuchtungsfluid umfasst insbesondere Wasser, wobei vorzugsweise das Befeuchtungsfluid (reines) Wasser ist.

Vorteilhafterweise kann mittels der kontrollierbaren Einspritzvorrichtung mit dem zumindest einem Einspritzelement das Befeuchtungsfluid in die Reduktionsmittelversorgung eingespritzt werden, und somit das in den Anodenabschnitt des Brennstoffzellenstapels einströmende Reduktionsmittel befeuchtet werden. Somit kann eine Anode direkt befeuchtet werden und eine (jeweilige) Membran einer Membranelektrodeneinheit des Brennstoffzellenstapels besonders vorteilhaft (anodenseitig) feucht gehalten werden. Damit kann eine Effizienz des Brennstoffzellenstapels besonders hoch sein und/oder eine Degradation des Brennstoffzellenstapels besonders niedrig gehalten werden. Ferner kann somit eine Befeuchtung bzw. ein Befeuchtungsprozess des Oxidationsmittels für ein Feuchthalten einer Membran einer Membranelektrodeneinheit des Brennstoffzellenstapels besonders geringgehalten werden bzw. entfallen. Insbesondere wird das Einspritzelement in der Nähe des Brennstoffzellenstapels, bspw. in einem Bereich (bis zu 1 m | [B&vij um den Brennstoffzellenstapel angeordnet. Somit kann das Befeuchten des Reduktionsmittels besonderes vorteilhaft sein. Alternativ und/oder zusätzlich kann ein Einspritzelement in und/oder an dem Brennstoffzellenstapel angeordnet sein.

Es kann von Vorteil sein, wenn bei einem erfindungsgemäßen

Brennstoffzellensystem das zumindest eine Einspritzelement ein Einspritzventil für das Einspritzen des Befeuchtungsfluids ist. Somit kann das Einspritzelement besonders einfach ausgestaltet sein und das Befeuchtungsfluid in die Reduktionsmittelversorgung besonders vorteilhaft eingespritzt, insbesondere gesprüht bzw. zerstäubt, werden. Bspw. kann das Einspritzventil in und/oder an einer fluidtechnischen Leitung der Reduktionsmittelversorgung zum Führen des Reduktionsmittels angeordnet sein, um das Befeuchtungsfluid in die fluidtechnische Leitung der Reduktionsmittelversorgung einzuspritzen für ein Befeuchten des Reduktionsmittels.

Vorteilhafterweise kann bei einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem das zumindest eine Einspritzelement der Einspritzvorrichtung dazu ausgebildet sein, das Befeuchtungsfluid zumindest teilweise entgegen einer Strömungsrichtung des Reduktionsmittels einzuspritzen. Somit kann das Befeuchtungsfluid in die Reduktionsmittelversorgung besonders vorteilhaft eingespritzt, insbesondere gesprüht bzw. zerstäubt, werden. Mit besonderem Vorteil kann bei einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem das zumindest eine Einspritzelement der Einspritzvorrichtung dazu ausgebildet sein, das Befeuchtungsfluid bezogen auf die Strömungsrichtung des Reduktionsmittels mit einem Winkel von 90 bis 270°, insbesondere in einem Winkel von 140 bis 220°, entgegen der Strömungsrichtung des Reduktionsmittels einzuspritzen. Somit kann das Befeuchtungsfluid in die Reduktionsmittelversorgung besonders vorteilhaft eingespritzt, insbesondere gesprüht bzw. zerstäubt, werden. Ferner können somit bspw. Wassertropfen als Befeuchtungsfluid besonders schnell verschwinden bzw. aufgelöst werden.

Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann bei einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem zumindest das Einspritzelement der Einspritzvorrichtung derart in und/oder an dem Brennstoffzellenstapel angeordnet sein, dass das Einspritzelement das Befeuchtungsfluid für das Befeuchten des Reduktionsmittels direkt in einen Reduktionsmittelzuführkanal des Brennstoffzellenstapels einspritzt. Somit kann das Brennstoffzellensystem besonders einfach ausgebildet sein und Umgebungseinflüsse können sich besonders gering auf das Reduktionsmittel zusammen mit dem eingespritzten Befeuchtungsfluid auswirken. Bspw. kann zumindest das Einspritzelement der Einspritzvorrichtung in einer Endplatte des Brennstoffzellenstapels zum Einspritzen des Befeuchtungsfluides in den Reduktionsmittelzuführkanal integriert sein. Der Reduktionsmittelzuführkanal erstreckt sich insbesondere zumindest teilweise in der Stapelrichtung des Brennstoffzellenstapel und verteilt das Reduktionsmittel an einzelne Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels.

Es kann von Vorteil sein, wenn bei einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem das Brennstoffzellensystem eine Wasserversorgung aufweist, wobei die Wasserversorgung zumindest mit der kontrollierbaren Einspritzvorrichtung fluidtechnisch verbunden ist, um die kontrollierbare Einspritzvorrichtung zumindest mit Wasser als Befeuchtungfluid für das Befeuchten des Reduktionsmittels zu versorgen. Somit kann das Brennstoffzellensystem besonders einfach ausgebildet sein. Bspw. kann aus einem aus dem Kathodenabschnitt des Brennstoffzellenstapels ausströmenden Kathodenfluids Wasser gewonnen werden, um die kontrollierbare Einspritzvorrichtung zumindest mit Wasser als Befeuchtungsfluid zu versorgen. Hierfür kann in einer Kathodenabführleitung des Brennstoffzellensystems zum Abführen des aus dem Kathodenabschnitt des Brennstoffzellenstapels ausströmenden Kathodenfluids ein Wasserabscheider für das Abscheiden von Wasser angeordnet sein. Zusätzlich zu dem Wasserabscheider kann fluidtechnisch in einer Strömungsrichtung des ausgeströmten Kathodenfluids vor dem Wasserabscheider eine Turbine für eine Expansionskühlung zum Abkühlen des ausgeströmten Kathodenfluids angeordnet sein. Somit kann eine Wassergewinnung aus dem ausgeströmten Kathodenfluid besonders groß sein. Insbesondere kann der Wasserabscheider einen Wassertank zum Speichern des abgeschiedenen Wassers aufweisen. Somit kann ein Befeuchten des Reduktionsmittels besonders sicher gewährleistet werden.

Es kann von Vorteil sein, wenn bei einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem die kontrollierbare Einspritzvorrichtung eine Pumpe aufweist, um dem zumindest einen Einspritzelement der Einspritzvorrichtung das Befeuchtungsfluid unter Druck bereitzustellen. Somit kann das Einspritzen, insbesondere ein Zerstäuben bzw. ein Sprühen, des Befeuchtungsfluids besonders vorteilhaft erfolgen. Bspw. ist die Pumpe dazu ausgebildet, das Befeuchtungsfluid mit einem Druck von 2 bis 30 bar, vorzugsweise mit einem Druck von 3 bis 25 bar, ganz vorzugsweise mit einem Druck von 4 bis 15 bar, bereitzustellen. Ferner ist auch denkbar, dass eine mit der kontrollierbaren Einspritzvorrichtung fluidtechnisch verbundene Wasserversorgung eine derartige Pumpe aufweist, um dem zumindest einen Einspritzelement der Einspritzvorrichtung das Befeuchtungsfluid unter Druck bereitzustellen.

Vorteilhafterweise kann bei einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem das Brennstoffzellensystem eine Kontrollvorrichtung zum Kontrollieren der Einspritzvorrichtung, insbesondere zum Kontrollieren zumindest des Einspritzelements der Einspritzvorrichtung, für ein kontrolliertes Befeuchten des Reduktionsmittels in der Reduktionsmittelversorgung aufweisen, wobei insbesondere das Brennstoffzellensystem einen Feuchtigkeitssensor für ein Erfassen einer Feuchtigkeit des Reduktionsmittels aufweist, wobei die Kontrollvorrichtung des Brennstoffzellensystems dazu ausgebildet ist, die Einspritzvorrichtung, insbesondere das zumindest eine Einspritzelement, in Abhängigkeit der erfassten Feuchtigkeit des Reduktionsmittels zu kontrollieren. Somit kann das Befeuchten des Reduktionsmittels besonders vorteilhaft erfolgen. Das Kontrollieren kann ein Steuern und/oder ein Regeln der Einspritzvorrichtung bzw. des zumindest einen Einspritzelements sein. Vorzugsweise kann die Kontrollvorrichtung zum Kontrollieren der Einspritzvorrichtung, insbesondere zum Kontrollieren des Einspritzelements der Einspritzvorrichtung, in einer Kontrollvorrichtung zum Kontrollieren des Brennstoffzellensystems integriert sein. Somit kann das Brennstoffzellensystem besonders kompakt ausgebildet sein. Ferner kann der Feuchtigkeitssensor für ein Erfassen einer Feuchtigkeit des Reduktionsmittels bspw. an einem Anodeneingang des Brennstoffzellenstapels angeordnet sein. Somit kann die Feuchtigkeit des Reduktionsmittels direkt an dem Anodeneingang des Brennstoffzellenstapels erfasst und kontrolliert, insbesondere gesteuert und/oder kontrolliert, werden. Damit kann eine Membran einer Membranelektrodeneinheit des Brennstoffzellenstapels anodenseitig besonders vorteilhaft feucht gehalten werden.

Mit besonderem Vorteil kann bei einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem in der Reduktionsmittelversorgung ein Wärmetauscher für ein Temperieren des Reduktionsmittels fluidtechnisch angeordnet sein. Somit kann das eingespritzte Befeuchtungsfluid, bspw. Wasser, besonders schnell bzw. komplett verdampfen. Somit kann ferner einer durch ein Zuführen von „frischem, kalten“ Reduktionsmittel, bspw. von „frischem, kalten“ Wasserstoff, reduzierten Aufnahme- bzw. Verdampfungsfähigkeit entgegengewirkt werden. Der Wärmetauscher kann dazu ausgebildet sein das Reduktionsmittel auf eine Temperatur zwischen 70 und 160 °C zu temperieren. Ferner kann der Wärmetauscher ein Reduktionsmittel/Flüssigkeit-Wärmetauscher oder ein Reduktionsmittel/Gas-Wärmetauscher sein. In der Reduktionsmittelversorgung kann ferner ein Temperatursensor für ein Erfassen einer Temperatur des Reduktionsmittels angeordnet sein, um das Reduktionsmittel mittels des Wärmetauschers auf eine vorgebbare bzw. vorgegebene Temperatur zu kontrollieren, insbesondere zu regeln und/oder steuern.

Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem eine Kühlmittelversorgung zum fluidtechnischen Versorgen eines Kühlmittelabschnitts des Brennstoffzellenstapels mit einem Kühlmittel für ein Temperieren des Brennstoffzellenstapels aufweisen, wobei die Kühlmittelversorgung des Brennstoffzellensystems mit dem in der Reduktionsmittelversorgung angeordneten Wärmetauscher fluidtechnisch verbunden ist, um zumindest Wärmeenergie zwischen Reduktionsmittel und dem Kühlmittel zu übertragen für das Temperieren des Reduktionsmittels. Somit kann das Brennstoffzellensystem besonders einfach ausgestaltet sein. Die Kühlmittelversorgung kann einen Kühlmittelkreislauf ausbilden, wobei in dem Kühlmittelkreislauf ein Kühlkörper, bspw. ein Fahrzeugkühler eines Fahrzeuges, für das Temperieren des Kühlmittels angeordnet ist. Vorzugsweise ist der Wärmetauscher fluidtechnisch parallel zu dem in dem Kühlmittelkreislauf angeordneten Kühlkörper angeordnet. Somit kann der Kühlkörper in dem Kühlmittelkreislauf besonders vorteilhaft entlastet werden und ggf. kleiner ausgestaltet werden. Der Wärmetauscher hier kann als Reduktionsmittel/Flüssigkeit-Wärmetauscher operieren, wobei das Kühlmittel als Flüssigkeit und das Reduktionsmittel (zumindest teilweise) als Gas vorliegt (Gas/Flüssigkeit-Wärmetauscher). Bspw. kann bei einem Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellenstapel das Reduktionsmittel auf eine Temperatur von ca. 95 °C temperiert werden. Alternativ und/oder zusätzlich kann das Brennstoffzellensystem einen in der Oxidationsmittelversorgung angeordneten Oxidationsmittel-Verdichter zum Verdichten des Oxidationsmittels zum fluidtechnischen Versorgen des Kathodenabschnitts des Brennstoffzellenstapels mit verdichtetem Oxidationsmittel aufweisen, wobei die Oxidationsmittelversorgung mit einem in der Reduktionsmittelversorgung angeordneten Wärmetauscher fluidtechnisch verbunden ist, um zumindest Wärmeenergie zwischen dem Reduktionsmittel und dem verdichteten Oxidationsmittel zu übertragen für das Temperieren des Reduktionsmittels. Der Wärmetauscher hier kann als Reduktionsmittel/Gas-Wärmetauscher operieren, wobei sowohl das verdichtete Oxidationsmittel (zumindest teilweise) als Gas und das Reduktionsmittel (zumindest teilweise) als Gas vorliegt (Gas/Gas- Wärmetauscher). Bspw. kann bei einem Polymerelektrolytmembran- Brennstoffzellenstapel das Reduktionsmittel auf eine Temperatur von ca. 120 bis 150 °C temperiert werden. Somit kann das eingespritzte Befeuchtungsfluid, bspw. Wasser, besonders schnell bzw. komplett verdampfen. Eine lokale Flutung der Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels mit einer Reduktionsmittel- Armut, bspw. Wasserstoff- Armut, kann somit vermieden werden.

Es kann von Vorteil sein, wenn bei einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem der in der Reduktionsmittelversorgung angeordnete Wärmetauscher für das Temperieren des Reduktionsmittels in Strömungsrichtung des Reduktionsmittels vor dem zumindest einen Einspritzventil der Einspritzvorrichtung in der Reduktionsmittelversorgung angeordnet ist. Somit kann die Aufnahmefähigkeit des Reduktionsmittels für das eingespritzte Befeuchtungsfluid, bspw. Wasser, besonders hoch sein und eine Tropfenbildung besonders vorteilhaft verhindert werden.

Vorteilhafterweise kann bei einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem der in der Reduktionsmittelversorgung angeordnete Wärmetauscher derart in und/oder an dem Brennstoffzellenstapel angeordnet sein, dass der Wärmetauscher das Reduktionsmittel innerhalb des Brennstoffzellenstapels temperiert. Somit kann das Brennstoffzellensystem besonders kompakt ausgebildet sein. Vorzugsweise ist der Wärmetauscher für das Temperieren des Reduktionsmittels derart in und/oder an dem Brennstoffzellenstapel angeordnet, dass das Reduktionsmittel direkt in einem Reduktionsmittelzuführkanal des Brennstoffzellenstapels zum Verteilen des Reduktionsmittels an einzelne Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapel temperiert wird, wobei insbesondere der Wärmetauscher fluidtechnisch vor dem Einspritzventil der Einspritzvorrichtung angeordnet ist. Somit kann bspw. auf ein separates Wärmetauschergehäuse verzichtet werden. Bspw. kann der in und/oder an dem Brennstoffzellenstapel angeordnete Wärmetauscher zum Temperieren des Reduktionsmittels zumindest teilweise durch eine Endplatte des Brennstoffzellenstapels gebildet bzw. zumindest teilweise in einer Endplatte des Brennstoffzellenstapels integriert sein. Somit kann der Brennstoffzellenstapel besonders kompakt ausgebildet sein.

Gemäß einem zweiten Aspekt zeigt die vorliegende Erfindung ein Fahrzeug, insbesondere Kraftfahrzeug, wobei das Fahrzeug ein erfindungsgemäß ausgebildetes Brennstoffzellensystem umfasst.

Das Fahrzeug ist insbesondere ein Kraftfahrzeug, vorzugsweise ein Personenkraftwagen oder ein Lastkraftwagen.

Es ist auch denkbar, dass ein erfindungsgemäß ausgebildetes Brennstoffzellensystem stationär eingesetzt wird.

Das Fahrzeug gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung weist damit dieselben Vorteile auf, wie sie bereits zu dem Brennstoffzellensystem gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung beschrieben worden sind.

Gemäß einem dritten Aspekt zeigt die vorliegende Erfindung ein Verfahren für ein Befeuchten eines Reduktionsmittels in einer Reduktionsmittelversorgung eines erfindungsgemäß ausgebildeten Brennstoffzellensystems, wobei das Verfahren als einen Schritt ein Einspritzen des Befeuchtungsfluids mittels dem zumindest einen Einspritzelement der kontrollierbaren Einspritzvorrichtung des Brennstoffzellensystems in die Reduktionsmittelversorgung für das Befeuchten des in den Anodenabschnitt des Brennstoffzellenstapels einströmenden Reduktionsmittels in der Reduktionsmittelversorgung umfasst.

Die zuvor und die im Nachfolgenden beschrieben Verfahrensschritte können, sofern technisch sinnvoll, einzeln, zusammen, einfach, mehrfach, zeitlich parallel und/oder nacheinander in beliebiger Reihenfolge ausgeführt werden. Mit besonderem Vorteil kann bei einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem zumindest eine Feuchtigkeit des Reduktionsmittels erfasst werden, wobei das Befeuchtungsfluid in Abhängigkeit der erfassten Feuchtigkeit des Reduktionsmittels mittels dem zumindest einem Einspritzelement der kontrollierbaren Einspritzvorrichtung in die Reduktionsmittelversorgung für das Befeuchten des in den Anodenabschnitt des Brennstoffzellenstapels einströmenden Reduktionsmittels eingespritzt wird.

Das Erfassen der Feuchtigkeit des Reduktionsmittels kann bspw. mittels eines Feuchtigkeitssensors erfolgen.

Das Verfahren gemäß dem dritten Aspekt der Erfindung weist damit dieselben Vorteile auf, wie sie bereits zu dem Brennstoffzellensystem gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung bzw. dem Fahrzeug gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung beschrieben worden sind.

Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung zu einigen Ausführungsbeispielen der Erfindung, welche in den Figuren schematisch dargestellt sind. Sämtliche aus den Ansprüchen, der Beschreibung oder den Zeichnungen hervorgehende Merkmale und/oder Vorteile, einschließlich konstruktiver Einzelheiten, räumliche Anordnungen und Verfahrensschritte, können sowohl für sich als auch in den verschiedenen Kombinationen erfindungswesentlich sein. Dabei ist zu beachten, dass die Figuren nur beschreibenden Charakter haben und nicht dazu gedacht sind, die Erfindung in irgendeiner Form einzuschränken.

Es zeigen schematisch:

Fig. 1 ein Brennstoffzellensystem,

Fig. 2 ein Brennstoffzellensystem,

Fig. 3 ein Brennstoffzellensystem, und

Fig. 4 ein Fahrzeug, und Fig. 5 ein Verfahren.

In den nachfolgenden Figuren werden für die gleichen technischen Merkmale auch von unterschiedlichen Ausführungsbeispielen identische Bezugszeichen verwendet.

Fig. 1 bis Fig. 3 offenbaren jeweils schematisch ein Brennstoffzellensystem 100, insbesondere für ein Fahrzeug 200, wie es bspw. in Fig. 4 dargestellt ist. Das in den Fig. 1 bis Fig. 3 dargestellte Brennstoffzellensystem 100 umfasst jeweils einen Brennstoffzellenstapel 30 zum Erzeugen elektrischer Energie, wobei der Brennstoffzellenstapel 30 zumindest einen Anodenabschnitt 31 und einen Kathodenabschnitt 33 aufweist.

Weiter umfasst das jeweilige Brennstoffzellensystem 100 gemäß Fig. 1 bis 3 eine Reduktionsmittelversorgung 10 zum fluidtechnischen Versorgen des Anodenabschnitts 31 des Brennstoffzellenstapels 30 mit einem Reduktionsmittel, bspw. Wasserstoff, welches insbesondere in einem Reduktionsmitteltank 11 gespeichert ist. Zusätzlich kann die Reduktionsmittelversorgung 10 eine fluidtechnische Reduktionsmittelrückführung 19 aufweisen, um aus dem Anodenabschnitt 31 ausströmendes Reduktionsmittel dem aus dem Reduktionsmitteltank 11 strömenden in den Anodenabschnitt 31 einströmenden Reduktionsmittel zuzuführen bzw. zuzumischen.

Außerdem umfasst das jeweilige Brennstoffzellensystem 100 gemäß Fig. 1 bis 3 eine Oxidationsmittelversorgung 20 zum fluidtechnischen Versorgen des Kathodenabschnitts 33 des Brennstoffzellenstapels 30 mit einem Oxidationsmittel, bspw. Luft, insbesondere Umgebungsluft. Ferner kann zusätzlich das Oxidationsmittel mittels eines Filters 21, bspw. Luftfilters, gefiltert werden. Weiter kann das Oxidationsmittel, bspw. Luft, mittels zumindest eines Oxidationsmittel-Verdichters 25 verdichtet werden, um den Kathodenabschnitt des Brennstoffzellenstapels mit verdichtetem Oxidationsmittel zu versorgen. Außerdem kann zusätzlich das verdichtete Oxidationsmittel mittels eines Wärmetauschers 22 temperiert werden. Weiter kann zusätzlich das temperierte, verdichtete Oxidationsmittel mittels eines Gas/Gas-Befeuchters 23 befeuchtet werden, um eine Membran einer Membranelektrodeneinheit des Brennstoffzellenstapels 30 (kathodenseitig) feucht zu halten. Weiter kann zusätzlich in einer Kathodenabführleitung des Brennstoffzellensystems 100 zum Abführen des aus dem Kathodenabschnitt 33 des Brennstoffzellenstapels 30 ausströmenden Kathodenfluids ein Wasserabscheider 24 für das Abscheiden von Wasser angeordnet sein, wobei das abgeschiedene Wasser in einem Wassertank 52, insbesondere in einem Wassertank 52 einer Wasserversorgung 50, gespeichert werden kann bzw. ist.

Zusätzlich weist das jeweilige Brennstoffzellensystem 100 gemäß Fig. 1 bis 3 eine Kühlmittelversorgung 90 zum fluidtechnischen Versorgen eines Kühlmittelabschnitts 32 des Brennstoffzellenstapels 30 mit einem Kühlmittel, bspw. Kühlwasser, für ein Temperieren des Brennstoffzellenstapels 30 auf. In der Kühlmittelversorgung 90 ist ein Kühlmittelausgang des Brennstoffzellenstapels 30 mittels einer (externen) fluidtechnischen Leitung mit dem Kühlmitteleingang des Brennstoffzellenstapels 30 fluidtechnisch verbunden, um einen Kühlmittelkreislauf auszubilden. Ferner kann in dem Kühlmittelkreislauf ein Kühlkörper 91, bspw. ein Fahrzeugkühler eines Fahrzeuges 200, für das Temperieren des Kühlmittels angeordnet sein.

Weiter umfasst das jeweilige Brennstoffzellensystem 100 gemäß Fig. 1 bis 3 eine kontrollierbare Einspritzvorrichtung 40 mit zumindest einem Einspritzelement 41 zum Einspritzen eines Befeuchtungsfluides in die Reduktionsmittelversorgung 10 für ein Befeuchten des in den Anodenabschnitt 31 des Brennstoffzellenstapels 30 einströmenden Reduktionsmittels in der Reduktionsmittelversorgung 10, wobei die Einspritzvorrichtung 40 fluidtechnisch mit der Reduktionsmittelversorgung 10 verbunden ist. In den Fig. 1 bis Fig. 3 ist das Einspritzelement 41 beispielhaft fluidtechnisch zwischen dem Reduktionsmitteltank 11 und einem Anodeneingang des Brennstoffzellenstapels 30 angeordnet. Insbesondere kann das zumindest eine Einspritzelement 41 ein Einspritzventil für das Einspritzen des Befeuchtungsfluids, bspw. Wasser, sein. In dem jeweiligen Brennstoffzellensystem 100 ist zusätzlich denkbar, dass das zumindest eine Einspritzelement 41 der Einspritzvorrichtung 40 dazu ausgebildet ist, das Befeuchtungsfluid zumindest teilweise entgegen einer Strömungsrichtung SR des Reduktionsmittels einzuspritzen. Bspw. kann das zumindest eine Einspritzelement 41 der Einspritzvorrichtung 40 dazu ausgebildet sein, das Befeuchtungsfluid bezogen auf die Strömungsrichtung SR des Reduktionsmittels mit einem Winkel von 90 bis 270°, insbesondere in einem Winkel von 140 bis 220°, entgegen der Strömungsrichtung SR des Reduktionsmittels einzuspritzen. Weiter ist zusätzlich denkbar, dass die kontrollierbare Einspritzvorrichtung 40 eine Pumpe 51 aufweist, um dem zumindest einen Einspritzelement 41 der Einspritzvorrichtung 40 das Befeuchtungsfluid unter Druck bereitzustellen. Insbesondere kann ferner der jeweilige Brennstoffzellenstapel 30 gemäß Fig. 1 bis 3 bzw. der Anodenabschnitt 31 und der Kühlmittelabschnitt 32 derart ausgebildet sein, dass das in dem Anodenabschnitt 31 strömende Reduktionsmittel und das in dem Kühlabschnitt 32 strömende Kühlmittel gegenströmlich (Gegenstromprinzip) geführt sind. Somit ist ein Anodeneingang bzw. ein Anodeneintrittsbereich des Anodenabschnitts 31 der höchsten Temperatur des Brennstoffzellenstapels 30, bspw. 95 °C eines Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellenstapels, ausgesetzt. Mittels der kontrollierbaren Einspritzvorrichtung 40 kann ein Austrocknen einer Membranelektrodeneinheit bzw. einer Membran des Brennstoffzellenstapels 30 besonders vorteilhaft entgegengewirkt werden, insbesondere anodenseitig.

Weiter umfasst das jeweilige Brennstoffzellensystem 100 gemäß Fig. 1 bis 3 zusätzlich eine Wasserversorgung 50, wobei die Wasserversorgung 50 zumindest mit der kontrollierbaren Einspritzvorrichtung 40 fluidtechnisch verbunden ist, um die kontrollierbare Einspritzvorrichtung 40 zumindest mit Wasser als Befeuchtungsfluid für das Befeuchten des Reduktionsmittels zu versorgen. Vorzugsweise wird das durch den in der Kathodenabführleitung des Brennstoffzellensystems 100 angeordneten Wasserabscheider 24 gewonnene Wasser verwendet, um die kontrollierbare Einspritzvorrichtung 50 mit Wasser zu versorgen. Insbesondere kann ferner der Wassertank 52 zum Speichern von Wasser, insbesondere zum Speichern von dem durch den Wasserabscheider 24 gewonnen Wasser, fluidtechnisch mit der Einspritzvorrichtung 40, insbesondere zumindest mit dem Einspritzventil 41, verbunden sein. Mittels einer zwischen dem Wasserabscheider 24 und dem Einspritzventil 41 fluidtechnisch angeordneten Pumpe 51 kann dem zumindest einen Einspritzelement 41 der Einspritzvorrichtung 40 das Befeuchtungsfluid unter Druck bereitgestellt werden. Weiter umfasst das jeweilige Brennstoffzellensystem 100 gemäß Fig. 1 bis 3 zusätzlich eine Kontrollvorrichtung 60 zum Kontrollieren der Einspritzvorrichtung 40 für ein kontrolliertes Befeuchten des Reduktionsmittels in der Reduktionsmittelversorgung 10. Zusätzlich kann das Brennstoffzellensystem 100 einen Feuchtigkeitssensor 70 für ein Erfassen einer Feuchtigkeit des Reduktionsmittels aufweisen (siehe bspw. Fig. 2), wobei die Kontrollvorrichtung 60 des Brennstoffzellensystems 100 dazu ausgebildet ist, die Einspritzvorrichtung 40, insbesondere das zumindest eine Einspritzelement 41, in Abhängigkeit der erfassten Feuchtigkeit des Reduktionsmittels zu kontrollieren.

Weiter umfasst das jeweilige Brennstoffzellensystem 100 gemäß Fig. 2 und 3 zusätzlich einen in der Reduktionsmittelversorgung 10 fluidtechnisch angeordneten Wärmetauscher 80 für ein Temperieren des Reduktionsmittels. Insbesondere ist hierbei der jeweilige in der Reduktionsmittelversorgung 10 angeordnete Wärmetauscher 80 für das Temperieren des Reduktionsmittels in Strömungsrichtung SR des Reduktionsmittels vor dem zumindest einen Einspritzventil 41 der Einspritzvorrichtung 40 in der Reduktionsmittelversorgung 10 angeordnet.

In dem jeweiligen Brennstoffzellensystem 100 gemäß Fig. 2 bzw. Fig. 3 ist ferner zusätzlich die Kühlmittelversorgung 90 des Brennstoffzellensystems 100 mit dem in der Reduktionsmittelversorgung 10 angeordneten Wärmetauscher 80 fluidtechnisch verbunden, um zumindest Wärmeenergie zwischen Reduktionsmittel und dem Kühlmittel zu übertragen für das Temperieren des Reduktionsmittels. Der in der Reduktionsmittelversorgung 10 angeordnete Wärmetauscher 80 ist hierbei insbesondere fluidtechnisch parallel zu dem Kühlkörper 91 geschaltet.

In dem Brennstoffzellensystem 100 gemäß Fig. 3 ist ferner zusätzlich das Einspritzelement 41 der Einspritzvorrichtung 40 derart in und/oder an dem Brennstoffzellenstapel 30 angeordnet, dass das Einspritzelement 41 das Befeuchtungsfluid für das Befeuchten des Reduktionsmittels direkt in einen Reduktionsmittelzuführkanal des Brennstoffzellenstapels 30 einspritzt. Auch ist zusätzlich denkbar, dass der in der Reduktionsmittelversorgung 10 angeordnete Wärmetauscher 80 derart in und/oder an dem Brennstoffzellenstapel 30 angeordnet ist, dass der Wärmetauscher 80 das Reduktionsmittel innerhalb des Brennstoffzellenstapels 30 temperiert. Bspw. können das Einspritzelement 41 und/oder der Wärmetauscher 80 zumindest teilweise in einer Endplatte des Brennstoffzellenstapels 30 integriert sein.

Fig. 4 offenbart schematisch ein Fahrzeug 200, insbesondere Kraftfahrzeug, wobei das Fahrzeug 200 ein erfindungsgemäß ausgebildetes Brennstoffzellensystem 100, wie es bspw. jeweils in den Fig. 1 bis 3 dargestellt ist, umfasst.

Fig. 5 offenbart ein Verfahren für ein Befeuchten eines Reduktionsmittels in einer Reduktionsmittelversorgung 10 eines erfindungsgemäß ausgebildeten Brennstoffzellensystems 100, wie es bspw. jeweils in den Fig. 1 bis 3 dargestellt ist. Das Verfahren umfasst als einen Schritt ein Einspritzen 320 des Befeuchtungsfluids mittels dem zumindest einen Einspritzelement 41 der kontrollierbaren Einspritzvorrichtung 40 des Brennstoffzellensystems 100 in die Reduktionsmittelversorgung 10 für das Befeuchten des in den Anodenabschnitt 31 des Brennstoffzellenstapels 30 einströmenden Reduktionsmittels in der Reduktionsmittelversorgung 10. Zusätzlich kann das Verfahren als einen Schritt ein Erfassen 310 zumindest einer Feuchtigkeit des Reduktionsmittels aufweisen, wobei das Befeuchtungsfluid in Abhängigkeit der erfassten Feuchtigkeit des Reduktionsmittels mittels dem zumindest einem Einspritzelement 41 der kontrollierbaren Einspritzvorrichtung 40 in die Reduktionsmittelversorgung 10 für das Befeuchten des in den Anodenabschnitt 31 des Brennstoffzellenstapels 30 einströmenden Reduktionsmittels eingespritzt wird 321.