AT528155A1

AT528155A1 - Brennstoffzellensystem

Info

Publication number: AT528155A1
Application number: ATA50246/2024A
Authority: AT
Inventors: Schubert Dipl -Ing Thomas; Zimmermann Dipl -Ing Jörg; Hausegger Bsc Julia
Original assignee: Avl List Gmbh
Priority date: 2024-03-20
Filing date: 2024-03-20
Publication date: 2025-10-15
Also published as: WO2025194193A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem (100) zur Erzeugung von elektrischem Strom, aufweisend wenigstens einen Brennstoffzellenstapel (110), wobei der Brennstoffzellenstapel (110) eine Luftseite (120) und eine Brennstoffseite (130) aufweist und die Luftseite (120) einen Luftzuführabschnitt (122) für eine Zufuhr von Zuluft (ZL) zur Luftseite (120) und einen Abluftabführabschnitt (124) für eine Ab- fuhr von Abluft (AL) von der Luftseite (120) aufweist, wobei weiter die Brennstoffseite (130) einen Brennstoffzuführabschnitt (132) für eine Zufuhr von Brennstoff (BS) zur Brennstoffseite (130) und einen Abgasabführabschnitt (134) für eine Abfuhr von Ab- gas (AG) von der Brennstoffseite (130) aufweist, wobei im Luftzuführabschnitt (122) eine Kompressorvorrichtung (140) angeordnet ist für eine Kompression der Zuluft (ZL), wobei stromabwärts dieser Kompressorvorrichtung (140) eine Zuluft-Abluft- Wärmetauscher (150) angeordnet ist für eine Wärmeübertragung von der Zuluft (ZL) auf die Abluft (AL).

Description

Brennstoffzellensystem

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem zur Erzeugung von elektrischem Strom sowie ein Kontrollverfahren für eine Kontrolle eines solchen Brennstoffzellensystems.

Es ist grundsätzlich bekannt, dass Brennstoffzellensysteme zum Erzeugen von elektrischem Strom eingesetzt werden. Hierfür sind solche Brennstoffzellensysteme übliCcherweise mit einem oder mehreren Brennstoffzellenstapeln ausgestattet. Ein solcher Brennstoffzellenstapel ist eine Kombination aus einer Vielzahl einzelner Brennstoffzellen, welche stapelförmig übereinander angeordnet sind. Verfahrenstechnisch lässt sich ein Brennstoffzellenstapel üblicherweise in eine Luftseite und eine Brennstoffseite unterteilen. Somit wird auf der Luftseite Zuluft, üblicherweise aus der Umgebung, zugeführt. Auf der Brennstoffseite wird Brennstoff, beispielsweise Wasserstoff oder Erdgas oder ähnliche gasförmige Brennstoffe, zugeführt. Durch die Anordnung einer Brennstoffzellmembran in jeder Brennstoffzelle im Brennstoffzellenstapel wird eine Brennstoffzellenfunktionalität zur Verfügung gestellt. Das bedeutet, dass durch katalytische Umsetzung des Brennstoffs unter Verwendung der Zuluft eine kontrollierte chemische Reaktion durchgeführt wird, welche zu Stromfluss führt. Die entstehenden chemischen Reaktionsprodukte werden einerseits als Abluft von der Abluftseite und andererseits als Abgas von der Brennstoffseite wieder aus dem Brennstoffzellenstapel herausgeführt. Üblicherweise werden sowohl Abluft als auch Abgas an die Umgebung abgeführt.

Nachteilhaft bei den bekannten Lösungen ist es, dass ein Großteil der Komponenten in dem Brennstoffzellensystem temperatursensibel ist. Das bedeutet, dass üblicherweise Kühlmittelkreisläufe vorgesehen werden, um gezielt die einzelnen Komponenten in den gewünschten Temperaturbereichen zu halten und insbesondere vor unerwünschter Überhitzung zu schützen. Ein wesentlicher Bestandteil ist dabei die Notwendigkeit, die Zuluft zu kühlen. So wird Zuluft üblicherweise durch eine Kompressorvorrichtung mit Druck beaufschlagt und entsprechend auf diese Weise der Volumenstrom an Zuluft durch den Brennstoffzellenstapel erzeugt. Durch die Kompression der Zuluft erwärmt sich diese aufgrund der Druckerhöhung nach dem Gesetz der idealen Gase. Diese Erwärmung kann je nach aktueller Einsatzsituation zu Temperaturen der Zuluft führen, welche stromabwärts des Kompressors einen gewünschten Grenzwert als Obergrenze überschreiten. Um zu vermeiden, dass nun durch die

Kompression überhitzte Zuluft, also mit einer Temperatur oberhalb des Temperatur-

grenzwerts, in den Brennstoffzellenstapel gefördert wird, weisen bekannte Brenn-

stoffzellensysteme hier Kühlelemente auf, welche durch externe Flüssigkühlung mit

Hilfe eines Anschlusses an einen Kühlmittelkreislauf, ein Abkühlen der Zuluft ermög-

lichen.

Die Notwendigkeit der Kühlung der Zuluft bringt eine Vielzahl von Nachteilen mit sich. Zum einen ist konstruktiv und hinsichtlich des Bauraums eine Wärmeübertragungsmöglichkeit für das Abkühlen der Zuluft und das Aufnehmen der Wärme in dem Kühlmittel vorzusehen. Darüber hinaus ist das weitere Transportieren des erwärmten Kühlmittels und ein Abführen der aufgenommenen Wärme an die Umgebung notwendig. Hierfür ist Kühlenergie notwendig, wodurch die Effizienz im Betrieb des gesamten Brennstoffzellensystems leidet. Nicht zuletzt wird auf diese Weise auch die Komplexität in der Kontrolle erhöht, da der Kühlmittelkreislauf zusätzlich die Kühlnotwendigkeit und die Kühlbedürfnisse der Zuluft in kontrollierter Weise berücksichtigen

MUSS.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, in kostengünstiger und einfacher Weise die voranstehend beschriebenen Probleme zumindest teilweise zu beheben. Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, in kostengünstiger und einfacher Weise die Betriebseffizienz eines Brennstoffzellensystems zu erhöhen.

Die voranstehende Aufgabe wird gelöst durch ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie ein Kontrollverfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 11. Weitere 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 Brennstoffsystem beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Kontrollverfahren und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird be-

ziehungsweise werden kann.

Erfindungsgemäß dient ein Brennstoffzellensystem der Erzeugung von elektrischem Strom. Hierfür ist dieses Brennstoffzellensystem mit wenigstens einem Brennstoffzellenstapel ausgestattet. Dieser Brennstoffzellenstapel, welcher stapelförmig angeordnet eine Vielzahl von übereinander angeordneten Brennstoffzellen aufweist, ist in eine Luftseite und eine Brennstoffseite unterscheidbar. Die Luftseite weist einen Luft-

Ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem basiert auf den bekannten technologischen Überlegungen zu Brennstoffzellensystemen. An dieser Stelle wird Bezug genommen auf die bekannten Umsetzungen, sodass keine weiteren Detailinformationen hinsichtlich Ventilen, Wärmetauschern oder anderen Betriebskomponenten des Brennstoffzellensystems aufgenommen wird. Der Kerngedanke der vorliegenden Erfindung liegt nun darin, dass weiterhin eine Kompressorvorrichtung verwendet wird, um die Förderung und Druckbeaufschlagung der Zuluft zu gewährleisten. Im Luftzuführabschnitt kann, zum Beispiel aus der Umgebung, Luft als Zuluft angesaugt werden. Die Ansaugung und Förderung erfolgt mit der Kompressorvorrichtung, in welcher beispielsweise ein Kompressor die Luft mit der gewünschten Förderenergie und Kompressionsenergie beaufschlagt.

Durch den Betrieb der Kompressorvorrichtung wird nicht nur die Zuluft gefördert, sondern durch die Druckerhöhung erwärmt sich auch die Zuluft bei dieser Kompression nach dem Gesetz der idealen Gase. Die Ausgangstemperatur aus der Kompressorvorrichtung und damit die Temperatur der Zuluft stromabwärts der Kompressorvorrichtung ist nun deutlich höher als die Umgebungstemperatur der Umgebungsluft. Um nun in bekannter Weise sicherzustellen, dass diese Zuluft nicht mit unerwünscht hoher Temperatur, also insbesondere nicht in einem überhitzten Zustand oberhalb einer Obergrenze für die Temperatur der Zuluft, den Brennstoffzellenstapel erreicht, ist nun erfindungsgemäß in das Brennstoffzellensystem eine interne Kühlmöglichkeit integriert. Diese interne Kühlmöglichkeit wird durch den Zuluft-AbluftWärmetauscher zur Verfügung gestellt. Dieser erlaubt es, insbesondere als GasGas-Wärmetauscher, eine Wärmeübertragung von der Zuluft auf die Abluft zu ermöglichen. Die Abluft ist die Gasmenge, welche von der Luftseite wieder an die Umgebung zurückgeführt wird. Üblicherweise ist die Abluft kälter als die Zuluft. Durch

die Temperaturdifferenz zwischen der überhitzten Zuluft im Luftzuführabschnitt und

die Abluft im Abluftabführabschnitt kann nun eine interne Kühlmöglichkeit genutzt

werden.

Der Temperaturgradient zwischen Zuluft und Abluft wird konstruktiv dadurch nutzbar gemacht, dass diese beiden Gasströme nun in wärmeübertragendem Kontakt gebracht werden. Hierfür dient der Zuluft-Abluft-Wärmetauscher. Die Zuluftseite des Zuluft-Abluft-Wärmetauschers stellt damit die heiße Seite und die Abluftseite des ZuluftAbluft-Wärmetauschers die kalte Seite dieser Wärmetauscherkomponente dar. Mit anderen Worten wird nun durch die Kompression die Zuluft komprimiert und erhitzt. Die erhitzte Zuluft wird anschließend stromabwärts der Kompressorvorrichtung über den Zuluft-Abluft-Wärmetauscher geführt, durch welchen, insbesondere im Gegenstromverhältnis ausgeführt, die Abluft strömt und einen Teil der Wärme der Zuluft aufnehmen kann. Da die Abluft bereits vom Brennstoffzellenstapel wegströmt, wird diese Wärme nun aus der Zuluft in die Abluft übergeben und mit der Abluft weiter transportiert, zum Beispiel an die Umgebung abgegeben. Die Temperatur der komprimierten Zuluft reduziert sich auf diese Weise.

Bei diesem Kerngedanken der vorliegenden Erfindung wird nun ersichtlich, dass keine separate Kühlmöglichkeit mehr notwendig ist oder zumindest die Kühlfunktionalität reduziert werden kann. Zumindest ein Teil der benötigten Kühlung der Zuluft, um ein überhitztes Eintreten der Zuluft in den Brennstoffzellenstapel zu vermeiden, wird nun durch die Temperaturdifferenz zur Abluft zur Verfügung gestellt. Mit anderen Worten kann die Temperaturdifferenz zwischen Abluft und Zuluft eine interne Kühlfunktion zur Verfügung stellen, welche den Verzicht oder eine Reduktion der Dimension einer zusätzlichen Kühlfunktionalität erlaubt. Separate Kühlkreisläufe können damit unabhängig von der Zuluft ausgebildet werden und so hinsichtlich einer erhöhten konstruktiven Freiheit als auch hinsichtlich eines reduzierten Kühlbedarfs große Vorteile mit sich bringen. Selbstverständlich kann es weiter Vorteile mit sich bringen, wenn, wie später noch erläutert, die intern übergebene Wärme noch zu weiteren Nutzungen herangezogen wird, sodass eine Effizienzsteigerung zusätzlich zur Temperaturreduktion möglich wird.

Ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem wird insbesondere dort vorteilhaft eingesetzt, wo eine reduzierte Kühlmöglichkeit gegeben ist oder insbesondere eine hohe Abhängigkeit vom Gewicht. Insbesondere dann, wenn der Einsatzort des

Weitere Vorteile können erzielt werden, wenn bei einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem der Zuluft-Abluft-Wärmetauscher als Gas-Gas-Wärmetauscher ausgebildet ist für eine Übertragung der Wärme von der gasförmigen Zuluft auf eine gasförmige Abluft. Mit anderen Worten unterscheidet sich der Zuluft-AbluftWärmetauscher damit eindeutig von bisher bekannten Wärmeübergangskomponenten beim Einsatz von aktiven Kühlmittelkreisläufen. Werden Kühlmittelkreisläufe zur gezielten Temperierung und Kühlung von Brennstoffzellensystemen eingesetzt, so wird üblicherweise flüssiges Kühlmittel verwendet. Durch die Verwendung des flüssigen Kühlmittels müssen die Wärmeübergangskomponenten für die Kühlung der Zuluft entsprechend auch als Gas-Flüssig-Wärmeübergangskomponente ausgebildet sein. Durch die Umstellung auf eine reine Gas-Gas-Funktionalität bei einer erfindungsgemäßen Ausgestaltungsform werden nun zusätzliche konstruktive Vorteile erzielt. Das Führen von zwei Gasen, insbesondere im Gegenstrom, in einem GasGas-Wärmetauscher, ist deutlich einfacher in konstruktiver Weise umzusetzen. Darüber hinaus ist auch die Strömungskalkulation, wie auch der Wärmeübergang, in optimierter Weise ausgestaltbar.

Vorteile kann es weiter mit sich bringen, wenn bei einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem der Abluftabführabschnitt eine Turbinenvorrichtung aufweist für eine wenigstens teilweise Rückgewinnung von Strömungsenergie aus der Abluft, wobei der Zuluft-Abluft-Wärmetauscher für die Übertragung der Wärme auf die Abluft stromaufwärts der Turbinenvorrichtung angeordnet ist. Bei dem Auslass der Abluft aus dem Brennstoffzellenstapel enthält diese unter anderem noch eine gewisse Menge an Strömungsenergie. Dabei kann es sich zum Beispiel auch um die Restströmungsgeschwindigkeit handeln, welche durch die Kompressionsvorrichtung und die Druckunterschiede auf die Zuluft beaufschlagt worden ist. Um nun zumindest einen Teil dieser Strömungsenergie wiederzugewinnen, ist es bekannt, Turbinenvor-

So ist es von Vorteil, wenn bei einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem die Turbinenvorrichtung zumindest teilweise drzehmomentübertragend mit der Kompressorvorrichtung verbunden ist für eine wenigstens teilweise Übertragung der von der Turbinenvorrichtung aus der Abluft aufgenommene Strömungsenergie an die Kompressorvorrichtung. Mit anderen Worten bildet die Kombination aus Turbinenvorrichtung und Kompressorvorrichtung damit eine Art Turboladervorrichtung aus, sodass zum Beispiel durch eine mechanische Kopplung und eine drehmomentübertragende Wellenkontaktierung das aufgenommene Drehmoment aus der Turbinenvorrichtung an die Kompressorvorrichtung abgegeben werden kann. Durch die Übergabe des Drehmoments von der Turbinenvorrichtung zu der Kompressorvorrichtung wird die benötigte elektrische Energie zum Betrieb der Kompressorvorrichtung reduziert. Da, wie bereits im voranstehenden Absatz erläutert, das Erhitzen der Abluft nun die rückgewinnbare Menge an Strömungsenergie in der Turbinenvorrichtung bereits steigert, ist entsprechend auch diese rückgewonnene Energie in erhöhtem Maße der Kompressorvorrichtung zur Verfügung stellbar. Mit anderen Worten wird diese Kombination dazu führen, dass die Gesamtenergie für die Kompressorvorrichtung im Betrieb des Brennstoffzellensystems reduziert wird und damit die Betriebseffizienz weiter gesteigert werden kann.

Vorteile kann es weiter mit sich bringen, wenn bei einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem der Abluftabführabschnitt stromaufwärts der Turbinenvorrichtung frei von einem Wasserabscheider ausgebildet ist. Hier ist ein weiterer konstruktiver Vorteil durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung erzielbar. Während bei konventionellen Brennstoffzellensystemen hier das Risiko besteht, dass in der Abluft durch die erhöhte Luftfeuchtigkeit eine Tröpfchenbildung stattfindet, also ein teilweises Auskondensieren der relativen Feuchte, kann in erfindungsgemäßer Weise dieses Risiko minimiert sein. Tröpfchen werden bei dem Eintritt in eine Turbinenvorrichtung üblicherweise zu einer erhöhten Abrasion und damit einem erhöhten Verschleiß führen. Dieser erhöhte Verschleiß beruht darauf, dass die mit hoher Umdrehungsgeschwindigkeit drehenden Turbinenblätter der Turbinenvorrichtung in mechanischem Kontakt mit den Wassertröpfchen kommen und auf diese Weise Belastungen entstehen, die den Verschleiß deutlich erhöhen. Durch den Einsatz einer erfindungsgemäßen Ausgestaltung hinsichtlich des Zuluft-Abluft-Wärmetauschers wird nun die Temperatur der Abluft erhöht, bevor diese in die Turbinenvorrichtung eintritt. Das Erhöhen der Temperatur hat im Wesentlichen zwei Hauptvorteile. Zum einen wird durch die Erhöhung der Temperatur die relative Feuchte herabgesetzt. Durch die Herabsetzung der Feuchte und das Erhöhen der Temperatur entsteht zusätzlich eine Triebkraft, welche möglicherweise vorhandene Wassertröpfchen wieder zum Verdampfen anregt. Mit anderen Worten wird die Wahrscheinlichkeit von Resttröpfchen in der Abluft deutlich reduziert, sodass je nach Betriebssituation und auch Gestal-

tungsweise des Brennstoffzellensystems sogar vollständig auf ansonsten die Turbi-

nenvorrichtung schützende Wasserabscheider verzichtet werden kann. Der Verzicht

auf die Komponente des Wasserabscheiders bringt entsprechend Bauraumvorteile,

Kostenvorteile und Gewichtsvorteile mit sich.

Weiter von Vorteil ist es ebenfalls, wenn bei einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem der Abluftabführabschnitt frei von einer Turbinenvorrichtung ausgebildet ist. Dabei handelt es sich um eine alternative Lösung zum voranstehenden Absatz. Während die Turbinenlösung grundsätzlich eine größere Effizienzsteigerung mit sich bringt, kann der Verzicht auf eine Turbine bereits die erfindungsgemäßen Vorteile der Effizienzsteigerung auch mit reduzierten Komponenten ermöglichen. Bereits die Rückführung eines Teils der Wärme aus der Zuluft an die Abluft und das reine Abführen dieser Abluft mit der aufgenommenen Wärme an die Umgebung bringt bereits einen wesentlichen Bestandteil der Vorteile hinsichtlich des reduzierten Kühlaufwandes für die Zuluft mit sich. Selbstverständlich sind in beiden Fällen die Vorteile eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems erzielbar.

Ebenfalls Vorteile kann es mit sich bringen, wenn bei einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem der Luftzuführabschnitt einen Zuluft-Bypassabschnitt aufweist, welcher einen Bypass für die Zuluft am Zuluft-Abluft-Wärmetauscher vorbei ausbildet. Der Luftzuführabschnitt und/oder der Zuluft-Bypassabschnitt sind dabei mit wenigstens einer Bypass-Ventilvorrichtung ausgestattet für eine kontrollierte Führung der Zuluft durch den Zuluft-Abluft-Wärmetauscher und/oder den ZuluftBypassabschnitt. Je nach Betriebssituation, Umgebungstemperatur, Strömungsgeschwindigkeit oder ähnlichen Parametern kann die Kühlnotwendigkeit für die Zuluft variieren. Bei sehr kalten Umgebungsbedingungen oder im Startzustand des Brennstoffzellensystems, ist es teilweise möglich, dass überhaupt keine Kühlung der Zuluft benötigt oder gewünscht wird. Das Vorsehen eines Zuluft-Bypassabschnitts führt nun zu einer Kontrollierbarkeit der Wärmeübertragungsfunktion. So kann in quantitativer und/oder qualitativer Weise nun mit Hilfe der Bypass-Ventilvorrichtung kontrolliert werden, ob die Zuluft vollständig über den Zuluft-Abluft-Wärmetauscher oder vollständig über den Zuluft-Bypassabschnitt geführt wird. Ist die BypassVentilvorrichtung als quantitativ schaltbares Ventil ausgebildet, so ist auch ein feineres Justieren der unterschiedlichen Teilmengen über den Zuluft-AbluftWärmetauscher und den Zuluft-Bypassabschnitt möglich. In beiden Fällen ist es nun möglich, die Wärmeübergangsfunktionalität in die Abluft ein- und auszuschalten oder

sogar quantitativ zu kontrollieren. Damit wird es möglich, die Wärmeübertragungs-

funktionalität und damit die Kühlung der Zuluft in gezielter Weise an die jeweilige Be-

triebssituation anzupassen und im Falle eines quantitativ kontrollierenden Ventils so-

gar einen kontrollierten Einfluss auf die Temperatur der Zuluft zu nehmen.

Ebenfalls Vorteile bringt es mit sich, wenn bei einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem der Abluft-Abführabschnitt einen Abluft-Bypassabschnitt aufweist, welcher einen Bypass für den Zuluft-Abluft-Wärmetauscher vorbei ausbildet. Dabei ist im Abluftabführabschnitt und/oder im Abluft-Bypassabschnitt wenigstens eine BypassVentilvorrichtung angeordnet für eine kontrollierte Führung der Abluft durch den Zuluft-Abluft-Wärmetauscher und/oder den Abluft-Bypassabschnitt. Bei dieser Ausgestaltungsform handelt es sich um eine alternative oder zusätzliche Bypassmöglichkeit, gemäß dem voranstehenden Absatz. Die grundsätzliche Funktionalität ist im Wesentlichen identisch. Dadurch, dass nun zwischen einem Bypass und dem ZuluftAbluft-Wärmetauscher auf der Seite des Abluftabführabschnitts geschaltet werden kann, entsteht eine ähnliche Kontrollierbarkeit hinsichtlich der Wärmeübergangsfunktionalität. Die Temperatur der Zuluft kann auf diese Weise nun in indirekter Weise mit unterschiedlich starken Wärmeaufnahmemöglichkeiten durch die Abluft ausgestattet werden, sodass entsprechend die Temperatur der komprimierten Zuluft in indirekter Weise kontrollierbar wird.

Vorteilhaft ist es weiter, wenn bei einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem der Luftzuführabschnitt frei von einem Kühlanschluss an einen Kühlkreislauf ausgebildet ist. Wie bereits erläutert worden ist, kann nun durch die interne Kühlmöglichkeit die zusätzliche Kühlnotwendigkeit an der Zuluft deutlich reduziert werden. Insbesondere dann, wenn für alle Einsatzsituationen gewährleistet ist, dass die Abluft durch die Temperaturgradienten eine ausreichende Kühlfunktionalität und Kühlkapazität aufweist, kann auf einen zusätzlichen Kühlanschluss an einen Kühlkreislauf vollständig verzichtet werden. Durch diesen Verzicht auf Komponenten werden entsprechend eine erhöhte konstruktive Freiheit, reduziertes Gewicht, reduzierter Bauraum und reduzierte Kosten erzielbar.

Ebenfalls Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Kontrollverfahren für die Kontrolle eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems. Ein solches Kontrollverfahren weist den folgenden Schritt auf:

Ein erfindungsgemäßes Kontrollverfahren bringt damit die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem erläutert worden sind.

Es kann von Vorteil sein, wenn bei einem erfindungsgemäßen Kontrollverfahren zusätzlich die folgenden Schritte durchgeführt werden:

- Erfassen einer Auslasstemperatur der Zuluft am Auslass der Kompressorvorrichtung,

- Vergleich der erfassten Auslasstemperatur der Zuluft mit einer Solltemperatur für die Zuluft,

- Führen der Zuluft zumindest teilweise über den Zuluft-AbluftWärmetauscher, wenn die Auslasstemperatur die Solltemperatur überschreitet.

Diese Kontrollierbarkeit erlaubt es nun nicht nur grundsätzlich die Kühlfunktion durch die Abluft zur Verfügung zu stellen, sondern qualitativ oder sogar quantitativ eine Schaltmöglichkeit zu gewährleisten. Durch die Erfassung der Auslasstemperatur wird nun bestimmbar, ob die Zuluft zu heiß oder ausreichend temperiert ist. Im Falle eines Überschreitens eines Grenzwertes, also der gesetzten Solltemperatur als Schwellwert, kann eine nun gezielte und kontrollierte Führung der Zuluft über den ZuluftAbluft-Wärmetauscher ein gezieltes Kühlen der Temperatur der Zuluft erlauben. Dies kann selbstverständlich in qualitativer und/oder in quantitativer Weise geschehen und wird insbesondere durch die bereits erläuterten Bypassmöglichkeiten in Form eines Zuluft-Bypassabschnitt und/oder eines Abluft-Bypassabschnitts gewährleistet.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben sind. Es zeigen schematisch:

11

Fig. 1 eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems,

Fig. 2 eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems,

Fig. 3 eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems,

Fig. 4 eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Brenn-

stoffzellensystems und

Fig. 5 eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems.

Figur 1 zeigt schematisch eine sehr einfache Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems 100. Hier ist schematisch ein Brennstoffzellenstapel 110 dargestellt. Die einzelnen stapelförmig übereinander angerordneten Brennstoffzellen sind nicht näher visualisiert. Der Brennstoffzellenstapel 110 lässt sich in eine Luftseite 120 und in eine Brennstoffseite 130 unterteilen. Für das Durchführen der elektrochemischen Reaktion zur Erzeugung von Strom im Brennstoffzellenstapel 110 wird Zuluft ZL über einen Luftzuführabschnitt 122 der Luftseite 120 zugeführt. Auf der Brennstoffseite 130 erfolgt eine Zufuhr von Brennstoff BS über den Brennstoffzuführabschnitt 132. Innerhalb des Brennstoffzellenstapels 110 werden nun Brennstoff BS und Zuluft ZL miteinander chemisch umgesetzt und es entsteht die gewünschte Erzeugung von elektrischem Strom

Die Figur 1 zeigt, dass die Zuluft ZL beispielsweise aus der Umgebung, über eine Kompressorvorrichtung 140 angesaugt und komprimiert werden kann. Am Ausgang stromabwärts der Kompressorvorrichtung 140 weist die Zuluft ZL also entsprechend einen deutlich erhöhten Druck und damit einhergehend durch das Gesetz der idealen Gase auch eine erhöhte Temperatur auf. Um sicherzustellen, dass die erhitzte Zuluft ZL einen vordefinierten oberen Grenzwert nicht überschreitet und insbesondere nicht in überhitzter und damit möglicherweise schädigender Weise dem Brennstoffzellenstapel 110 erreicht, ist nun stromabwärts der Kompressorvorrichtung 140 eine Kühlmöglichkeit gegeben. Diese Kühlmöglichkeit wird hier durch den Zuluft-AbluftWärmetauscher 150 zur Verfügung gestellt. Die Zuluft ZL wird in der komprimierten und damit überhitzten Form auf der heißen Seite diesen Zuluft-Abluft-

Die Figur 2 bildet die Ausführungsform der Figur 1 weiter. Hier ist zur weiteren Effizienzsteigerung im Abluftabführabschnitt 124 stromabwärts des Zuluft-AbluftWärmetauschers 150 eine Turbinenvorrichtung 160 angeordnet. Diese Turbinenvorrichtung 160 dient dazu, zumindest einen Teil der Strömungsenergie aus der Abluft AL zurückzugewinnen. Hierfür wird die Strömung der Abluft AL über die Turbinenvorrichtung 160 geleitet, sodass diese in Rotation zur Rückgewinnung der Strömungsenergie gesetzt werden kann. Diese ist bei der Ausführungsform der Figur 2 nun über eine mechanische Kopplung 164 in drehmomentübertragendem Kontakt mit der Kompressorvorrichtung 140 ausgebildet. Mit anderen Worten kann hier ein Teil des Drehmoments, welches aus der Strömungsenergie der Abluft AL wiedergewonnen wird, in die Kompressorvorrichtung übertragen werden, sodass die benötigte elektrische Kompressorleistung deutlich reduziert werden kann. Dadurch, dass nun stromaufwärts der Turbinenvorrichtung 160 der Zuluft-Abluft-Wärmetauscher 150 einer erwärmenden Abluft AL dient, ist die Eintrittstemperatur der Abluft AL an der Turbinenvorrichtung 160 erhöht. Durch das Erhöhen der Eintrittstemperatur im Vergleich zu bekannten Lösungen wird entsprechend die Turbinenleistung gesteigert, sodass allein durch die Erhöhung der Eintrittstemperatur der Abluft AL eine weitere Rückgewinnungssteigerung und damit eine zusätzliche Effizienzoptimierung für das Brennstoffzellensystem 100 erzielt werden kann.

Die Figur 3 basiert auf der Ausführungsform der Figur 2. Jedoch ist hier die Turbinenvorrichtung 160 mit einem elektrischen Generator 162 gekoppelt. Die rückgewonnene Strömungsenergie aus der vorgeheizten Abluft AL wird also hier im Gene-

Die Figur 4 zeigt eine Möglichkeit einer Kontrollierbarkeit der Kühlfunktionalität in Form der internen Kühlung des Brennstoffzellensystems 100. Diese ist hier so gewährleistet, dass im Luftzuführabschnitt 122 ein Zuluft-Bypassabschnitt 126 vorgesehen ist. Mit Hilfe einer, hier zwei separate Ventile aufweisenden, BypassVentilvorrichtung 170 kann ein kontrolliertes, quantitatives und/oder qualitatives Aufteilen der Zuluft ZL zwischen dem Zuluft-Abluft-Wärmetauscher 150 und dem ZuluftBypassabschnitt 126 erfolgen. Mit anderen Worten wird es möglich, entweder qualitativ die vollständige Strömung über den Zuluft-Abluft-Wärmetauscher 150 zu führen und ihn damit einzuschalten. Alternativ kann der vollständige Strom der Zuluft über den Zuluft-Bypassabschnitt 126 geführt werden, sodass diese Kühlfunktionalität vollständig ausgeschaltet wird. Sind die beiden Ventile der Bypass-Ventilvorrichtung in quantitativer Weise kontrollierbar, so kann entsprechend auch ein graduelles Aufteilen der einzelnen Strömungsmengen erfolgen, sodass ein graduelles Einstellen der Strömungsmengen zu einer Kontrollierbarkeit der Temperaturreduktion für die Zuluft am Zuluft-Abluft-Wärmetauscher 150 führen wird.

Die Figur 5 zeigt eine weitere Kontrollierbarkeit ähnlich zur Ausführungsform der Figur 4. Jedoch wird hier die Kontrolle der Temperaturreduktion für die Zuluft ZL in indirekter Weise gewährleistet. Hierfür ist ein Abluft-Bypassabschnitt 136 in den Abluftabführabschnitt 124 integriert. Auch ist hier der Einfachheit halber die BypassVentilvorrichtung 170 nur mit einem einzigen Ventil ausgestattet, sodass der Bypassabschnitt im Wesentlichen nur geöffnet und geschlossen werden kann. Dies reduziert den konstruktiven Aufwand und die Anzahl der Komponenten, reduziert jedoch auch die Kontrollierbarkeit hinsichtlich der gewünschten Kontrolle über die Zulufttemperatur.

Die voranstehende Erläuterung der Ausführungsformen beschreibt die vorliegende Erfindung ausschließlich im Rahmen von Beispielen.

Bezugszeichenliste

100 Brennstoffzellensystem 110 Brennstoffzellenstapel 120 Luftseite

122 Luftzuführabschnitt

124 Abluftabführabschnitt

126 Zuluft-Bypassabschnitt 130 Brennstoffseite

132 Brennstoffzuführabschnitt 134 Abgasabführabschnitt 136 Abluft-Bypassabschnitt 140 Kompressorvorrichtung 150 Zuluft-Abluft-Wärmetauscher 160 Turbinenvorrichtung

162 Generator

164 mechanische Kopplung 170 Bypass-Ventilvorrichtung

ZL Zuluft

AL Abluft

BS Brennstoff AG Abgas

Patentansprüche

1. Brennstoffzellensystem (100) zur Erzeugung von elektrischem Strom, aufweisend wenigstens einen Brennstoffzellenstapel (110), wobei der Brennstoffzellenstapel (110) eine Luftseite (120) und eine Brennstoffseite (130) aufweist und die Luftseite (120) einen Luftzuführabschnitt (122) für eine Zufuhr von Zuluft (ZL) zur Luftseite (120) und einen Abluftabführabschnitt (124) für eine Abfuhr von Abluft (AL) von der Luftseite (120) aufweist, wobei weiter die Brennstoffseite (130) einen Brennstoffzuführabschnitt (132) für eine Zufuhr von Brennstoff (BS) zur Brennstoffseite (130) und einen Abgasabführabschnitt (134) für eine Abfuhr von Abgas (AG) von der Brennstoffseite (130) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass im Luftzuführabschnitt (122) eine Kompressorvorrichtung (140) angeordnet ist für eine Kompression der Zuluft (ZL), wobei stromabwärts dieser Kompressorvorrichtung (140) eine Zuluft-AbluftWärmetauscher (150) angeordnet ist für eine Wärmeübertragung von der Zuluft (ZL) auf die Abluft (AL).

2. Brennstoffzellensystem (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Zuluft-Abluft-Wärmetauscher (150) als Gas-Gas-Wärmetauscher ausgebildet ist für eine Übertragung der Wärme von einer gasförmigen Zuluft (ZL) auf eine gasförmige Abluft (AL).

3. Brennstoffzellensystem (100) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abluftabführabschnitt (134) eine Turbinenvorrichtung (160) aufweist für eine wenigstens teilweise Rückgewinnung von Strömungsenergie aus der Abluft (AL), wobei der Zuluft-AbluftWärmetauscher (150) für die Übertragung der Wärme auf die Abluft (AL) stromaufwärts der Turbinenvorrichtung (160) angeordnet ist.

4. Brennstoffzellensystem (100) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Turbinenvorrichtung (160) zumindest teilweise drehmomentübertragend mit der Kompressorvorrichtung (140) verbunden ist für eine wenigstens teilweise Übertragung der von der Turbinenvorrichtung (160) aus der Abluft (AL) aufgenommenen Strömungsenergie an die Kompressorvorrichtung (140).

5. Brennstoffzellensystem (100) nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Turbinenvorrichtung (160) einen elektrischen Ge-

6. Brennstoffzellensystem (100) nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Abluftabführabschnitt (134) stromaufwärts der Turbinenvorrichtung (160) frei von einem Wasserabschneider ausgebildet ist.

7. Brennstoffzellensystem (100) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Abluftabführabschnitt (134) frei von einer Turbinenvorrichtung (160) ausgebildet ist.

8. Brennstoffzellensystem (100) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Luftzuführabschnitt (122) einen ZuluftBypassabschnitt (126) aufweist, welcher einen Bypass für die Zuluft (ZL) am Zuluft-Abluft-Wärmetauscher (150) vorbei ausbildet, wobei im Luftzuführabschnitt (122) und/oder im Zuluft-Bypassabschnitt (126) wenigstens eine Bypass-Ventilvorrichtung (170) angeordnet ist für eine kontrollierte Führung der Zuluft (ZL) durch den Zuluft-Abluft-Wärmetauscher (150) und/oder den ZuluftBypassabschnitt (126).

9. Brennstoffzellensystem (100) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abluftabführabschnitt (134) einen AbluftBypassabschnitt (136) aufweist, welcher einen Bypass für die Abluft (AL) am Zuluft-Abluft-Wärmetauscher (150) vorbei ausbildet, wobei im Abluftabführabschnitt (134) und/oder im Abluft-Bypassabschnitt (136) wenigstens eine Bypass-Ventilvorrichtung (170) angeordnet ist für eine kontrollierte Führung der Abluft (AL) durch den Zuluft-Abluft-Wärmetauscher (150) und/oder den AbluftBypassabschnitt (136).

10. Brennstoffzellensystem (100) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Luftzuführabschnitt (122) frei von einem Kühlanschluss an einen Kühlkreislauf ausgebildet ist.

- Führen der Zuluft (ZL) stromabwärts der Kompressorvorrichtung (140) im Luftzuführabschnitt (122) über einen Zuluft-Abluft-Wärmetauscher (150) für eine teilweise Wärmeübertragung von der Zuluft (ZL) auf die Abluft (AL).

12. Kontrollverfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich die folgenden Schritte durchgeführt werden:

- Erfassen einer Auslasstemperatur der Zuluft (ZL) am Auslass der Kompressorvorrichtung (140),

- Vergleich der erfassten Auslasstemperatur der Zuluft (ZL) mit einer Solltemperatur für die Zuluft (ZL),

- Führen der Zuluft (ZL) zumindest teilweise über den Zuluft-AbluftWärmetauscher (150), wenn die Auslasstemperatur die Solltemperatur überschreitet.

Claims

Patentansprüche

1. Brennstoffzellensystem (100) zur Erzeugung von elektrischem Strom, aufweisend wenigstens einen Brennstoffzellenstapel (110), wobei der Brennstoffzellenstapel (110) eine Luftseite (120) und eine Brennstoffseite (130) aufweist und die Luftseite (120) einen Luftzuführabschnitt (122) für eine Zufuhr von Zuluft (ZL) zur Luftseite (120) und einen Abluftabführabschnitt (124) für eine Abfuhr von Abluft (AL) von der Luftseite (120) aufweist, wobei weiter die Brennstoffseite (130) einen Brennstoffzuführabschnitt (132) für eine Zufuhr von Brennstoff (BS) zur Brennstoffseite (130) und einen Abgasabführabschnitt (134) für eine Abfuhr von Abgas (AG) von der Brennstoffseite (130) aufweist, wobei im Luftzuführabschnitt (122) eine Kompressorvorrichtung (140) angeordnet ist für eine Kompression der Zuluft (ZL), wobei stromabwärts dieser Kompressorvorrichtung (140) eine Zuluft-Abluft-Wärmetauscher (150) angeordnet ist für eine Wärmeübertragung von der Zuluft (ZL) auf die Abluft (AL), wobei der Abluftabführabschnitt (134) eine Turbinenvorrichtung (160) aufweist für eine wenigstens teilweise Rückgewinnung von Strömungsenergie aus der Abluft (AL), wobei der Zuluft-Abluft-Wärmetauscher (150) für die Übertragung der Wärme auf die Abluft (AL) stromaufwärts der Turbinenvorrichtung (160) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Turbinenvorrichtung (160) einen elektrischen Generator (162) aufweist für eine wenigstens teilweise Verwendung der von der Turbinenvorrichtung (160) aus der Abluft (AL) aufgenommenen Strömungsenergie zur Erzeugung von elektrischem Strom mittels

des Generators (162).

3. Brennstoffzellensystem (100) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Turbinenvorrichtung (160) zumindest teilweise drehmomentübertragend mit der Kompressorvorrichtung (140) verbunden ist für eine wenigstens teilweise Übertragung der von der Turbinenvorrichtung (160) aus der Abluft (AL) aufgenommenen Strömungsenergie an die Kompressorvorrichtung (140).

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5. Brennstoffzellensystem (100) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Abluftabführabschnitt (134) frei von einer Turbinenvorrichtung (160) ausgebildet ist.

6. Brennstoffzellensystem (100) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Luftzuführabschnitt (122) einen ZuluftBypassabschnitt (126) aufweist, welcher einen Bypass für die Zuluft (ZL) am Zuluft-Abluft-Wärmetauscher (150) vorbei ausbildet, wobei im Luftzuführabschnitt (122) und/oder im Zuluft-Bypassabschnitt (126) wenigstens eine Bypass-Ventilvorrichtung (170) angeordnet ist für eine kontrollierte Führung der Zuluft (ZL) durch den Zuluft-Abluft-Wärmetauscher (150) und/oder den ZuluftBypassabschnitt (126).

7. Brennstoffzellensystem (100) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abluftabführabschnitt (134) einen AbluftBypassabschnitt (136) aufweist, welcher einen Bypass für die Abluft (AL) am Zuluft-Abluft-Wärmetauscher (150) vorbei ausbildet, wobei im Abluftabführabschnitt (134) und/oder im Abluft-Bypassabschnitt (136) wenigstens eine Bypass-Ventilvorrichtung (170) angeordnet ist für eine kontrollierte Führung der Abluft (AL) durch den Zuluft-Abluft-Wärmetauscher (150) und/oder den AbluftBypassabschnitt (136).

8. Brennstoffzellensystem (100) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Luftzuführabschnitt (122) frei von einem Kühlanschluss an einen Kühlkreislauf ausgebildet ist.

9. Kontrollverfahren für eine Kontrolle eines Brennstoffzellensystems (100) mit den Merkmalen eines der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch den folgenden Schritt:

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