DE102020202447A1

DE102020202447A1 - Fuel cell system

Info

Publication number: DE102020202447A1
Application number: DE102020202447.2A
Authority: DE
Inventors: Helerson Kemmer; Benjamin Bork
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2020-02-26
Filing date: 2020-02-26
Publication date: 2021-08-26

Abstract

Brennstoffzellensystem (1) mit einem Brennstoffzellenstack (2), dem über eine Luftzufuhr (16) verdichtete Luft zugeführt wird, mit deren Hilfe elektrische Energie in dem Brennstoffzellenstack (2) gewonnen wird, wobei Wärme entsteht, die zum Teil über ein Abgas als Abwärme aus dem Brennstoffzellenstack (2) abgeführt wird, und mit einer Stackkühlung (5).
Um die Effizienz im Betrieb des Brennstoffzellensystems (1) zu erhöhen, wird über einen Wärmepumpenkreis (20) ein zusätzlicher Teil der Abwärme aus dem Brennstoffzellenstack (2) auf das Abgas übertragen, indem ein Wärmepumpenmedium verdampft wird und die dabei entstehende Verdampfungswärme durch den Wärmepumpenkreis (20) an das Abgas abgegeben wird, um ein Temperaturniveau des Abgases zu erhöhen.

Fuel cell system (1) with a fuel cell stack (2) to which compressed air is fed via an air supply (16), with the help of which electrical energy is obtained in the fuel cell stack (2), with heat being generated, some of which is produced as waste heat via an exhaust gas the fuel cell stack (2) is discharged, and with a stack cooling (5).
In order to increase the efficiency in the operation of the fuel cell system (1), an additional part of the waste heat from the fuel cell stack (2) is transferred to the exhaust gas via a heat pump circuit (20) by evaporating a heat pump medium and the evaporation heat generated by the heat pump circuit ( 20) is released to the exhaust gas in order to increase a temperature level of the exhaust gas.

Description

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem mit einem Brennstoffzellenstack, dem über eine Luftzufuhr verdichtete Luft zugeführt wird, mit deren Hilfe elektrische Energie in dem Brennstoffzellenstack gewonnen wird, wobei Wärme entsteht, die zum Teil über ein Abgas als Abwärme aus dem Brennstoffzellenstack abgeführt wird, und mit einer Stackkühlung. Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Verfahren zum Betreiben eines derartigen Bren nstoffzellensystems.The invention relates to a fuel cell system with a fuel cell stack, to which compressed air is supplied via an air supply, with the help of which electrical energy is obtained in the fuel cell stack, with heat being generated which is partly removed from the fuel cell stack as waste heat via an exhaust gas, and with a Stack cooling. The invention also relates to a method for operating such a fuel cell system.

Stand der TechnikState of the art

Wasserstoffbasierte Brennstoffzellen sind in Mobilitätsanwendungen unter anderem deshalb vorteilhaft, weil sie nur Wasser als Abgas emittieren und schnelle Betankungszeiten ermöglichen. Brennstoffzellensysteme brauchen Luft und Wasserstoff für eine chemische Reaktion, wobei in einem Brennstoffzellenstack Wärme entsteht, die zum Beispiel als Abwärme mittels eines Kühlkreises abgeführt und zum Beispiel über einen Fahrzeugkühler an die Umgebung abgegeben wird.Hydrogen-based fuel cells are advantageous in mobility applications, among other things, because they only emit water as exhaust gas and enable fast refueling times. Fuel cell systems need air and hydrogen for a chemical reaction, with heat being generated in a fuel cell stack, which is dissipated as waste heat by means of a cooling circuit and released to the environment via a vehicle cooler, for example.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Aufgabe der Erfindung ist es, die Effizienz im Betrieb eines Brennstoffzellensystems zu erhöhen.The object of the invention is to increase the efficiency in the operation of a fuel cell system.

Die Aufgabe ist bei einem Brennstoffzellensystem mit einem Brennstoffzellenstack, dem über eine Luftzufuhr verdichtete Luft zugeführt wird, mit deren Hilfe elektrische Energie in dem Brennstoffzellenstack gewonnen wird, wobei Wärme entsteht, die zum Teil über ein Abgas als Abwärme aus dem Brennstoffzellenstack abgeführt wird, und mit einer Stackkühlung, durch einen Wärmepumpenkreis gelöst, über den ein zusätzlicher Teil der Abwärme aus dem Brennstoffzellenstack auf das Abgas übertragen wird, indem ein Wärmepumpenmedium verdampft wird und die dabei entstehende Verdampfungswärme durch den Wärmepumpenkreis an das Abgas abgegeben wird, um ein Temperaturniveau des Abgases zu erhöhen. Die zusätzliche Wärmeaufnahme durch das Abgas liefert unter anderem den Vorteil, dass zum Beispiel ein Fahrzeugkühler, der zum Abführen der Abwärme aus dem Brennstoffzellenstack verwendet wird, entlastet werden kann. So wird ein vorhandener Kühlkreis entlastet. So können vorteilhaft höhere Kühlleistungen realisiert werden. Gegebenenfalls kann ein Teil einer vorhandenen Kühlerfläche entfallen. Gegebenenfalls können ganze Kühler oder Kühlerkomponenten entfallen. Alternativ oder zusätzlich kann eine Betriebstemperatur in einem vorhandenen Kühlkreis abgesenkt werden. Darüber hinaus wird eine Energierückgewinnung, zum Beispiel durch eine Abgasturbine, durch das höhere Temperaturniveau des Abgases wirksam verbessert. So kann ein vorhandener Brennstoffzellenstack vorteilhaft kleiner dimensioniert werden. Darüber hinaus kann der Wasserstoffverbrauch im Betrieb der Brennstoffzelle reduziert werden. Die Stackkühlung und das Abgas haben in der Regel das gleiche Temperaturniveau. Daher kann hier eine Wärmeübertragung ohne weitere technische Maßnahmen nicht stattfinden. Hier schafft die beanspruchte Lösung Abhilfe.The task is in a fuel cell system with a fuel cell stack, to which compressed air is supplied via an air supply, with the help of which electrical energy is obtained in the fuel cell stack, whereby heat is generated, which is partly dissipated as waste heat from the fuel cell stack via an exhaust gas, and with a stack cooling, solved by a heat pump circuit, via which an additional part of the waste heat from the fuel cell stack is transferred to the exhaust gas by evaporating a heat pump medium and the resulting evaporation heat is released through the heat pump circuit to the exhaust gas in order to increase a temperature level of the exhaust gas . The additional heat absorption by the exhaust gas provides, among other things, the advantage that, for example, a vehicle radiator, which is used to dissipate the waste heat from the fuel cell stack, can be relieved. This relieves an existing cooling circuit. In this way, higher cooling capacities can advantageously be achieved. If necessary, part of an existing cooler surface can be omitted. If necessary, entire coolers or cooler components can be omitted. Alternatively or additionally, an operating temperature can be lowered in an existing cooling circuit. In addition, energy recovery, for example by means of an exhaust gas turbine, is effectively improved by the higher temperature level of the exhaust gas. In this way, an existing fuel cell stack can advantageously be dimensioned smaller. In addition, the hydrogen consumption during operation of the fuel cell can be reduced. The stack cooling and the exhaust gas usually have the same temperature level. Therefore, heat transfer cannot take place here without further technical measures. The claimed solution provides a remedy here.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Brennstoffzellensystems ist dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmepumpenkreis durch den Brennstoffzellenstack verläuft. Dadurch wird eine Stackkühlung mit einem Phasenwechsel ermöglicht. Der Phasenwechsel wiederum liefert den Vorteil, dass ohne große Temperaturdifferenz eine große Wärmemenge über die Stackkühlung abgeführt werden kann. So werden unerwünschte Beschädigungen im Betrieb des Brennstoffzellenstacks wirksam verhindert. Im Vergleich zu einer Wasserkühlung kann der Wärmepumpenkreis mit einem viel kleineren Massenstrom betrieben werden.A preferred exemplary embodiment of the fuel cell system is characterized in that the heat pump circuit runs through the fuel cell stack. This enables stack cooling with a phase change. The phase change in turn has the advantage that a large amount of heat can be dissipated via the stack cooling without a large temperature difference. This effectively prevents undesired damage during operation of the fuel cell stack. Compared to water cooling, the heat pump circuit can be operated with a much smaller mass flow.

Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Brennstoffzellensystems ist dadurch gekennzeichnet, dass in dem Wärmepumpenkreis ein Abgaswärmetauscher vorgesehen ist, der in einer Abgaströmung oder Abgasströmungsrichtung zwischen dem Brennstoffzellenstack und einer Abgasturbine angeordnet ist, um das Abgas zwischen dem Brennstoffzellenstack und der Abgasturbine mit Wärmepumpenmedium aus der Stackkühlung aufzuheizen. Über die Abgasturbine wird die über den Wärmepumpenkreis aus dem Brennstoffzellenstack abgeführte Abwärme wieder im Brennstoffzellensystem nutzbar gemacht. Die Abgasturbine wiederum ist vorteilhaft in an sich bekannter Art und Weise direkt oder indirekt unter Zwischenschaltung einer elektrischen Maschine mit der Luftzufuhr gekoppelt. Die Luftzufuhr umfasst zu diesem Zweck zum Beispiel mindestens einen Luftverdichter, der antriebsmäßig mit der Abgasturbine verbunden ist.Another preferred embodiment of the fuel cell system is characterized in that an exhaust gas heat exchanger is provided in the heat pump circuit, which is arranged in an exhaust gas flow or exhaust gas flow direction between the fuel cell stack and an exhaust gas turbine in order to heat the exhaust gas between the fuel cell stack and the exhaust gas turbine with heat pump medium from the stack cooling. The waste heat dissipated from the fuel cell stack via the heat pump circuit is made usable again in the fuel cell system via the exhaust gas turbine. The exhaust gas turbine, in turn, is advantageously coupled to the air supply in a manner known per se, directly or indirectly with the interposition of an electrical machine. For this purpose, the air supply includes, for example, at least one air compressor that is drivingly connected to the exhaust gas turbine.

Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Brennstoffzellensystems ist dadurch gekennzeichnet, dass die Stackkühlung in dem Wärmepumpenkreis zwischen einer Pumpe und einem Wärmepumpenmediumverdichter angeordnet ist. Über die Pumpe wird der Stackkühlung in dem Brennstoffzellenstack flüssiges Wärmepumpenmedium zugeführt. Der an sich optionale Wärmepumpenmediumverdichter liefert zum einen den Vorteil, dass ein vorhandener Fahrzeugkühler zusätzlich entlastet wird, weil durch den Wärmepumpenmediumverdichter eine größere Temperaturdifferenz zwischen dem Fahrzeugkühler und der Umgebung realisiert werden kann. Darüber hinaus kann das Abgas durch den an sich optionalen Wärmepumpenmediumverdichter auf ein noch höheres Temperaturniveau angehoben werden.Another preferred exemplary embodiment of the fuel cell system is characterized in that the stack cooling is arranged in the heat pump circuit between a pump and a heat pump medium compressor. Liquid heat pump medium is fed to the stack cooling system in the fuel cell stack via the pump. The heat pump medium compressor, which is optional per se, provides the advantage that an existing vehicle cooler is additionally relieved because the heat pump medium compressor can achieve a greater temperature difference between the vehicle cooler and the environment. In addition, the exhaust gas can be raised to an even higher temperature level using the optional heat pump medium compressor.

Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Brennstoffzellensystems ist dadurch gekennzeichnet, dass in dem Wärmepumpenkreis ein Luftwärmetauscher vorgesehen ist, der luftseitig zwischen der Luftzufuhr und dem Brennstoffzellenstack angeordnet ist, um mit der verdichteten Luft das in der Stackkühlung verdampfte Wärmepumpenmedium zu überhitzen. Da die Temperatur stromab der Luftzufuhr, insbesondere eines Luftverdichters in der Luftzufuhr, deutlich über der Stacktemperatur liegt, lässt sich in dem Luftwärmetauscher, der auch als Ladeluftkühler bezeichnet werden kann, das in der Stackkühlung verdampfte Wärmepumpenmedium überhitzen. Die Wärme, die in dem Luftwärmetauscher der Luft entzogen wird, hilft zusätzlich dabei, das Abgas zu heizen und erhöht somit die Leistung der Abgasturbine.Another preferred embodiment of the fuel cell system is characterized in that an air heat exchanger is provided in the heat pump circuit, which is arranged on the air side between the air supply and the fuel cell stack in order to use the compressed air to overheat the heat pump medium evaporated in the stack cooling. Since the temperature downstream of the air supply, in particular of an air compressor in the air supply, is well above the stack temperature, the heat pump medium evaporated in the stack cooling can be overheated in the air heat exchanger, which can also be referred to as a charge air cooler. The heat that is extracted from the air in the air heat exchanger also helps to heat the exhaust gas and thus increases the output of the exhaust gas turbine.

Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Brennstoffzellensystems ist dadurch gekennzeichnet, dass die Luftzufuhr mindestens einen Luftverdichter umfasst, der antriebsmäßig mit der Abgasturbine verbunden ist. Es ist möglich, die Abgasturbine an einen elektrischen Generator anzuschließen. Über die antriebsmäßige Verbindung des Luftverdichters mit der Abgasturbine kann vorteilhaft zumindest ein Teil der benötigten Verdichterleistung systemintern bereitgestellt werden. Kommt nur ein Verdichter in der Luftzufuhr zum Einsatz, so muss dieser, gegebenenfalls auch zusätzlich zur Abgasturbine, extern, insbesondere elektrisch oder mechanisch, angetrieben sein. Werden in der Luftzufuhr zum Beispiel zwei Verdichterstufen eingesetzt, so reicht es, wenn der erste Luftverdichter extern angetrieben ist. Ein stromabwärtsliegender zweiter Luftverdichter kann dann auch ausschließlich über die Abgasturbine angetrieben werden.Another preferred exemplary embodiment of the fuel cell system is characterized in that the air supply comprises at least one air compressor which is drivingly connected to the exhaust gas turbine. It is possible to connect the exhaust gas turbine to an electrical generator. Via the drive connection of the air compressor to the exhaust gas turbine, at least part of the required compressor output can advantageously be made available within the system. If only one compressor is used in the air supply, it must be driven externally, in particular electrically or mechanically, in addition to the exhaust gas turbine, if necessary. If, for example, two compressor stages are used in the air supply, it is sufficient if the first air compressor is driven externally. A second air compressor located downstream can then also be driven exclusively via the exhaust gas turbine.

Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Brennstoffzellensystems ist dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmepumpenkreis an einen Fahrzeugkühlkreislauf mit einem Fahrzeugkühler angeschlossen ist, der einen Kondensator in dem Wärmepumpenkreis darstellt. Das liefert den Vorteil, dass für den Wärmepumpenkreis kein zusätzlicher Kondensator benötigt wird. Je nach Ausführung und Einsatz des Brennstoffzellensystems kann aber gegebenenfalls auch eine andere bereits vorhandene Kühlkomponente als Kondensator in dem Wärmepumpenkreis verwendet werden.Another preferred exemplary embodiment of the fuel cell system is characterized in that the heat pump circuit is connected to a vehicle cooling circuit with a vehicle radiator, which represents a condenser in the heat pump circuit. This has the advantage that no additional condenser is required for the heat pump circuit. Depending on the design and use of the fuel cell system, however, another existing cooling component can optionally also be used as a condenser in the heat pump circuit.

Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Brennstoffzellensystems ist dadurch gekennzeichnet, dass ein mit dem Wärmepumpenkreis gekoppelter Fahrzeugkühlkreislauf mit einem Fahrzeugkühler durch den Brennstoffzellenstack verläuft. Das liefert den Vorteil, dass die Stackkühlung nicht als Verdampfer ausgeführt werden muss, wie bei dem vorab beschriebenen Ausführungsbeispiel, bei welchem der Wärmepumpenkreis durch den Brennstoffzellenstack verläuft. Durch den Wärmepumpenkreis kann der Fahrzeugkühlkreislauf entlastet werden. So können höhere Kühlleistungen realisiert werden. Je nach Ausführung kann ein Teil einer vorhandenen Kühlerfläche entfallen. Gegebenenfalls können auch ganze Kühlkomponenten entfallen. Je nachdem, wie hoch oder niedrig die Temperatur des Wärmepumpenmediums ist, kann eine Verdampfung des Wärmepumpenmediums bereits in dem Kopplungswärmetauscher starten. Dann stellt der Kopplungswärmetauscher einen Verdampfer für das Wärmepumpenmedium in dem Wärmepumpenkreis dar.Another preferred exemplary embodiment of the fuel cell system is characterized in that a vehicle cooling circuit coupled to the heat pump circuit with a vehicle radiator runs through the fuel cell stack. This provides the advantage that the stack cooling does not have to be designed as an evaporator, as in the exemplary embodiment described above, in which the heat pump circuit runs through the fuel cell stack. The vehicle cooling circuit can be relieved by the heat pump circuit. In this way, higher cooling capacities can be achieved. Depending on the design, part of an existing cooler surface can be omitted. If necessary, entire cooling components can also be omitted. Depending on how high or low the temperature of the heat pump medium is, evaporation of the heat pump medium can already start in the coupling heat exchanger. The coupling heat exchanger then represents an evaporator for the heat pump medium in the heat pump circuit.

Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Brennstoffzellensystems ist dadurch gekennzeichnet, dass dem Kopplungswärmetauscher in dem Wärmepumpenkreis ein Luftwärmetauscher nachgeschaltet ist, der zwischen der Luftzufuhr und dem Brennstoffzellenstack angeordnet ist. Über den Luftwärmetauscher kann zum einen ein gewünschter Wärmeübergang von der verdichteten Luft auf das Wärmepumpenmedium erfolgen, um das Wärmepumpenmedium weiter zu erhitzen beziehungsweise zu verdampfen, wobei sich die verdichtete Luft abkühlt. Je nach Betriebszustand des Brennstoffzellensystems kann aber auch ein Wärmeübergang in der anderen Richtung, also von dem Wärmepumpenmedium auf die verdichtete Luft erfolgen, um zum Beispiel zu verhindern, dass im Brennstoffzellenstack eine aufrechtzuerhaltende Mindesttemperatur unterschritten wird.Another preferred exemplary embodiment of the fuel cell system is characterized in that an air heat exchanger, which is arranged between the air supply and the fuel cell stack, is connected downstream of the coupling heat exchanger in the heat pump circuit. On the one hand, a desired heat transfer from the compressed air to the heat pump medium can take place via the air heat exchanger in order to further heat or vaporize the heat pump medium, the compressed air cooling down. Depending on the operating state of the fuel cell system, however, heat can also be transferred in the other direction, i.e. from the heat pump medium to the compressed air, in order, for example, to prevent the fuel cell stack from falling below a minimum temperature that is to be maintained.

Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Brennstoffzellensystems ist dadurch gekennzeichnet, dass dem Luftwärmetauscher in dem Wärmepumpenkreis ein Wärmepumpenmediumverdichter nachgeschaltet ist, dem wiederum in dem Wärmepumpenkreis ein Abgaswärmetauscher nachgeschaltet ist, in welchem Wärme an das Abgas abgegeben wird, bevor das Abgas in einer Abgasturbine entspannt wird. Durch die zusätzliche Erhitzung des Wärmepumpenmediums in dem Luftwärmetauscher wird eine unerwünschte Anwesenheit von Tropfen in dem Wärmepumpenmediumverdichter stark reduziert beziehungsweise eliminiert. Der Wärmepumpenmediumverdichter dient dazu, Druck und Temperatur des gasförmigen Wärmepumpenmediums zu erhöhen. Die dabei vorteilhaft entstehende Wärme wird über den nachgeschalteten Abgaswärmetauscher an das Abgas abgegeben. Dadurch wird die Turbineneffizienz der Abgasturbine stark gesteigert. Danach wird das Wärmepumpenmedium zum Beispiel in einer Drossel expandiert und in flüssiger Form wieder in den Kopplungswärmetauscher eingeführt.Another preferred embodiment of the fuel cell system is characterized in that the air heat exchanger in the heat pump circuit is followed by a heat pump medium compressor, which in turn is followed by an exhaust gas heat exchanger in the heat pump circuit, in which heat is given off to the exhaust gas before the exhaust gas is expanded in an exhaust gas turbine. The additional heating of the heat pump medium in the air heat exchanger greatly reduces or eliminates the undesired presence of drops in the heat pump medium compressor. The heat pump medium compressor is used to increase the pressure and temperature of the gaseous heat pump medium. The heat that is advantageously generated is given off to the exhaust gas via the downstream exhaust gas heat exchanger. This greatly increases the turbine efficiency of the exhaust gas turbine. The heat pump medium is then expanded, for example in a throttle, and reintroduced into the coupling heat exchanger in liquid form.

Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Brennstoffzellensystems ist dadurch gekennzeichnet, dass die Luftzufuhr mindestens einen Luftverdichter umfasst, der antriebsmäßig mit der Abgasturbine verbunden ist. Die Luftzufuhr kann auch mehr als einen Luftverdichter umfassen. Zwischen den Luftverdichtern ist vorteilhaft ein zusätzlicher Luftwärmetauscher angeordnet. Über den antriebsmäßig mit der Abgasturbine verbundenen Luftverdichter kann die über den Wärmepumpenkreis zurückgewonnene Energie direkt im Brennstoffzellensystem genutzt werden.Another preferred exemplary embodiment of the fuel cell system is characterized in that the air supply comprises at least one air compressor which is drivingly connected to the exhaust gas turbine. The air supply can also include more than one air compressor. An additional air heat exchanger is advantageously arranged between the air compressors. The energy recovered via the heat pump circuit can be used directly in the fuel cell system via the air compressor, which is connected to the exhaust gas turbine as a drive.

Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Verfahren zum Betreiben eines vorab beschriebenen Brennstoffzellensystems, wobei die in dem Wärmepumpenkreis entstehende Verdampfungswärme auf das Abgas übertragen wird. Das Wärmepumpenprinzip erlaubt es, das Temperaturniveau des Wärmepumpenmediums soweit anzuheben, dass in dem vorab beschriebenen Abgaswärmetauscher auch Wärme auf das Abgas übertragen werden kann, die so vorteilhaft nicht im Fahrzeugkühler weggekühlt werden muss. Das führt zu einer Entlastung des Fahrzeugkühlkreislaufs. Dadurch können höhere Systemleistungen realisiert werden oder die Betriebstemperatur kann abgesenkt werden. Durch letzteres wird der Luftdruck abgesenkt, was zur Reduzierung der Stackgröße mit entsprechender Kostensenkung führt. Zusätzlich Attraktivität gewinnt das beanspruchte Verfahren, wenn die übertragene Wärme auch noch über die Abgasturbine nutzbar gemacht wird. Das führt zur zusätzlichen Reduzierung der Stackgröße mit entsprechender Kostensenkung. Diese Kostensenkung kann so hoch sein, dass sie die Kosten des Wärmepumpenmediumverdichters und gegebenenfalls zusätzlicher Wärmtauscher in dem Wärmepumpenkreis ausgleicht.The invention further relates to a method for operating a fuel cell system described above, the evaporation heat generated in the heat pump circuit being transferred to the exhaust gas. The heat pump principle allows the temperature level of the heat pump medium to be raised to such an extent that heat can also be transferred to the exhaust gas in the exhaust gas heat exchanger described above, which so advantageously does not have to be cooled down in the vehicle radiator. This leads to a relief of the vehicle cooling circuit. As a result, higher system performance can be achieved or the operating temperature can be reduced. The latter lowers the air pressure, which leads to a reduction in the stack size with a corresponding reduction in costs. The claimed process becomes even more attractive if the transferred heat is also made usable via the exhaust gas turbine. This leads to an additional reduction in the stack size with a corresponding reduction in costs. This cost reduction can be so high that it offsets the costs of the heat pump medium compressor and possibly additional heat exchangers in the heat pump circuit.

Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Computerprogrammprodukt mit einem Computerprogramm, das Softwaremittel zum Durchführen des vorab beschriebenen Verfahrens aufweist, wenn das Computerprogramm auf einem Computer ausgeführt wird. Bei dem Computer handelt es sich zum Beispiel um ein Steuergerät, mit dem der Betrieb eines vorab beschriebenen Brennstoffzellensystems gesteuert beziehungsweise geregelt wird. Das Computerprogrammprodukt ist zum Beispiel in einem Steuergerät des Brennstoffzellensystems hinterlegt. Mit Hilfe des Steuergeräts kann das Brennstoffzellensystem in unterschiedlichen Betriebszuständen höchst effizient betrieben werden.The invention further relates to a computer program product with a computer program which has software means for performing the method described above when the computer program is executed on a computer. The computer is, for example, a control device with which the operation of a fuel cell system described above is controlled or regulated. The computer program product is stored in a control device of the fuel cell system, for example. With the help of the control unit, the fuel cell system can be operated very efficiently in different operating states.

Die Erfindung betrifft darüber hinaus ein Steuergerät mit einem vorab beschriebenen Computerprogrammprodukt. Das Steuergerät ist separat handelbar.The invention also relates to a control device with a computer program product described above. The control unit can be traded separately.

Bei den angeprochenen Wärmetauschern handelt es sich um Wärmeübertrager, mit denen Wärme zwischen zwei Medien übertragen wird.The heat exchangers mentioned are heat exchangers with which heat is transferred between two media.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnung verschiedene Ausführungsbeispiele im Einzelnen beschrieben sind.Further advantages, features and details of the invention emerge from the following description, in which various exemplary embodiments are described in detail with reference to the drawing.

FigurenlisteFigure list

Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems mit einem Brennstoffzellenstack, durch den eine Wärmepumpenkreis verläuft;
2 eine ähnliche Darstellung wie in 1 mit einem zusätzlichen Luftwärmetauscher;
3 eine andere schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems mit einem Brennstoffzellenstack, wobei ein mit einem Wärmepumpenkreis gekoppelter Fahrzeugkühlkreislauf durch den Brennstoffzellenstack verläuft;
4 eine ähnliche Darstellung wie in 3 mit einem zusätzlichen Luftwärmetauscher und mit einer zusätzlichen Luftverdichtereinheit, und die
5 bis 14 ähnliche Darstellungen wie in den 3 und 4 gemäß weiteren Ausführungsbeispielen des Brennstoffzellensystems.

Show it:

1 a schematic representation of a fuel cell system with a fuel cell stack through which a heat pump circuit runs;
2 a similar representation as in 1 with an additional air heat exchanger;
3 another schematic representation of a fuel cell system with a fuel cell stack, a vehicle cooling circuit coupled to a heat pump circuit running through the fuel cell stack;
4th a similar representation as in 3 with an additional air heat exchanger and with an additional air compressor unit, and the
5 until 14th similar representations as in the 3 and 4th according to further exemplary embodiments of the fuel cell system.

Beschreibung der AusführungsbeispieleDescription of the exemplary embodiments

In den 1 bis 4 ist ein Brennstoffzellensystem 1; 41 in verschiedenen Ausführungsbeispielen und zum Teil mit unterschiedlichen Symbolen schematisch dargestellt. Das Brennstoffzellensystem 1; 41 umfasst einen Brennstoffzellenstack 2; 42. Im Brennstoffzellenstack 2; 42 findet eine chemische Reaktion zwischen Luft 3; 43 und Wasserstoff 4; 44 statt. Bei der chemischen Reaktion im Brennstoffzellenstack 2; 42 entsteht Wärme, die als Abwärme über eine Stackkühlung 5; 45 abgeführt wird.In the 1 until 4th is a fuel cell system 1 ; 41 shown schematically in various exemplary embodiments and in some cases with different symbols. The fuel cell system 1 ; 41 includes a fuel cell stack 2 ; 42 . In the fuel cell stack 2 ; 42 finds a chemical reaction between air 3 ; 43 and hydrogen 4th ; 44 instead of. During the chemical reaction in the fuel cell stack 2 ; 42 heat is generated, which is generated as waste heat via stack cooling 5 ; 45 is discharged.

Über einen Fahrzeugkühler 6; 46 wird ein Teil der Abwärme der Stackkühlung 5; 45 an die Umgebung abgegeben. Bei dem Fahrzeugkühler 46 handelt es sich vorzugsweise um einen herkömmlichen Fahrzeugkühler, der zum Beispiel mit einem flüssigen Kühlmittel auf Wasserbasis betrieben wird.Via a vehicle radiator 6th ; 46 becomes part of the waste heat from the stack cooling 5 ; 45 released to the environment. With the vehicle radiator 46 it is preferably a conventional vehicle radiator that is operated, for example, with a liquid water-based coolant.

In den 1 und 2 ist oberhalb des Fahrzeugkühlers 6 ein Ausgleichsbehälter 7 angeordnet, der in bekannter Art und Weise an den Fahrzeugkühler 6 angeschlossen ist. Durch zwei nach links von dem Fahrzeugkühler 6 abgehende Linien ist in den 1 und 2 angedeutet, dass der Fahrzeugkühler 6, ebenso wie der Fahrzeugkühler 46 in den 3 und 4, an einen vorhandenen Fahrzeugkühlkreislauf 8 angeschlossen ist. Der Fahrzeugkühler 6 ist vom Wärmepumpemedium durchströmt und wirkt in der Regel als Kondensator des Wärmepumpenkreises 20.In the 1 and 2 is above the vehicle radiator 6th an expansion tank 7th arranged in a known manner on the vehicle radiator 6th connected. By two to the left of the vehicle radiator 6th outgoing lines is in the 1 and 2 indicated that the vehicle radiator 6th , as well as the vehicle radiator 46 in the 3 and 4th , to an existing vehicle cooling circuit 8th connected. The vehicle radiator 6th is flowed through by the heat pump medium and usually acts as a condenser for the heat pump circuit 20th .

Das Brennstoffzellensystem 1; 41 umfasst einen Wärmepumpenkreis 20; 30, über den vorteilhaft ein Teil der Abwärme aus dem Brennstoffzellenstack 2; 42 auf das Abgas der chemischen Reaktion in den Brennstoffzellenstack 2; 42 übertragen wird. Das austretende Abgas ist durch einen gestrichelten Pfeil 15; 35 angedeutet.The fuel cell system 1 ; 41 includes a heat pump circuit 20th ; 30th , via which part of the waste heat from the fuel cell stack is advantageous 2 ; 42 on the exhaust gas of the chemical reaction in the fuel cell stack 2 ; 42 is transmitted. The exiting exhaust gas is indicated by a dashed arrow 15th ; 35 indicated.

Bei dem in den 1 und 2 dargestellten Brennstoffzellensystem 1 verläuft der Wärmepumpenkreis 20 durch den Brennstoffzellenstack 2. Bei dem in den 3 und 4 dargestellten Brennstoffzellensystem 41 ist der Wärmepumpenkreis 30 mit einem Fahrzeugkühlkreislauf 26 gekoppelt, der durch den Brennstoffzellenstack 42 verläuft.The one in the 1 and 2 illustrated fuel cell system 1 the heat pump circuit runs 20th through the fuel cell stack 2 . The one in the 3 and 4th illustrated fuel cell system 41 is the heat pump circuit 30th with a vehicle cooling circuit 26th coupled by the fuel cell stack 42 runs.

Der Wärmepumpenkreis 20 des in den 1 und 2 dargestellten Brennstoffzellensystems 1 umfasst eine Pumpe 11, die ein flüssiges Wärmepumpenmedium zu der Stackkühlung 5 fördert. Der Pumpe 11 sind ein Drosselventil 9 und ein Regelventil 10 vorgeschaltet. Oberhalb des Regelventils 10 ist ein optionaler Flüssigkeitsabscheider 12 angeordnet.The heat pump circuit 20th des in the 1 and 2 illustrated fuel cell system 1 includes a pump 11 that use a liquid heat pump medium to cool the stack 5 promotes. The pump 11 are a throttle valve 9 and a control valve 10 upstream. Above the control valve 10 is an optional liquid separator 12th arranged.

Der Stackkühlung 5 ist in dem Wärmepumpenkreis 20 ein Wärmepumpenmediumverdichter 13 nachgeschaltet. Durch einen Pfeil 14 ist eintretende Luft angedeutet, die über eine Luftzufuhr 16 in dem Brennstoffzellenstack 2 zugeführt wird. Die Luftzufuhr 16 umfasst mindestens einen Luftverdichter 17, 18. Der Luftverdichter 18 ist antriebsmäßig mit einer Abgasturbine 19 verbunden. So kann der Verdichter 18 durch die Abgasturbine 19 angetrieben werden.The stack cooling 5 is in the heat pump circuit 20th a heat pump medium compressor 13th downstream. By an arrow 14th Incoming air is indicated, via an air supply 16 in the fuel cell stack 2 is fed. The air supply 16 comprises at least one air compressor 17th , 18th . The air compressor 18th is driven by an exhaust gas turbine 19th tied together. So can the compressor 18th through the exhaust turbine 19th are driven.

In den 1 und 2 sind durch gestrichelte Linien Luftpfade der zugeführten Luft 14 und des Abgases 15 beziehungsweise der Abluft angedeutet. Des Weiteren sind durch gestrichelte Linien optionale Komponenten in dem Brennstoffzellensystem 1 eingezeichnet. Dabei handelt es sich um den Flüssigkeitsabscheider 12, den Luftverdichter 17 und um elektrische Maschinen, die durch einen Großbuchstaben M bezeichnet sind. Bei den elektrischen Maschinen handelt es sich zum Beispiel um Elektromotoren oder elektrische Generatoren.In the 1 and 2 are air paths of the supplied air by dashed lines 14th and the exhaust gas 15th or the exhaust air indicated. Furthermore, by dashed lines, optional components are in the fuel cell system 1 drawn. This is the liquid separator 12th , the air compressor 17th and electrical machines denoted by a capital letter M. The electrical machines are, for example, electric motors or electric generators.

In der Stackkühlung 5 wird das über die Pumpe 11 zugeführte flüssige Wärmepumpenmedium verdampft. Das gasförmige Wärmepumpenmedium wird in dem Wärmepumpenmediumverdichter 13 verdichtet und einem Abgaswärmetauscher 21 zugeführt. In dem Abgaswärmetauscher 21 wird das Temperaturniveau des Abgases angehoben, bevor dieses in der Abgasturbine 19 entspannt. Die dabei entstehende Energie wird vorteilhaft zum Antrieb des Luftverdichters 18 genutzt.In the stack cooling 5 is that about the pump 11 supplied liquid heat pump medium evaporates. The gaseous heat pump medium is in the heat pump medium compressor 13th compressed and an exhaust gas heat exchanger 21 fed. In the exhaust gas heat exchanger 21 the temperature level of the exhaust gas is raised before it enters the exhaust gas turbine 19th relaxed. The resulting energy is beneficial for driving the air compressor 18th utilized.

Bei der Verdichtung des in der Stackkühlung 5 verdampften Wärmepumpenmediums kann es zu einer unerwünschten Kondensation kommen. Wird die angesaugte Luft 14 auf einen Druck deutlich über den Umgebungsdruck angehoben, kann die Luft, wie in 2 dargestellt ist, vorteilhaft vor dem Stackeintritt in einem Luftwärmetauscher 22 gekühlt werden.When compressing the in the stack cooling 5 evaporated heat pump medium, undesirable condensation can occur. Will the sucked in air 14th raised to a pressure well above the ambient pressure, the air can, as in 2 is shown, advantageously before the stack entry in an air heat exchanger 22nd be cooled.

Dem Luftwärmetauscher 22 ist in dem Wärmepumpenkreis 20 eine Ventileinrichtung 23 zugeordnet. In dem Luftwärmetauscher 22 kann das in der Stackkühlung 5 verdampfte Wärmepumpenmedium überhitzt werden. Die hierbei der Luft in dem Luftwärmetauscher 22 entzogene Wärme hilft zusätzlich dabei, das Abgas in dem Abgaswärmetauscher 21 zu heizen. So kann die Leistung der Abgasturbine 19 wirksam erhöht werden.The air heat exchanger 22nd is in the heat pump circuit 20th a valve device 23 assigned. In the air heat exchanger 22nd can do that in stack cooling 5 evaporated heat pump medium can be overheated. This is the air in the air heat exchanger 22nd The extracted heat also helps to keep the exhaust gas in the exhaust gas heat exchanger 21 to heat. So can the performance of the exhaust gas turbine 19th effectively increased.

Bei dem in den 3 und 4 dargestellten Brennstoffzellensystem 41 ist der Fahrzeugkühler 46 in einem Fahrzeugkühlkreislauf 26 angeordnet, der eine Pumpe 48 umfasst. Über die Pumpe 48, die, wie durch einen Kreis mit einem Großbuchstaben M angedeutet ist, durch einen Elektromotor angetrieben ist, wird der Stackkühlung 45 ein zum Beispiel wasserbasiertes Kühlmittel zugeführt. Dem in der Stackkühlung 45 erwärmten Kühlmittel wird in einem Kopplungswärmetauscher 31 Wärme entzogen. Dem Kopplungswärmetauscher 31 ist ein Regelventil 47 nachgeschaltet.The one in the 3 and 4th illustrated fuel cell system 41 is the vehicle radiator 46 in a vehicle cooling circuit 26th arranged of a pump 48 includes. About the pump 48 , which, as indicated by a circle with a capital letter M, is driven by an electric motor, is the stack cooling 45 a water-based coolant, for example, supplied. The one in stack cooling 45 heated coolant is in a coupling heat exchanger 31 Heat withdrawn. The coupling heat exchanger 31 is a control valve 47 downstream.

Über den Kopplungswärmetauscher 31 ist der Fahrzeugkühlkreislauf 26 wärmeübertragungsmäßig mit dem Wärmepumpenkreis 30 gekoppelt. Der Kopplungswärmetauscher 31 ist in dem Wärmepumpenkreis 30 zwischen einem Ventil, insbesondere einem Drosselventil, 28 und einem Luftwärmetauscher 32 angeordnet.Via the coupling heat exchanger 31 is the vehicle cooling circuit 26th heat transfer with the heat pump circuit 30th coupled. The coupling heat exchanger 31 is in the heat pump circuit 30th between a valve, in particular a throttle valve, 28 and an air heat exchanger 32 arranged.

Der Luftwärmetauscher 32 ist in dem Luftpfad der eintretenden Luft 34 angeordnet. In dem Luftpfad sind ein optionaler Luftfilter 27 und eine Luftzufuhr 36 angeordnet. Die Luftzufuhr 36 ist in Luftzuführrichtung zwischen dem Luftfilter 27 und Luftwärmetauscher 32 angeordnet. Die aus dem Luftwärmetauscher 32 austretende Luft wird dem Brennstoffzellenstack 42 zugeführt.The air heat exchanger 32 is in the air path of the incoming air 34 arranged. There is an optional air filter in the air path 27 and an air supply 36 arranged. The air supply 36 is in the air supply direction between the air filter 27 and air heat exchangers 32 arranged. The one from the air heat exchanger 32 escaping air is the fuel cell stack 42 fed.

Die Luftzufuhr 36 umfasst einen Luftverdichter 37. Der Luftverdichter 37 ist über eine elektrische Maschine, die durch ein Kreissymbol mit einem Großbuchstaben M angedeutet ist, mit einer Abgasturbine 39 gekoppelt. So kann die Abgasturbine 39 zum Antrieb des Luftverdichters 36 verwendet werden.The air supply 36 includes an air compressor 37 . The air compressor 37 is about an electrical machine, which is indicated by a circle symbol with a capital letter M, with an exhaust gas turbine 39 coupled. So can the exhaust turbine 39 to drive the air compressor 36 be used.

Die Abgasturbine 39 ist in dem Abgaspfad oder Abluftpfad, der von der Luft 43 des Brennstoffzellenstacks 42 ausgeht, einem Abgaswärmetauscher 33 nachgeschaltet. Der Abgaswärmetauscher 33 ist in dem Wärmepumpenkreis 30 zwischen dem Wärmepumpenmediumverdichter 29, der ebenfalls elektromotorisch angetrieben ist, und dem Ventil 28 angeordnet.The exhaust turbine 39 is in the exhaust path or exhaust air path from the air 43 of the fuel cell stack 42 goes out, an exhaust gas heat exchanger 33 downstream. The exhaust gas heat exchanger 33 is in the heat pump circuit 30th between the heat pump medium compressor 29 , which is also driven by an electric motor, and the valve 28 arranged.

In dem Kopplungswärmetauscher 31 gibt das Kühlmittel des Fahrzeugkühlkreislaufs 26 Wärme an das anfangs flüssige Wärmepumpenmedium in dem Wärmepumpenkreis 30 ab. In dem Kopplungswärmetauscher 31 kann je nach Kühlmitteltemperatur die Verdampfung des Wärmepumpenmediums bereits starten.In the coupling heat exchanger 31 gives the coolant of the vehicle cooling circuit 26th Heat to the initially liquid heat pump medium in the heat pump circuit 30th away. In the coupling heat exchanger 31 Depending on the coolant temperature, the evaporation of the heat pump medium can already start.

Danach wird das Wärmepumpenmedium, das auch als Kältemittel bezeichnet werden kann, durch den Luftwärmetauscher 32 weiter erhitzt. Der Luftwärmetauscher 32 kann auch als Ladeluftwärmetauscher bezeichnet werden. In dem Luftwärmetauscher 32 wird die durch den Luftverdichter 37 verdichtete Luft auf für den Brennstoffzellenstack 42 verträgliche Temperaturen abgekühlt. Durch die zusätzliche Erhitzung des Wärmepumpenmediums in dem Luftwärmetauscher 32 ist die Anwesenheit von Tropfen in dem Wärmepumpenmediumverdichter 29 stark reduziert beziehungsweise eliminiert.Then the heat pump medium, which can also be referred to as refrigerant, is passed through the air heat exchanger 32 further heated. The air heat exchanger 32 can also be referred to as a charge air heat exchanger. In the air heat exchanger 32 is made by the air compressor 37 compressed air for the fuel cell stack 42 Cooled down tolerable temperatures. Due to the additional heating of the heat pump medium in the air heat exchanger 32 is the presence of droplets in the heat pump medium compressor 29 greatly reduced or eliminated.

Der Wärmepumpenmediumverdichter 29 erhöht den Druck und die Temperatur des gasförmigen Wärmepumpenmediums, das in dem Abgaswärmetauscher 33 Wärme an das Abgas beziehungsweise die Abluft abgibt. Dadurch wird die Turbineneffizienz der Abgasturbine 39 stark gesteigert. Danach wird das Wärmepumpenmedium in dem Ventil 28, das zum Beispiel als Drossel ausgeführt ist, expandiert und in flüssiger Form wieder dem Kopplungswärmetauscher 31 zugeführt.The heat pump medium compressor 29 increases the pressure and the temperature of the gaseous heat pump medium in the exhaust gas heat exchanger 33 Gives off heat to the exhaust gas or the exhaust air. This increases the turbine efficiency of the exhaust gas turbine 39 greatly increased. After that, the heat pump medium is in the valve 28 , which is designed as a throttle, for example, expands and returns to the coupling heat exchanger in liquid form 31 fed.

Das Wärmepumpenprinzip erlaubt es, das Temperaturniveau des Wärmepumpenmediums soweit anzuheben, dass in dem Abgaswärmetauscher 33 auch Wärme auf das Abgas übertragen werden kann, die so nicht im Fahrzeugkühler 36 weggekühlt werden muss. Das führt zu einer Entlastung des Fahrzeugkühlkreises 26. Dadurch können höhere Systemleistungen realisiert werden. Alternativ oder zusätzlich kann die Betriebstemperatur abgesenkt werden.The heat pump principle allows the temperature level of the heat pump medium to be raised to such an extent that in the exhaust gas heat exchanger 33 heat can also be transferred to the exhaust gas, which is not the case in the vehicle radiator 36 needs to be cooled off. This leads to a relief of the vehicle cooling circuit 26th . This enables higher system performance to be achieved. Alternatively or additionally, the operating temperature can be lowered.

Dadurch wiederum kann der Luftdruck abgesenkt werden, was zu einer Reduzierung der Stackgröße mit entsprechender Kostensenkung führt. Darüber hinaus wird durch das in 3 dargestellte Brennstoffzellensystem 41 der Wasserstoffverbrauch abgesenkt, da die Verlustwärme des Brennstoffzellenstacks 42 über den Wärmepumpenkreis 30 für einen großen Teil der Luftverdichtungsleistung auskommt.As a result, the air pressure can in turn be lowered, which leads to a reduction in the stack size with a corresponding reduction in costs. In addition, the in 3 fuel cell system shown 41 the hydrogen consumption is reduced because the heat loss of the fuel cell stack 42 via the heat pump circuit 30th is sufficient for a large part of the air compression performance.

Bei der in 4 dargestellten Variante des Brennstoffzellensystems 41 umfasst die Luftzufuhr 36 eine zusätzliche Luftverdichtereinheit 38, die zwischen dem Luftfilter 27 und einem zusätzlichen Luftwärmetauscher 49 angeordnet ist. Der zusätzliche Luftwärmetauscher 49 ist im Luftpfad zwischen der zusätzlichen Luftverdichtereinheit 38 und dem Luftverdichter 37 der Luftzufuhr 36 angeordnet. Der zusätzliche Luftwärmetauscher 49 ist in dem Wärmepumpenkreis 30 dem Luftwärmetauscher 32 parallel geschaltet.At the in 4th shown variant of the fuel cell system 41 includes the air supply 36 an additional air compressor unit 38 that is between the air filter 27 and an additional air heat exchanger 49 is arranged. The additional air heat exchanger 49 is in the air path between the additional air compressor unit 38 and the air compressor 37 the air supply 36 arranged. The additional air heat exchanger 49 is in the heat pump circuit 30th the air heat exchanger 32 connected in parallel.

Alternativ können die Wärmetauscher 32 und 49 auch in Reihe geschaltet werden.Alternatively, the heat exchanger 32 and 49 can also be connected in series.

In 4 treibt die Abgasturbine 39 den Luftverdichter 37 an, ohne das, wie in 3 dargestellt, ein Elektromotor zwischengeschaltet ist. In einer optimalen Auslegung werden die elektrisch angetriebenen Luftverdichter der Luftverdichtereinheit 38 in einem Volllastpunkt des Brennstoffzellensystems 41 stark bis ganz entlastet. Das liefert den Vorteil, dass die elektrisch angetriebene Luftverdichtereinheit 38 nur für den Start und für hochdynamische Änderungen im Brennstoffzellensystem 41 gebraucht wird. Dadurch kann die Luftverdichtereinheit 38 bezüglich Auslegung, Leistungsbereich und Realisierung stark vereinfacht werden.In 4th drives the exhaust turbine 39 the air compressor 37 without that, as in 3 shown, an electric motor is interposed. In an optimal design, the electrically driven air compressors become the air compressor unit 38 in a full load point of the fuel cell system 41 strongly to completely relieved. This provides the advantage that the electrically driven air compressor unit 38 only for the start and for highly dynamic changes in the fuel cell system 41 is needed. This allows the air compressor unit 38 can be greatly simplified in terms of design, performance range and implementation.

In den 5 bis 14 sind Varianten des Brennstoffzellensystems 41 zu den 3 und 4 dargestellt. Zur Bezeichnung gleicher oder ähnlicher Teile werden in den 5 bis 14 die gleichen Bezugszeichen wie in den 3 und 4 verwendet. Im Folgenden wird nur auf die Unterschiede zwischen den einzelnen Varianten eingegangen.In the 5 until 14th are variants of the fuel cell system 41 to the 3 and 4th shown. To designate the same or similar parts, the 5 until 14th the same reference numerals as in 3 and 4th used. In the following, only the differences between the individual variants will be discussed.

Bei dem in 5 dargestellten Brennstoffzellensystem 41 ist der Luftverdichter 37 der Luftzufuhr 36 im Unterschied zu 3 nicht mit der Abgasturbine 39 antriebsmäßig verbunden. Der Luftverdichter 37 ist durch einen Elektromotor 51 angetrieben. Die Abgasturbine 39 treibt einen elektrischen Generator 52 an. Die im Betrieb des Brennstoffzellensystems 41 erzeugte elektrische Leistung kann über den elektrischen Generator 52 für den Antrieb des Luftverdichters 37 und für weitere Komponenten verwendet werden. Der Brennstoffzellenstack 42 kann um die reduzierte Leistung kleiner gemacht werden. Der Wasserstoffverbrauch kann abgesenkt werden. Dadurch kann der Verbrauch in einem Teillastbereich und in einem oberen Lastbereich signifikant abgesenkt werden, was insbesondere im Hinblick auf Anwendungen für Lastkraftwagen als Dauerlastpunkt wichtig ist.The in 5 illustrated fuel cell system 41 is the air compressor 37 the air supply 36 in contrast to 3 not with the exhaust turbine 39 drive connected. The air compressor 37 is by an electric motor 51 driven. The exhaust turbine 39 drives an electric generator 52 at. The operation of the fuel cell system 41 Electric power generated can be via the electric generator 52 for driving the air compressor 37 and used for other components. The fuel cell stack 42 can be made smaller by the reduced power. The hydrogen consumption can be reduced. As a result, consumption can be significantly reduced in a partial load range and in an upper load range, which is particularly important with regard to applications for trucks as a permanent load point.

Das in 6 dargestellte Brennstoffzellensystem 41 ähnelt dem in 5 dargestellten Brennstoffzellensystem 41. In 6 umfasst die Luftzufuhr 36 im Unterschied zu 5 eine Luftverdichtereinheit 54 mit zwei Verdichterrädern. Analog umfasst die Abgasturbine 39 eine Turbineneinheit 55 mit zwei Turbinenrädern. Daraus ergeben sich Vorteile hinsichtlich Symmetrie und Axialkräften.This in 6th fuel cell system shown 41 is similar to that in 5 illustrated fuel cell system 41 . In 6th includes the air supply 36 in contrast to 5 an air compressor unit 54 with two compressor wheels. Similarly, the exhaust turbine includes 39 a turbine unit 55 with two turbine wheels. This results in advantages in terms of symmetry and axial forces.

Die in 7 dargestellte Variante des Brennstoffzellensystems 41 ähnelt der in 4 dargestellten Variante des Brennstoffzellensystems 41. In 7 ist auf der Abgasseite zusätzlich eine Abgasturbineneinheit 57 angeordnet. Die zusätzliche Abgasturbineneinheit 57 umfasst zwei Turbinenräder und einen elektrischen Generator. Das durch den Wärmepumpenkreis oder Kältekreis 30 aufgeheizte Abgas wird zwischen der Abgasturbine 39, die antriebsmäßig mit dem Luftverdichter 37 verbunden ist, und der Abgasturbineneinheit 57 über ein Ventil 58 aufgeteilt.In the 7th shown variant of the fuel cell system 41 resembles the in 4th shown variant of the fuel cell system 41 . In 7th there is also an exhaust turbine unit on the exhaust side 57 arranged. The additional exhaust turbine unit 57 includes two turbine wheels and an electric generator. That through the heat pump circuit or cooling circuit 30th heated exhaust gas is between the exhaust gas turbine 39 that drives with the air compressor 37 is connected, and the exhaust turbine unit 57 via a valve 58 divided up.

Die in 7 dargestellte Variante des Brennstoffzellensystems 41 ermöglicht ein höheres Druckverhältnis mit gleichzeitig positiver Auswirkung auf das Wassermanagement und das Rekuperationspotential durch die Turbinen. Ferner wird der in Teillast und im oberen Lastbereich überschüssige Abgasmassenstrom nicht verschwendet.In the 7th shown variant of the fuel cell system 41 enables a higher pressure ratio with a simultaneous positive effect on water management and the recuperation potential through the turbines. Furthermore, the excess exhaust gas mass flow in the partial load and in the upper load range is not wasted.

8 zeigt eine Variante des Brennstoffzellensystems 41, die der in 6 gezeigten Variante des Brennstoffzellensystems 41 ähnelt. Im Unterschied zu 6 ist der Wärmepumpenmediumverdichter 29 mit einer Turbine 61 kombiniert. Der Turbine 61 ist eine Expansionsdrossel 62 vorgeschaltet. Die in 8 dargestellte Variante des Brennstoffzellensystems 41 ermöglicht eine Reduzierung des elektrischen Leistungsbedarfs des Wärmepumpenmediumverdichters 29. 8th shows a variant of the fuel cell system 41 that the in 6th shown variant of the fuel cell system 41 resembles. In contrast to 6th is the heat pump medium compressor 29 with a turbine 61 combined. The turbine 61 is an expansion throttle 62 upstream. In the 8th shown variant of the fuel cell system 41 enables a reduction in the electrical power requirement of the heat pump medium compressor 29 .

9 zeigt eine Variante des Brennstoffzellensystems 41, die der in 7 dargestellten Variante des Brennstoffzellensystems 41 ähnelt. Im Unterschied zu 7 ist in 9 zusätzlich ein Befeuchter 65 dargestellt, der Feuchtigkeit aus dem Abgas auf die zugeführte Luft überträgt. 9 shows a variant of the fuel cell system 41 that the in 7th shown variant of the fuel cell system 41 resembles. In contrast to 7th is in 9 additionally a humidifier 65 shown, which transfers moisture from the exhaust gas to the air supplied.

Die in 10 dargestellte Variante des Brennstoffzellensystems 41 entspricht weitestgehend der in 3 dargestellten Variante des Brennstoffzellensystems 41. Das verdichtete Wärmepumpenmedium wird durch ein 3-Wege-Ventil 67 oder ähnliches teilweise abgezweigt und einer Turbine 68 zugeführt. Im dargestellten Beispiel ist die Turbine 68 an derselben Welle des Wärmepumpenmediumverdichters 29 und seines Motors angebracht. Durch die Expansion des Wärmepumpenmediums in der Turbine 68 wird der elektrische Leistungsbedarf für den Betrieb des Wärmepumpenmediumverdichters 29 reduziert. Der Brennstoffzellenstack 42 kann um die reduzierte Leistung kleiner gemacht werden, der Wasserstoffverbrauch wird abgesenkt.In the 10 shown variant of the fuel cell system 41 largely corresponds to the in 3 shown variant of the fuel cell system 41 . The compressed heat pump medium is partially branched off by a 3-way valve 67 or the like and a turbine 68 fed. In the example shown is the turbine 68 on the same shaft of the heat pump medium compressor 29 and its engine attached. Due to the expansion of the heat pump medium in the turbine 68 becomes the electrical power requirement for the operation of the heat pump medium compressor 29 reduced. The fuel cell stack 42 can be made smaller by the reduced power, the hydrogen consumption is reduced.

Die in 11 dargestellte Variante des Brennstoffzellensystems 41 ähnelt der in 10 dargestellten Variante des Brennstoffzellensystems 41. In 11 wird das verdichtete Wärmepumpenmedium in der Turbine 68 bis zum geringsten Druck im Wärmepumpenkreis oder Kältekreis 30 hinter dem vorzugsweise als Expansionsdrossel ausgeführten Ventil 28 expandiert, wie durch einen Pfeil 70 angedeutet ist. Dadurch wird die maximale Expansionswirkung erzeugt, wodurch die Entlastung des Brennstoffzellenstacks 42 größer wird.In the 11 shown variant of the fuel cell system 41 resembles the in 10 shown variant of the fuel cell system 41 . In 11 becomes the compressed heat pump medium in the turbine 68 down to the lowest pressure in the heat pump circuit or cooling circuit 30th behind the valve, which is preferably designed as an expansion throttle 28 expands like an arrow 70 is indicated. This creates the maximum expansion effect, thereby relieving the load on the fuel cell stack 42 gets bigger.

Bei der in 12 dargestellten Variante des Brennstoffzellensystems 41 ist im Unterschied zu 10 eine zusätzliche Verdichterstufe 71, die passiv von einer Turbine 72 angetrieben wird, in Reihe zu dem elektromotorisch angetriebenen Wärmepumpenmediumverdichter 29 geschaltet. Daraus ergibt sich vorteilhaft ein größeres Verdichtungsverhältnis, was die Auswahl eines geeigneten Wärmepumpenmediums vereinfacht. Darüber hinaus erhöht sich die Effizienz bei der Wärmeübertragung. Durch die effizientere Rekuperation kann der elektrische Leistungsbedarf für die Wärmepumpenmediumverdichter 29 weiter reduziert werden.At the in 12th shown variant of the fuel cell system 41 is different to 10 an additional compressor stage 71 that are passive from a turbine 72 is driven, in series with the electric motor driven heat pump medium compressor 29 switched. This advantageously results in a greater compression ratio, which simplifies the selection of a suitable heat pump medium. It also increases the efficiency of heat transfer. The more efficient recuperation can reduce the electrical power requirement for the heat pump medium compressor 29 can be further reduced.

In der in 13 dargestellten Variante des Brennstoffzellensystems 41 sind die in den 9 und 11 dargestellten Varianten des Brennstoffzellensystems 41 miteinander kombiniert. Der elektrisch angetriebene Wärmepumpenmediumverdichter 29 ist in dem Wärmepumpenkreis 30 mit der Turbine 68 kombiniert. Die Abgasenergierückgewinnung erfolgt über die Abgasturbine 39, die antriebsmäßig mit dem Luftverdichter 37 verbunden ist. Die in 13 dargestellte Variante ermöglicht eine bessere Ausnutzung der Abgasturbine mit entsprechender Entlastung der elektrisch angetriebenen Luftverdichtereinheit 38. So kann der elektrische Leistungsbedarf für die Luftverdichtung weiter reduziert werden.In the in 13th shown variant of the fuel cell system 41 are those in the 9 and 11 shown variants of the fuel cell system 41 combined with each other. The electrically driven heat pump medium compressor 29 is in the heat pump circuit 30th with the turbine 68 combined. The exhaust energy is recovered via the exhaust turbine 39 that drives with the air compressor 37 connected is. In the 13th The variant shown enables better utilization of the exhaust gas turbine with corresponding relief of the electrically driven air compressor unit 38 . In this way, the electrical power requirement for air compression can be further reduced.

In der in 14 dargestellten Variante des Brennstoffzellensystems 41 sind die in den 12 und 13 gezeigten Varianten des Brennstoffzellensystems 41 miteinander kombiniert. Die Vorteile addieren sich.In the in 14th shown variant of the fuel cell system 41 are those in the 12th and 13th shown variants of the fuel cell system 41 combined with each other. The advantages add up.

Weitere Kombinationen der in den 5 bis 10 dargestellten Varianten sind möglich, zum Beispiel mit einer Variation der Einmündung der Expansionsstelle, mit einer oder mit zwei Komponenten für die Wärmepumpenverdichtung beziehungsweise Luftverdichtung. Auch eine Variante ohne Turbine auf der Abgasseite ist möglich. In diesem Fall würde der Wärmepumpenkreis nur zur Entlastung des Fahrzeugkühlkreises sorgen, aber die Luftverdichtung würde nicht unterstützt werden.Further combinations of the 5 until 10 The variants shown are possible, for example with a variation of the confluence of the expansion point, with one or with two components for heat pump compression or air compression. A variant without a turbine on the exhaust side is also possible. In this case, the heat pump circuit would only relieve the vehicle cooling circuit, but the air compression would not be supported.

Zusätzliche Varianten ergeben sich, falls der Wärmepumpenkreis oder Kältekreis nicht über einen Kopplungswärmetauscher mit dem Fahrzeugkühlkreis gekoppelt wird, sondern wenn die ganze Kühlung durch einen mit einem Wärmepumpenmedium oder Kältemittel gefüllten Kreis realisiert wird.Additional variants arise if the heat pump circuit or refrigeration circuit is not coupled to the vehicle cooling circuit via a coupling heat exchanger, but if the entire cooling is implemented by a circuit filled with a heat pump medium or refrigerant.

Claims

Fuel cell system (1; 41) with a fuel cell stack (2; 42) to which compressed air is supplied via an air supply (16; 36), with the aid of which electrical energy is obtained in the fuel cell stack (2; 42), with heat being generated which is partially discharged as waste heat from the fuel cell stack (2; 42) via an exhaust gas, and with a stack cooling system (5; 45), characterized by a heat pump circuit (20; 30), via which an additional part of the waste heat from the fuel cell stack (2 ; 42) is transferred to the exhaust gas in that a heat pump medium is evaporated and the resulting heat of vaporization is given off to the exhaust gas through the heat pump circuit (20; 30) in order to increase a temperature level of the exhaust gas.

Fuel cell system according to Claim 1 , characterized in that the heat pump circuit (20) runs through the fuel cell stack (2).

Fuel cell system according to Claim 2 , characterized in that an exhaust gas heat exchanger (21) is provided in the heat pump circuit (20), which is arranged in an exhaust gas flow direction between the fuel cell stack (2) and an exhaust gas turbine (19) in order to divert the exhaust gas between the fuel cell stack (2) and the exhaust gas turbine (19) with heat pump medium from the stack cooling (5).

Fuel cell system according to Claim 3 , characterized in that the stack cooling (5) is arranged in the heat pump circuit (20) between a pump (11) and a heat pump medium compressor (13).

Fuel cell system according to Claim 3 or 4th , characterized in that an air heat exchanger (22) is provided in the heat pump circuit (20), which is arranged on the air side between the air supply (16) and the fuel cell stack (2) in order to use the compressed air to convert the heat pump medium evaporated in the stack cooling (5) to overheat.

Fuel cell system according to one of the Claims 3 - 5 , characterized in that the air supply (16) comprises at least one air compressor (18) which is drivingly connected to the exhaust gas turbine (19).

Fuel cell system according to one of the preceding claims, characterized in that the heat pump circuit (20) is connected to a vehicle cooling circuit (8) with a vehicle radiator (6) which represents a condenser in the heat pump circuit (20).

Fuel cell system according to Claim 1 , characterized in that a vehicle cooling circuit (26) coupled to the heat pump circuit (30) and having a vehicle radiator (36) runs through the fuel cell stack (42).

Fuel cell system according to Claim 1 , characterized in that a coupling heat exchanger (31) is provided in the vehicle cooling circuit (26) between the vehicle radiator (46) and the fuel cell stack (42), in which waste heat from the fuel cell stack (42) is transferred to the heat pump medium in the heat pump circuit (30) will.

Fuel cell system according to Claim 9 , characterized in that the coupling heat exchanger (31) in the heat pump circuit (30) is followed by an air heat exchanger (32) which is arranged between the air supply (36) and the fuel cell stack (42).

Fuel cell system according to Claim 10 , characterized in that the air heat exchanger (32) in the heat pump circuit is followed by a heat pump medium compressor (29), which in turn is followed by an exhaust gas heat exchanger (33) in the heat pump circuit (30), in which heat is given off to the exhaust gas before the exhaust gas in an exhaust gas turbine (39) is relaxed.

Fuel cell system according to Claim 11 , characterized in that the air supply (36) comprises at least one air compressor (37) which is drivingly connected to the exhaust gas turbine (39).

Method for operating a fuel cell system (1; 41) according to one of the preceding claims, characterized in that the evaporation heat generated in the heat pump circuit (20; 30) is transferred to the exhaust gas.

Computer program product with a computer program, the software means for performing a method according to Claim 13 when the computer program is executed on a computer.

Control device with a computer program product Claim 14 .