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Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem gemäß dem Gegenstand von Anspruch 1. Die Erfindung betrifft insbesondere ein Fahrzeug mit einem solchen System sowie zweckmäßigerweise ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Brennstoffzellensystems.
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Aus dem Stand der Technik, insbesondere
DE 198 56 499 C1 und
DE 10 2004 051 359 B4 , sind Brennstoffzellensysteme mit Brennstoffzelleneinrichtungen zum Bereitstellen elektrischer Energie hinreichend bekannt, welchen anhand von zwei Ladestufen zweifach verdichtete Zuluft als Betriebsmittel zugeführt wird. Ziel der aktuellen Entwicklungsbemühungen ist es, den Wirkungsgrad solcher Systeme und somit deren Energieeffizienz zu verbessern.
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Die Aufgabe der Erfindung liegt daher darin, eine verbesserte oder zumindest eine andere Ausführungsform eines Brennstoffzellensystems bereitzustellen. Weiterhin soll ein Fahrzeug mit einem solchen Brennstoffzellensystem sowie insbesondere ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Brennstoffzellensystems angegeben werden.
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Bei der vorliegenden Erfindung wird diese Aufgabe insbesondere durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche und der Beschreibung.
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Der Kern der Erfindung liegt darin, dass Zuluft, die anhand der ersten Ladestufe verdichtet ist, vor ihrer Verdichtung anhand der zweiten Ladestufe befeuchtet und gekühlt wird.
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Demnach schlägt die Erfindung ein insbesondere für Fahrzeuganwendungen eingerichtetes Brennstoffzellensystem vor. Es weist eine Brennstoffzelleneinrichtung zum Bereitstellen elektrischer Energie, an die ein Zuluftkanal zum Zuführen von Zuluft zur Brennstoffzelleneinrichtung angeschlossen ist, eine erste Ladestufe, die im Zuluftkanal angeordnet und zum Verdichten von Zuluft eingerichtet ist, eine zweite Ladestufe, die im Zuluftkanal stromab der ersten Ladestufe angeordnet und zum Verdichten von Zuluft eingerichtet ist sowie eine im Zuluftkanal zwischen den beiden Ladestufen angeordnete, zum Einbringen von Wasser in Zuluft und zum Kühlen von Zuluft eingerichtete Konditioniereinrichtung auf. Dadurch ist die anhand der ersten Ladestufe verdichtete Zuluft stromab der ersten Ladestufe kühlbar und kann mit Wasser angereichert werden. Dies führt, wie die Anmelderin in Versuchen festgestellt hat, zu einer Steigerung des isentropen Verdichtungswirkungsgrads der Ladestufen. Das wiederum erlaubt einen energieeffizienten Betrieb des Brennstoffzellensystems mit vergleichsweise hohem Wirkungsgrad. Insbesondere kann auch eine Befeuchter, der nachfolgend auch als Luft-Entfeuchter-Befeuchter-Einrichtung bezeichnet ist, kleiner bauen, da die Zuluft bereits zwischen den beiden Ladestufen befeuchtet wird.
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Die Brennstoffzelleneinrichtung des Brennstoffzellensystems kann durch zumindest einen Brennstoffzellen-Stack realisiert sein. Dieser besitzt seinerseits beispielsweise in gewohnter Weise aufeinandergestapelte Brennstoffzellen, die durch kalte Verbrennung von zugeführten Betriebsmitteln, vorliegend ein Brennstoff mit einem hier als Zuluft bezeichneten Kathodengas, elektrische Energie bereitstellen.
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Der Brennstoffzelleneinrichtung des Brennstoffzellensystems ist zweckmäßigerweise mit einer nicht näher thematisierten Brennstoffzuführanlage und einer Kathodengaszuführanlage ausgestattet, die der Brennstoffzelleneinrichtung die Besagten Betriebsmittel Brennstoff beziehungsweise Zuluft zuführen. Die Kathodengaszuführanlage umfasst zumindest den besagten Zuluftkanal mit den darin angeordneten beiden Ladestufen, die Konditioniereinrichtung und ggf. weitere, nachfolgend beschriebene, im Zuluftkanal angeordnete Komponenten des Brennstoffzellensystems. Die Kathodengaszuführanlage umfasst insbesondere auch einen Abluftkanal, der an der Brennstoffzelleneinrichtung angeschlossen und zum Abführen von Abluft der Brennstoffzelleneinrichtung eingerichtet ist, sowie ggf. weitere im Abluftkanal angeordnete Komponenten.
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Die Erfindung versteht die Ausdrücke „angeordnet im Zuluftkanal“ oder „angeordnet im Abluftkanal“ in dem Sinne, dass eine fluidisch kommunizierende Verbindung ausgebildet ist. Demnach ist beispielsweise der Ausdruck „die erste Ladestufe ist im Zuluftkanal angeordnet“ in dem Sinne zu verstehen, dass die erste Ladestufe fluidisch kommunizierend in den Zuluftkanal eingebaut ist. Das bedeutet insbesondere, dass die erste Ladestufe von Zuluft durchströmbar ist und mit derselben zusammenwirken kann. Weiterhin ist beispielsweise der Ausdruck „die zweite Ladestufe ist im Zuluftkanal angeordnet“ in dem Sinne zu verstehen, dass die zweite Ladestufe fluidisch kommunizierend in den Zuluftkanal eingebaut ist. Das bedeutet insbesondere, dass die zweite Ladestufe von Zuluft durchströmbar ist und mit derselben zusammenwirken kann. Ferner ist beispielsweise der Ausdruck „die Konditioniereinrichtung ist im Zuluftkanal zwischen der ersten Ladestufe und der zweiten Ladestufe angeordnet“ in dem Sinne zu verstehen, dass die Konditioniereinrichtung so in den Zuluftkanal eingebaut ist, dass sie mit den beiden Ladestufen fluidisch kommunizierend verbunden ist.
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Wenn die Erfindung davon spricht, dass der Zuluftkanal und/oder der Abluftkanal an der Brennstoffzelleneinrichtung angeschlossen sind, ist dies ebenfalls zweckmäßigerweise im Sinne einer fluidisch kommunizierenden Verbindung zu verstehen. Demnach bedeutet beispielsweise der Ausdruck „der Zuluftkanal ist an der Brennstoffzelleneinrichtung angeschlossen“, dass eine fluidisch kommunizierende Verbindung ausgebildet ist. Das bedeutet insbesondere, dass Zuluft durch den Zuluftkanal strömt.
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Die Erfindung versteht unter „aufgeladener Zuluft“ oder „verdichteter Zuluft“, solche Zuluft, die anhand der ersten Ladestufe verdichtet ist. Weiterhin versteht die Erfindung unter „zweifach aufgeladener Zuluft“ oder" zweifach verdichteter Zuluft", solche anhand der ersten Ladestufe aufgeladene oder verdichtete Zuluft, die anhand der zweiten Ladestufe verdichtet ist. D.h. die Begriffe „verdichten“ und „aufladen“ werden vorliegend synonym verwendet.
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Der Zuluftkanal kann beispielsweise durch eine Rohrleitung realisiert sein. Gleichermaßen kann der Abluftkanal durch eine Rohrleitung realisiert sein.
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Durch den Zuluftkanal erstreckt sich zweckmäßigerweise ein Fluidpfad, entlang dem in einer zur Brennstoffzelleneinrichtung gerichteten Strömungsrichtung ein Zuluftstrom von Zuluft strömt. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die zweite Ladestufe bezüglich der Strömungsrichtung stromab der ersten Ladestufe im Zuluftkanal angeordnet ist. Ferner kann sich der Fluidpfad in der nachfolgenden Reihenfolge durch die Komponenten des Brennstoffzellensystems erstrecken: Die erste Ladestufe, die Konditioniereinrichtung und durch die zweite Ladestufe. Demnach ist die Konditioniereinrichtung strömungsmechanisch zwischen die beiden Ladestufen geschaltet. Analog dazu kann weiterhin vorgesehen sein, dass sich durch den Abluftkanal ein Fluidpfad erstreckt, entlang dem in einer von der Brennstoffzelleneinrichtung wegführenden Strömungsrichtung ein Abluftstrom von Abluft strömt.
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Es ist weiterhin zu erwähnen, dass die Zuluft von Umgebungsluft, zweckmäßigerweise von gefilteter Umgebungsluft, realisiert sein kann.
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Zweckmäßig ist weiterhin, wenn die besagte Konditioniereinrichtung eine Einbringeinrichtung zum Einbringen von Wasser in die verdichtete Zuluft und einen Zwischenkühler zum Kühlen der verdichteten Zuluft aufweist. Das anhand der Einbringeinrichtung in die Zuluft eingebrachte Wasser dient in erster Linie dazu, die Zuluft zu befeuchten, beispielsweise auf eine vorgegebene relative Luftfeuchtigkeit. Weiterhin erfüllt das in die Zuluft eingebrachte Wasser eine Kühlfunktion, da es die Zuluft in gewissen Maße kühlt. Der Zwischenkühler dient in erster Linie dazu, die Zuluft abzukühlen, beispielsweise auf ein vorgegebenes Temperaturniveau. Anhand des Zwischenkühlers kann jedoch auch wie eine Verdampfereinheit und/oder ein Tropfenabscheider wirken.
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Der Zwischenkühler kann durch einen indirekten Ladeluftkühler, der in der Praxis auch als iCAC (englisch: indirect charge-air cooler) bezeichnet ist, realisiert sein. Das bedeutet insbesondere, dass er zwei separate, fluidisch getrennte jedoch thermisch gekoppelte Kühlkreise besitzt, wobei die verdichtetet Zuluft durch den einen Kühlkreis und ein Kühlmittel, insbesondere eine Kühlflüssigkeit, durch den anderen Kühlkreis geführt ist. Dadurch wird Wärmeenergie von der verdichteten Zuluft auf das Kühlmittel und anschließend vom Kühlmittel an Umgebungsluft übertragen. Zweckmäßigerweise ist der Zwischenkühler dabei an einen Kühlmittelkreislauf angeschlossen, durch den ein Kühlmittel zum Kühlen des Zwischenkühlers zirkuliert. Der Kühlmittelkreislauf kann insbesondere ein Kühlmittelkreislauf eines mit dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem ausgerüsteten Fahrzeugs bilden. Weiterhin kann der Zwischenkühler luftseitig eine Verdampfereinheit und/oder einen Tropfenabscheider aufweisen. Dadurch kann die im Zuluftkanal stromab der Konditioniereinrichtung angeordnete zweite Ladestufe befeuchtet und effizient vor Beschädigungen durch im Zuluftstrom mitgeführten Wassertropfen geschützt werden.
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Es ist außerdem möglich, dass der Zwischenkühler durch einen direkten Kühler realisiert ist. Ein direkter Kühler im Sinne der Erfindung kann dadurch realisiert sein, dass beispielsweise ein Ventilator oder dergleichen Umgebungsluft des Brennstoffzellensystems direkt auf den Zuluftkanal bläst. Die Kühlung der Zuluft wird demnach ohne zusätzliches Kühlmittel unmittelbar mit Umgebungsluft realisiert. Dadurch wird Wärmeenergie von der verdichteten Zuluft direkt an die Umgebungsluft übertragen.
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Weiterhin kann die besagte Einbringeinrichtung entweder durch einen Wasserinjektor oder eine 2-Stoff-Düse realisiert sein. Anhand des Wasserinjektors wird reines Wasser in die Zuluft eingebracht, um dieselbe zu befeuchten. Der Wasserinjektor kann zu diesem Zweck beispielsweise mit wenigstens einer Düse ausgerüstet sein, die das Wasser in den Zuluftkanal in die Zuluft eindüst. Die besagte 2-Stoff-Düse ist zweckmäßigerweise dazu eingerichtet, reines Wasser und ein Druckmedium in den Zuluftkanal in die Zuluft einzubringen. Bevorzugt ist das Druckmedium Druckluft, welches im Betrieb der 2-Stoff-Düse in einem Reservoir bereitgestelltes reines Wasser mitreist und in den Zuluftkanal in die Zuluft trägt. Dadurch ist eine einfache Realisierung der Konditioniereinrichtung angegeben.
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Weiterhin kann vorgesehen sein, dass die erste Ladestufe eine Expansionsturbine und einen im Zuluftkanal angeordneten Verdichter zum Verdichten von Zuluft aufweist. Die Expansionsturbine und der Verdichter der ersten Ladestufe können mit einer gemeinsamen Welle der ersten Ladestufe antriebsmäßig gekoppelt oder auf der gemeinsamen Welle angeordnet sein. Dadurch ist eine einfach und kostengünstig zu realisierende Ausführungsform für die erste Ladestufe des Brennstoffzellensystems angegeben. Die Expansionsturbine ist zweckmäßigerweise in dem besagten Abluftkanal des Brennstoffzellensystems angeordnet, der seinerseits an der Brennstoffzelleneinrichtung angeschlossen und zum Abführen von Abluft von der Brennstoffzelleneinrichtung eingerichtet ist. Im Betrieb des Brennstoffzellensystems ist die Expansionsturbine von einem Abluftstrom von Abluft der Brennstoffzelleneinrichtung durchströmt, der in der Expansionsturbine expandiert und Arbeit verrichtet. Die verrichtete Arbeit kann anhand der Expansionsturbine und der besagten Welle von der Expansionsturbine zum Verdichter abgeführt und dort zum Verdichten von Zuluft verwendet werden.
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Die zweite Ladestufe kann einen im Zuluftkanal angeordneten Verdichter zum Verdichten von Zuluft und einen Antriebsmotor zum Antreiben des Verdichters der zweiten Ladestufe aufweisen. Der Verdichter der zweiten Ladestufe sowie der besagte Antriebsmotor können mit einer gemeinsamen Welle der zweiten Ladestufe antriebsmäßig gekoppelt oder auf der gemeinsamen Welle angeordnet sein. Dadurch ist eine einfach und kostengünstig zu realisierende Ausführungsform für die zweite Ladestufe des Brennstoffzellensystems angegeben. Zur Realisierung eines geringen Bauraumbedarfs des Brennstoffzellensystems kann insbesondere vorgesehene sein, dass der Antriebsmotor der zweiten Ladestufe durch einen Elektromotor realisiert ist.
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Alternativ kann sich die zweite Ladestufe dadurch auszeichnen, dass sie einen im Zuluftkanal angeordneten Verdichter zum Verdichten von Zuluft aufweist, der mit der Welle der ersten Ladestufe, insbesondere in einem zwischen der Expansionsturbine der ersten Ladestufe und dem Verdichter der ersten Ladestufe begrenzten Wellenbereich der Welle, antriebsmäßig gekoppelt ist. Zusätzlich kann die zweite Ladestufe einen Antriebsmotor, insbesondere einen Elektromotor, aufweisen, der ebenfalls mit der Welle der ersten Ladestufe, insbesondere in einem zwischen dem Verdichter der zweiten Ladestufe und der Expansionsturbine der ersten Ladestufe begrenzten Wellenbereich der Welle, antriebsmäßig gekoppelt ist. Hierbei ist es zumindest denkbar, dass der Antriebsmotor in einem instationären Betrieb des Brennstoffzellensystems, beispielsweise beim Ein- oder Abschalten der Brennstoffzelleneinrichtung, in einem Generatorbetrieb betreibbar ist, sodass aus der Abluft der Brennstoffzelleneinrichtung elektrische Energie rückgewonnen und beispielsweise im Brennstoffzellensystem oder im Fahrzeug anderweitig genutzt werden kann. Im Regelbetrieb des Brennstoffzellensystems kann der Antriebsmotor jedoch im Motorbetrieb betrieben werden, wobei er, die Expansionsturbine unterstützend, den Verdichter der ersten Ladestufe und den Verdichter der zweiten Ladestufe antreibt. Dadurch sind die beiden Ladestufen sozusagen auf einer gemeinsamen Welle angeordnet, wodurch das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem relativ kompakt baut.
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Es kann weiterhin zweckmäßig sein, wenn das Brennstoffzellensystem einen Basiskühler aufweist, der im Zuluftkanal stromab der zweiten Ladestufe angeordnet und zum Kühlen von Zuluft eingerichtet ist. Der Basiskühler kann, um eine günstige Ausführungsform bereitzustellen, wie der Zwischenkühler, durch einen indirekten Ladeluftkühler, kurz iCAC, realisiert und/oder an den besagten Kühlmittelkreislauf des Fahrzeugs angeschlossen sein. Anhand des Basiskühlers kann die durch die beiden Ladestufen zweifach aufgeladene Zuluft auf ein vorgegebenes Temperaturniveau abgekühlt werden, sodass im Zuluftkanal nachgeschaltete Komponenten des Brennstoffzellensystems, insbesondere die Brennstoffzelleneinrichtung, optimal betreibbar und vor Beschädigungen durch zu hohe Temperaturen der zweifach verdichteten Zuluft geschützt sind.
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Weiter zweckmäßigerweise kann vorgesehen sein, dass das Brennstoffzellensystem eine kombinierte Luft-Entfeuchter-Befeuchter-Einrichtung aufweist. Diese ist im Zuluftkanal stromab des Basiskühlers angeordnet und zum Befeuchten der zweifach verdichteten Zuluft mit Wasser eingerichtet. Anhand der kombinierten Luft-Entfeuchter-Befeuchtereinrichtung kann eine durch die Brennstoffzelleneinrichtung vorgegebene relative Luftfeuchtigkeit der zweifach verdichteten Zuluft eingestellt werden. Die Brennstoffzelleneinrichtung ist daher mit optimal konditionierter Zuluft versorgbar. Die Luft-Entfeuchter-Befeuchtereinrichtung ist weiterhin zweckmäßigerweise im besagten Abluftkanal angeordnet und zum Entfeuchten der Abluft der Brennstoffzelleneinrichtung eingerichtet. Dadurch kann die stromab der Luft-Entfeuchter-Befeuchtereinrichtung im Abluftkanal angeordnete Expansionsturbine der ersten Ladestufe vor Beschädigungen durch im Abluftstrom mitgeführten Wassertropfen geschützt werden.
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Gemäß einem weiteren Grundgedanken der Erfindung ist ein Fahrzeug, insbesondere ein Elektrofahrzeug, mit einem Brennstoffzellensystem gemäß der vorstehenden Beschreibung vorgesehen. Dadurch ist ein vergleichsweise energieeffizientes Fahrzeug angegeben, da das besagte Brennstoffzellensystem durch das Einbringen von Wasser in die Zuluft und das Kühlen der Zuluft zwischen den beiden Ladestufen und der dadurch bewirkten Steigerung des isentropen Verdichtungswirkungsgrads energiesparsam betreibbar ist.
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Gemäß einem weiteren Grundgedanken der Erfindung wird ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems eines Fahrzeugs, insbesondere eines Elektrofahrzeugs, vorgeschlagen. Zweckmäßigerweise handelt es sich um das vorstehend beschriebene Brennstoffzellensystem. In Rahmen des Verfahrens wird Zuluft, die als Betriebsmittel einer Brennstoffzelleneinrichtung des Brennstoffzellensystems zugeführt wird, durch die nachfolgenden Schritte in der angegebenen Reihenfolge konditioniert:
- 1) Verdichten der Zuluft anhand einer ersten Ladestufe des Brennstoffzellensystems;
- 2) Einbringen von Wasser in die verdichtete Zuluft anhand einer Einbringeinrichtung des Brennstoffzellensystems;
- 3) Kühlen der verdichteten Zuluft anhand einem Zwischenkühler des Brennstoffzellensystems;
- 4) Verdichten der verdichteten Zuluft anhand einer zweiten Ladestufe des Brennstoffzellensystems.
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Die Schritte 2) und 3) können in ihrer Reihenfolge getauscht werden.
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Optional kann im Rahmen des vorgeschlagenen Verfahrens vorgesehen werden, die Zuluft nach Schritt 4) außerdem durch zumindest einen der nachfolgenden Schritte zu konditionieren:
- 5) Kühlen der zweifach verdichteten Zuluft anhand einem Basiskühler des Brennstoffzellensystems, und/oder
- 6) Befeuchten der zweifach verdichteten Zuluft anhand einer Luft-Entfeuchter-Befeuchter-Einrichtung des Brennstoffzellensystems.
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Dadurch ist insgesamt ein vorteilhaftes Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems angegeben, wobei durch das Einbringen von Wasser in die Zuluft und das Kühlen der Zuluft zwischen den beiden Ladestufen der isentrope Verdichtungswirkungsgrad gesteigert werden kann.
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Zusammenfassend bleibt festzuhalten: Die vorliegende Erfindung betrifft vorzugsweise ein Brennstoffzellensystem, aufweisend eine Brennstoffzelleneinrichtung zum Bereitstellen elektrischer Energie, an die ein Zuluftkanal zum Zuführen von Zuluft zur Brennstoffzelleneinrichtung angeschlossen ist, eine erste Ladestufe, die im Zuluftkanal angeordnet und zum Verdichten von Zuluft eingerichtet ist, eine zweite Ladestufe, die stromab der ersten Ladestufe im Zuluftkanal angeordnet und zum Verdichten von Zuluft eingerichtet ist sowie eine zum Einbringen von Wasser in die Zuluft und zum Kühlen der Zuluft eingerichtete Konditioniereinrichtung, die zwischen den beiden Ladestufen im Zuluftkanal angeordnet ist. Die Erfindung betrifft insbesondere ein Fahrzeug mit einem solchen Brennstoffzellensystem sowie weiter insbesondere ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Brennstoffzellensystems.
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Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Komponenten beziehen.
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Es zeigen
- 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems gemäß einer ersten Ausführungsform und
- 2 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems gemäß einer weiteren Ausführungsform.
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Die beiden Figuren zeigen schematische Ausführungsformen eines im Gesamten mit der Bezugsziffer 1 bezeichneten Brennstoffzellensystems, das exemplarisch in einem Fahrzeug 3 eingebaut ist und zur Bereitstellung von elektrischer Energie verwendet wird.
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Das Brennstoffzellensystem 1 besitzt zu diesem Zweck insbesondere eine Brennstoffzelleneinrichtung 2, die in den 1 und 2 jeweils durch ein einfaches Kästchen angedeutet ist und beispielsweise zumindest einen Brennstoffzellen-Stack aufweist, der in der gewohnten Weise aus Brennstoffzellen aufgebaut ist. Letztere stellen durch kalte Verbrennung eines Brennstoffs mit einem nachfolgend als Zuluft bezeichneten Kathodengas, beispielsweise Luft, elektrische Energie bereit. Das Brennstoffzellensystem 1 besitzt weiterhin eine hier nicht illustrierte Brennstoffzuführanlage, anhand welcher der besagte Brennstoff der Brennstoffzelleneinrichtung 2 zugeführt wird, sowie eine im Gesamten mit 23 bezeichnete Kathodengaszuführanlage, anhand welcher der Brennstoffzelleneinrichtung 2 Zuluft zuführt wird, sodass im Ergebnis die Brennstoffzelleneinrichtung 2 mit Betriebsmitteln versorgt und betreibbar ist.
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Die Kathodengaszuführanlage 23 umfasst vorliegend einen zum Zuführen von Zuluft zur Brennstoffzelleneinrichtung 2 eingerichteten, an derselben angeschlossenen Zuluftkanal 4 sowie einen ebenfalls an der Brennstoffzelleneinrichtung 2 angeschlossenen Abluftkanal 22 zum Abführen von ggf. Wasser aufweisenden Abluft der Brennstoffzelleneinrichtung 2, die dort bei der kalten Verbrennung anfällt. Durch den Zuluftkanal 4 erstreckt sich ein Fluidpfad, entlang dem im Betrieb des Brennstoffzellensystems 1 ein Zuluftstrom von Zuluft in einer zur Brennstoffzelleneinrichtung 2 hin orientierten Strömungsrichtung 24 zur Brennstoffzelleneinrichtung 2 strömt. Analog dazu erstreckt sich durch den Abluftkanal 22 ein Fluidpfad, entlang dem im Betrieb des Brennstoffzellensystems 1 ein Abluftstrom von Abluft in einer von der Brennstoffzelleneinrichtung 2 weg orientierten weiteren Strömungsrichtung 25 von der Brennstoffzelleneinrichtung 2 weg strömt. Der Zuluftkanal 4 und der Abluftkanal 22 sind, im denkbar einfachsten Fall, beispielsweise durch Rohrleitungen oder dergleichen realisiert.
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Für einen optimalen Betrieb des Brennstoffzellensystems 1 wird die der Brennstoffzelleneinrichtung 2 zugeführte Zuluft auf ein vorgegebenes Druckniveau verdichtet, was in der Praxis auch als Aufladen bezeichnet wird. Insbesondere bei niedrigen Massenströmen der Zuluft ist die Aufladung jedoch herausfordernd und erfordert nach heutigem Standard eine 2-stufige Aufladung. Dies ist vorliegend dadurch realisiert, dass das Brennstoffzellensystem 1 mit zwei separaten Ladestufen 5, 6 zum Verdichten von Zuluft ausgerüstet ist, von denen eine erste Ladestufe 5 im Zuluftkanal 4 und eine zweite Ladestufe 6 im Zuluftkanal 4 bezüglich der Strömungsrichtung 24 stromab der ersten Ladestufe 5 angeordnet ist. Die Ladestufen 5, 6 sind also im Fluidpfad eingegliedert und von Zuluft durchströmbar, sodass im Betrieb des Brennstoffzellensystems 1 Zuluft auf ein vorgegebenes Druckniveau aufgeladen werden kann. Da die Aufladung zwangsläufig mit einer starken Erwärmung der Zuluft einhergeht, die Anmelderin hat Ladestufenaustrittstemperaturen von > 200°C ermittelt, ist stromab der zweiten Ladestufe 6 ein in den Zuluftkanal 4 eingegliederter Basiskühler 19 des Brennstoffzellensystems 1 zum Kühlen der von der zweiten Ladestufe 6 bereitgestellten, zweifach aufgeladenen Zuluft vorgesehen. Dadurch kann die zweifach aufgeladene Zuluft auf ein vorgegebenes Temperaturniveau gekühlt werden. Der Basiskühler 19 ist exemplarisch an einen Kühlmittelkreislauf 20 des Fahrzeugs 3 angeschlossen, was eine günstige Option zur Kühlung der Zuluft ist. Der Basiskühlers 19 kann durch einen indirekten Ladeluftkühler, der in der Praxis auch als iCAC (englisch: indirect charge-air cooler) bezeichnet ist, realisiert sein. Das bedeutet insbesondere, dass er zwei separate, fluidisch getrennte jedoch thermisch gekoppelte Kühlkreise besitzt, wobei die Zuluft durch den einen Kühlkreis und das ein Kühlmittel des Kühlmittelkreislaufs 20 durch den anderen Kühlkreis geführt ist, sodass Wärmeenergie von der Zuluft auf das Kühlmittel übertragbar ist. An den Basiskühler 19 schließt sich noch eine im Zuluftkanal 4 stromab des Basiskühlers 19 angeordnete Luft-Entfeuchter-Befeuchter-Einrichtung 18 an, die die von dem Basiskühler 19 bereitgestellte, zweifach aufgeladene Zuluft befeuchtet. Die Zuluft kann sodann der Brennstoffzelleneinrichtung 2 zugeführt werden.
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Um den Wirkungsgrad des Brennstoffzellensystems 1 und somit dessen Energieeffizienz zu verbessern schlägt die Erfindung vor, dass das Brennstoffzellensystem 1 mit einer innovativen Konditioniereinrichtung 7 ausgerüstet ist, die im Zuluftkanal 4 strömungsmechanisch zwischen den beiden Ladestufen 5, 6 eingegliedert ist. Wesentlich ist, dass die Konditioniereinrichtung 7 eine Einbringeinrichtung 8 zum Einbringen von Wasser in die anhand der ersten Ladestufe verdichtete Zuluft und zusätzlich einen Zwischenkühler 9 zum Kühlen der von der ersten Ladestufe 5 verdichteten Zuluft besitzt. Versuche haben gezeigt, dass durch das Einbringen von Wasser in die verdichtete Zuluft und das Kühlen derselben der isentrope Verdichtungswirkungsgrad gesteigert werden kann, was einen vergleichsweise energieeffizienten Betrieb des Brennstoffzellensystems 1 mit hohem Wirkungsgrad erlaubt. Die beiden Komponenten 8, 9 der Konditioniereinrichtung 7 sind vorliegend jeweils durch ein einfaches Kästchen symbolisiert, wobei exemplarisch die Einbringeinrichtung 8 im Zuluftkanal 4 stromauf des Zwischenkühlers 9 angeordnet ist. Es ist jedoch zumindest denkbar, dass alternativ die einfach verdichtete Zuluft zunächst durch den Zwischenkühler 9 und dann durch die Einbringeinrichtung 8 strömt, d.h. der Zwischenkühler 9 im Zuluftkanal 4 stromauf der Einbringeinrichtung 8 platziert ist.
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Gemäß den in 1 und 2 vorgeschlagenen Ausführungsformen ist weiterhin vorgesehen, dass der Zwischenkühler 9 durch einen indirekten Ladeluftkühler, kurz iCAC, realisiert ist. Er kann an den Kühlmittelkreislauf 20 des Fahrzeugs 3 angeschlossen und daher relativ günstig zu betreiben sein. Der Zwischenkühler 9 weist demnach insbesondere zwei fluidisch getrennte jedoch thermisch gekoppelte Kühlkreise auf, wobei die einfach aufgeladene Zuluft durch den einen Kühlkreis und das Kühlmittel des Kühlmittelkreislaufs 20 durch den anderen Kühlkreis geführt ist, sodass Wärmeenergie von der einfach aufgeladenen Zuluft auf das Kühlmittel übertragbar ist. Es ist jedoch auch möglich, dass der Zwischenkühler 9 durch einen direkten Ladeluftkühler realisiert ist.
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Wie vorstehend erwähnt, weist das Brennstoffzellensystem 1 eine kombinierte Luft-Entfeuchter-Befeuchter-Einrichtung 18 auf. Diese ist in einen Befeuchterabschnitt und in einen Entfeuchterabschnitt gegliedert, wobei der Befeuchterabschnitt im Zuluftkanal 4 stromab des Basiskühlers 19 und stromauf der Brennstoffzelleneinrichtung 2 angeordnet ist, während der Entfeuchterabschnitt im Abluftkanal 22 stromab der Brennstoffzelleneinrichtung 2 und stromauf einer nachfolgend beschriebenen Expansionsturbine 11 der ersten Ladestufe 5 eingegliedert ist. Die Luft-Entfeuchter-Befeuchter-Einrichtung 18 ist im Betrieb des Brennstoffzellensystems 1 daher von Zu- und Abluft durchströmbar, wobei sie durch den Befeuchterabschnitt strömende, zweifach aufgeladene Zuluft mit Wasser befeuchtet und durch den Entfeuchterabschnitt strömende Abluft entfeuchtet. Anhand der kombinierten Luft-Entfeuchter-Befeuchtereinrichtung 18 kann somit eine für die Brennstoffzelleneinrichtung 2 geeignete relative Luftfeuchtigkeit der zweifach aufgeladenen Zuluft eingestellt und die besagte Expansionsturbine 11 der ersten Ladestufe 5 vor Beschädigungen durch Wasser in der Abluft geschützt werden. Außerdem ist im Abluftkanal 22 stromab der Luft-Entfeuchter-Befeuchtereinrichtung 18 eine Drossel 21 angeordnet, anhand der der Abluftstrom steuerbar ist.
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Bezugnehmend auf 1 ist zu erläutern, dass die erste Ladestufe 5 eine im Abluftkanal 22 angeordnete, durch Abluft antreibbare Expansionsturbine 11 und einen im Zuluftkanal 4 angeordneten Verdichter 12 aufweist, anhand dem Zuluft verdichtet werden kann. Die erste Ladestufe 5 besitzt außerdem eine durch eine einfache Linie angedeutete Welle 13, anhand der die Expansionsturbine 11 der ersten Ladestufe 5 und der Verdichter 12 der ersten Ladestufe 5 miteinander antriebsmäßig gekoppelt sind, sodass die durch Expansion der Abluft in der Expansionsturbine 11 geleistete Arbeit zum Verdichter 12 der ersten Ladestufe 5 geleitet und dort zum Verdichten der Zuluft verwendet werden kann. Die zweite Ladestufe 6 besitzt einen ebenfalls im Zuluftkanal 4 angeordneten Verdichter 15 zum Verdichten der einfach aufgeladenen Zuluft und außerdem einen Antriebsmotor 16. Der Verdichter 15 der zweiten Ladestufe 6 und der Antriebsmotor 16 sind anhand einer gemeinsame Welle 17 antriebsmäßig gekoppelt, sodass der Verdichter 15 der zweiten Ladestufe 6 anhand dem Antriebsmotor 16 antreibbar ist.
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Demgegenüber unterscheidet sich die in 2 illustrierte weitere Ausführungsform des Brennstoffzellensystems 1 dadurch, dass der Verdichter 15 der zweiten Ladestufe 6 sowie der Antriebsmotor 16 der zweiten Ladestufe 6 mit der Welle 13 der ersten Ladestufe 5 antriebsmäßig gekoppelt sind. Mit anderen Worten sind die beiden Ladestufen 5, 6 auf einer gemeinsamen Welle 13 angeordnet. Der Antriebsmotor 16 kann hierbei in einem Generatorbetrieb oder in einem Motorbetrieb betrieben werden, sodass entweder aus der Abluft der Brennstoffzelleneinrichtung 2 elektrische Energie rückgewonnen oder die Verdichter 12, 15 der beiden Ladestufen 5, 6 angetrieben werden können. In diesem Zusammenhang ist eine weitere, nicht illustrierte Ausführungsform der Erfindung denkbar, die der in 2 illustrierten Ausführungsform mit der Ausnahme entspricht, dass der Antriebsmotor 16 entfernt ist, sodass die zweite Ladestufe 6 lediglich einen Verdichter 15 aufweist, der mit der Welle 13 der ersten Ladestufe 5 antriebsmäßig gekoppelt ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 19856499 C1 [0002]
- DE 102004051359 B4 [0002]
