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Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem mit wenigstens einer Brennstoffzelle, nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.
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Aus dem allgemeinen Stand der Technik sind Brennstoffzellensysteme bekannt, bei welchen wenigstens eine Brennstoffzelle, welche beispielsweise als PEM-Brennstoffzellenstapel ausgebildet ist, über eine Luftfördereinrichtung mit Luft versorgt wird, um den darin enthaltenen Sauerstoff in der Brennstoffzelle zu nutzen. Dabei ist es außerdem bekannt, dass die aus dem Kathodenraum abströmende Luft über eine Turbine entspannt werden kann, um so Druckenergie und/oder thermische Energie aus dem Abgas des Kathodenraums zurückzugewinnen.
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Ferner ist es bekannt, den Aufbau aus Luftfördereinrichtung und Turbine zusammen mit einer elektrischen Maschine zu einem sogenannten elektrischen Turbolader (ETC = Electric Turbo Charger) zu kombinieren. Ein solcher ETC fördert typischerweise über einen Strömungsverdichter die Luft zu einem Kathodenraum der Brennstoffzelle, während die aus dem Kathodenraum abströmende Abluft in der Turbine des ETC entspannt wird. Die Turbine ist dann in der Lage, die anfallende Leistung Energie entweder der Luftfördereinrichtung direkt zur Verfügung zu stellen, oder falls mehr Leistung anfällt, als die Luftfördereinrichtung benötigt, diese in der elektrischen Maschine, in einem generatorischen Betrieb, in elektrische Leistung umzusetzen. Diese elektrische Leistung kann dann anderweitig genutzt oder in einer Batterie und/oder Hochleistungskondensatoren zwischengespeichert werden. In Betriebssituationen, in denen die an der Turbine anfallende Leistung nicht ausreicht, um die Luftfördereinrichtung zu betreiben, kann diese außerdem über die elektrische Maschine, dann im motorischen Betrieb, angetrieben werden. Fällt dabei zusätzlich Leistung an der Turbine an, so kann durch diese anfallende Leistung die elektrische Antriebsleistung, welche durch die elektrische Maschine aufgebracht werden muss, entsprechend reduziert werden.
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Ferner ist es aus der nicht vorveröffentlichten deutschen Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen
DE 10 2009 009 673.6 bekannt, dass in Strömungsrichtung des Abgases aus dem Kathodenraum ein Brenner zur Erwärmung des Abluftstroms vor der Turbine angeordnet wird. In diesem Brenner, in welchem beispielsweise Abgas aus einem Anodenraum der Brennstoffzelle und/oder zusätzlicher Brennstoff umgesetzt werden kann, kann der thermische Energieinhalt des Abluftstroms erhöht werden, sodass dieser in der Turbine in Bewegungsenergie für die Luftfördereinrichtung und/oder die elektrische Maschine im Generatorbetrieb umgesetzt werden kann.
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Es ist nun die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung, den Betrieb eines Brennstoffzellensystems mit den im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Merkmalen dahingehend zu verbessern, dass eine bessere Ausnutzung der eingesetzten Energie erfolgen kann.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Unteransprüchen.
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Erfindungsgemäß ist es nun vorgesehen, dass ein Wärmetauscher beziehungsweise Rekuperator vorgesehen ist, welcher von der Abluft der Turbine einerseits und von dem Abluftstrom in Strömungsrichtung vor dem Brenner andererseits durchströmt ist. Die immer noch warme Abluft der Turbine wird also genutzt, um den Abluftstrom der Brennstoffzelle, welcher in den Brenner strömt, entsprechend vorzuwärmen. Durch diese Vorwärmung wird in dem Brenner ein höherer Eintrag an Energie ermöglicht, sodass Abwärme, welche ansonsten ungenutzt mit der Abluft der Turbine aus dem Brennstoffzellensystem entweicht, gewinnbringend zur Leistungssteigerung im Bereich der Turbine und zum Antrieb eines Bauteils durch die Turbine, beispielsweise einer Luftfördereinrichtung, einer elektrischen Maschine im generatorischen Betrieb oder Ähnlichem, eingesetzt werden kann. Die erfindungsgemäße Verschaltung schafft also eine bestmögliche Ausnutzung der in dem Brennstoffzellensystem vorhandenen Energie.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems weist dieses außerdem einen Ladeluftkühler auf, welcher von der Zuluft zum Kathodenraum in Strömungsrichtung nach der Luftfördereinrichtung einerseits und von dem Abluftstrom in Strömungsrichtung vor dem Brenner andererseits durchströmt ist. Dieser besonders einfache und kompakte Aufbau erlaubt es damit, mit einem Gas-Gas-Wärmetauscher die Zuluft zu dem Brennstoffzellensystem, welche sich in der Luftfördereinrichtung erhitzt hat, zu kühlen, um so die Brennstoffzelle selbst, insbesondere wenn diese PEM-Brennstoffzellenstapel ausgebildet ist, vor zu heißer Zuluft zu schützen. Die der Zuluft entnommene Wärme, welche durch die Luftfördereinrichtung in die Zuluft eingebracht wurde, wird dann auf den Abluftstrom übertragen, bevor dieser in den Brenner strömt. Auch dies erhöht die Temperatur des Abluftstroms zusätzlich, sodass zumindest ein Teil der thermischen Energie durch die Turbine wieder genutzt werden kann.
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In einer weiteren sehr vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems ist es außerdem vorgesehen, dass der Wärmetauscher und der Ladeluftkühler in einem integrierten Bauteil ausgeführt sind. Dieses integrierte Bauteil erlaubt es dann, die Funktionalität beider Wärmetauscher zu vereinen, um so ein außerordentlich kompaktes Brennstoffzellensystem zu schaffen, und das integrierte Bauteil möglichst einfach in das Packaging des Brennstoffzellensystems einplanen zu können.
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Gemäß einer sehr günstigen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems ist in das integrierte Bauteil ferner ein Wasserabscheider am Einlass für den Abluftstrom integriert. Ein solcher Wasserabscheider kann flüssiges Wasser aus dem Abluftstrom des Kathodenraums der Brennstoffzelle abscheiden und so verhindern, dass flüssige Tröpfchen in den Bereich des Wärmetauschers gelangen. Damit lässt sich durch den Wasserabscheider das Verstopfen der Kanäle des Wärmetauschers vermeiden und es ist eine gleichmäßige Durchströmung und ein guter Wärmeübertrag gesichert.
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In einer sehr vorteilhaften Weiterbildung hiervon ist es außerdem vorgesehen, dass der Wasserabscheider in den Bereich der Abluft der Turbine entleerbar ist. Diese Entleerung in den Abluftstrom kann dabei sowohl vor als auch nach dem Wärmetauscher erfolgen. Aus energetischen Gründen ist es besonders sinnvoll, das Wasser in die Abluft der Turbine nach dem Wärmetauscher einzubringen. Dann entzieht das Wasser, welches gegebenenfalls in der Abluft verdampft, dieser keine Energie, welche durch den Wärmetauscher auf den Abluftstrom zum Brenner übertragen und damit noch nutzbringend verwendet werden könnte. Andererseits kann sinnvoll sein, zumindest ein Teil des abgelassenen Wassers zu verdampfen, um das Austreten von flüssigem Wasser aus dem Brennstoffzellensystem zu verhindern. Dies ist insbesondere bei Einsatz des Brennstoffzellensystems in Fahrzeugen von entscheidendem Vorteil, da hier keine Benetzung der Straßen mit flüssigem Wasser erfolgen sollte, da dieses bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts gefrieren könnte.
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In einer weiteren sehr vorteilhaften Ausgestaltung hiervon kann es daher vorgesehen sein, dass das Wasser aus dem Wasserabscheider über eine Düse in die Abluft einbringbar ist. Über eine solche Düse, beispielsweise eine Zweistoffdüse, könnte dieses entsprechend zerstäubt werden. Auch dadurch kann das Austreten von „flüssigem” Wasser aus dem Brennstoffzellensystem verhindert werden, da dieses nun zumindest fein verteilt vorliegt und so eine beispielsweise von einem mit dem Brennstoffzellensystem ausgerüsteten Fahrzeug befahrene Straße nicht benetzt.
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In einer weiteren sehr günstigen Weiterbildung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems ist es ferner vorgesehen, dass in das integrierte Bauteil eine Ventileinrichtung zur Verbindung der Zuluftseite mit der Abluftseite integriert ist. Eine solche Ventileinrichtung, welche auch als Systembypassventil bezeichnet wird, kann vorgesehen sein, um die Zuluftseite nach der Luftfördereinrichtung mit der Abluftseite vor der Turbine zu verbinden. Das Systembypassventil kann beispielsweise genutzt werden, um im Stillstand des Systems einen Weg für eindringende Luft zu schaffen, welcher mit vergleichsweise geringem Druckverlust an die Umgebung führt. Damit lässt sich ein Durchströmen des Kathodenraums der Brennstoffzelle selbst verhindern beziehungsweise der durch den Kathodenraum strömende Volumenstrom wird stark verringert. Dies kann beispielsweise beim (vorübergehenden) Abschalten eines Brennstoffzellensystems von Vorteil sein. Die Integration einer solchen Ventileinrichtung in das integrierte Bauteil weist dann wiederum den Vorteil auf, dass Bauraum eingespart wird, und an einer Stelle, an der die Gasströme ohnehin sehr dicht beieinander geführt werden, eine vergleichsweise einfache Verbindung zwischen diesen geschaffen werden kann.
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In einer weiteren sehr vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems kann es außerdem vorgesehen sein, dass in das integrierte Bauteil ein Befeuchter integriert ist, welchen der Zuluftstrom zum Kathodenraum der Brennstoffzelle durch für Wasserdampf durchlässige Membranen vom Abluftstrom vor dem Wärmetauscher getrennt, durchströmt. Somit lässt sich bei Brennstoffzellen, welche beispielsweise als PEM-Brennstoffzellenstapel ausgeführt sind, eine gegebenenfalls notwendige Befeuchtung der Zuluft ebenfalls in das integrierte Bauteil mit aufnehmen. Der an sich bekannte Befeuchter wird dabei baulich in das integrierte Bauteil integriert, um so einen sehr kompakten und hinsichtlich des Packagings günstigen Aufbau in einem einzigen integrierten Bauteil zu schaffen.
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Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem kann also ausgesprochen energieeffizient und kompakt aufgebaut werden. Es ist damit prädestiniert, um als Brennstoffzellensystem in ein Transportmittel integriert zu werden. Eine besonders bevorzugte Ausgestaltung dieser erfindungsgemäßen Verwendung des Brennstoffzellensystems in einem Transportmittel sieht nun außerdem vor, dass dieses als Kraftfahrzeug ausgebildet ist, und dass das Brennstoffzellensystem zum Antrieb des Kraftfahrzeugs dient.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems sowie seiner Verwendung ergeben sich aus den restlichen abhängigen Unteransprüchen und werden anhand des Ausführungsbeispiels deutlich, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben ist.
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Dabei zeigen:
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1 eine erste mögliche Ausführungsform des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems;
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2 eine zweite mögliche Ausführungsform des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems;
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3 eine dritte mögliche Ausführungsform des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems;
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4 eine vierte mögliche Ausführungsform des erfindungsgemäßen.
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Brennstoffzellensystems;
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5 eine erste mögliche Ausführungsform eines integrierten Bauteils gemäß der Erfindung;
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6 eine zweite mögliche Ausführungsform eines integrierten Bauteils gemäß der Erfindung;
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7 eine dritte mögliche Ausführungsform eines integrierten Bauteils gemäß der Erfindung;
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8 eine vierte mögliche Ausführungsform eines integrierten Bauteils gemäß der Erfindung; und
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9 ein Fahrzeug mit einem Brennstoffzellensystem gemäß der Erfindung.
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In der Darstellung der 1 ist ein Brennstoffzellensystem 1 dargestellt. Es umfasst im Wesentlichen eine Brennstoffzelle 2, welche beispielhaft als Stapel von PEM-Brennstoffzellen aufgebaut sein soll. In der Brennstoffzelle 2 ist ein Kathodenraum 3 dann durch protonenleitende Membranen 4 von einem Anodenraum 5 getrennt. Dem Kathodenraum 3 der Brennstoffzelle 2 wird über eine Luftfördereinrichtung 6, beispielsweise einen Strömungsverdichter, Luft zugeführt, sodass der in der Luft enthaltene Sauerstoff im Kathodenraum genutzt werden kann. Dieser Sauerstoff wird nun durch die Membranen 4 hindurch mit Wasserstoff in Berührung kommen, welcher dem Anodenraum 5 der Brennstoffzelle 2 aus einer Wasserstoffspeichereinrichtung zugeführt wird. Der Wasserstoff aus der Wasserstoffspeichereinrichtung 7 gelangt dabei über ein Wasserstoffventil 8 in der gewünschten Menge und mit dem gewünschten Druck in den Bereich des Anodenraums 5 der Brennstoffzelle 2. Aus dem Anodenraum 5 strömt dann ein Abgas ab. Dieses enthält immer noch eine gewisse Menge an Wasserstoff, alleine schon deshalb, da dem Anodenraum 5 mehr Wasserstoff zur Verfügung gestellt wird, als in diesem umgesetzt werden kann, um die zur Verfügung stehende Oberfläche der Membranen 4 ideal auszunutzen. Dieses Anodenabgas wird nun über eine Rezirkulationsleitung 9 und eine Rezirkulationsfördereinrichtung 10, welche typischerweise als Wasserstoffrezirkulationsgebläse ausgebildet sein kann, in den Anodenraum 5 zurückgeführt und gelangt zusammen mit frischem Wasserstoff aus dem Wasserstoffventil 8 in den Bereich des Anodenraums 5. Neben der Rezirkulationsfördereinrichtung 10 in Form eines Wasserstoffrezirkulationsgebläses wäre alternativ oder ergänzend hierzu beispielsweise eine Gasstrahlpumpe oder dergleichen ebenso denkbar.
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Durch die Rezirkulation des Gasstroms in den Anodenraum 5 reichert sich in diesem mit der Zeit im Anodenraum 5 entstehendes Wasser an. Außerdem reichert sich mit der Zeit Stickstoff an, welcher durch die Membranen 4 hindurch diffundiert und durch die Rezirkulationsfördereinrichtung 10 im Kreislauf um die Anode geführt wird. Je länger der Betrieb der Brennstoffzelle 2 ist, desto größer ist die Menge an Sauerstoff in dem rezirkulierten Gasstrom. Damit sinkt die Konzentration an Wasserstoff und die Leistungsfähigkeit der Brennstoffzelle 2 lässt nach. Von Zeit zu Zeit wird daher dieses überwiegend inerte Gas, welches neben dem Stickstoff außerdem Reste an Wasserstoff enthält, über ein Ablassventil 11 abgelassen. Im hier dargestellten Ausführungsbeispiel gelangt es nach dem Ablassventil 11 über eine Ablassleitung 12 im Bereich einer später noch näher beschriebenen Wasserstoffleitung 13.
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Wie bereits erwähnt, wird dem Anodenraum 3 der Brennstoffzelle 2 über die Luftfördereinrichtung 6 Luft zugeführt. Die Luft gelangt dabei von der Luftfördereinrichtung 6 über eine nur in Teilabschnitten mit Bezugszeichen versehene Zuluftleitung 14, welche in der Darstellung der 1 in zwei Teilabschnitte 14.1 und 14.2 aufgeteilt ist, in den Kathodenraum 3. Zwischen den Teilabschnitten 14.1 und 14.2 der Zuluftleitung sitzt dabei ein Bauteil, welches einen Ladeluftkühler 15 und einen Befeuchter 16 in sich vereint. Die Funktionalität des Bauteils ist nun die, dass die Zuluft in dem Teilabschnitt 14.1 der Zuluftleitung nach der Luftfördereinrichtung 6 vergleichsweise heiß ist, da diese durch die Verdichtung in der Luftfördereinrichtung 6 entsprechend aufgeheizt ist. Diese heiße und trockene Zuluft gelangt dann in den Ladeluftkühler 15 beziehungsweise den Befeuchter 16. Sie wird in diesem Bauteil entsprechend abgekühlt und mit Feuchtigkeit versehen, sodass durch den zweiten Teilabschnitt 14.2 der Zuluftleitung vergleichsweise kühle und feuchte Luft in den Kathodenraum 3 strömt, und dort, ohne die Membranen 4 zu schädigen, entsprechend umgesetzt werden kann. Die an Sauerstoff abgereicherte und mit Produktwasser beladene und wieder sehr feuchte Luft gelangt dann über eine nur in Teilabschnitten mit Bezugszeichen versehene Abluftstromleitung 17 wiederum in den Bereich des Ladeluftkühlers 15 und Befeuchters 16. Sie dient dabei dazu, die heiße und trockene aus der Teilleitung 14.1 der Zuluftleitung stammende Luft entsprechend abzukühlen, wozu ein Teil des Bauteils als Ladeluftkühler 15 in Form eines Wärmetauschers ausgebildet ist. Außerdem gelangt die Feuchtigkeit aus der über den ersten Abschnitt 17.1 der Abluftstromleitung in das auch als Befeuchter 16 genutzte Bauteil. Hierin befinden sich für Wasserdampf durchlässige Membranen, durch welche hindurch das in dem Abluftstrom gasförmig vorliegende Wasser die zum Kathodenraum 3 strömende Zuluft befeuchtet. Der Abluftstrom aus der Teilleitung 17.1 der Abluftstromleitung wird dabei getrocknet und erwärmt. Er strömt dann durch einen zweiten Abschnitt 17.2 der Abluftstromleitung in den Bereich eines Wärmetauschers 18, auf welchen später noch näher eingegangen werden wird. Nach dem Durchströmen des Wärmetauschers 18 gelangt der Abluftstrom über einen dritten Teilabschnitt 17.3 der Abluftstromleitung in den Bereich eines Brenners 19. Dieser Brenner 19 kann beispielsweise als Porenbrenner oder Flammenbrenner ausgebildet sein. In einer besonders günstigen und vorteilhaften Ausgestaltung ist er jedoch als katalytischer Brenner ausgebildet.
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Der in dem Bauteil mit dem Ladluftkühler 15 und dem Befeuchter 16 entfeuchtete und aufgewärmte Abluftstrom gelangt also über den Wärmetauscher 18 in den Bereich des Brenners 19. In diesem Bereich des Brenners 19 reagiert der in ihm enthaltene Restsauerstoff mit Wasserstoff, welcher über die Wasserstoffleitung 13 entweder aus der Ablassleitung 12 und dem Ablassventil 11 in den Bereich des Brenners 19 einströmt und/oder ergänzt durch Wasserstoff, welcher über ein Dosierventil 20 aus dem Bereich der Wasserstoffspeichereinrichtung 7 in die Wasserstoffleitung 13 einströmt. Dieser Wasserstoff beziehungsweise das wasserstoffhaltige Abgas aus dem Bereich des Anodenraums 5 reagieren dann in dem Brenner mit dem restlichen in dem Abluftstrom enthaltenen Sauerstoff und erwärmen dadurch den Abluftstrom weiter. Dieser gelangt dann über einen weiteren Teilabschnitt 17.4 der Abluftstromleitung 17 in den Bereich einer Turbine 21. Im Bereich dieser Turbine 21 wird der mittlerweile aufgeheizte Abluftstrom in der Abluftstromleitung 17 dann entspannt, sodass sowohl thermische Energie als auch Druckenergie, welche in dem Abluftstrom 17 vorhanden ist, über die Turbine 21 in mechanische Leistung umgewandelt werden kann.
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Nachdem der Abluftstrom in der Turbine entspannt ist, gelangt er über eine nur in Teilabschnitten mit einem Bezugszeichen versehene Abluftleitung 22 an die Umgebung des Brennstoffzellensystems 1. Die Abluftleitung 22 ist dabei in einen ersten Teilabschnitt 22.1 und einen zweiten Teilabschnitt 22.2 aufgeteilt. Zwischen diesen Teilabschnitten 22.1 und 22.2 sitzt der bereits erwähnte Wärmetauscher 18. Dieser ist als Gas-Gas-Wärmetauscher ausgebildet und dient nun dazu, über die restliche thermische Energie in der Abluft der Turbine 21 den Abluftstrom auf dem Weg zum Brenner 19 vorzuwärmen. Damit wird eine maximale Nutzung der in dem Brennstoffzellensystem 1 anfallenden thermischen Energie durch die Turbine 21 gewährleistet.
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Die Turbine 21 ist zur Nutzung der zurückgewonnen Energie über eine Welle 23 mit der Luftfördereinrichtung 6 ebenso verbunden, wie mit einer elektrischen Maschine 24. Dieser Aufbau wird häufig auch als elektrischer Turbolader 25 oder ETC bezeichnet. Er dient in an sich bekannter Art und Weise dazu, Leistung, welche über die Turbine 21 anfällt, zum Betrieb der Luftfördereinrichtung 6 zu nutzen. Fällt an der Turbine 21 mehr Leistung an, als die Luftfördereinrichtung 6 benötigt, so kann die elektrische Maschine 24 als Generator betrieben werden. Die so erzeugte elektrische Leistung kann dann anderweitig genutzt oder eingespeichert werden. In Situationen, in denen die Turbine 21 nicht genügend Leistung liefert, um die Luftfördereinrichtung 6 alleine anzutreiben, kann über die elektrische Maschine 24, dann im motorischen Betrieb, Leistung zum Antrieb der Luftfördereinrichtung 6 zugeführt werden.
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In der Darstellung der 2 ist ein vergleichbares Brennstoffzellensystem in einer alternativen Ausführungsform nochmals dargestellt. Die Darstellung des Brennstoffzellensystems 1 gemäß 2 unterscheidet sich dabei von der soeben beschriebenen Darstellung an den nachfolgend näher beschriebenen Stellen, wobei auf die Bauteile und Bezugszeichen, welche unverändert bleiben, nicht nochmals näher eingegangen wird.
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In der Darstellung des Brennstoffzellensystems 1 gemäß 2 ist es nun so, dass der Ladeluftkühler 15 und der Befeuchter 16 als zwei diskrete Bauteile ausgeführt sind. Dafür ist der Wärmetauscher 18 baulich in den Ladeluftkühler 15 mit integriert, sodass hier ein integriertes Bauteil 26 entsteht. Im Bereich dieses integrierten Bauteils 26 finden dann die Wärmeübergänge sowohl von dem Zuluftstrom auf den Abluftstrom als auch von der Abluft auf den Abluftstrom statt. Anders als in der Darstellung der 1 ist die Zufuhr des Wasserstoffs, entweder aus dem Anodenraum 5 oder der Wasserstoffspeichereinrichtung 7 über die Wasserstoffleitung 13 hier so gestaltet, dass die Wasserstoffleitung 13 im Teilabschnitt 17.3 der Abluftstromleitung in den Abluftstrom mündet. Der Wasserstoff gelangt also vermischt mit dem Abluftstrom in den Brenner 19 und kann hier – insbesondere katalytisch – in thermische Energie umgesetzt werden. Der Aufbau bietet dabei den Vorteil, dass die wärmetauschende Funktionalität des Wärmetauschers 18 und des Ladeluftkühlers 15 in ein einziges Bauteil integriert ist, sodass weniger Aufwand bei der Herstellung und der Montage des Brennstoffzellensystems 1 entsteht. Außerdem lässt sich das System so kompakter aufbauen.
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In der Darstellung der 3 ist nun ein ähnlicher Aufbau eines Brennstoffzellensystems 1 nochmals zu erkennen. Wie bereits bei der Beschreibung zur 2 wird auch hier nur auf die Elemente und Bauteile eingegangen, welche sich gegenüber den oben dargestellten Figuren unterscheiden.
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Der Aufbau des Brennstoffzellensystems 1 gemäß 3 sieht nun wieder ein integriertes Bauteil 26 vor, welches hier neben dem Ladeluftkühler 15 auch wieder den Befeuchter 16 enthalten soll. Außerdem ist in das integrierte Bauteil 26 der Wärmetauscher 18 in der in 2 beschriebenen Art integriert. Zusätzlich zu diesen Bauteilen kann hier optional auch der Brenner 19 mit in das integrierte Bauteil 26 integriert werden, eine alternative Ausgestaltung mit einem nicht in das integrierte Bauteil 26 integrierten Brenner 19 wäre ebenso denkbar. Als weiterer Unterschied ist nun die Wasserstoffleitung 13 vor diesem integrierten Bauteil in den ersten Teilabschnitt 17.1 der Abluftstromleitung 17 geführt. Anders als bei den bisher dargestellten Ausführungsbeispielen ist die Wasserstoffleitung 13 dabei nicht mit der Ablassleitung 12 zusammengeführt, sondern diese mündet eigenständig ebenfalls in den ersten Abschnitt 17.1 der Abluftstromleitung 17. Der Aufbau sieht also vor, dass ein Gemisch aus Abluftstrom und Wasserstoff beziehungsweise wasserstoffhaltigem Abgas des Anodenraums 5 in das integrierte Bauteil einströmt und in dem ebenfalls integrierten Brenner 19 dann entsprechend umgesetzt wird.
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In der Darstellung der 4 ist eine weitere mögliche Ausführungsform des Brennstoffzellensystems 1 zu erkennen. Dieses entspricht im Wesentlichen der im Rahmen der 3 besprochenen Darstellung. Wie bereits bei der Beschreibung der beiden vorhergehenden Figuren sind auch hier wieder nur die Elemente und Bauteile näher beschrieben, welche sich gegenüber den bereits erläuterten Ausführungsformen des Brennstoffzellensystems 1 unterscheiden.
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So ist in dem Brennstoffzellensystem 1 der 4 beispielsweise zu erkennen, dass die Ablassleitung 12 nicht in die Abluftstromleitung 17 beziehungsweise einen ihrer Teilabschnitte mündet. Vielmehr ist die Ablassleitung 12 mit dem Ablassventil 11 so ausgebildet, dass diese in den Zuluftstrom, und hier in den Teilabschnitt 14.2 der Zuluftleitung mündet. Der in dem abgelassenen Gasstrom enthaltene Restwasserstoff wird dann an den Elektrokatalysatoren des Kathodenraums 3 der Brennstoffzelle 2 umgesetzt, ohne direkt in den Abluftstrom zu gelangen. Auch ein derartiger Aufbau ist bei Brennstoffzellensystemen 1 an sich bekannt und üblich.
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Außerdem sind in das integrierte Bauteil 26 hier noch ein Wasserabscheider 27 sowie eine Ventileinrichtung 28 mit integriert. Der Wasserabscheider 27 ist dabei bevorzugt im Bereich des aus dem Kathodenraum 3 in das integrierte Bauteil 26 einströmenden Abluftstroms angeordnet. Er dient dazu, flüssige Tröpfchen abzuscheiden, um ein Verstopfen der Kanäle der Wärmetauscher des integrierten Bauteils 26 zu verhindern. Das Wasser, welches sich in dem Wasserabscheider 27 sammelt, gelangt dann über eine Wasserleitung 29 in den Bereich 22.2 der Abluftleitung. Es wird dann zusammen mit der Abluft aus dem Brennstoffzellensystem 1 ausgetragen. Beispielsweise beim Einsatz in Fahrzeugen oder auch anderen Transportmitteln kann der Austrag von flüssigem Wasser aus dem Brennstoffzellensystem 1 unerwünscht sein. In diesem Fall kann, wie in der Darstellung der 4 vorgesehen, eine Düse 30 im Teilabschnitt 22.2 der Abluftleitung 22 angeordnet sein. Über diese Düse 30 kann das flüssige Wasser dann in der Abluft zerstäubt werden, beispielsweise in der Art, dass das Wasser einer Zweistoffdüse zugeführt wird, welche von der Abluft durchströmt wird. Durch das Zerstäuben des Wassers entsteht dann eine feine Verteilung desselben in der Abluft, sodass kein unmittelbar flüssiges Wasser aus dem Brennstoffzellensystem 1 austritt, sondern dieses fein verteilt in der Abluft vorliegt. Damit wird ein Benetzen einer beispielsweise unterhalb des Brennstoffzellensystems 1 angeordneten Oberfläche mit Flüssigkeit verhindert.
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Außerdem weist das integrierte Bauteil 26 die bereits erwähnte Ventileinrichtung 28 auf. Diese dient dazu, die Zuluftleitung 14 mit der Abluftstromleitung 17 zu verbinden. Sie wird auch als Systembypassventil 28 bezeichnet. Sie kann in das integrierte Bauteil 26 integriert ausgeführt sein, da hier die beiden Ströme, also der Zuluftstrom und der Abluftstrom, vergleichsweise dicht beieinander geführt werden. Durch ein Öffnen der Ventileinrichtung 28 kann verhindert werden, dass Luft oder zu viel Luft in den Kathodenraum 3 der Brennstoffzelle 3 eintritt. Dies kann insbesondere beim Abstellen des Brennstoffzellensystems 1 beim Wechsel in einen Bypasszustand des Brennstoffzellensystems 1, zur schnellen Regelung der Zuluftmenge oder dergleichen sinnvoll sein.
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In den Darstellungen der 5 bis 8 sind nun verschiedene Möglichkeiten zur Ausführung des integrierten Bauteils 26 dargestellt. Dieses soll in den bevorzugten Ausführungsformen dabei jeweils als dreigängiger Gegenstromwärmetauscher ausgebildet sein. Die Ausführung kann dabei insbesondere in der Art eines Plattenwärmetauschers realisiert werden. Der Abluftstrom aus dem Kathodenraum 3 strömt dabei, wie durch die Leitungselemente 17.1 und 17.4 der Abluftstromleitung dargestellt, wie bei einem Standard-Plattenwärmetauscher in einen der beiden Gasräume und dort durch die jeweiligen Kanäle beziehungsweise Ebenen. Er wird zunächst von dem im Gegenstrom dazu geführten Zuluftstrom aus der Leitung 14.1 nach der Luftfördereinrichtung 6 entsprechend erwärmt und anschließend durch die Abluft nach der Turbine in der Abluftleitung 22 beziehungsweise ihren Abschnitten 22.1 und 22.2. Die Trennung der jeweils dazwischenliegende Ebene, zu denen eine Abdichtung des Zuluftstromraums gegenüber dem Abluftstromraum erfolgt, ist in den Darstellungen der 5 bis 8 jeweils durch eine gestrichelte Linie eingezeichnet. Der Aufbau und der Fertigungsprozess des integrierten Bauteils 26 kann sich dabei an der an sich bekannten Herstellung von Plattenwärmetauschern im Gegenstrom- oder Kreuzstromverfahren orientieren. Ein Anschluss der einzelnen Gasräume kann beispielsweise in verschiedenen Abschnitten oder auf verschiedenen Seiten eines solchen Stapels aus Platten realisiert werden. Dabei sind je nach gewünschter Baugröße und vorgegebenen für das Packaging des integrierten Bauteils 26 verfügbaren Bauvolumen die in den 5 bis 8 dargestellten verschiedenen Varianten beispielhaft denkbar. Selbstverständlich sind andere konstruktive Ausgestaltungen des integrierten Bauteils 26 ebenso möglich und denkbar.
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Da das Brennstoffzellensystem 1 in den oben aufgeführten Ausführungsformen nun entsprechend kompakt baut und energieeffizient betrieben werden kann, bietet es sich an, um in einem Transportmittel, beispielsweise einem Kraftfahrzeug 31, eingesetzt zu werden. Ein solches Kraftfahrzeug 31 ist beispielhaft in der Darstellung der 9 zu erkennen. Es umfasst ein Brennstoffzellensystem 1, welches gemäß einem der oben dargestellten Ausführungsbeispiele realisiert ist. Es ist in der Darstellung der 9 lediglich als Box dargestellt. Das Brennstoffzellensystem 1 gibt dabei elektrische Leistung an eine Elektronikeinheit 32 ab, welche diese elektrische Leistung zum Antrieb des Fahrzeugs an eine elektrische Maschine 33 verteilt. Außerdem können andere elektromotorische Verbraucher, insbesondere die elektrische Maschine 24 mit der Elektronikeinheit 32 gekoppelt sein, wobei auf eine explizite Darstellung hier verzichtet wurde. Außerdem kann in dem Fahrzeug 31 ein elektrischer Energiespeicher 34 vorgesehen sein, welcher beispielsweise als Batterie oder in Form von Hochleistungskondensatoren ausgebildet ist. Auch eine Kombination dieser Bauteile in dem elektrischen Energiespeicher 34 ist denkbar. Der elektrische Energiespeicher 34 kann dann überschüssige Energie, welche beispielsweise für das Brennstoffzellensystem 1 produziert und von dem Fahrmotor 33 nicht abgenommen werden kann, zwischenspeichern. Außerdem kann in dem elektrischen Energiespeicher 34 Energie zwischengespeichert werden, welche durch die elektrische Maschine 24 dann erzeugt wird, wenn an der Turbine 21 mehr Leistung anfällt, als von der Luftfördereinrichtung 6 benötigt wird. Ferner kann auch elektrische Energie in der Energiespeichereinrichtung 34 gespeichert werden, welche beim Abbremsen des Fahrzeugs 31 anfällt, wenn hierzu der elektrische Fahrmotor 33 im generatorischen Betrieb betrieben wird, um mit seinem Schleppmoment das Fahrzeug 31 zu bremsen.
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Der Aufbau gemäß der Erfindung weist nun außerdem den Vorteil auf, dass bei einem eventuellen Ausfall des Brennstoffzellensystems 1 über den Brenner 19 und Wasserstoff aus der Wasserstoffspeichereinrichtung 7 sowie über die Luftfördereinrichtung 6 zugeführter Luft elektrische Energie über die Turbine 21 und die elektrische Maschine 24 im generatorischen Betrieb erzeugt werden kann. Diese elektrische Energie könnte dann über die Elektronikeinheit 32 zum Antrieb des Fahrmotors 33 genutzt werden, sodass ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Ausgestaltung des Brennstoffzellensystems 1 darin liegt, dass ein Notbetrieb des Fahrzeugs auch bei einem Ausfall der Brennstoffzelle 2 möglich wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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