DE102018202906A1 - Brennstoffzellensystem - Google Patents

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heat exchanger
fuel cell
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cooling
air supply
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Mark Hellmann
Helerson Kemmer
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Robert Bosch GmbH
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Robert Bosch GmbH
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Abstract

Brennstoffzellensystem (1) mit einer Brennstoffzelle (2), einer Luftzuführungsleitung (3) zum Zuführen eines Oxidationsmittels in die Brennstoffzelle (2) und einer Abgasleitung (4) zum Abführen des Oxidationsmittels aus der Brennstoffzelle (2). Das Brennstoffzellensystem (1) weist einen von einem Kühlmedium durchströmbaren Kühlkreis (10) zur Kühlung der Brennstoffzelle (2) auf, wobei der Kühlkreis (10) in der Brennstoffzelle (2) angeordnete Kühlkanäle (11) aufweist. Der Kühlkreis (10) weist einen in der Luftzuführungsleitung (3) angeordneten ersten Wärmetauscher (21) auf und weiterhin einen in der Abgasleitung (4) angeordneten zweiten Wärmetauscher (22).

Description

  • Stand der Technik
  • Brennstoffzellensysteme sind aus dem Stand der Technik bekannt, beispielsweise aus der Offenlegungsschrift DE 10 2013 206 701 A1 . Das bekannte Brennstoffzellensystem umfasst eine Brennstoffzelle, eine Luftzuführungsleitung zum Zuführen eines Oxidationsmittels in die Brennstoffzelle und eine Abgasleitung zum Abführen des Oxidationsmittels aus der Brennstoffzelle. Das Brennstoffzellensystem weist einen von einem Kühlmedium durchströmbaren Kühlkreis zur Kühlung der Brennstoffzelle auf, wobei der Kühlkreis in der Brennstoffzelle angeordnete Kühlkanäle aufweist. Der Kühlkreis weist weiterhin einen in der Luftzuführungsleitung angeordneten Wärmetauscher auf.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem weist demgegenüber einen verbesserten Wirkungsgrad auf, insbesondere durch einen effektiveren Kühlkreis.
  • Dazu umfasst das Brennstoffzellensystem eine Brennstoffzelle, eine Luftzuführungsleitung zum Zuführen eines Oxidationsmittels in die Brennstoffzelle und eine Abgasleitung zum Abführen des Oxidationsmittels aus der Brennstoffzelle. Das Brennstoffzellensystem weist einen von einem Kühlmedium durchströmbaren Kühlkreis zur Kühlung der Brennstoffzelle auf, wobei der Kühlkreis in der Brennstoffzelle angeordnete Kühlkanäle aufweist. Der Kühlkreis weist einen in der Luftzuführungsleitung angeordneten ersten Wärmetauscher auf und weiterhin einen in der Abgasleitung angeordneten zweiten Wärmetauscher.
  • Dadurch wird das Kühlmedium in dem ersten Wärmetauscher erhitzt, aber in dem zweiten Wärmetauscher gekühlt. Ein etwaiger Kühler in dem Kühlkreis kann demzufolge kleiner ausgelegt werden bzw. sogar ganz entfallen. Das Abgas - also das durch die Brennstoffzelle geströmte, zumindest teilweise reagierte Oxidationsmittel - wird also in der Abgasleitung weiter aufgeheizt und dadurch der Kühlkreis thermisch entlastet. Dies ist besonders vorteilhaft, wenn in der Abgasleitung stromabwärts des zweiten Wärmetauschers eine Abgasturbine angeordnet ist. In der Abgasturbine wird das erhitzte Abgas entspannt, wodurch zumindest ein Teil der Wärmeenergie des Abgases zurückgewonnen wird. Vorzugsweise wird diese Energie einem in der Luftzuführungsleitung angeordnetem Verdichter zur Verfügung gestellt.
  • Alternativ kann der zweite Wärmetauscher, oder ein dritter bzw. vierter Wärmetauscher auch stromabwärts der Abgasturbine angeordnet sein, um die Temperatur des an die Umgebung abgeführte Abgases weiter zu reduzieren.
  • Vorzugsweise sind in dem Kühlkreis also in Flussrichtung des Kühlmediums die Kühlkanäle, der erste Wärmetauscher und der zweite Wärmetauscher angeordnet. Optional ist weiter stromabwärts dann der Kühler angeordnet. Das Kühlmedium wird somit in den Kühlkanälen und in dem ersten Wärmetauscher aufgeheizt und in dem zweiten Wärmetauscher und in dem Kühler abgekühlt.
  • In bevorzugten Weiterbildungen sind in der Luftzuführungsleitung ein Verdichter und ein weiterer Verdichter in Reihe geschaltet. Der erste Wärmetauscher ist stromabwärts der beiden Verdichter angeordnet. Die beiden Verdichter verdichten das Oxidationsmittel - vorzugsweise Umgebungsluft - für den Eintritt in die Brennstoffzelle. Damit einher geht eine Erhitzung des Oxidationsmittels. Der erste Wärmetauscher kühlt das verdichtete und erhitzte Oxidationsmittel vor dem Eintritt in die Brennstoffzelle jedoch wieder herunter, so dass die elektrochemische Reaktion des Oxidationsmittels in der Brennstoffzelle mit einem Brennstoff - vorzugsweise Wasserstoff - einen hohen Wirkungsgrad aufweist. Ferner werden gegebenenfalls die in der Luftzuführungsleitung weiteren platzierten Komponenten, wie beispielsweise ein Befeuchter, vor einer Beschädigung durch heiße Luft geschützt; dies gilt selbstverständlich auch für die Brennstoffzelle selbst.
  • Vorteilhafterweise ist dabei ein dritter Wärmetauscher in der Luftzuführungsleitung zwischen den beiden Verdichtern angeordnet. Der dritte Wärmetauscher fungiert somit als Zwischenkühler. Dadurch ist die zwei- bzw. mehrstufige Verdichtung effizienter ausgeführt.
  • Vorzugsweise sind in dem Kühlkreis dabei der erste Wärmetauscher und der dritte Wärmetauscher parallel geschaltet. Der Massenstrom des Kühlmediums wird entsprechend auf den ersten und dritten Wärmetauscher aufgeteilt. Der erste und der dritte Wärmetauscher erhitzen jeweils das Kühlmedium, so dass in der Parallelschaltung beide Wärmetauscher mit einem kühleren Kühlmedium durchströmt werden als dies bei einer Reihenschaltung für den weiter stromabwärts angeordneten Wärmetauscher der Fall wäre. Vorzugsweise wird der zweite Wärmetauscher jedoch wieder von dem gesamten Massenstrom des Kühlmediums durchströmt, so dass auch der gesamte Massenstrom des Kühlmediums durch den zweiten Wärmetauscher gekühlt wird.
  • In vorteilhaften Weiterbildungen weist das Brennstoffzellensystem eine Wärmetauschereinheit zwischen der Luftzuführungsleitung und der Abgasleitung auf. Die Wärmetauschereinheit ist dabei in der Luftzuführungsleitung vorzugsweise zwischen den beiden Verdichtern angeordnet, fungiert vorzugsweise also als Zwischenkühler. Die Wärmetauschereinheit ergänzt den ersten Wärmetauscher und den zweiten Wärmetauscher und ist bevorzugt als Gas-Gas-Wärmetauscher zwischen der Luftzuführungsleitung und der Abgasleitung angeordnet, so dass ein direkter Wärmeaustausch zwischen Zuluft und Abluft geschieht, bevorzugt mit gegenläufigen Strömungsrichtungen. Dadurch wird der thermische Haushalt des Brennstoffzellensystems noch effektiver gestaltet.
  • In alternativen vorteilhaften Ausführungen sind in der Luftzuführungsleitung ein Verdichter und ein weiterer Verdichter in Reihe geschaltet, wobei der erste Wärmetauscher zwischen den beiden Verdichtern angeordnet ist. Der erste Wärmetauscher fungiert somit als Zwischenkühler, so dass die zwei- bzw. mehrstufige Verdichtung besonders effizient erfolgt.
  • In vorteilhaften Weiterbildungen ist dabei eine Wärmetauschereinheit zwischen der Luftzuführungsleitung und der Abgasleitung angeordnet, wobei die Wärmetauschereinheit in der Luftzuführungsleitung vorzugsweise stromabwärts der beiden Verdichter angeordnet ist. Die Wärmetauschereinheit ergänzt den ersten Wärmetauscher und den zweiten Wärmetauscher und ist bevorzugt als Gas-Gas-Wärmetauscher zwischen der Luftzuführungsleitung und der Abgasleitung angeordnet, so dass ein direkter Wärmeaustausch zwischen Zuluft und Abluft geschieht. Dadurch wird der thermische Haushalt des Brennstoffzellensystems noch effektiver gestaltet. Vorzugsweise fungiert der erste Wärmetauscher dann als Zwischenkühler, und die Wärmetauschereinheit kühlt die mehrstufig verdichtete Zuluft vor dem Eintritt in die Brennstoffzelle ab; vorteilhafterweise heizt die Wärmetauschereinheit gleichzeitig die Abluft vor dem Eintritt in die Abgasturbine auf.
  • In bevorzugten Weiterbildungen ist in dem Kühlkreis ein Regelventil zur Regelung des Massenstroms des Kühlmediums durch die Wärmetauscher angeordnet. Dadurch kann der die Wärmetauscher durchströmende Kühlmediummassenstrom bedarfsgerecht gedrosselt werden. Die Wärmetauscher werden damit situationsbedingt stärker oder schwächer durch das Kühlmedium gekühlt bzw. erhitzt.
  • Die vorangehend beschriebenen Brennstoffzellensysteme können vorzugsweise dazu eingerichtet sein, eine Antriebseinheit eines Kraftfahrzeugs anzutreiben.
  • Figurenliste
  • Weitere optionale Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele, welche in den Figuren schematisch dargestellt sind.
  • Es zeigen:
    • 1 schematisch ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind.
    • 2 schematisch ein weiteres erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind.
    • 3 schematisch noch ein weiteres erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind.
    • 4 schematisch noch ein weiteres erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind.
  • Ausführliche Beschreibung der Erfindung
  • 1 zeigt ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem 1 mit einer Brennstoffzelle 2. Die Brennstoffzelle 2 weist eine Anodenseite 2a und eine Kathodenseite 2b auf. Der Anodenseite 2a wird ein Brennstoff, vorzugsweise Wasserstoff, aus einem Tank 5a über eine Brennstoffzuführungsleitung 5 zugeführt. Der Kathodenseite 2b wird ein Oxidationsmittel, vorzugsweise Umgebungsluft, über eine Luftzuführungsleitung 3 zugeführt. Das reagierte bzw. nicht verbrauchte Oxidationsmittel und gegebenenfalls auch das Reaktionsprodukt werden über eine Abgasleitung 4 wieder aus der Brennstoffzelle 2 abgeführt.
  • In der Ausführung der 1 sind in der Luftzuführungsleitung 3 drei Verdichter angeordnet: ein Verdichter 31, ein weiterer Verdichter 32 und ein dritter Verdichter 33. Der Verdichter 31 und der dritte Verdichter 33 sind parallel geschaltet und von einer Antriebseinheit 34, vorzugsweise einem Elektromotor, antreibbar. Dazu ist der weitere Verdichter 32 in Reihe geschaltet. Das Oxidationsmittel wird vorteilhafterweise stromaufwärts der Verdichter 31, 32, 33 durch einen Filter 6 gefiltert und vor der Brennstoffzelle 2 durch einen Befeuchter 7 befeuchtet, wobei der Befeuchter 7 vorzugsweise dem reagierten Oxidationsmittel in der Abgasleitung 4 Feuchte entzieht und diese dem Oxidationsmittel in der Luftzuführungsleitung 3 zuführt.
  • Prinzipiell sind für vorliegende Erfindungen auch andere Verdichtungskonzepte denkbar. Im Falle der Ausführung nach 1 können der Verdichter 31 und der dritte Verdichter 33 redundant verwendet werden bzw. zusammen für einen hohen Massenstrom sorgen. Dazu sorgt der in Reihe geschaltete weitere Verdichter 32 für eine zweistufige Verdichtung des Oxidationsmittels. Alternativ kann die Verdichtung des Oxidationsmittels jedoch auch einstufig erfolgen, mit oder ohne redundanter Ausführung.
  • Der weitere Verdichter 32 ist in der Ausführung der 1 gemeinsam mit einer Abgasturbine 35 auf einer Welle 36 angeordnet, so dass der weitere Verdichter 32 durch die Abgasturbine 35 angetrieben wird. Die Abgasturbine 35 ist in der Abgasleitung 4 angeordnet, und setzt die Energie des reagierten bzw. nicht verbrauchten Oxidationsmittels in eine Rotation der Welle 36 um.
  • Das Brennstoffzellensystem 1 weist einen von einem Kühlmedium durchströmbaren Kühlkreis 10 zur Kühlung der Brennstoffzelle 2 auf. Der Kühlkreis 10 weist in der Brennstoffzelle 2 angeordnete Kühlkanäle 11 auf, so dass die Kühlung der Brennstoffzelle 2 sehr effizient ausgeführt ist. Dabei kann die Kühlung durch die Kühlkanäle 11 an beliebigen Positionen innerhalb der Brennstoffzelle 2 erfolgen. Das Kühlmedium wird mittels einer Pumpe 12 durch den Kühlkreis 10 gefördert und mittels eines Kühlers 13 gekühlt. Der Kühler 13 ist dabei in bevorzugten Ausführungen ein Fahrzeugkühler, sofern das Brennstoffzellensystem 1 in einem Fahrzeug verwendet wird. Der Kühlkreis 10 weist weiterhin einen in der Luftzuführungsleitung 3 angeordneten ersten Wärmetauscher 21 und einen in der Abgasleitung 4 angeordneten zweiten Wärmetauscher 22 auf.
  • Bevorzugt sind in dem Kühlkreis 10 in Flussrichtung des Kühlmediums zunächst die Kühlkanäle 11, dann der erste Wärmetauscher 21, dann der zweite Wärmetauscher 22 und schließlich der Kühler 13 angeordnet. Dadurch wird bevorzugt die Brennstoffzelle 2 gekühlt, das Oxidationsmittel in der Luftzuführungsleitung 3 gekühlt und das verbrauchte bzw. nicht reagierte Oxidationsmittel in der Abgasleitung 4 aufgeheizt. Durch das Aufheizen des reagierten Oxidationsmittels vor der Abgasturbine 35 wird der Kühlkreis 10 bzw. der Kühler 13 entlastet, da das Kühlmedium schon in dem zweiten Wärmetauscher 22 abgekühlt wird. Das heißt in dem Kühlkries 10 können höhere Kühlleistungen realisiert werden, oder aber der Kühler 13 kann minimiert oder sogar ersetzt werden. Gleichzeitig wird die Effizienz der Abgasturbine 35 erhöht, da durch das Aufheizen im zweiten Wärmetauscher 22 das reagierte Oxidationsmittel mehr Energie aufweist. Infolgedessen kann auch der weitere Verdichter 32 mit einer höheren Drehzahl betrieben werden, wodurch der Massenstrom des in die Brennstoffzelle 2 geförderten Oxidationsmittels erhöht wird.
  • In bevorzugten Weiterbildungen kann der Massenstrom des Kühlmediums mittels eines Regelventils 14 zu den beiden Wärmetauschern 21, 22 geregelt bzw. sogar gestoppt werden. Mittels eines Bypassventils 15 kann der Massenstrom des Kühlmediums auch in eine Bypassleitung 16 geführt und an dem Kühler 13 vorbeigeleitet werden. Dadurch ist eine gezielte Abkühlung des Oxidationsmittels in der Luftzuführungsleitung 3 bzw. eine gezielte Anhebung der Oxidationsmitteltemperatur in der Abgasleitung 4 durch entsprechende Drosselung der Kühlmediummenge möglich. Die Effizienz der Abgasturbine 35 kann so weiter gesteigert werden. Gleichzeitig kann dadurch einer Tropfenbildung des reagierten Oxidationsmittels in der Abgasleitung 4 vorgebeugt werden, was die Lebensdauer der Abgasturbine 35 erhöht.
  • Bevorzugt sind die beiden Wärmetauscher 21, 22 als Gas-Wasser-Wärmetauscher ausgeführt. Der erste Wärmetauscher 21 ist kühlmittelseitig zustromseitig mit dem Hauptkühlpfad - also mit den Kühlkanälen 11 - der Brennstoffzelle 2 und abstromseitig mit dem zweiten Wärmetauscher 22 verbunden. Nachdem das vorzugsweise flüssige Kühlmedium das verdichtete Oxidationsmittel - bzw. die Zuluft - von beispielsweise 200°C auf beispielsweise 120°C abgekühlt hat, wird es die Abluft vor der Abgasturbine 35 von beispielsweise 80°C auf beispielsweise 110°C aufheizen. Der Druckverlust über die beiden Wärmetauscher 21, 22 wird so ausgelegt, dass ein gegebenenfalls nur mäßiger Kühlmediumvolumenstrom hindurch strömt, damit die Temperatur des Kühlmediums vorzugsweise über 100°C bleibt, und das Ablufttemperaturniveau angehoben werden kann.
  • Vorzugsweise wird der Kühlmediumvolumenstrom in die beiden Wärmetauscher 21, 22 durch das Regelventil 14 eingestellt, welches vorteilhafterweise als 3-Wege-Ventil ausgelegt ist. Ferner durchströmt hier das Kühlmedium den ersten Wärmetauscher 21 im Gegenstrom zur Zuluft, so dass es den ersten Wärmetauscher 21 mit der höchstmöglichen Temperatur verlässt, die Zuluft also bestmöglich gekühlt ist. Besonders vorteilhaft ist, wenn der zweite Wärmetauscher 22 auch in Gegenstrom zur Abluft durchströmt wird, damit diese die Abgasturbine 35 mit der höchstmöglichen Temperatur erreicht.
  • In Teillast oder bei tiefen Umgebungstemperaturen wird der Kühlmediumvolumenstrom durch die beiden Wärmetauscher 21, 22 mittels des Regelventils 14 deutlich reduziert und gegebenenfalls durch die Sperrung des Regelventils 14 auch ganz eingestellt. Damit wird verhindert, dass die kühle Zuluft bzw. das kühle Oxidationsmittel die Abluft bzw. das Abgas abkühlt. Durch die Einbringung von Temperatursensoren in dem Kühlkreis 10 sowie in der Luftzuführungsleitung 3 bzw. in der Abgasleitung 4 ist eine intelligente und situationsgerechte Ansteuerung möglich.
  • Alternativ zu der Ausführung gemäß 1 kann der erste Wärmetauscher 21 in der Luftzuführungsleitung 3 auch zwischen der Parallelschaltung aus Verdichter 31 und drittem Verdichter 33 einerseits und weiterem Verdichter 32 andererseits angeordnet sein. Diese Anordnung wäre dann eine sogenannte Zwischenkühlung und würde für eine effizientere Verdichtung in der zweiten Verdichterstufe - also in dem weiteren Verdichter 32 - sorgen.
  • 2 zeigt eine Weiterbildung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems 1. Im Folgenden soll dabei aber nur auf die Unterschiede zur Ausführung nach der 1 eingegangen werden. Das Brennstoffzellensystem 1 nach der Ausführung der 2 weist einen dritten Wärmetauscher 23 auf. Der dritte Wärmetauscher 23 ist in der Luftzuführungsleitung 3 zwischen der Parallelschaltung aus Verdichter 31 und drittem Verdichter 33 einerseits und dem weiteren Verdichter 32 andererseits angeordnet. Der dritte Wärmetauscher 23 ist also als Zwischenkühler einer zweistufigen Verdichtung ausgeführt und wird daher folgerichtig auch nur bei einer mehrstufigen Verdichtung eingesetzt. Der erste Wärmetauscher 21 ist stromabwärts des weiteren Verdichters 32 angeordnet und kühlt die Zuluft bzw. das Oxidationsmittel vor Eintritt in die Brennstoffzelle 2. Das sorgt für einen optimalen Wirkungsgrad in der Luftverdichtung und auch für komponentenschonende Lufttemperaturen. Der zweite Wärmetauscher 22 ist in der Abgasleitung 4 angeordnet und heizt die Abluft auf. Somit wird der Energierückgewinn durch die Abgasturbine 35 maximiert.
  • Kühlmediumseitig sind der erste Wärmetauscher 21 und der dritte Wärmetauscher 23 parallel geschaltet und stromabwärts davon der zweite Wärmetauscher 22 dazu in Reihe geschaltet. Das Kühlmedium erhitzt sich also in dem ersten Wärmetauscher 21 und in dem dritten Wärmetauscher 23, danach werden die beiden Teilmassenströme zusammengeführt und in dem zweiten Wärmetauscher 22 wird das Kühlmedium wieder abgekühlt und bei Bedarf anschließend noch in dem Kühler 13 weiter abgekühlt.
  • In weiterbildenden Ausführungen kann auch ein vierter Wärmetauscher in der Abgasleitung 4 stromabwärts der Abgasturbine 35 angeordnet werden. Dadurch wird die Abluft bzw. das reagierte Oxidationsmittel bzw. das Reaktionsprodukt hinter der Abgasturbine 35 mittels des vierten Wärmetauschers weiter aufgeheizt. Damit ist die Abluft nicht mehr so nass, die Tropfenbildung im Auspuff wird reduziert bzw. eliminiert. Durch die damit verbundene gleichzeitige Abkühlung des Kühlmediums wird der Kühlkreis 10 um die Expansionsenthalpie der Abgasturbine 35 entlastet. In diesem Fall wird das Kühlmedium nach Verlassen des vierten Wärmetauschers vorzugsweise stromabwärts des Kühlers 13 eingeleitet, beispielsweise im Bereich der Einmündung der Bypassleitung 16.
  • 3 zeigt ein weiteres Brennstoffzellensystem 1, wobei im Folgenden wieder nur auf die Unterschiede zu den vorangegangenen Ausführungen eingegangen wird. In der Ausführung der 3 ist der vierte Wärmetauscher 24 wie oben beschrieben in der Abgasleitung 4 stromabwärts der Abgasturbine 35 angeordnet. Der dritte Wärmetauscher 23, welcher als Zwischenkühler ausgeführt ist, und der vierte Wärmetauscher 24 sind jedoch in einer Wärmetauschereinheit 25 angeordnet. Die Wärmetauschereinheit 25 wird nicht von Kühlmedium durchströmt und ist somit nicht in dem Kühlkreis 10 angeordnet. Es erfolgt stattdessen ein direkter Wärmeaustausch zwischen dem relativ heißen einstufig verdichteten Oxidationsmittel und dem relativ kühlen Abgas, welches schon durch die Abgasturbine 35 entspannt und gekühlt wurde. Vorzugsweise ist die Wärmetauschereinheit 25 als Gas-Gas-Wärmetauscher ausgeführt. Dieser ist sinnvoll platziert, so dass die Luftzufuhr Wärme mit der Abluft erst hinter der Abgasturbine 35 austauscht. Somit wird es verhindert, dass es bei Teillastbetrieb zu Tropfenschlag in der Abgasturbine 35 kommt.
  • 4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Brennstoffzellensystems 1 mit einer Wärmetauschereinheit 25, wobei im Folgenden wieder nur auf die Unterschiede zu den vorangegangenen Ausführungen eingegangen wird. Auch die Ausführung der 4 weist eine zweistufige Verdichtung des Oxidationsmittels in der Luftzuführungsleitung 3 auf, vorzugsweise mit der Parallelschaltung aus Verdichter 31 und drittem Verdichter 33 als erste Verdichtungsstufe und dem weiteren Verdichter 32 als zweite Verdichtungsstufe. Der erste Wärmetauscher 21 ist in der Luftzuführungsleitung 3 zwischen diesen beiden Verdichtungsstufen angeordnet, dient also als Zwischenkühler. Der zweite Wärmetauscher 22 ist in der Abgasleitung 4 stromaufwärts der Abgasturbine 35 angeordnet, führt der Abluft also Wärmeenergie zu.
  • In dem Kühlkreis 10 wird das Kühlmedium also durch den ersten Wärmetauscher 21 erwärmt und durch den zweiten Wärmetauscher 22 abgekühlt.
  • Die Wärmetauschereinheit 25 ist in der Ausführung der 4 in der Luftzuführungsleitung 3 stromabwärts der Verdichter 31, 32, 33 positioniert und in der Abgasleitung 4 stromaufwärts der Abgasturbine 35 und umfasst den dritten Wärmetauscher 23 und den vierten Wärmetauscher 24, wobei beide ohne Kühlmedium betrieben werden. Die Wärmetauschereinheit 25 ist vorzugsweise also als Gas-Gas-Wärmetauscher zwischen der Luftzuführungsleitung 3 und der Abgasleitung 4 gestaltet, so dass das Oxidationsmittel nach der letzten Verdichtungsstufe abgekühlt und das Abgas vor der Abgasturbine 35 aufgeheizt wird, und zwar mittels direkter thermischer Kopplung. Damit kann die größtmögliche Enthalpie der Abgasturbine 35 zur Verfügung gestellt werden. Der zweite Wärmetauscher 22 in der Abgasleitung 4 sollte dabei vorzugsweise stromabwärts der Wärmetauschereinheit 25 angeordnet sein, damit es im Teillastbetrieb nicht zum Tropfenschlag in der Abgasturbine 35 kommt.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102013206701 A1 [0001]

Claims (11)

  1. Brennstoffzellensystem (1) mit einer Brennstoffzelle (2), einer Luftzuführungsleitung (3) zum Zuführen eines Oxidationsmittels in die Brennstoffzelle (2) und einer Abgasleitung (4) zum Abführen des Oxidationsmittels aus der Brennstoffzelle (2), wobei das Brennstoffzellensystem (1) einen von einem Kühlmedium durchströmbaren Kühlkreis (10) zur Kühlung der Brennstoffzelle (2) aufweist, wobei der Kühlkreis (10) in der Brennstoffzelle (2) angeordnete Kühlkanäle (11) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkreis (10) einen in der Luftzuführungsleitung (3) angeordneten ersten Wärmetauscher (21) aufweist und dass der Kühlkreis (10) einen in der Abgasleitung (4) angeordneten zweiten Wärmetauscher (22) aufweist.
  2. Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in Flussrichtung des Kühlmediums die Kühlkanäle (11), der erste Wärmetauscher (21) und der zweite Wärmetauscher (22) angeordnet sind.
  3. Brennstoffzellensystem (1) nach einem der Ansprüche 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass in der Abgasleitung (4) eine Abgasturbine (35) angeordnet ist, wobei der zweite Wärmetauscher (22) vorzugsweise stromaufwärts der Abgasturbine (35) angeordnet ist.
  4. Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Wärmetauscher (22) oder ein dritter Wärmetauscher (23) stromabwärts der Abgasturbine (35) in der Abgasleitung (4) angeordnet ist.
  5. Brennstoffzellensystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass in der Luftzuführungsleitung (3) ein Verdichter (31) und ein weiterer Verdichter (32) in Reihe geschaltet sind, wobei der erste Wärmetauscher (21) stromabwärts der beiden Verdichter (31, 32) angeordnet ist.
  6. Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass in der Luftzuführungsleitung (3) ein dritter Wärmetauscher (23) zwischen den beiden Verdichtern (31, 32) angeordnet ist.
  7. Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Kühlkreis (10) der erste Wärmetauscher (21) und der dritte Wärmetauscher (23) parallel geschaltet sind.
  8. Brennstoffzellensystem (1) nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Brennstoffzellensystem (1) eine Wärmetauschereinheit (25) zwischen der Luftzuführungsleitung (3) und der Abgasleitung (4) aufweist, wobei die Wärmetauschereinheit (25) in der Luftzuführungsleitung (3) vorzugsweise zwischen den beiden Verdichtern (31, 32) angeordnet ist.
  9. Brennstoffzellensystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass in der Luftzuführungsleitung (3) ein Verdichter (31) und ein weiterer Verdichter (32) in Reihe geschaltet sind, wobei der erste Wärmetauscher (21) zwischen den beiden Verdichtern (31, 32) angeordnet ist.
  10. Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Brennstoffzellensystem (1) eine Wärmetauschereinheit (25) zwischen der Luftzuführungsleitung (3) und der Abgasleitung (4) angeordnet ist, wobei die Wärmetauschereinheit (25) in der Luftzuführungsleitung (3) vorzugsweise stromabwärts der beiden Verdichter (31, 32) angeordnet ist.
  11. Brennstoffzellensystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10 dadurch gekennzeichnet, dass im Kühlkreis (10) ein Regelventil (14) zur Regelung des Massenstroms des Kühlmediums durch die Wärmetauscher (21, 22, 23) angeordnet ist.
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