Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, welches einen Stack mit zumindest einer Brennstoffzelle, eine Abgasanlage zum Abführen des im Stack im Betrieb entstehenden Abgases sowie einen Abgaskondensator zum Kondensieren des im Abgas enthaltenen Wassers umfasst.

Der Einsatz von Brennstoffzellen zum Bereitstellen elektrischer Energie und/oder Wärme ist hinlänglich bekannt und nimmt an Bedeutung zu. Derartige Brennstoffzellen sind gewöhnlich Bestandteil eines Brennstoffzellensystems, welches beispielsweise in einem Kraftfahrzeug zum Einsatz kommen kann. Das Brennstoffzellensystem umfasst gewöhnlich einen Stack mit zumindest einer, in der Regel mehreren, Brennstoffzellen. Im Betrieb des Stacks entsteht ein wasserhaltiges Produkt, welches nachfolgend auch als Abgas bezeichnet wird.

Das Brennstoffzellensystem weist zum Abführen des wasserhaltigen Abgases eine Abgasanlage auf, welche den Strömungspfad des Abgases, nachfolgend auch als Abgaspfad bezeichnet, begrenzt. Die Abgasanlage ist in der Regel, zumindest abschnittsweise, durch ein Abgasrohr ausgebildet, durch das im Betrieb das Abgas strömt.

Das im Abgas enthaltene Wasser wird häufig aus dem Abgas entfernt, um beispielsweise das somit gewonnene Wasser anderen Anwendungen bereitzustellen und/oder durch das Wasser bedingte Beschädigungen nachfolgender Anwendungen zu begrenzen. Zu diesem Zweck ist in der Regel im Abgaspfad ein Abgaskondensator vorgesehen, welcher das Abgas kühlt, sodass das darin enthaltene Wasser kondensiert. Abgaskondensatoren sind Wärmeübertrager und im Stand der Technik als ein Multirohrsystem ausgebildet. Das heißt, dass ein Abgaskondensator gewöhnlich mehrere Rohre umfasst, durch welche das Abgas oder ein das Abgas kühlendes Medium, beispielsweise Luft, strömen. Bei durch Multirohrsysteme gebildeten Abgaskondensatoren ist es prinzipiell möglich, durch eine Änderung der Strömung des Kühlmediums eine Änderung der Menge des kondensierten Wassers zu erreichen. Derartige Multirohrsysteme sind jedoch aufwändig in der Herstellung und beanspruchen einen hohen Bauraum. Dies führt auch dazu, dass derartige Abgaskondensatoren aufgrund der begrenzten Platzierungsmöglichkeiten Brennstoffzellensystem nur eingeschränkt einsetzbar sind.

Aus der DE 102017002741 A1 ist ein Brennstoffzellensystem für ein Kraftfahrzeug bekannt. Das Brennstoffzellensystem weist einen Abgaskondensator auf. Der Abgaskondensator weist ein Gitter oder Geflecht auf, durch welches das Abgas durchströmt. Hierbei ist das Gitter gekühlt, sodass am Gitter Wasser kondensiert und gravitationsbedingt nach unten tröpfelt. Das kondensierte Wasser wird dann gesammelt und einem Kühler zum Kühlen der Brennstoffzellen zugeführt. Somit kann der bauraumbedingte Nachteil des Standes der Technik gelöst werden. Allerdings weist der Abgaskondensator hinsichtlich der Effizienz Nachteile auf. Zudem ist es auf diese Weise nicht möglich, die Menge an kondensiertem Wasser zu variieren.

Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich daher mit der Aufgabe, für ein Brennstoffzellensystem der eingangs genannten Art eine verbesserte oder zumindest andere Ausführungsform anzugeben, welche sich insbesondere durch einen reduzierten Bauraumbedarf bei zugleich effizienter und/oder variabler Abscheidung von Wasser aus dem Abgas auszeichnet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, ein Brennstoffzellensystem mit einer Abgasanlage zum Abführen von im Betrieb in Brennstoffzellen entstehendem Abgas und mit einem Kältekreis, in welchem im Betrieb ein Kältemittel zirkuliert, das Kältemittel zwischen einem Verdampfer, welcher das Kältemittel im Betrieb verdampft, und einem Verdichter, welcher das Kältemittel im Betrieb verdichtet, zu einem Abgasrohrkörper der Abgasanlage zu führen, um das durch den Abgasrohrkörper strömende Abgas zum Kondensieren des im Abgas enthaltenen Wassers zu kühlen. Somit bildet also der Abgasrohrkörper gemeinsam mit der zum Abgasrohrkörper geführten Strömung des im Verdampfer verdampften Kältemittels einen Abgaskondensator, ohne dass hierfür ein Multirohrsystem, wie dies bei Abgaskondensatoren aus dem Stand der Technik üblich ist, eingesetzt wird. Somit ist der Abgaskondensator bauraumsparend umgesetzt und führt zu reduzierten thermischen Verlusten. Daraus folgt auch eine Effizienzsteigerung des Abgaskondensators. Ferner weist das zwischen dem Verdampfer und dem Verdichter und somit stromab des Verdampfers und vorzugsweise stromauf des Verdichters zum Abgasrohrkörper geführte, verdampfte Kältemittel bedingt durch die Phase des Kältemittels derartige Temperaturen auf, welche deutlich unterhalb des Taupunkts des wasserhaltigen Abgases liegt. Daraus folgt eine weitere Steigerung der Effizienz des Abgaskondensators.

Dem Erfindungsgedanken entsprechend weist das Brennstoffzellensystem einen Stack, die Abgasanlage sowie den Kältekreis auf. Der Stack umfasst zumindest eine Brennstoffzelle, vorteilhaft mehrere Brennstoffzellen, wobei an der zumindest einen Brennstoffzelle im Betrieb das wasserhaltige Abgas entsteht. Die Abgasanlage dient dem Abführen des im Stack entstehenden Abgases. Folglich begrenzt die Abgasanlage einen Strömungspfad des Abgases, nachfolgend auch als Abgaspfad bezeichnet. Die Abgasanlage umfasst den Abgasrohrköper, durch welchen im Betrieb das Abgas strömt und der den Abgaspfad begrenzt. Durch den Kältekreis zirkuliert im Betrieb, fluidisch vom Abgaspfad getrennt, das Kältemittel. Dabei wird ein Strömungspfad des Kältemittels, nachfolgend auch als Kältemittelpfad bezeichnet, vom Kältekreis begrenzt. Der Kältekreis weist den Verdampfer auf, der im Betrieb das Kältemittel verdampft. Zudem weist der Kältekreis den Verdichter auf, welcher im Betrieb das Kältemittel verdichtet.

Hierbei ist der Verdichter entlang des Kältemittel pfads stromab des Verdampfers und der Verdampfer stromauf des Verdichters angeordnet. Erfindungsgemäß führt der Kältemittelpfad zwischen dem Verdampfer und dem Verdichter zum Abgasrohrkörper, um mit dem Abgasrohrkörper den Abgaskondensator zu bilden. Das Brennstoffzellensystem weist ferner einen Wasserabscheider zum Abscheiden des mittels des Abgaskondensators kondensierten Wassers aus der Abgasanlage auf.

Unter "bilden" ist vorliegend zu verstehen, dass der Abgasrohrkörper und der Kältemittelpfad die wesentliche Funktion des Abgaskondensators, nämlich die Kühlung des Abgases im Abgasrohrkörper zur Folge haben. Prinzipiell kann der Abgaskondensator also aus dem Abgasrohrkörper und dem Kühlmittelpfad bestehen. Der Abgaskondensator kann aber, wie nachfolgend beschrieben, auch weitere Bestandteile aufweisen, welche insbesondere die Wärmeübertragung zwischen dem durch den Abgasrohrkörper strömenden Abgas und dem Kältemittelpfad erhöhen.

Das „Führen“ des Kältemittelpfads zum Abgasrohrkörper ist vorliegend dahingehend zu verstehen, dass es zu einer wärmeübertragenden Verbindung des zwischen dem Verdampfer und dem Verdichter strömenden Kältemittels mit dem durch den Abgasrohrkörper strömenden Abgases kommt. Das heißt insbesondere, dass der Kältekreis zwischen dem Verdampfer und dem Verdichter zum Abgasrohrkörper geführt ist und/oder dass der Abgasrohrkörper zu einem zwischen dem Verdampfer und dem Verdichter verlaufenden Abschnitt des Kältekreises geführt ist. Der Kältekreis kommt zweckmäßig nicht nur zum Kühlen des Stacks zum Einsatz. Das heißt, dass der Kältekreis zweckmäßig auch zum Temperieren, insbesondere zum Kühlen, weiterer Bestandteile des Brennstoffzellensystems und/oder einer Anwendung, in welcher das Brennstoffzellensystem zum Einsatz kommt, eingesetzt wird. Daraus resultieren eine erhöhte Effizient und/oder ein reduzierter Bauraumbedarf.

Das Brennstoffzellensystem kommt insbesondere in einem Kraftfahrzeug zum Einsatz und dient beispielsweise dem Antrieb des Kraftfahrzeugs.

Zweckmäßig kommt dabei der Kältekreis auch zum Temperieren, insbesondere zum Kühlen, andere Bestandteile des Kraftfahrzeugs, beispielsweise zum Temperieren eines Innenraums des Kraftfahrzeugs, zum Einsatz. Somit wird also auf einen bereits vorhandenen Kältekreis zurückgegriffen oder der Kältekreis auch anderen Applikationen bereitgestellt.

Es ist denkbar, die Strömung des Kältemittels zum Abgasrohrkörper zu variieren, um eine variable Kondensation des im Abgas enthaltenen Wassers umzusetzen. Zu diesem Zweck kommt insbesondere zumindest ein Ventil zum Einsatz.

Bevorzugt ist der zwischen dem Verdichter und dem Verdampfer verlaufende Abschnitt des Kältekreises als ein Rohrkörper umgesetzt. Das heißt, dass der Kältekreis einen zwischen dem Verdampfer und dem Verdichter verlaufenden Rohrkörper, nachfolgend auch als Kältemittelrohrkörper bezeichnet, aufweist, der den Kältemittelpfad begrenzt. Bevorzugt ist es hierbei, wenn der Kältemittelrohrkörper mit dem Abgasrohrkörper den Abgaskondensator bildet. Das heißt, dass es vom Kältemittelrohrkörper vorteilhaft keine Abzweigungen und dergleichen zum Ausbilden des Abgaskondensators gibt. Das heißt insbesondere auch, dass der Abgaskondensator keine weiteren Rohrkörper aufweist, durch welche das Abgas bzw. das Kältemittel zusätzlich strömen. Dies führt zu einer vereinfachten Ausbildung des Brennstoffzellensystems sowie einer erhöhten Effizienz des Abgaskondensators.

Der Kältekreis ist zweckmäßig derart umgesetzt, dass es im Betrieb zu Phasenwechsel des Kältemittels kommt. Das heißt, dass es in dem Verdampfer zu einem Verdampfen des Kältemittels und in einem weiteren Bestandteil des Kältekreises, beispielsweise im Verdichter und/oder einem Kältemittelkondensator des Kältekreises, zum Kondensieren des Kältemittels kommt. Somit werden zwischen dem Verdampfer und dem Verdichter thermodynamische Zustände des Kältemittels, insbesondere Temperaturen und Drücke, erreicht, die zu einem effektiven Anfallen von Kondensat im Abgaskondensator führen.

Das mittels des Wasserabscheiders gesammelte Wasser kann prinzipiell aus dem Brennstoffzellensystem abgeschieden werden. Denkbar ist es auch, das somit gesammelte Wasser anderen Anwendungen bereitzustellen.

Es ist vorstellbar, das gesammelte Wasser einer Befeuchtungseinrichtung zuzuführen, welche im Betrieb mittels des Wassers das der zumindest einen Brennstoffzelle zugeführte Kathodengas, beispielsweise Luft, befeuchtet.

Alternativ oder zusätzlich ist es vorstellbar, das gesammelte Wasser einer Verdunstungskühlungseinrichtung zuzuführen, welche einen Kühler zum Kühlen des Stacks mit dem Wasser beaufschlagt. Insbesondere wird der Kühler berieselt und/oder vernebelt. Die daraus resultierende Verdunstung führt zu einer Erhöhung der Kühlleistung des Kühlers.

Der Wasserabscheider ist vorteilhaft im Abgaspfad stromab des Abgaskondensators angeordnet und derart ausgestaltet, dass er aus der Strömung des Abgases kondensiertes Wasser abscheidet. Die im Abgaspfad stromabseitige Anordnung des Wasserabscheiders führt zu einem effektiven Sammeln des kondensierten Wassers aus dem Abgas und/oder zu einem reduzierten Einfluss des Wasserabscheiders auf den Abgaskondensator und folglich einer effizienteren Kondensation des im Abgas enthaltenen Wassers im Abgaskondensator.

Der Wasserabscheider kann prinzipiell beliebig ausgestaltet sein.

Vorstellbar ist es, den Wasserabscheider mit zumindest einer im Abgaspfad ragenden Barriere zu versehen, an der das kondensierte Wasser hängen bleibt und abgeführt wird. Alternativ oder zusätzlich kann der Wasserabscheider einen Wasserfilter und/oder einen Zyklon, auch als Fliehkraftabscheider bekannt, aufweisen.

Vorstellbar ist es, dass der Kältemittelrohrkörper auf der vom Abgaspfad abgewandten Seite des Abgasrohrkörpers wärmeübertragend mit dem Abgasrohrkörper verbunden ist. Insbesondere ist es vorstellbar, dass der Kältemittelrohrkörper auf der vom Abgaspfad abgewandten Seite des Abgasrohrkörpers, nachfolgend auch Außenseite des Abgasrohrkörpers genannt, am Abgasrohrkörper anliegt. Ebenso ist es vorstellbar, zwischen der Außenseite des Abgasrohrkörpers und dem Kältemittelrohrkörper eine Wärmeleitpaste vorzusehen, um die Wärmeübertragung zwischen dem Abgasrohrkörper und dem Kältemittelrohrkörperzu erhöhen.

Denkbar ist es auch, den Abgasrohrkörper im Bereich des Abgaskondensators mit einer stärkeren Wanddicke auszuführen, um die Wärmeübertragung zwischen dem Kältemittel und dem Abgas zu vergrößern.

Bevorzugt sind der Abgasrohrkörper und/oder der Kältemittelrohrkörper, zumindest in den miteinander wärmeaustauschenden Abschnitten, aus einem Metall oder einer Metalllegierung, beispielsweise aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung, hergestellt. Dies führt zu einer effektiven Wärmeübertragung zwischen dem Kältemittel und dem Abgas und somit einer verbesserten Kondensation des im Abgas enthaltenen Wassers.

Bei vorteilhaften Ausführungsformen ist der Kältemittelpfad, vom Abgaspfad fluidisch getrennt, durch den Abgasrohrkörper geführt. Zweckmäßig ist dies mittels des Kältemittelrohrkörpers umgesetzt. Das heißt, dass der Kältemittelrohrkörper innerhalb des Abgasrohrkörpers geführt ist. Somit kommt es zu einer direkteren Wärmeübertragung zwischen dem Kältemittelrohrkörper und dem durch den Abgasrohrkörper strömenden Abgas und folglich zu einem effektiveren und/oder verstärkten Kondensieren des im Abgas enthaltenen Wassers. Vorstellbar ist es dabei, den Kältemittelrohrkörper hin zu einer dem Abgaspfad zugewandten Seite des Abgasrohrkörpers, nachfolgend auch als Innenseite des Abgasrohrkörpers bezeichnet, versetzt, insbesondere an der Innenseite anliegend, anzuordnen. Ebenso ist es vorstellbar, den Kältemittelrohrkörper zumindest bereichsweise mittig durch den Abgasrohrkörper zu führen. Das heißt, dass der Kältemittelrohrkörper und der Abgasrohrkörper zumindest in einem Abschnitt konzentrisch verlaufen können.

Zweckmäßig sind der Abgasrohrkörper und der Kältemittelrohrkörper zum Fixieren einer relativen Position zwischen dem Kältemittelrohrkörper und dem Abgasrohrkörper aneinander angebracht. Dies erfolgt bevorzugt mechanisch, um die Herstellung und die Montage des Brennstoffzellensystems zu vereinfachen. Vorstellbar ist es insbesondere, den Kältemittelrohrkörper und den Abgasrohrkörper mittels zumindest einer Rastverbindung und/oder Clipsverbindung und dergleichen aneinander zu befestigen.

Eine vereinfachte und effektive Verbindung und/oder Integration des Kühlmittelrohrkörpers mit/in dem Abgasrohrkörper lässt sich dadurch erreichen, dass der Abgasrohrkörper in einer den Abgaspfad umgebenden Umfangsrichtung unterbrochen ist und somit eine Unterbrechung aufweist, wobei der Kältemittelrohrkörper in der Unterbrechung aufgenommen ist. Dabei kann der Kältemittelrohrkörper in der Unterbrechung parallel zum Abgasrohrkörper verlaufen. Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, den Kältemittelrohrkörper durch eine solche Unterbrechung in den Abgasrohrkörper zu führen und/oder aus dem Abgasrohrkörper zu führen.

Alternativ oder zusätzlich ist es vorstellbar, den Abgasrohrkörper mit einer nutartigen, entlang des Abgaspfads verlaufenden Vertiefung zu versehen, wobei der Kühlmittelrohrkörper durch die Vertiefung geführt und/oder in der Vertiefung aufgenommen ist.

Bevorzugt sind Ausführungsformen, bei denen am Kältemittelrohrkörper zumindest ein Körper zur Vergrößerung der mit dem Abgas wärmeübertragenden Fläche, nachfolgend auch als Wärmeübertragungskörper bezeichnet, vorgesehen ist. Das heißt, dass am Kältemittelrohrkörper auf der vom Kältemittelpfad abgewandten Seite zumindest ein die wärmeübertragende Fläche vergrößernder Wärmeübertragungskörper vorgesehen ist, der mit dem Abgaspfad in Kontakt steht. Insbesondere begrenzt der Wärmeübertragungskörper den Abgaspfad. Somit kommt es zu einer effektiveren Kondensation des im Abgas enthaltenen Wassers.

Der jeweilige, zumindest eine Wärmeübertragungskörper kann prinzipiell beliebig ausgestaltet sein.

Vorteilhaft weist der zumindest eine Wärmeübertragungskörper eine solche Geometrie auf, welche zu einer Erhöhung der mit dem Abgas wärmeübertragenden Oberfläche des Kältemittelrohrkörpers führt. Vorteilhaft ist es, wenn zumindest einer der wenigstens einen Wärmeübertragungskörper vom Kältemittelrohr in den Abgaspfad absteht. Ein solcher Wärmeübertragungskörper kann beispielsweise als eine Rippe, eine Scheibe, eine spiralenförmige Schnecke oder Spirale und dergleichen ausgebildet sein.

Alternativ oder zusätzlich ist es bevorzugt, wenn sich zumindest einer der wenigstens einen Wärmeübertragungskörper entlang des Abgaspfads länglich erstreckt. Daraus resultiert, dass aus dem Abgas kondensiertes Wasser mittels der Strömung des Abgases entlang des Abgases strömt. Mit anderen Worten, die Abgasströmung nimmt das kondensierte Wasser mit. Somit verbleibt das kondensierte Wasser nicht oder zumindest mit einer reduzierten Dauer am Wärmeübertragungskörper. In der Folge kommt es zu einer effektiveren Kondensation des im Abgas enthaltenen Wassers. Darüber hinaus kann das kondensierte Wasser auf diese Weise effektiv und einfach dem Wasserabscheider zugeführt werden. Ferner wird auf diese Weise bei einer effizienten Kondensation im Abgaskondensator die durch den Abgaskondensator bedingte Reduzierung der kinetischen Energie des Abgases begrenzt. Folglich Somit lassen sich im Abgaspfad stromab des Abgaskondensators angeordnete Anwendungen, beispielsweise ein Rotor, insbesondere einer Turbine, effektiver betreiben.

Zugleich werden durch die Reduzierung des Wassergehalts im Abgas hierdurch bedingte Beeinträchtigungen und/oder Beschädigungen der Anwendungen verhindert oder zumindest begrenzt.

Alternativ oder zusätzlich kann zumindest einer der wenigsten einen Wärmeübertragungskörper zumindest einen entlang des Abgaspfads offenen Durchlass aufweisen. Dies führt dazu, dass das aus dem Abgas kondensierte Wasser mittels der Strömung des Abgases durch den Durchlass strömt. Mit anderen Worten, die Strömung des Abgases fördert das kondensierte Wasser durch den Durchlass, wobei der Durchlass einen definierten und gerichteten Transport des kondensierten Wassers zur Folge hat. Auch somit lässt sich die Effizienz des Abgaskondensators erhöhen und/oder das kondensierte Wasser zielgerichtet zum Wasserabscheider führen.

Ein solcher Durchlass kann beispielsweise in eine als quer zum Abgaspfad in den Abgaspfad ragende Scheibe ausgebildet sein.

Bei vorteilhaften Ausführungsformen erstreckt sich zumindest einer der wenigstens einen Wärmeübertragungskörper in der den Abgaspfad umgebenden Umfangsrichtung und liegt an der Innenseite des Abgasrohrkörpers an. Somit kommt es zu einer erhöhten Wärmeübertragung zwischen dem Kältemittel und dem Abgas, wobei zugleich die vom Wärmeübertragungskörper verursachte Reduzierung des für das Abgas durchström baren Querschnitts des Abgasrohrkörpers reduziert ist. Das heißt, dass auf diese Weise bei einer effizienten Kondensation im Abgaskondensator die durch den Abgaskondensator bedingte Reduzierung der kinetischen Energie des Abgases reduziert ist. Somit lassen sich im Abgaspfad stromab des Abgaskondensators angeordnete Anwendungen, beispielsweise ein Rotor, insbesondere einer Turbine, effektiver betreiben. Hierbei kann der Wärmeübertragungskörper in der Art eines Rohrkörpers ausgebildet sein, der sich in Umfangsrichtung erstreckt.

Insbesondere kann der Wärmeübertragungskörper als ein Rohrkörper ausgebildet sein, der an der Innenseite des Abgasrohrkörpers anliegt.

Bei bevorzugten Ausführungsformen sind ein an der Innenseite des Abgasrohrkörpers anliegender, sich zudem vorzugsweise in Umfangsrichtung erstreckender Wärmeübertragungskörper und zumindest ein weiterer, in den Abgaspfad abstehender Wärmeübertragungskörper kombiniert. Insbesondere ist es bevorzugt, wenn ein erster Wärmeübertragungskörper an der Innenseite des Abgasrohrkörpers anliegt, wobei zumindest ein zweiter Wärmeübertragungskörper vom ersten Wärmeübertragungskörper in den Abgaspfad absteht. Insbesondere können mehrere zweite Wärmeübertragungskörper vorgesehen sein, welche zueinander in Umfangsrichtung beabstandet sind und jeweils in den Abgaspfad abstehen. Dies führt zu einer besonders effektiven Funktion des Abgaskondensators wobei zugleich das kondensierte Wasser zielgerichtet und effektiv dem Wasserabscheider zugeführt werden kann, und wobei zugleich die kinetische Energie des Abgases möglichst geringfügig reduziert wird.

Es versteht sich, dass das Brennstoffzellensystem auch zwei oder mehr Kältekreise aufweisen kann, durch welche das Kältemittel zirkuliert.

Es versteht sich ferner, dass zwei oder mehr Verdampfer zum Verdampfen des Kältemittels vorhanden sein können.

Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.

Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Komponenten beziehen.

Es zeigen, jeweils schematisch Fig. 1 eine stark vereinfachte, schaltplanartige Darstellung eines Brennstoffzellensystems mit einem Abgaskondensator,

Fig. 2 bis 6 jeweils einen Längsschnitt durch den Abgaskondensator bei einem jeweils anderen Ausführungsbeispiel,

Fig. 7 bis 14 jeweils einen Querschnitt durch den Abgaskondensator bei einem jeweils weiteren Ausführungsbeispiel,

Fig. 15 und 16 jeweils einen Längsschnitt durch den Abgaskondensator bei einem jeweils anderen Ausführungsbeispiel.

Ein Brennstoffzellensystem 1 , wie es beispielsweise in den Figuren 1 bis 16 gezeigt ist, weist einen Stack 2 mit zumindest einer Brennstoffzelle 3, vorzugsweise mehreren Brennstoffzellen 3, auf. Das Brennstoffzellensystem 1 kommt beispielsweise in einem Kraftfahrzeug 4 zum Einsatz, wobei der Stack 2 dem Antrieb des Kraftfahrzeugs 4 dienen kann. Im Betrieb benötigt der Stack 2 einen Brennstoff sowie ein Kathodengas, beispielsweise Luft. Der Brennstoff wird dem Stack 2 über eine nicht gezeigte Brennstoffzuführanlage zugeführt. Das Kathodengas wird dem Stack 2 mit Hilfe einer Kathodengaszuführanlage 5 zugeführt. Im Betrieb des Stacks 2 entsteht ein wasserhaltiges Produkt, insbesondere Dampf, wobei das Produkt nachfolgend als Abgas bezeichnet wird. Dieses Abgas wird mit Hilfe einer Abgasanlage 6 des Brennstoffzellensystems 1 abgeführt.

Die Abgasanlage 6 begrenzt zum Abführen des Abgases einen Strömungspfad 7 des Abgases, der nachfolgend auch als Abgaspfad 7 bezeichnet wird und in den Figuren durch entsprechende Pfeile angedeutet ist. Die Abgasanlage 6 weist zumindest in einem Abschnitt einen im Betrieb vom Abgas durchströmten und den Abgaspfad 7 begrenzenden Rohrkörper 8 auf, welcher nachfolgend auch als Abgasrohrkörper 8 bezeichnet wird.

Das Brennstoffzellensystem 1 umfasst ferner einen Kältekreis 9, durch welchen im Betrieb ein Kältemittel zirkuliert und der einen Strömungspfad 10 des Kältemittels, nachfolgend auch als Kältemittelpfad 10 bezeichnet, begrenzt. Innerhalb des Kältekreises 9 erfolgen Phasenübergänge des Kältemittels. Zum Verdampfen des Kältemittels umfasst der Kältekreis 9 einen Verdampfer 11. Zum Kondensieren des Kältemittels umfasst der Kältekreis 9 des gezeigten Ausführungsbeispiels einen Kondensator 12, der nachfolgend auch als Kältemittelkondensator 12 bezeichnet wird. Zudem umfasst der Kältekreis 9 einen Verdichter 13 zum Verdichten und Fördern des Kältemittels durch den Kältekreis 9 sowie einen Expander 14 zum Expandieren des Kältemittels. Der Expander 14 kann zum Expandieren des Kältemittels beispielweise ein Expansionsventil (nicht gezeigt) und/oder eine Drossel (nicht gezeigt) aufweisen. Hierbei ist der Verdichter 13 im Kältemittelpfad 10 stromab des Verdampfers 11 , der Kältemittelkondensator 12 stromab des Verdichters 13 und der Expander 14 stromab des Kältemittelkondensators 12 sowie stromauf des Verdampfers 11 angeordnet. Mittels des Verdampfers 11 kann eine Kühlung innerhalb des Kraftfahrzeugs 4 realisiert sein. Im gezeigten Ausführungsbeispiel erfolgt mittels des Verdampfers 11 rein beispielhaft eine Kühlung eines Innenraums 15 des Kraftfahrzeugs. Zu diesem Zweck durchströmt eine Luftströmung 16, vom Kältemittelpfad 10 fluidisch getrennt, den Verdampfer 11.

Das Brennstoffzellensystem 1 weist zum Kondensieren des im Abgas enthaltenen Wassers einen Abgaskondensator 17 auf. Zum Bilden des Abgaskondensators 17 ist hierbei, wie Figur 1 entnommen werden kann, der Kältemittelpfad 10 zwischen dem Verdampfer 11 und dem Verdichter 13 zum Abgasrohrkörper 8 geführt, sodass das Kältemittel, vom Abgaspfad 7 fluidisch getrennt, das Abgas kühlt, sodass im Abgas enthaltenes Wasser kondensiert. Zum Sammeln des Mittels des Abgaskondensators 17 kondensierten Wassers weist das Brennstoffzellensystem 1 ferner einen Wasserabscheider 18 auf, welcher in den gezeigten Ausführungsbeispielen im Abgaspfad 7 stromab des Abgaskondensators 17 angeordnet ist. Der Abgaskondensator 17 wird also von dem Abgasrohrkörper 8 und dem Kältemittelpfad 10 zwischen dem Verdampfer 11 und dem Verdichter 13 gebildet. Diese Umsetzung des Abgaskondensators 17 führt zu einem reduzierten Bauraumbedarf bei zugleich erhöhter Effizienz des Abgaskondensators 17.

Wie insbesondere den Figuren 2 bis 16 entnommen werden kann, weist der Kältekreis 9 einen zwischen dem Verdampfer 11 und dem Verdichter 13 verlaufenden Rohrkörper 19 auf, der nachfolgend auch als Kältemittelrohrkörper 19 bezeichnet wird. Der Kältemittelrohrkörper 19 ist im Betrieb vom Kältemittel durchströmt und begrenzt folglich den Kältemittelpfad 10. In den gezeigten Ausführungsbeispielen wird der Abgaskondensator 17 durch den Kältemittelrohrkörper 19 und dem Abgasrohrkörper 8 gebildet.

Wie den Figuren 2 bis 16 entnommen werden kann, ist in den gezeigten Ausführungsbeispielen und vorzugsweise der Kältemittelrohrkörper 19 hinsichtlich seines Querschnitts kleiner als der Abgasrohrkörper 8. Wie den Figuren 2 bis 16 ferner entnommen werden kann, erstreckt wich der Abgasrohrkörper 8 in einer Längsrichtung 26 länglich. Hierbei verläuft der Abgaspfad 7 entlang der Längsrichtung 26.

Bei den in den Figuren 2 sowie 15 und 16 gezeigten Ausführungsbeispielen liegt der Kältemittelrohrkörper 19 an einer vom Abgaspfad 7 abgewandten Seite 20 des Abgasrohrkörpers 8, nachfolgend auch als Außenseite 20 bezeichnet, an. Dies erlaubt eine einfache Umsetzung des Abgaskondensators 17. Dabei ist in diesen Ausführungsbeispielen zwischen dem Kältemittelrohrkörper 19 und dem Abgasrohrkörper 8 eine die Wärmeübertragung erhöhende Wärmeleitpaste 21 vorgesehen. Bei den in den Figuren 2, 15 und 16 gezeigten Ausführungsbeispielen ist der Abgasrohrkörper 8 in einem dem Abgaskondensator 17 zugehörigen Abschnitt 22, der nachfolgend auch als Kondensatorabschnitt 22 bezeichnet wird, aus einem Material bzw. Werkstoff bereitgestellt, welcher zu einer Erhöhung der Wärmeübertragung zwischen dem Abgasrohrkörper 8 und dem Kältemittelrohrkörper 9 führt. In den in den Figuren 2 sowie 15 und 16 gezeigten Ausführungsbeispielen ist der Kondensatorabschnitt 22 des Abgasrohrkörpers 8 ferner mit einer größeren Wandstärke ausgebildet.

In den in den Figuren 3 bis 9 gezeigten Ausführungsbeispielen ist der Kältemittelrohrkörper 19 zum Ausbilden des Abgaskondensators 17 durch den Abgasrohrkörper 8 geführt und somit dem durch den Abgasrohrkörper 8 strömenden Abgas ausgesetzt. Zu diesem Zweck kann, wie beispielsweise den Figuren 3 bis 6 entnommen werden kann, der Abgasrohrkörper 8 in einer den Abgaspfad 7 umgebenden Umfangsrichtung 23 unterbrochen sein und somit zumindest eine Unterbrechung 24 aufweisen. In den in den Figuren 3 bis 6 gezeigten Ausführungsbeispielen weist der Abgasrohrkörper 8 dabei zwei solche entlang des Abgaspfads 7 zueinander beabstandete Unterbrechungen 24 auf, durch welche der Kältemittelrohrkörper 19 hindurchgeführt ist. Bei den in den Figuren 3 bis 9 gezeigten Ausführungsbeispielen verläuft ein Abschnitt 25 des Kältemittelrohrkörpers 19 im Abgasrohrkörper 8 entlang des Abgaspfads 7 und parallel zum Abgasrohrkörper 8. Dieser Abschnitt 25 wird nachfolgend auch als Längsabschnitt 25 bezeichnet. In den in den Figuren 3 bis 6 gezeigten Ausführungsbeispielen ist der Längsabschnitt 25 im Abgasrohrkörper 8 außermittig angeordnet. Bei den in den Figuren 7 bis 9 gezeigten Ausführungsbeispielen verläuft der Längsabschnitt 25 demgegenüber mittig, insbesondere konzentrisch, zum Abgasrohrkörper 8. In den in den Figuren 10 bis 12 gezeigten Ausführungsbeispielen weist der Abgasrohrkörper 8 eine Unterbrechung 24 auf, welche sich entlang des Abgaspfads 7 erstreckt, wobei der Längsabschnitt 25 des Kältemittelrohrkörpers 19 in der Unterbrechung 24 aufgenommen ist.

Bei den in den Figuren 10 bis 12 gezeigten Ausführungsbeispielen ist eine Unterbrechung 24 in einer quer zur Längsrichtung 26 ausgeformten und entlang der Längsrichtung 26 verlaufenden Vertiefung 27 ausgebildet. Dabei ist der Kältemittelrohrkörper 19 mit dem Längsabschnitt 25 mittig in der Unterbrechung 24 angeordnet und dringt etwa zur Hälfte in die Vertiefung 27 ein und ragt zur anderen Hälfte aus dem Abgasrohrkörper 8. Wie den Figuren 11 und 12 entnommen werden kann, kann der Abgasrohrkörper 8 monolithisch und einteilig ausgebildet sein. Ebenso ist es, wie beispielsweise in Figur 10 gezeigt, vorstellbar, die Vertiefung 27 durch einen quer zur Längsrichtung 26 aufgesetzten Aufsatz 28 auszubilden.

In den in den Figuren 13 und 14 gezeigten Ausführungsbeispielen weist der Abgasrohrkörper 8 ebenfalls eine Vertiefung 27 auf, der jedoch frei von Unterbrechungen 24 ist. Hierbei ist in diesen Ausführungsbeispielen der Kältemittelrohrkörper 19, zumindest mit dem Längsabschnitt 25, in der Vertiefung 27, insbesondere mittig, aufgenommen und geführt. Dabei ist in Figur 13 die Vertiefung 27 durch den Aufsatz 28 und in Figur 14 monolithisch mit dem Abgasrohrkörper 8 ausgebildet.

Wie den Figuren 4 bis 14 entnommen werden kann, kann an der vom Kältemittelpfad 10 abgewandten Seite des Kältemittelrohrkörpers 19 zumindest ein die wärmeübertragende Fläche vergrößernder Körper 29 vorgesehen sein, welcher mit dem Abgaspfad 7 im Kontakt steht und somit die Wärmeübertragung zwischen dem Kältemittelrohrkörper 19 und folglich dem Kältemittel und dem Abgas erhöht. Das heißt, dass außenseitig des Kältemittelrohrkörpers 19 zumindest ein solcher Körper 29, nachfolgend auch als Wärmeübertragungskörper 29 bezeichnet, vorgesehen und mit dem Abgaspfad 7 im Kontakt ist. In den gezeigten Ausführungsbeispielen ist dabei der zumindest eine Wärmeübertragungskörper 29 am Längsabschnitt 25 des Kältemittelrohrkörpers 19 vorgesehen.

Wie Figur 4 entnommen werden kann, können dabei mehrere Wärmeübertragungskörper 29 entlang des Abgaspfads 7 nacheinander und zueinander beabstandet angeordnet sein, wobei diese Wärmeübertragungskörper 29 jeweils als eine in Umfangsrichtung 23 verlaufende Scheibe 30 ausgebildet sein können.

Beim in Figur 5 gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Wärmeübertragungskörper 29 als eine einteilige oder mehrteilige Hülse 31 ausgebildet, der sich entlang des Abgaspfads 7 erstreckt.

Beim in Figur 6 gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Wärmeübertragungskörper 29 als eine sich entlang des Abgaspfads 7 erstreckende Spirale 32 ausgebildet.

In den in den Ausführungsbeispielen der Figuren 7 und 8 gezeigten Ausführungsbeispielen ist jeweils eine den Längsabschnitt 25 umgebende Scheibe 30 als Wärmeübertragungskörper 29 vorgesehen, welche konzentrisch zum Längsabschnitt 25 und zum Abgasrohrkörper 8 verläuft. Wie dem Ausführungsbeispiel der Figur 8 entnommen werden kann, kann im Wärmeübertragungskörper 29, im gezeigten Ausführungsbeispiel in der Scheibe 30, zumindest ein entlang des Abgaspfads 7 offener Durchlass 33 vorgesehen sein, wobei in dem in Figur 8 gezeigten Ausführungsbeispiel mehrere solche zueinander beabstandete und verteilt angeordnete Durchlässe 33 vorgesehen sind. Das im Abgaskondensator 7 kondensierte Wasser kann somit mittels der Strömung des Abgases über die Durchlässe 7 definiert und gerichtet abtransportiert und insbesondere dem Wasserabscheider 18 zugeführt werden.

Wie den Figuren 9 bis 15 entnommen werden kann, kann zumindest einer der Wärmeübertragungskörper 29 als eine in den Abgaspfad 7 abstehende Rippe 34 ausgebildet sein, wobei sich die jeweilige Rippe 34 vorzugsweise entlang des Abgaspfads 7 erstreckt, sodass an der Rippe 34 anfallendes kondensiertes Wasser mit der Strömung des Abgases entlang der Rippe 34 transportiert wird. Hierbei sind in den in den Figuren 9 bis 15 gezeigten Ausführungsbeispielen jeweils mehrere solche Rippen 34 vorgesehen. In den in den Figuren 9 und 12 gezeigten Ausführungsbeispielen sind die Rippen 34 in Umfangsrichtung 23 verteilt und sternenförmig angeordnet, wobei die Rippen 34 in Figur 9 nach außen und in den Figuren 12 und 15 nach innen abstehen.

Bei den in den Figuren 10 bis 14 gezeigten Ausführungsbeispielen ist ferner jeweils ein Wärmeübertragungskörper 29 vorgesehen, welcher sich in Umfangsrichtung 23 erstreckt, wobei dieser Wärmeübertragungskörper 29 an einer dem Abgaspfad 7 zugewandten Seite des Abgasrohrkörpers 8, nachfolgend auch als Innenseite 35 bezeichnet, anliegt. Dieser Wärmeübertragungskörper 29 ist also in den Abgasrohrkörper 8 eingesetzt und wird nachfolgend auch als Einsatz 36 bezeichnet. Wie den Figuren 10 und 13 entnommen werden kann, kann sich der Einsatz 36 in Umfangsrichtung 23 lediglich über einen Teilabschnitt, das heißt über weniger als 360 Grad, erstrecken. Wie den Figuren 11, 12 und 14 entnommen werden kann, kann sich der Einsatz 36 in der Art eines Rohrkörpers in Umfangsrichtung 23 geschlossen erstrecken. In den gezeigten Ausführungsbeispielen ist der Einsatz 36 ferner derart ausgebildet, dass er die Vertiefung 27 außerhalb des Kältemittelrohrkörpers 19 füllt. In den in den Figuren 10, 11 sowie 13 und 14 gezeigten Ausführungsbeispielen stehen die Rippen 34 im Wesentlichen parallel vom Einsatz 36 ab. Wie den Figuren 10 bis 14 ferner entnommen werden kann, können der Einsatz 36 und die Rippen 34 monolithisch, das heißt gemeinsam, hergestellt sein.

Der Wasserabscheider 18 kann prinzipiell beliebig ausgestaltet sein. Wie Figur 15 entnommen werden kann, kann der Wasserabscheider 18 beispielsweise mehrere, in den Abgaspfad 7 eindringende Barrieren 37 aufweisen, welche labyrinthartig angeordnet sein können. Das im Abgaskondensator 17 kondensierte Wasser wird dabei mittels der Barrieren 37 aufgefangen und gesammelt. Wie Figur 16 entnommen werden kann, kann der Wasserabscheider 18 ebenso einen Wasserfilter 38 und/oder einen Zyklon 39 aufweisen, welche das mittels des Abgaskondensators 17 kondensierte Wasser aus dem Abgas sammeln. Das mit dem Wasserabscheider 18 gesammelte Wasser kann vom Wasserabscheider 18 mittels einer Wasserleitung 40 (vgl. Figuren 1, 15 und 16) abgeführt und beispielsweise ausgeschieden werden.

Wie Figur 1 entnommen werden kann, kann das Wasser alternativ einer Verdunstungskühlungseinrichtung 41 zugeführt werden, welche der Leistungserhöhung eines Kühlers 42 dient. Der Kühler 42 ist hierbei, von der Kathodengaszuführanlage 5 bzw. dem Kathodengas getrennt, von Luft 43 und, von der Luft 43 fluidisch getrennt, von einem Kühlmedium 44 durchströmt. Die Verdunstungskühlungseinrichtung 41 berieselt hierbei mit dem Wasser die Luft 43, sodass mittels der Verdunstungswärme des Wassers im Kühler 42 eine erhöhte Kühlung des Kühlmediums 44 erzielt wird. Das Kühlmedium 44 dient im gezeigten Ausführungsbeispiel, wie mit einem gestrichelten Pfeil angedeutet, dem Kühlen des Stacks 2, wobei das Kühlmedium 44 in einem nicht gezeigten Kreislauf zirkulieren kann. Ebenso ist es vorstellbar, dass das Kühlmedium 44 dem Kältemittel entspricht und insbesondere durch den Kältekreis 9 zirkuliert (nicht gezeigt). Wie Figur 1 ferner entnommen werden kann, kann das Wasser alternativ oder zusätzlich einer Befeuchtungseinrichtung 45 zugeführt werden, welche mittels des Wassers das dem Stack 2 zugeführte Kathodengas befeuchtet. Dementsprechend ist die Befeuchtungseinrichtung 45 in der Kathodengaszuführanlage 5 eingebunden.

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