WO2011050916A1 - Brennstoffzellensystem mit wenigstens einer brennstoffzelle - Google Patents

Brennstoffzellensystem mit wenigstens einer brennstoffzelle Download PDF

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WO2011050916A1
WO2011050916A1 PCT/EP2010/006377 EP2010006377W WO2011050916A1 WO 2011050916 A1 WO2011050916 A1 WO 2011050916A1 EP 2010006377 W EP2010006377 W EP 2010006377W WO 2011050916 A1 WO2011050916 A1 WO 2011050916A1
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fuel cell
cell system
exhaust air
burner
air
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PCT/EP2010/006377
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Andreas Knoop
Dietmar Mirsch
Hans-Jörg SCHABEL
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Daimler Ag
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    • Y02T90/00—Enabling technologies or technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02T90/40—Application of hydrogen technology to transportation, e.g. using fuel cells

Definitions

  • Fuel cell system with at least one fuel cell
  • the invention relates to a fuel cell system with at least one fuel cell, according to the closer defined in the preamble of claim 1.
  • fuel cell systems are known in which at least one fuel cell, which is designed, for example, as a PEM fuel cell stack, is supplied with air via an air conveying device in order to utilize the oxygen contained therein in the fuel cell. It is also known that the air flowing out of the cathode space can be expanded by means of a turbine so as to recover pressure energy and / or thermal energy from the exhaust gas of the cathode space.
  • ETC Electric Turbo Charger
  • German Patent Application No. DE 10 2009 009 673.6 which is not prepublished, that a burner for heating the exhaust air flow upstream of the turbine is arranged in the flow direction of the exhaust gas from the cathode space.
  • this burner in which, for example, exhaust gas from a
  • Anode space of the fuel cell and / or additional fuel can be implemented, the thermal energy content of the exhaust air flow can be increased, so that it can be implemented in the turbine in kinetic energy for the air conveyor and / or the electric machine in the generator mode.
  • Fuel cell system with the features defined in detail in the preamble of claim 1 to improve the effect that a better utilization of the energy used can be done.
  • a heat exchanger or recuperator is provided, which is flowed through by the exhaust air of the turbine on the one hand and by the exhaust air flow in the flow direction in front of the burner on the other hand.
  • the still warm exhaust air of the turbine is thus used to the exhaust air flow of
  • Fuel cell which flows into the burner, preheat accordingly.
  • a higher entry of energy is possible, so that waste heat, which otherwise unused with the exhaust air of the turbine from the
  • Fuel cell system escapes profitably to increase performance in the field of turbine and for driving a component through the turbine, for example, an air conveyor, an electric machine in generator mode or the like, can be used.
  • the interconnection according to the invention thus provides the best possible utilization of the energy present in the fuel cell system.
  • this also has a charge air cooler, which of the supply air for
  • Fuel cell system it is also provided that the heat exchanger and the intercooler are designed in an integrated component.
  • This integrated component then makes it possible to combine the functionality of both heat exchangers, so as to create an extremely compact fuel cell system, and to be able to plan the integrated component as simply as possible in the packaging of the fuel cell system.
  • Fuel cell system is integrated into the integrated component further comprises a water separator at the inlet for the exhaust air flow.
  • a water separator can separate liquid water from the exhaust air flow of the cathode chamber of the fuel cell and thus prevent liquid droplets from reaching the region of the heat exchanger.
  • the water separator can be emptied into the region of the exhaust air of the turbine. This emptying into the exhaust air flow can be done both before and after the heat exchanger. For energetic reasons, it makes special sense, the water in the exhaust air of Turbine after the heat exchanger to bring. Then withdraws the water, which optionally evaporates in the exhaust air, this no energy, which through the
  • the water from the water is introduced via a nozzle in the exhaust air.
  • a nozzle such as a two-fluid nozzle, this could be atomized accordingly.
  • the leakage of "liquid" water can be prevented from the fuel cell system, since this is now at least finely distributed and so a example of a with the
  • a valve device for connecting the supply air side is integrated with the exhaust side.
  • a valve device which is also referred to as a system bypass valve, may be provided to connect the supply air side after the air conveyor with the exhaust side in front of the turbine.
  • the system bypass valve can be used, for example, to provide a path for penetrating air at standstill of the system, which leads with relatively low pressure loss to the environment. This can be a flow through the cathode compartment of the fuel cell itself prevent
  • Fuel cell system be beneficial.
  • the integration of such a valve device in the integrated component in turn has the advantage that space is saved, and at a point at which the gas streams are anyway very close together, a comparatively simple connection between them can be created.
  • Fuel cell system it may also be provided that in the integrated component, a humidifier is integrated, which flows through the supply air flow to the cathode compartment of the fuel cell by permeable to water vapor membranes from the exhaust air flow upstream of the heat exchanger.
  • a humidifier is integrated, which flows through the supply air flow to the cathode compartment of the fuel cell by permeable to water vapor membranes from the exhaust air flow upstream of the heat exchanger.
  • any necessary humidification of the supply air can likewise be included in the integrated component.
  • the known humidifier is structurally integrated into the integrated component, so as to create a very compact and in terms of packaging favorable structure in a single integrated component.
  • the fuel cell system according to the invention can therefore be constructed very energy efficient and compact. It is thus predestined to be integrated as a fuel cell system in a means of transport. A particularly preferred embodiment of this inventive use of the fuel cell system in one
  • Fig. 1 shows a first possible embodiment of the invention
  • Fig. 2 shows a second possible embodiment of the invention
  • Fig. 3 shows a third possible embodiment of the invention
  • Fig. 4 shows a fourth possible embodiment of the invention
  • Fig. 5 shows a first possible embodiment of an integrated component according to the
  • FIG. 6 shows a second possible embodiment of an integrated component according to the invention
  • Fig. 7 shows a third possible embodiment of an integrated component according to the
  • FIG. 8 shows a fourth possible embodiment of an integrated component according to FIG.
  • FIG. 9 shows a vehicle with a fuel cell system according to the invention.
  • a fuel cell system 1 is shown. It essentially comprises a fuel cell 2, which is to be constructed by way of example as a stack of PEM fuel cells.
  • a cathode compartment 3 is then separated by proton-conducting membranes 4 from an anode compartment 5.
  • Cathode space 3 of the fuel cell 2 is via an air conveyor 6,
  • a flow compressor air supplied, so that the oxygen contained in the air in the cathode compartment can be used.
  • This oxygen will now come into contact with hydrogen through the membranes 4, which hydrogen is supplied to the anode space 5 of the fuel cell 2 from a hydrogen storage device.
  • the hydrogen from the hydrogen storage device 7 passes through a hydrogen valve 8 in the desired amount and with the desired pressure in the region of the anode chamber 5 of the fuel cell 2.
  • From the anode chamber 5 then flows from an exhaust gas. This still contains a certain amount of hydrogen, if only because the anode chamber 5 more hydrogen is available, as can be implemented in this, in order to make optimum use of the available surface of the membranes 4.
  • This anode exhaust gas is now over a
  • the recirculation of the gas stream into the anode chamber 5 accumulates in this water which forms over time in the anode chamber 5.
  • nitrogen accumulates over time, which diffuses through the membranes 4 and through the Recirculation conveyor 10 is circulated around the anode. The longer the operation of the fuel cell 2, the larger the amount of oxygen in the recirculated gas stream. This reduces the concentration of hydrogen and the
  • Air conveyor 6 supplied air. The air passes from the
  • Air conveying device 6 via a provided only in partial sections with reference numeral supply air line 14, which is divided in the illustration of Figure 1 in two sections 14.1 and 14.2, in the cathode compartment 3. Between the sections 14.1 and 14.2 of the supply air line sits a component which a charge air cooler 15 and a humidifier 16 in itself. The functionality of the component is now that the supply air in the section 14.1 of the supply air to the air conveyor 6 is comparatively hot, since this is heated by the compression in the air conveyor 6 accordingly. This hot and dry supply air then passes into the intercooler 15 and the humidifier 16. It is cooled in this component accordingly and provided with moisture, so that through the second section 14.2 of the
  • Exhaust air flow line 17 in turn in the area of the intercooler 15 and humidifier 16. It serves to cool the hot and dry coming from the sub-line 14.1 of the air supply air accordingly, including a part of the component as intercooler
  • the moisture passes from the over the first section 17.1 of the exhaust air flow line in the humidifier as well
  • the turbine 21 is connected to the use of the recovered energy via a shaft 23 with the air conveyor 6 as well as with an electric machine 24.
  • This Construction is often referred to as electric turbocharger 25 or ETC. It serves, in a manner known per se, to utilize power which is obtained via the turbine 21 for operating the air conveying device 6. Falls on the turbine 21 more power than the air conveyor 6 needed, so the electric machine 24 as
  • Fuel cell system 1 according to FIG. 2 differs from the illustration just described at the points described in more detail below, wherein the components and reference numbers which remain unchanged are not discussed again.
  • the intercooler 15 and the humidifier 16 are designed as two discrete components.
  • the heat exchanger 18 is structurally integrated into the intercooler 15, so that here an integrated component 26 is formed.
  • this integrated component 26 the heat transfers then take place both from the supply air flow to the exhaust air flow and from the exhaust air to the exhaust air flow.
  • the supply of hydrogen either from the anode compartment 5 or the
  • Hydrogen storage device 7 via the hydrogen line 13 here designed so that the hydrogen line 13 opens in section 17.3 of the exhaust air flow line into the exhaust air stream.
  • the hydrogen is thus mixed with the exhaust air flow in the burner 19 and can here - especially catalytically - be converted into thermal energy.
  • the construction offers the advantage that the heat exchanging functionality of
  • Heat exchanger 18 and the intercooler 15 is integrated into a single component, so less effort in the manufacture and assembly of the
  • Fuel cell system 1 is created.
  • the system can be built so compact.
  • FIG. 3 a similar structure of a fuel cell system 1 can now be seen again. As in the description of FIG. 2, only the elements and components which are opposite to those above are discussed here
  • the structure of the fuel cell system 1 according to FIG. 3 now again provides an integrated component 26, which is to contain the humidifier 16 in addition to the intercooler 15.
  • an integrated component 26 of the fuel cell system 1 is to contain the humidifier 16 in addition to the intercooler 15.
  • the integrated component 26 of the fuel cell system 1 is to contain the humidifier 16 in addition to the intercooler 15.
  • Integrated heat exchanger 18 in the manner described in Figure 2.
  • the burner 19 can optionally also be integrated into the integrated component 26, an alternative embodiment with a burner 19 not integrated in the integrated component 26 would also be conceivable.
  • the hydrogen line 13 is now guided in front of this integrated component in the first section 17.1 of the exhaust air flow line 17. Unlike the previously shown
  • the hydrogen pipe 13 is not merged with the drain line 12, but this also opens independently in the first section 17.1 of the exhaust air flow line 17.
  • the structure thus provides that a mixture of
  • Anodenraums 5 flows into the integrated component and is then implemented accordingly in the also integrated burner 19.
  • Detect fuel cell system 1 This corresponds essentially to the illustration discussed in connection with FIG. As in the description of the two preceding figures, again only the elements and components are described here, which differ from the already explained embodiments of the fuel cell system 1.
  • drain line 12 does not enter the exhaust air flow line 17 or one of its outlets
  • a water separator 27 and a valve device 28 are integrated into the integrated component 26 here.
  • the water separator 27 is preferably arranged in the region of the exhaust air flow flowing into the integrated component 26 from the cathode space 3. It serves to separate liquid droplets to prevent clogging of the channels of the heat exchanger of the integrated component 26.
  • the water, which collects in the water separator 27, then passes through a water pipe 29 into the region 22.2 of the exhaust air line. It is then discharged together with the exhaust air from the fuel cell system 1. For example, when used in vehicles or other means of transport, the discharge of liquid water from the fuel cell system 1 may be undesirable.
  • Exhaust line 22 may be arranged. About this nozzle 30, the liquid water can then be atomized in the exhaust air, for example, in such a way that the water of a
  • Atomizing the water then creates a fine distribution of the same in the exhaust air, so that no liquid immediately leaking water from the fuel cell system 1, but this is finely dispersed in the exhaust air. This prevents wetting of a surface arranged below the fuel cell system 1, for example, with liquid.
  • the integrated component 26 has the already mentioned valve device 28.
  • This serves to connect the supply air line 14 with the exhaust air flow line 17. It is also referred to as system bypass valve 28. It can be embodied integrated into the integrated component 26, since here the two streams, that is to say the supply air stream and the exhaust air stream, are guided comparatively close to one another. By opening the valve device 28 can be prevented that air or too much air in the
  • Cathode space 3 of the fuel cell 3 occurs. This can in particular when switching off the fuel cell system 1 when changing to a bypass state of
  • Plate heat exchanger can be realized.
  • the exhaust air flow from the cathode chamber 3 flows, as shown by the line elements 17.1 and 17.4 of the exhaust air flow line, as in a standard plate heat exchanger in one of the two gas chambers and there through the respective channels or levels. He is first of the guided in countercurrent supply air flow from the line 14.1 after the
  • Air conveyor 6 heated accordingly and then by the exhaust air to the turbine in the exhaust duct 22 and their sections 22.1 and 22.2.
  • Zu Kunststoffstromraums occurs over the exhaust air flow space is shown in the illustrations of Figures 5 to 8 each by a dashed line.
  • the structure and the manufacturing process of the integrated component 26 can be based on the known production of plate heat exchangers in countercurrent or cross flow method.
  • a connection of the individual gas chambers can be realized for example in different sections or on different sides of such a stack of plates.
  • the different variants illustrated in FIGS. 5 to 8 are conceivable by way of example. Of course, other structural configurations of the integrated component 26 are also possible and conceivable.
  • a motor vehicle 31 Such a motor vehicle 31 can be seen by way of example in the illustration of FIG. It comprises a fuel cell system 1, which is realized according to one of the exemplary embodiments presented above. It is shown in the illustration of Figure 9 only as a box.
  • the fuel cell system 1 outputs electric power to an electronic unit 32, which distributes this electrical power to drive the vehicle to an electric machine 33.
  • an electrical energy storage 34 may be provided which, for example, as a battery or in the form of
  • High performance capacitors is formed. A combination of these components in the electrical energy storage 34 is conceivable.
  • the electrical energy store 34 can then excess energy, which, for example, for the fuel cell system
  • energy can be temporarily stored in the electrical energy store 34, which is then generated by the electric machine 24 when more power is generated at the turbine 21 than is required by the air conveying device 6.
  • electrical energy can also be stored in the energy storage device 34, which occurs when the vehicle 31 is decelerated when, for this purpose, the electric drive motor 33 is operated in generator mode in order to brake the vehicle 31 with its drag torque.
  • the structure according to the invention now also has the advantage that in case of failure of the fuel cell system 1 via the burner 19 and hydrogen from the hydrogen storage device 7 and the air conveyor 6 supplied air electrical energy through the turbine 21 and the electric machine 24 in the generator Operation can be generated.
  • This electrical energy could then be used via the electronic unit 32 to drive the traction motor 33, so that a further advantage of the inventive design of the fuel cell system 1 is that an emergency operation of the vehicle even in case of failure of the fuel cell

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Abstract

Ein Brennstoffzellensystem (1) weist wenigstens eine Brennstoffzelle (2) auf. Eine Luftfördereinrichtung (6) führt Zuluft zu einem Kathodenraum (3) der Brennstoffzelle (2). Das Brennstoffzellensystem (1) ist mit einer Turbine (21) zum Entspannen eines Abluftstroms (17.4) aus dem Bereich des Kathodenraums (3) und einem Brenner (19) zur Erwärmung des Abluftstroms (17.3, 17.4) vor der Turbine (21) versehen. Dabei ist ein Wärmetauscher (18) vorgesehen, welcher von der Abluft (22.1, 22.2) der Turbine (21 ) einerseits und dem Abluftstrom (17.1, 17.2, 17.3) in Strömungsrichtung vor dem Brenner (19) andererseits durchströmt ist.

Description

Brennstoffzellensystem mit wenigstens einer Brennstoffzelle
Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem mit wenigstens einer Brennstoffzelle, nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.
Aus dem allgemeinen Stand der Technik sind Brennstoffzellensysteme bekannt, bei welchen wenigstens eine Brennstoffzelle, welche beispielsweise als PEM- Brennstoffzellenstapel ausgebildet ist, über eine Luftfördereinrichtung mit Luft versorgt wird, um den darin enthaltenen Sauerstoff in der Brennstoffzelle zu nutzen. Dabei ist es außerdem bekannt, dass die aus dem Kathodenraum abströmende Luft über eine Turbine entspannt werden kann, um so Druckenergie und/oder thermische Energie aus dem Abgas des Kathodenraums zurückzugewinnen.
Ferner ist es bekannt, den Aufbau aus Luftfördereinrichtung und Turbine zusammen mit einer elektrischen Maschine zu einem sogenannten elektrischen Turbolader (ETC = Electric Turbo Charger) zu kombinieren. Ein solcher ETC fördert typischerweise über einen Strömungsverdichter die Luft zu einem Kathodenraum der Brennstoffzelle, während die aus dem Kathodenraum abströmende Abluft in der Turbine des ETC entspannt wird. Die Turbine ist dann in der Lage, die anfallende Leistung Energie entweder der
Luftfördereinrichtung direkt zur Verfügung zu stellen, oder falls mehr Leistung anfällt, als die Luftfördereinrichtung benötigt, diese in der elektrischen Maschine, in einem generatorischen Betrieb, in elektrische Leistung umzusetzen. Diese elektrische Leistung kann dann anderweitig genutzt oder in einer Batterie und/oder
Hochleistungskondensatoren zwischengespeichert werden. In Betriebssituationen, in denen die an der Turbine anfallende Leistung nicht ausreicht, um die
Luftfördereinrichtung zu betreiben, kann diese außerdem über die elektrische Maschine, dann im motorischen Betrieb, angetrieben werden. Fällt dabei zusätzlich Leistung an der Turbine an, so kann durch diese anfallende Leistung die elektrische Antriebsleistung, welche durch die elektrische Maschine aufgebracht werden muss, entsprechend reduziert werden.
Ferner ist es aus der nicht vorveröffentlichten deutschen Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen DE 10 2009 009 673.6 bekannt, dass in Strömungsrichtung des Abgases aus dem Kathodenraum ein Brenner zur Erwärmung des Abluftstroms vor der Turbine angeordnet wird. In diesem Brenner, in welchem beispielsweise Abgas aus einem
Anodenraum der Brennstoffzelle und/oder zusätzlicher Brennstoff umgesetzt werden kann, kann der thermische Energieinhalt des Abluftstroms erhöht werden, sodass dieser in der Turbine in Bewegungsenergie für die Luftfördereinrichtung und/oder die elektrische Maschine im Generatorbetrieb umgesetzt werden kann.
Es ist nun die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung, den Betrieb eines
Brennstoffzellensystems mit den im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Merkmalen dahingehend zu verbessern, dass eine bessere Ausnutzung der eingesetzten Energie erfolgen kann.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Unteransprüchen.
Erfindungsgemäß ist es nun vorgesehen, dass ein Wärmetauscher beziehungsweise Rekuperator vorgesehen ist, welcher von der Abluft der Turbine einerseits und von dem Abluftstrom in Strömungsrichtung vor dem Brenner andererseits durchströmt ist. Die immer noch warme Abluft der Turbine wird also genutzt, um den Abluftstrom der
Brennstoffzelle, welcher in den Brenner strömt, entsprechend vorzuwärmen. Durch diese Vorwärmung wird in dem Brenner ein höherer Eintrag an Energie ermöglicht, sodass Abwärme, welche ansonsten ungenutzt mit der Abluft der Turbine aus dem
Brennstoffzellensystem entweicht, gewinnbringend zur Leistungssteigerung im Bereich der Turbine und zum Antrieb eines Bauteils durch die Turbine, beispielsweise einer Luftfördereinrichtung, einer elektrischen Maschine im generatorischen Betrieb oder Ähnlichem, eingesetzt werden kann. Die erfindungsgemäße Verschaltung schafft also eine bestmögliche Ausnutzung der in dem Brennstoffzellensystem vorhandenen Energie. In einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems weist dieses außerdem einen Ladeluftkühler auf, welcher von der Zuluft zum
Kathodenraum in Strömungsrichtung nach der Luftfördereinrichtung einerseits und von dem Abluftstrom in Strömungsrichtung vor dem Brenner andererseits durchströmt ist. Dieser besonders einfache und kompakte Aufbau erlaubt es damit, mit einem Gas-Gas- Wärmetauscher die Zuluft zu dem Brennstoffzellensystem, welche sich in der
Luftfördereinrichtung erhitzt hat, zu kühlen, um so die Brennstoffzelle selbst,
insbesondere wenn diese PEM-Brennstoffzellenstapel ausgebildet ist, vor zu heißer Zuluft zu schützen. Die der Zuluft entnommene Wärme, welche durch die Luftfördereinrichtung in die Zuluft eingebracht wurde, wird dann auf den Abluftstrom übertragen, bevor dieser in den Brenner strömt. Auch dies erhöht die Temperatur des Abluftstroms zusätzlich, sodass zumindest ein Teil der thermischen Energie durch die Turbine wieder genutzt werden kann.
In einer weiteren sehr vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen
Brennstoffzellensystems ist es außerdem vorgesehen, dass der Wärmetauscher und der Ladeluftkühler in einem integrierten Bauteil ausgeführt sind. Dieses integrierte Bauteil erlaubt es dann, die Funktionalität beider Wärmetauscher zu vereinen, um so ein außerordentlich kompaktes Brennstoffzellensystem zu schaffen, und das integrierte Bauteil möglichst einfach in das Packaging des Brennstoffzellensystems einplanen zu können.
Gemäß einer sehr günstigen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen
Brennstoffzellensystems ist in das integrierte Bauteil ferner ein Wasserabscheider am Einlass für den Abluftstrom integriert. Ein solcher Wasserabscheider kann flüssiges Wasser aus dem Abluftstrom des Kathodenraums der Brennstoffzelle abscheiden und so verhindern, dass flüssige Tröpfchen in den Bereich des Wärmetauschers gelangen.
Damit lässt sich durch den Wasserabscheider das Verstopfen der Kanäle des
Wärmetauschers vermeiden und es ist eine gleichmäßige Durchströmung und ein guter Wärmeübertrag gesichert.
In einer sehr vorteilhaften Weiterbildung hiervon ist es außerdem vorgesehen, dass der Wasserabscheider in den Bereich der Abluft der Turbine entleerbar ist. Diese Entleerung in den Abluftstrom kann dabei sowohl vor als auch nach dem Wärmetauscher erfolgen. Aus energetischen Gründen ist es besonders sinnvoll, das Wasser in die Abluft der Turbine nach dem Wärmetauscher einzubringen. Dann entzieht das Wasser, welches gegebenenfalls in der Abluft verdampft, dieser keine Energie, welche durch den
Wärmetauscher auf den Abluftstrom zum Brenner übertragen und damit noch
nutzbringend verwendet werden könnte. Andererseits kann sinnvoll sein, zumindest ein Teil des abgelassenen Wassers zu verdampfen, um das Austreten von flüssigem Wasser aus dem Brennstoffzellensystem zu verhindern. Dies ist insbesondere bei Einsatz des Brennstoffzellensystems in Fahrzeugen von entscheidendem Vorteil, da hier keine Benetzung der Straßen mit flüssigem Wasser erfolgen sollte, da dieses bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts gefrieren könnte.
In einer weiteren sehr vorteilhaften Ausgestaltung hiervon kann es daher vorgesehen sein, dass das Wasser aus dem Wasserabscheider über eine Düse in die Abluft einbringbar ist. Über eine solche Düse, beispielsweise eine Zweistoffdüse, könnte dieses entsprechend zerstäubt werden. Auch dadurch kann das Austreten von„flüssigem" Wasser aus dem Brennstoffzellensystem verhindert werden, da dieses nun zumindest fein verteilt vorliegt und so eine beispielsweise von einem mit dem
Brennstoffzellensystem ausgerüsteten Fahrzeug befahrene Straße nicht benetzt.
In einer weiteren sehr günstigen Weiterbildung des erfindungsgemäßen
Brennstoffzellensystems ist es ferner vorgesehen, dass in das integrierte Bauteil eine Ventileinrichtung zur Verbindung der Zuluftseite mit der Abluftseite integriert ist. Eine solche Ventileinrichtung, welche auch als Systembypassventil bezeichnet wird, kann vorgesehen sein, um die Zuluftseite nach der Luftfördereinrichtung mit der Abluftseite vor der Turbine zu verbinden. Das Systembypassventil kann beispielsweise genutzt werden, um im Stillstand des Systems einen Weg für eindringende Luft zu schaffen, welcher mit vergleichsweise geringem Druckverlust an die Umgebung führt. Damit lässt sich ein Durchströmen des Kathodenraums der Brennstoffzelle selbst verhindern
beziehungsweise der durch den Kathodenraum strömende Volumenstrom wird stark verringert. Dies kann beispielsweise beim (vorübergehenden) Abschalten eines
Brennstoffzellensystems von Vorteil sein. Die Integration einer solchen Ventileinrichtung in das integrierte Bauteil weist dann wiederum den Vorteil auf, dass Bauraum eingespart wird, und an einer Stelle, an der die Gasströme ohnehin sehr dicht beieinander geführt werden, eine vergleichsweise einfache Verbindung zwischen diesen geschaffen werden kann. In einer weiteren sehr vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen
Brennstoffzellensystems kann es außerdem vorgesehen sein, dass in das integrierte Bauteil ein Befeuchter integriert ist, welchen der Zuluftstrom zum Kathodenraum der Brennstoffzelle durch für Wasserdampf durchlässige Membranen vom Abluftstrom vor dem Wärmetauscher getrennt, durchströmt. Somit lässt sich bei Brennstoffzellen, welche beispielsweise als PEM-Brennstoffzellenstapel ausgeführt sind, eine gegebenenfalls notwendige Befeuchtung der Zuluft ebenfalls in das integrierte Bauteil mit aufnehmen. Der an sich bekannte Befeuchter wird dabei baulich in das integrierte Bauteil integriert, um so einen sehr kompakten und hinsichtlich des Packagings günstigen Aufbau in einem einzigen integrierten Bauteil zu schaffen.
Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem kann also ausgesprochen energieeffizient und kompakt aufgebaut werden. Es ist damit prädestiniert, um als Brennstoffzellensystem in ein Transportmittel integriert zu werden. Eine besonders bevorzugte Ausgestaltung dieser erfindungsgemäßen Verwendung des Brennstoffzellensystems in einem
Transportmittel sieht nun außerdem vor, dass dieses als Kraftfahrzeug ausgebildet ist, und dass das Brennstoffzellensystem zum Antrieb des Kraftfahrzeugs dient.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems sowie seiner Verwendung ergeben sich aus den restlichen abhängigen Unteransprüchen und werden anhand des Ausführungsbeispiels deutlich, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben ist.
Dabei zeigen:
Fig. 1 eine erste mögliche Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Brennstoffzellensystems;
Fig. 2 eine zweite mögliche Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Brennstoffzellensystems;
Fig. 3 eine dritte mögliche Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Brennstoffzellensystems;
Fig. 4 eine vierte mögliche Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Brennstoffzellensystems;
Fig. 5 eine erste mögliche Ausführungsform eines integrierten Bauteils gemäß der
Erfindung; Fig. 6 eine zweite mögliche Ausführungsform eines integrierten Bauteils gemäß der Erfindung;
Fig. 7 eine dritte mögliche Ausführungsform eines integrierten Bauteils gemäß der
Erfindung;
Fig. 8 eine vierte mögliche Ausführungsform eines integrierten Bauteils gemäß der
Erfindung; und
Fig. 9 ein Fahrzeug mit einem Brennstoffzellensystem gemäß der Erfindung.
In der Darstellung der Figur 1 ist ein Brennstoffzellensystem 1 dargestellt. Es umfasst im Wesentlichen eine Brennstoffzelle 2, welche beispielhaft als Stapel von PEM- Brennstoffzellen aufgebaut sein soll. In der Brennstoffzelle 2 ist ein Kathodenraum 3 dann durch protonenleitende Membranen 4 von einem Anodenraum 5 getrennt. Dem
Kathodenraum 3 der Brennstoffzelle 2 wird über eine Luftfördereinrichtung 6,
beispielsweise einen Strömungsverdichter, Luft zugeführt, sodass der in der Luft enthaltene Sauerstoff im Kathodenraum genutzt werden kann. Dieser Sauerstoff wird nun durch die Membranen 4 hindurch mit Wasserstoff in Berührung kommen, welcher dem Anodenraum 5 der Brennstoffzelle 2 aus einer Wasserstoffspeichereinrichtung zugeführt wird. Der Wasserstoff aus der Wasserstoffspeichereinrichtung 7 gelangt dabei über ein Wasserstoffventil 8 in der gewünschten Menge und mit dem gewünschten Druck in den Bereich des Anodenraums 5 der Brennstoffzelle 2. Aus dem Anodenraum 5 strömt dann ein Abgas ab. Dieses enthält immer noch eine gewisse Menge an Wasserstoff, alleine schon deshalb, da dem Anodenraum 5 mehr Wasserstoff zur Verfügung gestellt wird, als in diesem umgesetzt werden kann, um die zur Verfügung stehende Oberfläche der Membranen 4 ideal auszunutzen. Dieses Anodenabgas wird nun über eine
Rezirkulationsleitung 9 und eine Rezirkulationsfördereinrichtung 10, welche
typischerweise als Wasserstoffrezirkulationsgebläse ausgebildet sein kann, in den Anodenraum 5 zurückgeführt und gelangt zusammen mit frischem Wasserstoff aus dem Wasserstoffventil 8 in den Bereich des Anodenraums 5. Neben der
Rezirkulationsfördereinrichtung 10 in Form eines Wasserstoffrezirkulationsgebläses wäre alternativ oder ergänzend hierzu beispielsweise eine Gasstrahlpumpe oder dergleichen ebenso denkbar.
Durch die Rezirkulation des Gasstroms in den Anodenraum 5 reichert sich in diesem mit der Zeit im Anodenraum 5 entstehendes Wasser an. Außerdem reichert sich mit der Zeit Stickstoff an, welcher durch die Membranen 4 hindurch diffundiert und durch die Rezirkulationsfördereinrichtung 10 im Kreislauf um die Anode geführt wird. Je länger der Betrieb der Brennstoffzelle 2 ist, desto größer ist die Menge an Sauerstoff in dem rezirkulierten Gasstrom. Damit sinkt die Konzentration an Wasserstoff und die
Leistungsfähigkeit der Brennstoffzelle 2 lässt nach. Von Zeit zu Zeit wird daher dieses überwiegend inerte Gas, welches neben dem Stickstoff außerdem Reste an Wasserstoff enthält, über ein Ablassventil 11 abgelassen. Im hier dargestellten Ausführungsbeispiel gelangt es nach dem Ablassventil 11 über eine Ablassleitung 12 im Bereich einer später noch näher beschriebenen Wasserstoffleitung 13.
Wie bereits erwähnt, wird dem Anodenraum 3 der Brennstoffzelle 2 über die
Luftfördereinrichtung 6 Luft zugeführt. Die Luft gelangt dabei von der
Luftfördereinrichtung 6 über eine nur in Teilabschnitten mit Bezugszeichen versehene Zuluftleitung 14, welche in der Darstellung der Figur 1 in zwei Teilabschnitte 14.1 und 14.2 aufgeteilt ist, in den Kathodenraum 3. Zwischen den Teilabschnitten 14.1 und 14.2 der Zuluftleitung sitzt dabei ein Bauteil, welches einen Ladeluftkühler 15 und einen Befeuchter 16 in sich vereint. Die Funktionalität des Bauteils ist nun die, dass die Zuluft in dem Teilabschnitt 14.1 der Zuluftleitung nach der Luftfördereinrichtung 6 vergleichsweise heiß ist, da diese durch die Verdichtung in der Luftfördereinrichtung 6 entsprechend aufgeheizt ist. Diese heiße und trockene Zuluft gelangt dann in den Ladeluftkühler 15 beziehungsweise den Befeuchter 16. Sie wird in diesem Bauteil entsprechend abgekühlt und mit Feuchtigkeit versehen, sodass durch den zweiten Teilabschnitt 14.2 der
Zuluftleitung vergleichsweise kühle und feuchte Luft in den Kathodenraum 3 strömt, und dort, ohne die Membranen 4 zu schädigen, entsprechend umgesetzt werden kann. Die an Sauerstoff abgereicherte und mit Produktwasser beladene und wieder sehr feuchte Luft gelangt dann über eine nur in Teilabschnitten mit Bezugszeichen versehene
Abluftstromleitung 17 wiederum in den Bereich des Ladeluftkühlers 15 und Befeuchters 16. Sie dient dabei dazu, die heiße und trockene aus der Teilleitung 14.1 der Zuluftleitung stammende Luft entsprechend abzukühlen, wozu ein Teil des Bauteils als Ladeluftkühler
15 in Form eines Wärmetauschers ausgebildet ist. Außerdem gelangt die Feuchtigkeit aus der über den ersten Abschnitt 17.1 der Abluftstromleitung in das auch als Befeuchter
16 genutzte Bauteil. Hierin befinden sich für Wasserdampf durchlässige Membranen, durch welche hindurch das in dem Abluftstrom gasförmig vorliegende Wasser die zum Kathodenraum 3 strömende Zuluft befeuchtet. Der Abluftstrom aus der Teilleitung 17.1 der Abluftstromleitung wird dabei getrocknet und erwärmt. Er strömt dann durch einen zweiten Abschnitt 17.2 der Abluftstromleitung in den Bereich eines Wärmetauschers 18, auf welchen später noch näher eingegangen werden wird. Nach dem Durchströmen des Wärmetauschers 18 gelangt der Abluftstrom über einen dritten Teilabschnitt 17.3 der Abluftstromleitung in den Bereich eines Brenners 19. Dieser Brenner 19 kann
beispielsweise als Porenbrenner oder Flammenbrenner ausgebildet sein. In einer besonders günstigen und vorteilhaften Ausgestaltung ist er jedoch als katalytischer Brenner ausgebildet.
Der in dem Bauteil mit dem Ladluftkühler 15 und dem Befeuchter 16 entfeuchtete und aufgewärmte Abluftstrom gelangt also über den Wärmetauscher 18 in den Bereich des Brenners 19. In diesem Bereich des Brenners 19 reagiert der in ihm enthaltene
Restsauerstoff mit Wasserstoff, welcher über die Wasserstoffleitung 13 entweder aus der Ablassleitung 12 und dem Ablassventil 11 in den Bereich des Brenners 19 einströmt und/oder ergänzt durch Wasserstoff, welcher über ein Dosierventil 20 aus dem Bereich der Wasserstoffspeichereinrichtung 7 in die Wasserstoffleitung 13 einströmt. Dieser Wasserstoff beziehungsweise das wasserstoffhaltige Abgas aus dem Bereich des Anodenraums 5 reagieren dann in dem Brenner mit dem restlichen in dem Abluftstrom enthaltenen Sauerstoff und erwärmen dadurch den Abluftstrom weiter. Dieser gelangt dann über einen weiteren Teilabschnitt 17.4 der Abluftstromleitung 17 in den Bereich einer Turbine 21. Im Bereich dieser Turbine 21 wird der mittlerweile aufgeheizte
Abluftstrom in der Abluftstromleitung 17 dann entspannt, sodass sowohl thermische Energie als auch Druckenergie, welche in dem Abluftstrom 17 vorhanden ist, über die Turbine 21 in mechanische Leistung umgewandelt werden kann.
Nachdem der Abluftstrom in der Turbine entspannt ist, gelangt er über eine nur in
Teilabschnitten mit einem Bezugszeichen versehene Abiuftleitung 22 an die Umgebung des Brennstoffzellensystems 1. Die Abiuftleitung 22 ist dabei in einen ersten Teilabschnitt 22.1 und einen zweiten Teilabschnitt 22.2 aufgeteilt. Zwischen diesen Teilabschnitten 22.1 und 22.2 sitzt der bereits erwähnte Wärmetauscher 18. Dieser ist als Gas-Gas- Wärmetauscher ausgebildet und dient nun dazu, über die restliche thermische Energie in der Abluft der Turbine 21 den Abluftstrom auf dem Weg zum Brenner 19 vorzuwärmen. Damit wird eine maximale Nutzung der in dem Brennstoffzellensystem 1 anfallenden thermischen Energie durch die Turbine 21 gewährleistet.
Die Turbine 21 ist zur Nutzung der zurückgewonnen Energie über eine Welle 23 mit der Luftfördereinrichtung 6 ebenso verbunden, wie mit einer elektrischen Maschine 24. Dieser Aufbau wird häufig auch als elektrischer Turbolader 25 oder ETC bezeichnet. Er dient in an sich bekannter Art und Weise dazu, Leistung, welche über die Turbine 21 anfällt, zum Betrieb der Luftfördereinrichtung 6 zu nutzen. Fällt an der Turbine 21 mehr Leistung an, als die Luftfördereinrichtung 6 benötigt, so kann die elektrische Maschine 24 als
Generator betrieben werden. Die so erzeugte elektrische Leistung kann dann anderweitig genutzt oder eingespeichert werden. In Situationen, in denen die Turbine 21 nicht genügend Leistung liefert, um die Luftfördereinrichtung 6 alleine anzutreiben, kann über die elektrische Maschine 24, dann im motorischen Betrieb, Leistung zum Antrieb der Luftfördereinrichtung 6 zugeführt werden.
In der Darstellung der Figur 2 ist ein vergleichbares Brennstoffzellensystem in einer alternativen Ausführungsform nochmals dargestellt. Die Darstellung des
Brennstoffzellensystems 1 gemäß Figur 2 unterscheidet sich dabei von der soeben beschriebenen Darstellung an den nachfolgend näher beschriebenen Stellen, wobei auf die Bauteile und Bezugszeichen, welche unverändert bleiben, nicht nochmals näher eingegangen wird.
In der Darstellung des Brennstoffzellensystems 1 gemäß Figur 2 ist es nun so, dass der Ladeluftkühler 15 und der Befeuchter 16 als zwei diskrete Bauteile ausgeführt sind. Dafür ist der Wärmetauscher 18 baulich in den Ladeluftkühler 15 mit integriert, sodass hier ein integriertes Bauteil 26 entsteht. Im Bereich dieses integrierten Bauteils 26 finden dann die Wärmeübergänge sowohl von dem Zuluftstrom auf den Abluftstrom als auch von der Abluft auf den Abluftstrom statt. Anders als in der Darstellung der Figur 1 ist die Zufuhr des Wasserstoffs, entweder aus dem Anodenraum 5 oder der
Wasserstoffspeichereinrichtung 7 über die Wasserstoffleitung 13 hier so gestaltet, dass die Wasserstoffleitung 13 im Teilabschnitt 17.3 der Abluftstromleitung in den Abluftstrom mündet. Der Wasserstoff gelangt also vermischt mit dem Abluftstrom in den Brenner 19 und kann hier - insbesondere katalytisch - in thermische Energie umgesetzt werden. Der Aufbau bietet dabei den Vorteil, dass die wärmetauschende Funktionalität des
Wärmetauschers 18 und des Ladeluftkühlers 15 in ein einziges Bauteil integriert ist, sodass weniger Aufwand bei der Herstellung und der Montage des
Brennstoffzellensystems 1 entsteht. Außerdem lässt sich das System so kompakter aufbauen. In der Darstellung der Figur 3 ist nun ein ähnlicher Aufbau eines Brennstoffzellensystems 1 nochmals zu erkennen. Wie bereits bei der Beschreibung zur Figur 2 wird auch hier nur auf die Elemente und Bauteile eingegangen, welche sich gegenüber den oben
dargestellten Figuren unterscheiden.
Der Aufbau des Brennstoffzellensystems 1 gemäß Figur 3 sieht nun wieder ein integriertes Bauteil 26 vor, welches hier neben dem Ladeluftkühler 15 auch wieder den Befeuchter 16 enthalten soll. Außerdem ist in das integrierte Bauteil 26 der
Wärmetauscher 18 in der in Figur 2 beschriebenen Art integriert. Zusätzlich zu diesen Bauteilen kann hier optional auch der Brenner 19 mit in das integrierte Bauteil 26 integriert werden, eine alternative Ausgestaltung mit einem nicht in das integrierte Bauteil 26 integrierten Brenner 19 wäre ebenso denkbar. Als weiterer Unterschied ist nun die Wasserstoffleitung 13 vor diesem integrierten Bauteil in den ersten Teilabschnitt 17.1 der Abluftstromleitung 17 geführt. Anders als bei den bisher dargestellten
Ausführungsbeispielen ist die Wasserstoffleitung 13 dabei nicht mit der Ablassleitung 12 zusammengeführt, sondern diese mündet eigenständig ebenfalls in den ersten Abschnitt 17.1 der Abluftstromleitung 17. Der Aufbau sieht also vor, dass ein Gemisch aus
Abluftstrom und Wasserstoff beziehungsweise wasserstoffhaltigem Abgas des
Anodenraums 5 in das integrierte Bauteil einströmt und in dem ebenfalls integrierten Brenner 19 dann entsprechend umgesetzt wird.
In der Darstellung der Figur 4 ist eine weitere mögliche Ausführungsform des
Brennstoffzellensystems 1 zu erkennen. Dieses entspricht im Wesentlichen der im Rahmen der Figur 3 besprochenen Darstellung. Wie bereits bei der Beschreibung der beiden vorhergehenden Figuren sind auch hier wieder nur die Elemente und Bauteile näher beschrieben, welche sich gegenüber den bereits erläuterten Ausführungsformen des Brennstoffzellensystems 1 unterscheiden.
So ist in dem Brennstoffzellensystem 1 der Figur 4 beispielsweise zu erkennen, dass die Ablassleitung 12 nicht in die Abluftstromleitung 17 beziehungsweise einen ihrer
Teilabschnitte mündet. Vielmehr ist die Ablassleitung 12 mit dem Ablassventil 11 so ausgebildet, dass diese in den Zuluftstrom, und hier in den Teilabschnitt 14.2 der Zuluftleitung mündet. Der in dem abgelassenen Gasstrom enthaltene Restwasserstoff wird dann an den Elektrokatalysatoren des Kathodenraums 3 der Brennstoffzelle 2 umgesetzt, ohne direkt in den Abluftstrom zu gelangen. Auch ein derartiger Aufbau ist bei Brennstoffzellensystemen 1 an sich bekannt und üblich.
Außerdem sind in das integrierte Bauteil 26 hier noch ein Wasserabscheider 27 sowie eine Ventileinrichtung 28 mit integriert. Der Wasserabscheider 27 ist dabei bevorzugt im Bereich des aus dem Kathodenraum 3 in das integrierte Bauteil 26 einströmenden Abluftstroms angeordnet. Er dient dazu, flüssige Tröpfchen abzuscheiden, um ein Verstopfen der Kanäle der Wärmetauscher des integrierten Bauteils 26 zu verhindern. Das Wasser, welches sich in dem Wasserabscheider 27 sammelt, gelangt dann über eine Wasserleitung 29 in den Bereich 22.2 der Abluftleitung. Es wird dann zusammen mit der Abluft aus dem Brennstoffzellensystem 1 ausgetragen. Beispielsweise beim Einsatz in Fahrzeugen oder auch anderen Transportmitteln kann der Austrag von flüssigem Wasser aus dem Brennstoffzellensystem 1 unerwünscht sein. In diesem Fall kann, wie in der Darstellung der Figur 4 vorgesehen, eine Düse 30 im Teilabschnitt 22.2 der
Abluftleitung 22 angeordnet sein. Über diese Düse 30 kann das flüssige Wasser dann in der Abluft zerstäubt werden, beispielsweise in der Art, dass das Wasser einer
Zweistoffdüse zugeführt wird, welche von der Abluft durchströmt wird. Durch das
Zerstäuben des Wassers entsteht dann eine feine Verteilung desselben in der Abluft, sodass kein unmittelbar flüssiges Wasser aus dem Brennstoffzellensystem 1 austritt, sondern dieses fein verteilt in der Abluft vorliegt. Damit wird ein Benetzen einer beispielsweise unterhalb des Brennstoffzellensystems 1 angeordneten Oberfläche mit Flüssigkeit verhindert.
Außerdem weist das integrierte Bauteil 26 die bereits erwähnte Ventileinrichtung 28 auf. Diese dient dazu, die Zuluftleitung 14 mit der Abluftstromleitung 17 zu verbinden. Sie wird auch als Systembypassventil 28 bezeichnet. Sie kann in das integrierte Bauteil 26 integriert ausgeführt sein, da hier die beiden Ströme, also der Zuluftstrom und der Abluftstrom, vergleichsweise dicht beieinander geführt werden. Durch ein Öffnen der Ventileinrichtung 28 kann verhindert werden, dass Luft oder zu viel Luft in den
Kathodenraum 3 der Brennstoffzelle 3 eintritt. Dies kann insbesondere beim Abstellen des Brennstoffzellensystems 1 beim Wechsel in einen Bypasszustand des
Brennstoffzellensystemsl , zur schnellen Regelung der Zuluftmenge oder dergleichen sinnvoll sein. In den Darstellungen der Figuren 5 bis 8 sind nun verschiedene Möglichkeiten zur Ausführung des integrierten Bauteils 26 dargestellt. Dieses soll in den bevorzugten Ausführungsformen dabei jeweils als dreigängiger Gegenstromwärmetauscher ausgebildet sein. Die Ausführung kann dabei insbesondere in der Art eines
Plattenwärmetauschers realisiert werden. Der Abluftstrom aus dem Kathodenraum 3 strömt dabei, wie durch die Leitungselemente 17.1 und 17.4 der Abluftstromleitung dargestellt, wie bei einem Standard-Plattenwärmetauscher in einen der beiden Gasräume und dort durch die jeweiligen Kanäle beziehungsweise Ebenen. Er wird zunächst von dem im Gegenstrom dazu geführten Zuluftstrom aus der Leitung 14.1 nach der
Luftfördereinrichtung 6 entsprechend erwärmt und anschließend durch die Abluft nach der Turbine in der Abluftleitung 22 beziehungsweise ihren Abschnitten 22.1 und 22.2. Die Trennung der jeweils dazwischenliegende Ebene, zu denen eine Abdichtung des
Zuluftstromraums gegenüber dem Abluftstromraum erfolgt, ist in den Darstellungen der Figuren 5 bis 8 jeweils durch eine gestrichelte Linie eingezeichnet. Der Aufbau und der Fertigungsprozess des integrierten Bauteils 26 kann sich dabei an der an sich bekannten Herstellung von Plattenwärmetauschern im Gegenstrom- oder Kreuzstromverfahren orientieren. Ein Anschluss der einzelnen Gasräume kann beispielsweise in verschiedenen Abschnitten oder auf verschiedenen Seiten eines solchen Stapels aus Platten realisiert werden. Dabei sind je nach gewünschter Baugröße und vorgegebenen für das Packaging des integrierten Bauteils 26 verfügbaren Bauvolumen die in den Figuren 5 bis 8 dargestellten verschiedenen Varianten beispielhaft denkbar. Selbstverständlich sind andere konstruktive Ausgestaltungen des integrierten Bauteils 26 ebenso möglich und denkbar.
Da das Brennstoffzellensystem 1 in den oben aufgeführten Ausführungsformen nun entsprechend kompakt baut und energieeffizient betrieben werden kann, bietet es sich an, um in einem Transportmittel, beispielsweise einem Kraftfahrzeug 31 , eingesetzt zu werden. Ein solches Kraftfahrzeug 31 ist beispielhaft in der Darstellung der Figur 9 zu erkennen. Es umfasst ein Brennstoffzellensystem 1 , welches gemäß einem der oben dargestellten Ausführungsbeispiele realisiert ist. Es ist in der Darstellung der Figur 9 lediglich als Box dargestellt. Das Brennstoffzellensystem 1 gibt dabei elektrische Leistung an eine Elektronikeinheit 32 ab, welche diese elektrische Leistung zum Antrieb des Fahrzeugs an eine elektrische Maschine 33 verteilt. Außerdem können andere elektromotorische Verbraucher, insbesondere die elektrische Maschine 24 mit der Elektronikeinheit 32 gekoppelt sein, wobei auf eine explizite Darstellung hier verzichtet wurde. Außerdem kann in dem Fahrzeug 31 ein elektrischer Energiespeicher 34 vorgesehen sein, welcher beispielsweise als Batterie oder in Form von
Hochleistungskondensatoren ausgebildet ist. Auch eine Kombination dieser Bauteile in dem elektrischen Energiespeicher 34 ist denkbar. Der elektrische Energiespeicher 34 kann dann überschüssige Energie, welche beispielsweise für das Brennstoffzellensystem
1 produziert und von dem Fahrmotor 33 nicht abgenommen werden kann,
Zwischenspeichern. Außerdem kann in dem elektrischen Energiespeicher 34 Energie zwischengespeichert werden, welche durch die elektrische Maschine 24 dann erzeugt wird, wenn an der Turbine 21 mehr Leistung anfällt, als von der Luftfördereinrichtung 6 benötigt wird. Ferner kann auch elektrische Energie in der Energiespeichereinrichtung 34 gespeichert werden, welche beim Abbremsen des Fahrzeugs 31 anfällt, wenn hierzu der elektrische Fahrmotor 33 im generatorischen Betrieb betrieben wird, um mit seinem Schleppmoment das Fahrzeug 31 zu bremsen.
Der Aufbau gemäß der Erfindung weist nun außerdem den Vorteil auf, dass bei einem eventuellen Ausfall des Brennstoffzellensystems 1 über den Brenner 19 und Wasserstoff aus der Wasserstoffspeichereinrichtung 7 sowie über die Luftfördereinrichtung 6 zugeführter Luft elektrische Energie über die Turbine 21 und die elektrische Maschine 24 im generatorischen Betrieb erzeugt werden kann. Diese elektrische Energie könnte dann über die Elektronikeinheit 32 zum Antrieb des Fahrmotors 33 genutzt werden, sodass ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Ausgestaltung des Brennstoffzellensystems 1 darin liegt, dass ein Notbetrieb des Fahrzeugs auch bei einem Ausfall der Brennstoffzelle
2 möglich wird.

Claims

Patentansprüche
1. Ein Brennstoffzellensystem mit wenigstens einer Brennstoffzelle, mit einer
Luftfördereinrichtung zur Zufuhr von Luft zu einem Kathodenraum der
Brennstoffzelle, mit einer Turbine zum Entspannen eines Abluftstroms aus dem Bereich des Kathodenraums, und mit einem Brenner zum Erwärmen des
Abluftstroms vor der Turbine,
dadurch gekennzeichnet, dass
ein Wärmetauscher (18) vorgesehen ist, welcher von der Abluft (22.1 , 22.2) der Turbine (21) einerseits und dem Abluftstrom (17.1 , 17.2, 17.3) in Strömungsrichtung vor dem Brenner (19) andererseits durchströmt ist.
2. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
ein Ladeluftkühler (15) vorgesehen ist, welcher von der Zuluft (14.1 , 14.2) zum Kathodenraum (3) in Strömungsrichtung nach der Luftfördereinrichtung (6) einerseits und dem Abluftstrom (17.1 , 17.2, 17.3) in Strömungsrichtung vor dem Brenner (19) andererseits durchströmt ist.
3. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Abluftstrom (17.1 , 17.2, 17.3) so geführt ist, dass er in Strömungsrichtung vor dem Brenner (19) zuerst den Ladeluftkühler (15) und dann den Wärmetauscher (18) durchströmt.
4. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 2 oder 3,
dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (18) und der Ladeluftkühler (15) in einem integrierten Bauteil (26) ausgeführt sind.
5. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, dass
das integrierte Bauteil (26) als dreigängiger Gegenstrom-Wärmetauscher ausgebildet ist.
6. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Brenner (19) in den Wärmetauscher (18) integriert ausgeführt ist.
7. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Brenner (19) als katalytischer Brenner ausgebildet ist.
8. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Brenner und/oder der Abluftstrom (17.1 , 17.2, 17.3) mit einer Ablassleitung (12) aus dem Bereich eines Anodenraums (5) der Brennstoffzelle (2) und/oder einer Brenngasleitung (13) verbunden ist.
9. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 4 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, dass
das integrierte Bauteil (26) ferner einen Wasserabscheider (27) am Einlass für den Abluftstrom (17.1 , 17.2) aufweist.
10. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Wasserabscheider (27) in den Bereich der Abluft (22.1 , 22.2) der Turbine (21) entleerbar ist.
11. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet, dass das Wasser aus dem Wasserabscheider (27) über eine Düse (30) in die Abluft (22.1 , 22.2) einbringbar ist.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 4 bis 11 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
das integrierte Bauteil (26) eine Ventileinrichtung (28) zur Verbindung der Zuluftseite mit der Abluftseite integriert ist.
13. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 4 bis 12,
dadurch gekennzeichnet, dass
in das integrierte Bauteil (26) ein Befeuchter (16) integriert ist, welchen der Zuluftstrom (14.1 , 14.2) zum Kathodenraum (3) der Brennstoffzelle (2) durch für Wasserdampf durchlässige Membranen vom Abluftstrom (17.1 , 17.2) von dem Wärmetauscher (18) getrennt, durchströmt.
14. Verwendung des Brennstoffzellensystems nach einem der Ansprüche 1 bis 13, in einem Transportmittel (31).
15. Verwendung nach Anspruch 14,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Transportmittel als Kraftfahrzeug (31) ausgebildet ist, und dass das Brennstoffzellensystem (1) zum Antrieb des Kraftfahrzeugs (31) dient.
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