DE102014227014A1

DE102014227014A1 - Brennstoffzellensystem sowie Fahrzeug mit einem solchen

Info

Publication number: DE102014227014A1
Application number: DE102014227014.6A
Authority: DE
Inventors: Daniel Grundei; Oliver Berger; Christian Lucas; Oliver Kleppa
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2014-12-29
Filing date: 2014-12-29
Publication date: 2016-06-30
Also published as: US20160190611A1; US10207597B2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem (100) mit
– einem Brennstoffzellenstapel (10),
– einer Kathodengasversorgung (30), umfassend einen Kathodenversorgungspfad (31) zur Zuführung von Kathodenbetriebsgas in den Brennstoffzellenstapel (100) und einen Kathodenabgaspfad (32) zur Abführung von Kathodenabgas aus dem Brennstoffzellenstapel (100) und
– mit einem Brennstoffzellen-Kühlsystem (40) zur Kühlung des Brennstoffzellenstapels (10), umfassend einen Kühlmittelpfad (41), in dem der Brennstoffzellenstapel (10) wärmeübertragend eingebunden ist.
Es ist vorgesehen, dass die Kathodengasversorgung (30) ferner eine in dem Kathodenabgaspfad (32) angeordnete Turbine (36) umfasst und der Kühlmittelpfad (41) des Brennstoffzellen-Kühlsystems (40) im Strömungsweg des Kathodenabgases stromab der Turbine (36) in einem wärmeübertragenden Kontakt mit dem Kathodenabgaspfad (32) steht. Auf diese Weise wird eine Kühlung des Kühlmittels durch das Kathodenabgas und eine Erwärmung des Kathodenabgases durch das Kühlmittel erzielt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem sowie ein Fahrzeug mit einem solchen Brennstoffzellensystem.
Brennstoffzellen nutzen die chemische Umsetzung eines Brennstoffs mit Sauerstoff zu Wasser, um elektrische Energie zu erzeugen. Hierfür enthalten Brennstoffzellen als Kernkomponente die sogenannte Membran-Elektroden-Einheit (MEA für membrane electrode assembly), die ein Gefüge aus einer ionenleitenden (meist protonenleitenden) Membran und jeweils einer beidseitig an der Membran angeordneten Elektrode (Anode und Kathode) ist. Zudem können Gasdiffusionslagen (GDL) beidseitig der Membran-Elektroden-Einheit an den der Membran abgewandten Seiten der Elektroden angeordnet sein. In der Regel wird die Brennstoffzelle durch eine Vielzahl im Stapel (stark) angeordneter MEA gebildet, deren elektrische Leistungen sich addieren. Zwischen den einzelnen Membran-Elektroden-Einheiten sind in der Regel Bipolarplatten (auch Flussfeldplatten genannt) angeordnet, welche eine Versorgung der Einzelzellen mit den Betriebsmedien, also den Reaktanten, sicherstellen und üblicherweise auch der Kühlung dienen. Zudem sorgen die Bipolarplatten für einen elektrisch leitfähigen Kontakt zu den Membran-Elektroden-Einheiten.
Im Betrieb der Brennstoffzelle wird der Brennstoff, insbesondere Wasserstoff H₂ oder ein wasserstoffhaltiges Gasgemisch, über ein anodenseitiges offenes Flussfeld der Bipolarplatte der Anode zugeführt, wo eine elektrochemische Oxidation von H₂ zu H⁺ unter Abgabe von Elektronen stattfindet. Über den Elektrolyten oder die Membran, welche die Reaktionsräume gasdicht voneinander trennt und elektrisch isoliert, erfolgt ein (wassergebundener oder wasserfreier) Transport der Protonen H⁺ aus dem Anodenraum in den Kathodenraum. Die an der Anode bereitgestellten Elektronen werden über eine elektrische Leitung der Kathode zugeleitet. Der Kathode wird über ein kathodenseitiges offenes Flussfeld der Bipolarplatte Sauerstoff oder ein sauerstoffhaltiges Gasgemisch (zum Beispiel Luft) zugeführt, sodass eine Reduktion von O₂ zu O^2– unter Aufnahme der Elektronen stattfindet. Gleichzeitig reagieren im Kathodenraum die Sauerstoffanionen mit den, über die Membran transportierten Protonen unter Bildung von Wasser.
Um einen Brennstoffzellenstapel mit seinen Betriebsmedien, also den Reaktanten zu versorgen, weist dieser einerseits eine Anodenversorgung und andererseits eine Kathodenversorgung auf. Die Anodenversorgung umfasst einen Anodenversorgungspfad zur Zuführung eines Anodenbetriebsgases in die Anodenräume des Stapels und einen Anodenabgaspfad zur Abführung eines Anodenabgases aus den Anodenräumen. Desgleichen umfasst die Kathodenversorgung einen Kathodenversorgungspfad zur Zuführung eines Kathodenbetriebsgases in die Kathodenräume und einen Kathodenabgaspfad zur Abführung eines Kathodenabgases aus den Kathodenräumen des Brennstoffzellenstapels.
Bei dem Betrieb der Brennstoffzelle entsteht durch die Brennstoffzellenreaktion Wärme, weswegen der Brennstoffzellenstapel in einen Kühlkreis eingebunden ist, der die Abwärme über ein Kühlmittel abführt. Die Kühlung des Kühlmittels erfolgt beispielsweise durch einen Luftkühler, im Falle eines Fahrzeugs üblicherweise einen Fahrzeugkühler. Ferner wird die Abwärme teilweise durch die Brennstoffzellenabgase abtransportiert. Ein weiteres Problem stellt das bei der Brennstoffzellenreaktion erzeugte Produktwasser dar, das größtenteils über das Kathodenabgas abtransportiert wird. Bei niedrigen Umgebungstemperaturen sollte ein Gefrieren von kondensiertem Wasser in der Brennstoffzelle und in den Abgasleitungen verhindert werden.
Aus JP 2009-076216 A ist bekannt, das im Kathodenabgas enthaltene Produktwasser zu kondensieren und zur Kühlung des Brennstoffzellenstapels zu verwenden.
Es ist ferner bekannt, die im Kathodenabgas enthaltende Abwärme unter Verwendung von Wärmetauschern zu nutzen. EP 1 306 916 A1 beschreibt, einen Wärmetauscher eines Brennstoffzeilen-Kühlkreises in den Kathodenabgaspfad eines Brennstoffzellenstapels zu integrieren, um das Kathodenabgas zu kühlen, ehe es einem Kondensator zur Rückgewinnung des Produktwassers zugeführt wird.
Im Falle von Festoxidbrennstoffzellen (SOFC), die bei sehr hohen Temperaturen betrieben werden, ist zudem die Nutzung der Abwärme in dem Kathodenabgas unter Verwendung von Wärmetauschern bekannt. So beschreibt WO 2013/039022 A1 , eine Temperierung einer Sekundärbatterie vorzunehmen, indem eine Kühlung durch die Kathodenversorgungsluft der Brennstoffzelle und eine Heizung der Batterie durch das heiße Kathodenabgas erfolgt. Sofern die Batterie in einem exothermen Vorgang entladen wird, erfolgt Kühlung durch die Kathodenversorgungsluft, und wenn die Batterie in einem endothermen Vorgang geladen wird, wird das Kathodenabgas erwärmt. Die Wärmeübertragung erfolgt über einen Luft-Wärmetauscher.
Die Zurverfügungstellung niedrigerer Kühlmitteltemperaturen zur Kühlung des Brennstoffzellenstapels sowie weiterer Komponenten des Systems, beispielsweise eines Elektromotors eines elektrischen Turboladers oder dessen Leistungselektronik, stellt eine Herausforderung dar. So erfolgt eine Kühlung der Zuluft von Brennstoffzellenstapeln bei hohen Umgebungsbedingungen häufig über große Kühlflächen oder Zusatzkühler, die beispielsweise in Radkästen des Fahrzeugs untergebracht werden. Hierdurch entsteht ein hoher Bauraumbedarf. Um die Kühllast des Brennstoffzellenstapels zu begrenzen, ist ferner bekannt, die Brennstoffzellenleitung abzusenken und/oder verschiedene Betriebsparameter zu ändern (zum Beispiel Reduzierung des Betriebsdrucks oder der Betriebsgasmassenströme). Die Leistungsreduzierung führt jedoch bei Fahrzeugen zu unerwünschten Leistungseinbußen, während die Betriebspunktverschiebung einen verschlechterten Wirkungsgrad sowie eine verminderte Lebensdauer des Stapels in Kauf nimmt.
Nebenaggregate des Brennstoffzellensystems werden zudem in externe Kühlkreisläufe niedrigerer Temperatur eingebunden, oder es werden Komponenten mit besserer Temperaturwiderstandsfähigkeit eingesetzt, wodurch die Kühlproblematik jedoch lediglich verlagert wird beziehungsweise die Konstruktionsfreiheit eingeengt wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Brennstoffzellensystem insbesondere für ein Fahrzeug zu definieren, bei dem die Nachteile des Standes der Technik zumindest teilweise behoben sind.
Diese Aufgabe wird durch ein Brennstoffzellensystem sowie ein Fahrzeug mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst.
Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem umfasst

– einen Brennstoffzellenstapel,
– eine Kathodengasversorgung, umfassend einen Kathodenversorgungspfad zur Zuführung von Kathodenbetriebsgas in den Brennstoffzellenstapel und einen Kathodenabgaspfad zur Abführung von Kathodenabgas aus dem Brennstoffzellenstapel, und
– ein Brennstoffzellen-Kühlsystem zur Kühlung des Brennstoffzellenstapels, umfassend einen Kühlmittelpfad, in dem der Brennstoffzellenstapel wärmeübertragend eingebunden ist.

Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem zeichnet sich dadurch aus, dass die Kathodengasversorgung ferner eine in dem Kathodenabgaspfad angeordnete Turbine umfasst und der Kühlmittelpfad des Brennstoffzellen-Kühlsystems im Strömungsweg des Kathodenabgases stromab der Turbine in einem wärmeübertragenden Kontakt mit dem Kathodenabgaspfad steht. Durch die Turbine wird eine Entspannung des Kathodenabgases erzielt und hierdurch eine Abkühlung des Kathodenabgases. Die vergleichsweise niedrige Abgastemperatur ermöglicht eine Kühlung des Kühlmittels durch das Kathodenabgas und eine Erwärmung des Kathodenabgases durch das Kühlmittel. Die Turbine ist vorzugsweise mit einem im Kathodenversorgungspfad angeordneten Verdichter mechanisch verbunden, um dessen Antrieb zu unterstützen oder zu bewirken. Der „wärmeübertragende Kontakt des Kühlmittelpfads mit dem Kathodenabgaspfad” schließt somit einen wärmeübertragenden Kontakt zwischen Kühlmittel und Kathodenabgas unter Ausschluss eines Stoffaustausches ein.
Die Integration des Kathodenabgaspfads in den Kühlmittelpfad des Brennstoffzellen-Kühlsystems führt somit zu einer Wärmeübertragung zwischen dem Kühlmittel an dem Kathodenabgas, sodass aufgrund des kühlen Abgases eine Reduzierung der Kühlmitteltemperatur erfolgt. Sofern diese Maßnahme zur Kühlung des Kühlmittels als alleinige Kühlmaßnahme im Brennstoffzellen-Kühlsystem nicht ausreicht, erlaubt die Erfindung dennoch, einen Zusatz- oder Hauptkühler des Kühlsystems, beispielsweise einen Fahrzeugkühler, aufgrund des niedrigeren Kühlbedarfs kleiner zu dimensionieren. Ferner kann das Kühlmittel nach einem längerem Stillstand des Systems und insbesondere bei niedrigen Umgebungstemperaturen mittels des sich wesentlich schneller erwärmenden Abgasstroms auf Betriebstemperatur gebracht werden. Auf der anderen Seite erzielt die Erfindung eine Erhöhung der Temperatur des Kathodenabgases, wodurch eine Kondensation von gasförmigem Produktwasser im Kathodenabgas verhindert wird oder bereits kondensiertes Wasser sogar verdampft wird. Somit kann die zusätzliche Verdampfungsenergie genutzt werden, um eine noch weitere Kühlung des Kühlmittels zu erzielen. Gleichzeitig wird der Anteil flüssigen Wassers im Kathodenabgas reduziert und gegebenenfalls weitere zusätzliche Maßnahmen und Komponenten zur Ableitung des flüssigen Wassers oder zur Verhinderung der Kondensation hinfällig. Im Ergebnis ermöglicht die Erfindung eine Reduzierung des Energiebedarfs und somit eine Erhöhung des Wirkungsgrads des Gesamtsystems.
In bevorzugter Ausführung der Erfindung umfasst die Kathodengasversorgung ferner einen von dem Kathodenabgas durchströmten Befeuchter, insbesondere einen Membranbefeuchter. In diesem Fall steht der Kühlmittelpfad des Brennstoffzellen-Kühlsystems im Strömungsweg des Kathodenabgases vorzugsweise stromab des Befeuchters in dem wärmeübertragenen Kontakt mit dem Kathodenabgaspfad. Der Einsatz von Befeuchtern zur Befeuchtung eines dem Brennstoffzellenstapel zuzuführenden Kathodenbetriebsgases, insbesondere von Membranbefeuchtern, ist im Stand der Technik bekannt. Dabei wird das der Brennstoffzelle zuzuführende und zu befeuchtende Kathodenbetriebsgas über eine wasserdampfpermeable Membran geführt, die von ihrer anderen Seite durch das feuchtere Kathodenabgas überströmt wird. Über die Membran findet eine Feuchtigkeitsübertragung auf das Kathodenbetriebsgas statt, sodass eine Polymerelektrolytmembran des Brennstoffzellenstapels ihre notwendige Feuchtigkeit erhält. Durch die Anordnung des Befeuchters stromauf des wärmeübertragenden Kontakts wird eine weitere Reduzierung der Temperatur sowie der relativen Feuchtigkeit des Kathodenabgases erzielt.
Besonders bevorzugt ist der Befeuchter stromauf der Turbine in dem Kathodenabgaspfad angeordnet. Auf diese Weise wird die ursprüngliche hohe Feuchtigkeit des Kathodenabgases bei Eintritt in den Befeuchter genutzt und das Befeuchtungspotential für das Kathodenbetriebsgas erhöht.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist außer dem Brennstoffzellenstapel zumindest eine weitere zu kühlende Komponente in den Kühlmittelpfad des Brennstoffzellen-Kühlsystems eingebunden. Dabei wird unter Einbindung in das Kühlsystem eine Anordnung derart verstanden, dass die zu kühlende Komponente in einem wärmeübertragenden Kontakt mit dem Kühlmittelpfad steht, sodass eine Wärmeübertragung von der Komponente auf das Kühlmittel erfolgt. Durch die Einbindung einer weiteren zu kühlenden Komponente in das Brennstoffzellen-Kühlsystem wird die Komplexität des Systems verringert und das Kühlpotential optimal genutzt. Bei der weiteren zu kühlenden Komponente handelt es sich vorzugsweise um einen Elektromotor eines elektrischen Verdichters, insbesondere für das Kathodenbetriebsgas, und/oder um eine Leistungselektronik eines solchen Elektromotors, da diese Komponenten wärmeintensiv häufig besonders temperaturempfindlich sind.
Gemäß einer Ausführung der Erfindung ist im Strömungsweg des Kühlmittels die mindestens eine weitere zu kühlende Komponente und der wärmeübertragende Kontakt mit dem Kathodenabgaspfad in Reihe, das heißt nacheinander geschaltet. Diese Ausführung ist technisch einfach umsetzbar, da sie einen einfachen Verrohrungsaufwand bedeutet, und weist einen geringen Platzbedarf auf.
Vorzugsweise ist die mindestens eine weitere zu kühlende Komponente im Strömungsweg des Kühlmittels stromab des wärmeübertragenden Kontakts mit dem Kathodenabgaspfad angeordnet. Hierdurch wird die Komponente mit einer besonders niedrigen Kühlmitteleintrittstemperatur beaufschlagt, sodass besonders temperaturempfindliche Komponenten wirkungsvoll gekühlt werden.
Vorzugsweise sind im Strömungsweg des Kühlmittels der Brennstoffzellenstapel und der wärmeübertragende Kontakt mit dem Kathodenabgaspfad parallel zueinander geschaltet. Gegenüber einer Reihenschaltung hat diese Ausgestaltung den Vorteil, hinsichtlich der Leitungsauslegung technischer einfacher umsetzbar zu sein und weniger Platz zu beanspruchen.
Alternativ ist jedoch ebenso möglich, im Strömungsweg des Kühlmittels den Brennstoffzellenstapel und den wärmeübertragenden Kontakt mit dem Kathodenabgaspfad in Reihe, also hintereinander, zu schalten, insbesondere den Brennstoffzellenstapel stromauf des wärmeübertragenden Kontakts mit dem Kathodenabgaspfad anzuordnen. Diese Ausgestaltung ermöglicht die Reduzierung des Temperaturniveaus durch das Kathodenabgas im gesamten Kühlkreis und somit eine besonders effektive Kühlung der hierin eingebundenen Komponenten.
Vorzugsweise ist der wärmeübertragende Kontakt des Kühlmittelpfads mit dem Kathodenabgaspfad über einen Wärmetauscher realisiert. Wärmetauscher verfügen über eine hohe Wärmeaustauschfläche zwischen den betreffenden Medien und sind in verschiedensten Ausführungen etabliert.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist in dem Kühlmittelpfad des Brennstoffzellen-Kühlsystems ferner ein in dem Kathodenversorgungspfad angeordneter Wärmetauscher zur Kühlung oder Erwärmung (abhängig von dem Betriebspunkt der Brennstoffzelle) des Kathodenbetriebsgases eingebunden. Auf diese Weise wird mit einfachen Mitteln insbesondere eine Kühlung des infolge der Verdichtung erwärmten Kathodenbetriebsgases vor Eintritt in den Brennstoffzellenstapel realisiert, insbesondere bei Betriebspunkten höherer Last. Bei Betriebspunkten im unteren Lastbereich hingegen, wenn die verdichtete Luft kühler als benötigt ist, erfolgt ihre Erwärmung durch den Wärmetauscher.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Fahrzeug, das ein Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden Erfindung aufweist. Dabei dient das Brennstoffzellensystem insbesondere der elektrischen Versorgung eines elektrischen Antriebsaggregats des Fahrzeugs beziehungsweise der Ladung einer Batterie.
Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.
Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar.
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
1 Blockschaltbild eines herkömmlichen Brennstoffzellensystems;
2 Blockschaltbild eines Brennstoffzellensystems gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung, und
3 Blockschaltbild eines Brennstoffzellensystems gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung.
1 zeigt ein insgesamt mit 100' bezeichnetes herkömmliches Brennstoffzellensystem. Das Brennstoffzellensystem 100' ist Teil eines nicht weiter dargestellten Fahrzeugs, insbesondere eines Elektrofahrzeugs, das einen Elektrotraktionsmotor aufweist, der durch das Brennstoffzellensystem 100' mit elektrischer Energie versorgt wird.
Des Brennstoffzellensystem 100' umfasst als Kernkomponente einen Brennstoffzellenstapel 10, der eine Vielzahl von in Stapelform angeordneten Einzelzellen 11 aufweist, von denen jede jeweils einen Anodenraum 12 sowie einen Kathodenraum 13 umfasst, welche von einer ionenleitfähigen Polymerelektrolytmembran 14 voneinander getrennt sind (siehe Detailausschnitt). Der Anoden- und Kathodenraum 12, 13 umfasst jeweils eine katalytische Elektrode, die Anode beziehungsweise die Kathode (nicht dargestellt), welche die jeweilige Teilreaktion der Brennstoffzellenumsetzung katalysiert. Zwischen zwei solchen Membran-Elektroden-Einheiten ist ferner jeweils eine Bipolarplatte angeordnet (ebenfalls nicht dargestellt), welche der Zuführung der Betriebsmedien in die Anoden- und Kathodenräume 12, 13 dient und ferner die elektrische Verbindung zwischen den einzelnen Brennstoffzellen 11 herstellt.
Um den Brennstoffzellenstapel 10 mit den Betriebsgasen zu versorgen, weist das Brennstoffzellensystem 100' einerseits eine Anodenversorgung 20 und andererseits eine Kathodenversorgung 30 auf.
Die Anodenversorgung 20 umfasst einen Anodenversorgungspfad 21, welcher der Zuführung eines Anodenbetriebsgases (dem Brennstoff), beispielsweise Wasserstoff, in die Anodenräume 12 des Brennstoffzellenstapel 10 dient. Zu diesem Zweck verbindet der Anodenversorgungspfad 21 einen Brennstoffspeicher 23 mit einem Anodeneinlass des Brennstoffzellenstapels 10. Die Anodenversorgung 20 umfasst ferner einen Anodenabgaspfad 22, der das Anodenabgas aus den Anodenräumen 12 über einen Anodenauslass des Brennstoffzellenstapels 10 abführt. Darüber hinaus kann die Anodenversorgung 20 eine Brennstoffrezirkulationsleitung aufweisen (nicht dargestellt), welche den Anodenabgaspfad 22 mit dem Anodenversorgungspfad 21 verbindet. Die Rezirkulation von Brennstoff ist üblich, um den zumeist überstöchiometrisch eingesetzten Brennstoff zurückzuführen und zu nutzen.
Die Kathodenversorgung 30 umfasst einen Kathodenversorgungspfad 31, welcher den Kathodenräumen 13 des Brennstoffzellenstapels 10 ein sauerstoffhaltiges Kathodenbetriebsgas zuführt, insbesondere Luft. Die Kathodenversorgung 30 umfasst ferner einen Kathodenabgaspfad 32, welcher das Kathodenabgas (insbesondere der Abluft) aus den Kathodenräumen 12 des Brennstoffzellenstapels 10 abführt und führt dieses gegebenenfalls einer nicht dargestellten Abgasanlage zu. Zur Förderung und Verdichtung des Kathodenbetriebsgases ist in dem Kathodenversorgungspfad 31 ein Verdichter 33 angeordnet, der insbesondere ein elektrischer Turbolader (ETC) ist, der durch einen Elektromotor 34 mit einer Leistungselektronik 35 betrieben wird. Optional kann, wie hier dargestellt, der Verdichter 33 durch eine Turbine 36 unterstützt angetrieben werden, welche in dem Kathodenabgaspfad 32 angeordnet ist. Dabei sind der Verdichter 33 und die Turbine 36 über eine gemeinsame Welle miteinander verbunden. Stromab des Verdichters 33 ist ein Wärmetauscher (Ladeluftkühler) 37 im Kathodenversorgungspfad 31 integriert, welcher abhängig vom Betriebspunkt der Kühlung oder Erwärmung des durch den Verdichter 33 komprimierten Kathodenbetriebsgases dient.
Weiterhin weist die Kathodenversorgung 30 einen Befeuchter 38 auf, der eine Befeuchtung des Kathodenbetriebsgases bewirkt. Dabei werden das zu befeuchtende Kathodenbetriebsgas sowie das feuchtere Kathodenabgas beidseitig über eine wasserdampfpermeable Membran geführt, sodass der Wasserdampf aus dem feuchten Kathodenabgas über die Membran in das trockene Kathodenbetriebsgas diffundiert und dieses befeuchtet. Der Befeuchter 38 ist einerseits im Kathodenversorgungspfad 31 zwischen Verdichter 33 und Kathodeneingang und andererseits im Kathodenabgaspfad 32 zwischen Turbine 36 und den Kathodenausgang des Stapels 10 angeordnet.
Verschiedene weitere Einzelheiten der Anoden- und Kathodenversorgung 20, 30 sind in der vereinfachten 1 aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht gezeigt. So kann der Befeuchter 38 häufig sowohl seitens des Kathodenversorgungspfads 31 als auch des Kathodenabgaspfads 32 durch eine entsprechende Bypassleitung umgangen werden. Es kann ferner eine Turbinenbypassleitung seitens des Kathodenabgaspfads 32 vorgesehen sein, welche die Turbine 36 umgeht. Ferner kann eine Wastegate-Leitung vorhanden sein, welche die Kathodenversorgungsleitung 31 mit der Kathodenabgasleitung 32 verbindet. Ferner kann in dem Anoden- und/oder Kathodenabgaspfad 22, 32 ein Wasserabscheider verbaut sein, um das aus der Brennstoffzellenreaktion entstehende Produktwasser zu kondensieren und abzuleiten. Schließlich kann die Anodenabgasleitung 26 in Kathodenabgasleitung 35 münden, sodass das Anodenabgas und das Kathodenabgas über eine gemeinsame Abgasanlage abgeführt werden.
Das in 1 gezeigte Brennstoffzellensystem 100' umfasst ferner ein insgesamt mit 40 bezeichnetes Brennstoffzellen-Kühlsystem, welches einen Kühlmittelpfad 41 aufweist, in dem der Brennstoffzellenstapel 10 wärmeübertragend eingebunden ist. Die Förderung eines in dem Kühlmittelpfad 41 zirkulierenden Kühlmittels erfolgt durch eine elektromotorisch betriebene Kühlmittelpumpe 42. Das Kühlmittel, das insbesondere Wasser, ein Wasser-Alkohol-Gemisch oder ein Wasser-Ethylenglykol-Gemisch ist, erfolgt über einen Hauptkühler 43, der im Falle eines Fahrzeugs üblicherweise ein Fahrzeugkühler mit einem Luftgebläse ist. Der Hauptkühler 43 kann über eine Kühler-Bypassleitung 44 umgangen werden, wobei ein Ventil 45 die Massenströme des Kühlmittels durch den Hauptkühler 43 und der Bypassleitung 44 steuert.
Der Hauptkühlkreis 41.1 des Kühlmittelpfads 41 schließt den Brennstoffzellenstapel 10 ein. Zudem verzweigt sich der Kühlmittelpfad 41 stromab der Kühlmittelpumpe 42, um in einem Kühlkreisnebenzweig 41.2 den in dem Kathodenströmungspfad 31 angeordneten Wärmetauscher 37 zu durchströmen, sodass ein wärmeübertragender Kontakt zwischen dem Kühlmittel und dem Kathodenbetriebsgas stattfindet. Ein weiterer Kühlkreisnebenzweig 41.3 bindet die Leistungselektronik 35 sowie den Elektromotor 34 des elektrischen Turboladers 33 ein. Die Komponenten Brennstoffzellenstapel 10, Wärmetauscher 37 sowie Leistungselektronik 351 Elektromotor 34 sind in dem dargestellten Beispiel des Standes der Technik in paralleler Weise in den verschiedenen Zweigen 41.1, 41.2 beziehungsweise 41.2 des Kühlmittelpfads 41 eingebunden.
Die 2 und 3 zeigen jeweils ein Brennstoffzellensystem 100 gemäß verschiedenen Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung. Dabei sind übereinstimmende Elemente mit den gleichen Bezugszeichen wie in 1 bezeichnet und weisen die beschriebenen Eigenschaften und Funktionen auf. Sie werden nicht noch einmal im Einzelnen erläutert.
Gemäß den erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystemen 100 der 2 und 3 weist die Kathodengasversorgung 30 einen Wärmetauscher 39 auf, der in dem Kathodenabgaspfad 32 angeordnet Ist. Der Wärmetauscher 39 ist so ausgebildet, dass der Kathodenabgaspfad 32 beziehungsweise das Kathodenabgas in einem wärmeübertragenden Kontakt mit dem Kühlmittelpfad 41 beziehungsweise dem Kühlmittel des Brennstoffzellen-Kühlsystems 40 steht. Somit erfolgt innerhalb des Wärmetauschers 39 eine Wärmeübertragung zwischen dem Kühlmittel und dem Kathodenabgas. insbesondere erfolgt in dem Wärmetauscher 39 eine Kühlung des Kühlmittels durch das Kathodenabgas beziehungsweise eine Erwärmung des Kathodenabgases durch das Kühlmittel. Der Wärmetauscher 39 ist im Strömungsweg des Kathodenabgases stromab der Turbine 36 angeordnet. Zusätzlich kann das Kühlmittel nach längerem Stillstand des Systems und insbesondere bei niedrigen Umgebungstemperaturen mittels des sich wesentlich schneller erwärmenden Abgasstroms auf Betriebstemperatur gebracht werden.
Am Kathodenauslass des Brennstoffzellenstapels 10 liegt ein sauerstoffarmes Kathodenabgas mit Temperaturen von typischerweise bis zu 100°C, insbesondere im Bereich von 60 bis 100°C, mit einem hohen relativen Feuchtegehalt von 80 bis 100%. Der Feuchtegehalt sowie auch die Temperatur nehmen im Befeuchter 38 ab. Durch die Expansion in der Turbine 36 kühlt das Kathodenabgas weiter ab und das Wasser kondensiert teilweise. Nach der Expansion hat das Kathodenabgas abhängig vom Betriebspunkt typischerweise eine Temperatur um etwa 50°C bei 100% relativer Feuchtigkeit. Diese vergleichsweise niedrige Temperatur wird erfindungsgemäß genutzt, um das Kühlmittel des Kühlsystems 40 weiter abzukühlen. Hierdurch wird der Hauptkühler 43 unterstützt und kann kleiner dimensioniert werden. Gleichzeitig nimmt die Temperatur des Kathodenabgases im Wärmetauscher 39 zu. Hierdurch wird verhindert, dass weiteres Wasser kondensiert oder es wird sogar eine Verdampfung bereits kondensierten Wassers bewirkt. Auf diese Weise reduziert sich oder entfällt ein im Stand der Technik üblicher Aufwand, um flüssiges Wasser abzuführen, um dessen Vereisung in dem Leitungssystem zu verhindern. Die Verdampfungsenergie des Wassers führt zudem zu einer weiteren Abkühlung und somit einer weiteren Erzeugung von Kälteenergie, die über das Kühlmittel im Kühlsystem für sich genutzt wird.
In dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Wärmetauscher 39 in dem Nebenzweig 41.3 des Kühlmittelpfads 41 und damit parallel zum Brennstoffzellenstapel 10, der im Kühlmittelhauptkreis 41.1 eingebunden ist, geschaltet. Ferner sind in dem Nebenzweig 41.3 des Kühlmittelpfads 41 weitere zu kühlende Komponenten des Brennstoffzellensystems 100 eingebunden, nämlich der Elektromotor 34 des elektrischen Verdichters 33 sowie seine Leistungselektronik 35. Insbesondere sind diese Komponenten bezüglich eines Strömungswegs des Kühlmittels in Reihe also nacheinander geschaltet, wobei die Komponenten 34 und 35 stromab des Wärmetauschers 39 angeordnet sind. Da die Austrittstemperatur des Kühlmittels aus dem Wärmetauscher 39 niedriger ist als die Eintrittstemperatur, erfolgt eine besonders effektive Kühlung der Komponenten 34, 35. Diese Anordnung ermöglicht somit, besonders temperaturempfindliche beziehungsweise stark wärmeentwickelnde Komponenten mit besonders niedrigen Kühlmitteltemperaturen zu kühlen.
3 zeigt eine weitere Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems 100. Die hier gezeigte Ausführung unterscheidet sich im Wesentlichen darin von der aus 2, dass der Wärmetauscher 39 zusammen mit dem Brennstoffzellenstapel 10 in dem Hauptkreis 41.1 des Kühlmittelpfads 41 angeordnet ist. In der hier gezeigten Ausführung ist der Brennstoffzellenstapel 10 stromauf des Wärmetauschers 39 in dem Kühlmittelhauptkreis 41.1 angeordnet. Auf diese Weise wird das durch den Brennstoffzellenstapel 10 erwärmte Kühlmittel in dem Wärmetauscher 39 vorgekühlt, ehe es im Hauptkühler 43 weiter abgekühlt wird. Somit reduziert der Wärmetauscher 39 die Temperatur des gesamten Kühlkreislaufs 41.
Bezugszeichenliste

100: Brennstoffzellensystem
100': herkömmliches Brennstoffzellensystem
10: Brennstoffzellenstapel
11: Einzelzelle
12: Anodenraum
13: Kathodenraum
14: Polymerelektrolytmembran
20: Anodenversorgung
21: Anodenversorgungspfad
22: Anodenabgaspfad
23: Brennstofftank
30: Kathodenversorgung
31: Kathodenversorgungspfad
32: Kathodenabgaspfad
33: Verdichter
34: Elektromotor
35: Leistungselektronik
36: Turbine
37: Wärmetauscher/Ladeluftkühler
38: Befeuchter
39: Wärmetauscher (wärmeübertragender Kontakt Kühlmittel-/Kathodenabgaspfad)
40: Brennstoffzellen-Kühlsystem
41: Kühlmittelpfad
41.1: Kühlmittelhauptkreis
41.2: Kühlmittelnebenzweig
41.3: Kühlmittelnebenzweig
42: Kühlmittelpumpe
43: Hauptkühler
44: Kühler-Bypassleitung
45: Dreiwegeventil
46: Heizeinrichtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2009-076216 A [0006]
EP 1306916 A1 [0007]
WO 2013/039022 A1 [0008]

Claims

Brennstoffzellensystem (100) mit – einem Brennstoffzellenstapel (10), – einer Kathodengasversorgung (30), umfassend einen Kathodenversorgungspfad (31) zur Zuführung von Kathodenbetriebsgas in den Brennstoffzellenstapel (100) und einen Kathodenabgaspfad (32) zur Abführung von Kathodenabgas aus dem Brennstoffzellenstapel (100), und – mit einem Brennstoffzellen-Kühlsystem (40) zur Kühlung des Brennstoffzellenstapels (10), umfassend einen Kühlmittelpfad (41), in dem der Brennstoffzellenstapel (10) wärmeübertragend eingebunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathodengasversorgung (30) ferner eine in dem Kathodenabgaspfad (32) angeordnete Turbine (36) umfasst und der Kühlmittelpfad (41) des Brennstoffzellen-Kühlsystems (40) im Strömungsweg des Kathodenabgases stromab der Turbine (36) in einem wärmeübertragenden Kontakt mit dem Kathodenabgaspfad (32) steht.
Brennstoffzellensystem (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathodengasversorgung (30) ferner einen von dem Kathodenabgas durchströmten Befeuchter (38) umfasst und der Kühlmittelpfad (41) des Brennstoffzellen-Kühlsystems (40) im Strömungsweg des Kathodenabgases stromab des Befeuchters (36) in dem wärmeübertragenden Kontakt mit dem Kathodenabgaspfad (32) steht.
Brennstoffzellensystem (100) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Befeuchter (36) stromauf der Turbine (36) in dem Kathodenabgaspfad (32) angeordnet ist.
Brennstoffzellensystem (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass außer dem Brennstoffzellenstapel (10) zumindest eine weitere zu kühlende Komponente (34, 35) in den Kühlmittelpfad (41) des Brennstoffzellen-Kühlsystems (40) eingebunden ist, insbesondere eine Komponente des Brennstoffzellensystems (100), vorzugsweise ein Elektromotor (34) eines elektrischen Verdichters (33) und/oder eine Leistungselektronik (35) eines solchen Elektromotors (34).
Brennstoffzellensystem (100) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass im Strömungsweg des Kühlmittels die mindestens eine weitere zu kühlende Komponente (34, 35) und der wärmeübertragende Kontakt des Kühlmittelpfads (41) mit dem Kathodenabgaspfad (32) in Reihe geschaltet sind, insbesondere die mindestens eine Komponente (34, 35) stromab des wärmeübertragenden Kontakts des Kühlmittelpfads (41) mit dem Kathodenabgaspfad (32) angeordnet ist.
Brennstoffzellensystem (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass im Strömungsweg des Kühlmittels der Brennstoffzellenstapel (10) und der wärmeübertragende Kontakt des Kühlmittelpfads (41) mit dem Kathodenabgaspfad (32) parallel geschaltet sind.
Brennstoffzellensystem (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass im Strömungsweg des Kühlmittels der Brennstoffzellenstapel (10) und der wärmeübertragende Kontakt des Kühlmittelpfads (41) mit dem Kathodenabgaspfad (32) in Reihe geschaltet sind, insbesondere der Brennstoffzellenstapel (10) stromauf des wärmeübertragenden Kontakts angeordnet ist.
Brennstoffzellensystem (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der wärmeübertragende Kontakt des Kühlmittelpfads (41) mit dem Kathodenabgaspfad (32) durch einen Wärmetauscher (39) realisiert ist.
Brennstoffzellensystem (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in den Kühlmittelpfad (41) des Brennstoffzellen-Kühlsystems (40) ferner ein in dem Kathodenversorgungspfad (32) angeordneter Wärmetauscher (37) zur Kühlung oder Erwärmung des Kathodenbetriebsgases eingebunden ist.
Fahrzeug mit einem Brennstoffzellensystem (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 9.