DE102020200851A1 - System for operating a fuel cell stack - Google Patents

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heat exchanger
coolant
circuit
fuel cell
exhaust air
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Helerson Kemmer
Jochen Braun
Matthias Rink
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Robert Bosch GmbH
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Abstract

Es wird ein System zum Betreiben eines Brennstoffzellen-Stacks vorgeschlagen, mit zumindest einem ersten Wärmetauscher, der thermisch an einen Zuführungspfad eines Kathodenkreises des Brennstoffzellen-Stacks gekoppelt ist, und stromabwärts eines Oxidationsmittel-Kompressors in dem Zuführungspfad angeordnet ist;
einem zweiten Wärmetauscher und
einem dritten Wärmetauscher, die jeweils thermisch an einen Abluftpfad des Kathodenkreises des Brennstoffzellen-Stacks gekoppelt sind,
wobei der zweite Wärmetauscher stromabwärts vor einer Abluft-Turbine und der dritte Wärmetauscher stromabwärts nach der Abluft-Turbine angeordnet sind;
wobei der Oxidationsmittel-Kompressor mit der Abluft-Turbine zu einer Energie-Rekuperation gekoppelt ist; und
wobei die jeweiligen Wärmetauscher mittels eines Kühlmittelkreislaufs thermisch miteinander gekoppelt sind.

Figure DE102020200851A1_0000
A system for operating a fuel cell stack is proposed, having at least one first heat exchanger, which is thermally coupled to a supply path of a cathode circuit of the fuel cell stack, and is arranged downstream of an oxidizing agent compressor in the supply path;
a second heat exchanger and
a third heat exchanger, each of which is thermally coupled to an exhaust air path of the cathode circuit of the fuel cell stack,
wherein the second heat exchanger is arranged downstream in front of an exhaust air turbine and the third heat exchanger is arranged downstream after the exhaust air turbine;
wherein the oxidizing agent compressor is coupled to the exhaust air turbine for energy recuperation; and
wherein the respective heat exchangers are thermally coupled to one another by means of a coolant circuit.
Figure DE102020200851A1_0000

Description

Die Erfindung betrifft ein System zum Betreiben eines Brennstoffzellen-Stacks mit Wärmetauschern, wobei die jeweiligen Wärmetauscher mittels eines Kühlmittelkreislaufs thermisch miteinander gekoppelt sind.The invention relates to a system for operating a fuel cell stack with heat exchangers, the respective heat exchangers being thermally coupled to one another by means of a coolant circuit.

Stand der TechnikState of the art

Wasserstoffbasierte Brennstoffzellen gelten als Basis für ein Mobilitätskonzept der Zukunft, da sie nur Wasser emittieren und schnelle Betankungszeiten ermöglichen. Beispielsweise PEM-Brennstoffzellen (PEM engl.: „protonexchange-membran‟; Protonen-Austausch-Membran) können mit der Kathode der Brennstoffzelle zugeführter komprimierter Luft mit Sauerstoff als Oxidationsmittel und der Anode der Brennstoffzelle zugeführtem Wasserstoff als Brennstoff in einem elektrokatalytischen Elektrodenprozess betrieben werden, um elektrische Energie mit einem hohen Wirkungsgrad bereitzustellen. Als Abgas wird verarmte, bzw. sauerstoffarme, Luft abgeführt, die gewisse Mengen von gasförmigem oder flüssigem Wasser mitführt. Dieses Wasser kann beispielsweise über einen im Abgaspfad angeordneten Befeuchter in die Zuluft zurückgeführt werden. Bei der Komprimierung des Kathodengases, wie beispielsweise Luft, mit beispielsweise wassergekühlten Ladeluftkühlern, entsteht Wärme, die vor Eintritt in die Brennstoffzelle abgeführt werden muss, um ein Überhitzen und Austrocknen der Membran der Brennstoffzelle zu verhindern.Hydrogen-based fuel cells are the basis for a mobility concept of the future, as they only emit water and enable fast refueling times. For example, PEM fuel cells (PEM: "protonexchange membrane"; proton exchange membrane) can be operated with compressed air supplied to the cathode of the fuel cell with oxygen as the oxidizing agent and hydrogen supplied to the anode of the fuel cell as fuel in an electrocatalytic electrode process, to provide electrical energy with a high degree of efficiency. Depleted or low-oxygen air is discharged as exhaust gas, which carries with it certain amounts of gaseous or liquid water. This water can be returned to the supply air, for example, via a humidifier arranged in the exhaust gas path. When the cathode gas, such as air, is compressed with, for example, water-cooled charge air coolers, heat is generated which must be dissipated before it enters the fuel cell in order to prevent the membrane of the fuel cell from overheating and drying out.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Die dem Kathodengas entzogene Wärme muss über ein Kühlsystem an die Umgebung abgeführt werden, was gemäß dem Stand der Technik den Haupt-Kühlkreis, der beispielsweise den Brennstoffzellen-Stack selbst kühlt, zusätzlich belastet, bzw. bei paralleler Verschaltung von Brennstoffzellen-Stack und einem Ladeluftkühler eine größere Fördermenge einer Kühlmittelpumpe notwendig macht. Dies kann dazu führen, dass die maximale Leistungsabgabe des Brennstoffzellen-Stacks aufgrund der eingeschränkten Leistungsfähigkeit des Kühlsystems beschränkt werden muss (Derating), bzw. dass der Brennstoffzellen-Stack größer ausgelegt werden muss, was entsprechende Mehrkosten zur Folge hat.The heat extracted from the cathode gas must be dissipated to the environment via a cooling system, which, according to the prior art, additionally loads the main cooling circuit, which, for example, cools the fuel cell stack itself, or if the fuel cell stack and a charge air cooler are connected in parallel makes a larger flow rate of a coolant pump necessary. This can mean that the maximum power output of the fuel cell stack has to be restricted due to the limited performance of the cooling system (derating), or that the fuel cell stack has to be designed larger, which results in corresponding additional costs.

Entsprechend einem Aspekt wird ein System zum Betreiben eines Brennstoffzellen-Stacks, ein Verfahren zum Betrieb und eine Verwendung des Systems entsprechend den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche vorgeschlagen, die zumindest zum Teil die beschriebenen Aufgaben lösen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.According to one aspect, a system for operating a fuel cell stack, a method for operating and a use of the system according to the features of the independent claims are proposed, which at least in part achieve the objects described. Advantageous configurations are the subject matter of the dependent claims and the description below.

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass ein Übertragen von Wärme aus dem Zuführungspfad eines Kathodenkreises des Brennstoffzellen-Stacks in einen Abluftpfad des Kathodenkreises des Brennstoffzellen-Stacks eine höhere Energie-Rekuperation durch eine Abluft-Turbine ermöglicht.The invention is based on the knowledge that a transfer of heat from the supply path of a cathode circuit of the fuel cell stack into an exhaust air path of the cathode circuit of the fuel cell stack enables higher energy recuperation by an exhaust air turbine.

Gemäß einem Aspekt wird ein System zum Betreiben eines Brennstoffzellen-Stacks vorgeschlagen, mit zumindest einem ersten Wärmetauscher, der thermisch an einen Zuführungspfad eines Kathodenkreises des Brennstoffzellen-Stacks gekoppelt ist, und stromabwärts eines Oxidationsmittel-Kompressors in dem Zuführungspfad angeordnet ist. Weiterhin ist in dem System ein zweiter Wärmetauscher und ein dritter Wärmetauscher vorgesehen, die jeweils thermisch an einen Abluftpfad des Kathodenkreises des Brennstoffzellen-Stacks gekoppelt sind, wobei der zweite Wärmetauscher stromabwärts gesehen vor einer Abluft-Turbine und der dritte Wärmetauscher stromabwärts gesehen nach der Abluft-Turbine angeordnet ist. Der Oxidationsmittel-Kompressor ist in dem System mit der Abluft-Turbine zu einer Energie-Rekuperation gekoppelt. Die jeweiligen Wärmetauscher des Systems sind mittels eines Kühlmittelkreislaufs thermisch miteinander gekoppelt.According to one aspect, a system for operating a fuel cell stack is proposed, having at least one first heat exchanger, which is thermally coupled to a supply path of a cathode circuit of the fuel cell stack, and is arranged downstream of an oxidizing agent compressor in the supply path. Furthermore, a second heat exchanger and a third heat exchanger are provided in the system, each of which is thermally coupled to an exhaust air path of the cathode circuit of the fuel cell stack, the second heat exchanger seen downstream in front of an exhaust air turbine and the third heat exchanger seen downstream after the exhaust air Turbine is arranged. The oxidizing agent compressor is coupled to the exhaust air turbine in the system for energy recuperation. The respective heat exchangers of the system are thermally coupled to one another by means of a coolant circuit.

Ein Kathoden-Gas, das der Kathodenseite des Brennstoffzellen-Stacks zugeführt wird, weist ein Oxidationsmittel für die elektrokatalytische Reaktion der Brennstoffzellen im Brennstoffzellen-Stack auf, wobei das Oxidationsmittel insbesondere Sauerstoff bzw. Luft aufweisen kann.A cathode gas that is fed to the cathode side of the fuel cell stack has an oxidizing agent for the electrocatalytic reaction of the fuel cells in the fuel cell stack, wherein the oxidizing agent can in particular include oxygen or air.

Beispielsweise wird Luft durch den Oxidationsmittel-Kompressor mit darin enthaltenem Oxidationsmittel durch den ersten Wärmetauscher geführt und nach Durchströmen des Brennstoffzellen-Stacks, in dem eine Konvertierung des enthaltenen Oxidationsmittels erfolgt, strömt die restliche Luft über die Abluft-Turbine, wobei ein Teil der enthaltenen Energie rekuperiert wird. Zur Wärmerückgewinnung und zur Rekuperation kann das System mindestens drei Gas-/Wärmetauscher aufweisen, die in einem eigenen Kühlmittelkreislauf miteinander thermisch gekoppelt und verbunden sind, indem das Kühlmittel beispielsweise von einer hierfür speziell vorgesehenen Kühlmittelpumpe umgewälzt wird.
Um eine Effizienz zu verbessern, können die Wärmetauscher eingerichtet sein eine Gegenstromführung von Luft und Kühlmittel aufzuweisen. Darüber hinaus können die Wärmetauscher eingerichtet sein, insbesondere weitere Strömungskonfigurationen, wie Gleich- oder Kreuzstromführung, aufzuweisen, um beispielsweise eine Kompaktheit des Kühlkreises zu steigern.
Der Kühlmittelkreislauf kann vom kältesten Punkt stromab der Abluft-Turbine her betrachtet werden. Hier wird das Kühlmittel im dritten Wärmetauscher durch die aus der Abluft-Turbine austretende Abluft gekühlt und ein Wärmestrom fließt innerhalb des dritten Wärmetauschers somit in Richtung der Abluft. Der erste und der zweite Wärmetauscher sind thermisch gekoppelt, um Wärme aus dem Zuführungspfad des Kathodenkreises dem Abluftpfad des Kathodenkreises zuzuführen, insbesondere um ein höheres Temperaturniveau im Abluftpfad vor der Abluft-Turbine zu erreichen. Diese thermische Kopplung kann über einen Kühlmittelkreis erfolgen oder auch eine direktere thermische Kopplung erfolgen, wie beispielsweise durch ein zwischen dem ersten Wärmetauscher und zweiten Wärmetauscher angeordnetes wärmeleitendes, beispielsweise metallisches, Kopplungselement. Optional oder zusätzlich kann das Kühlmittel durch einen Stack-Kühlmittelkreislauf und/oder einen Niedertemperatur-Kühlmittelkreislauf geführt werden. Das kann dann notwendig werden, wenn eine Temperatur des Kühlmittels durch den dritten Wärmeüberträger nicht ausreichend abgesenkt werden kann, um die angestrebte Lufttemperatur am Eintritt des Brennstoffzellen-Stacks einzustellen.For example, air is passed through the oxidizing agent compressor with the oxidizing agent contained therein through the first heat exchanger and after flowing through the fuel cell stack, in which the oxidizing agent contained is converted, the remaining air flows over the exhaust air turbine, with part of the energy contained is recuperated. For heat recovery and recuperation, the system can have at least three gas / heat exchangers, which are thermally coupled and connected to one another in a separate coolant circuit, in that the coolant is circulated, for example, by a specially provided coolant pump.
In order to improve efficiency, the heat exchangers can be designed to have a countercurrent flow of air and coolant. In addition, the heat exchangers can be designed to have, in particular, further flow configurations, such as direct or cross-flow conduction, in order, for example, to increase the compactness of the cooling circuit.
The coolant circuit can be viewed from the coldest point downstream of the exhaust turbine. Here, the coolant in the third heat exchanger is caused by the exhaust air emerging from the exhaust air turbine cooled and a heat flow thus flows within the third heat exchanger in the direction of the exhaust air. The first and second heat exchangers are thermally coupled in order to supply heat from the supply path of the cathode circuit to the exhaust air path of the cathode circuit, in particular in order to achieve a higher temperature level in the exhaust air path upstream of the exhaust air turbine. This thermal coupling can take place via a coolant circuit or a more direct thermal coupling, for example by means of a thermally conductive, for example metallic, coupling element arranged between the first heat exchanger and the second heat exchanger. Optionally or additionally, the coolant can be passed through a stack coolant circuit and / or a low-temperature coolant circuit. This can become necessary if a temperature of the coolant cannot be reduced sufficiently by the third heat exchanger in order to set the desired air temperature at the inlet of the fuel cell stack.

Praktischerweise wird diese Kühlmittelpumpe im kältesten Bereich des Kühlmittelkreislaufs positioniert. Prinzipiell ist jedoch jede weitere Einbauposition denkbar.This coolant pump is conveniently positioned in the coldest area of the coolant circuit. In principle, however, any further installation position is conceivable.

Die in diesem System vorgesehene Ladeluftkühlung, d. h. die Kühlung des Kathodengases im Zuführungspfad des Kathodenkreises, erfolgt im ersten Wärmetauscher, wobei ein Wärmestrom in Richtung des Kühlmittels stattfindet. Diese Wärme wird anschließend im zweiten Wärmetauscher in umgekehrter Richtung, d. h. vom Kühlmittel auf die Abluft übertragen, sodass vor der Abluft-Turbine die maximal mögliche Enthalpie verfügbar ist.The charge air cooling provided in this system, i. H. the cooling of the cathode gas in the feed path of the cathode circuit takes place in the first heat exchanger, with a heat flow taking place in the direction of the coolant. This heat is then in the second heat exchanger in the opposite direction, i. H. transferred from the coolant to the exhaust air, so that the maximum possible enthalpy is available in front of the exhaust air turbine.

Für die ausgetauschte Wärmemenge gilt idealisiert die Bilanzgleichung 0 = dQ 1 / dt + dQ 2 / dt + dQ 3 / dt + dQH / dt ,

Figure DE102020200851A1_0001
wobei Qx mit x = 1, 2, 3 die Wärmemenge Q des entsprechend x-ten Wärmetauschers darstellt und QH eine Wärmemenge charakterisiert, die mit einem weiteren Kühlmittelkreis, wie beispielsweise von dem Brennstoffzellen-Stack selbst oder einem weiteren unabhängigen Kühlmittelkreis, ausgetauscht wird. Wenn der Kühlmittelkreislauf autark betrieben wird ist der Term QH = 0. Bei dieser Bilanzgleichung werden Wärmeverluste an den Verrohrungen und den Wärmeüberträgern idealisierend vernachlässigt.The balance equation applies ideally to the amount of heat exchanged 0 = dQ 1 / German + dQ 2 / German + dQ 3 / German + dQH / German ,
Figure DE102020200851A1_0001
 where Qx with x = 1, 2, 3 represents the amount of heat Q of the corresponding xth heat exchanger and QH characterizes an amount of heat that is exchanged with another coolant circuit, such as the fuel cell stack itself or another independent coolant circuit. If the coolant circuit is operated independently, the term QH = 0. In this balance equation, heat losses on the piping and the heat exchangers are ideally neglected.

In diesem System wird das heiße Kathodengas, das durch Kompression des Kathodengases mittels des Oxidationsmittel-Kompressor hervorgerufen werden kann, vorteilhafterweise mit Hilfe der kühleren Abluft gekühlt, um somit eine zusätzliche Wärmesenke, wie beispielsweise ein Niedertemperatur-Kühlsystem oder ein Stack-Kühlsystem, nicht zusätzlich wärmetechnisch belasten zu müssen. Bei dieser Form der Kathodengas- bzw. Ladeluftkühlung mit zumindest drei verschiedenen Wärmeüberträgern, die in dem Zu- und Abluftpfad des Kathodenkreises des Brennstoffzellen-Stacks angeordnet sind und durch einen Kühlmittelkreis, der eine Kühlmittelpumpe vorsehen kann, thermisch gekoppelt sind, kann ein Brennstoffzellen-Stack-Haupt-Kühlkreis wesentlich entlastet werden. Daraus kann eine entsprechende Möglichkeit zur Kosten- und Energieeinsparung resultieren, wie beispielsweise durch Verwendung schwächer dimensionierter Kühler, Lüfter und Pumpen.In this system, the hot cathode gas, which can be produced by compressing the cathode gas by means of the oxidizing agent compressor, is advantageously cooled with the aid of the cooler exhaust air in order to avoid an additional heat sink, such as a low-temperature cooling system or a stack cooling system to have to stress thermally. In this form of cathode gas or charge air cooling with at least three different heat exchangers, which are arranged in the inlet and outlet air path of the cathode circuit of the fuel cell stack and are thermally coupled by a coolant circuit, which can provide a coolant pump, a fuel cell stack -Main cooling circuit are relieved significantly. This can result in a corresponding opportunity to save costs and energy, for example by using coolers, fans and pumps of smaller dimensions.

Weiterhin vorteilhaft kann eine zurückgewonnene Leistung der Abluft-Turbine durch die Einkopplung von Wärme in den Abluftpfad erhöht werden, wodurch der elektrische Leistungsbedarf des Luftkompressors zusätzlich reduziert wird. Insgesamt kann durch die Reduzierung des peripheren Energieverbrauchs die Zellenzahl des Stacks vermindert werden und somit zu einer erheblichen Kosteneinsparung führen.A recovered power of the exhaust air turbine can also advantageously be increased by coupling heat into the exhaust air path, as a result of which the electrical power requirement of the air compressor is additionally reduced. Overall, by reducing the peripheral energy consumption, the number of cells in the stack can be reduced and thus lead to considerable cost savings.

Gemäß einem Aspekt wird vorgeschlagen, dass das System eingerichtet ist, wahlfrei den Kühlmittelkreislauf mit einem Stack-Kühlmittelkreislauf und/oder einem Niedertemperatur-Kühlmittelkreislauf thermisch zu koppeln. Dadurch kann vorteilhafterweise eine Ladelufttemperatur für den Brennstoffzellen-Stack eingestellt werden und zusammen mit den anderen Wärmetauschern gleichzeitig möglichst viel Energie rekuperiert werden, wodurch die elektrische Maschine des Verdichters entlastet und der Gesamtwirkungsgrad des Brennstoffzellensystems verbessert werden kann.According to one aspect, it is proposed that the system is set up to optionally thermally couple the coolant circuit with a stack coolant circuit and / or a low-temperature coolant circuit. As a result, a charge air temperature can advantageously be set for the fuel cell stack and, together with the other heat exchangers, as much energy as possible can be recuperated at the same time, thereby relieving the electrical machine of the compressor and improving the overall efficiency of the fuel cell system.

Die thermische Kopplung erfolgt über den Kühlmittelkreis, der eingerichtet ist, zumindest teilweise autark von den genannten weiteren Kühlmittelkreisen, beispielsweise eines Fahrzeuges, Wärme zwischen den jeweiligen Wärmetauschern auszutauschen. Für den autarken Betrieb kann eine dedizierte Kühlmittelpumpe für den Kühlmittelkreislauf vorgesehen sein. Die Kühlmittelpumpe kann in dem Kühlmittelkreislauf beispielsweise an einem kältesten Punkt des Kühlkreises angeordnet werden, Systemauslegungen können aber auch zu anderen Anordnungen der Kühlmittelpumpe führen. Alternativ kann auf diese dedizierte Kühlmittelpumpe des Kühlmittelkreislaufes verzichtet werden, sofern der Kühlmittelkreislauf mit einem genannten weiteren Kühlmittelkreis permanent verbunden ist.The thermal coupling takes place via the coolant circuit, which is set up to exchange heat between the respective heat exchangers at least partially independently of the further coolant circuits mentioned, for example of a vehicle. A dedicated coolant pump can be provided for the coolant circuit for autonomous operation. The coolant pump can be arranged in the coolant circuit, for example, at a coldest point of the cooling circuit, but system designs can also lead to other arrangements of the coolant pump. Alternatively, this dedicated coolant pump of the coolant circuit can be dispensed with if the coolant circuit is permanently connected to a named further coolant circuit.

Gemäß einem Aspekt wird vorgeschlagen, dass das System ein erstes Steuerventil aufweist, um den Kühlmittelkreislauf mit dem Stack-Kühlmittelkreislauf und/oder dem Niedertemperatur-Kühlmittelkreislauf mittels eines Kühlmittels thermisch zu koppeln.According to one aspect, it is proposed that the system has a first control valve in order to thermally couple the coolant circuit with the stack coolant circuit and / or the low-temperature coolant circuit by means of a coolant.

Gemäß einem Aspekt wird vorgeschlagen, dass das System einen vierten Wärmetauscher und einen Vor-Kompressor im Zuführungspfad aufweist, wobei der Vor-Kompressor stromabwärts gesehen vor dem vierten Wärmetauscher angeordnet ist, um ein Oxidationsmittel dem Oxidationsmittel-Kompressor mit erhöhtem Druck zuzuführen.According to one aspect, it is proposed that the system has a fourth heat exchanger and a pre-compressor in the supply path, the pre-compressor being arranged upstream of the fourth heat exchanger, viewed downstream, in order to supply an oxidizing agent to the oxidizing agent compressor at increased pressure.

Bei dieser zweistufigen Aufladung, d. h. der zweistufigen Druckerhöhung für das Oxidationsmittel des Brennstoffzellen-Stacks, erfolgt die Verdichtung des Kathodengases, wie beispielsweise der Luft, mittels zweier Kompressoren.With this two-stage charging, i. H. The two-stage pressure increase for the oxidizing agent of the fuel cell stack, the compression of the cathode gas, such as the air, takes place by means of two compressors.

In einer ersten Verdichtungsstufe wirkt ein elektrisch angetriebener Vor-Kompressor, der beispielsweise nicht eingerichtet ist mechanische Energie zu rekuperieren. Somit wird der Zustrom von Oxidationsmittel, beispielsweise in Form von Luft, zunächst im Vor-Verdichter komprimiert, wobei sie sich erwärmt.In a first compression stage, an electrically driven pre-compressor, which, for example, is not set up to recuperate mechanical energy, acts. Thus, the flow of oxidizing agent, for example in the form of air, is first compressed in the pre-compressor, whereby it is heated.

In einer zweiten Verdichtungsstufe erfolgt die weitere Verdichtung durch einen elektrisch angetriebenen Oxidationsmittel-Kompressor mit einer angekoppelten Abluft-Turbine, die zur Rekuperation von mechanischer Energie im Abluftpfad des Kathodenkreises des Brennstoffzellen-Stacks angeordnet ist. Alternativ oder zusätzlich kann in dieser zweiten Verdichtungsstufe kein elektrischer Antrieb des Kompressors vorgesehen sein und der Verdichter ausschließlich mittels der durch die Abluft-Turbine im Abluftpfad zurückgewonnenen Energie betrieben werden.
Diese zweite Verdichtungsstufe kann eingerichtet sein, im Teillastbetrieb betrieben zu werden und kann daher mittels jeweils eines steuerbaren Bypass-Ventils, sowohl für einen Bypass des Oxidationsmittel-Kompressors als auch für die Abluft-Turbine, vorgesehen sein.
Zusätzlich kann ein solches Bypass-Ventil auch entsprechend dem Oxidationsmittel-Kompressor bzw. der Abluft-Turbine zugeordnete Wärmetauscher umfassen. Dadurch kann erreicht werden, das ladeluftseitige Strömungsvolumen bei einstufigem Betrieb so weit wie möglich zu reduzieren. Je nachdem, wie hoch die jeweiligen Verdichtungsverhältnisse des Oxidationsmittel-Kompressors bzw. des Vor-Kompressors gewählt sind, ergeben sich für den ersten Wärmetauscher und den vierten Wärmetauscher unterschiedliche Wärmelasten. Zusätzlich oder alternativ können der erste Wärmetauscher und der zweite Wärmetauscher eingerichtet sein, bei einer Teillast bei der die zweite Verdichterstufe, d. h. der Oxidationsmittel-Kompressors nicht aktiv ist, zusätzlich einen Bypass für das Kühlmittel der Wärmetauscher vorzusehen. Vorteilhafterweise kann jede Verdichterstufe mit einem eigenen Wärmetauscher, inklusive einem Kühlmittel- und luftseitigen Bypass, eingerichtet sein, um eine möglichst präzise Regelung einer Temperatur T des Zustroms von Oxidationsmittel am kathodenseitigen Eingang des Brennstoffzellen-Stacks zu ermöglichen.
Insgesamt gilt in diesem Fall die idealisierte Bilanz 0 = dQ 1 / dt + dQ 2 / dt + dQ 3 / dt + dQ4 / dt + dQH / dt ,

Figure DE102020200851A1_0002
wobei die Variablen wie oben erklärt definiert sind.In a second compression stage, further compression is carried out by an electrically driven oxidizing agent compressor with a coupled exhaust air turbine, which is arranged in the exhaust air path of the cathode circuit of the fuel cell stack for recuperation of mechanical energy. Alternatively or additionally, no electric drive of the compressor can be provided in this second compression stage and the compressor can be operated exclusively by means of the energy recovered by the exhaust air turbine in the exhaust air path.
This second compression stage can be set up to be operated in partial load operation and can therefore be provided by means of a controllable bypass valve, both for a bypass of the oxidizing agent compressor and for the exhaust air turbine.
In addition, such a bypass valve can also comprise heat exchangers assigned to the oxidizing agent compressor or the exhaust air turbine. This makes it possible to reduce the flow volume on the charge air side as far as possible in single-stage operation. Depending on how high the respective compression ratios of the oxidizing agent compressor or the pre-compressor are selected, different heat loads result for the first heat exchanger and the fourth heat exchanger. Additionally or alternatively, the first heat exchanger and the second heat exchanger can be set up to additionally provide a bypass for the coolant of the heat exchangers at a partial load at which the second compressor stage, ie the oxidizing agent compressor, is not active. Advantageously, each compressor stage can be set up with its own heat exchanger, including a coolant and air-side bypass, in order to enable a temperature T of the oxidant inflow at the cathode-side inlet of the fuel cell stack to be regulated as precisely as possible.
Overall, the idealized balance applies in this case 0 = dQ 1 / German + dQ 2 / German + dQ 3 / German + dQ4 / German + dQH / German ,
Figure DE102020200851A1_0002
 where the variables are defined as explained above.

Mittels dieser zweistufigen Auslegung des Systems zum Betreiben des Brennstoffzellen-Stacks kann eine Belastung der Komponenten im Kathodenkreis reduziert werden, da durch die thermische Kopplung der jeweiligen Wärmetauscher, bzw. eine angepasste Betriebsstrategie, ein Betriebsbereich vergrößert wird, indem die maximale Kompression der zweiten Stufe, d. h. des Oxidationsmittel-Kompressors, im zweistufigen Verdichterbetrieb sicher unterschritten werden kann.By means of this two-stage design of the system for operating the fuel cell stack, the load on the components in the cathode circuit can be reduced, since the thermal coupling of the respective heat exchangers or an adapted operating strategy increases an operating range by increasing the maximum compression of the second stage, d. H. of the oxidizing agent compressor, can be safely fallen below in two-stage compressor operation.

Gemäß einem Aspekt wird vorgeschlagen, dass der erste Wärmetauscher mit zumindest dem zweiten Wärmetauscher thermisch gekoppelt ist und eingerichtet ist, Wärme aus dem Zuführungspfad dem Abluftpfad vor der Abluft-Turbine zuzuführen.According to one aspect, it is proposed that the first heat exchanger is thermally coupled to at least the second heat exchanger and is set up to supply heat from the supply path to the exhaust air path upstream of the exhaust air turbine.

Gemäß einem Aspekt wird vorgeschlagen, dass die jeweiligen Wärmetauscher mittels eines flüssigen Kühlmittels des Kühlmittelkreislaufs thermisch miteinander gekoppelt sind.According to one aspect, it is proposed that the respective heat exchangers are thermally coupled to one another by means of a liquid coolant of the coolant circuit.

Gemäß einem Aspekt wird vorgeschlagen, dass das System eine Kühlmittelpumpe aufweist, die eingerichtet ist, das flüssige Kühlmittel zwischen den jeweiligen Wärmetauschern zu transportieren, um die Wärmetauscher thermisch miteinander zu koppeln. Alternativ oder zusätzlich kann das System zum Betreiben eines Brennstoffzellen-Stacks eingerichtet sein, bei wahlfreiem Austausch des Kühlmittels zwischen den jeweiligen Wärmetauschern und einem Stack-Kühlmittelkreislauf und/oder einem Niedertemperatur-Kühlmittelkreislauf nur eine Kühlmittelpumpe aufzuweisen. Dies gilt vor allem aber nicht ausschließlich in Verbindung mit den vorgeschlagenen Wärmeüberträger-Bypassventilen, die eine zielgerichtete Balance der Kühlmittel-, bzw. Wärmeströme, ermöglichen.According to one aspect, it is proposed that the system has a coolant pump which is set up to transport the liquid coolant between the respective heat exchangers in order to thermally couple the heat exchangers to one another. Alternatively or additionally, the system for operating a fuel cell stack can be set up to have only one coolant pump with optional exchange of the coolant between the respective heat exchangers and a stack coolant circuit and / or a low-temperature coolant circuit. This applies above all, but not exclusively, in connection with the proposed heat transfer bypass valves, which enable a targeted balance of the coolant or heat flows.

Gemäß einem Aspekt wird vorgeschlagen, dass zumindest der zweite Wärmetauscher, der dritte Wärmetauscher und die Kühlmittelpumpe seriell im Kühlmittelkreislauf angeordnet sind, um thermisch miteinander gekoppelt zu sein.According to one aspect, it is proposed that at least the second heat exchanger, the third heat exchanger and the coolant pump are arranged in series in the coolant circuit in order to be thermally coupled to one another.

Gemäß einem Aspekt wird vorgeschlagen, dass der erste Wärmetauscher und der zweite Wärmetauscher seriell im Kühlmittelkreislauf angeordnet sind, um thermisch miteinander gekoppelt zu sein.According to one aspect, it is proposed that the first heat exchanger and the second heat exchanger are arranged in series in the coolant circuit in order to be thermally coupled to one another.

Gemäß einem Aspekt wird vorgeschlagen, dass der vierte Wärmetauscher und der zweite Wärmetauscher parallel im Kühlmittelkreislauf angeordnet sind, um thermisch miteinander gekoppelt zu sein, und dabei das System ein zweites Steuerventil aufweist, über das ein Fluss des Kühlmittels durch den vierten Wärmetauscher und/oder den zweiten Wärmetauscher gesteuert werden kann.According to one aspect, it is proposed that the fourth heat exchanger and the second heat exchanger are arranged in parallel in the coolant circuit in order to be thermally coupled to one another, and that the system has a second control valve via which the coolant can flow through the fourth heat exchanger and / or the second heat exchanger can be controlled.

Es wird ein Verfahren zum Betrieb des oben beschriebenen zweistufigen Systems, bei dem der Kühlkreis des ersten Wärmetauschers parallel zum Kühlkreis des vierten Wärmetauscher angeordnet ist, vorgeschlagen, wobei ein zweites Steuerventil des Systems, das die Aufteilung der Kühlmittelströme zwischen dem ersten Wärmetauscher und dem vierten Wärmetauscher steuert, abhängig von einer elektrischen Leistung, die der Brennstoffzellen-Stack abgibt, so geregelt wird, dass eine Temperatur des Kühlmittels, das dem zweiten Wärmeüberträger bereitgestellt wird, maximal wird.A method for operating the two-stage system described above, in which the cooling circuit of the first heat exchanger is arranged parallel to the cooling circuit of the fourth heat exchanger, is proposed, wherein a second control valve of the system, which divides the coolant flows between the first heat exchanger and the fourth heat exchanger controls, depending on an electrical power that the fuel cell stack emits, is regulated in such a way that a temperature of the coolant that is provided to the second heat exchanger is at a maximum.

Mit anderen Worten kann bei Auslegung des Systems mit zweistufiger Verdichtung im Kathodenkreis und bei paralleler Anordnung des ersten Wärmetauschers und des vierten Wärmetauschers im Kühlkreislauf je nach Last, die der Brennstoffzellen-Stack aufzubringen hat, eine Aufteilung der Kühlmittelströme zwischen den beiden Wärmetauschern eine Strömungsaufteilung mittels des zweiten Steuerventils so erfolgen, dass die Kühlmitteltemperatur vor dem zweiten Wärmetauscher maximal ist. Bei niedrigen Lasten, bzw. wenn die zweite Verdichtungsstufe nicht aktiv ist, wird das zweite Steuerventil komplett geschlossen und der gesamte Kühlmittelstrom durch den vierten Wärmetauscher geleitet. Dadurch, dass jeweils an dem Kompressor, der eine höhere Druckdifferenz aufbaut, eine höhere Temperatur am Kompressoraustritt resultiert, kann mit der beschriebenen Regelung ein entsprechender Wärmeeintrag in dem jeweiligen Wärmetauscher erreicht werden, sodass am zweiten Wärmetauscher die jeweils maximal mögliche Temperatur für die Rekuperation erreicht wird.In other words, if the system is designed with two-stage compression in the cathode circuit and the first heat exchanger and the fourth heat exchanger are arranged in parallel in the cooling circuit, depending on the load that the fuel cell stack has to apply, a division of the coolant flows between the two heat exchangers, a flow division by means of the second control valve take place so that the coolant temperature is maximum upstream of the second heat exchanger. At low loads or when the second compression stage is not active, the second control valve is completely closed and the entire coolant flow is directed through the fourth heat exchanger. Because the compressor that builds up a higher pressure difference has a higher temperature at the compressor outlet, the regulation described can achieve a corresponding heat input in the respective heat exchanger, so that the maximum possible temperature for recuperation is achieved at the second heat exchanger .

Es wird vorgeschlagen das oben beschriebene System zum Betreiben einer mobilen Plattform zu verwenden.It is proposed to use the system described above for operating a mobile platform.

Eine mobile Plattform kann ein zumindest teilweise automatisiertes System sein, das mobil ist, und/oder ein Fahrerassistenzsystem. Ein Beispiel kann ein zumindest teilweise automatisiertes Fahrzeug bzw. ein Fahrzeug mit einem Fahrerassistenzsystem sein. Das heißt, in diesem Zusammenhang beinhaltet ein zumindest teilweise automatisiertes System eine mobile Plattform in Bezug auf eine zumindest teilweise automatisierte Funktionalität, aber eine mobile Plattform beinhaltet auch Fahrzeuge und andere mobile Maschinen einschließlich Fahrerassistenzsysteme. Weitere Beispiele für mobile Plattformen können Fahrerassistenzsysteme mit mehreren Sensoren, mobile Multisensor-Roboter wie z.B. Roboterstaubsauger oder Rasenmäher, ein Multisensor-Überwachungssystem, eine Fertigungsmaschine, ein persönlicher Assistent oder ein Zugangskontrollsystem sein. Jedes dieser Systeme kann ein vollständig oder teilweise autonomes System sein.A mobile platform can be an at least partially automated system that is mobile and / or a driver assistance system. An example can be an at least partially automated vehicle or a vehicle with a driver assistance system. That is, in this context an at least partially automated system includes a mobile platform with regard to an at least partially automated functionality, but a mobile platform also includes vehicles and other mobile machines including driver assistance systems. Further examples of mobile platforms can be driver assistance systems with several sensors, mobile multi-sensor robots such as robotic vacuum cleaners or lawn mowers, a multi-sensor monitoring system, a production machine, a personal assistant or an access control system. Each of these systems can be a fully or partially autonomous system.

Dadurch können alle Vorteile, die das System für den Betrieb eines Brennstoffzellen-Stack aufweist, für das Betreiben einer mobilen Plattform genutzt werden.As a result, all the advantages that the system has for operating a fuel cell stack can be used for operating a mobile platform.

Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der 1 bis 5 näher erläutert. Hierbei zeigt die:

  • 1 ein System zum Betreiben eines Brennstoffzellen-Stacks mit einem Kompressor;
  • 2 ein System zum Betreiben eines Brennstoffzellen-Stacks mit zwei Kompressoren;
  • 3 eine thermische Kopplung mittels eines Kühlmittelkreises zwischen den drei Wärmetauschern des Kathodenkreises und einem weiteren Wärmetauscher mit Bypassventil;
  • 4 eine thermische Kopplung mittels eines Kühlmittelkreises zwischen den vier Wärmetauschern des Kathodenkreises und einem weiteren Wärmetauscher mit Bypassventil; und
  • 5 eine thermische Kopplung mittels eines modifizierten Kühlmittelkreises zwischen den vier Wärmetauschern des Kathodenkreises und einem weiteren Wärmetauscher mit Bypassventil.
In the following, embodiments of the invention are based on the 1 until 5 explained in more detail. Here the shows:
  • 1 a system for operating a fuel cell stack with a compressor;
  • 2 a system for operating a fuel cell stack with two compressors;
  • 3 a thermal coupling by means of a coolant circuit between the three heat exchangers of the cathode circuit and a further heat exchanger with a bypass valve;
  • 4th a thermal coupling by means of a coolant circuit between the four heat exchangers of the cathode circuit and a further heat exchanger with bypass valve; and
  • 5 a thermal coupling by means of a modified coolant circuit between the four heat exchangers of the cathode circuit and another heat exchanger with a bypass valve.

Die 1 skizziert ein System 100 zum Betreiben eines Brennstoffzellen-Stacks mit einer Kathodenseite 115 des Brennstoffzellen-Stacks. Das Kathodengas 102 wird vom Oxidationsmittel-Kompressor 150 komprimiert und dem ersten Wärmetauscher 130 zugeführt, der thermisch an den Zuführungspfad des Kathodengases vom Kathodenkreis des Brennstoffzellen-Stacks gekoppelt ist und somit stromabwärts des Oxidationsmittel-Kompressors in dem Zuführungspfad angeordnet ist.the 1 outlines a system 100 for operating a fuel cell stack with one cathode side 115 of the fuel cell stack. The cathode gas 102 is used by the oxidizer compressor 150 compressed and the first heat exchanger 130 supplied, which is thermally coupled to the supply path of the cathode gas from the cathode circuit of the fuel cell stack and is thus arranged downstream of the oxidizing agent compressor in the supply path.

Weiterhin ist in dem System 100 ein zweiter Wärmetauscher 140 und ein dritter Wärmetauscher 110 vorgesehen, die jeweils thermisch an den Abluftpfad des Kathodenkreises des Brennstoffzellen-Stacks gekoppelt sind, wobei der zweite Wärmetauscher 140 stromabwärts gesehen vor einer Abluft-Turbine 160 und der dritte Wärmetauscher 110 stromabwärts gesehen nach der Abluft-Turbine 160 angeordnet sind. Stromabwärts nach dem dritten Wärmetauscher 110 verlässt das Kathodengas 104 den Kathodenkreis des Brennstoffzellen-Stacks. Der Oxidationsmittel-Kompressor 150 ist in dem System 100 mit der Abluft-Turbine für die Energie-Rekuperation gekoppelt. Aus Gründen der Übersichtlichkeit wurde in 1 auf die Darstellung der kühlmittelseitigen Verbindungen zwischen den einzelnen Komponenten verzichtet. Die jeweiligen Wärmetauscher 110, 130, 140 des Systems 100 sind mittels eines Kühlmittelkreislaufs thermisch miteinander gekoppelt, wie in der 1 durch kleine Pfeile und die Kühlmittelpumpe 112 angedeutet ist, und weiter unten näher erläutert wird.Furthermore is in the system 100 a second heat exchanger 140 and a third heat exchanger 110 provided, which are each thermally coupled to the exhaust air path of the cathode circuit of the fuel cell stack, the second heat exchanger 140 seen downstream in front of an exhaust air turbine 160 and the third heat exchanger 110 downstream after the exhaust air turbine 160 are arranged. Downstream after the third heat exchanger 110 leaves the cathode gas 104 the cathode circuit of the fuel cell stack. The oxidant compressor 150 is in the system 100 coupled with the exhaust air turbine for energy recuperation. For the sake of clarity, the 1 the connections between the individual components on the coolant side are not shown. The respective heat exchangers 110 , 130 , 140 of the system 100 are thermally coupled to one another by means of a coolant circuit, as in FIG 1 by small arrows and the coolant pump 112 is indicated, and will be explained in more detail below.

Das System 100 ist eingerichtet, wahlfrei, beispielsweise mittels des ersten Steuerventils 125, den Kühlmittelkreislauf des Kathodenkreises mit einem Stack-Kühlmittelkreislauf 120 und/oder einem Niedertemperatur-Kühlmittelkreislauf 120 thermisch zu koppeln, beispielsweise dadurch, dass das Kühlmittel sowohl den Kühlmittelkreislauf des Kathodenkreises als auch den Stack-Kühlmittelkreislauf 120 und/oder einen Niedertemperatur-Kühlmittelkreislauf 120 durchströmt und damit Wärme transportiert. Das erste Steuerventil 125 ist dabei eingerichtet, so gesteuert zu werden, dass eine Temperatur des Kathodengases am Eingang der Katode des Brennstoffzellen-Stacks durch Aufnahme oder Abgabe von Wärme, mittels Austauschs von Kühlmittel der beiden Kühlmittel-Kreisläufe, an den Stack-Kühlmittelkreislauf 120 und/oder einen Niedertemperatur-Kühlmittelkreislauf 120 geregelt werden kann.The system 100 is set up, optionally, for example by means of the first control valve 125 , the coolant circuit of the cathode circuit with a stack coolant circuit 120 and / or a low-temperature coolant circuit 120 to be thermally coupled, for example in that the coolant both the coolant circuit of the cathode circuit and the stack coolant circuit 120 and / or a low-temperature coolant circuit 120 flows through and thus transports heat. The first control valve 125 is set up to be controlled so that a temperature of the cathode gas at the inlet of the cathode of the fuel cell stack by absorbing or releasing heat by exchanging coolant of the two coolant circuits to the stack coolant circuit 120 and / or a low-temperature coolant circuit 120 can be regulated.

Die 3 skizziert mit dem Kühlkreislauf 300 wie in dem erläuterten System 100 die drei Wärmetauscher 110, 130, 140 des Kathodenkreises mit dem Stack-Kühlmittelkreislauf 120 und/oder einem Niedertemperatur-Kühlmittelkreislauf 120 thermisch über den Austausch von Kühlmittel gekoppelt sind. Dabei ist der Kühlkreislauf 300 eingerichtet, mittels der Kühlmittelpumpe 112 das Kühlmittel durch den dritten Wärmetauscher 110, bei dem der Kathoden-Gasstrom auf dem niedrigsten Temperaturniveau liegt, zu pumpen und das Kühlmittel nach dem entsprechenden Wärmeaustausch mit dem Kathoden-Gasstrom wahlfrei, mittels eines ersten Steuerventils 125, thermisch über den Austausch von Kühlmittel mit dem Stack-Kühlmittelkreislauf 120 und/oder einem Niedertemperatur-Kühlmittelkreislauf 120 zu koppeln. Nach dem entsprechenden Wärmeaustausch wird das Kühlmittel dem ersten Wärmetauscher 130 zugeführt, bei dem Wärme an das Kühlmittel abgegeben werden kann, bevor das Kühlmittel durch den zweiten Wärmetauscher 140 zur Abgabe der Wärme geleitet wird, um Wärme aus dem Zuführungspfad dem Abluftpfad vor der Abluft-Turbine zuzuführen.the 3 outlined with the cooling circuit 300 as in the system explained 100 the three heat exchangers 110 , 130 , 140 the cathode circuit with the stack coolant circuit 120 and / or a low-temperature coolant circuit 120 are thermally coupled via the exchange of coolant. Here is the cooling circuit 300 set up by means of the coolant pump 112 the coolant through the third heat exchanger 110 , in which the cathode gas flow is at the lowest temperature level, to pump and the coolant after the corresponding heat exchange with the cathode gas flow, optionally, by means of a first control valve 125 , thermally via the exchange of coolant with the stack coolant circuit 120 and / or a low-temperature coolant circuit 120 to pair. After the appropriate heat exchange, the coolant becomes the first heat exchanger 130 supplied, in which heat can be given off to the coolant before the coolant passes through the second heat exchanger 140 to dissipate the heat is conducted in order to supply heat from the supply path to the exhaust air path in front of the exhaust air turbine.

Die 2 skizziert das System 200 zum Betreiben eines Brennstoffzellen-Stacks und unterscheidet sich von dem System 100 der 1 indem es einen vierten Wärmetauscher 135 und einen Vor-Kompressor 152 im Zuführungspfad des Kathodenkreises des Brennstoffzellen-Stacks aufweist, wobei der Vor-Kompressor 152 stromabwärts gesehen vor dem vierten Wärmetauscher 135 angeordnet ist, um ein Oxidationsmittel als Kathoden-Gas dem Oxidationsmittel-Kompressor 150 mit erhöhtem Druck zuzuführen, wobei der vierte Wärmetauscher 135 stromabwärts gesehen vor dem Oxidationsmittel-Kompressor 150 angeordnet ist. Aus Gründen der Übersichtlichkeit wurde in 2 auf die Darstellung der kühlmittelseitigen Verbindungen zwischen den einzelnen Komponenten verzichtet. Die jeweiligen Wärmetauscher 110, 130, 135, 140 des Systems 200 sind mittels eines Kühlmittelkreislaufs thermisch miteinander gekoppelt, wie in der 2 durch kleine Pfeile und die Kühlmittelpumpe 112 angedeutet ist. Der entsprechende Kühlmittelkreislauf wird nachfolgend erläutert.the 2 outlines the system 200 for operating a fuel cell stack and differs from the system 100 the 1 by having a fourth heat exchanger 135 and a pre-compressor 152 in the feed path of the cathode circuit of the fuel cell stack, wherein the pre-compressor 152 seen downstream in front of the fourth heat exchanger 135 is arranged to an oxidizing agent as cathode gas to the oxidizing agent compressor 150 feed at increased pressure, the fourth heat exchanger 135 seen downstream in front of the oxidant compressor 150 is arranged. For the sake of clarity, the 2 the connections between the individual components on the coolant side are not shown. The respective heat exchangers 110 , 130 , 135 , 140 of the system 200 are thermally coupled to one another by means of a coolant circuit, as in FIG 2 by small arrows and the coolant pump 112 is indicated. The corresponding coolant circuit is explained below.

Die 4 zeigt mit dem Kühlkreislauf 400, wie in diesem System 200 die vier Wärmetauscher 110, 130, 135, 140 des Kathodenkreises mit dem Stack-Kühlmittelkreislauf 120 und/oder einem Niedertemperatur-Kühlmittelkreislauf 120 thermisch über den Austausch von Kühlmittel gekoppelt sind. Im Unterschied zu dem Kühlkreislauf 300, der in der 3 skizziert ist, sind in dem Kühlkreislauf 400 der erste Wärmetauscher 130 und der vierte Wärmetauscher 135 in Bezug auf das Kühlmittel in dem Kühlmittelkreislauf 400 parallel angeordnet, wobei der erste Wärmetauscher 130 wahlfrei mittels des zweiten Steuerventils 132 in den Kühlkreislauf 400 einbezogen werden kann. Damit ergibt sich die Möglichkeit das System 200 mit dem Kühlmittelkreislauf 400 mittels des zweiten Steuerventils 132 abhängig von einer elektrischen Leistung, die der Brennstoffzellen-Stack abgibt, so geregelt zu steuern, dass eine Temperatur des Kühlmittels, das dem zweiten Wärmetauscher 140 bereitgestellt wird, maximal wird.the 4th shows with the cooling circuit 400 as in this system 200 the four heat exchangers 110 , 130 , 135 , 140 the cathode circuit with the stack coolant circuit 120 and / or a low-temperature coolant circuit 120 are thermally coupled via the exchange of coolant. In contrast to the cooling circuit 300 , the Indian 3 is outlined are in the cooling circuit 400 the first heat exchanger 130 and the fourth heat exchanger 135 in relation to the coolant in the coolant circuit 400 arranged in parallel, the first heat exchanger 130 optionally by means of the second control valve 132 in the cooling circuit 400 can be included. This gives the possibility of the system 200 with the coolant circuit 400 by means of the second control valve 132 depending on an electrical power that the fuel cell stack emits, controlled so that a temperature of the coolant that the second heat exchanger 140 is provided, maximum is.

Die 5 skizziert eine alternative Auslegung des Kühlkreislaufs 500 für das System 200, das vier Wärmetauscher 110, 130, 135, 140 aufweist. Im Unterschied zu dem Kühlkreislauf 400, der in der 4 skizziert ist, sind bei dem Kühlkreislauf 500 der erste Wärmetauscher 130 und der vierte Wärmetauscher 135 in Bezug auf das Kühlmittel hintereinander angeordnet. D.h., dass das Kühlmittel nachdem es durch den ersten Wärmetauscher 130 gepumpt wurde, in den vierten Wärmetauscher 135 gepumpt wird. Dadurch sind der vierte Wärmetauscher 135 und der zweite Wärmetauscher 140 mittels des Kühlmittels in dem Kühlkreislauf 500 für ein möglichst hohes Temperaturniveau am zweiten Wärmetauscher 140 möglichst direkt gekoppelt, um Wärme aus dem Zuführungspfad dem Abluftpfad vor der Abluft-Turbine zuzuführen.the 5 outlines an alternative design of the cooling circuit 500 for the system 200 , the four heat exchangers 110 , 130 , 135 , 140 having. In contrast to the cooling circuit 400 , the Indian 4th is outlined are in the cooling circuit 500 the first heat exchanger 130 and the fourth heat exchanger 135 arranged one behind the other with respect to the coolant. Ie that the coolant after it has passed through the first heat exchanger 130 was pumped into the fourth heat exchanger 135 is pumped. This is the fourth heat exchanger 135 and the second heat exchanger 140 by means of the coolant in the cooling circuit 500 for the highest possible temperature level at the second heat exchanger 140 Coupled as directly as possible in order to supply heat from the supply path to the exhaust air path in front of the exhaust air turbine.

Der Fachmann erkennt, dass neben den hier dargestellten Topologien der Systeme 100, 200 zum Betreiben eines Brennstoffzellen-Stack die erfinderische Lehre auch mit anderen Topologien realisiert werden können. Wie beispielsweise mit einem Luftsystem mit mehrfacher Verdichtung oder einer anderen Schaltung von Pumpen und Ventilen.A person skilled in the art recognizes that in addition to the topologies of the systems shown here 100 , 200 to operate a fuel cell stack, the inventive teaching can also be implemented with other topologies. For example with an air system with multiple compression or another circuit of pumps and valves.

Claims (12)

System (100, 200) zum Betreiben eines Brennstoffzellen-Stacks, mit zumindest einem ersten Wärmetauscher (130), der thermisch an einen Zuführungspfad eines Kathodenkreises des Brennstoffzellen-Stacks gekoppelt ist, und stromabwärts eines Oxidationsmittel-Kompressors (150) in dem Zuführungspfad angeordnet ist; einem zweiten Wärmetauscher (140) und einem dritten Wärmetauscher (110), die jeweils thermisch an einen Abluftpfad des Kathodenkreises des Brennstoffzellen-Stacks gekoppelt sind, wobei der zweite Wärmetauscher (140) stromabwärts vor einer Abluft-Turbine (160) und der dritte Wärmetauscher (110) stromabwärts nach der Abluft-Turbine (160) angeordnet sind; wobei der Oxidationsmittel-Kompressor (150) mit der Abluft-Turbine (160) zu einer Energie-Rekuperation gekoppelt ist; und wobei die jeweiligen Wärmetauscher (110, 130, 140) mittels eines Kühlmittelkreislaufs (300, 400, 500) thermisch miteinander gekoppelt sind.System (100, 200) for operating a fuel cell stack, with at least one first heat exchanger (130), which is thermally coupled to a feed path of a cathode circuit of the fuel cell stack, and disposed downstream of an oxidant compressor (150) in the supply path; a second heat exchanger (140) and a third heat exchanger (110), which are each thermally coupled to an exhaust air path of the cathode circuit of the fuel cell stack, wherein the second heat exchanger (140) is arranged downstream in front of an exhaust air turbine (160) and the third heat exchanger (110) is arranged downstream after the exhaust air turbine (160); wherein the oxidizing agent compressor (150) is coupled to the exhaust air turbine (160) for energy recuperation; and wherein the respective heat exchangers (110, 130, 140) are thermally coupled to one another by means of a coolant circuit (300, 400, 500). System (100, 200) gemäß Anspruch 1, das eingerichtet ist, wahlfrei den Kühlmittelkreislauf mit einem Stack-Kühlmittelkreislauf (120) und/oder einem Niedertemperatur-Kühlmittelkreislauf (120) thermisch zu koppeln.System (100, 200) according to Claim 1 which is set up to optionally thermally couple the coolant circuit with a stack coolant circuit (120) and / or a low-temperature coolant circuit (120). System (100, 200) gemäß Anspruch 2, das ein erstes Steuerventil (125) aufweist, um den Kühlmittelkreislauf mit dem Stack-Kühlmittelkreislauf (120) und/oder dem Niedertemperatur-Kühlmittelkreislauf (120) mittels eines Kühlmittels thermisch zu koppeln.System (100, 200) according to Claim 2 , which has a first control valve (125) to thermally couple the coolant circuit with the stack coolant circuit (120) and / or the low-temperature coolant circuit (120) by means of a coolant. System (100, 200) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, das einen vierten Wärmetauscher (135) und einen Vor-Kompressor (152) im Zuführungspfad aufweist, wobei der Vor-Kompressor (152) stromabwärts vor dem vierten Wärmetauscher (135) angeordnet ist, um ein Oxidationsmittel dem Oxidationsmittel-Kompressor (150) mit erhöhtem Druck zuzuführen.System (100, 200) according to one of the preceding claims, comprising a fourth heat exchanger (135) and a pre-compressor (152) in the supply path, the pre-compressor (152) being arranged downstream in front of the fourth heat exchanger (135), to supply an oxidant to the oxidant compressor (150) at an increased pressure. System (100, 200) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Wärmetauscher (130) mit zumindest dem zweiten Wärmetauscher (140) thermisch gekoppelt ist und eingerichtet ist, Wärme aus dem Zuführungspfad dem Abluftpfad vor der Abluft-Turbine (160) zuzuführen.System (100, 200) according to one of the preceding claims, wherein the first heat exchanger (130) is thermally coupled to at least the second heat exchanger (140) and is set up to supply heat from the supply path to the exhaust air path upstream of the exhaust air turbine (160). System (100, 200) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die jeweiligen Wärmetauscher (110, 130, 135, 140) mittels eines flüssigen Kühlmittels des Kühlmittelkreislaufs thermisch miteinander gekoppelt sind.System (100, 200) according to one of the preceding claims, wherein the respective heat exchangers (110, 130, 135, 140) are thermally coupled to one another by means of a liquid coolant of the coolant circuit. System (100, 200) gemäß Anspruch 6, das eine Kühlmittelpumpe (112) aufweist, die eingerichtet ist, das flüssige Kühlmittel zwischen den jeweiligen Wärmetauschern (110, 120, 130, 135, 140) zu transportieren, um die Wärmetauscher (110, 120, 130, 135, 140) thermisch miteinander zu koppeln.System (100, 200) according to Claim 6 , which has a coolant pump (112) which is set up to transport the liquid coolant between the respective heat exchangers (110, 120, 130, 135, 140) in order to thermally interconnect the heat exchangers (110, 120, 130, 135, 140) to pair. System (100, 200) gemäß Anspruch 7, wobei zumindest der zweite Wärmetauscher (140), der dritte Wärmetauscher (110) und die Kühlmittelpumpe (112) seriell im Kühlmittelkreislauf angeordnet sind, um thermisch miteinander gekoppelt zu sein.System (100, 200) according to Claim 7 , wherein at least the second heat exchanger (140), the third heat exchanger (110) and the coolant pump (112) are arranged in series in the coolant circuit in order to be thermally coupled to one another. System (100, 200) gemäß Anspruch 8, wobei der erste Wärmetauscher (130) und der zweite Wärmetauscher (140) seriell im Kühlmittelkreislauf angeordnet sind, um thermisch miteinander gekoppelt zu sein.System (100, 200) according to Claim 8 , wherein the first heat exchanger (130) and the second heat exchanger (140) are arranged in series in the coolant circuit in order to be thermally coupled to one another. System (100, 200) gemäß Anspruch 8, wobei der vierte Wärmetauscher (135) und der zweite Wärmetauscher (140) parallel im Kühlmittelkreislauf angeordnet sind, um thermisch miteinander gekoppelt zu sein; und das System (100, 200) ein zweites Steuerventil (132) aufweist, über das ein Fluss des Kühlmittels durch den vierten Wärmetauscher (135) und/oder den zweiten Wärmetauscher (140) gesteuert werden kann.System (100, 200) according to Claim 8 wherein the fourth heat exchanger (135) and the second heat exchanger (140) are arranged in parallel in the coolant circuit in order to be thermally coupled to one another; and the system (100, 200) has a second control valve (132) via which a flow of the coolant through the fourth heat exchanger (135) and / or the second heat exchanger (140) can be controlled. Verfahren zum Betrieb des Systems (100, 200) gemäß Anspruch 10, wobei ein zweites Steuerventil (132) abhängig von einer elektrischen Leistung, die der Brennstoffzellen-Stack abgibt, so geregelt wird, dass eine Temperatur des Kühlmittels, das dem zweiten Wärmetauscher (140) bereitgestellt wird, maximal wird.Method for operating the system (100, 200) according to Claim 10 , wherein a second control valve (132) is regulated as a function of an electrical power that the fuel cell stack emits, so that a temperature of the coolant that is provided to the second heat exchanger (140) becomes a maximum. Verwendung des Systems (100, 200) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche zum Betreiben einer mobilen Plattform.Use of the system (100, 200) according to one of the preceding claims for operating a mobile platform.
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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102022208329A1 (en) 2022-08-10 2024-02-15 Robert Bosch Gesellschaft mit beschränkter Haftung Fuel cell system, motor vehicle and temperature control process
WO2024120842A1 (en) * 2022-12-06 2024-06-13 Robert Bosch Gmbh Method for drying a fuel cell system

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