DE10016185A1

DE10016185A1 - Brennstoffzellensystem

Info

Publication number: DE10016185A1
Application number: DE10016185A
Authority: DE
Inventors: Andreas Knoop
Original assignee: Xcellsis AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2000-03-31
Filing date: 2000-03-31
Publication date: 2001-10-18
Anticipated expiration: 2020-04-01
Also published as: FR2807875A1; US20020009629A1; US6653010B2; DE10016185B4; FR2807875B1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem und ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems mit einer Brennstoffzelleneinheit und einer Luftversorgung zur Bereitstellung eines Brennstoffs für die Brennstoffzelleneinheit, wobei im Gaserzeugungssystem ein Kompressor mit variablem inneren Verdichtungsverhältnis zur Medienförderung vorgesehen ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem und ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems gemäß dem Oberbegriff der unabhängigen Ansprüche 1 und 5.

Besonders in methanolbetriebenen Brennstoffzellenfahrzeugen ist zum Kaltstart des Systems eine relativ große Energiemenge notwendig, die in der Regel von der fahrzeugseitigen Batterie zur Verfügung gestellt werden muß. In der Kaltstartphase erfordert besonders die elektrische Versorgung des Gaserzeugungssystems zur Bereitstellung des Wasserstoffgases für die Brennstoffzelle eine große elektrische Leistung. Ein solches Brennstoffzellensystem ist z. B. aus der DE-C2 43 22 767 bekannt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Brennstoffzellensystem und ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems anzugeben, bei welchem der Energieverbrauch beim Kaltstart verringert ist.

Diese Aufgabe wird bei einem Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. 5 gelöst.

Erfindungsgemäß wird ein Brennstoffzellensystem bereitgestellt, bei dem zur Luftversorgung der Kathodenseite einer Brennstoffzelle ein Kompressor mit variablem inneren Verdichtungsverhältnis verwendet wird. Dadurch kann der Kompressor an die unterschiedlichen Anforderungen bei Kaltstart und Normalbetrieb angepaßt werden, so daß der Energieverbrauch verbessert wird und zusätzlich lästige Geräuschemissionen vermieden werden können.

Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus den weiteren Ansprüchen und der Beschreibung hervor.

Im folgenden ist die Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen

Fig. 1 ein Druck-Volumen-Diagramm zum Verdichtungsverhältnis eines Kompressors in einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem und

Fig. 2 ein Druck-Massenstrom-Diagramm im Kaltstartfall (untere Kurve 1) und im Normalbetrieb (obere Kurve 2).

Die Erfindung eignet sich besonders zur Kathodenluftversorgung bei Brennstoffzellensystemen in mobilen Anlagen, bei denen ein Brennmittel für die Brennstoffzelleneinheit mit einem Gaserzeugungssystem aus einem wasserstoffhaltigen Medium gewonnen wird oder auch bei Brennstoffzellensystemen, die aus einem Wasserstoffreservoir versorgt werden. Die Erfindung wird anhand eines Brennstoffzellensystems mit Gaserzeugungssystem und einer PEM-Brennstoffzelleneinheit beschrieben, ist jedoch nicht auf solche Systeme eingeschränkt.

Bei einem üblichen derartigen Brennstoffzellensystem versorgt ein Gaserzeugungssystem eine Brennstoffzelleneinheit mit Brennmittel, bevorzugt Wasserstoff. Die Brennstoffzelleneinheit besteht aus einer oder mehreren Brennstoffzellen, die vorzugsweise so elektrisch verschaltet sind, daß sie die elektrische Leistung, z. B. zum Antrieb eines Fahrzeugs, zur Verfügung stellen kann. Dem Gaserzeugungssystem zugeordnet ist ein Kompressor, der ein sauerstoffhaltiges Medium, vorzugsweise Luft, verdichtet und zur Verbrennung dem Gaserzeugungssystem und/oder der Brennstoffzelleneinheit zur Verfügung stellt. Sauerstoff wird sowohl von der Brennstoffzelleneinheit als Kathodenluftversorgung benötigt als auch im Gaserzeugungssystem bei verschiedenen Oxidationsprozessen wie etwa bei der CO- Oxidation, bei der partiellen Oxidation, bei katalytischen Brennern und dergleichen.

Bei einem z. B. mit Methanol betriebenen Brennstoffzellenfahrzeug wird eine fahrzeugseitige Batterie beim Kaltstart stark belastet, da sie die Energie für einen großen Verbraucher wie einen Kompressor zur Verfügung stellen muß. Üblicherweise sind derartige Kompressoren für einen hohen Wirkungsgrad bei Normalbetrieb ausgelegt die einen günstigen hohen Betriebsdruck ermöglichen. Häufig werden dafür Maschinen mit einem hohen inneren Verdichtungsverhältnis V_i verwendet. Das Verdichtungsverhältnis V_i gibt dabei das Verhältnis zwischen dem Totvolumen des Verdichters zum Volumen des angesaugten Medium wieder.

Ein typischer Kompressor in einem Brennstoffzellensystem hat ein Verdichtungsverhältnis V_i im Bereich von 1,3 bis 2,5. Das Verdichtungsverhältnis V_i ist im Idealfall gleich dem Druckverhältnis π des Kompressors, wobei π das Verhältnis zwischen dem Druck auf der Ansaugseite zu dem Enddruck des Kompressors darstellt, meist ist V_i etwas geringer als das Druckverhältnis. Gebräuchlicher als das Druckverhältnis ist für einen Kompressor die Verdichtungsarbeit. Dabei ist die innere Verdichtungsarbeit, welche durch den Kompressor gegeben ist, stets kleiner als die äußere Verdichtungsarbeit, welches vom anschließenden System beeinflußt wird. Ein Wert von π = 1,3 entspricht einem Überdruck von ca. 300 mbar, den der Kompressor liefert.

Im Normalbetrieb wird z. B. ein Brennstoffzellensystem mit einem Druckverhältnis von π = 3 betrieben. Das hohe Druckverhältnis, und damit auch das hohe Verdichtungsverhältnis, ist notwendig, um die Brennstoffzelle optimal zu betreiben und eine günstige Wasserbilanz des Brennstoffzellensystems zu erreichen.

In Fig. 1 ist ein Druck-Volumen-Diagramm dargestellt, welches die Druckverhältnisse im Kaltstartfall erläutern soll. Ein Kompressor saugt Luft an und komprimiert diese bis zu einem Druck P₂. Dieser Druck P₂ entspricht vorzugsweise dem Druck, der im Normalbetrieb für einen optimalen Brennstoffzellenbetrieb erreicht werden soll. Im Kaltstartfall wird jedoch vorrangig Luft dem Gaserzeugungssystem zur Verfügung gestellt, so daß der Druck hinter dem Verdichter auf den Wert P1 abfällt. Die Fläche unter der Kurve zwischen P₁ und P₂ stellt eine Arbeit dar, die von einer Energiequelle, etwa einer Batterie, im Kaltstartfall aufzubringen ist, jedoch vom System nicht genutzt wird. Es wird im Kaltstartfall jedoch nicht nur die Energiequelle unnötig belastet, sondern zusätzlich noch eine unerwünscht hohe Geräuschemission im oberen Druckbereich zwischen P₁ und P₂ erzeugt.

In Fig. 2 ist der Druck-Massenstrom-Verlauf in einem bevorzugten Brennstoffzellensystem dargestellt. Im Kaltstartfall (Kurve 1) steigt der Druck nur langsam an, üblicherweise entspricht der Verlauf einer nach oben geöffneten Parabel entsprechend einer üblichen Druckverlustkennlinie eines Brennstoffzellensystems. Bei hohem Massenstrom steigt der Druck überproportional steil an. Im Normalbetrieb (Kurve 2) dagegen steigt der Druck bereits bei kleinen Massenströmen steil an und der Druckzuwachs bei hohen Massenstrom ist nur noch gering.

Gemäß der Erfindung wird ein Kompressor verwendet, welcher ein variables inneres Verdichtungsverhältnis V_i aufweist und damit ein variables Druckverhältnis ermöglicht. Ein variables Verdichtungsverhältnis V_i kann erreicht werden, indem die Austrittsöffnung des Kompressors eine variable Größe aufweist. Dies kann erfolgen, indem etwa eine oder mehrere zusätzliche Austrittsöffnungen im Kaltstartfall geöffnet werden, so daß das Verdichtungsverhältnis V_i sinkt. Im Normalbetrieb wird diese Öffnung bzw. werden diese Öffnungen wieder geschlossen, und das Verdichtungsverhältnis V_i steigt an.

Es ist auch möglich, das Verdichtungsverhältnis V_i über eine im wesentlichen kontinuierliche Veränderung der Austrittsöffnung einzustellen, indem etwa die Größe einer Austrittsöffnung mit einer Blende kontinuierlich freigegeben oder abgedeckt wird.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird ein Wankelverdichter als Kompressor verwendet, der ein variables inneres Verdichtungsverhältnis V_i aufweist. In einer weiteren bevorzugten' Gestaltung wird ein Schraubenverdichter als Kompressor mit einem variablen inneren Verdichtungsverhältnis V_i verwendet, der mindestens zwei Auslässe für verdichtete Medien aufweist, die unterschiedliches Druckniveau aufweisen, wie z. B. in der EP653015 beschrieben. Ein Auslaß ist für einen kleinen Medienstrom mit hohem Druckniveau, ein Auslaß ist für einen großen Medienstrom mit geringerem Druckniveau vorgesehen.

Günstig ist auch, eine entsprechende Veränderung des inneren Verdichtungsverhältnisses V_i des Kompressors auch lastabhängig vorzunehmen, z. B. den Kompressor im unteren Lastbereich mit kleinem inneren Verdichtungsverhältnis V_i und im oberen Lastbereich mit hohem inneren Verdichtungsverhältnis V_i zu betreiben.

Dadurch kann nicht nur Energie in der Kaltstartphase eingespart und die fahrzeugseitige Batterie geschont werden, sondern auch der Wirkungsgrad des Kompressors im unteren Lastbereich verbessert werden. Darüber hinaus werden speziell im unteren Lastbereich akustische Probleme vermieden, da die Geräuschemission des Kompressors mit kleinem oder keinem inneren Verdichtungsverhältnis V_i im unteren Lastbereich verringert wird.

Claims

1. Brennstoffzellensystem mit einer Brennstoffzelleneinheit und einer Luftversorgung zur Bereitstellung eines sauerstoffhaltigen Mediums für die Brennstoffzelleneinheit, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kompressor mit variablem inneren Verdichtungsverhältnis (V_i) zur Medienförderung vorgesehen ist.

2. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das innere Verdichtungsverhältnis (V₁) abhängig von Betriebsbedingungen kontinuierlich variierbar ist.

3. Brennstoffzellensystem nach Ansprüch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das innere Verdichtungsverhältnis (V_i) abhängig von Betriebsbedingungen diskontinuierlich variierbar ist.

4. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kompressor ein Wankelverdichter ist.

5. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kompressor ein Schraubenverdichter ist mit zumindest zwei Auslässen für Medien mit unterschiedlichen Druckniveaus.

6. Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems mit einer Brennstoffzelleneinheit und einer Luftversorgung zur Bereitstellung eines sauerstoffhaltigen Mediums für die Brennstoffzelleneinheit, dadurch gekennzeichnet, daß der Kompressor abhängig von Betriebsbedingungen mit einem unterschiedlichen inneren Verdichtungsverhältnis (V_i) betrieben wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Kompressor bei Kaltstartbedingungen einen höheren Mediendurchsatz mit geringerem Druck bereitstellt als im Normalbetrieb.

8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Kompressor bei Normalbetrieb mit einem höheren inneren Verdichtungsverhältnis (V_i) betrieben wird als bei Kaltstartbedingungen.