DE102020208833A1

DE102020208833A1 - Brennstoffzellensystem und ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems

Info

Publication number: DE102020208833A1
Application number: DE102020208833.0A
Authority: DE
Inventors: Jochen Braun
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2020-07-15
Filing date: 2020-07-15
Publication date: 2022-01-20

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem (100), aufweisend mindestens eine Brennstoffzelle (101) und einen Kathodenpfad (10) zum Bereitstellen eines sauerstoffhaltigen Reaktanten in Form einer Zuluft (L1) an die mindestens eine Brennstoffzelle (101), wobei der Kathodenpfad (10) eine Zuluftleitung (11) zum Bereitstellen der Zuluft (L1) zu der mindestens einen Brennstoffzelle (101) und eine Abluftleitung (12) zum Abführen einer Abluft (L2) von der mindestens einen Brennstoffzelle (101) aufweist, und wobei zwischen der Zuluftleitung (11) und der Abluftleitung (12) des Kathodenpfades (10) mindestens ein Wärmeübertrager (20) vorgesehen ist, um thermische Energie von der Zuluft (L1) zu der Abluft (L2) zu übertragen. Hierzu ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass der mindestens eine Wärmeübertrager (20) dazu ausgeführt ist, die Wärme durch Verdampfung und Kondensation passiv zu übertragen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem nach dem Oberbegriff des unabhängigen Vorrichtungsanspruches. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems nach dem Oberbegriff des unabhängigen Verfahrensanspruches.
Stand der Technik
In Antriebssystemen mit Brennstoffzellensystemen wird in der Regel Sauerstoff aus der Umgebungsluft benutzt, um in der Brennstoffzelle mit Wasserstoff zu Wasser bzw. Wasserdampf zu reagieren und damit eine elektrische Energie zu gewinnen. Die Umgebungsluft wird meistens mithilfe eines oder mehrerer Verdichter aus der Umgebung eingesaugt und in Form einer verdichteten Zuluft durch eine Zuluftleitung eines Kathodenpfades an das Brennstoffzellensystem bereitgestellt. Die Umgebungsluft muss verdichtet werden, um einen ausreichenden Sauerstoffpartialdruck zur chemischen Reaktion sicherzustellen. Weiterhin muss Umgebungsluft verdichtet werden, um das Wassermanagement sicherzustellen (d. h. zu starke Entfeuchtung der Membranen im Brennstoffzellensystem zu verhindern, denn warme Luft nimmt weniger Wasserdampf bei höherem Druck als bei niedrigerem Druck auf, und um Produktwasser abzuführen). Ferner muss Umgebungsluft verdichtet werden, um die Druckverluste im System und Komponenten zu überwinden, sowie, um eine möglichst homogene Verteilung über dem Stack sicherstellen. Mindestens ein Verdichter kann mittels einer Turbine an eine Abluftleitung des Kathodenpfades angeschlossen werden, um ein Teil der Strömungsenergie der Abluft durch Einkopplung in die Verdichterwelle zu nutzen. Werden höhere Betriebsdrücke im Kathodenpfad benötigt, so ist dies mit einem entsprechend erhöhten Aufwand bei der Luftverdichtung verbunden (höhere Leistungen). Dies führt zu erhöhten Temperaturen der verdichteten Zuluft im Kathodenpfad. Die dabei entstehende Wärme muss wieder abgeführt werden, um die maximal zulässigen Eintrittstemperaturen in Stack oder auch in einem optional vorhandenen Befeuchter einzuhalten.
Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung sieht gemäß einem ersten Aspekt ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des unabhängigen Vorrichtungsanspruches, insbesondere aus dem kennzeichnenden Teil, vor. Ferner sieht die Erfindung gemäß einem zweiten Aspekt ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems mit den Merkmalen des unabhängigen Verfahrensanspruches, insbesondere aus dem kennzeichnenden Teil, vor. Weitere Vorteile, Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Verfahren und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.
Die vorliegende Erfindung sieht ein Brennstoffzellensystem vor, aufweisend mindestens eine Brennstoffzelle und einen Kathodenpfad zum Bereitstellen eines sauerstoffhaltigen Reaktanten in Form einer Zuluft an die mindestens eine Brennstoffzelle, wobei der Kathodenpfad eine Zuluftleitung zum Bereitstellen der Zuluft zu der mindestens einen Brennstoffzelle und eine Abluftleitung zum Abführen einer Abluft von der mindestens einen Brennstoffzelle aufweist, und wobei zwischen der Zuluftleitung und der Abluftleitung des Kathodenpfades mindestens ein Wärmeübertrager vorgesehen ist, um thermische Energie bzw. Wärme von der der Zuluft zu der Abluft zu übertragen, insbesondere indirekt bzw. ohne Stoffaustausch zu übertragen. Hierzu ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass der mindestens eine Wärmeübertrager dazu ausgeführt ist, die Wärme durch Verdampfung und Kondensation passiv zu übertragen.
Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem kann in Form eines Brennstoffzellenstapels, eines sog. Brennstoffzellenstacks, mit mehreren gestapelten Wiederholeinheiten in Form einzelner Brennstoffzellen, vorzugsweise PEM-Brennstoffzellen, ausgeführt sein.
Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem kann vorteilhafterweise für mobile Anwendungen, wie bspw. in Kraftfahrzeugen, oder für stationäre Anwendungen, wie bspw. in Generatoranlagen, verwendet werden.
Passive Ausführung des Wärmeübertragers heißt im Sinne der Erfindung, dass im Wärmeübertrager der Transport eines Arbeitsmediums passiv und damit ohne Hilfsmittel, wie etwa einer Kühlmittelpumpe, erfolgt. Auch auf ein zusätzliches Leitungssystem zum Transportieren eines Kühlmittels, welches mittels der Kühlmittelpumpe umgewälzt werden muss, kann im Sinne der Erfindung verzichtet werden. In mobilen Anwendungen, bspw. in Kraftfahrzeugen, führt dies vorteilhafterweise zur Entlastung eines Fahrzeugkühlers.
Der erfindungsgemäße Wärmeübertrager kann als Modul bereitgestellt werden. Zudem ist es denkbar, dass der erfindungsgemäße Wärmeübertrager integriert in den Kathodenpfad oder in eine Baugruppe des Kathodenpfades, wie z. B. in einen, insbesondere turbinenangetriebenen, Verdichter, bereitgestellt werden kann. Auch eine konstruktive Kombination des erfindungsgemäßen Wärmeübertragers mit einem Wassereinspritzungssystem in einer Baugruppe kann im Rahmen der Erfindung umgesetzt werden.
Der Erfindungsgedanke liegt dabei darin, die Wärmeübertragung zwischen der verdichteten Zuluft im Kathodenpfad vor der mindestens einen Brennstoffzelle (und ggf. vor einem Befeuchter oder einem Wassereinspritzungssystem) und der Abluft des Kathodenpfades nach der mindestens einen Brennstoffzelle (und ggf. vor einer Turbine) mittels eines passiven Wärmeübertragers, bspw. mithilfe von Verdampfung/Kondensation, z.B. in Wärmerohren, insbesondere in Form von Heatpipes oder Thermosiphone, durchzuführen. Somit kann vorteilhafterweise der benötigte Bauraum für das Brennstoffzellensystem reduziert werden. Im Vergleich zu Gas-Gas-Wärmeübertragern (auch passiv) können die vorgeschlagenen passiven Verdampfung/Kondensations-Wärmeübertrager vom Bauraum her kleiner ausgeführt werden. Außerdem sind diese im Gegensatz zu Gas-Gas-Wärmeübertragern unidirektional d.h. Wärmeübertrager erfolgt grundsätzlich nur gerichtet von Zuluft in Abluft.
Der passive Wärmeübertrager im Sinne der Erfindung erfordert vorteilhafterweise keine zusätzliche Einbindung in den Kühlkreislauf des Endgerätes, bspw. eines Fahrzeuges oder eines Generators. Dadurch erwächst der Vorteil, dass der erfindungsgemäße Wärmeübertrager einfach innerhalb des Brennstoffzellensystems integriert werden kann. Dadurch erwächst auch ein weiterer Vorteil, dass der Kühlkreislauf des Endgerätes entlastet werden kann. Ferner wird keine zusätzliche Aktorik benötigt, wodurch Energieeffizienz des Brennstoffzellensystems erhöht werden kann. Über das Antreiben der Turbine mit einer erwärmten Abluft kann außerdem der Effizienzgrad der Turbine erhöht werden.
Ferner kann die Erfindung bei einem Brennstoffzellensystem vorsehen, dass der mindestens eine Wärmeübertrager antriebsfrei ausgeführt ist, um thermische Energie von der Zuluft zu der Abluft ohne eine elektrische Energiezufuhr zu übertragen. Somit können parasitäre Energiekosten im Brennstoffzellensystem reduziert und der Wirkungsgrad des Brennstoffzellensystems erhöht werden.
Weiterhin kann die Erfindung bei einem Brennstoffzellensystem vorsehen, dass der mindestens eine Wärmeübertrager dazu ausgebildet ist, thermische Energie von der Zuluft zu der Abluft indirekt, insbesondere ohne Stoffaustausch, zu übertragen. Somit kann der Aufbau des Brennstoffzellensystems vereinfacht und der erforderliche Bauraum reduziert werden.
Des Weiteren kann die Erfindung bei einem Brennstoffzellensystem vorsehen, dass der mindestens eine Wärmeübertrager mindestens ein Wärmerohr oder mehrere Wärmerohre aufweist. Das mindestens eine Wärmerohr kann nach einem Prinzip Heatpipe oder Thermosiphon arbeiten bzw. ausgebildet sein. Das mindestens eine Wärmerohr kann ein, insbesondere metallisches, Gefäß mit einer länglichen Erstreckung aufweisen, welches ein Arbeitsmedium hermetisch einschließt. Als Arbeitsmedium kann z. B. Methanol, Wasser, Kältemittel oder Ammoniak dienen. Das Arbeitsmedium kann zu einem Teil in flüssigem und zum anderen Teil im gasförmigen Zustand vorliegen. Der Abschnitt des Wärmerohrs, der zur Energieaufnahme dient, heißt Verdampfer. Der Abschnitt des Wärmerohrs, der zu Energieabgabe dient, heißt Kondensator. Der Verdampfer kann dabei kürzer als oder gleich lang wie der Kondensator ausgebildet sein. Der Verdampfer wird durch die Zuluft umflossen. Der Kondensator wird durch die Abluft umflossen. Hierzu kann das mindestens eine Wärmerohr in einem Gehäuse mit einer ersten Kammer und einer zweiten Kammer aufgenommen sein, wobei die erste Kammer von der zweiten Kammer hermetisch abgeschlossen ist. Die erste Kammer, in der der Verdampfer angeordnet ist, wird durch die Zuluft durchflossen. Die zweite Kammer, in der der Kondensator angeordnet ist, wird durch die Abluft durchflossen. In der ersten Kammer gibt die verdichtete Zuluft die Wärme an das Arbeitsmedium des Wärmerohrs in dem Verdampfer ab. Das Arbeitsmedium transportiert diese Wärme in den Kondensator, der diese Wärme in der zweiten Kammer an die Abluft abgibt.
Zudem kann die Erfindung bei einem Brennstoffzellensystem vorsehen, dass in der Zuluftleitung des Kathodenpfades ein Wassereinspritzungssystem (mit entsprechenden Ventilen) vorgesehen ist, wobei der mindestens eine Wärmeübertrager in der Zuluftleitung des Kathodenpfades vor dem Wassereinspritzungssystem angeordnet ist. Mithilfe des Wassereinspritzungssystems kann die Zuluft befeuchtet werden. Der Vorteil eines Wassereinspritzungssystems liegt dabei darin, dass es eine einfach steuerbare Regulierung der Feuchte der Zuluft sicherstellen und außerdem zur Temperatureinstellung der Zuluft beitragen kann. Die Kombination des passiven Wärmeübertragers und der Möglichkeit mittels Wassereinspritzung nicht nur die Feuchte, sondern auch die Temperatur anzupassen, ergänzt sich auf eine vorteilhafte Weise. Die Wassereinspritzung kann zusätzlich auch den Verdichtungsprozess thermodynamisch optimieren.
Außerdem kann die Erfindung bei einem Brennstoffzellensystem vorsehen, dass zwischen der Zuluftleitung und der Abluftleitung des Kathodenpfades ein Befeuchter vorgesehen ist, wobei der mindestens eine Wärmeübertrager in der Zuluftleitung des Kathodenpfades vor dem Befeuchter und in der Abluftleitung des Kathodenpfades nach dem Befeuchter angeordnet ist. Der Vorteil eines Befeuchters kann darin liegen, dass die Feuchte aus der Abluft direkt zum Befeuchten der Zuluft verwendet werden kann.
Ferner kann die Erfindung bei einem Brennstoffzellensystem vorsehen, dass in der Zuluftleitung des Kathodenpfades ein erster Verdichter vorgesehen ist, wobei der mindestens eine Wärmeübertrager in der Zuluftleitung des Kathodenpfades nach dem ersten Verdichter angeordnet ist. Somit kann der Wärmeübertrager die Wärme der verdichteten Zuluft auf eine vorteilhafte Weise aufnehmen.
Weiterhin kann die Erfindung bei einem Brennstoffzellensystem vorsehen, dass in der Zuluftleitung des Kathodenpfades ein erster Verdichter und ein zweiter Verdichter vorgesehen sind, wobei der mindestens eine Wärmeübertrager in der Zuluftleitung des Kathodenpfades nach dem ersten Verdichter und nach dem zweiten Verdichter angeordnet ist, oder wobei der mindestens eine Wärmeübertrager in der Zuluftleitung des Kathodenpfades nach dem ersten Verdichter und vor dem zweiten Verdichter angeordnet ist. Bei der Anordnung des Wärmeübertragers in der Zuluftleitung des Kathodenpfades nach dem ersten Verdichter und nach dem zweiten Verdichter kann der Wärmeübertrag von Zuluft in die Abluft vergrößert werden. Bei der Anordnung des Wärmeübertragers in der Zuluftleitung des Kathodenpfades nach dem ersten Verdichter und vor dem zweiten Verdichter kann die verdichtete Zuluft zwischen den zwei Verdichtern abkühlt werden. Eine abgekühlte Luft ist einfacher zu verdichten, sodass der zweite Verdichter mit besserem Wirkungsgrad betrieben und/oder kleiner ausgelegt werden kann.
Des Weiteren kann die Erfindung bei einem Brennstoffzellensystem vorsehen, dass der mindestens eine Wärmeübertrager einen ersten Wärmeübertrager und einen zweiten Wärmeübertrager aufweist, und dass in der Zuluftleitung des Kathodenpfades ein erster Verdichter und ein zweiter Verdichter vorgesehen sind, wobei der erste Wärmeübertrager in der Zuluftleitung des Kathodenpfades nach dem ersten Verdichter und der zweite Wärmeübertrager nach dem zweiten Verdichter angeordnet sind. Auf diese Weise kann der Wärmeübertrag zwischen der Zuluft und der Abluft noch weiter verbessert werden. Zudem kann dadurch der zweite Verdichter mithilfe des ersten Wärmeübertragers bereits abgekühlte Zuluft leichter verdichten und somit kleiner ausgelegt werden.
Zudem kann die Erfindung bei einem Brennstoffzellensystem vorsehen, dass in der Zuluftleitung des Kathodenpfades ein erster Verdichter und ein zweiter Verdichter vorgesehen sind, wobei der zweite Verdichter durch eine Turbine antreibbar ist, die in der Abluftleitung vorgesehen ist, und wobei die Turbine in der Abluftleitung vor oder nach dem mindestens einem Wärmeübertrager angeordnet ist. Wenn die Turbine in der Abluftleitung vor dem Wärmeübertrager angeordnet ist, kann die Abluft nach der Turbine in den Wärmeübertrager reinfließen. Durch Entspannung in der Turbine kann eine niedrige Eintrittstemperatur im Wärmeübertrager erreicht werden, so dass eine größere mittlere Temperaturdifferenz über den passiven Wärmeübertrager entsteht, wodurch die Zwischenkühlung (zwischen Verdichterstufe 1 und Verdichterstufe 2) verbessert werden kann. Wenn die Turbine nach dem Wärmeübertrager angeordnet ist, kommt die durch den Wärmeübertrager erwärmte Abluft an der Turbine an und kann die Turbine effizienter antreiben.
Um den Wärmeübertrag von Zuluft in die Abluft zu erhöhen, können auch zwei Kondensation/Verdampfungs-Wärmeübertrager eingesetzt werden (Kombination der zwei oben beschriebenen Varianten).
Außerdem kann die Erfindung bei einem Brennstoffzellensystem vorsehen, dass in der Zuluftleitung des Kathodenpfades ein erster Verdichter und ein zweiter Verdichter vorgesehen sind, wobei der erste Verdichter und der zweite Verdichter zwei separate Antriebswellen oder eine gemeinsame Antriebswelle aufweisen können. So kann je nach Konstruktion und/oder je nach vorhandenem Bauraum ein geeigneter Aufbau des Brennstoffzellensystems bereitgestellt werden.
Ferner kann die Erfindung bei einem Brennstoffzellensystem vorsehen, dass der erste Verdichter als ein mehrflutiger oder mehrstufiger Verdichter ausgebildet, und/oder dass der erste Verdichter zwei Einzelverdichter aufweist, die zwei separate Antriebswellen oder eine gemeinsame Antriebswelle aufweisen können. Dadurch kann der Verdichtungsgrad der Zuluft erhöht werden. Auch kann dadurch der Aufbau des Brennstoffzellensystems flexibel ausgestaltet werden.
Die vorliegende Erfindung sieht ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems vor, aufweisend mindestens eine Brennstoffzelle und einen Kathodenpfad zum Bereitstellen eines sauerstoffhaltigen Reaktanten in Form einer Zuluft an die mindestens eine Brennstoffzelle, wobei der Kathodenpfad eine Zuluftleitung zum Bereitstellen der Zuluft zu der mindestens einen Brennstoffzelle und eine Abluftleitung zum Abführen einer Abluft von der mindestens einen Brennstoffzelle aufweist, und wobei zwischen der Zuluftleitung und der Abluftleitung des Kathodenpfades mindestens ein Wärmeübertrager vorgesehen ist, um thermische Energie von der Zuluft zu der Abluft zu übertragen. Hierzu ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass der mindestens eine Wärmeübertrager die Wärme durch Verdampfung und Kondensation passiv überträgt. Mithilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die gleichen Vorteile erreicht, die oben mithilfe des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems beschrieben wurden. Auf diese Vorteile wird vorliegend vollumfänglich Bezug genommen.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele:
Die Erfindung und deren Weiterbildungen sowie deren Vorteile werden nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen jeweils schematisch:

1 eine schematische Darstellung eines herkömmlichen Brennstoffzellensystems,
2 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems im Sinne der Erfindung mit einem Befeuchter,
3 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems im Sinne der Erfindung mit einem Wassereinspritzsystem,
4 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems im Sinne der Erfindung mit einer Turbine nach dem Durchgang eines Wärmeübertragers,
5 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems im Sinne der Erfindung mit einer Turbine vor dem Durchgang eines Wärmeübertragers,
6 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems im Sinne der Erfindung mit zwei Wärmeübertragern und einem Befeuchter,
7 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems im Sinne der Erfindung mit zwei Wärmeübertragern und einem Wassereinspritzsystem,
8 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems im Sinne der Erfindung mit einem doppelten Verdichter und einem Wärmeübertrager,
9 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems im Sinne der Erfindung mit einem doppelten Verdichter und zwei Wärmeübertragern,
10 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems im Sinne der Erfindung mit drei Verdichtern und zwei Wärmeübertragern, und
11 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems im Sinne der Erfindung mit Verdichtern und zwei Wärmeübertragern.

In den unterschiedlichen Figuren sind gleiche Teile der Erfindung stets mit denselben Bezugszeichen versehen, weshalb diese in der Regel nur einmal beschrieben werden.
Die erfindungsgemäße Problematik wird anhand der 1 beschrieben. Die 1 zeigt ein bekanntes Brennstoffzellensystem 100. Im Brennstoffzellensystem 100 wird in der Regel einfache Luft aus der Umgebung U eingesaugt, um einen sauerstoffhaltigen Reaktanten zu gewinnen, welcher in einer Brennstoffzelle 101 mit einem Brennstoff, bspw. Wasserstoff, zu Wasser bzw. Wasserdampf reagieren und damit elektrische Energie freisetzen kann. Zum Einsaugen von Umgebungsluft sind in einer Zuluftleitung 11 eines Kathodenpfades 10 meistens ein oder mehrere Verdichter P vorgesehen. Die Verdichtung der Zuluft führt zu erhöhten Temperaturen im Kathodenpfad 10. Die dabei entstehende Wärme muss wieder abgeführt werden, um die Brennstoffzelle 101 und einen optionalen Befeuchter W1 nicht zu beschädigen.
Die 2 bis 11 zeigen jeweils ein Brennstoffzellensystem 100 im Sinne der Erfindung. Allen Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems 100 gemäß den 2 bis 11 ist gemein, dass das Brennstoffzellensystem 100 mindestens eine Brennstoffzelle 101 oder mehrere zu einem Stapel, einem sog. Stack, zusammengefügte Brennstoffzellen 101, vorzugsweise PEM-Brennstoffzellen, aufweisen kann. Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem 100 gemäß den 2 bis 11 kann für mobile Anwendungen, wie bspw. in Kraftfahrzeugen, oder für stationäre Anwendungen, wie bspw. in Generatoranlagen, verwendet werden.
Zudem weist das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem 100 einen Kathodenpfad 10 zum Bereitstellen eines sauerstoffhaltigen Reaktanten in Form einer Zuluft an die mindestens eine Brennstoffzelle 101 auf. Der Kathodenpfad 10 weist eine Zuluftleitung 11 zum Bereitstellen der Zuluft zu der mindestens einen Brennstoffzelle 101 und eine Abluftleitung 12 zum Abführen einer Abluft von der mindestens einen Brennstoffzelle 101 auf. Am Eingang der Zuluftleitung 11 des Kathodenpfades 10 kann ein Luftfilter AF vorgesehen sein, um die Umgebungsluft gemäß den Erfordernissen der Brennstoffzelle 101 zu filtern. Zwischen der Zuluftleitung 11 und der Abluftleitung 12 des Kathodenpfades 10 ist mindestens ein Wärmeübertrager 20 vorgesehen, um thermische Energie bzw. Wärme von der Zuluft zu der Abluft (unidirektional) mittels Verdampfung/Kondensation zu übertragen, insbesondere indirekt bzw. ohne Stoffaustausch zu übertragen.
Der mindestens eine erfindungsgemäße Wärmeübertrager 20 ist passiv mittels Verdampfung/Kondensation ausgeführt. D. h., dass im Wärmeübertrager 20 der Transport eines gasförmigen Arbeitsmediums, bspw. Wasser, Methanol, Kältemittel z.B. Ammoniak, passiv und damit ohne Hilfsmittel, wie etwa einer Kühlmittelpumpe KMP, erfolgt, die im herkömmlichen Brennstoffzellensystem 100 gemäß der 1 notwendig ist. Auch auf ein zusätzliches Leitungssystem KML der 1 zum Transportieren eines Kühlmittels, welches mittels der Kühlmittelpumpe KMP umgewälzt wird, sowie auf zwei separate Heatexchanger HE gemäß der 1 kann im erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem 100 gemäß den 2 bis 11 verzichtet werden. In mobilen Anwendungen, bspw. in Kraftfahrzeugen, kann dies vorteilhafterweise zur Entlastung eines nicht gezeigten Fahrzeugkühlers führen.
Wie es die 2 bis 11 zeigen, kann der mindestens eine Wärmeübertrager 20 im Sinne der Erfindung mindestens ein Wärmerohr oder mehrere Wärmerohre aufweisen. Das mindestens eine Wärmerohr kann bspw. in Form einer Heatpipe und eines Thermosiphons ausgebildet sein. Das mindestens eine Wärmerohr kann ein längliches Gefäß, bspw. aus Metall aufweisen, welches das Arbeitsmedium hermetisch einschließt. Das Arbeitsmedium kann darin verdampfen und wieder kondensieren. Der Abschnitt des Wärmerohrs, in welchem die Wärme aufgenommen wird, heißt Verdampfer. Der Abschnitt des Wärmerohrs, in welchem die Wärme abgegeben wird, heißt Kondensator. Der Verdampfer kann dabei etwas kürzer sein als der Kondensator. Der Verdampfer wird durch die verdichtete Zuluft umflossen. Der Kondensator wird durch die feuchte Abluft umflossen. Hierzu kann das mindestens eine Wärmerohr in einem Gehäuse G mit einer ersten Kammer K1 und einer zweiten Kammer K2 aufgenommen sein, wobei die erste Kammer K1 von der zweiten Kammer K2 hermetisch abgeschlossen ist. Die erste Kammer K1, in der der Verdampfer angeordnet ist, wird fluidisch an die Zuluftleitung 11 des Kathodenpfades 10 angeschlossen. Die zweite Kammer K2, in der der Kondensator angeordnet ist, wird fluidisch an die Abluftleitung 12 des Kathodenpfades 10 angeschlossen. In der ersten Kammer K1 gibt die verdichtete Zuluft aus der Zuluftleitung 11 die Wärme an das Arbeitsmedium des Wärmerohrs in dem Verdampfer ab. Das Arbeitsmedium transportiert diese Wärme in den Kondensator, der diese Wärme in der zweiten Kammer K2 an die Abluft abgibt, die durch die Abluftleitung 12 (ggf. über weitere Komponenten wie z.B. Turbine) nach außen in die Umgebung U fließt.
Wie es in der 2 gezeigt ist (vgl. auch die 6), kann die Erfindung bei einem Brennstoffzellensystem 100 vorsehen, dass zwischen der Zuluftleitung 11 und der Abluftleitung 12 des Kathodenpfades 10 ein Befeuchter W1 vorgesehen sein kann. Dabei kann der mindestens eine Wärmeübertrager 20 in der Zuluftleitung 11 des Kathodenpfades 10 vor dem Befeuchter W1 und in der Abluftleitung 12 des Kathodenpfades 10 nach dem Befeuchter W1 angeordnet sein. Der Befeuchter W1 kann die Feuchte aus der Abluft direkt zum Befeuchten der Zuluft nutzen. Die 2 zeigt weiterhin, dass an der Stelle x1 optional ein Intercooler vorgesehen sein kann.
Wie es in der 3 gezeigt ist (vgl. auch die 7), kann die Erfindung bei einem Brennstoffzellensystem 100 vorsehen, dass in der Zuluftleitung 11 des Kathodenpfades 10 ein Wassereinspritzungssystem W2 mit entsprechenden Ventilen x2, x3, x4 vorgesehen sein kann. Dabei kann der mindestens eine Wärmeübertrager 20 in der Zuluftleitung 11 des Kathodenpfades 10 vor dem Wassereinspritzungssystem W2 angeordnet sein. Mithilfe des Wassereinspritzungssystems W2 kann die Zuluft kontrolliert bzw. gesteuert befeuchtet werden. In Kombination mit dem passiven Wärmeübertragers 20 kann mittels Wassereinspritzung nicht nur die Feuchte, sondern auch die Temperatur der Zuluft kontrolliert werden. Mittels der Wassereinspritzung kann zusätzlich auch den Verdichtungsprozess thermodynamisch optimiert werden (siehe Ventile x3, x4).
Wie es anhand aller 2 bis 11 ersichtlich ist, kann die Erfindung bei einem Brennstoffzellensystem 100 vorsehen, dass in der Zuluftleitung 11 des Kathodenpfades 10 mindestens ein erster Verdichter P1 vorgesehen sein kann, wobei der mindestens eine Wärmeübertrager 20 in der Zuluftleitung 11 des Kathodenpfades 10 nach dem ersten Verdichter P1 angeordnet ist.
Wie es die 2 und 3 außerdem zeigen (vgl. auch die 8 bis 11), kann die Erfindung bei einem Brennstoffzellensystem 100 vorsehen, dass in der Zuluftleitung 11 des Kathodenpfades 10 ein erster Verdichter P1 und ein zweiter Verdichter P2 vorgesehen sein können, wobei der mindestens eine Wärmeübertrager 20 in der Zuluftleitung 11 des Kathodenpfades 10 nach dem ersten Verdichter P1 und nach dem zweiten Verdichter P2 angeordnet sein kann. Bei einer solchen Anordnung des Wärmeübertragers 20 kann der Wärmeübertrag von Zuluft zur Abluft vergrößert werden.
Wie es weiterhin die 4 und 5 zeigen, kann die Erfindung bei einem Brennstoffzellensystem 100 vorsehen, dass in der Zuluftleitung 11 des Kathodenpfades 10 ein erster Verdichter P1 und ein zweiter Verdichter P2 vorgesehen sein können, wobei der mindestens eine Wärmeübertrager 20 in der Zuluftleitung 11 des Kathodenpfades 10 nach dem ersten Verdichter P1 und vor dem zweiten Verdichter P2 angeordnet sein. Bei einer solcher Anordnung des Wärmeübertragers 20 in der Zuluftleitung 11 des Kathodenpfades 10 nach dem ersten Verdichter P1 und vor dem zweiten Verdichter P2 kann die verdichtete Zuluft zwischen den zwei Verdichtern P1, P2 abkühlt werden, sodass eine abgekühlte Luft für den zweiten Verdichter P2 einfacher zu verdichten ist.
Wie es des Weiteren die 6 und 7 zeigen, kann die Erfindung bei einem Brennstoffzellensystem 100 vorsehen, dass der mindestens eine Wärmeübertrager 20 einen ersten Wärmeübertrager 21 und einen zweiten Wärmeübertrager 22 aufweisen kann, und dass in der Zuluftleitung 11 des Kathodenpfades 10 ein erster Verdichter P1 und ein zweiter Verdichter P2 vorgesehen sein können, wobei der erste Wärmeübertrager 21 in der Zuluftleitung 11 des Kathodenpfades 10 nach dem ersten Verdichter P1 und der zweite Wärmeübertrager 21 nach dem zweiten Verdichter P2 angeordnet sein können.
Wie es die 2 bis 7 sowie die 10 und 11 zeigen, kann die Erfindung bei einem Brennstoffzellensystem 100 vorsehen, dass in der Zuluftleitung 11 des Kathodenpfades 10 ein erster Verdichter P1 und ein zweiter Verdichter P2 vorgesehen sind, wobei der zweite Verdichter P2 durch eine Turbine T angetrieben werden kann, die in der Abluftleitung 12 vorgesehen sein kann, und wobei die Turbine T in der Abluftleitung 12 vor dem mindestens einem Wärmeübertrager 20 (vgl. die 5) oder nach (vgl. die 2, 3 und 4) dem mindestens einem Wärmeübertrager 20 angeordnet sein kann oder beides. Wenn die Turbine T vor dem Wärmeübertrager 20 angeordnet ist, kommt die Abluft nach der Turbine T in den Wärmeübertrager 20 rein.. Wenn die Turbine T nach dem Wärmeübertrager 20 angeordnet ist, kommt die durch den Wärmeübertrager 20 erwärmte Abluft an der Turbine T an und kann die Turbine T effizienter antreiben.
Außerdem kann die Erfindung bei einem Brennstoffzellensystem 100 vorsehen, dass der erste Verdichter P1 und der zweite Verdichter P2 gemäß den 2 bis 7 zwei separate Antriebswellen A1, A2 odergemäß den 8 bis 11 eine gemeinsame Antriebswelle A aufweisen können. Auf diese Weise kann ein flexibler Aufbau des Brennstoffzellensystems 100 ermöglicht werden.
Wie es ferner die 8, 9, 10 und 11 zeigen, kann die Erfindung bei einem Brennstoffzellensystem 100 vorsehen, dass der erste Verdichter P1 als ein mehrflutiger oder mehrstufiger Verdichter PP ausgebildet sein kann und/oder zwei Einzelverdichter P aufweisen kann. Die zwei Einzelverdichter können im Sinne der Erfindung zwei separate Antriebswellen A1, A2 oder eine gemeinsame Antriebswelle A aufweisen.
Wie es die 10 und 11 zeigen, können drei Verdichter P1 bzw. PP, P2 vorgesehen sein, um den Verdichtungsgrad der Zuluft zu erhöhen.
Die 8 bis 11 zeigen unterschiedliche Verschaltungen bei dem Aufbau des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems 100, welches im Sinne der Erfindung flexibel ausgestaltet werden kann.
Die voranstehende Beschreibung der Figuren beschreibt die vorliegende Erfindung ausschließlich im Rahmen von Beispielen. Selbstverständlich können einzelne Merkmale der Ausführungsformen, sofern es technisch sinnvoll ist, frei miteinander kombiniert werden, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.

Claims

Brennstoffzellensystem (100), aufweisend: mindestens eine Brennstoffzelle (101) und einen Kathodenpfad (10) zum Bereitstellen eines sauerstoffhaltigen Reaktanten in Form einer Zuluft (L1) an die mindestens eine Brennstoffzelle (101), wobei der Kathodenpfad (10) eine Zuluftleitung (11) zum Bereitstellen der Zuluft (L1) zu der mindestens einen Brennstoffzelle (101) und eine Abluftleitung (12) zum Abführen einer Abluft (L2) von der mindestens einen Brennstoffzelle (101) aufweist, und wobei zwischen der Zuluftleitung (11) und der Abluftleitung (12) des Kathodenpfades (10) mindestens ein Wärmeübertrager (20) vorgesehen ist, um thermische Energie von der Zuluft (L1) zu der Abluft (L2) zu übertragen, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Wärmeübertrager (20) dazu ausgeführt ist, die Wärme durch Verdampfung und Kondensation passiv zu übertragen.
Brennstoffzellensystem (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Wärmeübertrager (20) antriebsfrei ausgeführt ist, um thermische Energie von der Zuluft (L1) zu der Abluft (L2) ohne eine elektrische Energiezufuhr durch Verdampfung und Kondensation passiv zu übertragen, und/oder dass der mindestens eine Wärmeübertrager (20) dazu ausgebildet ist, thermische Energie von der Zuluft (L1) zu der Abluft (L2) indirekt, insbesondere ohne Stoffaustausch, durch Verdampfung und Kondensation eines Arbeitsmediums zu übertragen.
Brennstoffzellensystem (100) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Wärmeübertrager (20) mindestens ein Wärmerohr oder mehrere Wärmerohre aufweist.
Brennstoffzellensystem (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Zuluftleitung (11) des Kathodenpfades (10) ein Wassereinspritzungssystem (W2) vorgesehen ist, wobei der mindestens eine Wärmeübertrager (20) in der Zuluftleitung (11) des Kathodenpfades (10) vor dem Wassereinspritzungssystem (W2) angeordnet ist, oder dass zwischen der Zuluftleitung (11) und der Abluftleitung (12) des Kathodenpfades (10) ein Befeuchter (W1) vorgesehen ist, wobei der mindestens eine Wärmeübertrager (20) in der Zuluftleitung (11) des Kathodenpfades (10) vor dem Befeuchter (W1) und in der Abluftleitung (12) des Kathodenpfades (10) nach dem Befeuchter (W1) angeordnet ist.
Brennstoffzellensystem (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Zuluftleitung (11) des Kathodenpfades (10) ein erster Verdichter (P1) vorgesehen ist, wobei der mindestens eine Wärmeübertrager (20) in der Zuluftleitung (11) des Kathodenpfades (10) nach dem ersten Verdichter (P1) angeordnet ist, und/oder dass in der Zuluftleitung (11) des Kathodenpfades (10) ein erster Verdichter (P1) und ein zweiter Verdichter (P2) vorgesehen sind, wobei der mindestens eine Wärmeübertrager (20) in der Zuluftleitung (11) des Kathodenpfades (10) nach dem ersten Verdichter (P1) und nach dem zweiten Verdichter (P2) angeordnet ist, oder wobei der mindestens eine Wärmeübertrager (20) in der Zuluftleitung (11) des Kathodenpfades (10) nach dem ersten Verdichter (P1) und vor dem zweiten Verdichter (P2) angeordnet ist.
Brennstoffzellensystem (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Wärmeübertrager (20) einen ersten Wärmeübertrager (21) und einen zweiten Wärmeübertrager (22) aufweist, und dass in der Zuluftleitung (11) des Kathodenpfades (10) ein erster Verdichter (P1) und ein zweiter Verdichter (P2) vorgesehen sind, wobei der erste Wärmeübertrager (21) in der Zuluftleitung (11) des Kathodenpfades (10) nach dem ersten Verdichter (P1) und der zweite Wärmeübertrager (21) nach dem zweiten Verdichter (P2) angeordnet sind.
Brennstoffzellensystem (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Zuluftleitung (11) des Kathodenpfades (10) ein erster Verdichter (P1) und ein zweiter Verdichter (P2) vorgesehen sind, wobei der zweite Verdichter (P2) durch eine Turbine (T) antreibbar ist, die in der Abluftleitung (12) vorgesehen ist, und wobei die Turbine (T) in der Abluftleitung (12) vor oder nach dem mindestens einen Wärmeübertrager (20) angeordnet ist
Brennstoffzellensystem (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Zuluftleitung (11) des Kathodenpfades (10) ein erster Verdichter (P1) und ein zweiter Verdichter (P2) vorgesehen sind, wobei der erste Verdichter (P1) und der zweite Verdichter (P2) zwei separate Antriebswellen (A1, A2) oder eine gemeinsame Antriebswelle (A) aufweisen.
Brennstoffzellensystem (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Verdichter (P1) als ein mehrflutiger oder mehrstufiger Verdichter (PP) ausgebildet, und/oder dass der erste Verdichter (P1) zwei Einzelverdichter (P) aufweist, die zwei separate Antriebswellen (A1, A2) oder eine gemeinsame Antriebswelle (A) aufweisen.
Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems (100), aufweisend: mindestens eine Brennstoffzelle (101) und einen Kathodenpfad (10) zum Bereitstellen eines sauerstoffhaltigen Reaktanten in Form einer Zuluft (L1) an die mindestens eine Brennstoffzelle (101), wobei der Kathodenpfad (10) eine Zuluftleitung (11) zum Bereitstellen der Zuluft (L1) zu der mindestens einen Brennstoffzelle (101) und eine Abluftleitung (12) zum Abführen einer Abluft (L2) von der mindestens einen Brennstoffzelle (101) aufweist, und wobei zwischen der Zuluftleitung (11) und der Abluftleitung (12) des Kathodenpfades (10) mindestens ein Wärmeübertrager (20) vorgesehen ist, um thermische Energie von der Zuluft (L1) zu der Abluft (L2) zu übertragen, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Wärmeübertrager (20) die Wärme durch Verdampfung und Kondensation passiv überträgt.