DE102008013423A1

DE102008013423A1 - Kaltstart-Verdichtersteuerung und Mechanisierung in einem Brennstoffzellensystem

Info

Publication number: DE102008013423A1
Application number: DE102008013423A
Authority: DE
Inventors: Joseph D. Rainville; Bruce J. Clingerman; Matthew C. Kirklin
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2007-03-12
Filing date: 2008-03-10
Publication date: 2008-10-09
Anticipated expiration: 2028-03-11
Also published as: DE102008013423B4; US8617752B2; US20080226956A1

Abstract

Es wird ein Brennstoffzellensystem offenbart, wobei das Brennstoffzellensystem während eines Startbetriebs durch ein Fluid erwärmt wird, um Dampfkondensation und Eisbildung in einer Brennstoffzellenanordnung entgegenzuwirken und eine Aufwärmzeit des Brennstoffzellensystems zu verkürzen.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft allgemein ein Brennstoffzellensystem und insbesondere ein Brennstoffzellensystem mit einer Brennstoffzellenanordnung, die durch ein Fluid in dem Brennstoffzellensystem während eines Startbetriebs des Brennstoffzellensystems erwärmt wird.
Hintergrund der Erfindung
Brennstoffzellenanordnungen wandeln einen Brennstoff und ein Oxidans in elektrischen Strom um. Eine Art von Brennstoffzellensystem verwendet eine Protonenaustauschmembran (nachstehend als „PEM", kurz vom engl. Proton Exchange Membrane, bezeichnet), um eine Reaktion von Brennstoffen (beispielsweise Wasserstoff) und Oxidantien (beispielsweise Sauerstoff oder Luft) zum Erzeugen von elektrischem Strom katalytisch zu erleichtern. Die PEM ist eine Festpolymer-Elektrolytmembran, die die Übertragung von Protonen von einer Anode zu einer Kathode in jeder einzelnen Brennstoffzelle, die normalerweise in einem Brennstoffzellensystem eingesetzt wird, erleichtert.
Bei einer typischen Brennstoffzellenanordnung (Stapel) in einem Brennstoffzellensystem umfassen einzelne Brennstoffzellenplatten Strömungskanäle, durch die verschiedene Recktanten und Kühlfluide strömen. Bei Temperaturen unter Null kann Wasserdampf in der Brennstoffzellenan ordnung in den Strömungskanälen kondensieren. Weiterhin kann das Kondensat in der Brennstoffzellenanordnung Eis bilden. Das Vorhandensein von Kondensat und Eis kann die Leistung der Brennstoffzellenanordnung beeinträchtigen und kann auch eine Beschädigung der Brennstoffzellenanordnung hervorrufen.
Während eines typischen Betriebs der Brennstoffzellenanordnung bei Temperaturen unter Null erwärmt Abwärme aus der Brennstoffzellenreaktion die Brennstoffzellenanordnung und wirkt Dampfkondensation und Eisbildung in der Anordnung entgegen. Während eines Startbetriebs oder bei Betrieb mit niedrigerer Leistung der Brennstoffzellenanordnung bei Temperaturen unter Null kann aber Wasserdampf kondensieren, und das Kondensat kann Eis in der Brennstoffzellenanordnung bilden, bevor die Abwärme aus der Brennstoffzellenreaktion die Brennstoffzellenanordnung erwärmt.
Typische Brennstoffzellenanordnungen stehen mit einem Verdichter, der Hardware und Software zur Pumpsteuerung umfasst, in Kathodenfluidverbindung. Der Verdichter steigert den Druck eines dadurch strömenden Fluids durch Verkleinern eines Volumens des Fluids in dem Verdichter. Das Erhöhen des Drucks des Fluids erhöht die Temperatur des Fluids. Die Pumpsteuerungshardware des Verdichters wirkt einem Verdichterpumpen bzw. dem Rückwärtsströmen des Fluids durch den Verdichter, das durch einen Druckabfall oder Gegendruck in der Brennstoffzellenanordnung hervorgerufen wird, entgegen. Aktuelle Brennstoffzellenanordnungen mit Verdichtersystemen nutzen ein Systemumleitventil zum Verringern der Fluidmenge, deren Strömung zur Brennstoffzellenanordnung hervorgerufen wird. Das Umleitventil erleichtert das Erhalten eines Sollfluiddrucks, um einem Verdichterpumpen entgegenzuwirken. Das Fluid, das zum Strömen durch das Umleitventil gebracht wurde, wird zu einer Fahrzeugabgasanlage gespült.
Das aus der Abgasanlage des Brennstoffzellensystems an die Umgebung abgeführte Fluid ist ebenfalls ein Problem. Nicht verbrauchter Wasserstoff (H₂) ist der wichtigste zu berücksichtigende Punkt bei der Emission aus dem Brennstoffzellensystem des Fahrzeugs. Der aus dem Fahrzeug austretende Wasserstoff muss unter einem unteren Entflammbarkeitsgrenzwert (LFL) von ungefähr 4% Molkonzentration von Wasserstoff in Luft gehalten werden. Wenn das Abgas aus der Brennstoffzellenanordnung über 4% Molkonzentration von Wasserstoff liegt, kann die Brennstoffzellenanordnung bei erhöhten Luftströmungen betrieben werden, um den Wasserstoff in dem Abgasstrom zu verdünnen. Das Betreiben der Brennstoffzellenanordnung bei einer erhöhten Luftströmung des Stapels kann die Brennstoffzellenanordnung austrocknen.
Es wäre wünschenswert, ein Brennstoffzellensystem zu erzeugen, das während eines Startbetriebs durch ein Fluid in dem Brennstoffzellensystem erwärmt wird, um Dampfkondensation und Eisbildung in einer Brennstoffzellenanordnung entgegenzuwirken und eine Aufwärmzeit des Brennstoffzellensystems zu verkürzen.
Zusammenfassung der Erfindung
Übereinstimmend und entsprechend der vorliegenden Erfindung wurde überraschenderweise ein Brennstoffzellensystem entdeckt, das während eines Startbetriebs durch ein Fluid in dem Brennstoffzellensystem erwärmt wird, um einer Dampfkondensation und Eisbildung in einer Brennstoffzellenanordnung entgegenzuwirken, und eine Aufwärmzeit des Brennstoffzellensystems zu verkürzen.
In einer Ausführungsform umfasst ein Brennstoffzellensystem eine Brennstoffzellenanordnung in Fluidverbindung mit einer Abgasanlage; einen dafür ausgelegten Verdichter, ein erstes Fluid zu verdichten und zu erwärmen; einen zwischen dem Verdichter und der Brennstoffzellenanordnung angeordneten und mit diesen in Fluidverbindung stehenden Wärmetauscher; und ein erstes Mittel zur Strömungsregelung in Fluidverbindung mit dem Wärmetauscher, wobei das erste Mittel zur Strömungsregelung eine Strömung mindestens eines Teils des ersten Fluids von dem Wärmetauscher zu dem Verdichter erleichtert.
In einer anderen Ausführungsform umfasst ein Brennstoffzellensystem eine Brennstoffzellenanordnung in Fluidverbindung mit einer Abgasanlage; einen dafür ausgelegten Verdichter, ein erstes Fluid zu verdichten und zu erwärmen; einen zwischen dem Verdichter und der Brennstoffzellenanordnung angeordneten und mit diesen in Fluidverbindung stehenden Ladeluftkühler; und ein erstes Mittel zur Strömungsregelung in Fluidverbindung mit dem Ladeluftkühler, wobei das erste Mittel zur Strömungsregelung eine Strömung mindestens eines Teils des ersten Fluids von dem Ladeluftkühler zu dem Verdichter erleichtert.
Die Erfindung umfasst ferner ein Verfahren zum Erwärmen einer Brennstoffzellenanordnung, das folgende Schritte umfasst: Vorsehen eines zum Verdichten und Erwärmen eines ersten Fluids ausgelegten Verdichters; Vorsehen eines zwischen dem Verdichter und der Brennstoffzellenanordnung angeordneten und mit diesen in Fluidverbindung stehenden Wärmetauschers; Vorsehen eines ersten Mittels zur Strömungsregelung in Fluidverbindung mit dem Wärmetauscher und einem Einlass des Verdichters; Bewirken eines Strömens des ersten Fluids von dem Verdichter und durch den Wärmetauscher; Bewirken eines Strömens eines zweiten Fluids durch den Wärmetauscher, um eine Temperatur des aus dem Wärmetauscher austretenden ersten Fluids zu steuern; selektives Bewirken eines Strömens mindestens eines Teils des ersten Fluids von dem Wärmetauscher zurück zu dem Verdichter unter Verwendung des ersten Mittels zur Strömungsregelung, um eine Temperatur des in den Verdichter eindringenden ersten Fluids zu steuern; Bewirken eines Strömens eines Teils des ersten Fluids von dem Wärmetauscher durch das erste Mittel zur Strömungsregelung und zu dem Verdichter; Strömenlassen des verbleibenden Teils des ersten Fluids von dem Wärmetauscher zu der Brennstoffzellenanordnung, um die Brennstoffzellenanordnung zu erwärmen und einer Dampfkondensation und Eisbildung in der Brennstoffzellenanordnung entgegenzuwirken.
Beschreibung der Zeichnungen
Die vorstehenden sowie andere Vorteile der vorliegenden Erfindung sind für den Fachmann anhand der folgenden eingehenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform bei Betrachtung im Hinblick auf die Begleitzeichnungen leicht ersichtlich. Hierbei zeigen:
1 ein schematisches Flussdiagramm eines Brennstoffzellensystems nach dem Stand der Technik;
2 ein schematisches Flussdiagramm eines Brennstoffzellensystems nach einer Ausführungsform der Erfindung;
3 ein schematisches Flussdiagramm eines Brennstoffzellensystems nach einer anderen Ausführungsform der Erfindung; und
4 eine auseinander gezogen dargestellte perspektivische Ansicht einer zwei Brennstoffzellen zeigenden PEM-Brennstoffzellenanordnung, die die in 1–3 gezeigten Brennstoffzellenanordnungen veranschaulicht.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
Die folgende nähere Beschreibung und die beigefügten Zeichnungen beschreiben und veranschaulichen verschiedene beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung. Die Beschreibung und Zeichnungen sollen einen Fachmann befähigen, die Erfindung vorzunehmen und zu nutzen, und sollen nicht den Schutzumfang der Erfindung in irgendeiner Weise beschränken. Es versteht sich, dass andere Materialien als die beschriebenen verwendet werden können, ohne vom Wesen und Schutzumfang der Erfindung abzuweichen. Bezüglich der offenbarten Verfahren sind die dargelegten Schritte beispielhafter Natur, und somit ist die Reihenfolge der Schritte nicht notwendig oder ausschlaggebend.
1 zeigt ein Brennstoffzellensystem 10 nach dem Stand der Technik. Das Brennstoffzellensystem 10 wird typischerweise in (nicht dargestellten) brennstoffzellenbetriebenen Fahrzeugen verwendet. Das Brennstoffzellensystem 10 umfasst eine Brennstoffzellenanordnung 12, ein erstes Mittel zur Strömungsregelung 14, einen Verdichter 16, einen Wärmetauscher 18, einen Durchflussmesser 20 und einen Filter 22. Eine Systemleitung 25 steht mit den hierin beschriebenen Systemkomponenten in Verbindung, und die Systemleitung 25 erleichtert die Strömung eines ersten Fluids von einer Komponente des Brennstoffzellensystems 10 zu einer anderen.
Die Brennstoffzellenanordnung 12 steht mit einem Auslass 20b des Durchflussmessers 20 und einer Abgasanlage 24 in Fluidverbindung. Bei der in 1 gezeigten Ausführungsform des Stands der Technik ist die Brennstoffzellenanordnung 12 eine PEM-Brennstoffzellenanordnung. Es versteht sich, dass bei Bedarf andere Arten von Brennstoffzellen verwendet werden können.
4 ist eine auseinander gezogen dargestellte Ansicht, die die zwei Brennstoffzellen umfassende Brennstoffzellenanordnung 12 veranschaulicht. Es versteht sich, dass die Anzahl an Brennstoffzellen in der Brennstoffzellenanordnung 12 unterschiedlich sein kann. Wie dargestellt weist die Brennstoffzellenanordnung 12 ein Paar Membranelektrodeneinheiten (MEA, kurz vom engl. Membrane Electrode Assembly) 26 und 28 auf, die durch ein elektrisch leitendes Brennstoffverteilungselement 30, nachstehend eine Bipolarplatte, getrennt sind. Die MEAs 26, 28 und die Bipolarplatte 30 sind zwischen Edelstahl-Klemmplatten oder -Endplatten 32, 34 und Endkontaktelementen 36, 38 aufgestapelt. Das Endkontaktelement 36 ist eine Kathode, während das Endkontaktelement 38 eine Anode ist. Die Endkontaktelemente 36, 38 sowie beide Arbeitsflächen der Bipolarplatte 30 enthalten mehrere Rillen oder Kanäle 40 zum Verteilen von Brennstoff und Oxidansgasen (d. h. Wasserstoff und Sauerstoff) zu den MEAs 26, 28. Die Bipolarplatte 30 kann aus Metall bestehen, doch kann die Platte 30 bei Bedarf auch aus anderen Materialien hergestellt werden. Zum Beispiel können Bipolarplatten aus Graphit oder anderen leitenden Zusammensetzungen hergestellt werden, die leicht, korrosionsbeständig und in der Umgebung einer PEM-Brennstoffzellenanordnung 12 elektrisch leitend sind.
Die Brennstoffzellenanordnung 12 umfasst ferner Diffusionsmedien 44, die einen Flansch 42 umfassen. Die Flansche 42 der Diffusionsmedien 44 sehen Dichtungen und Isolierung zwischen Bestandteilen der Brennstoffzellenanordnung 12 vor. Eines der Diffusionsmedien 44 ist zwischen dem Endkontaktelement 36 und der MEA 26 angeordnet. Eines der Diffusionsmedien 44 ist zwischen der MEA 26 und einer Anodenseite der Bipolarplatte 30 angeordnet, und ein anderes Diffusionsmedium 44 ist zwischen einer Kathodenseite der Bipolarplatte 30 und der MEA 28 angeordnet. Ein noch weiteres Diffusionsmedium 44 ist zwischen der MEA 28 und dem Endkontaktelement 38 angeordnet. Es versteht sich, dass die Brennstoffzellenanordnung 12 eine Anzahl von Brennstoffzellen umfassen kann und dass die Bestandteile der Brennstoffzellenanordnung 2 aus beliebigen herkömmlichen Materialien gebildet werden können. Weiterhin kann die Brennstoffzellenanordnung 12 eine beliebige herkömmliche Brennstoffzellenanordnung sein, die zum Beispiel eine reformierte Methanolbrennstoffzelle, eine Alkalibrennstoffzelle und eine Festoxidbrennstoffzelle umfasst.
Das erste Mittel zur Strömungsregelung 14 umfasst einen Einlass 14a und einen Auslass 14b. Bei der in 1 gezeigten Ausführungsform des Stands der Technik ist das erste Mittel zur Strömungsregelung 14 eine Drossel, wenngleich andere strömungsregelnde Vorrichtungen verwendet werden können, beispielsweise ein Geradsitzventil, ein Kugelventil, eine Verdrängerpumpe oder eine Zentrifugalpumpe. Das erste Mittel zur Strömungsregelung 14 ist zwischen dem Verdichter 16 und der Abgasanlage 24 angeordnet. Der Einlass 14a des ersten Mittels zur Strömungsregelung 14 steht mit einem Auslass 16b des Verdichters 16 in Fluidverbindung. Der Auslass 14b des ersten Mittels zur Strömungsregelung 14 steht mit der Abgasanlage 24 in Fluidverbindung.
Der Verdichter 16 umfasst einen Einlass 16a und den Auslass 16b. In der gezeigten Ausführungsform ist der Verdichter 16 ein Zentrifugal-Luftverdichter. Der Einlass 16a des Verdichters 16 steht mit einem Auslass 22b des Filters 22 in Fluidverbindung, und der Auslass 16b des Verdichters 16 steht mit einem Einlass 18a des Wärmetauschers 18 in Fluidver bindung. Der Verdichter 16 kann jedes herkömmliche Mittel zum Verdichten eines Fluids sein, beispielsweise eine Turbomaschine, ein Zentrifugal-, Mischstrom-, Vor- oder Gebläseverdichter. In der gezeigten Ausführungsform wird der Verdichter 16 durch einen Motor 17 betrieben.
Der in 1 gezeigte Wärmetauscher 18 umfasst den Einlass 18a und einen Auslass 18b. Der Einlass 18a des Wärmetauschers 18 steht mit dem Auslass 16b des Verdichters 16 in Fluidverbindung, und der Auslass 18b des Wärmetauschers 18 steht mit einem Einlass 20a des Durchflussmessers 20 in Fluidverbindung. In der gezeigten Ausführungsform ist der Wärmetauscher 18 ein Ladeluftkühler. Es versteht sich, dass bei Bedarf ein beliebiger herkömmlicher Wärmetauscher, beispielsweise ein Rohrbündel-Wärmetauscher, ein luftgekühlter Wärmetauscher oder eine andere Wärmetauschervorrichtung, verwendet werden kann.
Der Durchflussmesser 20 umfasst den Einlass 20a und den Auslass 20b. Der Einlass 20a des Durchflussmessers 20 steht mit dem Auslass 18b des Wärmetauschers 18 in Fluidverbindung, und der Auslass 20b des Durchflussmessers 20 steht mit der Brennstoffzellenanordnung 12 in Fluidverbindung. Es versteht sich, dass bei Bedarf ein Volumendurchflussmesser oder eine Messvorrichtung für keinen Durchfluss verwendet werden kann. Der Durchflussmesser 20 kann nach Bedarf ein Durchflussmesser in Form eines gebogenen Rohrs oder ein Durchflussmesser in Form eines geraden Rohrs sein.
Der Filter 22 umfasst einen Einlass 22a und den Auslass 22b. Der Einlass 22a steht mit dem ersten Fluid von einer Fluidquelle 23 in Fluidverbindung, und der Auslass 22b des Filters 22 steht mit dem Einlass 16a des Verdichters 16 in Fluidverbindung. In der gezeigten Ausführungsform ist der Filter 22 ein Luftfilter, das erste Fluid ist Luft und die Fluidquelle 23 ist Umgebungsluft. Es versteht sich, dass der Luftfilter 22 nach Bedarf ein Papierfilter, ein Schaumstofffilter, ein Baumwollfilter oder eine andere Fluid filternde Vorrichtung sein kann. Es versteht sich ferner, dass das erste Fluid nach Bedarf reiner Sauerstoff (O₂), verdichteter Sauerstoff oder verdichtete Luft, Tieftemperatursauerstoff oder -luft oder ein anderes Fluid sein kann. Ferner kann die Fluidquelle 23 nach Bedarf ein Fluidspeichertank oder ein anderer zum Speichern eines Fluids ausgelegter Behälter sein.
Bei Verwendung wird ein Strömen des ersten Fluids von der Fluidquelle 23 durch die Systemleitung 25 und zu dem Einlass 22a des Filters 22 bewirkt. Wenn das erste Fluid durch den Filter 22 strömt, werden Verunreinigungen wie Pollen, Staub, Schimmel, Bakterien, Chemikalien und Schmutz aus dem ersten Fluid entfernt. Dann wird ein Strömen des gefilterten ersten Fluids durch die Systemleitung 25 zu dem Einlass 16a des Verdichters 16 bewirkt. In dem Verdichter 16 wird das Volumen des ersten Fluids reduziert, um seinen Druck und seine Temperatur anzuheben.
Wenn das erste Fluid aus dem Auslass 16b des Verdichters 16 austritt, wird selektiv ein Strömen eines Teils des ersten Fluids durch die Systemleitung 25 zu dem Einlass 14a des ersten Mittels zur Strömungsregelung 14 bewirkt. Der Teil des ersten Fluids strömt selektiv von dem Verdichter 16 durch das erste Mittel zur Strömungsregelung 14, um in dem Verdichter 16 einen Solldruck beizubehalten, um einem Verdichterpumpen entgegenzuwirken. Der Teil des ersten Fluids strömt durch den Auslass 16b des Verdichters 16, durch das erste Mittel zur Strömungsregelung 14 und zu der Abgasanlage 24. Es wird ein Strömen eines verbleibenden Teils des ersten Fluids durch die Systemleitung 25 zu dem Einlass 18a des Wärmetauschers 18 bewirkt.
In dem Wärmetauscher 18 strömt das erste Fluid durch (nicht dargestellte) abgedichtete Durchlässe in dem Wärmetauscher 18, während ein Strömen eines zweitens Fluids über die Durchlässe bewirkt wird. Das zweite Fluid kann nach Bedarf Luft, ein Kühlmittel, Wasser oder ein anderes Fluid sein. Das zweite Fluid kann das ersten Fluid in dem Wärmetauscher 18 kühlen oder erwärmen. Das erste Fluid wird von dem zweiten Fluid während eines Betriebs geringer Leistung des Brennstoffzellensystems 10 sowie während eines Startbetriebs des Brennstoffzellensystems 10 gekühlt. Wenn das Brennstoffzellensystem 10 eine höhere Temperatur, beispielsweise 65°F (18,33°C) oder höher, aufweist, kann das erste Fluid von dem Auslass 16b des Verdichters 16 unter einer Temperatur der Brennstoffzellenanordnung 12 liegen. Demgemäß kann der erste Fluidstrom Energie absorbieren und in dem Wärmetauscher 18 erwärmt werden. Bei Austreten aus dem Wärmetauscher 18 wird ein Strömen des ersten Fluids zu dem Einlass 20a des Durchflussmessers 20 bewirkt. In dem Durchflussmesser 20 wird die Menge des zu der Brennstoffzellenanordnung 12 strömenden ersten Fluids gemessen. Dann wird ein Strömen des ersten Fluids durch eine Kathodenseite der Brennstoffzellenanordnung 12 bewirkt, um die katalytische Reaktion in der Brennstoffzellenanordnung 12 zum Erzeugen von elektrischem Strom zu erleichtern. Dann wird ein Strömen von nicht genutztem ersten Fluid aus der Brennstoffzellenanordnung 12 heraus und zu der Abgasanlage 24 bewirkt und es wird aus dem Brennstoffzellensystem 10 entfernt.
2 zeigt ein Brennstoffzellensystem 210 nach einer Ausführungsform der Erfindung. Das Brennstoffzellensystem 210 wird in brennstoffzellenbetriebenen Fahrzeugen verwendet. Das Brennstoffzellensystem 210 umfasst eine Brennstoffzellenanordnung 212, ein erstes Mittel zur Strömungsregelung 214, einen Verdichter 216, einen Wärmetauscher 218, einen Durchflussmesser 220 und einen Filter 222. Eine Systemleitung 225 steht mit den hierin beschriebenen Systemkomponenten in Verbindung. Die Systemleitung 225 erleichtert die Strömung eines ersten Fluids von einer Komponente des Brennstoffzellensystems 210 zu einer anderen.
Die Brennstoffzellenanordnung 212 steht mit einem Auslass 220b des Durchflussmessers 220 und einer Abgasanlage 224 in Fluidverbindung. Die in 2 gezeigte Brennstoffzellenanordnung 212 ist eine PEM-Brennstoffzellenanordnung. Die Brennstoffzellenanordnung 212 ähnelt der vorstehend beschriebenen und in 4 dargestellten Brennstoffzellenanordnung 12. Es versteht sich, dass die Brennstoffzellenanordnung 212 eine beliebige Anzahl an Brennstoffzellen umfassen kann und aus beliebigen herkömmlichen Materialien gebildet sein kann. Weiterhin kann die Brennstoffzellenanordnung 212 eine beliebige herkömmliche Brennstoffzellenanordnung sein, die zum Beispiel eine Brennstoffzelle für reformiertes Methanol, eine Alkalibrennstoffzelle und eine Festoxidbrennstoffzelle umfasst.
Das erste Mittel zur Strömungsregelung 214 umfasst einen Einlass 214a und einen Auslass 214b. Bei der in 2 gezeigten Ausführungsform ist das erste Mittel zur Strömungsregelung 214 ein Umleitventil. Das erste Mittel zur Strömungsregelung 214 ist zwischen dem Wärmetauscher 218 und dem Verdichter 216 angeordnet. Der Einlass 214a des ersten Mittels zur Strömungsregelung 214 steht mit einem Auslass 218b des Wärmetauschers 218 in Fluidverbindung. Der Auslass 214b des ersten Mittels zur Strömungsregelung 214 steht mit einem Einlass 216a des Verdichters 216 in Fluidverbindung. Das erste Mittel zur Strömungsregelung 214 kann jede beliebige herkömmliche Fluid steuernde Vorrichtung sein, beispielsweise ein Geradsitzventil, ein Kugelventil, eine Verdrängerpumpe oder eine Zentrifugalpumpe.
Der Verdichter 216 umfasst den Einlass 216a und einen Auslass 216b. In der gezeigten Ausführungsform ist der Verdichter 216 ein Zentrifugal-Luftverdichter. Der Einlass 216a des Verdichters 216 steht mit einem Auslass 220b des Durchflussmesser 220 und dem Auslass 214b des ersten Mittels zur Strömungsregelung 214 in Fluidverbindung. Der Auslass 216b des Verdichters 216 steht mit einem Einlass 218a des Wärmetauschers 218 in Fluidverbindung. Der Verdichter 216 kann jedes herkömmliche Mittel zum Verdichten eines Fluids sein, beispielsweise ein Scrollverdichter oder ein Membranverdichter. In der gezeigten Ausführungsform wird der Verdichter 216 durch einen Motor 217 betrieben.
Der in 2 gezeigte Wärmetauscher 218 umfasst den Einlass 218a und einen Auslass 218b. Der Einlass 218a des Wärmetauschers 218 steht mit dem Auslass 216b des Verdichters 216 in Fluidverbindung, und der Auslass 218b des Wärmetauschers 218 steht mit der Brennstoffzellenanordnung 212 und dem Einlass 214a des ersten Mittels zur Strömungsregelung 214 in Fluidverbindung. In der gezeigten Ausführungsform ist der Wärmetauscher 218 ein Ladeluftkühler. Es versteht sich, dass bei Bedarf ein beliebiger herkömmlicher Wärmetauscher, beispielsweise ein Rohrbündel-Wärmetauscher, ein luftgekühlter Wärmetauscher oder eine andere Wärmetauschervorrichtung, verwendet werden kann.
Der Durchflussmesser 220 umfasst den Einlass 220a und den Auslass 220b. Der Einlass 220a des Durchflussmessers 220 steht mit einem Auslass 222b des Filters 222 in Fluidverbindung, und der Auslass 220b des Durchflussmessers 220 steht mit dem Einlass 216a des Verdichters 216 in Fluidverbindung. Es versteht sich, dass bei Bedarf ein Volumendurchflussmesser oder eine Vorrichtung zum Messen keines Durchflusses verwendet werden können. Der Durchflussmesser 220 kann nach Bedarf ein Durchflussmesser in Form eines gebogenen Rohrs oder ein Durchflussmesser in Form eines geraden Rohrs sein.
Der Filter 222 umfasst einen Einlass 222a und den Auslass 222b. Der Einlass 222a steht mit einem Fluid von einer Fluidquelle 223 in Fluidverbindung, und der Auslass 222b des Filters 222 steht mit dem Einlass 220a des Durchflussmessers 220 in Fluidverbindung. In der gezeigten Ausführungsform ist der Filter 222 ein Luftfilter, das Fluid ist Luft und die Fluidquelle 223 ist Umgebungsluft. Es versteht sich, dass der Luftfilter 222 nach Bedarf ein Papierfilter, ein Schaumstofffilter, ein Baumwollfilter oder eine andere Fluid filternde Vorrichtung sein kann. Es versteht sich ferner, dass das Fluid nach Bedarf reiner Sauerstoff (O₂), verdichteter Sauerstoff oder verdichtete Luft, Tieftemperatursauerstoff oder -luft oder ein anderes Fluid sein kann. Ferner kann die Fluidquelle 223 nach Bedarf ein Fluidspeichertank oder ein anderer zum Speichern eines Fluids ausgelegter Behälter sein.
Bei Verwendung wird ein Strömen des Fluids von der Fluidquelle 223 durch die Systemleitung 225 und zu dem Einlass 222a des Filters 222 bewirkt. Wenn das Fluid durch den Filter 222 strömt, werden Verunreinigungen wie Pollen, Staub, Schimmel, Bakterien, Chemikalien und Schmutz aus dem Fluid entfernt. Dann wird ein Strömen des gefilterten Fluids durch die Systemleitung 225 zu dem Einlass 220a des Durchflussmessers 220 bewirkt. In dem Durchflussmesser 220 wird die Menge des von der Fluidquelle 223 zu dem Verdichter 216 strömenden Fluids gemessen. Dann wird ein Strömen des Fluids von dem Auslass 220b des Durchflussmessers 220 zu dem Einlass 216a des Verdichters 216 bewirkt. In dem Verdichter 216 wird das Volumen des Fluids reduziert, um seinen Druck und seine Temperatur anzuheben.
Als Nächstes wird ein Strömen des Fluids von dem Auslass 216b des Verdichters 216 durch die Systemleitung 225 zu dem Einlass 218a des Wärmetauschers 218 bewirkt. In dem Wärmetauscher 218 strömt das Fluid durch (nicht dargestellte) abgedichtete Durchlässe in dem Wärmetauscher 218. Es wird ein Strömen eines zweiten Fluids über die Durchlässe bewirkt. Das zweite Fluid kann nach Bedarf Luft, ein Kühlmittel, Wasser oder ein anderes Fluid sein. Das zweite Fluid kann das Fluid in dem Wärmetauscher 218 kühlen oder erwärmen. Das Fluid wird von dem zweiten Fluid während eines Betriebs geringer Leistung des Brennstoffzellensystems 210 sowie während eines Startbetriebs des Brennstoffzellensystems 210 typischerweise gekühlt. Wenn das Brennstoffzellensystem 210 eine höhere Temperatur, beispielsweise 65°F (18,33°C) oder höher, aufweist, kann das Fluid von dem Auslass 216b des Verdichters 216 unter einer Temperatur der Brennstoffzellenanordnung 212 liegen. Demgemäß kann der Fluidstrom Energie absorbieren und in dem Wärmetauscher 218 erwärmt werden. Bei Austreten des Fluids aus dem Auslass 218b des Wärmetauschers 218 wird selektiv ein Strömen eines Teils des Fluids durch die Systemleitung 225 zu dem Einlass 214a des ersten Mittels zur Strömungsregelung 214 bewirkt. Dann strömt das Fluid durch den Auslass 214b des ersten Mittels zur Strömungsregelung 214 und vereinigt sich wieder mit dem Strom des Fluids aus dem Auslass 220b des Durchflussmessers 220, der in den Einlass 216a des Verdichters 216 eindringt. Dann wird ein Strömen eines verbleibenden Teils des aus dem Wärmetauscher 218 austretenden Fluids durch die Systemleitung 225 zu der Brennstoffzellenanordnung 212 bewirkt. Dann wird ein Strömen des Fluids durch eine Kathodenseite der Brennstoffzellenanordnung 212 bewirkt, um die katalytische Reaktion in der Anordnung 212 zum Erzeugen elektrischen Stroms zu erleichtern. Dann wird ein Strömen nicht genutzten Fluids aus der Brennstoffzellenanordnung 212 heraus und zu der Abgas anlage 224 bewirkt, und es wird aus dem Brennstoffzellensystem 210 abgelassen.
Da der Teil des Fluids, der durch das erste Mittel zur Strömungsregelung 214 strömt, durch den Verdichter 216 erwärmt wurde, werden die Temperatur und der Druck des in den Verdichter 216 strömenden Fluids angehoben, wenn ein Mischen des Fluids mit dem Strom von Fluid aus dem Auslass 220b des Durchflussmessers 220 bewirkt wird. Wenn die Temperatur und der Druck des in den Verdichter 216 eindringenden Fluids steigen, steigen auch die Temperatur und der Druck des aus dem Verdichter 216 austretenden Fluids, was zu einem Anstieg der in den Wärmetauscher 218 und die Brennstoffzellenanordnung 212 eindringenden Energie führt und eine zum Aufwärmen der Brennstoffzellenanordnung 212 erforderliche Zeit minimiert. Eine minimierte Aufwärmzeit lässt den Verdichter 216 bei einem Zustand niedrigerer Leistung laufen, wobei er weniger elektrische Energie aufnimmt, was ein Aufwärmen des Systems mit höherer Effizienz ermöglicht. Die minimierte Zeit zum Aufwärmen der Brennstoffzellenanordnung 212 minimiert den Zeitbetrag, der bei einem (nicht dargestellten) Fahrzeug, das von dem mit dem Brennstoffzellensystem 210 betriebenen 210 Fahrzeug betrieben wird, zum Wegfahren erforderlich ist, und verstärkt die für einen (nicht dargestellten) Fahrzeuginnenraum des Fahrzeugs verfügbare Wärme.
Ein anderer Vorteil des Brennstoffzellensystems 210 gegenüber dem Brennstoffzellensystem 10 des Stands der Technik ist, dass der Durchflussmesser 220 mit dem Einlass 216a des Verdichters 216 in Fluidverbindung steht und mit dem Auslass 218b des Wärmetauschers 218 nicht in Verbindung steht, wodurch der Durchflussmesser 220 von einem Fluidstrom hohen Drucks und hoher Temperatur getrennt wird. Ein weiterer Vorteil des Brennstoffzellensystems 210 gegenüber dem Brennstoffzellen system 10 des Stands der Technik ist, dass das erste Mittel zur Strömungsregelung 214 mit dem Auslass 218b des Wärmetauschers 218 in Fluidverbindung steht, während das erste Mittel zur Strömungsregelung 14 mit dem Auslass 16b des Verdichters 16 in Fluidverbindung steht. Durch Bewegen des ersten Mittels zur Strömungsregelung 214 zu dem Auslass 218b des Wärmetauschers 218 hat das Fluid, das zum Strömen durch das erste Mittel zur Strömungsregelung 214 veranlasst wird, eine verminderte Temperatur, während das aus dem Verdichter 16 des Brennstoffzellensystems 10 des Stands der Technik austretende Fluid eine erhöhte Temperatur hat. Während des anfänglichen Kaltstarts des Systems 310 liegt die Temperatur des Wärmetauschers 318 unter der des aus dem Verdichterauslass 316b austretenden Fluids. Die aus dem Wärmetauscherauslass 318b austretende Lufttemperatur wird gesenkt, wenn die Wärmeenergie aus dem Luftstrom in den Wärmetauscher 318 übertragen wird. Die niedrigere Lufttemperatur in den Einlass des ersten Mittels zur Strömungsregelung 314a ist gegenüber der wärmeren Temperatur bevorzugt, da geringere Konvektionswärmeverluste an die Umgebung in der Systemleitung 325 und das erste Mittel zum Regeln 314 auftreten.
3 zeigt ein Brennstoffzellensystem 310 nach einer anderen Ausführungsform der Erfindung. Das Brennstoffzellensystem 310 wird typischerweise in (nicht dargestellten) brennstoffzellenbetriebenen Fahrzeugen verwendet. Das Brennstoffzellensystem 310 umfasst eine Brennstoffzellenanordnung 312, ein erstes Mittel zur Strömungsregelung 314, ein zweites Mittel zur Strömungsregelung 315, einen Verdichter 316, einen Wärmetauscher 318, einen Durchflussmesser 320 und einen Filter 322. Eine Systemleitung 325 steht mit den hierin beschriebenen Systemkomponenten in Verbindung, und die Systemleitung 325 erleichtert die Strömung eines ersten Fluids von einer Komponente des Brennstoffzellensystems 310 zu einer anderen.
Die Brennstoffzellenanordnung 312 steht mit einem Auslass 320b des Durchflussmessers 320 und einer Abgasanlage 324 in Fluidverbindung. Die in 3 gezeigte Brennstoffzellenanordnung 312 ist eine PEM-Brennstoffzellenanordnung. Die Brennstoffzellenanordnung 312 ähnelt der vorstehend beschriebenen und in 4 dargestellten Brennstoffzellenanordnung 12. Es versteht sich, dass die Brennstoffzellenanordnung 312 eine beliebige Anzahl an Brennstoffzellen umfassen kann und aus beliebigen herkömmlichen Materialien gebildet sein kann. Weiterhin kann die Brennstoffzellenanordnung 312 eine beliebige herkömmliche Brennstoffzellenanordnung sein, die zum Beispiel eine Brennstoffzelle für reformiertes Methanol, eine Alkalibrennstoffzelle und eine Festoxidbrennstoffzelle umfasst.
Das erste Mittel zur Strömungsregelung 314 umfasst einen Einlass 314a und einen Auslass 314b. Bei der in 3 gezeigten Ausführungsform ist das erste Mittel zur Strömungsregelung 314 ein Umleitventil. Das erste Mittel zur Strömungsregelung 314 ist zwischen dem Verdichter 316 und dem zweiten Mittel zur Strömungsregelung 315 angeordnet. Der Einlass 314a des ersten Mittels zur Strömungsregelung 314 steht mit einem Auslass 318b des Wärmetauschers 318 in Fluidverbindung. Der Auslass 314b des ersten Mittels zur Strömungsregelung 314 steht mit einem Einlass 315a des zweiten Mittels zur Strömungsregelung 315 in Fluidverbindung. Das erste Mittel zur Strömungsregelung 314 kann jede beliebige herkömmliche Fluid steuernde Vorrichtung sein, beispielsweise ein Geradsitzventil, ein Kugelventil, eine Verdrängerpumpe oder eine Zentrifugalpumpe.
Das zweite Mittel zur Strömungsregelung 315 umfasst den Einlass 315a und einen ersten Auslass 315b sowie einen zweiten Auslass 315c. In der in 3 gezeigten Ausführungsform ist das zweite Mittel zur Strömungsregelung 315 ein Dreiwegeventil. Der Einlass 315a des zweiten Mittels zur Strömungsregelung 315 steht mit dem Auslass 314b des ersten Mittels zur Strömungsregelung 314 in Fluidverbindung. Der erste Auslass 315b des zweiten Mittels zur Strömungsregelung 315 steht mit einem Einlass 316a des Verdichters 316 in Fluidverbindung. Der zweite Auslass 316c des zweiten Mittels zur Strömungsregelung 315 steht mit der Abgasanlage 324 in Fluidverbindung. Das zweite Mittel zur Strömungsregelung 315 kann jede herkömmliche Fluid regelnde Vorrichtung sein, die zum selektiven Bewirken eines Strömens des Fluids durch das zweite Mittel zur Strömungsregelung 315 zum Strömen zu mehreren Bestimmungsorten ausgelegt ist.
Der Verdichter 316 umfasst den Einlass 316a und einen Auslass 316b. In der gezeigten Ausführungsform ist der Verdichter 316 ein Zentrifugal-Luftverdichter. Der Einlass 316a des Verdichters 316 steht mit einem Auslass 320b des Durchflussmesser 320 und dem Auslass 314b des zweiten Mittels zur Strömungsregelung 315 in Fluidverbindung. Der Auslass 316b des Verdichters 316 steht mit einem Einlass 318a des Wärmetauschers 318 in Fluidverbindung. Der Verdichter 316 kann jedes herkömmliche Mittel zum Verdichten eines Fluids sein, beispielsweise eine Turbomaschine, ein Zentrifugal-, Mischstrom-, Vor- oder Gebläseverdichter. In der gezeigten Ausführungsform wird der Verdichter 316 durch einen Motor 317 betrieben.
Der in 3 gezeigte Wärmetauscher 318 umfasst den Einlass 318a und einen Auslass 318b. Der Einlass 318a des Wärmetauschers 318 steht mit dem Auslass 316b des Verdichters 316 in Fluidverbindung, und der Auslass 318b des Wärmetauschers 318 steht mit der Brennstoffzellenanordnung 312 und dem Einlass 314a des ersten Mittels zur Strömungsrege lung 314 in Fluidverbindung. In der gezeigten Ausführungsform ist der Wärmetauscher 318 ein Ladeluftkühler. Es versteht sich, dass bei Bedarf ein beliebiger herkömmlicher Wärmetauscher, beispielsweise ein Rohrbündel-Wärmetauscher, ein luftgekühlter Wärmetauscher oder eine andere Wärmetauschervorrichtung, verwendet werden kann.
Der Durchflussmesser 320 umfasst einen Einlass 320a und den Auslass 320b. Der Einlass 320a des Durchflussmessers 320 steht mit einem Auslass 322b des Filters 322 in Fluidverbindung, und der Auslass 320b des Durchflussmessers 320 steht mit dem Einlass 316a des Verdichters 316 in Fluidverbindung. Es versteht sich, dass bei Bedarf ein Volumendurchflussmesser oder Vorrichtung zum Messen keines Durchflusses verwendet werden kann. Der Durchflussmesser 320 kann nach Bedarf ein Durchflussmesser in Form eines gebogenen Rohrs oder ein Durchflussmesser in Form eines geraden Rohrs sein.
Der Filter 322 umfasst einen Einlass 322a und den Auslass 322b. Der Einlass 322a steht mit einem Fluid von einer Fluidquelle 323 in Fluidverbindung, und der Auslass 322b des Filters 322 steht mit dem Einlass 320a des Durchflussmessers 320 in Fluidverbindung. In der gezeigten Ausführungsform ist der Filter 322 ein Luftfilter, das Fluid ist Luft und die Fluidquelle 323 ist Umgebungsluft. Es versteht sich, dass der Luftfilter 322 nach Bedarf ein Papierfilter, ein Schaumstofffilter, ein Baumwollfilter oder eine andere Fluid filternde Vorrichtung sein kann. Es versteht sich ferner, dass das Fluid nach Bedarf reiner Sauerstoff (O₂), verdichteter Sauerstoff oder verdichtete Luft, Tieftemperatursauerstoff oder -luft oder ein anderes Fluid sein kann. Ferner kann die Fluidquelle 323 nach Bedarf ein Fluidspeichertank oder ein anderer zum Speichern eines Fluids ausgelegter Behälter sein.
Bei Verwendung wird ein Strömen des Fluids von der Fluidquelle 323 durch die Systemleitung 325 zu dem Einlass 322a des Filters 322 bewirkt. Wenn das Fluid durch den Filter 322 strömt, werden Verunreinigungen wie Pollen, Staub, Schimmel, Bakterien, Chemikalien und Schmutz aus dem Fluid entfernt. Dann wird ein Strömen des gefilterten Fluids durch die Systemleitung 325 zu dem Einlass 320a des Durchflussmessers 320 bewirkt. In dem Durchflussmesser 320 wird die Menge des von der Fluidquelle 323 zu dem Verdichter 316 strömenden Fluids gemessen. Dann wird ein Strömen des Fluids von dem Auslass 320b des Durchflussmessers 320 zu dem Einlass 316a des Verdichters 316 bewirkt. In dem Verdichter 316 wird das Volumen des Fluids reduziert, um seinen Druck und seine Temperatur anzuheben.
Als Nächstes wird ein Strömen des Fluids von dem Auslass 316b des Verdichters 316 durch die Systemleitung 325 zu dem Einlass 318a des Wärmetauschers 318 bewirkt. In dem Wärmetauscher 318 strömt das Fluid durch (nicht dargestellte) abgedichtete Durchlässe in dem Wärmetauscher 318, während ein Strömen eines zweiten Fluids über die Durchlässe bewirkt wird. Das zweite Fluid kann nach Bedarf Luft, ein Kühlmittel, Wasser oder ein anderes Fluid sein. Das zweite Fluid kann das Fluid in dem Wärmetauscher 318 kühlen oder erwärmen. Das Fluid wird von dem zweiten Fluid während eines Betriebs geringer Leistung des Brennstoffzellensystems 310 sowie während eines Startbetriebs des Brennstoffzellensystems 310 typischerweise gekühlt. Wenn das Brennstoffzellensystem 310 eine höhere Temperatur, beispielsweise 65°F (18,33°C) oder höher, aufweist, kann das Fluid von dem Auslass 316b des Verdichters 316 unter einer Temperatur der Brennstoffzellenanordnung 312 liegen. Demgemäß kann der Fluidstrom Energie absorbieren und in dem Wärmetauscher 318 erwärmt werden. Bei Austreten des Fluids aus dem Wärmetauscher 318 wird selektiv ein Strömen eines Teils des Fluids durch die Systemleitung 325 zu dem Einlass 314a des ersten Mittels zur Strömungsregelung 314 bewirkt. Dann strömt das Fluid durch den Auslass 314b des ersten Mittels zur Strömungsregelung 314 zu dem Einlass 315a des zweiten Mittels zur Strömungsregelung 315. Es wird ein Strömen eines verbleibenden Teils des aus dem Wärmetauscher 318 austretenden Fluids durch die Systemleitung 325 zu der Brennstoffzellenanordnung 312 bewirkt. Dann wird ein Strömen des Fluids durch eine Kathodenseite der Brennstoffzellenanordnung 312 bewirkt, um die katalytische Reaktion in der Anordnung 312 zum Erzeugen elektrischen Stroms zu erleichtern. Dann wird ein Strömen nicht genutzten Fluids aus der Brennstoffzellenanordnung 312 heraus und zu der Abgasanlage 324 bewirkt, und es wird aus dem Brennstoffzellensystem 310 abgelassen.
Es wird selektiv ein Strömen des Teils des Fluids, der zu dem zweiten Mittel zur Strömungsregelung 315 strömt, zu dem ersten Auslass 315b und dem zweiten Auslass 315c bewirkt. Das Fluid, dessen Strömen durch den ersten Auslass 315b bewirkt wurde, vereinigt sich mit dem Strom des Fluids aus dem Auslass 320b des Durchflussmessers 320, der in den Einlass 316a des Verdichters 315 eindringt. Das Fluid, dessen Strömen durch den zweiten Auslass 315c des zweiten Mittels zur Strömungsregelung 315 bewirkt wurde, wird mit dem Strom von Fluid aus der Brennstoffzellenanordnung 312 zu der Abgasanlage 324 gemischt und wird aus dem Brennstoffzellensystem 310 abgelassen.
Da der Teil des durch das erste Mittel zur Strömungsregelung 314 strömenden Fluids durch den Verdichter 316 erwärmt wurde, werden die Temperatur und der Druck des in den Verdichter 316 strömenden Fluids angehoben, wenn ein Mischen des Teils des Fluids aus dem Auslass 315b des zweiten Mittels zur Strömungsregelung 315 mit dem Strom von Fluid aus dem Auslass 320b des Durchflussmessers 320 bewirkt wird. Wenn die Temperatur und der Druck des in den Verdichter 316 eindringenden Fluids steigen, steigen auch die Temperatur und der Druck des aus dem Verdichter 316 austretenden Fluids, was zu einem Anstieg der in den Wärmetauscher 318 und die Brennstoffzellenanordnung 312 eindringenden Energie führt und eine zum Aufwärmen der Brennstoffzellenanordnung 312 erforderliche Zeit minimiert. Eine minimierte Aufwärmzeit ermöglicht ein Betreiben des Verdichters 316 bei einem Zustand niedrigerer Leistung, wobei er weniger elektrische Leistung aufnimmt, was ein Aufwärmen des Systems mit höherer Effizienz erlaubt. Die Minimierung der erforderlichen Zeit zum Aufwärmen der Brennstoffzellenanordnung 312 minimiert den Zeitbetrag, der bei einem (nicht dargestellten) Fahrzeug, das von dem mit dem Brennstoffzellensystem 210 betriebenen Fahrzeug betrieben wird, zum Wegfahren erforderlich ist, und verstärkt die für einen (nicht dargestellten) Fahrzeuginnenraum des Fahrzeugs verfügbare Wärme.
Der Teil des Fluids, der durch den Auslass 315c des zweiten Mittels zur Strömungsregelung 315 strömt, wird veranlasst, zu der Abgasanlage 324 zu strömen, wodurch das Volumen von Fluiden in dem Abgas erhöht und eine Verdünnung der Wasserstoffkonzentration erleichtert wird. Ein (nicht dargestelltes) Steuergerät passt das zweite Mittel zur Strömungsregelung 315 als Reaktion auf die Anforderungen des Brennstoffzellensystems 310 an. Das Steuergerät ermittelt eine Sollmenge des für die Verdünnung von Wasserstoff in der Abgasanlage 324 ggf. erforderlichen Fluids. Wenn die Wasserstoffmenge in der Abgasanlage 324 über dem unteren Entflammbarkeitsgrenzwert von 4% Molkonzentration liegt, wird der Auslass 315c des zweiten Mittels zur Strömungsregelung 315 geöffnet, um das Fluid zu der Abgasanlage 324 strömen zu lassen. Wenn der aus der Abgasanlage 324 ausgestoßene Wasserstoff unter dem unteren Entflammbarkeitsgrenzwert liegt, veranlasst das Steuergerät ein Schließen des Auslasses 315c und veranlasst ein Strömen des gesamten Fluidstroms durch das zweite Mittel zur Strömungsregelung 315 zu dem Einlass 316a des Verdichters 316.
Ein anderer Vorteil des Brennstoffzellensystems 310 gegenüber dem Brennstoffzellensystem 10 des Stands der Technik ist, dass der Durchflussmesser 320 mit dem Einlass 316a des Verdichters 316 in Fluidverbindung steht und mit dem Auslass 318b des Wärmetauschers 318 nicht in Verbindung steht, wodurch der Durchflussmesser 320 von einem Fluidstrom hohen Drucks und hoher Temperatur getrennt wird. Ein weiterer Vorteil des Brennstoffzellensystems 310 gegenüber dem Brennstoffzellensystem 10 des Stands der Technik ist, dass das erste Mittel zur Strömungsregelung 314 mit dem Auslass 318b des Wärmetauschers 318 in Fluidverbindung steht, während das erste Mittel zur Strömungsregelung 14 mit dem Auslass 16b des Verdichters 16 in Fluidverbindung steht. Durch Bewegen des ersten Mittels zur Strömungsregelung 314 zu dem Auslass 318b des Wärmetauschers 318 hat das Fluid, das zum Strömen durch das erste Mittel zur Strömungsregelung 314 veranlasst wird, eine verminderte Temperatur, während das aus dem Verdichter 16 des Brennstoffzellensystems 10 des Stands der Technik austretende Fluid eine erhöhte Temperatur hat. Während des anfänglichen Kaltstarts des Systems 310 liegt die Temperatur des Wärmetauschers 318 unter der des aus dem Verdichterauslass 316b austretenden Fluids. Die aus dem Wärmetauscherauslass 318b austretende Lufttemperatur wird gesenkt, wenn die Wärmeenergie aus dem Luftstrom in den Wärmetauscher 318 übertragen wird. Die niedrigere Lufttemperatur in den Einlass des ersten Mittels zur Strömungsregelung 314a ist gegenüber der wärmeren Temperatur bevorzugt, da geringere Konvektionswärmeverluste an die Umgebung in der Systemleitung 325 und das erste Mittel zum Regeln 314 auftreten.
Der Fachmann kann der vorstehenden Beschreibung leicht die wesentlichen Eigenschaften dieser Erfindung entnehmen und kann, ohne vom Wesen und Schutzumfang derselben abzuweichen, verschiedene Änderungen und Abwandlungen an der Erfindung vornehmen, um sie an verschiedene Anwendungen und Bedingungen anzupassen.

Claims

Brennstoffzellensystem umfassend: eine Brennstoffzellenanordnung in Fluidverbindung mit einer Abgasanlage; einen zum Verdichten und Erwärmen eines ersten Fluids ausgelegten Verdichter; einen zwischen dem Verdichter und der Brennstoffzellenanordnung angeordneten und mit diesen in Fluidverbindung stehenden Wärmetauscher; und ein erstes Mittel zur Strömungsregelung in Fluidverbindung mit dem Wärmetauscher, wobei das erste Mittel zur Strömungsregelung eine Strömung mindestens eines Teils des ersten Fluids von dem Wärmetauscher zu dem Verdichter erleichtert.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei das erste Mittel zur Strömungsregelung weiterhin in Verbindung mit der Abgasanlage steht.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei das erste Mittel zur Strömungsregelung ein Umleitventil ist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1 weiterhin umfassend: ein zweites Mittel zur Strömungsregelung in Fluidverbindung mit dem ersten Mittel zur Strömungsregelung, dem Verdichter und der Abgasanlage.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 4, wobei das zweite Mittel zur Strömungsregelung ein Dreiwegeventil ist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1 weiterhin umfassend: einen Durchflussmesser in Fluidverbindung mit dem Verdichter.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei das erste Fluid Luft ist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei der Wärmetauscher ein Ladeluftkühler ist.
Brennstoffzellensystem umfassend: eine Brennstoffzellenanordnung in Fluidverbindung mit einer Abgasanlage; einen zum Verdichten und Erwärmen eines ersten Fluids ausgelegten Verdichter; einen zwischen dem Verdichter und der Brennstoffzellenanordnung angeordneten und mit diesen in Fluidverbindung stehenden Ladeluftkühler; und ein erstes Mittel zur Strömungsregelung in Fluidverbindung mit dem Ladeluftkühler, wobei das erste Mittel zur Strömungsregelung eine Strömung mindestens eines Teils des ersten Fluids von dem Ladeluftkühler zu dem Verdichter erleichtert.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 9, wobei das erste Mittel zur Strömungsregelung weiterhin in Verbindung mit der Abgasanlage steht.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 9, wobei das erste Mittel zur Strömungsregelung ein Umleitventil ist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 9 weiterhin umfassend: ein zweites Mittel zur Strömungsregelung in Fluidverbindung mit dem ersten Mittel zur Strömungsregelung, dem Verdichter und der Abgasanlage.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 12, wobei das zweite Mittel zur Strömungsregelung ein Dreiwegeventil ist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 10 weiterhin umfassend: einen Durchflussmesser in Fluidverbindung mit dem Verdichter.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 9, wobei das erste Fluid Luft ist.
Verfahren zum Erwärmen einer Brennstoffzellenanordnung, welches die folgenden Schritte umfasst: Vorsehen eines dafür ausgelegten Verdichters, ein erstes Fluid zu verdichten und zu erwärmen; Vorsehen eines zwischen dem Verdichter und der Brennstoffzellenanordnung angeordneten und mit diesen in Fluidverbindung stehenden Wärmetauschers; Vorsehen eines ersten Mittels zur Strömungsregelung in Fluidverbindung mit dem Wärmetauscher und einem Einlass des Verdichters; Bewirken eines Strömens des ersten Fluids von dem Verdichter und durch den Wärmetauscher; Bewirken eines Strömens eines zweiten Fluids durch den Wärmetauscher zum Steuern einer Temperatur des aus dem Wärmetauscher austretenden ersten Fluids; selektives Bewirken eines Strömens mindestens eines Teils des ersten Fluids von dem Wärmetauscher zurück zu dem Verdichter unter Verwendung des ersten Mittels zur Strömungsregelung, um eine Temperatur des in den Verdichter eindringenden ersten Fluids zu steuern; Bewirken eines Strömens eines Teils des ersten Fluids von dem Wärmetauscher durch das erste Mittel zur Strömungsregelung und zu dem Verdichter; und Zulassen eines Strömens des verbleibenden Teils des ersten Fluids von dem Wärmetauscher zu der Brennstoffzellenanordnung, um die Brennstoffzellenanordnung zu erwärmen und einer Dampfkondensation und Eisbildung in der Brennstoffzellenanordnung entgegenzuwirken.
Verfahren nach Anspruch 16 umfassend: den Schritt des Vorsehens eines zweiten Mittels zur Strömungsregelung in Fluidverbindung mit dem ersten Mittel zur Strömungsregelung, dem Verdichter und einer Abgasanlage.
Verfahren nach Anspruch 17 umfassend: den Schritt des selektiven Bewirkens eines Strömens mindestens eines Teils des Teils des ersten Fluids von dem ersten Mittel zur Strömungsregelung zurück zu dem Verdichter unter Verwendung des zweiten Mittels zur Strömungsregelung, um eine Temperatur des in den Verdichter eindringenden ersten Fluids zu steuern, und des selektiven Bewirkens eines Strömens eines verbleibenden Teils des Teils des ersten Fluids von dem ersten Mittel zur Strömungsre gelung zur Abgasanlage unter Verwendung des zweiten Mittels zur Strömungsregelung.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei das erste Mittel zur Strömungsregelung ein Umleitventil ist.
Verfahren nach Anspruch 17 umfassend: den Schritt des selektiven Bewirkens eines Strömens mindestens eines Teils des Teils des ersten Fluids von dem ersten Mittel zur Strömungsregelung zu der Abgasanlage zum Erleichtern einer Verdünnung einer Wasserstoffkonzentration darin unter Verwendung des zweiten Mittels zur Strömungsregelung.