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Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem und ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems mit einem Brennstoffzellenstack, dem ein Zugaspfad und ein Abgaspfad zugeordnet ist, und mit einem internen Gassystem, das mindestens eine angetriebene Welle umfasst, die mit Hilfe einer Lageranordnung drehbar gelagert ist, die mindestens ein Gaslager umfasst, dem mindestens ein Kühl- und/oder Sperrgaspfad zugeordnet ist.
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Stand der Technik
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Brennstoffzellensysteme und Verfahren zum Betreiben von Brennstoffzellensystemen sind zum Beispiel aus der deutschen Offenlegungsschrift
DE 10 2012 224 052 A1 bekannt.
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Offenbarung der Erfindung
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Aufgabe der Erfindung ist es, auf einfache Art und Weise einen effizienten Betrieb von Brennstoffzellensystemen zu ermöglichen.
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Die Aufgabe ist bei einem Brennstoffzellensystem mit einem Brennstoffzellenstack, dem ein Zugaspfad und ein Abgaspfad zugeordnet ist, und mit einem internen Gassystem, das mindestens eine angetriebene Welle umfasst, die mit Hilfe einer Lageranordnung drehbar gelagert ist, die mindestens ein Gaslager umfasst, dem mindestens ein Kühl- und/oder Sperrgaspfad zugeordnet ist, dadurch gelöst, dass mindestens ein Kühl- und/oder Sperrgaspfad an den Abgaspfad des Brennstoffzellenstacks angebunden ist. Bei dem Zugaspfad handelt es sich vorzugsweise um einen Zuluftpfad, über den dem Brennstoffzellenstack Luft zum Beispiel aus der Umgebung zugeführt wird. Der in der Luftenthaltene Sauerstoff reagiert in dem Brennstoffzellenstack zum Beispiel mit Wasserstoff. Über den Abgaspfad wird das bei der Reaktion in dem Brennstoffzellenstack entstehende Abgas abgeführt. Das Abgas enthält zum Beispiel feuchte, sauerstoffarme Luft und Wasserdampf. Das interne Gassystem umfasst vorzugsweise mindestens eine Gaszuführvorrichtung, insbesondere Luftzuführvorrichtung. Die Gaszuführvorrichtung, insbesondere Luftzuführvorrichtung, umfasst zum Beispiel mindestens einen Verdichter und stellt ein Aggregat in dem internen Gassystem dar. Die Gaszuführvorrichtung ist zum Beispiel durch einen elektromotorischen Antrieb angetrieben. Alternativ oder zusätzlich kann die Gaszuführvorrichtung antriebsmäßig mit einem Aggregat oder Teilaggregat im Abgaspfad verbunden sein. Das Aggregat im Abgaspfad umfasst zum Beispiel mindestens eine Turbine, in der beim Entspannen des Abgases Energie gewonnen wird, die zum Antreiben der Gaszuführvorrichtung verwendet werden kann. Das interne Gassystem kann nur ein Aggregat umfassen. Das interne Gassystem kann aber auch mehrere Teilaggregate oder Aggregate umfassen. Ein Aggregat, das zum Beispiel zum Verdichten und/oder Entspannen von Gas in dem internen Gassystem genutzt wird, umfasst mindestens eine angetriebene Welle, die mit Hilfe einer Lageranordnung drehbar gelagert ist. Die Lageranordnung umfasst mindestens ein Gaslager. Die Lageranordnung umfasst insbesondere mindestens ein Radiallager, vorzugsweise zwei Radiallager, und ein Axiallager. Die Ausführung als Gaslager ermöglicht insbesondere ölfreie Zuluft für den Brennstoffzellenstack. Die Ausführung als Gaslager ermöglicht zudem einen effizienten Betrieb und extrem hohe Drehzahlen, wie sie im Betrieb des internen Gassystems in dem Brennstoffzellensystem auftreten. Der Kühl- und/oder Sperrgaspfad kann an den Zugaspfad angebunden werden. Gemäß einem wesentlichen Aspekt der Erfindung ist mindestens ein beziehungsweise der Kühl- und/oder Sperrgaspfad alternativ oder gegebenenfalls auch zusätzlich an den Abgaspfad des Brennstoffzellenstacks angebunden. Die Entnahme von Kühl- und/oder Sperrgas aus dem Abgaspfad liefert unter anderem den wesentlichen Vorteil, dass kein oder weniger Kühl- und/oder Sperrgas aus dem Zugaspfad entnommen werden muss. Dadurch kann die Energie, die benötigt wird, um die Gaszuführvorrichtung anzutreiben, signifikant reduziert werden. Darüber hinaus können unerwünschte Verluste im Zugaspfad, zum Beispiel aufgrund von Leckage, verringert werden. Durch die beanspruchte Anbindung des Kühl- und/oder Sperrgaspfads an den Abgaspfad des Brennstoffzellenstacks kann eine unerwünschte Verlustleistung im Betrieb des Brennstoffzellensystems wirksam reduziert werden. Durch die Anbindung des Kühl- und/oder Sperrgaspfads an den Abgaspfad des Brennstoffzellenstacks kann zum Beispiel vorteilhaft ein signifikanter Anteil des Abgasmassenstroms genutzt werden, der ansonsten im Betrieb des Brennstoffzellensystems zum Beispiel über einen Turbinenbypass nutzlos abströmt. Bei dem Abgaspfad des Brennstoffzellenstacks handelt es sich vorzugsweise um einen Kathodenabluftpfad, über den Kathodenabluft aus dem Brennstoffzellenstack abgeführt wird. Ein Teil der Kathodenabluft beziehungsweise des Abgases aus dem Brennstoffzellenstack sowie überschüssige Kathodenluft eines Bypasses einer Turbine kann zum Beispiel zur Kühlung von Rotor-Welleeinheiten inklusive der als Gaslager ausgeführten Radiallager und Axiallager genutzt werden. Die Gaszuführvorrichtung kann mindestens einen elektromotorisch angetriebenen Verdichter umfassen. Die Luftzuführvorrichtung kann auch mindestens einen mit mindestens einer Turbine angetriebenen Verdichter umfassen. Der Kühl- und/oder Sperrgaspfad kann durch mindestens einen Wärmeübertrager verlaufen, um den abgezweigten Teilmassenstrom zu kühlen. Der Kühl- und/oder Sperrgaspfad kann ganz oder teilweise in eines der Aggregate des internen Gassystems integriert werden. Der Kühl- und/oder Sperrgaspfad kann auch Gasverbindungsleitungen und/oder Gasverbindungskanäle außerhalb des Aggregats beziehungsweise außerhalb der Aggregate umfassen. Der aus dem Abgaspfad entnommene Teilabgasmassenstrom kann sowohl zur Kühlung als auch als Sperrgas zur Reduzierung von Leckageverlusten in mindestens einem der Aggregate verwendet werden. Durch das Sperrgas kann vorteilhaft der Druck innerhalb eines Gehäuses eines Aggregats erhöht werden. Dadurch können gegebenenfalls auch Axialkräfte reduziert werden, die für an sich unerwünschten Lagerverschleiß an Axiallagern verantwortlich sind. Da das Abgas in der Regel feuchte Luft enthält, liefert die Anbindung des Kühl- und/oder Sperrgaspfads an den Abgaspfad des Brennstoffzellensystems darüber hinaus den Vorteil, dass eine höhere Kühlleistung erzielt werden kann, weil die feuchte Luft eine höhere Wärmekapazität hat. Darüber hinaus kann sich die feuchte Luft positiv auf einen unerwünschten Lagerverschleiß auswirken. Bei einem Abschalten oder Abstellen des Brennstoffzellensystems kann der Kühl- und/oder Sperrgaspfad vorteilhaft zum Beispiel über einen Brennstoffzellenstackbypass ausgeblasen beziehungsweise getrocknet werden. In Abhängigkeit von einem gewünschten Temperaturniveau kann mindestens ein Wärmeübertrager an einer geeigneten Stelle in dem Kühl- und/oder Sperrgaspfad angeordnet sein. Darüber hinaus ist dem Kühl- und/oder Sperrgaspfad mindestens eine Ventileinrichtung zugeordnet, über die der entnommene Teilabgasmassenstrom geregelt beziehungsweise gesteuert werden kann. Anstelle mindestens einer aktiven Ventileinrichtung kann auch ein passiver fluidischer Widerstand, zum Beispiel in Form einer Drossel, genutzt werden. Hieraus ergibt sich eine erhebliche energetische Optimierung: Luft aus dem Kathodenabluftpfad beziehungsweise ungenutzt abströmende Luft aus dem Turbinenbypass wird für die Kühlluft und Sperrluft genutzt. Der notwendige zu verdichtende Luftmassenstrom im Zuluftpfad wird signifikant reduziert, da der zusätzliche Kühlmassenstrom nicht mehr separat aufgewendet werden muss, sondern ein Teil des Abluftstroms aus dem Brennstoffzellenstack genutzt wird. Diese Luft muss bei moderaten Stack-Temperaturen nicht gekühlt werden. Die Kühlung kann jedoch auch durch einen kleinen Wärmeübertrager erfolgen. Feuchte Luft hat einen höheren cp-Wert als trockene Luft. Damit ergibt sich eine bessere Kühlleistung. Eine mögliche Trocknung des Kühlluft/Sperrluftpfades kann, zum Beispiel beim Abstellen des Brennstoffzellensystems, in einem Luftsystembetrieb über den Stackbypass erfolgen, bei dem trockene Luft durch das Luftsystem geblasen wird. Reduzierung des Leckageverlustmassenstroms über die Laufräder in das Gehäuse durch Gegendruck im Gehäuse, dadurch gegebenenfalls auch Verbesserung der Axialkräfte und des Lagerverschleißes Axiallager. Es ergeben sich weitere Varianten: Die Entnahme der Kühlluft/Sperrluft kann für mehrere Wellen gemeinsam erfolgen oder separat; die Kühlung der Kühlluft/Sperrluft kann für mehrere Wellen gemeinsam erfolgen oder separat; der entnommene Massenstrom aus dem Kathodenabluftpfad kann an unterschiedlichen Stellen entnommen werden. Vorteilhafterweise innerhalb eines Aggregats oder in der Nähe davon; der entnommene Massenstrom aus dem Kathodenabluftpfad kann mittels regelbaren Ventilen geregelt/gesteuert werden oder mittels passiven Elementen, wie zum Beispiel Drosseln per Design/Auslegung appliziert werden; bei moderater Stack-Betriebstemperatur ist eine Kühlung der Kathodenabluft nicht notwendig, das heißt zusätzliche Wärmeübertrager können entfallen. Bei Systemtopologien, die Kühlluft von Kathoden-Abluftpfad abzweigen, sind die zusätzlichen Wärmeübertrager optional zu verstehen. Wird eine Kühlung benötigt, so sind die Wärmeübertrager überschaubar klein, so dass der Kühlmassenstrom mindestens eine Größenordnung kleiner ist als die primären Massenströme.
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Das beanspruchte Brennstoffzellensystem liefert, gegebenenfalls in Kombination mit dem beanspruchten Verfahren, den Hauptvorteil, dass die Kühlluft reduziert werden kann. Ein durch das beanspruchte Brennstoffzellensystem beziehungsweise das beanspruchte Verfahren reduzierter Kühlluftstrom liegt vorteilhaft in einem Bereich von vier bis fünfzehn Prozent des gesamten geförderten Luftmassenstroms. Demzufolge kann der einer Auslegung zum Beispiel eines elektrisch angetriebenen Kompressors zugrunde gelegte zu verdichtende Luftmassenstrom deutlich reduziert werden. Daraus ergibt sich, dass die Antriebsleistung des Kompressors signifikant erniedrigt werden kann. Dabei kann insbesondere die elektrische Leistung des elektrisch angetriebenen Kompressors in einem Volllastpunkt, das heißt Auslegungspunkt, abgesenkt werden. Damit sinkt auch die Stackleistung im Auslegungspunkt. So kann der Brennstoffzellenstack kleiner gebaut werden, was zu einer wesentlichen Kosteneinsparung führt. Im Betrieb hat das beanspruchte Brennstoffzellensystem vorteilhaft über den ganzen Zyklus eine höhere Systemeffizienz, weil Kühlluft nicht extra verdichtet werden muss. Daraus ergibt sich ein geringerer Wasserstoffverbrauch in dem Brennstoffzellensystem. Die damit verbundene Energieeinsparung führt zu Einsparungen bei den Betriebskosten. Das ist insbesondere bei Nutzfahrzeuganwendungen vorteilhaft.
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Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Brennstoffzellensystems ist dadurch gekennzeichnet, dass der Kühl- und/oder Sperrgaspfad durch das interne Gassystem führt. Der Kühl- und/oder Sperrgaspfad kann Verzweigungen aufweisen. Je nach Ausführungen können auch mehr als ein Kühl- und/oder Sperrgaspfad durch das interne Gassystem führen. In dem internen Gassystem wird der entnommene Teilabgasmassenstrom vorteilhaft zur Kühlung der Gaslager genutzt.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Brennstoffzellensystems ist dadurch gekennzeichnet, dass eine Anbindungsstelle des Kühl- und/oder Sperrgaspfads an den Abgaspfad des Brennstoffzellenstacks in einem Aggregat des internen Gassystems angeordnet ist. Das liefert den Vorteil, dass zur Darstellung der Anbindungsstelle keine zusätzlichen Fluidleitungen benötigt werden.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Brennstoffzellensystems ist dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Entnahmestelle und/oder eine Zielstelle für Kühl- und/oder Sperrgas aus dem Abgaspfad des Brennstoffzellenstacks in einem Aggregat des internen Gassystems angeordnet ist. Je nach Ausführung können auch mehrere Entnahmestellen und/oder Zielstellen für das Kühl- und/oder Sperrgas in einem Aggregat untergebracht werden.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Brennstoffzellensystems ist dadurch gekennzeichnet, dass der Kühl- und/oder Sperrgaspfad durch mindestens einen Wärmeübertrager verläuft. So kann auf einfache Art und Weise an einer geeigneten Stelle eine gewünschte Temperatur zur Kühlung, insbesondere eines Gaslagers in dem Aggregat, realisiert werden.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Brennstoffzellensystems ist dadurch gekennzeichnet, dass in dem Kühl- und/oder Sperrgaspfad mindestens ein fluidischer Widerstand und/oder mindestens ein Fluidventil angeordnet sind/ist. So kann die über den mindestens einen Kühl- und/oder Sperrgaspfad abgezweigte Abgasmenge aus dem Abgaspfad des Brennstoffzellenstacks gesteuert beziehungsweise geregelt werden.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Brennstoffzellensystems ist dadurch gekennzeichnet, dass der Kühl- und/oder Sperrgaspfad an mindestens einer zu kühlenden Stelle des internen Gassystems vorbeiführt. Die zu kühlende Stelle ist vorzugsweise mindestens einem Gaslager des internen Gassystems zugeordnet.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Brennstoffzellensystems ist dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Gaslager der Lageranordnung in oder an dem Kühl- und/oder Sperrgaspfad angeordnet ist. Je nach Ausführung des Gaslagers und/oder des Kühl- und/oder Sperrgaspfads kann das abgezweigte Kühl- und/oder Sperrgas auch zu einer Unterstützung des gewünschten Druckaufbaus beim Betrieb des Gaslagers genutzt werden.
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Bei einem Verfahren zum Betreiben eines vorab beschriebenen Brennstoffzellensystems ist die oben angegebene Aufgabe alternativ oder zusätzlich dadurch gelöst, dass von dem Abgaspfad des Brennstoffzellenstacks Kühlgas und/oder Sperrgas abgezweigt wird. Dadurch kann die Effizienz im Betrieb des Brennstoffzellensystems wesentlich erhöht und die Kosten gesenkt werden.
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Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass der Kühl- und/oder Sperrgaspfad über einen Stackbypass ausgeblasen wird. So können zusätzliche Schritte, zum Beispiel zum Entfeuchten des Kühl- und/oder Sperrgaspfads, entfallen.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnung verschiedene Ausführungsbeispiele im Einzelnen beschrieben sind.
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Figurenliste
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Es zeigen:
- 1 ein Aggregat eines internen Gassystems eines Brennstoffzellensystems, wie es zum Beispiel in 3 gezeigt ist, mit einem elektromotorischen Antrieb in einer schematischen Längsschnittdarstellung;
- 2 ein ähnliches Aggregat wie in 1 ohne elektromotorischen Antrieb; und die
- 3 bis 10 verschiedene Ausführungsbeispiele eines Brennstoffzellensystems mit einem Brennstoffzellenstack, von dem ein Abgaspfad ausgeht, an dem mindestens ein Kühl- und/oder Sperrgaspfad angebunden ist
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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In den 1 und 2 sind zwei Ausführungsbeispiele eines Aggregats 30; 40 für ein Gassystem eines Brennstoffzellensystems, wie es in den 3 bis 10 dargestellt ist, schematisch im Längsschnitt dargestellt. Zur Bezeichnung gleicher oder ähnlicher Teile werden in den 1 und 2 die gleichen Bezugszeichen verwendet. Im Folgenden werden zunächst die Gemeinsamkeiten des Aggregats 30; 40 beschrieben. Danach wird auf die Unterschiede zwischen den beiden Ausführungsbeispielen eingegangen.
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Das Aggregat 30; 40 dient in einem Gassystem eines Brennstoffzellensystems zum Zuführen, insbesondere zum Verdichten, von Gas, insbesondere von Luft. Ein Antriebssystem des Aggregats 30; 40 umfasst mindestens eine Welle 35, die mit Hilfe einer Lageranordnung 34 in einem Gehäuse 37 des Aggregats 30; 40 drehbar gelagert ist. Die Lageranordnung 34 umfasst insgesamt drei als Gaslager 31, 32, 33 ausgeführte Lager. Die beiden Gaslager 31, 32 sind als Radiallager der Welle 35 ausgeführt. Das Gaslager 33 ist als Axiallager der Welle 35 ausgeführt.
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An einem in den 1 und 2 linken Ende der Welle 35 ist zum Beispiel ein Verdichterrad 38 angebracht. An dem in den 1 und 2 rechten Ende der Welle 35 ist zum Beispiel ein Turbinenrad 39 angebracht. Das Verdichterrad 38 dient zur Verdichtung von Luft in einem Zugaspfad eines Gassystems eines Brennstoffzellensystems. Das Turbinenrad 39 dient zum Entspannen von Abgas in einem Abgaspfad des Brennstoffzellensystems. Durch die Welle 35 ist das Turbinenrad 39 antriebsmäßig mit dem Verdichterrad 38 verbunden.
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Durch einen Pfeil 41 ist Kühlgas, insbesondere Kühlluft, angedeutet, die dem Aggregat 30; 40, insbesondere dem Gaslagern 31 bis 33 der Lageranordnung 34 für die Welle 35 zugeführt wird. Durch einen Pfeil 42 ist angedeutet, dass das Gas, insbesondere die Luft, einer Umgebung zugeführt wird. Durch Pfeile 43, 44 ist Leckagegas, insbesondere Leckageluft, in dem Aggregat 30; 40 angedeutet. Anders als vorab beschrieben, ist es aber auch möglich, die Luft nicht der Umgebung zuzuführen. Die Luft kann zum Beispiel irgendwo zwischen Filter und Verdichter in den Zuluftkanal zurückgeführt werden. Die Luft kann auch in einen anderen Luftkanal geführt werden, zum Beispiel in einen Luftkanal eines Belüftungssystems, in welchem der Druck relativ klein beziehungsweise nur geringfügig größer als der Umgebungsdruck ist.
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Das Aggregat 30 in 1 umfasst zum Antreiben der Welle 35 einen elektromotorischen Antrieb 36. Der elektromotorische Antrieb 36 ist auf der Welle 35 zwischen den beiden Gaslagern 31, 32 angeordnet.
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Das in 2 dargestellte Aggregat 40 ist ohne elektromotorischen Antrieb ausgeführt. Der Antrieb des Verdichterrads 38 erfolgt alleine durch das Turbinenrad 39. Anders als dargestellt, können die Laufräder 38, 39 auch anders als in den 1 und 2 dargestellt ist besetzt werden. So können zum Beispiel zwei Verdichterräder auf einer Welle für eine zweiflutige oder zweistufige Verdichtung angeordnet werden.
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In den 3 bis 10 sind Ausführungsbeispiele eines Brennstoffzellensystems 19 in verschiedenen Ausführungsbeispielen dargestellt. Zur Bezeichnung gleicher oder ähnlicher Teile werden in den 3 bis 10 die gleichen Bezugszeichen verwendet. Um Wiederholungen zu vermeiden, werden zunächst die Gemeinsamkeiten beschrieben. Danach wird auf die Unterschiede zwischen den verschiedenen Ausführungsbeispielen eingegangen.
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In dem in den 3 bis 10 schematisch dargestellten Brennstoffzellensystem 19 wird aus einer Umgebung 1 Luft über einen auch als Zuluftpfad bezeichneten Zugaspfad 12 einem Brennstoffzellenstack 11 zugeführt. Über einen auch als Abluftpfad bezeichneten Abgaspfad 13 gelangt Abgas aus dem Brennstoffzellenstack 11 wieder in die Umgebung 1.
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In dem Zugaspfad 12 sind zwei Aggregate 3 und 6 angeordnet, die als Gaszuführvorrichtungen 3, 6 ausgeführt sind. Die Aggregate 3, 6 sind in dem Zugaspfad 12 in Reihe geschaltet. Die Gaszuführvorrichtung 3, der ein Luftfilter 2 vorgeschaltet ist, umfasst einen Verdichter 4 (in den 3, 7, 8, 9, 10) oder zwei Verdichter 4, 5 (in den 4, 5, 6).
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Die Gaszuführvorrichtung 6 umfasst einen Verdichter 7 und eine Turbine 8 (in den 3, 4, 5, 6, 10). In den 8 und 9 umfasst die Gaszuführvorrichtung 3 einen Verdichter 4 und eine Turbine 8.
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Durch Rechtecksymbole 9, 29 sind in den 3 bis 10 optionale Zwischenkühler angedeutet. Durch ein Rechtecksymbol 10 ist in den 4 bis 9 ein Befeuchter angedeutet, der teilweise gestrichelt dargestellt ist, um anzudeuten, dass der Befeuchter 10 optional in dem Brennstoffzellensystem 19 vorgesehen ist.
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Darüber hinaus sind durch Symbole 14 bis 17 Ventileinrichtungen angedeutet, die als Fluidventile ausgeführt sind. Die Aggregate 3, 6 sind zum Beispiel so oder so ähnlich ausgeführt wie die Aggregate 30; 40 in den 1 und 2. Die Aggregate 3, 6; 30; 40 dienen zur Darstellung eines Gassystems, insbesondere Luftsystems 20, in dem Brennstoffzellensystem 19. In einem auch als Zugassystem 21 bezeichneten Gasteilsystem des Gassystems 20 wird Gas, insbesondere Luft, verdichtet. In einem auch als Abgassystem 22 bezeichneten Gasteilsystem 22 des Gassystems 20 wird Abgas entspannt.
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Zwischen dem Zugaspfad 12 und dem Abgaspfad 13 ist ein Stackbypass 45 mit einem entsprechenden Bypassventil 15 angeordnet, über das Gas, insbesondere Luft, unter Umgehung des Brennstoffzellenstacks 11 direkt vom Zugaspfad 12 in den Abgaspfad 13 gelangt, wenn das Fluidventil 15 geöffnet wird.
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An den Abgaspfad 13 ist gemäß einem wesentlichen Aspekt der Erfindung ein Kühl- und/oder Sperrluftpfad 46 angebunden. Der Kühl- und/oder Sperrluftpfad 46 kann auch mehrere Kühl- und/oder Sperrluftpfade umfassen, wie in den 3 bis 10 zum Teil durch Pfeile angedeutet ist.
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In 3 ist eine Entnahmestelle oder Anbindungsstelle 50 des Kühl- und/oder Sperrluftpfads 46 in dem Abgaspfad 13 zwischen dem Brennstoffzellenstack 11 und der Turbine 8 vorgesehen. Durch einen Pfeil 51 ist angedeutet, dass die abgezweigte Kühl- und/oder Sperrluft über ein Fluidventil 52 zunächst einer Zielstelle 25 und dann einer Zielstelle 24 zugeführt wird. Bei der Zielstelle 25 handelt es sich zum Beispiel über das Aggregat (40 in 2). Bei der Zielstelle 24 handelt es sich zum Beispiel über das Aggregat oder um einen Teil des Aggregats (30 in 1).
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Durch einen Pfeil 53 ist eine Abzweigung in dem Kühl- und/oder Sperrluftpfad 46 mit einem Wärmeübertrager 54 angedeutet. Durch einen Pfeil 55 ist angedeutet, dass die Kühl- und/oder Sperrluft der Umgebung 1 zugeführt wird.
Vor der Zielstelle 24 ist ein weiterer Wärmeübertrager 56 angedeutet. Durch einen Pfeil 57 ist angedeutet, dass die Kühl- und/oder Sperrluft nach der Zielstelle 24 wieder der Umgebung 1 zugeführt wird. Eine Regelung des abgezweigten Massenstroms 53 erfolgt vorzugsweise über das Fluidventil 52. Die Kühlluftzufuhr an den Zielstellen 24 und 25 kann auch, anders als dargestellt, unabhängig voneinander erfolgen. Je nach Anwendung kann auch nur eine der Zielstellen 24, 25 über den Kühl- und/oder Sperrluftpfad 46 mit Kühl- und/oder Sperrluft versorgt werden.
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In den 4 bis 6 sind weitere optionale Ventileinrichtungen 58, 59 angedeutet, zwischen denen der Brennstoffzellenstack 11 angeordnet ist. Diese beiden als Fluidventile ausgeführten Ventileinrichtungen 58, 59 sind an sich bekannt.
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Eine Entnahmestelle oder Anbindungsstelle 60 des Kühl- und/oder Sperrluftpfads 46 ist in 4 zwischen den Ventileinrichtungen oder Fluidventilen 17 und 59 angeordnet. Durch Pfeile 61 und 62 ist angedeutet, dass der Kühl- und/oder Sperrluftpfad 46 an sich in zwei Kühl- und/oder Sperrluftpfade unterteilt ist. Der Massenstrom der entnommenen Kühl- und/oder Sperrluft wird anhand von fluidischen Widerständen, die als Drosseln ausgeführt sind, passiv eingestellt. Der Kühl- und/oder Sperrluftpfad 61 ist dem Aggregat beziehungsweise der Zielstelle 25 zugeführt. Der Kühl- und/oder Sperrluftpfad 62 ist der Zielstelle 24 beziehungsweise dem Aggregat 24 zugeführt.
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In 5 ist durch einen Pfeil 66 ein Turbinenbypass angedeutet. Eine Entnahmestelle oder Anbindungsstelle 65 des Kühl- und/oder Sperrluftpfades 46 ist im Turbinenbypass 66 direkt am Turbinenbypassventil 17 vorgesehen. Über das Turbinenbypassventil 17, das auch als Fluidventil 17 bezeichnet wird, kann Massenstrom für die Kühl- und/oder Sperrluft 46 direkt aus dem Turbinenbypassmassenstrom entnommen werden und danach auf die Stellen 67 und 68 aufgeteilt werden. Über den Kühl- und/oder Sperrluftpfad 67 gelangt Kühl- und/oder Sperrluft zur Zielstelle 25. Über den Kühl- und/oder Sperrluftpfad 68 gelangt Kühl- und/oder Sperrluft zur Zielstelle 24.
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In 6 sind Entnahmestellen oder Anbindungsstellen 70, 71 in dem Abgaspfad 13 unmittelbar vor oder hinter dem Befeuchter 10 angedeutet. Über die Ventileinrichtung 17 gelangt die abgezweigte Kühl- und/oder Sperrluft zur Zielstelle 25, wie durch einen Pfeil 72 angedeutet ist. Auch hier erfolgt der Abzweig eigentlich, so wie es vorab zu 5 beschrieben ist, aus dem Turbinenbypass, der in zwei unterschiedlichen Varianten ausgeführt werden kann, über das Turbinenbypassventil oder Fluidventil 17.
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In 7 sind zwei weitere Entnahmestellen oder Anbindungsstellen 74, 75 im Abgaspfad 13 angedeutet. Über das Fluidventil 17 gelangt die entnommene Kühl- und/oder Sperrluft zur Zielstelle 24, wie durch einen Pfeil 76 angedeutet ist. Auch hier erfolgt der Abzweig, so wie es vorab zu 5 beschrieben ist, eigentlich über das Turbinenbypassventil oder Fluidventil 17.
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In 8 ist ein Ausführungsbeispiel dargestellt, bei welchem eine Topologie des Aggregats 3 mit Zielstellen 26, 27 mit dem Kühl- und/oder Sperrluftpfad 46 aggregatintern realisiert ist. Eine Entnahmestelle oder Anbindungsstelle 80 des Kühl- und/oder Sperrluftpfads 46 ist innerhalb des Aggregats 3 vor der Turbine 8 angeordnet. Durch einen Pfeil 81 mit einem Fluidventil 83 ist angedeutet, wie die dem Abgaspfad 13 entnommene Kühl- und/oder Sperrluft in dem Aggregat 3 zur Zielstelle 27 gelangt. Durch einen Pfeil 82 ist angedeutet, wie die Kühl- und/oder Sperrluft von der Zielstelle 26 in die Umgebung 1 abgeführt wird.
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In 9 ist eine Entnahmestelle 85 innerhalb des Aggregats 3 angeordnet. Eine Entnahmestelle 86 ist optional außerhalb des Aggregats 3 angeordnet.
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Durch einen Pfeil 87 ist angedeutet, dass die entnommene Kühl- und/oder Sperrluft über eine Ventileinrichtung 88 der Zielstelle 27 zugeführt wird. Durch einen Pfeil 89 ist angedeutet, wie die Kühl- und/oder Sperrluft von der Zielstelle 26 der Umgebung 1 zugeführt wird.
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In 10 ist eine Entnahmestelle oder Anbindungsstelle 91 in dem Abgaspfad 13 vor der Turbine 8 angeordnet. Eine Entnahmestelle 92 ist in dem Abgaspfad 13 nach der Turbine und vor dem Fluidventil 16 angeordnet. Durch einen Pfeil 93 ist ein erster Kühl- und/oder Sperrluftpfad angedeutet. Die an der Entnahmestelle 91 entnommene Kühl- und/oder Sperrluft gelangt über eine Ventileinrichtung 94 und einen Wärmeübertrager 96 zur Zielstelle 25 des Aggregats 6, wie durch einen Pfeil 95 angedeutet ist. Durch einen Pfeil 97 ist angedeutet, dass die Kühl- und/oder Sperrluft von der Zielstelle 25 wieder in die Umgebung 1 gelangt.
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Durch einen Pfeil 98 ist ein weiterer Kühl- und/oder Sperrluftpfad angedeutet, der in 10 von der Entnahmestelle 92 ausgeht. Die entnommene Kühl- und/oder Sperrluft gelangt über ein Ventil 99 und einen Wärmeübertrager 101 zur Zielstelle 24, wie durch einen Pfeil 100 angedeutet ist. Durch einen Pfeil 102 ist angedeutet, dass die Kühl- und/oder Sperrluft von der Zielstelle 24 wieder in die Umgebung 1 gelangt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102012224052 A1 [0002]
