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Stand der Technik
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Brennstoffzellensysteme sind aus dem Stand der Technik bekannt, beispielsweise aus der
DE 10 2004 051 359 B4 . Das bekannte Brennstoffzellensystem weist eine Brennstoffzelle, eine Luftzuführungsleitung zum Zuführen von Umgebungsluft in die Brennstoffzelle und eine Abluftleitung zum Abführen der reagierten Umgebungsluft aus der Brennstoffzelle. In der Luftzuführungsleitung ist ein Verdichter zum Verdichten der Umgebungsluft angeordnet.
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Offenbarung der Erfindung
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Aufgabe der Erfindung ist es das Brennstoffzellensystem, insbesondere das Verdichten bzw. Fördern der Umgebungsluft, effizienter zu gestalten. Dies wird dadurch erreicht, dass der Verdichter so ausgeführt ist, dass er neben der Brennstoffzelle einen weiteren Verbraucher mit Umgebungsluft versorgen kann.
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Dazu umfasst das Brennstoffzellensystem eine Brennstoffzelle, eine Luftzuführungsleitung zum Zuführen von Umgebungsluft in die Brennstoffzelle und eine Abluftleitung zum Abführen der reagierten Umgebungsluft aus der Brennstoffzelle. Ein Verdichter ist in der Luftzuführungsleitung angeordnet. Stromabwärts des Verdichters ist parallel zu der Brennstoffzelle zumindest ein weiterer Verbraucher von Umgebungsluft angeordnet. Dadurch kann der Verdichter sowohl die Brennstoffzelle als auch den weiteren Verbraucher mit Umgebungsluft versorgen. Weitere Verbraucher können dabei beispielsweise eine Klimaanlage, ein Kühlsystem, ein Sperrluftsystem oder auch eine Verdünnung für die Anodenseite der Brennstoffzelle sein. Vorzugsweise ist dabei jedem weiteren Verbraucher ein Steuerventil zugeordnet, so dass alle Verbraucher bedarfsgerecht mit Umgebungsluft versorgt werden können.
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In bevorzugten Ausführungen ist der Verdichter auf einer von einer Antriebseinheit antreibbaren Welle angeordnet. Die Antriebseinheit ist vorteilhafterweise ein Elektromotor. Dadurch ist die Drehzahl des Verdichters, der bevorzugt als Radialläufer ausgeführt ist, sehr dynamisch ansteuerbar, so dass der von ihm geförderte Massenstrom an Umgebungsluft sehr schnell auf die jeweiligen Anforderungen eingestellt werden kann.
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In vorteilhaften Weiterbildungen ist eine Abgasturbine in der Abluftleitung angeordnet, wobei die Abgasturbine vorzugsweise auf der Welle angeordnet ist. Dadurch wird der Verdichter durch die Abgasturbine angetrieben, bevorzugt unterstützt durch den Elektromotor. Die in der Abluft vorhandene (Verlust-) Energie wird also wieder zur Förderung der Umgebungsluft weiterverwendet.
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In vorteilhaften Ausführungen ist der Brennstoffzelle ein Zufuhrventil zugeordnet, und dem zumindest einem weiteren Verbraucher ein Steuerventil. Dadurch kann der Luftmassenstrom in der Luftzuführungsleitung bedarfsgerecht auf die Brennstoffzelle und die weiteren Verbraucher aufgeteilt werden. Vorzugsweise sind das Zufuhrventil und das Steuerventil dabei als Proportionalventile ausgeführt und jeweils stromaufwärts der Brennstoffzelle bzw. des weiteren Verbrauchers angeordnet.
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Bevorzugt ist ein weiterer Verdichter in der Luftzuführungsleitung angeordnet. Der weitere Verdichter kann dabei parallel oder in Reihe zu dem Verdichter geschaltet sein. In Ausführungen mit besonderen Steuerventilanordnungen kann der weitere Verdichter so zu dem Verdichter geschaltet sein, dass die Luftzuführung in die Brennstoffzelle entweder zweistufig verdichtet vorgenommen wird, oder einer der beiden Verdichter die Brennstoffzelle einstufig versorgt. Insbesondere bei einem Brennstoffzellensystem in einem Fahrzeug kann der weitere Verdichter auch aus einem benachbarten System - beispielsweise aus dem Klimasystem - entnommen werden. So wird der ohnehin im Fahrzeug vorhandene weitere Verdichter besonders effektiv eingesetzt.
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In vorteilhaften Ausführungen ist der weitere Verdichter zu dem Verdichter in Reihe geschaltet und ein Zufuhrventil ist zwischen dem Verdichter und dem weiteren Verdichter angeordnet. Durch das Zufuhrventil sind der weitere Verdichter und die Brennstoffzelle einerseits und die weiteren Verbraucher mit ihren zugeordneten Steuerventilen andererseits parallel geschaltet. Die Versorgung der weiteren Verbraucher durch den Verdichter erfolgt so mit einstufig verdichteter Umgebungsluft. Die Versorgung der Brennstoffzelle erfolgt mit zweistufig - durch Verdichter und weiteren Verdichter - verdichteter Umgebungsluft.
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In vorteilhaften Weiterbildungen ist parallel zu dem Zufuhrventil und dem weiteren Verdichter ein Verdichterbypassventil angeordnet. Dadurch ergibt sich eine Parallelschaltung aus den weiteren Verbrauchern einerseits und der Parallelschaltung aus Verdichterbypassventil und weiterer Verdichter mit Zufuhrventil andererseits. Das Verdichterbypassventil öffnet und schließt somit einen einstufig verdichteten Strömungspfad über den Verdichter zu der Brennstoffzelle. Das Zufuhrventil öffnet und schließt den zweistufig verdichteten Strömungspfad über den Verdichter und den weiteren Verdichter zu der Brennstoffzelle. Die Brennstoffzelle kann demzufolge in dieser Ausführung sowohl mit einstufig als auch mit zweistufig verdichteter Umgebungsluft versorgt werden.
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In anderen vorteilhaften Weiterbildungen ist parallel zu dem Zufuhrventil und dem Verdichter ein Verdichterbypassventil angeordnet. Dadurch ergibt sich eine Parallelschaltung aus dem Verdichterbypassventil und dem Verdichter mit Zufuhrventil. Die Versorgung der Brennstoffzelle kann demzufolge über den Pfad Verdichterbypassventil und weiterer Verdichter erfolgen, oder über den Pfad Verdichter, Zufuhrventil und weiterer Verdichter. Die Versorgung der Brennstoffzelle kann somit sowohl einstufig als auch zweistufig erfolgen. Die weiteren Verbraucher werden in dieser Ausführung von dem Verdichter versorgt. Stromabwärts des Verdichters gibt es somit einen Verzweigungspunkt zu den weiteren Verbrauchern und zu dem Zufuhrventil.
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In alternativen vorteilhaften Ausführungen ist der weitere Verdichter parallel zu dem Verdichter geschaltet. Dem Verdichter ist ein Zufuhrventil zugeordnet, und dem weiteren Verdichter ein Verdichterbypassventil. Die Versorgung der Brennstoffzelle mit Umgebungsluft kann dadurch sowohl über den Verdichter mit Zufuhrventil als auch über den weiteren Verdichter mit Verdichterbypassventil erfolgen. Sind beide Steuerventile geöffnet, so ergibt sich der Gesamtmassenstrom der Umgebungsluft in die Brennstoffzelle aus den von Verdichter und weiterem Verdichter geförderten Massenströmen, abzüglich der Massenströme zu den weiteren Verbrauchern, welche ebenfalls von dem Verdichter gespeist werden. Die Versorgung der Brennstoffzelle mit Umgebungsluft kann jedoch auch redundant entweder von dem Verdichter oder von dem weiteren Verdichter vorgenommen werden.
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In den Ausführungen mit einer Parallelschaltung aus Verdichter und weiterem Verdichter können beide Verdichter jeweils mit einer Abgasturbine und/oder mit einer Antriebseinheit angetrieben werden, wobei zumindest einer der beiden Verdichter eine Antriebseinheit aufweisen sollte.
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In bevorzugten Weiterbildungen ist der weitere Verdichter mittels Ventilen derart zu dem Verdichter geschaltet, dass sowohl die Brennstoffzelle als auch der zumindest eine weitere Verbraucher sowohl von dem Verdichter als auch von dem weiteren Verdichter mit Umgebungsluft versorgbar sind. Der Verdichter und der weitere Verdichter sind dazu parallel angeordnet. Stromabwärts davon ist eine Kreuzschaltung der Ventile zu der Brennstoffzelle und zu den weiteren Verbrauchern angeordnet. Die Kreuzschaltung besteht aus dem Zufuhrventil, welches dem Verdichter zugeordnet ist, aus einem weiteren Verdichterbypassventil, welches dem weiteren Verdichter zugeordnet ist, aus einem weiteren Zufuhrventil, welches der Brennstoffzelle zugeordnet ist, aus je einem Steuerventil, welches je einem weiteren Verbraucher zugeordnet ist, und aus dem Verdichterbypassventil, welches im Kreuzungspunkt dieser vier Ventile angeordnet ist. Dadurch ist das Brennstoffzellensystem sehr flexibel; sowohl die Brennstoffzelle als auch die weiteren Verbraucher können mit beliebigen Massenstromanteilen aus Verdichter und weiterem Verdichter versorgt werden. Dabei sind der Verdichter und der weitere Verdichter jeweils redundant für die Brennstoffzelle und für die weiteren Verbraucher ausgelegt. Brennstoffzelle und weitere Verbraucher können also sowohl von dem Verdichter als auch von dem weiteren Verdichter und damit auch gemeinsam von beiden Verdichtern mit Umgebungsluft versorgt werden.
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In besonders bevorzugten Ausführungen ist der weitere Verdichter zu dem Verdichter sowohl in Reihe als auch parallel schaltbar. Dadurch kann die Umgebungsluft für die Brennstoffzelle sowohl einstufig als auch zweistufig verdichtet werden, und die einstufige Verdichtung ist gleichzeitig redundant ausgeführt.
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In vorteilhaften Weiterbildungen ist der zumindest eine weitere Verbraucher auch von dem weiteren Verdichter mit Umgebungsluft versorgbar. Somit ist auch die einstufige Verdichtung für die weiteren Verbraucher redundant ausgeführt.
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Das Brennstoffzellensystem kann vorzugsweise dazu eingerichtet sein, eine Antriebseinheit eines Kraftfahrzeugs anzutreiben. Vorzugsweise weist das Fahrzeug dann das Brennstoffzellensystem nach einer der vorherigen Ausführungen und eine Fahrerkabine auf, wobei ein weiterer Verbraucher zur Belüftung der Fahrerkabine ausgebildet ist. Dadurch versorgt der Verdichter die Fahrerkabine bei Bedarf mit Umgebungsluft, gegebenenfalls aufgeheizt oder gekühlt.
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Figurenliste
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Weitere optionale Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele, welche in den Figuren schematisch dargestellt sind.
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Es zeigen:
- 1 schematisch ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem,
- 2 schematisch ein weiteres erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem,
- 3 schematisch noch ein weiteres erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem,
- 4 schematisch noch ein weiteres erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem,
- 5 schematisch noch ein weiteres erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem,
- 6 schematisch noch ein weiteres erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem,
- 7 schematisch noch ein weiteres erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem.
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Ausführliche Beschreibung der Erfindung
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1 zeigt schematisch ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem 1. Das Brennstoffzellensystem 1 umfasst eine Brennstoffzelle 2 mit einer Kathode und einer Anode, eine Luftzuführungsleitung 3 und eine Abluftleitung 4 in dem Kathodenpfad und einen Verdichter 5, in bevorzugten Ausführungen auch noch eine Abgasturbine 6.
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Die Brennstoffzelle 2 ist eine galvanische Zelle, die chemische Reaktionsenergie eines über die nicht gezeigte Brennstoffzuführungsleitung zugeführten Brennstoffes im Anodenpfad und eines Oxidationsmittels im Kathodenpfad in elektrische Energie wandelt, wobei bei der hier gezeigten Ausführungsform Umgebungsluft 10 als Oxidationsmittel verwendet wird, welche über die Luftzuführungsleitung 3 mittels des Verdichters 5 der Brennstoffzelle 2 zugeführt wird. Der Brennstoff kann vorzugsweise Wasserstoff oder Methan oder Methanol sein. Die Brennstoffzelle 2 ist vorzugsweise eingerichtet, eine Antriebseinheit eines Kraftfahrzeugs anzutreiben. Beispielsweise treibt die durch die Brennstoffzelle 2 erzeugte elektrische Energie dabei einen Elektromotor des Kraftfahrzeugs an.
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Der Verdichter 5 ist in der Luftzuführungsleitung 3 angeordnet. Die Abgasturbine 6 ist in der Abluftleitung 4 angeordnet. Der Verdichter 5 und die Abgasturbine 6 sind vorzugsweise über eine Welle 7 mechanisch verbunden und zusätzlich von einer Antriebseinheit 11 elektrisch antreibbar. Die Abgasturbine 6 dient somit der Unterstützung der Antriebseinheit 11 zum Antreiben der Welle 7 bzw. des Verdichters 5. Der Verdichter 5, die Welle 7, die Abgasturbine 6 und die als Elektromotor ausgeführte Antriebseinheit 11 bilden zusammen einen elektrischen Turbokompressor.
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In vorteilhaften Weiterbildungen wird die Umgebungsluft 10 in der Luftzuführungsleitung 3 stromaufwärts des Verdichters 5 von einem Filter 8 gefiltert und stromabwärts des Verdichters 5 von einem Wärmetauscher 9 gekühlt.
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Erfindungsgemäß sind nun stromabwärts der Brennstoffzelle 2 weitere Verbraucher (21, 22, 23) von Umgebungsluft parallel zu der Brennstoffzelle 2 geschaltet. In vorteilhaften Weiterbildungen sind diese Verbraucher (21, 22, 23) jeweils mittels eines zugeordneten Steuerventils (21a, 22a, 23a) beliebig mit Umgebungsluft versorgbar. Ebenso kann auch die Zufuhr von Umgebungsluft zu der Brennstoffzelle mittels eines zugeordneten Zufuhrventils (2a) gedrosselt oder gar unterbrochen werden. Vorzugsweise sind die Steuerventile (2a, 21a, 22a, 23a) dabei als Proportionalventile oder auch als Absperrventile ausgeführt.
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Weitere Verbraucher (21, 22, 23) von Umgebungsluft können dabei beispielsweise sein:
- - Innenraumbelüftungj-klimatisierung des Kraftfahrzeugs,
- - Kühlung der Antriebseinheit 11 bzw. des Verdichters 5,
- - Kühlung der Leistungselektronik des Verdichters 5,
- - Kühlung der Lager der Welle 7,
- - Sperrluft für Dichtungen,
- - Luft für Radial-Lager bzw. Axial-Lager der Welle 7,
- - Luftkühlung einer Batterie des Kraftfahrzeugs,
- - Luftkühlung einer Antriebs-E-Maschine und/oder der Leistungselektronik eines Fahrzeugs, insbesondere bei motorisierten Fahrzeugen für das Low-Price-Segment (beispielsweise im asiatischen Raum),
- - Luft zur Verdünnung eines Spülablasses des Anodenpfads des Brennstoffzellensystems 1.
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Der Verdichter 5 versorgt somit mehrere Verbraucher (2, 21, 22, 23) mit Umgebungsluft. Bevorzugt ist der Verdichter 5 sogar die einzige Luftversorgungseinheit in dem Kraftfahrzeug und weist weiterhin einen Elektromotor und eine Leistungselektronik auf. Dadurch ergeben sich für das Kraftfahrzeug folgende Vorteile:
- - Die Anzahl von Start-Stopps des Verdichters 5 bzw. der Antriebseinheit 11 wird aufgrund der Mehrfachnutzung signifikant reduziert.
- - Durch die damit einhergehenden reduzierten Anforderungen an die Lager der Welle 7 können kostengünstigere Lagervarianten ermöglicht werden.
- - Aufgrund des großen Bauraum-Bedarfs haben Brennstoffzellensysteme (Wandler chemische Energie in elektrische Energie) incl. Tank für Treibstoff bzw. Brennstoff (z.B. Wasserstoff) oft Nachteile im Vergleich zu anderen Antriebsarten. Eine hohe Integrationsdichte der Luftförder/-verdichtungssysteme kann durch die Erfindung erreicht werden und damit den benötigten Bauraum wieder reduzieren.
- - Brennstoffzellensysteme sind derzeit noch mit hohen Kosten verbunden. Der Anschluss mehrerer Verbraucher 2, 21, 22, 23 an den Verdichter 5 bietet eine Möglichkeit die Kosten zu reduzieren.
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2 zeigt schematisch ein weiteres erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem 1. Im Folgenden soll dabei im Wesentlichen auf die Unterschiede zur Ausführung nach 1 eingegangen werden.
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Das Brennstoffzellensystem 1 weist eine Turbomaschine 100 mit der Antriebseinheit 11 und einem zweistufigen Verdichter auf; der zweistufige Verdichter umfasst den Verdichter 5 und einen weiteren Verdichter 52, welche in der Ausführung der 2 auf der gemeinsamen Welle 7 angeordnet sind. Weiterhin ist die optionale Abgasturbine 6 auf der Welle 7 angeordnet.
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Der Verdichter 5 und der weitere Verdichter 52 sind in der Luftzuführungsleitung 3 zur Brennstoffzelle 2 in Reihe geschaltet. Zwischen den beiden Verdichtern 5, 52 verzweigt sich an einem Verzweigungspunkt 101 die Parallelschaltung aus
- - Reihenschaltung Zufuhrventil 2a, weiterer Verdichter 52, Wärmetauscher 9, Brennstoffzelle 2,
- - weiterem Verbraucher 21 mit Steuerventil 21a,
- - noch einem weiteren Verbraucher 22 mit Steuerventil 22a und
- - noch einem weiteren Verbraucher 23 mit einem Steuerventil 23a.
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Dadurch wird der Brennstoffzelle 2 Umgebungsluft mit vergleichsweise hohem Druck zugeführt, da diese 2-stufig durch die beiden Verdichter 5, 52 verdichtet wird. Den weiteren Verbrauchern 21, 22, 23 hingegen wird Umgebungsluft mit niedrigerem Druck zugeführt, da sie nach der 1-stufigen Verdichtung durch den Verdichter 5 an dem Verzweigungspunkt 101 abgezweigt wird. Die Vorteile zur bedarfsgerechten Luftversorgung der Verbraucher mit unterschiedlichen Druckniveaus, insbesondere unter Berücksichtigung der Energieoptimierung, werden weiter unten noch näher erläutert.
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In weiterbildenden Ausführungen weist das Brennstoffzellensystem 1 ein Bypassventil 2b zwischen der Luftzuführungsleitung 3 und der Abluftleitung 4 auf, um den kathodischen Pfad der Brennstoffzelle 2 umgehen zu können. Weiterhin kann ein Wasserabscheider 41 in der Abluftleitung 4 stromaufwärts der Abgasturbine 6 angeordnet sein, um die Abgasturbine 6 vor Tröpfchenschlag zu schützen.
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3 zeigt schematisch noch ein weiteres erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem 1. Im Folgenden soll dabei im Wesentlichen auf die Unterschiede zur Ausführung nach 2 eingegangen werden.
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Das Brennstoffzellensystem 1 kann die Brennstoffzelle 2 sowohl mit 1-stufig als auch mit 2-stufige verdichteter Umgebungsluft versorgen.
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Dazu verzweigt sich nach dem Verdichter 5 an dem Verzweigungspunkt 101 die folgende Parallelschaltung aus
- - Reihenschaltung Zufuhrventil 2a, weiterer Verdichter 52, Wärmetauscher 9,
- - Verdichterbypassventil 2c,
- - weiterem Verbraucher 21 mit Steuerventil 21a,
- - noch einem weiteren Verbraucher 22 mit Steuerventil 22a und
- - noch einem weiteren Verbraucher 23 mit einem Steuerventil 23a.
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Die Parallelschaltung aus Zufuhrventil 2a, weiterem Verdichter 52 und Wärmetauscher 9 einerseits und Verdichterbypassventil 2c andererseits, wird vor der Brennstoffzelle 2 wieder zusammengeführt. Damit gibt es für die Versorgung der Brennstoffzelle 2 mit Umgebungsluft folgende Ventilstellungen von Zufuhrventil 2a und Verdichterbypassventil 2c:
- - Wird für die Brennstoffzelle 2 das hohe Druckniveau einer 2-stufigen Verdichtung benötigt, so ist das Zufuhrventil 2a geöffnet und das Verdichterbypassventil 2c geschlossen.
- - Wird für die Brennstoffzelle 2 im Teillastbetrieb nur ein niedrigerer Druck benötigt, so ist das Zufuhrventil 2a geschlossen und das Verdichterbypassventil 2c geöffnet. Die Brennstoffzelle 2 wird dann lediglich über den Verdichter 5 versorgt. Der Wärmetauscher 9 kann in diesem Betriebspunkt umgangen werden, weil die Temperatur der verdichteten Luft nach dem Verdichter 5 ohne weitere Verdichtung kleiner oder gleich der zulässigen Einströmtemperatur der Umgebungsluft in die Brennstoffzelle 2 bzw. in den Brennstoffzellen-Stack ist.
- - Wird für die Brennstoffzelle 2 keine Umgebungsluft benötigt, so ist sowohl das Zufuhrventil 2a als auch das Verdichterbypassventil 2c geschlossen.
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Die Vorteile zur bedarfsgerechten Luftversorgung der Verbraucher mit unterschiedlichen Druckniveaus, insbesondere unter Berücksichtigung der Energieoptimierung, werden weiter unten noch näher erläutert.
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4 zeigt schematisch noch ein weiteres erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem 1. Im Folgenden soll dabei im Wesentlichen auf die Unterschiede zur Ausführung nach 3 eingegangen werden.
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Das Brennstoffzellensystem 1 kann die Brennstoffzelle 2 sowohl mit 1-stufig als auch mit 2-stufige verdichteter Umgebungsluft versorgen. Die einstufige Verdichtung erfolgt dabei jedoch durch den weiteren Verdichter 52, welcher in der Ausführung der 4 zusammen mit der Abgasturbine 6 auf der Welle 7 angeordnet ist.
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Das Verdichterbypassventil 2c ist parallel zu dem Verdichter 5 geschaltet, kann in alternativen Ausführungen aber auch wegfallen, so dass die Umgebungsluft immer durch den Verdichter 5 strömen muss. Stromabwärts des Verdichters 5 ist der Verzweigungspunkt 101 angeordnet, an welchem sich der Pfad in eine Parallelschaltung aus den weiteren Verbrauchern 21, 22, 23 (einschließlich der zugehörigen Steuerventile 21a, 22a, 23a) und dem Zufuhrventil 2a aufspaltet. Die Pfade von Verdichterbypassventil 2c und Zufuhrventil 2a führen wieder zusammen und münden in den weiteren Verdichter 52, von wo aus die Brennstoffzelle 2 gespeist wird.
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Bei geöffnetem Zufuhrventil 2a und geschlossenem Verdichterbypassventil 2c erfolgt somit eine zweistufige Verdichtung der Umgebungsluft für die Brennstoffzelle 2, beispielsweise für einen hohen Leistungsausstoß der Brennstoffzelle 2. Weiterhin kann diese Verschaltung jedoch auch dazu genutzt werden, um die Abgasturbine 6 bzw. den weiteren Verdichter 52 zu enteisen: Wenn beispielsweise die Welle 7 aufgrund Vereisung der Abgasturbine 6 nicht gestartet werden kann, kann über den Verdichter 5 Umgebungsluft, welche optional auch noch vorgeheizt werden kann, über den stehenden weiteren Verdichter 52 in den Kathodenpfad bzw. in die Luftzuführungsleitung 3 eingeleitet werden, welche sich in der Brennstoffzelle 2 aufwärmt und dann die Abgasturbine 6 enteist bzw. wieder gängig macht. Danach kann die Einheit aus weiteren Verdichter 52 und Abgasturbine 6, welche optional von einem Elektromotor angetrieben wird, gestartet werden. Dadurch entfallen zusätzliche Maßnahmen wie beispielsweise Heizungen an der Abgasturbine 6.
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Weiterhin ist so bei einem Ausfall des Weiteren Verdichters 52, welcher bevorzugt der Hauptverdichter für die Brennstoffzelle 2 ist, ein Teil-Lastbetrieb der Brennstoffzelle 2 möglich, in dem der Verdichter 5 einen Luftmassenstrom in die Luftzuführungsleitung 3 leitet.
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Zusätzlich kann die Anzahl von Start-Stopp-Vorgängen des Weiteren Verdichters 52 reduziert werden, indem dieser bei geringen Antriebsleistungen (beispielsweise stop-and-go-Verkehr, Stau, langsamer Stadtverkehr) abgeschaltet bleibt und ein Betrieb der Brennstoffzelle 2 im unteren Teillast-Bereich durch einen Luftmassenstrom des Verdichters 5 erfolgt. Durch somit auch reduzierte Anforderungen an die Lager der Welle 7 können kostengünstigere Lagervarianten ermöglicht werden. Außerdem kann durch den Teillast-Betrieb mit abgeschaltetem weiteren Verdichter 52 gegebenenfalls auch ein energetischer Vorteil erzielt werden.
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5 zeigt schematisch noch ein weiteres erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem 1, in welchem der Verdichter 5 und der weitere Verdichter 52 in der Luftzuführungsleitung 3 der Brennstoffzelle 2 parallel geschaltet sind. Das Verdichterbypassventil 2c ist dabei in dem Teilpfad des Weiteren Verdichters 52 angeordnet, und das Zufuhrventil 2a in dem Teilpfad des Verdichters 5 zur Brennstoffzelle 2. Stromabwärts des Verdichters 5 verzweigt sich die Strömung der Umgebungsluft zu dem Zufuhrventil 2a einerseits und zu den weiteren Verbrauchern 21, 22 andererseits.
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Die weiteren Verbraucher 21, 22 werden somit von dem Verdichter 5 mit Umgebungsluft versorgt. Die Brennstoffzelle 2 kann - je nach Stellung der Ventile - von dem Verdichter 5, von dem weiteren Verdichter 52 oder auch von beiden Verdichtern 5, 52 gleichzeitig - parallel - mit Umgebungsluft versorgt werden:
- - Bei geschlossenem Verdichterbypassventil 2c und geöffnetem Zufuhrventil 2a wird der weitere Verdichter gebypasst und die Versorgung der Brennstoffzelle 2 erfolgt durch den Verdichter 5.
- - Bei geöffnetem Verdichterbypassventil 2c und geschlossenem Zufuhrventil 2a erfolgt die Versorgung der Brennstoffzelle 2 durch den weiteren Verdichter 52.
- - Bei geöffnetem Verdichterbypassventil 2c und geöffnetem Zufuhrventil 2a erfolgt die Versorgung der Brennstoffzelle 2 durch den Verdichter 5 und weiteren Verdichter 52. Diese Schaltung wird insbesondere bei einem hohen Massenstrombedarf der Brennstoffzelle 2 verwendet.
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Auch in der Ausführung der 5 kann, wie bei allen anderen Ausführungen, in der Abluftleitung 4 der Wasserabscheider 41 und/oder die Abgasturbine 6 angeordnet sein. Die Abgasturbine 6 kann dabei, je nach Auslegung des Brennstoffzellensystems 1, zum Antrieb des Verdichters 5 oder zum Antrieb des Weiteren Verdichters 52 ausgeführt sein. Weiterhin können auch die Brennstoffzelle 2 und die Abgasturbine 6 Bypässe aufweisen, insbesondere für einen Anfahr- oder Enteisungsbetrieb des Brennstoffzellensystems 1.
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Die Steuerventile 21a, 22a können als Luftklappen ausgeführt sein und an verschiedenen Positionen zur Aufteilung des Luftmassenstroms bzw. zur Druckteilung verwendet werden. Je nach Ausführungsvariante (Luftverwendung und Betriebsstrategie) können die Luftklappen passiv - beispielsweise als Rückschlagklappen - oder aktiv - insbesondere mit Steuerungsmöglichkeiten - ausgeführt sein. Bei einer mehrstufigen Verdichtung kann je nach Druck- und Temperaturniveau ein Wärmetauscher als Zwischenkühler zwischen den beiden Verdichtungsstufen verwendet werden.
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6 zeigt schematisch noch ein weiteres erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem 1, in welchem der Verdichter 5 und der weitere Verdichter 52 in der Luftzuführungsleitung 3 der Brennstoffzelle 2 parallel geschaltet sind. In der Ausführung der 6 sind der Verdichter 5 und die Abgasturbine 6 auf der Welle 7 angeordnet. Im Folgenden wird im Wesentlichen auf die Unterschiede zur Ausführung der 5 eingegangen.
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Der Verdichter 5 und der weitere Verdichter 52 sind in der Ausführung der 6 derart parallel in der Luftzuführungsleitung 3 angeordnet, dass sie je nach Ventilstellungen folgende Abnehmer mit Umgebungsluft versorgen können:
- - Einzeln oder gemeinsam die Brennstoffzelle 2 und/oder
- - Einzeln oder gemeinsam die weiteren Verbraucher 21, 22, 23.
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Dabei sind beispielsweise auch folgende Betriebssituationen möglich:
- - Der Verdichter 5 versorgt die Brennstoffzelle 2 und der weitere Verdichter 52 versorgt die weiteren Verbraucher 21, 22, 23.
- - Der Verdichter 5 versorgt die weiteren Verbraucher 21, 22, 23, und die Brennstoffzelle 2 ist abgeschaltet bzw. sie läuft in Sauerstoffverarmung.
- - Der weitere Verdichter 52 versorgt die Brennstoffzelle 2, und die weiteren Verbraucher 21, 22, 23 sind abgeschaltet bzw. weisen keinen Bedarf an Umgebungsluft auf.
- - Der weitere Verdichter 52 versorgt die weiteren Verbraucher 21, 22, 23, und die Brennstoffzelle 2 ist abgeschaltet bzw. sie läuft in Sauerstoffverarmung
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Dazu sind das Zufuhrventil 2a, das Verdichterbypassventil 2c, die Steuerventile 21a, 22a, 23a der weiteren Verbraucher 21, 22, 23, ein weiteres Zufuhrventil 2d und ein weiteres Verdichterbypassventil 2e in einer Kreuzstellung angeordnet:
- - Stromabwärts des Verdichters 5 ist das Zufuhrventil 2a angeordnet.
- - Stromabwärts des Zufuhrventils 2a ist der Verzweigungspunkt 101 angeordnet, wobei der Strömungspfad sich in eine Richtung zur Brennstoffzelle 2 und in eine Richtung zu den weiteren Verbrauchern 21, 22, 23 aufspaltet.
- - Stromabwärts des Weiteren Verdichters 52 ist das weitere Verdichterbypassventil 2e angeordnet.
- - Stromabwärts des weiteren Verdichterbypassventils 2e ist ein weiterer Verzweigungspunkt 101b angeordnet, wobei der Strömungspfad sich in eine Richtung zur Brennstoffzelle 2 und in eine Richtung zu den weiteren Verbrauchern 21, 22, 23 aufspaltet.
- - Zwischen den beiden Verzweigungspunkten 101, 101b ist das Verdichterbypassventil 2c angeordnet, das somit vorzugsweise in beide Richtungen (zur Brennstoffzelle 2 und zu den weiteren Verbrauchern 21, 22, 23) durchströmbar ist.
- - Stromabwärts des Verzweigungspunktes 101 in Richtung zur Brennstoffzelle 2 ist das weitere Zufuhrventil 2d angeordnet.
- - Stromabwärts des weiteren Verzweigungspunktes 101b in Richtung zu den weiteren Verbrauchern 21, 22, 23 sind die zugehörigen Steuerventile 21a, 22a, 23a in Parallelschaltung angeordnet.
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7 zeigt schematisch noch ein weiteres erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem 1, in welchem der Verdichter 5 und der weitere Verdichter 52 in der Luftzuführungsleitung 3 der Brennstoffzelle 2 sowohl in Reihe als auch parallel geschaltet werden können. Hierzu ist stromabwärts des Verzweigungspunktes 101 eine Parallelschaltung aus dem Verdichter 5 und dem Verdichterbypassventil 2c angeordnet, die weiter stromabwärts mittels des Zufuhrventils 2a stromaufwärts des Weiteren Verdichters 52 wieder geschlossen werden kann, wobei alternativ das Verdichterbypassventil 2c auch entfallen kann, insbesondere bei annähernd verlustfreier Durchströmung des stillstehenden Verdichters 5. In weiteren, auch ergänzenden Alternativen kann die Parallelschaltung auch erst stromabwärts des Weiteren Verdichters 52 mittels des weiteren Zufuhrventils 2d wieder geschlossen werden.
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Dadurch ergeben sich für die Versorgung der Brennstoffzelle 2 mit Umgebungsluft in Abhängigkeit der Ventilstellungen von Verdichterbypassventil 2c, Zufuhrventil 2a und weiterem Zufuhrventil 2d folgende Möglichkeiten:
- - Einstufige Verdichtung durch den Verdichter 5: geschlossenes Verdichterbypassventil 2c, geschlossenes Zufuhrventil 2a, geöffnetes weiteres Zufuhrventil 2d
- - Einstufige Verdichtung durch den weiteren Verdichter 52: geöffnetes Verdichterbypassventil 2c, geschlossenes Zufuhrventil 2a, geschlossenes weiteres Zufuhrventil 2d
- - Zweistufige Verdichtung durch den Verdichter 5 und den weiteren Verdichter 52: geschlossenes Verdichterbypassventil 2c, geöffnetes Zufuhrventil 2a, geschlossenes weiteres Zufuhrventil 2d
- - Einstufige Verdichtung mit erhöhtem Massenstrom durch Parallelschaltung aus erstem Verdichter 5 und zweitem Verdichter 52: geöffnetes Verdichterbypassventil 2c, geschlossenes Zufuhrventil 2a, geöffnetes weiteres Zufuhrventil 2d
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Das Zufuhrventil 2a ist dabei vorzugsweise nur in Richtung des Weiteren Verdichters 52 durchströmbar, und das weitere Zufuhrventil 2d nur in Richtung der Brennstoffzelle 2. Auch in dieser Ausführung kann je eine Abgasturbine 6 den Verdichter 5 und den weiteren Verdichter 52 antreiben. Es können beliebig viele weitere Verbraucher 21, 22, 23 durch den Verdichter 5 mit Umgebungsluft versorgt werden.
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In den Ausführungen der 5, 6 und 7 ist eine redundante Luftversorgung, sowohl für die Brennstoffzelle 2 als auch für die weiteren Verbraucher 21, 22, 23, sichergestellt, sofern das Zufuhrventil 2a (5) bzw. das Verdichterbypassventil 2c (6) bzw. das weitere Zufuhrventil 2d (7) entsprechend in beiden Richtungen durchströmbar sind. Die Verfügbarkeit des Fahrzeuges mit dem Brennstoffzellensystem 1 kann erhöht werden, was bei vollautomatisierten Fahrzeugen oder kommerziell genutzten Fahrzeugen von besonderem Vorteil ist. Anforderungen hinsichtlich Sicherheit bzw. gesetzliche Auflagen können infolgedessen besser erfüllt werden (beispielsweise die Verdünnung von Wasserstoff oder die Absicherung der Belüftung).
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In bevorzugten Weiterbildungen der unterschiedlichen Ausführungsbeispiele können die zwei Luftfördersysteme, also der Verdichter 5 und der weitere Verdichter 52 auf unterschiedliche Energiequellen zurückgreifen (beispielsweise der Verdichter 5 auf 12 V oder 48V und der weitere Verdichter 52 auf Hochvolt-Bordnetz), wodurch sich auch eine Redundanz bei der Energieversorgung ergibt.
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Weiterhin kann gegebenenfalls auch im unteren Teil-Lastbetrieb des Brennstoffzellensystems 1 die Luftversorgung der Brennstoffzelle 2 über den weiteren Verdichter 52 erfolgen, der ohnehin für andere Aufgaben (beispielsweise als Frischluftgebläse für die Fahrzeug-Klimatisierung) in Betrieb sein muss. Der Verdichter 5 kann in derartigen Betriebszuständen komplett abgeschaltet sein. Beispiele hierfür sind: Stop-and-go-Verkehr, Stau, langsamer Stadtverkehr, Standheizung/Aufwärmphase. Durch diese Maßnahme wird das Brennstoffzellensystem 1 energetisch optimiert. Weiterhin wird dadurch die Anzahl von Start-Stopps des Verdichters 5 minimiert, so dass dessen Verschleißteile weniger beansprucht werden. Beispielsweise können durch die reduzierten Anforderungen an die Lager der Welle 7 dann entsprechend kostengünstigere Lagervarianten eingesetzt werden. Weiterhin können die Dynamikanforderungen an den Verdichter 5 reduziert werden, wenn bei Leerlauf bzw. bei unterem Teillast-Betrieb der weitere Verdichter 52 die Aufgabe der Luftversorgung für die Brennstoffzelle 2 übernimmt.
Dies hat direkt Auswirkungen auf die Auslegung der Antriebseinheit 11 und der Leistungselektronik für den Verdichter 5. Die Antriebseinheit 11 für den Verdichter 5 ist in den 4-7 nicht dargestellt. In bevorzugten Ausführungen weist der Verdichter 5 dennoch jeweils die Antriebseinheit 11 auf, um zum einen die Welle 7 auch unabhängig von der Abgasturbine 6 antreiben zu können und zum anderen auch sämtliche Betriebssituationen - insbesondere während der Startphase - abdecken zu können.
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Bei der Ausführung nach 3 kann aufgrund der Steuerventilanordnungen beispielsweise auch sowohl eine Redundanz als auch eine zweistufige Verdichtung realisiert werden, wenn der Verdichter 5 und der weitere Verdichter 52 nicht auf einer gemeinsamen Welle angeordnet sind. Dies kann auch zur Optimierung des Brennstoffzellensystems 1 (Wirkungsgrad, Antriebseinheit 11, Leistungselektronik) genutzt werden.
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Bei Ausführungen mit der Abgasturbine 6 ergeben sich für den Gefrierstart bzw. Kaltstart Vorteile: Bei Vereisung der Abgasturbine 6 (Lager und/oder Laufrad) kann durch das weitere gekoppelte Luftsystem - also das System, welches nicht an dergleichen Welle 7 wie die Abgasturbine hängt, je nach Ausführung der Verdichter 5 oder der weitere Verdichter 52 - Luft in die Luftzuführungsleitung 3 und in die Abluftleitung 4 eingeleitet, dort aufgewärmt und dann der Abgasturbine 6 zugeführt werden, so dass diese enteist wird. Danach kann der Verdichter 5 bzw. der weitere Verdichter 52 mit der mit ihm drehfest verbundenen Abgasturbine 6 gestartet werden. Dadurch entfallen zusätzliche Maßnahmen wie beispielsweise Heizungen an der Abgasturbine 6.
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Als Ventile 2a, 2b, 2c, 2d, 2e, 21a, 22a, 23a können bei Bedarf Proportionalventile gewählt werden, so dass die Massenströme der Umgebungsluft zur Brennstoffzelle 2 und zu den weiteren Verbrauchern 21, 22, 23 im Idealfall quasi beliebig eingestellt werden können. Es können jedoch auch Absperrventile oder passive Ventile 2a, 2b, 2c, 2d, 2e, 21a, 22a, 23a (beispielsweise Rückschlagklappen) verwendet werden, welche dann aufgrund von Relativdrücken öffnen und schließen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102004051359 B4 [0001]
