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Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzellenbetriebsvorrichtung und ein Brennstoffzellenbetriebsverfahren und betrifft insbesondere eine solche Vorrichtung und ein solches Verfahren zum Starten des Betriebs einer Brennstoffzelle.
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Zur Gewinnung elektrischer Energie sind Brennstoffzellen bekannt. Hierbei wird einem Brennstoffzellenstapel Wasserstoff (H2) und Sauerstoff (02) zugeführt und durch eine semipermeable, für Protonen durchlässige Elektrolytmembran getrennt. Für eine Verbindung von Sauerstoff und Wasserstoff zu Wasser, wird von den Wasserstoffatomen das Elektron abgeschieden, sodass das verbleibende Proton die Elektrolytmembran durchdringen und sich mit dem Sauerstoff zu Wasser verbinden kann. Über zwei Elektroden auf der jeweiligen Seite der Elektrolytmembran wird das abgeschiedene Elektron dem Sauerstoff und damit dem Wassermolekül zugeführt. Dieser Stromfluss liefert die gewünschte elektrische Spannung. Hierbei wird dem Brennstoffzellenstapel üblicherweise Wasserstoff aus einem Wasserstoffspeicher und Umgebungsluft als Sauerstofflieferant zugeführt. Um die Leistungsfähigkeit der Brennstoffzelle zu steigern, wird die Umgebungsluft dem Brennstoffzellenstapel unter durch einen Kompressor erzeugten Überdruck zugeführt. Da dieser Kompressor mit der durch die Brennstoffzelle erzeugten elektrischen Energie betrieben wird, gibt es beim Starten des Systems den Nachteil, dass noch keine Druckluft vorhanden ist, die für den Betrieb des Brennstoffzellenstapels erforderlich ist. Im Stand der Technik wurde das Problem wie anhand von 1 beschrieben gelöst.
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1 offenbart eine Brennstoffzellenbetriebsvorrichtung 1 aus dem Stand der Technik.
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Ein Brennstoffzellenstapel 101 weist einen Wasserstoffeingang 103, einen Sauerstoffeingang 105 und einen Kühlmitteleingang 107 auf. Ferner weist der Brennstoffzellenstapel einen Wasserstoffausgang 109, einen Sauerstoffausgang 111 und einen Kühlmittelausgang 113 auf. Über den Wasserstoffeingang 103 ist der Brennstoffzellenstapel 101 mit einem Wasserstoffreservoir 115 üblicherweise in Form eines Hochdruck-Wasserstofftanks oder eines Metallhydridspeichers verbunden. Aus diesem wird der Brennstoffzellenstapel 101 mit Wasserstoff versorgt. Überschüssiger, bei der Reaktion nicht benötigter Wasserstoff kann über den Wasserstoffausgang 109 rezirkuliert und dem Brennstoffzellenstapel 101 über den Wasserstoffeingang 103 erneut zugeführt werden. Über den Sauerstoffeingang 105 wird der Brennstoffzellenstapel 101 mit Sauerstoff versorgt, üblicherweise in Form von sauerstoffhaltiger Umgebungsluft. Über den Sauerstoffausgang 111 verlässt die Restluft, d.h. nicht verbrauchter Sauerstoff und Nicht-Sauersoff-Bestandteile der Umgebungsluft die Brennstoffzelle. Über den Kühlmitteleingang 107 und den Kühlmittelausgang 113 ist der Brennstoffzellenstapel 101 an einen Kühlkreis 117 angeschlossen. Während der Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff zu Wasser entsteht Wärme, die abgeführt werden muss, um die wärmeempfindliche Elektrolytmembran nicht zu beschädigen. Bei dem Kühlkreis 117 kann es sich um einen herkömmlichen Kühlkreis handeln, der die abzuführende Wärme über einen Wärmetauscher an die Umgebung abgibt. Optional kann es sich jedoch auch um einen Kältezyklus einer Kältemaschine, beispielsweise einer Kompressionskältemaschine handeln. Ein Kompressor 119 weist einen Elektromotor 121 mit einer angetriebenen Achse 123 auf. Über die Achse 123 wird eine Kompressorstufe 125 als Radialverdichter angetrieben. Über einen Luftfilter 127 und einen Kompressoreingang 129 wird der Kompressorstufe 125 gereinigte Umgebungsluft zugeführt, in der Kompressorstufe 125 verdichtet und über einen Kompressorausgang 131 als Druckluft abgegeben. Der Kompressor 119 weist ferner eine Turbinenstufe 133 auf, die mit der Achse 123 derart verbunden ist, dass die Achse 123 über die Turbinenstufe 133 antreibbar ist. Die Turbinenstufe 133 weist einen Turbineneingang 135 auf, über die aus dem Brennstoffzellenstapel 101 stammende Restluft in die Turbine eingeführt und über einen Turbinenausgang 137 an die Umgebungsluft entlüftet wird. Da die Restluft aus der Brennstoffzelle 101 noch erheblichen Überdruck aufweist, ist es möglich, damit den Elektromotor 121 des Kompressors 119 zu unterstützen und das System mit hoher Effizienz zu betreiben. Über einen Kompressorkühlmitteleingang 139 und einen Kompressorkühlmittelausgang 141 ist der Kompressor 119 zur Wärmeabfuhr an den Kühlkreis 117 oder einen separaten Kühlkreis angeschlossen. Stromabwärtig des Kompressorausgangs 131 befindet sich ein Druckluftwärmetauscher 143, durch den die sich während des Verdichtungsvorgangs erhitzte Druckluft geführt wird und dadurch abgekühlt wird. Stromabwärtig des Druckluftwärmetauschers 143 befindet sich ein Druckluftbefeuchter 145, dem die Druckluft nach dem Druckluftwärmetauscher 143 zugeführt wird und durch den eine für den Brennstoffzellenstapel 101 geeignete Luftfeuchtigkeit der Druckluft sichergestellt wird. Stromabwärtig des Druckluftbefeuchters 145 wird die Druckluft über den Sauerstoffeingang dem Brennstoffzellenstapel 101 zugeführt. Der Sauerstoffanteil der Druckluft reagiert in dem Brennstoffzellenstapel 101 mit dem dem Brennstoffzellenstapel 101 zugeführten Wasserstoff. Die immer noch unter Überdruck stehende Restluft verlässt unter Abtrennung des entstandenen Wassers über den Sauerstoffausgang 111 den Brennstoffzellenstapel 101 und wird über den Turbineneingang 135 der Turbinenstufe 133 zugeführt, wodurch über die Turbinenstufe 133 die angetriebene Achse 123 angetrieben wird. Die von dem Brennstoffzellenstapel 101 erzeugte elektrische Energie wird über einen DC/DC-Wandler 147 einer Speicherbatterie 149 oder möglichen Verbrauchern zugeführt. Ferner wird die von dem Brennstoffzellenstapel 101 erzeugte elektrische Energie einem Inverter 151 zugeführt, der den Elektromotor 121 des Kompressors 119 antreibt. Der Inverter 151 ist über einen Inverterkühlmitteleingang 153 und einen Inverterkühlmittelausgang 155 an den Kühlkreis 117 angeschlossen. Über einen Umschalter 157 kann die elektrische Antriebsenergie für den Elektromotor 121 wahlweise über den Brennstoffzellenstapel 101 oder über die Speicherbatterie 149 bezogen werden.
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Aufgrund hoher Sicherheits- und Leistungsfähigkeitsanforderungen an den Umschalter 157 ist die Brennstoffzellenbetriebsvorrichtung 1 aus dem Stand der Technik teuer und aufwändig.
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Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, eine Brennstoffzellenbetriebsvorrichtung und ein Brennstoffzellenbetriebsverfahren bereitzustellen, das die Nachteile aus dem Stand der Technik beseitigt und insbesondere erlaubt eine Brennstoffzellenbetriebsvorrichtung und ein Brennstoffzellenbetriebsverfahren zuverlässiger und kostengünstiger bereitzustellen.
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Die Aufgabe wird gelöst durch den Gegenstand der nebengeordneten Ansprüche. Vorteilhafte Weiterentwicklungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Offenbart wird eine Brennstoffzellenbetriebsvorrichtung, die aufweist: einen Brennstoffzellenstapel mit einem Sauerstoffeingang und einem Sauerstoffausgang, eine Hilfsdruckluftquelle, die eingerichtet ist, Hilfsdruckluft zu speichern, und einen Kompressor mit: einem Elektromotor, einer Kompressorstufe, und einer Turbinenstufe, wobei die Kompressorstufe eingerichtet ist, über den Elektromotor oder die Turbinenstufe angetrieben zu werden, wobei die Hilfsdruckluftquelle eingerichtet ist, die Kompressorstufe über die Hilfsdruckluft anzutreiben, sodass die Kompressorstufe Druckluft erzeugt, die dem Brennstoffzellenstapel über den Sauerstoffeingang zugeführt wird, oder die Hilfsdruckluft den Brennstoffzellenstapel (201) mit Sauerstoff zu versorgen.
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Vorteilhaft ist, wenn die Hilfsdruckluft die Turbinenstufe antreibt.
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Vorteilhaft ist, wenn der Brennstoffzellenstapel einen Ausgang für elektrische Energie aufweist, über den elektrische Energie ausgegeben wird, wenn der Brennstoffzellenstapel in Betrieb ist und mit Wasserstoff und Sauerstoff versorgt wird, die Hilfsdruckluft den Brennstoffzellenstapel mit Sauerstoff versorgt, und der Elektromotor mit der elektrischen Energie betrieben wird, die durch den Brennstoffzellenstapel über den Ausgang für elektrische Energie ausgegeben wird.
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Vorteilhaft ist, wenn die Brennstoffzellenbetriebsvorrichtung ferner aufweist: eine Restluft-Druckluftleitung, die zwischen dem Sauerstoffausgang und einem Turbineneingang vorgesehen ist und eingerichtet ist, aus dem Brennstoffzellenstapel strömende Restluft der Turbinenstufe zuzuführen, wobei aus der Restluft-Druckluftleitung an einer ersten Hilfsdruckluft-Ableitungsstelle Restluft abgeführt und damit das Hilfsdruckluftreservoir mit Hilfsdruckluft befüllt wird, oder aus dem Hilfsdruckluftreservoir Hilfsdruckluft der Restluft-Druckluftleitung an einer ersten Hilfsdruckluft-Zuführungsstelle zugeführt wird.
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Vorteilhaft ist, wenn zwischen dem Sauerstoffausgang und der ersten Hilfsdruck-Ableitungsstelle ein Rückschlagventil vorgesehen ist, das eingerichtet ist, zu verhindern, dass Luft über den Sauerstoffausgang in die Brennstoffzellenstapel einströmt, oder zwischen der ersten Hilfsdruckluft-Ableitungsstelle oder der ersten Hilfsdruckluft-Zuleitungsstelle und dem Hilfsdruckluftreservoir ein Druckregelventil vorgesehen ist.
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Vorteilhaft ist, wenn die Brennstoffzellenbetriebsvorrichtung ferner aufweist: eine Zuführungs-Druckluftleitung, die zwischen einem Kompressorausgang und dem Sauerstoffzugang vorgesehen ist und eingerichtet ist, aus der Kompressorstufe strömende Druckluft dem Brennstoffzellenstapel über den Sauerstoffeingang zuzuführen, wobei aus der Zuführungs-Druckluftleitung an einer zweiten Hilfsdruckluft-Ableitungsstelle Restluft abgeführt und damit das Hilfsdruckluftreservoir mit Hilfsdruckluft befüllt wird, oder aus dem Hilfsdruckluftreservoir Hilfsdruckluft der Zuführungs-Druckluftleitung an einer zweiten Hilfsdruckluft-Zuführungsstelle zugeführt wird.
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Vorteilhaft ist, wenn zwischen dem Kompressorausgang und der zweiten Hilfsdruck-Ableitungsstelle ein Rückschlagventil vorgesehen ist, dass eingerichtet ist, zu verhindern, dass Luft über den Kompressorausgang in die Kompressorstufe einströmt, oder zwischen der zweiten Hilfsdruckluft-Ableitungsstelle oder der zweiten Hilfsdruckluft-Zuleitungsstelle und dem Hilfsdruckluftreservoir ein Druckregelventil vorgesehen ist.
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Vorteilhaft ist, wenn die Brennstoffzellenbetriebsvorrichtung ferner aufweist: eine zweite Turbinenstufe, wobei die Kompressorstufe eingerichtet ist, über den Elektromotor, die Turbinenstufe oder die zweite Turbinenstufe angetrieben zu werden, und das Hilfsdruckluftreservoir mit einem zweiten Turbineneingang verbunden ist und eingerichtet ist, beim Betriebsstart die Kompressorstufe über die Hilfsdruckluft und die zweite Turbinenstufe anzutreiben, sodass die Kompressorstufe Druckluft erzeugt, die dem Brennstoffzellenstapel über den Sauerstoffeingang zugeführt wird.
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Vorteilhafterweise ist zwischen dem Hilfsdruckluftreservoir und dem zweiten Turbineneingang ein Druckregelventil vorgesehen.
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Offenbart wird ein Brennstoffzellenbetriebsverfahren für eine Brennstoffzellenbetriebsvorrichtung, das die Schritte aufweist: Vorsehen eines Hilfsdruckluftreservoirs, Zuführen von Hilfsdruckluft aus dem Hilfsdruckluftreservoir an eine Turbinenstufe eines Kompressors, Betreiben einer Kompressorstufe des Kompressors über die Turbinenstufe; Erzeugen von Druckluft durch die Kompressorstufe, Zuführen von Druckluft an einen Brennstoffzellenstapel, Generieren von elektrischer Energie durch den Brennstoffzellenstapel.
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Offenbart wird ein Brennstoffzellenbetriebsverfahren für eine Brennstoffzellenbetriebsvorrichtung, das die Schritte aufweist: Vorsehen eines Hilfsdruckluftreservoirs, Zuführen von Hilfsdruckluft aus dem Hilfsdruckluftreservoir an einen Brennstoffzellenstapel, Generieren von elektrischer Energie durch den Brennstoffzellenstapel, Antreiben eines Elektromotors eines Kompressors mit durch den Brennstoffzellenstapel erzeugter elektrischer Energie, Betreiben einer Kompressorstufe des Kompressors über den Elektromotor, Erzeugen von Druckluft durch die Kompressorstufe, Zuführen von Druckluft an einen Brennstoffzellenstapel.
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Anhand der Figuren werden Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben.
- 1 zeigt eine Brennstoffzellenbetriebsvorrichtung aus dem Stand der Technik.
- 2 zeigt eine Brennstoffzellenbetriebsvorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel.
- 3 zeigt eine schematische Darstellung der Kernelemente des ersten Ausführungsbeispiels.
- 4 zeigt eine schematische Darstellung der Kernelemente eines zweiten Ausführungsbeispiels.
- 5 zeigt eine schematische Darstellung der Kernelemente eines dritten Ausführungsbeispiels.
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Anhand 2 wird ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben.
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2 zeigt eine Brennstoffzellenbetriebsvorrichtung 2. Ein Brennstoffzellenstapel 101 weist einen Wasserstoffeingang 203, einen Sauerstoffeingang 205 und einen Kühlmitteleingang 207 auf. Ferner weist der Brennstoffzellenstapel einen Wasserstoffausgang 209, einen Sauerstoffausgang 211 und einen Kühlmittelausgang 213 auf. Über den Wasserstoffeingang 203 ist der Brennstoffzellenstapel 201 mit einem Wasserstoffreservoir 215 üblicherweise in Form eines Hochdruck-Wasserstofftanks oder eines Metallhydridspeichers verbunden. Aus diesem wird der Brennstoffzellenstapel 201 mit Wasserstoff versorgt. Überschüssiger, bei der Reaktion nicht benötigter Wasserstoff kann über den Wasserstoffausgang 209 rezirkuliert und dem Brennstoffzellenstapel 201 über den Wasserstoffeingang 203 erneut zugeführt werden. Über den Sauerstoffeingang 205 wird der Brennstoffzellenstapel 201 mit Sauerstoff versorgt, üblicherweise in Form von sauerstoffhaltiger Umgebungsluft. Über den Sauerstoffausgang 211 verlässt die Restluft, d.h. nicht verbrauchter Sauerstoff und Nicht-Sauersoff-Bestandteile der Umgebungsluft die Brennstoffzelle. Über den Kühlmitteleingang 207 und den Kühlmittelausgang 213 ist der Brennstoffzellenstapel 201 an einen Kühlkreis 217 angeschlossen. Während der Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff zu Wasser entsteht Wärme, die abgeführt werden muss, um die wärmeempfindliche Elektrolytmembran nicht zu beschädigen. Bei dem Kühlkreis 217 kann es sich um einen herkömmlichen Kühlkreis handeln, der die abzuführende Wärme über einen Wärmetauscher an die Umgebung abgibt. Optional kann es sich jedoch auch um einen Kältezyklus einer Kältemaschine, beispielsweise einer Kompressionskältemaschine handeln.
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Ein Kompressor 219 weist einen Elektromotor 221 mit einer angetriebenen Achse 223 auf. Über die Achse 223 wird eine Kompressorstufe 225 als Radialverdichter angetrieben. Über einen Luftfilter 227 und einen Kompressoreingang 229 wird der Kompressorstufe 225 gereinigte Umgebungsluft zugeführt, in der Kompressorstufe 225 verdichtet und über einen Kompressorausgang 231 als Druckluft abgegeben. Der Kompressor 219 weist ferner eine Turbinenstufe 233 auf, die mit der Achse 223 derart verbunden ist, dass die Achse 223 über die Turbinenstufe 233 antreibbar ist. Die Turbinenstufe 233 weist einen Turbineneingang 235 auf, über die aus dem Brennstoffzellenstapel 201 stammende Restluft in die Turbine eingeführt und über einen Turbinenausgang 237 an die Umgebungsluft entlüftet wird. Da die Restluft aus der Brennstoffzelle 201 noch Überdruck in Höhe zwischen 1 bar und 2 bar aufweist, ist es möglich, damit den Elektromotor 221 des Kompressors 219 zu unterstützen und das System mit hoher Effizienz zu betreiben. Über einen Kompressorkühlmitteleingang 239 und einen Kompressorkühlmittelausgang 241 ist der Kompressor 219 zur Wärmeabfuhr an den Kühlkreis 217 oder einen separaten Kühlkreis angeschlossen.
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Stromabwärtig des Kompressorausgangs 231 befindet sich ein Druckluftwärmetauscher 243, durch den die sich während des Verdichtungsvorgangs erhitzte Druckluft geführt wird und dadurch abgekühlt wird. Stromabwärtig des Druckluftwärmetauschers 243 befindet sich ein Druckluftbefeuchter 245, dem die Druckluft nach dem Druckluftwärmetauscher 243 zugeführt wird und durch den eine für den Brennstoffzellenstapel 201 geeignete Luftfeuchtigkeit der Druckluft sichergestellt wird. Stromabwärtig des Druckluftbefeuchters 245 wird die Druckluft über den Sauerstoffeingang 205 dem Brennstoffzellenstapel 201 zugeführt. Der Sauerstoffanteil der Druckluft reagiert in dem Brennstoffzellenstapel 201 mit dem dem Brennstoffzellenstapel 201 über den Wasserstoffeingang 203 zugeführten Wasserstoff. Die immer noch unter Überdruck stehende Restluft verlässt unter Abtrennung des entstandenen Wassers über den Sauerstoffausgang 211 den Brennstoffzellenstapel 201 und wird über den Turbineneingang 235 der Turbinenstufe 233 zugeführt, wodurch über die Turbinenstufe 233 die angetriebene Achse 223 angetrieben wird. Die Druckluft wird dann über den Turbinenausgang 237 an den Umgebungsdruck entlüftet.
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Die von dem Brennstoffzellenstapel 201 erzeugte elektrische Energie wird über einen DC/DC-Wandler 247 einer Speicherbatterie 249 oder möglichen Verbrauchern zugeführt. Ferner wird die von dem Brennstoffzellenstapel 201 erzeugte elektrische Energie einem Inverter 251 zugeführt, der den Elektromotor 221 des Kompressors 219 antreibt. Der Inverter 251 ist über einen Inverterkühlmitteleingang 253 und einen Inverterkühlmittelausgang 255 an den Kühlkreis 217 angeschlossen. Alternativ ist der Inverter 251 an einen eigenen Kühlkreis angeschlossen.
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Stromabwärtig des Sauerstoffausgangs 211 ist in einer Restluft-Druckluftleitung 258, die im Anschluss an den Sauerstoffausgang 211 folgt und die Restluft zum Turbineneingang 235 leitet, ein Rückschlagventil 259 als Rückflusssperre vorgesehen, das eingerichtet ist, dafür Sorge zu tragen, dass über den Sauerstoffausgang 211 kein Luftstrom zurück in den Brennstoffzellenstapel 201 erfolgen kann. Stromabwärtig des Rückschlagventils 259 zweigt aus der Restluft-Druckluftleitung 258 ein Hilfsdruckluftreservoir 261 ab, sodass das Hilfsdruckluftreservoir 261 über die druckbeaufschlagte Restluft gefüllt werden kann. Über ein Druckregelventil 263 kann das Hilfsdruckluft-Reservoir 261 von der Restluft-Druckluftleitung 258 abgetrennt werden.
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Anhand 3 wird die Funktionsweise der Brennstoffzellenbetriebsvorrichtung 2 des ersten Ausführungsbeispiels beschrieben.
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Während des herkömmlichen Betriebs wird die Kompressorstufe 225 des Kompressors 219 über den Elektromotor 221 betrieben und am Kompressorausgang 231 Druckluft ausgestoßen. Über den Sauerstoffeingang 205 durchläuft diese wie oben beschrieben den Brennstoffzellenstapel 201 und tritt als Restluft am Sauerstoffausgang 211 aus dem Brennstoffzellenstapel 201 aus und in die Restluft-Druckluftleitung 258 ein. Mit dem Druck der Restluft-Druckluftleitung 258 wird das Hilfsdruckluftreservoir 261 befüllt. Beim Beenden des Betriebs der Brennstoffzelle wird das Druckregelventil 263 geschlossen und die Energiezufuhr an den Elektromotor 221 des Kompressors 219 eingestellt, worauf der Druck im System abfällt und die Tätigkeit des Brennstoffzellenstapels 201 mangels Sauerstoffzufuhr zum Erliegen kommt. Soll der Betrieb der Brennstoffzellenbetriebsvorrichtung 2 wieder aufgenommen werden, wird das Druckregelventil 263 geöffnet. Die daraufhin aus dem Hilfsdruckluftreservoir 261 ausströmende Druckluft wird vom Rückschlagventil 259 daran gehindert, zurück in den Brennstoffzellenstapel 201 zu strömen und wird dadurch über den Turbineneingang 235 der Turbine 233 zugeführt und über den Turbinenausgang 237 an die Umgebung entlüftet. Die Turbine 233 treibt daraufhin über die Achse 223 die Kompressorstufe 225 an, die Druckluft erzeugt und dem Brennstoffzellenstapel 201 zuführt, der daraufhin den Betrieb aufnimmt, elektrische Energie abgibt und damit den Elektromotor 221 des Kompressors betreiben kann. Daraufhin wechselt die Brennstoffzellenbetriebsvorrichtung 2 in den regulären Betrieb.
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Optional kann zwischen dem Kompressorausgang 231 und dem Turbineneingang 235 eine Überstromdrossel 265 vorgesehen sein, über die die Druckluft nicht dem Brennstoffzellenstapel 201 sondern der Turbinenstufe 233 zugeführt wird, solange bis der Druck in der Restluft-Druckluftleitung 258 soweit gesunken ist, dass über den Sauerstoffausgang 211 ein Luftfluss über das Rückschlagventil 259 möglich ist.
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Anhand von 4 wird der Aufbau und die Funktionsweise eines zweiten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Brennstoffzellenbetriebsvorrichtung 3 beschrieben.
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Die Brennstoffzellenbetriebsvorrichtung 3 des zweiten Ausführungsbeispiels ist aufgebaut wie die Brennstoffzellenbetriebsvorrichtung 2 des ersten Ausführungsbeispiels und unterscheidet sich lediglich in den nachfolgend beschriebenen Punkten. Für eine Beschreibung aller übrigen Merkmale kann auf die Brennstoffzellenbetriebsvorrichtung 2 des ersten Ausführungsbeispiels zurückgegriffen werden.
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Stromabwärtig des Kompressorausgangs 231 ist ein Rückschlagventil 359 in der die Druckluft von dem Kompressor 219 zum Brennstoffzellenstapel 201 zuführenden Zuführungs-Druckluftleitung 358 als Rückflusssperre vorgesehen. Stromabwärtig des Rückschlagventils 359 zweigt aus der Zuführungs-Druckluftleitung 358 ein Hilfsdruck Luftreservoir 361 ab, sodass das Hilfsdruckluftreservoir 361 über die Druckluft aus dem Kompressorausgang 231 gefüllt werden kann. Über ein Druckregelventil 363 kann das Hilfsdruckluftreservoir 361 von der Zuführungs-Druckluft 358 abgetrennt werden.
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Während des herkömmlichen Betriebs wird die Kompressorstufe 225 des Kompressors 219 über den Elektromotor 221 betrieben und am Kompressorausgang 231 Druckluft ausgestoßen. Über die Zuführungs-Druckluftleitung 358 wird die Druckluft dem Brennstoffzellenstapel 201 zugeführt. Mit dem Druck der Zuführungs-Druckluftleitung 358 wird das Hilfsdruckluftreservoir 361 befüllt. Beim Beenden des Betriebs der Brennstoffzelle wird das Druckregelventil 363 geschlossen und die Energiezufuhr an den Elektromotor 221 des Kompressors 219 eingestellt, worauf der Druck im System abfällt und die Tätigkeit des Brennstoffzellenstapels 201 mangels Sauerstoffzufuhr zum Erliegen kommt. Soll der Betrieb der Brennstoffzellenbetriebsvorrichtung 3 wieder aufgenommen werden, wird das Druckregelventil 363 geöffnet. Die daraufhin aus dem Hilfsdruckluftreservoir 361 ausströmende Druckluft wird vom Rückschlagventil 359 daran gehindert, zurück in die Kompressorstufe 225 zu strömen und wird dadurch über den Sauerstoffeingang 205 dem Brennstoffzellenstapel 201, und anschließend der Turbinenstufe 233 zugeführt und über den Turbinenausgang 237 an die Umgebung entlüftet. Der Brennstoffzellenstapel 201 nimmt den Betrieb auf, gibt elektrische Energie ab, über die der Elektromotor 221 des Kompressors 219 betrieben werden kann. Ferner treibt auch die Turbine 233 über die Achse 223 die Kompressorstufe 225 an. Damit wird Druckluft über die Kompressorstufe 231 erzeugt und die Brennstoffzellenbetriebsvorrichtung 3 wechselt in den regulären Betrieb.
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Optional kann zwischen dem Kompressorausgang 231 und dem Turbineneingang 235 eine Überstromdrossel 265 vorgesehen sein, über die die Druckluft nicht dem Brennstoffzellenstapel 201 sondern der Turbinenstufe 233 zugeführt wird, solange bis der Druck in der Zuführungs-Druckluftleitung 358 soweit gesunken ist, dass über den Sauerstoffeingang 205 ein Luftfluss über das Rückschlagventil 359 möglich ist.
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Anhand von 5 wird der Aufbau und die Funktionsweise eines dritten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Brennstoffzellenbetriebsvorrichtung 4 beschrieben.
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Die Brennstoffzellenbetriebsvorrichtung 4 des dritten Ausführungsbeispiels ist aufgebaut wie die Brennstoffzellenbetriebsvorrichtung 2 des ersten Ausführungsbeispiels und unterscheidet sich lediglich in den nachfolgend beschriebenen Punkten. Für eine Beschreibung aller übrigen Merkmale kann auf die Brennstoffzellenbetriebsvorrichtung 2 des ersten Ausführungsbeispiels zurückgegriffen werden.
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Ein Hilfsdruckluftreservoir 461 ist in der Brennstoffzellenbetriebsvorrichtung 4 vorgesehen. Hierbei handelt es sich nicht um einen Teil des Brennstoffzellendruckluftkreislaufs sondern um ein externes Hilfsdruckluftreservoir beispielsweise eines pneumatischen Bremssystems eines Nutzfahrzeugs oder um ein vollständig unabhängiges Druckluftsystem. Über einen nicht gezeigten Kompressor wird das Hilfsdruckluftreservoir 461 mit Druckluft über einen Druckluftzugang 458 befüllt. Ein Rückschlagventil 459 ist als Rückflusssperre in dem Druckluftzugang 458 vorgesehen.
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Stromabwärtig des Rückschlagventils 459 zweigt aus dem Druckluftzugang 458 das Hilfsdruckluftreservoir 461 ab, sodass das Hilfsdruckluftreservoir 461 über die Druckluft gefüllt werden kann. Über ein Druckregelventil 463 kann das Hilfsdruckluftreservoir 461 von dem Druckluftzugang 458 abgetrennt werden. Der Druckluft-Zugang 458 ist an einen zweiten Turbineneingang 435 einer zweiten Turbinenstufe 433 angeschlossen. Die zweite Turbinenstufe 433 ist wie die erste Turbinenstufe 233 an die Antriebsachse 233 gekoppelt, sodass mit der zweiten Turbinenstufe 433 die Kompressorstufe 225 angetrieben werden kann, wenn Druckluft in die zweite Turbine 433 einströmt.
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Soll der Betrieb der Brennstoffzellenbetriebsvorrichtung 4 wieder aufgenommen werden, wird das Druckregelventil 463 geöffnet. Die daraufhin aus dem Hilfsdruckluftreservoir 361 ausströmende Druckluft wird vom Rückschlagventil 459 daran gehindert, auszuströmen und wird dadurch der zweiten Turbinenstufe 433 zugeführt und über den zweiten Turbinenausgang 437 an die Umgebung entlüftet. Die zweite Turbine 433 treibt daraufhin über die Achse 223 die Kompressorstufe 225 an, die Druckluft erzeugt und dem Brennstoffzellenstapel 201 zuführt, der daraufhin den Betrieb aufnimmt, elektrische Energie abgibt und damit den Elektromotor 221 des Kompressors betreiben kann. Daraufhin wechselt die Brennstoffzellenbetriebsvorrichtung 4 in den regulären Betrieb.
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Der Kompressor 219 ist in den Ausführungsbeispielen so ausgeführt, dass die die angetriebene Achse 223 luftgelagert ist und daher zur Aufrechterhaltung der Lagerung eine Mindestdrehzahl nicht unterschritten werden darf. Sinkt der Sauerstoffbedarf des Brennstoffzellenstapels 201 auf eine Menge ab, bei der die Mindestdrehzahl unterschritten würde, kann durch eine optionale, zwischen dem Kompressorausgang 231 und dem Turbineneingang 235 vorgesehene Überstromdrossel 265 , über die die Druckluft nicht dem Brennstoffzellenstapel 201 sondern unter Umgehung des Brennstoffzellenstapels 201 der Turbinenstufe 233 zugeführt wird, die Luftzufuhr zu dem Brennstoffzellenstapel 201 reduziert und dennoch die Mindestdrehzahl aufrecht erhalten werden..
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Die Erfindung wurde mittels Ausführungsbeispielen beschrieben. Die Ausführungsbeispiele sind lediglich erläuternder Natur und beschränken nicht die Erfindung, wie sie durch die Ansprüche definiert ist. Erkennbar für den Fachmann sind Abweichungen von dem Ausführungsbeispiel möglich, ohne dass der Schutzbereich der Ansprüche verlassen wird.
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So wurde im ersten und zweiten Ausführungsbeispiel als Hilfsdruckluftreservoir ein Druckluftspeicher beschrieben, der durch den Kompressor zur Luftversorgung des Brennstoffzellenstapels im Betrieb gefüllt wurde. Das Hilfsdruckluftreservoir kann aber auch durch einen dedizierten Kompressor, dessen alleinige Aufgabe es ist, das Hilfsreservoir zu befüllen, oder durch einen Kompressor eines anderen Systems, wie beispielsweise eines pneumatischen Bremssystems, befüllt werden. Ferner kann anstelle über das Hilfsruckluftreservoir als Druckluftspeicher die Versorgung direkt durch den dedizierten oder externen Kompressor als Hilfsdruckluftquelle erfolgen.
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So wurde im dritten Ausführungsbeispiel die externe Druckluftquelle als pneumatisches Bremssystem beschrieben. Alternativ ist jede andere Druckluftquelle einsetzbar, beispielsweise das Druckluftsystem einer pneumatischen Federung oder ein gänzlich eigenständiges Druckluftsystem.
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Insbesondere ist es möglich, Merkmale aus unterschiedlichen Ausführungsbeispielen zu kombinieren.
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So ist es beispielsweise möglich, die zweite Turbinenstufe des dritten Ausführungsbeispiels auch in dem ersten und zweiten Ausführungsbeispiel als Ziel für die Druckluft aus dem Hilfsdruckluftreservoir zu verwenden, oder dass die Hilfsdruckluftquelle aus dem dritten Ausführungsbeispiel auf die erste Turbinenstufe des ersten oder zweiten Ausführungsbeispiels wirkt. Auch ist es möglich, die Ausführungsbeispiele so zu kombinieren, dass der Gegenstand jede Kombination der Hilfsdruckluftversorgung, insbesondere das Vorsehen aller drei Hilfsdruckluftversorgungssysteme aufweist.
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Auch ist es möglich, dass das Hilfsdruckreservoir auch im ersten Ausführungsbeispiel und im zweiten Ausführungsbeispiel nicht aus dem Druckluft-System der Brennstoffzellenbetriebsvorrichtung befüllt wird, sondern Teil eines externen pneumatischen Systems wie einer pneumatischen Bremse oder dergleichen ist. Hierdurch lässt sich vorteilhafterweise im Hilfsdruckluftreservoir ein höherer Hilfsdruck erzeugen, als in einem Druckluftsystem für einen Brennstoffzellenstapel üblich, womit ein sichereres und kontrollierteres Hochfahren des Betriebs der Brennstoffzellenbetriebsvorrichtung möglich ist.
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Die Junktoren ... „und“, „oder“ und „entweder ... oder“ werden in der Bedeutung verwendet, die an die logische Konjunktion (logisches UND), die logische Adjunktion (logisches ODER, oft „und/oder“), bzw. die logische Kontravalenz (logisches Exklusiv-ODER) angelehnt sind. Insbesondere kann im Gegensatz zu „entweder ... oder“ der Junktor „oder“ das gemeinsame Vorliegen beider Operanden beinhalten.
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Eine Auflistung von Verfahrensschritten hat in der Beschreibung und den Ansprüchen lediglich aufzählende Funktion der erforderlichen Verfahrensschritte. Sie impliziert keine notwendige Ordnung oder Reihenfolge der Verfahrensschritte, es sei denn, eine solche Ordnung oder Reihenfolge wird explizit angegeben oder ergibt sich für den Fachmann in offensichtlicher Weise. Ferner ergibt sich aus einer solchen Auflistung nicht deren Abgeschlossenheit.
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Der Begriff „Aufweisen“ bedingt in den Ansprüchen keine abschließende Auflistung; das Vorhandensein weiterer Elemente und Schritte ist möglich.
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Die Verwendung des unbestimmten Artikels „ein“ oder „eine“ schließt das Vorhandensein einer Mehrzahl nicht aus, sondern ist als „mindestens ein“ oder „mindestens eine“ zu verstehen, es sei denn, er wird als „genau ein“ oder „genau eine“ eingeschränkt.
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BEZUGSZEICHENLISTE
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- 1
- Brennstoffzellenbetriebsvorrichtung (Stand der Technik)
- 101
- Brennstoffzellenstapel
- 103
- Wasserstoffeingang
- 105
- Sauerstoffeingang
- 107
- Kühlmitteleingang
- 109
- Wasserstoffausgang
- 111
- Sauerstoffausgang
- 113
- Kühlmittelausgang
- 115
- Wasserstoffreservoir
- 117
- Kühlkreis
- 119
- Kompressor
- 121
- Elektromotor
- 123
- angetriebene Achse des Elektromotors
- 125
- Kompressorstufe, Radialverdichter
- 127
- Luftfilter
- 129
- Kompressoreingang
- 131
- Kompressorausgang
- 133
- Turbinenstufe
- 135
- Turbineneingang
- 137
- Turbinenausgang
- 139
- Kompressorkühlmitteleingang
- 141
- Kompressorkühlmittelausgang
- 143
- Druckluftwärmetauscher
- 145
- Druckluftbefeuchter
- 147
- DC/DC-Wandler
- 149
- Speicherbatterie
- 151
- Inverter
- 153
- Inverterkühlmitteleingang
- 155
- Inverterkühlmittelausgang
- 157
- Umschalter
- 2
- Brennstoffzellenbetriebsvorrichtung (erstes Ausführungsbeispiel)
- 201
- Brennstoffzellenstapel
- 203
- Wasserstoffeingang
- 205
- Sauerstoffeingang
- 207
- Kühlmitteleingang
- 209
- Wasserstoffausgang
- 211
- Sauerstoffausgang
- 213
- Kühlmittelausgang
- 215
- Wasserstoffreservoir
- 217
- Kühlkreis
- 219
- Kompressor
- 221
- Elektromotor
- 223
- angetriebene Achse des Elektromotors
- 225
- Kompressorstufe, Radialverdichter
- 227
- Luftfilter
- 229
- Kompressoreingang
- 231
- Kompressorausgang
- 233
- Turbinenstufe
- 235
- Turbineneingang
- 237
- Turbinenausgang
- 239
- Kompressorkühlmitteleingang
- 241
- Kompressorkühlmittelausgang
- 243
- Druckluftwärmetauscher
- 245
- Druckluftbefeuchter
- 247
- DC/DC-Wandler
- 249
- Speicherbatterie
- 251
- Inverter
- 253
- Inverterkühlmitteleingang
- 255
- Inverterkühlmittelausgang
- 258
- Restluft-Druckluftleitung
- 259
- Rückschlagventil
- 261
- Hilfsdruckluftreservoir, Hilfsdruckluftquelle
- 263
- Druckregelventil
- 265
- Überstromdrossel
- 3
- Brennstoffzellenbetriebsvorrichtung (zweites Ausführungsbeispiel)
- 358
- Zuführungs-Druckluftleitung
- 359
- Rückschlagventil
- 361
- Hilfsdruckluftreservoir, Hilfsdruckluftquelle
- 363
- Druckregelventil
- 4
- Brennstoffzellenbetriebsvorrichtung (drittes Ausführungsbeispiel)
- 458
- Druckluftzugang
- 459
- Rückschlagventil
- 461
- Hilfsdruckluftreservoir, Hilfsdruckluftquelle
- 463
- Druckregelventil