DE102021204643A1

DE102021204643A1 - Brennstoffzellensystem ohne Energierekuperation und ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Brennstoffzellensystems

Info

Publication number: DE102021204643A1
Application number: DE102021204643.6A
Authority: DE
Inventors: Jochen Braun
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2021-05-07
Filing date: 2021-05-07
Publication date: 2022-11-10
Also published as: WO2022233762A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem (100), aufweisend mindestens eine Brennstoffzelle (101) und ein Kathodensystem (10) zum Bereitstellen eines sauerstoffhaltigen Reaktanten in Form einer Zuluft (L1) an die mindestens eine Brennstoffzelle (101), wobei das Kathodensystem (10) eine Zuluftleitung (11) zum Bereitstellen der Zuluft (L1) zu der mindestens einen Brennstoffzelle (101) und eine Abluftleitung (12) zum Abführen einer Abluft (L2) von der mindestens einen Brennstoffzelle (101) aufweist, wobei das Kathodensystem (10) rekuperationsfrei ausgeführt ist, und wobei zwischen der Zuluftleitung (11) und der Abluftleitung (12) des Kathodensystems (10) mindestens ein Wärmeübertrager (20) vorgesehen ist, der dazu ausgeführt ist, thermische Energie von der Zuluft (L1) zu der Abluft (L2) passiv zu übertragen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem ohne Energierekuperation in einer Abluftleitung eines Kathodensystems nach dem Oberbegriff des unabhängigen Vorrichtungsanspruches. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems nach dem Oberbegriff des unabhängigen Verfahrensanspruches.
Stand der Technik
In Antriebssystemen mit Brennstoffzellensystemen wird i. d. R. Sauerstoff aus der Umgebungsluft benutzt, um in einer Brennstoffzelle mit Wasserstoff zu Wasser bzw. Wasserdampf zu reagieren und damit eine elektrische Energie zu gewinnen. Die Umgebungsluft ist mittels eines Luftfördersystems bzw. Luftverdichtungssystems dem Brennstoffzellenstapel zuzuführen. Hierzu sind ein entsprechender Luftmassenstrom und ein entsprechendes Druckniveau notwendig. Werden höhere Betriebsdrücke im Kathodensystem benötigt, bspw. um hohe Leistungsdichten zu erreichen, so ist dies mit einem entsprechend erhöhten Aufwand bei der Luftverdichtung verbunden. Dies führt zu erhöhten Temperaturen der verdichteten Luft im Kathodensystem. Die verdichtete Luft muss abgekühlt werden, um die maximal zulässigen Eintrittstemperaturen in die Brennstoffzelle oder in einen optional vorhandenen Befeuchter, wenn vorhanden, einzuhalten. Die Abfuhr von Wärme aus dem Luftsystem erhöht die Anforderungen an das Kühlsystem.
Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung sieht gemäß einem ersten Aspekt ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des unabhängigen Vorrichtungsanspruches, insbesondere aus dem kennzeichnenden Teil, vor. Ferner sieht die Erfindung gemäß einem zweiten Aspekt ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems mit den Merkmalen des unabhängigen Verfahrensanspruches, insbesondere aus dem kennzeichnenden Teil, vor. Weitere Vorteile, Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.
Die vorliegende Erfindung sieht gemäß dem ersten Aspekt ein Brennstoffzellensystem vor, aufweisend mindestens eine Brennstoffzelle und ein Kathodensystem zum Bereitstellen eines sauerstoffhaltigen Reaktanten in Form einer Zuluft an die mindestens eine Brennstoffzelle, wobei das Kathodensystem eine Zuluftleitung zum Bereitstellen der Zuluft zu der mindestens einen Brennstoffzelle und eine Abluftleitung zum Abführen einer Abluft von der mindestens einen Brennstoffzelle aufweist, wobei das Kathodensystem rekuperationsfrei, insbesondere ohne eine Turbine, ausgeführt ist, und wobei zwischen der Zuluftleitung und der Abluftleitung des Kathodensystems mindestens ein Wärmeübertrager vorgesehen ist, der dazu ausgeführt ist, thermische Energie bzw. Wärme von der Zuluft zu der Abluft passiv, insbesondere antriebsfrei, zu übertragen.
Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem kann mindestens einen oder mehrere Brennstoffzellenstapel, sog. Brennstoffzellenstacks, mit jeweils mehreren gestapelten Wiederholeinheiten in Form von mehreren Brennstoffzellen, bspw., PEM-Brennstoffzellen, aufweisen.
Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem kann vorteilhafterweise für mobile Anwendungen, wie bspw. in Kraftfahrzeugen, oder für stationäre Anwendungen, wie bspw. in Generatoranlagen, verwendet werden.
Passive Ausführung des Wärmeübertragers heißt im Sinne der Erfindung, dass die Wärmeübertragung antriebsfrei und damit ohne einen Antrieb, wie etwa einer Kühlmittelpumpe, erfolgt. Mithilfe des Wärmeübertragers im Rahmen der Erfindung kann auf einen zusätzlichen elektrisch angetriebenen Wärmeübertrager zum Kühlen der Zuluft verzichtet werden. Zumindest kann mithilfe des Wärmeübertragers im Rahmen der Erfindung der zusätzliche elektrisch angetriebene Wärmeübertrager zum Kühlen der Zuluft kleiner ausgelegt werden. In mobilen Anwendungen, bspw. in Kraftfahrzeugen, führt dies vorteilhafterweise zur Entlastung eines Fahrzeugkühlers.
Der erfindungsgemäße Wärmeübertrager kann als Modul bereitgestellt werden. Zudem ist es denkbar, dass der erfindungsgemäße Wärmeübertrager integriert in das Kathodensystem, bspw. in eine Baugruppe des Kathodensystems, wie z. B. in einen Schalldämpfer, bereitgestellt werden kann.
Der Erfindungsgedanke liegt dabei darin, die Wärmeübertragung zwischen der verdichteten Zuluft in der Zuluftleitung vor der mindestens einen Brennstoffzelle und der Abluft in der Abluftleitung nach der mindestens einen Brennstoffzelle mittels eines passiven Wärmeübertragers, insbesondere ohne Stoffaustausch, bspw. in Form von Gas-Gas-Wärmeübertrager oder Heatpipes, durchzuführen.
Der passive Wärmeübertrager im Sinne der Erfindung erfordert vorteilhafterweise keine zusätzliche Einbindung in den Kühlkreislauf des Endgerätes, bspw. eines Fahrzeuges oder eines Generators. Dadurch erwächst der Vorteil, dass der erfindungsgemäße Wärmeübertrager einfach innerhalb des Brennstoffzellensystems integriert werden kann. Dadurch erwächst auch ein weiterer Vorteil, dass der Kühlkreislauf des Endgerätes entlastet werden kann. Ferner wird keine zusätzliche Aktorik benötigt. Dadurch können Bauraum reduziert und die Energie- sowie die Leistungseffizienz des Brennstoffzellensystems erhöht werden.
Zusätzlich ist es vorteilhaft, dass mithilfe der Wärmeübertragung in die Abluft die flüssigen Wassertröpfchen in der zumeist übersättigten Abluft verdunsten und/oder verdampfen können. Somit kann die Abgabe der Abluft an die Umgebung größtenteils dampfförmig und damit weniger irritierend bzw. störend erfolgen. Die erwärmte Abluft kann außerdem anderweitig verwendet werden, z. B. zum Belüften von brennstoffführenden Komponenten, wie z. B. Stack-Gehäuse, Tank-Gehäuse, Anodengehäuse o.ä., zum Temperieren von Bauteilen, usw. Zudem kann der Wärmeübertrager im Sinne der Erfindung mit einem Schalldämpfer kombiniert werden, was zu Reduktion von hör- und/oder spürbaren Schwingungen im Abgaspfad führt. Mithilfe der Erfindung lassen sich außerdem mehrere aufgeteilte oder gemeinsame Wärmeeinkopplungsstellen realisieren.
Ferner kann bei einem Brennstoffzellensystem vorgesehen sein, dass der mindestens eine Wärmeübertrager antriebsfrei ausgeführt ist, um thermische Energie von der Zuluft zu der Abluft ohne eine elektrische Energiezufuhr zu übertragen. Somit können parasitäre Energiekosten im Brennstoffzellensystem reduziert und der Wirkungsgrad des Brennstoffzellensystems erhöht werden.
Weiterhin kann bei einem Brennstoffzellensystem vorgesehen sein, dass der mindestens eine Wärmeübertrager dazu ausgebildet ist, thermische Energie von der Zuluft zu der Abluft indirekt, insbesondere ohne Stoffaustausch, bspw. durch Verdampfung und Kondensation eines Arbeitsmediums, zu übertragen. Somit kann ein Wärmeübertrager bereitgestellt werden, der der unter Nutzung von Verdampfungswärme des Arbeitsmediums eine hohe Wärmestromdichte erlaubt.
Des Weiteren ist es denkbar, dass der mindestens eine Wärmeübertrager eine erste Kammer und eine zweite Kammer aufweist, die hermetisch abgeschlossen sind, und durch welche jeweils die Zuluft und die Abluft geleitet werden, und dass insbesondere der mindestens eine Wärmeübertrager mindestens ein Wärmerohr oder mehrere Wärmerohre aufweist, in welchem oder in welchem ein Arbeitsmedium eingeschlossen ist. Auf diese Weise kann ein passiver Wärmeübertrager nach einem Prinzip Heatpipe oder Thermosiphon realisiert werden, der die Wärme durch Verdampfung und Kondensation des Arbeitsmediums überträgt. Das mindestens eine Wärmerohr kann ein, insbesondere metallisches, Gefäß mit einer länglichen Erstreckung aufweisen, welches ein Arbeitsmedium hermetisch einschließt. Als Arbeitsmedium kann z. B. Methanol, Wasser, Kältemittel oder Ammoniak dienen. Das Arbeitsmedium kann zu einem Teil in flüssigem und zum anderen Teil im gasförmigen Zustand vorliegen. Der Abschnitt des Wärmerohrs, der zur Energieaufnahme dient, heißt Verdampfer. Der Abschnitt des Wärmerohrs, der zu Energieabgabe dient, heißt Kondensator. Der Verdampfer kann dabei kürzer als oder gleich lang wie der Kondensator ausgebildet sein. Der Verdampfer wird durch die Zuluft umflossen. Der Kondensator wird durch die Abluft umflossen. Hierzu kann das mindestens eine Wärmerohr in einem Gehäuse mit einer ersten Kammer und einer zweiten Kammer aufgenommen sein, wobei die erste Kammer von der zweiten Kammer hermetisch abgeschlossen ist. Die erste Kammer, in der der Verdampfer angeordnet ist, wird durch die Zuluft durchflossen. Die zweite Kammer, in der der Kondensator angeordnet ist, wird durch die Abluft durchflossen. In der ersten Kammer gibt die verdichtete Zuluft die Wärme an das Arbeitsmedium des Wärmerohrs in dem Verdampfer ab. Das Arbeitsmedium transportiert diese Wärme in den Kondensator, der diese Wärme in der zweiten Kammer an die Abluft abgibt.
Zudem kann bei einem Brennstoffzellensystem vorgesehen sein, dass der mindestens eine Wärmeübertrager mindestens ein erstes Rohr und mindestens ein zweites Rohr aufweist, die durch den mindestens einen Wärmeübertrager verlegt sind und durch welche jeweils die Zuluft und die Abluft geleitet werden, und dass insbesondere der mindestens eine Wärmeübertrager ein abgeschlossenes Gehäuse aufweist, in welchem ein Arbeitsmedium, bspw. Produktwasser, eingeschlossen ist. Somit kann ein passiver Wärmeübertrager realisiert werden, der die Wärme durch Verdampfung und Kondensation des Arbeitsmediums überträgt. Innerhalb des Wärmeübertragers findet eine Rezirkulation des Arbeitsmediums statt. Der Dampf steigt innerhalb des Wärmeübertragers auf, kondensiert und tropft ab. Die Verdampfung des Arbeitsmediums wird durch aufgeheizte Zuluft angestoßen. Durch Verdampfen nimmt das Arbeitsmedium die Wärme von der Zuluft auf. Die Kondensation des Arbeitsmediums wird durch die kühlere Abluft angestoßen. Durch Kondensation gibt der Dampf die Wärme an die Abluft ab. Das kondensierende Arbeitsmedium tropft ab und sammelt sich wieder im unteren Teil des Wärmeübertragers und steht erneut zur Verdampfung zur Verfügung.
Außerdem kann bei einem Brennstoffzellensystem vorgesehen sein, dass der mindestens eine Wärmeübertrager dazu ausgeführt ist, thermische Energie von der Zuluft zu der Abluft indirekt, insbesondere ohne Stoffaustausch, zu übertragen. Dabei ist es denkbar, dass der mindestens eine Wärmeübertrager in Form eines Gas-Gas-Wärmeübertragers ausgeführt ist. Auf diese Weise kann ein einfacher in der Konstruktion sowie in der Montage Wärmeübertrager bereitgestellt werden.
Ferner kann bei einem Brennstoffzellensystem vorgesehen sein, dass in der Abluftleitung ein Druckregelventil vorgesehen ist. Mithilfe des Druckregelventils kann der Druck im Kathodenpfad mitbestimmt werden.
Weiterhin kann bei einem Brennstoffzellensystem vorgesehen sein, dass der mindestens eine Wärmeübertrager in die Flussrichtung der Abluft in der Abluftleitung gesehen vor dem Druckregelventil angeordnet ist. Somit kann ein höheres Druckniveau der Abluft im Wärmeübertrager eingestellt werden. Die Wärmekapazität der Abluft kann dadurch erhöht werden. Somit kann auch ein kleinerer Druckverlust im Wärmeübertrager eingestellt werden.
Des Weiteren kann bei einem Brennstoffzellensystem vorgesehen sein, dass der mindestens eine Wärmeübertrager in die Flussrichtung der Abluft in der Abluftleitung gesehen nach dem Druckregelventil angeordnet ist. Vorteile bei der Anordnung des Wärmeübertragers stromabwärts des Druckregelventils sind u.a., dass das Druckregelventil mit einem Bypassventil in einem Ventilblock zusammengelegt werden kann. Auch ein zusammengefasstes Dreiwegeventil ist bei dem Druckregelventil mit einem Bypassventil denkbar. Ein zusammengefasstes Ventil aus dem Druckregelventil und einem Absperrventil ist außerdem denkbar. Hierbei kann das Druckregelventil als ein Druckregelventil mit einer zusätzlichen Funktion der Abdichtung ausgeführt sein. Ein zusammengelegter Ventilblock, ein zusammengefasstes Dreiwegeventil oder ein Druckregelventil mit der Funktion der Abdichtung kann einfacher verschaltet werden, bspw. durch eine gemeinsame Einbindung in den Kabelbaum. Bei der Anordnung des Wärmeübertragers stromabwärts des Druckregelventils ist außerdem eine Kombination des Wärmeübertragers mit einem Schalldämpfer in der Abluftleitung möglich. Darüber hinaus ist bei der Anordnung des Wärmeübertragers stromabwärts des Druckregelventils eine Aufteilung der Abluft möglich.
Zudem kann bei einem Brennstoffzellensystem vorgesehen sein, dass in der Zuluftleitung mindestens ein Verdichter angeordnet ist. Dabei ist es denkbar, dass der mindestens eine Verdichter als einflutiger Verdichter oder als ein mehrflutiger Verdichter oder als mehrstufiger Verdichter ausgeführt sein kann. Mithilfe eines Verdichters können ein entsprechender Luftmassenstrom und ein entsprechendes Druckniveau der Zuluft eingestellt werden.
Außerdem kann bei einem Brennstoffzellensystem vorgesehen sein, dass der mindestens eine Wärmeübertrager in die Flussrichtung der Zuluft in der Zuluftleitung gesehen nach einem einflutigen Verdichter oder nach der ersten Stufe eines mehrstufigen Verdichters oder nach der zweiten Stufe des mehrstufigen Verdichters angeordnet ist. Auf diese Weise kann der Wärmeübertrager flexibel verschaltet werden, um an unterschiedliche Bauraumerfordernisse und/der Begebenheiten im System angepasst zu werden.
Ferner kann bei einem Brennstoffzellensystem vorgesehen sein, dass der mindestens eine Wärmeübertrager einen ersten Wärmeübertrager und einen zweiten Wärmeübertrager aufweist. Auf diese Weise kann der Wirkungsgrad bei der Wärmeübertragung erhöht werden. Dabei ist es denkbar, dass in die Flussrichtung der Zuluft in der Zuluftleitung gesehen der erste Wärmeübertrager nach der ersten Stufe des mehrstufigen Verdichters und der zweite Wärmeübertrager nach der zweiten Stufe des mehrstufigen Verdichters angeordnet sein können. Ferner ist es denkbar, dass in die Flussrichtung der Abluft in der Abluftleitung gesehen der erste Wärmeübertrager vor oder nach dem zweiten Wärmeübertrager angeordnet sein kann. Darüber hinaus ist es denkbar, dass der erste Wärmeübertrager und der zweite Wärmeübertrager mehrere aufgeteilte oder gemeinsame Wärmeeinkopplungsstellen aufweisen können. Auf diese Weise kann mehr Flexibilität beim Verschalten des Wärmeübertragers, insbesondere in Verbindung mit einem zweistufigen Verdichter, erreicht werden.
Weiterhin kann der mindestens eine Wärmeübertrager mindestens einen Schalldämpfer an einem Ausgang für die Abluft aus der Abluftleitung in den mindestens einen Wärmeübertrager aufweisen. Des Weiteren ist es denkbar, dass der mindestens eine Wärmeübertrager einen zweiten Schalldämpfer an einem Eingang für die Abluft aus dem mindestens einen Wärmeübertrager in die Abluftleitung aufweisen kann. Somit können Vorteile im Hinblick auf den reduzierten Bauraum und die verbesserte Funktionalität sowie auf die Geräuschsowie Schwingungsdämmung im System erwachsen.
Optional kann bei einem Brennstoffzellensystem vorgesehen sein, dass in der Zuluftleitung mindestens ein Gas-Kühlmittel-Wärmeübertrager angeordnet sein kann. Der Gas-Kühlmittel-Wärmeübertrager kann den Wärmeübertrager bei Bedarf unterstützen.
Die vorliegende Erfindung sieht gemäß dem zweiten Aspekt ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems ohne Energierekuperation in einer Abluftleitung eines Kathodensystems vor, aufweisend mindestens eine Brennstoffzelle und ein Kathodensystem zum Bereitstellen eines sauerstoffhaltigen Reaktanten in Form einer Zuluft an die mindestens eine Brennstoffzelle, wobei das Kathodensystem eine Zuluftleitung zum Bereitstellen der Zuluft zu der mindestens einen Brennstoffzelle und eine Abluftleitung zum Abführen einer Abluft von der mindestens einen Brennstoffzelle aufweist, und wobei das Kathodensystem rekuperationsfrei ausgeführt ist, und wobei zwischen der Zuluftleitung und der Abluftleitung des Kathodensystems mindestens ein Wärmeübertrager vorgesehen ist, der dazu dient, um thermische Energie von der Zuluft zu der Abluft passiv zu übertragen. Mithilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die gleichen Vorteile erreicht, die oben mithilfe des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems beschrieben wurden. Auf diese Vorteile wird vorliegend vollumfänglich Bezug genommen. Das Verfahren ist insbesondere zum Betreiben eines zuvor und in den Ansprüchen beschriebenen Brennstoffzellensystems geeignet.
Des Weiteren kann bei einem Verfahren zum Betrieben eines Brennstoffzellensystems ohne Energierekuperation in einer Abluftleitung eines Kathodensystems vorgesehen sein, dass die erwärmte Abluft zum Belüften von brennstoffführenden Komponenten des Brennstoffzellensystems, wie z. B. Stack-Gehäuse, Tank-Gehäuse, Anodengehäuse o. ä., und/oder zum Temperieren von Bauteilen des Brennstoffzellensystems und/oder eines Endgeräts, wie z. B. eines Fahrzeuginnenraumes, einer Traktionsbatterie o.ä., genutzt werden kann. Auf diese Weise kann die Funktionalität des Brennstoffzellensystems ohne Energierekuperation erweitert werden.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele:
Die Erfindung und deren Weiterbildungen sowie deren Vorteile werden nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen jeweils schematisch:

1 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems mit einem einflutigen oder einem zweiflutigen Verdichter und einem passiven Wärmeübertrager,
2 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems mit einem zweistufigen Verdichter und einem passiven Wärmeübertrager,
3 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems mit einem zweistufigen Verdichter und einem passiven Wärmeübertrager,
4 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems mit einem zweistufigen Verdichter und zwei passiven Wärmeübertragern,
5 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems mit einem einflutigen oder einem zweiflutigen Verdichter und einem passiven Wärmeübertrager,
6 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems mit einem zweistufigen Verdichter und einem passiven Wärmeübertrager mit einem kombinierten Schalldämpfer,
7 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems mit einem zweistufigen Verdichter und zwei passiven Wärmeübertragern, die aufgeteilte Wärmeeinkopplungsstellen aufweisen,
8 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems mit einem einflutigen Verdichter und einem passiven Wärmeübertrager mit zwei Schalldämpfern, und
9 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems im Sinne der Erfindung mit einem zweistufigen Verdichter und einem Wärmeübertrager, deren erwärmte Abluft für unterschiedliche Verbraucher genutzt wird.

In den unterschiedlichen Figuren sind gleiche Teile der Erfindung stets mit denselben Bezugszeichen versehen, weshalb diese i. d. R. nur einmal beschrieben werden.
Die 1 bis 9 zeigen jeweils ein Brennstoffzellensystem 100 im Sinne der Erfindung, welches folgende Elemente aufweist: mindestens eine Brennstoffzelle 101 oder mindestens einen Brennstoffzellenstack und ein Kathodensystem 10 zum Bereitstellen eines sauerstoffhaltigen Reaktanten in Form einer Zuluft an die mindestens eine Brennstoffzelle 101. Das Kathodensystem 100 weist dabei eine Zuluftleitung 11 zum Bereitstellen der Zuluft L1 zu der mindestens einen Brennstoffzelle 101 und eine Abluftleitung 12 zum Abführen einer Abluft L2 von der mindestens einen Brennstoffzelle 101, bspw. an eine Umgebung U, auf. Am Anfang der Zuluftleitung 11 kann ein Luftfilter AF vorgesehen sein.
Im Sinne der Erfindung ist das Kathodensystem 10 rekuperationsfrei, d. h. ohne eine Turbine in der Abluftleitung 12, ausgeführt. Hierzu ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass zwischen der Zuluftleitung 11 und der Abluftleitung 12 des Kathodensystems 10 mindestens ein Wärmeübertrager 20 vorgesehen ist, der dazu ausgeführt ist, thermische Energie bzw. Wärme von der Zuluft L1 zu der Abluft L2 passiv, insbesondere antriebsfrei, zu übertragen. Somit kann der mindestens eine Wärmeübertrager 20 im Sinne der Erfindung ebenfalls als der passive Wärmeübertrager 20 bezeichnet werden.
Das Brennstoffzellensystem 100 kann für mobile Anwendungen, wie bspw. in Kraftfahrzeugen, oder für stationäre Anwendungen, wie bspw. in Generatoranlagen, verwendet werden.
Die Erfindung schlägt vor, die Wärmeübertragung zwischen der verdichteten Zuluft L1 in der Zuluftleitung 11 vor der mindestens einen Brennstoffzelle 101 und der Abluft L2 in der Abluftleitung 12 nach der mindestens einen Brennstoffzelle 101 mittels eines passiven Wärmeübertragers 20, insbesondere ohne Stoffaustausch, bspw. in Form von Gas-Gas-Wärmeübertrager oder Heatpipes, zu ermöglichen.
Der passive Wärmeübertrager 20 erfordert keine zusätzliche Einbindung in den Kühlkreislauf des Endgerätes, bspw. eines Fahrzeuges oder eines Generators. Somit kann der Wärmeübertrager 20 einfach innerhalb des Brennstoffzellensystems 100 angeordnet und verschaltet werden. Dadurch kann außerdem der Kühlkreislauf des Endgerätes entlastet werden. Ferner kann dadurch der Bauraum für das Brennstoffzellensystem 100 effizient ausgenutzt werden. Weiterhin kann dadurch die Energie- und die Leistungseffizienz des Brennstoffzellensystems 100 erhöht werden.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung liegt außerdem darin, dass mithilfe der Wärmeübertragung in die Abluft L2 die flüssigen Wassertröpfchen in der zumeist übersättigten Abluft L2 verdunsten und/oder verdampfen können. Somit kann die Abgabe der Abluft L2 an die Umgebung U größtenteils dampfförmig und damit weniger irritierend und/oder störend erfolgen.
Wie es die 9 zudem andeutet, kann die erwärmte Abluft L2 außerdem anderweitig verwendet werden, z. B. zum Belüften von brennstoffführenden Komponenten VI, wie z. B. Stack-Gehäuse, Tank-Gehäuse, Anodengehäuse o.ä., zum Temperieren von Bauteilen V2, usw.
Wie es die 6 und 8 weiterhin andeuten, kann der Wärmeübertrager im Sinne der Erfindung mit mindestens einem Schalldämpfer 23, 24 kombiniert werden, um hör- und/oder spürbaren Schwingungen im Abgaspfad zu reduzieren.
Wie es die 7 des Weiteren andeutet, können mithilfe der Erfindung mehrere aufgeteilte oder gemeinsame Wärmeeinkopplungsstellen bzw. Pfade nach einem ersten Wärmeübertrager 21 und nach einem zweiten Wärmeübertrage 22 realisiert werden.
Wie es in den 1 bis 9 schematisch gezeigt ist, ist der mindestens eine Wärmeübertrager 20 antriebsfrei ausgeführt, um thermische Energie von der Zuluft L1 zu der Abluft L2 ohne eine elektrische Energiezufuhr zu übertragen, um parasitäre Energiekosten im Brennstoffzellensystem zu reduzieren und um den Wirkungsgrad des Brennstoffzellensystems 100 zu erhöhen.
Bei einem Wärmeübertrager gemäß den 1 bis 9 ist es denkbar, dass thermische Energie von der Zuluft L1 zu der Abluft L2 indirekt, insbesondere ohne Stoffaustausch, bspw. durch Verdampfung und Kondensation eines Arbeitsmediums, übertragen wird.
Dabei kann der mindestens eine Wärmeübertrager 20 nach einem Prinzip Heatpipe oder Thermosiphon realisiert werden. Aber auch andere Ausführungsformen eines passiven Wärmeübertragers sind denkbar, die nach dem Prinzip Verdampfung und Kondensation eines Arbeitsmediums arbeiten.
Bei einem Wärmeübertrager 20 gemäß den 1 bis 9 ist es denkbar, thermische Energie von der Zuluft zu der Abluft indirekt, insbesondere ohne Stoffaustausch, zu übertragen. Dabei kann der mindestens eine Wärmeübertrager 20 vorteilhafterweise in Form eines Gas-Gas-Wärmeübertragers ausgeführt sein.
Wie es aus den 1 bis 9 ersichtlich ist, kann in der Abluftleitung 12 ein Druckregelventil Cvexh vorgesehen sein.
In den 1 bis 4 und 9 ist beispielhaft gezeigt, kann der mindestens eine Wärmeübertrager 20 in die Flussrichtung der Abluft L2 in der Abluftleitung 12 gesehen vor dem Druckregelventil Cvexh angeordnet sein. Auf diese Weise kann ein höheres Druckniveau der Abluft L2 im Wärmeübertrager 20 eingestellt werden. Die Wärmekapazität der Abluft L2 kann dadurch erhöht werden. Somit kann auch ein kleinerer Druckverlust im Wärmeübertrager 20 eingestellt werden.
In den 5 bis 8 ist wiederum gezeigt, kann der mindestens eine Wärmeübertrager 20 in die Flussrichtung der Abluft L2 in der Abluftleitung 12 gesehen nach dem Druckregelventil Cvexh angeordnet sein.
Wie es die 5 zeigt, kann bei der Anordnung des Wärmeübertragers 20 stromabwärts des Druckregelventils Cvexh das Druckregelventil Cvexh mit einem Bypassventil ByCath in einem Ventilblock zusammengelegt werden. Auch ein zusammengefasstes Dreiwegeventil ist bei dem Druckregelventil Cvexh mit einem Bypassventil ByCath denkbar.
Wie es die 8 andeutet, können bei der Anordnung des Wärmeübertragers 20 stromabwärts des Druckregelventils Cvexh die Funktionalitäten des Druckregelventils Cvexh und die Funktionalitäten eines Absperrventils SV2 in einem Ventil zusammengelegt werden. Hierzu kann das Druckregelventil Cvexh mit einer Abdichtfunktion ausgeführt sein.
Wie es die 6 und 8 andeuten, kann bei der Anordnung des Wärmeübertragers 20 stromabwärts des Druckregelventils Cvexh eine Kombination des Wärmeübertragers 20 mit mindestens einem Schalldämpfer 23 oder mit zwei Schaltdämpfern 23, 24 in der Abluftleitung 12 realisiert werden.
Wie es die 7 zeigt, kann bei der Anordnung des Wärmeübertragers 20 stromabwärts des Druckregelventils Cvexh eine Aufteilung der Abluft L2 auf unterschiedliche Wärmeeinkopplungsstellen bzw. Wärmeeinkopplungspfade ermöglicht werden.
Wie es in den 1 bis 9 schematisch gezeigt ist, ist in der Zuluftleitung mindestens ein Verdichter P angeordnet, um die Luft aus der Umgebung U einzusaugen und in verdichteter Form in Form einer Zuluft L1 an die mindestens eine Brennstoffzelle 101 oder an den mindestens einen Brennstoffzellenstack bereitzustellen. Wie es aus den 1 bis 9 ersichtlich ist, kann der mindestens eine Verdichter P als einflutiger Verdichter P, als ein mehrflutiger Verdichter PP oder als ein mehrstufiger Verdichter PP ausgeführt sein.
Wie es die 1 bis 9 schematisch andeuten, kann der mindestens eine Wärmeübertrager 20 in die Flussrichtung der Zuluft L1 in der Zuluftleitung 11 gesehen nach einem einflutigen oder zweiflutigen Verdichter P (s. die 1, 5 oder 8) oder nach der ersten Stufe eines mehrstufigen Verdichters PP (s. die 3 oder 9) oder nach der zweiten Stufe des mehrstufigen Verdichters PP (s. die 2 oder 6) oder sowohl als auch d.h. nach der ersten und nach der zweiten Stufe eines zweistufigen Verdichters PP (s. die 4 und 7) angeordnet sein.
Wie es die 4 und 7 zeigen, kann der mindestens eine Wärmeübertrager 20 einen ersten Wärmeübertrager 21 und einen zweiten Wärmeübertrager 22 aufweisen. Dabei ist es denkbar, dass in die Flussrichtung der Zuluft L1 in der Zuluftleitung 11 gesehen der erste Wärmeübertrager 21 nach der ersten Stufe des mehrstufigen Verdichters PP und der zweite Wärmeübertrager 22 nach der zweiten Stufe des mehrstufigen Verdichters PP angeordnet sein können. Ferner ist es denkbar, dass in die Flussrichtung der Abluft L2 in der Abluftleitung 12 gesehen der erste Wärmeübertrager 21 vor oder nach dem zweiten Wärmeübertrager 22 angeordnet sein kann (s. die gestrichelten Pfeile in den 4 und 7).
In den 1 bis 9 sind außerdem jeweils ein oder zwei Gas-Kühlmittel-Wärmeübertrager 31, 32 schematisch gezeigt, die optional vorgesehen sein können, um den mindestens einen passiven Wärmeübertrager 20 bei Bedarf zu unterstützen.
Die voranstehende Beschreibung der Figuren beschreibt die vorliegende Erfindung ausschließlich im Rahmen von Beispielen. Selbstverständlich können einzelne Merkmale der Ausführungsformen, sofern es technisch sinnvoll ist, frei miteinander kombiniert werden, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.

Claims

Brennstoffzellensystem (100), aufweisend: mindestens eine Brennstoffzelle (101) und ein Kathodensystem (10) zum Bereitstellen eines sauerstoffhaltigen Reaktanten in Form einer Zuluft (L1) an die mindestens eine Brennstoffzelle (101), wobei das Kathodensystem (10) eine Zuluftleitung (11) zum Bereitstellen der Zuluft (L1) an die mindestens eine Brennstoffzelle (101) und eine Abluftleitung (12) zum Abführen einer Abluft (L2) von der mindestens einen Brennstoffzelle (101) aufweist, wobei das Kathodensystem (10) rekuperationsfrei ausgeführt ist, und wobei zwischen der Zuluftleitung (11) und der Abluftleitung (12) des Kathodensystems (10) mindestens ein Wärmeübertrager (20) vorgesehen ist, der dazu ausgeführt ist, thermische Energie von der Zuluft (L1) zu der Abluft (L2) passiv zu übertragen.
Brennstoffzellensystem (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Wärmeübertrager (20) antriebsfrei ausgeführt ist, um thermische Energie von der Zuluft (L1) zu der Abluft (L2) ohne eine elektrische Energiezufuhr passiv zu übertragen.
Brennstoffzellensystem (100) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Wärmeübertrager (20) dazu ausgeführt ist, thermische Energie von der Zuluft (L1) zu der Abluft (L2) indirekt, insbesondere ohne Stoffaustausch, bspw. durch Verdampfung und Kondensation eines Arbeitsmediums, zu übertragen, - insbesondere, dass der mindestens eine Wärmeübertrager (20) eine erste Kammer und eine zweite Kammer aufweist, die hermetisch abgeschlossen sind und durch welche jeweils die Zuluft (L1) und die Abluft (L2) geleitet werden, wobei vorzugsweise der mindestens eine Wärmeübertrager (20) mindestens ein Wärmerohr oder mehrere Wärmerohre aufweist, in welchem oder in welchem ein Arbeitsmedium eingeschlossen ist, - oder dass der mindestens eine Wärmeübertrager (20) mindestens ein erstes Rohr und mindestens ein zweites Rohr aufweist, die durch den mindestens einen Wärmeübertrager (20) verlegt sind und durch welche jeweils die Zuluft und die Abluft geleitet werden, wobei vorzugsweise der mindestens eine Wärmeübertrager (20) ein abgeschlossenes Gehäuse (21) aufweist, in welchem ein Arbeitsmedium eingeschlossen ist.
Brennstoffzellensystem (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Wärmeübertrager (20) dazu ausgeführt ist, thermische Energie von der Zuluft (L1) zu der Abluft (L2) indirekt, insbesondere ohne Stoffaustausch, zu übertragen, wobei insbesondere der mindestens eine Wärmeübertrager (20) in Form eines Gas-Gas-Wärmeübertragers ausgeführt ist.
Brennstoffzellensystem (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Abluftleitung (12) ein Druckregelventil (Cvexh) vorgesehen ist.
Brennstoffzellensystem (100) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Wärmeübertrager (20) in die Flussrichtung der Abluft in der Abluftleitung (12) gesehen vor dem Druckregelventil (Cvexh) angeordnet ist.
Brennstoffzellensystem (100) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Wärmeübertrager (20) in die Flussrichtung der Abluft in der Abluftleitung (12) gesehen nach dem Druckregelventil (Cvexh) angeordnet ist, insbesondere, dass das Druckregelventil (Cvexh) als ein Dreiwegeventil ausgeführt ist, oder dass das Druckregelventil (Cvexh) als ein Druckregelventil (Cvexh+SV2) mit einer zusätzlichen Funktion der Abdichtung ausgeführt ist.
Brennstoffzellensystem (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Zuluftleitung (11) mindestens ein Verdichter (P) angeordnet ist, wobei insbesondere der mindestens eine Verdichter (P) als einflutiger Verdichter (P1), als ein mehrflutiger Verdichter (PP) oder als mehrstufiger Verdichter (PP) ausgeführt ist.
Brennstoffzellensystem (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Wärmeübertrager (20) in die Flussrichtung der Zuluft in der Zuluftleitung (11) gesehen nach einem einflutigen oder einem mehrflutigen Verdichter (P, PP) oder nach der ersten Stufe eines mehrstufigen Verdichters (PP) oder nach der zweiten Stufe des mehrstufigen Verdichters (PP) angeordnet ist.
Brennstoffzellensystem (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Wärmeübertrager (20) einen ersten Wärmeübertrager (21) und einen zweiten Wärmeübertrager (22) aufweist, wobei insbesondere in die Flussrichtung der Zuluft (L1) in der Zuluftleitung (11) gesehen der erste Wärmeübertrager (21) nach der ersten Stufe des mehrstufigen Verdichters (PP) und der zweite Wärmeübertrager (22) nach der zweiten Stufe des mehrstufigen Verdichters (PP) angeordnet ist, wobei vorzugsweise in die Flussrichtung der Abluft (L2) in der Abluftleitung (12) gesehen der erste Wärmeübertrager (21) vor oder nach dem zweiten Wärmeübertrager (22) angeordnet ist, wobei bevorzugt der erste Wärmeübertrager (21) und der zweite Wärmeübertrager (22) mehrere aufgeteilte oder gemeinsame Wärmeeinkopplungsstellen und/oder Wärmeeinkopplungspfade aufweisen.
Brennstoffzellensystem (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Wärmeübertrager (20) mindestens einen Schalldämpfer (23) an einem Ausgang für die Abluft aus der Abluftleitung (12) in den mindestens einen Wärmeübertrager (20) aufweist, wobei insbesondere der mindestens eine Wärmeübertrager (20) einen zweiten Schalldämpfer (24) an einem Eingang für die Abluft aus dem mindestens einen Wärmeübertrager (20) in die Abluftleitung (12) aufweist, und/oder dass in der Zuluftleitung (11) mindestens ein Gas-Kühlmittel-Wärmeübertrager (31, 32) angeordnet ist.
Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems (100), aufweisend: mindestens eine Brennstoffzelle (101) und ein Kathodensystem (10) zum Bereitstellen eines sauerstoffhaltigen Reaktanten in Form einer Zuluft (L1) an die mindestens eine Brennstoffzelle (101), wobei das Kathodensystem (10) eine Zuluftleitung (11) zum Bereitstellen der Zuluft (L1) zu der mindestens einen Brennstoffzelle (101) und eine Abluftleitung (12) zum Abführen einer Abluft (L2) von der mindestens einen Brennstoffzelle (101) aufweist, wobei das Kathodensystem (10) rekuperationsfrei ausgeführt ist, und wobei zwischen der Zuluftleitung (11) und der Abluftleitung (12) des Kathodensystems (10) mindestens ein Wärmeübertrager (20) vorgesehen ist, der dazu dient, thermische Energie von der Zuluft (L1) zu der Abluft (L2) passiv zu übertragen.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass eine durch den mindestens einen Wärmeübertrager (20) erwärmte Abluft (L2) zum Belüften von brennstoffführenden Komponenten (VI) des Brennstoffzellensystems (100) und/oder zum Temperieren von Bauteilen (V2) des Brennstoffzellensystems (100) und/oder eines Endgeräts genutzt wird.