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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Brennstoffzellensystem, das zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet bzw. nach dem erfindungsgemäßen Verfahren betreibbar ist.
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Stand der Technik
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Brennstoffzellensysteme benötigen einen Brennstoff, beispielsweise Wasserstoff, und ein Oxidationsmittel, beispielsweise Sauerstoff, um chemische in elektrische Energie, Wärme und Wasser zu wandeln. Als Sauerstofflieferant kann Luft dienen, die der Umgebung entnommen wird. Da wasserstoffbasierte Brennstoffzellensysteme schnelle Betankungszeiten ermöglichen und lediglich Wasser emittieren, gelten sie als Mobilitätskonzept der Zukunft. Die ferner bei dem Prozess anfallende Wärme kann über einen Kühlkreis abgeführt und an die Umgebung abgegeben werden.
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Da die elektrochemische Wandlung in den Brennstoffzellen eines Brennstoffzellensystems einen bestimmten Luftmassenstrom sowie ein bestimmtes Druckniveau erfordert, wird die der Umgebung entnommene Luft vor ihrem Eintritt in einen Brennstoffzellenstapel des Brennstoffzellensystems mit Hilfe eines Luftverdichtungssystems verdichtet. Dabei kann sich die Luft auf Temperaturen von bis zu 200°C erwärmen. Zum Schutz nachgeschalteter Komponenten, insbesondere des nachgeschalteten Brennstoffzellenstapels, wird daher die Luft zunächst abgekühlt, vorzugsweise auf eine Temperatur unterhalb 120°C. Aus dem Stand der Technik sind hierzu bereits verschiedene Konzepte bekannt.
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Aus der Offenlegungsschrift
DE 10 2018 202 906 A1 geht beispielhaft ein Brennstoffzellensystem mit einem Kühlkreis zur Kühlung einer Brennstoffzelle hervor, der darüber hinaus einen ersten und einen zweiten Wärmetauscher umfasst. Der erste Wärmetauscher dient der Kühlung eines der Brennstoffzelle über eine Zuführungsleitung zugeführten, verdichteten Oxidationsmittels und ist hierzu in die Zuführungsleitung integriert. Der zweite Wärmetauscher ist in einer Abgasleitung angeordnet, über die das aus der Brennstoffzelle austretende Oxidationsmittel abgeführt wird. Zumindest ein Teil der im ersten Wärmetauscher aufgenommenen Wärme wird demnach im zweiten Wärmetauscher an die Abluft abgegeben, so dass der Kühlkreis des Brennstoffzellensystems weniger stark belastet wird. Im Ergebnis kann somit eine Wirkungsgradsteigerung erreicht werden.
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Da Brennstoffzellenfahrzeuge in der Regel thermisch limitiert sind, gilt es die Belastung des Kühlkreises des Brennstoffzellensystems weiter zu senken. Mit dieser Aufgabe ist die vorliegende Erfindung befasst.
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Zur Lösung der Aufgabe werden das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie das Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Anspruchs 7 angegeben. Vorteilhafte Ausführungsformen sind den jeweiligen Unteransprüchen zu entnehmen.
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Der Anwendungsbereich der Erfindung ist dabei nicht auf mobile Anwendungen begrenzt, sondern auf stationäre Anwendungen übertragbar.
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Offenbarung der Erfindung
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Bei dem vorgeschlagenen Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems wird einem Brennstoffzellenstapel des Brennstoffzellensystems über einen Zuluftpfad Luft als Sauerstofflieferant zugeführt, die zuvor mit Hilfe eines in den Zuluftpfad integrierten Luftverdichtungssystems verdichtet und mit Hilfe mehrerer in den Zuluftpfad integrierter Wärmetauscher abgekühlt wird. Erfindungsgemäß werden zum Abkühlen der verdichteten Luft ein erster und ein zweiter in den Zuluftpfad integrierter Gas/Gas-Wärmetauscher verwendet, die jeweils einerseits von verdichteter Luft, andererseits von Abluft eines Abluftpfads durchströmt werden, über den aus dem Brennstoffzellenstapel austretende Abluft abgeführt wird.
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Zum Abkühlen der mit Hilfe des Luftverdichtungssystems verdichteten Luft wird demnach aus dem Brennstoffzellenstapel ausgeleitete Abluft genutzt, und zwar vorzugsweise ausschließlich. Zumindest ist kein Anschluss an einen Kühlkreis des Brennstoffzellenstapels vorgesehen. Das heißt, dass - im Unterschied zum eingangs genannten Stand der Technik - über die beiden Wärmetauscher keine zusätzliche Wärme in den Kühlkreis des Brennstoffzellenstapels eingetragen wird. Dieser wird somit maximal entlastet, so dass die Effizienz des Kühlkreises steigt. Zugleich kann mit Hilfe der Gas/Gas-Wärmetauscher eine effiziente Abkühlung der dem Brennstoffzellenstapel über den Zuluftpfad zugeführten verdichteten Luft erreicht werden. Sofern im Abluftpfad eine Turbine angeordnet ist, kann dieser die erwärmte Abluft zugeführt werden. Zumindest ein Teil der eingebrachten Wärmeenergie kann auf diese Weise zurückgewonnen werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Luft mit Hilfe eines ersten und eines zweiten Verdichters des Luftverdichtungssystems verdichtet und jeweils nach dem Verdichten mit Hilfe eines der beiden Gas/GasWärmetauscher abgekühlt. Die beiden Gas/Gas-Wärmetauscher sind demnach im Zuluftpfad jeweils stromabwärts eines Verdichters des Luftverdichtungssystems angeordnet. Auf diese Weise kann verhindert werden, dass etwaige weitere im Zuluftpfad angeordnete Komponenten, wie beispielsweise eine Befeuchtungseinrichtung, durch die mehrfach verdichtete und damit sehr heiße Luft Schaden nehmen. Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass der erste Verdichter elektromotorisch und der zweite Verdichter mit Hilfe einer im Abluftpfad angeordneten Turbine angetrieben werden. Der Turbine kann dann die erwärmte Abluft zur Energierückgewinnung zugeführt werden.
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Zur effizienten Wärmeübertragung in den Wärmetauschern wird vorgeschlagen, dass die Luft und die Abluft in zumindest einem Gas/Gas-Wärmetauscher im Gegenstrom aneinander vorbeigeführt werden. Das heißt, dass zumindest ein Gas/Gas-Wärmetauscher als Gegenstromwärmetauscher ausgeführt ist. Vorteilhafterweise sind beide Gas/Gas-Wärmetauscher als Gegenstromwärmetauscher ausgeführt.
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Die Gas-/Gas-Wärmetauscher sind in Reihe geschaltet, so dass sich die Zählung „erster“ und „zweiter“ Gas/Gas-Wärmetauscher durch die Reihenfolge der Wärmetauscher in Hauptströmungsrichtung der dem Brennstoffzellenstapel zugeführten Luft ergibt. Die Reihenfolge der Gas/Gas-Wärmtauscher in Hauptströmungsrichtung der aus dem Brennstoffzellenstapel austretenden Ablauft hängt von der Führung des Abluftpfads ab. Hier bieten sich mehrere Möglichkeiten an.
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Beispielsweise kann die Abluft über den Abluftpfad erst durch den zweiten Gas/Gas-Wärmetauscher dann durch den ersten Gas/Gas-Wärmetauscher geführt werden, wobei die Zählung „erster“ und „zweiter“ Gas/GasWärmetauscher durch die Reihenfolge der Wärmetauscher im Zuluftpfad vorgegeben ist. Diese Ausgestaltung besitzt den Vorteil, dass die durch den ersten Gas/Gas-Wärmetauscher geführte verdichtete Luft mit Abluft aus dem Abluftpfad stromabwärts einer Turbine und/oder unmittelbar stromaufwärts eines Auspuffs gekühlt werden kann. Die Abluft ist hier am kühlsten, so dass eine sehr effiziente Abkühlung erzielt wird.
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Alternativ kann die Abluft über den Abluftpfad erst durch den ersten Gas/GasWärmetauscher dann durch den zweiten Gas/Gas-Wärmetauscher geführt werden. Diese Ausgestaltung besitzt den Vorteil, dass die maximale Abkühlung der verdichteten Luft unmittelbar vor ihrem Eintritt in den Brennstoffzellenstapel erreicht wird, so dass dieser optimal vor einer thermischen Degradation geschützt ist. Entsprechend erhöht sich die Lebensdauer des Brennstoffzellenstapels.
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Das darüber hinaus zur Lösung der eingangs genannten Aufgabe vorgeschlagene Brennstoffzellensystem umfasst einen Brennstoffzellenstapel, dem über einen Zuluftpfad Luft als Sauerstofflieferant zuführbar ist. In den Zuluftpfad sind dabei ein Luftverdichtungssystem sowie ein erster und ein zweiter Wärmetauscher integriert. Erfindungsgemäß sind der erste und der zweite Wärmetauscher jeweils als ein Gas/Gas-Wärmetauscher ausgeführt, der im Betrieb des Brennstoffzellensystems einerseits von verdichteter Luft, andererseits von Abluft eines Abluftpfads zum Abführen der aus dem Brennstoffzellenstapel austretenden Abluft durchströmt wird.
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Analog dem zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren wird demnach die dem Brennstoffzellenstapel zugeführte verdichtete Luft mit Hilfe der aus dem Brennstoffzellenstapel austretenden Abluft gekühlt, und zwar vorzugsweise ausschließlich. Insbesondere wird - im Unterschied zum eingangs zitierten Stand der Technik - keine Wärme in einen Kühlkreis des Brennstoffzellensystems eingetragen, so dass dieses entlastet wird. Mit Hilfe des vorgeschlagenen Brennstoffzellensystems werden demnach die gleiche Vorteile wie mit Hilfe des vorgeschlagenen Verfahrens erreicht.
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Bevorzugt umfasst das Luftverdichtungssystem einen stromaufwärts des ersten Gas/Gas-Wärmetauschers angeordneten ersten Verdichter und einen stromaufwärts des zweiten Gas/Gas-Wärmetauschers angeordneten zweiten Verdichter. Die dem Brennstoffzellenstapel zugeführte Luft wird demnach mehrfach bzw. mehrstufig verdichtet und nach jedem Verdichten mit Hilfe der Gas/Gas-Wärmetauscher abgekühlt. Auf diese Weise werden etwaige weitere im Zuluftpfad vorhandene Komponenten, wie beispielsweise eine Befeuchtungseinrichtung, vor einer Beschädigung durch zu heiße Luft geschützt. Vorzugsweise ist der erste Verdichter elektromotorisch und der zweite Verdichter über eine im Abluftpfad angeordnete Turbine antreibbar. Die Turbine bietet die Möglichkeit der Energierückgewinnung, wenn dieser über den Abluftpfad Abluft zugeführt wird, die zuvor in einem Gas/Gas-Wärmetauscher erwärmt wurde.
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Ferner bevorzugt ist zumindest ein Gas/Gas-Wärmetauscher als Gegenstromwärmetauscher ausgeführt. Gegenstromwärmetauscher ermöglichen gegenüber Gleichstromwärmetauschern einen verbesserten Wärmeübergang, so dass eine besonders effiziente Abkühlung der verdichteten Luft erreicht wird. Vorteilhafterweise sind daher bevorzugt beide Gas/Gas-Wärmetauscher als Gegenstromwärmetauscher ausgeführt.
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In einer ersten bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist der zweite Gas/GasWärmetauscher im Abluftpfad stromaufwärts des ersten Gas/Gas-Wärmetauschers angeordnet. Das heißt, dass die Reihenfolge der Gas/GasWärmetauscher im Abluftpfad umgekehrt zur Reihenfolge im Zuluftpfad ist, wobei die Zählung „erster“ und „zweiter“ Gaswärmetauscher durch die Reihenfolge der Gas/Gas-Wärmetauscher im Zuluftpfad vorgegeben ist. Die vorgeschlagene Anordnung besitzt den Vorteil, dass dem „ersten“ Gas/Gas-Wärmetauscher Abluft aus dem Abluftpfad stromabwärts einer Turbine und/oder unmittelbar stromaufwärts eines Auspuffs zugeführt werden kann. In diesem Bereich des Abluftpfads ist die Abluft am kühlsten. Die mit Hilfe des ersten Verdichters verdichtete Luft kann somit besonders effektiv abgekühlt werden.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der zweite Gas/Gas-Wärmetauscher im Abluftpfad stromabwärts des ersten Gas/Gas-Wärmetauschers angeordnet. Die Reihenfolge der Gas/Gas-Wärmetauscher im Abluftpad entspricht demnach der Reihenfolge im Zuluftpfad. Die kühlere bzw. kühlste Abluft wird demnach dem zweiten Gas/Gas-Wärmetauscher zugeführt, so dass die dem Brennstoffzellenstapel zugeführte verdichtete Luft tiefer gekühlt wird, wodurch der Brennstoffzellenstapel noch besser vor einer thermischen Degradation geschützt ist.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines ersten erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems und
- 2 eine schematische Darstellung eines zweiten erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems.
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Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
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Das in der 1 dargestellte erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem 1 umfasst einen Brennstoffzellenstapel 2 mit einer Kathode 10 und einer Anode 11. Der Kathode 10 wird über einen Zuluftpfad 3 Luft zugeführt. Der in der Luft enthaltene Sauerstoff dient als Oxidationsmittel. Die Anode 11 wird über einen Anodenkreis 12 mit einem Brennstoff, beispielsweise Wasserstoff, versorgt. Der Sauerstoff und der Brennstoff werden in den Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels 2 in elektrische Energie, Wärme und Wasser gewandelt.
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Die benötigte Luft kann der Umgebung entnommen werden. Über den Zuluftpfad 3 wird die der Umgebung entnommene Luft zunächst einem Luftfilter 9 zugeführt, anschließend mit Hilfe eines mehrstufigen Luftverdichtungssystems 4 verdichtet. Da sich die Luft beim Verdichten stark erwärmt, wird sie zum Schutz nachgeschalteter Komponenten, wie beispielsweise einer Befeuchtungseinrichtung 24, sowie zum Schutz des Brennstoffzellenstapels 2 abgekühlt. Hierzu sind im Zuluftpfad 3 ein erster Wärmetauscher 5 sowie ein zweiter Wärmetauscher 6 angeordnet. Die aus dem Brennstoffzellenstapel 2 austretende Abluft wird über einen Abluftpfad 7 abgeführt, in den vorliegend eine Turbine 8 integriert ist.
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Der ferner benötigte Brennstoff wird in einem Brennstofftank 13 bevorratet. Aus dem Brennstoffzellentank 13 entnommener Brennstoff wird über einen Druckregler 14 einem Dosierventil 15 zugeführt und mit Hilfe des Dosierventils 15 in den Anodenkreis 12 eingebracht. Da aus dem Brennstoffzellenstapel 2 austretendes Anodengas noch Brennstoff enthält, wird dieses über einen Rezirkulationspfad 17 rezirkuliert. Die Rezirkulation wird vorliegend passiv mit Hilfe einer Strahlpumpe 16 bewirkt. Da sich das rezirkulierte Anodengas über die Zeit mit Stickstoff anreichert, das von der Kathodenseite auf die Anodenseite diffundiert, muss der Anodenkreis 12 von Zeit zu Zeit gespült werden. Hierzu ist ein Spülventil 18 vorgesehen, das dann geöffnet wird.
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Die bei der elektrochemischen Wandlung erzeugte Wärme wird mit Hilfe eines Kühlkreises 19 abgeführt. In den Kühlkreis 19 des dargestellten Brennstoffzellensystems 1 sind ein Kühler 20, beispielsweise ein Fahrzeugkühler, sowie eine Kühlmittelpumpe 21 integriert. Der Kühlkreis 19 weist ferner einen Bypass 22 zur Umgehung des Kühlers 20 auf, der über ein Ventil 23 freischaltbar ist.
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Zur Entlastung des Kühlkreises 19 sind die kathodenseitig vorgesehenen Wärmetauscher 5, 6 jeweils als separate Gas/Gas-Wärmetauscher 5, 6 ausgeführt. Das heißt, dass die Wärmetauscher 5, 6 nicht in den Kühlkreis 19 eingebunden sind. Der Kühlkreis 19 weist somit einen höheren Wirkungsgrad auf. Die den Gas-/Gas-Wärmetauschern 5, 6 zugeführte verdichtet Luft wird vorliegend ausschließlich mit Abluft aus dem Abluftpfad 7 gekühlt.
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In der 1 ist hierzu ein erster Gas/Gas-Wärmetauscher 5 stromabwärts eines ersten Verdichters 4.1 des mehrstufigen Verdichtungssystems 4 angeordnet. Der erste Verdichter 4.1 ist zweiflutig ausgeführt und wird elektromotorisch angetrieben. Der zweite Gas/Gas-Wärmetauscher 6 ist stromabwärts eines zweiten Verdichters 4.2 angeordnet, der von der in den Abluftpfad 7 integrierten Turbine 8 angetrieben wird. Auf diese Weise kann eine Energierückgewinnung erzielt werden. Die dem ersten Gas/Gas-Wärmetauscher 5 zugeführte Abluft wird dem Abluftpfad 7 stromabwärts der Turbine 8 entnommen, und zwar unmittelbar vor einem Auspuff (nicht dargestellt), über den die Abluft wieder an die Umgebung abgegeben wird. Hier ist die Abluft am kühlsten, so dass die den ersten Gas/Gas-Wärmetauscher 5 durchströmende verdichtete Luft besonders effizient gekühlt wird. Dem weiter stromabwärts im Zuluftpfad 3 angeordneten zweiten Gas/Gas-Wärmetauscher 6 wird die aus dem Brennstoffzellenstapel 2 austretende und mit Hilfe der Befeuchtungseinrichtung 24 entfeuchtete Abluft zugeführt.
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Um den Schutz des Brennstoffzellenstapels 2 vor thermischer Degradation zu erhöhen, kann das Brennstoffzellensystem 1 gemäß dem in der 2 gezeigten System ausgelegt werden. Dieses unterscheidet sich von dem der 1 dadurch, dass die aus dem Brennstoffzellenstapel 2 austretende Abluft erst den ersten Gas/Gaswärmetauscher 5 und danach den zweiten Gas/GasWärmetauscher 6 durchströmt. Die kühlere bzw. kühlste Abluft wird demnach dem zweiten Gas/Gas-Wärmetauscher 6 zugeführt, so dass die dem Brennstoffzellenstapel 2 zugeführte verdichtete Luft kurz vor Eintritt in den Brennstoffzellenstapel 2 nochmals stark abgekühlt wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102018202906 A1 [0004]
