AT528155A1 - Fuel cell system - Google Patents
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- AT528155A1 AT528155A1 ATA50246/2024A AT502462024A AT528155A1 AT 528155 A1 AT528155 A1 AT 528155A1 AT 502462024 A AT502462024 A AT 502462024A AT 528155 A1 AT528155 A1 AT 528155A1
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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).The present invention relates to a fuel cell system (100) for generating electrical power, comprising at least one fuel cell stack (110), wherein the fuel cell stack (110) has an air side (120) and a fuel side (130), and the air side (120) has an air supply section (122) for supplying supply air (ZL) to the air side (120) and an exhaust air discharge section (124) for discharging exhaust air (AL) from the air side (120), wherein the fuel side (130) further has a fuel supply section (132) for supplying fuel (BS) to the fuel side (130) and an exhaust gas discharge section (134) for discharging exhaust gas (AG) from the fuel side (130), wherein a compressor device (140) is arranged in the air supply section (122) for compressing the supply air (ZL), wherein downstream of this compressor device (140) a supply air-exhaust air heat exchanger (150) is arranged for heat transfer from the supply air (ZL) to the exhaust air (AL).
Description
Brennstoffzellensystem Fuel cell system
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem zur Erzeugung von elektrischem Strom sowie ein Kontrollverfahren für eine Kontrolle eines solchen Brennstoffzellensystems. The present invention relates to a fuel cell system for generating electrical power and a control method for controlling such a fuel cell system.
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. It is generally known that fuel cell systems are used to generate electrical power. For this purpose, such fuel cell systems are usually equipped with one or more fuel cell stacks. Such a fuel cell stack is a combination of a large number of individual fuel cells arranged one above the other in a stack. In terms of process technology, a fuel cell stack can usually be divided into an air side and a fuel side. Thus, supply air, usually from the environment, is supplied to the air side. Fuel, for example, hydrogen or natural gas or similar gaseous fuels, is supplied to the fuel side. By arranging a fuel cell membrane in each fuel cell in the fuel cell stack, fuel cell functionality is provided. This means that a controlled chemical reaction is carried out through catalytic conversion of the fuel using the supply air, which leads to the flow of electricity. The resulting chemical reaction products are discharged from the fuel cell stack as exhaust air from the exhaust air side and as exhaust gas from the fuel side. Typically, both exhaust air and exhaust gas are vented to the environment.
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 A disadvantage of the known solutions is that a large proportion of the components in the fuel cell system are temperature-sensitive. This means that coolant circuits are usually provided to specifically keep the individual components within the desired temperature ranges and, in particular, to protect them from undesired overheating. A key component is the need to cool the supply air. For example, the supply air is usually pressurized by a compressor device, and in this way the volume flow of supply air through the fuel cell stack is generated. Due to the compression of the supply air, it heats up due to the increase in pressure according to the law of ideal gases. Depending on the current application situation, this heating can lead to temperatures of the supply air downstream of the compressor that exceed a desired limit as the upper limit. In order to avoid
Kompression überhitzte Zuluft, also mit einer Temperatur oberhalb des Temperatur-Compression superheated supply air, i.e. with a temperature above the temperature
grenzwerts, in den Brennstoffzellenstapel gefördert wird, weisen bekannte Brenn-limit value, into the fuel cell stack, known fuels
stoffzellensysteme hier Kühlelemente auf, welche durch externe Flüssigkühlung mit fabric cell systems here have cooling elements, which are provided by external liquid cooling with
Hilfe eines Anschlusses an einen Kühlmittelkreislauf, ein Abkühlen der Zuluft ermög-By connecting to a coolant circuit, the supply air can be cooled
lichen. 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 The need to cool the supply air brings with it a number of disadvantages. Firstly, a heat transfer option for cooling the supply air and absorbing the heat in the coolant must be provided, both structurally and in terms of installation space. Furthermore, the heated coolant must be further transported and the absorbed heat dissipated to the environment. This requires cooling energy, which reduces the operating efficiency of the entire fuel cell system. Last but not least, this also increases the complexity of control, as the coolant circuit must also take into account the cooling requirements and the cooling needs of the supply air in a controlled manner.
MUSS. MUST.
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. The object of the present invention is to at least partially resolve the problems described above in a cost-effective and simple manner. In particular, the object of the present invention is to increase the operating efficiency of a fuel cell system in a cost-effective and simple manner.
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-The above object is achieved by a fuel cell system having the features of claim 1 and a control method having the features of claim 11. Further features and details of the invention emerge from the subclaims, the description, and the drawings. Features and details described in connection with the fuel system according to the invention naturally also apply in connection with the control method according to the invention, and vice versa, so that with regard to the disclosure of the individual aspects of the invention, reference is always made to each other.
ziehungsweise werden kann. can be drawn.
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-According to the invention, a fuel cell system is used to generate electrical power. For this purpose, this fuel cell system is equipped with at least one fuel cell stack. This fuel cell stack, which comprises a plurality of fuel cells arranged one above the other in a stacked manner, can be distinguished into an air side and a fuel side. The air side has an air
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. A fuel cell system according to the invention is based on the known technological considerations for fuel cell systems. Reference is made here to the known implementations, so no further detailed information regarding valves, heat exchangers, or other operating components of the fuel cell system is included. The core idea of the present invention is that a compressor device is also used to ensure the conveying and pressurization of the supply air. In the air supply section, air can be drawn in as supply air, for example, from the environment. The intake and conveying takes place with the compressor device, in which, for example, a compressor applies the desired conveying energy and compression energy to the air.
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 Through the operation of the compressor device, not only is the supply air conveyed, but the pressure increase also heats the supply air during this compression according to the law of ideal gases. The outlet temperature from the compressor device, and thus the temperature of the supply air downstream of the compressor device, is now significantly higher than the ambient temperature of the ambient air. In order to ensure, in a known manner, that this supply air does not reach the fuel cell stack at an undesirably high temperature, i.e., in particular, not in an overheated state above an upper limit for the supply air temperature, an internal cooling option is now integrated into the fuel cell system according to the invention. This internal cooling option is provided by the supply air-exhaust air heat exchanger. This allows, especially as a gas-gas heat exchanger, heat transfer from the supply air to the exhaust air. The exhaust air is the amount of gas that is returned from the air side to the environment. Typically, the exhaust air is colder than the supply air.
die Temperaturdifferenz zwischen der überhitzten Zuluft im Luftzuführabschnitt und the temperature difference between the superheated supply air in the air supply section and
die Abluft im Abluftabführabschnitt kann nun eine interne Kühlmöglichkeit genutzt The exhaust air in the exhaust air discharge section can now be used for internal cooling
werden. become.
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. The temperature gradient between the supply air and exhaust air is utilized structurally by bringing these two gas streams into heat-transfer contact. The supply air-exhaust air heat exchanger serves this purpose. The supply air side of the supply air-exhaust air heat exchanger thus represents the hot side, and the exhaust air side of the supply air-exhaust air heat exchanger represents the cold side of this heat exchanger component. In other words, the supply air is now compressed and heated by compression. The heated supply air is then passed downstream of the compressor device via the supply air-exhaust air heat exchanger, through which the exhaust air flows, particularly in a counterflow configuration, and can absorb some of the heat from the supply air. Since the exhaust air is already flowing away from the fuel cell stack, this heat is now transferred from the supply air to the exhaust air and transported further with the exhaust air, for example, released into the environment. The temperature of the compressed supply air is thus reduced.
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. With this core idea of the present invention, it is now clear that a separate cooling option is no longer necessary, or at least the cooling functionality can be reduced. At least part of the required cooling of the supply air to prevent overheated supply air entering the fuel cell stack is now provided by the temperature difference to the exhaust air. In other words, the temperature difference between exhaust air and supply air can provide an internal cooling function, which allows the omission or reduction of the dimension of additional cooling functionality. Separate cooling circuits can thus be designed independently of the supply air, thus bringing great advantages in terms of increased design freedom and reduced cooling requirements. Of course, it can bring further advantages if, as explained later, the internally transferred heat is used for other purposes, thus enabling an increase in efficiency in addition to the temperature reduction.
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 A fuel cell system according to the invention is particularly advantageously used where there is a reduced cooling option or, in particular, a high dependence on weight. In particular, when the location of the
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. Further advantages can be achieved if, in a fuel cell system according to the invention, the supply air/exhaust air heat exchanger is designed as a gas-gas heat exchanger for transferring heat from the gaseous supply air to the gaseous exhaust air. In other words, the supply air/exhaust air heat exchanger clearly differs from previously known heat transfer components when using active coolant circuits. If coolant circuits are used for targeted temperature control and cooling of fuel cell systems, liquid coolant is typically used. Due to the use of the liquid coolant, the heat transfer components for cooling the supply air must also be designed as gas-liquid heat transfer components. By switching to a pure gas-gas functionality in an embodiment according to the invention, additional design advantages are achieved. Conducting two gases, particularly in countercurrent, in a gas-gas heat exchanger is significantly easier to implement in design terms. Furthermore, the flow calculation, as well as the heat transfer, can be optimized.
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-It can also be advantageous if, in a fuel cell system according to the invention, the exhaust air discharge section has a turbine device for at least partial recovery of flow energy from the exhaust air, wherein the supply air-exhaust air heat exchanger for transferring the heat to the exhaust air is arranged upstream of the turbine device. At the outlet of the exhaust air from the fuel cell stack, this still contains, among other things, a certain amount of flow energy. This can, for example, also be the residual flow velocity which has been applied to the supply air by the compression device and the pressure differences. In order to recover at least part of this flow energy, it is known to use turbine devices.
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. Thus, it is advantageous if, in a fuel cell system according to the invention, the turbine device is at least partially connected to the compressor device in a torque-transmitting manner for at least partially transferring the flow energy absorbed by the turbine device from the exhaust air to the compressor device. In other words, the combination of turbine device and compressor device thus forms a type of turbocharger device, so that, for example, through a mechanical coupling and a torque-transmitting shaft contact, the absorbed torque from the turbine device can be transferred to the compressor device. By transferring the torque from the turbine device to the compressor device, the electrical energy required to operate the compressor device is reduced. Since, as already explained in the previous paragraph, heating the exhaust air already increases the recoverable amount of flow energy in the turbine device, this recovered energy can also be made available to the compressor device to a greater extent. In other words, this combination will result in the total energy required for the compressor device during operation of the fuel cell system being reduced, thus further increasing operating efficiency.
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-Further advantages can be achieved if, in a fuel cell system according to the invention, the exhaust air discharge section upstream of the turbine device is designed free of a water separator. Here, a further design advantage can be achieved through the inventive design. While in conventional fuel cell systems there is a risk of droplet formation in the exhaust air due to the increased air humidity, i.e., partial condensation of the relative humidity, this risk can be minimized using the invention. Droplets will typically lead to increased abrasion and thus increased wear upon entering a turbine device. This increased wear is due to the fact that the turbine blades of the turbine device, which rotate at high rotational speed, come into mechanical contact with the water droplets, thus creating stresses that significantly increase wear. By using an inventive design with regard to the supply air-exhaust air heat exchanger, the temperature of the exhaust air is increased before it enters the turbine device. Increasing the temperature essentially has two main advantages. Firstly, increasing the temperature reduces the relative humidity. Reducing the humidity and increasing the temperature also creates a driving force that encourages any water droplets that may be present to evaporate again. In other words, the probability of residual droplets in the exhaust air is significantly reduced, so that, depending on the operating situation and design,
tungsweise des Brennstoffzellensystems sogar vollständig auf ansonsten die Turbi-operation of the fuel cell system even completely on the otherwise turbi-
nenvorrichtung schützende Wasserabscheider verzichtet werden kann. Der Verzicht The water separator protecting the device can be dispensed with.
auf die Komponente des Wasserabscheiders bringt entsprechend Bauraumvorteile, on the component of the water separator brings corresponding space advantages,
Kostenvorteile und Gewichtsvorteile mit sich. Cost and weight advantages.
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. It is also advantageous if, in a fuel cell system according to the invention, the exhaust air discharge section is designed free of a turbine device. This is an alternative solution to the previous paragraph. While the turbine solution generally brings about a greater increase in efficiency, the omission of a turbine can already enable the inventive advantages of increased efficiency even with reduced components. The mere return of a portion of the heat from the supply air to the exhaust air and the pure discharge of this exhaust air with the absorbed heat to the environment already brings about a significant part of the advantages in terms of reduced cooling effort for the supply air. Of course, the advantages of a fuel cell system according to the invention can be achieved in both cases.
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 It can also be advantageous if, in a fuel cell system according to the invention, the air supply section has a supply air bypass section, which forms a bypass for the supply air past the supply air-exhaust air heat exchanger. The air supply section and/or the supply air bypass section are equipped with at least one bypass valve device for controlled routing of the supply air through the supply air-exhaust air heat exchanger and/or the supply air bypass section. Depending on the operating situation, ambient temperature, flow velocity, or similar parameters, the cooling requirement for the supply air can vary. In very cold ambient conditions or during the start-up state of the fuel cell system, it is sometimes possible that no cooling of the supply air is required or desired at all. The provision of a supply air bypass section now leads to controllability of the heat transfer function. Thus, the bypass valve device can now be used to quantitatively and/or qualitatively control whether the supply air is routed entirely via the supply air/exhaust air heat exchanger or entirely via the supply air bypass section. If the bypass valve device is designed as a quantitatively switchable valve, a finer adjustment of the different partial quantities via the supply air/exhaust air heat exchanger and the supply air bypass section is also possible. In both cases, it is now possible to switch the heat transfer functionality to the extract air on and off, or
sogar quantitativ zu kontrollieren. Damit wird es möglich, die Wärmeübertragungs-even quantitatively. This makes it possible to control the heat transfer
funktionalität und damit die Kühlung der Zuluft in gezielter Weise an die jeweilige Be-functionality and thus the cooling of the supply air in a targeted manner to the respective
triebssituation anzupassen und im Falle eines quantitativ kontrollierenden Ventils so-operating situation and, in the case of a quantitatively controlling valve,
gar einen kontrollierten Einfluss auf die Temperatur der Zuluft zu nehmen. even to have a controlled influence on the temperature of the supply air.
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. It is also advantageous if, in a fuel cell system according to the invention, the exhaust air discharge section has an exhaust air bypass section, which forms a bypass for the supply air/exhaust air heat exchanger. At least one bypass valve device is arranged in the exhaust air discharge section and/or in the exhaust air bypass section for controlled routing of the exhaust air through the supply air/exhaust air heat exchanger and/or the exhaust air bypass section. This embodiment represents an alternative or additional bypass option, as described in the preceding paragraph. The basic functionality is essentially identical. The fact that a bypass and the supply air/exhaust air heat exchanger can now be switched on the side of the exhaust air discharge section creates a similar level of controllability with regard to the heat transfer functionality. In this way, the temperature of the supply air can now be indirectly equipped with varying degrees of heat absorption by the exhaust air, so that the temperature of the compressed supply air can be indirectly controlled accordingly.
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. It is further advantageous if, in a fuel cell system according to the invention, the air supply section is designed without a cooling connection to a cooling circuit. As already explained, the internal cooling option can significantly reduce the additional cooling requirement for the supply air. In particular, if it is guaranteed for all application situations that the exhaust air has sufficient cooling functionality and capacity due to the temperature gradients, an additional cooling connection to a cooling circuit can be completely dispensed with. By eliminating components, increased design freedom, reduced weight, reduced installation space, and reduced costs can be achieved.
Ebenfalls Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Kontrollverfahren für die Kontrolle eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems. Ein solches Kontrollverfahren weist den folgenden Schritt auf: The present invention also provides a control method for controlling a fuel cell system according to the invention. Such a control method comprises the following step:
Ein erfindungsgemäßes Kontrollverfahren bringt damit die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem erläutert worden sind. A control method according to the invention thus brings with it the same advantages as have been explained in detail with reference to a fuel cell system according to the invention.
Es kann von Vorteil sein, wenn bei einem erfindungsgemäßen Kontrollverfahren zusätzlich die folgenden Schritte durchgeführt werden: It may be advantageous if the following steps are additionally carried out in a control method according to the invention:
- Erfassen einer Auslasstemperatur der Zuluft am Auslass der Kompressorvorrichtung, - Detecting an outlet temperature of the supply air at the outlet of the compressor device,
- Vergleich der erfassten Auslasstemperatur der Zuluft mit einer Solltemperatur für die Zuluft, - Comparison of the recorded outlet temperature of the supply air with a target temperature for the supply air,
- Führen der Zuluft zumindest teilweise über den Zuluft-AbluftWärmetauscher, wenn die Auslasstemperatur die Solltemperatur überschreitet. - Guide the supply air at least partially through the supply air-extract air heat exchanger if the outlet temperature exceeds the target temperature.
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. This controllability not only allows the cooling function to be provided by the exhaust air, but also ensures a qualitative or even quantitative switching option. By recording the outlet temperature, it is now possible to determine whether the supply air is too hot or sufficiently tempered. If a limit value, i.e. the set target temperature as a threshold, is exceeded, a targeted and controlled routing of the supply air via the supply air/exhaust air heat exchanger can now allow for targeted cooling of the supply air temperature. This can, of course, be achieved qualitatively and/or quantitatively and is ensured in particular by the bypass options already explained in the form of a supply air bypass section and/or an exhaust air bypass section.
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: Further advantages, features, and details of the invention will become apparent from the following description, in which exemplary embodiments of the invention are described in detail with reference to the drawings. They show schematically:
11 11
Fig. 1 eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems, Fig. 1 shows an embodiment of a fuel cell system according to the invention,
Fig. 2 eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems, Fig. 2 shows a further embodiment of a fuel cell system according to the invention,
Fig. 3 eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems, Fig. 3 shows a further embodiment of a fuel cell system according to the invention,
Fig. 4 eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Brenn-Fig. 4 shows a further embodiment of a combustion chamber according to the invention.
stoffzellensystems und cell system and
Fig. 5 eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems. Fig. 5 shows a further embodiment of a fuel cell system according to the invention.
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 Figure 1 schematically shows a very simple embodiment of a fuel cell system 100 according to the invention. A fuel cell stack 110 is shown schematically here. The individual fuel cells, arranged one above the other in a stack, are not shown in detail. The fuel cell stack 110 can be divided into an air side 120 and a fuel side 130. To carry out the electrochemical reaction to generate electricity in the fuel cell stack 110, supply air ZL is supplied to the air side 120 via an air supply section 122. On the fuel side 130, fuel BS is supplied via the fuel supply section 132. Within the fuel cell stack 110, fuel BS and supply air ZL are chemically reacted with one another, resulting in the desired generation of electrical current.
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-Figure 1 shows that the supply air ZL, for example, from the environment, can be sucked in and compressed via a compressor device 140. At the outlet downstream of the compressor device 140, the supply air ZL therefore has a significantly increased pressure and, due to the law of ideal gases, also an increased temperature. To ensure that the heated supply air ZL does not exceed a predefined upper limit and, in particular, does not reach the fuel cell stack 110 in an overheated and thus potentially damaging state, a cooling option is now provided downstream of the compressor device 140. This cooling option is provided here by the supply air-exhaust air heat exchanger 150. The supply air ZL is fed in the compressed and thus overheated form on the hot side of this supply air-exhaust air
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. Figure 2 further develops the embodiment of Figure 1. Here, to further increase efficiency, a turbine device 160 is arranged in the exhaust air discharge section 124 downstream of the supply air-exhaust air heat exchanger 150. This turbine device 160 serves to recover at least a portion of the flow energy from the exhaust air AL. For this purpose, the flow of the exhaust air AL is directed over the turbine device 160 so that it can be set in rotation to recover the flow energy. In the embodiment of Figure 2, this is now designed in torque-transmitting contact with the compressor device 140 via a mechanical coupling 164. In other words, a portion of the torque recovered from the flow energy of the exhaust air AL can be transferred to the compressor device, so that the required electrical compressor power can be significantly reduced. Because the supply air-exhaust air heat exchanger 150 now serves to heat the exhaust air AL upstream of the turbine device 160, the inlet temperature of the exhaust air AL at the turbine device 160 is increased. By increasing the inlet temperature compared to known solutions, the turbine power is increased accordingly, so that simply by increasing the inlet temperature of the exhaust air AL, a further increase in recovery and thus an additional efficiency optimization for the fuel cell system 100 can be achieved.
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-Figure 3 is based on the embodiment of Figure 2. However, here the turbine device 160 is coupled to an electric generator 162. The recovered flow energy from the preheated exhaust air AL is thus used in the 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. Figure 4 shows one possibility for controlling the cooling functionality in the form of internal cooling of the fuel cell system 100. This is ensured here by providing an air supply bypass section 126 in the air supply section 122. With the aid of a bypass valve device 170, which here has two separate valves, a controlled, quantitative and/or qualitative distribution of the supply air ZL between the supply air-exhaust air heat exchanger 150 and the supply air bypass section 126 can take place. In other words, it becomes possible to either qualitatively direct the entire flow through the supply air-exhaust air heat exchanger 150 and thus switch it on. Alternatively, the entire flow of supply air can be directed through the supply air bypass section 126, so that this cooling functionality is completely switched off. If the two valves of the bypass valve device can be controlled quantitatively, a gradual division of the individual flow rates can be carried out accordingly, so that a gradual adjustment of the flow rates will lead to a controllability of the temperature reduction for the supply air at the supply air-exhaust air heat exchanger 150.
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. Figure 5 shows a further controllability similar to the embodiment in Figure 4. However, here the control of the temperature reduction for the supply air ZL is ensured indirectly. For this purpose, an exhaust air bypass section 136 is integrated into the exhaust air discharge section 124. For the sake of simplicity, the bypass valve device 170 is also equipped with only a single valve, so that the bypass section can essentially only be opened and closed. This reduces the design effort and the number of components, but also reduces the controllability with regard to the desired control over the supply air temperature.
Die voranstehende Erläuterung der Ausführungsformen beschreibt die vorliegende Erfindung ausschließlich im Rahmen von Beispielen. The above explanation of the embodiments describes the present invention exclusively by way of examples.
Bezugszeichenliste List of reference symbols
100 Brennstoffzellensystem 110 Brennstoffzellenstapel 120 Luftseite 100 Fuel cell system 110 Fuel cell stack 120 Air side
122 Luftzuführabschnitt 122 Air supply section
124 Abluftabführabschnitt 124 Exhaust air discharge section
126 Zuluft-Bypassabschnitt 130 Brennstoffseite 126 Supply air bypass section 130 Fuel side
132 Brennstoffzuführabschnitt 134 Abgasabführabschnitt 136 Abluft-Bypassabschnitt 140 Kompressorvorrichtung 150 Zuluft-Abluft-Wärmetauscher 160 Turbinenvorrichtung 132 Fuel supply section 134 Exhaust gas discharge section 136 Exhaust air bypass section 140 Compressor device 150 Supply air-exhaust air heat exchanger 160 Turbine device
162 Generator 162 Generator
164 mechanische Kopplung 170 Bypass-Ventilvorrichtung 164 mechanical coupling 170 bypass valve device
ZL Zuluft ZL supply air
AL Abluft AL exhaust air
BS Brennstoff AG Abgas BS Brennstoff AG Exhaust
Patentansprüche Patent claims
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). 1. A fuel cell system (100) for generating electrical power, comprising at least one fuel cell stack (110), wherein the fuel cell stack (110) has an air side (120) and a fuel side (130), and the air side (120) has an air supply section (122) for supplying supply air (ZL) to the air side (120) and an exhaust air discharge section (124) for discharging exhaust air (AL) from the air side (120), wherein the fuel side (130) further has a fuel supply section (132) for supplying fuel (BS) to the fuel side (130) and an exhaust gas discharge section (134) for discharging exhaust gas (AG) from the fuel side (130), characterized in that a compressor device (140) is arranged in the air supply section (122) for compressing the supply air (ZL), wherein downstream of this compressor device (140) a supply air-exhaust air heat exchanger (150) is arranged for heat transfer from the supply air (ZL) to the exhaust air (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). 2. Fuel cell system (100) according to claim 1, characterized in that the supply air-exhaust air heat exchanger (150) is designed as a gas-gas heat exchanger for transferring heat from a gaseous supply air (ZL) to a gaseous exhaust air (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. 3. Fuel cell system (100) according to one of the preceding claims, characterized in that the exhaust air discharge section (134) has a turbine device (160) for at least partial recovery of flow energy from the exhaust air (AL), wherein the supply air-exhaust air heat exchanger (150) for transferring the heat to the exhaust air (AL) is arranged upstream of the turbine device (160).
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). 4. Fuel cell system (100) according to claim 3, characterized in that the turbine device (160) is at least partially connected to the compressor device (140) in a torque-transmitting manner for at least partially transmitting the flow energy absorbed by the turbine device (160) from the exhaust air (AL) to the compressor device (140).
5. Brennstoffzellensystem (100) nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Turbinenvorrichtung (160) einen elektrischen Ge-5. Fuel cell system (100) according to one of claims 3 or 4, characterized in that the turbine device (160) has an electrical
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. 6. Fuel cell system (100) according to one of claims 3 to 5, characterized in that the exhaust air discharge section (134) upstream of the turbine device (160) is designed free of a water separator.
7. Brennstoffzellensystem (100) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Abluftabführabschnitt (134) frei von einer Turbinenvorrichtung (160) ausgebildet ist. 7. Fuel cell system (100) according to one of claims 1 or 2, characterized in that the exhaust air discharge section (134) is designed free of a turbine device (160).
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). 8. Fuel cell system (100) according to one of the preceding claims, characterized in that the air supply section (122) has a supply air bypass section (126) which forms a bypass for the supply air (ZL) past the supply air-exhaust air heat exchanger (150), wherein in the air supply section (122) and/or in the supply air bypass section (126) at least one bypass valve device (170) is arranged for a controlled guidance of the supply air (ZL) through the supply air-exhaust air heat exchanger (150) and/or the supply air bypass section (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). 9. Fuel cell system (100) according to one of the preceding claims, characterized in that the exhaust air discharge section (134) has an exhaust air bypass section (136) which forms a bypass for the exhaust air (AL) past the supply air-exhaust air heat exchanger (150), wherein in the exhaust air discharge section (134) and/or in the exhaust air bypass section (136) at least one bypass valve device (170) is arranged for a controlled guidance of the exhaust air (AL) through the supply air-exhaust air heat exchanger (150) and/or the exhaust air bypass section (136).
10. Brennstoffzellensystem (100) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Luftzuführabschnitt (122) frei von einem Kühlanschluss an einen Kühlkreislauf ausgebildet ist. 10. Fuel cell system (100) according to one of the preceding claims, characterized in that the air supply section (122) is designed free of a cooling connection to a cooling circuit.
- 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). - guiding the supply air (ZL) downstream of the compressor device (140) in the air supply section (122) via a supply air-exhaust air heat exchanger (150) for partial heat transfer from the supply air (ZL) to the exhaust air (AL).
12. Kontrollverfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich die folgenden Schritte durchgeführt werden: 12. Control method according to claim 11, characterized in that the following steps are additionally carried out:
- Erfassen einer Auslasstemperatur der Zuluft (ZL) am Auslass der Kompressorvorrichtung (140), - detecting an outlet temperature of the supply air (ZL) at the outlet of the compressor device (140),
- Vergleich der erfassten Auslasstemperatur der Zuluft (ZL) mit einer Solltemperatur für die Zuluft (ZL), - Comparison of the recorded outlet temperature of the supply air (ZL) with a target temperature for the supply air (ZL),
- Führen der Zuluft (ZL) zumindest teilweise über den Zuluft-AbluftWärmetauscher (150), wenn die Auslasstemperatur die Solltemperatur überschreitet. - guiding the supply air (ZL) at least partially via the supply air-exhaust air heat exchanger (150) if the outlet temperature exceeds the target temperature.
Claims (9)
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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