WO2022106194A1 - Gaszuführvorrichtung - Google Patents

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WO2022106194A1
WO2022106194A1 PCT/EP2021/080442 EP2021080442W WO2022106194A1 WO 2022106194 A1 WO2022106194 A1 WO 2022106194A1 EP 2021080442 W EP2021080442 W EP 2021080442W WO 2022106194 A1 WO2022106194 A1 WO 2022106194A1
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gas supply
heat exchanger
cooling
module
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Dirk SCHNITTGER
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Robert Bosch Gmbh
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Definitions

  • the invention relates to a gas supply device, in particular for a fuel cell system.
  • a turbo compressor in particular for a fuel cell system, is known from German patent application DE 10 2011 087 601 A1, which has a water supply system that supplies water to plain bearings and is designed as a cooling water circuit or is integrated/can be integrated into a cooling water circuit of a fuel cell system, the water supply system being power electronics supplies water for cooling to a shaft-driving electrical machine of the turbocompressor.
  • the object of the invention is to improve a gas supply device, in particular for a fuel cell system, in terms of production technology and/or functionality.
  • the object is achieved with a gas supply device, in particular for a fuel cell system, in that the gas supply device is arranged in a module with a gas heat exchanger.
  • the gas supply device comprises, for example, at least one compressor with which gas, in particular air, is compressed.
  • the compressed air is supplied to a fuel cell stack in the fuel cell system. Before entering the fuel cell stack, the compressed air must be cooled. That happens in the Gas heat exchanger, which in this case is also called an air cooler.
  • a mixture of glycol and water, for example, is used as the cooling medium in the gas heat exchanger.
  • the gas supply device is preferably driven by an electrical machine, in particular by an electric motor. However, the gas supply device can also be driven, for example, by a hydrogen-powered turbine or by a hydrogen-powered piston engine.
  • the gas supply device and the gas heat exchanger are separate units that are fixed or supported independently of one another.
  • Hoses for example, are used for the fluidic connection between the gas supply device and the gas heat exchanger.
  • the gas supply device and the gas heat exchanger are combined in one unit.
  • the gas supply device and the gas heat exchanger are firmly connected to one another in the module, for example screwed together.
  • the gas heat exchanger and the gas supply device can be attached to one another with the aid of connecting elements.
  • the gas supply devices and the gas heat exchanger can be connected with the aid of additional support components.
  • connection between the gas heat exchanger or the gas supply device and the carrier component or the carrier components is made, for example, with suitable fastening means such as screws.
  • Elastic elements, such as rubber buffers, are particularly advantageously arranged between the gas supply device and the carrier component for noise decoupling and/or for vibration decoupling.
  • the gas supply device and the gas heat exchanger can also be accommodated in a common housing.
  • the common housing can be made in one piece or in several pieces.
  • Connecting means, such as hoses, between the gas heat exchanger and the gas supply device can be omitted. Depending on the embodiment, the number of hoses required is only reduced.
  • the function of the hoses is shown, for example, with the help of channels that are integrated into the housing parts. A more compact design can be realized with the module.
  • a preferred exemplary embodiment of the gas supply device is characterized in that a coolant circuit is connected to the gas heat exchanger.
  • the gas heat exchanger is designed as a plate heat exchanger, for example.
  • the cooling medium for example water with a suitable additive
  • the gas heat exchanger is designed as a plate heat exchanger, for example.
  • the gas or the air is not in direct contact with the cooling medium.
  • an outlet of the gas supply device for example a compressor, is connected to a gas inlet, in particular an air inlet, of the gas heat exchanger, preferably without additional connection means such as hoses.
  • a further preferred exemplary embodiment of the gas supply device is characterized in that power electronics provided with cooling and an electrical machine provided with cooling are arranged in the module and are drivingly connected to the gas supply device.
  • the electrical machine is, for example, an electric motor that is controlled via the power electronics in order to drive the gas supply device, for example a compressor.
  • the power electronics include, for example, an inverter, which is also referred to as an inverter or rotary converter.
  • the housing components can be further simplified by integrating the power electronics, in particular the inverter. Connecting means, such as cables and plugs, between the power electronics, in particular the inverter, and the electrical machine can be dispensed with in a particularly advantageous manner.
  • the power electronics and the electrical machine are preferably cooled with a liquid cooling medium, such as water, which can contain suitable additives.
  • a liquid cooling medium such as water
  • a further preferred exemplary embodiment of the gas supply device is characterized in that the cooling of the power electronics and the cooling of the electrical machine are combined.
  • the cooling of the power electronics and the cooling of the electrical machine are combined, for example, by a common coolant circuit.
  • a suitable cooling medium such as water with a suitable additive, for example a glycol-water mixture, is first fed past the power electronics through a suitable cooling channel. The cooling medium is then used to cool the electrical machine via at least one further cooling channel.
  • the cooling of the electrical machine includes, for example, annular channels that extend around a stator of the electrical machine.
  • the cooling of the power electronics is combined with the gas heat exchanger.
  • the cooling of the power electronics includes, for example, a cooling channel through which a liquid cooling medium, such as water with a suitable additive, is conducted past the power electronics for cooling purposes.
  • the cooling of the power electronics can be connected to at least one cooling channel of the gas heat exchanger via suitable tubing.
  • the cooling of the power electronics can also be connected via a cooling duct to at least one cooling duct that extends through the gas heat exchanger.
  • the term combined means in particular that the cooling of the power electronics and the gas heat exchanger comprise a common cooling circuit or are connected to a common cooling circuit.
  • a common housing component can advantageously be used for the power electronics and the gas heat exchanger. The installation effort can be reduced by the cooling of the power electronics combined with the gas heat exchanger.
  • Another preferred exemplary embodiment of the gas supply device is characterized in that the cooling of the power electronics is independent of the gas heat exchanger.
  • this provides the advantage that the Power electronics can be cooled independently of the gas heat exchanger.
  • the gas heat exchanger it is possible in the gas heat exchanger not only to cool the gas supplied to the fuel cell stack, in particular the air supplied to the fuel cell stack, but also to heat it in special operating states, for example when the fuel cell system is started cold.
  • the module comprises at least a first functional unit with the gas supply device and with the electrical machine, a second functional unit with the power electronics and a third functional unit with the gas heat exchanger, the module with the functional units on a support structure is attached.
  • the module with the three functional units can be produced inexpensively and is easy to assemble.
  • the module with the three functional units can be mounted on the supporting structure in a simple manner using suitable fastening means such as screws. If required, spring and/or damping elements can be arranged between the module or between individual functional units of the module and the supporting structure for vibration damping and/or for noise reduction during operation of the fuel cell system.
  • the support structure can be a support structure of the fuel cell system.
  • the module with the three functional units can be attached to a stack housing of the fuel cell system.
  • the supporting structure can also be a part of a motor vehicle equipped with the fuel cell system, for example a truck frame.
  • a further preferred exemplary embodiment of the gas supply device is characterized in that at least two of the functional units are attached to at least one module carrier component in order to represent a partial module.
  • the subdivision of the sub-modules simplifies the representation and assembly of interfaces between the functional units.
  • the first and the second functional unit are attached to a first module carrier component.
  • the first functional unit and the second are on a second module carrier component Functional unit attached.
  • This means that the first functional unit and the second functional unit are attached to both module carrier components.
  • This supposed disadvantage is deliberately accepted with a view to simplifying the assembly of the partial modules on the support structure.
  • the support structure advantageously comprises at least two support structure elements.
  • the first module carrier component is advantageously fastened to the first supporting structure element.
  • the second module carrier component is advantageously fastened to the second supporting structure element.
  • a further preferred exemplary embodiment of the gas supply device is characterized in that the partial module is attached to the supporting structure with the module carrier component.
  • the support structure advantageously comprises at least two support structure elements. The claimed subdivision of the module into sub-modules enables a highly efficient construction of the fuel cell system in combination with the module carrier components and the supporting structure elements.
  • Another preferred exemplary embodiment of the gas supply device is characterized in that at least two of the functional units are connected to one another by connecting elements in order to represent an assembly unit that is attached to the support structure of the fuel cell system.
  • the connecting elements used to connect the at least two functional units to one another are, for example, screws.
  • the first and the third functional unit are connected to the second functional unit by connecting elements.
  • the mounting unit is attached to the supporting structure of the fuel cell system, for example, using suitable fastening means such as screws.
  • a further preferred exemplary embodiment of the gas supply device is characterized in that the power electronics and the gas heat exchanger are connected to a common coolant supply and to a common coolant discharge. In this way, the manufacturing outlay and the assembly outlay can be further reduced.
  • a further preferred exemplary embodiment of the gas supply device is characterized in that the gas supply device and the gas heat exchanger are firmly connected to one another. This simplifies the assembly of the module in a higher-level system, in particular in a fuel cell system.
  • gas supply device is characterized in that the gas supply device and the gas heat exchanger are arranged in a common housing.
  • the housing can be made in one piece or in several pieces.
  • a further preferred exemplary embodiment of the gas supply device is characterized in that the gas supply device comprises a compressor stage.
  • the gas supply device with the compressor stage is designed as a compressor, for example.
  • the gas supply device comprises at least two compressor stages.
  • the two compressor stages are advantageously driven by a common shaft, for example by the electric machine.
  • the pressure of the compressed air in the module can be increased in a simple manner via the number of compressor stages.
  • a further preferred exemplary embodiment of the gas supply device is characterized in that the gas supply device comprises an expander stage.
  • the air is first compressed in at least one compressor stage of the gas supply device.
  • the compressed air is then cooled in the gas heat exchanger.
  • the compressed and cooled air flows through the fuel cell system.
  • part of the energy still contained in the exhaust gas flow after the fuel cell can be used to drive at least one compressor stage of the gas supply device.
  • the gas supply device is driven by the expander stage in addition to the drive machine, for example the electric machine.
  • the gas supply device, in particular the at least one compressor stage, the The expander stage and the drive machine, in particular the electric machine are particularly advantageously connected to one another in terms of drive by a common shaft.
  • the common shaft can be designed in one piece or in several pieces.
  • the invention also relates to a fuel cell system with a gas supply device as described above.
  • the invention also relates to a method for operating a gas supply device as described above in a fuel cell system.
  • the invention also relates to individual parts for a gas supply device as described above.
  • the individual parts can be traded separately.
  • the invention may also relate to a modular system with individual parts for a gas supply device as described above.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a fuel cell system with a gas supply device, which is arranged in a module with a gas heat exchanger, according to a first exemplary embodiment
  • Figure 2 is a sectional view along the line II-II in Figure 1;
  • FIG. 3 shows a representation similar to that in FIG. 1, with additionally cooled power electronics being arranged in the module;
  • FIG. 4 is a sectional view taken along line IV-IV of Figure 3;
  • FIG. 5 shows a representation similar to that in FIG. 3, with the power electronics and the gas heat exchanger being connected to a common cooling medium circuit;
  • FIG. 6 shows a view of a section along the line VI-VI in FIG. 5;
  • FIGS. 7 to 9 show representations similar to those in FIG. 1 according to further exemplary embodiments which can be combined with the preceding exemplary embodiments;
  • FIG. 10 shows a representation similar to that in FIG. 3 with cooling of an electrical machine of the gas supply device
  • FIG. 11 shows a module similar to that in FIG. 3 with three functional units which are attached to supporting structure elements of a supporting structure of the fuel cell system with the aid of module carrier components;
  • FIG. 12 shows a sectional view along the line XII-XII in FIG. 11;
  • FIG. 13 shows a module similar to that in FIG. 3 according to a further exemplary embodiment with three functional units which are connected to one another by connecting elements in order to represent assembly units which are attached to support structure elements of a support structure of the fuel cell system.
  • a fuel cell system 1 is shown in different views and according to different embodiments.
  • the same reference symbols are used in FIGS. 1 to 13 to denote the same or similar parts.
  • the similarities between the exemplary embodiments will be described. After that, the differences between the individual exemplary embodiments will be discussed.
  • no complete fuel cell system is shown. For example, a hydrogen supply with the associated cooling circuit is missing in the illustrations.
  • other electronic components of the fuel cell system are not shown.
  • FIGS. 1 to 13 only the side with an air supply and an exhaust gas discharge of the fuel cell system is shown.
  • the figures shown are shown in a greatly simplified manner with a view of the gas supply device with a compressor and an expander as well as a gas heat exchanger.
  • the fuel cell system includes other components on the air side, such as an air humidifier, control valves, bypass paths, etc.
  • the fuel cell system 1 includes a fuel cell stack 2 with at least one fuel cell.
  • a fuel cell stack 2 with at least one fuel cell.
  • an arrow 3 Switzerlandas or supply air is indicated that a module 15; 18; 28 is supplied.
  • Exhaust gas 4 is indicated by another arrow, which from the module 15; 18; 28 is discharged.
  • the supply air 3 is in the module 15; 18; 28 fed to a gas supply device 5 .
  • the gas supply device 5 can be driven by an electrical machine 6 .
  • the supply air 3 is compressed in the gas supply device 5 .
  • the compressed air is via a gas connection 10 in the module 15; 18; 28 fed to a gas heat exchanger 7 .
  • the gas heat exchanger 7 is designed, for example, as a plate heat exchanger. In the gas heat exchanger 7, the supply air 3 is guided past a flow of cooling medium.
  • the cooling medium which is preferably liquid.
  • heat can also be transferred from the preferably liquid cooling medium to the air in the opposite direction in order to warm up the compressed supply air before it is fed to the fuel cell stack 2, for example in the event of a cold start.
  • a cooling medium feed 8 of the gas heat exchanger 7 is indicated by an arrow.
  • a cooling medium discharge 9 of the gas heat exchanger 7 is indicated by a further arrow.
  • the supply air 3 is cooled via the cooling medium in the gas heat exchanger 7, which is also referred to as an air cooler.
  • the gas heat exchanger 7 is designed, for example, as a plate heat exchanger.
  • the preferably liquid cooling medium does not come into contact with the compressed air in the gas heat exchanger 7 designed as a plate heat exchanger.
  • the compressed and cooled air is fed to the fuel cell stack 2 via a gas connection 11 .
  • the cooling medium is the module 15; 18; 28 supplied via a cooling medium circuit 14.
  • the cooling medium circuit 14 can be a separate cooling medium circuit or an existing cooling medium circuit.
  • the module 15; 18; 28 includes a common housing 16; 19; 29 for the gas supply device 5 and for the gas heat exchanger 7.
  • the common housing is made in one piece or in several pieces. In the figures 11 to 13 it is shown that the module 18 can also be constructed differently. Fluid connections for the gas, in particular the air, the exhaust gas and the cooling medium are advantageous in the common housing 16; 19; 29 integrated. About the common housing 16; 19; 29, the gas supply device 5 and the gas heat exchanger 7 are firmly connected to one another and protected from the outside.
  • the gas heat exchanger 7 comprises a compressor stage 12 and an expander stage 13.
  • the compressor stage 12 and the expander stage 13 are connected to one another in terms of drive by the electrical machine 6 arranged between them.
  • the module 18; 28 in addition to the gas supply device 5 and the gas heat exchanger 7, power electronics 20 are also integrated.
  • the power electronics 20 includes an inverter 21. Electrical connections 22 for the inverter 21 are on the outside of the common housing 19; 29 indicated. Electrical connections between the electrical machine 6 and the power electronics 20 are advantageously integrated into the module 18; 28 integrated.
  • the power electronics 20 are cooled independently of the coolant circuit 14 to which the gas heat exchanger 7 is connected.
  • the cooling medium for cooling the power electronics 20 is supplied to the module 18 via a cooling medium supply 23 and is discharged via a cooling medium discharge 24 .
  • the gas heat exchanger 7 and the power electronics 20 are cooled via separate cooling circuits.
  • this provides the advantage that the cooling circuits can be operated at different temperature levels and with different cooling media.
  • the gas heat exchanger 7 and the power electronics 20 are connected to a common coolant circuit 30 .
  • the coolant for the power electronics 20 and the gas heat exchanger 7 is supplied via a common coolant supply 31 and discharged via a common coolant discharge 32 .
  • FIGS. 7 to 9 show that the gas supply device 5, which is combined with the gas heat exchanger 7 in the module 15 in the common housing 16, can be designed very differently.
  • the gas supply device 5 includes only the compressor stage 12, which is drivingly connected to the electrical machine 6.
  • the gas supply device 5 in FIG. 7 does not include an expander stage.
  • the gas supply device 5 comprises two compressor stages 34, 35, which are drivingly connected to the electrical machine 6 arranged between them.
  • the supply air 3 is first compressed in the compression stage 34 and then in the compression stage 35 .
  • the doubly compressed supply air is then cooled by the gas heat exchanger 7 and fed to the fuel cell stack 2 via the gas connection 11 .
  • the gas supply device 5 comprises two compressor stages 37, 38 and an expander stage 39.
  • the expander stage 39 is driven with the exhaust gas 4 of the fuel cell stack 2, as in the exemplary embodiments of FIGS.
  • the supply air which is doubly compressed via the two compressor stages 37 , 38 , is cooled in the gas heat exchanger 7 and fed to the fuel cell stack 2 via the gas connection 11 .
  • FIGS. 3 and 10 to 13 Further exemplary embodiments of the fuel cell system 1 are shown in FIGS.
  • the same reference symbols are used in FIGS. 3 and 10 to 13 to designate the same or similar parts. In order to avoid repetition, reference is made to the previous description of FIG.
  • FIG. 10 illustrates how the electric machine 6, the power electronics 20 and the gas heat exchanger 7 are cooled.
  • the power electronics 20 with the inverter 21 is assigned a cooling system 40 which is combined with a cooling system 41 of the electrical machine 6 . Since the electric machine 6 is operated as a motor to drive the gas supply device 5 , the cooling 41 is also referred to as motor cooling 41 .
  • Motor cooling 41 is fluidically connected to cooling 40 of power electronics 20 via a cooling medium channel 42 .
  • the motor cooling system 41 includes an annular channel arrangement 43 with cooling medium channels arranged in a ring shape, which extend around a stator of the electrical machine 6, for example.
  • FIG. 10 indicate how a liquid cooling medium, such as water with suitable additives, flows from a cooling medium supply 23 via the cooling system 40 through the cooling medium channel 42 and through the annular channel arrangement 43 of the engine cooling system 41 to a cooling medium outlet 44.
  • the cooling 40 and the cooling 41 are advantageously integrated into the same cooling circuit.
  • the engine cooling system 41 is not shown to simplify the illustration.
  • the motor cooling 41 is usually also present in these exemplary embodiments in order to ensure trouble-free operation of the electric machine 6 when operating as a motor for driving the gas supply device 5 , in particular with the compressor stage 12 .
  • the gas heat exchanger 7 is independent of the cooling 40 of the power electronics 20 and the cooling 41 of the electrical machine 6. This makes it possible for the cooling/temperature control 45 of the gas heat exchanger 7 to be operated with a different cooling medium, for example with deionized water.
  • the deionized water is supplied, for example, via the coolant supply 8 and removed via the coolant discharge 9 .
  • the liquid cooling medium, in particular the deionized water is separated from the compressed gas to be temperature-controlled, in particular the compressed air, which is supplied to the fuel cell stack 2.
  • FIGS. 5 and 6 show that the power electronics 20 and the gas heat exchanger 7 can also include a common cooling circuit that is integrated into the module 28 .
  • a first functional unit 51 includes an electrically driven air compressor 46.
  • the electrically driven air compressor 46 in turn includes the gas supply device 5 with the electric machine 6 and the expander stage 13.
  • a second functional unit 52 includes the power electronics 20 with the inverter 21.
  • a third functional unit 53 includes the gas heat exchanger 7. The cooling of the functional units 51 to 53 is not discussed at this point.
  • the fuel cell system 1 includes a support structure 54 with support structure elements 55, 56.
  • the three functional units 51 to 53 are attached to module support components 57, 58.
  • a total of sixteen connecting elements 63 are used to fasten the functional units 51 to 53 to the module carrier components 57, 58.
  • the connecting elements 63 are, for example, suitable fastening means, such as screws, which are advantageously combined with elastic elements, such as rubber buffers, for vibration damping or noise reduction be able.
  • the upper regions of the first functional unit 51 and the second functional unit 52 in FIG. 11 are attached to the module carrier component 57 .
  • Lower areas of the first functional unit 51 and the second functional unit 52 are attached to the module carrier component 58 in FIG.
  • the third functional unit 53 is attached to the module carrier component 58 .
  • the upper module support component 57 in FIG. 11 is attached to the supporting structure element 55 with the aid of two connecting elements 59, 60.
  • the lower module support component 58 in FIG. 11 is attached to the supporting structure element 56 with the aid of connecting elements 61, 62.
  • a module 70 includes a first functional unit 71, a second functional unit 72 and a third functional unit 73.
  • the first functional unit 71 includes the gas supply device 5 with the electric machine 6 and the expander stage 13.
  • the second functional unit 72 includes the power electronics 20 with the inverter 21.
  • the third functional unit 73 includes the gas heat exchanger 7.
  • the first functional unit 71 is attached to the second functional unit 72 with the aid of connecting elements 75, 76. This results in an assembly unit 68.
  • the third functional unit 73 is attached to the second functional unit 72 with the aid of connecting elements 77, 78. This results in an assembly unit 69. In the assembly unit 69, the three functional units 71 to 73 are firmly connected to one another.
  • the assembly unit 68 is attached to a support structure element 65 of a support structure 64 of the fuel cell system 1 with the aid of connecting elements 81 , 82 .
  • the assembly unit 69 is attached to a support structure element 66 of the support structure 64 of the fuel cell system 1 with the aid of connecting elements 83 , 84 .
  • the assembly units 68 and 69 together represent the module 70.
  • Support structure 64 all four extend through the second functional unit 72.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Gaszuführvorrichtung (5), insbesondere für ein Brennstoffzellenstack (2). Um die Gaszuführvorrichtung (5) herstellungstechnisch und/oder funktionell zu verbessern, ist die Gaszuführvorrichtung (5) in einem Modul (15) mit einem Gaswärmetauscher (7) angeordnet.

Description

Beschreibung
Titel
Gaszuführvorrichtung
Die Erfindung betrifft eine Gaszuführvorrichtung, insbesondere für ein Brennstoffzellensystem.
Stand der Technik
Aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 10 2011 087 601 Al ist ein Turboverdichter, insbesondere für ein Brennstoffzellensystem, bekannt, der ein Wasserleitsystem aufweist, das Gleitlagern Wasser zuführt und als Kühlwasserkreislauf ausgebildet oder in einen Kühlwasserkreislauf eines Brennstoffzellensystems integriert/integrierbar ist, wobei das Wasserleitsystem einer Leistungselektronik einer eine Welle antreibenden elektrischen Maschine des Turboverdichters Wasser zur Kühlung zuführt.
Offenbarung der Erfindung
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Gaszuführvorrichtung, insbesondere für ein Brennstoffzellensystem, herstellungstechnisch und/oder funktionell zu verbessern.
Die Aufgabe ist bei einer Gaszuführvorrichtung, insbesondere für ein Brennstoffzellensystem, dadurch gelöst, dass die Gaszuführvorrichtung in einem Modul mit einem Gaswärmetauscher angeordnet ist. Die Gaszuführvorrichtung umfasst zum Beispiel mindestens einen Verdichter, mit dem Gas, insbesondere Luft, verdichtet wird. Die verdichtete Luft wird in dem Brennstoffzellensystem einem Brennstoffzellenstack zugeführt. Vor Eintritt in den Brennstoffzellenstack muss die verdichtete Luft abgekühlt werden. Das passiert in dem Gaswärmetauscher, der in diesem Fall auch als Luftkühler bezeichnet wird. Als Kühlmedium wird in dem Gaswärmetauscher zum Beispiel ein Gemisch aus Glykol und Wasser verwendet. Die Gaszuführvorrichtung ist vorzugsweise durch eine elektrische Maschine, insbesondere durch einen Elektromotor, angetrieben. Die Gaszuführvorrichtung kann aber auch zum Beispiel durch eine mit Wasserstoff betriebene Turbine oder durch eine mit Wasserstoff betriebene Kolbenmaschine angetrieben werden. In herkömmlichen Brennstoffzellensystemen sind die Gaszuführvorrichtung und der Gaswärmetauscher separate Einheiten, die unabhängig voneinander befestigt oder gelagert werden. Zur fluidischen Verbindung zwischen der Gaszuführvorrichtung und dem Gaswärmetauscher werden zum Beispiel Schläuche verwendet. In dem beanspruchten Modul werden die Gaszuführvorrichtung und der Gaswärmetauscher in einer Einheit zusammengefasst. Die Gaszuführvorrichtung und der Gaswärmetauscher sind in dem Modul fest miteinander verbunden, zum Beispiel miteinander verschraubt. Je nach Ausführungsbeispiel können der Gaswärmetauscher und die Gaszuführvorrichtung mit Hilfe von Verbindungselementen aneinander befestigt sein. Es ist aber auch möglich, dass die Gaszuführvorrichtungen und der Gaswärmetauscher mit Hilfe zusätzlicher Trägerbauteile verbunden sind. Die Verbindung zwischen dem Gaswärmetauscher beziehungsweise der Gaszuführvorrichtung und dem Trägerbauteil oder den Trägerbauteilen erfolgt zum Beispiel mit geeigneten Befestigungsmitteln, wie Schrauben. Besonders vorteilhaft sind zwischen der Gaszuführvorrichtung und dem Trägerbauteil elastische Elemente, wie Gummipuffer, zur Geräuschentkopplung und/oder zur Schwingungsentkopplung angeordnet. Die Gaszuführvorrichtung und der Gaswärmetauscher können auch in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht sein. Das gemeinsame Gehäuse kann einteilig oder mehrteilig ausgeführt sein. Verbindungsmittel, wie Schläuche, zwischen dem Gaswärmetauscher und der Gaszuführvorrichtung können entfallen. Je nach Ausführungsbeispiel wird die Anzahl der benötigten Schläuche auch nur reduziert. Die Funktion der Schläuche wird zum Beispiel mit Hilfe von Kanälen dargestellt, die in Gehäuseteile integriert sind. Mit dem Modul kann eine kompaktere Bauweise realisiert werden. So kann eine höhere Leistungsdichte des Brennstoffzellensystems erreicht werden. Die Bauteilkosten und der Montageaufwand verringern sich. Durch die geringe Anzahl der Bauteile und eine geringere Anzahl von Schnittstellen zwischen dem Gaswärmetauscher und der Gaszuführvorrichtung erhöht sich die Robustheit des Brennstoffzellensystems. Darüber hinaus kann besonders vorteilhaft das Gewicht des Brennstoffzellensystems reduziert werden.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Gaszuführvorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass ein Kühlmediumkreislauf an den Gaswärmetauscher angeschlossen ist. Der Gaswärmetauscher ist zum Beispiel als Plattenwärmetauscher ausgeführt. In dem Gaswärmetauscher wird das Kühlmedium, zum Beispiel Wasser mit einem geeigneten Zusatz, an dem Gas, insbesondere der Luft, vorbeigeführt, um das Gas, insbesondere die Luft, vorzugsweise abzukühlen. Der Gaswärmetauscher ist zum Beispiel als Plattenwärmetauscher ausgeführt. In dem insbesondere als Plattenwärmetauscher ausgeführten Gaswärmetauscher steht das Gas beziehungsweise die Luft nicht direkt in Kontakt mit dem Kühlmedium. In dem Modul ist ein Ausgang der Gaszuführvorrichtung, zum Beispiel eines Verdichters, vorzugsweise ohne zusätzliche Verbindungsmittel, wie Schläuche, mit einem Gaseingang, insbesondere Lufteingang, des Gaswärmetauschers verbunden.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Gaszuführvorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass in dem Modul eine mit einer Kühlung versehene Leistungselektronik und eine mit einer Kühlung versehene elektrische Maschine angeordnet ist, die antriebsmäßig mit der Gaszuführvorrichtung verbunden ist. Bei der elektrischen Maschine handelt es sich zum Beispiel um einen Elektromotor, der über die Leistungselektronik angesteuert wird, um die Gaszuführvorrichtung, zum Beispiel einen Verdichter, anzutreiben. Die Leistungselektronik umfasst zu diesem Zweck zum Beispiel einen Wechselrichter, der auch Inverter oder Drehrichter bezeichnet wird. Durch die Integration der Leistungselektronik, insbesondere des Inverters, können die Gehäusebauteile weiter vereinfacht werden. Besonders vorteilhaft können Verbindungsmittel, wie Kabel und Stecker, zwischen der Leistungselektronik, insbesondere dem Inverter, und der elektrischen Maschine entfallen. Die Kühlung der Leistungselektronik und der elektrischen Maschine erfolgt vorzugsweise mit einem flüssigen Kühlmedium, wie Wasser, das geeignete Zusätze enthalten kann. Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Gaszuführvorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlung der Leistungselektronik und die Kühlung der elektrischen Maschine kombiniert sind. Die Kühlung der Leistungselektronik und die Kühlung der elektrischen Maschine sind zum Beispiel durch einen gemeinsamen Kühlmediumkreislauf kombiniert. Ein geeignetes Kühlmedium, wie Wasser mit einem geeigneten Zusatz, zum Beispiel ein Glykol- Wassergemisch, wird zunächst durch einen geeigneten Kühlkanal an der Leistungselektronik vorbeigeführt. Über mindestens einen weiteren Kühlkanal wird das Kühlmedium dann zur Kühlung der elektrischen Maschine verwendet. Die Kühlung der elektrischen Maschine umfasst zum Beispiel Ringkanäle, die sich um einen Stator der elektrischen Maschine herum erstrecken.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Gaszuführvorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlung der Leistungselektronik mit dem Gaswärmetauscher kombiniert ist. Die Kühlung der Leistungselektronik umfasst zum Beispiel einen Kühlkanal, durch den ein zum Beispiel flüssiges Kühlmedium, wie Wasser mit einem geeigneten Zusatz, zu Kühlzwecken an der Leistungselektronik vorbeigeleitet wird. Die Kühlung der Leistungselektronik kann über eine geeignete Verschlauchung an mindestens einen Kühlkanal des Gaswärmetauschers angeschlossen sein. Die Kühlung der Leistungselektronik kann auch über einen Kühlkanal mit mindestens einem Kühlkanal, der sich durch den Gaswärmetauscher erstreckt, verbunden sein. Der Begriff kombiniert bedeutet im Hinblick auf die Kühlung der Leistungselektronik und des Gaswärmetauschers insbesondere, dass die Kühlung der Leistungselektronik und der Gaswärmetauscher einen gemeinsamen Kühlkreislauf umfassen beziehungsweise an einen gemeinsamen Kühlkreislauf angeschlossen sind. Durch den gemeinsamen Kühlkreislauf kann vorteilhaft eine gemeinsame Gehäusekomponente für die Leistungselektronik und den Gaswärmetauscher verwendet werden. Durch die mit dem Gaswärmetauscher kombinierte Kühlung der Leistungselektronik kann der Montageaufwand reduziert werden.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Gaszuführvorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlung der Leistungselektronik unabhängig von dem Gaswärmetauscher ist. Das liefert unter anderem den Vorteil, dass die Leistungselektronik unabhängig von dem Gaswärmetauscher gekühlt werden kann. So wird es zum Beispiel möglich, in dem Gaswärmetauscher das dem Brennstoffzellenstack zugeführte Gas, insbesondere die dem Brennstoffzellenstack zugeführte Luft, in speziellen Betriebszuständen nicht nur zu kühlen, sondern auch zu erwärmen, zum Beispiel bei einem Kaltstart des Brennstoffzellensystems.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Gaszuführvorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass das Modul mindestens eine erste Funktionseinheit mit der Gaszuführvorrichtung und mit der elektrischen Maschine, eine zweite Funktionseinheit mit der Leistungselektronik und eine dritte Funktionseinheit mit dem Gaswärmetauscher umfasst, wobei das Modul mit den Funktionseinheiten an einer Tragstruktur angebracht ist. Das Modul mit den drei Funktionseinheiten ist kostengünstig herstellbar und einfach montierbar. Das Modul mit den drei Funktionseinheiten kann auf einfache Art und Weise mit geeigneten Befestigungsmitteln, wie Schrauben, an der Tragstruktur montiert werden. Bei Bedarf können Feder- und/oder Dämpfungselemente zwischen dem Modul beziehungsweise zwischen einzelnen Funktionseinheiten des Moduls und der Tragstruktur zur Schwingungsdämpfung und/oder zur Geräuschreduzierung im Betrieb des Brennstoffzellensystems angeordnet werden. Bei der Tragstruktur kann es sich um eine Tragstruktur des Brennstoffzellensystems handeln. So kann das Modul mit den drei Funktionseinheiten zum Beispiel an ein Stackgehäuse des Brennstoffzellensystems angebaut werden. Bei der Tragstruktur kann es sich aber auch um ein Teil eines mit dem Brennstoffzellensystem ausgestatteten Kraftfahrzeugs handeln, zum Beispiel um einen Truckrahmen.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Gaszuführvorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei der Funktionseinheiten an mindestens einem Modulträgerbauteil angebracht sind, um ein Teilmodul darzustellen. Durch die Unterteilung der Teilmodule wird die Darstellung und Montage von Schnittstellen zwischen den Funktionseinheiten vereinfacht. Bei einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel sind die erste und die zweite Funktionseinheit an einem ersten Modulträgerbauteil angebracht. An einem zweiten Modulträgerbauteil sind die erste Funktionseinheit und die zweite Funktionseinheit angebracht. Das bedeutet, dass die erste Funktionseinheit und die zweite Funktionseinheit an beiden Modulträgerbauteilen angebracht sind. Dieser vermeintliche Nachteil wird im Hinblick auf eine Vereinfachung der Montage der Teilmodule an der Tragstruktur bewusst in Kauf genommen. Die Tragstruktur umfasst vorteilhaft mindestens zwei Tragstrukturelemente. Das erste Modulträgerbauteil ist vorteilhaft an dem ersten Tragstrukturelement befestigt. Das zweite Modulträgerbauteil ist vorteilhaft an dem zweiten Tragstrukturelement befestigt.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Gaszuführvorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass das Teilmodul mit dem Modulträgerbauteil an der Tragstruktur angebracht ist. Die Tragstruktur umfasst, wie vorab beschrieben ist, vorteilhaft mindestens zwei Tragstrukturelemente. Durch die beanspruchte Unterteilung des Moduls in Teilmodule wird in Kombination mit dem Modulträgerbauteilen und den Tragstrukturelementen ein hocheffizienter Aufbau des Brennstoffzellensystems ermöglicht.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Gaszuführvorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei der Funktionseinheiten durch Verbindungselemente miteinander verbunden sind, um eine Montageeinheit darzustellen, die an der Tragstruktur des Brennstoffzellensystems angebracht ist. Bei den Verbindungselementen, die zur Verbindung der mindestens zwei Funktionseinheiten miteinander dienen, handelt es sich zum Beispiel um Schrauben. Gemäß einem Ausführungsbeispiel sind die erste und die dritte Funktionseinheit durch Verbindungselemente mit der zweiten Funktionseinheit verbunden. Die Anbringung der Montageeinheit an der Tragstruktur des Brennstoffzellensystems erfolgt zum Beispiel mit geeigneten Befestigungsmitteln, wie Schrauben. Durch die Unterteilung des Moduls in Montageeinheiten wird das Zusammenfügen und Montieren der Funktionseinheiten erheblich vereinfacht.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Gaszuführvorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungselektronik und der Gaswärmetauscher an eine gemeinsame Kühlmediumzuführung und an eine gemeinsame Kühlmediumabführung angeschlossen sind. So können der Herstellungsaufwand und der Montageaufwand weiter reduziert werden. Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Gaszuführvorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Gaszuführvorrichtung und der Gaswärmetauscher fest miteinander verbunden sind. Dadurch wird die Montage des Moduls in ein übergeordnetes System, insbesondere in ein Brennstoffzellensystem vereinfacht.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Gaszuführvorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Gaszuführvorrichtung und der Gaswärmetauscher in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sind. Das Gehäuse kann einteilig oder mehrteilig ausgeführt sein.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Gaszuführvorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Gaszuführvorrichtung eine Verdichterstufe umfasst. Die Gaszuführvorrichtung mit der Verdichterstufe ist zum Beispiel als Kompressor ausgeführt.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Gaszuführvorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Gaszuführvorrichtung mindestens zwei Verdichterstufen umfasst. Die beiden Verdichterstufen werden vorteilhaft durch eine gemeinsame Welle, zum Beispiel durch die elektrische Maschine, angetrieben. Über die Anzahl der Verdichterstufen kann der Druck der verdichteten Luft auf einfache Art und Weise in dem Modul erhöht werden.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Gaszuführvorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Gaszuführvorrichtung eine Expanderstufe umfasst. In mindestens einer Verdichterstufe der Gaszuführvorrichtung wird die Luft zunächst verdichtet. Die verdichtete Luft wird dann im Gaswärmetauscher abgekühlt. Die verdichtete und abgekühlte Luft durchströmt das Brennstoffzellensystem. Mit Hilfe der Expanderstufe kann ein Teil der nach der Brennstoffzelle noch im Abgasstrom enthaltenen Energie genutzt werden, um mindestens eine Verdichterstufe der Gaszuführvorrichtung anzutreiben. Die Gaszuführvorrichtung wird zusätzlich zu der Antriebsmaschine, zum Beispiel der elektrischen Maschine, durch die Expanderstufe angetrieben. Die Gaszuführvorrichtung, insbesondere die mindestens eine Verdichterstufe, die Expanderstufe, und die Antriebsmaschine, insbesondere die elektrische Maschine, sind besonders vorteilhaft durch eine gemeinsame Welle antriebsmäßig miteinander verbunden. Die gemeinsame Welle kann einteilig oder mehrteilig ausgeführt sein.
Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Brennstoffzellensystem mit einer vorab beschriebenen Gaszuführvorrichtung.
Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Verfahren zum Betreiben einer vorab beschriebenen Gaszuführvorrichtung in einem Brennstoffzellensystem.
Die Erfindung betrifft auch Einzelteile für eine vorab beschriebene Gaszuführvorrichtung. Die Einzelteile sind separat handelbar.
Die Erfindung betrifft gegebenenfalls auch einen Baukasten mit Einzelteilen für eine vorab beschriebene Gaszuführvorrichtung.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnung verschiedene Ausführungsbeispiele im Einzelnen beschrieben sind.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Es zeigen:
Figur 1 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems mit einer Gaszuführvorrichtung, die in einem Modul mit einem Gaswärmetauscher angeordnet ist, gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel;
Figur 2 die Ansicht eines Schnitts entlang der Linie ll-ll in Figur 1;
Figur 3 eine ähnliche Darstellung wie in Figur 1, wobei zusätzlich eine gekühlte Leistungselektronik in dem Modul angeordnet ist;
Figur 4 die Ansicht eines Schnitts entlang der Linie IV- IV in Figur 3; Figur 5 eine ähnliche Darstellung wie in Figur 3, wobei die Leistungselektronik und der Gaswärmetauscher an einen gemeinsamen Kühlmediumkreislauf angeschlossen sind;
Figur 6 die Ansicht eines Schnitts entlang der Linie Vl-Vl in Figur 5; die
Figuren 7 bis 9 ähnliche Darstellungen wie in Figur 1 gemäß weiteren Ausführungsbeispielen, die mit den vorhergehenden Ausführungsbeispielen kombinierbar sind;
Figur 10 eine ähnliche Darstellung wie in Figur 3 mit einer Kühlung einer elektrischen Maschine der Gaszuführvorrichtung;
Figur 11 ein ähnliches Modul wie in Figur 3 mit drei Funktionseinheiten, die mit Hilfe von Modulträgerbauteilen an Tragstrukturelementen einer Tragstruktur des Brennstoffzellensystems angebracht sind;
Figur 12 die Ansicht eines Schnitts entlang der Linie Xll-Xll in Figur 11; und
Figur 13 ein ähnliches Modul wie in Figur 3 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel mit drei Funktionseinheiten, die durch Verbindungselemente miteinander verbunden sind, um Montageeinheiten darzustellen, die an Tragstrukturelementen einer Tragstruktur des Brennstoffzellensystems angebracht sind.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
In den Figuren 1 bis 13 ist ein Brennstoffzellensystem 1 in verschiedenen Ansichten und gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen dargestellt. Zur Bezeichnung gleicher oder ähnlicher Teile werden in den Figuren 1 bis 13 die gleichen Bezugszeichen verwendet. Zunächst werden die Gemeinsamkeiten der Ausführungsbeispiele beschrieben. Danach wird auf die Unterschiede zwischen den einzelnen Ausführungsbeispielen eingegangen. In den Figuren 1 bis 13 ist kein komplettes Brennstoffzellensystem dargestellt. In den Darstellungen fehlt zum Beispiel eine Wasserstoffzuführung mit zugehörigem Kühlkreislauf. Darüber hinaus sind weitere Elektronikkomponenten des Brennstoffzellensystems nicht dargestellt.
In den Darstellungen der Figuren 1 bis 13 ist jeweils nur die Seite mit einer Luftzuführung und einer Abgasabführung des Brennstoffzellensystems gezeigt. Zudem sind die darstellten Figuren mit Blick auf die Gaszuführvorrichtung mit einem Verdichter und einem Expander sowie einem Gaswärmetauscher stark vereinfacht dargestellt. In der Realität umfasst das Brennstoffzellensystem auf der Luftseite weitere Komponenten, wie einen Luftbefeuchter, Regelventile, Bypasspfade et cetera.
Das Brennstoffzellensystem 1 umfasst einen Brennstoffzellenstack 2 mit mindestens einer Brennstoffzelle. Durch einen Pfeil 3 ist Zugas oder Zuluft angedeutet, die einem Modul 15; 18; 28 zugeführt wird. Über einen weiteren Pfeil ist Abgas 4 angedeutet, das von dem Modul 15; 18; 28 abgeführt wird.
Die Zuluft 3 wird in dem Modul 15; 18; 28 einer Gaszuführvorrichtung 5 zugeführt. Die Gaszuführvorrichtung 5 ist durch eine elektrische Maschine 6 antreibbar. In der Gaszuführvorrichtung 5 wird die Zuluft 3 verdichtet.
Die verdichtete Luft wird über eine Gasverbindung 10 in dem Modul 15; 18; 28 einem Gaswärmetauscher 7 zugeführt. Der Gaswärmetauscher 7 ist zum Beispiel als Plattenwärmetauscher ausgeführt. In dem Gaswärmetauscher 7 wird die Zuluft 3 an einem Kühlmediumstrom vorbeigeführt.
In dem Gaswärmetauscher 7 wird Energie in Form von Wärme von der verdichteten Luft an das vorzugsweise flüssige Kühlmedium übertragen. Darüber hinaus kann von dem vorzugsweise flüssigen Kühlmedium auch in umgekehrter Richtung Wärme zur Luft übertragen werden, um die verdichtete Zuluft anzuwärmen, bevor sie dem Brennstoffzellenstack 2, zum Beispiel bei einem Kaltstart, zugeführt wird. Durch einen Pfeil ist eine Kühlmediumzuführung 8 des Gaswärmetauschers 7 angedeutet. Durch einen weiteren Pfeil ist eine Kühlmediumabführung 9 des Gaswärmetauschers 7 angedeutet. Über das Kühlmedium wird die Zuluft 3 in dem Gaswärmetauscher 7, der auch als Luftkühler bezeichnet wird, abgekühlt. Der Gaswärmetauscher 7 ist zum Beispiel als Plattenwärmetauscher ausgeführt. Das vorzugsweise flüssige Kühlmedium kommt in dem als Plattenwärmetauscher ausgeführten Gaswärmetauscher 7 nicht in Kontakt mit der verdichteten Luft. Die verdichtete und abgekühlte Luft wird über eine Gasverbindung 11 dem Brennstoffzellenstack 2 zugeführt.
Das Kühlmedium wird dem Modul 15; 18; 28 über einen Kühlmediumkreislauf 14 zugeführt. Bei dem Kühlmediumkreislauf 14 kann es sich um einen separaten Kühlmediumkreislauf oder um einen bereits vorhandenen Kühlmediumkreislauf handeln.
Das Modul 15; 18; 28 umfasst ein gemeinsames Gehäuse 16; 19; 29 für die Gaszuführvorrichtung 5 und für den Gaswärmetauscher 7. Das gemeinsame Gehäuse ist einteilig oder mehrteilig ausgeführt. In den Figuren 11 bis 13 ist gezeigt, dass das Modul 18 auch anders aufgebaut sein kann. Fluidische Verbindungen für das Gas, insbesondere die Luft, das Abgas und das Kühlmedium sind vorteilhaft in das gemeinsame Gehäuse 16; 19; 29 integriert. Über das gemeinsame Gehäuse 16; 19; 29 sind die Gaszuführvorrichtung 5 und der Gaswärmetauscher 7 fest miteinander verbunden und nach außen geschützt.
In den Figuren 1 bis 6 umfasst der Gaswärmetauscher 7 eine Verdichterstufe 12 und eine Expanderstufe 13. Die Verdichterstufe 12 und die Expanderstufe 13 sind durch die dazwischen angeordnete elektrische Maschine 6 antriebsmäßig miteinander verbunden.
Bei den in den Figuren 3, 4 und 5, 6 gezeigten Ausführungsbeispielen ist in das Modul 18; 28 zusätzlich zu der Gaszuführvorrichtung 5 und dem Gaswärmetauscher 7 noch eine Leistungselektronik 20 integriert. Die Leistungselektronik 20 umfasst einen Inverter 21. Elektrische Anschlüsse 22 für den Inverter 21 sind außen an dem gemeinsamen Gehäuse 19; 29 angedeutet. Elektrische Verbindungen zwischen der elektrischen Maschine 6 und der Leistungselektronik 20 sind vorteilhaft in das Modul 18; 28 integriert.
In den Figuren 3 und 4 erfolgt die Kühlung der Leistungselektronik 20 unabhängig von dem Kühlmediumkreislauf 14, an den der Gaswärmetauscher 7 angeschlossen ist. Das Kühlmedium zum Kühlen der Leistungselektronik 20 wird dem Modul 18 über eine Kühlmediumzuführung 23 zugeführt und über eine Kühlmediumabführung 24 abgeführt.
In den Figuren 3 und 4 wird der Gaswärmetauscher 7 und die Leistungselektronik 20 über separate Kühlkreisläufe gekühlt. Das liefert unter anderem den Vorteil, dass die Kühlkreise mit unterschiedlichen Temperaturniveaus und mit unterschiedlichen Kühlmedien betrieben werden können.
Bei dem in den Figuren 5 und 6 gezeigten Ausführungsbeispiel sind der Gaswärmetauscher 7 und die Leistungselektronik 20 an einen gemeinsamen Kühlmediumkreislauf 30 angeschlossen. Das Kühlmedium für die Leistungselektronik 20 und den Gaswärmetauscher 7 wird über eine gemeinsame Kühlmediumzuführung 31 zugeführt und über eine gemeinsame Kühlmediumabführung 32 abgeführt.
In den Figuren 7 bis 9 ist gezeigt, dass die Gaszuführvorrichtung 5, die in dem Modul 15 in dem gemeinsamen Gehäuse 16 mit dem Gaswärmetauscher 7 kombiniert ist, ganz unterschiedlich ausgeführt sein kann.
In Figur 7 umfasst die Gaszuführvorrichtung 5 nur die Verdichterstufe 12, die antriebsmäßig mit der elektrischen Maschine 6 verbunden ist. Die Gaszuführvorrichtung 5 umfasst in Figur 7 keine Expanderstufe.
In Figur 8 umfasst die Gaszuführvorrichtung 5 zwei Verdichterstufen 34, 35, die antriebsmäßig mit der dazwischen angeordneten elektrischen Maschine 6 verbunden sind. Die Zuluft 3 wird zunächst in der Verdichterstufe 34 und danach in der Verdichterstufe 35 verdichtet. Die zweifach verdichtete Zuluft wird dann in dem Gaswärmetauscher 7 abgekühlt und über die Gasverbindung 11 dem Brennstoffzellenstack 2 zugeführt.
In Figur 9 umfasst die Gaszuführvorrichtung 5 zwei Verdichterstufen 37, 38 und eine Expanderstufe 39. Die Expanderstufe 39 wird, wie bei den Ausführungsbeispielen der Figuren 1 bis 6, mit dem Abgas 4 des Brennstoffzellenstacks 2 angetrieben. Die über die beiden Verdichterstufen 37, 38 zweifach verdichtete Zuluft wird in dem Gaswärmetauscher 7 abgekühlt und über die Gasverbindung 11 dem Brennstoffzellenstack 2 zugeführt.
In den Figuren 10 bis 13 sind weitere Ausführungsbeispiele des Brennstoffzellensystems 1 dargestellt. Zur Bezeichnung gleicher oder ähnlicher Teile werden in den Figuren 3 und 10 bis 13 die gleichen Bezugszeichen verwendet. Um Wiederholungen zu vermeiden, wird auf die vorangegangene Beschreibung der Figur 3 verwiesen.
In Figur 10 ist veranschaulicht, wie die elektrische Maschine 6, die Leistungselektronik 20 und der Gaswärmetauscher 7 gekühlt werden. Der Leistungselektronik 20 mit dem Inverter 21 ist eine Kühlung 40 zugeordnet, die mit einer Kühlung 41 der elektrischen Maschine 6 kombiniert ist. Da die elektrische Maschine 6 zum Antreiben der Gaszuführvorrichtung 5 als Motor betrieben wird, wird die Kühlung 41 auch als Motorkühlung 41 bezeichnet.
Die Motorkühlung 41 ist über einen Kühlmediumkanal 42 fluidisch mit der Kühlung 40 der Leistungselektronik 20 verbunden. Die Motorkühlung 41 umfasst eine Ringkanalanordnung 43 mit ringförmig angeordneten Kühlmediumkanälen, die sich zum Beispiel um einen Stator der elektrischen Maschine 6 herum erstrecken.
Durch Pfeile ist in Figur 10 angedeutet, wie ein flüssiges Kühlmedium, wie Wasser mit geeigneten Zusätzen, von einer Kühlmediumzuführung 23 über die Kühlung 40 durch den Kühlmediumkanal 42 und durch die Ringkanalanordnung 43 der Motorkühlung 41 bis zu einer Kühlmediumabführung 44 gelangt. Die Kühlung 40 und die Kühlung 41 sind vorteilhaft in denselben Kühlkreislauf eingebunden. ln den anderen Ausführungsbeispielen, die in den Figuren 1 bis 9 und 11 bis 13 dargestellt sind, ist die Motorkühlung 41 zur Vereinfachung der Darstellung nicht eingezeichnet. Üblicherweise ist die Motorkühlung 41 aber auch in diesen Ausführungsbeispielen vorhanden, um einen störungsfreien Betrieb der elektrischen Maschine 6 im Betrieb als Motor zum Antreiben der Gaszuführvorrichtung 5, insbesondere mit der Verdichterstufe 12, sicherzustellen.
Der Gaswärmetauscher 7 ist mit einer Temperierung/Kühlung 45 unabhängig von der Kühlung 40 der Leistungselektronik 20 und der Kühlung 41 der elektrischen Maschine 6. Dadurch ist es möglich, dass die Kühlung/Temperierung 45 des Gaswärmetauschers 7 mit einem anderen Kühlmedium betrieben wird, zum Beispiel mit deionisiertem Wasser. Das deionisierte Wasser wird zum Beispiel über die Kühlmediumzuführung 8 zugeführt und über die Kühlmediumabführung 9 abgeführt. In dem Gaswärmetauscher 7 ist das flüssige Kühlmedium, insbesondere das deionisierte Wasser von dem zu temperierenden verdichteten Gas, insbesondere der verdichteten Luft, die dem Brennstoffzellenstack 2 zugeführt wird, separiert.
Anders als in Figur 10 dargestellt, wäre es auch möglich, die Kühlung/Temperierung 45 mit Hilfe einer nicht dargestellten Verschlauchung mit der Kühlung 40 zu kombinieren. So könnte zum Beispiel ein Kühlmediumschlauch die Kühlmediumabführung 9 mit der Kühlmediumzuführung 23 verbinden. In den Figuren 5 und 6 ist gezeigt, dass die Leistungselektronik 20 und der Gaswärmetauscher 7 auch einen gemeinsamen Kühlkreislauf umfassen können, der in das Modul 28 integriert ist.
In den Figuren 11 und 12 ist ein Ausführungsbeispiel des Brennstoffzellensystems 1 mit Teilmodulen 48, 49 dargestellt, die in einem Modul 50 zusammengefasst sind. Eine erste Funktionseinheit 51 umfasst einen elektrisch angetriebenen Luftverdichter 46. Der elektrisch angetriebene Luftverdichter 46 wiederum umfasst die Gaszuführvorrichtung 5 mit der elektrischen Maschine 6 und der Expanderstufe 13. Eine zweite Funktionseinheit 52 umfasst die Leistungselektronik 20 mit dem Inverter 21. Eine dritte Funktionseinheit 53 umfasst den Gaswärmetauscher 7. Auf die Kühlung der Funktionseinheiten 51 bis 53 wird an dieser Stelle nicht eingegangen.
Das Brennstoffzellensystem 1 umfasst eine Tragstruktur 54 mit Tragstrukturelementen 55, 56. Die drei Funktionseinheiten 51 bis 53 sind an Modulträgerbauteilen 57, 58 angebracht. Zur Befestigung der Funktionseinheiten 51 bis 53 an den Modulträgerbauteilen 57, 58 dienen insgesamt sechzehn Verbindungselemente 63. Bei den Verbindungselementen 63 handelt es sich zum Beispiel um geeignete Befestigungsmittel, wie Schrauben, die vorteilhaft zur Schwingungsdämpfung beziehungsweise Geräuschreduzierung mit elastischen Elementen, wie Gummipuffern, kombiniert sein können.
An dem Modulträgerbauteil 57 sind die in Figur 11 oberen Bereiche der ersten Funktionseinheit 51 und der zweiten Funktionseinheit 52 angebracht. An dem Modulträgerbauteil 58 sind in Figur 11 untere Bereiche der ersten Funktionseinheit 51 und der zweiten Funktionseinheit 52 angebracht. Darüber hinaus ist die dritte Funktionseinheit 53 an dem Modulträgerbauteil 58 angebracht.
Das in Figur 11 obere Modulträgerbauteil 57 ist mit Hilfe zweier Verbindungselemente 59, 60 an dem Tragstrukturelement 55 angebracht. Das in Figur 11 untere Modulträgerbauteil 58 ist mit Hilfe von Verbindungselementen 61, 62 an dem Tragstrukturelement 56 angebracht.
Bei dem in Figur 13 dargestellten Ausführungsbeispiel des Brennstoffzellensystems 1 umfasst ein Modul 70 eine erste Funktionseinheit 71, eine zweite Funktionseinheit 72 und eine dritte Funktionseinheit 73. Die erste Funktionseinheit 71 umfasst die Gaszuführvorrichtung 5 mit der elektrischen Maschine 6 und der Expanderstufe 13. Die zweite Funktionseinheit 72 umfasst die Leistungselektronik 20 mit dem Inverter 21. Die dritte Funktionseinheit 73 umfasst den Gaswärmetauscher 7. Die erste Funktionseinheit 71 ist mit Hilfe von Verbindungselementen 75, 76 an der zweiten Funktionseinheit 72 befestigt. Daraus ergibt sich eine Montageeinheit 68. Die dritte Funktionseinheit 73 ist mit Hilfe von Verbindungselementen 77, 78 an der zweiten Funktionseinheit 72 befestigt. Daraus ergibt sich eine Montageeinheit 69. In der Montageeinheit 69 sind die drei Funktionseinheiten 71 bis 73 fest miteinander verbunden.
Die Montageeinheit 68 ist mit Hilfe von Verbindungselementen 81, 82 an einem Tragstrukturelement 65 einer Tragstruktur 64 des Brennstoffzellensystems 1 befestigt. Die Montageeinheit 69 ist mit Hilfe von Verbindungselementen 83, 84 an einem Tragstrukturelement 66 der Tragstruktur 64 des Brennstoffzellensystems 1 befestigt.
Die Montageeinheiten 68 und 69 stellen gemeinsam das Modul 70 dar. Die Verbindungselemente 81 bis 84 zur Befestigung des Moduls 70 an der
Tragstruktur 64 erstrecken sich alle vier durch die zweite Funktionseinheit 72.

Claims

Ansprüche
1. Gaszuführvorrichtung (5), insbesondere für ein Brennstoffzellensystem (1), dadurch gekennzeichnet, dass die Gaszuführvorrichtung (5) in einem Modul (15;18;28) mit einem Gaswärmetauscher (7) angeordnet ist.
2. Gaszuführvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kühlmediumkreislauf (14) an den Gaswärmetauscher (7) angeschlossen ist.
3. Gaszuführvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Modul (18;28) eine mit einer Kühlung (40) versehene Leistungselektronik (20) und eine mit einer Kühlung (41) versehene elektrische Maschine (6) angeordnet ist, die antriebsmäßig mit der Gaszuführvorrichtung (5) verbunden ist.
4. Gaszuführvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlung (40) der Leistungselektronik (20) und die Kühlung (41) der elektrischen Maschine (6) kombiniert sind.
5. Gaszuführvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlung (40) der Leistungselektronik (20) mit dem Gaswärmetauscher (7) kombiniert ist.
6. Gaszuführvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlung (40) der Leistungselektronik (20) unabhängig von dem Gaswärmetauscher (7) ist.
7. Gaszuführvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Modul (18) mindestens eine erste Funktionseinheit (51) mit der Gaszuführvorrichtung (5) und mit der elektrischen Maschine (6), eine zweite Funktionseinheit (52) mit der Leistungselektronik (20) und eine dritte Funktionseinheit (53) mit dem Gaswärmetauscher (7) umfasst, wobei das Modul (18) mit den Funktionseinheiten (51,52,53) an einer Tragstruktur (64) angebracht ist.
8. Gaszuführvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei der Funktionseinheiten (51,52,53) an mindestens einem Modulträgerbauteil (57,58) angebracht sind, um ein Teilmodul (48,49) darzustellen. Gaszuführvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Teilmodul (48,49) mit dem Modulträgerbauteil (57,58) an der Tragstruktur (64) angebracht ist. Gaszuführvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei der Funktionseinheiten (71,72,73) durch
Verbindungselemente (75-78) miteinander verbunden sind, um eine Montageeinheit (86,69) darzustellen, die an der Tragstruktur (64) des Brennstoffzellensystems (1) angebracht ist.
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