WO2024033042A2 - Brennstoffzellensystem und fahrzeug, insbesondere nutzfahrzeug - Google Patents

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WO2024033042A2
WO2024033042A2 PCT/EP2023/070122 EP2023070122W WO2024033042A2 WO 2024033042 A2 WO2024033042 A2 WO 2024033042A2 EP 2023070122 W EP2023070122 W EP 2023070122W WO 2024033042 A2 WO2024033042 A2 WO 2024033042A2
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WO
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fuel cell
expander
compressor
cell system
flow
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PCT/EP2023/070122
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WO2024033042A3 (de
Inventor
Janik RICKE
Original Assignee
Zf Cv Systems Global Gmbh
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Publication date
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D13/00—Combinations of two or more machines or engines
    • F01D13/02—Working-fluid interconnection of machines or engines
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
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    • B60L50/50—Electric propulsion with power supplied within the vehicle using propulsion power supplied by batteries or fuel cells
    • B60L50/70—Electric propulsion with power supplied within the vehicle using propulsion power supplied by batteries or fuel cells using power supplied by fuel cells
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    • H—ELECTRICITY
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    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
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    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
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    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
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    • B60L—PROPULSION OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; SUPPLYING ELECTRIC POWER FOR AUXILIARY EQUIPMENT OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRODYNAMIC BRAKE SYSTEMS FOR VEHICLES IN GENERAL; MAGNETIC SUSPENSION OR LEVITATION FOR VEHICLES; MONITORING OPERATING VARIABLES OF ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES; ELECTRIC SAFETY DEVICES FOR ELECTRICALLY-PROPELLED VEHICLES
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    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
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    • F01D15/10—Adaptations for driving, or combinations with, electric generators
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
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    • H—ELECTRICITY
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    • H01M2250/00—Fuel cells for particular applications; Specific features of fuel cell system
    • H01M2250/20—Fuel cells in motive systems, e.g. vehicle, ship, plane

Definitions

  • Fuel cell system and vehicle especially commercial vehicle
  • the invention relates to a fuel cell system for a vehicle, in particular a commercial vehicle, comprising a fuel cell arrangement with a cathode-side fuel cell input and a cathode-side fuel cell output; a compressor which is fluidly connected to the fuel cell inlet for air supply; and an expander for recovering electrical energy from an exhaust gas stream of the fuel cell arrangement, the expander being fluidly connected to the fuel cell outlet.
  • Fuel cell systems are well known.
  • the compressor is used to draw in, compress and supply air to the cathode-side fuel cell input of the fuel cell to carry out the fuel cell reaction.
  • the compressed mixture of substances passes through the stack or stacks of the fuel cell arrangement.
  • the mixture of substances remaining after the reaction exits again as a gaseous fluid stream on the cathode side from the fuel cell outlet of the fuel cell arrangement.
  • This fluid flow usually still has an excess pressure compared to the surroundings and is therefore used in most fuel cell systems to influence the reactant balance in the fuel cell arrangement as a dynamic pressure and/or to drive an expander shaft of the expander.
  • the mixture of substances emerging on the outlet side can be expanded to ambient pressure, and the energy delivered to the expander shaft is usually converted into electrical energy when the expander is connected to a generator.
  • DE 10 2022 112 099.6 which had not yet been published on the filing date, describes a fuel cell system, in particular a fuel cell system for a commercial vehicle, with a number of fuel cells, a number of separate compressors which are connected to the number of fuel cells on the input side in a fluid-conducting manner for air supply, and a number of expanders which are fluidly connected on the output side to the number of fuel cells, and which are mechanically decoupled from the compressors, for recovering electrical energy from an exhaust gas stream of the number of fuel cells.
  • the invention is therefore based on the object of enriching the prior art and providing an improved fuel cell system.
  • the task can be to effectively avoid the occurrence of high axial forces and at the same time enable suitable pressure conditions.
  • a fuel cell system for a vehicle in particular a commercial vehicle
  • the fuel cell system includes a fuel cell arrangement with a cathode-side fuel cell input and a cathode-side fuel cell output; a compressor which is fluidly connected to the fuel cell inlet for air supply; and an expander for recovering electrical energy from an exhaust gas stream of the fuel cell arrangement, the expander being fluidly connected to the fuel cell outlet; where the expander is a multi-flow or multi-flow expander.
  • the vehicle in particular a commercial vehicle, is referred to below as a vehicle.
  • the vehicle is a fuel cell vehicle to which electrical energy can be provided by the fuel cell system, for example for an on-board electrical system and/or a drive of the vehicle.
  • the fuel cell arrangement comprises one or more fuel cells which are fluidly connected to the compressor via the cathode-side fuel cell inlet. This means that the fuel cell arrangement or one or more fuel cells can be supplied with compressed air provided by the compressor.
  • the one or more fuel cells are fluidly connected to the expander via the cathode-side fuel cell outlet, with the fuel cell arrangement applying the exhaust gas flow to the expander via the fuel cell outlet.
  • the expander is a multi-flow expander.
  • the expander has a plurality of expander wheels and an expander shaft, the expander wheels being connected to one another in a rotationally fixed manner via the expander shaft.
  • Multi-flow means that the expander wheels are arranged on the expander shaft in such a way that not all of the expander wheels are pneumatically connected to one another for relaxing or expanding the air, but at least two expander wheels are pneumatically separated from one another.
  • the expander wheels are at least partially connected in parallel to one another and thus form stages that are also connected in parallel to one another and are not connected in series, ie not in series with one another.
  • the stages would have to be coordinated with one another aerodynamically and with regard to the axial forces that occur, which can be omitted with a multi-stage expander.
  • This allows a more targeted and independent design of the stages for operation in the fuel cell system. This contributes to improving the efficiency of the expander.
  • the multi-flow expander enables an increase in effectiveness in production through economies of scale through the common parts approach, since the stages at least partially correspond to one another and, for example, the compressor wheels, bearings and / or housing elements can be designed in the same way.
  • the expander preferably has two stages and two pneumatically separated flow sections, with each of the flow sections being assigned a stage.
  • the expander is at least a double-flow expander.
  • the flow sections are connected parallel to one another and are therefore separate from one another.
  • the pneumatic separation of the flow sections and/or stages means that air flowing through one of the flow sections or one of the stages does not flow through another of the flow sections or one of the other stages.
  • the expander preferably has an expander rotor with two expander wheels, the expander wheels being similar to one another.
  • the similarity of the expander wheels leads to a simplification of the design, construction and production of the expander and to the fact that axial forces are effectively compensated. This compensates for the effect caused by one of the expander wheels during rotation Axial force is the axial force acting through the other of the expander wheels during rotation.
  • the expander wheels have symmetry, i.e. they are mirrored.
  • One of the expander wheels can be referred to as clockwise and a similar expander wheel as left-handed.
  • the expander wheels are identical in terms of their dimensions, an angular position of the expander wings and their mass.
  • the expander can also have two volutes, which are also similar.
  • the fuel cell arrangement preferably has a first fuel cell with a first cathode-side output section and a second fuel cell with a second cathode-side output section, and the expander is fluidly connected to the first output section and to the second output section.
  • the fuel cell output of the fuel cell arrangement has the two output sections, each of the output sections opening into the expander. This means that only one expander is required in order to be able to recover energy from the exhaust gas stream of the two fuel cells.
  • the expander has a first flow section with a first expander inlet and a second flow section pneumatically separated from the first flow section with a second expander inlet, and the first expander inlet is fluidly connected to the first outlet section and the second expander inlet is fluidly connected to the second outlet section.
  • the fuel cell system preferably has a valve and a line branch that can be controlled by the valve for the fluid-conducting connection of the first expander inlet to the second outlet section.
  • the valve and the line branch can be viewed as a bypass. This makes it possible to direct the exhaust gas flow from both fuel cells to the first expander inlet when air is directed from the second output section of the second fuel cell via the line branch to the first expander inlet. This means that only one stage of the expander can be operated with an exhaust gas stream from several fuel cells For example, the fuel cell system has more fuel cells than expander stages.
  • the expander preferably has two expander inputs, and the fuel cell arrangement has a plurality of fuel cells, and at least one of the expander inputs is fluidly connected to two fuel cells. This means that only one stage of the expander can be operated with an exhaust gas stream from several fuel cells if, for example, the fuel cell system has more fuel cells than expander stages. This is particularly advantageous for fuel cells that can be operated at low pressure and/or for comparatively large fuel cells in the area of rail-bound land vehicles and watercraft.
  • the expander preferably has two expander inputs, and the fuel cell arrangement has a fuel cell, the fuel cell being fluidly connected to the expander via both of the expander inputs.
  • the fuel cell arrangement can also have only a single fuel cell, which, for example, applies an exhaust gas stream at a high pressure to the expander.
  • the fuel cell system preferably has two compressors, each of the compressors having two compressor outputs and two compressor inputs, one of the compressor outputs being fluidly connected to one of the compressor inputs, and another one of the compressor outputs being fluidly connected to one of the fuel cells.
  • This means that the two fuel cells are each supplied with air pressure using a multi-stage compressor. Several stages per compressor are connected in series. This makes it possible to achieve higher pressures, which can significantly increase the efficiency of the fuel cell.
  • the exhaust gas flow from the respective fuel cells is directed to the expander via one of the expander inlets.
  • the compressor preferably has two compressor outputs which are connected in a fluid-conducting manner to the cathode-side fuel cell inlet.
  • the compressor outputs can be connected via the fuel cell input on the cathode side or several fuel cells can be connected in a fluid-conducting manner.
  • a fluid-conducting connection between one of the compressor outputs and the fuel cell input enables the compressor to apply air pressure to more than two fuel cells. This allows for further branching of the air pressure.
  • the compressor preferably has two compressor outputs and two compressor inputs, one of the compressor outputs being fluidly connected to one of the compressor inputs.
  • the compressors are therefore multi-stage compressors, because the compressor stages into which the compressor inlet opens are connected in series with the other compressor stage. This makes it possible to provide an advantageous pressure for operating the fuel cell. This means that the fuel cell arrangement can be pressurized with air under high pressure.
  • the expander can be connected and/or connected to expander power electronics for recovering electrical energy.
  • the expander power electronics can therefore be included in the fuel cell system or be external.
  • the expander is set up to drive a generator that generates electrical energy, which is converted by the expander power electronics for further use and/or feeding into an on-board electrical system.
  • the expander power electronics is arranged separately from a compressor power electronics and/or from a fuel cell power electronics.
  • the expander power electronics can be a separate component, for example in order to be able to be designed and arranged in a targeted manner. This makes it possible to improve the efficiency and/or cooling of the expander power electronics.
  • the expander power electronics is comprised of compressor power electronics and/or fuel cell power electronics in order to be able to provide multifunctional electronic devices. This allows the production and/or assembly of the expander power electronics to be simplified.
  • the fuel cell power electronics can include a DC-DC converter or a DC/DC converter.
  • the compressor is preferably a multi-stage and/or multi-flow compressor. This makes it possible to effectively connect one or more fuel cells to the compressor in a fluid-conducting manner.
  • the expander is mechanically decoupled from the compressor.
  • the mechanical separation of compressor and expander offers design and efficiency advantages over conventional, rigid connections between compressor and expander. It was recognized that expanders and compressors can each have their optimal operating point at significantly different speed levels. Furthermore, the mechanical separation of compressor and expander enables different system architectures to be provided if, in addition to the mechanical separation between compressor and expander, the forced numerical assignment between compressor and expander is also removed.
  • a vehicle in particular a commercial vehicle, comprising the fuel cell system described above.
  • the vehicle in particular a commercial vehicle, can be, for example, a land vehicle for transporting people and/or goods.
  • the compressor can be a double-flow compressor in order to meet the requirements for installation space for the compressor and costs.
  • the vehicle, in particular a commercial vehicle can also be a watercraft, in particular a ship, for example a cargo ship.
  • the compressor can also be a multi-flow compressor, for example four-flow, six-flow, etc., with several stages in order to be able to set appropriate pressure conditions and apply air pressure to a number of fuel cells.
  • 1 shows a schematic representation of a vehicle, in particular a commercial vehicle, according to an embodiment of the invention
  • 2 shows a schematic representation of a fuel cell system according to an embodiment of the invention
  • FIG. 3 shows a schematic representation of a fuel cell system according to a further embodiment of the invention.
  • FIG. 4 shows a schematic representation of a fuel cell system according to a further embodiment of the invention.
  • FIG. 5 shows a schematic representation of a fuel cell system according to a further embodiment of the invention.
  • FIG. 6 shows a schematic representation of a fuel cell system according to a further embodiment of the invention.
  • FIG. 7 shows a schematic representation of a fuel cell system according to a further embodiment of the invention.
  • Figure 1 shows a schematic representation of a vehicle 200a, in particular commercial vehicle 200b, according to an embodiment of the invention.
  • the vehicle 200a in particular commercial vehicle 200b, is referred to below as vehicle 200a, 200b.
  • vehicle 200a, 200b is, for example, a land vehicle or a watercraft.
  • the vehicle 200a, 200b has a fuel cell system 100, an energy storage device 110 and an electric drive 130.
  • the fuel cell system 100 is set up to provide electrical energy 65 to the energy storage device 110.
  • the energy storage device 110 is, for example, a rechargeable energy storage device 110 and serves as a backup battery for buffering electrical energy 65.
  • the energy storage device 110 is connected to the electric drive 130 to supply the electric drive 130 with electrical energy 65 so that the electric drive 110 drives the vehicle 200a, 200b can drive.
  • the fuel cell system 100 is connected to the electric drive 130 for the direct provision of electrical energy 65.
  • FIG. 1 The fuel cell system 100 is described in detail with reference to Figures 2 to 6.
  • Figure 2 shows a schematic representation of a fuel cell system 100 according to an embodiment of the invention.
  • the fuel cell system 100 is designed to be used in a vehicle 200a, 200b as described with reference to FIG. 1.
  • the fuel cell system 100 comprises a fuel cell arrangement 10 with a cathode-side fuel cell input 11 and a cathode-side fuel cell output 13.
  • the fuel cell arrangement 10 is indicated schematically by a dotted line.
  • the fuel cell arrangement 10 includes a first fuel cell 16a and a second fuel cell 16b.
  • the first fuel cell 16a has a cathode-side first input section 17a and a cathode-side first output section 18a.
  • the second fuel cell 16b has a cathode-side second input section 17b and a cathode-side second output section 18b.
  • the fuel cell input 11 thus includes the first input section 17a and the second input section 17b.
  • the fuel cell output 13 includes the first output section 18a and the second output section 18b.
  • the fuel cell system 100 includes a compressor 20.
  • the compressor 20 is a multi-flow compressor 20.
  • the compressor 20 has two stages 21a, 21b and two pneumatically separated flow sections 22a, 22b.
  • a stage 21a, 21b is assigned to each of the flow sections 22a, 22b.
  • the compressor has two compressor inlets 26a, 26b for arranging one or two air filters (not shown). An air flow is directed via the compressor inlets 26a, 26b into the compressor 20 or to the stages 21a, 21b in the two separate flow sections 22a, 22b.
  • the compressor 20 comprises a compressor rotor 23 with two compressor wheels 24a, 24b and a compressor shaft 25.
  • the compressor wheels 24a, 24b are arranged on the compressor shaft 25 in a rotationally fixed manner.
  • the compressor wheels 24a, 24b are thus at the same rotational speed and at the same speed as the compressor shaft 25 Direction of rotation can be rotated.
  • the compressor wheels 24a, 24b are arranged symmetrically on the compressor shaft 25, that is, respective inlets of the compressor wheels 24a, 24b at the compressor inlet 26 face away from one another and rear sides of the compressor wheels 24a, 24b face each other.
  • the compressor 20 has a compressor housing 28.
  • the compressor rotor 23 or the compressor wheels 24a, 24b are arranged within the compressor housing 28. So that the flow sections 22a, 22b or the stages 21a, 21b are separated from one another, the compressor 20 has wall sections 29a, 29b between the compressor wheels 24a, 24b.
  • the wall sections 29a, 29b have a recess and/or through opening (not shown) through which the compressor shaft 25 extends. This means that air that flows through one of the flow sections 22a or one of the stages 21a cannot flow through the other flow section 22b or the other stage 21b.
  • the flow sections 22a, 22b are physically separated from one another by the wall sections 29a, 29b.
  • the compressor wheels 24a, 24b are similar to one another. In other words, the compressor wheels 24a, 24b have symmetry. Due to the symmetry, the two compressor wheels 24a, 24b achieve an identical compression ratio and an identical mass flow, have an identical mass and can be manufactured in the same way.
  • the symmetry of the compressor wheels 24a, 24b means that the compressor wheels 24a, 24b have mirrored blades and a mirrored ring (not shown).
  • the compressor wheels 24a, 24b thus have a left-handed and a right-handed compressor wheel 24a, 24b.
  • the compressor wheels 24a, 24b By rotating the compressor wheels 24a, 24b in the same direction, the compressor wheels 24a, 24b produce clockwise and counterclockwise rotation due to the symmetrical arrangement of the compressor wheels 24a, 24b with the backs of the compressor wheels 24a, 24b facing each other, the entrances of the compressor wheels 24a, 24b facing away from each other One of the compressor wheels 24a, 24b each compresses air entering the flow inlet 26.
  • the compressor 20 has a first flow section 22a with a first compressor outlet 27a and one of the first flow section 22a pneumatically separate second flow section 22b with a second compressor outlet 27b. Due to the physical separation of the flow sections 22a, 22b, the compressor outlets 27a, 27b are separated from one another.
  • the compressor 20 is fluidly connected to the fuel cell inlet 11 for air supply. More specifically, the compressor 20 is fluidly connected to the first input section 17a of the first fuel cell 16a and to the second input section 17b of the second fuel cell 16b.
  • the first compressor output 27a is fluidly connected to the first input section 17a and the second compressor output 27b is fluidly connected to the second input section 17a.
  • the fluid-conducting connections include, for example, pipes and/or hoses.
  • the fuel cell system 100 includes an expander 30 for recovering electrical energy 65 from an exhaust gas stream 15 of the fuel cell arrangement 10, the expander 30 being fluidly connected to the fuel cell outlet 13. More specifically, the expander 30 is fluidly connected to the first fuel cell 16a via the first output section 18a and to the second fuel cell 16b via the second output section 18b. The exhaust gas stream 15 is directed from each of the fuel cells 16a, 16b to the expander 30.
  • the Expander 30 is a multi-stage and multi-flow Expander 30.
  • the expander 30 has two stages 31a, 31b and two pneumatically separated flow sections 32a, 32b. Each of the flow sections 32a, 32b is assigned a stage 31a, 31b.
  • the expander 30 has two expander inputs 36a, 36b.
  • the expander inputs 36a, 36b are separate from each other and physically separated. Air can flow into one of the flow sections 32a or into one of the stages 31a through a first expander inlet 36a and air can flow into another of the flow sections 32a or into another of the stages 31a through a second expander inlet 36b.
  • the first output section 18a is fluidly connected to the first expander inlet 36a.
  • the second output section is 18b connected in a fluid-conducting manner to the second expander inlet 36b.
  • a water separator (not shown) for separating water from the exhaust gas stream 15 can be installed at each of the expander inlets 36a, 36b.
  • the expander 30 comprises an expander rotor 33 with two expander wheels 34a, 34b and an expander shaft 35.
  • the expander wheels 34a, 34b are arranged on the expander shaft 35 in a rotationally fixed manner.
  • the expander wheels 34a, 34b can thus be rotated with the expander shaft 35 at the same rotational speed and in the same direction of rotation.
  • the expander wheels 34a, 34b are arranged symmetrically on the expander shaft 35, i.e., respective outputs 37a, 37b of the expander wheels 34a, 34b at the expander inputs 36a, 36b face away from each other and back sides of the expander wheels 34a, 34b face each other.
  • the expander 30 has an expander housing 38.
  • the expander rotor 33 or the expander wheels 34a, 34b are arranged within the expander housing 38. So that the flow sections 32a, 32b or the stages 31a, 31b are separated from one another, the expander 30 has wall sections 39a, 39b between the expander wheels 34a, 34b.
  • the wall sections 39a, 39b have a recess and/or through opening (not shown) through which the expander shaft 35 extends. This means that air that flows through one of the flow sections 32a or one of the stages 31a cannot flow through the other flow section 32b or the other stage 31b.
  • the flow sections 32a, 32b are physically separated from one another by the wall sections 39a, 39b.
  • the expander wheels 34a, 34b are similar to one another. In other words, the expander wheels 34a, 34b have symmetry. Due to the symmetry, the two expander wheels 34a, 34b achieve an identical compression ratio, have an identical mass and can be manufactured in the same way.
  • the symmetry of the expander wheels 34a, 34b means that the expander wheels 34a, 34b have mirrored blades and a mirrored rim (not shown). The expander wheels 34a, 34b thus have a left-handed and a right-handed expander wheel 34a, 34b.
  • the expander wheels 34a, 34b By rotating the expander wheels 34a, 34b in the same direction, the expander wheels 34a, 34b produce the symmetrical arrangement of the Expander wheels 34a, 34b with the mutually facing backs of the expander wheels 34a, 34b, the entrances of the expander wheels 34a, 34b facing away from each other and the clockwise or counterclockwise rotation of one of the expander wheels 34a, 34b in each case a relaxation or expansion of the flow inlet 36a, 36b entering Air.
  • the expander 30 has a first flow section 32a with a first expander outlet 37a and a second flow section 32b, pneumatically separated from the first flow section 32a, with a second expander outlet 37b. Due to the physical separation of the flow sections 32a, 32b, the expander outlets 37a, 37b are separated from one another.
  • the expander 30 is mechanically decoupled from the compressor 20.
  • the expander 30 and the compressor 20 are separate components of the fuel cell system 100.
  • the expander 30 and the compressor 20 have different and independently rotatable rotors 23, 33.
  • the expander 30 is connected to a generator (not shown) and expander power electronics 60 to recover electrical energy 65.
  • the generator is arranged in the middle of the expander 30. Ie the expander rotor 33 is surrounded by a stator (not shown). A rotational movement of the expander rotor 33 induces a voltage in the stator.
  • the expander power electronics 60 is separate from a compressor power electronics 61 and from a fuel cell power electronics 62.
  • the compressor power electronics 61 is set up to drive the compressor 20 via an inverter (not shown) by applying electrical energy 65.
  • the inverter is arranged centrally in the compressor 20. Ie the compressor rotor 23 is enclosed by a stator (not shown).
  • the fuel cell power electronics 62 is set up to tap electrical energy 65 from the fuel cell arrangement 10 and to provide it to an on-board electrical system (not shown), a buffer battery (not shown) and/or compressor power electronics 61. So that the fuel cell arrangement 10 provides electrical energy 65 to the buffer battery can, the fuel cell arrangement 10 can be connected via a DC-DC converter, not shown.
  • Figure 3 shows a schematic representation of a fuel cell system 100 according to a further embodiment of the invention. Figure 3 is described with reference to Figure 2 and its description.
  • the fuel cell arrangement 10 has a fuel cell 16.
  • the fuel cell input 11 thus has an input section 17.
  • the fuel cell output 13 has an output section 18.
  • the compressor 20 has two compressor outputs 27a, 27b, which are fluidly connected to the cathode-side fuel cell input 11.
  • fluid lines are set up to bring together compressed air from the compressor outlets 27a, 27b and to supply it to the fuel cell 16 via the fuel cell inlet 11 or the inlet section 16.
  • the fuel cell output 15 or the output section 18 of the fuel cell 16 is connected to the expander 30 in a fluid-conducting manner.
  • fluid lines are set up to divide the exhaust gas stream 15 from the outlet section 18 and to supply it proportionately to the expander inlets 36a, 36b.
  • Figure 4 shows a schematic representation of a fuel cell system 100 according to a further embodiment of the invention. Figure 4 is described with reference to Figure 3 and its description.
  • the compressor 20 is a single-flow, two-stage compressor 20.
  • the compressor 20 has two compressor outputs 27a, 27b and two compressor inputs 26a, 26b.
  • One of the compressor outputs 27a is fluidly connected to one of the compressor inputs 26b.
  • the flow sections 22a, 22b are thus connected in series and pneumatically connected to one another. Air enters the first flow section 22a or a first stage 21a via the first compressor inlet 26a and is passed as compressed air into the second flow section 22b via the first compressor outlet 27a and the second compressor inlet 26b or passed into the second stage 21 b.
  • the compressed air is directed to the inlet section 17 or the fuel cell inlet 11 via the second compressor outlet 27b.
  • Figure 5 shows a schematic representation of a fuel cell system 100 according to a further embodiment of the invention. Figure 5 is described with reference to Figure 2 and its description.
  • the fuel cell system 100 includes a valve 50 and a line branch 51 that can be controlled by the valve 50 for the fluid-conducting connection 52 of the first output section 18a with the second expander inlet 39b.
  • the valve 50 can be controlled by a control unit (not shown) together with the fuel cells 16a, 16b. If the first fuel cell 16a is not to be operated, the valve 50 can connect the first output section 18a to the second expander inlet 39b in a fluid-conducting manner and close the fluid-conducting connection between the first output section 18a and the first expander inlet 39a. This means that only the second fuel cell 16b or both fuel cells 16a, 16b can selectively apply the exhaust gas stream 15 to the expander 30.
  • Figure 6 shows a schematic representation of a fuel cell system 100 according to a further embodiment of the invention. Figure 6 is described with reference to Figure 2 and its description.
  • the compressor 20 is a single-flow, single-stage compressor 20.
  • the compressor 20 therefore has a compressor inlet 26.
  • the compressor 20 has a compressor rotor 23 with a compressor shaft 25 and a compressor wheel 24.
  • the compressor rotor 23 is rotatably mounted in a compressor housing 28 of the compressor 20.
  • the compressor housing 28 includes two wall sections 29a, 29b.
  • the compressor 20 has a flow section 22 in which air is directed from the compressor inlet 26 via the compressor stage 21 to a compressor outlet 27.
  • Figure 7 shows a schematic representation of a fuel cell system 100 according to a further embodiment of the invention.
  • Figure 7 is described with reference to Figures 2 and 4 and their description.
  • the fuel cell arrangement 10 comprises two fuel cells 16a, 16b as described with reference to FIG.
  • the fuel cell system 100 has two single-flow and two-stage compressors 20, 20 '.
  • Each of the compressors 20, 20' is a compressor 20, 20' as described with reference to Figure 4.
  • the compressor 20 has two compressor outputs 27a, 27b and two compressor inputs 26a, 26b.
  • One of the compressor outputs 27a is fluidly connected to one of the compressor inputs 26b.
  • the flow sections 22a, 22b are thus connected in series and pneumatically connected to one another. Air enters the first flow section 22a or a first stage 21a via the first compressor inlet 26a and is passed as compressed air via the first compressor outlet 27a and the second compressor inlet 26b into the second flow section 22b or into the second stage 21b.
  • the compressed air is directed to the second input section 17b or the fuel cell input 11 via the second compressor output 27b.
  • the compressor 20' has two compressor outputs 27a', 27b' and two compressor inputs 26a', 26b'.
  • One of the compressor outputs 27a' is fluidly connected to one of the compressor inputs 26b'.
  • the flow sections 22a', 22b' are thus connected in series and pneumatically connected to one another. Air enters the first flow section 22a' or a first stage 21a' via the first compressor inlet 26a' and is passed as compressed air via the first compressor outlet 27a' and the second compressor inlet 26b' into the second flow section 22b' or into the second stage 21 b' headed. The compressed air is directed to the first inlet section 17a or the fuel cell inlet 11 via the second compressor outlet 27b′.
  • the embodiment of the fuel cell system 100 according to FIG. 7 is advantageous because the architecture shown with the two single-flow and two-stage compressors 20, 20 'and the double-flow expander 30 is particularly effective Efficiency of the fuel cell system 100 is achieved while avoiding problems with the compressor 20, 20 'and / or the expander 30 due to high axial forces.
  • each of the embodiments may include one or more fuel cells 16, 16a, 16b.
  • a bypass can be provided and/or the compressor 20, 20' can be single-flow or multi-flow.

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Abstract

Brennstoffzellensystem (100) für ein Fahrzeug (200a), insbesondere Nutzfahrzeug (200b), umfassend eine Brennstoffzellenanordnung (10) mit einem kathodenseitigen Brennstoffzelleneingang (11) und einem kathodenseitigen Brennstoffzellenausgang (13); einen Verdichter (20, 20'), der zur Luftversorgung mit dem Brennstoffzelleneingang (11) fluidleitend verbunden ist; und einen Expander (30) zur Rückgewinnung elektrischer Energie (65) aus einem Abgasstrom (15) der Brennstoffzellenanordnung (10), wobei der Expander (30) mit dem Brennstoffzellenausgang (13) fluidleitend verbunden ist, wobei der Expander (30) ein mehrflutiger Expander (30) ist.

Description

Brennstoffzellensystem und Fahrzeug, insbesondere Nutzfahrzeuo
Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem für ein Fahrzeug, insbesondere Nutzfahrzeug, umfassend eine Brennstoffzellenanordnung mit einem kathodenseiti- gen Brennstoffzelleneingang und einem kathodenseitigen Brennstoffzellenausgang; einen Verdichter, der zur Luftversorgung mit dem Brennstoffzelleneingang fluidleitend verbunden ist; und einen Expander zur Rückgewinnung elektrischer Energie aus einem Abgasstrom der Brennstoffzellenanordnung, wobei der Expander mit dem Brennstoffzellenausgang fluidleitend verbunden ist.
Brennstoffzellensysteme sind allgemein bekannt. In diesen Brennstoffzellensystemen wird der Verdichter dazu benutzt, Luft anzusaugen, zu verdichten und dem kathodenseitigen Brennstoffzelleneingang der Brennstoffzelle zum Durchführen der Brennstoffzellenreaktion zuzuführen. Das verdichtete Stoffgemisch durchläuft den oder die Stacks der Brennstoffzellenanordnung. Das nach dem Abreagieren verbleibende Stoffgemisch tritt als gasförmiger Fluidstrom kathodenseitig aus dem Brennstoffzellenausgang der Brennstoffzellenanordnung wieder aus.
Dieser Fluidstrom weist üblicherweise noch einen Überdruck gegenüber der Umgebung auf und wird daher in den meisten Brennstoffzellensystemen dazu genutzt, als Staudruck die Reaktantenbalance in der Brennstoffzellenanordnung zu beeinflussen und/oder eine Expanderwelle des Expanders anzutreiben. Im Expander kann das auslassseitig austretende Stoffgemisch auf Umgebungsdruck entspannt werden, und die an die Expanderwelle abgegebene Energie wird üblicherweise in elektrische Energie umgewandelt, wenn der Expander mit einem Generator verbunden ist.
Es ist aus dem Stand der Technik bekannt, die vom Expander erzeugte elektrische Energie beispielsweise einem Bordnetz des Fahrzeugs zur Verfügung zu stellen und bisweilen auch, jene elektrische Energie dem Brennstoffzellensystem zugänglich zu machen. Je größer der Druck in der Abgasturbine beziehungsweise dem Expander des Brennstoffzellensystems wird, desto größer wird auch eine Axialkraft, welche auf einen Expanderrotor wirkt. Bislang sind Expander typischerweise mechanisch auf einer Welle mit dem Verdichter gekoppelt, was für eine Art Ausgleich der Axialkräfte sorgen kann.
Es gibt auch Lösungen, bei denen der Expander mechanisch entkoppelt vom Verdichter ist. Die Abgasturbine ist separat angeordnet und über die Pufferbatterie elektrisch mit dem Verdichter verbunden.
Die am Anmeldetag noch nicht veröffentlichte DE 10 2022 112 099.6 beschreibt ein Brennstoffzellensystem, insbesondere ein Brennstoffzellensystem für ein Nutzfahrzeug, mit einer Anzahl Brennstoffzellen, einer Anzahl separater Verdichter, die zur Luftversorgung fluidleitend eingangsseitig mit der Anzahl Brennstoffzellen verbunden sind, und einer Anzahl Expander, die fluidleitend ausgangseitig mit der Anzahl Brennstoffzellen verbunden sind, und die mechanisch von den Verdichtern entkoppelt sind, zur Rückgewinnung elektrischer Energie aus einem Abgasstrom der Anzahl Brennstoffzellen.
Da der Wirkungsgrad einer Brennstoffzelle mit steigendem Luftdruck ebenfalls ansteigt, gehen die Bestrebungen in Richtung höherer Stack-Drücke, also höherer eingangsseitiger Drücke und somit auch höherer ausgangsseitiger Drücke. Dies kann zu Axialkraftproblemen bei separat angeordneten Abgasturbinen beziehungsweise Expandern führen, wenn ein Betriebsdruck von beispielsweise 2,8 bar überstiegen wird. Besonders bei Brennstoffzellen mit einem Eingangsdruck von mehr als 3,6 bar, kann es bei Expandern zu Problemen durch Axialkräfte kommen. Die Brennstoffzelle reduziert den Druck am Brennstoffzellenausgang gegenüber dem Brennstoffzelleneingang um ca. 0,8 bar. Axialkräfte bei einem Druck von 2,8 bar sind mit einem einflutigen Expander noch durch Folienlagern beherrschbar. Bei einem Eingangsdruck von mehr als 3,6 bar können Probleme durch Axialkräfte auftreten.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, den Stand der Technik zu bereichern und eine verbessertes Brennstoffzellensystem bereitzustellen. Insbesondere kann die Aufgabe sein, das Aufkommen von hohen Axialkräften effektiv zu vermeiden und gleichzeitig geeignete Druckverhältnisse zu ermöglichen.
Die Aufgabe wird durch ein Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1 sowie den Gegenständen nach den weiteren unabhängigen Ansprüchen gelöst. Die Unteransprüche geben bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung an.
Gemäß der Erfindung wird ein Brennstoffzellensystem für ein Fahrzeug, insbesondere Nutzfahrzeug, vorgeschlagen. Das Brennstoffzellensystem umfasst eine Brennstoffzellenanordnung mit einem kathodenseitigen Brennstoffzelleneingang und einem kathodenseitigen Brennstoffzellenausgang; einen Verdichter, der zur Luftversorgung mit dem Brennstoffzelleneingang fluidleitend verbunden ist; und einen Expander zur Rückgewinnung elektrischer Energie aus einem Abgasstrom der Brennstoffzellenanordnung, wobei der Expander mit dem Brennstoffzellenausgang fluidleitend verbunden ist; wobei der Expander ein mehrflutiger beziehungsweise mehrströmiger Expander ist.
Das Fahrzeug, insbesondere Nutzfahrzeug, wird im Folgenden als Fahrzeug bezeichnet. Das Fahrzeug ist ein Brennstoffzellenfahrzeug, dem durch das Brennstoffzellensystem elektrische Energie beispielsweise für ein Bordnetz und/oder einen Antrieb des Fahrzeugs bereitgestellt werden kann.
Die Brennstoffzellenanordnung umfasst eine oder mehrere Brennstoffzellen, die über den kathodenseitigen Brennstoffzelleneingang mit dem Verdichter fluidleitend verbunden sind. Damit kann die Brennstoffzellenanordnung beziehungsweise können die eine oder mehrere Brennstoffzellen mit durch den Verdichter bereitgestellter komprimierter Luft beaufschlagt werden. Die eine oder mehrere Brennstoffzellen sind über den kathodenseitigen Brennstoffzellenausgang mit dem Expander fluidleitend verbunden, wobei die Brennstoffzellenanordnung über den Brennstoffzellenausgang den Expander mit dem Abgasstrom beaufschlagt.
Der Expander ist ein mehrflutiger Expander. Mit anderen Worten weist der Expander mehrere Expanderräder und eine Expanderwelle auf, wobei die Expanderräder über die Expanderwelle drehfest miteinander verbunden sind. Mehrflutig bedeutet dabei, dass die Expanderräder auf der Expanderwelle derart angeordnet sind, dass nicht alle der Expanderräder zum Entspannen beziehungsweise Expandieren der Luft pneumatisch miteinander verbunden sind, sondern wenigstens zwei Expanderräder pneumatisch voneinander getrennt sind. Mit anderen Worten sind die Expanderräder wenigstens teilweise parallel zueinander geschaltet und bilden somit Stufen, die auch parallel zueinander geschaltet und nicht seriell, d. h. nicht in Reihe zueinander, geschaltet sind.
Dabei wurde erkannt, dass eine vielfältigere aerodynamischen Auslegung der Expanderstufen möglich ist. Bei einem beispielsweise einflutigen und zweistufigen Expander müssten die Stufen aerodynamisch und in Hinblick auf auftretende Axialkräfte aufeinander abgestimmt sein, was bei einem mehrflutigen Expander entfallen kann. Dadurch kann eine gezieltere und unabhängigere Auslegung der Stufen auf den Betrieb mit in dem Brennstoffzellensystem erfolgen. Dies trägt zu einer Verbesserung des Wirkungsgrads des Expanders bei. Ferner ermöglicht der mehrflutige Expander in der Produktion eine Steigerung der Effektivität durch Skaleneffekte durch den Gleichteilansatz, da die Stufen wenigstens teilweise einander entsprechen und beispielsweise die Verdichterräder, Lager und/oder Gehäuseelemente gleichartig ausgebildet sein können.
Vorzugsweise weist der Expander zwei Stufen und zwei pneumatisch voneinander getrennte Strömungsabschnitte auf, wobei jedem der Strömungsabschnitte eine Stufe zugeordnet ist. Dabei ist der Expander mindestens ein zweiflutiger Expander. Die Strömungsabschnitte sind parallel zueinander geschaltet und somit separat voneinander. Die pneumatische Trennung der Strömungsabschnitte und/oder Stufen bedeutet, dass durch einen der Strömungsabschnitte beziehungsweise eine der Stufen strömende Luft nicht durch eine anderen der Strömungsabschnitte beziehungsweise eine der anderen der Stufen strömt.
Vorzugsweise weist der Expander einen Expanderrotor mit zwei Expanderrädern auf, wobei die Expanderrädern gleichartig zueinander sind. Die Gleichartigkeit der Expanderräder führt zu einer Vereinfachung der Auslegung, der Konstruktion und der Fertigung des Expanders und dazu, dass Axialkräfte effektiv kompensiert werden. Damit kompensiert die durch eines der Expanderräder bei einer Rotation wirkende Axialkraft die durch das andere der Expanderräder bei der Rotation wirkende Axialkraft. Dabei bedeutet gleichartig, dass die Expanderräder eine Symmetrie aufweisen, also gespiegelt sind. Dabei kann eines der Expanderräder als rechtsläufig und ein dem gleichartiges Expanderrad als linksläufig bezeichnet werden. Abgesehen von der Symmetrie, sind die Expanderräder von ihren Abmessungen, einer Winkelstellung der Expanderflügel und ihrer Masse identisch. Ebenfalls kann der Expander zwei Voluten aufweisen, die ebenfalls gleichartig sind.
Vorzugsweise weist die Brennstoffzellenanordnung eine erste Brennstoffzelle mit einem ersten kathodenseitigen Ausgangabschnitt und eine zweite Brennstoffzelle mit einem zweiten kathodenseitigen Ausgangabschnitt auf, und der Expander ist mit dem ersten Ausgangabschnitt und mit dem zweiten Ausgangabschnitt fluidleitend verbunden. Dabei weist der Brennstoffzellenausgang der Brennstoffzellenanordnung die zwei Ausgangsabschnitte auf, wobei jeder der Ausgangsabschnitte in den Expander mündet. Damit kann erzielt werden, dass lediglich ein Expander benötigt wird, um aus den Abgasstrom der beiden Brennstoffzellen Energie rückgewinnen zu können.
Vorzugsweise weist der Expander einen ersten Strömungsabschnitt mit einem ersten Expandereingang und einen von dem ersten Strömungsabschnitt pneumatisch getrennten zweiten Strömungsabschnitt mit einem zweiten Expandereingang auf, und der erste Expandereingang ist mit dem ersten Ausgangabschnitt fluidleitend verbunden und der zweite Expandereingang ist mit dem zweiten Ausgangabschnitt fluidleitend verbunden. Damit wird eine eins-zu-eins-Beziehung zwischen den Expandereingängen und den Ausgangsabschnitten der Brennstoffzellen hergestellt. Damit mündet genau ein Ausgangsabschnitt in genau einem der Expandereingänge.
Vorzugsweise weist das Brennstoffzellensystem ein Ventil und einen durch das Ventil steuerbaren Leitungszweig zur fluidleitenden Verbindung des ersten Expandereingangs mit dem zweiten Ausgangabschnitt auf. Das Ventil und der Leitungszweig können als ein Bypass aufgefasst werden. Damit ist es möglich den Abgasstrom beider Brennstoffzellen zu dem ersten Expandereingang zu leiten, wenn Luft aus dem zweiten Ausgangsabschnitt der zweiten Brennstoffzelle über den Leitungszweig zu dem ersten Expandereingang geleitet wird. Damit kann nur eine Stufe des Expanders mit einem Abgasstrom von mehreren Brennstoffzellen betrieben werden, wenn beispielsweise das Brennstoffzellensystem mehr Brennstoffzellen als Expanderstufen aufweist.
Vorzugsweise weist der Expander zwei Expandereingänge auf, und die Brennstoffzellenordnung weist eine Mehrzahl von Brennstoffzellen auf, und wenigstens einer der Expandereingänge ist mit zwei Brennstoffzellen fluidleitend verbunden. Damit kann nur eine Stufe des Expanders mit einem Abgasstrom von mehreren Brennstoffzellen betrieben werden, wenn beispielsweise das Brennstoffzellensystem mehr Brennstoffzellen als Expanderstufen aufweist. Dies ist insbesondere für Brennstoffzellen von Vorteil, die mit einem Niederdruck betrieben werden können, und/oder für vergleichsweise große Brennstoffzellen im Bereich der schienengebundenen Landfahrzeuge und der Wasserfahrzeuge.
Vorzugsweise weist der Expander zwei Expandereingänge auf, und die Brennstoffzellenordnung weist eine Brennstoffzelle auf, wobei die Brennstoffzelle über beide der Expandereingänge mit dem Expander fluidleitend verbunden ist. Damit kann die Brennstoffzellenanordnung auch nur eine einzige Brennstoffzelle aufweisen, die beispielsweise den Expander mit einem Abgasstrom mit einem hohen Druck beaufschlagt.
Vorzugsweise weist das Brennstoffzellensystem zwei Verdichter auf, wobei jeder der Verdichter zwei Verdichterausgänge und zwei Verdichtereingänge aufweist, wobei jeweils einer der Verdichterausgänge mit einem der Verdichtereingänge fluidleitend verbunden ist, und jeweils ein anderer der Verdichterausgänge mit einer der Brennstoffzellen fluidleitend verbunden ist. Damit werden die beiden Brennstoffzellen mit je einem mehrstufigen Verdichter mit Luftdruck beaufschlagt. Mehrere Stufen je Verdichter sind in Reihe geschaltet. Hierdurch lassen sich größere Drücke erzielen, was den Wirkungsgrad der Brennstoffzelle deutlich erhöhen kann. Der Abgasstrom der jeweiligen Brennstoffzellen wird zu dem Expander über je einen der Expandereingänge geleitet.
Vorzugsweise weist der Verdichter zwei Verdichterausgänge auf, die fluidleitend mit dem kathodenseitigen Brennstoffzelleneingang verbunden sind. Dabei können die Verdichterausgänge über den kathodenseitigen Brennstoffzelleneingang mit einer oder mehreren Brennstoffzellen fluidleitend verbunden werden. Eine fluidleitende Verbindung zwischen einem der Verdichterausgänge und dem Brennstoffzelleneingang ermöglicht, dass durch den Verdichter mehr als zwei Brennstoffzellen mit Luftdruck beaufschlagen kann. Damit ist eine weitergehende Verzweigung des Luftdrucks möglich.
Vorzugsweise weist der Verdichter zwei Verdichterausgänge und zwei Verdichtereingänge au, wobei einer der Verdichterausgänge mit einem der Verdichtereingänge fluidleitend verbunden ist. Damit sind die Verdichter mehrstufige Verdichter, denn die Verdichterstufen, in die der Verdichtereingang mündet, ist ein Reihe mit der anderen Verdichterstufe geschaltet. Damit kann ein vorteilhafter Druck für das Betreiben der Brennstoffzelle bereitgestellt werden. Damit kann die Brennstoffzellenanordnung mit Luft unter hohem Druck beaufschlagt werden.
Vorzugsweise ist der Expander zur Rückgewinnung elektrischer Energie mit einer Expander-Leistungselektronik verbindbar und/oder verbunden. Die Expander-Leistungselektronik kann somit von dem Brennstoffzellensystem umfasst oder extern sein. Um Energie rückgewinnen zu können, ist der Expander dazu eingerichtet einen Generator anzutreiben, der elektrische Energie erzeugt, die durch die Expander-Leistungselektronik zur weiteren Verwendung und/oder Einspeisung in ein Bordnetz gewandelt wird.
Vorzugsweise ist die Expander-Leistungselektronik separat von einer Verdichter- Leistungselektronik und/oder von einer Brennstoffzellen-Leistungselektronik angeordnet. Damit kann die Expander-Leistungselektronik ein separates Bauelement sein, um beispielsweise gezielt ausgelegt und angeordnet werden zu können. Damit können ein Wirkungsgrad und/oder eine Kühlung der Expander-Leistungselektronik verbessert werden. Alternativ ist die Expander-Leistungselektronik von einer Verdichter- Leistungselektronik und/oder von einer Brennstoffzellen-Leistungselektronik umfasst, um multifunktionale Elektronikvorrichtungen bereitstellen zu können. Damit kann die Fertigung und/oder die Montage der Expander-Leistungselektronik vereinfacht werden. Die Brennstoffzellen-Leistungselektronik kann einen Gleichspannungswandler beziehungsweise einen DC/DC-Konverter umfassen. Vorzugsweise ist der Verdichter ein mehrstufiger und/oder mehrflutiger Verdichter. Damit ist es möglich, effektiv eine oder mehrere Brennstoffzellen mit dem Verdichter fluidleitend zu verbinden.
Vorzugsweise ist der Expander mechanisch von dem Verdichter entkoppelt. Die mechanische Trennung von Verdichter und Expander bietet konstruktionstechnisch und effizienztechnisch Vorteile gegenüber konventionellen, starren Verbindungen zwischen Verdichter und Expander. Dabei wurde erkannt, dass Expander und Verdichter ihren optimalen Betriebspunkt jeweils bei deutlich unterschiedlichen Drehzahlniveaus haben können. Ferner ermöglicht die mechanische Trennung von Verdichter und Expander, dass verschiedene Systemarchitekturen bereitgestellt werden können, wenn zusätzlich zu der mechanischen Trennung zwischen Verdichter und Expander auch die zwangsweise zahlenmäßige Zuordnung zwischen Verdichter und Expander aufgehoben wird.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird ein Fahrzeug, insbesondere Nutzfahrzeug, umfassend das oben beschriebene Brennstoffzellensystem, bereitgestellt. Das Fahrzeug, insbesondere Nutzfahrzeug, kann beispielsweise ein Landfahrzeug zum Transport von Personen und/oder Waren sein. Insbesondere bei Landfahrzeugen kann der Verdichter ein zweiflutiger Verdichter sein, um Anforderungen an einen Bauraum für den Verdichter und an Kosten zu genügen. Das Fahrzeug, insbesondere Nutzfahrzeug, kann auch ein Wasserfahrzeug, insbesondere ein Schiff, beispielsweise ein Frachtschiff sein. Dabei kann der Verdichter auch ein mehrflutiger Verdichter, beispielsweise vierflutig, sechsflutig, etc., mit mehreren Stufen sein, um entsprechende Druckverhältnisse einstellen und eine Anzahl von Brennstoffzellen mit Luftdruck beaufschlagen zu können.
Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung sowie deren technische Effekte ergeben sich aus den Figuren und der Beschreibung der in den Figuren gezeigten bevorzugten Ausführungsformen. Dabei zeigen
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Fahrzeugs, insbesondere Nutzfahrzeugs, gemäß einer Ausführungsform der Erfindung; Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 3 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 4 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 5 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 6 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung; und
Fig. 7 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Fahrzeugs 200a, insbesondere Nutzfahrzeugs 200b, gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
Das Fahrzeug 200a, insbesondere Nutzfahrzeug 200b, wird im Folgenden als Fahrzeug 200a, 200b bezeichnet. Das Fahrzeug 200a, 200b ist beispielsweise ein Landfahrzeug oder ein Wasserfahrzeug.
Das Fahrzeug 200a, 200b weist ein Brennstoffzellensystem 100, eine Energiespeichervorrichtung 110 und einen elektrischen Antrieb 130 auf. Das Brennstoffzellensystem 100 ist dazu eingerichtet, der Energiespeichervorrichtung 110 elektrische Energie 65 bereitzustellen. Die Energiespeichervorrichtung 110 ist beispielsweise eine wiederaufladbare Energiespeichervorrichtung 110 und dient als Pufferbatterie zum Puffern von elektrischer Energie 65. Die Energiespeichervorrichtung 110 ist mit dem elektrischen Antrieb 130 verbunden, um den elektrischen Antrieb 130 mit elektrischer Energie 65 zu versorgen, damit der elektrische Antrieb 110 das Fahrzeug 200a, 200b antreiben kann. Zusätzlich ist das Brennstoffzellensystem 100 mit dem elektrische Antrieb 130 zur direkten Bereitstellung von elektrischer Energie 65 verbunden.
Das Brennstoffzellensystem 100 ist detailliert mit Bezug zu Figuren 2 bis 6 beschrieben. Figur 2 zeigt eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems 100 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Das Brennstoffzellensystem 100 ist dazu eingerichtet, in einem Fahrzeug 200a, 200b wie mit Bezug zu Figur 1 beschrieben verwendet zu werden.
Das Brennstoffzellensystem 100 gemäß Figur 2 umfasst eine Brennstoffzellenanordnung 10 mit einem kathodenseitigen Brennstoffzelleneingang 11 und einem katho- denseitigen Brennstoffzellenausgang 13. Die Brennstoffzellenanordnung 10 ist schematisch durch eine gepunktete Linie angedeutet. Die Brennstoffzellenanordnung 10 umfasst eine erste Brennstoffzelle 16a und eine zweite Brennstoffzelle 16b. Die erste Brennstoffzelle 16a weist einen kathodenseitigen ersten Eingangsabschnitt 17a und einen kathodenseitigen ersten Ausgangsabschnitt 18a auf. Die zweite Brennstoffzelle 16b weist einen kathodenseitigen zweiten Eingangsabschnitt 17b und einen kathodenseitigen zweiten Ausgangsabschnitt 18b auf. Damit umfasst der Brennstoffzelleneingang 11 den ersten Eingangsabschnitt 17a und den zweiten Eingangsabschnitt 17b. Der Brennstoffzellenausgang 13 umfasst den ersten Ausgangsabschnitt 18a und den zweiten Ausgangsabschnitt 18b.
Das Brennstoffzellensystem 100 umfasst einen Verdichter 20.
Der Verdichter 20 ist ein mehrflutiger Verdichter 20. In der in Figur 2 gezeigten Ausführungsform weist der Verdichter 20 zwei Stufen 21 a, 21 b und zwei pneumatisch voneinander getrennte Strömungsabschnitte 22a, 22b auf. Jedem der Strömungsabschnitte 22a, 22b ist eine Stufe 21a, 21 b zugeordnet.
Der Verdichter weist zwei Verdichtereingänge 26a, 26b zum Anordnen von einem oder zwei Luftfiltern (nicht gezeigt) auf. Ein Luftstrom wird über die Verdichtereingänge 26a, 26b in den Verdichter 20 beziehungsweise zu den Stufen 21a, 21 b in den zwei voneinander getrennten Strömungsabschnitte 22a, 22b geleitet.
Der Verdichter 20 umfasst einen Verdichterrotor 23 mit zwei Verdichterrädern 24a, 24b und einer Verdichterwelle 25. Die Verdichterräder 24a, 24b sind an der Verdichterwelle 25 drehfest angeordnet. Damit sind die Verdichterräder 24a, 24b gleichsam mit der Verdichterwelle 25 mit gleicher Drehgeschwindigkeit und in gleicher Drehrichtung rotierbar. Die Verdichterräder 24a, 24b sind auf der Verdichterwelle 25 symmetrisch angeordnet, d.h., jeweilige Eintritte der Verdichterräder 24a, 24b an dem Verdichtereingang 26 sind voneinander abgewandt und Rückseiten der Verdichterräder 24a, 24b sind einander zugewandt.
Der Verdichter 20 weist ein Verdichtergehäuse 28 auf. Der Verdichterrotor 23 beziehungsweise die Verdichterräder 24a, 24b sind innerhalb des Verdichtergehäuses 28 angeordnet. Damit die Strömungsabschnitte 22a, 22b beziehungsweise die Stufen 21 a, 21 b voneinander getrennt sind, weist der Verdichter 20 zwischen den Verdichterrädern 24a, 24b Wandabschnitte 29a, 29b auf. Die Wandabschnitte 29a, 29b weisen eine Aussparung und/oder Durchgangsöffnung auf (nicht gezeigt), durch die sich die Verdichterwelle 25 erstreckt. Damit kann Luft, die durch einen der Strömungsabschnitte 22a beziehungsweise eine der Stufen 21 a strömt, nicht durch den anderen Strömungsabschnitt 22b beziehungsweise die andere Stufe 21 b strömen. Die Strömungsabschnitte 22a, 22b sind durch die Wandabschnitte 29a, 29b voneinander physisch getrennt.
Die Verdichterräder 24a, 24b sind gleichartig zueinander. Mit anderen Worten weisen die Verdichterräder 24a, 24b eine Symmetrie auf. Durch die Symmetrie erzielen die beiden Verdichterräder 24a, 24b ein identisches Kompressionsverhältnis und einen identischen Massenstrom, weisen eine identische Masse auf und sind gleichartig herstellbar. Die Symmetrie der Verdichterräder 24a, 24b bedeutet, dass die Verdichterräder 24a, 24b eine gespiegelte Beschaufelung und einen gespiegelten Kranz (nicht gezeigt) aufweisen. Damit weisen die Verdichterräder 24a, 24b ein linksläufiges und ein rechtsläufiges Verdichterrad 24a, 24b auf. Durch eine gleichsinnige Rotation der Verdichterräder 24a, 24b erzeugen die Verdichterräder 24a, 24b durch die symmetrische Anordnung der Verdichterräder 24a, 24b mit den zueinander zugewandten Rücken der Verdichterräder 24a, 24b, den voneinander abgewandten Eintritten der Verdichterräder 24a, 24b und die Rechts- beziehungsweise Linksläufigkeit je eines der Verdichterräder 24a, 24b jeweils eine Kompression von in dem Strömungseingang 26 eintretender Luft.
Der Verdichter 20 weist einen ersten Strömungsabschnitt 22a mit einem ersten Verdichterausgang 27a und einen von dem ersten Strömungsabschnitt 22a pneumatisch getrennten zweiten Strömungsabschnitt 22b mit einem zweiten Verdichterausgang 27b auf. Durch die physische Trennung der Strömungsabschnitte 22a, 22b sind die Verdichterausgänge 27a, 27b voneinander getrennt.
Der Verdichter 20 ist zur Luftversorgung mit dem Brennstoffzelleneingang 11 fluidleitend verbunden. Genauer ist der Verdichter 20 mit dem ersten Eingangsabschnitt 17a der ersten Brennstoffzelle 16a und mit dem zweiten Eingangsabschnitt 17b der zweiten Brennstoffzelle 16b fluidleitend verbunden. Dabei ist der erste Verdichterausgang 27a mit dem ersten Eingangsabschnitt 17a fluidleitend verbunden und der zweite Verdichterausgang 27b ist mit dem zweiten Eingangsabschnitt 17a fluidleitend verbunden. Die fluidleitenden Verbindungen umfassen beispielsweise Rohre und/oder Schläuche.
Das Brennstoffzellensystem 100 umfasst einen Expander 30 zur Rückgewinnung elektrischer Energie 65 aus einem Abgasstrom 15 der Brennstoffzellenanordnung 10, wobei der Expander 30 mit dem Brennstoffzellenausgang 13 fluidleitend verbunden ist. Genauer ist der Expander 30 mit der ersten Brennstoffzelle 16a über den ersten Ausgangsabschnitt 18a und mit der zweiten Brennstoffzelle 16b über den zweiten Ausgangsabschnitt 18b fluidleitend verbunden. Aus jeder der Brennstoffzellen 16a, 16b wird der Abgasstrom 15 zu dem Expander 30 geleitet.
Der Expander 30 ist ein mehrstufiger und mehrflutiger Expander 30.
Der Expander 30 weist zwei Stufen 31 a, 31 b und zwei pneumatisch voneinander getrennte Strömungsabschnitte 32a, 32b auf. Jedem der Strömungsabschnitte 32a, 32b ist eine Stufe 31 a, 31 b zugeordnet.
Der Expander 30 weist zwei Expandereingänge 36a, 36b auf. Die Expandereingänge 36a, 36b sind separat voneinander und physisch getrennt. Durch einen ersten Expandereingang 36a kann Luft in einen der Strömungsabschnitte 32a beziehungsweise in eine der Stufen 31 a strömen und durch einen zweiten Expandereingang 36b kann Luft in einen anderen der Strömungsabschnitte 32a beziehungsweise in eine andere der Stufen 31 a strömen. Der erste Ausgangsabschnitt 18a ist mit dem ersten Expandereingang 36a fluidleitend verbunden. Der zweite Ausgangsabschnitt 18b ist mit dem zweiten Expandereingang 36b fluidleitend verbunden. An den Expandereingängen 36a, 36b kann jeweils ein Wasserabscheider (nicht gezeigt) zum Abscheiden von Wasser aus dem Abgasstrom 15.
Der Expander 30 umfasst einen Expanderrotor 33 mit zwei Expanderrädern 34a, 34b und einer Expanderwelle 35. Die Expanderräder 34a, 34b sind an der Expanderwelle 35 drehfest angeordnet. Damit sind die Expanderräder 34a, 34b gleichsam mit der Expanderwelle 35 mit gleicher Drehgeschwindigkeit und in gleicher Drehrichtung rotierbar. Die Expanderräder 34a, 34b sind auf der Expanderwelle 35 symmetrisch angeordnet, d.h., jeweilige Ausgänge 37a, 37b der Expanderräder 34a, 34b an dem Expandereingängen 36a, 36b sind voneinander abgewandt und Rückseiten der Expanderräder 34a, 34b sind einander zugewandt.
Der Expander 30 weist ein Expandergehäuse 38 auf. Der Expanderrotor 33 beziehungsweise die Expanderräder 34a, 34b sind innerhalb des Expandergehäuses 38 angeordnet. Damit die Strömungsabschnitte 32a, 32b beziehungsweise die Stufen 31 a, 31 b voneinander getrennt sind, weist der Expander 30 zwischen den Expanderrädern 34a, 34b Wandabschnitte 39a, 39b auf. Die Wandabschnitte 39a, 39b weisen eine Aussparung und/oder Durchgangsöffnung auf (nicht gezeigt), durch die sich die Expanderwelle 35 erstreckt. Damit kann Luft, die durch einen der Strömungsabschnitte 32a beziehungsweise eine der Stufen 31 a strömt, nicht durch den anderen Strömungsabschnitt 32b beziehungsweise die andere Stufe 31 b strömen. Die Strömungsabschnitte 32a, 32b sind durch die Wandabschnitte 39a, 39b voneinander physisch getrennt.
Die Expanderräder 34a, 34b sind gleichartig zueinander. Mit anderen Worten weisen die Expanderräder 34a, 34b eine Symmetrie auf. Durch die Symmetrie erzielen die beiden Expanderräder 34a, 34b ein identisches Kompressionsverhältnis, weisen eine identische Masse auf und sind gleichartig herstellbar. Die Symmetrie der Expanderräder 34a, 34b bedeutet, dass die Expanderräder 34a, 34b eine gespiegelte Beschaufelung und einen gespiegelten Kranz (nicht gezeigt) aufweisen. Damit weisen die Expanderräder 34a, 34b ein linksläufiges und ein rechtsläufiges Expanderrad 34a, 34b auf. Durch eine gleichsinnige Rotation der Expanderräder 34a, 34b erzeugen die Expanderräder 34a, 34b durch die symmetrische Anordnung der Expanderräder 34a, 34b mit den zueinander zugewandten Rücken der Expanderräder 34a, 34b, den voneinander abgewandten Eintritten der Expanderräder 34a, 34b und die Rechts- beziehungsweise Linksläufigkeit je eines der Expanderräder 34a, 34b jeweils eine Entspannung beziehungsweise Expansion von in die Strömungseingang 36a, 36b eintretender Luft.
Der Expander 30 weist einen ersten Strömungsabschnitt 32a mit einem ersten Expanderausgang 37a und einen von dem ersten Strömungsabschnitt 32a pneumatisch getrennten zweiten Strömungsabschnitt 32b mit einem zweiten Expanderausgang 37b auf. Durch die physische Trennung der Strömungsabschnitte 32a, 32b sind die Expanderausgänge 37a, 37b voneinander getrennt.
Der Expander 30 ist mechanisch von dem Verdichter 20 entkoppelt. Der Expander 30 und der Verdichter 20 sind voneinander separate Bauelemente des Brennstoffzellensystems 100. Der Expander 30 und der Verdichter 20 weisen unterschiedliche und unabhängig voneinander drehbare Rotoren 23, 33 auf.
Der Expander 30 ist zur Rückgewinnung elektrischer Energie 65 mit einem Generator (nicht gezeigt) und einer Expander-Leistungselektronik 60 verbunden. Der Generator ist mittig in dem Expander 30 angeordnet. D.h. der Expanderrotor 33 ist von einem Stator (nicht gezeigt) umschlossen. Durch eine Drehbewegung des Expanderrotors 33 wird eine Spannung in dem Stator induziert. Die Expander-Leistungselektronik 60 separat von einer Verdichter-Leistungselektronik 61 und von einer Brennstoffzellen- Leistungselektronik 62 ist. Die Verdichter-Leistungselektronik 61 ist dazu eingerichtet, den Verdichter 20 über einen nicht gezeigten Inverter durch Beaufschlagung mit elektrischer Energie 65 anzutreiben. Der Inverter ist mittig in dem Verdichter 20 angeordnet. D.h. der Verdichterrotor 23 ist von einem Stator (nicht gezeigt) umschlossen. Durch Beaufschlagung des Stators mit elektrischer Energie kann eine Drehbewegung des Verdichterrotors 23 induziert werden. Die Brennstoffzellen-Leistungs- elektronik 62 ist dazu eingerichtet, von der Brennstoffzellenanordnung 10 elektrische Energie 65 abzugreifen und einem Bordnetz (nicht gezeigt), einer Pufferbatterie (nicht gezeigt) und/oder Verdichter-Leistungselektronik 61 bereitzustellen. Damit die Brennstoffzellenanordnung 10 der Pufferbatterie elektrische Energie 65 bereitstellen kann, kann die Brennstoffzellenanordnung 10 über einen nicht gezeigten Gleichspannungswandler (DC-DC-Wandler) verbunden sein.
Figur 3 zeigt eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems 100 gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung. Figur 3 wird unter Bezugnahme zu Figur 2 und deren Beschreibung beschrieben.
Die Brennstoffzellenanordnung 10 weist eine Brennstoffzelle 16 auf. Damit weist der Brennstoffzelleneingang 11 einen Eingangsabschnitt 17 auf. Der Brennstoffzellenausgang 13 weist einen Ausgangsabschnitt 18 auf.
Der Verdichter 20 weist zwei Verdichterausgänge 27a, 27b auf, die fluidleitend mit dem kathodenseitigen Brennstoffzelleneingang 11 verbunden sind. Dafür sind Fluidleitungen dazu eingerichtet, komprimierte Luft aus den Verdichterausgängen 27a, 27b zusammenzuführen und der Brennstoffzelle 16 über den Brennstoffzelleneingang 11 beziehungsweise den Eingangsabschnitt 16 gemeinsam zuzuführen.
Der Brennstoffzellenausgang 15 beziehungsweise der Ausgangsabschnitt 18 der Brennstoffzelle 16 ist mit dem Expander 30 fluidleitend verbunden. Dafür sind Fluidleitungen dazu eingerichtet, den Abgasstrom 15 aus dem Ausgangsabschnitt 18 aufzuteilen und anteilig den Expandereingängen 36a, 36b zuzuführen.
Figur 4 zeigt eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems 100 gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung. Figur 4 wird unter Bezugnahme zu Figur 3 und deren Beschreibung beschrieben.
Der Verdichter 20 ist ein einflutiger und zweistufiger Verdichter 20. Der Verdichter 20 weist zwei Verdichterausgänge 27a, 27b und zwei Verdichtereingänge 26a, 26b auf. Dabei ist einer der Verdichterausgänge 27a mit einem der Verdichtereingänge 26b fluidleitend verbunden. Damit sind die Strömungsabschnitte 22a, 22b in Reihe geschaltet und pneumatisch miteinander verbunden. Luft tritt über den ersten Verdichtereingang 26a in den ersten Strömungsabschnitt 22a beziehungsweise eine erste Stufe 21a und wird als komprimierte Luft über den ersten Verdichterausgang 27a und den zweiten Verdichtereingang 26b in den zweiten Strömungsabschnitt 22b beziehungsweise in die zweite Stufe 21 b geleitet. Über den zweiten Verdichterausgang 27b wird die komprimierte Luft zu den Eingangsabschnitt 17 beziehungsweise den Brennstoffzelleneingang 1 1 geleitet.
Figur 5 zeigt eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems 100 gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung. Figur 5 wird unter Bezugnahme zu Figur 2 und deren Beschreibung beschrieben.
Das Brennstoffzellensystem 100 umfasst ein Ventil 50 und einen durch das Ventil 50 steuerbaren Leitungszweig 51 zur fluidleitenden Verbindung 52 des ersten Ausgangsabschnitts 18a mit dem zweiten Expandereingang 39b. Das Ventil 50 kann durch eine Steuereinheit (nicht gezeigt) zusammen mit den Brennstoffzellen 16a, 16b steuerbar sein. Wenn die erste Brennstoffzelle 16a nicht zu betreiben ist, kann das Ventil 50 den ersten Ausgangsabschnitt 18a mit dem zweiten Expandereingang 39b fluidleitend verbinden und die fluidleitende Verbindung zwischen dem ersten Ausgangsabschnitts 18a mit dem ersten Expandereingang 39a schließen. Damit können selektiv nur die zweite Brennstoffzelle 16b oder beide Brennstoffzellen 16a, 16b den Expander 30 mit dem Abgasstrom 15 beaufschlagen.
Figur 6 zeigt eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems 100 gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung. Figur 6 wird unter Bezugnahme zu Figur 2 und deren Beschreibung beschrieben.
Der Verdichter 20 ist ein einflutiger und einstufiger Verdichter 20. Damit weist der Verdichter 20 einen Verdichtereingang 26 auf. Der Verdichter 20 weist einen Verdichterrotor 23 mit einer Verdichterwelle 25 und einem Verdichterrad 24 auf. Der Verdichterrotor 23 ist in einem Verdichtergehäuse 28 des Verdichters 20 drehbar gelagert. Das Verdichtergehäuse 28 umfasst zwei Wandabschnitte 29a, 29b. Der Verdichter 20 weist einen Strömungsabschnitt 22 auf, in dem Luft aus dem Verdichtereingang 26 über die Verdichterstufe 21 zu einem Verdichterausgang 27 geleitet wird.
Figur 7 zeigt eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems 100 gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung. Figur 7 wird unter Bezugnahme zu Figuren 2 und 4 und deren Beschreibung beschrieben. Die Brennstoffzellenanordnung 10 umfasst zwei Brennstoffzellen 16a, 16b wie mit Bezug zu Figur 2 beschrieben.
Das Brennstoffzellensystems 100 weist zwei einflutige und zweistufige Verdichter 20, 20‘ auf. Dabei ist jeder der Verdichter 20, 20‘ ein Verdichter 20, 20‘ wie mit Bezug zu Figur 4 beschrieben.
Der Verdichter 20 weist zwei Verdichterausgänge 27a, 27b und zwei Verdichtereingänge 26a, 26b auf. Dabei ist einer der Verdichterausgänge 27a mit einem der Verdichtereingänge 26b fluidleitend verbunden. Damit sind die Strömungsabschnitte 22a, 22b in Reihe geschaltet und pneumatisch miteinander verbunden. Luft tritt über den ersten Verdichtereingang 26a in den ersten Strömungsabschnitt 22a beziehungsweise eine erste Stufe 21 a und wird als komprimierte Luft über den ersten Verdichterausgang 27a und den zweiten Verdichtereingang 26b in den zweiten Strömungsabschnitt 22b beziehungsweise in die zweite Stufe 21 b geleitet. Über den zweiten Verdichterausgang 27b wird die komprimierte Luft zu den zweiten Eingangsabschnitt 17b beziehungsweise den Brennstoffzelleneingang 11 geleitet.
Der Verdichter 20‘ gemäß Figur 7 weist zwei Verdichterausgänge 27a‘, 27b‘ und zwei Verdichtereingänge 26a‘, 26b‘ auf. Dabei ist einer der Verdichterausgänge 27a‘ mit einem der Verdichtereingänge 26b‘ fluidleitend verbunden. Damit sind die Strömungsabschnitte 22a‘, 22b‘ in Reihe geschaltet und pneumatisch miteinander verbunden. Luft tritt über den ersten Verdichtereingang 26a‘ in den ersten Strömungsabschnitt 22a‘ beziehungsweise eine erste Stufe 21 a‘ und wird als komprimierte Luft über den ersten Verdichterausgang 27a‘ und den zweiten Verdichtereingang 26b‘ in den zweiten Strömungsabschnitt 22b‘ beziehungsweise in die zweite Stufe 21 b‘ geleitet. Über den zweiten Verdichterausgang 27b‘ wird die komprimierte Luft zu den ersten Eingangsabschnitt 17a beziehungsweise den Brennstoffzelleneingang 11 geleitet.
Die Ausführungsform des Brennstoffzellensystem 100 gemäß Figur 7 ist von Vorteil, da mit der gezeigten Architektur mit den zwei einflutigen und zweistufigen Verdichtern 20, 20‘ und dem zweiflutigen Expander 30 ein besonders effektiver Wirkungsgrad des Brennstoffzellensystems 100 bei Vermeidung von Problemen der Verdichter 20, 20‘ und/oder des Expanders 30 durch hohe Axialkräfte erzielt wird.
Der Fachmann erkennt, dass die Ausführungsformen gemäß Figuren 2 und 7 miteinander kombinierbar sind, um technische Effekte der Merkmale zu erzielen. Beispielsweise kann jeder der Ausführungsformen eine oder mehrere Brennstoffzellen 16, 16a, 16b aufweisen. In jeder der Ausführungsformen kann ein Bypass vorgesehen sein und/oder kann der Verdichter 20, 20‘ einflutig oder mehrflutig sein.
Bezuqszeichen (Teil der Beschreibung)
10 Brennstoffzellenanordnung
1 1 Brennstoffzelleneingang
13 Brennstoffzellenausgang
15 Abgasstrom
16, 16a, 16b, 16c Brennstoffzelle
17, 17a, 17b, 17c Eingangsabschnitt
18, 18a, 18b, 18c Ausgangsabschnitt
20, 20‘ Verdichter
21 , 21 a, 21 b, 21 a‘, 21 b‘ Stufe
22, 22a, 22b, 22a‘, 22b‘ Strömungsabschnitt
23, 23‘ Verdichterrotor
24a, 24b, 24a‘, 24b‘ Verdichterrad
25, 25‘ Verdichterwelle
26, 26a, 26a‘, 26b, 26b‘ Verdichtereingang
27, 27a, 27a‘, 27b, 27b‘ Verdichterausgang
28, 28‘ Verdichtergehäuse
29a, 29b, 29a‘, 29b‘ Wandabschnitt
30 Expander
31 , 31 a, 31 b Stufe
32, 32a, 32b Strömungsabschnitt des Expanders
33 Expanderrotor
34, 34a, 34b Expanderrad
35 Expanderwelle
36, 36a, 36b Expandereingang
37, 37a, 37b Expanderausgang
38 Expandergehäuse
39a, 39b Wandabschnitt
50 Ventil Leitungszweig
Verbindung
Verzweigung
Expander-Leistungselektronik, 61 ‘ Verdichter-Leistungselektronik
Brennstoffzellen-Leistungselektronik
Energie 0 Brennstoffzellensystem 0 Energiespeichervorrichtung 0 Wasserabscheider 0 elektrischer Antrieb 0a Fahrzeug 0b Nutzfahrzeug

Claims

Patentansprüche
1. Brennstoffzellensystem (100) für ein Fahrzeug (200a), insbesondere Nutzfahrzeug (200b), umfassend
- eine Brennstoffzellenanordnung (10) mit einem kathodenseitigen Brennstoffzelleneingang (11 ) und einem kathodenseitigen Brennstoffzellenausgang (13);
- einen Verdichter (20, 20‘), der zur Luftversorgung mit dem Brennstoffzelleneingang (11 ) fluidleitend verbunden ist; und
- einen Expander (30) zur Rückgewinnung elektrischer Energie (65) aus einem Abgasstrom (15) der Brennstoffzellenanordnung (10), wobei der Expander (30) mit dem Brennstoffzellenausgang (13) fluidleitend verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass
- der Expander (30) ein mehrflutiger Expander (30) ist.
2. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1 , wobei der Expander (30) zwei Stufen (31 a, 31 b) und zwei pneumatisch voneinander getrennte Strömungsabschnitte (32a, 32b) aufweist, wobei jedem der Strömungsabschnitte (32a, 32b) eine Stufe (31 a, 31 b) zugeordnet ist.
3. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei der Expander (30) einen Expanderrotor (33) mit zwei Expanderrädern (34a, 34b) aufweist, wobei die Expanderräder (34a, 34b) gleichartig zueinander sind.
4. Brennstoffzellensystem nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Brennstoffzellenanordnung (10) eine erste Brennstoffzelle (16a) mit einem ersten kathodenseitigen Ausgangabschnitt (18a) und eine zweite Brennstoffzelle (16b) mit einem zweiten kathodenseitigen Ausgangabschnitt (18b) aufweist, und der Expander (30) mit dem ersten Ausgangabschnitt (18a) und mit dem zweiten Ausgangabschnitt (18b) fluidleitend verbunden ist.
5. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 4, wobei der Expander (30) einen ersten Strömungsabschnitt (32a) mit einem ersten Expandereingang (36a) und einen von dem ersten Strömungsabschnitt (32a) pneumatisch getrennten zweiten Strömungsabschnitt (32b) mit einem zweiten Expandereingang (36a) aufweist, und der erste Expandereingang (36a) mit dem ersten Ausgangabschnitt (18a) fluidleitend verbunden ist und der zweite Expandereingang (36b) mit dem zweiten Ausgangabschnitt (18b) fluidleitend verbunden ist.
6. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 5, wobei das Brennstoffzellensystem (100) ein Ventil (50) und einen durch das Ventil (50) steuerbaren Leitungszweig (51 ) zur fluidleitenden Verbindung (52) des ersten Expandereingangs (36a) mit dem zweiten Ausgangabschnitt (18b) aufweist.
7. Brennstoffzellensystem nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Expander (30) zwei Expandereingänge (36a, 36b) aufweist, und die Brennstoffzellenordnung (10) eine Mehrzahl von Brennstoffzellen (16a, 16b) aufweist, und wenigstens einer der Expandereingänge (36a, 36b) mit zwei Brennstoffzellen (16a, 16b) fluidleitend verbunden ist.
8. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 7, wobei das Brennstoffzellensystem (100) zwei Verdichter (20, 20‘) aufweist, wobei jeder der Verdichter (20, 20‘) zwei Verdichterausgänge (27a, 27b, 27a‘, 27b‘) und zwei Verdichtereingänge (26a, 26b, 26a‘, 26b‘) aufweist, wobei jeweils einer der Verdichterausgänge (27a, 27b, 27a‘, 27b‘) mit einem der Verdichtereingänge (26a, 26b, 26a‘, 26b‘) fluidleitend verbunden ist, und jeweils ein anderer der Verdichterausgänge (27a, 27b, 27a‘, 27b‘) mit einer der Brennstoffzellen (16a, 16b) fluidleitend verbunden ist.
9. Brennstoffzellensystem nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Expander zwei Expandereingänge (36a, 36b) aufweist, und die Brennstoffzellenordnung (10) eine Brennstoffzelle (16) aufweist, wobei die Brennstoffzelle (16) über beide der Expandereingänge (36a, 36b) mit dem Expander (30) fluidleitend verbunden ist.
10. Brennstoffzellensystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Verdichter (20, 20‘) zwei Verdichterausgänge (27a, 27b) aufweist, die fluidleitend mit dem kathodenseitigen Brennstoffzelleneingang (11 ) verbunden sind.
11 . Brennstoffzellensystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Verdichter (20, 20‘) zwei Verdichterausgänge (27a, 27b, 27a‘, 27b‘) und zwei Verdichtereingänge (26a, 26b, 26a‘, 26b‘) aufweist, wobei einer der Verdichterausgänge (27a, 27b, 27a‘, 27b‘) mit einem der Verdichtereingänge (26a, 26b, 26a‘, 26b‘) fluidleitend verbunden ist.
12. Brennstoffzellensystem nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Expander (30) zur Rückgewinnung elektrischer Energie (65) mit einer Expander-Leistungselektronik (60) verbindbar und/oder verbunden ist, und die Expander-Leistungselektronik (60) separat oder umfasst von einer Verdichter-Leistungselektronik (61 , 61 ‘) und/oder von einer Brennstoffzellen-Leistungselektronik (62) ist.
13. Brennstoffzellensystem nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Verdichter (20, 20‘) ein mehrstufiger und/oder mehrflutiger Verdichter (20, 20‘) ist.
14. Brennstoffzellensystem nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Expander (30) mechanisch von dem Verdichter (20, 20‘) entkoppelt ist.
15. Fahrzeug (200a), insbesondere Nutzfahrzeug (200b), umfassend ein Brennstoffzellensystem (100) nach einem der vorherigen Ansprüche.
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