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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Brennstoffversorgung eines Antriebsaggregats mit den im Oberbegriff von Anspruch 1 genannten Merkmalen. Außerdem betrifft die Erfindung die Verwendung einer derartigen Vorrichtung.
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Aus der
DE 101 54 637 A1 ist es bekannt, Druckenergie, aus einem Gasdruckspeicher für ein Antriebsaggregat, mittels einer Turbine beim Entspannen des gasförmigen Brennstoffs aus dem Druckgasspeicher zu nutzen. In der genannten Schrift sind dabei vielfältige Arten zur Nutzung der dabei gewonnenen mechanischen Leistung beschrieben, beispielsweise zum (unterstützenden) Antrieb eines Verdichters oder dergleichen.
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Aus der
DE 10 2006 003 799 A1 ist außerdem ein Aufbau bekannt, bei dem Druckgas aus einem Wasserstoffspeicher, welches einer Brennstoffzelle als Antriebsaggregat zugeführt wird, über eine Turbine entspannt wird. Die Turbine treibt dabei ein Wasserstoffrezirkulationsgebläse an, welches unverbrauchtes Anodenabgas der Brennstoffzelle zum erneuten Einströmen in den Anodenbereich der Brennstoffzelle zurückführt.
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Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung ist es nun, einen derartigen Aufbau dahingehend weiterzuentwickeln, dass er sowohl energetisch als auch hinsichtlich benötigter Bauelemente weiter verbessert wird.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst.
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Der Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor, dass zwischen der Einrichtung zum Entspannen des gasförmigen Brennstoffs und dem Antriebsaggregat ein Wärmetauscher angeordnet ist, in welchem der entspannte gasförmige Brennstoff in wärmeleitendem Kontakt zu einem zu kühlenden Medium und/oder zu zu kühlenden Komponenten oder Bauteilen steht.
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Aus den allgemeinen physikalischen Grundlagen ist es bekannt, dass ein Gas beim Entspannen sehr stark abkühlt. Um nun in dem Antriebsaggregat ein Gas mit entsprechend hoher Temperatur bereitstellen zu können, um so die Temperaturdifferenz nicht erst bei der Verbrennung beziehungsweise Umsetzung aufbringen zu müssen, kann durch den erfindungsgemäßen Aufbau eine Erwärmung des entspannten gasförmigen Brennstoffs über den Wärmetauscher erfolgen. Die Energieausbeute durch das Antriebsaggregat lässt sich somit steigern. Außerdem kann in einem Synergieeffekt durch den entspannten gasförmigen Brennstoff die Kühlung eines Kühlmediums oder einer zu kühlenden Komponente übernommen werden, sodass hier eine sinnvolle Anwendung entsteht, da die entsprechende Komponente beziehungsweise das entsprechende Kühlmedium nicht auf andere Art und Weise abgekühlt werden muss.
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In einer weiteren besonders günstigen und vorteilhaften Ausgestaltung der Vorrichtung ist das Antriebsaggregat als Brennstoffzelle, insbesondere als PEM-Brennstoffzelle ausgebildet.
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Typisch für Brennstoffzellen, insbesondere wenn sie als PEM-Brennstoffzellen aufgebaut sind, ist die Tatsache, dass diese auf einem Temperaturniveau arbeiten, welches unterhalb von 100°C oder allenfalls knapp darüber liegt. Bei einem derartigen Temperaturniveau ist es vergleichsweise schwierig, die entstehende Abwärme über einen Kühlkreislauf an die Umgebung abzuführen, beispielsweise bei der Anwendung in einem Fahrzeug. Dann sind entsprechend große Kühlerflächen notwendig, welche in das moderne Fahrzeugdesign häufig nicht oder nur schwer zu integrieren sind. Durch den nach der Entspannung sehr kalten Brennstoff ist es nun möglich, das Kühlmedium und/oder einzelne Bauteile durch den entspannten Brennstoff zu kühlen und diesen dabei zu erwärmen. Der erwärmte entspannte Brennstoff dient einer guten und gleichmäßigen Performance der Brennstoffzelle, da auch die typischerweise kathodenseitig als Sauerstofflieferant zugeführte Luft eine entsprechende Temperatur aufweist. Zu hohe Temperaturunterschiede zwischen den beiden der Brennstoffzelle zugeführten Edukten würde zu unnötigen thermischen Belastungen des Systems führen. Außerdem kann durch die Kühlung der entsprechenden Komponente und/oder des Kühlmediums eines Kühlkreislaufs dieser entlastet werden, sodass die Kühlung der Brennstoffzelle auf die vorgegebene Betriebstemperatur durch den erfindungsgemäßen Aufbau in dieser Ausgestaltung erleichtert wird.
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In einer weiteren sehr günstigen und vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es außerdem vorgesehen, dass die Einrichtung zum Entspannen als Expansionsvorrichtung, insbesondere als Turbine, ausgebildet ist.
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Da der gasförmige unter Druck in dem Druckgasspeicher gespeicherte Brennstoff zur Verwendung in dem Antriebsaggregat entspannt werden muss, bietet sich dieses prinzipiell aus dem Stand der Technik bekannte Verfahren zum Entspannen mittels einer Turbine oder einer Expansionsvorrichtung, beispielsweise in Form eines Kolbenmotors, an, um die beim Einspeichern des gasförmigen Brennstoffs unter hohem Druck aufgebrachte Energie zumindest teilweise wieder zurückzugewinnen.
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In einer besonders günstigen und vorteilhaften Weiterbildung hiervon ist es ferner vorgesehen, dass die Expansionsvorrichtung zumindest mittelbar mechanische Leistung an ein anzutreibendes Aggregat abgibt.
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Ein solches anzutreibendes Aggregat kann beispielsweise in Generator, ein Turbolader oder ein mit einer elektrischen Maschine kombinierter Turbolader, ein sogenannter elektrischer Turbolader oder ETC sein. Auch der Antrieb eines Wasserstoffrezirkulationsgebläses wäre denkbar. Auch andersartige Aggregate, bis hin zum unterstützenden Antrieb einer Abtriebswelle eines Antriebssystems mittels der Expansionsvorrichtung wären denkbar. All dies ermöglicht eine zumindest teilweise Rückgewinnung der bei der Verdichtung des gasförmigen Brennstoffs aufgebrachten Energie.
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In einer weiteren sehr günstigen und vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es dabei vorgesehen, dass als gasförmiger Brennstoff Wasserstoff verwendet wird, welcher unter einem Druck von mehr als 300 bar in dem Druckgasspeicher gespeichert ist.
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Insbesondere bei der Verwendung von Wasserstoff als Brennstoff, beispielsweise für eine Brennstoffzelle oder einen Verbrennungsmotor, oder auch eine Gasturbine als Antriebsaggregat, kann die erfindungsgemäße Idee ideal eingesetzt werden, da hier aufgrund der vergleichsweise geringen Energiedichte von Wasserstoff sehr hohe Drücke in dem Druckgasspeicher vorliegen. Typischerweise liegt der Druck dabei in jedem Fall über 300 bar, aber auch Drücke oberhalb von 700 bar und mehr sind durchaus üblich. Diese vergleichsweise hohe Druckenergie erlaubt trotz der geringen Dichte des Wasserstoffs beim Entspannen einen vergleichsweise guten und effizienten Antrieb der Expansionsvorrichtung in der oben beschriebenen Ausgestaltung der Erfindung, sodass vergleichsweise viel Energie über den erfindungsgemäßen Aufbau zurückgewonnen werden kann. Aufgrund der hohen Druckdifferenz wird außerdem eine sehr starke Abkühlung des entspannten gasförmigen Wasserstoffs auftreten, sodass die erfindungsgemäße Kühlung eines Kühlmediums und/oder von zu kühlenden Komponenten oder Bauteilen besonders effizient erfolgen kann.
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In einer besonders günstigen und vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es außerdem vorgesehen, dass das zu kühlende Medium das Kühlmedium in einem Kühlkreislauf für zumindest das Antriebsaggregat ist.
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Durch den kalten entspannten gasförmigen Brennstoff kann so der Kühlkreislauf für das Antriebsaggregat und gegebenenfalls diverse Nebenaggregate eines mit dem Antriebsaggregat versehenen Antriebssystems genutzt werden.
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Ergänzend oder alternativ ist es in einer Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, dass das zu kühlende Medium verdichtete Zuluft zu dem Antriebsaggregat ist.
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Dieser Aufbau sieht also vor, dass ein oder ein Teil eines Ladeluftkühlers so betrieben wird, dass auf der einen Seite die beispielsweise über einen Turbolader oder einen mit der Expansionsvorrichtung verbundenen Strömungsverdichter verdichtete Zuluft zu dem Antriebsaggregat, welche nach dem Verdichten entsprechend heiß ist, durch den entspannten gasförmigen Brennstoff abgekühlt wird. Dadurch gleichen sich die Temperaturen der beiden für das Antriebsaggregat genutzten Edukte aneinander an, was insbesondere bei dem Einsatz einer Brennstoffzelle als Antriebsaggregat deutliche Vorteile bringt, wie oben bereits ausgeführt worden ist.
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In einer alternativen oder ergänzenden Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann es außerdem vorgesehen sein, dass die zu kühlenden Komponenten oder Bauteile als elektromotorische oder leistungselektronische Bauteile ausgebildet sind. Durch den nach dem Entspannen vergleichsweise kalten gasförmigen Brennstoff können so elektromotorische Komponenten, beispielsweise ein mit der Expansionsvorrichtung gekoppelter Generator oder elektrischer Turbolader, oder auch ein elektrischer (Zusatz-)Antrieb für ein Wasserstoffrezirkulationsgebläse oder dergleichen, unmittelbar gekühlt werden. Ergänzend oder alternativ ist außerdem die Kühlung von leistungselektronischen Bauteilen, welche eine vergleichsweise hohe abwärme erzeugen, denkbar.
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Für alle beschriebenen und denkbaren Varianten zur Kühlung von Bauteilen und/oder Gasen oder flüssigen (Kühl-)Medien kann dabei entweder eine direkte Kühlung erfolgen, indem die Bauteile von dem entspannten gasförmigen Brennstoff umströmt werden. Bei gasförmigen oder flüssigen Medien würde eine direkte Kühlung bedeuten, dass diese durch eine wärmeleitende Trennwand von dem entspannten gasförmigen Brennstoff getrennt sind. In allen Fällen ist jedoch auch eine mittelbar Kühlung beispielsweise über einen dazwischen geschalteten Kühlkreislauf mit einem geeigneten Kühlmedium denkbar.
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Eine bevorzugte Verwendung für die erfindungsgemäße Vorrichtung liegt dabei in der Verwendung in einem Brennstoffzellensystem.
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Wie bereits oben erwähnt, werden Brennstoffzellensysteme häufig mit Wasserstoff betrieben, welcher unter vergleichsweise hohem Druck gespeichert ist und damit die Rückgewinnung von Energie gegenüber beispielsweise einem gasförmigen unter Druck gespeichertem Brennstoff wie Erdgas oder dergleichen deutlich attraktiver macht, da ein größerer Druckunterschied vorliegt. Außerdem wird durch den größeren Druckunterschied beim Entspannen des gasförmigen Brennstoffs aus dem Druckgasspeicher eine stärkere Abkühlung des entspannten gasförmigen Brennstoffs erfolgen. Dies ermöglicht die besonders effiziente Kühlung eines Kühlmediums und/oder der zu kühlenden Komponenten. Dies ist insbesondere in einem Brennstoffzellensystem ein entscheidender Vorteil, da hier eine vergleichsweise geringe Temperaturdifferenz zwischen der Arbeitstemperatur der Brennstoffzelle und der Umgebungstemperatur vorliegt. Um die anfallende Abwärme trotz der vergleichsweise geringen Temperaturdifferenz vollständig „wegkühlen” zu können, stellt die zusätzlich zur Verfügung stehende Kühlleistung durch den sehr kalten entspannten gasförmigen Brennstoff einen entscheidenden Vorteil dar.
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Eine weitere besonders günstige und vorteilhafte Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht es vor, dass das Brennstoffzellensystem, in dem diese eingesetzt wird, Leistung zum Antrieb eines Land- und/oder Wasserfahrzeugs liefert.
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Insbesondere beim Antrieb von Fahrzeugen steht nur eine begrenzte Fläche für Kühler zur Verfügung, da Vorgaben hinsichtlich des cW-Werts und Designvorgaben die Verfügbarkeit von Kühlerfläche in einem vom Fahrtwind angeströmten Bereich entsprechend einschränken. In einer derartigen Verwendung können daher die oben genannten Vorteile, welche sich aus der Kühlung ergeben, besonders effizient eingesetzt werden. Außerdem spielt bei Fahrzeugen auch die besonders effiziente Verwendung der in dem Fahrzeug gespeicherten Energie eine entscheidende Rolle, da durch eine besonders effiziente Verwendung der eingesetzten Energie, also des Energieinhalts in dem mitgeführten Druckgasspeicher, eine Erhöhung der Reichweite des so ausgerüsteten Fahrzeugs möglich ist.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sowie ihrer Verwendung ergeben sich außerdem aus dem Ausführungsbeispiel, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert ist.
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Dabei zeigen:
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1 eine erste mögliche Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einem Antriebssystem eines Fahrzeugs;
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2 eine mögliche Ausführungsform der Realisierung der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einem Brennstoffzellensystem;
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3 eine zweite Ausführungsform der Realisierung der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einem Brennstoffzellensystem; und
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4 eine dritte Ausführungsform der Realisierung der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einem Brennstoffzellensystem.
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In der Darstellung der 1 ist stark schematisiert sein Fahrzeug 1 angedeutet, welches über ein Antriebsaggregat 2 angetrieben werden soll. Das Antriebsaggregat 2 kann dabei entweder als verbrennungsmotorisches Antriebsaggregat, als Gasturbine oder auch als Brennstoffzelle zur Erzeugung von elektrischer Leistung für den Antrieb, welcher dann über einen Elektromotor erfolgen würde, ausgebildet sein. Das Antriebsaggregat 2 wird mit geeigneten Edukten A, B versorgt, welche zur Umsetzung benötigt werden.
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In der Darstellung der 1 kann das mit A bezeichnete Edukt beispielsweise Luft sein, deren Sauerstoff in dem Antriebsaggregat 2 umgesetzt wird. Das mit B bezeichnete Edukt soll dabei ein gasförmiger Brennstoff sein, welcher in einem Druckgasspeicher 3 unter hohem Druck gespeichert ist. Je nach Einsatz des Brennstoffs B wird das Druckniveau dabei unterschiedlich sein. Kommt beispielsweise Erdgas zum Einsatz, so wird das Druckniveau typischerweise in einem Bereich von unterhalb 100 bar liegen. Kommt dagegen Wasserstoff als Brennstoff B zum Einsatz, wovon beispielhaft für die nachfolgenden Ausführungen ausgegangen werden soll, dann wird das Druckniveau in dem Druckgasspeicher 3 typischerweise in einer Größenordnung von 350 oder 700 bar liegen. Der gasförmige Wasserstoff B wird, nachdem er den Druckgasspeicher verlassen hat, in einer Einrichtung 4 zur Entspannung des gasförmigen Wasserstoffs B entspannt und auf ein zur Verwendung in dem primären Antriebsaggregat 2 geeignetes Druckniveau gebracht. Der in dem Druckgasspeicher 3 unter hohem Druck stehende Wasserstoff B wird sich dabei stark abkühlen. Zwischen der Einrichtung 4 zur Entspannung des Wasserstoffs B und dem Antriebsaggregat 2 befindet sich ein Wärmetauscher 5, in welchem der entspannte gasförmige Wasserstoff B erwärmt wird. Gleichzeitig kühlt er im Bereich dieses Wärmetauschers 5 ein zu kühlendes Medium oder in einer alternativen Ausgestaltung hiervon alternativ oder ergänzend eine zu kühlende Komponente bzw. zu kühlende Bauteile.
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In der Darstellung der 1 soll der Wärmetauscher 5 von einem Kühlmedium durchströmt werden, welches in einem Kühlkreislauf 6 für das Antriebsaggregat 2 strömt. Das Kühlmedium strömt in dem Kühlkreislauf 6 ausgehend von einer Kühlmittelfördereinrichtung 7 durch erste zu kühlende Komponenten beziehungsweise zu kühlende Bauteile 8, um dann in dem hier gewählten Ausführungsbeispiel durch den Wärmetauscher 5 zu strömen und mit der bereits aufgenommenen thermischen Energie der ersten zu kühlenden Komponenten oder Bauteile 8 den entspannten Wasserstoff B zu erwärmen. Das Kühlmedium in dem Kühlkreislauf 6 wird dabei wieder abgekühlt und durchströmt dann das Antriebsaggregat 2, in welchem es entstehende Abwärme aufnimmt. Danach gelangt das Kühlmedium zu einem Kühlwärmetauscher 9, in welchem es beispielsweise durch Fahrtwind und/oder unterstützend durch ein hier nicht dargestelltes Gebläse entsprechend abgekühlt wird, ehe es zurück zur Kühlmittelfördereinrichtung 7 und erneut in den Kreislauf gelangt. In an sich bekannter Art und Weise ist außerdem ein Thermostatventil 10 und ein Bypass 11 um den Kühlwärmetauscher 9 in der Darstellung der 1 zu erkennen.
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Dieser Aufbau ermöglicht nun einerseits die Erwärmung des bei der Entspannung stark abgekühlten Wasserstoffs B und andererseits eine Verbesserung der Kühlleistung in dem Kühlkreislauf 6, da im Bereich des Wärmetauschers 5 das Kühlmedium in dem Kühlkreislauf 6 weiter abgekühlt wird. Dies ist prinzipiell bei jeder Art von Antriebsaggregat 2 denkbar und sinnvoll, insbesondere jedoch dann, wenn das Antriebsaggregat 2 als Brennstoffzelle ausgebildet ist. In diesem Fall ist es von entscheidendem Vorteil, wenn die Edukte A, B nicht mit einer allzu großen Temperaturdifferenz im Bereich der Brennstoffzelle 2 als Antriebsaggregat ankommen, da dies zu thermischen Spannungen, einem Einfrieren von Produktwasser, ein Verhärten oder Austrocknen der Membranen oder Ähnlichem führen könnte.
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Die nachfolgenden drei Ausführungsbeispiele sind daher jeweils auf der Basis einer Brennstoffzelle 2 als Antriebsaggregat beschrieben, sie wären jedoch prinzipiell auch auf andere Antriebsaggregate 2 analog zu übertragen.
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In der Darstellung der 2 ist also eine Brennstoffzelle 2 als Antriebsaggregat zu erkennen. Diese weist einen Anodenbereich 12 und einen Kathodenbereich 13 auf. Dem Kathodenbereich 13 wird dabei Luft als Edukt A über einen Verdichter 14, welcher hier als Strömungsverdichter ausgebildet sein soll, zugeführt. Der Verdichter 14 ist zusammen mit einer Turbine 15 auf einer gemeinsamen Welle 16 angeordnet, auf welcher zusätzlich eine elektrische Maschine 17 angeordnet ist. Dieser Aufbau aus Verdichter 14, gemeinsamer Welle 16, Turbine 15 und elektrischer Maschine 17 wird auch als elektrischer Turbolader oder ETC. bezeichnet. Der Aufbau funktioniert nun so, dass aus dem Kathodenbereich 13 und dem Anodenbereich 12 austretende Abgase entsprechend vermischt und über die Turbine 15 an die Umgebung abgegeben werden. Die Abgase, in welchen in jedem Fall noch ein Rest an Druckenergie vorhanden ist, liefern so einen Beitrag zum Antrieb des Verdichters 14. Die gegebenenfalls zusätzlich benötigte Leistung zur Verdichtung der Luft A für den Kathodenbereich 13 wird dann durch die elektrische Maschine 17 aufgebracht. Wird im Bereich der Turbine 15 mehr Energie frei, als im Bereich des Verdichters 14 benötigt wird, so kann die elektrische Maschine 17 auch als Generator betrieben werden, um diese Energie in Form von elektrischer Energie zurückzugewinnen.
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Die Versorgung des Anodenbereichs 12 mit dem Wasserstoff B erfolgt aus dem hier nicht dargestellten Druckgasspeicher 3, wobei als Einrichtung 4 zur Entspannung des unter Druck stehenden Wasserstoffs B ebenfalls eine Turbine als Expansionsvorrichtung 4 eingesetzt wird. Alternativ hierzu wäre selbstverständlich auch die Expansion in einer Kolbenmaschine oder Ähnliches denkbar. Die Expansionseinrichtung 4 steht dabei mit einem Generator 18 in Verbindung, sodass die beim Entspannen des Wasserstoffs B freiwerdende Energie als elektrische Energie zurückgewonnen werden kann. Im Anschluss an die Expansionsvorrichtung 4 durchströmt der nun durch das Entspannen sehr kalte Wasserstoff B den Wärmetauscher 5, welcher hier mit zu kühlenden Komponenten 19 in Verbindung steht. Diese in 2 nur als Box angedeuteten zu kühlenden Komponenten 19 können beispielsweise elektromotorische Antriebskomponenten von Hilfsaggregaten in dem Brennstoffzellensystem oder der elektromotorische Fahrantrieb sein. Außerdem wäre es denkbar, dass die zu kühlenden Komponenten leistungselektronische Bauteile zur Umsetzung der von der Brennstoffzelle 2 erzeugten elektrischen Leistung sind.
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In der Darstellung der 3 ist eine alternative Ausführungsform dargestellt, wobei hier für dieselben Komponenten wie in 2 auch dieselben Bezugszeichen verwendet wurden. Die Komponenten werden daher nur noch beschrieben, wenn ein Unterschied gegenüber dem in 2 dargestellten Aufbau vorliegt. In 3 ist die gemeinsame Welle 16 über den Verdichter 14 hinaus verlängert und steht in direkter oder mittelbarer Triebverbindung mit der Expansionsvorrichtung 4, beispielsweise indem diese direkt auf der Welle 16 sitzen – wie dargestellt – oder über ein Getriebe und/oder Kupplungselemente aneinander angekoppelt sind. Im Gegensatz zur Darstellung in 2 wird hier die beim Entspannen des Wasserstoffs B freiwerdende Energie (nur) nicht in elektrische Energie umgewandelt, sondern unmittelbar zum Antreiben des Verdichters 14 mitgenutzt. Auch hier ist wieder die elektrische Maschine 17 im Bereich des ETC vorhanden, sodass bei einem Energieüberschuss aus der Turbine 15 und der Expansionsvorrichtung 4 gegenüber der vom Verdichter 14 benötigten Energie über die elektrische Maschine 17 im generatorischen Betrieb zusätzlich Strom erzeugt werden kann.
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Der Wärmetauscher 5 ist in der Darstellung der 3 als Ladeluftkühler oder Teil eines Ladeluftkühlers ausgeführt. Dieser Wärmetauscher 5 als Ladeluftkühler wird auf der einen Seite durch den nach der Entspannung sehr kalten Wasserstoff B durchströmt und auf der anderen Seite durch die nach dem Verdichter 14 vergleichsweise heiße Zuluft zu dem Kathodenbereich 13 der Brennstoffzelle 2. Die beiden Eduktströme gleichen dabei ihre Temperatur weitgehend aneinander an, sodass die Zuluft A entsprechend gekühlt und der Wasserstoff B entsprechend erwärmt wird. Dies dient dazu, diese Edukte in der Brennstoffzelle 2 bestmöglich umsetzen zu können, ohne dass zu heiße Zuluft A die Membranen austrocknet und zu kalter zuströmender Wasserstoff B für Vereisungen oder Verhärtungen im Bereich der Membranen sorgt. Optional kann in an sich bekannter Art und Weise außerdem über die Abgase aus der Brennstoffzelle 2 ein weiteres Ladeluftkühlerteil 20 so durchströmt werden, dass auch durch die Abgase aus der Brennstoffzelle 2 eine erste Abkühlung der nach dem Verdichter 14 vergleichsweise heißen Zuluft A erfolgt.
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In der Darstellung der 3 ist außerdem ein Brenner 21 zu erkennen, mittels welchem die im Abgas aus dem Anodenbereich 12 und dem Kathodenbereich 13 verbleibenden Reste an Wasserstoff und Luft nachverbrannt werden können. Der Brenner 21 kann dabei insbesondere als katalytischer Brenner, Porenbrenner oder dergleichen ausgebildet sein. Die heißen Abgase des Brenners 21 ermöglichen so die Entnahme einer größeren Leistung durch die Turbine 25 aus den Abgasen der Brennstoffzelle 2. Ein derartiger Brenner 21 wäre selbstverständlich auch bei der Ausgestaltung gemäß 2 optional denkbar. Bei nicht ausreichendem Brennstoff im Bereich des Brenners 21, aber entsprechender Leistungsanforderung, wäre es zusätzlich denkbar, diesen direkt mit Wasserstoff aus dem Bereich nach der Expansionsvorrichtung 4 zusätzlich zu versorgen.
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In der Darstellung der 4 ist nun ein vergleichbarer Aufbau nochmals dargestellt, wobei auch hier die Komponenten, welche im Rahmen der 2 und 3 bereits beschrieben wurden, mit denselben Bezugszeichen versehen sind. Der Wärmetauscher 5 in der Darstellung der 4 ist wiederum analog dem Aufbau gemäß 1 zu verstehen, sodass dieser ein Teil des Kühlkreislaufs 6 ist, welcher hier nur exemplarisch angedeutet wird. Ansonsten liegt der Unterschied bei dem in 4 gezeigten Aufbau des Brennstoffzellensystems darin, dass die Abgase aus dem Anodenbereich 12 über eine Rezirkulationsfördereinrichtung 22 in den Bereich der Zufuhr des frischen Wasserstoffs B zurückgefördert werden. Dieser Aufbau mit einem sogenannten Anodenkreislauf ist dabei allgemein bekannt und üblich, da so eine sehr gute Durchströmung des Anodenbereichs 2 mit Wasserstoff erzielt werden kann. Überschüssiger aus dem Anodenbereich 12 austretender Wasserstoff wird über den Anodenkreislauf und die Rezirkulationsfördereinrichtung 22 zurückgeführt und kann wieder verwendet werden. Die Rezirkulationsfördereinrichtung 22 ist in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel dabei über eine Welle 23 direkt oder mittelbar mit der Expansionsvorrichtung 4 verbunden, sodass diese die Rezirkulationsfördereinrichtung 22 antreibt. In diesem sogenannten Anodenkreislauf wird sich mit der Zeit Stickstoff, welcher durch die Membranen der Brennstoffzelle 2 hindurchdiffundiert und eine gewisse Menge an Produktwasser, welche im Anodenbereich 12 entsteht, ansammeln. Um durch diese inerten Stoffe die Wasserstoffkonzentration nicht so weit einzuschränken, dass die Performance der Brennstoffzelle 2 sich verschlechtert, wird über ein Ablassventil 24 entweder kontinuierlich oder beispielsweise intermittierend von Zeit zu Zeit Gas aus dem Bereich der Anodenrezirkulation abgelassen und gelangt zusammen mit dem Abgas aus dem Kathodenbereich 13 über die Turbine 15 an die Umgebung.
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Alle beschriebenen Varianten lassen sich dabei beliebig untereinander kombinieren und einzelne Aspekte des einen Beispiels lassen sich im anderen Beispiel ergänzen oder ersetzen. Alles in allem entstehen so zahlreiche vorteilhafte Varianten eine, Vorrichtung zur Brennstoffversorgung des Antriebsaggregats 2.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10154637 A1 [0002]
- DE 102006003799 A1 [0003]
