WO2021259768A1 - Wärmeübertrag im kathodenpfad eines brennstoffzellensystems mittels verdampfung/kondensation von produktwasser - Google Patents

Wärmeübertrag im kathodenpfad eines brennstoffzellensystems mittels verdampfung/kondensation von produktwasser Download PDF

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fuel cell
compressor
cell system
exhaust air
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Jochen Braun
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Robert Bosch Gmbh
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Definitions

  • the invention relates to a fuel cell system according to the preamble of the independent device claim.
  • the invention also relates to a method for operating a corresponding fuel cell system.
  • oxygen from the ambient air is generally used in order to react with hydrogen to form water or water vapor in the fuel cell and thus to generate electrical energy.
  • the ambient air is usually sucked in from the environment with the aid of one or more compressors and is supplied to the fuel cell system in the form of compressed supply air through an air supply line of a cathode path.
  • the ambient air must be compressed in order to ensure sufficient oxygen partial pressure for the chemical reaction.
  • ambient air must be compressed to ensure water management (ie to prevent excessive dehumidification of the membranes in the fuel cell system, because warm air absorbs less water vapor at higher pressure than at lower pressure, and to remove product water).
  • At least one compressor can be connected to an exhaust air line of the cathode path by means of a turbine in order to use part of the flow energy of the exhaust air by coupling it into the compressor shaft. If higher operating pressures are required in the cathode path, this involves a correspondingly increased effort associated with air compression (higher performance). This leads to increased temperatures of the compressed supply air in the cathode path. The resulting heat must be dissipated again in order to maintain the maximum permissible inlet temperatures in the stack or in an optionally available humidifier.
  • the invention provides a fuel cell system with the features of the independent device claim, in particular from the characterizing part. Furthermore, according to a second aspect, the invention provides a method for operating a corresponding fuel cell system. Further advantages, features and details of the invention emerge from the subclaims, the description and the drawings. Features and details that are described in connection with the fuel cell system according to the invention naturally also apply in connection with the method according to the invention and vice versa, so that with regard to the disclosure of the individual aspects of the invention, reference is or can always be made to the individual aspects of the invention.
  • the present invention provides a fuel cell system, comprising at least one fuel cell and a cathode path for providing an oxygen-containing reactant in the form of a supply air to the at least one fuel cell, the cathode path having an supply air line for providing the supply air to the at least one fuel cell and an exhaust air line for discharging a Having exhaust air from the at least one fuel cell, and wherein at least one heat exchanger is provided between the supply air line and the exhaust air line of the cathode path in order to transfer thermal energy or heat from the supply air to the exhaust air, in particular indirectly or without mass transfer between the supply air and the Transferring exhaust air.
  • the at least one heat exchanger is designed to transfer the heat by evaporation and condensation of product water.
  • the fuel cell system according to the invention can be designed in the form of a fuel cell stack, a so-called fuel cell stack, with several stacked repeat units in the form of individual fuel cells, preferably PEM fuel cells.
  • the fuel cell system according to the invention can advantageously be used for mobile applications, such as, for example, in motor vehicles, or for stationary applications, such as, for example, in generator systems.
  • the heat exchanger transfers the heat preferably passively and thus without aids, such as a coolant pump.
  • An additional line system for transporting a coolant to the heat exchanger, which has to be circulated by means of the coolant pump, can also be dispensed with in the context of the invention. In mobile applications, for example in motor vehicles, this advantageously relieves the load on a vehicle radiator because the heat is coupled into the exhaust air.
  • the heat exchanger according to the invention can be provided as a module.
  • the heat exchanger according to the invention is integrated in the cathode path or in an assembly of the cathode path, such as, for. B. can be provided in a, in particular turbine-driven, compressor.
  • a structural combination of the heat exchanger according to the invention with a water injection system in one assembly can also be implemented within the scope of the invention.
  • the idea of the invention is to reduce the heat transfer between the compressed (and thereby heated) supply air in the cathode path upstream of the at least one fuel cell (and possibly upstream of a humidifier or a water injection system) and the (cooler) exhaust air of the cathode path downstream of the at least one fuel cell (and possibly upstream of a turbine) with the help of evaporation / condensation of the product water.
  • the product water can serve as a working medium for the heat exchanger.
  • Product water is available at several points in a fuel cell system and can thus be used in an advantageous manner for heat transfer with the aid of the heat exchanger according to the invention.
  • the Product water can be extracted directly from the exhaust air path of the
  • Fuel cell system are obtained.
  • the product water can be temporarily stored in a water tank.
  • a temporal decoupling of product water extraction and product water use can be created.
  • the particularly passive heat transfer according to the invention by evaporation and condensation of product water can be achieved in particular at high compression end temperatures, i. H. at higher cathode pressures, be advantageous.
  • the product water is recirculated within the heat exchanger.
  • the water vapor rises inside the heat exchanger, condenses and drips off.
  • the evaporation of the product water is triggered by heated supply air.
  • the product water absorbs the heat from the supply air through evaporation.
  • the condensation of the product water is triggered by the cooler exhaust air.
  • the water vapor releases the heat into the exhaust air through condensation.
  • the condensing water drips off and collects again in the lower part of the heat exchanger and is again available for evaporation.
  • the product water level in the heat exchanger can be regulated in order to replace the escaped water vapor with new product water.
  • the heat exchanger according to the invention can, for example, have a metering valve and / or a feed pump in order to refill product water, for example from a water tank.
  • the product water can also be refilled in a simple manner without a feed pump if the water tank is positioned above the heat exchanger. In this way, the water can be supplied to the heat exchanger by means of a height difference (without a pump, just a simple on / off shut-off valve).
  • the heat exchanger according to the invention can be combined with further heat exchangers of the same or different types, gas-liquid or gas-gas heat exchangers, in order in particular to dissipate the remaining heat.
  • the invention can optionally provide that the heat exchanger can be emptied into the water tank as required. This can be made possible by means of an outlet channel by means of a pump. In addition, it is conceivable that the heat exchanger can be designed to be resistant to ice pressure.
  • The, in particular passive, heat transfer according to the invention by evaporation and condensation of product water can also be advantageous in fuel cell systems with energy recuperation by means of a turbine in the cathode exhaust gas path.
  • the turbine output can be increased and thus the electrical drive output for the air compression system can be reduced.
  • the invention can also be advantageous in fuel cell systems without energy recuperation, so that the cooling circuit is relieved.
  • the passive heat exchanger within the meaning of the invention advantageously does not require any additional integration into the cooling circuit of the terminal, for example a vehicle or a generator.
  • no additional actuators are required, as a result of which the energy efficiency of the fuel cell system can be increased.
  • the efficiency of the turbine can also be increased by driving the turbine with heated exhaust air.
  • the invention can provide for a fuel cell system that the at least one heat exchanger is designed to be drive-free to passively and / or indirectly transfer thermal energy from the supply air to the exhaust air without an electrical energy supply, preferably without mass transfer between the supply air and the Exhaust air to transfer.
  • parasitic energy costs in the fuel cell system can be reduced and the efficiency of the fuel cell system can be increased.
  • the invention can provide that the at least one heat exchanger is designed to transfer thermal energy from the supply air to the exhaust air in a unidirectional manner. Because the heat transfer direction is defined, a reversal of the heat transfer direction is advantageously not possible. Condensation problems in the exhaust gas duct can thus advantageously be avoided in comparison with passive gas-gas heat exchangers.
  • the invention can provide that the at least one heat exchanger has a first tube, for example in the form of a tube bundle, which carries part of the supply air line from one, in particular sealed, inlet into the at least one heat exchanger to one, in particular sealed one Forms the outlet from the at least one heat exchanger, and / or that the at least one heat exchanger has a second tube, for example in the form of a tube bundle, which comprises part of the exhaust air line from an, in particular sealed, inlet into the at least one heat exchanger to a, in particular sealed, forms the outlet from the at least one heat exchanger. It can thus be ensured that the oxygen-containing reactants can flow through the heat exchanger according to the invention in the supply air line and / or in the exhaust air line.
  • the invention can provide in a fuel cell system that a first tube and / or a second tube of the at least one heat exchanger have / has an outer surface and an inner surface, the outer surface having a larger area than the area of the inner surface, and / or wherein the outer surface has a rib structure, a lamellar structure and / or a cam structure, and / or wherein the outer surface has a continuous, for example helical, heat transfer element or several periodically arranged heat transfer elements.
  • the thermal transfer between the oxygen-containing reactants and the product water within the heat exchanger via the tubes can be effectively designed.
  • the formation of vapor bubbles within the product water as the transmission medium can be improved on the first pipe.
  • the product water can carry the heat up to the second pipe by evaporation.
  • the gaseous product water condenses again on the second pipe, thereby releasing the heat into the exhaust air.
  • the external surface on the second pipe can in turn improve the condensation of water vapor.
  • the heat transfer element or the heat transfer elements can have a top side which is inclined, in particular in the direction of flow of the oxygen-containing reactant, in order to promote the evaporation and condensation of the product water in the direction from bottom to top or from or to bottom.
  • the invention can provide in a fuel cell system that a first tube and / or a second tube of the at least one heat exchanger has a plurality of turns and / or a plurality of branch lines and / or a plurality of tube bundles. In this way, the degree of transmission can be set flexibly and advantageously increased as required.
  • the invention can provide for a fuel cell system that the at least one heat exchanger has a closed housing, the housing having a ventilation element, in particular in the form of a gas-permeable membrane, a passive valve, preferably a non-return valve, which opens to the environment when there is excess pressure, or a switchable valve, and / or wherein the housing has a filling element, in particular comprising an injection point, a metering valve and / or a metering pump, wherein in particular the filling element has a control contact for controllable and / or regulatable refilling of the product water.
  • the water begins to evaporate. Pressure can be equalized to the environment via the ventilation element so as not to slow down the evaporation.
  • the topping up or topping up of the product water that is passed through the venting element has escaped, can be done via the filling element.
  • the filling element can advantageously be connected to a water tank.
  • the water tank can in turn have a metering valve and / or a metering pump or a pump / nozzle unit.
  • a control contact, preferably electrically contactable, can advantageously be provided on the filling element, which z. B. can be controlled by a control unit.
  • the heat exchanger can also be refilled without the assistance of a pump by placing the water tank above the heat exchanger and refilling using gravity (and, if necessary, a shut-off valve).
  • the withdrawal of water or a possible emptying e.g. if there is a risk of frost, if the heat exchanger is not designed to withstand ice pressure
  • the water can be fed back into the water tank.
  • the invention can provide in a fuel cell system that the at least one heat exchanger has an outlet point in order to empty the heat exchanger, in particular when there is a risk of frost, the heat exchanger preferably being able to be emptied into a water tank, and / or that the at least one heat exchanger , in particular at the discharge point, has a switchable valve, preferably an electrically contactable control contact.
  • the at least one heat exchanger has preferably an electrically contactable control contact.
  • the invention can provide in a fuel cell system that the at least one heat exchanger is connected to a water tank, the water tank being designed as a water tank of the exhaust air line, a water tank of a water injection system, a water tank of a drain line or being connected to at least one of these water tanks, and / or wherein the water tank has a drain valve, and / or wherein the water tank is arranged above the at least one heat exchanger.
  • the heat exchanger can be refilled, advantageously at a separate time from the production of product water.
  • the invention can provide in a fuel cell system that a water injection system (with corresponding valves) is provided in the air supply line of the cathode path, the at least one heat exchanger being arranged in the air supply line of the cathode path upstream of the water injection system.
  • the supply air can be humidified with the help of the water injection system.
  • the advantage of a water injection system is that it ensures an easily controllable regulation of the humidity of the supply air and can also contribute to the temperature setting of the supply air.
  • the combination of the passive heat exchanger and the possibility of adjusting not only the humidity but also the temperature by means of water injection complement each other in an advantageous way.
  • the water injection can also optimize the compression process thermodynamically.
  • the invention can provide in a fuel cell system that a humidifier is provided between the supply air line and the exhaust air line of the cathode path, the at least one heat exchanger being arranged in the supply air line of the cathode path before the humidifier and in the exhaust air line of the cathode path after the humidifier.
  • a humidifier can be that the moisture from the exhaust air can be used directly to humidify the supply air.
  • the invention can furthermore provide that a first compressor is provided in the supply air line of the cathode path, the at least one heat exchanger being arranged in the supply air line of the cathode path after the first compressor.
  • the heat exchanger can thus absorb the heat from the compressed supply air in an advantageous manner.
  • the invention can provide in a fuel cell system that a first compressor and a second compressor are provided in the air supply line of the cathode path, the at least one heat exchanger being arranged in the air supply line of the cathode path after the first compressor and after the second compressor, or where the at least one heat exchanger is arranged in the supply air line of the cathode path after the first compressor and before the second compressor.
  • the heat exchanger in the supply air line of the cathode path after the first compressor and after the second compressor the heat transfer from supply air into the exhaust air can be increased.
  • the heat exchanger in the supply air line of the cathode path after the first compressor and before the second compressor the compressed supply air can be cooled between the two compressors. Cooled air is easier to compress so that the second compressor can be operated with better efficiency and / or designed to be smaller.
  • the invention can provide that the at least one heat exchanger has a first heat exchanger and a second heat exchanger, and that a first compressor and a second compressor are provided in the supply air line of the cathode path, the first heat exchanger in the supply air line of the cathode path after the first compressor and the second heat exchanger are arranged after the second compressor.
  • the second compressor can use the first heat exchanger to compress supply air that has already been cooled more easily and thus be designed to be smaller.
  • the invention can provide in a fuel cell system that a first compressor and a second compressor are provided in the supply air line of the cathode path, the second compressor being driven by a turbine that is provided in the exhaust air line, and the turbine in the exhaust air line is arranged. If the turbine is arranged in the exhaust air line upstream of the heat exchanger, the exhaust air can flow into the heat exchanger after the turbine. By relieving pressure in the turbine, a low inlet temperature can be achieved in the heat exchanger, so that a larger mean temperature difference is created across the passive heat exchanger, which can improve the intermediate cooling (between compressor stage 1 and compressor stage 2). If the turbine is arranged after the heat exchanger, the exhaust air heated by the heat exchanger arrives at the turbine and can drive the turbine more efficiently. To increase the heat transfer from supply air to exhaust air, two condensation / evaporation heat exchangers can be used (combination of the two variants described above).
  • the invention can provide that the at least one heat exchanger has a first heat exchanger and a second heat exchanger, that a first compressor and a second compressor are provided in the supply air line of the cathode path, the second compressor being driven by a turbine which is in the exhaust air line is provided, and wherein the turbine can be arranged in the exhaust air line after the second heat exchanger and before the first heat exchanger or vice versa.
  • the invention can also provide that a first compressor and a second compressor are provided in the supply air line of the cathode path, wherein the first compressor and the second compressor can have two separate drive shafts or a common drive shaft.
  • a suitable structure of the fuel cell system can be provided depending on the design and / or depending on the available installation space.
  • the invention can furthermore provide that the first compressor is designed as a multi-flow or multi-stage compressor and / or that the first compressor has two individual compressors, which can have two separate drive shafts or a common drive shaft. This allows the degree of compression of the supply air to be increased.
  • the structure of the fuel cell system can also be designed flexibly as a result.
  • the invention can provide that a further heat exchanger (also called a heat exchanger) of any type is arranged in the supply air line of the cathode path, which heat exchanger can be connected to a cooling circuit of a vehicle, for example.
  • a further heat exchanger also called a heat exchanger
  • the degree of heat transfer can be increased.
  • the present invention provides a method for operating a fuel cell system, having at least one fuel cell and a cathode path for providing an oxygen-containing reactant in the form of a supply air to the at least one fuel cell, the cathode path having an supply air line for providing the supply air to the at least one fuel cell and an exhaust air line for removing exhaust air from the at least one fuel cell, and wherein between the supply air line and at least one heat exchanger is provided in the exhaust air line of the cathode path in order to transfer thermal energy from the supply air to the exhaust air.
  • the at least one heat exchanger passively transfers the heat by evaporation and condensation of product water.
  • 5 shows a schematic representation of a heat exchanger in the sense of the invention
  • 6 shows a schematic representation of a tube of a heat exchanger in the sense of the invention
  • FIG. 7 shows a schematic representation of a tube of a heat exchanger in the sense of the invention
  • FIG. 9 shows a schematic representation of a heat exchanger within the meaning of the invention.
  • FIG. 1 shows a known fuel cell system 100.
  • simple air is generally sucked in from the environment U in order to obtain an oxygen-containing reactant, which reacts in a fuel cell 101 with a fuel, for example hydrogen, to form water or water vapor and thus can release electrical energy.
  • a fuel for example hydrogen
  • one or more compressors P are usually provided in a supply air line 11 of a cathode path 10.
  • the compression of the supply air leads to increased temperatures in the cathode path 10.
  • the resulting heat must be dissipated again in order not to damage the fuel cell 101 and an optional humidifier HI.
  • FIGS. 2 to 4 each show a fuel cell system 100 within the meaning of the invention. All embodiments of the fuel cell system 100 according to the invention according to FIGS. 2 to 4 have in common that the fuel cell system 100 can have at least one fuel cell 101 or several fuel cells 101, preferably PEM fuel cells, joined together to form a stack.
  • the fuel cell system 100 according to the invention according to FIGS. 2 to 4 can be used for mobile Applications, for example. In motor vehicles, or for stationary applications, such as, for example, in generator systems.
  • the fuel cell system 100 has a cathode path 10 for providing an oxygen-containing reactant in the form of a supply air to the at least one fuel cell 101.
  • the cathode path 10 for providing an oxygen-containing reactant in the form of a supply air to the at least one fuel cell 101.
  • the 10 has a supply air line 11 for providing the supply air to the at least one fuel cell 101 and an exhaust air line 12 for removing exhaust air from the at least one fuel cell 101. At the inlet of the supply air line
  • an air filter AF can be provided in order to filter the ambient air in accordance with the requirements of the fuel cell 101.
  • At least one heat exchanger 20 is provided between the supply air line 11 and the exhaust air line 12 of the cathode path 10 in order to transfer thermal energy or heat from the supply air to the exhaust air (unidirectional) by means of evaporation / condensation of the product water H20, in particular indirectly or without material exchange between the supply air LI and the exhaust air L2.
  • the at least one heat exchanger 20 according to the invention is designed to be passive by means of evaporation / condensation of the product water H20. This means that the product water is transported passively in the heat exchanger 20 and thus without auxiliary means, such as a coolant pump KMP, which is necessary in the conventional fuel cell system 100 according to FIG. 1.
  • An additional line system KML of FIG. 1 for transporting a coolant, which is circulated by means of the coolant pump KMP, as well as two separate heat exchangers HE according to FIG. 1 can in principle be dispensed with in the fuel cell system 100 according to the invention according to FIGS. 2 to 4.
  • a smaller heat exchanger HE can optionally be retained in the supply air line 11, which is only optionally switched on in order, for example, to dissipate the remaining waste heat after it has flowed through the heat exchanger 20 according to the invention. In mobile applications, for example in motor vehicles, this can advantageously lead to the relief of a vehicle radiator (not shown).
  • the at least one heat exchanger 20 in the sense of the invention has a first pipe RI which carries part of the supply air line 11 from an inlet Al, for example sealed by a seal D, into the at least one heat exchanger 20 to an output A2, for example sealed by a seal D, from which at least one heat exchanger 20 is formed.
  • the at least one heat exchanger 20 has a second tube R2, which carries part of the exhaust air line 12 from an inlet B1, for example sealed by a seal D, into the at least one heat exchanger 20 to an outlet, for example sealed by a seal D.
  • B2 forms from the at least one heat exchanger 20.
  • the first tube RI and the second tube R2 of the at least one heat exchanger 20 can have an outer surface WA and an inner surface W1.
  • the outer surface WA has a larger area than the area of the inner surface Wl.
  • the outer surface WA can have a rib structure, a lamellar structure and / or a cam structure.
  • the outer surface WA can have a continuous, for example helical, heat transfer element or a plurality of periodically arranged heat transfer elements.
  • the heat transfer element or the heat transfer elements can have an upper side which is inclined, in particular in the direction of flow of the oxygen-containing reactant, in order to promote the evaporation and condensation of the product water H20 in the direction from bottom to top or from top to bottom.
  • the first tube RI and / or a second tube R2 of the at least one heat exchanger 20 can have multiple turns Ul, U2 (see FIG. 7) and / or multiple branch lines L (see FIG. 6 ) and / or in other words have a plurality of tube bundles.
  • FIG. 8 shows several possible variants of the tubes RI, R2 according to the invention, which can also be referred to as finned tubes.
  • the at least one heat exchanger 20 has a closed housing 21 in which the product water H20 is received as the working medium.
  • the product water H20 is in the liquid state 16 and absorbs heat from the heated, compressed supply air in the supply air line 11 through the material of the first pipe RI.
  • the product water H20 is in the gaseous state 18.
  • the product water H20 recirculates within the heat exchanger 20 through the evaporation and condensation and thus through the convection of the product water H20, which is present within the heat exchanger 20 in two states, liquid and gaseous.
  • the housing 21 can have a venting element 22, for example in the form of a gas-permeable membrane, a passive valve, preferably a check valve, which opens to the environment when there is overpressure, or a switchable valve can to adjust pressure within the housing 21. Pressure adjustment can be achieved in that the water vapor can escape from the housing 21 through the ventilation element 22.
  • the ventilation element 22 can thus ensure that there is an optimal pressure within the housing 21 for the evaporation of product water H20.
  • the housing 21 can have a filling element 23 which, for example, has an injection point, a metering valve and / or a metering pump.
  • a control contact 34 for controllable and / or regulatable refilling of the product water H20 can be provided on the filling element 23.
  • the principle of the heat exchanger 20 within the meaning of the invention and FIGS. 5 and 9 can be explained as follows.
  • the product water H20 begins within the housing 21 within the heat exchanger 20 on the outer surface WA of the first tube RI to evaporate.
  • the water vapor rises within the heat exchanger 20 and condenses on the cooler second pipe R2, thereby releasing the heat to the second pipe R2 and then to the exhaust air.
  • the condensing water drips off within the heat exchanger 20 and collects again in the lower part of the housing 21 (liquid phase) and is again available for evaporation.
  • Pressure compensation to the environment can take place via the ventilation element 22 in order not to slow down the evaporation.
  • the filling or refilling of the product water H20 that has escaped through the venting element 22 can take place via the filling element 23.
  • the filling element 23 can, for example, be connected to a water tank 30, as FIG. 9 also shows.
  • the water tank 30 can in turn have a metering valve 31 and / or a metering pump or a pump / nozzle unit.
  • a control contact 24, preferably electrically contactable, can advantageously be provided on the filling element 23, which z. B. can be controlled by a control device, not shown (a control device of the fuel cell system 100 or the vehicle, not shown).
  • the heat exchanger 20 can also be refilled without the assistance of a pump.
  • the water tank 30 can be arranged above the heat exchanger 20 in order to implement refilling by means of gravity (and possibly a shut-off valve 31).
  • the removal of water or a possible emptying of the heat exchanger 20 can take place via a drainage point 40.
  • the product water discharged can be fed back to the water tank 30.
  • a switchable valve 41 preferably an electrically contactable control contact 41, can also be provided at the drainage point 40 in order to control the emptying of the heat exchanger 20.
  • the control device not shown, which has already been mentioned above, controls the control contacts 34, 41 in a coordinated manner. It is also conceivable that a control loop can be created with the aid of the control contacts 34, 41.
  • the pressure within the housing 21, the product water level or the like within the housing 21 can be monitored, for example with the aid of appropriate sensors.
  • the water tank 30 can be used as a water tank of the exhaust air line 12, a water tank of a water injection system W2, a water tank of a drain line (not shown) of the fuel cell system 100 or the like. executed or connected to at least one of these water tanks.
  • the at least one heat exchanger 20 within the meaning of the invention can have a first heat exchanger 21 and a second heat exchanger 22. Furthermore, a first compressor PI and a second compressor P2 can be provided in the supply air line 11 of the cathode path 10.
  • the first heat exchanger 21 can be arranged in the air supply line 11 of the cathode path 10 after the first compressor PI and the second heat exchanger 21 after the second compressor P2.
  • the second compressor P2 can be driven by a turbine T, which can be provided in the exhaust air line 12.
  • the turbine T can be arranged in the exhaust air line 12 before the heat exchanger 20 (higher temperature difference at the heat exchanger 20) or after the at least one heat exchanger 20 (increase in the output of the turbine T).
  • the turbine T in the exhaust air line 12 can be arranged after the second heat exchanger 20.2 and before the first heat exchanger 20.1 (see FIG. 3).
  • the turbine T can be arranged in the exhaust air line 12 after the first heat exchanger 20.1 and before the second heat exchanger 20.2 (see FIG. 4).
  • a bypass By, a humidifier H1 or a water injection system W2 can be provided between the supply air line 11 and the exhaust air line 12 of the cathode path 10. Furthermore, valves V can be provided at the outlet of the exhaust air line 12, in the bypass line around the second compressor P2 and / or in the bypass line around the turbine T.
  • At least one first compressor PI can be provided in the air supply line 11 of the cathode path 10, the at least one heat exchanger 20 being arranged in the air supply line 11 of the cathode path 10 after the first compressor PI.
  • a first compressor PI and a second compressor P2 can be provided in the air supply line 11 of the cathode path 10, the at least one heat exchanger 20 in the air supply line 11 of the cathode path 10 after the first compressor PI and can be arranged after the second compressor P2 or after the first compressor PI and before the second compressor P2.
  • the invention can also provide that the first compressor PI and the second compressor P2 according to FIGS. 3 and 4 can have two separate drive shafts W1, W2 (cf. FIGS. 3 and 4) or a common drive shaft.
  • the first compressor PI can be designed and / or as a multi-flow or multi-stage compressor (cf. FIGS. 3 and 4) can have two individual compressors Pl.l, PI.2, which in turn can have two separate drive shafts or a common drive shaft W1.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem (100), aufweisend: mindestens eine Brennstoffzelle (101) und einen Kathodenpfad (10) zum Bereitstellen eines sauerstoffhaltigen Reaktanten in Form einer Zuluft (L1) an die mindestens eine Brennstoffzelle (101), wobei der Kathodenpfad (10) eine Zuluftleitung (11) zum Bereitstellen der Zuluft (L1) zu der mindestens einen Brennstoffzelle (101) und eine Abluftleitung (12) zum Abführen einer Abluft (L2) von der mindestens einen Brennstoffzelle (101) aufweist, und wobei zwischen der Zuluftleitung (11) und der Abluftleitung (12) des Kathodenpfades (10) mindestens ein Wärmeübertrager (20) vorgesehen ist, um thermische Energie von der Zuluft (L1) zu der Abluft (L2) zu übertragen. Hierzu ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass der mindestens eine Wärmeübertrager (20) dazu ausgeführt ist, die Wärme durch Verdampfung und Kondensation von Produktwasser (H20) zu übertragen.

Description

Beschreibung
Titel
Wärmeübertrag im Kathodenpfad eines Brennstoffzellensystems mittels
Verdampfung/Kondensation von Produktwasser
Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem nach dem Oberbegriff des unabhängigen Vorrichtungsanspruches. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines entsprechenden Brennstoffzellensystems.
Stand der Technik
In Antriebssystemen mit Brennstoffzellensystemen wird in der Regel Sauerstoff aus der Umgebungsluft benutzt, um in der Brennstoffzelle mit Wasserstoff zu Wasser bzw. Wasserdampf zu reagieren und damit eine elektrische Energie zu gewinnen. Die Umgebungsluft wird meistens mithilfe eines oder mehrerer Verdichter aus der Umgebung eingesaugt und in Form einer verdichteten Zuluft durch eine Zuluftleitung eines Kathodenpfades an das Brennstoffzellensystem bereitgestellt. Die Umgebungsluft muss verdichtet werden, um einen ausreichenden Sauerstoffpartialdruck zur chemischen Reaktion sicherzustellen. Weiterhin muss Umgebungsluft verdichtet werden, um das Wassermanagement sicherzustellen (d. h. zu starke Entfeuchtung der Membranen im Brennstoffzellensystem zu verhindern, denn warme Luft nimmt weniger Wasserdampf bei höherem Druck als bei niedrigerem Druck auf, und um Produktwasser abzuführen). Ferner muss Umgebungsluft verdichtet werden, um die Druckverluste im System und Komponenten zu überwinden, sowie, um eine möglichst homogene Verteilung über dem Stack sicherstellen. Mindestens ein Verdichter kann mittels einer Turbine an eine Abluftleitung des Kathodenpfades angeschlossen werden, um einen Teil der Strömungsenergie der Abluft durch Einkopplung in die Verdichterwelle zu nutzen. Werden höhere Betriebsdrücke im Kathodenpfad benötigt, so ist dies mit einem entsprechend erhöhten Aufwand bei der Luftverdichtung verbunden (höhere Leistungen). Dies führt zu erhöhten Temperaturen der verdichteten Zuluft im Kathodenpfad. Die dabei entstehende Wärme muss wieder abgeführt werden, um die maximal zulässigen Eintrittstemperaturen in Stack oder auch in einem optional vorhandenen Befeuchter einzuhalten.
Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung sieht gemäß einem ersten Aspekt ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des unabhängigen Vorrichtungsanspruches, insbesondere aus dem kennzeichnenden Teil, vor. Ferner sieht die Erfindung gemäß einem zweiten Aspekt ein Verfahren zum Betreiben eines entsprechenden Brennstoffzellensystems vor. Weitere Vorteile, Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Verfahren und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.
Die vorliegende Erfindung sieht ein Brennstoffzellensystem vor, aufweisend mindestens eine Brennstoffzelle und einen Kathodenpfad zum Bereitstellen eines sauerstoffhaltigen Reaktanten in Form einer Zuluft an die mindestens eine Brennstoffzelle, wobei der Kathodenpfad eine Zuluftleitung zum Bereitstellen der Zuluft zu der mindestens einen Brennstoffzelle und eine Abluftleitung zum Abführen einer Abluft von der mindestens einen Brennstoffzelle aufweist, und wobei zwischen der Zuluftleitung und der Abluftleitung des Kathodenpfades mindestens ein Wärmeübertrager vorgesehen ist, um thermische Energie bzw. Wärme von der Zuluft zu der Abluft zu übertragen, insbesondere indirekt bzw. ohne Stoffaustausch zwischen der Zuluft und der Abluft zu übertragen. Hierzu ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass der mindestens eine Wärmeübertrager dazu ausgeführt ist, die Wärme durch Verdampfung und Kondensation von Produktwasser zu übertragen. Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem kann in Form eines Brennstoffzellenstapels, eines sog. Brennstoffzellenstacks, mit mehreren gestapelten Wiederholeinheiten in Form einzelner Brennstoffzellen, vorzugsweise PEM-Brennstoffzellen, ausgeführt sein.
Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem kann vorteilhafterweise für mobile Anwendungen, wie bspw. in Kraftfahrzeugen, oder für stationäre Anwendungen, wie bspw. in Generatoranlagen, verwendet werden.
Der Wärmeübertrager überträgt die Wärme vorzugsweise passiv und damit ohne Hilfsmittel, wie etwa einer Kühlmittelpumpe. Auch auf ein zusätzliches Leitungssystem zum Transportieren eines Kühlmittels zu dem Wärmeübertrager, welches mittels der Kühlmittelpumpe umgewälzt werden muss, kann im Sinne der Erfindung verzichtet werden. In mobilen Anwendungen, bspw. in Kraftfahrzeugen, führt dies vorteilhafterweise zur Entlastung eines Fahrzeugkühlers, weil die Wärme in die Abluft eingekoppelt wird.
Der erfindungsgemäße Wärmeübertrager kann als Modul bereitgestellt werden. Zudem ist es denkbar, dass der erfindungsgemäße Wärmeübertrager integriert in den Kathodenpfad oder in eine Baugruppe des Kathodenpfades, wie z. B. in einen, insbesondere turbinenangetriebenen, Verdichter, bereitgestellt werden kann. Auch eine konstruktive Kombination des erfindungsgemäßen Wärmeübertragers mit einem Wassereinspritzungssystem in einer Baugruppe kann im Rahmen der Erfindung umgesetzt werden.
Der Erfindungsgedanke liegt dabei darin, die Wärmeübertragung zwischen der verdichteten (und dadurch aufgeheizten) Zuluft im Kathodenpfad vor der mindestens einen Brennstoffzelle (und ggf. vor einem Befeuchter oder einem Wassereinspritzungssystem) und der (kühleren) Abluft des Kathodenpfades nach der mindestens einen Brennstoffzelle (und ggf. vor einer Turbine) mithilfe von Verdampfung/Kondensation des Produktwassers durchzuführen. Das Produktwasser kann dabei als ein Arbeitsmedium des Wärmeübertragers dienen. Produktwasser ist an mehreren Stellen in einem Brennstoffzellensystems verfügbar und kann somit auf eine vorteilhafte Weise zur Wärmeübertragung mithilfe des erfindungsgemäßen Wärmeübertragers genutzt werden. Das Produktwasser kann dabei direkt aus dem Abluftpfad des
Brennstoffzellensystems gewonnen werden. Außerdem kann das Produktwasser in einem Wassertank zwischengespeichert werden. Dadurch kann eine zeitliche Entkopplung von Produktwassergewinnung und Produktwassernutzung geschaffen werden.
Die erfindungsgemäße, insbesondere passive, Wärmeübertrag durch Verdampfung und Kondensation von Produktwasser kann insbesondere bei hohen Verdichtungsendtemperaturen, d. h. bei höheren Kathodendrücken, vorteilhaft sein. Innerhalb des Wärmeübertragers findet eine Rezirkulation des Produktwassers statt. Der Wasserdampf steigt innerhalb des Wärmeübertragers auf, kondensiert und tropft ab. Die Verdampfung des Produktwassers wird durch aufgeheizte Zuluft angestoßen. Durch Verdampfen nimmt das Produktwasser die Wärme von der Zuluft auf. Die Kondensation des Produktwassers wird durch die kühlere Abluft angestoßen. Durch Kondensation gibt der Wasserdampf die Wärme an die Abluft ab. Das kondensierende Wasser tropft ab und sammelt sich wieder im unteren Teil des Wärmeübertragers und steht erneut zur Verdampfung zur Verfügung.
Außerdem ist es von Vorteil, dass die Wärmeübertragung nur unidirektional (anders als beim passiven Gas-Gas-Wärmeübertrager) erfolgt, um unerwünschte Kondensationseffekte zu vermeiden.
Im Rahmen der Erfindung ist es denkbar, dass der Produktwasser- Pegel im Wärmeübertrager geregelt werden kann, um den entwichenen Wasserdampf durch neues Produktwasser zu ersetzen. Hierzu kann der erfindungsgemäße Wärmeübertrager z.B. über ein Dosierventil oder/und eine Förderpumpe verfügen, um Produktwasser nachzufüllen, bspw. aus einem Wassertank. Das Produktwasser kann weiterhin auf eine einfache Weise auch ohne eine Förderpumpe nachgefüllt werden, wenn der Wassertank über dem Wärmeübertrager positioniert wird. Somit kann das Wasser durch Höhendifferenz (ohne Pumpe, nur einfaches Auf/Zu-Absperrventil) in den Wärmeübertrager bereitgestellt werden. Weiterhin ist es denkbar, dass der erfindungsgemäßer Wärmeübertrager mit weiteren Wärmeübertragern gleicher oder unterschiedlicher Art, Gas- Flüssigkeit oder Gas-Gas Wärmeübertrager, kombiniert werden kann, um insbesondere die restliche Wärme abzuführen.
Optional kann die Erfindung vorsehen, dass der Wärmeübertrager nach Bedarf in den Wassertank entleert werden kann. Dies kann durch einen Auslasskanal mittels einer Pumpe ermöglicht werden. Zudem ist es denkbar, dass der Wärmeübertrager eisdruckfest ausgeführt sein kann.
Der erfindungsgemäße, insbesondere passive, Wärmeübertrag durch Verdampfung und Kondensation von Produktwasser kann außerdem bei Brennstoffzellensystemen mit Energierekuperation mittels Turbine im Kathoden- Abgaspfad vorteilhaft sein. Mithilfe der erwärmten Abluft kann die Turbinenleistung erhöht und damit die elektrische Antriebsleistung für das Luftverdichtungssystem reduziert werden.
Aber auch bei Brennstoffzellensystemen ohne Energierekuperation kann die Erfindung vorteilhaft sein, damit der Kühlkreislauf entlastet wird.
Der passive Wärmeübertrager im Sinne der Erfindung erfordert vorteilhafterweise keine zusätzliche Einbindung in den Kühlkreislauf des Endgerätes, bspw. eines Fahrzeuges oder eines Generators. Dadurch erwächst der Vorteil, dass der erfindungsgemäße Wärmeübertrager einfach innerhalb des Brennstoffzellensystems integriert werden kann. Dadurch erwächst auch ein weiterer Vorteil, dass der Kühlkreislauf des Endgerätes entlastet werden kann. Ferner wird keine zusätzliche Aktorik benötigt, wodurch Energieeffizienz des Brennstoffzellensystems erhöht werden kann. Über das Antreiben der Turbine mit einer erwärmten Abluft kann außerdem der Effizienzgrad der Turbine erhöht werden.
Ferner kann die Erfindung bei einem Brennstoffzellensystem vorsehen, dass der mindestens eine Wärmeübertrager antriebsfrei ausgeführt ist, um thermische Energie von der Zuluft zu der Abluft ohne eine elektrische Energiezufuhr passiv und/oder indirekt, vorzugsweise ohne Stoffaustausch zwischen der Zuluft und der Abluft, zu übertragen. Somit können parasitäre Energiekosten im Brennstoffzellensystem reduziert und der Wirkungsgrad des Brennstoffzellensystems erhöht werden.
Weiterhin kann die Erfindung bei einem Brennstoffzellensystem vorsehen, dass der mindestens eine Wärmeübertrager dazu ausgebildet ist, thermische Energie von der Zuluft zu der Abluft unidirektional zu übertragen. Dadurch, dass die Wärmeübertragungsrichtung definiert ist, ist eine Umkehr der Wärmeübertragungsrichtung vorteilhafterweise nicht möglich. Somit können vorteilhafterweise im Vergleich zu passiven Gas-Gas-Wärmeübertragern Kondensationsprobleme im Abgaskanal vermieden werden.
Des Weiteren kann die Erfindung bei einem Brennstoffzellensystem vorsehen, dass der mindestens eine Wärmeübertrager ein erstes Rohr, bspw. in Form eines Rohrbündels, aufweist, das einen Teil der Zuluftleitung von einem, insbesondere abgedichteten, Eingang in den mindestens einen Wärmeübertrager zu einem, insbesondere abgedichteten, Ausgang aus dem mindestens einen Wärmeübertrager bildet, und/oder dass der mindestens eine Wärmeübertrager ein zweites Rohr, bspw. in Form eines Rohrbündels, aufweist, das einen Teil der Abluftleitung von einem, insbesondere abgedichteten, Eingang in den mindestens einen Wärmeübertrager zu einem, insbesondere abgedichteten, Ausgang aus dem mindestens einen Wärmeübertrager bildet. Somit kann sichergestellt werden, dass der Durchfluss des sauerstoffhaltigen Reaktanten in der Zuluftleitung und/oder in der Abluftleitung durch den erfindungsgemäßen Wärmeübertrager stattfinden kann.
Zudem kann die Erfindung bei einem Brennstoffzellensystem vorsehen, dass ein erstes Rohr und/oder ein zweites Rohr des mindestens einen Wärmeübertragers eine außenliegende Oberfläche und eine innenliegende Oberfläche aufweisen/aufweist, wobei die außenliegende Oberfläche einen größeren Flächeninhalt als der Flächeninhalt der innenliegenden Oberfläche aufweist, und/oder wobei die außenliegende Oberfläche eine Rippenstruktur, eine Lamellenstruktur und/oder eine Nockenstruktur aufweist, und/oder wobei die außenliegende Oberfläche ein durchgehendes, bspw. schraubenförmiges, Wärmeübertragungselement oder mehrere periodisch angeordnete Wärmeübertragungselemente aufweist. Auf diese Weise kann die thermische Übertragung zwischen dem sauerstoffhaltigen Reaktanten und dem Produktwasser innerhalb des Wärmeübertragers über die Rohre effektiv gestaltet werden. Dadurch kann an dem ersten Rohr die Bildung von Dampfblasen innerhalb des Produktwassers als Übertragungsmedium verbessert werden. Das Produktwasser kann durch Verdampfen die Wärme nach oben zu dem zweiten Rohr tragen. An dem zweiten Rohr kondensiert das gasförmige Produktwasser wieder und gibt dadurch die Wärme an die Abluft ab. Durch die außenliegende Oberfläche am zweiten Rohr kann wiederum die Kondensation von Wasserdampf verbessert werden. Außerdem kann das Wärmeübertragungselement oder die Wärmeübertragungselemente eine, insbesondere in die Flussrichtung des sauerstoffhaltigen Reaktanten, geneigte Oberseite aufweisen, um die Verdampfung und Kondensation des Produktwassers in die Richtung von unten nach oben oder von oder nach unten zu begünstigen.
Darüber hinaus kann die Erfindung bei einem Brennstoffzellensystem vorsehen, dass ein erstes Rohr und/oder ein zweites Rohr des mindestens einen Wärmeübertragers mehrere Windungen und/oder mehrere Zweigleitungen und/oder mehrere Rohbündel aufweist. Auf diese Weise kann der Übertragungsgrad flexibel eingestellt und vorteilhafterweise nach Bedarf erhöht werden.
Ferner kann die Erfindung bei einem Brennstoffzellensystem vorsehen, dass der mindestens eine Wärmeübertrager ein abgeschlossenes Gehäuse aufweist, wobei das Gehäuse ein Entlüftungselement, insbesondere in Form einer gasdurchlässigen Membran, eines passiven Ventils, vorzugsweise eines Rückschlagventils, welches bei einem Überdruck zur Umgebung öffnet, oder eines schaltbaren Ventils, aufweist, und/oder wobei das Gehäuse ein Befüllungselement, insbesondere umfassend eine Einspritzstelle, ein Dosierventil und/oder eine Dosierpumpe, aufweist, wobei insbesondere das Befüllungselement einen Steuerkontakt zu einem steuerbaren und/oder regelbaren Nachfüllen des Produktwassers aufweist. Bei höheren Temperaturen beginnt das Wasser zu verdampfen. Über das Entlüftungselement kann ein Druckausgleich zur Umgebung erfolgen, um die Verdampfung nicht zu verlangsamen. Das Auffüllen bzw. Nachfüllen des Produktwassers, das durch das Entlüftungselement entwichen ist, kann über das Befüllungselement erfolgen. Das Befüllungselement kann vorteilhafterweise mit einem Wassertank verbunden sein. Der Wassertank kann wiederum über ein Dosierventil und/oder eine Dosierpumpe bzw. eine Pumpe/Düseneinheit verfügen. Am Befüllungselement kann vorteilhafterweise ein, vorzugsweise elektrisch kontaktierbarer, Steuerkontakt vorgesehen sein, der z. B. durch ein Steuergerät steuerbar ist. Die Nachbefüllung des Wärmeübertragers kann auch ohne Pumpenunterstützung realisiert werden, indem der Wassertank über dem Wärmeübertrager angeordnet wird und die Nachbefüllung mittels der Schwerkraft (und ggf. einem Absperrventil) erfolgt. Die Entnahme von Wasser bzw. ein mögliches Entleeren (bspw. bei Frostgefahr, falls der Wärmeübertrager nicht eisdruckfest ausgeführt ist) kann über eine Ablaufstelle erfolgen. Das Wasser kann wieder dem Wassertank zugeführt werden.
Darüber hinaus kann die Erfindung bei einem Brennstoffzellensystem vorsehen, dass der mindestens eine Wärmeübertrager eine Ablaufstelle aufweist, um den Wärmeübertrager, insbesondere bei einer Frostgefahr, zu entleeren, wobei vorzugsweise der Wärmeübertrager in einen Wassertank entleert werden kann, und/oder dass der mindestens eine Wärmeübertrager, insbesondere an der Ablaufstelle, ein schaltbares Ventil, vorzugsweise einen elektrisch kontaktierbaren Steuerkontakt, aufweist. Auf diese Weise kann eine verbesserte Funktionalität des Wärmeübertragers bereitgestellt werden. Außerdem kann dadurch die Betriebssicherheit des Wärmeübertragers bei einer Frostgefahr sichergestellt werden.
Weiterhin kann die Erfindung bei einem Brennstoffzellensystem vorsehen, dass der mindestens eine Wärmeübertrager an einen Wassertank angeschlossen ist, wobei der Wassertank als ein Wassertank der Abluftleitung, ein Wassertank eines Wassereinspritzungssystems, ein Wassertank einer Drainleitung ausgeführt oder mit mindestens einem dieser Wassertanks verbunden ist, und/oder wobei der Wassertank ein Ablassventil aufweist, und/oder wobei der Wassertank oberhalb des mindestens einen Wärmeübertragers angeordnet ist. Somit kann die Nachbefüllung des Wärmeübertragers, vorteilhafterweise zeitlich entkoppelt von der Produktwassergewinnung, realisiert werden. Zudem kann die Erfindung bei einem Brennstoffzellensystem vorsehen, dass in der Zuluftleitung des Kathodenpfades ein Wassereinspritzungssystem (mit entsprechenden Ventilen) vorgesehen ist, wobei der mindestens eine Wärmeübertrager in der Zuluftleitung des Kathodenpfades vor dem Wassereinspritzungssystem angeordnet ist. Mithilfe des Wassereinspritzungssystems kann die Zuluft befeuchtet werden. Der Vorteil eines Wassereinspritzungssystems liegt dabei darin, dass es eine einfach steuerbare Regulierung der Feuchte der Zuluft sicherstellen und außerdem zur Temperatureinstellung der Zuluft beitragen kann. Die Kombination des passiven Wärmeübertragers und der Möglichkeit mittels Wassereinspritzung nicht nur die Feuchte, sondern auch die Temperatur anzupassen, ergänzt sich auf eine vorteilhafte Weise. Die Wassereinspritzung kann zusätzlich auch den Verdichtungsprozess thermodynamisch optimieren.
Außerdem kann die Erfindung bei einem Brennstoffzellensystem vorsehen, dass zwischen der Zuluftleitung und der Abluftleitung des Kathodenpfades ein Befeuchter vorgesehen ist, wobei der mindestens eine Wärmeübertrager in der Zuluftleitung des Kathoden pfades vor dem Befeuchter und in der Abluftleitung des Kathodenpfades nach dem Befeuchter angeordnet ist. Der Vorteil eines Befeuchters kann darin liegen, dass die Feuchte aus der Abluft direkt zum Befeuchten der Zuluft verwendet werden kann.
Ferner kann die Erfindung bei einem Brennstoffzellensystem vorsehen, dass in der Zuluftleitung des Kathodenpfades ein erster Verdichter vorgesehen ist, wobei der mindestens eine Wärmeübertrager in der Zuluftleitung des Kathodenpfades nach dem ersten Verdichter angeordnet ist. Somit kann der Wärmeübertrager die Wärme der verdichteten Zuluft auf eine vorteilhafte Weise aufnehmen.
Weiterhin kann die Erfindung bei einem Brennstoffzellensystem vorsehen, dass in der Zuluftleitung des Kathodenpfades ein erster Verdichter und ein zweiter Verdichter vorgesehen sind, wobei der mindestens eine Wärmeübertrager in der Zuluftleitung des Kathodenpfades nach dem ersten Verdichter und nach dem zweiten Verdichter angeordnet ist, oder wobei der mindestens eine Wärmeübertrager in der Zuluftleitung des Kathodenpfades nach dem ersten Verdichter und vor dem zweiten Verdichter angeordnet ist. Bei der Anordnung des Wärmeübertragers in der Zuluftleitung des Kathodenpfades nach dem ersten Verdichter und nach dem zweiten Verdichter kann der Wärmeübertrag von Zuluft in die Abluft vergrößert werden. Bei der Anordnung des Wärmeübertragers in der Zuluftleitung des Kathoden pfades nach dem ersten Verdichter und vor dem zweiten Verdichter kann die verdichtete Zuluft zwischen den zwei Verdichtern abkühlt werden. Eine abgekühlte Luft ist einfacher zu verdichten, sodass der zweite Verdichter mit besserem Wirkungsgrad betrieben und/oder kleiner ausgelegt werden kann.
Des Weiteren kann die Erfindung bei einem Brennstoffzellensystem vorsehen, dass der mindestens eine Wärmeübertrager einen ersten Wärmeübertrager und einen zweiten Wärmeübertrager aufweist, und dass in der Zuluftleitung des Kathodenpfades ein erster Verdichter und ein zweiter Verdichter vorgesehen sind, wobei der erste Wärmeübertrager in der Zuluftleitung des Kathodenpfades nach dem ersten Verdichter und der zweite Wärmeübertrager nach dem zweiten Verdichter angeordnet sind. Auf diese Weise kann der Wärmeübertrag zwischen der Zuluft und der Abluft noch weiter verbessert werden. Zudem kann dadurch der zweite Verdichter mithilfe des ersten Wärmeübertragers bereits abgekühlte Zuluft leichter verdichten und somit kleiner ausgelegt werden.
Zudem kann die Erfindung bei einem Brennstoffzellensystem vorsehen, dass in der Zuluftleitung des Kathoden pfades ein erster Verdichter und ein zweiter Verdichter vorgesehen sind, wobei der zweite Verdichter durch eine Turbine antreibbar ist, die in der Abluftleitung vorgesehen ist, und wobei die Turbine in der Abluftleitung angeordnet ist. Wenn die Turbine in der Abluftleitung vor dem Wärmeübertrager angeordnet ist, kann die Abluft nach der Turbine in den Wärmeübertrager reinfließen. Durch Entspannung in der Turbine kann eine niedrige Eintrittstemperatur im Wärmeübertrager erreicht werden, sodass eine größere mittlere Temperaturdifferenz über den passiven Wärmeübertrager entsteht, wodurch die Zwischenkühlung (zwischen Verdichterstufe 1 und Verdichterstufe 2) verbessert werden kann. Wenn die Turbine nach dem Wärmeübertrager angeordnet ist, kommt die durch den Wärmeübertrager erwärmte Abluft an der Turbine an und kann die Turbine effizienter antreiben. Um den Wärmeübertrag von Zuluft in die Abluft zu erhöhen, können auch zwei Kondensation/Verdampfungs-Wärmeübertrager eingesetzt werden (Kombination der zwei oben beschriebenen Varianten).
Weiterhin kann die Erfindung vorsehen, dass der mindestens eine Wärmeübertrager einen ersten Wärmeübertrager und einen zweiten Wärmeübertrager aufweist, dass in der Zuluftleitung des Kathodenpfades ein erster Verdichter und ein zweiter Verdichter vorgesehen sind, wobei der zweite Verdichter von einer Turbine angetrieben wird, die in der Abluftleitung vorgesehen ist, und wobei die Turbine in der Abluftleitung nach dem zweiten Wärmeübertrager und vor dem ersten Wärmeübertrager oder umgekehrt angeordnet sein kann.
Außerdem kann die Erfindung bei einem Brennstoffzellensystem vorsehen, dass in der Zuluftleitung des Kathodenpfades ein erster Verdichter und ein zweiter Verdichter vorgesehen sind, wobei der erste Verdichter und der zweite Verdichter zwei separate Antriebswellen oder eine gemeinsame Antriebswelle aufweisen können. So kann je nach Konstruktion und/oder je nach vorhandenem Bauraum ein geeigneter Aufbau des Brennstoffzellensystems bereitgestellt werden.
Ferner kann die Erfindung bei einem Brennstoffzellensystem vorsehen, dass der erste Verdichter als ein mehrflutiger oder mehrstufiger Verdichter ausgebildet, und/oder dass der erste Verdichter zwei Einzelverdichter aufweist, die zwei separate Antriebswellen oder eine gemeinsame Antriebswelle aufweisen können. Dadurch kann der Verdichtungsgrad der Zuluft erhöht werden. Auch kann dadurch der Aufbau des Brennstoffzellensystems flexibel ausgestaltet werden.
Weiterhin kann die Erfindung bei einem Brennstoffzellensystem vorsehen, dass in der Zuluftleitung des Kathodenpfades ein weiterer Wärmeübertrager (anders auch Heatexchanger genannt) einer beliebigen Art angeordnet ist, der bspw. an einen Kühlkreislauf eines Fahrzeuges angeschlossen sein kann. Somit kann der Wärmeübertragungsgrad erhöht werden.
Die vorliegende Erfindung sieht ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems vor, aufweisend mindestens eine Brennstoffzelle und einen Kathodenpfad zum Bereitstellen eines sauerstoffhaltigen Reaktanten in Form einer Zuluft an die mindestens eine Brennstoffzelle, wobei der Kathodenpfad eine Zuluftleitung zum Bereitstellen der Zuluft zu der mindestens einen Brennstoffzelle und eine Abluftleitung zum Abführen einer Abluft von der mindestens einen Brennstoffzelle aufweist, und wobei zwischen der Zuluftleitung und der Abluftleitung des Kathodenpfades mindestens ein Wärmeübertrager vorgesehen ist, um thermische Energie von der Zuluft zu der Abluft zu übertragen. Hierzu ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass der mindestens eine Wärmeübertrager die Wärme durch Verdampfung und Kondensation von Produktwasser passiv überträgt. Mithilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die gleichen Vorteile erreicht, die oben mithilfe des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems beschrieben wurden. Auf diese Vorteile wird vorliegend vollumfänglich Bezug genommen.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele:
Die Erfindung und deren Weiterbildungen sowie deren Vorteile werden nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen jeweils schematisch:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines bekannten Brennstoffzellensystems,
Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems im Sinne der Erfindung,
Fig. 3 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems im Sinne der Erfindung,
Fig. 4 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems im Sinne der Erfindung,
Fig. 5 eine schematische Darstellung eines Wärmeübertragers im Sinne der Erfindung, Fig. 6 eine schematische Darstellung eines Rohrs eines Wärmeübertragers im Sinne der Erfindung,
Fig. 7 eine schematische Darstellung eines Rohrs eines Wärmeübertragers im Sinne der Erfindung,
Fig. 8 eine schematische Darstellung möglicher Rohrformen für einen Wärmeübertrager im Sinne der Erfindung,
Fig. 9 eine schematische Darstellung eines Wärmeübertragers im Sinne der Erfindung.
In den unterschiedlichen Figuren sind gleiche Teile der Erfindung stets mit denselben Bezugszeichen versehen, weshalb diese in der Regel nur einmal beschrieben werden.
Die erfindungsgemäße Problematik wird anhand der Figur 1 beschrieben. Die Figur 1 zeigt ein bekanntes Brennstoffzellensystem 100. Im Brennstoffzellensystem 100 wird in der Regel einfache Luft aus der Umgebung U eingesaugt, um einen sauerstoffhaltigen Reaktanten zu gewinnen, welcher in einer Brennstoffzelle 101 mit einem Brennstoff, bspw. Wasserstoff, zu Wasser bzw. Wasserdampf reagieren und damit elektrische Energie freisetzen kann.
Zum Einsaugen von Umgebungsluft sind in einer Zuluftleitung 11 eines Kathodenpfades 10 meistens ein oder mehrere Verdichter P vorgesehen. Die Verdichtung der Zuluft führt zu erhöhten Temperaturen im Kathodenpfad 10. Die dabei entstehende Wärme muss wieder abgeführt werden, um die Brennstoffzelle 101 und einen optionalen Befeuchter Hl nicht zu beschädigen.
Die Figuren 2 bis 4 zeigen jeweils ein Brennstoffzellensystem 100 im Sinne der Erfindung. Allen Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems 100 gemäß den Figuren 2 bis 4 ist gemein, dass das Brennstoffzellensystem 100 mindestens eine Brennstoffzelle 101 oder mehrere zu einem Stapel, einem sog. Stack, zusammengefügte Brennstoffzellen 101, vorzugsweise PEM-Brennstoffzellen, aufweisen kann. Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem 100 gemäß den Figuren 2 bis 4 kann für mobile Anwendungen, wie bspw. in Kraftfahrzeugen, oder für stationäre Anwendungen, wie bspw. in Generatoranlagen, verwendet werden.
Zudem weist das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem 100 einen Kathodenpfad 10 zum Bereitstellen eines sauerstoffhaltigen Reaktanten in Form einer Zuluft an die mindestens eine Brennstoffzelle 101 auf. Der Kathodenpfad
10 weist eine Zuluftleitung 11 zum Bereitstellen der Zuluft zu der mindestens einen Brennstoffzelle 101 und eine Abluftleitung 12 zum Abführen einer Abluft von der mindestens einen Brennstoffzelle 101 auf. Am Eingang der Zuluftleitung
11 des Kathodenpfades 10 kann ein Luftfilter AF vorgesehen sein, um die Umgebungsluft gemäß den Erfordernissen der Brennstoffzelle 101 zu filtern. Zwischen der Zuluftleitung 11 und der Abluftleitung 12 des Kathodenpfades 10 ist mindestens ein Wärmeübertrager 20 vorgesehen, um thermische Energie bzw. Wärme von der Zuluft zu der Abluft (unidirektional) mittels Verdampfung/Kondensation des Produktwassers H20 zu übertragen, insbesondere indirekt bzw. ohne Stoffaustausch zwischen der Zuluft LI und der Abluft L2 zu übertragen.
Der mindestens eine erfindungsgemäße Wärmeübertrager 20 ist passiv mittels Verdampfung/Kondensation des Produktwassers H20 ausgeführt. D. h., dass im Wärmeübertrager 20 der Transport des Produktwassers passiv und damit ohne Hilfsmittel, wie etwa einer Kühlmittelpumpe KMP, erfolgt, die im herkömmlichen Brennstoffzellensystem 100 gemäß der Figur 1 notwendig ist. Auch auf ein zusätzliches Leitungssystem KML der Figur 1 zum Transportieren eines Kühlmittels, welches mittels der Kühlmittelpumpe KMP umgewälzt wird, sowie auf zwei separate Heatexchanger HE gemäß der Figur 1 kann im erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem 100 gemäß den Figuren 2 bis 4 grundsätzlich verzichtet werden. Ein kleiner ausgelegter Heatexchanger HE kann optional in der Zuluftleitung 11 beibehalten werden, der nur optional eingeschaltet wird, um bspw. die restliche Abwärme nach dem Durchfluss des erfindungsgemäßen Wärmeübertragers 20 abzuführen. In mobilen Anwendungen, bspw. in Kraftfahrzeugen, kann dies vorteilhafterweise zur Entlastung eines nicht gezeigten Fahrzeugkühlers führen. Wie es die Figuren 5 bis 9 zeigen, weist der mindestens eine Wärmeübertrager 20 im Sinne der Erfindung ein erstes Rohr RI auf, das einen Teil der Zuluftleitung 11 von einem, bspw. durch eine Dichtung D abgedichteten, Eingang Al in den mindestens einen Wärmeübertrager 20 zu einem, bspw. durch eine Dichtung D abgedichteten, Ausgang A2 aus dem mindestens einen Wärmeübertrager 20 bildet. Zudem weist der mindestens eine Wärmeübertrager 20 ein zweites Rohr R2 auf, das einen Teil der Abluftleitung 12 von einem, bspw. durch eine Dichtung D abgedichteten, Eingang Bl in den mindestens einen Wärmeübertrager 20 zu einem, bspw. durch eine Dichtung D abgedichteten, Ausgang B2 aus dem mindestens einen Wärmeübertrager 20 bildet.
Wie es die Figuren 5 bis 9 zeigen, kann das erste Rohr RI sowie das zweite Rohr R2 des mindestens einen Wärmeübertragers 20 eine außenliegende Oberfläche WA und eine innenliegende Oberfläche Wl aufweisen. Die außenliegende Oberfläche WA weist einen größeren Flächeninhalt als der Flächeninhalt der innenliegenden Oberfläche Wl auf. Die außenliegende Oberfläche WA kann eine Rippenstruktur, eine Lamellenstruktur und/oder eine Nockenstruktur aufweisen. Die außenliegende Oberfläche WA kann dabei ein durchgehendes, bspw. schraubenförmiges, Wärmeübertragungselement oder mehrere periodisch angeordnete Wärmeübertragungselemente aufweisen.
Ferner kann/können das Wärmeübertragungselement oder die Wärmeübertragungselemente eine, insbesondere in die Flussrichtung des sauerstoffhaltigen Reaktanten, geneigte Oberseite aufweisen, um die Verdampfung und Kondensation des Produktwassers H20 in Richtung von unten nach oben oder von oben nach unten zu begünstigen.
Wie es die Figuren 6 und 7 zeigen, kann das erste Rohr RI und/oder ein zweites Rohr R2 des mindestens einen Wärmeübertragers 20 mehrere Windungen Ul, U2 (vgl. die Figur 7) und/oder mehrere Zweigleitungen L (vgl. die Figur 6) und/oder mit anderen Worten mehrere Rohrbündel aufweisen.
Die Figur 8 zeigt mehrere mögliche Varianten der erfindungsgemäßen Rohre RI, R2, die ebenfalls als Rippenrohre bezeichnet werden können. Wie es weiterhin die Figuren 5 und 9 zeigen, weist der mindestens eine Wärmeübertrager 20 ein abgeschlossenes Gehäuse 21 auf, in welchem das Produktwasser H20 als Arbeitsmedium aufgenommen ist. Unten in Kontakt mit dem ersten Rohr RI ist das Produktwasser H20 im flüssigen Zustand 16 und nimmt Wärme aus der erhitzen verdichten Zuluft in der Zuluftleitung 11 durch das Material des ersten Rohrs RI auf. Oben in Kontakt mit dem zweiten Rohr R2 ist das Produktwasser H20 im gasförmigen Zustand 18. Dort kondensiert es an dem zweiten Rohr R2 und übergibt Wärme durch das Material des zweiten Rohrs an die Abluft in der Abluftleitung 12 ab. Das Produktwasser H20 rezirkuliert innerhalb des Wärmeübertragers 20 durch die Verdampfung und Kondensation und damit durch die Konvektion des Produktwassers H20, welches innerhalb des Wärmeübertragers 20 in zwei Zuständen, flüssig und gasförmig, vorliegt.
Wie es zudem die Figuren 5 und 9 zeigen, kann das Gehäuse 21 ein Entlüftungselement 22 aufweisen, das bspw. in Form einer gasdurchlässigen Membran, eines passiven Ventils, vorzugsweise eines Rückschlagventils, welches bei einem Überdruck zur Umgebung öffnet, oder eines schaltbaren Ventils ausgebildet sein kann, um Druck innerhalb des Gehäuses 21 anzupassen. Druckanpassung kann dadurch erreicht werden, indem der Wasserdampf durch Entlüftungselement 22 aus dem Gehäuse 21 entweichen kann. Das Entlüftungselement 22 kann somit sicherstellen, dass innerhalb des Gehäuses 21 ein optimaler Druck für die Verdampfung von Produktwasser H20 herrscht.
Wie es außerdem die Figuren 5 und 9 zeigen, kann das Gehäuse 21 ein Befüllungselement 23 aufweisen, welches bspw. eine Einspritzstelle, ein Dosierventil und/oder eine Dosierpumpe aufweisen. Wie es die Figur 5 außerdem andeutet kann am Befüllungselement 23 ein Steuerkontakt 34 zu einem steuerbaren und/oder regelbaren Nachfüllen des Produktwassers H20 vorgesehen sein.
Das Prinzip des Wärmeübertragers 20 im Sinne der Erfindung und der Figuren 5 und 9 kann wie folgt erklärt werden. Bei höheren Temperaturen beginnt das Produktwasser H20 innerhalb des Gehäuses 21 innerhalb des Wärmeübertragers 20 an der außenliegenden Oberfläche WA des ersten Rohres RI zu verdampfen. Der Wasserdampf steigt innerhalb des Wärmeübertragers 20 auf und kondensiert am kühleren zweiten Rohr R2 und gibt dadurch die Wärme an das zweite Rohr R2 und dann an die Abluft ab. Das kondensierende Wasser tropft innerhalb des Wärmeübertragers 20 ab und sammelt sich wieder im unteren Teil des Gehäuses 21 (flüssige Phase) und steht erneut zur Verdampfung zur Verfügung. Dadurch findet eine passive Rezirkulation des Produktwassers H20 innerhalb des Wärmeübertragers 20 statt. Über das Entlüftungselement 22 kann ein Druckausgleich zur Umgebung erfolgen, um die Verdampfung nicht zu verlangsamen. Das Auffüllen bzw. Nachfüllen des Produktwassers H20, das durch das Entlüftungselement 22 entwichen hat, kann über das Befüllungselement 23 erfolgen.
Das Befüllungselement 23 kann bspw. mit einem Wassertank 30 verbunden sein, wie es ferner die Figur 9 zeigt. Der Wassertank 30 kann wiederum ein Dosierventil 31 und/oder eine Dosierpumpe bzw. eine Pumpe/Düseneinheit aufweisen.
Am Befüllungselement 23 kann vorteilhafterweise ein, vorzugsweise elektrisch kontaktierbarer, Steuerkontakt 24 vorgesehen sein, der z. B. durch ein nicht gezeigtes Steuergerät (ein Steuergerät des Brennstoffzellensystems 100 oder des nicht gezeigten Fahrzeuges) steuerbar ist.
Wie es die Figur 9 andeutet, kann die Nachbefüllung des Wärmeübertragers 20 auch ohne Pumpenunterstützung erfolgen. Hierzu kann der Wassertank 30 über dem Wärmeübertrager 20 angeordnet sein, um die Nachbefüllung mittels der Schwerkraft (und ggf. einem Absperrventil 31) zu realisieren.
Die Entnahme von Wasser bzw. ein mögliches Entleeren des Wärmeübertragers 20 (bspw. bei Frostgefahr, falls der Wärmeübertrager 20 nicht eisdruckfest ausgeführt ist) kann über eine Ablaufstelle 40 erfolgen. Das abgeführte Produktwasser kann wieder dem Wassertank 30 zugeführt werden. An der Ablaufstelle 40 kann ebenfalls ein schaltbares Ventil 41, vorzugsweise ein elektrisch kontaktierbarer, Steuerkontakt 41 vorgesehen sein, um das Entleeren des Wärmeübertragers 20 zu steuern. Weiterhin ist es denkbar, dass das nicht gezeigte Steuergerät, das oben bereits erwähnt wurde, die Steuerkontakte 34, 41 koordiniert ansteuern. Auch ist es denkbar, dass ein Regelkreis mithilfe der Steuerkontakte 34, 41 geschaffen werden kann. Hierzu kann der Druck innerhalb des Gehäuses 21, der Produktwasserpegel oder dergleichen innerhalb des Gehäuses 21 überwacht werden, bspw. mithilfe entsprechender Sensoren.
Des Weiteren ist es im Rahmen der Erfindung denkbar, dass der Wassertank 30 als ein Wassertank der Abluftleitung 12, ein Wassertank eines Wassereinspritzungssystems W2, ein Wassertank einer nicht dargestellten Drainleitung des Brennstoffzellensystems 100 o. Ä. ausgeführt oder mit mindestens einem dieser Wassertanks verbunden sein kann.
Wie es die Figuren 3 und 4 darüber hinaus zeigen, kann der mindestens eine Wärmeübertrager 20 im Sinne der Erfindung einen ersten Wärmeübertrager 21 und einen zweiten Wärmeübertrager 22 aufweisen. Ferner können in der Zuluftleitung 11 des Kathodenpfades 10 ein erster Verdichter PI und ein zweiter Verdichter P2 vorgesehen sein.
Wie es aus den Figuren 3 und 4 ersichtlich ist, kann der erste Wärmeübertrager 21 in der Zuluftleitung 11 des Kathoden pfades 10 nach dem ersten Verdichter PI und der zweite Wärmeübertrager 21 nach dem zweiten Verdichter P2 angeordnet sein.
Wie es zudem die Figuren 3 und 4 andeuten, kann der zweite Verdichter P2 durch eine Turbine T antreibbar sein, die in der Abluftleitung 12 vorgesehen sein kann.
Wenn nur ein Wärmeübertrager 20 vorgesehen ist, dann kann die Turbine T in der Abluftleitung 12 vor dem Wärmeübertrager 20 (höhere Temperaturdifferenz am Wärmeübertrager 20) oder nach dem mindestens einen Wärmeübertrager 20 (Erhöhung der Leistung der Turbine T) angeordnet sein.
Wenn der mindestens eine Wärmeübertrager 20 einen ersten Wärmeübertrager 20.1 und einen zweiten Wärmeübertrager 20.2 aufweist, kann die Turbine T in der Abluftleitung 12 nach dem zweiten Wärmeübertrager 20.2 und vor dem ersten Wärmeübertrager 20.1 angeordnet sein (vgl. die Figur 3).
Wenn der mindestens eine Wärmeübertrager 20 einen ersten Wärmeübertrager 20.1 und einen zweiten Wärmeübertrager 20.2 aufweist, kann die Turbine T in der Abluftleitung 12 nach dem ersten Wärmeübertrager 20.1 und vor dem zweiten Wärmeübertrager 20.2 angeordnet sein (vgl. die Figur 4).
Im Rahmen der Erfindung ist es denkbar, dass zwischen der Zuluftleitung 11 und der Abluftleitung 12 des Kathodenpfades 10 ein Bypass By, ein Befeuchter Hl oder ein Wassereinspritzungssystem W2 vorgesehen sein kann. Weiterhin können Ventile V am Ausgang der Abluftleitung 12, in der Bypassleitung um den zweiten Verdichter P2 herum und/oder in der Bypassleitung um die Turbine T herum vorgesehen sein.
Im Rahmen der Erfindung ist es auch denkbar, dass in der Zuluftleitung 11 des Kathodenpfades 10 mindestens ein erster Verdichter PI vorgesehen sein kann, wobei der mindestens eine Wärmeübertrager 20 in der Zuluftleitung 11 des Kathodenpfades 10 nach dem ersten Verdichter PI angeordnet ist.
Im Rahmen der Erfindung ist es außerdem denkbar, dass in der Zuluftleitung 11 des Kathoden pfades 10 ein erster Verdichter PI und ein zweiter Verdichter P2 vorgesehen sein können, wobei der mindestens eine Wärmeübertrager 20 in der Zuluftleitung 11 des Kathoden pfades 10 nach dem ersten Verdichter PI und nach dem zweiten Verdichter P2 oder nach dem ersten Verdichter PI und vor dem zweiten Verdichter P2 angeordnet sein kann.
Ferner kann die Erfindung bei einem Brennstoffzellensystem 100 vorsehen, dass der erste Verdichter PI und der zweite Verdichter P2 gemäß den Figuren 3 und 4 zwei separate Antriebswellen Wl, W2 (vgl. die Figuren 3 und 4) oder eine gemeinsame Antriebswelle aufweisen können.
Weiterhin ist es denkbar, dass der erste Verdichter PI als ein mehrflutiger oder mehrstufiger Verdichter (vgl. die Figuren 3 und 4) ausgebildet sein kann und/oder zwei Einzelverdichter Pl.l, PI.2 aufweisen kann, die wiederum zwei separate Antriebswellen oder eine gemeinsame Antriebswelle W1 aufweisen können.
Die voranstehende Beschreibung der Figuren beschreibt die vorliegende Erfindung ausschließlich im Rahmen von Beispielen. Selbstverständlich können einzelne Merkmale der Ausführungsformen, sofern es technisch sinnvoll ist, frei miteinander kombiniert werden, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.

Claims

Ansprüche
1. Brennstoffzellensystem (100), aufweisend: mindestens eine Brennstoffzelle (101) und einen Kathodenpfad (10) zum Bereitstellen eines sauerstoffhaltigen Reaktanten in Form einer Zuluft (LI) an die mindestens eine Brennstoffzelle (101), wobei der Kathodenpfad (10) eine Zuluftleitung (11) zum Bereitstellen der Zuluft (LI) zu der mindestens einen Brennstoffzelle (101) und eine Abluftleitung (12) zum Abführen einer Abluft (L2) von der mindestens einen Brennstoffzelle (101) aufweist, und wobei zwischen der Zuluftleitung (11) und der Abluftleitung (12) des Kathodenpfades (10) mindestens ein Wärmeübertrager (20) vorgesehen ist, um thermische Energie von der Zuluft (LI) zu der Abluft (L2) zu übertragen, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Wärmeübertrager (20) dazu ausgeführt ist, die Wärme durch Verdampfung und Kondensation von Produktwasser (H20) zu übertragen.
2. Brennstoffzellensystem (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Wärmeübertrager (20) antriebsfrei ausgeführt ist, um thermische Energie von der Zuluft (LI) zu der Abluft (L2) ohne eine elektrische Energiezufuhr passiv und/oder indirekt, vorzugsweise ohne Stoffaustausch zwischen der Zuluft (LI) und der Abluft (L2), zu übertragen, und/oder dass der mindestens eine Wärmeübertrager (20) dazu ausgebildet ist, thermische Energie von der Zuluft (LI) zu der Abluft (L2) unidirektional zu übertragen.
3. Brennstoffzellensystem (100) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Wärmeübertrager (20) ein erstes Rohr (RI) aufweist, das einen Teil der Zuluftleitung (11) von einem, insbesondere abgedichteten, Eingang (Al) in den mindestens einen Wärmeübertrager (20) zu einem, insbesondere abgedichteten, Ausgang (A2) aus dem mindestens einen Wärmeübertrager (20) bildet, und/oder dass der mindestens eine Wärmeübertrager (20) ein zweites Rohr (R2) aufweist, das einen Teil der Abluftleitung (12) von einem, insbesondere abgedichteten, Eingang (Bl) in den mindestens einen Wärmeübertrager (20) zu einem, insbesondere abgedichteten, Ausgang (B2) aus dem mindestens einen Wärmeübertrager (20) bildet.
4. Brennstoffzellensystem (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein erstes Rohr (RI) und/oder ein zweites Rohr (R2) des mindestens einen Wärmeübertragers (20) eine außenliegende Oberfläche (WA) und eine innenliegende Oberfläche (Wl) aufweisen/aufweist, wobei die außenliegende Oberfläche (WA) einen größeren Flächeninhalt als der Flächeninhalt der innenliegenden Oberfläche (Wl) aufweist, und/oder wobei die außenliegende Oberfläche (WA) eine Rippenstruktur, eine Lamellenstruktur und/oder eine Nockenstruktur aufweist, und/oder wobei die außenliegende Oberfläche (WA) ein durchgehendes, bspw. schraubenförmiges, Wärmeübertragungselement oder mehrere periodisch angeordnete Wärmeübertragungselemente aufweist, wobei insbesondere das Wärmeübertragungselement oder die Wärmeübertragungselemente eine, insbesondere in die Flussrichtung des sauerstoffhaltigen Reaktanten, geneigte Oberseite aufweisen, um die Verdampfung und Kondensation des Produktwassers zu begünstigen.
5. Brennstoffzellensystem (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein erstes Rohr (RI) und/oder ein zweites Rohr (R2) des mindestens einen Wärmeübertragers (20) mehrere Windungen (Ul, U2) und/oder mehrere Zweigleitungen (L) und/oder mehrere Rohbündel aufweist.
6. Brennstoffzellensystem (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Wärmeübertrager (20) ein abgeschlossenes Gehäuse (21) aufweist, wobei das Gehäuse (21) ein Entlüftungselement (22), insbesondere in Form einer gasdurchlässigen Membran, eines passiven Ventils, vorzugsweise eines Rückschlagventils, welches bei einem Überdruck zur Umgebung öffnet, oder eines schaltbaren Ventils, aufweist, und/oder wobei das Gehäuse (21) ein Befüllungselement (23), insbesondere aufweisend eine Einspritzstelle, ein Dosierventil und/oder eine Dosierpumpe, aufweist, wobei insbesondere das Befüllungselement (23) einen Steuerkontakt (34) zu einem steuerbaren und/oder regelbaren Nachfüllen des Produktwassers (H20) aufweist.
7. Brennstoffzellensystem (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Wärmeübertrager (20) eine Ablaufstelle (40) aufweist, um den Wärmeübertrager (20), insbesondere bei einer Frostgefahr, zu entleeren, wobei vorzugsweise der Wärmeübertrager in einen Wassertank (30) entleert werden kann, und/oder dass der mindestens eine Wärmeübertrager (20), insbesondere an der Ablaufstelle (40), ein schaltbares Ventil (41), vorzugsweise einen elektrisch kontaktierbaren Steuerkontakt, aufweist.
8. Brennstoffzellensystem (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Wärmeübertrager (20) an einen Wassertank (30) angeschlossen ist, wobei der Wassertank (30) als ein Wassertank der Abluftleitung (12), ein Wassertank eines Wassereinspritzungssystems (W2), ein Wassertank einer Drainleitung ausgeführt oder mit mindestens einem dieser Wassertanks verbunden ist, und/oder wobei der Wassertank (30) ein Ablassventil (31) aufweist, und/oder wobei der Wassertank (30) oberhalb des mindestens einen Wärmeübertragers (20) angeordnet ist.
9. Brennstoffzellensystem (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Wärmeübertrager (20) einen ersten Wärmeübertrager (20.1) und einen zweiten Wärmeübertrager (20.2) aufweist, und dass in der Zuluftleitung (11) des Kathodenpfades (10) ein erster Verdichter (PI) und ein zweiter Verdichter (P2) vorgesehen sind, wobei der erste Wärmeübertrager (20.1) in der Zuluftleitung (11) des Kathodenpfades (10) nach dem ersten Verdichter (PI) und der zweite Wärmeübertrager (20.2) nach dem zweiten Verdichter (P2) angeordnet sind.
10. Brennstoffzellensystem (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Zuluftleitung (11) des Kathoden pfades (10) ein erster Verdichter (PI) und ein zweiter Verdichter (P2) vorgesehen sind, wobei der zweite Verdichter (P2) durch eine Turbine (T) antreibbar ist, die in der Abluftleitung (12) vorgesehen ist, und wobei die Turbine (T) in der Abluftleitung (12) vor oder nach dem mindestens einen Wärmeübertrager (20) angeordnet ist.
11. Brennstoffzellensystem (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Wärmeübertrager (20) einen ersten Wärmeübertrager (20.1) und einen zweiten Wärmeübertrager (20.2) aufweist, dass in der Zuluftleitung (11) des Kathodenpfades (10) ein erster Verdichter (PI) und ein zweiter Verdichter (P2) vorgesehen sind, wobei der zweite Verdichter (P2) durch eine Turbine (T) antreibbar ist, die in der Abluftleitung (12) vorgesehen ist, und wobei die Turbine (T) in der Abluftleitung (12) nach dem zweiten Wärmeübertrager (20.2) und vor dem ersten Wärmeübertrager (20.1) angeordnet ist.
12. Brennstoffzellensystem (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Wärmeübertrager (20) einen ersten Wärmeübertrager (20.1) und einen zweiten Wärmeübertrager (20.2) aufweist, dass in der Zuluftleitung (11) des Kathodenpfades (10) ein erster Verdichter (PI) und ein zweiter Verdichter (P2) vorgesehen sind, wobei der zweite Verdichter (P2) durch eine Turbine (T) antreibbar ist, die in der Abluftleitung (12) vorgesehen ist, und wobei die Turbine (T) in der Abluftleitung (12) nach dem ersten Wärmeübertrager (20.1) und vor dem zweiten Wärmeübertrager (20.2) angeordnet ist.
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