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Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem nach dem unabhängigen Vorrichtungsanspruch. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems nach dem unabhängigen Verfahrensanspruch.
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Stand der Technik
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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 in den Komponenten zu überwinden, sowie, um eine möglichst homogene Verteilung über dem Stack sicherzustellen. Mindestens ein Verdichter kann mittels einer Turbine an eine Abluftleitung des Kathodenpfades angeschlossen werden, um einen 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.
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Es sind Brennstoffsysteme bekannt, bei denen passive Wärmeübertrager eingesetzt werden, um die Wärme von der verdichteten Zuluft an die Abluft zu übertragen. Passive Wärmeübertrager sind nicht steuerbar. Oft werden statt den passiven Wärmeübertragern oder in Kombination zu den passiven Wärmeübertragern separate aktive bzw. durch Pumpen angetriebene Kühlmittelkreisläufe angeschlossen. Separate Kühlmittelkreisläufe erfordern jedoch elektrische Leistung und bewirken zumeist Druckverluste in der Zuluftleitung, die mit höheren Drehzahlen am Verdichter ausgeglichen werden müssen.
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Offenbarung der Erfindung
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Die Erfindung sieht gemäß einem ersten Aspekt ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des unabhängigen Vorrichtungsanspruches vor. Ferner sieht die Erfindung gemäß einem zweiten Aspekt ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems mit den Merkmalen des unabhängigen Verfahrensanspruches 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 dem erfindungsgemäßen Verfahren und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.
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Die vorliegende Erfindung sieht ein Brennstoffzellensystem vor, aufweisend mindestens eine Brennstoffzelle und einen Kathodenpfad (welcher einen Teil eines Kathodensystems bilden kann) 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.
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Zwischen der Zuluftleitung und der Abluftleitung des Kathodenpfades ist mindestens ein Wärmeübertrager vorgesehen, um thermische Energie bzw. Wärme von der Zuluft zu der Abluft passiv zu übertragen, insbesondere antriebsfrei, vorzugsweise ohne eine elektrische Energiezufuhr, bevorzugt indirekt bzw. ohne Stoffaustausch zu übertragen.
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Zudem ist in der Zuluftleitung des Kathodenpfades mindestens eine Wassereinspritzvorrichtung vorgesehen, um die Zuluft in der Zuluftleitung aktiv zu befeuchten und/oder zu kühlen, insbesondere steuerbar und/oder regelbar, vorzugsweise im Hinblick auf die gewünschte Temperatur und/oder Feuchte der Zuluft, bevorzugt unabhängig bzw. entkoppelt von der Wassergewinnung im Brennstoffzellensystem.
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Zugleich kann die mindestens eine Wassereinspritzvorrichtung das inhärent im System anfallende Wasser als Produkt der chemischen Reaktion im Brennstoffzellensystem nutzen, welches bspw. aus der Abluft abgeschieden und zwischengespeichert werden kann.
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Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem kann mindestens einen oder mehrere Brennstoffzellenstapel, sog. Brennstoffzellenstacks, mit jeweils mehreren gestapelten Wiederholeinheiten in Form von mehreren Brennstoffzellen, bspw., PEM-Brennstoffzellen, aufweisen.
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Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem kann vorteilhafterweise für mobile Anwendungen, wie bspw. in Kraftfahrzeugen, oder für stationäre Anwendungen, wie bspw. in Generatoranlagen, verwendet werden.
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Der mindestens eine Wärmeübertrager kann als Modul bereitgestellt werden. Zudem ist es denkbar, dass der mindestens eine Wärmeübertrager integriert in das Kathodensystem, bspw. in eine Baugruppe des Kathodensystems, z. B. mit einem Schalldämpfer und/oder einem, bspw. turbinenangetriebenen, Verdichter, bereitgestellt werden kann. Auch kann im Rahmen der Erfindung eine konstruktive Kombination des mindestens einen Wärmeübertragers mit der mindestens einen Wassereinspritzvorrichtung in einer Baugruppe umgesetzt werden.
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Die Erfindung kombiniert verschiedene Komponenten zur Wärmeübertragung und zur Befeuchtung, um wesentliche Vorteile der passiven Wärmeübertragung von der Kathodenzuluft zur Kathodenabluft zu nutzen, wie z. B. die Entlastung des Kühlkreises und die Erhöhung der Turbinenleistung, und mögliche Einschränkungen, wie z. B. die Nichtsteuerbarkeit und zusätzliche Wärmeübertragung für die Restwärme (bis zu einer gewünschten bzw. erforderlichen Temperatur am Eintritt in den Stack und/oder eine weitere Komponente) zu kompensieren und darüber hinaus, in Folge eines Synergieeffektes bei der Wärmeübertragung und der Befeuchtung, eine erweiterte Funktionalität der kombinierten Komponenten zu erzeugen.
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Mithilfe der Erfindung können wesentliche Vorteile erreicht werden:
- - Optimierung der Auslegung des Brennstoffzellensystems im Hinblick auf den Systemwirkungsgrad, auf die Größe des Systems, insbesondere des Kompressors bzw. Verdichters, auf die maximale Kompressor-Leistung, auf den reduzierten Bauraum, usw.,
- - Eine flexible Steuerung/Regelung des Brennstoffzellensystems bzw. des Kathodensystems trotz passiver Wärmeübertragung, sodass der gesamte Betriebsbereich des Brennstoffzellensystems, auch bei Teillasten und Dynamikbetrieb sowie Hochleistungsbetrieb, sogar bei hohen Umgebungstemperaturen, abgedeckt werden kann,
- - Reduzierung der Druckverluste im Kathodenpfad, was eine Verbesserung der Effizienz und ein kleineres Druckverhältnis für den Luftkompressor nach sich zieht,
- - Reduzierung von Bauraum,
- - Zeitweise, gezielte Befeuchtung der Zuluft, was eine Erweiterung des Betriebsbereiches der kombinierten Komponenten nach sich zieht,
- - Entfall separater aktiv, bspw. durch Pumpen, angetriebener Kühlmittelkreisläufe, dessen Druckverluste eliminiert werden.
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Kern der Idee ist die passive Wärmeübertragung im Luftsystem mit der aktiven und zeitlich sowie mengentechnisch flexiblen Wassereinspritzung in die Kathoden-Zuluftleitung zu kombinieren. Hierzu wird, vorzugsweise stromabwärts des passiven Wärmeübertragers in der Zuluftleitung des Kathodenpfades, mindestens eine Wassereinspritzvorrichtung, bspw. aufweisend eine Zerstäubungsanordnung, einen Mischer und/oder eine Verdampfung/Verdunstungsstrecke, vorgesehen. Mithilfe der mindestens einen Wassereinspritzvorrichtung kann die Temperatur der Zuluft regelbar und/oder steuerbar bzw. gezielt abgesenkt werden, insbesondere durch die Verdampfung/Verdunstung des zugeführten Wassers und/oder durch Vermischung mit dem Wasserdampf. Die Absenkung kann zur Einhaltung von maximal zulässigen Temperaturen am Eingang in den Stack oder in eine der nachfolgenden Komponenten, wie z. B. eine weitere Verdichtungsstufe, dienen. Die Absenkung kann gezielt durchgeführt werden, um die Restwärme nach dem Durchgang des passiven Wärmeübertragers bis zu einem gewünschten Temperaturniveau, bspw. für den Eintritt in den Stack und/oder in eine nachgelagerte Komponente des Kathodensystems, abzubauen. Zugleich kann die Zuluft befeuchtet werden.
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Die Wassereinspritzung kann bspw. in den passiven Wärmeübertrager integriert werden. Das Wasser kann nach einem weiteren Vorteil vorgewärmt sein, um eine schnellere/bessere Verdampfung/Verdunstung zu erhalten. Es können ferner mehrere Einspritzstellen vorgesehen sein.
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Ferner kann bei einem Brennstoffzellensystem vorgesehen sein, 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.
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Weiterhin kann bei einem Brennstoffzellensystem vorgesehen sein, 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.
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Der mindestens eine Wärmeübertrager kann in Form eines Gas-Gas-Wärmeübertragers ausgeführt sein. Auf diese Weise kann ein einfacher in der Konstruktion sowie in der Montage Wärmeübertrager bereitgestellt werden.
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Außerdem kann der mindestens eine Wärmeübertrager dazu ausgebildet sein, thermische Energie von der Zuluft zu der Abluft indirekt, insbesondere ohne Stoffaustausch, bspw. durch Verdampfung und Kondensation eines Arbeitsmediums, zu übertragen. Somit kann ein Wärmeübertrager bereitgestellt werden, der unter Nutzung von Verdampfungswärme des Arbeitsmediums eine hohe Wärmestromdichte erlaubt.
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Des Weiteren ist es denkbar, dass der mindestens eine Wärmeübertrager eine erste Kammer und eine zweite Kammer aufweist, die hermetisch abgeschlossen sind, und durch welche jeweils die Zuluft und die Abluft geleitet werden, und dass insbesondere der mindestens eine Wärmeübertrager mindestens ein Wärmerohr oder mehrere Wärmerohre aufweist, in welchem oder in welchen ein Arbeitsmedium eingeschlossen ist. Auf diese Weise kann ein passiver Wärmeübertrager nach einem Prinzip Heatpipe oder Thermosiphon realisiert werden, der die Wärme durch Verdampfung und Kondensation des Arbeitsmediums überträgt. 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.
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Zudem kann bei einem Brennstoffzellensystem vorgesehen sein, dass der mindestens eine Wärmeübertrager mindestens ein erstes Rohr und mindestens ein zweites Rohr aufweist, die durch den mindestens einen Wärmeübertrager verlegt sind und durch welche jeweils die Zuluft und die Abluft geleitet werden, und dass insbesondere der mindestens eine Wärmeübertrager ein abgeschlossenes Gehäuse aufweist, in welchem ein Arbeitsmedium, bspw. Produktwasser, eingeschlossen ist. Somit kann ein passiver Wärmeübertrager realisiert werden, der die Wärme durch Verdampfung und Kondensation des Arbeitsmediums überträgt. Innerhalb des Wärmeübertragers findet eine Rezirkulation des Arbeitsmediums statt. Der Dampf steigt innerhalb des Wärmeübertragers auf, kondensiert und tropft ab. Die Verdampfung des Arbeitsmediums wird durch aufgeheizte Zuluft angestoßen. Durch Verdampfen nimmt das Arbeitsmedium die Wärme von der Zuluft auf. Die Kondensation des Arbeitsmediums wird durch die kühlere Abluft angestoßen. Durch Kondensation gibt der Dampf die Wärme an die Abluft ab. Das kondensierende Arbeitsmedium tropft ab und sammelt sich wieder im unteren Teil des Wärmeübertragers und steht erneut zur Verdampfung zur Verfügung.
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Ferner kann vorgesehen sein, dass die mindestens eine Wassereinspritzvorrichtung von einer Wassergewinnung im Brennstoffzellensystem entkoppelt ist. Bspw. ist es denkbar, dass mindestens ein Wasserspeicher und/oder ein Wasserabscheider für die Wassergewinnung im Brennstoffzellensystem vorgesehen sind/ist. Durch die Entkoppelung der Wassernutzung von der Wassergewinnung kann eine unabhängige Nutzung des Produktwassers ermöglicht werden, welches zuvor bspw. in einem Wasserspeicher zwischengespeichert worden ist. Somit kann eine aktive, zeitlich nach- oder vorgelagerte, gezielte, steuerbare und/oder regelbare Nutzung des Produktwassers erfolgen. Auf diese Weise kann die mindestens eine Wassereinspritzvorrichtung eine aktive Befeuchtung der Zuluft ermöglichen, die vorteilhafterweise steuerbar und/oder regelbar ist.
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Nach einem weiteren Vorteil kann die mindestens eine Wassereinspritzvorrichtung eine Zerstäubungsanordnung, einen Mischer und/oder eine Verdampfungs- und/oder Verdunstungsstrecke aufweisen. Durch Zerstäubungsanordnung kann das zu dosierende Wasser, zumindest grob, in der Zuluft verteilt werden. Durch einen Mischer kann die zuzuführende Feuchte mit der Zuluft, insbesondere gleichmäßig, vermischt werden. Durch eine Verdampfungs- und/oder Verdunstungsstrecke kann eine gleichmäßige Verteilung des dampfartigen Wassers in der Zuluft erfolgen. Auf diese Weise kann die Zuluft gleichmäßig befeuchtet und gezielt abgekühlt werden. Zudem kann auf diese Weise die Wassertröpfchen-Bildung in der Zuluft vermieden werden.
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Weiterhin kann die mindestens eine Wassereinspritzvorrichtung eine Temperiervorrichtung, insbesondere einen Erhitzer, für das einzuspritzende Wasser aufweisen. Mithilfe der Temperiervorrichtung kann das Wasser auf eine gewünschte Temperatur gebracht werden, um eine schnellere Wasserverdunstung/Verdampfung und somit eine verbesserte Vermischung mit der Zuluft zu bewirken.
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Vorteilhafterweise kann die mindestens eine Wassereinspritzvorrichtung in die Flussrichtung der Zuluft in der Zuluftleitung gesehen nach dem mindestens einen Wärmeübertrager angeordnet sein. Auf diese Weise kann die mindestens eine Wassereinspritzvorrichtung gezielt genutzt werden, um die Restwärme in der Zuluft, vorzugsweise bis zu einem gewünschten bzw. erforderlichen Niveau, abzubauen, die nach dem mindestens einen passiven Wärmeübertrager in der Zuluft verblieben ist.
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Für die Systemtopologien, bei denen zwischen der Zuluftleitung und der Abluftleitung des Kathodensystems mehrere Wärmeübertrager vorgesehen sind, kann vorteilhafterweise jeweils eine Wassereinspritzvorrichtung in die Flussrichtung der Zuluft in der Zuluftleitung gesehen nach jedem Wärmeübertrager angeordnet sein.
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Um die Konstruktion der Komponenten zu vereinfachen und/oder den Bauraum der Komponenten zu reduzieren, kann die mindestens eine Wassereinspritzvorrichtung an und/oder in dem mindestens einen Wärmeübertrager angeordnet und/oder integriert sein.
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Des Weiteren kann vorgesehen sein, dass die mindestens eine Wassereinspritzvorrichtung in die Flussrichtung der Zuluft in der Zuluftleitung gesehen nach mindestens einem Verdichter angeordnet ist, und/oder dass die mindestens eine Wassereinspritzvorrichtung an und/oder in mindestens einem Verdichter angeordnet und/oder integriert ist. Auf diese Weise kann eine ergänzende Maßnahme geschaffen werden, um die verdichtete Zuluft unmittelbar an dem mindestens einen Verdichter in einem gewünschten Maße abzukühlen oder den Verdichtungsprozess zu optimieren bzw. zwischenzukühlen. Diese zusätzliche Wassereinspritzvorrichtung kann insbesondere in Kombination mit der mindestens einen Wassereinspritzvorrichtung eingesetzt werden, die nach dem mindestens einen Wärmeübertrager angeordnet ist.
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Für eine verbesserte Steuerbarkeit und/oder Regelbarkeit der Wärmeübertragung mithilfe des passiven Wärmeübertragers und der aktiven Wassereinspritzvorrichtung kann eine Steuervorrichtung vorgesehen sein, um den mindestens einen Wärmeübertrager und insbesondere die mindestens eine Wassereinspritzvorrichtung anzusteuern.
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Die Ansteuerung, insbesondere der mindestens einen Wassereinspritzvorrichtung, kann erfolgen:
- - um die Kühlung der Zuluft aktiv zu bewirken,
um insbesondere die Zuluft nach dem Durchgang des mindestens einen Wärmeübertragers um einen steuerbaren und/oder regelbaren Betrag der Restwärme, bspw. nach dem Durchgang des mindestens einen Wärmeübertragers, abzukühlen,
und/oder - - um die Zuluft aktiv zu befeuchten.
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Zur Kühlung kann die Einspritzmenge in Abhängigkeit der abzuführenden Restwärme bestimmt werden. Die notwendige zu dosierende Einspritzmenge, die auch eine Feuchteerhöhung ergibt, kann im Wassermanagement bzw. bei der Feuchteregelung berücksichtigt werden.
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Zur Befeuchtung kann das Wassermanagement bzw. die Feuchteregelung eine Erhöhung der Eingangsfeuchte anfordern, wenn bspw. der Stack zu trocken wird. In diesem Falle erfolgt eine Einspritzmenge zur Erhöhung der Kathodeneintrittsfeuchte in den Stack. Dadurch wird auch die Temperatur der Zuluft nach dem Verdichter bzw. nach dem Wärmeübertrager abgesenkt.
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Nach Wunsch und/oder Bedarf und/oder in Abhängigkeit von der Betriebssituation des Brennstoffzellensystems kann zwischen der Kühlregelung und der Feuchteregelung umgeschaltet werden. Vorzugsweise wird die jeweils höhere Anforderung der Kühlregelung oder der Feuchteregelung umgesetzt und entsprechend in allen relevanten Regelungsfunktionen berücksichtigt.
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Die notwendigen Bedingungen zur Einspritzung liegen insbesondere im Heißland-Betrieb, d.h. bei hohen Umgebungstemperaturen, insbesondere verbunden mit hohen Leistungsanforderungen an den Verdichter. Mittels betriebspunktabhängiger Wassereinspritzung können besonders bei solchen Bedingungen die (aus der Sicht des Wassermanagements) notwendigen Systemdrücke durch Befeuchtung und gleichzeitiger Kühlung der Zuluft reduziert werden. Dadurch können die Anforderungen an den Kompressor (wie z. B. die maximale Leistung) und damit auch an den Stack (wie z. B. maximale Leistung) gesenkt werden. Leistungsabregelung/Derating aufgrund erhöhter Temperaturen kann verhindert oder zumindest vermindert werden.
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In Betriebsbereichen, die ohne Wassereinspritzung auskommen, ergibt die Wassereinspritzung keine signifikanten Druckverluste. Aber auch mit Wassereinspritzung ergeben sich bei einem Brennstoffzellensystem im Rahmen der Erfindung keine wesentlichen Druckverluste. Im Gegensatz zu einem Gas-Kühlmittel Wärmeübertrager ergibt sich durch die aktive Wassereinspritzung über den kompletten Betriebsbereich (sowohl aktiver Einspritzung als auch keiner Einspritzung) kein signifikanter Druckverlust.
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Ferner kann bei einem Brennstoffzellensystem vorgesehen sein, dass in der Abluftleitung ein Druckregelventil vorgesehen ist. Mithilfe des Druckregelventils kann der Druck im Kathodenpfad mitbestimmt werden.
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Weiterhin kann bei einem Brennstoffzellensystem vorgesehen sein, dass der mindestens eine Wärmeübertrager in die Flussrichtung der Abluft in der Abluftleitung gesehen vor dem Druckregelventil angeordnet ist. Somit kann ein höheres Druckniveau der Abluft im Wärmeübertrager eingestellt werden. Die Wärmekapazität der Abluft kann dadurch erhöht werden. Durch ein höheres Druckniveau ergibt sich auch ein kleinerer Druckverlust im Wärmeübertrager.
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Des Weiteren kann bei einem Brennstoffzellensystem vorgesehen sein, dass der mindestens eine Wärmeübertrager in die Flussrichtung der Abluft in der Abluftleitung gesehen nach dem Druckregelventil angeordnet ist. Vorteile bei der Anordnung des Wärmeübertragers stromabwärts des Druckregelventils sind u.a., dass das Druckregelventil mit einem Bypassventil in einem Ventilblock zusammengelegt werden kann. Auch ein zusammengefasstes Dreiwegeventil ist bei dem Druckregelventil mit einem Bypassventil denkbar. Ein zusammengefasstes Ventil aus dem Druckregelventil und einem Absperrventil ist außerdem denkbar. Hierbei kann das Druckregelventil als ein Druckregelventil mit einer zusätzlichen Funktion der Abdichtung ausgeführt sein. Ein zusammengelegter Ventilblock, oder ein zusammengefasstes Dreiwegeventil oder ein Druckregelventil mit der Funktion der Abdichtung kann einfacher verschaltet werden, bspw. durch eine gemeinsame Einbindung in den Kabelbaum. Bei der Anordnung des Wärmeübertragers stromabwärts des Druckregelventils ist außerdem eine Kombination des Wärmeübertragers mit einem Schalldämpfer in der Abluftleitung möglich. Darüber hinaus ist bei der Anordnung des Wärmeübertragers stromabwärts des Druckregelventils eine Aufteilung der Abluft möglich.
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Zudem kann bei einem Brennstoffzellensystem vorgesehen sein, dass in der Zuluftleitung mindestens ein Verdichter angeordnet ist. Dabei ist es denkbar, dass der mindestens eine Verdichter als einflutiger Verdichter oder als ein mehrflutiger Verdichter oder als mehrstufiger Verdichter ausgeführt sein kann.
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Mithilfe eines Verdichters können ein entsprechender Luftmassenstrom und ein entsprechendes Druckniveau der Zuluft eingestellt werden.
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Außerdem kann bei einem Brennstoffzellensystem vorgesehen sein, dass der mindestens eine Wärmeübertrager in die Flussrichtung der Zuluft in der Zuluftleitung gesehen nach einem einflutigen Verdichter oder nach der ersten Stufe eines mehrstufigen Verdichters oder nach der zweiten Stufe des mehrstufigen Verdichters angeordnet ist. Auf diese Weise kann der Wärmeübertrager flexibel verschaltet werden, um an unterschiedliche Bauraumerfordernisse und/der Begebenheiten im System angepasst zu werden.
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Denkbar ist zudem, dass mindestens ein Verdichter (P), bspw. der zweite Verdichter, durch eine Turbine (T) antreibbar sein kann, die in der Abluftleitung (12) angeordnet ist. Auf diese Weise kann eine Rekuperation der mechanischen Energie bewirkt werden. Die Turbine (T) kann dabei je nach der Systemauslegung in die Flussrichtung der Abluft (L2) in der Abluftleitung (12) gesehen sowohl vor als auch nach dem mindestens einen Wärmeübertrager (20) angeordnet sein.
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Ferner kann bei einem Brennstoffzellensystem vorgesehen sein, dass der mindestens eine Wärmeübertrager einen ersten Wärmeübertrager und einen zweiten Wärmeübertrager aufweist. Auf diese Weise kann der Wirkungsgrad bei der Wärmeübertragung erhöht werden. Dabei ist es denkbar, dass in die Flussrichtung der Zuluft in der Zuluftleitung gesehen der erste Wärmeübertrager nach der ersten Stufe des mehrstufigen Verdichters und der zweite Wärmeübertrager nach der zweiten Stufe des mehrstufigen Verdichters angeordnet sein können. Ferner ist es denkbar, dass in die Flussrichtung der Abluft in der Abluftleitung gesehen der erste Wärmeübertrager vor oder nach dem zweiten Wärmeübertrager angeordnet sein kann. Darüber hinaus ist es denkbar, dass der erste Wärmeübertrager und der zweite Wärmeübertrager mehrere aufgeteilte oder gemeinsame Wärmeeinkopplungsstellen aufweisen können. Auf diese Weise kann mehr Flexibilität beim Verschalten des Wärmeübertragers, insbesondere in Verbindung mit einem zweistufigen Verdichter, erreicht werden.
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Weiterhin kann der mindestens eine Wärmeübertrager mindestens einen Schalldämpfer an einem Ausgang für die Abluft aus der Abluftleitung in den mindestens einen Wärmeübertrager aufweisen. Des Weiteren ist es denkbar, dass der mindestens eine Wärmeübertrager einen zweiten Schalldämpfer an einem Eingang für die Abluft aus dem mindestens einen Wärmeübertrager in die Abluftleitung aufweisen kann. Somit können Vorteile im Hinblick auf den reduzierten Bauraum und die verbesserte Funktionalität sowie auf die Geräuschsowie Schwingungsdämmung im System erwachsen.
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Vorteilhafterweise kann bei einem Brennstoffzellensystem auf ein oder mehrere Gas-Kühlmittel-Wärmeübertrager verzichtet werden, die mit parasitären Verlusten der elektrischen Energie und mit Druckverlusten in der Zuluft verbunden sind. In mobilen Anwendungen, bspw. in Kraftfahrzeugen, führt dies vorteilhafterweise zur Entlastung eines Fahrzeugkühlers.
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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. Hierbei ist zwischen der Zuluftleitung und der Abluftleitung des Kathodenpfades mindestens ein Wärmeübertrager vorgesehen, der dazu dient, thermische Energie von der Zuluft zu der Abluft passiv zu übertragen. Zudem ist in der Zuluftleitung des Kathodenpfades mindestens eine Wassereinspritzvorrichtung vorgesehen, die dazu dient, die Zuluft in der Zuluftleitung aktiv zu befeuchten und/oder zu kühlen. 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.
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Ferner kann zum Durchführen des Verfahrens eine Steuervorrichtung vorgesehen sein, die den mindestens einen Wärmeübertrager und insbesondere die mindestens eine Wassereinspritzvorrichtung derart ansteuert:
- - um die Kühlung der Zuluft zu bewirken,
um insbesondere die Zuluft nach dem Durchgang des mindestens einen Wärmeübertragers um einen steuerbaren und/oder regelbaren Betrag der Restwärme, bspw. nach dem Durchgang des mindestens einen Wärmeübertragers, abzukühlen, - - und/oder um die Zuluft zu befeuchten.
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Aus Gründen der Betriebssicherheit und der Robustheit des Verfahrens kann die Steuervorrichtung die mindestens eine Wassereinspritzvorrichtung insbesondere derart ansteuern, dass die höhere Anforderung von einer Anforderung einer Temperaturregelung oder einer Anforderung einer Wassermanagementsregelung erfüllt wird.
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Vorteilhfterweise kann die Steuervorrichtung (40) den mindestens einen Wärmeübertrager (40) und insbesondere die mindestens eine Wassereinspritzvorrichtung (30) derart ansteuern, dass eine Umschaltung zwischen einer Temperaturregelung und einer Feuchteregelung durchgeführt wird. Auf diese Weise kann eine flexible Regelung im Kathodensystem bereitgestellt werden, um gewünschte Funktionen bereitzustellen.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele:
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Die Erfindung und deren Weiterbildungen sowie deren Vorteile werden nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen jeweils schematisch:
- 1 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems im Sinne der Erfindung,
- 2 eine schematische Darstellung eines weiteren Brennstoffzellensystems im Sinne der Erfindung,
- 3 eine schematische Darstellung eines weiteren Brennstoffzellensystems im Sinne der Erfindung,
- 4 eine schematische Darstellung eines weiteren Brennstoffzellensystems im Sinne der Erfindung, und
- 5 eine schematische Darstellung eines weiteren Brennstoffzellensystems im Sinne der Erfindung.
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Die 1 bis 5 zeigen jeweils ein Brennstoffzellensystem 100 im Sinne der Erfindung, welches folgende Elemente aufweist: mindestens eine Brennstoffzelle 101 oder mindestens einen Brennstoffzellenstack und ein Kathodensystem 10 zum Bereitstellen eines sauerstoffhaltigen Reaktanten in Form einer Zuluft L1 an die mindestens eine Brennstoffzelle 101. Das Kathodensystem 100 weist dabei 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, bspw. an eine Umgebung U, auf. Am Anfang der Zuluftleitung 11 kann ein Luftfilter AF vorgesehen sein.
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Das Brennstoffzellensystem 100 kann für mobile Anwendungen, wie bspw. in Kraftfahrzeugen, oder für stationäre Anwendungen, wie bspw. in Generatoranlagen, verwendet werden. Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem 100 kann mindestens einen oder mehrere Brennstoffzellenstapel, sog. Brennstoffzellenstacks, mit jeweils mehreren gestapelten Wiederholeinheiten in Form von mehreren Brennstoffzellen 101, bspw., PEM-Brennstoffzellen, aufweisen.
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Die Erfindung schlägt vor, dass zwischen der Zuluftleitung 11 und der Abluftleitung 12 des Kathodenpfades 10 mindestens ein Wärmeübertrager 20 vorgesehen ist, um thermische Energie bzw. Wärme von der Zuluft zu der Abluft passiv zu übertragen, insbesondere antriebsfrei, vorzugsweise ohne eine elektrische Energiezufuhr, bevorzugt indirekt bzw. ohne Stoffaustausch zu übertragen. Der mindestens eine Wärmeübertrager 20 ist somit ein passiver Wärmeübertrager 20.
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Zudem schlägt die Erfindung vor, dass in der Zuluftleitung 11 des Kathodenpfades 10 mindestens eine Wassereinspritzvorrichtung 30 vorgesehen ist, um die Zuluft L1 in der Zuluftleitung 11 aktiv zu kühlen und/oder zu befeuchten, insbesondere steuerbar und/oder regelbar, vorzugsweise im Hinblick auf die gewünschte Temperatur und/oder Feuchte der Zuluft L1, bevorzugt unabhängig bzw. entkoppelt von der Wassergewinnung im Brennstoffzellensystem. Die mindestens eine Wassereinspritzvorrichtung 30 ist somit eine aktive Wassereinspritzvorrichtung 30.
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Wie es zudem die 1 bis 3 mit gestrichelten Linien andeuten, kann die mindestens eine Wassereinspritzvorrichtung 30 das inhärent im System 100 anfallende Wasser als Produkt der chemischen Reaktion in der mindestens einen Brennstoffzelle 101 nutzen, welches bspw. aus der Abluft L2 mithilfe eines Wasserabscheiders WT abgeschieden und in einem Wasserspeicher WS zwischengespeichert werden kann.
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Der mindestens eine Wärmeübertrager 20 kann vorteilhafterweise als Modul bereitgestellt werden.
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Zudem ist es denkbar, dass der mindestens eine Wärmeübertrager 20 integriert in das Kathodensystem 10, bspw. in eine Baugruppe des Kathodensystems 10, wie z. B. mit einem nicht näher dargestellten Schalldämpfer und/oder mit einem, bspw. Turbinen T angetriebenen, Verdichter P, bereitgestellt werden kann.
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Ferner kann im Rahmen der Erfindung eine konstruktive Kombination des mindestens einen Wärmeübertragers 20 mit der mindestens einen Wassereinspritzvorrichtung 30 in einer Baugruppe umgesetzt werden.
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Die Erfindung kombiniert somit zwei verschiedene Komponenten zur Wärmeübertragung, nämlich den mindestens einen Wärmeübertrager 20, und zur Befeuchtung und/oder zur Kühlung der Zuluft, nämlich die mindestens eine Wassereinspritzvorrichtung 30.
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Somit können mithilfe der Erfindung mehrere Vorteile ermöglicht werden:
- - Optimierung der Auslegung des Brennstoffzellensystems im Hinblick auf den Systemwirkungsgrad, auf die Größe des Systems 100 und der Systemkomponenten, wie z. B. des Kompressors bzw. Verdichters P, auf die maximale Verdichter-Leistung, usw.,
- - Eine flexible Steuerung/Regelung des Kathodensystems 10 trotz passiver Wärmeübertragung, um den gesamten Betriebsbereich des Brennstoffzellensystems 100, inklusive der Teillasten und des Dynamikbetriebs sowie des Hochleistungsbetriebs, sogar bei hohen Umgebungstemperaturen, abzudecken,
- - Reduzierung der Druckverluste im Kathodenpfad 10, was eine Verbesserung der Effizienz und ein kleineres Druckverhältnis für den Verdichter P bewirkt,
- - Reduzierung des Bauraums des Systems 100 und der Systemkomponenten,
- - Steuerbare/regelbare, zeitweise, gezielte Befeuchtung der Zuluft L1, um die Funktionalität des Systems 100 zu erweitern,
- - Entfall separater aktiv angetriebener Kühlmittelkreisläufe, dessen Druckverluste eliminiert werden.
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Kern der Idee ist die Kombination der passiven Wärmeübertragung im Kathodensystem 10 mit der aktiven und somit flexiblen Wassereinspritzung in die Zuluftleitung 11. Wie es die 1 bis 5 zeigen, wird hierzu, vorzugsweise stromabwärts des passiven Wärmeübertragers 20 in der Zuluftleitung 11 des Kathodenpfades 10, mindestens eine Wassereinspritzvorrichtung 30, bspw. aufweisend eine Zerstäubungsanordnung 31, ein Mischer Mx und/oder eine Verdampfung/Verdunstungsstrecke, vorgesehen.
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Mithilfe der mindestens einen Wassereinspritzvorrichtung 30 kann die Temperatur der Zuluft L1 geregelt und/oder gesteuert, insbesondere gezielt abgesenkt werden. Die Temperatursenkung kann durch die Verdampfung/Verdunstung des zugeführten Wassers und/oder durch Vermischung der Zuluft L1 mit dem Wasserdampf erfolgen.
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Die Absenkung der Temperatur kann zur Einhaltung von maximal zulässigen Temperaturen am Eingang in den Stack und/oder in eine der nachfolgenden Komponenten, wie z. B. eine weitere Verdichtungsstufe P2, dienen.
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Die Absenkung der Temperatur kann gezielt durchgeführt werden, um die Restwärme nach dem Durchgang des mindestens einen Wärmeübertragers 20 bis zu einem gewünschten Temperaturniveau, bspw. für den Eintritt in den Stack und/oder in eine nachgelagerte Komponente des Kathodensystems 10, abzubauen.
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Nach einem besonderen Vorteil der Erfindung kann durch die Wassereinspritzung neben der Absenkung der Temperatur außerdem die Zuluft L1 befeuchtet werden. Dies kann zur Entlastung des Wassermanagementsystems bzw. des Druckniveaus im Kathodenpfad führen oder zumindest bei der Feuchteregelung berücksichtigt werden.
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Mindestens eine Wassereinspritzvorrichtung 30 kann bspw. in den passiven Wärmeübertrager 20 integriert oder stromabwärts der Flussrichtung der Zuluft L1 in der Zuluftleitung 11 bzw. nach diesem angeordnet werden.
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Zudem kann mindestens eine Wassereinspritzvorrichtung 30 bspw. in einen Verdichter P integriert oder stromabwärts der Flussrichtung der Zuluft L1 in der Zuluftleitung 11 bzw. nach diesem angeordnet werden.
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Die mindestens eine Wassereinspritzvorrichtung 30 kann eine Temperiervorrichtung aufweisen, um das Wasser vorzuwärmen und um eine schnellere/bessere Verdampfung/Verdunstung zu bewirken.
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Wie es die 2 bis 5 des Weiteren andeuten, können mehrere Wassereinspritzvorrichtungen 30 im Kathodenpfad 10 vorgesehen sein.
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Wie oben bereits erwähnt, ist der mindestens eine Wärmeübertrager 20 dazu ausgebildet, thermische Energie von der Zuluft zu der Abluft indirekt, insbesondere ohne Stoffaustausch, zu übertragen.
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Der mindestens eine Wärmeübertrager 20 kann bspw. in Form eines Gas-Gas-Wärmeübertragers ausgeführt sein.
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Außerdem kann der mindestens eine Wärmeübertrager 20 dazu ausgebildet sein kann, thermische Energie von der Zuluft zu der Abluft indirekt, insbesondere ohne Stoffaustausch, bspw. durch Verdampfung und Kondensation eines Arbeitsmediums, zu übertragen.
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Wie es die 1 bis 5 zeigen, kann die mindestens eine Wassereinspritzvorrichtung 30 von einer Wassergewinnung im Brennstoffzellensystem 100 entkoppelt sein. Für die Wassergewinnung im Brennstoffzellensystem 100 kann mindestens ein Wasserspeicher WS und/oder ein Wasserabscheider WT vorgesehen sein, wie dies die 1 bis 3 durch gestrichelte Linien schematisch andeuten.
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Wie es die 1 bis 5 zudem zeigen, kann die mindestens eine Wassereinspritzvorrichtung 30 eine Zerstäubungsanordnung 31, einen Mischer Mx und/oder eine Verdampfungs- und/oder Verdunstungsstrecke aufweisen.
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Wie oben bereits erwähnt kann bei einer Wassereinspritzvorrichtung 30 eine Temperiervorrichtung, insbesondere ein Erhitzer, für das einzuspritzende Wasser vorgesehen sein, um das Wasser auf eine gewünschte Temperatur zu erwärmen und eine schnellere/bessere Verdampfung/Verdunstung zu bewirken.
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Wie oben bereits erwähnt ist und wie es die 1 bis 5 zeigen, kann die mindestens eine Wassereinspritzvorrichtung 30 in die Flussrichtung der Zuluft L1 in der Zuluftleitung 11 gesehen nach dem mindestens einen Wärmeübertrager 20 angeordnet sein. Auf diese Weise kann die mindestens eine Wassereinspritzvorrichtung 30 gezielt genutzt werden, um die Restwärme in der Zuluft L1 abzubauen, die der mindestens eine Wärmeübertrager 20 nicht geschafft hat, bis zu einem erforderlichen Niveau an die Abluft L2 zu übertragen.
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Wie es die 3 und 5 für die Topologien zeigen, bei denen zwischen der Zuluftleitung 11 und der Abluftleitung 12 des Kathodenfades 10 mehrere Wärmeübertrager 20 vorgesehen sind, kann vorteilhafterweise jeweils eine Wassereinspritzvorrichtung 30 in die Flussrichtung der Zuluft L1 in der Zuluftleitung 11 gesehen nach jedem Wärmeübertrager 20 angeordnet sein.
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Um die Konstruktion der Komponenten zu vereinfachen und/oder den Bauraum der Komponenten zu reduzieren, kann die mindestens eine Wassereinspritzvorrichtung 30 an und/oder in dem mindestens einen Wärmeübertrager 20 angeordnet und/oder integriert sein.
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Wie es die 2 und 4 zeigen, kann eine weitere Wassereinspritzvorrichtung 30 in die Flussrichtung der Zuluft L1 in der Zuluftleitung 11 gesehen nach mindestens einem Verdichter P, PP angeordnet sein. Diese weitere Wassereinspritzvorrichtung 30 kann insbesondere in Kombination mit der mindestens einen Wassereinspritzvorrichtung 30 eingesetzt werden, die nach dem mindestens einen Wärmeübertrager 20 angeordnet ist.
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Wie es die 4 schematisch andeutet, kann diese weitere Wassereinspritzvorrichtung 30 an und/oder in mindestens einem Verdichter P, PP angeordnet und/oder integriert sein.
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Wie es die 1 bis 5 schematisch andeuten, kann für eine verbesserte Steuerbarkeit und/oder Regelbarkeit der Wärmeübertragung mithilfe des passiven Wärmeübertragers 20 und der aktiven Wassereinspritzvorrichtung 30 eine Steuervorrichtung 40 vorgesehen sein, um den mindestens einen Wärmeübertrager 20 und insbesondere die mindestens eine Wassereinspritzvorrichtung 30 anzusteuern.
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Die Ansteuerung, insbesondere der mindestens einen Wassereinspritzvorrichtung 30, kann erfolgen:
- - um die Kühlung der Zuluft L1 aktiv zu bewirken,
um insbesondere die Zuluft nach dem Durchgang des mindestens einen Wärmeübertragers 20 um einen steuerbaren und/oder regelbaren Betrag der Restwärme, bspw. nach dem Durchgang des mindestens einen Wärmeübertragers 20, abzukühlen,
und/oder - - um die Zuluft L1 aktiv zu befeuchten.
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Zur Kühlung kann die Einspritzmenge des Wassers in die Zuluft L1 in Abhängigkeit der abzuführenden Restwärme bestimmt werden. Die notwendige zu dosierende Einspritzmenge des Wassers, die auch eine Feuchteerhöhung ergibt, kann vorteilhafterweise im Wassermanagement bzw. bei der Feuchteregelung berücksichtigt werden.
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Zur Befeuchtung kann das Wassermanagement bzw. die Feuchteregelung eine Erhöhung der Eingangsfeuchte anfordern, wenn bspw. der Stack zu trocken wird. In diesem Falle erfolgt eine Einspritzmenge des Wassers zur Erhöhung der Eintrittsfeuchte der Zuluft L1 in den Stack. Dadurch wird auch die Temperatur der Zuluft L1 nach dem Verdichter P abgesenkt.
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Nach Wunsch und/oder Bedarf und/oder in Abhängigkeit von der Betriebssituation des Brennstoffzellensystems 100 kann zwischen der Kühlregelung und der Feuchteregelung umgeschaltet werden. Vorzugsweise wird die jeweils höhere Anforderung mWaterDos der Kühlregelung mWaterReq_Temp oder der Feuchteregelung mWaterReq_Humid umgesetzt und entsprechend in allen relevanten Regelungsfunktionen berücksichtigt:
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Die notwendigen Bedingungen zur Einspritzung ergeben sich insbesondere bei hohen Umgebungstemperaturen, insbesondere verbunden mit hohen Leistungsanforderungen an den Verdichter P. Mittels betriebspunktabhängiger Wassereinspritzung können aus der Sicht des Wassermanagements besonders bei solchen Bedingungen die notwendigen Systemdrücke im Kathodenpfad 10 durch Befeuchtung und gleichzeitiger Kühlung der Zuluft L1 reduziert werden. Dadurch können die Anforderungen an den Verdichter P, insbesondere an die maximale Leistung pmax des Verdichters P, und damit auch an den Stack (wie z. B. maximale Leistung) gesenkt werden.
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In Betriebsbereichen, die ohne Wassereinspritzung auskommen, ergibt die Wassereinspritzung nahezu keine signifikanten Druckverluste. Aber auch in Betriebsbereichen mit Wassereinspritzung ergeben sich keine wesentlichen Druckverluste.
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Wie es die 1 bis 5 zeigen, kann in der Abluftleitung ein Druckregelventil CVexh vorgesehen sein. Mithilfe des Druckregelventils CVexh kann der Druck im Kathodenpfad 10 reguliert werden.
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In den 1 bis 5 ist lediglich beispielhaft gezeigt, dass der mindestens eine Wärmeübertrager 20 in die Flussrichtung der Abluft L2 in der Abluftleitung 12 gesehen vor dem Druckregelventil CVexh angeordnet sein kann.
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Nicht gezeigt aber denkbar sind Topologien, bei denen der mindestens eine Wärmeübertrager 20 in die Flussrichtung der Abluft L2 in der Abluftleitung 12 gesehen nach dem Druckregelventil CVexh angeordnet sein kann.
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Alle 1 bis 5 zeigen, dass in der Zuluftleitung 11 mindestens ein Verdichter P angeordnet ist. Wie es den 1 bis 5 zu entnehmen ist, kann der mindestens eine Verdichter P als einflutiger Verdichter P oder als ein mehrflutiger Verdichter PP (siehe den Verdichter P1.1 und den Verdichter P1.2 in den 2 und 3) oder als mehrstufiger Verdichter PP (siehe die 5) ausgeführt sein. Der Verdichter P gemäß der 4 kann sowohl als ein einflutiger Verdichter P als auch als ein mehrflutiger Verdichter PP ausgeführt sein. Grundsätzlich ist es denkbar, dass ein einstufiger Verdichter als ein einflutiger Verdichter oder als ein mehrflutiger Verdichter ausgeführt sein kann.
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Wie es die 1 bis 5 andeuten, kann der mindestens eine Wärmeübertrager 20 in die Flussrichtung der Zuluft L1 in der Zuluftleitung 11 gesehen nach einem einflutigen Verdichter oder nach der ersten Stufe eines mehrstufigen Verdichters oder nach der zweiten Stufe des mehrstufigen Verdichters angeordnet sein.
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In den 1 bis 3 ist zudem gezeigt, dass mindestens ein Verdichter P, bspw. der zweite Verdichter P2 in den 2 und 3, durch eine Turbine T antreibbar sein kann, die in der Abluftleitung 12 angeordnet ist. Auf diese Weise kann eine Rekuperation der mechanischen Energie der Abluft L2 bewirkt werden, um den Motor M bei dem Antreiben des Verdichters P zu entlasten. Die Turbine T kann dabei je nach der Systemauslegung in die Flussrichtung der Abluft L2 in der Abluftleitung 12 gesehen sowohl vor als auch nach dem mindestens einen Wärmeübertrager 20 angeordnet sein.
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Wie es die 3 und 5 zudem zeigen, kann der mindestens eine Wärmeübertrager 20 einen ersten Wärmeübertrager 21 und einen zweiten Wärmeübertrager 22 aufweisen.
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In der 5 ist beispielhaft gezeigt, dass in die Flussrichtung der Zuluft L1 in der Zuluftleitung 11 gesehen der erste Wärmeübertrager 21 nach der ersten Stufe des mehrstufigen Verdichters PP und der zweite Wärmeübertrager nach der zweiten Stufe des mehrstufigen Verdichters PP angeordnet sein können.
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Ferner ist es aber auch denkbar, dass in die Flussrichtung der Abluft L2 in der Abluftleitung 12 gesehen der erste Wärmeübertrager 21 vor oder nach dem zweiten Wärmeübertrager 22 angeordnet sein kann.
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Darüber hinaus ist es denkbar, dass der erste Wärmeübertrager 21 und der zweite Wärmeübertrager 22 mehrere aufgeteilte oder gemeinsame Wärmeeinkopplungsstellen aufweisen können.
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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.
