Titel

Brennstoffzellensystem, Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems.

Stand der Technik

Mit Hilfe eines Brennstoffzellensystems kann unter Verwendung von Wasserstoff und Sauerstoff chemische in elektrische Energie umgewandelt werden. Die auf diese Weise gewonnene elektrische Energie kann beispielsweise zum Antreiben eines Fahrzeugs genutzt werden. Der benötigte Wasserstoff wird in diesem Fall in einem geeigneten Tank an Bord des Fahrzeugs mitgeführt. Der ferner benötigte Sauerstoff wird der Umgebungsluft entnommen.

Bevor die Umgebungsluft der mindestens einen Brennstoffzelle zugeführt wird, wird sie zur Erzeugung eines gewissen Luftmassenstroms und Druckniveaus mit Hilfe eines Luftverdichtungssystems verdichtet. Als Luftverdichtungssystem kann insbesondere eine thermische Strömungsmaschine eingesetzt werden, die ein- oder mehrstufig und/oder ein- oder mehrflutig aufgebaut sein kann. Zur Energierückgewinnung kann das Luftverdichtungssystem mit einer Turbine bzw. einem Abgasturbolader gekoppelt werden, der bzw. dem die aus der mindestens einen Brennstoffzelle abströmende feuchte Luft bzw. Abluft zugeführt wird. Sofern das Luftverdichtungssystem mehrstufig ausgeführt ist, kann zur Ausbildung einer Verdichtungsstufe anstelle einer thermischen Strömungsmaschine auch eine andere Technologie verwendet werden, beispielsweise eine Kolbenmaschine, ein Schraubenkompressor, ein Roots- Kompressor oder ein Scrollverdichter. Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Betrieb eines Brennstoffzellensystems mit einem mehrstufigen Luftverdichtungssystem zu optimieren, insbesondere effizienter zu gestalten.

Zur Lösung der Aufgabe werden das Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems mit den Merkmalen des Anspruchs 7 angegeben. Vorteilhafte Ausführungsformen sind den jeweiligen Unteransprüchen zu entnehmen.

Die vorliegende Erfindung ist nicht allein auf mobile Brennstoffzellensysteme, sondern auch auf stationäre Brennstoffzellensysteme anwendbar.

Offenbarung der Erfindung

Vorgeschlagen wird ein Brennstoffzellensystems, bei dem Luft aus der Umgebung mit Hilfe eines eine erste Verdichtungsstufe mit einem ersten Verdichterlaufrad und eines eine zweite Verdichtungsstufe mit einem zweiten Verdichterlaufrad umfassenden Luftverdichtungssystems angesaugt, verdichtet und über einen Kathoden-Zuluftpfad mindestens einer Brennstoffzelle zugeführt wird. Bei dem Brennstoffzellensystem wird ferner aus der Brennstoffzelle austretende Abluft über einen Kathoden-Abluftpfad abgeführt. Erfindungsgemäß ist im Kathoden-Abluftpfad eine erste Turbine und eine zweite Turbine angeordnet, wobei das erste Verdichterlaufrad durch die erste Turbine und das zweite Verdichterlaufrad durch die zweite Turbine antreibbar ist. Es wird folglich vorgeschlagen, dass die erste und zweite Verdichtungsstufe als Abgasturbolader ausgeführt ist.

Durch das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem kann der Kraftstoffverbrauch gesenkt werden, da durch die Einbindung von zwei Turbinen in den Abluftpfad ein geringerer Energiebedarf zum Betreiben des Luftverdichtungssystems besteht.

Das Brennstoffzellensystem ist robuster und ausfallsicherer, da bei einem Defekt einer der beiden Turbinen, weiterhin Energie aus dem Abgas zur Verdichtung von Luft im Luftpfad genutzt werden kann. Ein weiterer positiver Aspekt ist die verbesserte Energierekuperation durch die Möglichkeit Abwärme vor den Turbinen einzukoppeln.

In den abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems und des Verfahrens zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems angegeben.

Es ist von Vorteil, wenn das erste Verdichterlaufrad mit Hilfe eines ersten Motors und/oder das zweite Verdichterlaufrad mit Hilfe eines zweiten Motors antreibbar ist/sind, um die erforderlichen Verdichtungsverhältnisse der Luft im Luftpfad aufzubauen.

Ein erster Bypasspfad, in dem ein erstes Bypassventil angeordnet ist, welcher mit dem Kathoden-Abluftpfad verbunden ist, ist vorteilhaft, da der erste Bypasspfad zur Umgehung der ersten Turbine vorgesehen ist, und damit die Möglichkeit gegeben ist die Turbine in das Luftverdichtungssystem ein- oder auszukoppeln. Dies erweitert die Anzahl der Freiheitsgrade bei der Betriebsführung und führt in Summe zu einer Reduzierung der Betriebskosten. Die Reduzierung der Betriebskosten ist so signifikant, dass sie die erhöhten Kosten durch eine Weitere Turbine rechtfertigt.

Ein zweiter Bypasspfad, in dem ein zweites Bypassventil angeordnet ist, wobei der Bypasspfad mit dem Kathoden-Abluftpfad verbunden ist und zur Umgehung der zweiten Turbine vorgesehen ist, weist die gleichen Vorteile auf, wie der erste Bypasspfad.

Ein besonderer Vorteil wird erzielt, wenn die erste Turbine für einen oberen Lastbereich ausgelegt ist und die zweite Turbine für einen niedrigen Lastbereich ausgelegt ist, da durch die zwei unterschiedlich ausgelegten Turbinen eine variable Turbinengeometrie approximiert werden kann. Ein komplexer Verstellmechanismus, wie bei einer variablen Turbinengeometrie, ist nicht erforderlich, um unterschiedliche Lastbereiche optimal zu bedienen. Dies führt zu einer Reduzierung der Kosten bei der Herstellung, einer höheren Robustheit bei der Turbine, weil auf den Verstellmechanismus verzichtet werden kann. Des Weiteren ist durch die flexible Einkopplung der beiden Turbinen ein breiter Betriebsbereich mit hoher Rekuperationseffizienz möglich, was zu einer Reduzierung des Wasserstoffverbrauches führt. Hierbei ist es von Vorteil, wenn das erste Bypassventil und/oder das zweite Bypassventil abhängig von dem über die erste Turbine und/oder zweite Turbine benötigten Massenstrom geöffnet, geschlossen oder teilweise geöffnet wird. Bei einem Betrieb der Brennstoffzelle im unteren Lastbereich, insbesondere unter eines ersten vorgegebenen Schwellwertes wird das erste Bypassventil geöffnet wird, und Abgas aus dem Abgaspfad über die zweite Turbine geleitet. Dagegen wird bei einem Betrieb der Brennstoffzelle im oberen Lastbereich, insbesondere oberhalb eines zweiten vorgegebenen Schwellwertes, das zweite Bypassventil geöffnet und Abgas aus dem Abgaspfad über die erste Turbine geleitet.

Da im Betrieb des Brennstoffzellensystems der Kathoden-Abluftpfad feuchte Luft als Abluft führt, kann durch Einleiten zumindest eines Teils der feuchten Luft in den Kathoden-Zuluftpfad eine Befeuchtung der Kathoden-Zuluft bewirkt werden. Eine zusätzliche Befeuchtungseinrichtung im Kathoden-Zuluftpfad ist somit entbehrlich. Die Befeuchtung der Kathoden-Zuluft dient dem Zweck, ein Austrocknen der protonenleitenden Membran der mindestens einen Brennstoffzelle zu verhindern. Denn, um Protonen leiten zu können, muss die Membran ausreichend feucht sein. Da die Gefahr des Austrocknens im Bereich des Eintritts des Kathoden-Zuluftpfads in die Brennstoffzelle besonders hoch ist, wird in der Regel die Kathoden-Zuluft befeuchtet. Es erfolgt somit zu einer Optimierung des Wassermanagements im Betrieb des Brennstoffzellensystems bei.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Diese zeigt in Figur 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems.

Ausführliche Beschreibung der Zeichnung

Der Fig. 1 ist beispielhaft ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem 1 mit einer Brennstoffzelle 5 zu entnehmen, die über einen Kathoden-Zuluftpfad 4 mit Sauerstoff versorgbar ist. Hierzu wird Luft aus einer Umgebung 2 angesaugt und über einen optionalen Luftfilter 13 einem mehrstufigen Luftverdichtungssystems 3 zugeführt. Das mehrstufige Luftverdichtungssystem 3 weist eine erste Verdichtungsstufe mit einem ersten Verdichterlaufrad 14 und eine zweite Verdichtungsstufe mit einem zweiten Verdichterlaufrad 24 auf.

Die Brennstoffzelle ist des Weiteren mit einen Kathoden-Abluftpfad 6 verbunden. Der Kathoden-Ablufpfad 6 dienen dazu verbrauchte Luft, Wasser und Abgase aus der Brennstoffzelle an die Umgebung abzugeben. Im Kathoden-Abluftpfad 6 ist eine erste Turbine 11 und eine zweite Turbine 21 angeordnet.

Das erste Verdichterlaufrad 14 und das zweite Verdichterlaufrad 24 ist jeweils auf einer Welle 18 angeordnet, wobei das erste Verdichterlaufrad 14 durch die erste Turbine 11 und das zweite Verdichterlaufrad 24 durch die zweite Turbine 21 antreibbar ist. Das heißt, dass die erste und zweite Verdichtungsstufe durch jeweils einen Abgasturbolader realisiert wird.

Die erste Turbine 11 besitzt ein Turbinenlaufrad, das gemeinsam mit dem Verdichterlaufrad 14 des Abgasturboladers auf der gemeinsamen Welle 15 angeordnet ist. Das Turbinenlaufrad der ersten Turbine 11 wird von Abluft angeströmt wird, die im Betrieb des Brennstoffzellensystems 1 aus der Brennstoffzelle 5 und/oder aus der zweiten Turbine 21 austritt und über einen Kathoden-Abluftpfad 6 abgeführt wird.

Die zweite Turbine 21 besitzt ein Turbinenlaufrad, das gemeinsam mit dem Verdichterlaufrad 24 des Abgasturboladers auf der gemeinsamen Welle 15 angeordnet ist. Das Turbinenlaufrad der zweiten Turbine 21 wird von Abluft angeströmt wird, die im Betrieb des Brennstoffzellensystems 1 aus der Brennstoffzelle 5 austritt und über einen Kathoden-Abluftpfad 6 abgeführt wird.

Zusätzlich weist die Welle 18 des ersten Verdichterlaufrads 14 einen Motor 15 auf mit dessen Hilfe das erste Verdichterlaufrad 14 antreibbar ist. Die Welle 18 des zweiten Verdichterlaufrads 24 weist ebenso einen Motor 25 auf, mit dessen Hilfe das zweite Verdichterlaufrad 14 antreibbar ist.

Das Brennstoffzellensystem 1 weist im Kathoden-Abluftpfad 6 einen ersten Bypasspfad 10 auf, in dem ein erstes Bypassventil 17 angeordnet ist. Der erste Bypasspfad 10 dient zur Umgehung der ersten Turbine 11, so dass Abgas aus dem Kathoden-Abluftpfad 6 an der ersten Turbine 11 vorbeiströmen kann. Das erste Bypassventil 17 kann abhängig vom Leistungsbedarf der Brennstoffzelle 5 vollständig oder teilweise geöffnet werden oder geschlossen sein. Ist das Bypassventil 17 vollständig geöffnet, strömt die gesamte Abluft an der ersten Turbine 11 vorbei, so dass diese nicht zum Antrieb des ersten Verdichterlaufrades 14 beitragen kann.

Das Brennstoffzellensystem 1 weist im Kathoden-Abluftpfad 6 einen ersten Bypasspfad 10 auf, in dem ein erstes Bypassventil 17 angeordnet ist. Der erste Bypasspfad 10 dient zur Umgehung der ersten Turbine 11, so dass Abgas aus dem Kathoden-Abluftpfad 6 an der ersten Turbine 11 vorbeiströmen kann. Das erste Bypassventil 17 kann abhängig vom Leistungsbedarf der Brennstoffzelle 5 vollständig oder teilweise geöffnet werden oder geschlossen sein. Ist das Bypassventil 17 vollständig geöffnet, strömt die gesamte Abluft an der ersten Turbine 11 vorbei, so dass diese nicht zum Antrieb des ersten Verdichterlaufrades 14 beitragen kann.

Das Brennstoffzellensystem 1 weist im Kathoden-Abluftpfad 6 einen zweiten Bypasspfad 20 auf, in dem ein zweites Bypassventil 27 angeordnet ist. Der zweite Bypasspfad 20 dient zur Umgehung der zweiten Turbine 21, so dass Abgas aus dem Kathoden-Abluftpfad 6 an der zweiten Turbine 21 vorbeiströmen kann. Das zweite Bypassventil 27 kann abhängig vom Leistungsbedarf der Brennstoffzelle 5 vollständig oder teilweise geöffnet werden oder geschlossen sein. Ist das Bypassventil 27 vollständig geöffnet, strömt die gesamte Abluft an der zweiten Turbine 21 vorbei, so dass diese nicht zum Antrieb des ersten Verdichterlaufrades 24 beitragen kann.

Gemäß einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben des Brennstoffzellensystem kann das erste Verdichterlaufrad 14 durch den ersten E- Motor 15 und/oder durch die erste Turbine 11 angetrieben werden. Bei einem reinen Antrieb durch den E-Motor 15 ist das erste Bypassventil 17 vollständig geöffnet. Bei einem reinen Antrieb durch die Turbine 11 ist der erste Motor 15 nicht aktiv. Des Weiteren ist eine Kombination eines Antriebs aus erstem Motor 15 und erster Turbine 11 möglich. In diesem Fall ist das erste Bypassventil 17 teilweise geöffnet. Ein analoger Betrieb ist auch beim zweiten Verdichterlaufrad 24 möglich, da dieses den ersten E-Motor 25 und/oder durch die zweite Turbine 21 angetrieben werden. Abhängig von der jeweiligen Leistungsanforderung an das Brennstoffzellensystem, kann das erste Bypassventil 17 und/oder das zweite Bypassventil 27 abhängig von dem über die erste Turbine 11 und/oder zweite Turbine 21 benötigten Massenstrom geöffnet, geschlossen oder teilweise geöffnet werden.

Da sowohl das erste Verdichterlaufrad 14 in einem beliebigen Modus durch die Aktoren (erste Turbine 11 und erster E-Motor 15) betrieben werden kann und dass das zweite Verdichterlaufrad 24 in einem beliebigen Modus durch die Aktoren (zweite Turbine 21 und zweiter E-Motor 25) betrieben werden kann, können über die beiden Verdichterstufen des Luftverdichtungssystems 3 alle beliebigen Leistungsanforderungen bedient werden.

Durch die Freiheitsgrade bei den Aktoren kann die Betriebsstrategie dahingehend optimiert werden, dass die Summenleistung PelEAC = PelEACl + PelEAC2, der beiden elektrischen Motoren 15 und 25, für den jeweils angeforderten Gesamtmassenstrom und das jeweils angeforderte Druckniveau über den ganzen Betriebsbereich minimiert wird. Dadurch kann eine signifikante Verbrauchsreduzierung ermöglicht werden, die die Investition von E-Motoren 15, 25 und zwei Turbinen 11,21 aus Kostensicht motiviert.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist weist die erste Turbine 11 eine feste Geometrie auf, die bevorzugt für einen oberen Lastbereich ausgelegt ist, während die zweite Turbine 21 eine feste Geometrie aufweist, die bevorzugt für einen niedrigen Lastbereich ausgelegt ist.

Bei dieser weiteren Ausführungsform wird im Betrieb der Brennstoffzelle 1 im unteren Lastbereich das erste Bypassventil 17 geöffnet, so dass Abgas aus dem Abgaspfad nur über die zweite Turbine 21 geleitet wird. Das erste Verdichterlaufrad 14 kann bei Bedarf nur über den ersten E-Motor 15 angetrieben werden. Entsprechend wird bei einem Betrieb im oberen Lastbereich das zweite Bypassventil 27 geöffnet und das Abgas aus dem Abgaspfad nur über die erste Turbine 11 geleitet wird. Das zweite Verdichterlaufrad 24 kann bei

Bedarf nur über den zweiten E-Motor 25 angetrieben werden.

In einer weiteren Ausführungsforum weisen die erste Turbine 11 und die zweite Turbine 21 eine unterschiedliche Geometrie ihrer Laufräder auf, welche für jeweils einen anderen Lastbereich ausgelegt sind, wobei das Laufrad der ersten Turbine 11 für einen unteren Lastbereich optimiert ist und das Laufrad der zweiten Turbine 21 für einen oberen Lastbereich optimiert ist.

Das Brennstoffzellensystem 1 kann in einer optionalen Ausführungsform im Kathoden-Zuluftpfad 4 zwei Zwischenkühler 8 aufweisen. Ein erster Zwischenkühler 8 ist zwischen den beiden Verdichterlaufrädern 14, 24 angeordnet ein zweiter Zwischenkühler 8 ist stromabwärts des zweiten Verdichterlaufrades 24 angeordnet. Der erste Zwischenkühler 8 ist optional. Der zweite Zwischenkühler 8 kann auch durch eine Vorrichtung zur Wassereinspritzung (nicht dargestellt) ersetzt werden. Stromaufwärts des ersten Zwischenkühlers 8 mündet eine Verbindungsleitung 7 in den Kathoden- Zuluftpfad 4, die andernends an den Kathoden-Abluftpfad 6 angeschlossen ist. In der Verbindungsleitung 7 ist zudem ein ansteuerbares Ventil 9 angeordnet. Wird das Ventil 9 geöffnet, strömt aufgrund der vorherrschenden Druckverhältnisse Abluft bzw. feuchte Luft aus dem Kathoden-Abluftpfad 6 über die Verbindungsleitung 7 in den Kathoden-Zuluftpfad 4. Die Kathoden-Zuluft wird auf diese Weise befeuchtet und gekühlt. Zugleich wird ein Teil der Abluft rezirkuliert und einer Nutzung zugeführt.