WO2022233762A1 - Brennstoffzellensystem ohne energierekuperation und ein verfahren zum betreiben eines solchen brennstoffzellensystems - Google Patents

Brennstoffzellensystem ohne energierekuperation und ein verfahren zum betreiben eines solchen brennstoffzellensystems Download PDF

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WO2022233762A1
WO2022233762A1 PCT/EP2022/061654 EP2022061654W WO2022233762A1 WO 2022233762 A1 WO2022233762 A1 WO 2022233762A1 EP 2022061654 W EP2022061654 W EP 2022061654W WO 2022233762 A1 WO2022233762 A1 WO 2022233762A1
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heat exchanger
fuel cell
exhaust air
cell system
air
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PCT/EP2022/061654
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Inventor
Jochen Braun
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Robert Bosch Gmbh
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    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M2008/1095—Fuel cells with polymeric electrolytes

Definitions

  • the invention relates to a fuel cell system without energy recuperation in an exhaust air line of a cathode system according to the preamble of the independent device claim. Furthermore, the invention relates to a method for operating a fuel cell system according to the preamble of the independent method claim.
  • oxygen from the ambient air is generally used in order to react with hydrogen in a fuel cell to form water or water vapor and thus generate electrical energy.
  • the ambient air is to be supplied to the fuel cell stack by means of an air conveying system or air compression system. This requires a corresponding air mass flow and a corresponding pressure level. If higher operating pressures are required in the cathode system, e.g. to achieve high power densities, this is associated with a correspondingly increased effort in air compression. This leads to increased temperatures of the compressed air in the cathode system.
  • the compressed air must be cooled in order to comply with the maximum permissible inlet temperatures into the fuel cell or into an optionally available humidifier, if available. The removal of heat from the air system increases the demands on the cooling system. Disclosure of Invention
  • the invention provides a fuel cell system with the features of the independent device claim, in particular from the characterizing part. Furthermore, according to a second aspect, the invention provides a method for operating a fuel cell system with the features of the independent method claim, in particular from the characterizing part. Further advantages, features and details of the invention result from the dependent claims, the description and the drawings. Features and details that are described in connection with the fuel cell system according to the invention naturally also apply in connection with the method according to the invention and vice versa, so that the disclosure of the individual aspects of the invention is or can always be referred to alternately.
  • the present invention provides a fuel cell system comprising at least one fuel cell and a cathode system for providing an oxygen-containing reactant in the form of supply air to the at least one fuel cell, the cathode system having a supply air line for providing the supply air to the at least one fuel cell and a Has an exhaust air line for removing exhaust air from the at least one fuel cell, the cathode system being designed without recuperation, in particular without a turbine, and at least one heat exchanger being provided between the air supply line and the exhaust air line of the cathode system, which heat exchanger is designed to transfer thermal energy or To transfer heat from the supply air to the exhaust air passively, in particular without a drive.
  • the fuel cell system according to the invention can have at least one or more fuel cell stacks, so-called fuel cell stacks, each with a plurality of stacked repeating units in the form of a plurality of fuel cells, for example PEM fuel cells.
  • the fuel cell system according to the invention can advantageously be used for mobile applications, such as in motor vehicles, or for stationary applications, such as in generator systems.
  • a passive design of the heat exchanger means that the heat transfer takes place without a drive and therefore without a drive, such as a coolant pump.
  • an additional electrically driven heat exchanger for cooling the supply air can be dispensed with.
  • At least the additional electrically driven heat exchanger for cooling the supply air can be made smaller with the help of the heat exchanger within the scope of the invention. In mobile applications, for example in motor vehicles, this advantageously reduces the load on a vehicle cooler.
  • the heat exchanger according to the invention can be provided as a module.
  • the heat exchanger according to the invention is integrated into the cathode system, e.g. B. in a silencer can be provided.
  • the idea of the invention lies in the heat transfer between the compressed supply air in the supply air line before the at least one fuel cell and the exhaust air in the exhaust air line after the at least one fuel cell by means of a passive heat exchanger, in particular without mass transfer, e.g. in the form of a gas-gas heat exchanger or heat pipes.
  • the passive heat exchanger according to the invention advantageously does not require any additional integration into the cooling circuit of the end device, for example a vehicle or a generator.
  • no additional actuators are required.
  • installation space can be reduced and the energy and power efficiency of the fuel cell system can be increased.
  • it is advantageous that the liquid water droplets in the mostly supersaturated exhaust air can evaporate and/or vaporize with the aid of the heat transfer into the exhaust air.
  • the exhaust air can be discharged to the environment largely in the form of vapor and thus less irritating or disruptive.
  • the heated exhaust air can also be used for other purposes, e.g. B. for ventilation of fuel-carrying components such. B. Stack housing, tank housing, anode housing, etc., for tempering components, etc.
  • the heat exchanger can be combined with a silencer according to the invention, resulting in a reduction of audible and / or noticeable vibrations in the exhaust gas path leads.
  • several divided or common heat coupling points can be implemented.
  • the at least one heat exchanger is designed to be drive-free in order to transfer thermal energy from the supply air to the exhaust air without an electrical energy supply. Parasitic energy costs in the fuel cell system can thus be reduced and the efficiency of the fuel cell system can be increased.
  • the at least one heat exchanger is designed to transfer thermal energy from the supply air to the exhaust air indirectly, in particular without material exchange, for example by evaporation and condensation of a working medium.
  • a heat exchanger can thus be provided which allows a high heat flow density using the heat of vaporization of the working medium.
  • the at least one heat exchanger has a first chamber and a second chamber that are hermetically sealed and through which the supply air and the exhaust air are routed, and that in particular the at least one heat exchanger has at least one heat pipe or several heat pipes has, in which or in which a working medium is enclosed.
  • a passive heat exchanger can be implemented according to a heat pipe or thermosiphon principle, which transfers the heat through evaporation and condensation of the working medium.
  • the at least one heat pipe can in particular metallic, have a vessel with an elongate extension, which hermetically encloses a working medium.
  • a working medium z.
  • As methanol, water, refrigerant or ammonia are used.
  • the working medium can be partly in the liquid state and partly in the gaseous state.
  • the section of the heat pipe that absorbs energy is called the evaporator.
  • the section of the heat pipe used to dissipate energy is called the condenser.
  • the evaporator can be shorter than or the same length as the condenser.
  • the evaporator is surrounded by the supply air.
  • the exhaust air flows around the condenser.
  • the at least one heat pipe can be accommodated in a housing with a first chamber and a second chamber, the first chamber being hermetically sealed off from the second chamber.
  • the supply air flows through the first chamber, in which the evaporator is arranged.
  • the exhaust air flows through the second chamber, in which the condenser is arranged.
  • the compressed supply air transfers the heat to the working medium of the heat pipe in the evaporator.
  • the working medium transports this heat to the condenser, which releases this heat to the exhaust air in the second chamber.
  • the at least one heat exchanger has at least one first pipe and at least one second pipe, which are routed through the at least one heat exchanger and through which the supply air and the exhaust air are routed, and that in particular the at least one Heat exchanger has a closed housing in which a working medium, for example product water, is enclosed.
  • a passive heat exchanger can thus be implemented, which transfers the heat through evaporation and condensation of the working medium.
  • the working medium is recirculated within the heat exchanger.
  • the vapor rises within the heat exchanger, condenses and drips off.
  • the evaporation of the working medium is triggered by the heated supply air.
  • the working medium absorbs the heat from the supply air by evaporating.
  • the condensation of the working medium is triggered by the cooler exhaust air. Through condensation, the steam transfers the heat to the exhaust air.
  • the condensing working medium drips off and collects again in the lower part of the heat exchanger and is again available for evaporation.
  • the at least one heat exchanger is designed to transfer thermal energy from the supply air to the exhaust air indirectly, in particular without mass transfer. It is conceivable that the at least one heat exchanger is designed in the form of a gas-gas heat exchanger. In this way, a heat exchanger that is simple in terms of construction and assembly can be provided.
  • a pressure control valve is provided in the exhaust air line.
  • the pressure in the cathode path can be determined with the help of the pressure control valve.
  • the at least one heat exchanger is arranged in front of the pressure control valve in the exhaust air line, viewed in the direction of flow of the exhaust air.
  • a higher pressure level of the exhaust air in the heat exchanger can thus be set. This can increase the heat capacity of the exhaust air. In this way, a smaller pressure drop in the heat exchanger can also be set.
  • the at least one heat exchanger is arranged after the pressure control valve in the exhaust air line, viewed in the direction of flow of the exhaust air.
  • Advantages of arranging the heat exchanger downstream of the pressure control valve include the fact that the pressure control valve can be combined with a bypass valve in a valve block.
  • a combined three-way valve is also conceivable for the pressure control valve with a bypass valve.
  • a combined valve from the pressure control valve and a shut-off valve is also conceivable.
  • the pressure control valve can be designed as a pressure control valve with an additional sealing function.
  • a combined valve block, a combined three-way valve or a pressure control valve with the sealing function can be interconnected more easily, e.g. by being integrated together in the cable harness.
  • At least one compressor is arranged in the supply air line. It is conceivable that the at least one compressor can be designed as a single-flow compressor or as a multi-flow compressor or as a multi-stage compressor. A corresponding air mass flow and a corresponding pressure level of the supply air can be set with the aid of a compressor.
  • the at least one heat exchanger is arranged in the supply air line after a single-flow compressor or after the first stage of a multi-stage compressor or after the second stage of the multi-stage compressor, viewed in the flow direction of the supply air.
  • the heat exchanger can be connected flexibly in order to be adapted to different installation space requirements and/or the conditions in the system.
  • the at least one heat exchanger has a first heat exchanger and a second heat exchanger.
  • the efficiency of heat transfer can be increased.
  • the first heat exchanger can be arranged after the first stage of the multi-stage compressor and the second heat exchanger after the second stage of the multi-stage compressor, viewed in the flow direction of the supply air in the supply air line.
  • the first heat exchanger can be arranged before or after the second heat exchanger, viewed in the flow direction of the exhaust air in the exhaust air line.
  • the first heat exchanger and the second heat exchanger can have several divided or common heat coupling points. In this way, more flexibility can be achieved when connecting the Heat exchanger, especially in connection with a two-stage compressor can be achieved.
  • the at least one heat exchanger can have at least one silencer at an outlet for the exhaust air from the exhaust air line into the at least one heat exchanger. Furthermore, it is conceivable that the at least one heat exchanger can have a second silencer at an inlet for the exhaust air from the at least one heat exchanger into the exhaust air line. This can result in advantages with regard to the reduced installation space and improved functionality as well as noise and vibration insulation in the system.
  • At least one gas/coolant heat exchanger can be arranged in the supply air line.
  • the gas-refrigerant heat exchanger can support the heat exchanger if necessary.
  • the present invention provides a method for operating a fuel cell system without energy recuperation in an exhaust air line of a cathode system, having at least one fuel cell and a cathode system for providing an oxygen-containing reactant in the form of supply air to the at least one fuel cell, the cathode system having a supply air line for providing the supply air to the at least one fuel cell and an exhaust air line for removing exhaust air from the at least one fuel cell, and wherein the cathode system is designed to be recuperation-free, and wherein at least one heat exchanger is provided between the air supply line and the exhaust air line of the cathode system, which is used for this purpose to passively transfer thermal energy from the supply air to the exhaust air.
  • the same advantages are achieved with the aid of the method according to the invention as were described above with the aid of the fuel cell system according to the invention. Reference is made in full to these advantages here.
  • the method is particularly suitable for operating a fuel cell system described above and in the claims.
  • the heated exhaust air is used to ventilate fuel-carrying components of the fuel cell system, such as e.g. B. stack housing, tank housing, anode housing o. ⁇ ., And / or for temperature control of components of the fuel cell system and / or a terminal such.
  • B. a vehicle interior, a traction battery, etc. can be used. In this way, the functionality of the fuel cell system can be expanded without energy recuperation.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a fuel cell system with a single-flow or a double-flow compressor and a passive heat exchanger
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a fuel cell system with a two-stage compressor and a passive heat exchanger
  • FIG. 3 shows a schematic representation of a fuel cell system with a two-stage compressor and a passive heat exchanger
  • FIG. 4 shows a schematic representation of a fuel cell system with a two-stage compressor and two passive heat exchangers
  • 5 shows a schematic representation of a fuel cell system with a single-flow or a double-flow compressor and a passive heat exchanger
  • 6 shows a schematic representation of a fuel cell system with a two-stage compressor and a passive heat exchanger with a combined silencer
  • FIG. 7 shows a schematic representation of a fuel cell system with a two-stage compressor and two passive heat exchangers, which have divided heat coupling points
  • FIG. 8 shows a schematic representation of a fuel cell system with a single-flow compressor and a passive heat exchanger with two silencers
  • FIG. 9 shows a schematic representation of a fuel cell system according to the invention with a two-stage compressor and a heat exchanger, the heated exhaust air of which is used for different consumers.
  • FIGS 1 to 9 each show a fuel cell system 100 within the meaning of the invention, which has the following elements: at least one fuel cell 101 or at least one fuel cell stack and a cathode system 10 for providing an oxygen-containing reactant in the form of supply air to the at least one fuel cell 101.
  • the cathode system 100 has a supply air line 11 for providing the supply air LI to the at least one fuel cell 101 and an exhaust line 12 for discharging an exhaust air L2 from the at least one fuel cell 101, e.g. to an environment U.
  • An air filter AF can be provided at the beginning of the supply air line 11 .
  • the cathode system 10 is designed without recuperation, ie without a turbine in the exhaust air line 12 .
  • at least one heat exchanger 20 is provided between the supply air line 11 and the exhaust air line 12 of the cathode system 10 is designed to passively, in particular without a drive, transfer thermal energy or heat from the supply air LI to the exhaust air L2.
  • the at least one heat exchanger 20 can also be referred to as the passive heat exchanger 20 within the meaning of the invention.
  • the fuel cell system 100 can be used for mobile applications, such as in motor vehicles, or for stationary applications, such as in generator systems.
  • the invention proposes reducing the heat transfer between the compressed supply air LI in the supply air line 11 before the at least one fuel cell 101 and the exhaust air L2 in the exhaust air line 12 after the at least one fuel cell 101 by means of a passive heat exchanger 20, in particular without mass transfer, e.g. in the form of gas-gas heat exchangers or heat pipes.
  • the passive heat exchanger 20 does not require any additional integration into the cooling circuit of the end device, for example a vehicle or a generator.
  • the heat exchanger 20 can thus be arranged and connected within the fuel cell system 100 in a simple manner. This can also relieve the cooling circuit of the end device. Furthermore, as a result, the installation space for the fuel cell system 100 can be efficiently utilized. Furthermore, the energy and power efficiency of the fuel cell system 100 can thereby be increased.
  • a further advantage of the invention lies in the fact that the liquid water droplets in the mostly supersaturated exhaust air L2 can evaporate and/or vaporize with the aid of the heat transfer into the exhaust air L2.
  • the exhaust air L2 can thus be discharged to the environment U largely in the form of vapor and thus in a less irritating and/or disruptive manner.
  • the heated exhaust air L2 can also be used for other purposes, e.g. B. for ventilation of fuel-carrying components VI, such. B. stack housing, tank housing, anode housing or similar, for tempering components V2, etc.
  • the heat exchanger can be combined with at least one silencer 23, 24 in the sense of the invention in order to reduce audible and/or perceptible vibrations in the exhaust gas path.
  • the at least one heat exchanger 20 is designed without a drive in order to transfer thermal energy from the supply air LI to the exhaust air L2 without an electrical energy supply in order to reduce parasitic energy costs in the fuel cell system and to improve efficiency of the fuel cell system 100 to increase.
  • thermal energy is transferred from the incoming air LI to the outgoing air L2 indirectly, in particular without mass transfer, for example by evaporation and condensation of a working medium.
  • the at least one heat exchanger 20 can be implemented according to a heat pipe or thermosiphon principle.
  • a passive heat exchanger are also conceivable, which work according to the principle of evaporation and condensation of a working medium.
  • the at least one heat exchanger 20 can advantageously be designed in the form of a gas-gas heat exchanger.
  • a pressure control valve Cvexh can be provided in the exhaust air line 12 .
  • the at least one heat exchanger 20 seen in the direction of flow of the exhaust air L2 in the exhaust line 12 can be arranged in front of the pressure control valve Cvexh. In this way, a higher pressure level of the exhaust air L2 in the heat exchanger 20 can be set. The heat capacity of the exhaust air L2 can be increased as a result. A smaller pressure drop in the heat exchanger 20 can thus also be set.
  • FIGS. 5 to 8 again show that the at least one heat exchanger 20 can be arranged in the exhaust air line 12 downstream of the pressure control valve Cvexh, viewed in the direction of flow of the exhaust air L2.
  • FIG. 5 shows, when the heat exchanger 20 is arranged downstream of the pressure control valve Cvexh, the pressure control valve Cvexh can be combined with a ByCath bypass valve in a valve block.
  • a combined three-way valve is also conceivable for the Cvexh pressure control valve with a ByCath bypass valve.
  • the functionalities of the pressure control valve Cvexh and the functionalities of a shut-off valve SV2 can be combined in one valve.
  • the pressure control valve Cvexh can be designed with a sealing function.
  • the exhaust air L2 can be distributed to different heat injection points or heat injection paths.
  • at least one compressor P is arranged in the supply air line in order to suck in the air from the environment U and in compressed form in the form of supply air LI to the at least one fuel cell 101 or to the at least one provide fuel cell stack.
  • the at least one compressor P can be designed as a single-flow compressor P, as a multi-flow compressor PP or as a multi-stage compressor PP.
  • the at least one heat exchanger 20 can be seen in the flow direction of the supply air LI in the supply air line 11 after a single-flow or double-flow compressor P (see Figures 1, 5 or 8) or after the first stage of a multi-stage compressor PP (see Figures 3 or 9) or after the second stage of the multi-stage compressor PP (see Figures 2 or 6) or both, i.e. after the first and after the second stage of a two-stage compressor PP (see . Figures 4 and 7).
  • the at least one heat exchanger 20 can have a first heat exchanger 21 and a second heat exchanger 22. It is conceivable that the first heat exchanger 21 can be arranged after the first stage of the multi-stage compressor PP and the second heat exchanger 22 can be arranged after the second stage of the multi-stage compressor PP, viewed in the flow direction of the supply air LI in the supply air line 11 . It is also conceivable that the first heat exchanger 21 can be arranged before or after the second heat exchanger 22 in the flow direction of the exhaust air L2 in the exhaust air line 12 (see the dashed arrows in FIGS. 4 and 7).
  • FIGS. 1-10 one or two gas-coolant heat exchangers 31, 32 are shown schematically in FIGS.

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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

Beschreibung
Titel
Brennstoffzellensystem ohne Energierekuperation und ein Verfahren zum
Betreiben eines solchen Brennstoffzellensystems
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 Geräusch- sowie 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:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems mit einem einflutigen oder einem zweiflutigen Verdichter und einem passiven Wärmeübertrager,
Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems mit einem zweistufigen Verdichter und einem passiven Wärmeübertrager,
Fig. 3 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems mit einem zweistufigen Verdichter und einem passiven Wärmeübertrager,
Fig. 4 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems mit einem zweistufigen Verdichter und zwei passiven Wärmeübertragern,
Fig. 5 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems mit einem einflutigen oder einem zweiflutigen Verdichter und einem passiven Wärmeübertrager, Fig. 6 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems mit einem zweistufigen Verdichter und einem passiven Wärmeübertrager mit einem kombinierten Schalldämpfer,
Fig. 7 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems mit einem zweistufigen Verdichter und zwei passiven Wärmeübertragern, die aufgeteilte Wärmeeinkopplungsstellen aufweisen,
Fig. 8 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems mit einem einflutigen Verdichter und einem passiven Wärmeübertrager mit zwei Schalldämpfern, und
Fig. 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 Figuren 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 LI 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 LI 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 LI 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 Figur 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 Figuren 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 Figur 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 Figuren 1 bis 9 schematisch gezeigt ist, ist der mindestens eine Wärmeübertrager 20 antriebsfrei ausgeführt, um thermische Energie von der Zuluft LI 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 Figuren 1 bis 9 ist es denkbar, dass thermische Energie von der Zuluft LI 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 Figuren 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 Figuren 1 bis 9 ersichtlich ist, kann in der Abluftleitung 12 ein Druckregelventil Cvexh vorgesehen sein. In den Figuren 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 Figuren 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 Figur 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 Figur 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 Figuren 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 Figur 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 Figuren 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 LI an die mindestens eine Brennstoffzelle 101 oder an den mindestens einen Brennstoffzellenstack bereitzustellen. Wie es aus den Figuren 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 Figuren 1 bis 9 schematisch andeuten, kann der mindestens eine Wärmeübertrager 20 in die Flussrichtung der Zuluft LI in der Zuluftleitung 11 gesehen nach einem einflutigen oder zweiflutigen Verdichter P (s. die Figuren 1, 5 oder 8) oder nach der ersten Stufe eines mehrstufigen Verdichters PP (s. die Figuren 3 oder 9) oder nach der zweiten Stufe des mehrstufigen Verdichters PP (s. die Figuren 2 oder 6) oder sowohl als auch d.h. nach der ersten und nach der zweiten Stufe eines zweistufigen Verdichters PP (s. die Figuren 4 und 7) angeordnet sein.
Wie es die Figuren 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 LI 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 Figuren 4 und 7).
In den Figuren 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

Ansprüche
1. Brennstoffzellensystem (100), aufweisend: mindestens eine Brennstoffzelle (101) und ein Kathodensystem (10) zum Bereitstellen eines sauerstoffhaltigen Reaktanten in Form einer Zuluft (LI) an die mindestens eine Brennstoffzelle (101), wobei das Kathodensystem (10) eine Zuluftleitung (11) zum Bereitstellen der Zuluft (LI) 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 (LI) zu der Abluft (L2) passiv zu übertragen.
2. Brennstoffzellensystem (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Wärmeübertrager (20) antriebsfrei ausgeführt ist, um thermische Energie von der Zuluft (LI) zu der Abluft (L2) ohne eine elektrische Energiezufuhr passiv zu übertragen.
3. Brennstoffzellensystem (100) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Wärmeübertrager (20) dazu ausgeführt ist, thermische Energie von der Zuluft (LI) 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 (LI) 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.
4. Brennstoffzellensystem (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Wärmeübertrager (20) dazu ausgeführt ist, thermische Energie von der Zuluft (LI) zu der Abluft (L2) indirekt, insbesondere ohne Stoff austausch, zu übertragen, wobei insbesondere der mindestens eine Wärmeübertrager (20) in Form eines Gas-Gas-Wärmeübertragers ausgeführt ist.
5. Brennstoffzellensystem (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Abluftleitung (12) ein Druckregelventil (Cvexh) vorgesehen ist.
6. 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.
7. 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.
8. 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 (PI), als ein mehrflutiger Verdichter (PP) oder als mehrstufiger Verdichter (PP) ausgeführt ist.
9. 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.
10. 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 (LI) 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.
11. 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. 12. Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems (100), aufweisend: mindestens eine Brennstoffzelle (101) und ein Kathodensystem (10) zum Bereitstellen eines sauerstoffhaltigen Reaktanten in Form einer Zuluft (LI) an die mindestens eine Brennstoffzelle (101), wobei das Kathodensystem (10) eine Zuluftleitung (11) zum Bereitstellen der Zuluft (LI) 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 (LI) zu der Abluft (L2) passiv zu übertragen.
13. 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.
PCT/EP2022/061654 2021-05-07 2022-05-02 Brennstoffzellensystem ohne energierekuperation und ein verfahren zum betreiben eines solchen brennstoffzellensystems WO2022233762A1 (de)

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