Titel

Wärmeübertrag im Kathodenpfad eines Brennstoffzellensystems mittels

Verdampfung/Kondensation von Produktwasser

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem nach dem Oberbegriff des unabhängigen Vorrichtungsanspruches. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines entsprechenden Brennstoffzellensystems.

Stand der Technik

In Antriebssystemen mit Brennstoffzellensystemen wird in der Regel Sauerstoff aus der Umgebungsluft benutzt, um in der Brennstoffzelle mit Wasserstoff zu Wasser bzw. Wasserdampf zu reagieren und damit eine elektrische Energie zu gewinnen. Die Umgebungsluft wird meistens mithilfe eines oder mehrerer Verdichter aus der Umgebung eingesaugt und in Form einer verdichteten Zuluft durch eine Zuluftleitung eines Kathodenpfades an das Brennstoffzellensystem bereitgestellt. Die Umgebungsluft muss verdichtet werden, um einen ausreichenden Sauerstoffpartialdruck zur chemischen Reaktion sicherzustellen. Weiterhin muss Umgebungsluft verdichtet werden, um das Wassermanagement sicherzustellen (d. h. zu starke Entfeuchtung der Membranen im Brennstoffzellensystem zu verhindern, denn warme Luft nimmt weniger Wasserdampf bei höherem Druck als bei niedrigerem Druck auf, und um Produktwasser abzuführen). Ferner muss Umgebungsluft verdichtet werden, um die Druckverluste im System und Komponenten zu überwinden, sowie, um eine möglichst homogene Verteilung über dem Stack sicherstellen. Mindestens ein Verdichter kann mittels einer Turbine an eine Abluftleitung des Kathodenpfades angeschlossen werden, um ein Teil der Strömungsenergie der Abluft durch Einkopplung in die Verdichterwelle zu nutzen. Werden höhere Betriebsdrücke im Kathodenpfad benötigt, so ist dies mit einem entsprechend erhöhten Aufwand bei der Luftverdichtung verbunden (höhere Leistungen). Dies führt zu erhöhten Temperaturen der verdichteten Zuluft im Kathodenpfad. Die dabei entstehende Wärme muss wieder abgeführt werden, um die maximal zulässigen Eintrittstemperaturen in Stack oder auch in einem optional vorhandenen Befeuchter einzuhalten.

Offenbarung der Erfindung

Die Erfindung sieht gemäß einem ersten Aspekt ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des unabhängigen Vorrichtungsanspruches, insbesondere aus dem kennzeichnenden Teil, vor. Ferner sieht die Erfindung gemäß einem zweiten Aspekt ein Verfahren zum Betreiben eines entsprechenden Brennstoffzellensystems vor. Weitere Vorteile, Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Verfahren und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.

Die vorliegende Erfindung sieht ein Brennstoffzellensystem vor, aufweisend mindestens eine Brennstoffzelle und einen Kathodenpfad zum Bereitstellen eines sauerstoffhaltigen Reaktanten in Form einer Zuluft an die mindestens eine Brennstoffzelle, wobei der Kathodenpfad eine Zuluftleitung zum Bereitstellen der Zuluft zu der mindestens einen Brennstoffzelle und eine Abluftleitung zum Abführen einer Abluft von der mindestens einen Brennstoffzelle aufweist, und wobei zwischen der Zuluftleitung und der Abluftleitung des Kathodenpfades mindestens ein Wärmeübertrager vorgesehen ist, um thermische Energie bzw. Wärme von der Zuluft zu der Abluft zu übertragen, insbesondere indirekt bzw. ohne Stoffaustausch zwischen der Zuluft und der Abluft zu übertragen. Hierzu ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Wärmeübertrager dazu ausgeführt ist, die Wärme durch Verdampfung und Kondensation von Produktwasser und mittels mehrerer Ströme der Zuluft durch den Wärmeübertrager an einen Strom der Abluft durch den Wärmeübertrager zu übertragen. Die Zuluft und die Abluft werden durch den Wärmeübertrager ohne Stoffaustausch mit dem Produktwasser in dem Wärmeübertrager geleitet. Hierzu sind Rohre vorgesehen, die im Nachfolgenden beschrieben werden. Das Produktwasser rezirkuliert in dem Wärmeübertrager durch Verdampfung an der Zuluft und durch Kondensation an der Abluft.

Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem kann in Form eines Brennstoffzellenstapels, eines sog. Brennstoffzellenstacks, mit mehreren gestapelten Wiederholeinheiten in Form einzelner Brennstoffzellen, vorzugsweise PEM-Brennstoffzellen, ausgeführt sein.

Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem kann vorteilhafterweise für mobile Anwendungen, wie bspw. in Kraftfahrzeugen, oder für stationäre Anwendungen, wie bspw. in Generatoranlagen, verwendet werden.

Der Wärmeübertrager überträgt die Wärme vorzugsweise passiv und damit ohne Hilfsmittel, wie etwa einer Kühlmittelpumpe. Auch auf ein zusätzliches Leitungssystem zum Transportieren eines Kühlmittels zu dem Wärmeübertrager, welches mittels der Kühlmittelpumpe umgewälzt werden muss, kann im Sinne der Erfindung verzichtet werden. In mobilen Anwendungen, bspw. in Kraftfahrzeugen, führt dies vorteilhafterweise zur Entlastung eines Fahrzeugkühlers, weil die Wärme in die Abluft eingekoppelt wird.

Der erfindungsgemäße Wärmeübertrager kann als Modul bereitgestellt werden. Zudem ist es denkbar, dass der erfindungsgemäße Wärmeübertrager integriert in den Kathodenpfad oder in eine Baugruppe des Kathodenpfades, wie z. B. in einen, insbesondere turbinenangetriebenen, Verdichter, bereitgestellt werden kann. Auch eine konstruktive Kombination des erfindungsgemäßen Wärmeübertragers mit einem Wassereinspritzungssystem in einer Baugruppe kann im Rahmen der Erfindung umgesetzt werden.

Der Erfindungsgedanke liegt dabei darin, dass der Wärmeübertrag von der Zuluftleitung in die Abluftleitung durch verdampfendes und kondensierendes Wasser, vorzugsweise Produktwasser, mittels mindestens drei Medienströmen (zwei Ströme der Zuluft und ein Strom der Abluft) bzw. Mehrmedienströmen durch den Wärmeübertrager realisiert wird. Die Medienströme stehen jedoch in keinem Kontakt zum dem Produktwasser, welches als Arbeitsmedium des Wärmeübertragers dient. Die mindestens zwei oder mehrere Medienströme der Zuluft können insbesondere nach jeder Verdichterstufe in der Zuluftleitung zwecks Kühlung durch den erfindungsgemäßen Wärmeübertrager geleitet werden. Die mindestens zwei oder mehrere Medienströme der Zuluft können vorteilhafterweise einen gemeinsamen Übertrag der Wärme mittels Verdampfung/Kondensation des Produktwassers an den Medienstrom der Abluft, vorzugsweise vor die Turbine, wenn vorhanden, schaffen. Bei Systemen ohne eine Turbine kann die Wärme irgendwo passend in die Abluft eingekoppelt werden, um den Kühlkreislauf zu entlasten.

Durch den erfindungsgemäßen Wärmeübertrager verlaufen mehrere, insbesondere fluidtechnisch gegenüber dem Produktwasser abgeschlossene, Leitungsabschnitte (gemeint sind zumindest ein erstes Rohr und ein zweites Rohr) der Zuluftleitung und ein, insbesondere fluidtechnisch gegenüber dem Produktwasser abgeschlossener, Leitungsabschnitt (geeint ist ein drittes Rohr) der Abluftleitung. Die Zuluftleitung bildet sozusagen dabei mindestens eine Schlaufe durch den Wärmeübertrager, wobei zwei Leitungsabschnitte der Zuluftleitung durch den Wärmeübertrager verlaufen. Auf diese Weise kann die Zuluft an mehreren Stellen in den Wärmeübertrager eingeleitet werden, um eine stufenweise Wärmeübertragung an die Abluft zu ermöglichen. Die Zuluft kann dabei vorteilhafterweise nach jeder Verdichterstufe gekühlt werden.

Das Produktwasser kann dabei als ein Arbeitsmedium des Wärmeübertragers dienen. Produktwasser ist an mehreren Stellen in einem Brennstoffzellensystems verfügbar und kann somit auf eine vorteilhafte Weise zur Wärmeübertragung mithilfe des erfindungsgemäßen Wärmeübertragers genutzt werden. Das Produktwasser kann dabei direkt aus dem Abluftpfad des

Brennstoffzellensystems gewonnen werden. Außerdem kann das Produktwasser in einem Wassertank zwischengespeichert werden. Dadurch kann eine zeitliche Entkopplung von Produktwassergewinnung und Produktwassernutzung geschaffen werden. Die erfindungsgemäße, insbesondere passive, Wärmeübertrag durch Verdampfung und Kondensation von Produktwasser kann insbesondere bei hohen Verdichtungsendtemperaturen, d. h. bei höheren Kathodendrücken, vorteilhaft sein. Innerhalb des Wärmeübertragers findet eine Rezirkulation des Produktwassers statt. Der Wasserdampf steigt innerhalb des Wärmeübertragers auf, kondensiert und tropft ab. Die Verdampfung des Produktwassers wird durch aufgeheizte Zuluft angestoßen. Durch Verdampfen nimmt das Produktwasser die Wärme von der Zuluft auf. Die Kondensation des Produktwassers wird durch die kühlere Abluft angestoßen. Durch Kondensation gibt der Wasserdampf die Wärme an die Abluft ab. Das kondensierende Wasser tropft ab und sammelt sich wieder im unteren Teil des Wärmeübertragers und steht erneut zur Verdampfung zur Verfügung.

Außerdem ist es von Vorteil, dass die Wärmeübertragung nur unidirektional (anders als beim passiven Gas-Gas-Wärmeübertrager) erfolgt, um unerwünschte Kondensationseffekte zu vermeiden.

Im Rahmen der Erfindung ist es denkbar, dass der Produktwasser-Pegel im Wärmeübertrager geregelt werden kann, um den entwichenen Wasserdampf durch neues Produktwasser zu ersetzen. Hierzu kann der erfindungsgemäße Wärmeübertrager z.B. über ein Dosierventil oder/und eine Förderpumpe verfügen, um Produktwasser nachzufüllen, bspw. aus einem Wassertank. Das Produktwasser kann weiterhin auf eine einfache Weise auch ohne eine Förderpumpe nachgefüllt werden, wenn der Wassertank über dem Wärmeübertrager positioniert wird. Somit kann das Wasser durch Höhendifferenz (ohne Pumpe, nur einfaches Auf/Zu-Absperrventil) in den Wärmeübertrager bereitgestellt werden.

Weiterhin ist es denkbar, dass der erfindungsgemäßer Wärmeübertrager mit weiteren Wärmeübertragern gleicher oder unterschiedlicher Art, Gas- Flüssigkeit oder Gas-Gas Wärmeübertrager, kombiniert werden kann, um insbesondere die restliche Wärme abzuführen.

Optional kann die Erfindung vorsehen, dass der Wärmeübertrager nach Bedarf in den Wassertank entleert werden kann. Dies kann durch einen Auslasskanal mittels einer Pumpe ermöglicht werden. Zudem ist es denkbar, dass der Wärmeübertrager eisdruckfest ausgeführt sein kann.

Der erfindungsgemäße, insbesondere passive, Wärmeübertrag durch Verdampfung und Kondensation von Produktwasser kann außerdem bei Brennstoffzellensystemen mit Energierekuperation mittels Turbine in der Abluftleitung vorteilhaft sein. Mithilfe der erwärmten Abluft kann die Turbinenleistung erhöht und damit die elektrische Antriebsleistung für das Luftverdichtungssystem reduziert werden.

Mithilfe der Erfindung kann ein erhöhter Wärmeübertrag vor der Turbine geschaffen werden, da zwei oder sogar mehrere Wärmequellen das Produktwasser verdampfen. Somit kann die Turbinenleistung signifikant erhöht werden. Damit findet eine weitergehende Reduktion der elektrischen Antriebsleistung für das Luftverdichtungssystem und/oder Entlastung des Kühlkreises/der Kühlkreise im Brennstoffzellensystem und/oder im Fahrzeug.

Vorteilhafterweise erfordert der erfindungsgemäße Wärmeübertrager keinen Sekundärkreis-Betrieb für einen optimalen Wärmetransport von der Zuluftleitung zu der Abluftleitung.

Der erfindungsgemäße Wärmeübertrager ist bauraumoptimiert, da der Mehrstrom/Mehrmedien-Wärmeübertrager mehrere Zweistrom-Wärmeübertrager zusammenfassen kann.

Aber auch bei Brennstoffzellensystemen ohne Energierekuperation kann die Erfindung vorteilhaft sein, damit der Kühlkreislauf entlastet wird.

Der passive Wärmeübertrager im Sinne der Erfindung erfordert vorteilhafterweise keine zusätzliche Einbindung in den Kühlkreislauf des Endgerätes, bspw. eines Fahrzeuges oder eines Generators. Dadurch erwächst der Vorteil, dass der erfindungsgemäße Wärmeübertrager einfach innerhalb des Brennstoffzellensystems integriert werden kann. Dadurch erwächst auch ein weiterer Vorteil, dass der Kühlkreislauf des Endgerätes entlastet werden kann. Ferner wird keine zusätzliche Aktorik benötigt, wodurch Energieeffizienz des Brennstoffzellensystems erhöht werden kann. Über das Antreiben der Turbine mit einer erwärmten Abluft kann außerdem der Effizienzgrad der Turbine erhöht werden.

Ferner kann die Erfindung bei einem Brennstoffzellensystem vorsehen, dass der Wärmeübertrager antriebsfrei ausgeführt ist, um thermische Energie von der Zuluft zu der Abluft ohne eine elektrische Energiezufuhr passiv und/oder indirekt, vorzugsweise ohne Stoffaustausch zwischen der Zuluft und der Abluft, zu übertragen. Somit können parasitäre Energiekosten im Brennstoffzellensystem reduziert und der Wirkungsgrad des Brennstoffzellensystems erhöht werden.

Weiterhin kann die Erfindung bei einem Brennstoffzellensystem vorsehen, dass der Wärmeübertrager dazu ausgebildet ist, thermische Energie von der Zuluft zu der Abluft unidirektional zu übertragen. Dadurch, dass die Wärmeübertragungsrichtung definiert ist, ist eine Umkehr der Wärmeübertragungsrichtung vorteilhafterweise nicht möglich. Somit können vorteilhafterweise im Vergleich zu passiven Gas-Gas-Wärmeübertragern Kondensationsprobleme im Abgaskanal vermieden werden.

Des Weiteren kann die Erfindung bei einem Brennstoffzellensystem vorsehen, dass der Wärmeübertrager mindestens ein erstes Rohr, bspw. in Form eines Rohrbündels, und ein zweites Rohr, bspw. in Form eines Rohrbündels, aufweist, die zwei Teile der Zuluftleitung (von mehreren, insbesondere abgedichteten, Eingängen in den Wärmeübertrager zu mehreren, insbesondere abgedichteten, Ausgängen aus dem Wärmeübertrager) bilden, und/oder dass der Wärmeübertrager (mindestens) ein drittes Rohr, bspw. in Form eines Rohrbündels, aufweist, das einen Teil der Abluftleitung (von einem, insbesondere abgedichteten, Eingang in den Wärmeübertrager zu einem, insbesondere abgedichteten, Ausgang aus dem Wärmeübertrager) bildet, der durch den Wärmeübertrager verlegt ist. Die Rohre können dabei vorteilhafterweise parallel zueinander verlaufen. Somit kann sichergestellt werden, dass der Durchfluss des sauerstoffhaltigen Reaktanten in der Zuluftleitung und/oder in der Abluftleitung durch den erfindungsgemäßen Wärmeübertrager stattfinden kann. Zudem kann die Erfindung bei einem Brennstoffzellensystem vorsehen, dass ein erstes Rohr, ein zweites Rohr und/oder ein drittes Rohr des Wärmeübertragers eine außenliegende Oberfläche und eine innenliegende Oberfläche aufweisen/aufweist, wobei die außenliegende Oberfläche einen größeren Flächeninhalt als der Flächeninhalt der innenliegenden Oberfläche aufweist, und/oder wobei die außenliegende Oberfläche eine Rippenstruktur, eine Lamellenstruktur und/oder eine Nockenstruktur aufweist, und/oder wobei die außenliegende Oberfläche ein durchgehendes, bspw. schraubenförmiges, Wärmeübertragungselement oder mehrere periodisch angeordnete Wärmeübertragungselemente aufweist. Auf diese Weise kann die thermische Übertragung zwischen dem sauerstoffhaltigen Reaktanten und dem Produktwasser innerhalb des Wärmeübertragers über die Rohre effektiv gestaltet werden. Dadurch kann an dem ersten Rohr die Bildung von Dampfblasen innerhalb des Produktwassers als Übertragungsmedium verbessert werden. Das Produktwasser kann durch Verdampfen die Wärme nach oben zu dem zweiten Rohr tragen. An dem zweiten Rohr kondensiert das gasförmige Produktwasser wieder und gibt dadurch die Wärme an die Abluft ab. Durch die außenliegende Oberfläche am zweiten Rohr kann wiederum die Kondensation von Wasserdampf verbessert werden. Außerdem kann das Wärmeübertragungselement oder die Wärmeübertragungselemente eine, insbesondere in die Flussrichtung des sauerstoffhaltigen Reaktanten, geneigte Oberseite aufweisen, um die Verdampfung und Kondensation des Produktwassers in die Richtung von unten nach oben oder von oder nach unten zu begünstigen.

Darüber hinaus kann die Erfindung bei einem Brennstoffzellensystem vorsehen, dass ein erstes Rohr, ein zweites Rohr und/oder ein drittes Rohr des Wärmeübertragers (an sich) mehrere Windungen und/oder mehrere Zweigleitungen und/oder mehrere Rohbündel innerhalb des Wärmeübertragers aufweist. Auf diese Weise kann der Übertragungsgrad flexibel eingestellt und vorteilhafterweise nach Bedarf erhöht werden.

Ferner kann die Erfindung bei einem Brennstoffzellensystem vorsehen, dass der Wärmeübertrager ein abgeschlossenes Gehäuse aufweist, wobei das Gehäuse ein Entlüftungselement, insbesondere in Form einer gasdurchlässigen Membran, eines passiven Ventils, vorzugsweise eines Rückschlagventils, welches bei einem Überdruck zur Umgebung öffnet, oder eines schaltbaren Ventils, aufweist, und/oder wobei das Gehäuse ein Befüllungselement, insbesondere umfassend eine Einspritzstelle, ein Dosierventil und/oder eine Dosierpumpe, aufweist, wobei insbesondere das Befüllungselement einen Steuerkontakt zu einem steuerbaren und/oder regelbaren Nachfüllen des Produktwassers aufweist. Bei höheren Temperaturen beginnt das Wasser zu verdampfen. Über das Entlüftungselement kann ein Druckausgleich zur Umgebung erfolgen, um die Verdampfung nicht zu verlangsamen. Das Auffüllen bzw. Nachfüllen des Produktwassers, das durch das Entlüftungselement entwichen ist, kann über das Befüllungselement erfolgen. Das Befüllungselement kann vorteilhafterweise mit einem Wassertank verbunden sein. Der Wassertank kann wiederum über ein Dosierventil und/oder eine Dosierpumpe bzw. eine Pumpe/Düseneinheit verfügen. Am Befüllungselement kann vorteilhafterweise ein, vorzugsweise elektrisch kontaktierbarer, Steuerkontakt vorgesehen sein, der z. B. durch ein Steuergerät steuerbar ist. Die Nachbefüllung des Wärmeübertragers kann auch ohne Pumpenunterstützung realisiert werden, indem der Wassertank über dem Wärmeübertrager angeordnet wird und die Nachbefüllung mittels der Schwerkraft (und ggf. einem Absperrventil) erfolgt. Die Entnahme von Wasser bzw. ein mögliches Entleeren (bspw. bei Frostgefahr, falls der Wärmeübertrager nicht eisdruckfest ausgeführt ist) kann über eine Ablaufstelle erfolgen. Das Wasser kann wieder dem Wassertank zugeführt werden.

Darüber hinaus kann die Erfindung bei einem Brennstoffzellensystem vorsehen, dass der mindestens eine Wärmeübertrager eine Ablaufstelle aufweist, um den Wärmeübertrager, insbesondere bei einer Frostgefahr, zu entleeren, wobei vorzugsweise der Wärmeübertrager in einen Wassertank entleert werden kann, und/oder dass der mindestens eine Wärmeübertrager, insbesondere an der Ablaufstelle, ein schaltbares Ventil, vorzugsweise einen elektrisch kontaktierbaren Steuerkontakt, aufweist. Auf diese Weise kann eine verbesserte Funktionalität des Wärmeübertragers bereitgestellt werden. Außerdem kann dadurch die Betriebssicherheit des Wärmeübertragers bei einer Frostgefahr sichergestellt werden. Weiterhin kann die Erfindung bei einem Brennstoffzellensystem vorsehen, dass der Wärmeübertrager an einen Wassertank angeschlossen ist, wobei der Wassertank als ein Wassertank der Abluftleitung, ein Wassertank eines Wassereinspritzungssystems, ein Wassertank einer Drainleitung ausgeführt oder mit mindestens einem dieser Wassertanks verbunden ist, und/oder wobei der Wassertank ein Ablassventil aufweist, und/oder wobei der Wassertank oberhalb des Wärmeübertragers angeordnet ist. Somit kann die Nachbefüllung des Wärmeübertragers, insbesondere zeitlich unabhängig von der Produktwassergewinnung, realisiert werden.

Zudem kann die Erfindung bei einem Brennstoffzellensystem vorsehen, dass in der Zuluftleitung des Kathoden pfades ein Wassereinspritzungssystem (mit entsprechenden Ventilen) vorgesehen ist, wobei der Wärmeübertrager in der Zuluftleitung des Kathodenpfades vor dem Wassereinspritzungssystem angeordnet ist. Mithilfe des Wassereinspritzungssystems kann die Zuluft befeuchtet werden. Der Vorteil eines Wassereinspritzungssystems liegt dabei darin, dass es eine einfach steuerbare Regulierung der Feuchte der Zuluft sicherstellen und außerdem zur Temperatureinstellung der Zuluft beitragen kann. Die Kombination des passiven Wärmeübertragers und der Möglichkeit mittels Wassereinspritzung nicht nur die Feuchte, sondern auch die Temperatur anzupassen, ergänzt sich auf eine vorteilhafte Weise. Die Wassereinspritzung kann zusätzlich auch den Verdichtungsprozess thermodynamisch optimieren.

Außerdem kann die Erfindung bei einem Brennstoffzellensystem vorsehen, dass zwischen der Zuluftleitung und der Abluftleitung des Kathodenpfades ein Befeuchter vorgesehen ist, wobei der Wärmeübertrager in der Zuluftleitung des Kathodenpfades vor dem Befeuchter und in der Abluftleitung des Kathodenpfades nach dem Befeuchter angeordnet ist. Der Vorteil eines Befeuchters kann darin liegen, dass die Feuchte aus der Abluft direkt zum Befeuchten der Zuluft verwendet werden kann.

Ferner kann die Erfindung bei einem Brennstoffzellensystem vorsehen, dass in der Zuluftleitung des Kathoden pfades ein erster Verdichter vorgesehen ist, wobei der Wärmeübertrager in der Zuluftleitung des Kathoden pfades nach dem ersten Verdichter angeordnet ist. Somit kann der Wärmeübertrager die Wärme der verdichteten Zuluft auf eine vorteilhafte Weise aufnehmen.

Weiterhin kann die Erfindung bei einem Brennstoffzellensystem vorsehen, dass in der Zuluftleitung des Kathodenpfades ein erster Verdichter und ein zweiter Verdichter vorgesehen sind, wobei der Wärmeübertrager in der Zuluftleitung des Kathodenpfades nach dem ersten Verdichter und nach dem zweiten Verdichter angeordnet ist. Dabei kann der Wärmeübertrag von Zuluft in die Abluft vergrößert werden. Zugleich kann dabei die verdichtete Zuluft nach jedem der zwei Verdichter abkühlt werden. Eine abgekühlte Luft ist einfacher zu verdichten, sodass der zweite Verdichter mit besserem Wirkungsgrad betrieben und/oder kleiner ausgelegt werden kann.

Zudem kann die Erfindung bei einem Brennstoffzellensystem vorsehen, dass in der Zuluftleitung des Kathodenpfades ein erster Verdichter und ein zweiter Verdichter vorgesehen sind, wobei der zweite Verdichter durch eine Turbine antreibbar ist, die in der Abluftleitung vorgesehen ist. Die Turbine kann vorteilhafterweise nach dem Wärmeübertrager angeordnet sein, sodass die durch den Wärmeübertrager erwärmte Abluft an der Turbine ankommt und die Turbine effizient antreibt.

Außerdem kann die Erfindung bei einem Brennstoffzellensystem vorsehen, dass in der Zuluftleitung des Kathodenpfades ein erster Verdichter und ein zweiter Verdichter vorgesehen sind, wobei der erste Verdichter und der zweite Verdichter zwei separate Antriebswellen oder eine gemeinsame Antriebswelle aufweisen können. So kann je nach Konstruktion und/oder je nach vorhandenem Bauraum ein geeigneter Aufbau des Brennstoffzellensystems bereitgestellt werden.

Ferner kann die Erfindung bei einem Brennstoffzellensystem vorsehen, dass der erste Verdichter als ein mehrflutiger oder mehrstufiger Verdichter ausgebildet, und/oder dass der erste Verdichter zwei Einzelverdichter aufweist, die zwei separate Antriebswellen oder eine gemeinsame Antriebswelle aufweisen können. Dadurch kann der Verdichtungsgrad der Zuluft erhöht werden. Auch kann dadurch der Aufbau des Brennstoffzellensystems flexibel ausgestaltet werden. Weiterhin kann die Erfindung bei einem Brennstoffzellensystem vorsehen, dass in der Zuluftleitung des Kathodenpfades mindestens ein weiterer Wärmeübertrager (anders auch Heatexchanger genannt) einer beliebigen Art angeordnet ist, z. B. nach jedem Durchlauf des Wärmeübertragers, der bspw. an einen Kühlkreislauf eines Fahrzeuges angeschlossen sein kann. Somit kann der Wärmeübertragungsgrad erhöht werden.

Die vorliegende Erfindung sieht ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems vor, aufweisend mindestens eine Brennstoffzelle und einen Kathodenpfad zum Bereitstellen eines sauerstoffhaltigen Reaktanten in Form einer Zuluft an die mindestens eine Brennstoffzelle, wobei der Kathodenpfad eine Zuluftleitung zum Bereitstellen der Zuluft zu der mindestens einen Brennstoffzelle und eine Abluftleitung zum Abführen einer Abluft von der mindestens einen Brennstoffzelle aufweist, und wobei zwischen der Zuluftleitung und der Abluftleitung des Kathoden pfades mindestens ein Wärmeübertrager vorgesehen ist, um thermische Energie von der Zuluft zu der Abluft zu übertragen. Hierzu ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Wärmeübertrager die Wärme durch Verdampfung und Kondensation von Produktwasser und mittels mehrerer Ströme der Zuluft durch den mindestens einen Wärmeübertrager an einen Strom der Abluft überträgt. Mithilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die gleichen Vorteile erreicht, die oben mithilfe des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems beschrieben wurden. Auf diese Vorteile wird vorliegend vollumfänglich Bezug genommen.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele:

Die Erfindung und deren Weiterbildungen sowie deren Vorteile werden nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen jeweils schematisch:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems im Sinne der Erfindung,

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Wärmeübertragers im Sinne der Erfindung, Fig. 3 eine schematische Darstellung eines Wärmeübertragers im Sinne der Erfindung in einem Querschnitt, und

Fig. 4 eine schematische Darstellung eines Wärmeübertragers im Sinne der Erfindung in einem Querschnitt.

In den unterschiedlichen Figuren sind gleiche Teile der Erfindung stets mit denselben Bezugszeichen versehen, weshalb diese in der Regel nur einmal beschrieben werden.

Die Figur 1 zeigt ein Brennstoffzellensystem 100 im Sinne der Erfindung. Das Brennstoffzellensystem 100 kann mindestens eine Brennstoffzelle 101 oder mehrere zu einem Stapel, einem sog. Stack, zusammengefügte Brennstoffzellen 101, vorzugsweise PEM-Brennstoffzellen, aufweisen. Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem 100 gemäß der Figur 1 kann für mobile Anwendungen, wie bspw. in Kraftfahrzeugen, oder für stationäre Anwendungen, wie bspw. in Generatoranlagen, verwendet werden.

Zudem weist das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem 100 einen Kathodenpfad 10 zum Bereitstellen eines sauerstoffhaltigen Reaktanten in Form einer Zuluft an die mindestens eine Brennstoffzelle 101 auf. Der Kathodenpfad

10 weist eine Zuluftleitung 11 zum Bereitstellen der Zuluft zu der mindestens einen Brennstoffzelle 101 und eine Abluftleitung 12 zum Abführen einer Abluft von der mindestens einen Brennstoffzelle 101 auf. Am Eingang der Zuluftleitung

11 des Kathodenpfades 10 kann ein Luftfilter AF vorgesehen sein, um die Umgebungsluft gemäß den Erfordernissen der Brennstoffzelle 101 zu filtern. Zwischen der Zuluftleitung 11 und der Abluftleitung 12 des Kathodenpfades 10 ist ein Wärmeübertrager 20 im Sinne vorgesehen, um thermische Energie bzw. Wärme von der Zuluft zu der Abluft (unidirektional) mittels Verdampfung/Kondensation des Produktwassers H20 und mithilfe mehrerer Ströme Ml, M2 der Zuluft LI durch den Wärmeübertrager 20 an einen Strom M3 der Abluft L2 zu übertragen, insbesondere indirekt bzw. ohne Stoffaustausch zwischen der Zuluft und der Abluft zu übertragen. Der erfindungsgemäße Wärmeübertrager 20 ist dazu ausgeführt, dass die Wärme von der Zuluftleitung 11 in die Abluftleitung 12 durch verdampfendes und kondensierendes Produktwasser mittels mindestens drei Medienströmen Ml,

M2, M3 (zwei Ströme Ml, M2 der Zuluft LI und ein Strom M3 der Abluft L2) bzw. noch mehr Medienströmen durch den Wärmeübertrager 20 zu übertragen. Die mindestens zwei oder mehrere Medienströme Ml, M2 der Zuluft LI können nach jeder Verdichterstufe in der Zuluftleitung 11 durch den erfindungsgemäßen Wärmeübertrager 20 geleitet werden, um die Zuluft LI stufenweise abzukühlen. Die mindestens zwei oder mehrere Medienströme Ml, M2 der Zuluft LI können vorteilhafterweise einen gemeinsamen Übertrag der Wärme mittels des Wärmeübertragers 20 an den Medienstrom M3 der Abluft L2, vorzugsweise vor einer Turbine T, bereitstellen.

Durch den erfindungsgemäßen Wärmeübertrager 20 verlaufen mehrere, insbesondere fluidtechnisch gegenüber dem Produktwasser H20 abgeschlossene, Leitungsabschnitte (gemeint sind zumindest ein erstes Rohr RI und ein zweiten Rohr R2) der Zuluftleitung 11 und ein, insbesondere fluidtechnisch gegenüber dem Produktwasser H20 abgeschlossener, Leitungsabschnitt (geeint ist ein drittes Rohr R3) der Abluftleitung 12 verlaufen Im Wärmeübertrager 20 erfolgt der Transport des Produktwassers passiv und damit ohne Hilfsmittel, wie etwa einer Kühlmittelpumpe KMP. Auch auf ein zusätzliches Leitungssystem KML zum Transportieren eines Kühlmittels, welches mittels der Kühlmittelpumpe KMP umgewälzt wird, sowie auf separate Heatexchanger HE kann im erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem 100 gemäß grundsätzlich verzichtet werden. Ein kleiner ausgelegter oder zwei kleiner ausgelegte Heatexchanger HE kann/können optional in der Zuluftleitung 11 beibehalten werden, der/die nur optional eingeschaltet wird/werden, um bspw. die restliche Abwärme nach dem Durchfluss des erfindungsgemäßen Wärmeübertragers 20 abzuführen. In mobilen Anwendungen, bspw. in Kraftfahrzeugen, kann dies vorteilhafterweise zur Entlastung eines nicht gezeigten Fahrzeugkühlers führen.

Wie es die Figur 2 zeigt, weist der Wärmeübertrager 20 im Sinne der Erfindung ein erstes Rohr RI und ein zweites Rohr R2 auf, die zwei Teile der Zuluftleitung 11 von zwei, bspw. durch entsprechende Dichtungen D abgedichteten, Eingänge in den Wärmeübertrager 20 zu jeweils zwei, bspw. durch entsprechende Dichtungen D abgedichteten, Ausgänge aus dem Wärmeübertrager 20 bilden. Zudem weist der Wärmeübertrager 20 ein drittes Rohr R3 auf, das einen Teil der Abluftleitung 12 von einem, bspw. durch eine Dichtung D abgedichteten, Eingang in den Wärmeübertrager 20 zu einem, bspw. durch eine Dichtung D abgedichteten, Ausgang B2 aus dem Wärmeübertrager 20 bildet.

Wie es die Figur 2 zeigt, können die Rohre RI, R2, R3 des Wärmeübertragers 20 eine außenliegende Oberfläche WA und eine innenliegende Oberfläche Wl aufweisen. Die außenliegende Oberfläche WA weist einen größeren Flächeninhalt als der Flächeninhalt der innenliegenden Oberfläche Wl auf. Die außenliegende Oberfläche WA kann eine Rippenstruktur, eine Lamellenstruktur und/oder eine Nockenstruktur aufweisen. Die außenliegende Oberfläche WA kann dabei ein durchgehendes, bspw. schraubenförmiges, Wärmeübertragungselement oder mehrere periodisch angeordnete Wärmeübertragungselemente aufweisen. Ferner kann/können das Wärmeübertragungselement oder die Wärmeübertragungselemente eine, insbesondere in die Flussrichtung des sauerstoffhaltigen Reaktanten, geneigte Oberseite aufweisen, um die Verdampfung und Kondensation des Produktwassers H20 nicht zu behindern. Außerdem ist es denkbar, dass die Rohre RI, R2, R3 des Wärmeübertragers 20 mehrere Windungen Ul, U2 und/oder mehrere Zweigleitungen L und/oder mit anderen Worten mehrere Rohrbündel aufweisen.

Wie es weiterhin die Figur 2 zeigt, weist der Wärmeübertrager 20 ein abgeschlossenes Gehäuse 21 auf, in welchem das Produktwasser H20 als Arbeitsmedium aufgenommen ist. Unten in Kontakt mit dem ersten Rohr RI und mit dem zweiten Rohr R2 ist das Produktwasser H20 im flüssigen Zustand 16 und nimmt Wärme aus der erhitzen verdichten Zuluft LI in der Zuluftleitung 11 durch das Material des ersten Rohrs RI auf. Oben in Kontakt mit dem zweiten Rohr R2 ist das Produktwasser H20 im gasförmigen Zustand 18. Dort kondensiert es an dem zweiten Rohr R2 und übergibt Wärme durch das Material des zweiten Rohrs an die Abluft in der Abluftleitung 12 ab. Das Produktwasser H20 rezirkuliert innerhalb des Wärmeübertragers 20 durch die Verdampfung und Kondensation und damit durch die Konvektion des Produktwassers H20, welches innerhalb des Wärmeübertragers 20 in zwei Zuständen, flüssig und gasförmig, vorliegt.

Wie es zudem die Figur 2 zeigt, kann das Gehäuse 21 ein Entlüftungselement 22 aufweisen, das bspw. in Form einer gasdurchlässigen Membran, eines passiven Ventils, vorzugsweise eines Rückschlagventils, welches bei einem Überdruck zur Umgebung öffnet, oder eines schaltbaren Ventils ausgebildet sein kann, um Druck innerhalb des Gehäuses 21 anzupassen. Druckanpassung kann dadurch erreicht werden, indem der Wasserdampf durch Entlüftungselement 22 aus dem Gehäuse 21 entweichen kann. Das Entlüftungselement 22 kann somit sicherstellen, dass innerhalb des Gehäuses 21 ein optimaler Druck für die Verdampfung von Produktwasser H20 herrscht. Das Entlüftungselement 22 kann vorteilhafterweise steuerbar und/oder regelbar ausgeführt sein.

Wie es außerdem die Figur 2 zeigt, kann das Gehäuse 21 ein Befüllungselement 23 aufweisen, welches bspw. eine Einspritzstelle, ein Dosierventil und/oder eine Dosierpumpe aufweisen. Wie es die Figur 2 außerdem andeutet, kann am Befüllungselement 23 ein Steuerkontakt 34 zu einem steuerbaren und/oder regelbaren Nachfüllen des Produktwassers H20 vorgesehen sein.

Das Prinzip des Wärmeübertragers 20 im Sinne der Erfindung und der Figuren 2 kann wie folgt erklärt werden. Bei höheren Temperaturen beginnt das Produktwasser H20 innerhalb des Gehäuses 21 des Wärmeübertragers 20 an der außenliegenden Oberfläche WA des ersten Rohres RI und des zweiten Rohres R2 zu verdampfen. Der Wasserdampf steigt innerhalb des Wärmeübertragers 20 auf und kondensiert am kühleren dritten Rohr R3 und gibt dadurch die Wärme an das dritte Rohr R3 und dann an die Abluft ab. Das kondensierende Produktwassers H20 tropft innerhalb des Wärmeübertragers 20 ab und sammelt sich wieder im unteren Teil des Gehäuses 21 (flüssige Phase) und steht erneut zur Verdampfung zur VerfügungJi _Bni] Dadurch findet eine passive Rezirkulation des Produktwassers H20 innerhalb des Wärmeübertragers 20 statt.. Über das Entlüftungselement 22 kann ein Druckausgleich zur Umgebung erfolgen, um die Verdampfung nicht zu verlangsamen. Das Auffüllen bzw. Nachfüllen des Produktwassers H20, das durch das Entlüftungselement 22 entwichen hat, kann über das Befüllungselement 23 erfolgen. Das Befüllungselement 23 kann bspw. mit einem schematisch angedeuteten Wassertank 30 verbunden sein. Der Wassertank 30 kann wiederum ein Dosierventil und/oder eine Dosierpumpe bzw. eine Pumpe/Düseneinheit aufweisen.

Am Befüllungselement 23 kann vorteilhafterweise ein, vorzugsweise elektrisch kontaktierbarer, Steuerkontakt 24 vorgesehen sein, der z. B. durch ein nicht gezeigtes Steuergerät (ein Steuergerät des Brennstoffzellensystems 100 oder des nicht gezeigten Fahrzeuges) steuerbar ist.

Grundsätzlich kann die Nachbefüllung des Wärmeübertragers 20 auch ohne Pumpenunterstützung erfolgen. Hierzu kann der Wassertank 30 über dem Wärmeübertrager 20 angeordnet sein, um die Nachbefüllung mittels der Schwerkraft (und ggf. einem Absperrventil) zu realisieren.

Die Entnahme von Wasser bzw. ein mögliches Entleeren des Wärmeübertragers 20 (bspw. bei Frostgefahr, falls der Wärmeübertrager 20 nicht eisdruckfest ausgeführt ist) kann über eine Ablaufstelle 40 erfolgen. Das abgeführte Produktwasser H20 kann wieder dem Wassertank 30 zugeführt werden. An der Ablaufstelle 40 kann ebenfalls ein schaltbares Ventil 41, vorzugsweise ein elektrisch kontaktierbarer, Steuerkontakt 41 vorgesehen sein, um das Entleeren des Wärmeübertragers 20 zu steuern.

Weiterhin ist es denkbar, dass das nicht gezeigte Steuergerät, das oben bereits erwähnt wurde, das Entlüftungselement 22 und/oder die Steuerkontakte 34, 41 koordiniert ansteuern. Auch ist es denkbar, dass ein Regelkreis mithilfe des Entlüftungselementes 22 und/oder der Steuerkontakte 34, 41 geschaffen werden kann. Hierzu kann der Druck innerhalb des Gehäuses 21, der Produktwasserpegel oder dergleichen innerhalb des Gehäuses 21 überwacht werden, bspw. mithilfe entsprechender Sensoren.

Des Weiteren ist es im Rahmen der Erfindung denkbar, dass der Wassertank 30 als ein Wassertank der Abluftleitung 12, ein Wassertank eines Wassereinspritzungssystems W2, ein Wassertank einer nicht dargestellten Drainleitung des Brennstoffzellensystems 100 o. Ä. ausgeführt oder mit mindestens einem dieser Wassertanks verbunden sein kann.

Im Rahmen der Erfindung ist es denkbar, dass zwischen der Zuluftleitung 11 und der Abluftleitung 12 des Kathodenpfades 10 ein Bypass By, ein Befeuchter Hl oder ein Wassereinspritzungssystem W2 vorgesehen sein kann. Weiterhin können Ventile V am Ausgang der Abluftleitung 12 und/oder in der Bypassleitung um die Turbine T herum vorgesehen sein.

Im Rahmen der Erfindung ist es auch denkbar, dass in der Zuluftleitung 11 des Kathodenpfades 10 mindestens ein erster Verdichter PI vorgesehen sein kann, wobei der Wärmeübertrager 20 in der Zuluftleitung 11 des Kathoden pfades 10 nach dem ersten Verdichter PI angeordnet ist.

Im Rahmen der Erfindung ist es außerdem denkbar, dass in der Zuluftleitung 11 des Kathoden pfades 10 ein erster Verdichter PI und ein zweiter Verdichter P2 vorgesehen sein können, wobei der Wärmeübertrager 20 in der Zuluftleitung 11 des Kathoden pfades 10 nach dem ersten Verdichter PI und nach dem zweiten Verdichter P2 angeordnet sein kann.

Der zweite Verdichter P2 kann vorzugsweise durch eine Turbine T antreibbar sein, die in der Abluftleitung 12 vorgesehen ist. Die Turbine T kann vorteilhafterweise nach dem Wärmeübertrager 20 angeordnet sein, sodass die durch den Wärmeübertrager 20 erwärmte Abluft L2 an der Turbine T ankommt und die Turbine T effizient antreibt.

Ferner kann die Erfindung bei einem Brennstoffzellensystem 100 vorsehen, dass der erste Verdichter PI und der zweite Verdichter P2 gemäß der Figur 1 zwei separate Antriebswellen Wl, W2 (vgl. die Figur 1) oder eine gemeinsame Antriebswelle aufweisen können.

Weiterhin ist es denkbar, dass der erste Verdichter PI als ein mehrflutiger oder mehrstufiger Verdichter (vgl. die Figur 1) ausgebildet sein kann und/oder zwei Einzelverdichter Pl.l, PI.2 aufweisen kann, die wiederum zwei separate Antriebswellen oder eine gemeinsame Antriebswelle Wl aufweisen können. Wie es weiterhin die Figuren 3 und 4 zeigen, können die Rohre RI, R2 zum Leiten der Zuluft LI durch den Wärmeübertrager 20 sowie das Rohr R3 zum Leiten der Abluft L2 durch den Wärmeübertrager 20 jeweils für sich als Verteiler und/oder als mehrfache Leitungen und/oder Sammelleitungen und/oder

Rohbündel ausgeführt sein. Gezeigt sind in der Figur 3 beispielhaft zwei zweifache Rohre RI, R2 für die Ströme Ml, M2 der Zuluft LI und ein dreifaches Rohr R3 für den Strom M3 der Abluft L2. In der Figur 3 sind beispielhaft zwei vierfache Rohre RI, R2 für die Ströme Ml, M2 der Zuluft LI und ein vierfaches Rohr R3 für den Strom M3 der Abluft L2 gezeigt.

Die voranstehende Beschreibung der Figuren beschreibt die vorliegende Erfindung ausschließlich im Rahmen von Beispielen. Selbstverständlich können einzelne Merkmale der Ausführungsformen, sofern es technisch sinnvoll ist, frei miteinander kombiniert werden, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.