AT521878A1 - Brennstoffzellensystem, Kraftfahrzeug und Verfahren zum Kühlen eines Brennstoffzellensystems - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem (1a; 1b), aufweisend wenigstens einen Brennstoffzellenstapel (2) mit einem Anodenabschnitt (3) und einem Kathodenabschnitt (4), eine Anodengaszuführleitung (5) zum Zuführen von Anodenzuführgas zum Anodenabschnitt (3), eine Kathodengaszuführleitung (6) zum Zuführen von Kathodenzuführgas zum Kathodenabschnitt (4), eine Stapelkammer (7) mit einem Stapelkammerraum (8), in welchem der wenigstens eine Brennstoffzellenstapel (2) angeordnet ist, und eine BoP-Kammer (9) mit einem BoPKammerraum (10), in welchem BoP-Komponenten (11, 12, 13, 14, 15) des Brennstoffzellensystems (1a; 1b) angeordnet sind, wobei das Brennstoffzellensystem (1a; 1b) ferner einen Kühlluftkanalabschnitt (17) mit einem Kühllufteingang (27) zum Zuführen von Kühlluft in Form von Umgebungsluft aus der Umgebung des Brennstoffzellensystems (1a; 1b) in den Kühlluftkanalabschnitt (17) und einem Kühlluftausgang (28) zum Auslassen der Kühlluft in die Umgebung des Brennstoffzellensystems (1a; 1b) aufweist, und wobei der Kühlluftkanalabschnitt (17) zum kanalisierten Leiten der Kühlluft zumindest abschnittsweise entlang einer Stapelkammeraußenwandung (16) der Stapelkammer (7) und getrennt von der BoPKammer (9) ausgestaltet ist. Ferner betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug (100) mit einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem (1a; 1b) sowie ein Verfahren zum Kühlen eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems (1a; 1b).
Description
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Brennstoffzellensystem, Kraftfahrzeug und Verfahren zum Kühlen eines Brennstoffzellensystems
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem, aufweisend wenigstens einen Brennstoffzellenstapel mit einem Anodenabschnitt und einem Kathodenabschnitt, eine Anodengaszuführleitung zum Zuführen von Anodenzuführgas zum Anodenabschnitt, eine Kathodengaszuführleitung zum Zuführen von Kathodenzuführgas zum Kathodenabschnitt, eine Stapelkammer mit einem Stapelkammerraum, in welchem der wenigstens eine Brennstoffzellenstapel angeordnet ist, und eine BoP-Kammer mit einem BoP-Kammerraum, in welchem BoP-Komponenten des Brennstoffzellensystems angeordnet sind. Die Erfindung betrifft außerdem ein Kraftfahrzeug mit einem gattungsgemäßen Brennstoffzellensystem als Strom- und/oder Spannungsquelle für einen Elektromotor zum Antreiben des Kraftfahrzeugs. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Kühlen eines Brennstoffzellensystems. Unter BoP-(Balance-of-Plant)Komponenten sind vorliegend alle oder zumindest alle wesentlichen Komponenten eines Brennstoffzellensystems außer dem Brennstoffzellenstapel zu verstehen. Dazu gehören Komponenten wie Gebläse, Pumpen, Sensoren, Wärmetauscher, Dichtungen, Kompressoren, Rezirkulationsgebläse, Ladeluftkühler, Reformer, Nachbrenner und/oder Befeuchter.
Bei der elektrochemischen Umwandlung von chemischer Energie in elektrische Energie entsteht in einem Brennstoffzellenstapel bzw. einer Stapelanordnung Wärme, die abgeführt werden muss, damit der Brennstoffzellenstapel bei konstanten Temperaturen betrieben werden kann. Brennstoffzellenstapel in SOFC-Systemen werden konventionell über Kathodenluft, also Luft, die sonst dem Kathodenabschnitt des Brennstoffzellenstapels zugeführt wird, gekühlt. Dabei wird die Eintrittstemperatur der Kathodenluft soweit abgekühlt, dass sich möglichst die gewünschte Gleichgewichtstemperatur einstellen kann. Das Temperaturmanagement kann außerdem über die Wärmedämmung beeinflusst werden. Je höher der Lastfaktor eines Brennstoffzellenstapels ist, desto mehr Wärme wird erzeugt. In einem Teillastbetrieb des Brennstoffzellensystems kann es deshalb dazu führen, dass der oder die Brennstoffzellenstapel auskühlen. Daher wird die Wärmedämmung so ausgelegt, dass sowohl ein Teillastbetrieb als auch ein Volllastbetrieb realisiert werden können. Damit muss der Brennstoffzellenstapel im Volllastbetrieb über
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einströmende Kathodenluft gekühlt werden. Bei gegebenen Eintrittstemperaturgrenzen am Kathodenabschnitt muss für die gewünschte Kühlung des Brennstoffzellensystems der Volumenstrom erhöht werden. Durch den erhöhten Volumenstrom kommt es jedoch auch zu einem höheren Druckverlust im System und folglich zu einer größeren elektrischen Leistungsaufnahme eines Luftgebläses, das zur Zufuhr der Kathodenluft in das Brennstoffzellensystem ausgestaltet ist. Damit sinkt bei größerem Kühlbedarf der Wirkungsgrad des Brennstoffzellensystems stark ab.
Aus der deutschen Patentanmeldung DE 199 10 695 C1 ist ein System zur Verringerung der Wärmeabstrahlung eines Brennstoffzellensystems bereitgestellt. Bei diesem System wird die Luft für den Betrieb des Brennstoffzellensystems in ein Gehäuse geleitet, das wärmeabstrahlende Komponenten umgibt. Die Luft umströmt diese Komponenten, nimmt die abgestrahlte Wärme auf und führt sie einem Brennstoffzellenstapel zu. Dort wird die Wärme an den Brennstoffzellenstapel kühlendes Kühlwasser abgegeben, das die Wärme an Wasser eines Heizwasserkreislaufs überträgt. Mithin wird gemäß DE 199 10 695 C1 Kathodenluft insbesondere zur Kühlung der BoP-Komponenten verwendet.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, der voranstehend beschriebenen Problematik zumindest teilweise Rechnung zu tragen. Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Brennstoffzellensystem mit einer verbesserten Kühlvorrichtung zu schaffen. Ferner ist es eine der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe, ein Kraftfahrzeug mit einem solchen Brennstoffzellensystem sowie ein
verbessertes Kühlverfahren für ein Brennstoffzellensystem zu schaffen.
Die voranstehende Aufgabe wird durch die Patentansprüche gelöst. Insbesondere wird die voranstehende Aufgabe durch das Brennstoffzellensystem gemäß Anspruch 1, das Kraftfahrzeug gemäß Anspruch 9 sowie das Verfahren gemäß Anspruch 10 gelöst. Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem Brennstoffzellensystem beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren, dem erfindungsgemäßen Fahrzeug und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.
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Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Brennstoffzellensystem zur Verfügung gestellt, aufweisend wenigstens einen Brennstoffzellenstapel mit einem Anodenabschnitt und einem Kathodenabschnitt, eine Anodengaszuführleitung zum Zuführen von Anodenzuführgas zum Anodenabschnitt, eine Kathodengaszuführleitung zum Zuführen von Kathodenzuführgas zum Kathodenabschnitt, eine Stapelkammer mit einem Stapelkammerraum, in welchem der wenigstens eine Brennstoffzellenstapel angeordnet ist, und eine BoP-Kammer mit einem BoP-Kammerraum, in welchem BoP-Komponenten des Brennstoffzellensystems angeordnet sind. Erfindungsgemäß weist das Brennstoffzellensystem einen Kühlluftkanalabschnitt mit einem Kühllufteingang zum Zuführen von Kühlluft in Form von Umgebungsluft aus der Umgebung des Brennstoffzellensystems in den Kühlluftkanalabschnitt und einem Kühlluftausgang zum Auslassen der Kühlluft in die Umgebung des Brennstoffzellensystems auf, wobei der Kühlluftkanalabschnitt zum kanalisierten Leiten der Kühlluft zumindest abschnittsweise entlang einer Stapelkammeraußenwandung der Stapelkammer und getrennt von der BoP-Kammer ausgestaltet ist. Es kann günstig sein, wenn der Kühlluftkanalabschnitt und/oder die Stapelkammeraußenwandung Wärmeübertragungselemente wie insbesondere Rippen oder Kühlrippen aufweist, um einen Wärmeübergang vom Brennstoffzellenstapel zum Kühlfluid zu erhöhen.
Demnach ist erfindungsgemäß eine dedizierte Kühlkammer um den Brennstoffzellenstapel herum für eine gezielte Kühlung des Brennstoffzellenstapels mit Umgebungsluft, welche nicht in Wechselwirkung mit Prozessluft steht oder zumindest nicht stehen muss, bereitgestellt. Damit kann beispielsweise in Volllast des Brennstoffzellensystems ein Teil der Kühlung des Brennstoffzellenstapels durch freie oder erzwungene Konvektion über die Oberfläche des Brennstoffzellenstapels und/oder eine Wandfläche des Stapelkammerraums realisiert werden. Mit Hilfe des Kühlfluidabschnitts kann eine gezielte Kühlströmung zumindest teilweise um den wenigstens einen Brennstoffzellenstapel herum bzw. nicht oder im Wesentlichen nicht in thermischer Wechselwirkung mit den BoP-Komponenten realisiert werden, mit welcher nur Wärme des wenigstens einen Brennstoffzellenstapels und nicht oder zumindest nicht direkt die Wärme der BoP-Komponenten abgeführt bzw. vom Brennstoffzellensystem weg geführt werden kann. D.h., erfindungsgemäß wird Umgebungsluft durch den Kühlluftkanalabschnitt direkt am Stapelkammerraum und
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damit möglichst direkt am wenigstens einen Brennstoffzellenstapel vorbei- bzw. entlanggeleitet, ohne am Prozess der Energieumwandlung im
Brennstoffzellensystem teilzunehmen.
Durch die konvektive Kühlung des wenigstens einen Brennstoffzellenstapels können im Brennstoffzellensystem elektrische Leistung gespart und die Nettoleistung erhöht werden. Weiterhin ist es von Vorteil, dass das erfindungsgemäße Prinzip an
konventionellen Brennstoffzellensystemen relativ einfach und flexibel nachrüstbar ist.
Unter dem Brennstoffzellensystem ist vorzugsweise ein SOFC-System bzw. ein Hochtemperaturbrennstoffzellensystem zu verstehen. Die BoP-Komponenten (Balance of Plant) können einen Wärmetauscher, ein Gebläse zum Zuführen von Luft bzw. einem sauerstoffhaltigen Fluid zum Kathodenabschnitt des wenigstens einen Brennstoffzellenstapels, einen Nachbrenner, ein Fluidfördermittel zum Zuführen von Brennstoff zum Anodenabschnitt des wenigstens einen Brennstoffzellenstapels, sowie einen Reformer umfassen. Die Anodengaszuführleitung und die Kathodengaszuführleitung können zumindest teilweise als BoP-Komponenten verstanden werden. D.h., ein Teil der Anodengaszuführleitung und ein Teil der Kathodengaszuführleitung, der jeweils im BoP-Kammerraum ausgestaltet ist, kann als BoP-Komponente verstanden werden.
Die Kühlung durch das Kühlfluid im Kühlfluidleitabschnitt kann durch freie oder erzwungene Konvektion erfolgen. Die Stapelkammer und/oder die BoP-Kammer sind vorzugsweise einstückig oder im Wesentlichen einstückig ausgestaltet.
Der Stapelkammerraum und der BoP-Kammerraum sind bevorzugt fluidtechnisch voneinander getrennt oder im Wesentlichen fluidtechnisch voneinander getrennt ausgestaltet. Insbesondere sind der Stapelkammerraum und der BoP-Kammerraum nur oder im Wesentlichen nur durch die Anodengaszuführleitung, die Kathodengaszuführleitung, sowie eine Anodenabgasleitung und eine Kathodenabgasleitung fluidtechnisch miteinander verbunden. Diese Verbindung beschränkt sich jedoch auf eine geschlossene Fluidverbindung. D.h., grundsätzlich besteht beispielsweise keine oder im Wesentlichen keine direkte Fluidverbindung zwischen einem Außenwandabschnitt des wenigstens einen Brennstoffzellenstapels
und dem BoP-Kammerraum.
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Der Kühlluftkanalabschnitt kann durch eine Art Gehäuse oder einen Gehäuseabschnitt um die Stapelkammer herum ausgestaltet sein. Die Stapelkammer kann schachtelförmig oder im Wesentlichen schachtelförmig, also in Form einer Box, ausgestaltet sein. Der Kühlluftkanalabschnitt kann zumindest teilweise an bzw. entlang von wenigstens drei unterschiedlichen Stapelkammer-Außenwandflächen ausgestaltet sein bzw. verlaufen. Bei einer schachtelförmigen Stapelkammer kann diese sechs oder im Wesentlichen sechs Stapelkammer-Außenwandflächen aufweisen, wovon an wenigstens drei, vorzugsweise jedoch zumindest teilweise an allen sechs die Kühlluft durch den Kühlluftkanalabschnitt entlanggeleitet wird. Falls das Gehäuse mehr als sechs Stapelkammer-Außenwandflächen aufweist, kann die Kühlluft auch an mehr Stapelkammer-Außenwandflächen entlang- bzw. vorbeigeleitet werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es möglich, dass sich bei einem Brennstoffzellensystem der Stapelkammerraum und der BoPKammerraum in einem Gehäuse des Brennstoffzellensystems befinden, wobei die BoP-Kammer zumindest teilweise durch das Gehäuse gebildet ist und der Kühlluftkanalabschnitt zumindest teilweise durch einen Gehäuse-Innenwandabschnitt und die Stapelkammeraußenwandung ausgestaltet ist. D.h., die Stapelkammer ist als eine Art Gehäuse im Gehäuse ausgestaltet, wobei sich zwischen den beiden Gehäusen der Kühlluftkanalabschnitt ergibt. Oder mit anderen Worten, der Kühlluftkanalabschnitt kann zumindest teilweise durch den GehäuseInnenwandabschnitt und die Stapelkammeraußenwandung ausgestaltet sein, womit Kühlluft beschränkt durch den Gehäuse-Innenwandabschnitt und die Stapelkammeraußenwandung entlang der Stapelkammeraußenwandung sowie entlang dem Gehäuse-Innenwandabschnitt geleitet werden kann. Damit kann der Kühlluftkanalabschnitt besonders einfach, kosteneffizient und platzsparend realisiert
werden.
Ferner ist es möglich, dass ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem
einen Kühlluftzuführabschnitt aufweist, in welchem ein Gebläse zum Zuführen der Kühlluft vom Kühlluftzuführabschnitt zum Kühlluftkanalabschnitt angeordnet ist. Das Gebläse kann in Form eines Ventilators oder eines anderen Mittels zum Fördern der Luft bzw. eines sauerstoffhaltigen Fluids, insbesondere von Umgebungsluft, in den Kühlluftkanalabschnitt ausgestaltet sein. Durch das Gebläse kann eine Konvektion
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an der Stapelkammer bzw. im Kühlluftkanalabschnitt entsprechend erhöht werden. Das Gebläse lässt sich außerdem einfach an der Stapelkammer und/oder stromaufwärts der Stapelkammer im Brennstoffzellensystem implementieren. Sogar eine Nachrüstung bei konventionellen Brennstoffzellensystemen ist auf einfache Weise möglich.
Darüber hinaus ist es bei einem Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden Erfindung möglich, dass eine Ventileinheit zum Kontrollieren bzw. Steuern und/oder Regeln der Zufuhr von Kühlluft in den Kühlluftkanalabschnitt und/oder des Auslasses der Kühlluft aus dem Kühlluftkanalabschnitt ausgestaltet ist. D.h., die Ventileinheit ist zum Sperren und Freigeben des Kühlluftkanalabschnitts ausgestaltet. Die Ventileinheit bzw. die wenigstens eine Ventileinheit ist vorzugsweise an einem Eingangsabschnitt des Kühlluftkanalabschnitts oder stromaufwärts des Eingangsabschnitts, beispielsweise im Kühlluftzuführabschnitt, ausgestaltet. Durch eine Aktivierung der Ventileinheit in einen Freigabezustand zum Einleiten von Kühlluft in den Kühlluftkanalabschnitt und eine Deaktivierung der Ventileinheit in einen Sperrzustand zum Sperren des Kühlfluidkanalabschnitts kann eine einfache, kostengünstige und platzsparende Möglichkeit zum Steuern und/oder Regeln der Kühlung des wenigstens einen Brennstoffzellenstapels erzielt werden. Die Ventileinheit kann grundsätzlich in beliebiger Form ausgestaltet sein. So ist es beispielsweise möglich, dass die Ventileinheit eine Lufteintrittsklappe mit einem wärmedehnbaren Bauteil zur adaptiven Öffnung und/oder Schließung der Lufteintrittsklappe abhängig von einer Temperatur im wenigstens einen Brennstoffzellenstapel aufweist. Damit kann durch die Ventileinheit abhängig von der Temperatur im Brennstoffzellenstapel mehr oder weniger Kühlfluid durch den Kühlfluidzuführabschnitt geleitet werden. Insbesondere bei einer geringeren Temperatur durch ein zumindest teilweises Sperren der Ventileinheit weniger Kühlfluid und bei einer höheren Temperatur durch ein weiteres Öffnen der Ventileinheit mehr Kühlfluid durch den Kühlfluidzuführabschnitt geleitet werden.
Weiterhin hat es sich bei Versuchen im Rahmen der vorliegenden Erfindung als besonders vorteilhaft herausgestellt, wenn die Ventileinheit eine Drosselklappe zum Drosseln der Zufuhr von Kühlluft in den Kühlluftkanalabschnitt aufweist. Die Drosselklappe kann einfach, platzsparend und kostengünstig im oder am
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Kühlluftkanalabschnitt bereitgestellt werden. Die Drosselklappe ist vorzugsweise direkt am oder im Kühllufteingang ausgestaltet.
Alternativ zur Drosselklappe kann die Ventileinheit einen Schieberegler aufweisen, der zum Kontrollieren der Zufuhr der Kühlluft in den Kühlluftkanalabschnitt verschiebbar gelagert ist. Auch der Schieberegler kann einfach, platzsparend und kostengünstig im oder am Kühlluftkanalabschnitt bereitgestellt werden. Der Schieberegler kann direkt am oder im Kühllufteingang ausgestaltet sein. Der Schieberegler kann selbstverständlich auch eine Steuerfunktion zum Sperren oder Freigeben des Kühlluftkanalabschnitts aufweisen. Der Schieberegler kann ein Gitter mit Raster aufweisen, das am oder im Kühlluftkanalabschnitt bzw. am oder im Kühllufteingang und/oder am oder im Kühlluftausgang zum Sperren oder Freigaben des Kühlluftkanalabschnitts verschiebbar gelagert ist. Durch ein Sperren des Kühlluftkanalabschnitts kann eine Kühlluftströmung durch den Kühlluftkanalabschnitt verhindert werden und durch ein Freigeben des Kühlluftkanalabschnitts kann eine Kühlluftströmung durch den Kühlluftkanalabschnitt ermöglicht werden.
Darüber hinaus kann die Ventileinheit bei einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem eine Rückstellklappe zum Kontrollieren des Auslasses der Kühlluft aus dem Kühlluftkanalabschnitt aufweisen. Auch damit lässt sich die Kühlluftströmung durch den Kühlluftkanalabschnitt auf einfache, platzsparende und kostengünstige Weise regeln und/oder steuern. Die Rückstellklappe ist vorzugsweise im oder am Kühlluftausgang ausgestaltet. Die Kühlluftklappe kann sozusagen als Rückschlagklappe ausgeführt sein, so dass Luft nur ausströmen, nicht aber durch den Kühlluftausgang in den Kühlluftkanalabschnitt einströmen kann.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn das Brennstoffzellensystem als stationäres Brennstoffzellensystem ausgebildet und/oder anordenbar ist. Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem eignet sich besonders zur Verwendung in einem stationären Betrieb. Dieses kann auch als eigenständiges Kraftwerk zur Stromerzeugung ausgebildet sein und/oder genutzt werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Kraftfahrzeug mit einem Elektromotor zum Antreiben des Kraftfahrzeugs sowie einem wie vorstehend im Detail beschriebenen Brennstoffzellensystem zur Stromversorgung des Elektromotors zur Verfügung gestellt. Damit bringt ein erfindungsgemäßes Fahrzeug
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die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem beschrieben worden sind.
Folglich ist ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem sowohl zur Verwendung in einem stationären als auch zur Verwendung in einem mobilen Betrieb geeignet und ausgebidlet.
Als vorteilhaft hat es sich herausgestellt, wenn das Kraftfahrzeug einen Kühlluftzuführabschnitt zum direkten oder im Wesentlichen direkten Zuführen von Kühlluft in Form von Umgebungsluft aus der Umgebung des Kraftfahrzeugs in den Kühlluftkanalabschnitt aufweist. Damit kann im Kraftfahrzeug eine Luftströmung während einer Fahrt des Fahrzeugs in den Kühlluftkanalabschnitt geleitet und dort zur automatischen Kühlung des Brennstoffzellenstapels bzw. für eine entsprechende
Konvektion genutzt werden.
Außerdem wird gemäß einer weiteren Ausgestaltungsvariante der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum Kühlen eines wie vorstehend beschriebenen Brennstoffzellensystems zur Verfügung gestellt, bei welchem die Kühlluft dem Kühlluftkanalabschnitt unabhängig vom Kathodenzuführgas oder einem anderen Prozessgas des Brennstoffzellensystems zugeführt wird. Damit können die bereits vorstehend ausführlich beschriebenen Vorteil erreicht werden Im Rahmen der vorliegenden Erfindung hat sich herausgestellt, dass die dedizierte Kühlluftzufuhr, also die getrennte bzw. unabhängige Verwendung von Umgebungsluft in der Kathodengaszuführleitung und dem Kühlluftkanalabschnitt zwar mit einem gewissen Aufwand verbunden ist, sich hinsichtlich der vorstehend beschriebenen Vorteile jedoch lohnen kann, insbesondere indem bei hohen Leistungen des Brennstoffzellensystems beispielsweise die elektrische Leistung eines Gebläses durch konvektive Kühlung des Brennstoffzellenstapels entscheidend verringert
werden kann.
Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung zu verschiedenen Ausführungsbeispielen der Erfindung, welche in den Figuren schematisch dargestellt sind. Es zeigen jeweils schematisch:
Figur 1 ein Blockschaltbild zum Erläutern eines Brennstoffzellensystems gemäß
einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
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Figur2 ein Blockschaltbild zum Erläutern eines Brennstoffzellensystems gemäß
einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, und Figur3 ein Kraftfahrzeug mit einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem.
Elemente mit gleicher Funktion und Wirkungsweise sind in den Figuren 1 bis 3 jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.
Fig. 1 zeigt ein Brennstoffzellensystem 1a gemäß einer ersten Ausführungsform. Das in Fig. 1 dargestellte Brennstoffzellensystem 1a weist einen Brennstoffzellenstapel 2 mit einem Anodenabschnitt 3 und einem Kathodenabschnitt 4 auf. Außerdem weist das Brennstoffzellensystem 1a eine Anodengaszuführleitung 5 zum Zuführen von Anodenzuführgas zum Anodenabschnitt 3 und eine Kathodengaszuführleitung 6 zum Zuführen von Kathodenzuführgas zum Kathodenabschnitt 4 auf. Zudem weist das Brennstoffzellensystem 1a eine Stapelkammer 7 mit einem Stapelkammerraum 8, in welchem der Brennstoffzellenstapel 2 angeordnet ist, und eine BoP-Kammer 9 mit einem BoP-Kammerraum 10, in welchem BoP-Komponenten des Brennstoffzellensystems 1a angeordnet sind, auf. Die BoP-Komponenten sind in Form eines Gebläses 11, eines Wärmetauschers 12, eines Nachbrenners 13, eines Fluidfördermittels 14 sowie eines Reformers 15 ausgestaltet.
Der in den Figuren dargestellte Brennstoffzellenstapel 2 soll nicht im Maßstab betrachtet werden. D.h., der Brennstoffzellenstapel 2 kann den Stapelkammerraum 8 in einer konkreten Ausführungsform auch ausfüllen, im Wesentlichen ausfüllen oder
zumindest mehr als in Fig. 1 dargestellt ausfüllen.
Genauer gesagt ist das Gebläse 11 stromaufwärts einer kalten Seite des Wärmetauschers 12 angeordnet, um dem Kathodenabschnitt 4 Luft zuzuführen, die durch den Wärmetauscher 12 aufgeheizt werden kann. Stromaufwärts einer heißen Seite des Wärmetauschers 12 sowie stromabwärts des Anodenabschnitts 3 sowie des Kathodenabschnitts 4 ist der Nachbrenner 13 zum Verbrennen von Abgasen aus dem Brennstoffzellenstapel 2 angeordnet. Stromabwärts des Wärmetauschers 12 kann verbrauchtes Prozessgas aus dem Brennstoffzellenstapel 2 separat zur Kühlluft in die Umgebung des Brennstoffzellensystems 1a geleitet werden.
Das Brennstoffzellensystem 1a weist ferner einen Kühlluftkanalabschnitt 17 mit einem Kühllufteingang 27 zum Zuführen von Kühlluft in Form von Umgebungsluft aus
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der Umgebung des Brennstoffzellensystems 1a in den Kühlluftkanalabschnitt 17 und einem Kühlluftausgang 28 zum Auslassen der Kühlluft in die Umgebung des Brennstoffzellensystems 1a auf, wobei der Kühlluftkanalabschnitt 17 zum kanalisierten Leiten der Kühlluft entlang einer Stapelkammeraußenwandung 16 der Stapelkammer 7 und getrennt von der BoP-Kammer 9 ausgestaltet ist. In Fig. 1 kann erkannt werden, dass die Stapelkammer 7 in Form eines Gehäuses in einem Gehäuse 19 ausgestaltet ist. Die BoP-Kammer 9 wird grundsätzlich durch das Gehäuse 19 bzw. einen Teil des Gehäuses 19 gebildet. Demnach entspricht eine BoP-Kammerwandung 18 einer Gehäusewandung.
Der Stapelkammerraum 8 und der BoP-Kammerraum 10 befinden sich in dem Gehäuse 19 des Brennstoffzellensystems 1a, wobei die BoP-Kammer 9 teilweise durch das Gehäuse 19 gebildet ist und der Kühlluftkanalabschnitt 17 teilweise durch einen Gehäuse-Innenwandabschnitt 20 und die Stapelkammeraußenwandung 16 ausgestaltet ist. Das Brennstoffzellensystem 1a weist außerdem einen Kühlluftzuführabschnitt 21 auf, in welchem ein Gebläse 22 zum Zuführen der Kühlluft vom Kühlluftzuführabschnitt 21 zum Kühlluftkanalabschnitt 17 angeordnet ist.
Am Kühllufteingang 27 ist eine Ventileinheit 23 in Form einer Drosselklappe 23a zum Kontrollieren bzw. Steuern und Regeln der Zufuhr von Kühlluft in den Kühlluftkanalabschnitt 17 ausgestaltet. Am Kühlluftausgang 28 ist eine Ventileinheit 23 in Form einer Rückstellklappe 24 zum Kontrollieren des Auslasses der Kühlluft aus dem Kühlluftkanalabschnitt 17 ausgestaltet.
In Fig. 2 ist ein Brennstoffzellensystem 1b gemäß einer zweiten Ausführungsform dargestellt. Diese Ausführungsform entspricht im Wesentlichen der ersten Ausführungsform, weshalb nachfolgend nur die Unterscheidungsmerkmale beschrieben werden. So ist gemäß Fig. 2 an Stelle der Drosselklappe 23a eine Ventileinheit 23 in Form eines Schieberegler 23b am Kühllufteingang 27 ausgestaltet, wobei der Schieberegler 23b zum Kontrollieren der Zufuhr der Kühlluft in den Kühlluftkanalabschnitt 17 verschiebbar gelagert ist. Außerdem wurde gemäß der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform auf ein Gebläse 22 stromaufwärts der Ventileinheit 23 verzichtet.
Mit Blick auf Fig. 1 und Fig. 2 kann ferner ein Verfahren beschrieben werden, gemäß welchem die Kühlluft dem Kühlluftkanalabschnitt 17 unabhängig vom
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PP32220AT AVL List GmbH 11
Kathodenzuführgas oder einem anderen Prozessgas sowie ohne oder im Wesentlichen ohne thermische Wechselwirkung mit der BoP-Kammer 9 oder einer der BoP-Komponenten 11, 12, 13, 14, 15 zugeführt wird.
Fig. 3 zeigt ein Kraftfahrzeug 100 mit einem Elektromotor 25 zum Antreiben des Kraftfahrzeugs 100 sowie einem wie in Fig. 1 dargestellten Brennstoffzellensystem 1a zur Stromversorgung des Elektromotors 25. Das in Fig. 3 dargestellte Kraftfahrzeug 100 weist ferner eine Luftöffnung 26 zur Umgebung des Kraftfahrzeugs 100 hin und einen daran anschließenden Kühlluftzuführabschnitt 21 zum möglichst direkten Zuführen von Kühlluft in Form von Umgebungsluft aus der Umgebung des Kraftfahrzeugs 100 in den Kühlluftkanalabschnitt 17 auf. Damit kann Fahrtwind am Kraftfahrzeug 100 direkt zur Kühlung des Brennstoffzellenstapels 2 genutzt werden.
Die Erfindung lässt neben den dargestellten Ausführungsformen weitere Gestaltungsgrundsätze zu. D. h. die Erfindung soll nicht auf die mit Bezug auf die Figuren erläuterten Ausführungsbeispiele beschränkt betrachtet werden.
Bezugszeichenliste
1a, 1b Brennstoffzellensystem 2 Brennstoffzellenstapel 3 Anodenabschnitt
4 Kathodenabschnitt
5 Anodengaszuführleitung
6 Kathodengaszuführleitung 7 Stapelkammer
8 Stapelkammerraum
9 BoP-Kammer
10 BoP-Kammerraum
11 Gebläse
12 Wärmetauscher
13 Nachbrenner
14 Fluidfördermittel
15 Reformer
16 Stapelkammeraußenwandung 17 Kühlluftkanalabschnitt 18 BoP-Kammerwandung 19 Gehäuse
20 Gehäuse-Innenwandabschnitt 21 Kühlluftzuführabschnitt 22 Gebläse
23 Ventileinheit
23a Drosselklappe
23b Schieberegler
24 Rückstellklappe
25 Elektromotor
26 Luftöffnung
27 Kühllufteingang
28 Kühlluftausgang
100 Kraftfahrzeug
Claims (10)
1. Brennstoffzellensystem (1a; 1b), aufweisend wenigstens einen Brennstoffzellenstapel (2) mit einem Anodenabschnitt (3) und einem Kathodenabschnitt (4), eine Anodengaszuführleitung (5) zum Zuführen von Anodenzuführgas zum Anodenabschnitt (3), eine Kathodengaszuführleitung (6) zum Zuführen von Kathodenzuführgas zum Kathodenabschnitt (4), eine Stapelkammer (7) mit einem Stapelkammerraum (8), in welchem der wenigstens eine Brennstoffzellenstapel (2) angeordnet ist, und eine BoPKammer (9) mit einem BoP-Kammerraum (10), in welchem BoP-Komponenten (11, 12, 13, 14, 15) des Brennstoffzellensystems (1a; 1b) angeordnet sind, gekennzeichnet durch einen Kühlluftkanalabschnitt (17) mit einem Kühllufteingang (27) zum Zuführen von Kühlluft in Form von Umgebungsluft aus der Umgebung des Brennstoffzellensystems (1a; 1b) in den Kühlluftkanalabschnitt (17) und einem Kühlluftausgang (28) zum Auslassen der Kühlluft in die Umgebung des Brennstoffzellensystems (1a; 1b), wobei der Kühlluftkanalabschnitt (17) zum kanalisierten Leiten der Kühlluft zumindest abschnittsweise entlang einer Stapelkammeraußenwandung (16) der Stapelkammer (7) und getrennt von der BoP-Kammer (9) ausgestaltet ist.
2. Brennstoffzellensystem (1a; 1b) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Stapelkammerraum (8) und der BoP-Kammerraum (10) in einem Gehäuse (19) des Brennstoffzellensystems (1a; 1b) befinden, wobei die BoPKammer (9) zumindest teilweise durch das Gehäuse (19) gebildet ist und der Kühlluftkanalabschnitt (17) zumindest teilweise durch einen GehäuseInnenwandabschnitt (20) und die Stapelkammeraußenwandung (16) ausgestaltet ist.
3. Brennstoffzellensystem (1a; 1b) nach einem der voranstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Kühlluftzuführabschnitt (21), in welchem ein Gebläse (22) zum Zuführen der Kühlluft vom Kühlluftzuführabschnitt (21) zum Kühlluftkanalabschnitt (17) angeordnet ist.
4. Brennstoffzellensystem (1a; 1b) nach einem der voranstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Ventileinheit (23) zum Kontrollieren der Zufuhr von Kühlluft in den Kühlluftkanalabschnitt (17) und/oder des Auslasses der Kühlluft aus dem Kühlluftkanalabschnitt (17) ausgestaltet ist.
5. Brennstoffzellensystem (1a) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventileinheit (23) eine Drosselklappe (23a) zum Drosseln der Zufuhr von Kühlluft in den Kühlluftkanalabschnitt (17) aufweist.
6. Brennstoffzellensystem (1b) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventileinheit (23) einen Schieberegler (23b) aufweist, der zum Kontrollieren der Zufuhr der Kühlluft in den Kühlluftkanalabschnitt (17) verschiebbar gelagert ist.
7. Brennstoffzellensystem (1a) nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventileinheit (23) eine Rückstellklappe (24) zum Kontrollieren des Auslasses der Kühlluft aus dem Kühlluftkanalabschnitt (17) aufweist.
8. Brennstoffzellensystem (1a) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Brennstoffzellensystem als stationäres Brennstoffzellensystem ausgebildet und/oder anordenbar ist.
9. Kraftfahrzeug (100) mit einem Elektromotor (25) zum Antreiben des Kraftfahrzeugs (100) sowie einem Brennstoffzellensystem (1a; 1b) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 zur Stromversorgung des Elektromotors (25).
10. Verfahren zum Kühlen eines Brennstoffzellensystems (1a; 1b) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Kühlluft dem Kühlluftkanalabschnitt (17) unabhängig vom Kathodenzuführgas zugeführt wird.
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| ATA50142/2019A AT521878A1 (de) | 2019-02-22 | 2019-02-22 | Brennstoffzellensystem, Kraftfahrzeug und Verfahren zum Kühlen eines Brennstoffzellensystems |
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| ATA50142/2019A AT521878A1 (de) | 2019-02-22 | 2019-02-22 | Brennstoffzellensystem, Kraftfahrzeug und Verfahren zum Kühlen eines Brennstoffzellensystems |
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Citations (4)
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-
2019
- 2019-02-22 AT ATA50142/2019A patent/AT521878A1/de not_active Application Discontinuation
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