DE102020208824A1 - Heat exchanger system for operating a fuel cell stack - Google Patents

Heat exchanger system for operating a fuel cell stack Download PDF

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Abstract

Es wird ein Wärmetauschersystem zum Betreiben eines Brennstoffzellen-Stacks vorgeschlagen mit:einem ersten Verdichter (142) und einen zweiten Verdichter (150) für das dem Brennstoffzellen-Stack (190) zugeführte Kathodengas, wobei der zweite Verdichter (150) fluidmäßig hinter dem ersten Verdichter (142) angeordnet ist;einer Turbine (155), die mit dem zweiten Verdichter (150) mechanisch gekoppelt ist und von dem abgeführten Kathodengas des Brennstoffzellen-Stacks (190) angeströmt wird;einem ersten Wärmetauscher (110), der thermisch an das zugeführte Kathodengas zwischen dem ersten Verdichter (142) und dem zweiten Verdichter (150) gekoppelt ist;einem zweiten Wärmetauscher (120) der thermisch an das zugeführte Kathodengas hinter dem zweiten Verdichter (150) gekoppelt ist;einem vierten Wärmetauscher (140) der thermisch an das abgeführte Kathodengas hinter der Turbine (155) gekoppelt ist; undeinem fünften Wärmetauscher (115) der eingerichtet ist, thermisch variabel an einen Umgebungs-Luftstrom (116) gekoppelt zu werden; wobei der vierte Wärmetauscher (140) thermisch variabel mit dem ersten Wärmetauscher (110) und dem zweiten Wärmetauscher (120) gekoppelt ist, um einen Wärmeaustausch zur Kühlung des ersten Wärmetauschers (110) und des zweiten Wärmetauschers (120) zu steuern; und wobei der erste Wärmetauscher mittels des fünften Wärmetauschers mit dem zweiten Wärmetauscher thermisch gekoppelt ist.A heat exchanger system for operating a fuel cell stack is proposed, comprising: a first compressor (142) and a second compressor (150) for the cathode gas supplied to the fuel cell stack (190), the second compressor (150) being downstream of the first compressor in terms of fluid (142) is arranged;a turbine (155) which is mechanically coupled to the second compressor (150) and is flowed against by the discharged cathode gas of the fuel cell stack (190);a first heat exchanger (110) which is thermally connected to the supplied cathode gas is coupled between the first compressor (142) and the second compressor (150);a second heat exchanger (120) thermally coupled to the supplied cathode gas downstream of the second compressor (150);a fourth heat exchanger (140) thermally coupled to the exhausted cathode gas is coupled after the turbine (155); anda fifth heat exchanger (115) configured to be thermally variably coupled to an ambient air flow (116); wherein the fourth heat exchanger (140) is thermally variably coupled to the first heat exchanger (110) and the second heat exchanger (120) to control heat exchange for cooling the first heat exchanger (110) and the second heat exchanger (120); and wherein the first heat exchanger is thermally coupled to the second heat exchanger via the fifth heat exchanger.

Description

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.:„proton-exchange-membrane“; Protonen-Austausch-Membran) können mit der Kathode der Brennstoffzelle zugeführter 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.Hydrogen-based fuel cells are considered 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 English: "proton-exchange-membrane"; proton exchange membrane) can be operated with the cathode of the fuel cell supplied air with oxygen as an oxidizing agent and the anode of the fuel cell supplied hydrogen as fuel in an electrocatalytic electrode process to provide electrical energy with a high degree of efficiency.

Das verdichtete Kathodengas kann Temperaturen von bis zu 200°C erreichen. Um nachgeschaltete Komponenten, wie einen Kathodengas-Befeuchter oder den Brennstoffzellen-Stack selbst zu schützen, muss das Kathodengas durch einen Wärmetauscher, wie beispielsweise einen sogenannten Ladeluftkühler, auf <120°C abgekühlt werden.The compressed cathode gas can reach temperatures of up to 200°C. In order to protect downstream components such as a cathode gas humidifier or the fuel cell stack itself, the cathode gas must be cooled to <120°C by a heat exchanger, such as a so-called charge air cooler.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of Invention

Mit einer Mehrzahl von Wärmetauschern in dem zugeführten bzw. abgeführten Kathodengas kann ein Hauptkühlkreis des Brennstoffzellen-Stacks entlastet werden, eine Effizienz der Abgasenthalpierekuperation mittels einer Turbine erhöht werden, eine Effizienz einer zweiten Verdichterstufe mittels einer Zwischenkühlung verbessert werden und der Brennstoffzellen-Stack vor zu hohen Lufteintrittstemperaturen geschützt werden. Dabei muss das Ausmaß dieser Effekte für einen jeweiligen Betriebszustand des Brennstoffzellen-Stacks optimiert werden.With a plurality of heat exchangers in the supplied or discharged cathode gas, a main cooling circuit of the fuel cell stack can be relieved, the efficiency of the exhaust gas enthalpy recuperation can be increased by means of a turbine, the efficiency of a second compressor stage can be improved by means of intermediate cooling and the fuel cell stack can be protected from excessively high levels inlet air temperatures are protected. The extent of these effects must be optimized for a particular operating state of the fuel cell stack.

Entsprechend Aspekten der Erfindung wird ein Wärmetauschersystem zum Betreiben eines Brennstoffzellen-Stacks, ein Verfahren zur Steuerung des Wärmetauschersystems, eine Verwendung des Wärmetauschersystems, ein Computerprogramm und ein maschinenlesbares Speichermedium 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 aspects of the invention, a heat exchanger system for operating a fuel cell stack, a method for controlling the heat exchanger system, a use of the heat exchanger system, a computer program and a machine-readable storage medium are proposed according to the features of the independent claims, which at least partially solve the tasks described. Advantageous configurations are the subject of the dependent claims and the following description.

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass durch eine geeignete thermisch variable Kopplung zwischen den Wärmetauschern des Wärmetauschersystems die Temperaturen des zugeführten und/oder abgeführten Kathodengases für unterschiedliche Betriebsbedingungen des Brennstoffzellen-Stacks optimiert werden können.The invention is based on the knowledge that the temperatures of the supplied and/or discharged cathode gas can be optimized for different operating conditions of the fuel cell stack by a suitable thermally variable coupling between the heat exchangers of the heat exchanger system.

Gemäß einem Aspekt wird ein Wärmetauschersystem zum Betreiben eines Brennstoffzellen-Stacks vorgeschlagen, das einen ersten Verdichter und einen zweiten Verdichter für das dem Brennstoffzellen-Stack zugeführte Kathodengas aufweist, wobei der zweite Verdichter fluidmäßig hinter dem ersten Verdichter angeordnet ist. Weiterhin weist das Wärmetauschersystem eine Turbine auf, die mit dem zweiten Verdichter mechanisch gekoppelt ist und von dem abgeführten Kathodengas des Brennstoffzellen-Stacks angeströmt wird. Zusätzlich weist das Wärmetauschersystem einen ersten Wärmetauscher, der thermisch an das zugeführte Kathodengas zwischen dem ersten Verdichter und dem zweiten Verdichter gekoppelt ist und einen zweiten Wärmetauscher auf, der thermisch an das zugeführte Kathodengas hinter dem zweiten Verdichter gekoppelt ist. Ein vierter Wärmetauscher des Wärmetauschersystems ist thermisch an das abgeführte Kathodengas hinter der Turbine gekoppelt und ein fünfter Wärmetauscher des Wärmetauschersystems ist eingerichtet, thermisch variabel an einen Umgebungs-Luftstrom gekoppelt zu werden. Dabei ist der vierte Wärmetauscher thermisch variabel mit dem ersten Wärmetauscher und dem zweiten Wärmetauscher gekoppelt, um einen Wärmeaustausch zur Kühlung des ersten Wärmetauschers und des zweiten Wärmetauschers zu steuern. Dabei ist der erste Wärmetauscher mittels des fünften Wärmetauschers mit dem zweiten Wärmetauscher thermisch gekoppelt.According to one aspect, a heat exchanger system for operating a fuel cell stack is proposed, which has a first compressor and a second compressor for the cathode gas supplied to the fuel cell stack, the second compressor being arranged downstream of the first compressor in terms of fluid. Furthermore, the heat exchanger system has a turbine, which is mechanically coupled to the second compressor and has the discharged cathode gas of the fuel cell stack flowing against it. Additionally, the heat exchange system includes a first heat exchanger thermally coupled to the supplied cathode gas between the first compressor and the second compressor and a second heat exchanger thermally coupled to the supplied cathode gas downstream of the second compressor. A fourth heat exchanger of the heat exchange system is thermally coupled to the exhausted cathode gas downstream of the turbine, and a fifth heat exchanger of the heat exchange system is configured to be thermally variably coupled to an ambient airflow. The fourth heat exchanger is thermally variably coupled to the first heat exchanger and the second heat exchanger in order to control heat exchange for cooling the first heat exchanger and the second heat exchanger. The first heat exchanger is thermally coupled to the second heat exchanger by means of the fifth heat exchanger.

Eine solche variable thermische Kopplung kann durch Gas-Kühlmittel-Wärmetauscher, mittels des Austausches des Kühlmittels zwischen den Wärmetauschern, durch Gas-Gas-Wärmetauscher, mittels Austausch von Gasströmen zwischen den Wärmetauschern oder andere thermische Kopplungen zwischen den Wärmetauschern, wie beispielsweise durch unterschiedlich wärmeleitende Materialien oder variable Kontaktflächen, für einen Wärmeaustausch zwischen den Wärmetauschern, erreicht werden. Unter einer variablen thermischen Kopplung kann insbesondere eine thermische Kopplung verstanden werden, die im laufenden Betrieb verändert werden kann, aber darüber hinaus auch eine thermische Kopplung, die thermische Kopplungen innerhalb des Wärmetauschersystems konstruktiv variabel einstellen lässt. Letzteres insbesondere durch Einsatz von Drosseln in Fluidströmen, Kontaktflächen zwischen Wärmetauschern etc.Such a variable thermal coupling can be achieved by gas-coolant heat exchangers, by means of the exchange of the coolant between the heat exchangers, by gas-gas heat exchangers, by means of the exchange of gas flows between the heat exchangers or other thermal couplings between the heat exchangers, such as through materials with different thermal conductivity or variable contact surfaces, for heat exchange between the heat exchangers, can be achieved. A variable thermal coupling can be understood in particular as a thermal coupling that can be changed during operation, but also a thermal coupling that allows the thermal couplings within the heat exchanger system to be set constructively variably. The latter in particular through the use of throttles in fluid flows, contact surfaces between heat exchangers, etc.

Richtungsangaben beziehen sich dabei auf eine Richtung der betroffenen Fluide.Directional information relates to a direction of the affected fluids.

Mit einem solchen Wärmetauschersystem kann insbesondere eine Temperatur von Kathodengas-Strömen innerhalb des Wärmetauschersystems optimiert werden.
Insbesondere kann eine Temperatur des Kathodengases zwischen dem ersten Verdichter und dem zweiten Verdichter durch die variable thermische Kopplung auf ein möglichst niedriges Temperaturniveau gebracht werden, um eine bessere Effizienz des zweiten Verdichters zu erreichen, woraus auch eine Entlastung der elektrischen Verdichtung resultiert. Dadurch, dass weniger Energie für die Verdichtung aufgewandt werden muss, kann eine Leistung des Brennstoffzellen-Stacks reduziert werden, woraus reduzierte Kosten resultieren. Vorteilhafterweise resultiert aus der variablen thermischen Kopplung, dass die Kühlung des Kathodengases nach dem zweiten Verdichter auf ein möglichst niedriges Temperaturniveau gebracht werden kann, um einen besonders guten Schutz des Brennstoffzellen-Stacks vor thermischer Degradation und somit eine Erhöhung der Lebensdauer zu ermöglichen. Darüber hinaus ergibt sich vorteilhaft eine Entlastung des Hauptkühlkreises, da ein Teil der Kühlleistung mit der Kathodenluft erreicht wird.
Vorteilhafterweise bewirkt der vierte Wärmetauscher, dass das abgeführte Kathodengas vor einem Auspuff auf ein höheres Temperaturniveau erwärmt wird, um Wassertropfen aus dem Auspuff zu vermindern.
Vorteilhafterweise kann durch den fünften Wärmetauscher, der an einen Umgebungs-Luftstrom gekoppelt ist und damit gekühlt werden kann, ein Kühlmittel, dass einen Wärmeaustausch zwischen den Wärmetauschern bewirkt, noch tiefer abgekühlt werden. Darüber hinaus kann das Kathodengas mittels des fünften Wärmetauschers durch den Umgebungs-Luftstrom, beispielsweise einer mobilen Plattform, die ein solches Wärmetauschersystem aufweist, gekühlt werden.In particular, a temperature of cathode gas flows within the heat exchanger system can be optimized with such a heat exchanger system.
In particular, a temperature of the cathode Gases between the first compressor and the second compressor are brought to the lowest possible temperature level by the variable thermal coupling in order to achieve better efficiency of the second compressor, which also results in a relief of the electrical compression. Because less energy has to be expended for the compression, the performance of the fuel cell stack can be reduced, resulting in reduced costs. Advantageously, the variable thermal coupling means that the cooling of the cathode gas after the second compressor can be brought to the lowest possible temperature level in order to enable particularly good protection of the fuel cell stack against thermal degradation and thus an increase in service life. In addition, the main cooling circuit is advantageously relieved, since part of the cooling capacity is achieved with the cathode air.
Advantageously, the fourth heat exchanger causes the discharged cathode gas to be heated to a higher temperature level before an exhaust to reduce water droplets from the exhaust.
Advantageously, the fifth heat exchanger, which is coupled to an ambient air flow and can thus be cooled, can cool a coolant that causes heat exchange between the heat exchangers even more deeply. In addition, the cathode gas can be cooled by the ambient air flow by means of the fifth heat exchanger, for example a mobile platform that has such a heat exchanger system.

Gemäß einem Aspekt wird vorgeschlagen, dass das Wärmetauschersystem einen dritten Wärmetauscher aufweist, der mit dem abgeführten Kathodengas in Fluidrichtung vor der Turbine thermisch gekoppelt ist, und wobei der zweite Wärmetauscher mit dem dritten Wärmetauscher zum Erhitzen des dritten Wärmetauschers thermisch variabel gekoppelt ist.According to one aspect it is proposed that the heat exchange system has a third heat exchanger which is thermally coupled to the discharged cathode gas upstream of the turbine in the fluid direction, and wherein the second heat exchanger is thermally variably coupled to the third heat exchanger for heating the third heat exchanger.

Mit der thermisch variablen Kopplung kann eine Erwärmung des abgeführten Kathodengases vor der Turbine auf möglichst hohes Temperaturniveau optimiert werden, um eine bessere Effizienz der Turbine und dadurch eine Entlastung der elektrischen Verdichtung zu bewirken. Auch hierbei ist durch die verringerte notwendige elektrische Leistung für die Verdichtung des Kathodengases eine Reduzierung der Leistung des Brennstoffzellen-Stacks möglich, woraus auch eine Reduzierung der Kosten folgen kann.With the thermally variable coupling, heating of the discharged cathode gas in front of the turbine can be optimized to the highest possible temperature level in order to improve the efficiency of the turbine and thereby relieve the electrical compression. Here, too, the reduced electrical power required for the compression of the cathode gas makes it possible to reduce the power of the fuel cell stack, which can also result in a reduction in costs.

Gemäß einem Aspekt wird vorgeschlagen, dass der dritte Wärmetauscher mit dem zweiten Wärmetauscher über den fünften Wärmetauscher thermisch gekoppelt ist. Dies verbessert die Möglichkeit die Temperaturverteilung innerhalb des Wärmetauschersystem an unterschiedliche Umgebungsbedingungen und Betriebsbedingungen anzupassen, um die Komponenten des Wärmetauschersystems und/oder des Brennstoffzellen-Stacks zu schützen und möglichst wenig elektrische Energie für den Betrieb aufwenden zu müssen.According to one aspect it is proposed that the third heat exchanger is thermally coupled to the second heat exchanger via the fifth heat exchanger. This improves the possibility of adapting the temperature distribution within the heat exchanger system to different ambient conditions and operating conditions in order to protect the components of the heat exchanger system and/or the fuel cell stack and to use as little electrical energy as possible for operation.

Gemäß einem Aspekt wird vorgeschlagen, dass der vierte Wärmetauscher sowohl mit dem ersten Wärmetauscher als auch mit dem zweiten Wärmetauscher mittels eines Kühlmittels und eines ersten Dreiwegeventils thermisch variabel gekoppelt ist, um das Kathodengas vor respektive nach dem zweiten Verdichter zu kühlen. Das durch den ersten Wärmetauscher gekühlte Kühlmittel kann durch das Dreiwegeventil so aufgeteilt werden, dass sowohl das Kathodengas nach dem ersten Wärmetauscher als auch nach dem zweiten Wärmetauscher ca. 70°C abgekühlt wird, um den Brennstoffzellen-Stack vor einem Kathodengas mit zu hoher Temperatur zu schützen.According to one aspect it is proposed that the fourth heat exchanger is thermally variably coupled both to the first heat exchanger and to the second heat exchanger by means of a coolant and a first three-way valve in order to cool the cathode gas before or after the second compressor. The coolant cooled by the first heat exchanger can be divided by the three-way valve in such a way that both the cathode gas after the first heat exchanger and after the second heat exchanger is cooled by approx protection.

Gemäß einem Aspekt wird vorgeschlagen, dass der zweite Wärmetauscher thermisch mit dem dritten Wärmetauscher mittels eines Kühlmittels thermisch gekoppelt ist, um dem abgeführten Kathodengas vor der Turbine Wärme zuzuführen. Mittels des Kühlmittels kann die thermische Kopplung auch bei einer kompakten Bauweise des Wärmetauschersystems erreicht werden.According to one aspect it is proposed that the second heat exchanger is thermally coupled to the third heat exchanger by means of a coolant in order to supply heat to the discharged cathode gas in front of the turbine. The thermal coupling can also be achieved with a compact design of the heat exchanger system by means of the coolant.

Gemäß einem Aspekt wird vorgeschlagen, dass der zweite Wärmetauscher mittels eines zweiten Dreiwegeventils thermisch variabel mit dem dritten Wärmetauscher gekoppelt ist.
Dies verbessert die Möglichkeit das Wärmetauschersystem an unterschiedliche Umgebungsbedingungen und Betriebsbedingungen anzupassen, um die Komponenten des Wärmetauschersystems und/oder des Brennstoffzellen-Stacks zu schützen und möglichst wenig elektrische Energie für den Betrieb aufwenden zu müssen.
Durch ein zweites Dreiwegeventil können die Kühlmittelströme vom ersten und zweiten Wärmetauscher und/oder, abhängig vom Umgebungs-Luftstrom, auch vom fünften Wärmetauscher, optimiert zusammengemischt werden, so dass der dritte Wärmetauscher das abgeführte Kathodengas aus dem Brennstoffzellen-Stack auf ein hohes Temperaturniveau bringen kann.According to one aspect, it is proposed that the second heat exchanger is thermally variably coupled to the third heat exchanger by means of a second three-way valve.
This improves the possibility of adapting the heat exchanger system to different environmental conditions and operating conditions in order to protect the components of the heat exchanger system and/or the fuel cell stack and to have to use as little electrical energy for operation as possible.
A second three-way valve allows the coolant flows from the first and second heat exchangers and/or, depending on the ambient air flow, also from the fifth heat exchanger to be optimally mixed together so that the third heat exchanger can bring the discharged cathode gas from the fuel cell stack to a high temperature level .

Gemäß einem Aspekt wird vorgeschlagen, dass das Wärmetauschersystem eine Kühlmittelpumpe aufweist, und die thermische Kopplung mittels des Kühlmittels eingerichtet ist, einen Fluss des Kühlmittels zwischen dem ersten bis fünften Wärmetauscher mittels der Kühlmittelpumpe zu bewirken.According to one aspect, it is proposed that the heat exchanger system has a coolant pump, and the thermal coupling by means of the coolant is set up to cause the coolant to flow between the first to fifth heat exchangers by means of the coolant pump.

Gemäß einem Aspekt wird vorgeschlagen, dass zwischen die thermische Kopplung des vierten Wärmetauschers mit dem ersten und dem zweiten Wärmetauscher eine thermische Kopplung mit einem Kühler-Aggregat eingefügt ist.According to one aspect, it is proposed that a thermal coupling with a cooler unit is inserted between the thermal coupling of the fourth heat exchanger with the first and the second heat exchanger.

Gemäß einem Aspekt wird vorgeschlagen, dass das Kühler-Aggregat einen Leistungselektronik-Kühler und/oder einen Inverter-Kühler und/oder einen Motor-Kühler und/oder einen Wandler-Kühler aufweist.According to one aspect, it is proposed that the cooler assembly has a power electronics cooler and/or an inverter cooler and/or an engine cooler and/or a converter cooler.

Die Rotor-Welle-Einheiten als ein Beispiel für einen Motor-Kühler, die sowohl Elektro-Motor-angetrieben als auch Turbinen-angetrieben sein können, müssen aufgrund von Verlusten bzw. Reibung im Rotor-Welle-System, z.B. Lagerverluste aufgrund der hohen Drehzahlen, gekühlt werden.
Die hier gelisteten Kühler können sowohl seriell als auch parallel als auch gemischt seriell und parallel thermisch an das Wärmetauschersystem gekoppelt sein.
Da insbesondere die Leistungselektronik aber auch die Rotor-Welle-Einheiten ein niedriges Temperaturniveau erfordern, kann das niedrigste Temperaturniveau des Wärmetauschersystems dazu verwendet werden, zunächst die Leistungselektronik und danach die Rotor-Wellen-Einheiten zu kühlen. D. h., dass sowohl eine sequentielle Verschaltung als auch parallele Verschaltung der thermischen Kopplung möglich ist.
Vorteilhafterweise ist somit eine Integration weiterer Wärmequellen in das Gesamtkonzept des Wärmetauschersystems mit einer ganzheitlichen Optimierung möglich.
Darüber hinaus ist eine bauliche Integration in ein Luftmodul möglich, welches die Luftverdichtungskomponenten sowie die Wärmeübertrager-Komponenten des Wärmetauschersystems sowohl kompakt als auch integriert enthält.
Weiterhin können sich Vorteile in Bezug auf einen notwendigen Bauraum ergeben, da für die Kühlung der Leistungselektronik bzw. der Rotor-Wellen-Einheit d. h. der Motor-Kühlung keine separaten Anschlüsse an ein weiteres Kühlsystem erforderlich sind.The rotor-shaft units as an example of a motor cooler, which can be both electric motor-driven and turbine-driven, must be due to losses or friction in the rotor-shaft system, such as bearing losses due to the high speeds , to be cooled.
The coolers listed here can be thermally coupled to the heat exchanger system both in series and in parallel as well as mixed series and parallel.
Since the power electronics in particular, but also the rotor-shaft units, require a low temperature level, the lowest temperature level of the heat exchanger system can be used to first cool the power electronics and then the rotor-shaft units. This means that both sequential connection and parallel connection of the thermal coupling is possible.
It is thus advantageously possible to integrate further heat sources into the overall concept of the heat exchanger system with holistic optimization.
In addition, structural integration into an air module is possible, which contains the air compression components and the heat exchanger components of the heat exchanger system both in a compact and integrated manner.
Furthermore, there can be advantages with regard to the necessary installation space, since no separate connections to a further cooling system are required for cooling the power electronics or the rotor-shaft unit, ie the motor cooling.

Somit kann erreicht werden, dass auch weitere Aggregate optimiert gekühlt werden.It can thus be achieved that other units are also optimally cooled.

Gemäß einem Aspekt wird vorgeschlagen, dass der fünfte Wärmetauscher Bestandteil eines Niedertemperaturkreislaufs einer mobilen Plattform ist.According to one aspect it is proposed that the fifth heat exchanger is part of a low-temperature circuit of a mobile platform.

Gemäß einem Aspekt wird vorgeschlagen, dass die Kühlmittelpumpe Bestandteil des Niedertemperaturkreislaufs der mobilen Plattform ist.According to one aspect it is proposed that the coolant pump is part of the low-temperature circuit of the mobile platform.

Mobile Plattform bzw. Fahrzeuge die für den Niedertemperaturkreislauf des Brennstoffzellensystems schon einen Wärmetauscher mit der Umgebungsluft und eine Kühlmittelpumpe aufweisen, können diese in das hier beschriebene Wärmetauschersystem integrieren, um wirtschaftliche Aufwendungen für zusätzliche Komponenten einzusparen.Mobile platforms or vehicles that already have a heat exchanger with the ambient air and a coolant pump for the low-temperature circuit of the fuel cell system can integrate them into the heat exchanger system described here in order to save economic expenses for additional components.

Es wird ein Verfahren zur Steuerung eines oben beschriebenen Wärmetauschersystems vorgeschlagen, wobei das Wärmetauschersystem einen ersten Temperatursensor und einen zweiten Temperatursensor aufweist, und der erste Temperatursensor angeordnet ist, eine Temperatur des zugeführten Kathodengases vor dem zweiten Verdichter (150) zu messen und der zweite Temperatursensor angeordnet ist, eine Temperatur des abgeführten Kathodengases vor der Turbine (155) zu messen. Dabei wird das erste und/oder zweite Dreiwegeventil so gesteuert, dass die Temperatur des zweiten Temperatursensors maximal wird und/oder die Temperatur des ersten Temperatursensors minimal wird.A method for controlling a heat exchanger system as described above is proposed, wherein the heat exchanger system has a first temperature sensor and a second temperature sensor, and the first temperature sensor is arranged to measure a temperature of the supplied cathode gas upstream of the second compressor (150) and the second temperature sensor is arranged is to measure a temperature of the discharged cathode gas before the turbine (155). The first and/or second three-way valve is controlled in such a way that the temperature of the second temperature sensor is at a maximum and/or the temperature of the first temperature sensor is at a minimum.

Gemäß einem Aspekt wird vorgeschlagen, dass bei dem Verfahren zur Steuerung eines oben beschriebenen Wärmetauschersystems eine Zufuhr des Umgebungs-Luftstroms zu dem fünften Wärmetauscher so gesteuert wird, dass die Temperatur des zweiten Temperatursensors maximal wird und/oder die Temperatur des ersten Temperatursensors minimal wird.According to one aspect, it is proposed that in the method for controlling a heat exchanger system described above, a supply of the ambient air flow to the fifth heat exchanger is controlled such that the temperature of the second temperature sensor is at a maximum and/or the temperature of the first temperature sensor is at a minimum.

Es wird eine Verwendung eines oben beschriebenen Wärmetauschersystems zum Betrieb eines Brennstoffzellen-Stacks vorgeschlagen, der eine mobile Plattform mit elektrischer Energie versorgt.A use of a heat exchanger system described above for the operation of a fuel cell stack is proposed, which supplies a mobile platform with electrical energy.

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 in terms of at least partially automated functionality, but a mobile platform also includes vehicles and other mobile machines including driver assistance systems. Other examples of mobile platforms can be driver assistance systems with multiple sensors, mobile multi-sensor robots such as robotic vacuum cleaners or lawn mowers, a multi-sensor monitoring system, a manufacturing machine, a personal assistant or an access control system. Each of these systems can be a fully or partially autonomous system.

Da eine effektive Verwendung von elektrischer Energie für den Betrieb eines Brennstoffzellensystems insbesondere bei mobilen Plattformen relevant ist, ergeben sich die Vorteile eines solchen Wärmetauschersystems insbesondere für die elektrische Versorgung einer mobilen Plattform.Since an effective use of electrical energy is relevant for the operation of a fuel cell system, in particular in the case of mobile platforms, the advantages of such a heat exchanger system result in particular for the electrical supply of a mobile platform.

Das beschriebene Wärmetauschersystem zum Betreiben eines Brennstoffzellen-Stacks kann auch für stationäre Anwendungen eingesetzt werden.The heat exchanger system described for operating a fuel cell stack can also be used for stationary applications.

Es wird ein Computerprogramm vorgeschlagen, das Befehle umfasst, die bei der Ausführung des Programms durch einen Computer diesen veranlassen, eines der oben beschriebenen Verfahren auszuführen. Ein solches Computerprogramm ermöglicht einen einfachen Einsatz des beschriebenen Verfahrens in unterschiedlichen Systemen.A computer program is proposed which comprises instructions which, when the program is executed by a computer, cause the computer to carry out one of the methods described above. Such a computer program enables the method described to be used easily in different systems.

Es wird ein maschinenlesbares Speichermedium angegeben, auf dem das oben beschriebene Computerprogramm gespeichert ist.A machine-readable storage medium is specified, on which the computer program described above is stored.

Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der 1 und 2 näher erläutert. Hierbei zeigt die:

  • 1 ein Wärmetauschersystem zum Betreiben eines Brennstoffzellen-Stacks; und
  • 2 eine Abwandlung des Wärmetauschersystems zum Betreiben eines Bren nstoffzel len-Stacks.
In the following, exemplary embodiments of the invention are based on the 1 and 2 explained in more detail. Here the shows:
  • 1 a heat exchange system for operating a fuel cell stack; and
  • 2 a modification of the heat exchanger system for operating a fuel cell stack.

Die 1 skizziert ein Wärmetauschersystem 100 zum Betreiben eines Brennstoffzellen-Stacks mit einer Kathodenseite 195 des Brennstoffzellen-Stacks 190, einem ersten Verdichter 142 und einem zweiten Verdichter 150, der mechanisch mit einer Turbine 155 gekoppelt ist.the 1 outlines a heat exchanger system 100 for operating a fuel cell stack with a cathode side 195 of the fuel cell stack 190, a first compressor 142 and a second compressor 150, which is mechanically coupled to a turbine 155.

In einem Kathodenpfad wird ein Kathodengas der Kathodenseite 195 des Brennstoffzellen-Stacks 190 zugeführt und stromabwärts der Kathodenseite 195
in die Umgebung geleitet.
Stromaufwärts wird für die Versorgung der Kathodenseite 195 des Brennstoffzellen-Stacks 190 Luft als Kathodengas aus der Umgebung 191 über
einen Luftfilter 145 geführt, um schädliche Partikel und insbesondere schädliche chemische Verbindungen aus der Luft zu filtern. Mittels eines ersten Verdichters 142, der mit einem Motor M angetrieben wird, wird ein Kathodengas-Strom der gefilterten Luft einem ersten Wärmetauscher 110 zugeführt, der thermisch mit dem Kathodengas-Strom gekoppelt ist. Der erste Wärmetauscher 110 nimmt Wärme aus dem komprimierten Kathodengas-Strom auf, um das durch den
ersten Verdichter 142 erwärmte Kathodengas vor der zweiten Verdichtung mittels eines zweiten Verdichters 150 zu kühlen, um die Effizienz des Verdichtungsvorgangs des Kathodengas-Stroms zu erhöhen. Diese Wärme koppelt der erste Wärmetauscher 110 an ein Kühlmittel, dass thermisch mit dem ersten Wärmetauscher 110 gekoppelt ist. Der abgekühlte Kathodengas-Strom wird dem zweiten Verdichter 150 zugeführt, um weiter verdichtet zu werden.In a cathode path, a cathode gas is supplied to the cathode side 195 of the fuel cell stack 190 and downstream to the cathode side 195
directed to the environment.
Upstream, for supplying the cathode side 195 of the fuel cell stack 190 , air is transferred from the environment 191 as cathode gas
an air filter 145 to filter harmful particles and in particular harmful chemical compounds from the air. By means of a first compressor 142, which is driven by a motor M, a cathode gas stream of the filtered air is fed to a first heat exchanger 110, which is thermally coupled to the cathode gas stream. The first heat exchanger 110 absorbs heat from the compressed cathode gas stream to the through
to cool cathode gas heated by the first compressor 142 before the second compression by means of a second compressor 150 in order to increase the efficiency of the compression process of the cathode gas stream. The first heat exchanger 110 couples this heat to a coolant that is thermally coupled to the first heat exchanger 110 . The cooled cathode gas stream is fed to the second compressor 150 to be further compressed.

Mittels des zweiten Verdichters 150, der beispielsweise ohne einen Motor angetrieben wird, wird der weiter verdichtete Kathodengas-Strom einem zweiten Wärmetauscher 120 zugeführt, der thermisch mit dem weiter verdichteten Kathodengas-Strom gekoppelt ist. Der zweite Wärmetauscher 120 nimmt Wärme aus dem weiter verdichteten Kathodengas-Strom auf, um das durch den zweiten Verdichter 150 erwärmte Kathodengas zu kühlen, um eine Eintrittstemperatur des Kathodengas-Stroms in die Kathodenseite 195 des Brennstoffzellen-Stacks 190 zu kontrollieren. Diese Wärme koppelt der zweite Wärmetauscher 120 an das Kühlmittel, das thermisch mit dem zweiten Wärmetauscher 120 gekoppelt ist. Dieser wiederum abgekühlte Kathodengas-Strom wird zu einem Eingangsanschluss der Kathodenseite 195 des Brennstoffzellen-Stacks 190 geleitet.By means of the second compressor 150, which is driven, for example, without a motor, the further compressed cathode gas flow is fed to a second heat exchanger 120, which is thermally coupled to the further compressed cathode gas flow. The second heat exchanger 120 absorbs heat from the further compressed cathode gas flow to cool the cathode gas heated by the second compressor 150 to control an entry temperature of the cathode gas flow into the cathode side 195 of the fuel cell stack 190 . The second heat exchanger 120 couples this heat to the coolant, which is thermally coupled to the second heat exchanger 120 . This in turn cooled cathode gas flow is conducted to an input connection of the cathode side 195 of the fuel cell stack 190 .

Stromabwärts des Brennstoffzellen-Stacks 190 wird der Kathodengas-Strom über einen Ausgangsanschluss 192 der Kathodenseite 195 des Brennstoffzellen-Stacks 190, einem dritten Wärmetauscher 130 zugeführt, der thermisch mit dem aus der Kathodengas-Seite 195 des Brennstoffzellen-Stacks 190 abgeführten Kathodengas-Strom gekoppelt ist.
Der dritte Wärmetauscher 130 gibt Wärme an den abgeführten Kathodengas-Strom ab, um den abgeführten Kathodengas-Strom zu erwärmen, damit eine Temperatur des abgeführten Kathodengas-Stroms für einen effektiven Betrieb der stromabwärts angeordneten Turbine erhöht wird. Diese Wärme koppelt der dritte Wärmetauscher 130 aus dem Kühlmittel, das thermisch mit dem dritten Wärmetauscher 130 gekoppelt ist. Dieser erwärmte abgeführte Kathodengas-Strom wird zur Turbine 155 für einen Betrieb der Turbine 155 zur Rekuperation von Energie aus dem abgeführten Kathodengas-Strom geführt.
Aus der Turbine 155 wird der entspannte Kathodengas-Strom einem vierten Wärmetauscher 140 zugeführt, der thermisch mit dem entspannten Kathodengas-Strom gekoppelt ist.
Der vierte Wärmetauscher 140 ist mit dem Kühlmittel thermisch gekoppelt und gibt Wärme aus dem Kühlmittel an den entspannten Kathodengas-Strom ab, um die Temperatur des Kühlmittels zu senken.Downstream of the fuel cell stack 190, the cathode gas flow is fed via an outlet connection 192 to the cathode side 195 of the fuel cell stack 190, to a third heat exchanger 130, which is thermally coupled to the cathode gas flow discharged from the cathode gas side 195 of the fuel cell stack 190 is.
The third heat exchanger 130 gives off heat to the discharged cathode gas flow to heat the discharged cathode gas flow to increase a temperature of the discharged cathode gas flow for effective operation of the downstream turbine. The third heat exchanger 130 couples this heat from the coolant, which is thermally coupled to the third heat exchanger 130 . This heated discharged cathode gas stream is routed to turbine 155 for operation of turbine 155 to recuperate energy from the discharged cathode gas stream.
From the turbine 155, the expanded cathode gas flow is fed to a fourth heat exchanger 140, which is thermally coupled to the expanded cathode gas flow.
The fourth heat exchanger 140 is thermally coupled to the coolant and transfers heat from the coolant to the expanded cathode gas flow to lower the temperature of the coolant.

Der auf diese Weise erwärmte, stromabwärts der Kathodenseite 195 des Brennstoffzellen-Stacks 190 fließende Kathodengas-Strom, der aus dem vierten Wärmetauscher 140 austritt, wird dann an die Umgebung des Brennstoffzellen-Stacks 190 abgegeben.The thus heated downstream of the cathode side 195 of the fuel cell stack 190 flowing cathode gas stream exiting the fourth heat exchanger 140 is then released to the environment of the fuel cell stack 190.

Das gekühlte Kühlmittel, das aus dem vierten Wärmetauscher 140 austritt, wird über ein erstes Dreiwegeventil 161 sowohl dem ersten Wärmetauscher 110 als auch dem zweiten Wärmetauscher 120 zugeführt und kann durch das steuerbare Dreiwegeventil 161 eine thermisch variable Kopplung des vierten Wärmetauschers 140 mit dem ersten Wärmetauscher 110 und dem zweiten Wärmetauscher 120 bereitstellen.The cooled coolant exiting the fourth heat exchanger 140 is fed via a first three-way valve 161 both to the first heat exchanger 110 and to the second heat exchanger 120 and can, through the controllable three-way valve 161, provide a thermally variable coupling of the fourth heat exchanger 140 to the first heat exchanger 110 and the second heat exchanger 120 provide.

Das erwärmte Kühlmittel, das aus dem ersten Wärmetauscher 110 und dem zweiten Wärmetauscher 120 austritt, wird über ein zweites steuerbares Dreiwegeventil 162 dem dritten Wärmetauscher 130 zugeführt und kann dadurch eine thermisch variable Kopplung des ersten Wärmetauschers 110 und des zweiten Wärmetauschers 120 mit dem dritten Wärmetauscher 130 bereitstellen.The heated coolant, which exits the first heat exchanger 110 and the second heat exchanger 120, is fed to the third heat exchanger 130 via a second controllable three-way valve 162 and can thereby provide a thermally variable coupling of the first heat exchanger 110 and the second heat exchanger 120 to the third heat exchanger 130 provide.

Dabei wird das erwärmte Kühlmittel, das aus dem ersten Wärmetauscher 110 austritt, erst einem fünften Wärmetauscher 115 zugeführt, dessen Kühlmittel-Ausgang mit dem Kühlmittel-Eingang des zweiten Wärmetauschers 120 thermisch mittels des Kühlmittels gekoppelt ist.
Da der fünfte Wärmetauscher 115 mit einem Umgebungs-Luftstrom 116 thermisch gekoppelt ist, kann durch eine Steuerung der thermischen Kopplung des Umgebungs-Luftstroms 116 mit dem fünften Wärmetauscher 115 die thermische Kopplung des ersten Wärmetauschers 110 sowohl mit dem zweiten Wärmetauscher 120 als auch mit dem dritten Wärmetauscher 130 variabel eingestellt werden. Dabei kann die Steuerung der thermischen Kopplung des Umgebungs-Luftstroms 116 mit dem fünften Wärmetauscher 115 durch Beeinflussung des Luftstroms, beispielsweise mittels Klappen oder Lüftern, erfolgen.
Der Kühlmittel-Ausgang des dritten Wärmetauschers 130 ist auch mit dem Kühlmittel-Eingang des fünften Wärmetauschers 115 fluidmäßig über das Kühlmittel und somit thermisch gekoppelt.
Somit kann mittels einer Steuerung des ersten Dreiwegeventils 161 und des zweiten Dreiwegeventils 162 der Wärmeaustausch zwischen den Wärmetauschern und zusätzlich durch eine Steuerung des Umgebungs-Luftstroms 116 zum fünften Wärmetauscher 115 so gesteuert werden, dass der Wärmeaustausch für unterschiedliche Betriebsbedingungen des Brennstoffzellen-Stacks optimiert werden kann.In this case, the heated coolant which emerges from the first heat exchanger 110 is first fed to a fifth heat exchanger 115, the coolant outlet of which is thermally coupled to the coolant inlet of the second heat exchanger 120 by means of the coolant.
Since the fifth heat exchanger 115 is thermally coupled to an ambient airflow 116, by controlling the thermal coupling of the ambient airflow 116 to the fifth heat exchanger 115, the thermal coupling of the first heat exchanger 110 to both the second heat exchanger 120 and the third Heat exchanger 130 can be adjusted variably. In this case, the thermal coupling of the ambient air flow 116 to the fifth heat exchanger 115 can be controlled by influencing the air flow, for example by means of flaps or fans.
The coolant outlet of the third heat exchanger 130 is also fluidly coupled via the coolant and thus thermally to the coolant inlet of the fifth heat exchanger 115 .
Thus, by controlling the first three-way valve 161 and the second three-way valve 162, the heat exchange between the heat exchangers and additionally by controlling the ambient air flow 116 to the fifth heat exchanger 115 can be controlled in such a way that the heat exchange can be optimized for different operating conditions of the fuel cell stack .

Über eine Kühlmittelpumpe 165, deren Kühlmittel-Eingangsanschluss mit dem zweiten Dreiwegeventil 162 gekoppelt ist, wird der Kühlmittelkreislauf geschlossen, indem der Kühlmittel-Ausgangsanschluss der Kühlmittelpumpe 165 mit dem Kühlmittel-Eingangsanschluss des vierten Wärmetauschers 140, fluidmäßig mittels des Kühlmittels, gekoppelt ist. Die Kühlmittelpumpe 165 kann auch in einer anderen Position eingebaut werden, z.B. zwischen den vierten Wärmetauscher 140 und das erste Dreiwegventil 161.The coolant circuit is closed via a coolant pump 165, whose coolant inlet connection is coupled to the second three-way valve 162, in that the coolant outlet connection of the coolant pump 165 is fluidly coupled to the coolant inlet connection of the fourth heat exchanger 140 by means of the coolant. The coolant pump 165 can also be installed in a different position, e.g. between the fourth heat exchanger 140 and the first three-way valve 161.

Dabei können alle Wärmetauscher 110, 120, 130, 140 mit dem Kühlmittel in Bezug auf den Kathodengas-Strom im Gegenstromprinzip betrieben werden.In this case, all heat exchangers 110, 120, 130, 140 can be operated with the coolant in relation to the cathode gas flow in the countercurrent principle.

Die 2 skizziert eine Abwandlung des Wärmetauschersystems 100 in dem der fünfte Wärmetauscher 115 und die Kühlmittelpumpe 165 Bestandteile 210, 220 eines Niedertemperaturkreislaufs 230 einer mobilen Plattform sind. Dabei kann der fünfte Wärmetauscher 115 als Bestandteil 210 des Niedertemperaturkreislaufs über eine Koppeleinrichtung 211 fluidmäßig an den Niedertemperaturkreislauf 230 gekoppelt sein. Weiterhin kann die Kühlmittelpumpe 165 als Bestandteil 220 des Niedertemperaturkreislaufs 230 fluidmäßig an den Niedertemperaturkreislauf 230 gekoppelt sein.the 2 outlines a modification of the heat exchanger system 100 in which the fifth heat exchanger 115 and the coolant pump 165 are components 210, 220 of a low-temperature circuit 230 of a mobile platform. The fifth heat exchanger 115 as a component 210 of the low-temperature circuit can be fluidly coupled to the low-temperature circuit 230 via a coupling device 211 . Furthermore, the coolant pump 165 can be fluidly coupled to the low-temperature circuit 230 as a component 220 of the low-temperature circuit 230 .

Mobile Plattform bzw. Fahrzeuge, die für den Niedertemperaturkreislauf des Brennstoffzellensystems schon einen Wärmetauscher mit der Umgebungsluft und eine Kühlmittelpumpe aufweisen, können diese in das hier beschriebene Wärmetauschersystem integrieren, um wirtschaftliche Aufwendungen für zusätzliche Komponenten einzusparen.Mobile platforms or vehicles, which already have a heat exchanger with the ambient air and a coolant pump for the low-temperature circuit of the fuel cell system, can integrate them into the heat exchanger system described here in order to save economic expenses for additional components.

Der Fachmann erkennt, dass neben den hier dargestellten Topologien des Wärmetauschersystems zum Betreiben eines Brennstoffzellen-Stacks die erfinderische Lehre auch mit anderen Topologien realisiert werden kann. Wie beispielsweise mit einem Luftsystem mit mehrfacher Verdichtung oder einer anderen Schaltung von Pumpen und Ventilen.The person skilled in the art recognizes that in addition to the topologies of the heat exchanger system presented here for operating a fuel cell stack, the inventive teaching can also be implemented with other topologies. Such as with a multi-compression air system or other circuit of pumps and valves.

Claims (15)

Wärmetauschersystem (100) zum Betreiben eines Brennstoffzellen-Stacks (190), aufweisend: einen ersten Verdichter (142) und einen zweiten Verdichter (150) für das dem Brennstoffzellen-Stack (190) zugeführte Kathodengas, wobei der zweite Verdichter (150) fluidmäßig hinter dem ersten Verdichter (142) angeordnet ist; eine Turbine (155), die mit dem zweiten Verdichter (150) mechanisch gekoppelt ist und von dem abgeführten Kathodengas des Brennstoffzellen-Stacks (190) angeströmt wird; einen ersten Wärmetauscher (110), der thermisch an das zugeführte Kathodengas zwischen dem ersten Verdichter (142) und dem zweiten Verdichter (150) gekoppelt ist; einen zweiten Wärmetauscher (120) der thermisch an das zugeführte Kathodengas hinter dem zweiten Verdichter (150) gekoppelt ist; einen vierten Wärmetauscher (140) der thermisch an das abgeführte Kathodengas hinter der Turbine (155) gekoppelt ist; und einen fünften Wärmetauscher (115) der eingerichtet ist, thermisch variabel an einen Umgebungs-Luftstrom (116) gekoppelt zu werden; wobei der vierte Wärmetauscher (140) thermisch variabel mit dem ersten Wärmetauscher (110) und dem zweiten Wärmetauscher (120) gekoppelt ist, um einen Wärmeaustausch zur Kühlung des ersten Wärmetauschers (110) und des zweiten Wärmetauschers (120) zu steuern; und wobei der erste Wärmetauscher mittels des fünften Wärmetauschers mit dem zweiten Wärmetauscher thermisch gekoppelt ist.Heat exchanger system (100) for operating a fuel cell stack (190), comprising: a first compressor (142) and a second compressor (150) for the fuel cell stack (190) supplied cathode gas, the second compressor (150) fluidly downstream the first compressor (142) is arranged; a turbine (155) which is mechanically coupled to the second compressor (150) and is flowed against by the discharged cathode gas of the fuel cell stack (190); a first heat exchanger (110) thermally coupled to the supplied cathode gas between the first compressor (142) and the second compressor (150); a second heat exchanger (120) of thermal coupled to the supplied cathode gas after the second compressor (150); a fourth heat exchanger (140) thermally coupled to the exhausted cathode gas after the turbine (155); and a fifth heat exchanger (115) configured to be thermally variably coupled to an ambient airflow (116); wherein the fourth heat exchanger (140) is thermally variably coupled to the first heat exchanger (110) and the second heat exchanger (120) to control heat exchange for cooling the first heat exchanger (110) and the second heat exchanger (120); and wherein the first heat exchanger is thermally coupled to the second heat exchanger via the fifth heat exchanger. Wärmetauschersystem (100) gemäß Anspruch 1, das einen dritten Wärmetauscher (130) aufweist, der mit dem abgeführten Kathodengas in Fluidrichtung vor der Turbine (155) thermisch gekoppelt ist, und wobei der zweite Wärmetauscher (120) mit dem dritten Wärmetauscher (130) zum Erhitzen des dritten Wärmetauschers (130) thermisch variabel gekoppelt ist.Heat exchanger system (100) according to claim 1 Having a third heat exchanger (130) thermally coupled to the discharged cathode gas fluidly upstream of the turbine (155), and wherein the second heat exchanger (120) communicates with the third heat exchanger (130) for heating the third heat exchanger (130) is thermally variably coupled. Wärmetauschersystem (100) gemäß Anspruch 2, wobei der dritte Wärmetauscher mit dem zweiten Wärmetauscher über den fünften Wärmetauscher thermisch gekoppelt ist.Heat exchanger system (100) according to claim 2 , wherein the third heat exchanger is thermally coupled to the second heat exchanger via the fifth heat exchanger. Wärmetauschersystem (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der vierte Wärmetauscher (140) sowohl mit dem ersten Wärmetauscher (110) als auch mit dem zweiten Wärmetauscher (120) mittels eines Kühlmittels und eines ersten Dreiwegeventils (161) thermisch variabel gekoppelt ist, um das Kathodengas vor respektive nach dem zweiten Verdichter (150) zu kühlen.Heat exchanger system (100) according to any one of the preceding claims, wherein the fourth heat exchanger (140) is thermally variably coupled to both the first heat exchanger (110) and the second heat exchanger (120) by means of a coolant and a first three-way valve (161) in order to to cool the cathode gas before or after the second compressor (150). Wärmetauschersystem (100) gemäß einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei der zweite Wärmetauscher (120) thermisch mit dem dritten Wärmetauscher (130) mittels eines Kühlmittels thermisch gekoppelt ist, um dem abgeführten Kathodengas vor der Turbine (155) Wärme zuzuführen.Heat exchanger system (100) according to any one of claims 2 until 4 wherein the second heat exchanger (120) is thermally coupled to the third heat exchanger (130) by a coolant to add heat to the discharged cathode gas in front of the turbine (155). Wärmetauschersystem (100) gemäß einem der Ansprüche 2 bis 5, das eine Kühlmittelpumpe (165) aufweist, und die thermische Kopplung mittels des Kühlmittels eingerichtet ist, einen Fluss des Kühlmittels zwischen dem ersten bis fünften Wärmetauscher (110, 120, 130, 140) mittels der Kühlmittelpumpe (165) zu bewirken.Heat exchanger system (100) according to any one of claims 2 until 5 Having a coolant pump (165), and the thermal coupling is set up by means of the coolant to cause a flow of coolant between the first to fifth heat exchanger (110, 120, 130, 140) by means of the coolant pump (165). Wärmetauschersystem gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zwischen die thermische Kopplung des vierten Wärmetauschers (140) mit dem ersten (110) und dem zweiten Wärmetauscher (120) eine thermische Kopplung mit einem Kühler-Aggregat eingefügt ist.Heat exchanger system according to one of the preceding claims, wherein a thermal coupling with a cooler unit is inserted between the thermal coupling of the fourth heat exchanger (140) with the first (110) and the second heat exchanger (120). Wärmetauschersystem gemäß Anspruch 7, wobei das Kühler-Aggregat einen Leistungselektronik-Kühler und/oder einen Inverter-Kühler und/oder einen Motor-Kühler und/oder einen Wandler-Kühler aufweist.Heat exchanger system according to claim 7 , wherein the cooler unit has a power electronics cooler and/or an inverter cooler and/or an engine cooler and/or a converter cooler. Wärmetauschersystem gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der fünfte Wärmetauscher (115) Bestandteil eines Niedertemperaturkreislaufs einer mobilen Plattform ist.Heat exchange system according to one of the preceding claims, wherein the fifth heat exchanger (115) is part of a low-temperature circuit of a mobile platform. Wärmetauschersystem gemäß Anspruch 6 bis 9, wobei die Kühlmittelpumpe (165) Bestandteil des Niedertemperaturkreislaufs der mobilen Plattform ist.Heat exchanger system according to claim 6 until 9 , wherein the coolant pump (165) is part of the low-temperature circuit of the mobile platform. Verfahren zur Steuerung eines Wärmetauschersystems (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Wärmetauschersystem (100) einen ersten Temperatursensor und einen zweiten Temperatursensor aufweist, und der erste Temperatursensor angeordnet ist eine Temperatur des zugeführten Kathodengases vor dem zweiten Verdichter (150) zu messen und der zweite Temperatursensor angeordnet ist eine Temperatur des abgeführten Kathodengases vor der Turbine (155) zu messen, und das erste (161) und/oder zweite Dreiwegeventil (162) so gesteuert wird, dass die Temperatur des zweiten Temperatursensors maximal wird und/oder die Temperatur des ersten Temperatursensors minimal wird.Method for controlling a heat exchanger system (100) according to one of the preceding claims, wherein the heat exchanger system (100) has a first temperature sensor and a second temperature sensor, and the first temperature sensor is arranged to measure a temperature of the supplied cathode gas upstream of the second compressor (150) and the second temperature sensor is arranged to measure a temperature of the discharged cathode gas upstream of the turbine (155), and the first (161) and/or second three-way valve (162) is controlled such that the temperature of the second temperature sensor becomes maximum and/or the temperature of the first temperature sensor becomes minimal. Verfahren gemäß Anspruch 11, wobei eine Zufuhr des Umgebungs-Luftstroms zu dem fünften Wärmetauscher so gesteuert wird, dass die Temperatur des zweiten Temperatursensors maximal wird und/oder die Temperatur des ersten Temperatursensors minimal wird.procedure according to claim 11 , wherein a supply of the ambient air flow to the fifth heat exchanger is controlled such that the temperature of the second temperature sensor becomes maximum and/or the temperature of the first temperature sensor becomes minimum. Verwendung eines Wärmetauschersystems (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10 zum Betrieb eines Brennstoffzellen-Stacks, der eine mobile Plattform mit elektrischer Energie versorgt.Use of a heat exchanger system (100) according to one of Claims 1 until 10 to operate a fuel cell stack that supplies a mobile platform with electrical energy. Computerprogramm, umfassend Befehle, die bei der Ausführung des Computerprogramms durch einen Computer diesen veranlassen, das Verfahren gemäß Anspruch 11 oder 12 auszuführen.Computer program, comprising instructions which, when the computer program is executed by a computer, cause the latter to carry out the method according to claim 11 or 12 to execute. Maschinenlesbares Speichermedium, auf dem das Computerprogrammprodukt nach Anspruch 14 gespeichert ist.Machine-readable storage medium on which the computer program product Claim 14 is saved.
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