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Die hier offenbarte Technologie betrifft ein System zur Bereitstellung von Oxidationsmittel für ein Kraftfahrzeug sowie ein Kraftfahrzeug. Ein solches Kraftfahrzeug kann beispielsweise ein Kraftfahrzeug mit einem Brennstoffzellensystem und/oder mit einem Verbrennungsmotor sein. Das Oxidationsmittel wird in der Regel als Ansaugluft bezeichnet. Die Ansaugluft wird gefiltert, verdichtet und gekühlt der Brennstoffzelle bzw. dem Verbrennungsmotor zugeführt. In der Regel benötigen insbesondere die elektrisch betriebenen Ansaugluft-Verdichter vergleichsweise viel elektrische Energie.
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Es ist eine bevorzugte Aufgabe der hier offenbarten Technologie, zumindest einen Nachteil von einer vorbekannten Lösung zu verringern oder zu beheben oder eine alternative Lösung vorzuschlagen. Es ist insbesondere eine bevorzugte Aufgabe der hier offenbarten Technologie möglichst energieeffizient, platzsparend und/oder kostengünstig Oxidationsmittel insbesondere in ausreichender Menge und mit der gewünschten Temperatur einem Brennstoffzellenstapel bzw. einem Verbrennungsmotor bereitzustellen. Weitere bevorzugte Aufgaben können sich aus den vorteilhaften Effekten der hier offenbarten Technologie ergeben. Die Aufgabe(n) wird/werden gelöst durch den Gegenstand des Patentanspruchs 1. Die abhängigen Ansprüche stellen bevorzugte Ausgestaltungen dar.
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Die hier offenbarte Technologie betrifft ein System zur Bereitstellung von Oxidationsmittel für mindestens einen Brennstoffverbraucher.
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Der Brennstoffverbraucher kann beispielsweise ein Brennstoffzellenstapel eines Brennstoffzellensystems sein, in dem der Brennstoff chemisch umgesetzt wird. Der Brennstoffverbraucher kann ferner ein Verbrennungsmotor sein, in dem der Brennstoff verbrannt wird. Nachstehend wird die hier offenbarte Technologie in erster Linie anhand eines brennstoffzellenbetriebenen Fahrzeuges erörtert. Die hier offenbarte Technologie ist aber gleichsam anwendbar auf ein Kraftfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor, insbesondere ein Kraftfahrzeug mit mindestens einem Abgasturbolader und/oder mindestens einem zumindest teilweise elektrisch betriebenen Turbolader. Das Oxidationsmittel kann beispielsweise Luft, Sauerstoff und/oder ein Peroxid sein. Nachstehend ist vereinfachend von dem Oxidationsmittel oder von der Ansaugluft (als Oxidationsmittel) die Rede. Der Brennstoff kann jeder geeignete Brennstoff sein, bevorzugt aber ein unter Umgebungstemperatur bei Atmosphärendruck gasförmiger Brennstoff wie beispielsweise Erdgas oder mit Wasserstoff.
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Die hier offenbarte Technologie betrifft insbesondere ein Kraftfahrzeug mit einem Brennstoffzellensystem mit mindestens einer Brennstoffzelle. Das Brennstoffzellensystem ist beispielsweise für mobile Anwendungen wie Kraftfahrzeuge gedacht, insbesondere zur Bereitstellung der Energie für mindestens eine Antriebsmaschine zur Fortbewegung des Kraftfahrzeugs. In ihrer einfachsten Form ist eine Brennstoffzelle ein elektrochemischer Energiewandler, der Brennstoff (z.B. Wasserstoff) und Oxidationsmittel in Reaktionsprodukte umwandelt und dabei Elektrizität und Wärme produziert. Ein Brennstoffzellensystem umfasst neben der mindestens einen Brennstoffzelle 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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Das Brennstoffzellensystem umfasst ein Kathodensubsystem. Das Kathodensubsystem wird aus den oxidationsmittelführenden Bauelementen gebildet. Ein Kathodensubsystem kann mindestens den hier offenbarten Oxidationsmittelförderer, mindestens einen ersten und/oder zweiten Wärmeübertrager, mindestens einen Filter, mindestens einen Schalldämpfer, mindestens eine zum Kathodeneinlass führende Kathodenzuleitung, mindestens eine vom Kathodenauslass wegführende Kathodenabgasleitung, einen Kathodenraum im Brennstoffzellenstapel, sowie weitere Elemente aufweisen. Hauptaufgabe des Kathodensubsystems ist die Heranführung und Verteilung von Oxidationsmittel an die elektrochemisch aktiven Flächen des Kathodenraums und die Abfuhr von unverbrauchtem Oxidationsmittel.
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Das hier offenbarte System zur Bereitstellung von Oxidationsmittel für einen Brennstoffverbraucher umfasst mindestens einen Oxidationsmittelförderer, der in einer Oxidationsmittelzuleitung zum Brennstoffverbraucher angeordnet ist, und der ausgebildet ist, das Oxidationsmittel zum mindestens einen Brennstoffverbraucher zu fördern. Der Oxidationsmittelförderer ist eingerichtet, das an der elektrochemischen Reaktion beteiligte Oxidationsmittel zur mindestens einen Brennstoffzelle bzw. zum mindestens einen Verbrennungsmotor zu fördern. Der Oxidationsmittelförderer (auch Fluidfördereinrichtung genannt) kann beispielsweise als Kompressor bzw. Verdichter ausgebildet sein, besonders bevorzugt als luftgelagerter Turbokompressor, Turboverdichter, bzw. Kreiselverdichter. Bevorzugt weist der Oxidationsmittelförderer einen Arbeits-Drehzahlbereich von ca. 15.000 U/min bis ca. 170.000 U/min, und besonders bevorzugt von ca. 25.000 U/min bis ca. 130.000 U/min auf. Der Oxidationsmittelförderer kann beispielsweise als Abgasturbolader ausgebildet sein. In einer bevorzugten Ausgestaltung wird der Oxidationsmittelförderer zumindest teilweise mit elektrischer Energie betrieben.
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Das hier offenbarte System zur Bereitstellung von Oxidationsmittel für einen Brennstoffverbraucher umfasst mindestens einen ersten Wärmetauscher bzw. Wärmeübertrager (nachstehend: Wärmeübertrager). Der erste Wärmeübertrager ist insbesondere ausgebildet, das Oxidationsmittel zu temperieren, insbesondere zu kühlen. Der erste Wärmeübertrager ist stromauf vom mindestens einen Brennstoffverbraucher und stromauf vom Oxidationsmittelförderer angeordnet. Prinzipiell können unterschiedlichste Geometrien (Plattenwärmetauscher, Rohrwärmetauscher, etc.) und Strömungsvarianten (Gegenstrom, Gleichstrom, Kreuzstrom, etc.) eingesetzt werden. Bevorzugt weist der Wärmeübertrager mindestens zwei Strömungspfade auf: einen ersten Strömungspfad für ein Kühlmittel und einen zweiten Strömungspfad für den Oxidationsmittelstrom. Das Kühlmittel kann beispielsweise das Kühlmittel sein, welches ebenfalls den Kühlkreislauf des Brennstoffzellensystems und/oder den Kühlkreislauf der Fahrzeuginnenraumklimatisierung durchströmt. Das Kühlmittel nimmt die dem Oxidationsmittel entzogene Wärme auf und führt diese später ab.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung ist das System ausgebildet, im ersten bzw. im hier offenbarten zweiten Wärmeübertrager dem Oxidationsmittel Wärme zumindest teilweise zu entziehen und an den Brennstoff direkt oder indirekt abzugeben. Die dem Oxidationsmittel entzogene Wärme kann beispielsweise im bzw. am ersten bzw. zweiten Wärmeübertrager selbst direkt an den Brennstoff übertragen werden. Hierzu kann das System derart angeordnet und ausgebildet sein, dass der erste bzw. zweite Wärmeübertrager zumindest teilweise vom Oxidationsmittel und vom Brennstoff durchströmt wird. Bevorzugt weist der erste bzw. zweite Wärmeübertrager mindestens zwei Strömungspfade auf: einen ersten Strömungspfad für den Brennstoff und einen zweiten Strömungspfad für das Oxidationsmittel. Diese beiden Strömungspfade sind durch ein wärmeleitendes Material (z.B. Metall) voneinander getrennt. Alternativ oder zusätzlich ist vorstellbar, dass die dem Oxidationsmittel entzogene Wärme über ein Kühlmittel indirekt dem Brennstoff zugeführt wird.
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Stromauf vom Oxidationsmittelförderer bzw. stromauf vom Brennstoffverbraucher bedeutet hier, dass der erste Wärmeübertrager in der Oxidationsmittelzuleitung zwischen dem Einlass für das Oxidationsmittel und dem Brennstoffverbraucher angeordnet ist. Vorteilhaft kann der erste Wärmeübertrager im Kathodensubsystem zwischen dem Oxidationsmittelförderer und dem Oxidationsmitteleinlass in das Brennstoffzellensystem angeordnet sein.
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Das hier offenbarte System kann ferner mindestens einen Filter für Oxidationsmittel bzw. ein Oxidationsmittelfilter (nachstehend vereinfachend: „Filter“) umfassen. Der Filter ist eingerichtet, das Oxidationsmittel zu filtern. Somit lässt sich die Gefahr verringern, dass die Komponenten des Brennstoffzellensystems durch Verunreinigungen beschädigt bzw. degradiert werden. I.d.R. ist der Filter zwischen dem Oxidationsmitteleinlass in das System und dem Oxidationsmittelförderer angeordnet.
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Das hier offenbarte System kann ferner mindestens einen Schalldämpfer umfassen. Der Schalldämpfer kann eingerichtet sein, in einer Oxidationsmittelzuleitung zum mindestens einen Brennstoffverbraucher entstehende Geräusche zumindest zu reduzieren. Der Schalldämpfer kann stromauf vom Oxidationsmittelförderer angeordnet sein.
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Der mindestens eine Filter und/oder der mindestens eine Schalldämpfer kann/können den hier offenbarten ersten Wärmeübertrager umfassen. Mithin kann also der erste Wärmeübertrager mit in den mindestens einen Filter und/oder mit in den Schalldämpfer integriert sein. Insbesondere können der mindestens eine Filter, der mindestens eine Schalldämpfer und der erste Wärmeübertrager ein gemeinsames Gehäuse aufweisen bzw. dieses ausbilden.
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Besonders bevorzugt umfasst der mindestens eine Filter ein Filtermaterial und/oder der mindestens eine Schalldämpfer ein Dämmmaterial, wobei das Dämmmaterial zumindest teilweise aus einem wärmeleitenden Material (z.B. einem Metall bzw. einer Metalllegierung) hergestellt ist. Bevorzugt ist der mindestens eine Filter, insbesondere dessen Filtermaterial, und/oder der mindestens eine Schalldämpfer, insbesondere dessen Dämpfermaterial, eingerichtet, dem Oxidationsmittel Wärme zumindest teilweise zu entziehen und an den Brennstoff und/oder an das Kühlmittel abzugeben.
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Das hier offenbarte System umfasst ferner mindestens ein Steuergerät. Das Steuergerät kann eingerichtet sein, den ersten bzw. zweiten Wärmeübertrager derart zu steuern bzw. zu regeln, dass im Oxidationsmittel enthaltenes Wasser und/oder Feuchtigkeit vor Eintritt in den Oxidationsmittelförderer nicht gefriert. Dazu kann eine Steuerung bzw. Regelung vorgesehen sein, die die Temperatur des Oxidationsmittels am Einlass des Oxidationsmittelförderers auf einer Temperatur oberhalb von mindestens + 5°C und bevorzugt von mindestens + 3°C oder von mindestens + 1 °C hält.
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Die hier offenbarte Technologie betrifft insbesondere ein Kraftfahrzeug. Das Kraftfahrzeug kann das hier offenbarte System zur Bereitstellung von Oxidationsmittel und den hier offenbarten mindestens einen Druckbehälter zur Speicherung von Brennstoff umfassen. Der mindestens eine Druckbehälter dient insbesondere zur Speicherung von unter Umgebungsbedingungen gasförmigen Brennstoff. Der mindestens eine Druckbehälter kann beispielsweise in einem Kraftfahrzeug eingesetzt werden, das mit komprimiertem („Compressed Natural Gas“ = CNG) oder verflüssigtem (LNG) Erdgas oder mit Wasserstoff betrieben wird. Der Druckbehälter kann beispielsweise ein kryogener Druckbehälter (= CcH2) oder ein Hochdruckgasbehälter (= CGH2) sein. Hochdruckgasbehälter sind ausgebildet, im Wesentlichen bei Umgebungstemperaturen Brennstoff (z.B. Wasserstoff) dauerhaft bei einem nominalen Betriebsdruck (auch nominal working pressure oder NWP genannt) von über ca. 350 barü (= Überdruck gegenüber dem Atmosphärendruck), ferner bevorzugt von über ca. 500 barü und besonders bevorzugt von über ca. 700 barü zu speichern. Ein kryogener 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 liegen, 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 kryogene Druckbehälter kann insbesondere einen Innenbehälter umfassen, der ausgelegt ist für einem nominalen Betriebsdruck (auch nominal working pressure oder NWP genannt) von ca. 350 barü (= Überdruck gegenüber dem Atmosphärendruck), bevorzugt von ca. 500 barü, und besonders bevorzugt von ca. 700 barü oder mehr.
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Das Kraftfahrzeug kann insbesondere eingerichtet sein, die Wärme vom Oxidationsmittel auf den zumindest teilweise expandierten oder expandierenden Brennstoff und/oder auf kryogenen Brennstoff zu übertragen. Hierzu kann der Wärmetauscher beispielsweise in einer Ausgestaltung zwischen einem Druckbehälter eines Druckbehältersystems und dem mindestens ein Brennstoffverbraucher angeordnet sein, insbesondere an bzw. benachbart zu einem Druckminderer. Insbesondere kann der Druckminderer ausgebildet sein, den Druck vom max. Innenbehälterdruck des 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. Vorteilhaft kann somit die bei der Expansion des Brennstoffs auftretende Kühlung als Wärmesenke für das Oxidationsmittel genutzt werden.
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Mit anderen Worten betrifft die hier offenbarte Technologie ein Kraftfahrzeug mit einem Brennstoffzellensystem und/oder einem Verbrennungsmotor. Die Ansaugluft wird hier gefiltert, verdichtet und gekühlt bevor sie der Brennstoffzelle bzw. dem Verbrennungsmotor zugeführt wird. Gemäß der hier offenbarten Technologie wird die Verdichterleistung durch Abkühlen der Ansaugluft vor dem Verdichter gesenkt. Damit sinkt vorteilhaft das Volumen und somit die Verdichterleistung. Bei wasserstoffbetriebenen Kraftfahrzeugen, insbesondere mit einem kryogenen Druckbehälter, kann bevorzugt der gespeicherte Wasserstoff Wärme von der Ansaugluft aufnehmen, wodurch die Ansaugluft-Vorkühlung ohne zusätzlichen Energieaufwand ermöglicht wird und gleichzeitig sich eine hohe Temperaturdifferenz mit minimalem Druckverlust einstellen kann, da aufgrund der hohen Temperaturdifferenz kleinere Flächen zur Wärmeübertragung ausreichen. Kleinere Flächen gehen einher mit geringeren Druckverlusten. Vorteilhaft kann ein Schutz vor Vereisung vorgesehen sein, beispielsweise mittels Delta-p-Sensor am Vor-Ladeluftkühler (erster Wärmeübertrager) oder mittels Temperatursensor. Durch die hier offenbarte Technologie kann der Energieverbrauch des so betriebenen Kraftfahrzeuges verringert werden, wodurch sich die Reichweite erhöhen kann, die mit einer Tankfüllung zurückgelegt werden kann. Als Wärmeübertrager kann vorzugsweise ein Metallgeflecht bzw. ein angepasster Luftfilter eingesetzt werden. Mithin kann also bevorzugt eine Integration der Ladeluft-Vorkühlung in den Luftfilter vorgesehen sein. Insbesondere bei wasserstoffbetriebenen Kraftfahrzeugen mit einem kryogenen Druckbehälter kann der Wasserstoff durch die hohe Temperaturdifferenz die Wärme aufnehmen, z.B. mittels eines Metallgeflechts im Luftfilter. Bei Verbrennungsmotoren kann für die Ladeluft-Vorkühlung ein Kältekreislauf, z. B. in Verbindung mit der Klimaanlage vorgesehen sein. Ferner kann ein Schalldämpfer mit integriert sein. Vorteilhaft kann somit der Druckverlust, das Bauvolumen, das Gewicht und/oder die Kosten verringert werden.
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Die hier offenbarte Technologie wird nun anhand der Figuren erläutert. Die 1 bis 4 zeigen schematische Darstellungen von dem hier offenbarten System
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Die schematische 1 zeigt ein Brennstoffzellensystem eines Kraftfahrzeuges mit dem hier offenbarten System. Das hier gezeigte Brennstoffzellensystem umfasst ein Anodensubsystem, das von den brennstoffführenden Bauelementen des Brennstoffzellensystems ausgebildet wird. Ein Anodensubsystem kann mindestens einen Druckbehälter (nicht gezeigt), mindestens einen Druckminderer 211, einen Anodenraum A im Brennstoffzellenstapel 300, mindestens einen Wasserabscheider 232, mindestens ein Anodenspülventil 238, mindestens einen Brennstoff-Rezirkulationsförderer 234, 236 und/oder mindestens eine Rezirkulationsleitung sowie weitere Elemente aufweisen. Hauptaufgabe des Anodensubsystems ist die Heranführung und Verteilung von Brennstoff an die elektrochemisch aktiven Flächen des Anodenraums und die Abfuhr von Anodenabgas. Das Kathodensubsystem umfasst hier
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Das Kathodensubsystem des Brennstoffzellensystems umfasst hier einen Filter 412 für das Oxidationsmittel O. Der Filter 412 ist hier am Einlass für das Oxidationsmittel O in das Kathodensubsystem vorgesehen. Das Oxidationsmittel O strömt vom Einlass für das Oxidationsmittel O zum Brennstoffzellenstapel 300 hin. Stromab vom Filter 412 und stromauf vom Brennstoffzellenstapel 300 bzw. vom Oxidationsmittelförderer 410 ist hier der Schalldämpfer 414 ausgebildet. Der Schalldämpfer 414 ist eingerichtet, die in der Oxidationsmittelzuleitung zwischen Schalldämpfer 414 und Brennstoffzellenstapel 300 entstehenden Geräusche zumindest teilweise zu reduzieren. Der Schalldämpfer 414 und der Filter 412 sind hier als zwei verschiedene Bauteile dargestellt. Dies muss aber nicht so sein. Diese beiden Bauelemente 412,414 können ebenso in einer Komponente integriert sein. Stromab vom Filter 412 bzw. vom Schalldämpfer 414 und stromauf vom Brennstoffzellenstapel 300 bzw. vom Oxidationsmittelförderer 410 ist ferner der erste Wärmeübertrager 422 vorgesehen. Der erste Wärmeübertrager 422 ist eingerichtet, dem gefilterten Oxidationsmittel O Wärme zu entziehen. Mithin kühlt der erste Wärmetauscher 442 also das Oxidationsmittel O, bevor es in den Oxidationsmittelförderer 410 gelangt. Vorteilhaft kann somit ein Oxidationsmittelförderer 410 mit gleicher elektrischer Leistung mehr Luftmasse fördern bzw. es wird weniger Energie zum Fördern desselben Luftmassenstrom benötigt. Ferner wirkt sich die Vorkühlung vom Oxidationsmittel O vorteilhaft auf die thermische Belastung des Oxidationsmittelförderers 410 aus. Das verdichtete Oxidationsmittel O wird stromab vom Oxidationsmittelförderer 410 durch einen zweiten Wärmetauscher 424 gekühlt, bevor das Oxidationsmittel O in die Kathode K des Brennstoffzellenstapels 300 gelangt. Die Kathode K kann hier durch die Stapelventile 430,440 abgesperrt werden. Ferner ist hier ein Kathoden-Bypass 460 vorgesehen, der stromauf bzw. stromab vom zweiten Wärmetauscher 424 abzweigen kann und stromab vom Brennstoffzellenstapel 300 mündet.
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Die 2 zeigt einen Ausschnitt einer Oxidationsmittelzuleitung zu einem Brennstoffverbraucher 300, wie sie beispielsweise in der Ausgestaltung gemäß der 1 vorgesehen sein kann. Das Oxidationsmittel O strömt durch einen Einlass in das System ein. In einem Gehäuse 480 sind hier der Schalldämpfer 414 und der Filter 412 untergebracht. Gleichsam ist vorstellbar, dass lediglich der Filter 412 von dem Gehäuse 480 umgeben wird. Stromab vom Gehäuse 480 ist hier der erste Wärmeübertrager 422 vorgesehen. An den ersten Wärmeübertrager 422 schließt sich in Strömungsrichtung des Oxidationsmittels O der Oxidationsmittelförderer 410 an. Stromab vom Oxidationsmittelförderer 410 ist der zweite Wärmeübertrager 424 angeordnet. Stromab vom zweiten Wärmeübertrager 424 kann das Oxidationsmittel O gegebenenfalls weitere Komponenten durchströmen, bevor es in den mindestens einen Brennstoffverbraucher (nicht gezeigt) gelangt.
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Unterhalb von den schematisch dargestellten Komponenten der Oxidationsmittelzuleitung ist die Temperaturverteilung in der Zuleitung gemäß dem Stand der Technik (vgl. T1) und gemäß der hier offenbarten Technologie (vgl. T2) gezeigt. Das Oxidationsmittel O strömt mit Umgebungstemperatur TAmb in den Einlass des Systems ein. Im ersten Wärmeübertrager 422 wird das Oxidationsmittel O bereits um den Betrag ΔT abgekühlt, sodass das Oxidationsmittel O vor dem Einlass zum Oxidationsmittelförderer 410 bereits eine im Vergleich zur Umgebungstemperatur TAmb (vgl. T1) um die Temperaturdifferenz ΔT geringere Temperatur aufweist. Im Oxidationsmittelförderer 410 erwärmt sich dann das Oxidationsmittel O. Im anschließenden zweiten Wärmeübertrager 424 wird das erwärmte Oxidationsmittel O dann auf die gewünschte Temperatur herabgekühlt, mit der es hier in den Brennstoffverbraucher (nicht gezeigt) strömt.
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Das Filtermaterial 413 kann jedes geeignete Filtermaterial sein.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung wird der Druckverlust ΔP über den ersten Wärmeübertrager 422 und/oder die Oxidationsmitteltemperatur T stromauf (nicht gezeigt) und/oder stromab vom ersten Wärmeübertrager 422 ermittelt. Diese Messwerte dienen einem nicht gezeigten Steuergerät als Eingangssignale. Das Steuergerätes ist eingerichtet, das hier offenbarte System, insbesondere den ersten Wärmeübertrager 422, derart zu steuern bzw. zu regeln, dass die Temperatur am Einlass des Oxidationsmittelförderers 410 nicht unter einen Schwellwert, beispielsweise +5°C, +3 °C oder +1 °C, absinkt.
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Die schematische 3 zeigt ein weiteres Brennstoffzellensystem eines Kraftfahrzeuges mit dem hier offenbarten System. Das in der 3 dargestellte Brennstoffzellensystem umfasst ein Gehäuse 480, in dem hier der Schalldämpfer 414, der Filter 412 und der erste Wärmeübertrager 422 integriert sind. Abgesehen von diesem Unterschied entspricht das hier dargestellte Brennstoffzellensystem im Wesentlichen den Brennstoffzellensystem gemäß der 1. Es wird daher auf die Erläuterungen zur 1 verwiesen.
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Die 4 zeigt schematisch eine Oxidationsmittelzuleitung, wie sie beispielsweise in der Ausgestaltung gemäß der schematischen 3 vorgesehen sein kann. Nachstehend werden lediglich die Unterschiede zur Ausgestaltung gemäß der 2 erläutert. Ansonsten wird auf die 2 verwiesen. Bei der hier dargestellten Ausgestaltung ist in dem Gehäuse 480 der erste Wärmetauscher 422, der Filter 412 und der Schalldämpfer 414 integriert. Dies muss aber nicht so sein. Ebenso könnte auch kein Schalldämpfer 414 oder ein getrennt ausgestalteter Schalldämpfer 414 mit einem separaten Gehäuse vorgesehen sein.
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Der Filter 412 umfasst ein Filtermaterial, das wärmeleitend mit dem Brennstoff bzw. mit dem Kühlmedium (nicht gezeigt) direkt oder indirekt verbunden ist. Aufgrund dieser wärmeleitenden Verbindung kommt es zu Wärmeaustauschprozessen zwischen dem Oxidationsmittel O und dem Kühlmittel bzw. dem Brennstoff. Somit ist hier in den Filter 412 gleichsam der erste Wärmetauscher 422 integriert. In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung bildet das Filtermaterial einen Strömungspfad für den Brennstoff und/oder für das Kühlmittel aus. Hierzu kann beispielsweise ein Geflecht von sehr kleinen Röhrchen vorgesehen sein. Alternativ oder zusätzlich kann ein wärmeleitendes Material in ein Filtermaterial integriert sein. Beispielsweise kann das Filtermaterial Metalldrähte umfassen, die wärmeleitend mit dem Kühlmedium verbunden sind. Das Filtermaterial kann dann speziell auf die Filterung vom Oxidationsmittel angepasst sein. Beispielsweise kann das Filtermaterial ein Papierfilter mit Metalldrähten sein.
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Bevorzugt ist das Filtermaterial aus einem Metall bzw. einer Metalllegierung ausgebildet. Solche Materialien sind gute Wärmeleiter. Wie bei der Ausgestaltung gemäß der 2 kann auch hier wieder über den ersten Wärmeübertrager 422 die Druckdifferenz gemessen werden. Ferner kann wiederum stromauf und/oder stromab vom ersten Wärmeübertrager 422 die Oxidationsmitteltemperatur T bestimmt werden. Ebenso kann das Steuergerät das System so regeln bzw. steuern, dass eine gewünschte Temperatur sich am Einlass des Oxidationsmittelförderers 410 einstellt.
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In dieser Figur ist der erste Wärmeübertrager 422 in den Filter 412 integriert. Dies muss aber nicht so sein. Beispielsweise kann alternativ oder zusätzlich vorgesehen sein, dass der mindestens eine Wärmeübertrager 422 zumindest teilweise im Schalldämpfer 414 vorgesehen ist, beispielsweise in dessen Dämmmaterial (nicht gezeigt).
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Der Oxidationsmittelförderer 410 kann in den in den 1 bis 4 dargestellten Ausführungsformen ein mit elektrischer Energie betriebener Oxidationsmittelförderer 410 sein. Alternativ oder zusätzlich kann ein Oxidationsmittelförderer 410 eingesetzt werden, der als Abgasturbolader ausgebildet ist, insbesondere als ein Abgasturbolader, dem zumindest teilweise elektrische Energie zugeführt werden kann (nicht gezeigt). Mithin kann der Oxidationsmittelförderer 410 zumindest einen elektrischen Antrieb zum Antrieb eines Verdichterrads und/oder mindestens eine Abgasturbine zur Rückgewinnung von Energie aus einem Abgas aufweisen. Vorteilhaft kann somit die durch die Abgasturbine zurückgewonnene Energie zum Antrieb des Verdichterrads des Oxidationsmittelförderers 410 eingesetzt werden.
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Der erste Wärmeübertrager 422 und/oder der zweite Wärmeübertrager 424 werden hier als Komponenten zum Kühlen gezeigt. Ebenso ist vorstellbar, dass diese Komponenten zumindest phasenweise das Oxidationsmittel O erwärmen, beispielsweise während eines Froststarts bzw. Kaltstarts des Brennstoffzellensystems.
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Aus Gründen der Leserlichkeit wurde vereinfachend der Ausdruck „mindestens ein(e)“ teilweise weggelassen. Sofern ein Merkmal der hier offenbarten Technologie in der Einzahl bzw. unbestimmt beschrieben ist (z.B. der/ein Brennstoffverbraucher, der/ein Oxidationsmittelförderer, der/ein erster Wärmeübertrager, der/ein zweiter Wärmeübertrager, der/ein Filter, der/ein Schalldämpfer, etc.) so soll gleichzeitig auch deren Mehrzahl mit offenbart sein (z.B. der mindestens eine Brennstoffverbraucher, der mindestens eine Oxidationsmittelförderer, der mindestens eine erste Wärmeübertrager, der mindestens eine zweite Wärmeübertrager, der mindestens eine Filter, der mindestens eine Schalldämpfer, etc.).
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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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Bezugszeichenliste
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| Brennstoffzellenstapel |
300 |
| Anodenraum |
A |
| Druckminderer |
211 |
| Anodenspülventil |
232 |
| Ejektor |
234 |
| Rezirkulationsleitung |
|
| Rezirkulationsförderer |
236 |
| Ablassventil |
238 |
| Anodenspülleitung |
239 |
| Kathodenraum |
K |
| Oxidationsmittelförderer |
410 |
| erster Wärmeübertrager |
422 |
| zweiter Wärmeübertrager |
424 |
| Filter |
412 |
| Filtermaterial |
413 |
| Schalldämpfer |
414 |
| Zuleitungs-Druckhalteventil |
430 |
| Abgas-Druckhalteventil |
440 |
| Brennstoffzellen-Bypass |
460 |
| Gehäuse |
480 |
| Oxidationsmittel |
O |
| Brennstoff |
H2 |
