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Die hier offenbarte Technologie betrifft ein Brennstoffzellensystem mit einem kryogen gekühlten Kathodenzufuhr-Wärmetauscher sowie ein Verfahren zum kryogenen Kühlen eines Wärmetauschers.
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Brennstoffzellensysteme als solche sind bekannt. Ebenso sind kryogene Druckbehältersysteme bekannt. Aus der
DE 10055106 A1 ist ferner bekannt, ein kryogenes Medium zum Kühlen eines Kühlkreislaufes einer Brennstoffzelle zu verwenden. Das dort gezeigte System verfügt über einen separaten Kühlkreislauf. Es werden weitere Kühlkomponenten wir Pumpen, Wärmetauscher, De-Ionisierer, Ventile, etc. benötigt. Dieser Kühlkreislauf macht einen beträchtlichen Anteil an den Kosten, Gewicht und Bauraum des Gesamtsystems aus.
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Es ist eine Aufgabe der hier offenbarten Technologie, die Nachteile der vorbekannten Lösungen zu verringern oder zu beheben. Weitere Aufgaben ergeben sich aus den vorteilhaften Effekten der hier offenbarten Technologie. Die Aufgabe(n) wird/werden gelöst durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche. Die abhängigen Ansprüche stellen bevorzugte Ausgestaltungen dar.
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Die hier offenbarte Technologie betrifft ein Brennstoffzellensystem mit mindestens einer Brennstoffzelle. Das Brennstoffzellensystem ist beispielsweise für mobile Anwendungen wie Kraftfahrzeuge gedacht, insbesondere zur Bereitstellung der Energie für die mindestens Antriebsmaschine zur Fortbewegung des Kraftfahrzeugs. In ihrer einfachsten Form ist eine Brennstoffzelle ein elektrochemischer Energiewandler, der Brennstoff und Oxidationsmittel in Reaktionsprodukte umwandelt und dabei Elektrizität und Wärme produziert. Die Brennstoffzelle umfasst eine Anode und eine Kathode, die durch einen ionenselektiven bzw. ionenpermeablen Separator getrennt sind. Die Anode weist eine Anodenzufuhr für einen Brennstoff zur Anode auf. Bevorzugte Brennstoffe sind: Wasserstoff, niedrigmolekularer Alkohol, Biokraftstoffe, oder verflüssigtes Erdgas. Die Kathode weist beispielsweise eine Kathodenzufuhr für Oxidationsmittel („Kathodenzuluft” für Luft) auf. Bevorzugte Oxidationsmittel sind bspw. Luft, Sauerstoff und Peroxide. Der ionenselektive Separator kann bspw. als Protonenaustauschmembran (proton exchange membrane, PEM) ausgebildet sein. Bevorzugt kommt eine kationenselektive Polymerelektrolytmembran zum Einsatz. Materialien für eine solche Membran sind beispielsweise: Nafion®, Flemion® und Aciplex®. Ein Brennstoffzellensystem umfasst mindestens eine Brennstoffzelle sowie periphere Systemkomponenten (BOP-Komponenten), die beim Betrieb der mindestens einen Brennstoffzelle zum Einsatz kommen können. In der Regel sind mehrere Brennstoffzellen zu einem Brennstoffzellenstapel bzw. Stack zusammengefasst.
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Die hier offenbarte Technologie betrifft ferner kryogenes Druckbehältersystem mit einem kryogenen Druckbehälter. Der kryogene Druckbehälter kann Brennstoff im flüssigen oder überkritischen Aggregatszustand speichern. Als überkritischer Aggregatszustand wird ein thermodynamischer Zustand eines Stoffes bezeichnet, der eine höhere Temperatur und einen höheren Druck als der kritische Punkt aufweist. Der kritische Punkt bezeichnet den thermodynamischen Zustand, bei dem die Dichten von Gas und Flüssigkeit des Stoffes zusammenfallen, dieser also einphasig vorliegt. Während das eine Ende der Dampfdruckkurve in einem p-T-Diagramm durch den Tripelpunkt gekennzeichnet ist, stellt der kritische Punkt das andere Ende dar. Bei Wasserstoff liegt der kritische Punkt bei 33,18 K und 13,0 bar. Ein kryogener Druckbehälter ist insbesondere geeignet, den Brennstoff bei Temperaturen zu speichern, die deutlich unter der Betriebstemperatur (gemeint ist der Temperaturbereich der Fahrzeugumgebung, in dem das Fahrzeug betrieben werden soll) des Kraftfahrzeuges liegt, beispielsweise mind. 50 Kelvin, bevorzugt mindestens 100 Kelvin bzw. mindestens 150 Kelvin unterhalb der Betriebstemperatur des Kraftfahrzeuges (i. d. R. ca. –40°C bis ca. +85°C). Der Brennstoff kann beispielsweise Wasserstoff sein, der bei Temperaturen von ca. 34 K bis 360 K im kryogenen Druckbehälter gespeichert wird. Der Druckbehälter kann in einem Kraftfahrzeug eingesetzt werden, das beispielsweise mit komprimiertem („Compressed Natural Gas” = CNG) oder verflüssigtem (LNG) Erdgas betrieben wird. Der kryogene Druckbehälter kann insbesondere einen Innenbehälter umfassen, der ausgelegt ist für max. Betriebsdrücke (MOPs) bis ca. 350 barü (= Überdruck gegenüber dem Atmosphärendruck), bevorzugt bis ca. 500 barü, und besonders bevorzugt bis ca. 700 barü. Bevorzugt umfasst der kryogene Druckbehälter ein Vakuum mit einem Absolutdruck im Bereich von 10–9 mbar bis 10–1 mbar, ferner bevorzugt von 10–7 mbar bis 10–3 mbar und besonders bevorzugt von ca. 10–5 mbar. Die Speicherung bei Temperaturen (knapp) oberhalb des kritischen Punktes hat gegenüber der Speicherung bei Temperaturen unterhalb des kritischen Punktes den Vorteil, dass das Speichermedium einphasig vorliegt. Es gibt also beispielsweise keine Grenzfläche zwischen flüssig und gasförmig. Ein Druckbehältersystem kann insbesondere mindestens ein Sicherheitsventil zur Druckentlastung und ein Blow-Off Management-System bzw. Boil-Off-Management-System umfassen. Auf die genaue Ausgestaltung des Druckbehältersystems wird hier nicht näher eingegangen.
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Das kryogene Druckbehältersystem ist mit der Anode der mindestens einen Brennstoffzelle fluidverbunden. Das kryogene Druckbehältersystem speichert den Brennstoff für die mindestens eine Brennstoffzelle.
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Das Brennstoffzellensystem umfasst einen Oxidationsmittelförderer, der ein Oxidationsmittel zu der Kathode fördert. Der Oxidationsmittelförderer ist mit der Kathode der Brennstoffzelle fluidverbunden. Ein solcher Oxidationsmittelförderer kann bspw. als Kompressor bzw. Turbokompressor bzw. als Verdichter ausgebildet sein. Der Oxidationsmittelförderer kann das Oxidationsmittel, bevorzugt Sauerstoff oder Luft, durch eine Kathodenzufuhrleitung in die Kathode fördern. Der Oxidationsmittelförderer ist bspw. in der Lage, das Oxidationsmittel auf einen Druck größer 1 bar zu verdichten. Dabei erwärmt sich das Oxidationsmittel bspw. auf 160°C. Der Oxidationsmittelförderer ist in der Kathodenzufuhrleitung stromaufwärts der Kathode angeordnet.
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Das hier offenbarte Brennstoffzellensystem umfasst ferner mindestens einen Wärmetauscher bzw. Wärmeübertrager (nachstehend: Wärmetauscher), wobei der Wärmetauscher stromauf der mindestens einen Brennstoffzelle derart angeordnet und ausgebildet ist, dass der Wärmetauscher zumindest teilweise vom Oxidationsmittel und vom Brennstoff durchströmt wird. Bevorzugt weist der Wärmetauscher also mindestens zwei Strömungspfade auf, einen ersten Strömungspfad für den Brennstoff und einen zweiten Strömungspfad für den Oxidationsmittelstrom. Bevorzug handelt es sich also um einen Gas/Gas-Wärmetauscher. Prinzipiell können unterschiedlichste Geometrien (Plattenwärmetauscher, Rohrwärmetauscher, etc.) und Strömungsvarianten (Gegenstrom, Gleichstrom, Kreuzstrom, etc.) eingesetzt werden. Stromauf der Brennstoffzelle bedeutet hier, dass der Wärmetauscher sowohl in der Kathodenzufuhr als auch in der Anodenzufuhr angeordnet ist und sowohl stromauf der Kathode als auch der Anode angeordnet ist. Mitunter wird hier zweckmäßig nicht der Brennstoff mit Brennstoffzellenabgas oder mit Kühlmittel eines Kühlmittelkreislaufs erwärmt. Vorteilhaft kann der Kühlmittelkreislauf ganz entfallen oder entsprechend kleiner dimensioniert werden. Vorteilhaft kann der Wärmetauscher im Kathodensubsystem zwischen dem Oxidationsmittelförderer und der mindestens einen Brennstoffzelle angeordnet sein. Der Wärmetauscher kann im Anodensubsystem zwischen dem kryogenen Druckbehälter des Druckbehältersystems und der mindestens einen Brennstoffzelle angeordnet sein, insbesondere zwischen Druckbehälter und einem Druckminderer. Insbesondere kann der Druckminderer ausgebildet sein, den Druck vom max. Innenbehälterdruck des kryogenen Druckbehälters auf ca. 1 barü bis ca. 20 barü, bevorzugt auf ca. 2 barü bis ca. 18 barü oder auf ca. 8 barü bis ca. 14 barü zu mindern. Ist der Wärmetauscher stromauf des Druckminderers angeordnet, kann die durch Expansion erzielte Abkühlung des Mediums mit genutzt werden. Es kann im Wärmetauscher somit ein größerer Temperaturunterschied zur Kühlung genutzt werden. Ferner kann der Druckminderer als Strömungswiderstand dazu führen, dass Wärme in das Medium eingebracht wird.
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Der hier offenbarte Wärmetauscher kann auch zwischen dem Druckbehälter und dem Druckminderer oder auch „flussabwärts” vom Druckminderer angeordnet sein. Mit anderen Worten kann der Wärmetauscher im Hochdruckbereich und/oder im Mitteldruckbereich des Anodensubsystems angeordnet sein. Bevorzugt ist der Druckminderer dann geeignet, ein kryogenes Medium zu fördern. Vorteilhaft kann dann ein leichterer und/oder kleinerer Wärmetauscher einsetzbar.
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Das Brennstoffzellensystem umfasst ferner eine Befeuchtungseinrichtung, die eine Flüssigkeit, insbesondere Wasser, in den Oxidationsmittelstrom einspritzt bzw. einsprüht. Die Befeuchtungseinrichtung ist im und/oder stromabwärts vom Oxidationsmittelförderer und stromaufwärts vom Wärmetauscher in der Kathodenzufuhrleitung angeordnet. Ist sie dort angeordnet, kann die eingesprühte Flüssigkeit besonders gut verdampfen. Hierzu kann das Brennstoffzellensystem mit Druckdüsen ausgestattet sein, die das Wasser in den Oxidationsmittelstrom eindüsen. Für feinste Tröpfchen kann beispielsweise ein Injektor bzw. eine Düse mit einem Wasserdruck von bis zu 20 bar vorgesehen sein. Die Düsen können auch derart ausgestaltet sein, das nach dem Venturi-Effekt bzw. nach dem Prinzip der Strahlpumpe der Oxidationsmittelstrom das Wasser selbst ansaugt.
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Die hier offenbarte Technologie betrifft ferner ein Betriebsverfahren für das hier offenbarte Brennstoffzellensystem. Es umfasst den Schritt: Kühlen von der mindestens einen Brennstoffzelle zugeführtem Oxidationsmittel durch kryogen gespeicherten Brennstoff. Das Oxidationsmittel kann dabei durch die hier beschriebene Kathodenzufuhr der mindestens einen Brennstoffzelle zugeführt werden. Der kryogen gespeicherte Brennstoff und das Oxidationsmittel können den hier gezeigten Wärmetauscher durchströmen, der stromauf der mindestens einen Brennstoffzelle angeordnet sein kann. Das Oxidationsmittel kann vor dem Kühlen zunächst verdichtet werden. Das Oxidationsmittel kann vor dem Kühlen zunächst befeuchtet werden. Zur Befeuchtung kann vorteilhaft eine Flüssigkeit, zweckmäßig Wasser, in das zuvor verdichtete Oxidationsmittel eingesprüht werden. Mit anderen Worten kann bevorzugt Flüssigkeit in den Oxidationsmittelstrom im und/oder stromabwärts vom Oxidationsmittelförderer und stromaufwärts von einem Wärmetauscher und stromaufwärts der Kathode eingespritzt bzw. eingesprüht werden.
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Die maximale Leistung der mindestens einen Brennstoffzelle kann beispielsweise begrenzt werden (= Derating der Brennstoffzelle), wenn die Temperatur des kryogenen Brennstoffs oberhalb von einer ersten Grenztemperatur liegt. Ferner kann eine Benutzerinformation generiert werden, wenn die Temperatur des kryogenen Brennstoffs oberhalb von einer zweiten Grenztemperatur liegt. Die Temperatur des kryogenen Brennstoffs kann beispielsweise im Druckbehälter oder stromab vom Druckbehälter direkt oder indirekt ermittelt werden. Somit kann es vorteilhaft ermöglicht werden, dass im Notfall auch eine Warmbetankung des kryogenen Druckbehälters bzw. ein Warmfahren des kryogenen Druckbehälters zulässig ist. Dies ist insbesondere in den Regionen hilfreich, in denen es kein dichtes Netz an kryogenen Tankstellen gibt. Beispielsweise kann dem Fahrer bei Überscheiten der zweiten Grenztemperatur mitgeteilt werden, dass ein Derating der mindestens einen Brennstoffzelle erfolgen wird, sollte er nicht oder nicht zeitnah kryogenen Brennstoff nachfüllen, damit sich die Temperatur im Druckbehälter wieder absenkt und das Oxidationsmittel ausreichend gekühlt werden kann. Die zweite Grenztemperatur kann dabei gleich der ersten Grenztemperatur sein.
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Ferner ist vorstellbar, dass neben dem ersten Strömungspfad für den Brennstoff und einen zweiten Strömungspfad für den Oxidationsmittelstrom ein dritter Pfad für Kühlmittel vorgesehen ist, wobei der dritte Pfad ausgebildet ist, das Oxidationsmittel zu temperieren. Mit einem solchen dritten Pfad kann das Derating verringert werden. Ferner kann im Wärmetauscher auch eine Heizeinrichtung vorgesehen sein. Ferner kann auch mindestens ein Bypass für das Oxidationsmittel und/oder für den Brennstoff vorgesehen sein, der das jeweilige Fluid parallel zum Wärmetauscher anstatt durch diesen führt. Diese fakultativen Maßnahmen können vorteilhaft sein, um die beiden Volumenströme der beiden Pfade besser und unabhängig voneinander regeln zu können.
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Die hier offenbarte Technologie wird nun anhand der Figuren erläutert. Es zeigen:
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1 eine schematische Ansicht eines Brennstoffzellensystems, und
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2 eine schematische Ansicht eines Wärmetauschers 300.
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Der Druckbehälter 100 der 1 ist ein kryogener Druckbehälter mit einem Innenbehälter und einem Außenbehälter. Die Befüll- und Entnahmeleitung 120, nachstehend auch Kathodenzufuhrleitung genannt, umfasst ein Tankabsperrventil 110, das den Massenstrom aus dem kryogenen Druckbehälter 100 regelt. Weitere Komponenten des kryogenen Druckbehältersystems sind hier nicht gezeigt. Der Wärmetauscher 300, auch Ladeluftkühler genannt, ist Bestandteil der Kathodenzufuhrleitung 120. Der Wärmetauscher 300 ist hier zwischen dem Druckminderer 400 und dem Tankabsperrventil 110 angeordnet. Der Wärmetauscher 300 wird von kryogenem Brennstoff durchflossen, der im Druckminderer 400 (weiter) entspannt wird, bevor er in die Anode 520 der Brennstoffzelle 500 strömt. Nicht gezeigt sind hier die Anodenrezirkulation sowie ein Wasserabscheider, die im Anodensubsystem vorgesehen sein können.
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Der Oxidationsmittelförderer 200 ist hier als ein Kompressor 200 ausgebildet. Der Kompressor 200 saugt Oxidationsmittel, hier Luft, an und verdichtet die Luft auf einen Druck von mehr als 1 bar
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Oxidationsmittel wird durch den Oxidationsmittelförderer 200 angesaugt und durch die Kathodenzufuhrleitung der Brennstoffzelle 500 zugeführt. Dabei wird das Oxidationsmittel auf einen Druck von ca. 1 bis 3 bar verdichtet. Direkt hinter dem Oxidationsmittelförderer 200, hier ein Turbokompressor 200, weist das Oxidationsmittel bspw. eine Temperatur von 160° auf. Unmittelbar benachbart zum Oxidationsmittelförderer 200 ist hier die Befeuchtungseinrichtung 210 angeordnet. Die Befeuchtungseinrichtung 210 umfasst hier eine Einspritzdüse, durch die das Wasser in den Oxidationsmittelstrom fein zerstäubt eingebracht wird. Aufgrund der hohen Temperatur, die an diesem Ort vorherrscht, sowie der relativ langen Verweilzeit in der Kathodenzuleitung bis zum Wärmetauscher 300 verdunstet ein Großteil des eingesprühten Wassers in der turbulenten Strömung.
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Wird nun kryogen gespeichertes Brenngas aus dem kryogenen Druckbehälter entnommen, so wird dieses aus dem tiefkalten Speicherzustand in dem Wärmetauscher 300 bevorzugt auf eine Temperatur erwärmt, die oberhalb von ca. –40°C und besonders bevorzugt oberhalb von ca. +20°C liegt. Gleichzeitig wird das Oxidationsmittel im Wärmetauscher abgekühlt auf mindestens 50°C, bevorzugt auf bis zu 35°C. Gemäß der hier offenbarten Technologie wird also vorgeschlagen, das Aufwärmen des Brennstoffs und das Abkühlen des Oxidationsmittels in einem System bzw. in eine Komponente zu vereinen. Dies ist möglich dank des Kühlpotentials des tiefkalten Brennstoffs aus dem kryogenen Druckbehälter. Zwei Kühlkreisläufe können vorteilhaft eliminiert werden, indem die brennstoffführenden und oxidationsmittelführenden Leitungen in einem einfachen System vereint werden. Somit können vorteilhaft Kosten, Gewicht und Bauraum gespart werden.
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Das Kathodenabgas und das Anodenabgas verlassen das System durch die gemeinsame Abgasleitung 430. In einer weiteren Ausgestaltung könnte auch diese Abgasleitung 430 durch den Wärmetauscher 300 geführt sein, damit im Abgas enthaltenes Wasser auskondensiert.
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Die 2 zeigt schematisch einen Wärmetauscher 300. Der Wärmetauscher 300 umfasst hier zwei Brennstoffeinlässe 310, durch die der Brennstoff (hier Wasserstoff) in den Wärmetauscher 300 gelangt. Im Wärmetauscher 300 wird der Brennstoff aufgewärmt, bevor er den Wärmetauscher 300 durch die zwei Brennstoffauslässe 320 wieder verlässt. Der Brennstoff kann am Brennstoffeinlass 310 beispielsweise eine Temperatur von –223°C und einen Druck von 350 bar aufweisen. Am Brennstoffauslass 320 des Wärmetauschers 300 kann der Brennstoff beispielsweise eine Temperatur von 20°C und einen Druck von ca. 350 bar aufweisen. Durch den Oxidationsmitteleinlass 330 strömt Oxidationsmittel in den Wärmetauscher 300 ein, das den Brennstoff erwärmt, bevor das Oxidationsmttel durch den Oxidationsmittelauslass 340 den Wärmetauucher 300 verlässt. Die Oxidationsmittel weist am Oxidationsmitteleinlass 330 beispielsweise eine Temperatur von ca. 120°C und einen Druck von 2 bar auf. Am Oxidationsmittelauslass 340 indes weist die zur Kathode 510 strömende Luft Luft aus eine Temperatur von ca. 35°C und einen Druck von ca. 2 bar auf. Der Stömungspfad vom Brennstoff ist der erste Strömungspfad PH2, der Strömungspfad vom Oxidationsmittel durch den Wärmetauscher 300 ist der zweite Strömungspfad PO2.
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Die vorhergehende Beschreibung der vorliegenden Erfindung dient nur zu illustrativen Zwecken und nicht zum Zwecke der Beschränkung der Erfindung. Im Rahmen der Erfindung sind verschiedene Änderungen und Modifikationen möglich, ohne den Umfang der Erfindung sowie ihrer Äquivalente zu verlassen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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