-
Die vorgestellte Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem und ein Fahrzeug gemäß den beigefügten Ansprüchen.
-
Stand der Technik
-
Bei Fahrzeugen, bei denen Antriebsenergie auch durch ein Brennstoffzellensystem geliefert wird, wird in der Regel das Oxidationsmittel Sauerstoff aus der Umgebungsluft benutzt, um in der Brennstoffzelle mit Wasserstoff zu Wasser bzw. Wasserdampf zu reagieren und damit durch elektrochemische Wandlung eine elektrische Leistung zu liefern.
-
Die Umgebungsluft wird mittels eines Luftfördersystems bzw. Luftverdichtungssystems dem Brennstoffzellenstapel zugeführt, indem ein entsprechender variabler Luftmassenstrom und ein entsprechendes Druckniveau eingestellt werden.
-
Die Verdichtung der Luft findet in der Regel über eine thermische Strömungsmaschine statt, welche elektromotorisch angetrieben wird. Dabei kann optional zur Luftverdichtung eine Energierückgewinnung der abströmenden feuchten Luft mittels einer Turbine realisiert werden, durch bspw. einen elektrisch angetriebenen Turbolader oder Turbolader ohne E-Antrieb.
-
Höhere Systemdrücke, bspw. zur Leistungserhöhung, erfordern eine zweistufige oder dreistufige Verdichtung und eine Energierekuperation mittels einer Turbinenanordnung zur Verbrauchsoptimierung.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Im Rahmen der vorgestellten Erfindung werden ein Brennstoffzellensystem und ein Fahrzeug vorgestellt. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den jeweiligen 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 Fahrzeug und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.
-
Die vorgestellte Erfindung dient insbesondere dazu, ein effizientes Brennstoffzellensystem bereitzustellen.
-
Es wird somit gemäß einem ersten Aspekt der vorgestellten Erfindung ein Brennstoffzellensystem zum Wandeln von Energie vorgestellt. Das Brennstoffzellensystem umfasst einen ersten Brennstoffzellenstapel, mindestens einen weiteren Brennstoffzellenstapel, ein Luftfördersystem, eine Turbinenanordnung, einen Wärmeüberträger, einen ersten Abgastrakt und mindestens einen weiteren Abgastrakt.
-
Das Luftfördersystem ist dazu konfiguriert, einen Luftstrom über eine Luftzufuhr zu dem ersten Brennstoffzellenstapel und dem mindestens einen weiteren Brennstoffzellenstapel zu leiten.
-
Die Turbinenanordnung umfasst eine erste Turbine und mindestens eine weitere Turbine, die mit einer elektrischen Maschine mechanisch gekoppelt sind, wobei der erste Abgastrakt dazu konfiguriert ist, die erste Turbine mit Abgas aus dem ersten Brennstoffzellenstapel anzuströmen und der mindestens eine weitere Abgastrakt dazu konfiguriert ist, die mindestens eine weitere Turbine mit Abgas aus dem mindestens einen weiteren Brennstoffzellenstapel anzuströmen.
-
Der Wärmeüberträger ist mit der Luftzufuhr, dem ersten Abgastrakt und dem zweiten Abgastrakt wärmeleitend verbunden. Vorzugsweise wird dazu ein passiver Wärmeübertrager eingesetzt d.h. der Wärmeübertragung zwischen den drei gasförmigen Medien vornimmt ohne jegliche Aktuierung. Aufgrund dreier gasförmiger Medienströme kann er auch als Gas-Gas-Gas-Wärmeübertrager bezeichnet werden.
-
Das vorgestellte Brennstoffzellensystem ist insbesondere ein hochperformantes Brennstoffzellensystem, d.h. ein Hochdrucksystem, bei dem bspw. Luft mit einem Druck größer 3 bar, insbesondere größer 3,5 bar (Druckniveau erhöht bei mittleren und insbesondere bei höheren Lastpunkten) zu den jeweiligen Brennstoffzellenstapeln geleitet wird bzw. in dem Brennstoffzellensystem strömt.
-
Die vorgestellte Erfindung basiert auf dem Prinzip, dass ein zentraler Wärmeüberträger sowohl mit einer Luftzufuhr zur Zufuhr von Frischluft in das Brennstoffzellensystem als auch mit Abgaspfaden zum Ableiten von Abgas aus den jeweiligen Brennstoffzellenstapeln des Brennstoffzellensystems verbunden ist. Dies bedeutet, dass Wärme aus einer Luftzufuhr bzw. komprimierter Luft, in ein Abgassystem des Brennstoffzellensystems übertragen wird.
-
Durch die Übertragung der Wärme bzw. thermischer Energie aus der Luftzufuhr in das Abgassystem wird zum einen die zulässige Kathoden-Einlasstemperatur der Stacks (Komponentenschutz) sichergestellt, zum anderen ein Kühlsystem des Brennstoffzellensystems entlastet und zum weiteren ein in die durch das Abgassystem mit Abgas versorgte Turbinenanordnung eingebrachte Energie und, dadurch bedingt, die Effizienz des Brennstoffzellensystems maximiert.
-
Es kann vorgesehen sein, dass das Brennstoffzellensystem lediglich einen Wärmeüberträger umfasst.
-
Durch die Konfiguration des Wärmeüberträgers als einzelner bzw. zentraler Wärmeüberträger, d.h. durch eine Verbindung mit der Luftzufuhr und sämtlichen Abgastrakten sämtlicher Brennstoffzellenstapel werden sämtliche Turbinen der Turbinenanordnung stets mit Abgas gleicher bzw. ähnlicher Temperatur versorgt, da bei einem Unterschied in der Betriebstemperatur bzw. Abgastemperatur zwischen jeweiligen Brennstoffzellenstapeln durch den Wärmeüberträger Energie zwischen den Abgastrakten ausgetauscht und, dadurch bedingt, deren Temperatur angeglichen wird.
-
Ferner bedingt eine Konfiguration des vorgestellten Brennstoffzellensystems mit lediglich einem Wärmeüberträger eine besonders geringe thermische Masse, insbesondere eine gegenüber einer Konfiguration mit separaten Wärmeüberträgern für jeden Brennstoffzellenstapel geringere thermische Masse, sodass sich das vorgestellte Brennstoffzellensystem besonders schnell auf seine Betriebstemperatur erwärmt.
-
Die jeweilige Stack-Betriebstemperatur, die näherungsweise der Kühlmitteltemperatur des Kühlkreises des jeweiligen Brennstoffzellenstapels entspricht, bestimmt die Temperatur im Kathodenabgas des jeweiligen Brennstoffzellenstapels. Ist ein Brennstoffzellenstapel im Standby bzw. ganz abgeschaltet, so durchströmen immer noch das Fluid/' die Fluide der jeweils anderen Abgaspfade den Wärmeüberträger. Im Vergleich zu stapelindividuellen passiven Wärmeübertragern, die beim Standby- oder beim abgeschalteten Fall auskühlen würden, bleibt der hier vorgestellte Wärmeüberträger temperiert und wird entsprechend warmgehalten. Der gemeinsame Wärmeüberträger wird bzw. bleibt vorkonditioniert. Dies hat mehrere Vorteile beim Start-Stopp-Betrieb, wie bspw. die Vermeidung von Kondensation im Abgas vor einer Turbine beim Wiederstart des Stacks bzw. Brennstoffzellenstapels, sodass insbesondere keine Aufwärmzeiten, Komponentenschutz der Turbine und eine energetische Verbesserung durch erhöhte Turbinenleistung beim Wiederstart im Vergleich zu einem kaltem Wärmeüberträger erreicht werden.
-
Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass der Wärmeüberträger nicht mit einem kühlmittelführenden Kühler verbunden ist.
-
Dadurch bedingt, dass der Wärmeüberträger des vorgestellten Brennstoffzellensystems Wärme aus der Luftzufuhr auf das Abgassystem überträgt, kann auf einen Kühler, insbesondere eine Kopplung zu einem fahrzeugseitigen Kühlsystem komplett verzichtet werden.
-
Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass der Wärmeüberträger mit einem kühlmittelführenden Kühler verbunden ist.
-
Um für Extremfälle, wie bspw. im Fehlerfall oder bei besonders hohen Umgebungstemperaturen eine Überhitzung des Brennstoffzellensystems zu verhindern, kann der Wärmeüberträger mit einem Kühler verbunden sein. Dabei kann der Kühler jedoch gegenüber einem Brennstoffzellensystem ohne den erfindungsgemäßen Wärmeüberträger kleiner bzw. mit geringerer thermischer Masse ausgeführt werden.
-
Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass das Brennstoffzellensystem ein Steuergerät umfasst, wobei das Steuergerät dazu konfiguriert ist, den Wärmeüberträger mit dem Kühler wärmeleitend zu koppeln, wenn eine Zulufttemperatur des ersten Brennstoffzellenstapels und/oder eine Zulufttemperatur des mindestens einen weiteren Brennstoffzellenstapels über einem vorgegebenen Schwellenwert liegt Der Schwellenwert ist entsprechend den zulässigen Zulufttemperaturen für den jeweiligen Brennstoffzellenstapel gewählt und sichert somit einen Komponentenschutz für den Brennstoffzellenstapel ab.
-
Zum Koppeln des Wärmeüberträgers mit dem Kühler kann das Steuergerät bspw. ein Ventil, insbesondere ein Mehrwegeventil ansteuern. Entsprechend ermöglicht das Steuergerät eine lediglich bedarfsweise Kopplung des Brennstoffzellensystems mit dem Kühler, sodass insbesondere in einer Aufwärmphase des Brennstoffzellensystems eine thermische Masse bzw. thermische Last des Brennstoffzellensystems minimiert wird.
-
Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass das Brennstoffzellensystem ein Steuergerät umfasst, wobei das Steuergerät dazu konfiguriert ist, eine Spreizung von Betriebstemperaturen der verschiedenen Brennstoffzellenstapel so einzustellen, dass daraus resultierende Ablufttemperaturen die Zuluft kühlen, sodass Kathoden-Eintrittstemperaturen unterhalb eines vorgegebenen Schwellenwertes bleiben.
-
Durch das Steuern jeweiliger Brennstoffzellenstapel derart, dass ein Brennstoffzellenstapel mit einer Betriebstemperatur betrieben wird, die unter einer Betriebstemperatur eines jeweilig anderen Brennstoffzellenstapels liegt, wird eine thermische Reserve zur Übertragung von thermischer Energie aus der Luftzufuhr in das Abgas des Brennstoffzellensystems bereitgestellt. Dies bedeutet, dass eine Kombination von einer Ablufttemperatur des ersten Brennstoffzellenstapels und einer Ablufttemperatur des zweiten bzw. weiteren Brennstoffzellenstapels so geführt wird, dass eine ausreichende Kühlung der Zuluft ermöglicht wird. Entsprechend kann durch Abstimmung bzw. Kombination der Ablufttemperaturen am Eingang des Wärmeüberträgers, resultierend aus den Brennstoffzellenstapeltemperaturen sichergestellt werden, dass die Zuluft immer auf ein ausreichendes Temperaturniveau gekühlt wird und damit die zulässigen Einlasstemperaturen im Kathodenpfad eingehalten werden, sodass auf einen weiteren Kühler verzichtet werden kann.
-
Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass die elektrische Maschine wahlweise durch Anströmen der ersten Turbine und der mindestens einen weiteren Turbine als Generator zum Bereitstellen von elektrischem Strom oder durch Versorgen der elektrischen Maschine mit elektrischen Strom, als Luftfördersystem zum Versorgen des ersten Brennstoffzellenstapels und des mindestens einen weiteren Brennstoffzellenstapels mit Frischluft zu betreiben ist.
-
Um bspw. im Fehlerfall des Luftfördersystems einen Notbetrieb des vorgestellten Brennstoffzellensystems umsetzen zu können, kann die elektrische Maschine der Turbinenanordnung mit elektrischem Strom versorgt werden, sodass die Turbinen Frischluft zu den jeweiligen Brennstoffzellenstapeln fördern und diese „invertiert“, d.h. in gedrehter Konfiguration betreiben. Diese Konfiguration eignet sich bspw. für eine sogenannte „limp home“ Funktion.
-
Gemäß einem zweiten Aspekt betrifft die vorgestellte Erfindung ein Fahrzeug mit einer möglichen Ausgestaltung des vorgestellten Brennstoffzellensystems.
-
Es kann vorgesehen sein, dass das Fahrzeug einen kühlmittelführenden Kühler umfasst, wobei der Wärmeüberträger des Brennstoffzellensystems mit dem Kühler reversibel wärmeleitend gekoppelt ist.
-
Zur reversiblen thermischen Kopplung des Kühlers mit dem Wärmeüberträger kann bspw. ein Ventil in einer Verbindungsleitung zwischen dem Kühler und dem Wärmeüberträger geöffnet oder geschlossen werden.
-
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben sind. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein.
-
Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung einer möglichen Ausgestaltung des vorgestellten Brennstoffzellensystems,
- 2 eine mögliche Ausgestaltung des erfindungsgemäß vorgesehenen Wärmeüberträgers,
- 3 eine mögliche Ausgestaltung des vorgestellten Fahrzeugs.
-
In 1 ist ein Brennstoffzellensystem 100 dargestellt. Das Brennstoffzellensystem 100 umfasst einen ersten Brennstoffzellenstapel 101, einen zweiten Brennstoffzellenstapel 103, ein Luftfördersystem 105 das auf einer ersten Welle 107 läuft, eine Turbinenanordnung 109 mit einer ersten Turbine 111, einer zweiten Turbine 113 und einem Generator 115, die gemeinsam auf einer zweiten Welle 117 laufen, einen Wärmeüberträger 121, einen ersten Abgastrakt 123, einen zweiten Abgastrakt 125 und eine Luftzufuhr 127.
-
Ferner ist ein Steuergerät 119 dargestellt, das sämtliche Komponenten des Brennstoffzellensystems 100 ansteuern kann, um diese einzustellen.
-
Zum Versorgen des ersten Brennstoffzellenstapels 101 und des zweiten Brennstoffzellenstapels 103 mit einem Oxidationsmittel fördert das Luftfördersystem 105 Frischluft durch die Luftzufuhr 127. Dazu werden ein Gebläse bzw. ein Kompressor des Luftfördersystems elektromotorisch über die erste Welle 107 angetrieben. Entsprechend kann ein in der Luftzufuhr 127 anliegender Druck bzw. ein durch die Luftzufuhr strömender Volumenstrom frei, d.h. unabhängig von der Turbinenanordnung 109 eingestellt bzw. geregelt werden.
-
Insbesondere im hochperformanten Betrieb bei einem Druck größer 3 bar benötigt das Luftfördersystem 105 viel Energie zum Erzeugen eines entsprechenden Luftstroms. Um eine Energiebilanz des Brennstoffzellensystems 100 zu optimieren, wird die durch das Luftfördersystem 105 in den Luftstrom eingebrachte Energie zumindest teilweise rückgewonnen, indem der Luftstrom, nachdem dieser den ersten Brennstoffzellenstapel 101 und den zweiten Brennstoffzellenstapel 103 passiert hat, durch den ersten Abgastrakt 123 auf die erste Turbine 111 und durch den zweiten Abgastrakt 125 auf die zweite Turbine geleitet wird, sodass der Generator 115 elektrischen Strom liefert.
-
Da der erste Abgastrakt 123 lediglich die erste Turbine 111 und der zweite Abgastrakt 125 lediglich die zweite Turbine 113 anströmt, können der erste Brennstoffzellenstapel 101 und der zweite Brennstoffzellenstapel 103 unabhängig voneinander betrieben werden. Dies wird dadurch ermöglicht, dass mittels eines ersten Turbinenbypasses 129 ein auf die erste Turbine 111 geleiteter Massenstrom eingestellt werden kann und mittels eines zweiten Turbinenbypasses 131 ein auf die zweite Turbine 113 geleiteter Massenstrom unabhängig von dem auf die erste Turbine 111 geleiteten Massenstrom eingestellt werden kann. Entsprechend können die erste Turbine 111 und die zweite Turbine 113 zu jedem Betriebszustand angeströmt werden, sodass jederzeit rekuperiert werden kann.
-
Der Wärmeüberträger 121 ist mit der Luftzufuhr 127, dem ersten Abgastrakt 123 und dem zweiten Abgastrakt 125 thermisch gekoppelt. Dies bedingt mehrere technische Effekte, die nachfolgend beschrieben werden.
-
Erstens wird thermische Energie aus der Luftzufuhr 127 in den ersten Abgastrakt 123 bzw. den zweiten Abgastrakt 125 übertragen, sodass das Brennstoffzellensystem 100, insbesondere ein Kühlsystem des Brennstoffzellensystems thermisch entlastet wird. Dies bedeutet, dass die Abwärme aus der Zuluft nicht ins Kühlmittel übertragen wird und eine zulässige maximale Eintrittstemperatur in den Kathodenpfad dadurch eingehalten wird, sodass ein Komponentenschutz des Brennstoffzellenstapels sichergestellt ist. Zweitens bewirkt die Übertragung der thermischen Energie aus der Luftzufuhr 127 in den ersten Abgastrakt 123 bzw. den zweiten Abgastrakt 125 eine gegenüber einer Anordnung ohne diese thermische Übertragung erhöhte Energierückgewinnung, d.h. eine höhere Rekuperationsleistung des Generators 115.
-
Drittens bewirkt die Übertragung der thermischen Energie aus der Luftzufuhr 127 in den ersten Abgastrakt 123 bzw. den zweiten Abgastrakt 125 eine Temperaturerhöhung im Abgas, sodass eine Wasseraufnahmekapazität des Abgases gesteigert wird und, insbesondere bei einem Betrieb des ersten Brennstoffzellenstapels 101 und zweiten Brennstoffzellenstapels 103 in einer mit Wasserdampf gesättigten bzw. übersättigten Atmosphäre, eine Reduktion bzw. Vermeidung von Kondensationseffekten, insbesondere eines Eintrags von Wassertropfen in die erste Turbine 111 und die zweite Turbine 113. Entsprechend wird ein besonders hoher Bauteilschutz, insbesondere der Turbinenanordnung 109 erreicht.
-
Ferner bewirkt die thermische Kopplung des ersten Abgastrakts 123 mit dem zweiten Abgastrakt 125 eine Angleichung der thermischen Verhältnisse in dem ersten Abgastrakt 123 und dem zweiten Abgastrakt, unabhängig von einem jeweiligen Betriebszustand des ersten Brennstoffzellenstapels 101 und des zweiten Brennstoffzellenstapels 103.
-
Die jeweilige Betriebstemperatur eines Brennstoffzellenstapels, die näherungsweise der Kühlmitteltemperatur des Kühlkreises des Brennstoffzellenstapels entspricht, bestimmt die Temperatur im Kathodenabgas des Brennstoffzellenstapels 101. Ist der Brennstoffzellenstapel 101 im Standby bzw. ganz abgeschaltet und der Abgasmassenstrom 123 null, so durchströmen immer noch das Fluid bzw. die Fluide der jeweils anderen Abgastrakte 123, 125 den Wärmeüberträger 121.
-
Im Vergleich zu stapelindividuellen passiven Wärmeüberträgern, die beim Standby- oder beim abgeschalteten Fall auskühlen würden, bleibt der hier vorgeschlagene Wärmeüberträger 121 temperiert und wird warmgehalten bzw. bleibt vorkonditioniert. Dies hat mehrere Vorteile beim Start-Stopp-Betrieb, wie bspw. die Vermeidung von Kondensation im Abgas vor einer Turbine beim Wiederstart des Brennstoffzellenstapels 101, keine Aufwärmzeiten, Komponentenschutz der Turbine und/oder energetische Verbesserung durch erhöhte Turbinenleistung beim Wiederstart im Vergleich zu einem kaltem Wärmeüberträger 121.
-
Ferner ist in 1 ein optionaler Kühler 133 dargestellt, der bspw. für den Fall mit dem Wärmeüberträger 121 thermische gekoppelt wird, dass eine Temperatur in der Luftzufuhr unter einem vorgegebenen Schwellenwert liegt. Entsprechend kann der Kühler 133 besonders kompakt in seinem benötigten Bauraum als auch seiner thermischen Masse ausgelegt werden, da dieser keine Standartkühlleistung erbringen muss.
-
Ebenfalls optional ist in 1 ein Bypass 135 dargestellt, mittels dessen Luft aus der Luftzufuhr 127 direkt in einen Auspuff 137, d.h. in Strömungsrichtung hinter die Turbinenanordnung 109 geleitet werden kann. Alternativ dazu kann der Bypass 135 aber auch stromaufwärts der Turbinen eingeleitet werden.
-
Über den Auspuff 137 verlässt das Abgas das Brennstoffzellensystem 100.
-
Über ein erstes Kathodenabsperrventil 139 kann ein Massenstrom an Frischluft zu dem ersten Brennstoffzellenstapel 101 eingestellt, insbesondere unterbrochen werden.
-
Über ein zweites Kathodenabsperrventil 141 kann ein Massenstrom an Frischluft zu dem ersten Brennstoffzellenstapel 103 eingestellt, insbesondere unterbrochen werden.
-
In 2 ist der Wärmeüberträger 121 im Detail dargestellt. Hier ist erkennbar, dass der Wärmeüberträger 121 drei verschiedene Kanäle bzw. Kanalarten umfasst, die sich durch den Wärmeüberträger erstrecken, nämlich einen Zufuhrkanal 201 zum Aufnehmen von durch die Luftzufuhr 127 bereitgestellter Frischluft, einen ersten Abgaskanal 203 zum Aufnehmen von durch den ersten Brennstoffzellenstapel 101 bereitgestelltem Abgas und einen zweiten Abgaskanal 205 zum Aufnehmen von durch den zweiten Brennstoffzellenstapel 103 bereitgestelltem Abgas.
-
Dadurch, dass der mit komprimierter heißer Frischluft beaufschlagte Zufuhrkanal 201 sowohl an den ersten Abgaskanal 203 als auch an den zweiten Abgaskanal 205 grenzt, wird durch den Zufuhrkanal 201 thermische Energie auf den ersten Abgaskanal 203 und den zweiten Abgaskanal 05 übertragen, sodass die Frischluft gekühlt und das Abgas erwärmt wird. Dabei wird eine Temperatur von in dem ersten Abgaskanal 203 strömendem Abgas und in dem zweiten Abgaskanal 205 strömendem Abgas angeglichen.
-
In 3 ist ein Fahrzeug 300 mit dem Brennstoffzellensystem 100 gemäß 1 dargestellt. Das Fahrzeug 300 umfasst einen Kühler 301, der ein durch das Fahrzeug 300 strömendes Kühlmittel kühlt.
-
Vorliegend ist das Brennstoffzellensystem 100 mit dem Kühler 301 des Fahrzeugs 300 verbunden, um bspw. in einem Notbetrieb gekühlt zu werden.
