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Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem mit einer Brennstoffzelle, welche einen Anodenraum und einen Kathodenraum aufweist, nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.
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Ein gattungsgemäßes Brennstoffzellensystem ist in der
KR 2012-0001200 A beschrieben. In dem dort beschriebenen Brennstoffzellensystem existiert zusätzlich zu dem an sich aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannten Brennstoffzellensystem ein thermoelektrischer Generator bzw. ein thermoelektrisches Element. Auch ein solches ist an sich aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. Es kann, wenn im Bereich des thermoelektrischen Generators eine kalte und eine warme Seite auftreten, aus dem Temperaturunterschied elektrische Leistung generieren und kann, wenn es mit elektrischer Leistung beaufschlagt wird, auch eine entgegen dem Temperaturgefälle gerichtete Temperaturverteilung erzeugen. In der
KR 2012-0001200 A wird es eingesetzt, um Zuluft zwischen einer Luftfördereinrichtung und einem Befeuchter möglichst exakt zu temperieren, um so bestmöglichste Befeuchtungsergebnisse zu erzielen.
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Ein ähnlicher Aufbau ist auch durch die
JP 2006-024418 A1 beschrieben. Bei dem dortigen Brennstoffzellensystem wird der thermoelektrische Generator zur Erzeugung von elektrischer Energie verwendet. Er befindet sich auf seiner einen (kalten) Seite in thermischem Kontakt mit dem aus einem Druckgasspeicher zugeführten entspannten Wasserstoff zum Betreiben der Brennstoffzelle und steht auf seiner anderen (heißen) Seite mit der Brennstoffzelle selbst als großvolumigen, vergleichsweise warmer Bauteil in Verbindung.
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Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, ein derartiges Brennstoffzellensystem mit einem thermoelektrischen Generator zur Erzeugung von elektrischer Energie weiter zu verbessern.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen.
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Bei dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem ist es, vergleichbar zum gattungsgemäßen Brennstoffzellensystem vorgesehen, dass die Brennstoffzelle bzw. ihr Kathodenraum über eine Luftfördereinrichtung mit Luft als Sauerstofflieferant über eine Zuluftleitung versorgt wird. Der thermoelektrische Generator steht in thermischem Kontakt mit der verdichteten Zuluft in Strömungsrichtung nach der Luftfördereinrichtung.
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Die erfindungsgemäße Lösung schlägt nun ausgehend von diesem Stand der Technik vor, dass der thermoelektrische Generator außerdem mit einem zweiten Gasstrom in thermischem Kontakt steht, welcher kühler als die verdichtete Zuluft ist.
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Dies ist von besonderem Vorteil, da der thermoelektrische Generator mit zwei Gasströmen in Kontakt steht, welche aufgrund der im Betrieb des Brennstoffzellensystems typischerweise strömenden Gase ständig mit frischer thermischer Energie, auf der einen Seite mit Wärme und auf der anderen Seite mit einem entsprechend kälteren Medium, versorgt wird. Hierdurch lässt sich eine kontinuierliche Erzeugung von elektrischer Leistung erreichen.
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Der zweite Gasstrom, welcher kühler als die verdichtete Zuluft ist, kann dabei aus dem an sich bekannten Brennstoffzellensystem annähernd beliebig, beispielsweise unter Berücksichtigung der besonderen Platzverhältnisse in dem Brennstoffzellensystem, gewählt werden.
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Gemäß einer besonders günstigen Weiterbildung der Idee kann, sofern in dem Brennstoffzellensystem ein Ladeluftkühler vorgesehen ist, der thermoelektrische Generator mit der Zuluft nach der Luftfördereinrichtung und in Strömungsrichtung vor dem Ladeluftkühler in thermischem Kontakt stehen. Der thermische Kontakt zwischen der Zuluft und dem thermoelektrischen Generator erfolgt gemäß dieser besonders günstigen Ausführung also immer in dem Bereich, in dem die Zuluft unmittelbar nach der Luftfördereinrichtung, welche beispielsweise als Kompressor, als Strömungsverdichter oder dergleichen ausgebildet sein kann, am heißesten ist. Somit wird der bestmöglichste Temperaturunterschied zwischen der verdichteten Zuluft und dem zweiten kühleren Gasstrom erzielt.
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Gemäß einer sehr vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Idee kann es vorgesehen sein, dass dieser zweite Gasstrom die Zuluft in Strömungsrichtung vor der Luftfördereinrichtung ist. Die Zuluft in Strömungsrichtung vor der Luftfördereinrichtung wird typischerweise Umgebungstemperatur aufweisen. Diese Umgebungstemperatur kann durchschnittlich beispielsweise mit 25°C angenommen werden. Dahingegen ist die verdichtete Zuluft nach der Luftfördereinrichtung typischerweise 200–250°C heiß. Es ergibt sich also ein entsprechend hoher Temperaturunterschied, welcher die zuverlässige kontinuierliche Erzeugung von elektrischer Leistung ermöglicht.
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Alternativ dazu kann es auch vorgesehen sein, dass als zweiter Gasstrom die Zuluft in Strömungsrichtung nach dem Ladeluftkühler, falls ein solcher vorhanden ist, verwendet wird. In diesem Bereich hat die Zuluft typischerweise eine Temperatur in der Größenordnung von ca. 60–70°C, sodass auch hier im Vergleich zu 200–250°C ein ausreichend hoher Temperaturunterschied zur Erzeugung von elektrischer Leistung über den thermoelektrischen Generator vorliegt. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, dass als zweiter Gasstrom die Abluft in Strömungsrichtung nach dem Kathodenraum der Brennstoffzelle genutzt wird. Diese Abluft ist je nach Betriebssituation und Stelle in einer Abluftleitung typischerweise zwischen 70 und 90°C heiß. Auch hier ergibt sich zu den 200–250°C ein entsprechender Temperaturunterschied, welcher die Erzeugung von elektrischer Leistung über den thermoelektrischen Generator erlaubt.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung hiervon kann es nun außerdem vorgesehen sein, dass in einer Abluftleitung für die Abluft eine Turbine zum Entspannen der Abluft vorgesehen ist, wobei der thermoelektrische Generator in thermischem Kontakt mit der Abluft in Strömungsrichtung nach der Turbine steht. In Brennstoffzellensystemen ist häufig in der Abluft eine Turbine zum Entspannen der Abluft vorgesehen. Diese Turbine kann insbesondere mit einer elektrischen Maschine und der Luftfördereinrichtung zusammen auf einer Welle angeordnet sein. Der Aufbau wird dann als elektrischer Turbolader oder ETC bezeichnet. Ist eine solche Turbine in der Abluft vorhanden, um Druckenergie und thermische Energie zurückzugewinnen, dann kann der zweite Gasstrom insbesondere die Abluft in Strömungsrichtung nach der Turbine sein. Beim zuvor genannten Beispiel mit 70–90°C Temperatur der Abluft in Strömungsrichtung nach der Brennstoffzelle würde die Temperatur in Strömungsrichtung nach der Turbine dann in etwa noch 40–50°C betragen. Der Temperaturunterschied ist entsprechend größer, sodass auch die Ausbeute an elektrischer Leistung über den thermoelektrischen Generator weiter gesteigert werden kann.
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In einer sehr günstigen und vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Idee kann es nun jedoch auch vorgesehen sein, dass der thermoelektrische Generator nicht zwischen zwei Luftströmungen angeordnet ist, sondern zwischen der verdichteten Zuluft nach dem Verdichter einerseits und Wasserstoff als zweiten Gasstrom andererseits. Dieser Wasserstoff, welcher der Brennstoffzelle zugeleitet wird, weist ebenfalls ein Temperaturniveau auf, welches sehr niedrig sein kann, und welches typischerweise maximal in der Größenordnung der Zuluft vor der Luftfördereinrichtung liegt.
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Insbesondere kann der Wasserstoff jedoch in einem Druckgasspeicher gespeichert sein. Der thermoelektrische Generator steht dann gemäß einer sehr vorteilhaften Weiterbildung dieser Idee in thermischem Kontakt mit dem Wasserstoff in der Zuleitung in Strömungsrichtung nach einer Vorrichtung zum Entspannen des Wasserstoffs. Wird der Wasserstoff unter entsprechend hohem Druck, beispielsweise bei einem Nenndruck von 700 bar gespeichert, dann kühlt dieser sich beim Entspannen auf den Betriebsdruck der Brennstoffzelle sehr stark ab. Hierdurch liegt Wasserstoff auf einem sehr niedrigen Temperaturniveau vor. Dieser Wasserstoff kann dann ideal genutzt werden, um als zweiter Gasstrom mit dem thermoelektrischen Generator, auf seiner kalten Seite, in Verbindung gebracht zu werden. Hierdurch entsteht im Bereich des thermoelektrischen Generators ein sehr hoher Temperaturunterschied, sodass dieser entsprechend effizient arbeiten und möglichst viel elektrische Leistung erzeugen kann. Andererseits wird dem nach dem Entspannen abgekühlten Wasserstoff durch den thermoelektrischen Generator unweigerlich Wärme zugeführt, sodass dieser entsprechend erwärmt wird. Dieses ist für den Betrieb des Brennstoffzellensystems von Vorteil, da hierdurch die Auskondensation von Feuchtigkeit in dem sehr kalten Wasserstoffstrom in der Zuleitung zu dem Anodenraum der Brennstoffzelle verhindert wird, wodurch die Performance der Brennstoffzelle insgesamt gesteigert werden kann.
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In einer weiteren sehr günstigen Ausgestaltung dieser Idee kann es dabei vorgesehen sein, dass die Vorrichtung zum Entspannen des Wasserstoffs als Ventileinrichtung oder Turbine im Bereich der Zuleitung ausgebildet ist. Typischerweise wird der Wasserstoff über eine Ventileinrichtung entspannt. Er kühlt sich dementsprechend stark ab und kann so idealerweise das Temperaturniveau für den thermischen Kontakt mit der kalten Seite des thermoelektrischen Generators bereitstellen. Im Prinzip ist auch die Entspannung über eine Turbine denkbar, welche dann wiederum mechanische Leistung liefert, welche beispielsweise über einen Generator in elektrische Leistung umgewandelt oder als mechanische Leistung direkt genutzt werden kann. Immer noch steht auch nach dieser Turbine der Wasserstoff aus einem sehr niedrigen Temperaturniveau zur Verfügung, sodass eine entsprechende Temperaturspreizung zwischen dem Wasserstoff auf der einen Seite des thermoelektrischen Generators und der verdichteten heißen Zuluft auf der anderen Seite des thermoelektrischen Generators möglich ist, welcher wiederum die Erzeugung von zusätzlicher elektrischer Leistung über den thermoelektrischen Generator ermöglicht.
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Alles in allem entsteht so in allen beschriebenen Ausführungsvarianten ein Brennstoffzellensystem, welches aus in dem Brennstoffzellensystem unweigerlich auftretenden Temperaturdifferenzen elektrische Leistung erzeugt. Hierdurch wird die elektrische Leistungsausbeute des Brennstoffzellensystems und somit sein Gesamtwirkungsgrad gesteigert, da die Temperaturdifferenzen ohnehin vorliegen. Das Brennstoffzellensystem weist also einen gesteigerten Wirkungsgrad auf und lässt sich durch den Einsatz des thermoelektrischen Generators zwischen zwei Gasströmen entsprechend kompakt aufbauen und erlaubt über den Betrieb hinweg aufgrund der ständigen Aufrechterhaltung der Temperaturdifferenz durch die strömenden Gasströme die kontinuierliche Erzeugung von elektrischer Leistung über den thermoelektrischen Generator. Das Brennstoffzellensystem eignet sich dementsprechend vor allem zur Bereitstellung von elektrischer Antriebsleistung in einem Fahrzeug, da hier ein hoher Wirkungsgrad bei kompaktem Aufbau und zuverlässigem und sicherem Betrieb von entscheidendem Vorteil ist.
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Ein weiterer Vorteil bei der Anwendung in einem Kraftfahrzeug entsteht dadurch, dass Brennstoffzellensysteme häufig hinsichtlich ihres Kühlkreislaufs in Fahrzeugen relativ kritisch sind. Aufgrund der vergleichsweise geringen Betriebstemperatur einer Brennstoffzelle im Vergleich zu einem Verbrennungsmotor und der vom Kraftfahrzeugdesign vorgegebenen Kühlerfläche ist es häufig schwierig, insbesondere bei hohen Umgebungstemperaturen und hohen Leistungen der Brennstoffzelle, die Abwärme abzuführen, sodass häufig eine Limitierung der Leistung durch den Kühlkreislauf notwendig ist. Der thermoelektrische Generator, welcher mit der heißen Zuluft in Kontakt steht, entzieht dieser nun Wärme und wandelt diese in elektrische Energie um. Dadurch, dass dem Brennstoffzellensystem somit Wärme entzogen wird, wird insgesamt dessen Kühlkreislauf entlastet, was der oben genannten Problematik effizient entgegenwirkt, weshalb der Einsatz des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems in einem Fahrzeug von besonderem Vorteil ist.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems und seiner Verwendung ergeben sich aus dem Ausführungsbeispiel, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben ist.
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Dabei zeigen:
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1 ein Brennstoffzellensystem in einer möglichen Ausführungsform zur Nutzung mit der Erfindung;
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2 ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems; und
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3 ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems in einem Fahrzeug.
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In der Darstellung der 1 ist ein Brennstoffzellensystem zu erkennen. Der Schwerpunkt der Darstellung in der 1 liegt dabei auf der Gasführung. Den Kern des Brennstoffzellensystems 1 bildet eine Brennstoffzelle 2. Diese weist einen Anodenraum 3 und einen Kathodenraum 4 auf. Typischerweise ist die Brennstoffzelle 2 als Brennstoffzellenstapel bzw. Brennstoffzellenstack ausgeführt. Unter dem Anodenraum 3 bzw. dem Kathodenraum 4 im Sinne der Erfindung muss die Verbindung zwischen all den Kathodenbereichen und Anodenbereichen der Einzelzellen eines solchen Brennstoffzellenstapels verstanden werden. Dem Anodenraum 3 der Brennstoffzelle 2 wird Wasserstoff über eine Zuleitung 5 als Brennstoff zugeführt. Dieser Wasserstoff kann insbesondere aus einem Druckgasspeicher 6 stammen und wird beispielsweise über eine Ventileinrichtung 7 als Vorrichtung zum Entspannen des Wasserstoffs vom Nenndruck in dem Druckgasspeicher 6 auf den Betriebsdruck für den Anodenraum 3 der Brennstoffzelle 2 entspannt. Nicht genutzter Wasserstoff und/oder Restgase aus dem Anodenraum 3 gelangen in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel über eine Abgasleitung 8 aus der Brennstoffzelle 2. Stattdessen könnte auch der Aufbau mit einem Anodenkreislauf zur Zurückführung dieser Abgase vorgesehen sein. Dies ist für die hier vorliegende Erfindung nicht weiter relevant und ist dem Fachmann geläufig, sodass hierauf nicht näher eingegangen wird.
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Dem Kathodenraum 4 der Brennstoffzelle 2 wird Luft über eine Zuluftleitung 9 zugeführt. In der Zuluftleitung 9, welcher noch ein Luftfilter vorgeschaltet sein kann, der hier nicht dargestellt ist, wird die Zuluft über eine Luftfördereinrichtung 10, in diesem Beispiel einen Strömungsverdichter, verdichtet. Die verdichtete Zuluft gelangt über einen Ladeluftkühler 11 und einen Gas/Gas-Befeuchter 12 zu dem Kathodenraum 4 der Brennstoffzelle 2. Die Abluft gelangt wiederum über den Befeuchter 12, in welchem sie Feuchte an die trockenere Zuluft abgibt, und über den Ladeluftkühler, in dem sie die sehr viel heißere Zuluft kühlt, zu einer Turbine 13, in welcher die Abluft entsprechend entspannt wird, bevor sie in die Umgebung gelangt. Die Turbine 13 und die Luftfördereinrichtung 10 sind zusammen mit einer elektrischen Maschine 14 auf einer gemeinsamen Welle 15 angeordnet. Dieser Aufbau wird auch als elektrischer Turbolader bzw. ETC bezeichnet. Dieser Aufbau ist soweit aus dem Stand der Technik bekannt, sodass auf den Aufbau des Brennstoffzellensystems 1 nicht weiter eingegangen werden muss.
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Erfindungsgemäß ist es nun so, dass zusätzlich ein thermoelektrischer Generator 16 vorgesehen ist. Dieser thermoelektrische Generator 16 steht auf seiner einen Seite in thermischem Kontakt mit der heißen Zuluft nach der Luftfördereinrichtung 10. Auf seiner anderen (kalten) Seite steht der thermoelektrische Generator 16 mit einem beliebigen anderen Gasstrom in dem Brennstoffzellensystem 1 in Verbindung, welcher entsprechend kühler als die heiße verdichtete Zuluft nach der Luftfördereinrichtung 10 ist. In der Darstellung der 1 sind über gestrichelte Linien einige denkbare Verbindungen der thermischen Kontakte der kälteren Seite des thermoelektrischen Generators eingezeichnet. Dies kann beispielsweise gemäß der mit 17 bezeichneten Verbindung die Zuluft in Strömungsrichtung vor der Luftfördereinrichtung 10 sein. Genauso gut wäre es denkbar, die Zuluft in Strömungsrichtung nach dem Ladeluftkühler 11 gemäß der mit 18 bezeichneten Linie zu verwenden. Dabei spielt es kaum eine Rolle, ob dies vor oder nach dem Befeuchter 12, falls dieser überhaupt vorhanden ist, erfolgt. Genauso gut könnte, wie es durch die Linie 19 angedeutet ist, eine Verbindung zwischen dem thermoelektrischen Generator 16 und der Abluft in Strömungsrichtung nach der Brennstoffzelle 2 vorgesehen sein. Diese kann beispielsweise wie durch die Linie 19 bezeichnet im Bereich zwischen der Brennstoffzelle 2 und dem Befeuchter erfolgen. Dies spielt im Wesentlichen keine Rolle, da die Temperatur zwischen der Brennstoffzelle 2 und der Turbine 13 im Wesentlichen gleich hoch ist. Eine weitere Möglichkeit, welche durch die mit 20 bezeichnete Linie angedeutet ist, stellt die thermische Verbindung zwischen dem thermoelektrischen Generator 16 bzw. seiner kalten Seite und der Abluft in Strömungsrichtung nach der Turbine dar.
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Als zweiter Gasstrom, welcher kühler als die verdichtete Zuluft nach der Luftfördereinrichtung 10 ist, kann also gemäß den im Rahmen der 1 beschriebenen Ausführungsbeispielen ein weiterer, zweiter Luftstrom verwendet werden. Dieser zweite Luftstrom, entweder ein Zuluftstrom oder ein Abluftstrom, ist also in der Praxis derselbe Gasstrom, wie der durch die Luftfördereinrichtung 10 verdichtete Gasstrom, jedoch an einer in Strömungsrichtung anderen Stelle des Brennstoffzellensystems 1, an der er anderen thermischen, und gegebenenfalls drucklichen, Bedingungen unterliegt.
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Die Ausführungsform des Brennstoffzellensystems 1 ist in 2 dargestellt. Die warme Seite des thermoelektrischen Generators 16 steht wiederum mit der verdichteten heißen Zuluft nach der Luftfördereinrichtung 10 in Verbindung. Dabei kann ein Ladeluftkühler 11 und/oder ein Befeuchter 12 vorgesehen sein, wobei in der Darstellung der 2 lediglich eines dieser Bauteile beispielhaft angedeutet ist. Die kalte Seite des thermoelektrischen Generators 16 steht in dem Ausführungsbeispiel gemäß 2 mit dem Wasserstoffstrom in der Zuleitung 5 in Verbindung. Der thermische Kontakt erfolgt dabei insbesondere in Strömungsrichtung nach der Vorrichtung 7 zum Entspannen des Wasserstoffs, da hier eine vergleichsweise geringe Temperatur des Wasserstoffs vorliegt und so eine sehr hohe Temperaturdifferenz zwischen dem kalten entspannten Wasserstoff auf der einen Seite und der heißen verdichteten Zuluft auf der anderen Seite entsteht. Hierdurch lässt sich eine kontinuierlich während des Betriebs des Brennstoffzellensystems 1 anhaltende hohe Temperaturdifferenz an dem thermoelektrischen Generator 16 erzielen, welche einen sicheren und zuverlässigen Betrieb mit hoher Ausbeute an elektrischer Leistung gewährleistet.
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In der Darstellung der 3 ist eine alternative Ausführungsform des Brennstoffzellensystems 1 zu erkennen. Dieses ist analog zur Darstellung in 2 aufgebaut und dementsprechend zu verstehen. Das Brennstoffzellensystem 1 ist dabei in einem prinzipmäßig angedeuteten Fahrzeug 30 angeordnet, welches mit elektrischer Leistung aus dem Brennstoffzellensystem 1 in an sich bekannter Weise angetrieben wird. Neben dem Befeuchter 12 ist wiederum der Ladeluftkühler 11 zu erkennen. Anders als in dem bisherigen Ausführungsbeispiel, bei dem die Abluft aus dem Kathodenraum 4 der Brennstoffzelle 2 die Zuluft zu eben diesem Kathodenraum gekühlt hat, ist der Ladeluftkühler 11 hier Teil eines an sich bekannten und deshalb in seiner Gesamtheit nicht dargestellten Kühlkreislaufs 31 in dem Fahrzeug 30. Über diesen an sich bekannten Kühlkreislauf 31 wird neben dem Ladeluftkühler 11 auch die Brennstoffzelle 2, die Leistungselektronik, Elektromotoren, der Antriebsmotor und weitere Komponenten gekühlt. Insbesondere wenn das Fahrzeug 30 in herkömmlicher Art und Weise designed worden ist, steht für das Abkühlen des flüssigen Kühlmediums in dem Kühlkreislauf 31 typischerweise nur die fahrzeugübliche Kühlerfläche zur Verfügung. Bei den im Vergleich zu einem Verbrennungsmotor vergleichsweise geringen Betriebstemperaturen der Brennstoffzellen 2 stellt dies, insbesondere bei hohen Umgebungstemperaturen, eine gewaltige Herausforderung an die Kühlung dar. Durch den thermoelektrischen Generator 16 wird nun jedoch der heißen Zuluft Wärme entzogen, welche zumindest teilweise in elektrische Energie umgewandelt wird. Über den Ladeluftkühler 11 muss deshalb keine so starke Abkühlung des Zuluftstroms zu dem Kathodenraum 4 der Brennstoffzelle 2 erfolgen, wie ohne den thermoelektrischen Generator 16. Der Wärmeeintrag in den Kühlkreislauf 31 bzw. das in ihm strömende flüssige Kühlmedium wird deshalb verringert und der Kühlkreislauf 31 des Fahrzeugs 30 mit dem Brennstoffzellensystem 1 entlastet. Dies wirkt der Problematik, welche durch eine Überlastung des Kühlkreislaufs auftreten kann, und welche im schlimmsten Fall zu einer Leistungsbegrenzung des Brennstoffzellensystems 1 beziehungsweise des Fahrzeugs 30 führen würde, effektiv entgegen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- KR 2012-0001200 A [0002, 0002]
- JP 2006-024418 A1 [0003]
