DE102006015572A1 - Verdichtungsvorrichtung für einen Brennstoffzellenstapel - Google Patents

Abstract

Brennstoffzellenstapel erlauben die Erzeugung von elektrischer Energie mittels einer elektro-chemischen Reaktion eines Brennstoffs, wie z.B. Wasserstoff, und einem Oxidanten, wie z.B. Sauerstoff in der Umgebungsluft.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe ist es, eine Verdichtungsvorrichtung vorzuschlagen, die eine verbesserte Konditionierung des zugeführten Oxidanten ermöglicht.
Hierzu wird eine Verdichtungsvorrichtung 6 für einen Brennstoffzellenstapel 2 vorgeschlagen, wobei die Verdichtungsvorrichtung 6 zur Verdichtung eines Oxidanten ausgebildet ist, mit einer Kompressorvorrichtung 13 zur Kompression des Oxidanten und mit einer Oxidantenkühlungsvorrichtung 12 zur Kühlung des komprimierten Oxidanten, wobei Kompressorvorrichtung 13 und Oxidantenkühlungsvorrichtung 12 an einem gemeinsamen Kühlmittelkreis 1 angeschlossen sind.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Verdichtungsvorrichtung für einen Brennstoffzellenstapel, wobei die Verdichtungsvorrichtung zur Verdichtung eines Oxidanten ausgebildet ist, mit einer Kompressorvorrichtung zur Kompression des Oxidanten und mit einer Oxidantenkühlungsvorrichtung zur Kühlung des komprimierten Oxidanten, wobei Kompressorvorrichtung und Oxidantenkühlungsvorrichtung an einem gemeinsamen Kühlmittelkreis angeschlossen sind.
• Brennstoffzellenstapel erlauben die Erzeugung von elektrischer Energie mittels einer elektro-chemischen Reaktion eines Brennstoffs, wie z.B. Wasserstoff, und einem Oxidanten, wie z.B. Sauerstoff in der Umgebungsluft.
• Für den Betrieb eines Brennstoffzellenstapels ist eine Vielzahl von Hilfsaggregaten notwendig, die insbesondere die zugeführten Verbrauchsgase konditionieren oder die Betriebstemperatur des Brennstoffzellenstapels kontrollieren.
• Üblicherweise wird bei der Konditionierung der zugeführten Verbrauchsgase der Oxidant komprimiert und gekühlt. Eine ähnliche Anordnung von Hilfsaggregaten ist beispielsweise in der Druckschrift EP 0 638 712 A1 offenbart. Diese Druckschrift offenbart einen Kühlmittelkreis für einen Brennstoffzellenstapel, wobei parallel zu dem Brennstoffzellenstapel eine Bypassleitung vorgesehen ist, in der die Antriebseinheit eines Kompressors zur Zufuhr von Luft zu dem Brennstoffzellenstapel und ein Wärmetauscher zur Kühlung der dem Brennstoffzellenstapel zugeführten Luft vorgesehen ist.
• Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe ist es, eine Verdichtungsvorrichtung vorzuschlagen, die eine gute Konditionierung des zugeführten Oxidanten ermöglicht.
• Diese Aufgabe wird durch eine Verdichtungsvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Bevorzugte und/oder vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen beansprucht oder ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und/oder aus dem Ausführungsbeispiel.
• Die erfindungsgemäße Verdichtungsvorrichtung ist für einen Brennstoffzellenstapel geeignet und/oder ausgebildet. Der Brennstoffzellenstapel weist bevorzugt eine Vielzahl von Brennstoffzellen auf, die insbesondere in PEM Bauweise (Polymer-Elektrolyt-Membran Bauweise) realisiert sind. Insbesondere ist der Brennstoffzellenstapel für den Einsatz in einem Fahrzeug ausgebildet. In der Verdichtungsvorrichtung wird der für die elektro-chemische Reaktion in den Brennstoffzellen notwendige Oxidant, insbesondere in Abhängigkeit weiterer Betriebsparameter, wie z.B. Last, Leistungsanforderung oder Betriebstemperatur der Brennstoffzellen, verdichtet und/oder gekühlt.
• Für diesen Zweck umfasst und/oder besteht die Verdichtungsvorrichtung aus zwei Baugruppen, nämlich einer Kompressorvorrichtung und einer Oxidantenkühlungsvorrichtung, die bevorzugt in einer gemeinsamen Baueinheit integriert sind, insbesondere derart, dass die Baueinheit zu Ersatz und/oder Reparaturzwecken von dem Brennstoffzellenstapel ungeteilt und/oder einstückig trennbar ist.
• Die Kompressorvorrichtung dient dabei zur Kompression des Oxidanten, insbesondere von Umgebungsluft, wobei bevorzugt der Grad der Kompression steuerbar und/oder einstellbar ist. Der technische Nutzen der Kompression ist, dass eine größere Menge an Oxidanten dem Brennstoffzellenstapel zur Verfügung gestellt werden können, um die Stromerzeugung insbesondere lastabhängig zu erhöhen. In Strömungsrichtung des Oxidanten ist der Kompressorvorrichtung die Oxidantenkühlungsvorrichtung nachgeschaltet, die den komprimierten Oxidanten kühlt.
• Diese Anordnung berücksichtigt den prinzipiellen Sachverhalt, dass durch die Kompression eines Gases dessen Temperatur erhöht wird. Die Kühlung des komprimierten Gases dient zum einen dazu, dass der Brennstoffzellenstapel nicht unnötig aufgeheizt wird und zum zweiten führt die Reduzierung der Temperatur zu einer höheren Dichte des Oxidanten bei gleichem Druck, so dass die Massenzufuhr des Oxidanten erhöht wird und damit die Stromerzeugung (entsprechend der Zuführung von Brennstoff) gesteigert werden kann.
• Kompressorvorrichtung und Oxidantenkühlungsvorrichtung sind an einem gemeinsamen Kühlmittelkreis mit einem flüssigen Kühlmittel angeschlossen und insbesondere derart aktiv kühlbar, so dass eine Temperaturerniedrigung des Oxidanten hervorgerufen wird.
• Bevorzugt sind die Kompressorvorrichtung und die Oxidantenkühlungsvorrichtung in dem Kühlmittelkreis strömungstechnisch parallel zueinander angeschlossen.
• Vorzugsweise ist die Verdichtungsvorrichtung derart ausgebildet, dass der Kühlmittelstrom in mindestens zwei Teilströme aufgeteilt wird, wobei ein erster Teilstrom durch die Kompressorvorrichtung und strömungstechnisch parallel dazu ein zweiter Teilstrom durch die Oxidantenkühlungsvorrichtung geleitet wird. Insbesondere werden erster und zweiter Teilstrom strömungstechnisch nach der Kompressorvorrichtung und der Oxidantenkühlungsvorrichtung wieder zusammengeleitet und/oder vereinigt.
• Dieser Ausbildung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die parallele Anordnung von Kühlungskomponenten für den Oxidanten, also die Kompressorvorrichtung und die Oxidantenkühlungsvorrichtung, in dem Kühlmittelkreis überraschenderweise eine Verkleinerung der Verdichtungsvorrichtung erlaubt. Dieser Vorteil ist dadurch begründet, dass beiden Kühlungskomponenten Kühlmittel mit der gleichen Temperatur zugeführt wird und somit insbesondere die Oxidantenkühlungsvorrichtung bei gleicher Kühlleistung kleiner und kompakter als wie aus dem Stand der Technik bekannt ausgelegt werden kann. Als weiterer Effekt ergibt sich eine Erhöhung der Robustheit der Verdichtungsvorrichtung, da die erfindungsgemäße Ausführung einen höheren zulässigen Druckabfall in dem Kühlmittelkreis toleriert. Dieser Vorteil basiert auf dem Umstand, dass durch die Parallelschaltung an den Eingängen beider Kühlungskomponenten die gleichen Druckverhältnisse vorliegen und nicht – wie aus dem Stand der Technik bekannt – eine in Bezug auf das Kühlmittel nachgeschaltete Oxidantenkühlungsvorrichtung mit einem geringeren Kühlmitteldruck beaufschlagt wird.
• Ähnliche Vorteile werden bei einer Weiterbildung der Erfindung erzielt, wobei der Brennstoffzellenstapel strömungstechnisch parallel zu der Oxidantenkühlungsvorrichtung gekoppelt ist. Mit dieser Ausbildung werden zwei wesentliche Komponenten in dem Kühlkreislauf einer Brennstoffzelle mit Kühlmittel gekühlt, welches nicht durch eine andere große Wärmequelle bereits vorgeheizt ist. Auf diese Weise werden diese wesentlichen Komponenten zum einen mit Kühlmittel mit der minimal verfügbaren Kühlmitteltemperatur gekühlt, was dazu führt, dass die Energieausbeute aus dem zugeführten Brennstoff durch die Brennstoffzelle optimiert wird. Zum zweiten wird der Regel- oder Steuerungsaufwand des Kühlkreislaufes verkleinert, da das Kühlmittel diesen wesentlichen Komponenten mit einer definierten Kühlmitteltemperatur zugeführt wird, die nicht durch die Zuschaltung von Nebenverbrauchern ständig verändert wird.
• Bei einer weiteren Ausbildung der Erfindung sind Brennstoffzellenstapel, Kompressorvorrichtung, Oxidantenkühlungsvorrichtung und/oder weitere Komponenten, wie z.B. Antriebsmotoren o.ä. parallel in dem Kühlkreis angeordnet. Diese Ausbildung fördert die mit der Erfindung erzielten Vorteile, indem das in die Verdichtungsvorrichtung fließende Kühlmittel vor dem Durchgang durch Kompressorvorrichtung und/oder Oxidantenkühlungsvorrichtung und/oder weiteren Komponenten nicht von dem Brennstoffzellenstapel vorgeheizt ist. Allerdings steigt mit der Anzahl der parallel geschalteten, zu kühlenden Komponenten der Steuerungs- und Regelungsaufwand des Kühlkreislaufes. Dagegen wird aber die Robustheit der Kombination von Brennstoffzellenstapel und Verdichtungsvorrichtung weiter verbessert, da eine parallel geschaltete Kombination wie oben bereits erläutert besonders tolerant gegenüber Druckabfällen in der Kühlmittelversorgung ist.
• Eine mögliche Alternative der Erfindung ist es, Oxidantenkühlungsvorrichtung, Kompressorvorrichtung und Brennstoffzellenstapel strömungstechnisch seriell anzuordnen. Aufgrund der höheren Kühlmitteltemperatur und der geringeren Toleranz ist diese Alternative weniger bevorzugt.
• Bei einer möglichen Ausbildung der Erfindung weist die Kompressionsvorrichtung eine Wasserinjektionskühlung am Oxidanten-Eingang in die Kompressionsvorrichtung auf, um den einströmenden Oxidanten zu kühlen. Besonders bevorzugt aber nicht auf die Kombination mit Wasserinjektionskühlung beschränkt weist die Kompressionsvorrichtung eine flüssigkeitsgestützte Abdichtung der Wirkflächen der Kompressionsvorrichtung auf. Diese Ausbildung hat den Vorteil, dass über die Zufuhr von Wasser für die Wasserinjektionskühlung und/oder über die flüssigkeitsgestützte Abdichtung der Oxidant befeuchtet wird, sodass in dem Brennstoffzellenstapel einer Austrocknung der Membran zwischen Anoden- und Kathodenbereich entgegengewirkt wird.
• Alternativ ist die Kompressionsvorrichtung als Trockenlaufverdichter ausgebildet, so dass eine möglicherweise notwendige Befeuchtung des Oxidanten gegebenenfalls in einer nachgeschalteten Baugruppe erfolgt. Diese Alternative ist vorteilhaft, da Verschmutzungen der Kompressionsvorrichtung durch zugeführte Flüssigkeiten systembedingt ausgeschlossen sind.
• Die Kompressorvorrichtung basiert bevorzugt auf dem Verdrängerprinzip, so dass der Druck durch Verringerung eines Arbeitsraumes innerhalb der Kompressorvorrichtung erzeugt wird. Insbesondere ist die Kompressorvorrichtung als getakteter Kolbenverdichter, vorzugsweise jedoch als Schraubenverdichter ausgebildet.
• Die Kühlung des Oxidanten in der Kompressionsvorrichtung mit dem Kühlmittel aus dem Kühlmittelkreis ist vorzugsweise so realisiert, dass der Oxidant nicht direkt mit dem Kühlmittel in Kontakt tritt, wobei bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform mindestens ein Schraubenläufer in dem Schraubenverdichter gekühlt ausgebildet ist.
• Die Oxidantenkühlungsvorrichtung ist bevorzugt als Wärmetauscher realisiert, der dem komprimierten Oxidanten über mit dem Kühlmittel gekühlte Kontaktflächen Wärme entzieht.
• Das Durchflussverhältnis zwischen dem durch die Kompressorvorrichtung und dem durch die Oxidantenkühlungsvorrichtung strömenden Kühlmittel ist in einer bevorzugten Ausführungsform durch Drosselvorrichtungen, insbesondere unabhängig voneinander, statisch und/oder dynamisch einstellbar und/oder steuerbar. Alternativ kann das Durchflussverhältnis auch über ein Drei-Wegeventil an einer Verzweigung zu der Kompressorvorrichtung und zu der Oxidantenkühlungsvorrichtung am Eingang oder am Ausgang der Verdichtungsvorrichtung gesteuert werden.
• Alternativ oder ergänzend ist eine Ventilvorrichtung am Eingang und/oder Ausgang der Verdichtungsvorrichtung angeordnet mit der der gesamte Kühlmitteldurchfluss einstellbar und/oder steuerbar ist. Vorzugsweise ist vorgesehen, dass der gesamte Kühlmitteldurchfluss durch die Verdichtungsvorrichtung unabhängig und/oder entkoppelt von dem Durchfluss durch den Brennstoffzellenstapel einstellbar und/oder steuerbar ist.
• Bevorzugt sind die Kompressorvorrichtung und/oder die Oxidantenvorrichtung und/oder die Drosselvorrichtung und/oder die Ventilvorrichtung in Abhängigkeit von weiteren Betriebsparametern, wie z.B. Betriebstemperatur des Brennstoffzellenstapels, Last etc. von einer übergeordneten Steuerungseinrichtung steuer- und/oder regelbar.
• Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der beigefügten Figur in Zusammenschau mit der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels. Dabei zeigt:
• 1 ein Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Verdichtungsvorrichtung in einem Kühlkreislauf in Flussdarstellung.
• Die 1 zeigt einen Kühlkreislauf 1 für einen Brennstoffzellenstapel 2, der aus mehreren Brennstoffzellen bevorzugt in PEM-Bauweise aufgebaut ist. Ein derartiger Kühlkreislauf wird z.B. bei mit Brennstoffzellentechnologie betriebenen Fahrzeugen eingesetzt. Der Brennstoffzellenstapel 2 weist einen Kühlmitteleingang 3 und einen Kühlmittelausgang 4 auf, an denen der Kühlkreislauf 1 angeschlossen ist, so dass Kühlmittel, insbesondere Wasser, aus dem Brennstoffzellenstapel 2 über den Kühlmittelausgang 4 in den Kühlkreislauf 1 fließen kann, diesen durchläuft und über den Kühlmitteleingang 3 wieder in den Brennstoffzellenstapel 1 eintritt. Das Kühlmittel wird somit in dem Kühlreislauf 1 zirkuliert.
• Die Architektur des Kühlkreislaufes 1 ist in einfacher Ringstruktur ausgebildet, wobei der Ring 5 durch eine Kombination von Leitungsabschnitten gebildet wird, die einen maximalen Strömungsweg für das Kühlmittel ohne Strömungsrichtungsumkehr bilden. In der 1 ist der Ring 5 durch dickere Linien kenntlich gemacht.
• Als Zwischenverbindungen in dem Ring 5 sind eine Verdichtungsvorrichtung 6, eine Ionentauschervorrichtung 7, eine Innenraumheizung 8 und eine Bypassleitung 9 vorgesehen. Die genannten Zwischenverbindungen sind in dem Ring 5 zueinander strömungstechnisch parallel und/oder antiparallel angeordnet. Zudem sind die genannten Zwischenverbindungen zu einem in dem Ring 5 seriell integrierten Wärmetauscher 10 sowie dem Brennstoffzellenstapel 2 strömungstechnisch parallel und/oder antiparallel platziert.
• Der genaue Aufbau des Kühlkreislaufes wird nachfolgend ausgehend von dem Brennstoffzellenstapel 2 in Strömungsrichtung des Kühlmittels erläutert.
• Ausgehend von dem Kühlmittelausgang 4 wird das Kühlmittel in den Ring 5 geleitet. Unmittelbar strömungstechnisch hinter dem Kühlmittelausgang ist eine Messeinrichtung KwT-So (i.e. Kühlwassertemperatur – Stack out) angeordnet, die die Temperatur des aus dem Brennstoffzellenstapels 2 austretenden Kühlmittels misst und einen Messbereich von 40°C bis 130°C aufweist.
• Hinter der Messeinrichtung KwT-So zweigt eine erste Zwischenverbindung über eine erste Abzweigung 11 von dem Ring 5 ab, wobei die erste Abzweigung 11 einen Eingang für die Verdichtungsvorrichtung 6 bildet. In der Verdichtungsvorrichtung 6 wird der von dem Ring 5 abgezweigte Kühlmittelstrom über eine weitere Verzweigung zum Teil in einen Brennstoffzellenluftkühler 12 und zum anderen Teil in einen Kompressor 13 geführt. In dem Kompressor 13 wird die von außen angesaugte Luft, die dem Brennstoffzellenstapel 2 als Oxidant zugeführt wird, insbesondere lastabhängig verdichtet, wobei aufgrund der Verdichtung eine Temperaturerhöhung der Luft erfolgt. Zur Reduzierung der Temperatur werden zum einen in dem Kompressor 13, der beispielsweise als Schraubenverdichter ausgebildet ist, mechanische Bauteile, die mit der zu komprimierenden Luft in thermischen Kontakt kommen, insbesondere die Schraubenläufer, durch das Kühlmittel gekühlt. Zur weiteren Reduzierung der Temperatur wird die komprimierte und vorgekühlte Luft durch einen Brennstoffzellenluftkühler 12 geführt, welcher ebenfalls durch das Kühlmittel aktiv gekühlt ist.
• Nach dem Brennstoffzellenluftkühler 12 und dem Kompressor 13 ist jeweils eine Drossel 14 angeordnet, mit der der Durchfluss des Kühlmittels durch den Brennstoffzellenluftkühler 12 bzw. den Kompressor 13 statisch oder dynamisch einstellbar ist. Nach den Drosseln 14 werden die beiden Teilströme wieder zusammengeführt und über ein erstes Ventil aKwY-Lki (Aktuator Kühlwasserventil-Luftkühlung in) in den Ring 5 im Bereich des Zulaufs in den Brennstoffzellenstapel 2 geleitet. Das erste Ventil aKwY-Lki weist einen Ventilantrieb auf, so dass der Durchfluss des Kühlmittels durch die erste Verbindungsleitung und somit durch die Verdichtungsvorrichtung 6 einstellbar und/oder steuerbar ist.
• Nach der ersten Abzweigung 11 wird der verbleibende Kühlmittelstrom in dem Ring 5 bis zu einer zweiten Abzeigung 15 geleitet, die wieder einen Teil des Kühlmittelstroms aus dem Ring 5 auskoppelt und der Ionentauschervorrichtung 7 zuführt. Die Ionentauschervorrichtung 7 dient insbesondere zur Entfernung störender Ionen in dem Kühlmittel und ergänzend insbesondere zur Demineralisierung des Kühlmittels. Nach der Ionentauschervorrichtung 7 wird das Kühlmittel über eine weitere Drossel 14 zur dynamischen oder statischen Einstellung des Durchflusses in den Ring 5 in Strömungsrichtung vor der Kühlmittelrückführung aus der Verdichtungsvorrichtung 6 zurückgeführt.
• Bei einer alternativen Ausführungsform kann die über die erste Abzweigung 11 angeschlossene Verdichtungsvorrichtung 6 und/oder die über die zweite Abzweigung 15 angeschlossene Ionentauschervorrichtung 7 strömungstechnisch bevorzugt auch in anderer Richtung betrieben werden, so dass die Abzweigung 11 bzw. die Abzweigung 15 einen Abfluss für die Verdichtungsvorrichtung 6 bzw. die Ionentauschervorrichtung 7 bildet.
• Ausgehend von der zweiten Abzweigung 15 und der Strömungsrichtung des Kühlmittels in dem Ring 5 weiter folgend ist eine Kühlmittelpumpe 16 angeordnet, die durch einen Motor M angetrieben wird, wobei der Motor M über eine Steuereinrichtung aKwM-P1 (Aktuator Kühlwassermotor-P1) angesteuert wird. Die Kühlmittelpumpe 16 dient zur Bewegung des Kühlmittels durch den Kühlkreislauf 1.
• Im Ring 5 ist in Strömungsrichtung als nächstes Element insbesondere unmittelbar hinter der Kühlmittelpumpe 16 folgend eine Heizeinrichtung 17 seriell in dem Ring 5 zur Temperaturerhöhung des Kühlmittels angeordnet. Die Anordnung der Heizeinrichtung 17 in Strömungsrichtung des Kühlmittels hinter der Kühlmittelpumpe 16, insbesondere unmittelbar hinter der Kühlmittelpumpe 16, hat sich auch bei anderen Auslegungen von Kühlkreisläufen bewährt. Die Heizeinrichtung 17 wird über eine Steuervorrichtung aKwE-So (Aktuator Kühlwasserenergie-Stack out) gesteuert.
• Im weiteren Verlauf des Rings 5 ist stromabwärts eine dritte Abzweigung 18 vorgesehen, die einen Teilstrom des Kühlmittels über ein zweites Ventil aKwY-Iho (Aktuator Kühlwasserventil-Innenraumheizung-out) zu der Innenraumheizung 8 leitet. Auch das zweite Ventil aKwY-Lko weist einen Ventilantrieb auf, so dass der Durchfluss des Kühlmittels durch die Innenraumheizung 8 insbesondere statisch oder dynamisch steuerbar ist. Die Innenraumheizung 8 ist als Wärmetauscher ausgebildet und dient der Erwärmung des Fahrgastraumes. Nach der Innenraumheizung 8 wird der Kühlmittelstrom stromaufwärts unmittelbar vor dem Rücklauf aus der Ionentauschervorrichtung 7 in den Ring 5 zurückgeführt. Sowohl das erste Ventil aKwY-Lki als auch das zweite Ventil aKwY-Lko sind im normalen Betrieb offen (normally open).
• In dem Ring 5 in Strömungsrichtung nach der dritten Abzweigung 18 ist eine vierte Abzweigung 19 angeordnet, die einen Teilstrom in die Bypassleitung 9 leitet. Der nicht abgezweigte Reststrom des Kühlmittels gelangt in den Wärmetauscher 10, wird dort gekühlt und dem Ring 5 folgend in einen ersten Eingang 20 eines 3-Wegeventils 21 geleitet, an dessen zweiten Eingang 22 die Bypassleitung 19 angeschlossen ist. Der Ausgang 23 des 3-Wegeventils führt das Kühlmittel über den Ring 5 wieder zu dem Brennstoffzellenstapel 2 zurück.
• In Strömungsrichtung vor und nach dem Wärmetauscher 10 ist jeweils eine Messvorrichtung KwT-Kü1i (Kühlwassertemperatur-Kühler in) bzw. KwT-Kü1o (Kühlwassertemperatur-Kühler out) zur Messung der Ein- bzw. Ausgangstemperatur des Kühlmittels angeordnet. Der Wärmetauscher 10 wird optional durch Lüfter aLR-Lü1 und aLR-Lü1 (Aktuator Luftregelung-Lüfter 1 bzw. 2) gekühlt.
• Das 3-Wegeventil 21 dient dazu, ungekühltes Kühlmittel aus der Bypassleitung 9 mit gekühltem Kühlmittel aus dem Radiator 10 zu mischen. Je nach Mischungsverhältnis der beiden Teilströme ist es möglich eine Temperatur zwischen der Temperatur des gekühlten und des ungekühlten Kühlmittels zu erhalten und über den Ausgang 23 dem Brennstoffzellenstapel 2 zuzuführen. Die Änderung des Mischungsverhältnisses kann durch Ansteuerung des 3-Wegeventils über eine Steuervorrichtung aKwR-Si (Aktuator Kühlwasserregelung-Stack in) mit geringem Energieaufwand und hochdynamisch gesteuert werden.
• Die Ansteuerung des 3-Wegeventils 21 erfolgt auf Basis einer vorgegebenen Soll-Temperatur für das Kühlmittel am Kühlmitteleingang 4 des Brennstoffzellenstapels 2, wobei eine Kontrolleinrichtung auf Basis der Soll-Temperatur durch Ansteuerung des 3-Wegeventils 21 die Kühlmitteltemperatur nachregelt oder -steuert. Bei komplexeren Kontrolleinrichtungen werden als weitere Eingangsgrößen die Messgrößen von einigen oder von allen in der 1 gezeigten Messvorrichtungen berücksichtigt. Optional ist vorgesehen, dass die Kontrolleinrichtung neben dem 3-Wegeventil 21 einige oder alle der Aktuatoren in 1, insbesondere die Lüfter steuert und/oder regelt.
• Als weitere Komponenten weist der Kühlkreislauf unmittelbar vor dem Kühlmitteleingang 3 einen Filter 24 und nach der Kühlmittelpumpe 16 eine Überdruckeinrichtung 25 auf, die beispielsweise ab einem Überdruck von 0,8 bar öffnet.

1

Kühlkreislauf

2

Brennstoffzellenstapel

3

Kühlmitteleingang

4

Kühlmittelausgang

5

Ring

6

Verdichtungsvorrichtung

7

Ionentauschervorrichtung

8

Innenraumheizung

9

Bypassleitung

10

Wärmetauscher

11

erste Abzweigung

12

Brennstoffzellenluftkühler

13

Kompressor

14

Drossel

15

zweite Abzweigung

16

Kühlmittelpumpe

17

Heizeinrichtung

18

dritte Abzweigung

19

vierte Abzweigung

20

erster Eingang des 3-Wegeventils

21

3-Wegeventil

22

zweiter Eingang des 3-Wegeventils

23

Ausgang des 3-Wegeventils

24

Filter

25

Überdruckeinrichtung

Claims (13)

1. Verdichtungsvorrichtung (6) für einen Brennstoffzellenstapel (2), wobei die Verdichtungsvorrichtung (6) zur Verdichtung eines Oxidanten ausgebildet ist, mit einer Kompressorvorrichtung (13) zur Kompression des Oxidanten und mit einer Oxidantenkühlungsvorrichtung (12) zur Kühlung des komprimierten Oxidanten, wobei Kompressorvorrichtung (13) und Oxidantenkühlungsvorrichtung (12) an einem gemeinsamen Kühlmittelkreis (1) angeschlossen sind.
2. Verdichtungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kompressorvorrichtung (13) und die Oxidantenkühlungsvorrichtung (12) in dem Kühlmittelkreis (1) strömungstechnisch parallel zueinander angeschlossen sind.
3. Verdichtungsvorrichtung (6) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoffzellenstapel (2) strömungstechnisch parallel zu der Oxidantenkühlungsvorrichtung (12) angeordnet ist.
4. Verdichtungsvorrichtung (6) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoffzellenstapel (2) strömungstechnisch parallel zu der Oxidantenkühlungsvorrichtung (12) und/oder der Kompressorvorrichtung (13) und/oder weiteren Komponenten angeordnet ist.
5. Verdichtungsvorrichtung (6) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kompressorvorrichtung (13) eine Wasserinjektionskühlung aufweist.
6. Verdichtungsvorrichtung (6) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kompressionsvorrichtung (13) als Trockenlaufverdichter ausgebildet ist.
7. Verdichtungsvorrichtung (6) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kompressionsvorrichtung (13) nach dem Verdrängerprinzip arbeitet.
8. Verdichtungsvorrichtung (6) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kompressionsvorrichtung (13) als Schraubenverdichter ausgebildet ist.
9. Verdichtungsvorrichtung (6) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Schraubenläufer in dem Schraubenverdichter (13) gekühlt ist.
10. Verdichtungsvorrichtung (6) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Oxidantenkühlungsvorrichtung (12) als Wärmetauscher ausgebildet ist.
11. Verdichtungsvorrichtung (6) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung zwischen dem Kühlmitteleingang für die Verdichtungsvorrichtung und dem Kühlmitteleingang für den Brennstoffzellenstapel (3) abzweigungsfrei ausgebildet ist.
12. Verdichtungsvorrichtung (6) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, der Durchfluss durch die Kompressorvorrichtung (13) und/oder durch die Oxidantenkühlungsvorrichtung (12) durch Drosselvorrichtungen einstellbar und/oder steuerbar sind.
13. Verdichtungsvorrichtung (6) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdichtungsvorrichtung (6) eine Ventilvorrichtung (aKwY-Lki) aufweist, die zur Absperrung des Kühlmitteldurchflusses durch die Verdichtungsvorrichtung (6) unabhängig und/oder entkoppelt von dem Kühlmitteldurchfluss durch den Brennstoffzellenstapel (2) ausgebildet und/oder angeordnet ist.