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 einen 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 mindestens eine Wärmeübertrager dazu ausgeführt ist, die Wärme durch Verdampfung und Kondensation von Produktwasser zu übertragen. 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, die Wärmeübertragung zwischen der verdichteten (und dadurch aufgeheizten) Zuluft im Kathodenpfad vor der mindestens einen Brennstoffzelle (und ggf. vor einem Befeuchter oder einem Wassereinspritzungssystem) und der (kühleren) Abluft des Kathodenpfades nach der mindestens einen Brennstoffzelle (und ggf. vor einer Turbine) mithilfe von Verdampfung/Kondensation des Produktwassers durchzuführen. 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 im Kathoden- Abgaspfad vorteilhaft sein. Mithilfe der erwärmten Abluft kann die Turbinenleistung erhöht und damit die elektrische Antriebsleistung für das Luftverdichtungssystem reduziert werden.

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 mindestens eine 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 mindestens eine 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 mindestens eine Wärmeübertrager ein erstes Rohr, bspw. in Form eines Rohrbündels, aufweist, das einen Teil der Zuluftleitung von einem, insbesondere abgedichteten, Eingang in den mindestens einen Wärmeübertrager zu einem, insbesondere abgedichteten, Ausgang aus dem mindestens einen Wärmeübertrager bildet, und/oder dass der mindestens eine Wärmeübertrager ein zweites Rohr, bspw. in Form eines Rohrbündels, aufweist, das einen Teil der Abluftleitung von einem, insbesondere abgedichteten, Eingang in den mindestens einen Wärmeübertrager zu einem, insbesondere abgedichteten, Ausgang aus dem mindestens einen Wärmeübertrager bildet. 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 und/oder ein zweites Rohr des mindestens einen 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 und/oder ein zweites Rohr des mindestens einen Wärmeübertragers mehrere Windungen und/oder mehrere Zweigleitungen und/oder mehrere Rohbündel 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 mindestens eine 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 mindestens eine 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 mindestens einen Wärmeübertragers angeordnet ist. Somit kann die Nachbefüllung des Wärmeübertragers, vorteilhafterweise zeitlich entkoppelt von der Produktwassergewinnung, realisiert werden. Zudem kann die Erfindung bei einem Brennstoffzellensystem vorsehen, dass in der Zuluftleitung des Kathodenpfades ein Wassereinspritzungssystem (mit entsprechenden Ventilen) vorgesehen ist, wobei der mindestens eine 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 mindestens eine Wärmeübertrager in der Zuluftleitung des Kathoden pfades 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 Kathodenpfades ein erster Verdichter vorgesehen ist, wobei der mindestens eine Wärmeübertrager in der Zuluftleitung des Kathodenpfades 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 mindestens eine Wärmeübertrager in der Zuluftleitung des Kathodenpfades nach dem ersten Verdichter und nach dem zweiten Verdichter angeordnet ist, oder wobei der mindestens eine Wärmeübertrager in der Zuluftleitung des Kathodenpfades nach dem ersten Verdichter und vor dem zweiten Verdichter angeordnet ist. Bei der Anordnung des Wärmeübertragers in der Zuluftleitung des Kathodenpfades nach dem ersten Verdichter und nach dem zweiten Verdichter kann der Wärmeübertrag von Zuluft in die Abluft vergrößert werden. Bei der Anordnung des Wärmeübertragers in der Zuluftleitung des Kathoden pfades nach dem ersten Verdichter und vor dem zweiten Verdichter kann die verdichtete Zuluft zwischen den zwei Verdichtern abkühlt werden. Eine abgekühlte Luft ist einfacher zu verdichten, sodass der zweite Verdichter mit besserem Wirkungsgrad betrieben und/oder kleiner ausgelegt werden kann.

Des Weiteren kann die Erfindung bei einem Brennstoffzellensystem vorsehen, dass der mindestens eine Wärmeübertrager einen ersten Wärmeübertrager und einen zweiten Wärmeübertrager aufweist, und dass in der Zuluftleitung des Kathodenpfades ein erster Verdichter und ein zweiter Verdichter vorgesehen sind, wobei der erste Wärmeübertrager in der Zuluftleitung des Kathodenpfades nach dem ersten Verdichter und der zweite Wärmeübertrager nach dem zweiten Verdichter angeordnet sind. Auf diese Weise kann der Wärmeübertrag zwischen der Zuluft und der Abluft noch weiter verbessert werden. Zudem kann dadurch der zweite Verdichter mithilfe des ersten Wärmeübertragers bereits abgekühlte Zuluft leichter verdichten und somit kleiner ausgelegt werden.

Zudem kann die Erfindung bei einem Brennstoffzellensystem vorsehen, dass in der Zuluftleitung des Kathoden pfades ein erster Verdichter und ein zweiter Verdichter vorgesehen sind, wobei der zweite Verdichter durch eine Turbine antreibbar ist, die in der Abluftleitung vorgesehen ist, und wobei die Turbine in der Abluftleitung angeordnet ist. Wenn die Turbine in der Abluftleitung vor dem Wärmeübertrager angeordnet ist, kann die Abluft nach der Turbine in den Wärmeübertrager reinfließen. Durch Entspannung in der Turbine kann eine niedrige Eintrittstemperatur im Wärmeübertrager erreicht werden, sodass eine größere mittlere Temperaturdifferenz über den passiven Wärmeübertrager entsteht, wodurch die Zwischenkühlung (zwischen Verdichterstufe 1 und Verdichterstufe 2) verbessert werden kann. Wenn die Turbine nach dem Wärmeübertrager angeordnet ist, kommt die durch den Wärmeübertrager erwärmte Abluft an der Turbine an und kann die Turbine effizienter antreiben. Um den Wärmeübertrag von Zuluft in die Abluft zu erhöhen, können auch zwei Kondensation/Verdampfungs-Wärmeübertrager eingesetzt werden (Kombination der zwei oben beschriebenen Varianten).

Weiterhin kann die Erfindung vorsehen, dass der mindestens eine Wärmeübertrager einen ersten Wärmeübertrager und einen zweiten Wärmeübertrager aufweist, dass in der Zuluftleitung des Kathodenpfades ein erster Verdichter und ein zweiter Verdichter vorgesehen sind, wobei der zweite Verdichter von einer Turbine angetrieben wird, die in der Abluftleitung vorgesehen ist, und wobei die Turbine in der Abluftleitung nach dem zweiten Wärmeübertrager und vor dem ersten Wärmeübertrager oder umgekehrt angeordnet sein kann.

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 ein weiterer Wärmeübertrager (anders auch Heatexchanger genannt) einer beliebigen Art angeordnet ist, 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 Kathodenpfades mindestens ein Wärmeübertrager vorgesehen ist, um thermische Energie von der Zuluft zu der Abluft zu übertragen. Hierzu ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass der mindestens eine Wärmeübertrager die Wärme durch Verdampfung und Kondensation von Produktwasser passiv 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 bekannten Brennstoffzellensystems,

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems im Sinne der Erfindung,

Fig. 3 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems im Sinne der Erfindung,

Fig. 4 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems im Sinne der Erfindung,

Fig. 5 eine schematische Darstellung eines Wärmeübertragers im Sinne der Erfindung, Fig. 6 eine schematische Darstellung eines Rohrs eines Wärmeübertragers im Sinne der Erfindung,

Fig. 7 eine schematische Darstellung eines Rohrs eines Wärmeübertragers im Sinne der Erfindung,

Fig. 8 eine schematische Darstellung möglicher Rohrformen für einen Wärmeübertrager im Sinne der Erfindung,

Fig. 9 eine schematische Darstellung eines Wärmeübertragers im Sinne der Erfindung.

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

Die erfindungsgemäße Problematik wird anhand der Figur 1 beschrieben. Die Figur 1 zeigt ein bekanntes Brennstoffzellensystem 100. Im Brennstoffzellensystem 100 wird in der Regel einfache Luft aus der Umgebung U eingesaugt, um einen sauerstoffhaltigen Reaktanten zu gewinnen, welcher in einer Brennstoffzelle 101 mit einem Brennstoff, bspw. Wasserstoff, zu Wasser bzw. Wasserdampf reagieren und damit elektrische Energie freisetzen kann.

Zum Einsaugen von Umgebungsluft sind in einer Zuluftleitung 11 eines Kathodenpfades 10 meistens ein oder mehrere Verdichter P vorgesehen. Die Verdichtung der Zuluft führt zu erhöhten Temperaturen im Kathodenpfad 10. Die dabei entstehende Wärme muss wieder abgeführt werden, um die Brennstoffzelle 101 und einen optionalen Befeuchter Hl nicht zu beschädigen.

Die Figuren 2 bis 4 zeigen jeweils ein Brennstoffzellensystem 100 im Sinne der Erfindung. Allen Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems 100 gemäß den Figuren 2 bis 4 ist gemein, dass das Brennstoffzellensystem 100 mindestens eine Brennstoffzelle 101 oder mehrere zu einem Stapel, einem sog. Stack, zusammengefügte Brennstoffzellen 101, vorzugsweise PEM-Brennstoffzellen, aufweisen kann. Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem 100 gemäß den Figuren 2 bis 4 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 mindestens ein Wärmeübertrager 20 vorgesehen, um thermische Energie bzw. Wärme von der Zuluft zu der Abluft (unidirektional) mittels Verdampfung/Kondensation des Produktwassers H20 zu übertragen, insbesondere indirekt bzw. ohne Stoffaustausch zwischen der Zuluft LI und der Abluft L2 zu übertragen.

Der mindestens eine erfindungsgemäße Wärmeübertrager 20 ist passiv mittels Verdampfung/Kondensation des Produktwassers H20 ausgeführt. D. h., dass im Wärmeübertrager 20 der Transport des Produktwassers passiv und damit ohne Hilfsmittel, wie etwa einer Kühlmittelpumpe KMP, erfolgt, die im herkömmlichen Brennstoffzellensystem 100 gemäß der Figur 1 notwendig ist. Auch auf ein zusätzliches Leitungssystem KML der Figur 1 zum Transportieren eines Kühlmittels, welches mittels der Kühlmittelpumpe KMP umgewälzt wird, sowie auf zwei separate Heatexchanger HE gemäß der Figur 1 kann im erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem 100 gemäß den Figuren 2 bis 4 grundsätzlich verzichtet werden. Ein kleiner ausgelegter Heatexchanger HE kann optional in der Zuluftleitung 11 beibehalten werden, der nur optional eingeschaltet wird, 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 Figuren 5 bis 9 zeigen, weist der mindestens eine Wärmeübertrager 20 im Sinne der Erfindung ein erstes Rohr RI auf, das einen Teil der Zuluftleitung 11 von einem, bspw. durch eine Dichtung D abgedichteten, Eingang Al in den mindestens einen Wärmeübertrager 20 zu einem, bspw. durch eine Dichtung D abgedichteten, Ausgang A2 aus dem mindestens einen Wärmeübertrager 20 bildet. Zudem weist der mindestens eine Wärmeübertrager 20 ein zweites Rohr R2 auf, das einen Teil der Abluftleitung 12 von einem, bspw. durch eine Dichtung D abgedichteten, Eingang Bl in den mindestens einen Wärmeübertrager 20 zu einem, bspw. durch eine Dichtung D abgedichteten, Ausgang B2 aus dem mindestens einen Wärmeübertrager 20 bildet.

Wie es die Figuren 5 bis 9 zeigen, kann das erste Rohr RI sowie das zweite Rohr R2 des mindestens einen 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 in Richtung von unten nach oben oder von oben nach unten zu begünstigen.

Wie es die Figuren 6 und 7 zeigen, kann das erste Rohr RI und/oder ein zweites Rohr R2 des mindestens einen Wärmeübertragers 20 mehrere Windungen Ul, U2 (vgl. die Figur 7) und/oder mehrere Zweigleitungen L (vgl. die Figur 6) und/oder mit anderen Worten mehrere Rohrbündel aufweisen.

Die Figur 8 zeigt mehrere mögliche Varianten der erfindungsgemäßen Rohre RI, R2, die ebenfalls als Rippenrohre bezeichnet werden können. Wie es weiterhin die Figuren 5 und 9 zeigen, weist der mindestens eine Wärmeübertrager 20 ein abgeschlossenes Gehäuse 21 auf, in welchem das Produktwasser H20 als Arbeitsmedium aufgenommen ist. Unten in Kontakt mit dem ersten Rohr RI ist das Produktwasser H20 im flüssigen Zustand 16 und nimmt Wärme aus der erhitzen verdichten Zuluft 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 Figuren 5 und 9 zeigen, 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.

Wie es außerdem die Figuren 5 und 9 zeigen, kann das Gehäuse 21 ein Befüllungselement 23 aufweisen, welches bspw. eine Einspritzstelle, ein Dosierventil und/oder eine Dosierpumpe aufweisen. Wie es die Figur 5 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 5 und 9 kann wie folgt erklärt werden. Bei höheren Temperaturen beginnt das Produktwasser H20 innerhalb des Gehäuses 21 innerhalb des Wärmeübertragers 20 an der außenliegenden Oberfläche WA des ersten Rohres RI zu verdampfen. Der Wasserdampf steigt innerhalb des Wärmeübertragers 20 auf und kondensiert am kühleren zweiten Rohr R2 und gibt dadurch die Wärme an das zweite Rohr R2 und dann an die Abluft ab. Das kondensierende Wasser tropft innerhalb des Wärmeübertragers 20 ab und sammelt sich wieder im unteren Teil des Gehäuses 21 (flüssige Phase) und steht erneut zur Verdampfung zur Verfügung. 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 Wassertank 30 verbunden sein, wie es ferner die Figur 9 zeigt. Der Wassertank 30 kann wiederum ein Dosierventil 31 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.

Wie es die Figur 9 andeutet, 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 31) 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 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, die Steuerkontakte 34, 41 koordiniert ansteuern. Auch ist es denkbar, dass ein Regelkreis mithilfe 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.

Wie es die Figuren 3 und 4 darüber hinaus zeigen, kann der mindestens eine Wärmeübertrager 20 im Sinne der Erfindung einen ersten Wärmeübertrager 21 und einen zweiten Wärmeübertrager 22 aufweisen. Ferner können in der Zuluftleitung 11 des Kathodenpfades 10 ein erster Verdichter PI und ein zweiter Verdichter P2 vorgesehen sein.

Wie es aus den Figuren 3 und 4 ersichtlich ist, kann der erste Wärmeübertrager 21 in der Zuluftleitung 11 des Kathoden pfades 10 nach dem ersten Verdichter PI und der zweite Wärmeübertrager 21 nach dem zweiten Verdichter P2 angeordnet sein.

Wie es zudem die Figuren 3 und 4 andeuten, kann der zweite Verdichter P2 durch eine Turbine T antreibbar sein, die in der Abluftleitung 12 vorgesehen sein kann.

Wenn nur ein Wärmeübertrager 20 vorgesehen ist, dann kann die Turbine T in der Abluftleitung 12 vor dem Wärmeübertrager 20 (höhere Temperaturdifferenz am Wärmeübertrager 20) oder nach dem mindestens einen Wärmeübertrager 20 (Erhöhung der Leistung der Turbine T) angeordnet sein.

Wenn der mindestens eine Wärmeübertrager 20 einen ersten Wärmeübertrager 20.1 und einen zweiten Wärmeübertrager 20.2 aufweist, kann die Turbine T in der Abluftleitung 12 nach dem zweiten Wärmeübertrager 20.2 und vor dem ersten Wärmeübertrager 20.1 angeordnet sein (vgl. die Figur 3).

Wenn der mindestens eine Wärmeübertrager 20 einen ersten Wärmeübertrager 20.1 und einen zweiten Wärmeübertrager 20.2 aufweist, kann die Turbine T in der Abluftleitung 12 nach dem ersten Wärmeübertrager 20.1 und vor dem zweiten Wärmeübertrager 20.2 angeordnet sein (vgl. die Figur 4).

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, in der Bypassleitung um den zweiten Verdichter P2 herum 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 mindestens eine Wärmeübertrager 20 in der Zuluftleitung 11 des Kathodenpfades 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 mindestens eine Wärmeübertrager 20 in der Zuluftleitung 11 des Kathoden pfades 10 nach dem ersten Verdichter PI und nach dem zweiten Verdichter P2 oder nach dem ersten Verdichter PI und vor dem zweiten Verdichter P2 angeordnet sein kann.

Ferner kann die Erfindung bei einem Brennstoffzellensystem 100 vorsehen, dass der erste Verdichter PI und der zweite Verdichter P2 gemäß den Figuren 3 und 4 zwei separate Antriebswellen Wl, W2 (vgl. die Figuren 3 und 4) oder eine gemeinsame Antriebswelle aufweisen können.

Weiterhin ist es denkbar, dass der erste Verdichter PI als ein mehrflutiger oder mehrstufiger Verdichter (vgl. die Figuren 3 und 4) ausgebildet sein kann und/oder zwei Einzelverdichter Pl.l, PI.2 aufweisen kann, die wiederum zwei separate Antriebswellen oder eine gemeinsame Antriebswelle W1 aufweisen können.

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.