DE10394059T5

DE10394059T5 - Brennstoffzellensystem mit einem Rekuperativwärmetauscher

Info

Publication number: DE10394059T5
Application number: DE10394059T
Authority: DE
Inventors: Volker Formanski; Thomas Herbig; George R. Woody; John P. Salvador; Steven D. Burch; Uwe Hannesen
Original assignee: Motors Liquidation Co
Current assignee: Motors Liquidation Co
Priority date: 2003-01-31
Filing date: 2003-12-10
Publication date: 2005-12-22
Anticipated expiration: 2023-12-11
Also published as: WO2004070856A3; WO2004070856A2; AU2003294680A1; AU2003294680A8; DE10394059B4

Abstract

Brennstoffzellensystem mit:
einem Brennstoffzellenstapel, wobei der Brennstoffzellenstapel eine Vielzahl von Brennstoffzellen umfasst, von denen jede eine Anode und eine Kathode umfasst, wobei der Brennstoffzellenstapel ein Wasserstoffanodengas und ein Ladekathodengas aufnimmt und ein Anodenabgas und ein Kathodenabgas austrägt;
einem Kompressor, wobei der Kompressor das Ladegas komprimiert, um das Ladekathodengas vorzusehen;
einem ersten Kühlmittelkreislauf mit einem Kühlfluid, das durch diesen strömt, wobei der erste Kühlmittelkreislauf einen ersten Wärmetauscher, der das komprimierte Ladegas aufnimmt und kühlt, und einen zweiten Wärmetauscher zum Kühlen des Kühlfluids umfasst, das durch das komprimierte Ladegas und den Brennstoffzellenstapel erhitzt worden ist; und
einem ersten Rekuperativwärmetauscher, der ebenfalls das komprimierte Ladegas aufnimmt und eine zusätzliche Kühlung für das komprimierte Ladegas vorsieht.

Description

QUERVERWEIS ZU VERWANDTEN ANMELDUNGEN
Diese Anmeldung ist eine Continuation-In-Part-Anmeldung der U.S.-Patentanmeldung mit der Seriennr. 10/356,333 und dem Titel "Fuel Cell System with Recuperative Heat Exchanger", eingereicht am 31. Januar 2003.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung betrifft allgemein ein Brennstoffzellensystem und insbesondere ein Brennstoffzellensystem, das einen Rekuperativwärmetauscher verwendet, um eine zusätzliche Kühlung der Ladeluft und des Brennstoffzellenstapels in dem System vorzusehen.

Wasserstoff ist eine sehr attraktive Brennstoffquelle, da er sauber ist und dazu verwendet werden kann, effizient Elektrizität in einer Brennstoffzelle zu erzeugen. Die Kraftfahrzeugindustrie wendet erhebliche Ressourcen bei der Entwicklung von Wasserstoff-Brennstoffzellen als eine Antriebs- bzw. Energiequelle für Fahrzeuge auf. Derartige Fahrzeuge sind effizienter und erzeugen weniger Emissionen als heutige Fahrzeuge, die Verbrennungsmotoren verwenden.

Eine Wasserstoff-Brennstoffzelle ist eine elektrochemische Vorrichtung, die eine Anode und eine Kathode mit einem Elektrolyt dazwischen umfasst. Die Anode nimmt ein Wasserstoffgas auf, und die Kathode nimmt Sauerstoff auf. Das Wasserstoffgas wird in der Anode ionisiert, um freie Wasserstoffprotonen und Elektronen zu erzeugen. Die Wasserstoffprotonen gelangen durch den Elektrolyt an die Kathode. Die Wasserstoffionen reagieren mit dem Sauerstoff und den Elektronen in der Kathode, um Wasser als ein Nebenprodukt zu erzeugen. Die Elektronen von der Anode können nicht durch den Elektrolyten gelangen und werden somit durch eine Last geführt, in der sie elektrische Arbeit verrichten, bevor sie an die Kathode geliefert werden. Die Arbeit dient dazu, das Fahrzeug zu betreiben. Viele Brennstoffzellen werden in einen Stapel kombiniert, um die gewünschte Leistung zu erzeugen.

Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen (PEM-Brennstoffzellen) stellen eine populäre Brennstoffzelle für Fahrzeuge dar, da sie hohe Energiedichten durch hohe Systemwirkungsgrade erreichen. Bei einer PEM-Brennstoffzelle ist Wasserstoff (H₂) der Anodenrektand, d.h. Brennstoff, und Sauerstoff ist der Kathodenreaktand, d.h. Oxidationsmittel. Der Kathodenreaktand kann entweder reiner Sauerstoff (O₂) oder Luft (eine Mischung aus hauptsächlich O₂ und N₂) sein. Die Elektrolyte sind Festpolymerelektrolyte, die typischerweise aus Ionentauscherharzen hergestellt sind, wie beispielsweise perfluorierter Sulfonsäure. Die Anode und Kathode umfassen typischerweise fein geteilte katalytische Partikel, die oftmals auf Kohlenstoffpartikeln getragen und mit einem protonenleitenden Harz gemischt sind.

1 ist eine allgemeine schematische Draufsicht eines bekannten PEM-Brennstoffzellensystems 10 des oben beschriebenen Typs. Das Brennstoff zellensystem 10 umfasst einen herkömmlichen Brennstoffzellenstapel 12 mit einer Vielzahl von elektrisch in Reihe gekoppelten Brennstoffzellen 14. Jede der Brennstoffzellen 14 umfasst eine Kathode und eine Anode. Die Brennstoffzellen 14 nehmen ein Anodenwasserstoffgas von einer geeigneten Quelle auf einer Leitung 18 und ein Kathodenladegas (komprimierte Luft) auf einer Leitung 20 auf, um die chemische Reaktion vorzusehen, die eine Abgabeleistung 22 zum Antrieb des Fahrzeugs erzeugt. Eine Serie von Kühlkanälen 24, die in den Zeichnungen als ein Wärmetauscher dargestellt sind und durch den Stapel 12 verlaufen, entfernen Wärme von diesem, die durch die chemischen Reaktionen in den Brennstoffzellen 14 erzeugt wird.

Das Anodenabgas wird beispielsweise von dem Stapel 12 auf Leitung 28 durch ein Rückschlagventil (RSV) 26 ausgetragen. Das unter Druck stehende Kathodenabgas wird von dem Stapel 12 auf Leitung 30 bei der Temperatur des Brennstoffzellenstapels 12 ausgetragen und stellt den Hauptanteil des Systemaustrags dar. Wasser ist ein Nebenprodukt des Kathodenaustrags, aber es wäre problematisch, flüssiges Wasser an die Umgebung abzugeben. Daher wird das Kathodenabgas an einen Flüssigkeitsabscheider bzw. -separator 32 angelegt, der flüssiges Wasser davon abscheidet und das getrennte Abgas auf Leitung 34 und flüssiges Wasser auf Leitung 38 liefert. Das getrennte Kathodenabgas wird an die Atmosphäre durch ein RSV 36 abgegeben. Das flüssige Wasser auf der Leitung 38 kann an andere Systemelemente geliefert werden, die Wasser zur Kühlung und dergleichen verwenden können.

Umgebungsladeluft auf Leitung 42 wird an einen Kompressor 44 angelegt, der das Volumen der Luft komprimiert und damit das Kathodengas mit dem Brennstoffzellenbetriebsdruck vorsieht. Der Kompressor 44 wird durch einen Elektromotor 46 über eine Abtriebswelle 48 betrieben. Der Kompressor 44 erhitzt die Ladeluft, wenn sie komprimiert wird. Die komprimierte und erhitzte Luft wird durch einen geeigneten Ladeluftkühler (LLK) oder Wärmetauscher 52 auf Leitung 50 geliefert, in dem sie gekühlt wird. Die Abwärme des Kompressors 44 ist die Wärmelast des Wärmetauschers 52. Die gekühlte Ladeluft auf der Leitung 50 wird dann an eine Befeuchtungsvorrichtung 54 geliefert, in der sie mit Wasserdampf gemischt wird. Wasserdampf muss mit der Ladeluft gemischt werden, so dass eine Feuchtigkeit für den Elektrolyt zwischen der Anode und Kathode in den Brennstoffzellen 14 vorhanden ist, um damit die notwendige Leitfähigkeit vorzusehen. Die komprimierte und befeuchtete Ladeluft wird dann an den Stapel 12 auf der Leitung 20 angelegt.

Ein Kühlmittelkreislauf 58 liefert ein Kühlfluid, wie beispielsweise eine Wasser/Glykol-Mischung, an die Kühlkanäle 24 und den Wärmetauscher 52. Das Kühlfluid wird durch den Kreislauf 58 durch eine Kühlmittelpumpe 56 gedrängt. Das erhitzte Kühlfluid wird durch den Kreislauf 58 an ein Kühlergebläsemodul (KGM) 62 geliefert, um Wärme von diesem zu entfernen. Bei einer Ausführungsform liegt die Temperatur der Ladeluft auf der Leitung 50 an dem Ausgang des Kompressors 40 in dem Umgebungsbereich von 200°C, und die Temperatur der Ladeluft auf der Leitung 20, die an den Stapel 12 geliefert wird, liegt im Bereich von 60°C–80°C. Ein Gebläse 64 drängt Luft durch das KGM 62, um das erhitzte Fluid von den Kühlkanälen 24 und dem Wärmetauscher 52 zu kühlen. Das Kühlfluid wird dann zurück durch den Kühlmittelkreislauf 58 zuerst an den Wärmetauscher 52, um die komprimierte Ladeluft auf der Leitung 50 zu kühlen, und dann an den Stapel 12 geliefert, an dem sie durch die Kühlkanäle 24 strömt.

Bei den gegenwärtigen Konstruktionen von Brennstoffzellensystemen ist das KGM 62 der typische Kühler, der in herkömmlichen Fahrzeugen mit einem Verbrennungsmotor verwendet wird. Jedoch ist die Betriebstemperatur eines Verbrennungsmotors größer als die Betriebstemperatur des Brennstoffzellensystems 10, und somit müssen Brennstoffzellensysteme auf ein niedrigeres Temperaturniveau als Verbrennungsmotoren gekühlt werden. Daher sind gegenwärtige KGMs, die für Verbrennungsmotoren verwendet werden, normalerweise nicht in der Lage, eine ausreichende Wärmeaustauschfläche und einen ausreichenden Luftmassendurchsatz hindurch vorzusehen, um eine ausreichende Kühlung für das System 10 vorzusehen. Die Gesamtsystemabwärme (einschließlich der Wärme von dem Wärmetauscher 52) ist ein kritischer Begrenzungsfaktor bei der Konstruktion des Systems 10 und besitzt einen erheblichen Einfluss auf die Systemgestaltung und -konstruktion. Es ist erwünscht, eine zusätzliche Technik zur Entfernung von Wärme von dem System 10 vorzusehen, so dass die bekannten KGMs in dem Fahrzeug verwendet werden können.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Gemäß den Lehren der vorliegenden Erfindung ist ein Brennstoffzellensystem offenbart, das einen Rekuperativwärmetauscher verwendet, um eine zusätzliche Kühlung für die komprimierte Ladeluft vorzusehen, die an die Kathoden der Brennstoffzellen in dem Brennstoffzellenstapel angelegt wird. Das Kathodenabgas und die Kompressorladeluft werden an den Rekuperativwärmetauscher angelegt, so dass das Kathodenabgas die komprimierte Ladeluft kühlt und die von der komprimierten Luft an das thermische System abgegebene Wärme verringert. Bei einer anderen Ausführungsform ist eine Kathodenabgasexpansionseinrichtung in Kombination mit dem Rekuperativwärmetauscher vorgesehen, die die Energie in dem erhitzten Abgas verwendet, um den Ladeluftkompressor anzutreiben. Ein Anodenabgasbrenner kann vorgesehen werden, der restlichen Wasserstoff in dem Anodenabgas verbrennt, um das Kathodenabgas weiter zu erhit zen, bevor es an die Expansionseinrichtung angelegt wird. Bei einer anderen Ausführungsform ist ein Wärmetauscher vorgesehen, um das Kathodenabgas zu kühlen.

Zusätzliche Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung sind nachfolgend detaillierter in der folgenden Beschreibung und den angefügten Ansprüchen unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein allgemeines schematisches Schaubild eines bekannten Brennstoffzellensystems;
2 ist ein schematisches Schaubild eines Brennstoffzellensystems, das einen Rekuperativwärmetauscher verwendet, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
3 ist ein Schaubild mit der Systemabwärme und der erforderlichen Kühlerfrontfläche an der vertikalen Achse und der Systemlast an der horizontalen Achse, das die Wärmelast des Brennstoffzellensystems von 2 zeigt;
4 ist ein Schaubild mit der Abgastemperatur an der vertikalen Achse und der Systemlast an der horizontalen Achse für das in 2 gezeigte Brennstoffzellensystem;
5 ist ein schematisches Schaubild eines Brennstoffzellensystems, das einen Rekuperativwärmetauscher und eine Kathodengasexpansionseinrichtung verwendet, gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
6 ist ein Schaubild mit der Leistung an der vertikalen Achse und der Systemlast an der horizontalen Achse, das einen Vergleich der Systemleistungsanforderung des Brennstoffzellensystems von 5 zeigt;
7 ist ein schematisches Schaubild eines Brennstoffzellensystems, das einen Rekuperativwärmetauscher, eine Kathodengasexpansionseinrichtung und einen Anodenabgasbrenner verwendet, gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
8 ist ein Schaubild mit der Abgastemperatur an der vertikalen Achse und der Systemlast an der horizontalen Achse, das einen Vergleich der Abgastemperaturen der Systeme der 5 und 7 zeigt;
9 ist ein Schaubild mit der Leistung an der vertikalen Achse und der Systemlast an der horizontalen Achse, das einen Vergleich einer vorgeschlagenen adiabatischen Expansionseinrichtungsabgabe und des Ergebnisses zeigt, das für die elektrische Kompressoranforderung bzw. -abgabe für einen Rekuperativwärmetauscher mit und ohne einen Abgasbrenner erforderlich ist;
10 ist ein schematisches Schaubild eines Brennstoffzellensystems, das eine Kathodengasexpansionseinrichtung und einen Rekuperativwärmetauscher vor und nach der Kathodengasexpansionseinrichtung verwendet; und
11 ist ein schematisches Schaubild eines Brennstoffzellensystems, das einen Rekuperativwärmetauscher in Kombination mit einem Wasserabscheider verwendet, gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die folgende Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung, die auf ein Brennstoffzellensystem gerichtet sind, ist lediglich beispielhafter Natur und nicht dazu bestimmt, die Erfindung, ihre Anwendung bzw. ihren Gebrauch zu beschränken.
2 ist ein schematisches Schaubild eines Brennstoffzellensystems 70 ähnlich dem System 10 oben, bei dem gleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind. Gemäß der Erfindung umfasst das System 70 einen Gas/Gas-Rekuperativwärmetauscher 72, der zwischen dem Kompressor 44 und dem Wärmetauscher 52 in der Leitung 50 positioniert ist. Der Wärmetauscher 72 liefert eine zusätzliche Kühlung für die komprimierte Luft in der Leitung 50, so dass der Wärmetauscher 52 weniger Kühlung vorsehen muss und somit das KGM 62 kleiner ausgebildet werden kann und dennoch die Wärmelastanforderungen des Systems erfüllt. Das Kathodenabgas auf der Leitung 34 strömt durch den Wärmetauscher 72 und dient dazu, die Ladeluft zu kühlen, so dass die von der komprimierten Ladeluft durch den Wärmetauscher 72 entnommene Wärme durch die Kathodenabgasströmung abgezogen wird. Bei einer Ausfüh rungsform entfernt der Wärmetauscher 52 in dem System 10 etwa 10% der Gesamtsystemabwärme. Durch Verwendung des Rekuperativwärmetauschers 72 muss der Wärmetauscher 52 nur etwa 1% der Gesamtsystemabwärme für ein gleich großes KGM 62 entfernen.
Bei dieser Ausführungsform ist der Wärmetauscher 72 zwischen dem RSV 36 und dem Wasserabscheider 32 positioniert. Daher verringert der Rekuperativwärmetauscher 72 die Wärmelast an dem Wärmetauscher 52 durch Verwendung des Kathodenabgases, um eine Systemkühlung vorzusehen. Die Temperatur des Kathodenabgases wird erhöht, was die gewünschte Gaszusammensetzung für die richtige Lieferung von Produktwasser erleichtert.
Wie oben beschrieben ist, ist der Wärmetauscher 72 zwischen dem Kompressor 44 und dem Wärmetauscher 52 positioniert. Dies ist jedoch lediglich ein nicht beschränkendes Beispiel, da der Wärmetauscher 72 an einem beliebigen geeigneten Ort in der Leitung 50 zwischen dem Stapel 12 und dem Kompressor 44 positioniert sein kann.
3 ist ein Diagramm der Systemabwärme an der vertikalen Achse und der Systemlast an der horizontalen Achse, das die Abwärme für die Systeme 10 und 70 zeigt. Insbesondere zeigt die Diagrammlinie 80 die Abwärme des Systems 10 ohne den Rekuperativwärmetauscher 72. Die Diagrammlinie 82 zeigt die Abwärme des Systems 70 mit dem Rekuperativwärmetauscher 72. Die Diagrammlinie 84 zeigt die Abwärmeverringerung, die durch das System 10 mit dem Rekuperativwärmetauscher 72 vorgesehen wird.
3 umfasst auch die Kühlerfrontfläche des KGM 62 an der vertikalen Achse, um die erforderliche Kühleroberfläche zu zeigen, die die gewünsch te Kühlung mit und ohne den Rekuperativwärmetauscher 72 vorsieht. Insbesondere zeigt die Diagrammlinie 86 die erforderliche Kühlerfrontfläche des KGM 62 in dem System 10 ohne den Rekuperativwärmetauscher 72, und die Diagrammlinie 88 zeigt die erforderliche Frontfläche des KGM 62 in dem System 70 mit dem Rekuperativwärmetauscher 72. Für eine Gesamtwärmelast unter Annahme eines Standardkraftfahrzeuggebläses 64 beträgt die erforderliche Kühleroberfläche für das System 10 etwa 71% der Gesamtfahrzeugvorderfläche, und die erforderliche Kühleroberfläche für das System 70 beträgt etwa 59 %. Dies ist eine Verringerung der Kühleroberfläche um etwa 17 %.
4 ist ein Diagramm mit der Abgastemperatur an der vertikalen Achse und der Systemlast an der horizontalen Achse, das die Kathodenabgastemperatur der Systeme 10 und 70 zeigt. Insbesondere zeigt die Diagrammlinie 90 die Abgastemperatur des Systems 10 ohne den Rekuperativwärmetauscher 72, und die Diagrammlinie 92 zeigt die Abgastemperatur des Systems 70 mit dem Rekuperativwärmetauscher 72. Für höhere Systemlasten, beispielsweise 70 kW, beträgt die Temperaturdifferenz zwischen dem Kathodenabgas der Systeme 10 und 70 180°C.
5 ist ein schematisches Schaubild eines Brennstoffzellensystems 100 ähnlich dem System 70 oben, bei dem gleiche Elemente durch gleiche Bezugszeichen bezeichnet sind, gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Bei dieser Ausführungsform verwendet das System 100 eine Kathodenabgasexpansionseinrichtung 102, die das unter Druck gesetzte und erhitzte Kathodenabgas von dem Wärmetauscher 72 auf Leitung 104 aufnimmt. Das Kathodenabgas wird durch den Wärmetauscher 72 erhitzt. Die Kathodenabgasexpansionseinrichtung 102 wandelt die Wärme in mechanische Energie um. Die Expansionseinrichtung 102 verwendet die Temperatur des Kathodengases, um ein Element darin zu drehen, das eine Welle 106 dreht. Die Welle 106 ist mit dem Kompressor 44 gekoppelt und sieht zumindest einen Teil der Energie zum Betrieb desselben vor. Daher erlaubt die Gasexpansionseinrichtung 102, dass die Leistungsanforderung des Kompressors 44 verringert werden kann. Somit kann die Größe des Motors 46 verringert werden, so dass die für den Betrieb des Systems 100 erforderliche Energie verringert werden kann. Das expandierte Kathodenabgas wird dann an die Umgebung auf Leitung 108 durch das RSV 36 ausgegeben.
6 ist ein Diagramm mit der Leistung an der vertikalen Achse und der Systemlast an der horizontalen Achse, das einen Vergleich der verfügbaren Systemleistungsanforderung bzw. -bedarfs von dem System 100 mit der Kathodengasexpansionseinrichtung 102 und dem System 70 ohne die Gasexpansionseinrichtung 102 zeigt. Insbesondere zeigt die Diagrammlinie 110 die Nettoleistung, die von dem System 70 mit dem Rekuperativwärmetauscher 72 und der Gasexpansionseinrichtung 102 verfügbar ist. Die Diagrammlinie 112 zeigt die Nettoleistungsanforderung des Systems 10 ohne den Rekuperativwärmetauscher 72. Die Diagrammlinie 114 zeigt die erforderliche elektrische Kompressorleistung des Systems 10 ohne den Rekuperativwärmetauscher 72 und die Gasexpansionseinrichtung 102. Die Diagrammlinie 116 zeigt die erforderliche elektrische Kompressorleistung des Systems 100 mit der Gasexpansionseinrichtung 102 und dem Rekuperativwärmetauscher 72.
7 zeigt ein schematisches Schaubild eines Brennstoffzellensystems 120 ähnlich dem System 100 oben, bei dem gleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind, gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Bei dieser Ausführungsform ist ein Anodenabgasbrenner bzw. eine Anodenabgasverbrennungseinrichtung 122 vorgesehen, um restlichen Wasserstoff in dem Anodenabgas zu verbrennen. Ty pischerweise bleibt eine kleine Menge Wasserstoff in dem Anodenabgas auf der Leitung 28 zurück. Der Anodenabgasbrenner 122 nimmt das Anodenabgas auf Leitung 124 und das erhitzte Kathodenabgas auf der Leitung 104 auf. Der Anodenabgasbrenner 122 verbrennt den Wasserstoff, um das Kathodenabgas weiter aufzuheizen, bevor es an die Expansionseinrichtung 102 aufgebracht wird, und somit die von dem Motor 46 benötigte Kompressorleistung weiter zu reduzieren. Der Anodenbrenner 122 kann ein beliebiger Brenner sein, der für die hier beschriebenen Zwecke geeignet ist.
8 ist ein Diagramm mit der Abgastemperatur an der vertikalen Achse und der Systemlast an der horizontalen Achse, das einen Vergleich der Abgastemperaturen der verschiedenen hier offenbarten Systeme mit und ohne den Anodenabgasbrenner 122 zeigt. Insbesondere zeigt die Diagrammlinie 130 die Abgastemperatur des Systems 120 mit dem Rekuperativwärmetauscher 72 und dem Anodenabgasbrenner 122. Die Diagrammlinie 132 zeigt die Abgastemperatur des Systems 100 mit dem Rekuperativwärmetauscher 72 jedoch ohne den Anodenabgasbrenner 122. Die Diagrammlinie 134 zeigt die Abgastemperatur des Systems 10 ohne den Rekuperativwärmetauscher 72 und den Anodenabgasbrenner 122.
Für einen Gesamtlastfall ist die Abgastemperatur des Systems 10 gleich der Stapelbetriebstemperatur. Bei dem System 70 mit dem Rekuperativwärmetauscher 72 steigt die Kathodenabgastemperatur beispielsweise auf etwa 170°C. Bei dem System 120 kann der Anodenbrenner 122 zusätzliche 6–7 kW Wärme an das Abgas liefern. Für einen Mengendurchfluss von etwa 95 g/s ist dies gleichwertig zu einer Temperaturerhöhung von etwa 70 K. Der Temperaturanstieg des Einlassgases der Expansionseinrichtung für Kathodengas macht es möglich, mehr Energie von dem Kathodenabgas rückzugewinnen.
9 ist ein Diagramm mit der Leistung an der vertikalen Achse und der Systemlast an der horizontalen Achse, das die Gasexpansionseinrichtungsabgabe und die Kompressorabgabe für die Systeme 10, 70 und 120 zeigt. Insbesondere zeigt die Diagrammlinie 138 die für das System 10 erforderliche elektrische Kompressormotorleistung. Die Diagrammlinie 140 zeigt die elektrische Kompressormotorleistung, die für das System 70, das den Rekuperativwärmetauscher 72 umfasst, erforderlich ist. Die Diagrammlinie 142 zeigt die elektrische Kompressormotorleistung, die für das System 120, das den Rekuperativwärmetauscher 72 und den Anodenbrenner 122 umfasst, erforderlich ist. Die Diagrammlinie 144 zeigt die adiabatische Expansionseinrichtungsarbeit für das System 10. Die Diagrammlinie 146 zeigt die adiabatische Expansionseinrichtungsarbeit für das System 70 mit dem Rekuperativwärmetauscher 72. Die Diagrammlinie 148 zeigt die adiabatische Expansionseinrichtungsarbeit für das System 120, das den Rekuperativwärmetauscher 72 und den Anodenabgasbrenner verwendet.
10 ist ein schematisches Schaubild eines Brennstoffzellensystems 150 ähnlich dem System 100 oben, bei dem gleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind, gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Bei dieser Ausführungsform ist ein zweiter Rekuperativwärmetauscher 152 in der Leitung 50 zwischen dem Rekuperativwärmetauscher 72 und dem Wärmetauscher 52, nicht gezeigt, vorgesehen. Der Wärmetauscher 152 ist mit einem Kühlmittelkreislauf 154 gekoppelt, durch den ein Kühlfluid strömt, wie beispielsweise eine Mischung aus Glykol und Wasser. Der Kühlmittelkreislauf 154 ist auch mit einem Austragswärmetauscher 156 in der Leitung 108 an dem Ausgang der Expansionseinrichtung 102 gekoppelt. Das Abgas auf der Leitung 108 ist kühler als die komprimierte Luft auf der Leitung 50, so dass das Kühlfluid in dem Kreislauf 154 durch das Abgas gekühlt wird, nachdem Wärme von der komprimierten Luft auf der Leitung 50 aufgenommen wurde. Daher kann die von dem Wärmetauscher 52 und dem KGM 62 erforderliche Kühlung durch den Rekuperativwärmetauscher 152 weiter reduziert werden.
11 ist ein schematisches Schaubild eines Brennstoffzellensystems 160 ähnlich dem System 10 oben, bei dem gleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind. Bei dieser Ausführungsform ist ein Gas/Gas-Wärmetauscher 162 in der Kathodenabgasleitung 30 vorgesehen. Das Kathodenabgas wird durch Umgebungsluft, nicht gezeigt, gekühlt. Durch Verwendung von Umgebungsluft zum Kühlen des Kathodenabgases auf der Leitung 30 ist der Abscheider 32 besser in der Lage, flüssiges Wasser von dem Kathodenabgas zu entfernen, so dass weniger Wasser an die Umgebung ausgegeben wird und mehr Wasser für andere Systemkomponenten verfügbar ist.
Die vorhergehende Beschreibung offenbart und beschreibt lediglich beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Für Fachleute ist es aus dieser Beschreibung wie auch den begleitenden Zeichnungen und Ansprüchen offensichtlich, dass verschiedene Änderungen, Abwandlungen und Variationen ohne Abweichung vom Schutzumfang der Erfindung, der in den folgenden Ansprüchen definiert ist, durchgeführt werden können.
Zusammenfassung
Ein Brennstoffzellensystem verwendet einen Rekuperativwärmetauscher, um eine zusätzliche Kühlung für die komprimierte Ladeluft vorzusehen, die an die Kathoden der Brennstoffzellen in dem Brennstoffzellenstapel angelegt wird. Das Kathodenabgas wird an den Rekuperativwärmetauscher angelegt, so dass das Kathodenabgas die durch die komprimierte Luft erhitzte Ladeluft kühlt. Eine Kathodenabgasexpansionseinrichtung ist in Kombination mit dem Rekuperativwärmetauscher vorgesehen, die die Energie in dem erhitzten Kathodenabgas dazu verwendet, den Ladeluftkompressor anzutreiben. Ein Anodenabgasbrenner kann vorgesehen werden, der restlichen Wasserstoff in dem Anodenabgas verbrennt, um das Kathodenabgas weiter zu heizen, bevor es an die Expansionseinrichtung angelegt wird.

Claims

Brennstoffzellensystem mit: einem Brennstoffzellenstapel, wobei der Brennstoffzellenstapel eine Vielzahl von Brennstoffzellen umfasst, von denen jede eine Anode und eine Kathode umfasst, wobei der Brennstoffzellenstapel ein Wasserstoffanodengas und ein Ladekathodengas aufnimmt und ein Anodenabgas und ein Kathodenabgas austrägt; einem Kompressor, wobei der Kompressor das Ladegas komprimiert, um das Ladekathodengas vorzusehen; einem ersten Kühlmittelkreislauf mit einem Kühlfluid, das durch diesen strömt, wobei der erste Kühlmittelkreislauf einen ersten Wärmetauscher, der das komprimierte Ladegas aufnimmt und kühlt, und einen zweiten Wärmetauscher zum Kühlen des Kühlfluids umfasst, das durch das komprimierte Ladegas und den Brennstoffzellenstapel erhitzt worden ist; und einem ersten Rekuperativwärmetauscher, der ebenfalls das komprimierte Ladegas aufnimmt und eine zusätzliche Kühlung für das komprimierte Ladegas vorsieht.
System nach Anspruch 1, wobei der Rekuperativwärmetauscher auch das Kathodenabgas aufnimmt, um die durch diesen strömende Ladeluft zu kühlen.
System nach Anspruch 2, ferner mit einer Kathodenabgasexpansionseinrichtung, wobei die Kathodenabgasexpansionseinrichtung mechanisch mit dem Kom pressor durch eine Expansionseinrichtungswelle gekoppelt ist und wobei die Kathodenabgasexpansionseinrichtung das erhitzte Kathodenabgas von dem Rekuperativwärmetauscher aufnimmt, um so zu bewirken, dass die Expansionseinrichtungswelle rotiert, um den Kompressor anzutreiben.
System nach Anspruch 3, ferner mit einem Anodenabgasbrenner, wobei der Anodenabgasbrenner das Anodenabgas und das Kathodenabgas aufnimmt und wobei der Anodenabgasbrenner restlichen Wasserstoff in dem Anodenabgas verbrennt, um das Kathodenabgas weiter zu erhitzen, bevor es an die Kathodenabgasexpansionseinrichtung geliefert wird.
System nach Anspruch 3, ferner mit einem zweiten Rekuperativwärmetauscher und einer Wärmeladeeinrichtung der Expansionseinrichtung, wobei der zweite Rekuperativwärmetauscher und der Wärmetauscher der Expansionseinrichtung Teil eines zweiten Kühlmittelkreislaufs sind, der ein durch diesen strömendes Kühlfluid aufweist, wobei der zweite Rekuperativwärmetauscher auch das komprimierte Ladegas aufnimmt und kühlt, bevor es an den Brennstoffzellenstapel angelegt wird, und wobei der Wärmetauscher der Expansionseinrichtung das Kühlfluid in dem zweiten Kühlmittelkreislauf aufnimmt, das durch den zweiten Rekuperativwärmetauscher strömt, und das Kühlfluid kühlt.
System nach Anspruch 1, wobei der zweite Wärmetauscher ein Kühlergebläsemodul ist, das das Kühlfluid in dem ersten Kühlmittelkreislauf durch Druckluft kühlt.
System nach Anspruch 1, ferner mit einer Befeuchtungseinheit, die das komprimierte Ladegas aufnimmt, wobei die Befeuchtungseinheit Wasserdampf mit dem komprimierten Ladegas mischt, bevor es an den Brennstoffzellenstapel geliefert wird.
System nach Anspruch 1, ferner mit einem Flüssigkeitsabscheider, wobei der Flüssigkeitsabscheider das Kathodenabgas aufnimmt und flüssiges Wasser davon entfernt.
System nach Anspruch 1, ferner mit einem Abgaswärmetauscher, der das Kathodenabgas aufnimmt und kühlt.
System nach Anspruch 1, wobei sich das Brennstoffzellensystem an einem Fahrzeug befindet.
Brennstoffzellensystem mit: einem Brennstoffzellenstapel, wobei der Brennstoffzellenstapel eine Vielzahl von Brennstoffzellen umfasst, die jeweils eine Anode und eine Kathode umfassen, wobei der Brennstoffzellenstapel ein Wasserstoffanodengas und ein Ladekathodengas aufnimmt und ein Anodenabgas und ein Kathodenabgas austrägt; einem Kompressor, wobei der Kompressor das Ladegas komprimiert, um das Ladekathodengas vorzusehen; und einer Kathodenabgasexpansionseinrichtung, wobei die Kathodenabgasexpansionseinrichtung mechanisch mit dem Kompressor durch eine Expansionseinrichtungswelle gekoppelt ist und wobei die Ka thodenabgasexpansionseinrichtung das Kathodenabgas aufnimmt und bewirkt, dass die Expansionseinrichtungswelle rotiert, um den Kompressor anzutreiben.
System nach Anspruch 11, ferner mit einem Anodenabgasbrenner, wobei der Anodenabgasbrenner das Anodenabgas und das Kathodenabgas aufnimmt und wobei der Anodenabgasbrenner restlichen Wasserstoff in dem Anodenabgas verbrennt, um das Kathodenabgas zu heizen, bevor es an die Expansionseinrichtung für Kathodenabgas geliefert wird.
System nach Anspruch 11, ferner mit einem Rekuperativwärmetauscher und einem Wärmeladeeinrichtung der Expansionseinrichtung, wobei der Rekuperativwärmetauscher und der Wärmetauscher der Expansionseinrichtung Teil eines Kühlmittelkreislaufs sind, der ein durch diesen strömendes Fluid aufweist, wobei der Rekuperativwärmetauscher das komprimierte Ladegas aufnimmt und kühlt, bevor es an den Brennstoffzellenstapel geliefert wird und wobei der Wärmetauscher der Expansionseinrichtung das Kühlfluid aufnimmt, das durch den Rekuperativwärmetauscher strömt, und das Kühlfluid kühlt.
System nach Anspruch 11, ferner mit einem Flüssigkeitsabscheider, wobei der Flüssigkeitsabscheider das Kathodenabgas aufnimmt und flüssiges Wasser davon entfernt.
System nach Anspruch 11, ferner mit einem Wärmetauscher, der das Kathodenabgas aufnimmt und kühlt.
System nach Anspruch 11, wobei sich das Brennstoffzellensystem an einem Fahrzeug befindet.
Brennstoffzellensystem für ein Fahrzeug, wobei das System umfasst: einen Brennstoffzellenstapel, wobei der Brennstoffzellenstapel eine Vielzahl von Brennstoffzellen umfasst, von denen jede eine Anode und eine Kathode umfasst, wobei der Brennstoffzellenstapel ein Wasseranodengas und ein Ladeluftkathodengas aufnimmt und ein Anodenabgas und ein Kathodenabgas austrägt; einen Kompressor, wobei der Kompressor die Ladeluft komprimiert, um das Ladeluftkathodengas vorzusehen; einen ersten Kühlmittelkreislauf mit einem Kühlfluid, das durch diesen strömt, wobei der Kühlmittelkreislauf einen ersten Wärmetauscher, der die komprimierte Ladeluft aufnimmt und kühlt, und einen zweiten Wärmetauscher zum Kühlen des Kühlfluids umfasst, das durch die komprimierte Ladeluft und den Brennstoffzellenstapel erhitzt worden ist; und einen ersten Rekuperativwärmetauscher, der ebenfalls die komprimierte Ladeluft aufnimmt und eine zusätzliche Kühlung für die komprimierte Ladeluft vorsieht, wobei der erste Rekuperativwärmetauscher das Kathodenabgas aufnimmt, um die Ladeluft zu kühlen; einen Anodenabgasbrenner, wobei der Anodenabgasbrenner das Anodenabgas und das Kathodenabgas aufnimmt und wobei der Anodenabgasbrenner restlichen Wasserstoff in dem Anodenabgas verbrennt, um das Kathodenabgas weiter zu heizen; und eine Kathodenabgasexpansionseinrichtung, wobei die Kathodenabgasexpansionseinrichtung mechanisch mit dem Kompressor durch eine Expansionseinrichtungswelle gekoppelt ist, wobei die Kathodenabgasexpansionseinrichtung das erhitzte Kathodenabgas von dem Anodenabgasbrenner aufnimmt, um so zu bewirken, dass die Expansionseinrichtungswelle rotiert, um den Kompressor anzutreiben.
System nach Anspruch 17, ferner mit einem zweiten Rekuperativwärmetauscher und einer Wärmeladeeinrichtung der Expansionseinrichtung, wobei der zweite Rekuperativwärmetauscher und der Wärmetauscher der Expansionseinrichtung Teil eines zweiten Kühlmittelkreislaufs sind, der ein durch diesen strömendes Fluid aufweist, wobei der zweite Rekuperativwärmetauscher auch das komprimierte Ladegas aufnimmt und kühlt, bevor es an den Brennstoffzellenstapel geliefert wird, und wobei der Wärmetauscher der Expansionseinrichtung das Kühlfluid in dem zweiten Kühlmittelkreislauf aufnimmt, das durch den zweiten Rekuperativwärmetauscher strömt, und das Kühlfluid kühlt.
System nach Anspruch 17, wobei der zweite Wärmetauscher ein Kühlergebläsemodul ist, das das Kühlfluid in dem ersten Kühlmittelkreislauf durch Druckluft kühlt.
System nach Anspruch 17, ferner mit einer Befeuchtungseinheit, die das komprimierte Ladegas aufnimmt, wobei die Befeuchtungseinheit Wasserdampf mit dem komprimierten Ladegas mischt, bevor es an den Brennstoffzellenstapel geliefert wird.
System nach Anspruch 17, ferner mit einem Flüssigkeitsabscheider, wobei der Flüssigkeitsabscheider das Kathodenabgas aufnimmt und flüssiges Wasser davon entfernt.
System nach Anspruch 17, ferner mit einem Abscheiderwärmetauscher, der das Kathodenabgas aufnimmt und kühlt.
Brennstoffzellensystem mit: einem Brennstoffzellenstapel, wobei der Brennstoffzellenstapel eine Vielzahl von Brennstoffzellen umfasst, von denen jede eine Anode und eine Kathode umfasst, wobei der Brennstoffzellenstapel ein Wasserstoffanodengas und ein Ladekathodengas aufnimmt und ein Anodenabgas und ein Kathodenabgas austrägt; und einem Anodenabgasbrenner, wobei der Anodenabgasbrenner das Anodenabgas aufnimmt und wobei der Anodenabgasbrenner restlichen Wasserstoff in dem Anodenabgas verbrennt.
System nach Anspruch 23, wobei der Anodenabgasbrenner auch das Kathodenabgas aufnimmt, so dass der Anodenabgasbrenner das Kathodenabgas durch Verbrennen des restlichen Wasserstoffs in dem Anodenabgas heizt.
System nach Anspruch 23, wobei sich das Brennstoffzellensystem an einem Fahrzeug befindet.
Brennstoffzellensystem mit: einem Brennstoffzellenstapel, wobei der Brennstoffzellenstapel eine Vielzahl von Brennstoffzellen umfasst, die jeweils eine Anode und eine Kathode umfassen, wobei der Brennstoffzellenstapel ein Wasserstoffanodengas und ein Ladekathodengas aufnimmt und ein Anodenabgas und ein Kathodenabgas austrägt; und einem Wärmetauscher, wobei der Wärmetauscher das Kathodenabgas aufnimmt und kühlt.
System nach Anspruch 26, wobei sich das Brennstoffzellensystem an einem Fahrzeug befindet.