DE102015221597A1

DE102015221597A1 - Kathodenversorgung für eine Brennstoffzelle

Info

Publication number: DE102015221597A1
Application number: DE102015221597.0A
Authority: DE
Inventors: Daniel Grundei; Christian Schlitzberger; Christian Lucas; Hannes Scholz; Jan-Philipp Brinkmeier
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Audi AG; Volkswagen AG
Priority date: 2015-11-04
Filing date: 2015-11-04
Publication date: 2017-05-04
Also published as: US20170125827A1; US10483563B2

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Kathodenversorgung (30) für eine Brennstoffzelle (10) eines Brennstoffzellenaggregats (1) für ein Brennstoffzellensystem, wobei die Kathodenversorgung (30) einen Kathoden-Versorgungspfad (31) und einen Kathoden-Abgaspfad (32) umfasst, und in den Kathoden-Versorgungspfad (31) wenigstens zwei Fluid-Fördereinrichtungen (33, 133) zur Förderung eines Kathoden-Betriebsmediums (5) für die Brennstoffzelle (10) fluidmechanisch eingekoppelt sind, wobei wenigstens eine erste Fluid-Fördereinrichtung (133) der wenigstens zwei Fluid-Fördereinrichtungen (33, 133) lediglich aufgrund einer in einem Kathoden-Abgas (6) der Brennstoffzelle (10) befindlichen Enthalpie antreibbar ist. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Brennstoffzellenaggregat für ein Fahrzeug, insbesondere ein Elektrofahrzeug, ein Brennstoffzellensystem für ein Fahrzeug, insbesondere ein Elektrofahrzeug, oder ein Fahrzeug, insbesondere ein Elektrofahrzeug, wobei das Brennstoffzellenaggregat, das Brennstoffzellensystem oder das Fahrzeug eine erfindungsgemäße Kathodenversorgung (30) aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Kathodenversorgung für eine Brennstoffzelle eines Brennstoffzellenaggregats für ein Brennstoffzellensystem. Ferner betrifft die Erfindung ein Brennstoffzellenaggregat für ein Fahrzeug, ein Brennstoffzellensystem für ein Fahrzeug und/oder ein Fahrzeug, insbesondere ein Elektrofahrzeug.
Eine Brennstoffzelle eines Brennstoffzellenaggregats eines Brennstoffzellensystems nutzt eine elektrochemische Umsetzung eines wasserstoffhaltigen (H, H₂) Brennstoffs mit Sauerstoff (O, O₂) zu Wasser zur Erzeugung elektrischer Energie. Hierfür enthält die Brennstoffzelle als eine Kernkomponente wenigstens eine sogenannte Membran-Elektroden-Einheit (englisch MEA für Membrane Electrode Assembly), welche ein Gefüge aus einer ionenleitenden beziehungsweise protonenleitenden Membran und beidseitig an der Membran angeordneten Elektroden, einer Anodenelektrode und einer Kathodenelektrode, ist. Zudem können Gasdiffusionslagen (GDL) beidseitig der Membran-Elektroden-Einheit an den der Membran abgewandten Seiten der Elektroden angeordnet sein.
In der Regel ist die Brennstoffzelle mittels einer Vielzahl von in einem Stapel (englisch Stack) angeordneter Membran-Elektroden-Einheiten ausgebildet, wobei sich deren elektrische Leistungen in einem Betrieb der Brennstoffzelle addieren. Zwischen den einzelnen Membran-Elektroden-Einheiten sind meist Bipolarplatten, auch Flussfeldplatten oder Separatorplatten genannt, angeordnet, welche eine Versorgung der Membran-Elektroden-Einheiten, also einer Versorgung der Einzelzellen der Brennstoffzelle, mit den Betriebsmedien, den sogenannten Reaktanten, sicherstellen und üblicherweise auch einer Kühlung dienen. Zudem sorgen die Bipolarplatten für eine jeweilig elektrisch leitende elektrische Verbindung zu den jeweilig benachbarten Membran-Elektroden-Einheiten.
In einem Betrieb der Einzelzellen der Brennstoffzelle (Einzelzelle: Membran-Elektroden-Einheit sowie ein zugehöriger Anodenraum begrenzt von einer Bipolarplatte und ein zugehöriger Kathodenraum begrenzt von einer zweiten Bipolarplatte) wird der Brennstoff, ein sogenanntes Anoden-Betriebsmedium, über ein anodenseitig offenes Flussfeld der Bipolarplatten den Anodenelektroden zugeführt, wo eine elektrochemische Oxidation von H₂ zu 2H⁺ unter einer Abgabe von Elektronen (2e^–) stattfindet (H₂ => 2H⁺ + 2e^–). Durch die Membranen beziehungsweise Elektrolyten der Membran-Elektroden-Einheiten hindurch, welche die betreffenden Reaktionsräume (Anodenraum-Kathodenraum-Paare der Einzelzellen) gasdicht voneinander trennen und elektrisch isolieren, erfolgt ein wassergebundener oder wasserfreier Transport der gebildeten Protonen (H⁺) von den Anodenelektroden ((zusammengesetzte) Anode der Brennstoffzelle) in den Anodenräumen der Einzelzellen zu den Kathodenelektroden ((zusammengesetzte) Kathode der Brennstoffzelle) in den Kathodenräumen der Einzelzellen.
Die an der Anode bereitgestellten Elektronen werden über eine elektrische Leitung und einen elektrischen Verbraucher (Elektrotraktionsmotor, Klimaanlage et ceterea) der Kathode zugeleitet. Den Kathodenelektroden der Kathode wird über ein kathodenseitig offenes Flussfeld der Bipolarplatten ein sauerstoffhaltiges Kathoden-Betriebsmedium zugeführt, wobei eine Reduktion von O₂ zu 2O^2– unter einer Aufnahme von Elektronen stattfindet (½O₂ + 2e^– => O^2–). Gleichzeitig reagieren die an den Kathodenelektroden gebildeten Sauerstoffanionen (O^2–) mit den durch die Membranen beziehungsweise Elektrolyten hindurch transportierten Protonen unter einer Bildung von Wasser (O^2– + 2H⁺ => H₂O).
Um einen Brennstoffzellenstapel, nachfolgend hauptsächlich als Brennstoffzelle bezeichnet, mit den Betriebsmedien zu versorgen, weist dieser beziehungsweise diese einerseits eine Anodenversorgung und andererseits eine Kathodenversorgung auf. Die Anodenversorgung weist einen Anoden-Versorgungspfad für ein Zuführen des Anoden-Betriebsmediums in die Anodenräume der Brennstoffzelle hinein und einen Anoden-Abgaspfad für ein Abführen eines Anoden-Abgases aus den Anodenräumen heraus auf. Analog dazu weist die Kathodenversorgung einen Kathoden-Versorgungspfad für ein Zuführen des Kathoden-Betriebsmediums in die Kathodenräume der Brennstoffzelle hinein und einen Kathoden-Abgaspfad für ein Abführen eines Kathoden-Abgases aus den Kathodenräumen heraus auf.
Für einen Betrieb des Brennstoffzellensystems ist eine Bereitstellung von Sauerstoff als Kathoden-Betriebsmedium, meistens in Form von Umgebungsluft, notwendig. Je nach einer Betriebsweise des Brennstoffzellensystems muss die Luft auf einen bestimmten Fluiddruck über dem Umgebungsluftdruck (ca. 1 bar und weniger) verdichtet und ein bestimmter Massenstrom der Luft gefördert werden. Insbesondere bei vergleichsweise hohen Luftmassen und vergleichsweise hohen Fluiddrücken ist dies nicht mehr mit einer einzelnen einstufigen Fluid-Fördereinrichtung leistbar. In derzeitigen Brennstoffzellenaggregaten ist ein elektrisch angetriebener Turbolader, ein sogenannter Elektroturbolader, eingesetzt. Der Elektroturbolader ist der größte parasitäre Verbraucher im Brennstoffzellensystem.
Ferner besitzt das Kathoden-Abgas des Brennstoffzellensystems durch sein Temperaturniveau und sein Druckniveau einen gewissen Energieinhalt, der beispielsweise mittels einer Turbine zurückgewinnbar ist. Aktuelle Systeme für Personenkraftwagen besitzen eine Leistungsklasse von 70 bis 100 kW. Dementsprechend sind Bauteile und Baugruppen für diese Leistungsklasse verfügbar. Eine Skalierung eines Brennstoffzellensystems bei Personenkraftwagen oder anderen Fahrzeugen auf Leistungen von beispielsweise 120 bis 180 kW und mehr sind derzeit nicht bekannt. Ferner sind für Brennstoffzellenaggregate nicht, wie bei anderen Motoren, wie zum Beispiel Verbrennungsmotoren, eine Vielzahl von Abgasturboladern oder Elektroturboladern und/oder Lieferanten für diese vorhanden.
Hierdurch ergeben sich signifikante Nachteile für leistungsstarke Brennstoffzellenaggregate, wie zum Beispiel vergleichsweise große und/oder vergleichsweise kostenintensive Bauteile, welche zu einem vergleichsweise großen und/oder vergleichsweise kostenintensiven Brennstoffzellensystem führen. Entsprechende Baugruppen, insbesondere Turbinen und Verdichter, für solche Brennstoffzellenaggregate sind derzeit nicht verfügbar und müssten neu entwickelt werden, wobei eine solche Baugruppe einen geringeren Wirkungsgrad in einem Teillastbereich aufweist. Ein Betrieb der Brennstoffzelle erfolgt dabei oft nicht in einem im Wesentlichen optimalen Betriebspunkt. Die Baugruppen des Brennstoffzellenaggregats müssten überdimensioniert werden und würden nur einen Bruchteil ihrer Betriebsdauern in ihren oberen Lastbereichen betrieben und voll ausgelastet. Durch eine entsprechende Größe sinken auch die Reaktionszeiten und/oder die Dynamiken dieser Baugruppen.
Die DE 10 2011 114 720 A1 lehrt eine Kathodenversorgung für eine Brennstoffzelle, mit wenigstens einer ersten Luft-Fördereinrichtung, wobei die erste Luft-Fördereinrichtung wenigstens teilweise von einem Elektromotor durch ein elektrisches Spannungsniveau der Brennstoffzelle antreibbar ist. Ferner weist die Kathodenversorgung eine zweite Luft-Fördereinrichtung auf, wobei die zweite Luft-Fördereinrichtung fluidmechanisch in Reihe zur ersten Luft-Fördereinrichtung geschaltet ist, und die zweite Luft-Fördereinrichtung durch ein elektrisches Niederspannungsniveau antreibbar ist.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, Brennstoffzellenaggregate von Brennstoffzellensystemen unterschiedlicher Leistungsklassen zu skalieren, wobei Synergieeffekte analog zu derzeit handelsüblichen Komponenten zum Beispiel für Verbrennungsmotoren genutzt werden sollen.
Hierbei soll eine Überdimensionierung von entsprechenden neu anzuwendenden und/oder bereits vorhandenen Baugruppen, insbesondere von einer Turbine und/oder einem Verdichter, vermieden sein. Ferner soll das erfindungsgemäße Brennstoffzellenaggregat einen vergleichsweise guten Wirkungsgrad besitzen und vergleichsweise oft in einem im Wesentlichen optimalen Betriebspunkt betrieben werden können.
Die Aufgabe der Erfindung ist mittels einer Kathodenversorgung für eine Brennstoffzelle eines Brennstoffzellenaggregats für ein Brennstoffzellensystem, ein Brennstoffzellenaggregat für ein Fahrzeug, ein Brennstoffzellensystem für ein Fahrzeug, und/oder ein Fahrzeug, insbesondere ein Elektrofahrzeug, gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen, zusätzliche Merkmale und/oder Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen und der folgenden Beschreibung.
Die erfindungsgemäße Kathodenversorgung umfasst einen Kathoden-Versorgungspfad und einen Kathoden-Abgaspfad, wobei in den Kathoden-Versorgungspfad wenigstens zwei Fluid-Fördereinrichtungen zur Förderung eines Kathoden-Betriebsmediums für die Brennstoffzelle fluidmechanisch eingekoppelt sind, und wenigstens eine erste Fluid-Fördereinrichtung der wenigstens zwei Fluid-Fördereinrichtungen lediglich aufgrund einer in einem Kathoden-Abgas der Brennstoffzelle befindlichen Enthalpie antreibbar ist. Die jeweilige Fluid-Fördereinrichtung dient dabei einer Erhöhung eines Fluiddrucks des Kathoden-Betriebsmediums und/oder einer Erhöhung eines Massenstroms des Kathoden-Betriebsmediums.
Die erste Fluid-Fördereinrichtung ist ausschließlich fluidmechanisch durch das Kathoden-Abgas antreibbar, da die Brennstoffzelle aufgrund ihres Temperaturniveaus und ihres Druckniveaus im Kathoden-Abgas einen entsprechenden Energieinhalt beziehungsweise eine entsprechende Enthalpie besitzt, der beziehungsweise die gemäß der Erfindung zurückgewinnbar ist. Die betreffende Fluid-Fördereinrichtung ist in Ausführungsbespielen als ein Verdichter, ein Kathodenverdichter, ein Kompressor, eine Pumpe et cetera ausgebildet. Gemäß der Erfindung ergibt sich eine einfache Skalierbarkeit eines Brennstoffzellenaggregats beziehungsweise eines Brennstoffzellensystems.
In Ausführungsbeispielen ist wenigstens eine zweite Fluid-Fördereinrichtung der wenigstens zwei Fluid-Fördereinrichtungen von einem Elektromotor antreibbar, wobei die zweite Fluid-Fördereinrichtung ausschließlich von dem Elektromotor oder von dem Elektromotor und zusätzlich mittels einer Turbine, insbesondere einer Kathodenturbine, antreibbar ist. Das heißt, die zweite Fluid-Fördereinrichtung ist elektromechanisch und gegebenenfalls zusätzlich mittels eines Abgases, insbesondere des Kathoden-Abgases, fluidmechanisch antreibbar. In Ausführungsbeispielen weist die Kathodenversorgung einen Abgasturbolader und einen Elektroturbolader auf, wobei der Abgasturbolader die erste Fluid-Fördereinrichtung und der Elektroturbolader die zweite Fluid-Fördereinrichtung aufweist.
In Ausführungsbeispielen ist die erste Fluid-Fördereinrichtung als ein erster Kathodenverdichter des Abgasturboladers ausgebildet, wobei der erste Kathodenverdichter bevorzugt von einer Kathodenturbine des Abgasturboladers antreibbar ist und die Kathodenturbine in den Kathoden-Abgaspfad fluidmechanisch eingekoppelt ist. Hierbei ist wiederum der erste Kathodenverdichter des Abgasturboladers in den Kathoden-Versorgungspfad fluidmechanisch eingekoppelt. Die Kathodenturbine kann als eine Kathodenturbine mit variabler Turbinengeometrie ausgebildet sein. Ferner können der erste Kathodenverdichter und die Kathodenturbine des Abgasturboladers über eine gemeinsame Welle oder über ein Getriebe miteinander rotatorisch, also mechanisch, gekoppelt sein.
In Ausführungsbeispielen sind zwei Fluid-Fördereinrichtungen der wenigstens zwei Fluid-Fördereinrichtungen fluidmechanisch in Reihe oder parallel geschaltet. Sind zum Beispiel drei Fluid-Fördereinrichtungen vorgesehen, so sind die drei Fluid-Fördereinrichtungen in Ausführungsbeispielen parallel oder in Reihe geschaltet. In anderen Ausführungsbeispielen sind zwei der drei Fluid-Fördereinrichtungen parallel geschaltet, wobei diesen beiden Fluid-Fördereinrichtungen eine dritte Fluid-Fördereinrichtung in Reihe geschaltet ist. Ferner sind in Ausführungsbeispielen zwei der drei Fluid-Fördereinrichtungen in Reihe geschaltet, wobei diesen beiden Fluid-Fördereinrichtungen gegenüber eine dritte Fluid-Fördereinrichtung parallel geschaltet ist. Dies kann natürlich auf eine Vielzahl von Fluid-Fördereinrichtungen analog angewendet werden.
In Ausführungsbeispielen ist die erste Fluid-Fördereinrichtung stromabwärts eines Luftfilters, eines Wastegates, der zweiten Fluid-Fördereinrichtung, eines Befeuchters und/oder eines Ladeluftkühlers in den Kathoden-Versorgungspfad fluidmechanisch eingekoppelt. Hierbei kann die erste Fluid-Fördereinrichtung stromaufwärts des Wastegates, der zweiten Fluid-Fördereinrichtung, des Befeuchters und/oder des Ladeluftkühlers in den Kathoden-Versorgungspfad fluidmechanisch eingekoppelt sein. In Ausführungsbeispielen ist die Kathodenturbine stromaufwärts oder stromabwärts des Befeuchters und/oder des Wastegates in den Kathoden-Abgaspfad fluidmechanisch eingekoppelt.
In Ausführungsbeispielen ist die zweite Fluid-Fördereinrichtung stromabwärts des Luftfilters, des Wastegates, der ersten Fluid-Fördereinrichtung, des Befeuchters und/oder des Ladeluftkühlers in den Kathoden-Versorgungspfad fluidmechanisch eingekoppelt. Hierbei kann die zweite Fluid-Fördereinrichtung stromaufwärts des Wastegates, der ersten Fluid-Fördereinrichtung, des Befeuchters und/oder des Ladeluftkühlers in den Kathoden-Versorgungspfad fluidmechanisch eingekoppelt sein.
Ferner ist in Ausführungsbeispielen die zweite Fluid-Fördereinrichtung stromabwärts der ersten Fluid-Fördereinrichtung in den Kathoden-Versorgungspfad fluidmechanisch eingekoppelt, wobei die erste Fluid-Fördereinrichtung bevorzugt stromaufwärts und die zweite Fluid-Fördereinrichtung bevorzugt stromabwärts des Befeuchters in den Kathoden-Versorgungspfad fluidmechanisch eingekoppelt sind, und die zweite Fluid-Fördereinrichtung insbesondere stromaufwärts des Ladeluftkühlers vorgesehen ist.
Gemäß weiterer Ausführungsbeispiele ist der Luftfilter zwischen der ersten und der zweiten Fluid-Fördereinrichtung fluidmechanisch in den Kathoden-Versorgungspfad eingekoppelt, vorzugsweise stromab des Ladeluftkühlers und des Wastegates und stromauf des Befeuchters.
Gemäß der Erfindung ergibt sich in Ausführungsbeispielen eine Reduzierung einer Bauteilgröße und/oder einer Baugruppengröße von Systemkomponenten, wie zum Beispiel dem Befeuchter und/oder dem Ladeluftkühler, und dadurch eine Reduzierung eines notwendigen Bauraums für das Brennstoffzellenaggregat. Ferner kann sich eine Verwendung von Standard-Bauteilen beziehungsweise bereits auf dem Markt erhältlichen Bauteilen ergeben, was Kosten einspart. Darüber hinaus führt ein Anwenden von Gleichteilen zu einer Erhöhung einer Stückzahl einer Verwendung des betreffenden Bauteils und wiederum zu einer Reduzierung der Kosten.
Gemäß der Erfindung ergibt sich in Ausführungsbeispielen eine Steigerung eines Wirkungsgrads des Brennstoffzellenaggregats, insbesondere in einem Teillastbereich, durch bessere Auslegungsmöglichkeiten des Brennstoffzellenaggregats, insbesondere des Elektroturboladers. Eine Reduzierung einer Dynamik des Elektroturboladers ist möglich und dadurch auch eine Reduzierung von Spannungsspitzen und/oder Stromspitzen in einem elektrischen Traktionsnetz des Brennstoffzellensystems. Dementsprechend sind auch eine Auslegung und eine Einstellung einer Leistungselektronik des Elektroturboladers einfacher. Darüber hinaus ergibt sich eine erhöhte Flexibilität bei einer fluidmechanischen Verschaltung des Brennstoffzellenaggregats.
Die Erfindung ist im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügte schematische Zeichnung näher erläutert. Elemente, Bauteile oder Komponenten, welche eine identische, univoke oder analoge Ausbildung und/oder Funktion besitzen, sind in der Figurenbeschreibung, der Bezugszeichenliste und den Patentansprüchen mit denselben Bezugszeichen versehen und/oder in den Figuren der Zeichnung mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet. Mögliche, in der Beschreibung nicht erläuterte, in der Zeichnung nicht dargestellte und/oder nicht abschließende Alternativen, statische und/oder kinematische Umkehrungen, Kombinationen et cetera zu den erläuterten Ausführungsbeispielen der Erfindung beziehungsweise einzelnen Baugruppen, Teilen oder Abschnitten davon, können der Bezugszeichenliste entnommen werden.
Sämtliche erläuterten Merkmale, auch die der Bezugszeichenliste, sind nicht nur in der angegebenen Kombination beziehungsweise den angegebenen Kombinationen, sondern auch in einer anderen Kombination beziehungsweise anderen Kombinationen oder in Alleinstellung anwendbar. Insbesondere ist es möglich, anhand der Bezugszeichen und den diesen zugeordneten Merkmalen in der Beschreibung der Erfindung, der Figurenbeschreibung und/oder der Bezugszeichenliste, ein Merkmal oder eine Mehrzahl von Merkmalen in der Beschreibung der Erfindung und/oder der Figurenbeschreibung zu ersetzen. Ferner kann dadurch ein Merkmal oder können eine Mehrzahl von Merkmalen in den Patentansprüchen ausgelegt, näher spezifiziert und/oder substituiert werden. In den Figuren der Zeichnung zeigen:
1 ein vereinfachtes Blockschaltbild einer bevorzugten Ausführungsform eines Brennstoffzellenaggregats eines Brennstoffzellensystems gemäß der Erfindung;
2 ein stark vereinfachtes Blockschaltbild einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kathodenversorgung des Brennstoffzellenaggregats mit einer erfindungsgemäßen Anordnung eines Abgasturboladers;
3 ein stark vereinfachtes Blockschaltbild einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kathodenversorgung mit einer erfindungsgemäßen Anordnung des Abgasturboladers;
4 ein stark vereinfachtes Blockschaltbild einer dritten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kathodenversorgung mit einer erfindungsgemäßen Anordnung des Abgasturboladers;
5 ein stark vereinfachtes Blockschaltbild einer vierten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kathodenversorgung mit einer erfindungsgemäßen Anordnung des Abgasturboladers; und
6 ein stark vereinfachtes Blockschaltbild einer fünften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kathodenversorgung mit einer erfindungsgemäßen Anordnung des Abgasturboladers.
Die Erfindung ist anhand von fünf Ausführungsformen einer Kathodenversorgung 30 für eine Brennstoffzelle 10 eines Brennstoffzellenaggregats 1 für ein Fahrzeug (Personenkraftwagen, Personentransportwagen, Bus, ATV (englisch für All Terrain Vehicle), Kraftrad, Nutzfahrzeug, (Schwerst-)Lastkraftwagen, Baufahrzeug, Baumaschine, Sonderfahrzeug, Schienenfahrzeug) näher erläutert. Die Erfindung ist jedoch nicht auf die nachfolgend erläuterten Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern ist von grundlegenderer Natur, sodass sie zum Beispiel auf ein anderes Brennstoffzellenaggregat, beispielsweise eines Transportsystems oder eines anderen Verkehrsmittels, wie ein Flugzeug, oder auch auf transportable oder stationäre Brennstoffzellenaggregate angewendet werden kann.
In der Zeichnung sind nur diejenigen Abschnitte des Brennstoffzellenaggregats 1 dargestellt, welche für ein Verständnis der Erfindung notwendig sind. Insbesondere ist auf eine Darstellung einer Peripherie des Brennstoffzellenaggregats 1, von Sensoren, elektronischer, elektrischer und leistungselektrischer Vorrichtungen und/oder Einrichtungen et cetera weitgehend verzichtet worden. Obwohl die Erfindung im Detail durch bevorzugte Ausführungsbeispiele näher beschrieben und illustriert ist, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Ausführungsbeispiele eingeschränkt. Andere Variationen können hieraus abgeleitet werden ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
Die 1 zeigt ein Brennstoffzellenaggregat 1 eines Brennstoffzellensystems gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung. Das Brennstoffzellenaggregat 1 ist bevorzugt Teil des nicht weiter dargestellten Fahrzeugs, insbesondere eines Kraftfahrzeugs oder eines Elektrofahrzeugs, welches bevorzugt einen Elektrotraktionsmotor aufweist, das beziehungsweise welcher durch eine Brennstoffzelle 10 des Brennstoffzellenaggregats 1 mit elektrischer Energie versorgbar ist. Das Brennstoffzellensystem unterscheidet sich vom Brennstoffzellenaggregat 1 insbesondere durch nicht dargestellte leistungselektrische, elektrische und elektronische Vorrichtungen und/oder Einrichtungen (Wandler, Batterie, Wechselrichter et cetera), ein Motorsteuergerät (englisch ECU für Engine Control Unit) et cetera, welche das Brennstoffzellenaggregat 1 nicht mitumfasst.
Das Brennstoffzellenaggregat 1 umfasst als eine Kernkomponente die Brennstoffzelle 10 beziehungsweise einen Brennstoffzellenstapel 10, die beziehungsweise welcher bevorzugt eine Vielzahl von in Stapelform angeordneten Einzel-Brennstoffzellen 11, nachfolgend als Einzelzellen 11 bezeichnet, aufweist und in einem bevorzugt fluiddichten Stapelgehäuse 16 untergebracht ist. Jede Einzelzelle 11 umfasst einen Anodenraum 12 und einen Kathodenraum 13, wobei der Anodenraum 12 und der Kathodenraum 13 von einer Membran (Teil einer Membran-Elektroden-Einheit 14, siehe unten), bevorzugt einer ionenleitfähigen Polymerelektrolyt-Membran, räumlich und elektrisch voneinander getrennt sind (siehe Detailausschnitt). Der Brennstoffzellenstapel 10 ist auch einfach als Brennstoffzelle 10 bezeichnet.
Die Anodenräume 12 und die Kathodenräume 13 der Brennstoffzelle 10 weisen flächig begrenzend an den Membranen jeweils eine katalytische Elektrode (Teil der betreffenden Membran-Elektroden-Einheit 14, siehe im Folgenden), das heißt eine Anodenelektrode und eine Kathodenelektrode, auf, welche jeweils eine Teilreaktion einer Brennstoffzellen-Umsetzung katalysieren. Die Anodenelektrode und die Kathodenelektrode weisen jeweils ein katalytisches Material, beispielsweise Platin, auf, welches bevorzugt auf einem elektrisch leitfähigen Trägermaterial mit einer vergleichsweise großen spezifischen Oberfläche, beispielsweise einem kohlenstoffbasierten Material, geträgert vorliegt.
Ein Gefüge aus einer Membran und den dazugehörigen Elektroden wird auch als Membran-Elektroden-Einheit 14 bezeichnet. Zwischen zwei solchen Membran-Elektroden-Einheiten 14 (in der 1 ist lediglich eine einzelne Membran-Elektroden-Einheit 14 angedeutet) ist ferner eine Bipolarplatte 15 angeordnet (in der 1 wiederum lediglich angedeutet), welche einer Zuführung von Betriebsmedien 3, 5 in einen betreffenden Anodenraum 12 einer ersten Einzelzelle 11 und einen betreffenden Kathodenraum 13 einer direkt dazu benachbarten zweiten Einzelzelle 11 dient und welche darüber hinaus eine elektrisch leitende Verbindung zwischen den zwei direkt zueinander benachbarten Einzelzellen 11 realisiert.
Zwischen einer Bipolarplatte 15 und einer direkt dazu benachbarten Anodenelektrode einer Membran-Elektroden-Einheit 14 ist ein Anodenraum 12 und zwischen einer Kathodenelektrode derselben Membran-Elektroden-Einheit 14 und einer direkt dazu benachbarten zweiten Bipolarplatte 15 ist ein Kathodenraum 13 einer Einzelzelle 11 (Anodenraum-Kathodenraum-Paar 12/13) ausgebildet. Optional können Gasdiffusionslagen zwischen den Membran-Elektroden-Einheiten 14 und den Bipolarplatten 15 angeordnet sein. In der Brennstoffzelle 10 beziehungsweise im Brennstoffzellenstapel 10 sind also Membran-Elektroden-Einheiten 14 und Bipolarplatten 15 abwechselnd angeordnet beziehungsweise gestapelt (Brennstoffzellenstapel 10).
Zur Versorgung der Brennstoffzelle 10 beziehungsweise des Brennstoffzellenstapels 10 mit den Betriebsmedien 3, 5 weist das Brennstoffzellenaggregat 1 beziehungsweise das Brennstoffzellensystem einerseits eine Anodenversorgung 20 und andererseits eine Kathodenversorgung 30 auf.
Die Anodenversorgung 20 umfasst einen Anoden-Versorgungspfad 21, welcher einer Zuführung eines Anoden-Betriebsmediums 3, einem Brennstoff 3, beispielsweise Wasserstoff 3 oder einem wasserstoffhaltigen Gasgemisch 3, in die Anodenräume 12 der Brennstoffzelle 10 dient. Zu diesem Zweck verbindet der Anoden-Versorgungspfad 21 einen Brennstoffspeicher 23 oder Brennstofftank 23 mit einem Anodeneingang der Brennstoffzelle 10. Die Anodenversorgung 20 umfasst ferner einen Anoden-Abgaspfad 22, welcher ein Anoden-Abgas 4 aus den Anodenräumen 12 durch einen Anodenausgang der Brennstoffzelle 10 abführt. Ein aufgebauter Anoden-Betriebsdruck auf einer Anodenseite der Brennstoffzelle 10 ist bevorzugt mittels eines Stellmittels 24 im Anoden-Versorgungspfad 21 einstellbar.
Darüber hinaus weist die Anodenversorgung 20 bevorzugt eine Brennstoff-Rezirkulationsleitung 25 auf, welche den Anoden-Abgaspfad 22 mit dem Anoden-Versorgungspfad 21 fluidmechanisch verbindet. Eine Rezirkulation des Anoden-Betriebsmediums 3, also dem eigentlich bevorzugt zu tankenden Brennstoff 3, ist oft eingerichtet, um das zumeist überstöchiometrisch eingesetzte Anoden-Betriebsmedium 3 der Brennstoffzelle 10 zurückzuführen und zu nutzen. Ferner kann an/in der Brennstoff-Rezirkulationsleitung 25 ein Verdichter vorgesehen sein (nicht dargestellt).
Die Kathodenversorgung 30 umfasst einen Kathoden-Versorgungspfad 31, welcher den Kathodenräumen 13 der Brennstoffzelle 10 ein Kathoden-Betriebsmedium 5 beispielsweise Sauerstoff 5 oder ein sauerstoffhaltiges Gasgemisch 5, bevorzugt Luft 5, zuführt, welche insbesondere aus der Umgebung 2 ansaugbar ist. Die Kathodenversorgung 30 umfasst ferner einen Kathoden-Abgaspfad 32, welcher ein Kathoden-Abgas 6, insbesondere eine Abluft 6, aus den Kathodenräumen 13 der Brennstoffzelle 10 abführt und dieses beziehungsweise diese einer gegebenenfalls vorgesehenen Abgaseinrichtung (nicht dargestellt) zuführt.
Für eine Förderung und Verdichtung des Kathoden-Betriebsmediums 5 sind am/im Kathoden-Versorgungspfad 31 wenigstens zwei Fluid-Fördereinrichtungen 33, 133 beziehungsweise Luft-Fördereinrichtungen 33, 133 vorgesehen beziehungsweise angeordnet, das heißt fluidmechanisch in den Kathoden-Versorgungspfad 31 eingekoppelt. Hierbei kommen für einen Primärantrieb zweier Fluid-Fördereinrichtungen 33, 133 der wenigstens zwei Fluid-Fördereinrichtungen 33, 133 unterschiedliche Antriebsprinzipien, insbesondere ein fluidmechanisches und ein elektromechanisches Antriebsprinzip, zur Anwendung. Siehe hierzu auch die 2 bis 6.
Gemäß der Erfindung ist eine erste Fluid-Fördereinrichtung 133 ausschließlich von einer im Kathoden-Abgas 6 befindlichen Energie beziehungsweise Enthalpie, das heißt ausschließlich fluidmechanisch antreibbar. Das heißt auch, dass die erste Fluid-Fördereinrichtung 133 lediglich einen einzigen Antrieb, nämlich den Primärantrieb aufweist. Ein zusätzlicher elektromechanischer (Elektromotor) oder anderweitiger Antrieb ist gemäß der Erfindung für die erste Fluid-Fördereinrichtung 133 ausdrücklich nicht vorgesehen. In Ausführungsbeispielen ist eine einzige erste Fluid-Fördereinrichtung 133 oder in Ausführungsbeispielen sind eine Mehrzahl oder eine Vielzahl solcher ersten Fluid-Fördereinrichtungen 133 in den Kathoden-Versorgungspfad 31 fluidmechanisch eingekoppelt.
In Ausführungsbeispielen ist die erste Fluid-Fördereinrichtung 133 als ein Kathodenverdichter 133 eines Abgasturboladers 100 (nur in den 2 bis 6 eingezeichnet) ausgebildet. Hierbei ist der Kathodenverdichter 133 zum Beispiel von einer Kathodenturbine 134 (Primärantrieb als einziger Antrieb) mit gegebenenfalls variabler Turbinengeometrie antreibbar, wobei der Kathodenverdichter 133 mit einer gemeinsamen Welle oder über ein Getriebe mit der Kathodenturbine 134 mechanisch verbunden ist. Der Kathodenverdichter 133 und die Kathodenturbine 134 konstituieren dabei den Abgasturbolader 100. Hierbei können unterschiedliche Verdichtertechnologien, beispielsweise ein Abgasturbolader 100 in Form eines Turboladers mit einem Schraubenverdichter et cetera, zur Anwendung kommen. Ferner kann die erste Fluid-Fördereinrichtung 133 auch als ein fluidmechanisch angetriebener Kompressor 133, eine fluidmechanisch angetriebene Pumpe 133 et cetera ausgebildet sein.
Gemäß der Erfindung ist eine zweite Fluid-Fördereinrichtung 33 von einem Elektromotor 34, das heißt elektromechanisch antreibbar, wobei die zweite Fluid-Fördereinrichtung 33 in Ausführungsbeispielen ausschließlich elektromotorisch (einziger Antrieb als Primärantrieb) antreibbar ist. Bevorzugt ist der Elektromotor 34 dabei mit einer Leistungselektronik 35 ausgestattet. In Ausführungsbeispielen ist die zweite Fluid-Fördereinrichtung 33 zusätzlich zum elektromotorischen Antrieb 34 analog zur ersten Fluid-Fördereinrichtung 133 von einer im Kathoden-Abgas 6 befindlichen Energie beziehungsweise Enthalpie, das heißt fluidmechanisch (zusätzlicher Antrieb als Sekundärantrieb), antreibbar. In Ausführungsbeispielen ist eine einzige zweite Fluid-Fördereinrichtung 33 oder in Ausführungsbeispielen sind eine Mehrzahl oder eine Vielzahl solcher zweiten Fluid-Fördereinrichtungen 33 in den Kathoden-Versorgungspfad 31 fluidmechanisch eingekoppelt.
In Ausführungsbeispielen ist die zweite Fluid-Fördereinrichtung 33 als ein Kathodenverdichter 33 eines Elektroturboladers 50 (nur in den 2 bis 6 eingezeichnet) ausgebildet. Hierbei kann zwischen dem Elektromotor 34 (als gegebenenfalls einzigen Antrieb als Primärantrieb) und der zweiten Fluid-Fördereinrichtung 33 eine gemeinsame Welle oder ein Getriebe zur Kraftübertragung eingerichtet sein. Der Kathodenverdichter 33 und der Elektromotor 34 konstituieren dabei den Elektroturbolader 50 (E-Booster 50). In Ausführungsbeispielen ist die zweite Fluid-Fördereinrichtung 33 zusätzlich mittels einer im Kathoden-Abgaspfad 32 angeordneten zweiten Kathodenturbine (Sekundärantrieb, in der Zeichnung nicht dargestellt) mit gegebenenfalls variabler Turbinengeometrie, unterstützend über eine gemeinsame Welle oder ein Getriebe antreibbar. Ferner kann die zweite Fluid-Fördereinrichtung 33 auch als ein elektromechanisch angetriebener Kompressor 33, eine elektromechanisch angetriebene Pumpe 33 et cetera ausgebildet sein.
Die Kathodenversorgung 30 kann gemäß der dargestellten Ausführungsform ein Wastegate 37 beziehungsweise eine Wastegate-Leitung 37 aufweisen, welches beziehungsweise welche den Kathoden-Versorgungspfad 31 beziehungsweise eine Kathoden-Versorgungsleitung mit dem Kathoden-Abgaspfad 32 beziehungsweise einer Kathoden-Abgasleitung verbindet, also einen kathodenseitigen Bypass für die Brennstoffzelle 10 darstellt. Das Wastegate 37 erlaubt es, einen Betriebsdruck des Kathoden-Betriebsmediums 5 kurzfristig in der Brennstoffzelle 10 zu reduzieren, ohne die betreffende Fluid-Fördereinrichtung 33, 133 herunterzufahren. Ein im Wastegate 37 angeordnetes Stellmittel 38 erlaubt eine Einstellung eines Volumenstroms des die Brennstoffzelle 10 gegebenenfalls umgehenden Kathoden-Betriebsmediums 5.
Sämtliche Stellmittel 24, 26, 38 des Brennstoffzellenaggregats 1 können als regelbare, steuerbare oder nicht regelbare Ventile, Klappen, Drosseln, Blenden et cetera ausgebildet sein. Für eine Isolierung der Brennstoffzelle 10 von der Umgebung 2 oder eine anderweitige Aufgabe kann wenigstens ein weiteres entsprechendes Stellmittel (nicht dargestellt) in der Anodenversorgung 20 und/oder der Kathodenversorgung 30, zum Beispiel an/in einem Anoden-Pfad 21, 22 beziehungsweise einer Leitung des Anoden-Pfads 21, 22, und/oder an/in einem Kathoden-Pfad 31, 32 beziehungsweise einer Leitung des Kathoden-Pfads 31, 32 angeordnet sein.
Das Brennstoffzellenaggregat 1 weist ferner bevorzugt einen Befeuchter 39 auf. Der Befeuchter 39 ist einerseits derart im Kathoden-Versorgungspfad 31 angeordnet, dass er vom Kathoden-Betriebsmedium 5 durchströmbar ist. Andererseits ist der Befeuchter 39 derart im Kathoden-Abgaspfad 32 angeordnet, dass er vom Kathoden-Abgas 6 durchströmbar ist. Der Befeuchter 39 ist dabei im Kathoden-Versorgungspfad 31 bevorzugt zwischen der ersten Fluid-Fördereinrichtung 133 oder der zweiten Fluid-Fördereinrichtung 33 (siehe wiederum die 2 bis 6) und einem Kathodeneingang der Brennstoffzelle 10, und im Kathoden-Abgaspfad 32 zwischen einem Kathodenausgang der Brennstoffzelle 10 und der im Kathoden-Abgaspfad 32 vorgesehenen Kathodenturbine 134 angeordnet. Ein Feuchteüberträger (nicht dargestellt) des Befeuchters 39 weist bevorzugt eine Mehrzahl von Membranen auf, die oft entweder flächig oder in Form von Hohlfasern, gegebenenfalls als ein Hohlfaserkörper, ausgebildet sind.
Verschiedene weitere Einzelheiten des Brennstoffzellensystems beziehungsweise des Brennstoffzellenaggregats 1 beziehungsweise der Brennstoffzelle 10 / des Brennstoffzellenstapels 10, der Anodenversorgung 20 und/oder der Kathodenversorgung 30 sind in der 1 aus Gründen einer Übersichtlichkeit nicht dargestellt. So kann der Befeuchter 39 seitens des Kathoden-Versorgungspfads 31 und/oder seitens des Kathoden-Abgaspfads 32 mittels einer Bypassleitung umgangen werden (Stellmittel). Es kann ferner eine Turbinen-Bypassleitung seitens des Kathoden-Abgaspfads 32 vorgesehen sein, welche die Kathodenturbine 134 umgeht (Stellmittel).
Des Weiteren kann im Anoden-Abgaspfad 22 und/oder im Kathoden-Abgaspfad 32 ein Wasserabscheider verbaut sein, mittels welchem ein aus der betreffenden Teilreaktion der Brennstoffzelle 10 entstehendes Produktwasser kondensierbar und/oder abscheidebar und gegebenenfalls in einen Wassersammler zum Speichern ableitbar ist. Des Weiteren kann die Anodenversorgung 20 alternativ oder zusätzlich einen zur Kathodenversorgung 30 analogen Befeuchter 39 aufweisen. Ferner kann der Anoden-Abgaspfad 22 in den Kathoden-Abgaspfad 32 beziehungsweise vice versa münden, wobei das Anoden-Abgas 4 und das Kathoden-Abgas 6 gegebenenfalls über die gemeinsame Abgaseinrichtung abgeführt werden können. Darüber hinaus kann in Ausführungsbeispielen das Kathoden-Betriebsmedium 5 einen am/im Kathoden-Versorgungspfad 31 vorgesehenen Ladeluftkühler 40 (siehe die 2 bis 6) durchströmen.
Um dem Nachteil entgegenzuwirken, dass bei einem Einsatz einer Mehrzahl oder einer Vielzahl von Fluid-Fördereinrichtungen für das Kathoden-Betriebsmedium 5, die Mehrzahl oder die Vielzahl der Fluid-Fördereinrichtungen mittels Elektromotoren antreibbar sind, ist gemäß der Erfindung wenigstens eine dieser Fluid-Fördereinrichtungen, oben und nachfolgend als die erste Fluid-Fördereinrichtung 133 bezeichnet, derart ausgebildet, dass diese, wie oben erläutert, ausschließlich durch eine aus dem Kathoden-Abgas 6 zurückgewinnbare Energie antreibbar ist. Somit benötigt diese erste Fluid-Fördereinrichtung 133 keinen zusätzlichen elektromotorischen Antrieb, das heißt keine elektrische Energie zum Beispiel aus dem Brennstoffzellenaggregat 1.
Diese erste Fluid-Fördereinrichtung 133 kann an unterschiedlichen Stellen des Brennstoffzellenaggregats 1 eingesetzt werden. So kann die erste Fluid-Fördereinrichtung 133 beispielsweise stromaufwärts des Befeuchters 39 und des Ladeluftkühlers 40 (siehe die 5 und 6) in den Kathoden-Versorgungspfad 31 fluidmechanisch eingekoppelt sein, um ein Temperaturniveau des Kathoden-Betriebsmediums 5 nur mäßig anzuheben, oder gegebenenfalls dazwischen (siehe die 4) oder stromabwärts (siehe die 2 und 3) von beiden. Ferner ist in Ausführungsbeispielen die erste Fluid-Fördereinrichtung 133 fluidmechanisch parallel zu einer weiteren Fluid-Fördereinrichtung geschaltet (siehe die 6), um einen Massenstrom des Kathoden-Betriebsmediums 5 anzuheben.
Bei der in der 2 gezeigten ersten Ausführungsform sind, ausgehend von einem mit der Umgebung 2 in Fluidkommunikation stehenden Luftfilter beziehungsweise Luftfilterkasten (beides nicht dargestellt) und in einer Fluidflussrichtung des Kathoden-Betriebsmediums 5 (siehe Pfeile im Kathoden-Versorgungspfad 31) betrachtet, zunächst die zweite Fluid-Fördereinrichtung 33, dann das Wastegate 37, der Ladeluftkühler 40, der Befeuchter 39, die erste Fluid-Fördereinrichtung 133 und die Brennstoffzelle 10 fluidmechanisch in Reihe geschaltet. Hierbei sind, ausgehend von der Brennstoffzelle 10 und in einer Fluidflussrichtung des Kathoden-Abgases 6 (siehe Pfeile im Kathoden-Abgaspfad 32) betrachtet, zunächst der Befeuchter 39 und dann die Kathodenturbine 134 fluidmechanisch in Reihe geschaltet, wobei das Wastegate 37 zwischen dem Befeuchter 39 und der Kathodenturbine 134 oder stromabwärts der Kathodenturbine 134 (gestrichelt dargestellt) in den Kathoden-Abgaspfad 32 münden kann.
Die in der 3 gezeigte zweite Ausführungsform ist im Wesentlichen wie die erste Ausführungsform aufgebaut, wobei jedoch der Ladeluftkühler 40 stromabwärts des Befeuchters 39 und stromaufwärts der ersten Fluid-Fördereinrichtung 133 fluidmechanisch in den Kathoden-Versorgungspfad 31 eingekoppelt ist. Die in der 4 gezeigte dritte Ausführungsform ist im Wesentlichen wie die erste Ausführungsform aufgebaut, wobei jedoch der Ladeluftkühler 40 stromabwärts der ersten Fluid-Fördereinrichtung 133 und stromaufwärts der Brennstoffzelle 10 fluidmechanisch in den Kathoden-Versorgungspfad 31 eingekoppelt ist.
Bei der in der 5 gezeigten, bevorzugten vierten Ausführungsform sind, wiederum ausgehend vom Luftfilterkasten und in einer Fluidflussrichtung des Kathoden-Betriebsmediums 5 (siehe Pfeile im Kathoden-Versorgungspfad 31) betrachtet, zunächst die erste Fluid-Fördereinrichtung 133, dann das Wastegate 37, der Befeuchter 39, die zweite Fluid-Fördereinrichtung 33, der Ladeluftkühler 40 und die Brennstoffzelle 10 fluidmechanisch in Reihe geschaltet. Hierbei sind, ausgehend von der Brennstoffzelle 10 und in einer Fluidflussrichtung des Kathoden-Abgases 6 (siehe Pfeile im Kathoden-Abgaspfad 32) betrachtet, zunächst der Befeuchter 39 und dann die Kathodenturbine 134 fluidmechanisch in Reihe geschaltet, wobei das Wastegate 37 zwischen dem Befeuchter 39 und der Kathodenturbine 134 oder stromabwärts (nicht dargestellt) der Kathodenturbine 134 in den Kathoden-Abgaspfad 32 münden kann.
Die 6 zeigt eine zur 5 analoge fünfte Ausführungsform, wobei die zweite Fluid-Fördereinrichtung 33 fluidmechanisch nicht mehr in Reihe zur ersten Fluid-Fördereinrichtung 133 geschaltet ist, sondern fluidmechanisch parallel dazu. In Ausführungsbeispielen ist mittels eines Bypasspfads, zum Beispiel einer Bypassleitung, in welche die zweite Fluid-Fördereinrichtung 33 fluidmechanisch eingekoppelt ist, die erste Fluid-Fördereinrichtung 133 (siehe die 6) fluidmechanisch überbrückbar, wobei die erste Fluid-Fördereinrichtung 133 am/im Kathoden-Versorgungspfad 31 vorgesehen ist. Dies kann natürlich umgekehrt ausgebildet sein, also die erste Fluid-Fördereinrichtung 133 am/im Bypasspfad und die zweite Fluid-Fördereinrichtung 33 am/im Kathoden-Versorgungspfad 31 vorzusehen. Auch eine fluidmechanische Gleichberechtigung der beiden Fluid-Fördereinrichtungen 33, 133, zum Beispiel mittels zwei T-Verzweigungsstücken oder zwei Y-Verzweigungsstücken (beides nicht dargestellt) im Kathoden-Versorgungspfad 31 ist anwendbar.
Natürlich sind andere Ausführungsbeispiele anwendbar, wobei zum Beispiel eine Mehrzahl von Abgasturboladern und/oder eine Mehrzahl von Elektroturboladern angewendet sein können. In Ausführungsbeispielen ist ein weiterer Abgasturbolader wie ein oben erläuterter Abgasturbolader 100 ausgebildet. Ferner ist in Ausführungsbeispielen ein weiterer Elektroturbolader wie ein oben erläuterter Elektroturbolader 50 ausgebildet. Ferner ist zum Beispiel in Ausführungsbeispielen der Ladeluftkühler 40 weggelassen. Darüber hinaus ist eine andere Position des Wastegates 37 beziehungsweise einer Mündung des Wastegates 37 am/im Kathoden-Versorgungspfad 31 und/oder am/im Kathoden-Abgaspfad 32 möglich.
Gemäß der Erfindung erfolgt ein Einsatz von zwei oder einer Vielzahl von parallel und/oder in Reihe angeordneten Fluid-Fördereinrichtungen 33, 133 für das Kathoden-Betriebsmedium 5. Hierbei ist wenigstens eine der Fluid-Fördereinrichtungen 33, 133, hier als die erste Fluid-Fördereinrichtung 133 bezeichnet, nur durch eine im Kathoden-Abgas 6 der Brennstoffzelle 10 befindliche Enthalpie antreibbar. Dies erfolgt zum Beispiel mittels des Abgasturboladers 100, der die erste Fluid-Fördereinrichtung 133 aufweist, wobei in Ausführungsbeispielen eine Mehrzahl solcher Abgasturbolader 100 im Brennstoffzellenaggregat 1 eingerichtet sind. Bevorzugt ist der Elektroturbolader 50 mit dem Abgasturbolader 100 in Reihe (siehe die 1 bis 5) und/oder parallel (siehe die 6) geschaltet. Gemäß der Erfindung ergibt sich eine zwei oder mehrstufige Verdichtung im Kathoden-Versorgungspfad 31.
Bezugszeichenliste

1: Brennstoffzellenaggregat des Brennstoffzellensystems, bevorzugt für ein Fahrzeug mit einem Elektromotor, insbesondere einem Elektrotraktionsmotor
2: Umgebung
3: Fluid, Betriebsmedium, Reaktant, insbesondere Anoden-Betriebsmedium, eigentlicher Brennstoff, bevorzugt Wasserstoff oder wasserstoffhaltiges Gasgemisch
4: Fluid, Abgas gegebenenfalls inklusive flüssiges Wasser, insbesondere Anoden-Abgas
5: Fluid, Betriebsmedium, Reaktant, insbesondere Kathoden-Betriebsmedium, bevorzugt Luft
6: Fluid, Abgas gegebenenfalls inklusive flüssiges Wasser, insbesondere Kathoden-Abgas, bevorzugt Abluft
10: Brennstoffzelle, Brennstoffzellenstapel des Brennstoffzellenaggregats 1 beziehungsweise des Brennstoffzellensystems
11: Einzelzelle mit einer Anodenelektrode der Anode der Brennstoffzelle 10 und einer Kathodenelektrode der Kathode der Brennstoffzelle 10, Einzel-Brennstoffzelle
12: Anodenraum einer Einzelzelle 11
13: Kathodenraum der Einzelzelle 11
14: Membran-Elektroden-Einheit mit bevorzugt einer Polymerelektrolyt-Membran sowie einer Anodenelektrode und einer Kathodenelektrode und gegebenenfalls jeweils einem Träger dafür
15: Bipolarplatte, Flussfeldplatte, Separatorplatte
16: Stapelgehäuse der Brennstoffzelle 10
20: Brennstoffzellen-Versorgung, Anodenversorgung, Anodenkreislauf der Brennstoffzelle
10: beziehungsweise des Brennstoffzellenstapels 10
21: Pfad, Versorgungspfad, Strömungspfad, Anoden-Versorgungspfad
22: Pfad, Abgaspfad, Strömungspfad, Anoden-Abgaspfad
23: Brennstoffspeicher, Brennstofftank mit Anoden-Betriebsmedium 3
24: Stellmittel, (ein)regelbar, (an)steuerbar, nicht regelbar, insbesondere Ventil, Klappe, Drossel, Blende et cetera
25: Brennstoff-Rezirkulationsleitung
30: Brennstoffzellen-Versorgung, Kathodenversorgung, Kathodenkreislauf der Brennstoffzelle 10 beziehungsweise des Brennstoffzellenstapels 10
31: Pfad, Versorgungspfad, Strömungspfad, Kathoden-Versorgungspfad
32: Pfad, Abgaspfad, Strömungspfad, Kathoden-Abgaspfad
33: (zweite) Fluid-/Luft-Fördereinrichtung, Verdichter, Kathodenverdichter, Kompressor, Pumpe mit dem Motor 34
34: Motor, Elektromotor, Antrieb mit Elektromotor, gegebenenfalls inklusive Getriebe
35: Elektronik, insbesondere Leistungselektronik für den Motor 34
37: Wastegate, Wastegate-Leitung
38: Stellmittel, (ein)regelbar, (an)steuerbar, nicht regelbar, insbesondere Ventil, Klappe, Drossel, Blende et cetera
39: Befeuchter, Feuchteübertrager mit Feuchteüberträger
40: Ladeluftkühler
50: Elektroturbolader mit zweiter Fluid-Fördereinrichtung 33 und Motor 34, E-Booster
100: Abgasturbolader mit erster Fluid-Fördereinrichtung 133 und Turbine 134
133: (erste) Fluid-/Luft-Fördereinrichtung, Verdichter, Kathodenverdichter, Kompressor, Pumpe des Abgasturboladers 100
134: Turbine mit gegebenenfalls variabler Turbinengeometrie, Kathodenturbine, Expander, des Abgasturboladers 100

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102011114720 A1 [0010]

Claims

Kathodenversorgung (30) für eine Brennstoffzelle (10) eines Brennstoffzellenaggregats (1) für ein Brennstoffzellensystem, wobei die Kathodenversorgung (30) einen Kathoden-Versorgungspfad (31) und einen Kathoden-Abgaspfad (32) umfasst, und in den Kathoden-Versorgungspfad (31) wenigstens zwei Fluid-Fördereinrichtungen (33, 133) zur Förderung eines Kathoden-Betriebsmediums (5) für die Brennstoffzelle (10) fluidmechanisch eingekoppelt sind, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine erste Fluid-Fördereinrichtung (133) der wenigstens zwei Fluid-Fördereinrichtungen (33, 133) lediglich aufgrund einer in einem Kathoden-Abgas (6) der Brennstoffzelle (10) befindlichen Enthalpie antreibbar ist.
Kathodenversorgung (30) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine zweite Fluid-Fördereinrichtung (33) der wenigstens zwei Fluid-Fördereinrichtungen (33, 133) von einem Elektromotor (34) antreibbar ist, wobei die zweite Fluid-Fördereinrichtung (33) ausschließlich von dem Elektromotor (34) oder von dem Elektromotor (34) und zusätzlich mittels einer Turbine, insbesondere einer Kathodenturbine, antreibbar ist.
Kathodenversorgung (30) gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathodenversorgung (30) einen Abgasturbolader (100) und einen Elektroturbolader (50) aufweist, wobei der Abgasturbolader (100) die erste Fluid-Fördereinrichtung (133) und der Elektroturbolader (50) die zweite Fluid-Fördereinrichtung (33) aufweist.
Kathodenversorgung (30) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Fluid-Fördereinrichtung (133) als ein erster Kathodenverdichter (133) des Abgasturboladers (100) ausgebildet ist, wobei der erste Kathodenverdichter (133) bevorzugt von einer Kathodenturbine (134) des Abgasturboladers (100) antreibbar ist und die Kathodenturbine (134) in den Kathoden-Abgaspfad (32) fluidmechanisch eingekoppelt ist.
Kathodenversorgung (30) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Fluid-Fördereinrichtungen (33, 133) der wenigstens zwei Fluid-Fördereinrichtungen (33, 133) fluidmechanisch in Reihe oder parallel geschaltet sind.
Kathodenversorgung (30) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Fluid-Fördereinrichtung (133) stromabwärts eines Luftfilters, eines Wastegates (37), der zweiten Fluid-Fördereinrichtung (33), eines Befeuchters (39) oder eines Ladeluftkühlers (40) in den Kathoden-Versorgungspfad (31) fluidmechanisch eingekoppelt ist, und/oder die erste Fluid-Fördereinrichtung (133) stromaufwärts des Wastegates (37), der zweiten Fluid-Fördereinrichtung (33), des Befeuchters (39) oder des Ladeluftkühlers (40) in den Kathoden-Versorgungspfad (31) fluidmechanisch eingekoppelt ist.
Kathodenversorgung (30) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathodenturbine (134) stromaufwärts oder stromabwärts des Befeuchters (39) und/oder des Wastegates (37) in den Kathoden-Abgaspfad (32) fluidmechanisch eingekoppelt ist.
Kathodenversorgung (30) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Fluid-Fördereinrichtung (33) stromabwärts des Luftfilters, des Wastegates (37), der ersten Fluid-Fördereinrichtung (133), des Befeuchters (39) und/oder des Ladeluftkühlers (40) in den Kathoden-Versorgungspfad (31) fluidmechanisch eingekoppelt ist, und/oder die zweite Fluid-Fördereinrichtung (33) stromaufwärts des Wastegates (37), der ersten Fluid-Fördereinrichtung (133), des Befeuchters (39) und/oder des Ladeluftkühlers (40) in den Kathoden-Versorgungspfad (31) fluidmechanisch eingekoppelt ist.
Kathodenversorgung (30) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Fluid-Fördereinrichtung (33) stromabwärts der ersten Fluid-Fördereinrichtung (133) in den Kathoden-Versorgungspfad (31) fluidmechanisch eingekoppelt ist, wobei die erste Fluid-Fördereinrichtung (133) bevorzugt stromaufwärts und die zweite Fluid-Fördereinrichtung (33) bevorzugt stromabwärts des Befeuchters (39) in den Kathoden-Versorgungspfad (31) fluidmechanisch eingekoppelt sind, wobei die zweite Fluid-Fördereinrichtung (33) insbesondere stromaufwärts des Ladeluftkühlers (40) vorgesehen ist.
Brennstoffzellenaggregat für ein Fahrzeug, insbesondere ein Elektrofahrzeug, Brennstoffzellensystem für ein Fahrzeug, insbesondere ein Elektrofahrzeug, oder Fahrzeug, insbesondere Elektrofahrzeug, dadurch gekennzeichnet, dass das Brennstoffzellenaggregat, das Brennstoffzellensystem oder das Fahrzeug eine Kathodenversorgung (30) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9 aufweist.