EP4426947A1 - Verdichteranordnung für ein brennstoffzellensystem, insbesondere für ein brennstoffzellensystem für nutzfahrzeuge - Google Patents

Verdichteranordnung für ein brennstoffzellensystem, insbesondere für ein brennstoffzellensystem für nutzfahrzeuge

Info

Publication number
EP4426947A1
EP4426947A1 EP22813470.6A EP22813470A EP4426947A1 EP 4426947 A1 EP4426947 A1 EP 4426947A1 EP 22813470 A EP22813470 A EP 22813470A EP 4426947 A1 EP4426947 A1 EP 4426947A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
compressor
compressor arrangement
coolant
cooling circuit
mass flow
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP22813470.6A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Arne Reiners
Janik RICKE
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
ZF CV Systems Global GmbH
Original Assignee
ZF CV Systems Global GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by ZF CV Systems Global GmbH filed Critical ZF CV Systems Global GmbH
Publication of EP4426947A1 publication Critical patent/EP4426947A1/de
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D19/00—Axial-flow pumps
    • F04D19/02—Multi-stage pumps
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D17/00—Radial-flow pumps, e.g. centrifugal pumps; Helico-centrifugal pumps
    • F04D17/08—Centrifugal pumps
    • F04D17/10—Centrifugal pumps for compressing or evacuating
    • F04D17/12—Multi-stage pumps
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D25/00—Pumping installations or systems
    • F04D25/02—Units comprising pumps and their driving means
    • F04D25/06—Units comprising pumps and their driving means the pump being electrically driven
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D29/00—Details, component parts, or accessories
    • F04D29/58—Cooling; Heating; Diminishing heat transfer
    • F04D29/5806—Cooling the drive system
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D29/00—Details, component parts, or accessories
    • F04D29/58—Cooling; Heating; Diminishing heat transfer
    • F04D29/5813—Cooling the control unit
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D29/00—Details, component parts, or accessories
    • F04D29/58—Cooling; Heating; Diminishing heat transfer
    • F04D29/582—Cooling; Heating; Diminishing heat transfer specially adapted for elastic fluid pumps
    • F04D29/5826—Cooling at least part of the working fluid in a heat exchanger
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04D—NON-POSITIVE-DISPLACEMENT PUMPS
    • F04D29/00—Details, component parts, or accessories
    • F04D29/58—Cooling; Heating; Diminishing heat transfer
    • F04D29/582—Cooling; Heating; Diminishing heat transfer specially adapted for elastic fluid pumps
    • F04D29/5826—Cooling at least part of the working fluid in a heat exchanger
    • F04D29/5833—Cooling at least part of the working fluid in a heat exchanger flow schemes and regulation thereto
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04007—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids related to heat exchange
    • H01M8/04029—Heat exchange using liquids
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04201—Reactant storage and supply, e.g. means for feeding, pipes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/0432—Temperature; Ambient temperature
    • H01M8/04373—Temperature; Ambient temperature of auxiliary devices, e.g. reformers, compressors, burners
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2250/00—Fuel cells for particular applications; Specific features of fuel cell system
    • H01M2250/20—Fuel cells in motive systems, e.g. vehicle, ship, plane
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • Compressor arrangement for a fuel cell system in particular for a
  • the present invention relates to a compressor arrangement for a fuel cell system, in particular for a fuel cell system for commercial vehicles, with two compressors connected in series and an electric motor for driving the compressors, the compressors being set up to draw in an air mass flow, to compress it and release the compressed air - Dispense mass flow as a reactant feed, and wherein the second compressor is set up to further compress the air mass flow coming from the first compressor.
  • Two-stage compressor arrangements for providing an air supply are well known.
  • the parasitic power is the energy per unit of time that can no longer be used during the operation of the BoP components due to loss processes, for example friction or convection processes.
  • the compressor arrangement for supplying air to the fuel cell represents the largest secondary consumer in the system and is therefore responsible for a correspondingly prominent part of the parasitic power.
  • the parasitic power represents a limitation of the achievable energy efficiency.
  • the object of the present invention was to mitigate the disadvantages described above as far as possible in a compressor arrangement of the type described at the outset.
  • the invention was based on the object of specifying a compressor arrangement that can be operated with improved energy efficiency.
  • the present invention solves the problem in that the compressor arrangement has an additional intermediate cooler which is set up to cool the air mass flow from the first compressor before it enters the second compressor.
  • the invention is based on the knowledge that targeted cooling of the air mass flow contributes to an increase in the efficiency of the compressor arrangement. Compression can be approximated to isothermal compression within compressors by reducing the air temperature at an appropriate point in the system. As a result, the efficiency of the compressor arrangement can be increased.
  • This cooling step particularly preferably takes place between the two compressors, and the intermediate cooler can be integrated into the compressor arrangement in a space-saving manner.
  • air should be understood in connection with the invention that this term can be replaced by oxygen and all oxygen-containing substance mixtures that are suitable for operating the compressor and the fuel cell.
  • air should be understood in particular as a collective term for oxygen and oxygen-containing mixtures of substances.
  • the compressor arrangement has a cooling circuit and a coolant pump, which is connected to the cooling circuit in order to convey a coolant in the cooling circuit.
  • a coolant pump which is connected to the cooling circuit in order to convey a coolant in the cooling circuit.
  • Liquids in the broader sense also fluids with non-solid or solid additives, such as suspensions, which are suitable for cooling the system components and with which a needs-based reduction of the air mass flow temperature within the
  • Fuel cell system can be achieved.
  • the compressor arrangement has power electronics, the power electronics being set up to control the electric motor, and the power electronics preferably having an inverter.
  • the power electronics are connected to the cooling circuit, with the power electronics preferably being connected in the cooling circuit downstream adjacent to the coolant pump. The latter means that the coolant that has the lowest temperature at the beginning of the cooling cycle first runs through the temperature-sensitive power electronics.
  • an inverter with silicon carbide semiconductors in the power electronics since this has a high power density and is functional at high frequencies, for example in a range of up to 100 kHz.
  • adjacent defines the functional succession of the components through which flow occurs one after the other.
  • the next step is to flow through the power electronics. Neighboring components in this sense can be mounted directly on one another or spaced apart from one another and connected via lines.
  • downstream defines the subsequent arrangement of a component in the direction of flow relative to a second component.
  • upstream defines the opposite arrangement of the first component in the direction of flow relative to the second component.
  • the electric motor is connected to the cooling circuit in the cooling circuit, preferably downstream adjacent to the power electronics.
  • the intercooler is connected to the cooling circuit, preferably downstream adjacent to the electric motor.
  • Fuel cell system can be advantageous.
  • the compressor arrangement has a charge air cooler which is connected to the cooling circuit, preferably downstream adjacent to the intercooler, and which is set up to cool the air mass flow with the coolant after exiting the second compressor.
  • the compressor arrangement has a heat exchanger which is connected to the cooling circuit, preferably downstream adjacent to the charge air cooler, and which is set up to cool coolant coming from the charge air cooler and to feed it to the coolant pump.
  • the intercooler has a coolant flow chamber which is connected to the cooling circuit, and an inner line guided through the coolant flow chamber, the inner line being fluidly connected to and arranged for the first and second compressors is to guide the air mass flow.
  • the intercooler also has a line wall that is set up for heat transfer.
  • the line wall is dimensioned in a generally known manner with a corresponding wall thickness and consists partly or entirely of a suitable heat-conducting material, preferably aluminum, steel or copper, or an alloy of one or more of the aforementioned metals.
  • the coolant flow chamber has at least one coolant inlet and one coolant outlet, which are aligned in such a way that a flow direction is defined relative to the flow direction of the air mass flow.
  • the coolant can Flow chamber be designed geometrically so that the coolant flows around the inner line, for example, opposite to the air mass flow or spirally.
  • the first compressor is set up to heat the air mass flow by a first temperature difference ATi compared to an inlet temperature TE of the air mass flow
  • the intercooler is set up to heat the air mass flow by a second temperature difference AT2 to cool down It is not the intended task of the first compressor to increase the temperature of the air mass flow; the temperature increase is a technical consequence of the air compression.
  • the second temperature difference ⁇ T2 is preferably in a range of 0.5 ⁇ Ti or more.
  • the compressor arrangement has a thermostat which is connected to the cooling circuit and on the inlet side also has a connection to a bypass which is connected to a branch located downstream adjacent to the coolant pump and has a valve arrangement which is set up to mix coolant flowing in from both inlets to a target temperature TM ZU and to forward it downstream through an outlet.
  • the bypass thus allows coolant with a lower temperature to be fed into the thermostat, as a result of which the mixed temperature TM can be adjusted by the valve arrangement.
  • the thermostat in another preferred embodiment of the invention, the thermostat
  • the outlet is a first outlet
  • the thermostat has a second outlet in the cooling circuit, which is connected to the heat exchanger via a line, the valve arrangement being set up to let coolant through depending on the coolant temperature TK direct the second outlet to the heat exchanger. If the coolant temperature TK within the thermostat cannot be reduced sufficiently for further use, the coolant can be discharged via the direct fluid-conducting connection of the thermostat to the heat exchanger.
  • the intercooler is a first cooler
  • the intercooler is a second cooler
  • the compressor arrangement has an additional third cooler which is set up to cool the air mass flow emerging from the second compressor.
  • the cooling effort within the intercooler is reduced as a result and the intercooler can be dimensioned to be correspondingly smaller—and thus more cost-effective.
  • coolers described above in various preferred embodiments are preferably partially or fully structurally integrated into the compressor assembly.
  • At least the cooling ducts of the second cooler are structurally integrated into the second compressor stage.
  • the third cooler is connected in the cooling circuit between the intermediate cooler and the thermostat and is set up to cool the air mass flow emerging from the second compressor.
  • the coolant coming from the intercooler is thus used for cooling in the third cooler.
  • the compressor and the electric motor are arranged in a common housing, preferably together with the intercooler; and/or the power electronics are mounted on or in the housing; and/or the thermostat and the third cooler and its supply lines are preferably integrated into the housing.
  • the cooling circuit has a bypass arrangement downstream adjacent to the coolant pump and upstream adjacent to the electric motor, which is set up to route some of the coolant coming from the coolant pump directly to the electric motor.
  • the bypass arrangement preferably has a multi-way valve, particularly preferably a spring-loaded 3/2-way solenoid valve.
  • the multi-way valve is preferably set up to permit the intended flow of coolant in the direction of the power electronics in a first position, which in the case of a spring-loaded valve can be an unactuated position.
  • the multi-way valve is further preferably set up to block the original direction of flow in a second position, which can be present, for example, when current is applied, and instead to release the bypass. This arrangement offers the advantage that if the flow of coolant from the power electronics is not sufficient and/or sufficiently cool, it can be partially or completely bypassed in the cooling circuit.
  • the invention has been described above in a first aspect with reference to a compressor arrangement.
  • the compressor arrangement is intended to supply the fuel cell in a fuel cell system with air.
  • the invention therefore relates to a fuel cell system for a commercial vehicle, having a fuel cell with a cathode-side inlet and a Compressor arrangement which is fluidly connected to the cathode-side inlet of the fuel cell.
  • the invention solves the underlying problem specified at the outset in a fuel cell system according to the second aspect, in that the compressor arrangement is designed according to one of the preferred embodiments described above.
  • the invention makes use of the same advantages and findings as the compressor arrangement according to the first aspect, so that in order to avoid repetitions in this respect reference is made to the above explanations.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of the compressor arrangement according to a first preferred exemplary embodiment
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a further development of the compressor arrangement according to FIG. 1 ,
  • FIGS. 1 and 2 show a schematic representation of a further development of the compressor arrangement according to FIGS. 1 and 2,
  • FIGS. 1 to 3 shows a schematic representation of a further development of the compressor arrangement according to FIGS. 1 to 3,
  • FIGS. 1 to 4 shows a schematic representation of a further development of the compressor arrangement according to FIGS. 1 to 4,
  • FIG. 6 shows a schematic representation of a fuel cell system with a compressor arrangement according to one of the preceding figures.
  • the compressor arrangements shown in FIGS. 2 to 5 and the fuel cell system shown in FIG. 6 each show further developments of the exemplary embodiment shown in FIG. Those converter arrangements are thus both variants of the exemplary embodiment according to FIG. 1 and independent exemplary embodiments. Elements with the same structure and/or the same function are therefore each provided with the same reference symbols in the figures.
  • the compressor arrangement 1 shows a compressor arrangement 1 for a fuel cell system, in particular for a fuel cell system for commercial vehicles.
  • the compressor arrangement 1 has two compressors 3 and 5 and an electric motor 7 for driving the compressors.
  • the compressor arrangement 1 has a coolant pump 11 which is connected to a cooling circuit 10 .
  • the course and the direction of flow of the coolant mass flow qK in the cooling circuit 10 are illustrated by the dashed lines with an arrow.
  • the coolant 12 flows from the coolant pump 11 to the power electronics 13 and then to the electric motor 7.
  • the compressor arrangement 1 has an intercooler 9 which consists of a coolant flow chamber 21 and an inner line 23 which is connected to the first compressor 3 downstream in a fluid-conducting manner.
  • the air mass flow exits the first compressor 3, is in the inner line of the intercooler to the Temperature difference .DELTA.T 2 cooled and then passed on to the second compressor 5, where further compression and reheating of the air mass flow takes place.
  • the coolant flow chamber 21 is fluidly connected to the electric motor 7 downstream in the cooling circuit 10 .
  • the coolant 12 After passing through the intercooler 9, the coolant 12 in the embodiment shown in FIG.
  • the coolant 12 is then conducted to the heat exchanger 19, in which the coolant 12 is cooled down again.
  • the coolant 12 is then passed on to the coolant pump 11 .
  • the air mass flow cooled in the intercooler 17 is forwarded to the fuel cell.
  • the exemplary embodiment according to FIG. 2 shows a compressor arrangement 1 in which the thermostat 25 is installed in addition to the exemplary embodiment shown in FIG. 1 .
  • the thermostat 25 is connected downstream adjacent to the intercooler 9 in the cooling circuit 10 .
  • the thermostat 25 has a second inlet which is connected to a thermostat bypass 27 which is connected to a thermostat branch 29 which is arranged downstream adjacent to the coolant pump 11 .
  • the thermostat 25 is configured to mix coolant 12 entering via the two inlets using a valve assembly 31 . Because of the lower temperature of the coolant 12 flowing in via the bypass, the mixed temperature TM of the coolant 12 can be adjusted.
  • the coolant 12 is then passed on to the intercooler via an outlet 33 of the thermostat 25 .
  • the thermostat 25 also has a second outlet 35 which is fluidly connected to the heat exchanger 19 downstream. Coolant 12 can be fed back directly to heat exchanger 19 via the second outlet if it cannot or should not be used in intercooler 17 .
  • the exemplary embodiment according to FIG. 3 shows a compressor arrangement 1 which, in addition to the exemplary embodiment shown in FIG.
  • the third cooler 37 in the cooling circuit 10 is connected to the intermediate cooler 9 downstream. The coolant 12 then flows from the third cooler 37 to the thermostat 25.
  • the exemplary embodiment according to FIG. 4 shows a compressor arrangement 1 in which the compressor (3, 5), the electric motor (7), the intercooler (9), the power electronics (13) including the inverter (15), the thermostat (25) and the third cooler (37) are arranged in a housing (39).
  • the exemplary embodiment according to FIG. 5 shows a compressor arrangement 1 which, in addition to the exemplary embodiment shown in FIG. 4 , has an additional bypass arrangement 41 which is connected in the cooling circuit 10 downstream adjacent to the coolant pump 11 .
  • the coolant 12 is routed directly to the electric motor 7 via the bypass arrangement 41 .
  • the exemplary embodiment according to FIG. 6 shows a compressor arrangement 1 according to FIG.
  • the fuel cell system 100 is shown in FIG. 6 with the compressor arrangement 1 shown in FIG.
  • the fuel cell system 100 may include any of the exemplary embodiments of the compressor assembly 1 shown in FIGS. 1 through 5, as well as any compressor assembly according to one, several or all of the preferred embodiments described generally above.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Verdichteranordnung (1) für ein Brennstoffzellensystem (100), insbesondere für ein Brennstoffzellensystem für Nutzfahrzeuge, mit zwei in Reihe geschalteten Verdichtern (3, 5) und einem Elektromotor (7) zum Antrieb der Verdichter (3, 5), wobei die Verdichter (3, 5) dazu eingerichtet sind, einen Luft-Massenstrom (qL) anzusaugen, zu verdichten und den verdichteten Luft-Massenstrom (qL) als Reaktantenzufuhr abzugeben, und wobei der zweite Verdichter (5) dazu eingerichtet ist, den von dem ersten Verdichter (3) kommenden Luft-Massenstrom (qL) weiter zu verdichten. Es wird vorgeschlagen, dass die Verdichteranordnung (1) einen Zwischenkühler (9) aufweist, der dazu eingerichtet ist, den Luft-Massenstrom (qL) aus dem ersten Verdichter (3) vor Eintritt in den zweiten Verdichter (5) zu kühlen.

Description

Verdichteranordnung für ein Brennstoffzellensystem, insbesondere für ein
Brennstoffzellensystem für Nutzfahrzeuge
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Verdichteranordnung für ein Brennstoffzellensystem, insbesondere für ein Brennstoffzellensystem für Nutzfahrzeuge, mit zwei in Reihe geschalteten Verdichtern und einem Elektromotor zum Antrieb der Verdichter, wobei die Verdichter dazu eingerichtet sind, einen Luft-Massenstrom anzusaugen, zu verdichten und den verdichteten Luft-Massenstrom als Reaktantenzufuhr abzugeben, und wobei der zweite Verdichter dazu eingerichtet ist, den von dem ersten Verdichter kommenden Luft-Massenstrom weiter zu verdichten.
Zweistufige Verdichteranordnungen zur Bereitstellung einer Luftversorgung sind allgemein bekannt. Bei Brennstoffzellensystemen besteht eine besondere Herausforderung in der Bereitstellung der Luft bei einer geringen parasitären Leistung der Balance-of-Plant(BoP)-Komponenten. Unter der parasitären Leistung ist die Energie pro Zeiteinheit zu verstehen, die während des Betriebs der BoP-Komponenten durch Verlustprozesse, beispielsweise Reibung oder Konvektionsvorgänge, nicht mehr genutzt werden kann. Die Verdichteranordnung zur Luftversorgung der Brennstoffzelle stellt den größten Nebenverbraucher im System dar und ist daher für einen entsprechend prominenten Teil der parasitären Leistung verantwortlich. Die parasitäre Leistung stellt eine Begrenzung der erreichbaren Energieeffizienz dar.
Der vorliegenden Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, bei einer Verdichteranordnung der eingangs bezeichneten Art die vorstehend beschriebenen Nachteile möglichst weitgehend abzumildern. Insbesondere lag der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Verdichteranordnung anzugeben, die mit verbesserter Energieeffizienz betrieben werden kann. Die vorliegende Erfindung löst die Aufgabe dahingehend, dass die Verdichteranordnung einen zusätzlichen Zwischenkühler, der dazu eingerichtet ist, den Luft-Massenstrom aus dem ersten Verdichter vor Eintritt in den zweiten Verdichter zu kühlen, aufweist.
Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass eine gezielte Kühlung des Luft- Massenstroms zu einer Erhöhung des Wirkungsgrads der Verdichteranordnung beiträgt. Die Verdichtung kann mittels einer Reduzierung der Lufttemperatur an einer geeigneten Stelle im System an die isotherme Verdichtung innerhalb von Verdichtern angenähert werden. Hierdurch kann der Wirkungsgrad der Verdichteranordnung erhöht werden. Besonders bevorzugt erfolgt dieser Kühlschritt zwischen den beiden Verdichtern, und der Zwischenkühler kann dabei bauraumgünstig in die Verdichteranordnung integriert werden.
Sofern vorstehend und nachfolgend der Begriff Luft verwendet wird, soll im Zusammenhang mit der Erfindung verstanden werden, dass dieser Begriff durch Sauerstoff und sämtliche sauerstoffhaltige Stoffgemische, die für einen Betrieb des Verdichters und der Brennstoffzelle geeignet sind, austauschbar ist. Der Begriff Luft soll insbesondere als Sammelbegriff für Sauerstoff und sauerstoffhaltige Stoffgemische verstanden werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die Verdichteranordnung einen Kühlkreislauf und eine Kühlmittel-Pumpe auf, die an den Kühlkreislauf angeschlossen ist, um ein Kühlmittel im Kühlkreislauf zu fördern. Hierdurch können verschiedene Systemkomponenten in einem geregelten Prozess gekühlt werden. Der Begriff Kühlmittel bezeichnet hier im Zusammenhang mit der Erfindung sämtliche Fluide, insbesondere
Flüssigkeiten, im erweiterten Sinne ebenfalls Fluide mit nicht-festen oder festen Zusätzen, beispielsweise Suspensionen, die zur Kühlung der Systemkomponenten geeignet sind und mit denen eine bedarfsgerechte Reduktion der Luft-Massenstrom-Temperatur innerhalb des
Brennstoffzellensystems erreicht werden kann. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die Verdichteranordnung eine Leistungselektronik auf, wobei die Leistungselektronik dazu eingerichtet ist, den Elektromotor zu steuern, und wobei die Leistungselektronik vorzugsweise einen Inverter aufweist. Ferner ist die Leistungselektronik an den Kühlkreislauf angeschlossen, wobei vorzugsweise die Leistungselektronik im Kühlkreislauf stromabwärts benachbart zur Kühlmittel-Pumpe angeschlossen ist. Letzteres bewirkt, dass die temperaturempfindliche Leistungselektronik zuerst von dem Kühlmittel durchlaufen wird, welches zu Beginn des Kühlkreislaufs die niedrigste Temperatur aufweist. Zudem ist es vorteilhaft, in der Leistungselektronik einen Inverter mit Siliziumkarbid-Halbleitern zu verwenden, da dieser eine hohe Leistungsdichte aufweist und bei hohen Frequenzen, beispielsweise in einem Bereich bis 100kHz, funktionsfähig ist.
Im Zusammenhang mit der Erfindung definiert „benachbart“ das funktionale Aufeinanderfolgenden der nacheinander durchströmten Bauteile. Am obigen Beispiel: Nach dem Durchströmen der Pumpe wird die Leistungselektronik als nächstes durchströmt. Benachbarte Bauteile in diesem Sinne können unmittelbar aneinander montiert sein oder auch voneinander beabstandet sein und über Leitungen verbunden sein.
Im Zusammenhang mit der Erfindung definiert „stromabwärts“ die nachfolgende Anordnung eines Bauteils in Strömungsrichtung relativ zu einem zweiten Bauteil. Analog definiert „stromaufwärts“ die dazu entgegengesetzte Anordnung des ersten Bauteils in Strömungsrichtung relativ zu dem zweiten Bauteil.
In dem Kühlkreislauf ist, in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, der Elektromotor an den Kühlkreislauf angeschlossen, vorzugsweise stromabwärts benachbart zur Leistungselektronik.
In einer weiteren Ausführungsform ist der Zwischenkühler an den Kühlkreislauf angeschlossen, vorzugsweise stromabwärts benachbart zum Elektromotor.
Hieraus folgt, dass bei der Kühlung des Luft-Massenstroms zwischen den beiden Verdichtern der bereits vorhandene Kühlkreislauf genutzt wird, welches im Hinblick auf einen höheren energetischen Wirkungsgrad des
Brennstoffzellensystems von Vorteil sein kann.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die Verdichteranordnung einen Ladeluftkühler auf, der an den Kühlkreislauf angeschlossen ist, vorzugsweise stromabwärts benachbart zum Zwischenkühler, und der dazu eingerichtet ist, den Luft-Massenstrom nach Austritt aus dem zweiten Verdichter mit dem Kühlmittel zu kühlen.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die Verdichteranordnung einen Wärmetauscher auf, der an den Kühlkreislauf angeschlossen ist, vorzugsweise stromabwärts benachbart zum Ladeluftkühler, und der dazu eingerichtet ist, aus dem Ladeluftkühler kommendes Kühlmittel zu kühlen und der Kühlmittel-Pumpe zuzuführen.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist der Zwischenkühler eine Kühlmittel-Strömungskammer auf, die an den Kühlkreislauf angeschlossen ist, und eine durch die Kühlmittel- Strömungskammer hindurch geführte innere Leitung, wobei die innere Leitung fluidleitend mit dem ersten und zweiten Verdichter verbunden und dazu eingerichtet ist, den Luft-Massenstrom zu leiten. Der Zwischenkühler weist ferner eine Leitungswand auf, die zur Wärmeübertragung eingerichtet ist. Die Leitungswand ist zu diesem Zweck in allgemein bekannter Weise mit entsprechender Wandstärke dimensioniert und besteht teilweise oder vollständig aus einem geeigneten wärmeleitenden Material, vorzugsweise Aluminium, Stahl oder Kupfer, oder einer Legierung eines oder mehrerer der vorgenannten Metalle.
Die Kühlmittel-Strömungskammer weist in bevorzugten Ausführungsformen mindestens einen Kühlmittel-Einlass und einen Kühlmittel-Auslass auf, die so ausgerichtet sind, dass eine Strömungsrichtung relativ zur Strömungsrichtung des Luft-Massenstromes definiert wird. Dabei kann die Kühlmittel- Strömungskammer geometrisch so ausgestaltet sein, dass das Kühlmittel die innere Leitung beispielsweise zum Luft-Massenstrom entgegengesetzt oder spiralförmig umströmt.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der erste Verdichter dazu eingerichtet, den Luft-Massenstrom um eine erste Temperaturdifferenz ATi gegenüber einer Einlasstemperatur TE des Luft- Massenstroms zu erwärmen, und der Zwischenkühler ist dazu eingerichtet, den Luft-Massenstrom um eine zweite Temperaturdifferenz AT2 abzukühlen. Es ist nicht die beabsichtigte Aufgabe des ersten Verdichters, die Temperatur des Luft-Massenstromes zu erhöhen; die Temperaturerhöhung ist eine technische Folge der Luftverdichtung. Die zweite Temperaturdifferenz AT2 liegt vorzugsweise in einem Bereich von 0,5 ATi oder mehr. Die Auswirkung einer Kühlung des Luft-Massenstromes wird beispielsweise deutlich, wenn letzterer von einer Temperatur von 120°C bei Austritt aus der der ersten Verdichterstufe auf 70°C bei Eintritt in die zweite Verdichterstufe gekühlt wird: Die im zweiten Verdichter benötigte Leistung sinkt hierdurch um mehr als 10%.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die Verdichteranordnung ein Thermostat auf, das an den Kühlkreislauf angeschlossen ist und einlassseitig zusätzlich eine Verbindung zu einem Bypass, der mit einer stromabwärts benachbart zur Kühlmittel-Pumpe angeordneten Abzweigung verbunden ist, aufweist und eine Ventilanordnung aufweist, die dazu eingerichtet ist, aus beiden Einlässen zuströmendes Kühlmittel auf eine Zieltemperatur TM ZU mischen und stromabwärts durch einen Auslass weiterzuleiten. Durch den Bypass wird somit die Zufuhr von Kühlmittel mit geringerer Temperatur in das Thermostat ermöglicht, wodurch die Mischtemperatur TM durch die Ventilanordnung eingestellt werden kann.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Thermostat
- zwischen der Leistungselektronik und dem Elektromotor, oder
- zwischen dem Elektromotor und dem Zwischenkühler, oder - zwischen dem Zwischenkühler und dem Ladeluftkühler angeordnet.
Hierdurch ist es möglich, die Kühlmitteltemperatur TK in Abhängigkeit des Kühlbedarfs der Systemkomponenten flexibler regeln zu können.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Auslass ein erster Auslass, und das Thermostat weist im Kühlkreislauf einen zweiten Auslass, der über eine Leitung an dem Wärmetauscher angeschlossen ist, auf, wobei die Ventilanordnung dazu eingerichtet ist, Kühlmittel in Abhängigkeit der Kühlmitteltemperatur TK durch den zweiten Auslass direkt zum Wärmetauscher zu leiten. Ist eine ausreichende Reduktion der Kühlmitteltemperatur TK innerhalb des Thermostats zur weiteren Nutzung nicht möglich, kann das Kühlmittel über die direkte fluidleitende Verbindung des Thermostats zum Wärmetauscher abgeführt werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Zwischenkühler ein erster Kühler, der Ladeluftkühler ein zweiter Kühler, und weist die Verdichteranordnung einen zusätzlichen dritten Kühler auf, der dazu eingerichtet ist, den aus dem zweiten Verdichter austretenden Luft- Massenstrom zu kühlen. Der Kühlaufwand innerhalb des Ladeluftkühlers wird hierdurch reduziert und der Ladeluftkühler kann entsprechend kleiner - und damit kostengünstiger - dimensioniert werden.
Einer, mehrere oder sämtliche der Kühler, die vorstehend in verschiedenen bevorzugten Ausführungsformen beschrieben wurden, sind vorzugsweise baulich teilweise oder vollständig in die Verdichteranordnung integriert.
Besonders bevorzugt sind zumindest die Kühlkanäle des zweiten Kühlers baulich in die zweite Verdichterstufe integriert.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der dritte Kühler im Kühlkreislauf zwischen dem Zwischenkühler und dem Thermostat angeschlossen und dazu eingerichtet, den aus dem zweiten Verdichter austretenden Luft-Massenstrom zu kühlen. Somit wird im dritten Kühler das aus dem Zwischenkühler kommende Kühlmittel zur Kühlung genutzt. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Verdichter und der Elektromotor in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet, vorzugsweise zusammen mit dem Zwischenkühler; und/oder ist die Leistungselektronik an oder in dem Gehäuse montiert; und/oder sind vorzugsweise das Thermostat sowie der dritte Kühler und dessen zuführende Leitungen in das Gehäuse integriert.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist der Kühlkreislauf eine Bypassanordnung stromabwärts benachbart zur Kühlmittel- Pumpe und stromaufwärts benachbart zum Elektromotor auf, die dazu eingerichtet ist, das aus der Kühlmittelpumpe kommende Kühlmittel teilweise direkt zum Elektromotor zu leiten. Die Bypassanordnung weist zur Steuerung der Flussrichtung in der Bypassanordnung vorzugsweise ein Mehrwegeventil auf, besonders bevorzugt ein federbelastetes 3/2-Wege-Magnetventil. Das Mehrwegeventil ist vorzugsweise dazu eingerichtet, in einer ersten Stellung, welches bei einem federbelasteten Ventil eine unbetätigte Stellung sein kann, den vorgesehenen Kühlmittelfluss in Richtung der Leistungselektronik zuzulassen. Das Mehrwegeventil ist weiter vorzugsweise dazu eingerichtet, in einer zweiten Stellung, welche beispielsweise bei Bestromung vorliegen kann, die ursprüngliche Flussrichtung zu sperren und stattdessen den Bypass freizugeben. Diese Anordnung bietet den Vorteil, dass bei einem nicht ausreichenden und/oder ausreichend kühlem Kühlmittelstrom aus der Leistungselektronik diese teilweise oder vollständig im Kühlkreislauf umgangen werden kann.
Die Erfindung ist vorstehend in einem ersten Aspekt unter Bezugnahme auf eine Verdichteranordnung beschrieben worden. Wie erwähnt ist die Verdichteranordnung dazu bestimmt, die Brennstoffzelle in einem Brennstoffzellensystem mit Luft zu versorgen. Die Erfindung betrifft daher in einem zweiten Aspekt ein Brennstoffzellensystem für ein Nutzfahrzeug, mit einer Brennstoffzelle mit einem kathodenseitigen Einlass und einer Verdichteranordnung, die fluidleitend mit dem kathodenseitigen Einlass der Brennstoffzelle verbunden ist.
Die Erfindung löst die eingangs angegebene zugrundeliegende Aufgabe bei einem Brennstoffzellensystem gemäß dem zweiten Aspekt, indem die Verdichteranordnung nach einer der vorstehend beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen ausgebildet ist. Die Erfindung macht sich in diesem Aspekt dieselben Vorteile und Erkenntnisse zunutze wie die Verdichteranordnung gemäß dem ersten Aspekt, so dass zur Vermeidung von Wiederholungen diesbezüglich auf die obigen Ausführungen verwiesen wird.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Hierbei zeigt:
Fig. 1 eine schematische Darstellung der Verdichteranordnung gemäß einem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel,
Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Weiterbildung der Verdichteranordnung gemäß Fig. 1 ,
Fig. 3 eine schematische Darstellung einer weiteren Weiterbildung der Verdichteranordnung gemäß den Fig. 1 und 2,
Fig. 4 eine schematische Darstellung einer weiteren Weiterbildung der Verdichteranordnung gemäß den Fig. 1 bis 3,
Fig. 5 eine schematische Darstellung einer weiteren Weiterbildung der Verdichteranordnung gemäß den Fig. 1 bis 4,
Fig. 6 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems mit einer Verdichteranordnung gemäß einer der vorstehenden Figuren. Wie im Folgenden näher ausgeführt, zeigen die in den Fig. 2 bis 5 dargestellten Verrdichteranordnungen sowie das in Fig. 6 dargestellte Brennstoffzellensystem jeweils Weiterbildungen des in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiels. Jene Verichteranordnungen sind somit sowohl Ausprägungen des Ausführungsbeispiels gemäß Fig. 1 , als auch eigenständige Ausführungsbeispiele. Elemente mit gleicher Struktur und/oder gleicher Funktion sind in den Figuren daher jeweils mit demselben Bezugszeichen versehen.
Fig. 1 zeigt eine Verdichteranordnung 1 für ein Brennstoffzellensystem, insbesondere für ein Brennstoffzellensystem für Nutzfahrzeuge. Die Verdichteranordnung 1 weist zwei Verdichter 3 und 5 sowie einen Elektromotor 7 zum Antrieb der Verdichter auf. Für den Antrieb der Verdichter ist eine Leistungselektronik 13, in der unter anderem ein Inverter 15 integriert ist, in der Verdichteranordnung 1 angeordnet.
Um die Komponenten zu kühlen, weist die Verdichteranordnung 1 eine Kühlmittel-Pumpe 11 auf, die an einen Kühlkreislauf 10 angeschlossen ist. Der Verlauf sowie die Flussrichtung des Kühlmittel-Massenstroms qK im Kühlkreislauf 10 wird durch die gestrichelten Linien mit einem Pfeil verdeutlicht. In dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel fließt das Kühlmittel 12 von der Kühlmittel-Pumpe 11 zur Leistungselektronik 13 und anschließend zum Elektromotor 7.
Der von außen zugeführte Luft-Massenstrom q L, dessen Verlauf durch die durchgehenden Linien mit einem Pfeil verdeutlicht wird, wird in dem ersten Verdichter 3 verdichtet und um die Temperaturdifferenz ΔT1 erwärmt. Um den Luft-Massenstrom anschließend zu kühlen, weist die Verdichteranordnung 1 einen Zwischenkühler 9 auf, der aus einer Kühlmittel-Strömungskammer 21 und einer inneren Leitung 23, welche fluidleitend stromabwärts mit dem ersten Verdichter 3 verbunden ist, besteht. Der Luft-Massenstrom tritt aus dem ersten Verdichter 3 aus, wird in der inneren Leitung des Zwischenkühlers um die Temperaturdifferenz ΔT2 gekühlt und anschließend in den zweiten Verdichter 5 weitergeleitet, wo eine weitere Verdichtung und erneute Erwärmung des Luft- Massenstromes erfolgt.
Die Kühlmittel-Strömungskammer 21 ist im Kühlkreislauf 10 fluidleitend stromabwärts mit dem Elektromotor 7 verbunden. Nach Durchlaufen des Zwischenkühlers 9 fließt das Kühlmittel 12 in dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel daraufhin in den Ladeluftkühler 17, wo es zur Kühlung des Luft-Massenstromes aus dem zweiten Verdichter 5 genutzt wird. Anschließend wird das Kühlmittel 12 zu dem Wärmetauscher 19 geleitet, in dem das Kühlmittel 12 wieder heruntergekühlt wird. Daraufhin wird das Kühlmittel 12 zur Kühlmittel-Pumpe 11 weitergeleitet. Der im Ladeluftkühler 17 gekühlte Luft- Massenstrom wird zur Brennstoffzelle weitergeleitet.
Das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 zeigt eine Verdichteranordnung 1 , bei der zusätzlich zu dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel das Thermostat 25 verbaut ist. Das Thermostat 25 ist stromabwärts benachbart zum Zwischenkühler 9 im Kühlkreislauf 10 angeschlossen. Dabei weist das Thermostat 25 einen zweiten Einlass auf, der mit einem Thermostat-Bypass 27 verbunden ist, der mit einer stromabwärts benachbart zur Kühlmittel-Pumpe 11 angeordneten Thermostat-Abzweigung 29 verbunden ist. Das Thermostat 25 ist dazu eingerichtet, über die beiden Einlässe eintretendes Kühlmittel 12 durch Nutzung einer Ventilanordnung 31 zu mischen. Dabei kann aufgrund der geringeren Temperatur des über den Bypass einfließenden Kühlmittels 12 die Mischtemperatur TM des Kühlmittels 12 eingestellt werden. Daraufhin wird das Kühlmittel 12 über einen Auslass 33 des Thermostats 25 an den Ladeluftkühler weitergeleitet. Das Thermostat 25 weist zudem einen zweiten Auslass 35 auf, der fluidleitend stromabwärts an den Wärmetauscher 19 angeschlossen ist. Über den zweiten Auslass kann Kühlmittel 12 direkt dem Wärmetauscher 19 wieder zugeführt werden, sofern es im Ladeluftkühler 17 nicht genutzt werden kann oder soll. Das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 zeigt eine Verdichteranordnung 1 , die zusätzlich zu dem in Fig. 2 gezeigten Ausführungsbeispiel einen zusätzlichen dritten Kühler 37 aufweist, der den aus dem zweiten Verdichter 5 stammenden Luft-Massenstrom kühlt, bevor letzterer in den Ladeluftkühler 17 eintritt. Dabei ist der dritte Kühler 37 im Kühlkreislauf 10 stromabwärts an den Zwischenkühler 9 angeschlossen. Von dem dritten Kühler 37 fließt das Kühlmittel 12 anschließend zum Thermostat 25.
Das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4 zeigt eine Verdichteranordnung 1 , bei der die Verdichter (3, 5), der Elektromotor (7), der Zwischenkühler (9), die Leistungselektronik (13) beinhaltend den Inverter (15), das Thermostat (25) sowie der dritte Kühler (37) in einem Gehäuse (39) angeordnet sind.
Das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 5 zeigt eine Verdichteranordnung 1 , die zusätzlich zu dem in Fig. 4 gezeigten Ausführungsbeispiel eine zusätzliche Bypassanordnung 41 aufweist, die im Kühlkreislauf 10 stromabwärts benachbart zur Kühlmittelpumpe 11 angeschlossen ist. Das Kühlmittel 12 wird über die Bypassanordnung 41 direkt zum Elektromotor 7 geleitet.
Das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 6 zeigt eine Verdichteranordnung 1 gemäß Fig. 5, die fluidleitend mit dem kathodenseitigen Einlass 44 der Brennstoffzelle 43 verbunden ist und zusammen mit der Brennstoffzelle 43 das Brennstoffzellensystem 100 bildet.
Das Brennstoffzellensystem 100 ist in Fig. 6 mit der in Fig. 5 gezeigten Verdichteranordnung 1 dargestellt. Es soll jedoch verstanden werden, dass das Brennstoffzellensystem 100 jedes der in den Fig. 1 bis 5 gezeigten Ausführungsbeispiele der Verdichteranordnung 1 enthalten kann, sowie jede Verdichteranordnung gemäß einer, mehrerer oder sämtlicher der oben allgemein beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen.
Dementsprechend sind die in Fig. 1 bis Fig. 6 gezeigten schematischen
Darstellungen nicht auf diese beschränkt. Vielmehr sollen die Darstellungen lediglich Beispiele aus einer Vielzahl von Kombinationsmöglichkeiten der Komponenten des Brennstoffzellensystems, wie sie nach den nachstehenden Ansprüchen gegeben sind, aufzeigen.
Bezugszeichenhste (Teil der Beschreibung)
1 Verdichteranordnung
3 Erster Verdichter
5 Zweiter Verdichter
7 Elektromotor
9 Zwischenkühler (erster Kühler)
10 Kühlkreislauf
11 Kühlmittel-Pumpe
12 Kühlmittel
13 Leistungselektronik
15 Inverter
17 Ladeluftkühler (zweiter Kühler)
19 Wärmetauscher
21 Kühlmittel-Strömungskammer im Zwischenkühler
23 Innere Leitung im Zwischenkühler
24 Leitungswand
25 Thermostat
27 Thermostat-Bypass
29 Thermostat-Abzweigung
31 Ventilanordnung
32 Einlässe
33 Erster Auslass des Thermostats
35 Zweiter Auslass des Thermostats
36 Leitung vom Zwischenkühler zum Wärmetauscher
37 Dritter Kühler
39 Gehäuse
41 Bypassanordnung
43 Brennstoffzelle
44 Kathodenseitiger Einlass der Brennstoffzelle
100 Brennstoffzellensystem qK Kühlmittel-Massenstrom qL Luft-Massenstrom T1 Erste Temperaturdifferenz
TE Einlasstemperatur
T2 Zweite Temperaturdifferenz
TM Mischtemperatur
TK Kühlmitteltemperatur

Claims

Patentansprüche
1. Verdichteranordnung (1 ) für ein Brennstoffzellensystem (100), insbesondere für ein Brennstoffzellensystem für Nutzfahrzeuge, mit zwei in Reihe geschalteten Verdichtern (3, 5) und einem Elektromotor (7) zum Antrieb der Verdichter (3, 5), wobei die Verdichter (3, 5) dazu eingerichtet sind, einen Luft-Massenstrom (qQ anzusaugen, zu verdichten und den verdichteten Luft-Massenstrom (q L) als Reaktantenzufuhr abzugeben, und wobei der zweite Verdichter (5) dazu eingerichtet ist, den von dem ersten Verdichter (3) kommenden Luft-Massenstrom (qQ weiter zu verdichten, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdichteranordnung (1 ) einen Zwischenkühler (9) aufweist, der dazu eingerichtet ist, den Luft-Massenstrom (qL) aus dem ersten Verdichter (3) vor Eintritt in den zweiten Verdichter (5) zu kühlen.
2. Verdichteranordnung (1 ) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Verdichteranordnung (1 ) einen Kühlkreislauf (10) und eine Kühlmittel-Pumpe (1 1 ) aufweist, die an den Kühlkreislauf (10) angeschlossen ist, um ein Kühlmittel (12) im Kühlkreislauf (10) zu fördern.
3. Verdichteranordnung (1 ) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdichteranordnung (1 ) eine Leistungselektronik (13) aufweist, wobei die Leistungselektronik (13) dazu eingerichtet ist, den Elektromotor (7) zu steuern und an den Kühlkreislauf (10) angeschlossen ist, wobei vorzugsweise die Leistungselektronik (13) im Kühlkreislauf (10) stromabwärts benachbart zur Kühlmittel-Pumpe (1 1 ) angeschlossen ist.
4. Verdichteranordnung (1 ) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor (7) an den Kühlkreislauf (10) angeschlossen ist, vorzugsweise stromabwärts benachbart zur Leistungselektronik (13).
5. Verdichteranordnung (1 ) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Zwischenkühler (9) an den Kühlkreislauf (10) angeschlossen ist, vorzugsweise stromabwärts benachbart zum Elektromotor (7).
6. Verdichteranordnung (1 ) nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdichteranordnung (1 ) einen Ladeluftkühler (17) aufweist, der an den Kühlkreislauf (10) angeschlossen ist, vorzugsweise stromabwärts benachbart zum Zwischenkühler (9), und der dazu eingerichtet ist, den Luft-Massenstrom (q L) nach Austritt aus dem zweiten Verdichter (5) mit dem Kühlmittel (12) zu kühlen.
7. Verdichteranordnung (1 ) nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdichteranordnung (1 ) einen Wärmetauscher (19) aufweist, der an den Kühlkreislauf (10) angeschlossen ist, vorzugsweise stromabwärts benachbart zum Ladeluftkühler (17), und der dazu eingerichtet ist, aus dem Ladeluftkühler (17) kommendes Kühlmittel (12) zu kühlen und der Kühlmittel-Pumpe (11 ) zuzuführen.
8. Verdichteranordnung (1 ) nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Zwischenkühler (9) eine Kühlmittel- Strömungskammer (21 ) aufweist, die an den Kühlkreislauf (10) angeschlossen ist, und eine durch die Kühlmittel-Strömungskammer (21 ) hindurch geführte innere Leitung (23), wobei die innere Leitung (23) fluidleitend mit dem ersten und zweiten Verdichter (3, 5) verbunden und dazu eingerichtet ist, den Luft- Massenstrom (qL) zu leiten, und eine Leitungswand (24) aufweist, die zur Wärmeübertragung eingerichtet ist.
9. Verdichteranordnung (1 ) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Verdichter (3) dazu eingerichtet ist, den Luft-Massenstrom (qL) um eine erste Temperaturdifferenz (ATi) gegenüber einer Einlasstemperatur (TE) des Luft-Massenstroms (qL) zu erwärmen, und der Zwischenkühler (9) dazu eingerichtet ist, den Luft-Massenstrom (qL) um eine zweite Temperaturdifferenz (AT2) abzukühlen, wobei die zweite
Temperaturdifferenz (ΔT2) vorzugsweise in einem Bereich von 0,5 ΔT1 oder mehr liegt.
10. Verdichteranordnung (1 ) nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdichteranordnung (1 ) ein Thermostat (25) aufweist, das an den Kühlkreislauf (10) angeschlossen ist und einlassseitig zusätzlich eine Verbindung zu einem Thermostat-Bypass (27), der mit einer stromabwärts benachbart zur Kühlmittel-Pumpe (1 1 ) angeordneten Thermostat- Abzweigung (29) verbunden ist, aufweist und eine Ventilanordnung (31 ) aufweist, die dazu eingerichtet ist, aus beiden Einlässen (32) zuströmendes Kühlmittel (12) auf eine Zieltemperatur (TM) zu mischen und stromabwärts durch einen Auslass (33) des Thermostats (25) weiterzuleiten.
11. Verdichteranordnung (1 ) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Thermostat (25)
- zwischen der Leistungselektronik (13) und dem Elektromotor (7), oder
- zwischen dem Elektromotor (7) und dem Zwischenkühler (9), oder
- zwischen dem Zwischenkühler (9) und dem Ladeluftkühler (17) angeordnet ist.
12. Verdichteranordnung (1 ) nach Anspruch 10 oder 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Auslass (33) ein erster Auslass ist, und das Thermostat (25) im Kühlkreislauf einen zweiten Auslass (35), der über eine Leitung (36) an dem Wärmetauscher (19) angeschlossen ist, aufweist, wobei die Ventilanordnung (31 ) dazu eingerichtet ist, Kühlmittel (12) in Abhängigkeit der Kühlmitteltemperatur (TK) durch den zweiten Auslass (35) direkt zum Wärmetauscher (19) zu leiten.
13. Verdichteranordnung (1 ) nach einem Ansprüche 6 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Zwischenkühler (9) ein erster Kühler ist, der Ladeluftkühler (17) ein zweiter Kühler ist, und die Verdichteranordnung (1 ) ferner einen dritten Kühler (37) aufweist, der dazu eingerichtet ist, den aus dem zweiten Verdichter (5) austretenden Luft-Massenstrom (qQ zu kühlen.
14. Verdichteranordnung (1 ) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der dritte Kühler (37) im Kühlkreislauf (10) zwischen dem Zwischenkühler (9) und dem Thermostat (25) angeschlossen ist und dazu eingerichtet ist, den aus dem zweiten Verdichter (5) austretenden Luft-Massenstrom (qL) zu kühlen.
15. Verdichteranordnung (1 ) nach einem der Ansprüche 3 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass
- die Verdichter (3, 5) und der Elektromotor (7) in einem gemeinsamen Gehäuse (39) angeordnet sind, vorzugsweise zusammen mit dem Zwischenkühler (9); und/oder
- die Leistungselektronik (13) an oder in dem Gehäuse (39) montiert ist; und/oder dass vorzugsweise das Thermostat (25) sowie vorzugsweise der dritte Kühler (37) und dessen zuführende Leitungen in das Gehäuse (39) integriert sind.
16. Verdichteranordnung (1 ) nach einem der Ansprüche 4 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkreislauf (10) eine Bypassanordnung (41 ) stromabwärts benachbart zur Kühlmittel-Pumpe (11 ) und stromaufwärts benachbart zum Elektromotor (7) aufweist, die dazu eingerichtet ist, das aus der Kühlmittelpumpe (11 ) kommende Kühlmittel (12) teilweise direkt zum Elektromotor (7) zu leiten.
17. Brennstoffzellensystem (100) für ein Nutzfahrzeug, mit einer Brennstoffzelle (43) mit einem kathodenseitigen Einlass (44) und einer Verdichteranordnung (1 ), die fluidleitend mit dem kathodenseitigen Einlass (44) der Brennstoffzelle (43) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdichteranordnung (1 ) nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 16 ausgebildet ist.
EP22813470.6A 2021-11-04 2022-11-02 Verdichteranordnung für ein brennstoffzellensystem, insbesondere für ein brennstoffzellensystem für nutzfahrzeuge Pending EP4426947A1 (de)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102021128753.7A DE102021128753A1 (de) 2021-11-04 2021-11-04 Verdichteranordnung für ein Brennstoffzellensystem, insbesondere für ein Brennstoffzellensystem für Nutzfahrzeuge
PCT/EP2022/080472 WO2023078880A1 (de) 2021-11-04 2022-11-02 Verdichteranordnung für ein brennstoffzellensystem, insbesondere für ein brennstoffzellensystem für nutzfahrzeuge

Publications (1)

Publication Number Publication Date
EP4426947A1 true EP4426947A1 (de) 2024-09-11

Family

ID=84363633

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EP22813470.6A Pending EP4426947A1 (de) 2021-11-04 2022-11-02 Verdichteranordnung für ein brennstoffzellensystem, insbesondere für ein brennstoffzellensystem für nutzfahrzeuge

Country Status (5)

Country Link
US (1) US20240290999A1 (de)
EP (1) EP4426947A1 (de)
CN (1) CN118202153A (de)
DE (1) DE102021128753A1 (de)
WO (1) WO2023078880A1 (de)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102023112116A1 (de) * 2023-05-09 2024-11-14 Ford Global Technologies Llc Luftversorgungseinrichtung von Brennstoffzellensystemen

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2003129961A (ja) 2001-10-25 2003-05-08 Hitachi Ltd 燃料電池用圧縮機
DE102010064061A1 (de) * 2009-12-28 2011-08-11 Volkswagen AG, 38440 Turboverdichter und Verfahren zur Verdichtung von Gas
JP6668161B2 (ja) * 2016-05-11 2020-03-18 株式会社マーレ フィルターシステムズ ターボチャージャ
DE102018000988A1 (de) 2018-02-08 2019-08-08 Voss Automotive Gmbh Verdichtersystem zum Erzeugen von Druckluft sowie Fahrzeug mit Druckluftfedersystem mit Verdichtersystem zum Erzeugen von Druckluft
DE102018202906A1 (de) 2018-02-27 2019-08-29 Robert Bosch Gmbh Brennstoffzellensystem
DE102019214739A1 (de) 2019-09-26 2021-04-01 Robert Bosch Gmbh Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems, Brennstoffzellensystem
CN212360234U (zh) 2020-08-24 2021-01-15 势加透博（北京）科技有限公司 一种用于燃料电池的两级离心式压缩机

Also Published As

Publication number Publication date
DE102021128753A1 (de) 2023-05-04
CN118202153A (zh) 2024-06-14
WO2023078880A1 (de) 2023-05-11
US20240290999A1 (en) 2024-08-29

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP2565560B1 (de) System für ein Kraftfahrzeug zum Erwärmen und/oder Kühlen
EP3747074B1 (de) Kühlsystem für brennstoffzellenstacks
EP1881171B1 (de) Ventil zur Steuerung eines Kühlmittelstroms für einen Heizkörper eines Kraftfahrzeugs und System mit zumindest einem solchen Ventil
DE102014106941A1 (de) Kühlvorrichtung für ein Batteriepaket
DE102010046460A1 (de) Mehrzonen-Wärmetauscher zur Verwendung in einem Fahrzeugkühlsystem
DE69801472T2 (de) Abgasanlage für einen Kraftfahrzeugmotor
DE102019132689A1 (de) Wärmemanagementsystem für ein Kraftfahrzeug und Kraftfahrzeug mit einem solchen
EP2423482B1 (de) Kühlsystem für ein Fahrzeug
EP1062418A1 (de) Vorrichtung zur kühlung von gasen
EP1266779B1 (de) Fahrzeug-Kühlkreislauf für die Kühlung einer temperaturerhöhenden Einrichtung mittels eines Kuhlmittels
DE102007061495A1 (de) Explosionsverbrennungsmotor mit einer Kühleranordnung
WO2023078880A1 (de) Verdichteranordnung für ein brennstoffzellensystem, insbesondere für ein brennstoffzellensystem für nutzfahrzeuge
DE10355649A1 (de) Längsdurchströmter Abgaskühler
DE102007048824B4 (de) Wärmetauscher, insbesondere zur Abgaskühlung
DE102013201109A1 (de) Wärmeübertragungseinrichtung
DE102022002297A1 (de) Hydraulisch gekoppelter Kühlkreislauf
WO2019091949A1 (de) Antriebseinrichtung mit einem kühlmittelkreislauf für ein kraftfahrzeug
EP1600314B1 (de) Anordnung in einem Kältemittelkreislauf und Arbeitsverfahren
DE102007051659A1 (de) Vorrichtung und Verfahren zur Rückführung von Abgas eines Verbrennungsmotors
DE69706886T2 (de) Kaltluft-kältemaschine mit temperaturlöschungssystem und methode
EP1993865A1 (de) Kombiniertes heizungs-/warmwassersystem für mobile anwendungen
DE102019218390A1 (de) Kühlsystem und eine Kühlanordnung für ein Kraftfahrzeug
DE102011088635A1 (de) Wärmeübertrager
DE102013011563B4 (de) Kühlkreislauf einer Brennkraftmaschine sowie Verfahren zum Betreiben eines Kühlkreislaufs
DE102022100801A1 (de) Brennstoffzellensystem und Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems

Legal Events

Date Code Title Description
STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: UNKNOWN

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: THE INTERNATIONAL PUBLICATION HAS BEEN MADE

PUAI Public reference made under article 153(3) epc to a published international application that has entered the european phase

Free format text: ORIGINAL CODE: 0009012

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: REQUEST FOR EXAMINATION WAS MADE

17P Request for examination filed

Effective date: 20240429

AK Designated contracting states

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): AL AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR HR HU IE IS IT LI LT LU LV MC ME MK MT NL NO PL PT RO RS SE SI SK SM TR

DAV Request for validation of the european patent (deleted)
DAX Request for extension of the european patent (deleted)