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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines einen Brennstoffzellenstapel aufweisenden Brennstoffzellensystems, bei dem einer Kathodenzufuhrleitung ein das Kathodengas der Umgebungsluft entnehmender Verdichter zugeordnet ist. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Brennstoffzellensystem.
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Brennstoffzellensysteme weisen in der Regel aufgrund der Höhe der erforderlichen Leistungsabgabe eine Mehrzahl von zu einem Brennstoffzellenstapel zusammengefasste Brennstoffzellen auf, bei denen auf einer ersten Seite einer semipermeablen Membran eine erste Elektrode, nämlich die Anode, und auf einer zweiten Seite eine zweite Elektrode, nämlich die Kathode angeordnet ist. Der Anode wird Brennstoff, in der Regel Wasserstoff zugeführt, während an die Kathode Sauerstoff mittels eines sauerstoffhaltigen Gases, in der Regel Luft, geleitet wird. Aufgrund der Vielzahl in einem Brennstoffzellenstapel zusammengefasster Brennstoffzellen ist es erforderlich, relativ große Luftmengen den Kathodenräumen des Brennstoffzellenstapels zuzuführen. Deshalb wird ein Verdichter eingesetzt, der die Umgebungsluft komprimiert. Problematisch dabei ist, dass die Umgebungsluft keine konstante Dichte aufweist, die sich insbesondere aufgrund thermischer Effekte verändert, so dass bei hohen Außentemperaturen die Dichte der Umgebungsluft signifikant reduziert ist. Diesbezüglich ist zu beachten, dass in heißen, insbesondere tropischen oder subtropischen Gegenden Außentemperaturen von über 40 °C im Schatten erreicht werden und die Außentemperatur noch höher liegt, wenn kein Schatten zur Verfügung steht.
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Die hohe Umgebungstemperatur und damit die verringerte Dichte der Luft erfordert eine größere Arbeit des Verdichters, wobei der Verdichter dann auch dazu ausgelegt und dimensioniert sein muss, diese erhöhte Arbeit zu leisten.
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Aus der
EP 2 596 978 A1 ist ein Thermofahrzeug bekannt, bei dem eine Photovoltaikeinrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie genutzt wird, die zur Temperierung des Innenraums des Thermofahrzeugs verwendet wird.
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In der
DE 10 2015 118 736 A1 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Energieversorgung und Luftkonditionierung offenbart, wobei ein Wärmepumpensystem zur Luftkonditionierung bei einer mobilen Anwendung eingesetzt wird und die elektrische Energie für die Konditionierung durch eine Brennstoffzelle sowie eine Photovoltaikanlage erzeugt wird.
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Die
DE 10 2007 021 843 A1 offenbart gleichfalls ein Photovoltaik-Modul zur Bereitstellung elektrischer Energie und thermischer Energie, die an eine Wärmepumpe abgegeben wird.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art so weiterzubilden, dass eine negative Beeinflussung der Verdichtereffizienz durch eine steigende Umgebungstemperatur reduziert oder sogar beseitigt wird. Aufgabe der Erfindung ist es weiterhin, ein Brennstoffzellensystem mit verbesserter Effizienz bereitzustellen.
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Der das Verfahren betreffende Teil der Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst; der die Vorrichtung betreffende Teil der Aufgabe wird durch ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Patentanspruchs 8 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
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Durch das erfindungsgemäße Verfahren mit dem Verfahrensschritt der Kühlung der Umgebungsluft vor der Einleitung in den Verdichter wird erreicht, dass die thermisch induzierte Dichtereduktion der Umgebungsluft abgeschwächt bzw. sogar vollständig kompensiert wird, so dass dem Verdichter im Verhältnis zur Umgebungsluft dichtere Luft zugeführt wird und die Auslegung der Leistungsfähigkeit des Verdichters derart erfolgen kann, dass nur ein kleineres Arbeitsintervall möglicher Dichten der Umgebungsluft abgedeckt werden muss.
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Als zweckmäßig hat es sich erwiesen, wenn zur Kühlung der Umgebungsluft vor der Einleitung in den Verdichter ein Verdichter-Kühlsystem genutzt wird, also dem Verdichter ein Kühlsystem zugeordnet ist, das die Umgebungsluft vor der Einleitung in den Verdichter aktiv abkühlt, wobei bevorzugt als das Verdichter-Kühlsystem eine als Kompressionskältemaschine betriebene Wärmepumpe genutzt wird.
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Ganz besonders bevorzugt im Rahmen der Erfindung ist weiterhin, wenn die Energieversorgung des Verdichter-Kühlsystems durch eine Photovoltaik-Anlage erfolgt. Erfahrungswerte zeigen, dass eine hohe Umgebungstemperatur häufig mit einer hohen direkten Sonneneinstrahlung korreliert, so dass die durch die Sonneneinstrahlung bereitgestellte Energie genutzt werden kann, um den Energiebedarf des Verdichter-Kühlsystems zu decken, also die Effizienz und Leistungsfähigkeit des Brennstoffzellensystems nicht dadurch eingeschränkt wird, dass das Verdichter-Kühlsystem eingesetzt wird.
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Dabei besteht im Rahmen der Erfindung selbstverständlich die Möglichkeit, dass die Photovoltaik-Anlage unmittelbar das Verdichter-Kühlsystem speist, also mit Energie versorgt. Die Verlässlichkeit des Brennstoffzellensystems wird allerdings gesteigert, wenn die durch die Photovoltaik-Anlage erzeugte Energie einer Batterie als Zwischenspeicher zugeführt wird, aus der die Versorgung des Verdichter-Kühlsystems erfolgt. Diese Batterie kann durch eine separate, autark dem Verdichter-Kühlsystem zugeordnete Batterie gebildet sein, wobei aber gleichfalls die sogar bevorzugte Möglichkeit besteht, die in der Regel in dem Brennstoffzellensystem bereitgestellte wieder aufladbare Batterie zu nutzen, wodurch der zusätzliche apparative Aufwand beschränkt wird und die Möglichkeit der Nutzung der Photovoltaik-Anlage zur Ladung der Batterie besteht, auch wenn der Brennstoffzellenstapel selber inaktiv ist.
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Vorgesehen ist weiterhin im Rahmen der Erfindung, dass mittels eines Sensors die Temperatur der Umgebungsluft erfasst und dahingehend ausgewertet wird, ob die Kühlung der Umgebungsluft erforderlich ist, und dass in Abhängigkeit der Auswertung die Kühlung der Umgebungsluft erfolgt oder unterbleibt. Durch diesen Verfahrensschritt ergibt sich der Vorteil, dass wiederum die Effizienz des Brennstoffzellensystems gesteigert wird, da der Einsatz des Verdichter-Kühlsystems nur dann erfolgt, wenn eine Dichte der Umgebungsluft vorliegt, die außerhalb des Intervalls liegt, für das die Auslegung des Verdichters erfolgt ist.
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Eine weitere Reduktion der apparativen Komplexität und damit Steigerung der Effizienz des Brennstoffzellensystems ergibt sich, wenn das Verdichter-Kühlsystem auch zur Kühlung des verdichteten Kathodengases genutzt wird. Der Verdichter bewirkt entsprechend seiner Benennung eine Komprimierung der Umgebungsluft, wobei mit dieser Komprimierung naturgesetzlich eine Erwärmung des Kathodengases verbunden ist. Es wird daher in der Regel in der Kathodenzufuhrleitung ein Rekuperativ-Wärmetauscher eingesetzt, um die Temperatur des Kathodengases abzusenken. Das erfindungsgemäß bereitgestellte Verdichter-Kühlsystem kann genutzt werden, um den Rekuperativ-Wärmetauscher zu unterstützen oder gegebenenfalls sogar zu ersetzten.
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Ein Brennstoffzellensystem mit einem Brennstoffzellenstapel, dessen Kathodenraum über eine Kathodengaszufuhrleitung mit einem die Umgebungsluft ansaugenden und verdichtenden Verdichter verbunden ist, wobei eine als Kompressionskältemaschine betreibbare Wärmepumpe zur Kühlung der dem Verdichter zuzuführen den Umgebungsluft vorgesehen ist, bietet den Vorteil, dass das Brennstoffzellensystem flexibel in einem weiten Temperaturbereich der Umgebung eingesetzt werden kann, so dass dieses Brennstoffzellensystem insbesondere für die mobile Anwendung, insbesondere in einem Kraftfahrzeug geeignet ist. Die Leistungsfähigkeit des Verdichters muss dabei nicht so ausgelegt sein, um in einem großen Intervall der Dichte der Umgebungsluft wirksam die erforderliche Verdichtung zu erreichen und es ist auch eine Reduktion der erforderlichen Verdichtungsarbeit erreichbar.
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Bevorzugt ist es bei dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem weiterhin, wenn eine Photovoltaik-Anlage zur Energieversorgung der Wärmepumpe vorgesehen ist, wobei die Photovoltaik-Anlage mit einer Batterie als Pufferspeicher elektrisch verbunden ist. Die Bereitstellung der Wärmepumpe führt dann nicht dazu, dass die Betriebsdauer des Brennstoffzellensystems bzw. bei einem Kraftfahrzeug dessen Reichweite eingeschränkt werden muss, weil die Wärmepumpe zur Entlastung des Verdichters vorgesehen ist; vielmehr ist durch die Photovoltaik-Anlage eine weitere Steigerung der Effizienz des Brennstoffzellensystems erreichbar.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnung. Dabei zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines einen Brennstoffzellenstapel aufweisenden Brennstoffzellensystems, geeignet zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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In 1 ist ein Brennstoffzellensystem 1 mit einem Brennstoffzellenstapel 5 gezeigt, in dem protonenleitfähige Membranen die Kathoden von den Anoden der Brennstoffzellen trennen, wobei den Anoden über Anodenräume Brennstoff, z.B. Wasserstoff, zugeführt werden kann. Die Anodenräume sind hierfür über eine Anodenzufuhrleitung 2 mit einem Brennstoffspeicher 3 verbunden. Über eine Anodenrezirkulationsleitung 4 kann an den Anoden nicht abreagierter Brennstoff den Anodenräumen erneut zugeführt werden.
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Durch die Kathodenräume lässt sich das sauerstoffhaltige Kathodengas, nämlich der Umgebung entnommene Luft, den Kathoden des Brennstoffzellenstapels 5 zuführen. Das Kathodengas wird mittels eines Verdichters 6 angesaugt, dann in eine Kathodenzufuhrleitung 7 eingebracht und im gezeigten Beispiel mittels eines Rekuperativ-Wärmetauschers 8 abgekühlt, bevor es zur Befeuchtung in einem Kathodengaseinlass 9 eines Befeuchters 10 zugeleitet wird.
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Der Befeuchter 10 ist mit seinem kathodenseitigen Auslass über eine Kathodenzufuhrleitung 11 mit den Kathodenräumen des Brennstoffzellenstapels 5 verbunden. Außerdem ist der Befeuchter 10 mit einem kathodenseitigen Einlass 12 mit den Kathodenräumen über eine Kathodenabgasleitung 13 verbunden, über die nicht abreagiertes Kathodengas bzw. feuchtes Kathodengas zum Befeuchter 10 rückgeführt und dann mittels der Kathodenabgasleitung 14 aus dem Befeuchter 10 abgegeben wird.
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Ein derartiges Brennstoffzellensystem 1 kann beispielsweise in einem mobilen Kraftfahrzeug eingesetzt werden, das variierenden Umgebungsbedingungen ausgesetzt ist, wobei insbesondere die Umgebungstemperatur in weiten Grenzen schwanken kann. Wird das Brennstoffzellensystem 1 bei einer hohen Umgebungstemperatur eingesetzt, ist mit dieser hohen Umgebungstemperatur eine verringerte Dichte der Umgebungsluft verbunden, so dass der bereitgestellte Verdichter 6 eine erhöhte Verdichtungsarbeit leisten muss. Um dies zu vermeiden, wird ein Verdichter-Kühlsystem 15, nämlich in dem gezeigten Ausführungsbeispiel eine als Kompressionskältemaschine betriebene Wärmepumpe eingesetzt, um die Umgebungsluft vor der Einleitung in den Verdichter 6 zu kühlen, so dass sich dadurch die Dichte der Luft wieder erhöht und der Verdichter 6 keine erhöhte Verdichtungsarbeit leisten muss und eine Leistungsreduktion des Brennstoffzellensystems 1 sowie der Einsatz eines leistungsfähigeren Verdichters 6 vermieden ist.
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Die Energieversorgung des Verdichter-Kühlsystems 15 erfolgt durch eine Photovoltaik-Anlage 16, wobei die durch die Photovoltaik-Anlage 16 erzeugte Energie einer wiederaufladbaren Batterie 17 als Zwischenspeicher zugeführt wird, aus der die Versorgung des Verdichter-Kühlsystems 15 erfolgt.
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Ein Sensor 18, der in dem gezeigten Ausführungsbeispiel der Wärmepumpe zugeordnet ist, dient dazu, die Temperatur der Umgebungsluft zu erfassen und dahingehend in einer Auswerteeinheit auszuwerten, ob die Kühlung der Umgebungsluft erforderlich ist, wobei in Abhängigkeit der Auswertung die Kühlung der Umgebungsluft erfolgt oder unterbleibt. Alternativ oder auch ergänzend zum Sensor 18 kann ein Thermoschalter verwendet werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Brennstoffzellensystem
- 2
- Anodenzufuhrleitung
- 3
- Brennstoffspeicher
- 4
- Anodenrezirkulationsleitung
- 5
- Brennstoffzellenstapel
- 6
- Verdichter
- 7
- Kathodenzufuhrleitung
- 8
- Rekuperativ-Wärmetauscher
- 9
- Kathodengaseinlass
- 10
- Befeuchter
- 11
- Kathodenzufuhrleitung
- 12
- Einlass
- 13
- Kathodenabgasleitung
- 14
- Kathodenabgasleitung
- 15
- Verdichter-Kühlsystem
- 16
- Photovoltaik-Anlage
- 17
- Batterie
- 18
- Sensor
- 19
- DC/ DC-Wandler
- 20
- Lufteinlass
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 2596978 A1 [0004]
- DE 102015118736 A1 [0005]
- DE 102007021843 A1 [0006]
