-
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem.
-
Stand der Technik
-
Bei Fahrzeugen, in denen zumindest ein Teil einer für einen elektrischen Antrieb erforderlichen elektrischen Leistung durch ein Brennstoffzellensystem bereitgestellt wird, werden üblicherweise Verdichter zum Verdichten und Zuführen von Umgebungsluft an das Brennstoffzellensystem integriert. Es sind zahlreiche verschiedene Verdichteranordnungen bekannt, die einflutig, zweiflutig, und ein- oder mehrstufig aufgebaut sind. Oft werden dabei thermische Strömungsmaschinen als Verdichter eingesetzt. Eine zweistufige Verdichteranordnung umfasst beispielsweise einen ersten Verdichter, der über einen elektrischen Antrieb verfügt. Ein nachgeschalteter zweiter Verdichter könnte über eine Turbine angetrieben werden, die in einem Kathodenpfad und insbesondere einem Abluftpfad des Brennstoffzellensystems angeordnet ist. Der elektrische Antrieb ist parasitär, da die elektrische Leistung durch das Brennstoffzellensystem bereitgestellt werden muss.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Eine Aufgabe der Erfindung liegt darin, ein alternatives Brennstoffzellensystem vorzuschlagen, welches eine geringere Komplexität und geringere Kosten aufweist und insbesondere nur eine geringe oder keine elektrische Leistung für den Antrieb eines Verdichters benötigt.
-
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen sind den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung zu entnehmen.
-
Es wird ein Brennstoffzellensystem vorgeschlagen, aufweisend mindestens einen Brennstoffzellenstapel mit einem Zuluftpfad und einem Abluftpfad, eine Verdichteranordnung zum Zuführen von verdichteter Luft an den Zuluftpfad, mindestens eine Oxidationseinrichtung mit einem Wasserstoffeinlass, einem Lufteinlass und einem Produktauslass, und mindestens eine Turbine mit einem Turbineneinlass, der mit dem Produktauslass der Oxidationseinrichtung in Fluidverbindung bringbar ist, wobei die mindestens eine Turbine mit mindestens einem Verdichter der Verdichteranordnung gekoppelt ist, um den betreffenden Verdichter anzutreiben.
-
Als Oxidationseinrichtung wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung insbesondere eine Brennkammer verstanden. Es ist jedoch auch möglich, dass eine Einrichtung zur katalytischen Oxidation und dergleichen hierfür in Betracht kommt. So kann eine Oxidationseinrichtung auch eine katalytische Verbrennung von Wasserstoff durch Sauerstoff vornehmen, bei der die Oxidation anstatt in der Gasphase(wie in der Brennkammer größtenteils an der Oberfläche des Katalysators stattfindet. Die katalytische Verbrennung erreicht nicht so hohe Temperaturen wie die Brennkammer und kann deshalb hinsichtlich Emmissionen, vor allem zwecks NOX-Vermeidung, vorteilhaft sein.
-
Ein Kern der Erfindung liegt darin, einen elektrisch angetriebenen Verdichter durch einen turbinengetriebenen Verdichter mit einer Gasturbine auszustatten, bei der in einer Oxidationseinrichtung Wasserstoff verbrannt wird. Die Oxidationseinrichtung wird über den Wasserstoffeinlass mit Wasserstoff oder einem Wasserstoff aufweisenden Gas, sowie über den Lufteinlass mit Luft versorgt, sodass in der Oxidationseinrichtung eine Verbrennung erfolgt. Als Produkt entsteht sauerstoffabgereicherte, erwärmte und Wasserdampf aufweisende Luft, die der nachgeordneten Turbine zugeführt wird.
-
Die Kombination aus der mindestens einen Turbine und dem betreffenden Verdichter erfüllt ungefähr die Funktion eines Turboladers. Die Turbine und der Verdichter können als eine zusammenhängende Einheit realisiert sein, die auf einer Seite ein Verdichterlaufrad zum Verdichten von Luft und auf der anderen Seite ein Turbinenlaufrad aufweisen könnte, das kontinuierlich das Produkt als Fluidgemisch mit hoher Enthalpie entspannt, um die notwendige Leistung für den Verdichter bereitzustellen. Die beiden Laufräder könnten starr auf einer Welle miteinander verbunden und in einem Turbinenabschnitt und einem Verdichterabschnitt angeordnet sein. Die Welle könnte in einem gemeinsamen Gehäuse gelagert sein und in beide Abschnitte ragen. Die Lagerung könnte dabei auf unterschiedliche Arten ausgeführt sein, unter anderem mit einer Schwimmbuchse oder einem Wälzlager, mit Gaslagern, etwa einem Luftlager, Folienlager, Kippsegmentlager, einem extern druckbeaufschlagten Lager, Herringbonelager, Spiralrillenlager und dergleichen, um axiale und radiale Kräfte aufnehmen. Für den Start des Brennstoffzellensystems und der Verdichteranordnung ist es sinnvoll, die genannte Welle mit einem elektrischen Antrieb zu koppeln, der zum Antrieb jedoch nur eine geringe Leistung erfordert.
-
Es ist günstig, einen Teil der verdichteten Zuluft und/oder einen Teil der Abluft des mindestens einen Brennstoffzellenstapels als Sauerstoff-Lieferant in die Oxidationseinrichtung zu leiten, um dort eine Verbrennung von Wasserstoff zu ermöglichen. Hierzu werden weiter nachfolgend entsprechende Ausführungsformen erläutert. Die Verbrennungsluft ist bevorzugt vorverdichtet. Verdichtete Luft aus dem Abluftpfad und/oder aus einem Bypasspfad und/oder aus einem Zuluftpfad und/oder eine Mischung hiervon kann bevorzugt geregelt, etwa über eine Ventilsteuerung, in die Oxidationseinrichtung geleitet werden.
-
Zum Versorgen der Oxidationseinrichtung mit Wasserstoff kann dieser indirekt oder direkt aus einem Wasserstofftank stammen, der zum Versorgen des mindestens einen Brennstoffzellenstapels dient. Dies erfolgt etwa über einen Anodenkreislauf, zum Beispiel durch eine bereits vorhandene Purgeleitung. Weiter ist denkbar, der Oxidationseinrichtung einen Katalysator nachzuschalten, da bei der Verbrennung von Wasserstoff Stickoxide entstehen können, welche durch den Katalysator reduziert werden.
-
Die erfindungsgemäße Ausführung des Brennstoffzellensystems weist einige Vorteile gegenüber herkömmlichen Brennstoffzellensystemen auf. Die Komplexität, die Kosten und der Bauraumbedarf des Brennstoffzellensystems können durch Wegfall einer Leistungselektronik eines ansonsten elektrisch angetriebenen Verdichters und den Einsatz einer deutlich leistungsreduzierten, kleineren und kostengünstigeren Leistungselektronik für einen vorangehend erwähnten Startantrieb reduziert werden. Weiterhin kann der mindestens eine Brennstoffzellenstapel kleiner dimensioniert werden, da dieser keine elektrische Leistung für die Luftverdichtung bereitstellen muss. Dies führt wiederum zu einer Entlastung des Kühlsystems und folglich einer Einsparung von Bauraum und/oder einer größeren Leistungsreserve, insbesondere für Heißlandfahrten. Eine Turbine kann weiterhin durch Verdampfung von Wassertropfen vor dem Eintritt in die Turbine vor Tropfenschlag geschützt werden.
-
In einer vorteilhaften Ausführungsform ist der Wasserstoffeinlass der mindestens einen Oxidationseinrichtung mit einem Anodenkreis, insbesondere einer Purge-Leitung, des mindestens einen Brennstoffzellenstapels in Fluidverbindung bringbar. Der Wasserstoffgehalt an der Anode kann erhöht werden, ohne Wasserstoff nutzlos über eine Purge-Leistung an die Umgebung zu entsorgen. Damit wird eine gute Funktionalität sichergestellt und eine Gefahr der Degradation durch Wasserstoff-Verarmung auf der Anodenseite verringert. Wird kurzzeitig viel Wasserstoff in der Oxidationseinrichtung benötigt, dann kann die Anode auch gespült werden, sodass ein Purge-Ventil bzw. ein Purge-Drain-Ventil voll geöffnet und nicht getaktet bzw. periodisch betrieben wird. Durch die Nutzung von Wasserstoff aus dem Purge-Gas in der Verbrennung entfällt die sonst übliche Anforderung der Verdünnung des Purge-Gases durch einen hohen Luftmassenstrom, um einen Explosionsschutz zu erreichen. Folglich kann Purge-Gas energetisch genutzt werden, was zu einer Verbesserung des Wasserstoffverbrauchs des Brennstoffzellensystems führt. Die Versorgung mit Wasserstoff erfolgt dabei mit einem niedrigen Druck.
-
In einer vorteilhaften Ausführungsform ist der Wasserstoffeinlass der mindestens einen Oxidationseinrichtung mit einer Wasserstoffversorgungsleitung des mindestens einen Brennstoffzellenstapels in Fluidverbindung bringbar. Dies kann weiterhin mit der Versorgung aus der Purge-Leitung kombiniert werden, etwa durch entsprechende Ventile, um die Versorgung der Oxidationseinrichtung je nach Betriebszustand des Brennstoffzellensystems entsprechend anzupassen.
-
In einer vorteilhaften Ausführungsform ist der Lufteinlass der mindestens einen Oxidationseinrichtung mit dem Abluftpfad des mindestens einen Brennstoffzellenstapels in Fluidverbindung bringbar. Die feuchte Luft aus der Abluft der mindestens einen Brennstoffzelle weist eine höhere Enthalpie durch die Feuchtigkeit auf. Der mindestens eine Brennstoffzellenstapel kann mit unterschiedlichen Stöchiometrien bzw. unterschiedlichen Luftüberschüssen betrieben werden. Ist der Sauerstoffgehalt nach dem mindestens einen Brennstoffzellenstapel noch ausreichend groß, kann dies zur Nutzung in der Oxidationseinrichtung ausreichen. Ist es zu klein, könnten zusätzlich weitere Luftströme beigemischt werden, etwa aus dem Zuluftpfad.
-
In einer vorteilhaften Ausführungsform weist das Brennstoffzellensystem ferner einen Wärmeübertrager auf, der mit dem Zuluftpfad des mindestens einen Brennstoffzellenstapels und einer mit dem Abluftpfad verbundenen Zuluftleitung der mindestens einen Oxidationseinrichtung verbunden ist und dazu ausgebildet ist, Wärme aus dem Zuluftpfad in die Zuluftleitung zu übertragen. Dadurch wird verdichtete warme Luft stromabwärts der Verdichteranordnung gekühlt, etwa durch einen Gas-Gas-Wärmeübertrager. Die Zuluft wird zum Schutz des mindestens einen Brennstoffzellenstapels zusätzlich gekühlt, sodass die Baugröße eines Vorkühlers zum Kühlen der Zuluft reduziert werden kann und/oder ein Druckabfall kann reduziert werden, was eine geringere Verdichterleistung erfordert. Die übertragene Wärme wird an die Abluft abgeführt und nicht in einen Kühlmittelkreis. Dadurch kann ein Kühlsystem im Fahrzeug signifikant entlastet werden. Die übertragene Wärme wird vor die Turbine in die Abluft eingeleitet, etwa vor der Oxidationseinrichtung, sodass sich die Enthalpie der Abluft erhöht und die Turbine eine höhere Leistung abgibt und das System energetisch verbessert wird. Dies ist insbesondere für einen Voll-Lastpunkt auslegungs- und kostenrelevant. Weiterhin kann flüssiges Wasser im Abgas verdampft werden oder die nachfolgende Verdampfung in der Oxidationseinrichtung wird damit verbessert. Dadurch wird auch die Turbine besser vor Tropfenschlag geschützt.
-
In einer vorteilhaften Ausführungsform ist der Lufteinlass der mindestens einen Oxidationseinrichtung mit dem Zuluftpfad des mindestens einen Brennstoffzellenstapels in Fluidverbindung bringbar. Die Verwendung trockener Luft aus dem Zuluftpfad könnte beispielsweise durch eine direkte Kopplung der Oxidationseinrichtung mit dem Zuluftpfad über ein entsprechendes Schaltventil erfolgen. Der für die Verbrennung notwendige Sauerstoff wird als Teilmassenstrom aus dem Zuluftpfad stromabwärts des Verdichters abgezweigt und in die Oxidationseinrichtung geleitet. Hier wird bereits warme Luft der Oxidationseinrichtung hinzugeführt, die nicht mehr in einem Zwischenkühler abgekühlt wird. Dies entlastet die Kühlung durch den nachfolgenden Zwischenkühler.
-
In einer vorteilhaften Ausführungsform ist der Lufteinlass der mindestens einen Oxidationseinrichtung mit einem Brennstoffzellenbypassventil verbunden, das mit dem Zuluftpfad des mindestens einen Brennstoffzellenstapels verbunden ist. Die Oxidationseinrichtung kann auch dann mit Luft versorgt werden, wenn der mindestens eine Brennstoffzellenstapel nicht betrieben oder durch vor- und nachgelagerte Absperrventile sauerstoffverarmt ist. Dies könnte ist beispielsweise in den Betriebszuständen Standby, Start-Stopp und dergleichen der Fall sein.
-
Es ist besonders vorteilhaft, wenn mehrere Arten der Versorgung mit Sauerstoff miteinander kombinierbar sind, um in verschiedenen Betriebszuständen eine optimale Versorgung zu erreichen.
-
Das Führen der gesamten Abluft über die mindestens eine Turbine ist energetisch vorteilhaft.
-
In einer vorteilhaften Ausführungsform weist die Verdichteranordnung einen ersten Verdichter und einen stromabwärts davon angeordneten zweiten Verdichter auf, wobei der erste Verdichter mit einer ersten Turbine gekoppelt ist, wobei der zweite Verdichter mit einer zweiten Turbine gekoppelt ist, und wobei der Produktauslass der mindestens einen Oxidationseinrichtung mit einem Turbineneinlass nur einer der beiden Turbinen gekoppelt ist. Der erste Verdichter wird für eine Vorverdichtung verwendet, der zweite Verdichter für eine nachfolgende, zweite Verdichtungsstufe. Eine der beiden Turbinen kann als eine Gasturbine fungieren, die direkt stromabwärts der Oxidationseinrichtung angeordnet ist. Das aus dem Produktauslass strömende Gas, das mit hoher Enthalpie von der Oxidationseinrichtung in die betreffende Turbine geleitet wird, treibt dort die Turbine an. Ist die weitere Turbine der mit dem Produktauslass verbundenen Turbine nachgeordnet, kann die weitere Enthalpie des ausströmenden Gases zum Antreiben der weiteren Turbine genutzt werden.
-
In einer vorteilhaften Ausführungsform ist der Turbineneinlass der ersten Turbine mit einem Turbinenauslass der zweiten Turbine gekoppelt. Folglich ist die zweite Turbine mit dem Produktauslass der Oxidationseinrichtung verbunden und treibt damit den zweiten Verdichter an. Die erste Turbine kann mit aus der zweiten Turbine ausströmenden Gas beaufschlagt werden und/oder durch Abluft aus dem mindestens einen Brennstoffzellenstapel.
-
In einer vorteilhaften Ausführungsform ist der Turbinenauslass der zweiten Turbine mit dem Lufteinlass der mindestens einen Oxidationseinrichtung verbunden, wobei der Turbineneinlass der ersten Turbine mit dem Produktauslass der Oxidationseinrichtung koppelbar ist. Die zweite Turbine kann folglich durch direkt aus dem mindestens einen Brennstoffzellenstapel austretenden Abluft mit höherer Enthalpie angetrieben werden. Der unveränderte Restsauerstoffgehalt dieser Abluft kann anschließend in die Oxidationseinrichtung zur dortigen Verbrennung eingeleitet werden, sodass erneut ein Gasstrom mit hoher Enthalpie zum Antreiben des ersten Verdichters genutzt werden kann. Zur Erhöhung der Enthalpie des in die zweite Turbine strömenden Abluftstroms kann der vorangehend genannte Wärmeübertrager eingesetzt werden, der mit dem Zuluftpfad koppelbar ist.
-
Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Figuren näher dargestellt.
-
Ausführungsbeispiele
-
Es zeigt:
- 1-9 verschiedene Ausführungsformen eines Brennstoffzellensystems in schematischen Darstellungen;
- 10 eine schematische Darstellung der Versorgung der Oxidationseinrichtung und eines Brennstoffzellenstapels mit Wasserstoff.
-
1 zeigt ein Brennstoffzellensystem 2 mit einer Verdichteranordnung 4, die einen einzelnen ersten Verdichter 6 aufweist, der mit einer ersten Turbine 8 gekoppelt ist. Diese ist mit einem Produktauslass 10 einer Oxidationseinrichtung 12 verbunden, in der Wasserstoff mit Sauerstoff verbrannt wird. Sauerstoff gelangt über einen Lufteinlass 14 in die Oxidationseinrichtung 12, der mit einem Abluftpfad 16 eines Brennstoffzellenstapels 18 verbunden ist. Ein Zuluftpfad 15 ist indes mit dem ersten Verdichter 6 gekoppelt, wobei ein Zwischenkühler 20 dem ersten Verdichter 6 nachgeschaltet ist, um verdichtete Zuluft vor dem Eintreten in den Brennstoffzellenstapel 18 zu kühlen. Stromabwärts des Zwischenkühlers 20 könnte optional ein Befeuchter 22 vorgesehen sein, der mit dem Abluftpfad 16 verbunden ist und Zuluft befeuchtet. Parallel zu dem Brennstoffzellenstapel 18 ist ein Brennstoffzellenbypass 24 angeordnet, der ein Brennstoffzellenbypassventil 26 umfasst, das zum Vorbeileiten von verdichteter Zuluft an dem Brennstoffzellenstapel 18 in den Abluftpfad 16 vorgesehen ist.
-
Der Brennstoffzellenstapel 18 wird mit Wasserstoff aus einem Wasserstofftank 28 versorgt. Hierzu ist ein Anodenkreis 30 vorgesehen, der weiterhin eine Purge-Leitung 32 aufweist. Die Oxidationseinrichtung 12 kann direkt aus dem Wasserstofftank 28 und/oder aus dem Anodenkreis 30, insbesondere über die Purge-Leitung 32, mit Wasserstoff versorgt werden. Durch ein Wasserstoffzufuhrventil 34 kann ein anliegender Wasserstoffdruck eingestellt werden. Der Wasserstoff strömt in einen Wasserstoffeinlass 36. Durch die Verbrennung in der Oxidationseinrichtung 12 entsteht ein Gemisch aus sauerstoffabgereicherter Luft und Wasserdampf, das über einen ersten Turbineneinlass 38 in die erste Turbine 8 strömt.
-
Zum Versorgen der Oxidationseinrichtung 12 mit Luft aus dem Abluftpfad 16 ist eine Zuluftleitung 40 vorgesehen, die mit dem Abluftpfad 16 stromabwärts des Brennstoffzellenbypassventils 26 angeordnet ist. Sollte der Brennstoffzellenstapel 18 nicht betrieben werden, könnte verdichtete Zuluft aus dem Zuluftpfad 15 über den Brennstoffzellenbypass 24 in die Oxidationseinrichtung 12 geraten.
-
Vor dem ersten Verdichter 6 ist ein Luftfilter 42 angeordnet, der Luft aus der Umgebung 44 filtert und dem ersten Verdichter 6 zuführt. Der Abluftpfad 16 des Brennstoffzellenstapels ist über ein Abluftabsperrventil 46 mit der Umgebung 44 verbindbar. Ein erster Turbinenauslass 48 der ersten Turbine 8 ist weiterhin mit der Umgebung 44 verbunden, sodass ausströmendes Gas direkt der Umgebung 44 zugeführt wird.
-
In 2 ist ein Brennstoffzellensystem 50 gezeigt, das etwas gegenüber dem System 2 modifiziert ist. Hier ist die Zuluftleitung 40 ebenso stromabwärts des Brennstoffzellenbypassventils 26 angeordnet, wird jedoch durch einen Wärmeübertrager 52 geführt, der Wärme aus dem Zuluftpfad 15 in die Zuluftleitung 40 überträgt. Damit kann die Zuluft gekühlt werden und die Enthalpie des Verbrennungsprodukts aus dem Produktauslass 10 der Oxidationseinrichtung 12 noch weiter erhöht werden. Der Zwischenkühler 20 ist dem Wärmeübertrager 52 nachgeordnet und ist zwischen dem Brennstoffzellenstapel 18 und dem Brennstoffzellenbypass 24 angeordnet.
-
3 zeigt ein Brennstoffzellensystem 54, welches ähnlich wie das System 2 aufgebaut ist. Hier ist der Lufteinlass 14 der Oxidationseinrichtung 12 jedoch mit dem Zuluftpfad 15 verbunden, wobei der Luftstrom über ein Zuluftventil 56 einstellbar ist.
-
In 4 ist ein Brennstoffzellensystem 56 gezeigt, das auf dem System 2 basiert. Hier ist jedoch der Brennstoffzellenbypass 24 direkt mit dem Lufteinlass 14 der Oxidationseinrichtung 12 verbunden. Dem Zuluftpfad 15 kann folglich direkt ein Teil der verdichteten Zuluft entnommen werden, um sie der Oxidationseinrichtung 12 zuzuführen.
-
5 zeigt ein Brennstoffzellensystem 58, das eine Verdichteranordnung 60 umfasst, die neben dem ersten Verdichter 6 einen stromabwärts gelegenen zweiten Verdichter 62 aufweist. Der erste Verdichter 6 dient der Vorverdichtung von Zuluft. Der zweite Verdichter 62 verdichtet die vorverdichtete Luft auf ein gewünschtes, höheres Druckniveau. Der erste Verdichter 6 ist mit der ersten Turbine 8 gekoppelt. Der zweite Verdichter 62 ist mit einer zweiten Turbine 64 verbunden, welche einen zweiten Turbineneinlass 66 aufweist, der direkt mit dem Produktauslass 10 der Oxidationseinrichtung 12 verbunden ist. Ein zweiter Turbinenauslass 68 ist mit dem ersten Turbineneinlass 38 verbunden. Das Produktgas aus der Oxidationseinrichtung 12 mit hoher Enthalpie treibt die zweite Turbine 64 und damit den zweiten Verdichter 62 an, während die weitere Enthalpie des aus der zweiten Turbine 64 strömenden Gases zum Antrieb des ersten Verdichters 6 genutzt werden kann. Die Versorgung der Oxidationseinrichtung 12 mit Luft und Wasserstoff erfolgt wie in 1 gezeigt.
-
Abluft aus dem Brennstoffzellenstapel 12 kann selektiv durch einen zweiten Turbinenbypass 70, welcher ein zweites Turbinenbypassventil 72 aufweist, an der zweiten Turbine 64 vorbeigeführt werden. Die erste Turbine 8 ist mit einem ersten Turbinenbypass 74 parallelgeschaltet, der ein erstes Turbinenbypassventil 76 aufweist, um selektiv aus der zweiten Turbine 64 strömendes Produktgas an der ersten Turbine 8 vorbeizuführen. Ein erster Verdichterbypass 78 ist weiter vorgesehen, der ein erstes Verdichterbypassventil 80 umfasst, um selektiv Frischluft an dem ersten Verdichter 6 vorbeizuführen.
-
Durch die Turbinenbypässe 70 und 74, den Brennstoffzellenbypass 24 und die Brennstoff-Zudosierung in die Oxidationseinrichtung 12 kann der Massenstrom und das Druckniveau für den Brennstoffzellenstapel 18 entsprechend geregelt werden. Dieses Ausführungsbeispiel ist besonders vorteilhaft da eine flexible Mischung der Zuluft für die Oxidationseinrichtung 12 möglich ist. Möglich ist die Verwendung feuchter Luft aus der Abluft des Brennstoffzellenstapels 18 mit der damit einhergehenden höheren Enthalpie durch Feuchtigkeit und geschlossenem Brennstoffzellenbypass 24. Der Brennstoffzellenstapel kann mit unterschiedlichen Luftüberschüssen betrieben werden. Ist dieser nach dem Brennstoffzellenstapel noch ausreichend groß, kann dies zur Nutzung in der Oxidationseinrichtung 12 ausreichen. Ist er zu klein, dann können unter anderem zwei folgende Varianten genutzt werden. Die Betriebsstrategie zur Nutzung der Oxidationseinrichtung 12 kann flexibel an den Betrieb des Brennstoffzellenstapels 18 angepasst werden. Beispielsweise kann trockene Luft aus dem Zuluftpfad 15 über den Brennstoffzellenbypass 24, wenn beispielsweise der Brennstoffzellenstapel 18 abgeschaltet bzw. sauerstoffverarmt ist, verwendet werden. Dies ist beispielsweise in den Betriebszuständen Standby, Start-Stopp, etc. der Fall. Es kann Abluft auch aus dem Brennstoffzellenstapel 18 über den Brennstoffzellenbypass 24 beigemischt werden. Die Verwendung feuchter Luft aus dem Abluftpfad 16 ist energetisch vorteilhaft, da die gesamte Abluft über die zweite Turbine 64 geführt werden kann. Ein zusätzlicher Befeuchter oder weitere Komponenten sind optional, beispielsweise ein Wärmeübertrager 76, der Wärme aus dem Zuluftpfad 16 zwischen den Verdichtern 6 und 62 in eine Verbindungsleitung 78 zwischen den Turbinen 8 und 64 überträgt. Damit kann eine Zwischenkühlung zwischen den Verdichtern 6 und 62 realisiert werden, was die die notwendige Verdichterleistung des zweiten Verdichters 62 aufgrund einer niedrigeren Eintrittstemperatur der Zuluft verringert und die Enthalpie des Fluidstroms vor Eintritt in die erste Turbine 8 zum Erhöhen der Turbinenleistung zu erhöhen.
-
6 zeigt ein Brennstoffzellensystem 80, das ähnlich zu dem in 5 gezeigten System 58 aufgebaut ist. Hier ist ein Wärmeübertrager 82 gezeigt, der zum Abmildern einer Eintrittstemperatur für die zweite Turbine 64 Wärme von der Oxidationseinrichtung 12 vor dem zweiten Turbineneinlass 66 an das Fluid in der Verbindungsleitung 78 überträgt. Damit wird die Enthalpie des eintretenden Fluidstroms in die erste Turbine 8 und damit die Turbinenleistung der ersten Turbine 8 erhöht.
-
7 zeigt ein Brennstoffzellensystem 84, bei dem ausschließlich die erste Turbine 8 mit der Oxidationseinrichtung 12 gekoppelt ist. Die zweite Turbine 64 wird von Abluft des Brennstoffzellenstapels 18 durchströmt. Die Funktionen der Wärmeübertrager 52 und 76 sowie deren Vorteile sind entsprechend analog wie zu dem Brennstoffzellensystem 58 aus 5 ausgebildet. Der Wärmeübertrager 52 stromabwärts des zweiten Verdichters 62 erhöht die Turbinenleistung an der zweiten Turbine 64, sodass ein effizienterer Betrieb mit geringerem Brennstoffeinsatz erfolgen kann. Der erste Turbinenbypass 74 kann optional eingesetzt werden, wie auch der Wärmeübertrager 76 zur Zwischenkühlung und Brennstoffreduzierung.
-
8 zeigt ein Brennstoffzellensystem 86, bei dem der für die Verbrennung in der Oxidationseinrichtung 12 notwendige Sauerstoff als Teilmassenstrom aus dem Zuluftpfad 15 stromabwärts des ersten Verdichters 6 und stromaufwärts des zweiten Verdichters 62 mittels des aus 3 bekannten Zuluftventils 56 abgezweigt. Hier wird bereits warme Luft der Oxidationseinrichtung 12 hinzugeführt, die nicht mehr in dem Zwischenkühler 20 abgekühlt werden muss. Dieser ist daher stromabwärts der Abzweigstelle des Zuluftventils 56 angeordnet.
-
9 zeigt ein Brennstoffzellensystem 88, bei der zusätzlich Wärme mittels eines Wärmeübertragers 90 von der Oxidationseinrichtung 12 in das Fluid vor Eintritt in die zweite Turbine 64 übertragen werden kann. Dadurch kann die thermische Belastung der ersten Turbine 8 erniedrigt und gleichzeitig die Turbinenleistung der zweiten Turbine 64 erhöht werden.
-
10 zeigt schließlich schematisch die mögliche Kopplung des Wasserstofftanks 28 mit dem Brennstoffzellenstapel 18 und der Oxidationseinrichtung 12. Hier ist der Anodenkreis 30 mit Purge-Leitung 32 nebst einem Purge-Ventil 92 gezeigt. Die Versorgung der Oxidationseinrichtung 12 erfolgt damit mit einem niedrigen Druck. Diese Variante ist besonders vorteilhaft, da das Purge-Gas, welches sonst nach dem Stand der Technik ungenutzt in die Umgebung geleitet wird, genutzt wird. Die Wasserstoff-Konzentration an der Anode des Brennstoffzellenstapels 18 ist möglich, ohne zu große energetische Verluste zu erhalten. Durch die erhöhte Wasserstoff-Konzentration in der Anode wird eine gute Funktionalität sichergestellt und die Gefahr der Degradation durch Wasserstoff-Verarmung auf der Anodenseite gemindert. Wird kurzzeitig viel Wasserstoff in der Oxidationseinrichtung 12 benötigt, dann kann die Anode auch gespült werden, indem das Purge-Ventil 92 voll geöffnet und nicht getaktet bzw. periodisch betrieben wird. Durch die Nutzung von Wasserstoff aus dem Purge-Gas in der Verbrennung entfällt die sonst übliche Anforderung der Verdünnung des Purge-Gases durch einen hohen Luftmassenstrom.
-
Alternativ dazu kann ein Mitteldruckniveau über eine Mitteldruckleitung 94 genutzt werden. Diese schließt sich direkt an ein Druckreduktionsventil 96 an. Weiterhin könnte eine Hochdruckleitung 98 genutzt werden, welche direkt mit dem Wasserstofftank 28 gekoppelt ist. Diese drei Varianten können je nach Betriebszustand des jeweiligen Brennstoffzellensystems miteinander kombiniert werden.
-
Der Vollständigkeit halber werden ein Rezirkulationsgebläse 100 sowie eine Strahlpumpe 102 dargestellt, die über ein Wasserstoffventil 104 mit dem Druckreduktionsventil 96 gekoppelt ist. Der Brennstoffzellenstapel 18 weist eine Anode 106, eine Kathode 108 und einen Kühlmittelpfad 110 auf, der mit einem Kühlsystem gekoppelt ist (nicht gezeigt).
