DE102022119876A1

DE102022119876A1 - Brennstoffzellensystem und Fahrzeug, insbesondere Nutzfahrzeug

Info

Publication number: DE102022119876A1
Application number: DE102022119876.6A
Authority: DE
Inventors: Janik Ricke
Original assignee: ZF CV Systems Global GmbH
Current assignee: ZF CV Systems Global GmbH
Priority date: 2022-08-08
Filing date: 2022-08-08
Publication date: 2024-02-08
Also published as: WO2024033041A2; WO2024033041A3

Abstract

Brennstoffzellensystem (100) für ein Fahrzeug (200a), insbesondere Nutzfahrzeug (200b), umfassend eine Brennstoffzellenanordnung (10) mit einem kathodenseitigen Brennstoffzelleneingang (11) und einem kathodenseitigen Brennstoffzellenausgang (13); einen Verdichter (20), der zur Luftversorgung mit dem Brennstoffzelleneingang (11) fluidleitend verbunden ist; und einen Expander (30) zur Rückgewinnung elektrischer Energie (65) aus einem Abgasstrom (15) der Brennstoffzellenanordnung (10); wobei der Expander (30) mit dem Brennstoffzellenausgang (13) fluidleitend verbunden ist, wobei der Verdichter (20) ein mehrflutiger Verdichter (20) ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem für ein Fahrzeug, insbesondere Nutzfahrzeug, umfassend eine Brennstoffzellenanordnung mit einem kathodenseitigen Brennstoffzelleneingang und einem kathodenseitigen Brennstoffzellenausgang; einen Verdichter, der zur Luftversorgung mit dem Brennstoffzelleneingang fluidleitend verbunden ist; und einen Expander zur Rückgewinnung elektrischer Energie aus einem Abgasstrom der Brennstoffzellenanordnung, wobei der Expander mit dem Brennstoffzellenausgang fluidleitend verbunden ist.
Brennstoffzellensysteme sind allgemein bekannt. In diesen Brennstoffzellensystemen wird der Verdichter dazu benutzt, Luft anzusaugen, zu verdichten und dem kathodenseitigen Brennstoffzelleneingang der Brennstoffzelle zum Durchführen der Brennstoffzellenreaktion zuzuführen. Das verdichtete Stoffgemisch durchläuft den oder die Stacks der Brennstoffzellenanordnung. Das nach dem Abreagieren verbleibende Stoffgemisch tritt als gasförmiger Fluidstrom kathodenseitig aus dem Brennstoffzellenausgang der Brennstoffzellenanordnung wieder aus.
Dieser Fluidstrom weist üblicherweise noch einen Überdruck gegenüber der Umgebung auf und wird daher in den meisten Brennstoffzellensystemen dazu genutzt, als Staudruck die Reaktantenbalance in der Brennstoffzellenanordnung zu beeinflussen und/oder eine Expanderwelle des Expanders anzutreiben. Im Expander kann das auslassseitig austretende Stoffgemisch auf Umgebungsdruck entspannt werden, und die an die Expanderwelle abgegebene Energie wird üblicherweise in elektrische Energie umgewandelt, wenn der Expander mit einem Generator verbunden ist.
Es ist aus dem Stand der Technik bekannt, die vom Expander erzeugte elektrische Energie beispielsweise einem Bordnetz des Fahrzeugs zur Verfügung zu stellen und bisweilen auch, jene elektrische Energie dem Brennstoffzellensystem zugänglich zu machen.
Bei einstufigen Verdichtern ist es aufgrund von Axialkräften nur unter großem Aufwand möglich, ein Verdichtungsverhältnis von mehr als 2,8 zu erreichen. Der Druck in der Verdichterstufe wirkt auf eine Rückenfläche eines Verdichterrades des Verdichters und sorgt damit für eine einseitige axiale Belastung der Rotorwelle. Diese wirkende Kraft ist ohne komplizierte und aufwändige Maßnahmen und/oder kostenintensive Lager wie Spiralrillenlager kaum zu kompensieren. Daher werden in der Praxis meist zweistufige Verdichter eingesetzt, um das mögliche Druckverhältnis zu erhöhen. Einstufig oder auch einflutig bedeutet, dass der Verdichter nur ein Verdichterrad auf einer Verdichterwelle aufweist, welches die Luft verdichtet.
Zweistufige Verdichter sind aus dem Stand der Technik bekannt. Zweistufig bedeutet hierbei, dass die Luft durch zwei typischerweise in Reihe geschaltete und durch eine Welle verbundene Verdichterräder verdichtet wird und dann über einen Ausgang an die Brennstoffzellenordnung weitergegeben wird.
DE 10 2018 214 710 A1 offenbart eine Brennstoffzellenvorrichtung mit einem mindestens eine Brennstoffzelle aufweisenden Brennstoffzellenstapel, zu dessen kathodenseitiger Versorgung mit Luft in einer Kathodenzuluftleitung zwei Verdichter angeordnet sind. Die beiden Verdichter weisen eine asymmetrische Auslegung hinsichtlich mindestens einem ihrer Betriebsparameter auf, da so die Möglichkeit geschaffen ist, die beiden Verdichter unabhängig voneinander auf unterschiedliche Betriebsbereiche hin zu optimieren.
DE 10 2015 202 089 A1 offenbart ein Brennstoffzellensystem mit einem Brennstoffzellenstapel mit Anodenräumen und Kathodenräumen und einer Kathodengasversorgung, umfassend einen Kathodenversorgungspfad zur Zuführung eines Kathodenbetriebsgases in die Kathodenräume und einen Kathodenabgaspfad zur Abführung eines Kathodenabgases aus den Kathodenräumen, eine im Kathodenversorgungspfad angeordnete erste Verdichterstufe und eine stromab der ersten Verdichterstufe im Kathodenversorgungspfad angeordnete zweite Verdichterstufe, einen Membranbefeuchter, der im Kathodenversorgungspfad von dem Kathodenbetriebsgas durchströmbar zwischen der ersten und der zweiten Verdichterstufe sowie im Kathodenabgaspfad von dem Kathodenabgas durchströmbar angeordnet ist.
Die am Anmeldetag noch nicht veröffentlichte DE 10 2022 112 099.6 beschreibt ein Brennstoffzellensystem, insbesondere ein Brennstoffzellensystem für ein Nutzfahrzeug, mit einer Anzahl Brennstoffzellen, einer Anzahl separater Verdichter, die zur Luftversorgung fluidleitend eingangsseitig mit der Anzahl Brennstoffzellen verbunden sind, und einer Anzahl Expander, die fluidleitend ausgangseitig mit der Anzahl Brennstoffzellen verbunden sind, und die mechanisch von den Verdichtern entkoppelt sind, zur Rückgewinnung elektrischer Energie aus einem Abgasstrom der Anzahl Brennstoffzellen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Stand der Technik zu bereichern und eine verbessertes Brennstoffzellensystem bereitzustellen. Insbesondere kann die Aufgabe sein, das Aufkommen von hohen Axialkräften effektiv zu vermeiden und gleichzeitig geeignete Druckverhältnisse zu ermöglichen.
Die Aufgabe wird durch ein Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1 sowie den Gegenständen nach den weiteren unabhängigen Ansprüchen gelöst. Die Unteransprüche geben bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung an.
Gemäß der Erfindung wird ein Brennstoffzellensystem für ein Fahrzeug, insbesondere Nutzfahrzeug, vorgeschlagen. Das Brennstoffzellensystem umfasst eine Brennstoffzellenanordnung mit einem kathodenseitigen Brennstoffzelleneingang und einem kathodenseitigen Brennstoffzellenausgang; einen Verdichter, der zur Luftversorgung mit dem Brennstoffzelleneingang fluidleitend verbunden ist; und einen Expander zur Rückgewinnung elektrischer Energie aus einem Abgasstrom der Brennstoffzellenanordnung, wobei der Expander mit dem Brennstoffzellenausgang fluidleitend verbunden ist; wobei der Verdichter ein mehrflutiger beziehungsweise mehrströmiger Verdichter ist.
Das Fahrzeug, insbesondere Nutzfahrzeug, wird im Folgenden als Fahrzeug bezeichnet. Das Fahrzeug ist ein Brennstoffzellenfahrzeug, dem durch das Brennstoffzellensystem elektrische Energie beispielsweise für ein Bordnetz und/oder einen Antrieb des Fahrzeugs bereitgestellt werden kann.
Die Brennstoffzellenanordnung umfasst eine oder mehrere Brennstoffzellen, die über den kathodenseitigen Brennstoffzelleneingang mit dem Verdichter fluidleitend verbunden sind. Damit kann die Brennstoffzellenanordnung beziehungsweise können die eine oder mehrere Brennstoffzellen mit durch den Verdichter bereitgestellter komprimierter Luft beaufschlagt werden. Die eine oder mehrere Brennstoffzellen sind über den kathodenseitigen Brennstoffzellenausgang mit dem Expander fluidleitend verbunden, wobei die Brennstoffzellenanordnung über den Brennstoffzellenausgang den Expander mit dem Abgasstrom beaufschlagt.
Der Verdichter ist ein mehrflutiger Verdichter. Mit anderen Worten weist der Verdichter mehrere Verdichterräder und eine Verdichterwelle auf, wobei die Verdichterräder über die Verdichterwelle drehfest miteinander verbunden sind. Mehrflutig bedeutet dabei, dass die Verdichterräder auf der Verdichterwelle derart angeordnet sind, dass nicht alle der Verdichterräder zur Verdichtung der Luft pneumatisch miteinander verbunden sind, sondern wenigstens zwei Verdichterräder pneumatisch voneinander getrennt sind. Mit anderen Worten sind die Verdichterräder wenigstens teilweise parallel zueinander geschaltet und bilden somit Stufen, die auch parallel zueinander geschaltet und nicht seriell, d. h. nicht in Reihe zueinander, geschaltet sind.
Dabei wurde erkannt, dass eine vielfältigere aerodynamischen Auslegung der Verdichterstufen möglich ist. Bei einem beispielsweise einflutigen und zweistufigen Verdichter müssten die Stufen aerodynamisch und in Hinblick auf auftretende Axialkräfte aufeinander abgestimmt sein, was bei einem mehrflutigen Verdichter entfallen kann. Dadurch kann eine gezieltere und unabhängigere Auslegung der Stufen auf den Betrieb mit in dem Brennstoffzellensystem erfolgen. Dies trägt zu einer Verbesserung des Wirkungsgrads des Verdichters bei. Bei einem beispielsweise einflutigen und zweistufigen Verdichter wird die Luft auch übermäßig erwärmt, was bei einer mehrflutigen Verdichtung zumindest reduziert ist. Ferner ermöglicht der mehrflutige Verdichter in der Produktion eine Steigerung der Effektivität durch Skaleneffekte durch den Gleichteilansatz, da die Stufen wenigstens teilweise einander entsprechen und beispielsweise die Verdichterräder, Lager und/oder Gehäuseelemente gleichartig ausgebildet sein können.
Vorzugsweise weist der Verdichter zwei Stufen und zwei pneumatisch voneinander getrennte Strömungsabschnitte auf, wobei jedem der Strömungsabschnitte eine Stufe zugeordnet ist. Dabei ist der Verdichter mindestens ein zweiflutiger Verdichter. Die Strömungsabschnitte sind parallel zueinander geschaltet und somit separat voneinander. Die pneumatische Trennung der Strömungsabschnitte und/oder Stufen bedeutet, dass durch einen der Strömungsabschnitte beziehungsweise eine der Stufen strömende Luft nicht durch eine anderen der Strömungsabschnitte beziehungsweise eine der anderen der Stufen strömt.
Vorzugsweise weist der Verdichter einen Verdichterrotor mit zwei Verdichterrädern auf, wobei die Verdichterräder gleichartig zueinander sind. Die Gleichartigkeit der Verdichterräder führt zu einer Vereinfachung der Auslegung, der Konstruktion und der Fertigung des Verdichters und dazu, dass Axialkräfte effektiv kompensiert werden. Damit kompensiert die durch eines der Verdichterräder bei einer Rotation wirkende Axialkraft die durch das andere der Verdichterräder bei der Rotation wirkende Axialkraft. Dabei bedeutet gleichartig, dass die Verdichterräder eine Symmetrie aufweisen, also gespiegelt sind. Dabei kann eines der Verdichterräder als rechtsläufig und ein dem gleichartiges Verdichterrad als linksläufig bezeichnet werden. Abgesehen von der Symmetrie, sind die Verdichterräder von ihren Abmessungen, einer Winkelstellung der Verdichterflügel und ihrer Masse identisch. Ebenfalls kann der Verdichter zwei Voluten aufweisen, die ebenfalls gleichartig sind.
Vorzugsweise weist der Verdichter einen Verdichtereingang zum Anordnen eines Luftfilters auf. Damit kann ein gemeinsamer Luftfilter für die Stufen des Verdichters vorgesehen sein. Alternativ weist der Verdichter zwei Verdichtereingänge zum Anordnen zweier Luftfilter auf. Dadurch kann eine Vereinfachung einer Verrohrung und/oder einer Anordnung von Leitungen zur fluidleitenden Verbindung zwischen dem Luftfilter und dem Verdichter erzielt werden.
Vorzugsweise ist der Expander mechanisch von dem Verdichter entkoppelt. Die mechanische Trennung von Verdichter und Expander bietet konstruktionstechnisch und effizienztechnisch Vorteile gegenüber konventionellen, starren Verbindungen zwischen Verdichter und Expander. Dabei wurde erkannt, dass Expander und Verdichter ihren optimalen Betriebspunkt jeweils bei deutlich unterschiedlichen Drehzahlniveaus haben können. Ferner ermöglicht die mechanische Trennung von Verdichter und Expander, dass verschiedene Systemarchitekturen bereitgestellt werden können, wenn zusätzlich zu der mechanischen Trennung zwischen Verdichter und Expander auch die zwangsweise zahlenmäßige Zuordnung zwischen Verdichter und Expander aufgehoben wird.
Vorzugsweise weist die Brennstoffzellenanordnung eine erste Brennstoffzelle mit einem ersten kathodenseitigen Eingangsabschnitt und eine zweite Brennstoffzelle mit einem zweiten kathodenseitigen Eingangsabschnitt auf, und der Verdichter ist mit dem ersten Eingangsabschnitt und mit dem zweiten Eingangsabschnitt fluidleitend verbunden. Dabei weist der Brennstoffzelleneingang der Brennstoffzellenanordnung die zwei Eingangsabschnitte auf, wobei jeder der Eingangsabschnitte in eine der Brennstoffzellen mündet. Damit kann erzielt werden, dass lediglich ein Verdichter benötigt wird, um die beiden Brennstoffzellen mit Luft zu versorgen.
Vorzugsweise weist der Verdichter einen ersten Strömungsabschnitt mit einem ersten Verdichterausgang und einen von dem ersten Strömungsabschnitt pneumatisch getrennten zweiten Strömungsabschnitt mit einem zweiten Verdichterausgang auf, und der erste Verdichterausgang ist mit dem ersten Eingangsabschnitt fluidleitend verbunden und der zweite Verdichterausgang ist mit dem zweiten Eingangsabschnitt fluidleitend verbunden. Damit wird eine eins-zu-eins-Beziehung zwischen den Verdichterausgängen des Verdichters und den Eingangsabschnitten der Brennstoffzellen hergestellt. Damit mündet genau ein Verdichterausgang in genau einen der Eingangsabschnitte.
Vorzugsweise weist das Brennstoffzellensystem ein Ventil und einen durch das Ventil steuerbaren Leitungszweig zur fluidleitenden Verbindung des ersten Verdichterausgangs mit dem zweiten Eingangsabschnitt auf. Das Ventil und der Leitungszweig können als ein Bypass aufgefasst werden. Damit ist es möglich, die erste Brennstoffzelle zu umgehen, d. h. nicht mit einem Luftdruck zu beaufschlagen, wenn Luft aus dem ersten Verdichterausgang über den Leitungszweig zu dem zweiten Eingangsabschnitt der zweiten Brennstoffzelle geleitet wird und gleichzeitig vermieden wird, dass die erste Brennstoffzelle über den ersten Eingangsabschnitt und den ersten Verdichterausgang mit Druckluft beaufschlagt wird. Damit kann nur eine von mehreren Brennstoffzellen betrieben werden, wenn beispielsweise das Betreiben von allen Brennstoffzellen nicht notwendig und/oder vorgesehen ist.
Vorzugsweise weist das Brennstoffzellensystem eine Mehrzahl von Brennstoffzellen auf, der Verdichter weist zwei Verdichterausgänge auf, und wenigstens einer der Verdichterausgang ist mit zwei Brennstoffzellen fluidleitend verbunden. Damit ist eine weitergehende Verzweigung des Luftdrucks möglich. Der Verdichter kann somit mehr als zwei Brennstoffzellen mit einem Luftmassenstrom beaufschlagen. Dies ist insbesondere für Brennstoffzellen von Vorteil, die mit einem Niederdruck betrieben werden können.
Vorzugsweise weist die Brennstoffzellenanordnung eine Brennstoffzelle auf. Damit kann der Verdichter effektiv auf das Betreiben einer Brennstoffzelle eingerichtet sein, in dem der durch den Verdichter erzielbare Volumenstrom und Druck auf das Betreiben der Brennstoffzelle ausgelegt ist.
Vorzugsweise weist der Verdichter zwei Verdichterausgänge auf, die fluidleitend mit dem kathodenseitigen Brennstoffzelleneingang verbunden sind. Damit sind beide der Verdichterausgänge mit dem Brennstoffzelleneingang bzw. Eingangsabschnitt der Brennstoffzelle verbunden. Die Brennstoffzelle wird somit mit Druckluft aus beiden Verdichterausgängen des Verdichters beaufschlagt.
Vorzugsweise ist der Expander ein mehrstufiger und/oder mehrflutiger Expander. Damit ist es möglich, effektiv eine oder mehrere Brennstoffzellen mit dem Expander fluidleitend zu verbinden.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird ein Fahrzeug, insbesondere Nutzfahrzeug, umfassend das oben beschriebene Brennstoffzellensystem, bereitgestellt. Das Fahrzeug, insbesondere Nutzfahrzeug, kann beispielsweise ein Landfahrzeug zum Transport von Personen und/oder Waren sein. Insbesondere bei Landfahrzeugen kann der Verdichter ein zweiflutiger Verdichter sein, um Anforderungen an einen Bauraum für den Verdichter und an Kosten zu genügen. Das Fahrzeug, insbesondere Nutzfahrzeug, kann auch ein Wasserfahrzeug, insbesondere ein Schiff, beispielsweise ein Frachtschiff sein. Dabei kann der Verdichter auch ein mehrflutiger Verdichter, beispielsweise vierflutig, sechsflutig, etc., mit mehreren Stufen sein, um entsprechende Druckverhältnisse einstellen und eine Anzahl von Brennstoffzellen mit Luftdruck beaufschlagen zu können.
Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung sowie deren technische Effekte ergeben sich aus den Figuren und der Beschreibung der in den Figuren gezeigten bevorzugten Ausführungsformen. Dabei zeigen

1 eine schematische Darstellung eines Fahrzeugs, insbesondere Nutzfahrzeugs, gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
2 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
3 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
4 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
5 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
6 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung; und
7 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.

1 zeigt eine schematische Darstellung eines Fahrzeugs 200a, insbesondere Nutzfahrzeugs 200b, gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
Das Fahrzeug 200a, insbesondere Nutzfahrzeug 200b, wird im Folgenden als Fahrzeug 200a, 200b bezeichnet. Das Fahrzeug 200a, 200b ist beispielsweise ein Landfahrzeug oder ein Wasserfahrzeug.
Das Fahrzeug 200a, 200b weist ein Brennstoffzellensystem 100, eine Energiespeichervorrichtung 110 und einen elektrischen Antrieb 130 auf. Das Brennstoffzellensystem 100 ist dazu eingerichtet, der Energiespeichervorrichtung 110 elektrische Energie 65 bereitzustellen. Die Energiespeichervorrichtung 110 ist beispielsweise eine wiederaufladbare Energiespeichervorrichtung 110 und dient als Pufferbatterie zum Puffern von elektrischer Energie 65. Die Energiespeichervorrichtung 110 ist mit dem elektrischen Antrieb 130 verbunden, um den elektrischen Antrieb 130 mit elektrischer Energie 65 zu versorgen, damit der elektrische Antrieb 110 das Fahrzeug 200a, 200b antreiben kann. Zusätzlich ist das Brennstoffzellensystem 100 mit dem elektrische Antrieb 130 zur direkten Bereitstellung von elektrischer Energie 65 verbunden.
Das Brennstoffzellensystem 100 ist detailliert mit Bezug zu 2 bis 6 beschrieben.
2 zeigt eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems 100 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Das Brennstoffzellensystem 100 ist dazu eingerichtet, in einem Fahrzeug 200a, 200b wie mit Bezug zu 1 beschrieben verwendet zu werden.
Das Brennstoffzellensystem 100 gemäß 2 umfasst eine Brennstoffzellenanordnung 10 mit einem kathodenseitigen Brennstoffzelleneingang 11 und einem kathodenseitigen Brennstoffzellenausgang 13. Die Brennstoffzellenanordnung 10 ist schematisch durch eine gepunktete Linie angedeutet. Die Brennstoffzellenanordnung 10 umfasst eine erste Brennstoffzelle 16a und eine zweite Brennstoffzelle 16b. Die erste Brennstoffzelle 16a weist einen kathodenseitigen ersten Eingangsabschnitt 17a und einen kathodenseitigen ersten Ausgangsabschnitt 18a auf. Die zweite Brennstoffzelle 16b weist einen kathodenseitigen zweiten Eingangsabschnitt 17b und einen kathodenseitigen zweiten Ausgangsabschnitt 18b auf. Damit umfasst der Brennstoffzelleneingang 11 den ersten Eingangsabschnitt 17a und den zweiten Eingangsabschnitt 17b. Der Brennstoffzellenausgang 13 umfasst den ersten Ausgangsabschnitt 18a und den zweiten Ausgangsabschnitt 18b.
Das Brennstoffzellensystem 100 umfasst einen Verdichter 20.
Der Verdichter 20 ist ein mehrflutiger Verdichter 20. In der in 2 gezeigten Ausführungsform weist der Verdichter 20 zwei Stufen 21 a, 21 b und zwei pneumatisch voneinander getrennte Strömungsabschnitte 22a, 22b auf. Jedem der Strömungsabschnitte 22a, 22b ist eine Stufe 21a, 21b zugeordnet.
Der Verdichter 20 weist einen Verdichtereingang 26 auf. Bevor ein Luftstrom über den Verdichtereingang 26 in den Verdichter 20 beziehungsweise zu den Stufen 21 a, 21 b geleitet wird, verzweigt sich der Verdichtereingang 26 in die zwei voneinander getrennten Strömungsabschnitte 22a, 22b.
An dem Verdichtereingang 26 ist ein Luftfilter 40 angeordnet, der Luft, die über den Verdichtereingang 26 den Stufen 21a, 21b zugeführt wird filtert, bevor sich der Verdichtereingang 26 verzweigt.
Der Verdichter 20 umfasst einen Verdichterrotor 23 mit zwei Verdichterrädern 24a, 24b und einer Verdichterwelle 25. Die Verdichterräder 24a, 24b sind an der Verdichterwelle 25 drehfest angeordnet. Damit sind die Verdichterräder 24a, 24b gleichsam mit der Verdichterwelle 25 mit gleicher Drehgeschwindigkeit und in gleicher Drehrichtung rotierbar. Die Verdichterräder 24a, 24b sind auf der Verdichterwelle 25 symmetrisch angeordnet, d.h., jeweilige Eintritte der Verdichterräder 24a, 24b an dem Verdichtereingang 26 sind voneinander abgewandt und Rückseiten der Verdichterräder 24a, 24b sind einander zugewandt.
Der Verdichter 20 weist ein Verdichtergehäuse 28 auf. Der Verdichterrotor 23 beziehungsweise die Verdichterräder 24a, 24b sind innerhalb des Verdichtergehäuses 28 angeordnet. Damit die Strömungsabschnitte 22a, 22b beziehungsweise die Stufen 21a, 21b voneinander getrennt sind, weist der Verdichter 20 zwischen den Verdichterrädern 24a, 24b Wandabschnitte 29a, 29b auf. Die Wandabschnitte 29a, 29b weisen eine Aussparung und/oder Durchgangsöffnung auf (nicht gezeigt), durch die sich die Verdichterwelle 25 erstreckt. Damit kann Luft, die durch einen der Strömungsabschnitte 22a beziehungsweise eine der Stufen 21a strömt, nicht durch den anderen Strömungsabschnitt 22b beziehungsweise die andere Stufe 21b strömen. Die Strömungsabschnitte 22a, 22b sind durch die Wandabschnitte 29a, 29b voneinander physisch getrennt.
Die Verdichterräder 24a, 24b sind gleichartig zueinander. Mit anderen Worten weisen die Verdichterräder 24a, 24b eine Symmetrie auf. Durch die Symmetrie erzielen die beiden Verdichterräder 24a, 24b ein identisches Kompressionsverhältnis und einen identischen Massenstrom, weisen eine identische Masse auf und sind gleichartig herstellbar. Die Symmetrie der Verdichterräder 24a, 24b bedeutet, dass die Verdichterräder 24a, 24b eine gespiegelte Beschaufelung und einen gespiegelten Kranz (nicht gezeigt) aufweisen. Damit weisen die Verdichterräder 24a, 24b ein linksläufiges und ein rechtsläufiges Verdichterrad 24a, 24b auf. Durch eine gleichsinnige Rotation der Verdichterräder 24a, 24b erzeugen die Verdichterräder 24a, 24b durch die symmetrische Anordnung der Verdichterräder 24a, 24b mit den zueinander zugewandten Rücken der Verdichterräder 24a, 24b, den voneinander abgewandten Eintritten der Verdichterräder 24a, 24b und die Rechts- beziehungsweise Linksläufigkeit je eines der Verdichterräder 24a, 24b jeweils eine Kompression von in dem Strömungseingang 26 eintretender Luft.
Der Verdichter 20 weist einen ersten Strömungsabschnitt 22a mit einem ersten Verdichterausgang 27a und einen von dem ersten Strömungsabschnitt 22a pneumatisch getrennten zweiten Strömungsabschnitt 22b mit einem zweiten Verdichterausgang 27b auf. Durch die physische Trennung der Strömungsabschnitte 22a, 22b sind die Verdichterausgänge 27a, 27b voneinander getrennt.
Der Verdichter 20 ist zur Luftversorgung mit dem Brennstoffzelleneingang 11 fluidleitend verbunden. Genauer ist der Verdichter 20 mit dem ersten Eingangsabschnitt 17a der ersten Brennstoffzelle 16a und mit dem zweiten Eingangsabschnitt 17b der zweiten Brennstoffzelle 16b fluidleitend verbunden. Dabei ist der erste Verdichterausgang 27a mit dem ersten Eingangsabschnitt 17a fluidleitend verbunden und der zweite Verdichterausgang 27b ist mit dem zweiten Eingangsabschnitt 17a fluidleitend verbunden. Die fluidleitenden Verbindungen umfassen beispielsweise Rohre und/oder Schläuche.
Das Brennstoffzellensystem 100 umfasst einen Expander 30 zur Rückgewinnung elektrischer Energie 65 aus einem Abgasstrom 15 der Brennstoffzellenanordnung 10, wobei der Expander 30 mit dem Brennstoffzellenausgang 13 fluidleitend verbunden ist. Genauer ist der Expander 30 mit der ersten Brennstoffzelle 16a über den ersten Ausgangsabschnitt 18a und mit der zweiten Brennstoffzelle 16b über den zweiten Ausgangsabschnitt 18b fluidleitend verbunden. Aus jeder der Brennstoffzellen 16a, 16b wird der Abgasstrom 15 zu dem Expander 30 geleitet.
Der Expander 30 ist ein einflutiger und einstufiger Expander 30. Damit weist der Expander 30 einen Expandereingang 36 auf, in den der Abgasstrom 15 mündet. Der Expander 30 weist einen Expanderrotor 33 mit einer Expanderwelle 35 und einem Expanderrad 34 auf. Der Expanderrotor 33 ist in einem Expandergehäuse 38 des Expanders 30 drehbar gelagert. Das Expandergehäuse 38 umfasst zwei Wandabschnitte 39a, 39b. Der Expander 30 weist einen Strömungsabschnitt 32 auf, der den Abgasstrom 15 über den Expandereingang 36, die Expanderstufe 31 zu einem Expanderausgang 37 leitet. Der Abgasstrom 15 kann dabei den Expanderrotor 33 in Rotation versetzten, und so kinetische Energie erzeugen, die durch einen nicht gezeigten Generator in elektrische Energie 65 umwandelbar ist. Der Generator ist mittig in dem Expander 30 angeordnet. D.h. der Expanderrotor 33 ist von einem Stator (nicht gezeigt) umschlossen. Durch eine Drehbewegung des Expanderrotors 33 wird eine Spannung in dem Stator induziert.
Der Expander 30 ist mechanisch von dem Verdichter 20 entkoppelt. Der Expander 30 und der Verdichter 20 sind voneinander separate Bauelemente des Brennstoffzellensystems 100. Der Expander 30 und der Verdichter 20 weisen unterschiedliche und unabhängig voneinander drehbare Rotoren 23, 33 auf.
3 zeigt eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems 100 gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung. 3 wird unter Bezugnahme zu 2 und deren Beschreibung beschrieben.
Die Brennstoffzellenanordnung 10 weist eine Brennstoffzelle 16 auf. Damit weist der Brennstoffzelleneingang 11 einen Eingangsabschnitt 17 auf. Der Brennstoffzellenausgang 13 weist einen Ausgangsabschnitt 18 auf.
Der Verdichter 20 weist zwei Verdichterausgänge 27a, 27b auf, die fluidleitend mit dem kathodenseitigen Brennstoffzelleneingang 11 verbunden sind. Dafür sind Fluidleitungen dazu eingerichtet, komprimierte Luft aus den Verdichterausgängen 27a, 27b zusammenzuführen und der Brennstoffzelle 16 über den Brennstoffzelleneingang 11 beziehungsweise den Eingangsabschnitt 16 gemeinsam zuzuführen.
Der Brennstoffzellenausgang 15 beziehungsweise der Ausgangsabschnitt 18 der Brennstoffzelle 16 ist mit dem Expander 30 fluidleitend verbunden.
4 zeigt eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems 100 gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung. 4 wird unter Bezugnahme zu 2 und deren Beschreibung beschrieben.
Der Verdichter weist zwei Verdichtereingänge 26a, 26b zum Anordnen zweier Luftfilter 40a, 40b auf. Die Luftfilter 40a, 40b sind separat voneinander. Die Luftfilter 40a, 40b können gleichartig zueinander ausgebildet sein und eine identische Filterleistung bei einem identischen Strömungswiderstand bereitstellen zu können.
5 zeigt eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems 100 gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung. 5 wird unter Bezugnahme zu 2 und deren Beschreibung beschrieben.
Das Brennstoffzellensystem 100 umfasst ein Ventil 50 und einen durch das Ventil 50 steuerbaren Leitungszweig 51 zur fluidleitenden Verbindung 52 des ersten Verdichterausgangs 27a mit dem zweiten Eingangsabschnitt 17b. Das Ventil 50 kann durch eine Steuereinheit (nicht gezeigt) zusammen mit den Brennstoffzellen 16a, 16b steuerbar sein. Wenn die erste Brennstoffzelle 16a nicht zu betreiben ist, kann das Ventil 50 den ersten Verdichtereingang 27a mit dem zweiten Eingangsabschnitt 17b fluidleitend verbinden und die fluidleitende Verbindung zwischen dem ersten Verdichtereingang 27a und den ersten Eingangsabschnitt 17a schließen. Damit können selektiv nur die zweite Brennstoffzelle 16b oder beide Brennstoffzellen 16a, 16b mit Druckluft durch den Verdichter 20 beaufschlagt werden.
6 zeigt eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems 100 gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung. 6 wird unter Bezugnahme zu 2 und deren Beschreibung beschrieben.
Das Brennstoffzellensystem 100 beziehungsweise die Brennstoffzellenanordnung 10 weist eine Mehrzahl von drei Brennstoffzellen 16a, 16b, 16c auf. Ein erster Verdichterausgang 27a ist mit zwei Brennstoffzellen 16a, 16b fluidleitend verbunden. Dafür weist die fluidleitende Verbindung zwischen dem Verdichterausgänge 27a und den Brennstoffzelleneingang 11 eine Verzweigung 53 auf. Die Verzweigung 53 ist dazu eingerichtet, ein aus den Verdichterausgang 27a ausgehenden Luftstrom zu verzweigen und über den ersten Eingangsabschnitt 17a der ersten Brennstoffzelle 16a und über den zweiten Eingangsabschnitt 17b der zweiten Brennstoffzelle 16b zuzuführen. Der erste Verdichterausgang 27a ist somit über den ersten Eingangsabschnitt 17a der ersten Brennstoffzelle 16a und über den zweiten Eingangsabschnitt 17b der zweiten Brennstoffzelle 16b fluidleitend verbunden.
Der zweite Verdichterausgang 27b ist mit einer dritten Brennstoffzelle 16c fluidleitend über einen dritten Eingangsabschnitt 17c fluidleitend verbunden.
Der Expander 30 ist mit der ersten Brennstoffzelle 16a über den ersten Ausgangsabschnitt 18a, mit der zweiten Brennstoffzelle 16b über den zweiten Ausgangsabschnitt 18b und mit der dritten Brennstoffzelle 16c über den dritten Ausgangsabschnitt 18c fluidleitend verbunden. Aus jeder der Brennstoffzellen 16a, 16b, 16c wird der Abgasstrom 15 zu dem Expander 30 geleitet.
7 zeigt eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems 100 gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung. 7 wird unter Bezugnahme zu 2 und deren Beschreibung beschrieben.
Der Expander 30 ist mehrstufiger und mehrflutiger Expander 30.
In der in 7 gezeigten Ausführungsform weist der Expander 30 zwei Stufen 31a, 31b und zwei pneumatisch voneinander getrennte Strömungsabschnitte 32a, 32b auf. Jedem der Strömungsabschnitte 32a, 32b ist eine Stufe 31a, 31b zugeordnet.
Der Expander 30 weist zwei Expandereingänge 36a, 36b auf. Durch einen ersten Expandereingang 36a kann Luft in einen der Strömungsabschnitte 32a beziehungsweise in eine der Stufen 31a strömen und durch einen zweiten Expandereingang 36b kann Luft in einen anderen der Strömungsabschnitte 32a beziehungsweise in eine andere der Stufen 31a strömen. Der erste Ausgangsabschnitt 18a ist mit dem ersten Expandereingang 36a fluidleitend verbunden. Der zweite Ausgangsabschnitt 18b ist mit dem zweiten Expandereingang 36b fluidleitend verbunden.
Der Expander 30 umfasst einen Expanderrotor 33 mit zwei Expanderrädern 34a, 34b und einer Expanderwelle 35. Die Expanderräder 34a, 34b sind an der Expanderwelle 35 drehfest angeordnet. Damit sind die Expanderräder 34a, 34b gleichsam mit der Expanderwelle 35 mit gleicher Drehgeschwindigkeit und in gleicher Drehrichtung rotierbar. Die Expanderräder 34a, 34b sind auf der Expanderwelle 35 symmetrisch angeordnet, d.h., jeweilige Ausgänge 37a, 37b der Expanderräder 34a, 34b an dem Expandereingängen 36a, 36b sind voneinander abgewandt und Rückseiten der Expanderräder 34a, 34b sind einander zugewandt.
Der Expander 30 weist ein Expandergehäuse 38 auf. Der Expanderrotor 33 beziehungsweise die Expanderräder 34a, 34b sind innerhalb des Expandergehäuses 38 angeordnet. Damit die Strömungsabschnitte 32a, 32b beziehungsweise die Stufen 31a, 31b voneinander getrennt sind, weist der Expander 30 zwischen den Expanderrädern 34a, 34b Wandabschnitte 39a, 39b auf. Die Wandabschnitte 39a, 39b weisen eine Aussparung und/oder Durchgangsöffnung auf (nicht gezeigt), durch die sich die Expanderwelle 35 erstreckt. Damit kann Luft, die durch einen der Strömungsabschnitte 32a beziehungsweise eine der Stufen 31a strömt, nicht durch den anderen Strömungsabschnitt 32b beziehungsweise die andere Stufe 31b strömen. Die Strömungsabschnitte 32a, 32b sind durch die Wandabschnitte 39a, 39b voneinander physisch getrennt.
Die Expanderräder 34a, 34b sind gleichartig zueinander. Mit anderen Worten weisen die Expanderräder 34a, 34b eine Symmetrie auf. Durch die Symmetrie erzielen die beiden Expanderräder 34a, 34b ein identisches Kompressionsverhältnis, weisen eine identische Masse auf und sind gleichartig herstellbar. Die Symmetrie der Expanderräder 34a, 34b bedeutet, dass die Expanderräder 34a, 34b eine gespiegelte Beschaufelung und einen gespiegelten Kranz (nicht gezeigt) aufweisen. Damit weisen die Expanderräder 34a, 34b ein linksläufiges und ein rechtsläufiges Expanderrad 34a, 34b auf. Durch eine gleichsinnige Rotation der Expanderräder 34a, 34b erzeugen die Expanderräder 34a, 34b durch die symmetrische Anordnung der Expanderräder 34a, 34b mit den zueinander zugewandten Rücken der Expanderräder 34a, 34b, den voneinander abgewandten Eintritten der Expanderräder 34a, 34b und die Rechts- beziehungsweise Linksläufigkeit je eines der Expanderräder 34a, 34b jeweils eine Entspannung beziehungsweise Expansion von in die Strömungseingang 36a, 36b eintretender Luft.
Der Expander 30 weist einen ersten Strömungsabschnitt 32a mit einem ersten Expanderausgang 37a und einen von dem ersten Strömungsabschnitt 32a pneumatisch getrennten zweiten Strömungsabschnitt 32b mit einem zweiten Expanderausgang 37b auf. Durch die physische Trennung der Strömungsabschnitte 32a, 32b sind die Expanderausgänge 37a, 37b voneinander getrennt.
Der Fachmann erkennt, dass die Ausführungsformen gemäß 2 und 7 miteinander kombinierbar sind, um technische Effekte der Merkmale zu erzielen. Beispielsweise kann jeder der Ausführungsformen eine oder mehrere Brennstoffzellen 16, 16a, 16b, 16c aufweisen. In jeder der Ausführungsformen kann der Verdichter 20 einen oder mehrere Verdichtereingänge 26, 26a, 26b aufweisen, kann ein Bypass vorgesehen sein und/oder kann der Expander 30 einflutig oder mehrflutig sein.
Bezugszeichen (Teil der Beschreibung)

10: Brennstoffzellenanordnung
11: Brennstoffzelleneingang
13: Brennstoffzellenausgang
15: Abgasstrom
16, 16a, 16b, 16c: Brennstoffzelle
17, 17a, 17b, 17c: Eingangsabschnitt
18, 18a, 18b, 18c: Ausgangsabschnitt
20: Verdichter
21a, 21b: Stufe
22a, 22b: Strömungsabschnitt
23: Verdichterrotor
24a, 24b: Verdichterrad
25: Verdichterwelle
26, 26a, 26b: Verdichtereingang
27, 27a, 27b: Verdichterausgang
28: Verdichtergehäuse
29a, 29b: Wandabschnitt
30: Expander
31, 31a, 31b: Stufe
32, 32a, 32b: Strömungsabschnitt des Expanders
33: Expanderrotor
34, 34a, 34b: Expanderrad
35: Expanderwelle
36, 36a, 36b: Expandereingang
37, 37a, 37b: Expanderausgang
38: Expandergehäuse
39a, 39b: Wandabschnitt
40, 40a, 40b: Luftfilter
50: Ventil
51: Leitungszweig
52: Verbindung
53: Verzweigung
65: Energie
100: Brennstoffzellensystem
110: Energiespeichervorrichtung
120: Wasserabscheider
130: elektrischer Antrieb
200a: Fahrzeug
200b: Nutzfahrzeug

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102018214710 A1 [0007]
DE 102015202089 A1 [0008]
DE 102022112099 [0009]

Claims

Brennstoffzellensystem (100) für ein Fahrzeug (200a), insbesondere Nutzfahrzeug (200b), umfassend - eine Brennstoffzellenanordnung (10) mit einem kathodenseitigen Brennstoffzelleneingang (11) und einem kathodenseitigen Brennstoffzellenausgang (13); - einen Verdichter (20), der zur Luftversorgung mit dem Brennstoffzelleneingang (11) fluidleitend verbunden ist; und - einen Expander (30) zur Rückgewinnung elektrischer Energie (65) aus einem Abgasstrom (15) der Brennstoffzellenanordnung (10), wobei der Expander (30) mit dem Brennstoffzellenausgang (13) fluidleitend verbunden ist; dadurch gekennzeichnet, dass - der Verdichter (20) ein mehrflutiger Verdichter (20) ist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei der Verdichter (20) zwei Stufen (21a, 21b) und zwei pneumatisch voneinander getrennte Strömungsabschnitte (22a, 22b) aufweist, wobei jedem der Strömungsabschnitte (22a, 22b) eine Stufe (21a, 21b) zugeordnet ist.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei der Verdichter (20) einen Verdichterrotor (23) mit zwei Verdichterrädern (24a, 24b) aufweist, wobei die Verdichterräder (24a, 24b) gleichartig zueinander sind.
Brennstoffzellensystem nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Verdichter (20) einen Verdichtereingang (26) zum Anordnen eines Luftfilters (40) aufweist, oder der Verdichter zwei Verdichtereingänge (26a, 26b) zum Anordnen zweier Luftfilter (40a, 40b) aufweist.
Brennstoffzellensystem nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Expander (30) mechanisch von dem Verdichter (20) entkoppelt ist.
Brennstoffzellensystem nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Brennstoffzellenanordnung (10) eine erste Brennstoffzelle (16a) mit einem ersten kathodenseitigen Eingangsabschnitt (17a) und eine zweite Brennstoffzelle (16b) mit einem zweiten kathodenseitigen Eingangsabschnitt (17b) aufweist, und der Verdichter (20) mit dem ersten Eingangsabschnitt (17a) und mit dem zweiten Eingangsabschnitt (17b) fluidleitend verbunden ist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 6, wobei der Verdichter (20) einen ersten Strömungsabschnitt (22a) mit einem ersten Verdichterausgang (27a) und einen von dem ersten Strömungsabschnitt (22a) pneumatisch getrennten zweiten Strömungsabschnitt (22b) mit einem zweiten Verdichterausgang (27b) aufweist, und der erste Verdichterausgang (27a) mit dem ersten Eingangsabschnitt (17a) fluidleitend verbunden ist und der zweite Verdichterausgang (27b) mit dem zweiten Eingangsabschnitt (17a) fluidleitend verbunden ist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 7, wobei das Brennstoffzellensystem (100) ein Ventil (50) und einen durch das Ventil (50) steuerbaren Leitungszweig (51) zur fluidleitenden Verbindung (52) des ersten Verdichterausgangs (27a) mit dem zweiten Eingangsabschnitt (17b) aufweist.
Brennstoffzellensystem nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Brennstoffzellensystem (100) eine Mehrzahl von Brennstoffzellen (16a, 16b, 16c) aufweist, der Verdichter (20) zwei Verdichterausgänge (27a, 27b) aufweist, und wenigstens einer der Verdichterausgang (27a) mit zwei Brennstoffzellen (16a, 16b) fluidleitend verbunden ist.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Brennstoffzellenanordnung (10) eine Brennstoffzelle (16) aufweist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 10, wobei der Verdichter (20) zwei Verdichterausgänge (27a, 27b) aufweist, die fluidleitend mit dem kathodenseitigen Brennstoffzelleneingang (11) verbunden sind.
Brennstoffzellensystem nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Expander (30) ein mehrstufiger und/oder mehrflutiger Expander (30) ist.
Fahrzeug (200a, 200b), insbesondere Nutzfahrzeug, umfassend ein Brennstoffzellensystem (100) nach einem der vorherigen Ansprüche.