DE102017218036A1

DE102017218036A1 - Brennstoffzellensystem

Info

Publication number: DE102017218036A1
Application number: DE102017218036.6A
Authority: DE
Inventors: Janine Grammel; Johannes Schmid
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2017-10-10
Filing date: 2017-10-10
Publication date: 2019-04-11

Abstract

Brennstoffzellensystem, vorzugsweise in einem Fahrzeug, umfassend zumindest eine Brennstoffzelle, eine zur Brennstoffzelle führende Zuleitung für ein Oxidationsmittel, vorzugsweise Luft, eine von der Brennstoffzelle abführende Abgasleitung für ein Abgas, zumindest einen Verdichter in der Zuleitung zum Verdichten des Oxidationsmittels, und einen Wärmetauscher, der in der Zuleitung stromab des Verdichters und in der Abgasleitung angeordnet ist, zur Wärmeübertragung vom verdichteten Oxidationsmittel auf das Abgas.

Description

Vorliegende Technologie betrifft ein Brennstoffzellensystem, vorzugsweise in einem Fahrzeug, und ein Verfahren zur Steuerung eines Brennstoffzellensystems.
Brennstoffzellensysteme umfassen zumindest eine Brennstoffzelle, insbesondere einen Stapel aus mehreren Brennstoffzellen. Zu den Brennstoffzellen führt eine Zuleitung für das Oxidationsmittel. Bei dem Oxidationsmittel handelt es sich insbesondere um Luft. Bei der hier betrachteten Technologie wird das Oxidationsmittel vor dem Zuführen in die Brennstoffzellen verdichtet und somit erwärmt. Nach der Verdichtung durchläuft das Oxidationsmittel üblicherweise einen Kühler und die Enthalpie des erwärmten Oxidationsmittels wird einer Kühlflüssigkeit zugeführt. Über die Abgasleitung des Brennstoffzellensystems wird oftmals eine Turbine betrieben. Die Turbine kann einen Verdichter zum Verdichten des Oxidationsmittels antreiben.
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. Weitere bevorzugte Aufgaben können sich aus den vorteilhaften Effekten der hier offenbarten Technologie ergeben. Insbesondere ist es eine Aufgabe der hier offenbarten Technologie, ein Brennstoffzellensystem und ein entsprechendes Verfahren anzugeben, die einen Betrieb der Brennstoffzelle mit sehr hohem Wirkungsgrad ermöglichen. Die Aufgabe(n) wird/werden gelöst durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche. Die abhängigen Ansprüche stellen bevorzugte Ausgestaltungen dar.
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 mindestens eine elektrische 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 wird mit Brennstoff versorgt. Bevorzugte Brennstoffe sind: Wasserstoff, niedrigmolekularer Alkohol, Biokraftstoffe, oder verflüssigtes Erdgas. Die Kathode wird mit Oxidationsmittel versorgt. 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 neben der mindestens einen Brennstoffzelle vorzugsweise 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.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Brennstoffzellensystem. Das Brennstoffzellensystem befindet sich insbesondere in einem Fahrzeug. Das Brennstoffzellensystem umfasst zumindest eine Brennstoffzelle. Vorzugsweise sind mehrere Brennstoffzellen zu einem Brennstoffzellenstapel zusammengefasst. Der Einfachheit halber wird hier meistens von einer Brennstoffzelle gesprochen, wobei jedoch stets auch der Stapel aus mehreren Brennstoffzellen angewendet werden kann.
Das Brennstoffzellensystem umfasst eine Zuleitung für das Oxidationsmittel. Die Zuleitung führt zur Brennstoffzelle. Bei dem Oxidationsmittel handelt es sich insbesondere um Luft aus der Umgebung. Eine Abgasleitung führt ein Abgas, insbesondere Kathodenabluft, von der Brennstoffzelle weg.
Ferner umfasst das Brennstoffzellensystem zumindest einen Verdichter in der Zuleitung. Der Verdichter ist in der Zuleitung zum Verdichten des Oxidationsmittels angeordnet. Es können auch mehrere Verdichter in Reihenschaltung oder Parallelschaltungen verwendet werden. Durch das Verdichten wird das Oxidationsmittel erwärmt, beispielsweise auf eine Temperatur von 150 °C bis 250 °C.
Im Rahmen der hier vorgestellten Technologie umfasst das Brennstoffzellensystem einen Wärmetauscher. Der Wärmetauscher befindet sich in der Zuleitung stromab des Verdichters. Das verdichtete und erwärmte Oxidationsmittel durchströmt somit den Wärmetauscher. Des Weiteren befindet sich der Wärmetauscher in der Abgasleitung, sodass auch das Abgas den Wärmetauscher durchströmt. Das Abgas im Brennstoffzellensystem ist üblicherweise kälter als das Oxidationsmittel nach der Verdichtung. So weist das Abgas beispielsweise eine Temperatur von 60 °C bis 120 °C auf. Folglich erfolgt im Wärmetauscher eine Übertragung von Wärme vom Oxidationsmittel auf das Abgas.
Der hier verwendete Wärmetauscher führt also einerseits zu einer Abkühlung des verdichteten Oxidationsmittels und andererseits zu einer Erwärmung des Abgases. Allein das Abkühlen des Oxidationsmittels hat bereits einen positiven Effekt auf den Wirkungsgrad der Brennstoffzelle.
Besonders bevorzugt wird jedoch auch das im Wärmetauscher erwärmte Abgas zur Steigerung des Wirkungsgrads verwendet. Durch die Erwärmung im Wärmetauscher wird die Enthalpie des Abgases gesteigert. Vorzugsweise ist zumindest eine Turbine in der Abgasleitung vorgesehen. Die Turbine befindet sich stromab des Wärmetauschers. Dadurch strömt das im Wärmetauscher erwärmte Abgas in die Turbine. Die mit der Turbine erzeugte Energie kann unterschiedlich genutzt werden, insbesondere zum Antreiben des Verdichters. Hierzu ist insbesondere vorgesehen, dass die Turbine über eine Welle mit dem Verdichter verbunden ist. Allerdings ist es auch möglich, mit der Turbine einen Generator zur Erzeugung elektrischer Energie anzutreiben.
Vorzugsweise umfasst das Brennstoffzellensystem einen Kühler. Bei Verwendung von Luft als Oxidationsmittel kann dieser Kühler auch als Ladeluftkühler bezeichnet werden. Der Kühler befindet sich in der Zuleitung und zwar stromab des Wärmetauschers. Der Kühler ist an einen Kühlkreislauf angeschlossen. In dem Kühlkreislauf zirkuliert insbesondere ein flüssiges Kühlmittel. Somit handelt es sich insbesondere um einen Gas/Flüssigkeits-Kühler.
Der hier eingesetzte Kühler kann im Vergleich zum Stand der Technik kleiner dimensioniert werden, da mit dem Wärmetauscher bereits die Möglichkeit besteht, das verdichtete Oxidationsmittel stromauf des Kühlers zu kühlen.
Des Weiteren umfasst das Brennstoffzellensystem vorzugsweise einen Befeuchter. Der Befeuchter ist sowohl in der Zuleitung als auch in der Abgasleitung angeordnet. Insbesondere befindet sich der Befeuchter in der Zuleitung stromab des Kühlers. In der Abgasleitung befindet sich der Befeuchter vorzugsweise stromauf des Wärmetauschers und somit zwischen der Brennstoffzelle und dem Wärmetauscher. Durch den Befeuchter strömen das Oxidationsmittel und das Abgas. Insbesondere über feuchtigkeitsdurchlässige Membranen innerhalb des Befeuchters erfolgt dabei eine Befeuchtung des relativ trockenen Oxidationsmittels mit dem relativ feuchten Abgas.
Zur Steuerung des Brennstoffzellensystems in verschiedenen Modi, umfasst das Brennstoffzellensystem vorzugsweise zumindest eine Bypassleitung für das Oxidationsmittel. Die jeweilige Bypassleitung umfasst insbesondere ein entsprechendes Bypassventil zum teilweisen oder vollständigen Öffnen der Bypassleitung.
Vorzugsweise umfasst das Brennstoffzellensystem eine erste Bypassleitung für das Oxidationsmittel zum Umgehen des Wärmetauschers. Die erste Bypassleitung zweigt zwischen dem Verdichter und dem Wärmetauscher von der Zuleitung ab und mündet vorzugsweise zwischen Wärmetauscher und Kühler in die Zuleitung.
Vorzugsweise umfasst das Brennstoffzellensystem eine zweite Bypassleitung für das Oxidationsmittel zum direkten Führen des verdichteten Oxidationsmittels, zumindest in einem Teilstrom, zur Turbine. Die zweite Bypassleitung zweigt stromab des Verdichters, insbesondere zwischen dem Verdichter und dem Wärmetauscher, von der Zuleitung ab und mündet stromauf der Turbine, insbesondere zwischen dem Wärmetauscher und der Turbine, in die Abgasleitung.
Vorzugsweise umfasst das Brennstoffzellensystem eine dritte Bypassleitung für das Oxidationsmittel zur Umgehung des Kühlers. Die dritte Bypassleitung zweigt stromauf des Kühlers, vorzugsweise zwischen dem Wärmetauscher und dem Kühler, von der Zuleitung ab und mündet stromab des Kühlers, insbesondere zwischen dem Kühler und dem Befeuchter oder zwischen dem Befeuchter und der Brennstoffzelle, in die Zuleitung. Zur Vermeidung oder Reduzierung der Kühlung des Oxidationsmittels im Kühler kann auch der Zufluss im Kühlkreislauf des Kühlers reguliert werden. Um jedoch, bei nicht benötigter Kühlung des Oxidationsmittels auch die Strömungsverluste im Kühler zu reduzieren, wird vorzugsweise diese dritte Bypassleitung verwendet.
Vorzugsweise umfasst das Brennstoffzellensystem eine vierte Bypassleitung für das Oxidationsmittel zur Umgehung des Wärmetauschers und des Kühlers und vorzugsweise auch des Befeuchters. Die vierte Bypassleitung zweigt zwischen dem Verdichter und dem Wärmetauscher von der Zuleitung ab und mündet stromab des Kühlers, vorzugsweise stromab des Befeuchters, in die Zuleitung.
Vorzugsweise umfasst das Brennstoffzellensystem eine fünfte Bypassleitung für das Oxidationsmittel zur Umgehung des Befeuchters. Die fünfte Bypassleitung zweigt zwischen dem Kühler und dem Befeuchter von der Zuleitung ab und mündet stromab des Befeuchters in die Zuleitung.
Besonders bevorzugt umfasst das Brennstoffzellensystem ein gemeinsames Gehäuse, in dem die drei Elemente, nämlich Wärmetauscher, Kühler und Befeuchter, aufgenommen sind. Durch die Verwendung dieses Gehäuses entsteht ein kompaktes Modul in dem der Wärmetauscher, der Kühler und der Befeuchter integriert sind.
Der Wärmetauscher und/oder der Kühler und/oder der Befeuchter sind vorzugsweise jeweils aus mehreren übereinandergestapelten Platten zusammengesetzt.
Vorzugsweise strömen im Wärmetauscher zwei Gasströme, nämlich das verdichtete Oxidationsmittel und das Abgas, über eine möglichst große Fläche aneinander vorbei. Solch ein Wärmetauscher kann auf übliche Weise durch mehrere gestapelte Platten konstruiert werden. Die Kanäle für die beiden Gasströme sind dabei beispielsweise im Inneren der einzelnen Platten oder durch Nuten auf den Platten gebildet. Die beiden Gasströme können innerhalb des Wärmetauschers gleichgerichtet, gegengerichtet oder nach dem Kreuzstromprinzip verlaufen.
Auf ähnliche Weise kann auch der Kühler aus mehreren Platten aufgebaut werden. Beim Kühler strömen in bzw. zwischen den Platten das Kühlfluid, insbesondere in flüssiger Form, und das Oxidationsmittel, üblicherweise gasförmig.
Ebenso kann der Befeuchter aus mehreren Platten aufgebaut werden. Im Befeuchter befinden sich üblicherweise zwischen den Platten feuchtigkeitsdurchlässige Membranen zum Austausch der Feuchtigkeit zwischen den beiden Gasen.
Eine Größe des verwendeten gemeinsamen Gehäuses ist vorzugsweise an die Größe des Wärmetauschers, des Kühlers und des Befeuchters angepasst. So ist bevorzugt vorgesehen, dass die größte verwendete Platte, beispielsweise eine Platte des Befeuchters, eine „erste Fläche“ aufweist. Das Gehäuse weist zumindest eine Seitenfläche auf, die zu dieser Platte parallel liegt. Insbesondere ist das Gehäuse quaderförmig und weist somit zwei gegenüberliegende Seitenflächen auf, die zu dieser größten Platte parallel liegen. Die Größe der Seitenfläche wird als „zweite Fläche“ bezeichnet.
Die Größe des Gehäuses ist so gewählt, dass das Gehäuse im Wesentlichen nur die drei Elemente und etwaige Verteilerstrukturen zwischen den drei Elementen aufnehmen kann. So ist bevorzugt definiert, dass die zweite Fläche höchstens das 1,5-fache, vorzugsweise höchstens das 1,3-fache, der erste Fläche beträgt.
In einer ersten möglichen Anordnung der drei Elemente innerhalb des Gehäuses ist bevorzugt vorgesehen, dass zumindest zwei, vorzugsweise alle drei Elemente (Wärmetauscher, Kühler und Befeuchter) übereinander bzw. nebeneinander angeordnet sind. Vorzugsweise liegen dabei die Platten aller drei Elemente im Gehäuse parallel zueinander und übereinander. „Übereinander“ bedeutet, dass sich die Platten, bei Betrachtung in Stapelrichtung, überlappen.
Gemäß einer zweiten Anordnung der drei Elemente innerhalb des Gehäuses ist bevorzugt vorgesehen, dass zwei der drei Elemente nebeneinander und das dritte Element über oder unter den beiden anderen Elementen angeordnet ist. Die Platten des dritten Elements, beispielsweise des Befeuchters, überlappen somit mit den Platten der beiden anderen Elemente.
Besonders bevorzugt umfasst das Gehäuse entsprechende Anschlüsse für die verwendeten Medien. So sind am Gehäuse vorzugsweise die folgenden Anschlüsse ausgebildet: Oxidationsmitteleinlass und/oder Oxidationsmittelauslass und/oder Abgaseinlass und/oder Abgasauslass und/oder Kühlmitteleinlass und/oder Kühlmittelauslass.
Die Anschlüsse am Gehäuse sind insbesondere als Flansche zum Anschluss einer Leitung, Stutzen zum Aufstecken oder ein Einstecken einer Leitung, oder als Aussparung zum Durchführen einer Leitung ausgebildet.
In dem Gehäuse ist vorzugsweise zumindest eine Verteilerstruktur angeordnet. Die Verteilerstruktur umfasst entsprechende Kanäle und/oder ansteuerbare Ventile.
Die jeweilige Verteilerstruktur befindet innerhalb des Gehäuses vorzugsweise zwischen einem Anschluss und dem zugehörigen Element. So befindet sich eine Verteilerstruktur beispielsweise zwischen dem Oxidationsmitteleinlass und dem Wärmetauscher und dient somit zum Einleiten des Oxidationsmittels in den Wärmetauscher. Des Weiteren kann sich eine Verteilerstruktur beispielsweise zwischen dem Abgaseinlass und dem Befeuchter befinden, um das Abgas in den Befeuchter einzuleiten.
Des Weiteren ist es vorgesehen, dass sich eine entsprechende Verteilerstruktur innerhalb des Gehäuses zwischen zwei Elementen befindet. So befindet sich eine Verteilerstruktur beispielsweise zwischen dem Wärmetauscher und dem Kühler und dient zum Überleiten des Oxidationsmittels vom Wärmetauscher in den Kühler. Eine weitere Verteilerstruktur kann beispielsweise zwischen Kühler und Befeuchter angeordnet sein, um innerhalb des Gehäuses das Oxidationsmittel vom Kühler in den Befeuchter zu führen.
Innerhalb der einzelnen Verteilerstruktur können die ansteuerbaren Ventile angeordnet werden. Dabei handelt es sich insbesondere um Drosselventile, die einen jeweiligen Volumenstrom stufenweise oder stufenlos regulieren können. Insbesondere kann sich in den Verteilerstrukturen auch zumindest eine der Bypassleitungen befinden, wobei die ansteuerbaren Ventile als Bypassventile ausgebildet sind.
Vorzugsweise ist zumindest eine der Verteilerstrukturen innerhalb des Gehäuses so angeordnet und mit zumindest einem Bypassventil ausgestaltet, um die erste Bypassleitung in das Gehäuse zu integrieren. Diese Verteilerstruktur ist im Gehäuse an den Oxidationsmitteleinlass, an den Wärmetauscher und an den Kühler angeschlossen, um das Oxidationsmittel vom Oxidationsmitteleinlass wahlweise in den Wärmetauscher oder in den Kühler zu leiten.
Auch die weiteren Bypassleitungen, insbesondere die dritte Bypassleitung und/oder die fünfte Bypassleitung sind vorzugsweise mit entsprechenden Verteilerstrukturen in das Gehäuse integriert.
Die hier offenbarte Technologie umfasst ferner ein Fahrzeug. Bei dem Fahrzeug handelt es sich insbesondere um ein Straßenfahrzeug. Das Fahrzeug umfasst das hier beschriebene Brennstoffzellensystem. Die mit dem Brennstoffzellensystem erzeugte Energie wird vorzugsweise zum Antrieb des Fahrzeugs verwendet.
Ferner umfasst die hier offenbarte Technologie ein Verfahren zur Steuerung eines Brennstoffzellensystems. Vorzugsweise wird das Brennstoffzellensystem gesteuert, welches hier im Detail beschrieben wurde. Insbesondere handelt es sich dabei um das Brennstoffzellensystem im Fahrzeug.
Bei dem Verfahren erfolgt ein Verdichten eines Oxidationsmittels, vorzugsweise Luft, und ein Zuführen des verdichteten Oxidationsmittels zu zumindest einer Brennstoffzelle. Von der Brennstoffzelle wird ein Abgas abgeführt. Im Rahmen des Verfahrens erfolgt eine Übertragung von Wärme vom verdichteten Oxidationsmittel auf das Abgas.
Die im Rahmen des offenbarten Brennstoffzellensystems und des offenbarten Fahrzeugs beschriebenen vorteilhaften Ausgestaltungen und Unteransprüche finden entsprechend vorteilhafte Anwendung auf das hier offenbarte Verfahren.
Insbesondere wird das erwärmte Abgas zum Betreiben einer Turbine verwendet.
Des Weiteren wird vorzugsweise das Oxidationsmittel stromab des Wärmetauschers mit einem Kühlkreislauf gekühlt. Nach der Kühlung erfolgt vorzugsweise eine Befeuchtung des Oxidationsmittels durch einen Austausch von Feuchtigkeit mit dem Abgas.
Vorzugsweise können mit dem Verfahren und insbesondere den oben beschriebenen Bypassleitungen zumindest folgende Modi gesteuert werden. Die Modi können auch untereinander, insbesondere durch Leiten von Teilströmen durch die Bypässe, kombiniert werden:
Gemäß einem ersten Modus wird die erste Bypassleitung und/oder die dritte Bypassleitung und/oder die vierte Bypassleitung zumindest teilweise geöffnet, um ein Kühlen des verdichteten Oxidationsmittels im Wärmetauscher und/oder im Kühler zu vermeiden. Dies ist insbesondere zum Aufwärmen der Brennstoffzelle sinnvoll.
Gemäß einem zweiten Modus wird die erste Bypassleitung zumindest teilweise geöffnet und eine Kühlung des Oxidationsmittels im Wärmetauscher zumindest reduziert. Das Oxidationsmittel wird zumindest teilweise durch den Kühler geleitet, um den Kühlkreislauf aufzuwärmen.
Gemäß einem dritten Modus, wenn keine Befeuchtung des Oxidationsmittels notwendig ist, wird die fünfte Bypassleitung zumindest teilweise geöffnet, um Strömungsverluste innerhalb des Befeuchters zu reduzieren.
In einem vierten Modus wird die zweite Bypassleitung zumindest teilweise geöffnet. Dadurch strömt verdichtetes Oxidationsmittel direkt in die Abgasleitung und treibt die Turbine an. Dies ist insbesondere sinnvoll, wenn der Verdichter mit einer Mindestdrehzahl betrieben werden muss, die Brennstoffzelle jedoch nicht das gesamte, mit der Mindestdrehzahl erzeugte Oxidationsmittelvolumen benötigt.
Die hier offenbarte Technologie wird nun anhand der Figuren erläutert. Es zeigen:

1 eine schematische Ansicht des offenbarten Brennstoffzellensystems,
2 eine erste schematische Ansicht des Brennstoffzellensystems, teilweise integriert in ein Gehäuse,
3 eine zweite schematische Ansicht des Brennstoffzellensystems, teilweise integriert in ein Gehäuse, und
4 eine dritte schematische Ansicht des Brennstoffzellensystems, teilweise integriert in ein Gehäuse.

Die Figuren zeigen in rein schematischen Darstellungen ein Brennstoffzellensystem 1.
Das Brennstoffzellensystem 1 umfasst zumindest eine Brennstoffzelle 2, insbesondere einen Brennstoffzellenstapel mit mehreren Brennstoffzellen 2. Zu der zumindest einen Brennstoffzelle 2 führt eine Zuleitung 3 für ein Oxidationsmittel, hier Luft aus der Umgebung.
Des Weiteren umfasst das Brennstoffzellensystem 1 eine Abgasleitung 4, die von der Brennstoffzelle 2 wegführt. Die Abgasleitung 4 führt insbesondere die Kathodenabluft der Brennstoffzelle 2 ab.
In der Zuleitung 3 befinden sich, in folgender Reihenfolge gemäß der Strömungsrichtung, eine Luftfilter 11, ein Verdichter 5, ein Wärmetauscher 6, ein Kühler 7 und ein Befeuchter 10.
In der Abgasleitung 4 befinden sich, in folgender Reihenfolge gemäß der Strömungsrichtung, der Befeuchter 10, ein Wasserabscheider 12, der Wärmetauscher 6 und eine Turbine 9.
Der Verdichter 5 verdichtet das Oxidationsmittel und führt dies dem Wärmetauscher 6 zu. Im Wärmetauscher 6 erfolgt eine Übertragung von Wärme vom Oxidationsmittel an das Abgas.
Der Kühler 7 ist an einen Kühlkreislauf 8 angeschlossen. Im Kühler 7 erfolgt ein Wärmeaustausch zwischen dem Oxidationsmittel und einem Kühlmittel, insbesondere Kühlfluid, des Kühlkreislaufs 8.
Durch den Befeuchter 10 strömen das Oxidationsmittel und das Abgas. Im Befeuchter 10 erfolgt ein Befeuchten des relativ trockenen Oxidationsmittels mit dem relativ feuchten Abgas.
Im Wasserabscheider 12 erfolgt ein Abscheiden von Wasser aus dem Abgas. Das abgeschiedene Wasser kann innerhalb des Brennstoffzellensystems 1 wieder verwendet werden, beispielsweise durch Einleiten des Wassers in das Oxidationsmittel. Gemäß 1 befindet sich der Wasserabscheider 12 zwischen dem Befeuchter 10 und dem Wärmetauscher 6. Wie jedoch anhand von 2 noch erläutert wird, kann sich der Wasserabscheider 12 auch stromab des Wärmetauschers 6 befinden.
Im Wärmetauscher 6 wird das Abgas erwärmt und durchläuft anschließend mit gesteigerter Enthalpie die Turbine 9. Die Turbine 9 ist über eine Welle mit dem Verdichter 5 verbunden und treibt somit den Verdichter 5 an.
Zur Steuerung des Brennstoffzellensystems 1 in verschiedenen Modi, umfasst das Brennstoffzellensystem 1 vorzugsweise zumindest eine Bypassleitung 21-25 für das Oxidationsmittel. Die jeweilige Bypassleitung 21-25 umfasst insbesondere ein entsprechendes Bypassventil 20 zum teilweisen oder vollständigen Öffnen der Bypassleitung 21-25.
Vorzugsweise umfasst das Brennstoffzellensystem 1 eine erste Bypassleitung 21 für das Oxidationsmittel zum Umgehen des Wärmetauschers 6. Die erste Bypassleitung 21 zweigt zwischen dem Verdichter 5 und dem Wärmetauscher 6 von der Zuleitung 3 ab und mündet zwischen Wärmetauscher 6 und Kühler 7 in die Zuleitung 3.
Vorzugsweise umfasst das Brennstoffzellensystem 1 eine zweite Bypassleitung 22 für das Oxidationsmittel zum direkten Führen des verdichteten Oxidationsmittels, zumindest in einem Teilstrom, zur Turbine 9. Die zweite Bypassleitung 22 zweigt stromab des Verdichters 5, insbesondere zwischen dem Verdichter 5 und dem Wärmetauscher 6, von der Zuleitung 3 ab und mündet stromauf der Turbine 9, gemäß 1 zwischen dem Wärmetauscher 6 und der Turbine 9, in die Abgasleitung 3.
Vorzugsweise umfasst das Brennstoffzellensystem 1 eine dritte Bypassleitung 23 für das Oxidationsmittel zur Umgehung des Kühlers 7. Die dritte Bypassleitung 23 zweigt stromauf des Kühlers 7, gemäß 1 zwischen dem Wärmetauscher 6 und dem Kühler 7, von der Zuleitung 3 ab und mündet stromab des Kühlers 7, gemäß 1 zwischen dem Kühler 7 und dem Befeuchter 10 oder alternativ zwischen dem Befeuchter 10 und der Brennstoffzelle 2, in die Zuleitung 3.
Vorzugsweise umfasst das Brennstoffzellensystem 1 eine vierte Bypassleitung 24 für das Oxidationsmittel zur Umgehung des Wärmetauschers 6 und des Kühlers 7 und vorzugsweise auch des Befeuchters 10. Die vierte Bypassleitung 24 zweigt zwischen dem Verdichter 5 und dem Wärmetauscher 6 von der Zuleitung 3 ab und mündet stromab des Kühlers 7, vorzugsweise stromab des Befeuchters 10, wie dies 1 zeigt, in die Zuleitung 3.
Vorzugsweise umfasst das Brennstoffzellensystem 1 eine fünfte Bypassleitung 25 für das Oxidationsmittel zur Umgehung des Befeuchters 10. Die fünfte Bypassleitung 25 zweigt zwischen dem Kühler 7 und dem Befeuchter 10 von der Zuleitung 3 ab und mündet stromab des Befeuchters 10 in die Zuleitung 3.
2 zeigt rein schematisch die Integration der drei Elemente, nämlich Wärmetauscher 6 (auch: Luft-Luft-Wärmetauscher, Kühler 7 (auch: Wasser-Luft-Wärmetauscher) und Befeuchter 10, in ein Gehäuse 13. Eine Größe des Gehäuses 13 ist an diese drei Elemente angepasst. Zumindest eines der drei Elemente ist vorzugsweise aus mehreren gestapelten Platten 16 aufgebaut. 2 zeigt, dass eine Seitenfläche 17 des Gehäuses 13 nur unwesentlich größer als die größte verwendete Platte 16 ist.
An dem Gehäuse 13 sind die folgenden Anschlüsse ausgebildet: ein Oxidationsmitteleinlass 131 und ein Oxidationsmittelauslass 132 für die Zuleitung 3, ein Abgaseinlass 133 und ein Abgasauslass 134 für die Abgasleitung 4 und ein Kühlmitteleinlass 135 und ein Kühlmittelauslass 136 für den Kühlkreislauf 8.
In dem Gehäuse 13 befinden sich zumindest zwei gezeigte Verteilerstrukturen 18. Die jeweilige Verteilerstruktur 18 umfasst entsprechende Kanäle und/oder ansteuerbare Ventile.
Die jeweilige Verteilerstruktur 18 befindet innerhalb des Gehäuses 13 zwischen einem Anschluss 131-136 und dem zugehörigen Element 6, 7, 10 und/oder zwischen den Elementen 6, 7, 10.
2 zeigt beispielhaft eine Verteilerstruktur 18 zum Verteilen des Oxidationsmittels vom Wärmetauscher 6 wahlweise auf den Kühler 7 oder direkt den Befeuchter 10. In diese Verteilerstruktur 18 ist die dritte Bypassleitung 23 integriert.
Eine weitere Verteilerstruktur 18 in 2 befindet sich zwischen dem Kühler 7 und dem Befeuchter 10 und dient somit zum Leiten des Oxidationsmittels vom Kühler 7 in den Befeuchter 10.
2 zeigt lediglich beispielhaft zwei Verteilerstrukturen 18. Tatsächlich kann eine Vielzahl an unterschiedlichen Verteilerstrukturen 18 in das Gehäuse 13 integriert werden.
Ferner zeigt 2 eine optionale Anordnung des Wasserabscheiders 12 unmittelbar an einer Außenseite des Gehäuses 13. Der Wasserabscheider 12 ist direkt am Abgasauslass 134 des Gehäuses 13 integral ausgebildet oder angeflanscht.
Der Wasserabscheider 12 umfasst vorzugsweise ein Wasserreservoir 121 und einen Wasserablass 123, der über ein Ablassventil 122 mit dem Wasserreservoir 121 verbunden ist.
3 und 4 zeigen, ohne den Verteilerstrukturen 18, zwei mögliche Anordnungen der drei Elemente (Wärmetauscher 6, Kühler 7, Befeuchter 10) innerhalb des gemeinsamen Gehäuses 13. Gemäß 3 werden der Wärmetauscher 6 und der Kühler 7 nebeneinander angeordnet. Der Befeuchter 10 befindet sich über oder unter den beiden anderen Elementen und erstreckt sich in einer Ebene über die beiden anderen Elemente.
4 zeigt in schematisch vereinfachter Ansicht die Anordnung aus 2, bei der alle 3 Elemente übereinander angeordnet sind.
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
Bezugszeichenliste

1: Brennstoffzellensystem
2: Brennstoffzelle, insbesondere Brennstoffzellenstapel
3: Zuleitung
4: Abgasleitung
5: Verdichter
6: Wärmetauscher
7: Kühler, insbesondere Ladeluftkühler
8: Kühlkreislauf
9: Turbine
10: Befeuchter
11: Luftfilter
12: Wasserabscheider
121: Wasserreservoir
122: Ablassventil
123: Wasserablass
13: Gehäuse
131: Oxidationsmitteleinlass
132: Oxidationsmittelauslass
133: Abgaseinlass
134: Abgasauslass
135: Kühlmitteleinlass
136: Kühlmittelauslass
16: Platte
17: Seitenfläche
18: Verteilerstruktur
20: Bypassventile
21: 1. Bypassleitung
22: 2. Bypassleitung
23: 3. Bypassleitung
24: 4. Bypassleitung
25: 5. Bypassleitung

Claims

Brennstoffzellensystem (1), vorzugsweise in einem Fahrzeug, umfassend • zumindest eine Brennstoffzelle (2), • eine zur Brennstoffzelle (2) führende Zuleitung (3) für ein Oxidationsmittel, vorzugsweise Luft, • eine von der Brennstoffzelle (2) abführende Abgasleitung (4) für ein Abgas, • zumindest einen Verdichter (5) in der Zuleitung (3) zum Verdichten des Oxidationsmittels, und • einen Wärmetauscher (6), der in der Zuleitung (3) stromab des Verdichters (5) und in der Abgasleitung (4) angeordnet ist, zur Wärmeübertragung vom verdichteten Oxidationsmittel auf das Abgas.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1 umfassend einen an einen Kühlkreislauf (8) angeschlossenen Kühler (7), insbesondere Ladeluftkühler, in der Zuleitung (3) stromab des Wärmetauschers (6).
Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche umfassend einen Befeuchter (10) der in der Zuleitung (3) und in der Abgasleitung (4) zur Befeuchtung des Oxidationsmittels mit dem Abgas angeordnet ist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 3 umfassend ein gemeinsames Gehäuse (13) zur Aufnahme des Wärmetauschers (6) und des Kühlers (7) und des Befeuchters (10).
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 4, wobei der Wärmetauscher (6) und/oder der Kühler (7) und/oder der Befeuchter (10) jeweils aus mehreren gestapelten Platten (16) zusammengesetzt ist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 5, wobei die größte verwendete Platte (16) eine erste Fläche aufweist, wobei zumindest eine zu der Platte (16) parallel liegende Seitenfläche (17) des Gehäuses (13) eine zweite Fläche aufweist, und wobei die zweite Fläche höchstens das 1,5-fache, vorzugsweise höchstens das 1,3-fache, der ersten Fläche beträgt.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 5 oder 6, wobei die Platten (16) von zumindest zwei der drei Elemente, nämlich Wärmetauscher (6), Kühler (7) und Befeuchter (10), im Gehäuse (13) parallel zueinander und übereinander liegen.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei die Platten (16) von zwei der drei Elemente, nämlich Wärmetauscher (6), Kühler (7) und Befeuchter (10), im Gehäuse (13) parallel zueinander und nebeneinander liegen.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 4 bis 8, wobei am Gehäuse (13) ein Oxidationsmitteleinlass (131) und/oder Oxidationsmittelauslass (132) und/oder Abgaseinlass (133) und/oder Abgasauslass (134) und/oder Kühlmitteleinlass (135) und/oder Kühlmittelauslass (136) ausgebildet ist/sind.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 4 bis 9, wobei im Gehäuse (13) zumindest eine Verteilerstruktur (18) angeordnet ist, zur Verteilung des Oxidationsmittel oder des Abgases auf bzw. zwischen Wärmetauscher (6), Kühler (7) und Befeuchter (10).
Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche umfassend zumindest eine Turbine (9) stromab des Wärmetauschers (6) in der Abgasleitung (4).
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 11, wobei die Turbine (9) mit dem Verdichter (5) antriebsverbunden ist.
Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche umfassend eine den Wärmetauscher (6) umgehende Bypassleitung (21, 24) für das Oxidationsmittel und ein ansteuerbares Ventil (15) zum Öffnen und Schließen der Bypassleitung (14).
Fahrzeug, insbesondere Straßenfahrzeug, mit zumindest einem Brennstoffzellensystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Verfahren zur Steuerung eines Brennstoffzellensystems (1), vorzugsweise nach einem der Ansprüche 1 bis 13, umfassend folgende Schritte: • Verdichten eines Oxidationsmittels, vorzugsweise Luft, und Zuführen des verdichteten Oxidationsmittels zu zumindest einer Brennstoffzelle (2), • Abführen von Abgas aus der Brennstoffzelle (2), und • Übertragung von Wärme vom verdichteten Oxidationsmittel auf das Abgas.