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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems, insbesondere eines PEM (Polymerelektrolyt)-Brennstoffzellensystems für mobile Anwendungen. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Brennstoffzellensystem, insbesondere ein PEM-Brennstoffzellensystem für mobile Anwendungen.
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Das vorgeschlagene Brennstoffzellensystem ist insbesondere zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet bzw. nach dem erfindungsgemäßen Verfahren betreibbar.
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Stand der Technik
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Mobile PEM-Brennstoffzellen stehen im Entwicklungsfokus alternativer Antriebe. Sie erlauben die Wandlung der gasförmig unter hohem Druck im Wasserstoff enthaltenen Energie in elektrischen Strom, Wasser und Wärme. Zum Abführen der Wärme werden die Brennstoffzellen gekühlt.
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Zur Kühlung mobiler PEM-Brennstoffzellen haben sich insbesondere Flüssigkeitsumlaufkühlungen etabliert. Diese haben sich bereits bei der Kühlung von Verbrennungsmotoren bewährt. Bei PEM-Brennstoffzellen ist jedoch prinzipbedingt die Betriebstemperatur auf maximal 90°C begrenzt und liegt somit deutlich unterhalb der Maximaltemperatur verbrennungsmotorischer Kühlsysteme. Entsprechend niedrig ist daher die für die Wärmeabgabe an die Umgebung relevante treibende Temperaturdifferenz, so dass große Kühlerflächen benötigt werden. Aufgrund der im Vergleich zur Abgastemperatur von Verbrennungsmotoren niedrigen Ablufttemperatur von PEM-Brennstoffzellen wird zudem nur ein sehr geringer Teil der Abwärme über die Abluft abgeführt.
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Je nach Betriebsstrategie wird den Brennstoffzellen die für den Umsatz des Wasserstoffs benötigte Luft verdichtet zugeführt. Die bei der Verdichtung entstehende Wärme muss vor Eintritt in den Brennstoffzellenstapel über einen Ladeluftkühler abgeführt werden. Das Kühlsystem wird dadurch zusätzlich belastet.
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Darüber hinaus kann eine Kühlung des ferner benötigten Wasserstoffs erforderlich sein. Bei Bevorratung des Wasserstoffs in einem Drucktank beträgt die Temperatur nach dem Betanken des Drucktanks maximal ca. 80°C. Bei der Tankentnahme und der anschließenden isenthalpen Drosselung in einem Druckminderer kann sich aufgrund eines negativen Joule-Thomson-Koeffizienten das Gas jedoch auf Temperaturen erwärmen, die deutlich oberhalb der maximalen Betriebstemperatur des Brennstoffzellenstapels liegen. In diesem Fall muss der Wasserstoff gekühlt werden.
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Es kann jedoch auch der Fall eintreten, dass anstelle einer Kühlung eine Heizung benötigt wird, beispielsweise zum Starten des Brennstoffzellensystems bei Umgebungstemperaturen von unter 0°C. Die Aufgabe des „Kühlsystems“ besteht in diesem Fall darin, die Betriebstemperatur möglichst schnell anzuheben, um Eisbildung in den Brennstoffzellen sowie in den Peripheriesystemen zu vermeiden. Gemäß dem Stand der Technik werden hierfür in den Kühlkreis des Kühlsystems zusätzliche Widerstandsheizer verbaut, die beim Start entweder aus den Brennstoffzellen selber oder aus einer Batterie gespeist werden.
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Zusammenfassend wird deutlich, dass im Betrieb eines Brennstoffzellensystems - in Abhängigkeit von den jeweiligen Umgebungs- und/oder Betriebsbedingungen - entweder gekühlt oder geheizt werden muss. Dies bringt einen hohen apparativen Aufwand mit sich, da klassische Wärmeübertrager in Medienkreisen entweder Kühlen oder Heizen können.
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Die vorliegende Erfindung ist daher mit der Aufgabe befasst, Konzepte anzugeben, die den apparativen Aufwand zum Temperieren, das heißt zum Kühlen und/oder Erwärmen eines Mediums in einem Brennstoffzellensystem verringern.
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Zur Lösung der Aufgabe wird das Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Ferner wird das Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Anspruchs 6 angegeben. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den jeweiligen Unteransprüchen zu entnehmen.
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Offenbarung der Erfindung
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Bei dem vorgeschlagenen Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems, insbesondere eines PEM-Brennstoffzellensystems, wird einem Brennstoffzellenstapel über mindestens eine Medienleitung ein Medium zugeführt, das vor Eintritt in den Brennstoffzellenstapel temperiert wird. Bei dem Medium kann es sich insbesondere um Luft, Wasserstoff und/oder ein Kühlmedium handeln. Erfindungsgemäß wird das Medium mit Hilfe eines in die Medienleitung integrierten elastokalorischen Systems temperiert. Das heißt, dass das Medium gekühlt und/oder erwärmt wird. Denn mit Hilfe des integrierten elastokalorischen Systems können, ggf. sogar simultan, beide Funktionen realisiert werden.
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Die Kühl- und/oder Heizwirkung eines elastokalorischen Systems beruht auf dem elastokalorischen bzw. thermoelastischen Effekt, der bei mechanischer Spannungsbeaufschlagung in einem elastokalorischen Material auftritt. Denn die mechanische Spannungsbeaufschlagung führt in dem elastokalorischen Material zu einer Phasenumwandlung, die mit einer Entropieänderung einhergeht. Dieser Effekt ist reversibel, so dass bei einer Entlastung des Materials eine Rückumwandlung in den ursprünglichen Phasenzustand einschließlich der damit verbundenen Entropieänderung stattfindet. Der Prozess der Phasenumwandlung kann somit zyklisch wiederholt werden. Ferner kann das elastokalorische System sowohl zum Kühlen als auch zum Heizen eingesetzt werden.
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Darüber hinaus kann mit Hilfe des elastokalorischen Systems eine Effizienzsteigerung bewirkt werden, da dieses einen günstigen Effizienzkoeffizienten (COP = „Coefficient of Performance“) aufweist. Der Effizienzkoeffizient COP entspricht dem Quotienten aus thermisch nutzbarer zu aufzuwendender Energie. Bei einer elektrischen Widerstandsheizung beträgt beispielsweise der COP < 1, das elastokalorische System weist demgegenüber einen COP > 4 auf.
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Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass das in die Medienleitung integrierte elastokalorische System ohne schädliche Kühlmittel auskommt. Dies gilt insbesondere, wenn das elastokalorische System in eine Luft oder Wasserstoff führende Medienleitung des Brennstoffzellensystems integriert wird.
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Das elastokalorische System kann - abhängig von dem zu temperierenden Medium - an unterschiedlichen Stellen in das Brennstoffzellensystem integriert werden.
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Beispielsweise kann das elastokalorische System in den Bereich der Luftversorgung eines Brennstoffzellenstapels integriert werden, um die beim Verdichten erwärmte Luft zu kühlen. Das elastokalorische System ist in diesem Fall stromabwärts eines Luftverdichters in einen Kathodenzuluftpfad des Brennstoffzellensystems integriert.
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Ferner kann das elastokalorische System in einen Anodengaspfad integriert werden, um den hierüber dem Brennstoffzellenstapel zugeführten Wasserstoff zu temperieren. Das elastokalorische System ist dabei bevorzugt stromabwärts eines Druckminderers im Anodenpfad angeordnet. Der Druckminderer führt zu einer isenthalpen Drosselung des Wasserstoffs, so dass sich dieser auf Temperaturen oberhalb der maximalen Betriebstemperatur des Brennstoffzellensystems erwärmen kann. In diesem Fall kann mit Hilfe des elastokalorischen Systems der Wasserstoff vor Eintritt in den Brennstoffzellenstapel gekühlt werden. Im Fall eines Kaltstarts des Brennstoffzellensystems kann der Wasserstoff mit Hilfe des elastokalorischen Systems erwärmt werden.
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Darüber hinaus kann das elastokalorische System in einen Kühlkreis des Brennstoffzellensystems integriert werden, um das hierin zirkulierende Kühlmedium zu temperieren. Das Kühlmedium kann mit Hilfe des elastokalorischen Systems wahlweise gekühlt oder erwärmt werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird das Medium mit Hilfe des elastokalorischen Systems in Abhängigkeit von den aktuellen Umgebungs- und/oder Betriebsbedingungen temperiert. Die Temperatur des Mediums kann auf diese Weise optimal den aktuellen Umgebungs- und/oder Betriebsbedingungen angepasst werden. Das heißt, dass das Medium in Abhängigkeit von den aktuellen Umgebungs- und/oder Betriebsbedingungen gekühlt oder erwärmt wird.
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Darüber hinaus kann der Fall eintreten, dass das Medium in Abhängigkeit von den aktuellen Umgebungs- und/oder Betriebsbedingungen weder gekühlt noch erwärmt werden muss, beispielsweise bei einem Kaltstart des Brennstoffzellensystems. In diesem Fall muss die dem Brennstoffzellenstapel zugeführte Luft nach dem Verdichten nicht gekühlt werden. Denn mit Hilfe der durch das Verdichten erwärmten Luft kann das Brennstoffzellensystem schneller auf Betriebstemperatur gebracht werden.
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In Weiterbildung der Erfindung wird daher vorgeschlagen, dass das Medium in Abhängigkeit von den aktuellen Umgebungs- und/oder Betriebsbedingungen über einen Bypasspfad mit integriertem Bypassventil zur Umgehung des elastokalorischen Systems geführt wird. Dadurch ist sichergestellt, dass im Bedarfsfall das Medium weder gekühlt, noch erwärmt wird.
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Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass zum Temperieren des Mediums die Entropieänderung mindestens eines elastokalorischen Materials des elastokalorischen Systems genutzt wird. Die Wahl des elastokalorischen Materials bestimmt den Arbeitsbereich des elastokalorischen Systems. Dieser hängt insbesondere von der Materialkenngröße Af („Austenite-Finish-Temperatur“) ab. Der elastokalorische Effekt ist nur oberhalb dieser Temperatur nutzbar, wobei der effizienteste Arbeitsbereich möglichst nahe oberhalb dieser Temperatur liegt. Daher ist es von Vorteil, wenn ein elastokalorisches Material gewählt wird, dessen Af etwas unterhalb der gewünschten Betriebstemperatur, vorzugsweise Einlasstemperatur, des zu temperierenden Mediums liegt. Als besonders geeignet haben sich beispielsweise Nickel-Titan-Legierungen erwiesen. Diese können zudem Kupfer-, Eisen- und/oder Kobaltanteile enthalten.
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Elastokalorische Materialien mit Arbeitsbereichen deutlich oberhalb Raumtemperatur besitzen tendenziell eine größere latente Wärme ΔH des Phasenübergangs als solche, deren Arbeitsbereich bei Raumtemperatur oder unterhalb von 0°C liegt. Die latente Wärme ΔH des Phasenübergangs beschreibt die maximal mögliche thermische Leistung eines Phasenübergangs des elastokalorischen Materials. Der Einsatz eines elastokalorischen Materials bei erhöhten Temperaturen kann daher zu höheren thermischen Leistungen und damit zu einer erhöhten Effizienz führen.
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Bevorzugt werden mindestens zwei elastokalorische Materialien mit unterschiedlichen Arbeitsbereichen zur Temperierung verwendet. In Abhängigkeit von seinem Arbeitsbereich kann das jeweilige elastokalorische Material zum Kühlen oder Erwärmen des Mediums genutzt werden. Mit Hilfe der unterschiedlichen elastokalorischen Materialien können somit zum Einen eine Wärmesenke und zum Anderen eine Wärmequelle ausgebildet werden. Diese werden vorzugsweise derart verschaltet, dass wahlweise das zu temperierende Medium die Wärmesenke oder die Wärmequelle durchströmt. Auf diese Weise kann ein elastokalorisches System geschaffen werden, das sehr weit voneinander entfernt liegende Betriebspunkte aufweist, beispielsweise einen ersten Arbeitsbereich, der zwischen -50°C und -30°C liegt, sowie einen zweiten Arbeitsbereich, der zwischen 70°C und 110°C liegt. Je nach Betriebsmodus des Brennstoffzellensystems wird dann das eine oder das andere elastokalorische Material angekoppelt und zykliert.
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Alternativ oder ergänzend wird vorgeschlagen, dass verschiedene elastokalorische Materialen des elastokalorischen Systems zur stufenweisen Temperierung des jeweiligen Mediums genutzt werden. Die Arbeitsbereiche dieser Materialien unterschieden sich zwar, liegen aber dicht beieinander, so dass große Temperaturhübe erzielbar sind.
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Bei Verwendung mehrerer elastokalorischer Materialen mit unterschiedlichen Arbeitsbereichen können diese daher parallel oder in Reihe geschaltet sein.
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Als weiterbildende Maßnahme wird vorgeschlagen, dass das Medium zusätzlich nach dem Austritt aus dem Brennstoffzellenstapel temperiert wird. Das elastokalorische System ist hierzu bevorzugt sowohl in eine Zulauflaufleitung als auch in eine Ablaufleitung für das Medium integriert. Beispielsweise kann das zu temperierende Medium in der Weise durch das elastokalorische System geführt werden, dass es in Zulaufrichtung eine Wärmesenke und in Ablaufrichtung eine Wärmequelle des elastokalorischen Systems durchströmt. Dies ist insbesondere von Vorteil, wenn es sich bei dem Medium um Luft handelt, die dem Brennstoffzellenstapel als Sauerstofflieferant zugeführt wird. Denn in diesem Fall kann die zuvor durch Verdichten erwärmte Luft stromaufwärts des Brennstoffzellenstapels gekühlt werden, um die maximale Betriebstemperatur von 90°C nicht zu überschreiten. Stromabwärts des Brennstoffzellenstapels kann dann die Abluft zusätzlich erwärmt werden, um beispielsweise die Energierekuperation mittels einer in einem Abluftpfad angeordneten Gasturbine zu unterstützen.
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Das darüber hinaus zur Lösung der eingangs genannten Aufgabe vorgeschlagene Brennstoffzellensystem, insbesondere PEM-Brennstoffzellensystem, umfasst einen Brennstoffzellenstapel, der zur Versorgung mit mindestens einem Medium, vorzugsweise mit Luft, Wasserstoff und/oder einem Kühlmedium, an mindestens eine Medienleitung für das Medium angeschlossen ist. Erfindungsgemäß ist zum Temperieren des Mediums ein elastokalorisches System in die Medienleitung integriert.
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Das vorgeschlagene Brennstoffzellensystem ist insbesondere zur Durchführung des zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet bzw. nach dem zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren betreibbar. Mit Hilfe des Brennstoffzellensystems lassen sich demnach die gleichen Vorteile wie mit Hilfe des zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens erreichen. Insbesondere kann mit geringem apparativen Aufwand gekühlt und/oder erwärmt werden, ggf. simultan. Der reduzierte apparative Aufwand reduziert zugleich den Bauraumbedarf des Brennstoffzellensystems. Ferner kann mit Hilfe des vorgeschlagenen elastokalorischen Systems - insbesondere im Vergleich zu herkömmlichen Kühl- und/oder Heizeinrichtungen, wie beispielsweise elektrischen Widerstandsheizungen - eine Effizienzsteigerung in Bezug auf die gewünschte Temperierung des Mediums bewirkt werden.
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Das in die Medienleitung integrierte elastokalorische System umfasst hierzu bevorzugt mindestens ein elastokalorisches Material, das bei einer mechanischen Spannungsbeaufschlagung eine Phasenumwandlung sowie eine Entropieänderung erfährt. Der Arbeitsbereich des mindestens einen elastokalorischen Materials wird dabei durch die Af-Kenngröße vorgegeben. Diese liegt vorzugsweise etwas unterhalb der gewünschten Betriebstemperatur, insbesondere Einlasstemperatur des zu temperierenden Mediums. Vorteilhafterweise ist daher das mindestens eine elastokalorische Material eine Nickel-Titan-Legierung.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung bildet das integrierte elastokalorische System eine Wärmesenke zum Kühlen des Mediums sowie eine Wärmequelle zum Erwärmen des Mediums aus. Somit kann das Medium wahlweise gekühlt oder erwärmt werden. Vorzugsweise sind hierzu die Wärmesenke und die Wärmequelle parallel geschaltet, so dass das die Medienleitung durchströmende Medium entweder die Wärmesenke oder die Wärmequelle durchströmt. Zum Schalten der Strömungswege kann in der Medienleitung stromaufwärts des elastokalorischen Systems ein Wegeventil angeordnet sein.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das elastokalorische System in mindestens zwei Medienleitungen für das zu temperierende Medium integriert, wobei vorzugsweise die erste Medienleitung dem Zulauf und die zweite Medienleitung dem Ablauf des Mediums dient. Beispielsweise kann die Wärmesenke des elastokalorischen Systems in die Zulaufleitung, insbesondere Zuluftleitung, und die Wärmequelle in die Ablaufleitung, insbesondere Abluftleitung, des Brennstoffzellensystems integriert werden. Das Medium, wobei es sich insbesondere um Luft handeln kann, kann somit vor Eintritt in den Brennstoffzellenstapel gekühlt werden und nach dem Austritt aus dem Brennstoffzellenstapel weiter erwärmt werden. Dies ist von Vorteil, wenn in die Ablauf- bzw. Abluftleitung eine Gasturbine zur Energierekuperation angeordnet ist.
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Zwischen der Wärmesenke und der Wärmequelle des in zwei Medienleitungen integrierten elastokalorischen Systems kann zudem ein Wärmeübertrager angeordnet sein. Auf diese Weise kann die Effizienz des Systems weiter gesteigert werden. Wenn es sich bei dem zu temperierenden Medium um Luft handelt, ist vorzugsweise der Wärmeübertrager als Gas-Gas-Wärmeübertrager ausgeführt. Die aus dem Brennstoffzellenstapel austretende Abluft kann somit über die Wärme der Zuluft vorgewärmt werden.
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Um eine Umgehung des elastokalorischen Systems zu ermöglichen, wird vorgeschlagen, dass mindestens ein Bypasspfad mit integriertem Bypassventil vorgesehen ist. Bei geöffnetem Bypassventil wird der Bypasspfad freigegeben und das Medium wird nicht über das elastokalorische System geführt. Das heißt, das Medium wird nicht gekühlt oder erwärmt. Das Bypassventil wird vorzugsweise in Abhängigkeit von den aktuellen Umgebungs- und/oder Betriebsbedingungen geschaltet, so dass die Temperatur des Mediums optimal an diese Bedingungen angepasst werden kann. Im Fall eines Kaltstarts kann beispielsweise das Bypassventil geöffnet werden, um die dem Brennstoffzellenstapel zugeführte verdichtete Luft nicht zu kühlen. Denn auf diese Weise wird schneller die Betriebstemperatur des Brennstoffzellensystems erreicht.
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Sofern es sich bei dem zu temperierenden Medium um Luft handelt, ist vorzugsweise stromaufwärts des elastokalorischen Systems ein Verdichter in der Medienleitung angeordnet. Dem Brennstoffzellenstapel kann somit verdichtete Luft zugeführt werden. Da sich beim Verdichten die Luft stark erwärmt, kann mit Hilfe des ferner in der Medienleitung aufgenommenen elastokalorischen Systems die Luft vor Eintritt in den Brennstoffzellenstapel auf die Betriebstemperatur des Brennstoffzellenstapels heruntergekühlt werden.
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Sofern es sich bei dem zu temperierenden Medium um Wasserstoff handelt, ist vorzugsweise stromaufwärts des elastokalorischen Systems ein Druckminderer in der Medienleitung angeordnet. Mit Hilfe des Druckminderers kann der Wasserstoffdruck eingestellt werden, wobei sich jedoch der Wasserstoff stark erwärmt. Wird anschließend der Wasserstoff durch eine Wärmesenke des elastokalorischen Systems geführt, kann der Wasserstoff vor Eintritt in den Brennstoffzellenstapel auf die Betriebstemperatur des Brennstoffzellenstapels heruntergekühlt werden. Um bei einem Kaltstart des Systems schneller die Betriebstemperatur zu erreichen, kann der Wasserstoff nach dem Druckminderer durch eine Wärmequelle des elastokalorischen Systems geführt werden, so dass dieser zusätzlich erwärmt wird. Umso schneller wird die Betriebstemperatur erreicht.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Diese zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines Kathodenbereichs eines ersten erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems,
- 2 eine schematische Darstellung eines Kathodenbereichs eines zweiten erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems,
- 3 eine schematische Darstellung eines Anodenbereichs eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems,
- 4 eine schematische Darstellung eines Kühlsystems eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems,
- 5 ein Diagramm zur Darstellung der Temperaturverläufe im elastokalorischen System der 1 und
- 6 ein Diagramm zur Darstellung der Temperaturverläufe im elastokalorischen System der 2.
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Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt beispielhaft einen Kathodenbereich eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems, über den ein Brennstoffzellenstapel 1 mit Luft versorgbar ist. Die Luft, die der Umgebung entnommen wird, wird über eine Medienleitung 2 bzw. eine dem Zulauf des Mediums dienende Medienleitung 2.1 einem Luftfilter 11 und dann einem Verdichter 8 zugeführt. Je nach Druckverhältnis erwärmt sich die Luft beim Verdichten auf bis zu 160°C. Vor Eintritt in den Brennstoffzellenstapel 1 muss daher die Luft gekühlt werden. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist hierzu ein Gas-Gas-Wärmeübertrager 10 in der Medienleitung 2.1 stromabwärts des Verdichters 8 angeordnet. Dieser kühlt die Luft auf eine Temperatur von etwa 100°C ab. Anschließend durchströmt die Luft eine Wärmesenke 5.1 eines in die Medienleitung 2.1 integrierten elastokalorischen Systems 5. Dabei wird eine Abkühlung der Luft auf etwa 80°C erreicht. Mit dieser Temperatur strömt die Luft in den Brennstoffzellenstapel 1 ein.
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Das elastokalorische System 5 weist neben der Wärmsenke 5.1 eine Wärmequelle 5.2 auf, die in einer dem Ablauf des Mediums dienenden Medienleitung 2.2 integriert ist. Die Wärmequelle 5.2 ist stromabwärts des Gas-Gas-Wärmeübertragers 10 angeordnet, so dass die aus dem Brennstoffzellenstapel 1 austretende feuchte, an Sauerstoff verarmte Luft zunächst im Gegenstrom zur heißen Luft der Medienleitung 2.1 durch den Gas-Gas-Wärmeübertrager 10 geführt wird, wobei sie sich von ca. 80°C auf bis zu 140°C erwärmt. Die derart vorgewärmte Luft strömt anschließend durch die Wärmequelle 5.2 des elastokalorischen Systems 5, wobei die Luft weiter auf bis zu 160°C erwärmt wird. Mit dieser Temperatur strömt in dem dargestellten Ausführungsbeispiel die Luft in einen Expander 12 ein, wobei ein Teil der zuvor für die Verdichtung aufgewendeten Energie rekuperiert wird. Eine mechanische Kopplung zwischen dem Verdichter 8 und dem Expander 12 muss dabei nicht bestehen. Die gewonnene Energie kann stattdessen durch einen Generator in elektrische Energie gewandelt und in eine Batterie eingespeist werden.
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In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ersetzt das elastokalorische System einen Ladeluftkühler. Das elastokalorische System stellt eine höhere Kühlleistung zur Verfügung, weshalb die Kühlmittelpumpe kleiner dimensioniert werden kann. Des Weiteren ist kein Sekundärkreis mit zusätzlichen Komponenten für die Konditionierung der Luft erforderlich, so dass der apparative Aufwand und der Bauraumbedarf sinken. Die Funktionen des Gas-Gas-Wärmeübertragers 10 und des elastokalorischen Systems 5 können auch in einer Komponente kombiniert werden, so dass eine noch kompaktere Anordnung geschaffen werden kann.
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Das elastokalorische System 5 der 1 ist insbesondere für Hochlastbetriebspunkte gedacht. Zur Umgehung des Systems 5 im Teillastbereich ist jeweils ein die Wärmesenke 5.1 bzw. die Wärmequelle 5.2 umgehender Bypasspfad 6 vorgesehen, der durch Öffnen eines in den Bypasspfad 6 integrierten Bypassventils 7 freigebbar ist.
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Die Temperaturverläufe im Gas-Gas-Wärmeübertrager 10 und im elastokalorischen System 5 sind beispielhaft in der 5 dargestellt. Nach dem Verdichten und vor dem Eintritt in den Gas-Gas-Wärmeübertrager 10, weist die Luft (Zuluft) eine Temperatur von etwa 160°C auf. Der Wärmeübertrager 10 kühlt die Luft auf etwa 100°C ab. Beim Durchströmen der Wärmesenke 5.2 des elastokalorischen Systems 5 kühlt sich die Luft weiter auf etwa 80°C ab. Mit dieser Temperatur strömt die Luft in den Brennstoffzellenstapel 1 ein. Nach dem Austritt aus dem Brennstoffzellenstapel 1 weist die Luft (Abluft) immer noch eine Temperatur von etwa 80°C auf. Mit Hilfe des Wärmeübertragers 10 wird sie zunächst auf etwa 140°C und anschließend mit Hilfe der Wärmequelle 5.2 des elastokalorischen Systems 5 auf etwa 160°C erwärmt.
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In Abwandlung des in der 1 dargestellten Systems kann die Verdichtung mehrstufig sein. Ferner können neben dem dargestellten Wärmeübertrager 10 weitere Apparate zur Konditionierung der Zuluft und/oder der Abluft verbaut sein.
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Auf den in der 1 dargestellten Wärmeübertrager 10 kann zudem verzichtet werden. Ein entsprechendes Ausführungsbeispiel ist in der 2 dargestellt. Die gesamte Heiz-/Kühlleistung wird hier über das elastokalorische System 5 erbracht. Die Möglichkeit, mit Hilfe des elastokalorischen Systems 5 gleichzeitig Heizen und Kühlen zu können, kommt hier besonders deutlich zum Tragen. Der zugehörige Temperaturverlauf ist in der 6 dargestellt.
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Um gemäß dem Ausführungsbeispiel der 2 den gesamten Temperaturhub über das elastokalorische System 5 darzustellen, werden vorzugsweise unterschiedliche elastokalorische Materialen eingesetzt, die weiterhin vorzugsweise seriell verschaltet werden, so dass eine stufenweise Temperierung erreichbar ist. In jeder Stufe können die elastokalorischen Eigenschaften des Materials optimal auf den jeweiligen Ziel-Temperaturbereich angepasst werden.
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Da das in der 2 dargestellte Ausführungsbeispiel darüber hinaus dem Ausführungsbeispiel der 1 entspricht, wird im Übrigen auf die Beschreibung der 1 verwiesen.
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Der 3 ist ein Anodenbereich eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems zu entnehmen, über den ein Brennstoffzellenstapel 1 mit Wasserstoff versorgbar ist. Zum Bevorraten von Wasserstoff ist ein Drucktank 13 vorgesehen, der über eine Medienleitung 3 mit einem Wasserstoffventil 15 verbunden ist. In die Medienleitung 3 ist ein elastokalorisches System 5 mit einer Wärmesenke 5.1 und einer Wärmequelle 5.2 integriert. Stromaufwärts des elastokalorischen Systems 5 ist ein Wegeventil 14 in der Medienleitung 3 angeordnet, so dass in Abhängigkeit von der Schaltstellung des Wegeventils 14 der dem Drucktank 13 entnommene Wasserstoff durch die Wärmesenke 5.1 oder die Wärmequelle 5.2 des elastokalorischen Systems 5 geführt wird.
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Beim Betanken des Drucktanks 13 erwärmt sich der Wasserstoff von -40°C auf bis zu 80°C. Wird das Fahrzeug nach einem Tankvorgang bei hoher Last betrieben, kommt es in einem dem Drucktank 13 nachgeschalteten Druckminderer 9 aufgrund des negativen Joule-Thomson-Koeffizienten von Wasserstoff zu einem weiteren Temperaturanstieg. Dies hat zur Folge, dass der Wasserstoff gekühlt werden muss bevor er dem Brennstoffzellenstapel 1 zugeführt wird. Die erforderliche Kühlung wird in dem Beispiel der 3 mit Hilfe der Wärmesenke 5.1 des elastokalorischen Systems 5 dargestellt. Eine Anbindung des Anodenbereichs an ein Kühlsystem des Fahrzeugs ist somit entbehrlich. Bei einem Kaltstart unterhalb von 0°C Umgebungstemperatur kann mit Hilfe der Wärmequelle 5.2 des elastokalorischen Systems 5 der dem Drucktank 13 entnommene Wasserstoff zudem vorgewärmt werden.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel, das in der 4 dargestellt ist, kann das elastokalorische System 5 auch in eine Medienleitung 4 für ein Kühlmedium eines Kühlkreises integriert werden. Der Kühlkreis der 4 dient der Kühlung eines Brennstoffzellenstapels 1. Er ist hierzu als Flüssigkeitsumlaufkühlung ausgeführt. Er umfasst eine Pumpe 18, ein als Wegeventil 16 ausgeführtes Kühler-Bypassventil zur Temperatursteuerung sowie einen Radiator 17, der die Wärme aus dem Kreislauf abführt und an die Umgebung abgibt. Bei tiefen Temperaturen ist das Ziel, den Kühlkreis und den Brennstoffzellenstapel 1 möglichst schnell zu erwärmen. Diese Aufgabe übernimmt vorliegend das elastokalorische System 5 mit vorgeschaltetem Wegeventil 14. Beim Kaltstart wird das Wegeventil 14 so gestellt, dass das Kühlmedium das elastokalorische System 5 im Bereich der Wärmequelle 5.2 durchströmt. Bei hohen Temperaturen im Kühlkreis wird das Wegeventil 14 so gestellt, dass das Kühlmedium den Bereich der Wärmesenke 5.1 durchströmt. Dadurch wird ein zusätzlicher Kühleffekt erzielt, der den Radiator 17 unterstützt. Das elastokalorische System 5 kann dabei derart ausgelegt werden, dass die Heiz-/Kühlleistung im Bereich elektrisch betriebener Widerstandsheizer liegt (5-10 kW).