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Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzellenanordnung für ein Kraftfahrzeug. Die Brennstoffzellenanordnung weist eine Brennstoffzelle als Energiequelle für eine Traktionseinheit eines Kraftfahrzeugs, und einen Wasserstofftank für frischen Wasserstoff auf. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Betreiben eines Turboladers einer dementsprechenden Brennstoffzellenanordnung.
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Üblicherweise wird einer Brennstoffzelle komprimierte Luft zugeführt um den Wirkungsgrad der Brennstoffzelle zu erhöhen. Die Luft wird dabei üblicherweise durch eine Verdichtungsvorrichtung, beispielsweise einen Kompressor oder Turbolader, komprimiert. Weiterhin ist es dabei üblich die Verdichtungsvorrichtung zumindest teilweise mit einem Elektromotor zu betreiben. Die Energie für den Elektromotor kommt dabei beispielsweise von der Brennstoffzelle selbst oder aber von einer Batterie, falls die Brennstoffzelle selbst aktuell nicht genug Energie bereitstellt, beispielsweise während der Startphase.
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Nachteilig ist, dass der Elektromotor des Kompressors zu einem niedrigeren Wirkungsgrad der Brennstoffzellenanordnung führt und die Komplexität der Brennstoffzellenanordnung erhöht.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Brennstoffzellenanordnung für ein Kraftfahrzeug und ein Verfahren zum Betreiben eines Turboladers einer Brennstoffzellenanordnung zu schaffen, mit welcher bzw. bei welchem die Zuluft für die Brennstoffzelle mit einem höheren Wirkungsgrad verdichtet werden kann.
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Diese Aufgabe wird durch eine Brennstoffzellenanordnung und ein Verfahren gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst.
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Eine erfindungsgemäße Brennstoffzellenanordnung ist für ein Kraftfahrzeug ausgebildet. Die Brennstoffzellenanordnung weist eine Brennstoffzelle als Energiequelle für eine Traktionseinheit des Kraftfahrzeugs auf. Weiterhin weist die Brennstoffzellenanordnung einen Wasserstoff tank für frischen Wasserstoff auf . Die Brennstoffzellenanordnung weist auch einen Turbolader auf, welcher eingerichtet ist, Zuluft der Brennstoffzelle zu komprimieren. Zudem ist der Turbolader mit einer Luftzufuhrleitung mit der Brennstoffzelle verbunden. Weiterhin weist die Brennstoffzellenanordnung einen Brenner auf, welcher eingerichtet ist, mit dem frischen Wasserstoff betrieben zu werden. Der Brenner ist durch eine Wasserstoffzuleitung, insbesondere direkt, mit dem Wasserstofftank verbunden. Der Brenner ist energieübertragend mit dem Turbolader verbunden.
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Der Erfindung liegt die Kenntnis zu Grunde, dass der Turbolader auch mit der Energie von einem Brenner, welcher frischen Wasserstoff verbrennt, zumindest teilweise betrieben bzw. angetrieben werden kann. Durch den Brenner kann die Brennstoffzellenanordnung mit einem höheren Wirkungsgrad bzw. einer höheren Wirkungsgradkette betrieben werden. Die Energieverluste eines Elektromotors, insbesondere eines Inverters des Elektromotors, können bei der Nutzung des Brenners vermieden werden.
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Auch kann die aktive Fläche der Brennstoffzelle durch den Brenner kleiner ausgebildet werden, als dies bei einer Brennstoffzelle mit einem Turbolader mit Elektromotor der Fall ist, da die Brennstoffzelle nun nicht mehr dazu ausgelegt ist, die zusätzliche Energie für den Elektromotor des Turboladers zu erzeugen.
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Der Turbolader kann beispielsweise zum Teil durch Abluft von der Brennstoffzelle angetrieben werden, insbesondere ist es aber vorgesehen, dass ein Großteil der Antriebsenergie für den Turbolader von dem Brenner durch Verbrennen des, insbesondere frischen, Wasserstoffs bereitgestellt wird.
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Der Brenner kann zusätzlich auch gebrauchten Wasserstoff, also Wasserstoff, welcher schon einmal durch die Brennstoffzelle durchgelaufen ist bzw. als Rest der chemischen Reaktion in der Brennstoffzelle übrig geblieben ist, verbrennen. Die Energie, welche der Brenner erzeugt und mit welcher der Turbolader angetrieben wird, kann dann beispielsweise von der Verbrennung von frischen Wasserstoff und gebrauchten Wasserstoff stammen.
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Frischer Wasserstoff ist vorliegend insbesondere Wasserstoff, welcher bisher noch nicht bei der chemischen Reaktion in der Brennstoffzelle beteiligt war, d. h. frischer Wasserstoff ist Wasserstoff, welcher die Brennstoffzelle als galvanische Zelle noch nicht durchlaufen hat. Gebrauchter Wasserstoff hingegen ist vorliegend insbesondere Wasserstoff, welcher die Brennstoffzelle bereits durchlaufen hat, aber bei der chemischen Reaktion in der Brennstoffzelle übrig geblieben ist und an einem Ausgang der Brennstoffzelle ausgegeben wird.
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Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass der Turbolader eingerichtet ist, nur durch den Brenner angetrieben zu werden. Dadurch weist der Turbolader vorzugsweise keine weiteren Antriebseinheiten wie beispielsweise einen Elektromotor auf. Die Brennstoffzellenanordnung kann dadurch gewichtssparend und bauraumsparend ausgebildet werden.
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Weiterhin ist es vorzugsweise vorgesehen, dass der Turbolader elektromotorlos ausgebildet ist. Demnach ist es vorgesehen, dass der Turbolader keinen Elektromotor aufweist und nicht durch einen Elektromotor angetrieben wird. Vorteilhaft ist, dass der Turbolader dadurch effizienter betrieben werden kann. Auch ist die Brennstoffzellenanordnung dadurch weniger komplex ausgebildet, als dies mit einem Turbolader mit Elektromotor der Fall ist.
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Weiterhin ist es vorzugsweise vorgesehen, dass die Wasserstoffzuleitung zwischen dem Wasserstofftank und dem Brenner ein erstes Ventil zur Steuerung einer Durchflussmenge des frischen Wasserstoffs aufweist. Durch das erste Ventil kann die Zufuhr von dem frischen Wasserstoff zum Brenner vollständig unterbrochen werden oder aber die Durchflussmenge kann derart eingestellt werden, dass der Brenner so viel Energie erzeugen kann wie von dem Turbolader gemäß seiner aktuellen Betriebssituation benötigt wird. Der Brenner kann durch das erste Ventil also situationsgerecht betrieben werden.
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Weiterhin ist es vorzugsweise vorgesehen, dass der Brenner einen Katalysator aufweist. Der Katalysator setzt die Aktivierungsenergie der Verbrennungsreaktion herab. Der Katalysator kann beispielsweise Platin umfassen.
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Ergänzend oder alternativ kann der Brenner zumindest eine Zündkerze aufweisen. Durch die Zündkerze kann die Verbrennungsreaktion im Brenner, bei welcher der frische Wasserstoff beteiligt ist, zu vielfältigen Zeitpunkten gezündet werden.
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Weiterhin ist es vorzugsweise vorgesehen, dass der Brenner über eine Zwischenleitung mit der Luftzufuhrleitung verbunden ist. Durch die Zwischenleitung kann der Brenner mit Luft für den Verbrennungsprozess versorgt werden. Vorteilhaft ist, dass der Brenner durch die Zwischenleitung auch bereits mit komprimierter Luft versorgt werden kann. Die Verbrennungsreaktion im Brenner kann dadurch effektiver ablaufen.
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Weiterhin ist es vorzugsweise vorgesehen, dass die Zwischenleitung ein zweites Ventil zur Steuerung einer Durchflussmenge von Luft aufweist. Durch das zweite Ventil kann die Luftzufuhr vollständig unterbrochen werden. Durch die Steuerung der Durchflussmenge kann die Verbrennungsreaktion im Brenner auch bedarfsgerecht angepasst werden.
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Weiterhin ist es vorzugsweise vorgesehen, dass der Brenner an eine weitere Wasserstoffzuleitung angeschlossen ist, wobei die weitere Wasserstoffzuleitung mit einer Mischzuleitung der Brennstoffzelle verbunden ist, wobei die Mischzuleitung dazu eingerichtet ist, gebrauchten Wasserstoff zur Brennstoffzelle zuzuführen. Insbesondere wird der gebrauchte Wasserstoff mit der Mischzuleitung zu dem frischen Wasserstoff zugeleitet und dort mit dem frischen Wasserstoff gemischt. Durch die Zufuhr von dem Gemisch kann die Brennstoffzelle effektiver betrieben werden, da auch der gebrauchte Wasserstoff zur effektiven Energieerzeugung genutzt wird.
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Weiterhin ist es vorzugsweise vorgesehen, dass die weitere Wasserstoffzuleitung zwischen der Mischzuleitung und dem Brenner ein drittes Ventil zur Steuerung einer Durchflussmenge des gebrauchten Wasserstoffs aufweist. Durch das dritte Ventil kann gesteuert werden, welchen Anteil der gebrauchte Wasserstoff am Verbrennungsprozess im Brenner hat. So kann das dritte Ventil beispielsweise vollständig geschlossen werden und der Brenner kann lediglich mit dem frischen Wasserstoff betrieben werden. Der gebrauchte Wasserstoff wird insbesondere mit einer Pumpe der Brennstoffzellenanordnung gepumpt.
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Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren wird ein Turbolader einer Brennstoffzellenanordnung eines Kraftfahrzeugs betrieben. Es werden folgende Schritte durchgeführt:
- - Führen von frischem Wasserstoff, insbesondere direkt aus einem Wasserstofftank der Brennstoffzellenanordnung, zu einem Brenner der Brennstoffzellenanordnung;
- - Verbrennen des frischen Wasserstoffs im Brenner; und
- - Betreiben des Turboladers mit der durch die Verbrennung des frischen Wasserstoffs erzeugten Energie.
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Der Turbolader wird durch die Energie, welche bei der Verbrennung des frischen Wasserstoffs erzeugt wird, energieeffizient angetrieben.
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Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass der Turbolader ausschließlich mit der durch die Verbrennung des frischen Wasserstoffs erzeugten Energie betrieben wird. Der Turbolader weist also vorzugsweise keinen Elektromotor auf und wird vorzugsweise nicht durch einen Elektromotor angetrieben.
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Vorteilhafte Ausführungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind als vorteilhafte Ausführungen der Brennstoffzellenanordnung anzusehen. Die gegenständlichen Komponenten der Brennstoffzellenanordnung sind jeweils dazu ausgebildet, die jeweiligen Verfahrensschritte durchzuführen.
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Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, den Figuren und der Figurenbeschreibung.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert.
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Es zeigen:
- 1 eine schematische Draufsicht auf ein Kraftfahrzeug mit einem Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Brennstoffzellenanordnung; und
- 2 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels der Brennstoffzellenanordnung mit einer Brennstoffzelle, einem Wassertank, einem Turbolader und einen Brenner.
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In den Figuren werden gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Kraftfahrzeugs 1 in Draufsicht. Das Kraftfahrzeug 1 weist eine Brennstoffzellenanordnung 2 und eine Traktionseinheit 3 auf.
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Die Traktionseinheit 3 ist beispielsweise als Elektromotor mit einem Inverter ausgebildet.
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Die Brennstoffzellenanordnung 2 umfasst gemäß dem Ausführungsbeispiel eine Brennstoffzelle 4, einen Wasserstofftank 5, einen Turbolader 6 und einen Brenner 7. Die Brennstoffzelle 4 ist als Energiequelle für die Traktionseinheit 3 ausgebildet.
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2 zeigt die Brennstoffzellenanordnung 2 mit der Brennstoffzelle 4, dem Wasserstofftank 5, dem Turbolader 6 und dem Brenner 7.
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Weiterhin weist die Brennstoffzellenanordnung 2 einen ersten Kühler 8, einen zweiten Kühler 9, einen Befeuchter 10, einen ersten Wasserabscheider 11 und einen zweiten Wasserabscheider 12 auf.
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Gemäß dem Ausführungsbeispiel befindet sich in dem Wasserstofftank 5 frischer Wasserstoff 13. Der frische Wasserstoff 13 ist beispielsweise direkt von einer kraftfahrzeugexternen Wasserstofftankanlage in den Wasserstofftank 5 eingebracht worden. Der frische Wasserstoff 13 ist noch nicht durch die Brennstoffzelle 4 geleitet worden.
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Der Turbolader 6 komprimiert Zuluft 14 der Brennstoffzelle 4. Weiterhin ist der Turbolader 6 durch eine Luftzufuhrleitung 15 mit der Brennstoffzelle 4 verbunden. Die Zuluft 14 wird mittels dem Turbolader 6 komprimiert und durch die Luftzufuhrleitung 15 über den ersten Kühler 8, den zweiten Kühler 9 und den Befeuchter 10 zur Brennstoffzelle 4 geführt.
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Der Brenner 7 ist dazu ausgebildet Wasserstoff und Luft zu verbrennen und daraus Energie zu erzeugen, mit welcher der Turbolader 6 angetrieben wird.
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Der Brenner 7 weist gemäß dem Ausführungsbeispiel eine Zündkerze 16 auf. Durch die Zündkerze 16 kann die Verbrennung im Brenner 7 präziser gesteuert werden. So kann durch die Zündkerze 16 beispielsweise vorgegeben werden, wann der Brenner 7 mit der Verbrennung des Wasserstoffs und des Sauerstoffs bzw. der Luft starten soll.
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Der Brenner 7 kann auch einen nicht weiter dargestellten Katalysator, welcher beispielsweise Platin umfasst, aufweisen.
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Der Brenner 7 ist über eine Wasserstoffzuleitung 17 direkt mit dem Wasserstofftank 5 verbunden. So wird der frische Wasserstoff 13 von dem Wasserstofftank 5 über die Wasserstoffzuleitung 17 direkt zum Brenner 7 geführt. Dies bedeutet insbesondere, dass der frische Wasserstoff 13 nicht über die Brennstoffzelle 4 zum Brenner 7 geführt wird.
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Gemäß dem Ausführungsbeispiel weist die Brennstoffzellenanordnung 2 keinen Elektromotor auf und der Turbolader 6 wird nur durch den Brenner 7 angetrieben.
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Gemäß dem Ausführungsbeispiel weist die Wasserstoffzuleitung 17 ein erstes Ventil 18 auf. Durch das erste Ventil 18 kann die Durchflussmenge des frischen Wasserstoffs 13 durch die Wasserstoffzuleitung 17 gesteuert werden.
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Weiterhin ist der Brenner 7 über eine Zwischenleitung 19 mit der Luftzufuhrleitung 15 verbunden. Die Zwischenleitung 19 weist ein zweites Ventil 20 auf. Durch das zweite Ventil 20 kann die Durchflussmenge von Luft durch die Zwischenleitung 19 gesteuert werden.
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Weiterhin weist die Brennstoffzellenanordnung 2 eine Mischzuleitung 21 auf. Durch die Mischzuleitung 21 kann der frische Wasserstoff 13 aus dem Wasserstofftank 5 mit gebrauchten Wasserstoff 22 gemischt werden. Der gebrauchte Wasserstoff 22 ist Wasserstoff, welcher schon einmal durch die Brennstoffzelle 4 geflossen ist, bei der Reaktion in der Brennstoffzelle 4 aber nicht vollständig verbraucht bzw. umgewandelt wurde.
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Von der Mischzuleitung 21 zum Brenner 7 führt eine weitere Wasserstoffzuleitung 23. Die weitere Wasserstoffzuleitung 23 weist ein drittes Ventil 24 auf. Durch das dritte Ventil 24 kann die Durchflussmenge eines Gemisches aus dem frischen Wasserstoff 13 und dem gebrauchten Wasserstoff 23 gesteuert werden.
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Die Brennstoffzellenanordnung 2 weist zudem eine Pumpe 25 und ein viertes Ventil 26 auf. Durch die Pumpe 25 kann der gebrauchte Wasserstoff 22 zum frischen Wasserstoff 13 gepumpt werden, um dort mit dem frischen Wasserstoff 13 gemischt zu werden.
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Durch die Erfindung kann die Verdichtereinheit bzw. die Aufladeeinheit der Brennstoffzellenanordnung 2 bzw. der Turbolader 6 ausschließlich durch Energie betrieben werden, welche durch die Verbrennung des frischen Wasserstoffs 13 erzeugt wird. Ein Elektromotor zum Antrieb des Turboladers 6 ist somit nicht mehr nötig.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kraftfahrzeug
- 2
- Brennstoffzellenanordnung
- 3
- Traktionseinheit
- 4
- Brennstoffzelle
- 5
- Wasserstofftank
- 6
- Turbolader
- 7
- Brenner
- 8
- erster Kühler
- 9
- zweiter Kühler
- 10
- Befeuchter
- 11
- erster Wasserabscheider
- 12
- zweiter Wasserabscheider
- 13
- frischer Wasserstoff
- 14
- Zuluft
- 15
- Luftzufuhrleitung
- 16
- Zündkerze
- 17
- Wasserstoffzuleitung
- 18
- erstes Ventil
- 19
- Zwischenleitung
- 20
- zweites Ventil
- 21
- Mischzuleitung
- 22
- gebrauchter Wasserstoff
- 23
- weitere Wasserstoffzuleitung
- 24
- drittes Ventil
