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Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem, insbesondere zur Verwendung in einem Fahrzeug.
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Stand der Technik
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Brennstoffzellensysteme sind aus dem Stand der Technik bekannt, beispielsweise aus der nicht vorveröffentlichten Patentanmeldung
DE 10 2017 214 317 A1 . Das bekannte Brennstoffzellensystem weist eine Zuführungsleitung zum Zuführen eines Oxidationsmittels bzw. von Umgebungsluft in die Brennstoffzelle und eine Abgasleitung zum Abführen des Oxidationsmittels bzw. des Abgases aus der Brennstoffzelle auf. Ein als Comprex-Lader ausgeführter erster Verdichter ist in der Zuführungsleitung und in der Abgasleitung angeordnet. Ein zweiter Verdichter ist in der Zuführungsleitung stromabwärts des Comprex-Laders angeordnet.
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Der Comprex-Lader und der zweite Verdichter verdichten das Oxidationsmittel in der Zuführungsleitung zweistufig. Dadurch wird das Oxidationsmittel in der Zuführungsleitung erhitzt, wodurch es eine vergleichsweise hohe Feuchtigkeit aufweisen kann.
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Offenbarung der Erfindung
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Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem weist eine erhöhte Lebensdauer der Komponenten - insbesondere des zweiten Verdichters - auf, die stromabwärts des ersten Verdichters in der Zuführungsleitung angeordnet sind.
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Dazu umfasst das Brennstoffzellensystem eine Brennstoffzelle, eine Zuführungsleitung zum Zuführen eines Oxidationsmittels in die Brennstoffzelle und eine Abgasleitung zum Abführen des Oxidationsmittels aus der Brennstoffzelle. Ein erster Verdichter ist in der Zuführungsleitung angeordnet. Ein zweiter Verdichter ist in der Zuführungsleitung stromabwärts des ersten Verdichters angeordnet. In der Zuführungsleitung ist zwischen dem ersten Verdichter und dem zweiten Verdichter ein Kühler angeordnet.
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In dem Kühler kondensiert die Umgebungsluft. Dadurch wird der zweite Verdichter vor Wasserschlag geschützt. Dies ist insbesondere vorteilhaft, wenn der erste Verdichter als Comprex-Lader ausgeführt ist, wobei der Comprex-Lader auch in der Abgasleitung angeordnet ist und so Feuchtigkeit von dem Abgas an das Oxidationsmittel bzw. an die Umgebungsluft abgibt. Als Comprex-Lader wird jede Art von Lader bezeichnet, der ein Zellrad aufweist, wobei durch jede der Zellen gleichzeitig oder zeitlich aufeinanderfolgend sowohl Abgas, also auch Oxidationsmittel einströmen, ausströmen oder auch durchströmen kann. Insbesondere bei nahezu kontinuierlichen Massenströmen des Brennstoffzellensystems ist der Comprex-Lader vergleichsweise einfach in das Brennstoffzellensystem zu integrieren und auf dieses abzustimmen. Der Druck des reagierten Oxidationsmittels, also des Abgases in der Abgasleitung kann bereits bei kleinsten Massenströmen genutzt werden. Dadurch kann die Brennstoffzelle auch bei einem sehr kleinen Leistungsbedarf energieeffizient betrieben werden. Weiterhin weist der Comprex-Lader funktionsbedingt eine integrierte Befeuchtung des Oxidationsmittels bzw. der Frischluft bzw. der Umgebungsluft in der Zuführungsleitung auf, so dass die Effizienz der Brennstoffzelle gesteigert wird. Dadurch kann in bevorzugten Ausführungen sogar ein nachgeschalteter Befeuchter entfallen. Aufgrund des Feuchtigkeitsaustauschs im Comprex-Lader weist das aus dem Brennstoffzellensystem austretende Abgas einen geringeren Feuchtegehalt auf, so dass die Gesamtemission verringert ist.
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Optional kann der Comprex-Lader in Weiterbildungen der Erfindung so gestaltet sein bzw. so gesteuert werden, dass er eine Abgasrückführung aufweist, also reagiertes Oxidationsmittel aus der Abgasleitung 4 zu einem Teil wieder in die Zuführungsleitung strömen lässt. In bestimmten Betriebspunkten, beispielsweise bei einem Kaltstart, sind durch den Comprex-Lader gezielte Wärme- und Feuchtigkeitsrückgewinnungen durch eine derartige Abgasrückführung möglich. Selbst eine kurzzeitige, ungewollte Abgasrückführung ist für das Brennstoffzellensystem wenig kritisch, da hier üblicherweise ohnehin mit einem großen Überschuss des Oxidationsmittels gearbeitet wird. Dadurch ist auch in dem Abgas noch ausreichend Oxidationsmittel, beispielsweise Sauerstoff, vorhanden. Falls es dennoch zu einer kurzzeitigen Unterversorgung mit dem Oxidationsmittel kommen sollte, weist das Brennstoffzellensystem vorteilhafterweise eine Batterie als Energiepuffer auf.
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Durch das Auskondensieren von Feuchtigkeit in dem Kühler ist eine Abgasrückführung über den Comprex-Lader in die Zuführungsleitung weniger kritisch, der zweite Verdichter ist durch das Auskondensieren vor Wasserschlag geschützt.
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In vorteilhaften Weiterbildungen ist in der Zuführungsleitung zwischen dem ersten Verdichter und dem zweiten Verdichter ein Wärmetauscher angeordnet. Der Wärmetauscher unterstützt den Kühler beim Abkühlen der Umgebungsluft.
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In bevorzugten Ausführungen weist der Wärmetauscher einen Einströmbereich und einen Ausströmbereich auf, welche in der Zuführungsleitung angeordnet sind. Der Einströmbereich ist stromaufwärts des Kühlers angeordnet und der Ausströmbereich stromabwärts des Kühlers. Der Einströmbereich und der Ausströmbereich sind wärmeübertragbar zueinander angeordnet. Dadurch kühlt der Wärmetauscher die Umgebungsluft bzw. das Oxidationsmittel vor dem Kühler und unterstützt so das Auskondensieren. Stromabwärts des Kühlers erhitzt der Wärmetauscher das Oxidationsmittel wieder und verringert dadurch die relative Feuchtigkeit des Oxidationsmittels weiter und schützt damit zusätzlich weitere Komponenten wie den zweiten Verdichter vor Wasserschlag.
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In einer weiterbildenden Ausführung ist ein weiterer Kühler in der Zuführungsleitung stromabwärts des zweiten Verdichters angeordnet. Dadurch können eine Überhitzung der Brennstoffzelle verhindert, die Leistung des Verdichters reduziert und die relative Feuchte des Oxidationsmittels erhöht werden.
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Zum Auffangen von Kondensat ist bevorzugt ein Tank an den Kühler angeschlossen. Somit kann das auskondensierte Wasser aufgefangen bzw. gespeichert werden. In alternativen Ausführungen kann der Tank auch an den Einströmbereich des Wärmetauschers angeschlossen sein.
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In vorteilhaften Weiterbildungen mündet eine Wasserleitung von dem Tank in die Zuführungsleitung stromabwärts des zweiten Verdichters. Dadurch wird der Brennstoffzelle bei Bedarf Wasser bzw. Feuchtigkeit zugeführt und das Oxidationsmittel gekühlt. Insbesondere wenn die Brennstoffzelle eine Polymermembran aufweist, muss eine gewisse Feuchtigkeit zur Funktionsfähigkeit gewährleistet sein.
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Vorzugsweise weist die Wasserleitung einen Injektor zum Einspritzen von Wasser in die Zuführungsleitung auf. Das Wasser aus dem Tank kann der Brennstoffzelle somit bedarfsgerecht durch den Injektor zugeführt werden. Weiterhin kann das Wasser dadurch der Umgebungsluft fein zerstäubt beigemischt werden, um eine homogene Feuchtigkeitsverteilung zu erhalten. In einem vorteilhaften Verfahren wird bei einem erhöhten Feuchtigkeitsbedarf in der Brennstoffzelle der Injektor so angesteuert, dass er Wasser aus dem Tank in die Zuführungsleitung einspritzt.
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In vorteilhaften Ausführungen ist in der Abgasleitung parallel zu dem als Comprex-Lader ausgeführten ersten Verdichter ein Abgasbypass angeordnet. Dadurch kann der Abgasmassenstrom in den Comprex-Lader und damit auch die Befeuchtung des Oxidationsmittels in der Zuführungsleitung optimal auf unterschiedliche Betriebszustände angepasst werden. In dem Abgasbypass ist dazu vorzugsweise ein Steuerventil angeordnet. In einem vorteilhaften Verfahren wird bei einem erhöhten Feuchtigkeitsbedarf in der Brennstoffzelle ein Durchflussquerschnitt des Steuerventils verringert. Dadurch kommt es zu einem erhöhten Feuchtigkeitsaustausch in dem Comprex-Lader, so dass dem Oxidationsmittel Feuchtigkeit zugeführt wird. Diese Anordnung kann auch mit der Befeuchtung des Oxidationsmittels durch den Injektor kombiniert werden.
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In vorteilhaften Weiterbildungen ist in dem Abgasbypass eine Abgasturbine angeordnet. Dadurch wird das Abgas entspannt, so dass in dem Abgas vorhandene Energie zurückgewonnen wird, auch wenn das Abgas nicht durch den Comprex-Lader strömt.
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Vorzugsweise ist die Abgasturbine mechanisch über eine Welle mit dem weiteren Verdichter verbunden. Die mechanisch zurückgewonnene Energie des durch den Abgasbypass strömenden Abgases wird so dem weiteren Verdichter zur Verfügung gestellt.
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In einem Verfahren eines Brennstoffzellensystems nach einer der obigen Ausführungen, in welcher der erste Verdichter als Comprex-Lader ausgeführt ist, wird eine Drehzahl des Comprex-Laders vor dem Abschalten des Brennstoffzellensystems erhöht. Dadurch wird die Verweilzeit von Frischluft und Abgas in den Kammern bzw. Zellen des Comprex-Laders reduziert und demzufolge die Feuchtigkeit in der Brennstoffzelle ebenfalls reduziert. Bei tiefen Umgebungstemperaturen kommt es infolgedessen nicht zum Gefrieren des Wassers und damit zu einer Beschädigung des Brennstoffzellensystems. Vorzugsweise weist das Brennstoffzellensystem dazu ein Steuergerät auf, welches das Abschalten detektiert und daraufhin die Drehzahlerhöhung des Comprex-Laders einleitet.
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Ergänzend oder alternativ wird in einem weiteren vorteilhaften Verfahren eine Kühlleistung des Kühlers vor dem Abschalten des Brennstoffzellensystems erhöht. Dadurch kondensiert in dem Kühler mehr Feuchtigkeit aus der Umgebungsluft, die Brennstoffzelle wird quasi trockengeblasen. Ist ein weiterer Kühler in der Zuführungsleitung des Brennstoffzellensystems vorhanden, so kann analog auch seine Kühlleistung erhöht werden. Auch bei einem reduzierten Feuchtigkeitsbedarf der Brennstoffzelle kann vorteilhafterweise die Kühlleistung des Kühlers erhöht werden.
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Das Brennstoffzellensystem kann vorzugsweise dazu eingerichtet sein, eine Antriebsvorrichtung eines Kraftfahrzeugs anzutreiben.
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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 der Figur schematisch dargestellt sind.
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Es zeigt:
- 1 schematisch ein Brennstoffzellensystem mit einem Comprex-Lader, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind.
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Ausführliche Beschreibung der Erfindung
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1 zeigt schematisch ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem 1 mit einem erstem Verdichter 50, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind. Der erste Verdichter 50 ist in der Ausführung der l als Comprex-Lader gestaltet. Das Brennstoffzellensystem 1 umfasst eine Brennstoffzelle 2, eine Zuführungsleitung 3 zur Zufuhr von Oxidationsmittel bzw. Umgebungsluft zur Brennstoffzelle 2, eine Abgasleitung 4 zur Abfuhr der reagierten Umgebungsluft aus der Brennstoffzelle 2, einen zweiten Verdichter 11 und in vorteilhaften Ausführungen auch eine Abgasturbine 13. Der erste Verdichter bzw. der Comprex-Lader 50 wird vorzugsweise von einer Antriebsmaschine 59 angetrieben und weist ein Zellrad 53 auf, welches im Betrieb rotiert. Der Comprex-Lader 50 ist dabei sowohl in der Zuführungsleitung 3 als auch in der Abgasleitung 4 angeordnet. Die Zuführungsleitung 3 weist einen Zufuhreinlass 31 in den Comprex-Lader 50 und einen Zufuhrauslass 32 aus dem Comprex-Lader 50 auf. Die Abgasleitung 4 weist einen Abgaseinlass 41 in den Comprex-Lader 50 und einen Abgasauslass 43 aus dem Comprex-Lader 50 auf. Das Oxidationsmittel bzw. die Umgebungsluft strömt durch den Zufuhreinlass 31 in einen Verdichtungsbereich 51 des Comprex-Laders 50, wird dort durch das Abgas verdichtet und strömt aus dem Zufuhrauslass 32 weiter zu einem Wärmetauscher 21, wobei der Verdichtungsbereich 51 in dem Zellrad 53 ausgebildet ist. In alternativen Ausführungen kann als erster Verdichter 50 beispielsweise auch ein Radiallaufrad verwendet werden.
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Nach dem ersten Verdichter 50 wird die verdichtete, befeuchtete und erwärmte Umgebungsluft also dem Wärmetauscher 21 und anschließend einem Kühler 22 zugeführt. Dabei gibt die Umgebungsluft vorzugsweise zunächst einen kleineren Teil der Wärme über den Wärmetauscher 21 und anschließend einen größeren Teil der Wärme über den Kühler 22 ab. Nach dem Kühler 22 wird die Umgebungsluft erneut durch den Wärmetauscher 21 geführt und nimmt dabei wiederum annähernd den zuvor abgegebenen Teil der Wärme auf. Vorzugsweise weist der Wärmetauscher 21 also einen Einströmbereich 21a stromaufwärts des Kühlers 22 und einen Ausströmbereich 21b stromabwärts des Kühlers 21 auf, die zum einen fluidisch über den Kühler 22 miteinander verbunden sind und zum anderen bezüglich Wärmeübertragung direkt miteinander interagieren, so dass Wärme des Oxidationsmittels von dem Einströmbereich 21a an den Ausströmbereich 21b abgegeben wird.
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Wenn beim Abkühlen des Oxidationsmittels Wassertröpfchen in dem Kühler 22 kondensieren, dann werden diese in einen Tank 23 geleitet. Durch das Abscheiden des Wassers und die anschließende Erwärmung des Oxidationsmittels kann die Anzahl und Größe der Tröpfchen im Oxidationsmittel soweit reduziert werden, dass sie stromabwärts geschaltete Komponenten nicht beschädigen können.
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Nachdem der Wärmetauscher 21 also zum zweiten Mal durchlaufen wurde führt die Zuführungsleitung 3 zu dem zweiten Verdichter 11, wo die Umgebungsluft weiter verdichtet wird. Optional durchströmt die Umgebungsluft anschließend einen weiteren Kühler 19, in welchem sie nochmals gekühlt wird, bevor sie in die Brennstoffzelle 2 strömt.
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Das Oxidationsmittel enthält durch das Kondensieren im Wärmetauscher 21a und in dem Kühler 22 und anschließende Erwärmen im Wärmetauscher 21b somit nur eine reduzierte Feuchtigkeit, wodurch der zweite Verdichter 11 - und gegebenenfalls auch weitere Komponenten - vor Wasserschlag geschützt sind und somit eine erhöhte Lebensdauer aufweisen. Der zweite Verdichter 11 kann dadurch mit günstigeren Materialien hergestellt werden, da Wasserschlag nicht oder nicht so häufig vorkommt. Die vorherige Erwärmung in dem Wärmetauscher 21 bzw. in dem Ausströmbereich 21b hat eine Reduzierung der relativen Feuchtigkeit des Oxidationsmittels und damit eine weitere Reduzierung der Tröpfenzahl und Tröpfchengröße und damit einen besseren Schutz des zweiten Verdichters 11 vor Wasserschlag zur Folge.
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Nach dem zweiten Verdichter 11 kann die Umgebungsluft durch den weiteren Kühler 19 geleitet werden, um die Brennstoffzelle 2 nicht zu überhitzen. Sollte die Feuchtigkeit für den Betrieb der Brennstoffzelle 2 nicht hoch genug sein, kann in vorteilhaften Weiterbildungen der Erfindung eine Pumpe 24 Wasser aus dem Tank 23 fördern und stromabwärts des zweiten Verdichters 11 mit einem Injektor 25 in die Zuführungsleitung 3 einspritzen. Dazu mündet eine Wasserleitung 26 von dem Tank 23 stromaufwärts der Brennstoffzelle 2 in die Zuführungsleitung 3. Die Pumpe 24 und der Injektor 25 sind in der Wasserleitung 26 angeordnet. Der Injektor 25 kann bedarfsgerecht fein zerstäubtes Wasser in die Zuführungsleitung 3 einspritzen und dadurch eine Mindestfeuchtigkeit in der Brennstoffzelle 2 sicherstellen.
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Durch die Verteilung der Kühlleistung zwischen beiden Kühlern 22, 19 kann einerseits die Temperatur nach den Kühlern 22, 19 bestimmt werden, andererseits aber auch, wieviel Feuchtigkeit in den Kühlern 22, 19 auskondensiert. Die Verteilung der Kühlleistung wirkt allerdings eher langfristig, weshalb kurzfristige Leistungsänderungen und damit auch kurzfristige Änderungen des Umgebungsluftmassenstroms eine zu geringe Feuchtigkeit der Umgebungsluft bewirken können. Diese Defizite können sehr genau und sehr dynamisch mit der Wassereinspritzung durch den Injektor 25 kompensiert werden.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung der 1 ist parallel zu dem als Comprex-Lader ausgeführten ersten Verdichter 50 zwischen dem Abgaseinlass 41 und dem Abgasauslass 43 des Comprex-Laders 50 die Abgasturbine 13 in einem Abgasbypass 45 angeordnet und durch ein Steuerventil 46 zuschaltbar. Die Abgasturbine 13, welche parallel zum Comprex-Lader 50 angeordnet ist, kann die im Abgas enthaltene Energie beispielsweise an den zweiten Verdichter 11 mechanisch übertragen. Mit dem Steuerventil 46 - beispielsweise einem Schieberventil - kann die Abgasmenge durch den Abgasbypass 45 und damit auch durch die Abgasturbine 13 begrenzt und somit gleichzeitig der Abgasmassenstrom in den Entspannungsbereich 52 des Comprex-Laders 50 erhöht werden. Dadurch kann der Abgasmassenstrom in den Comprex-Lader 50 und damit auch die Befeuchtung des Oxidationsmittels in der Zuführungsleitung 3 optimal auf unterschiedliche Betriebszustände angepasst werden. In bestimmten Betriebszuständen wird nur so viel Abgas über den Comprex-Lader 50 geführt, wie zu der gewünschten Befeuchtung des Oxidationsmittels notwendig ist. Dadurch kann die Effizienz des Brennstoffzellensystems 1 weiter gesteigert werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102017214317 A1 [0002]
