DE10016185B4

DE10016185B4 - Verwendung eines Kompressors in einem Brennstoffzellensystem

Info

Publication number: DE10016185B4
Application number: DE10016185A
Authority: DE
Inventors: Andreas Dipl.-Ing. Knoop
Original assignee: NuCellSys GmbH
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2000-03-31
Filing date: 2000-03-31
Publication date: 2006-11-30
Anticipated expiration: 2020-04-01
Also published as: FR2807875A1; US6653010B2; US20020009629A1; FR2807875B1; DE10016185A1

Abstract

Verwendung eines Kompressors mit im Betrieb variablem innerem Verdichtungsverhältnis, welches durch Variation der Größe der Austrittsöffnungen erfolgt, zur Förderung eines sauerstoffhaltigen Mediums zum Zweck einer Luftversorgung eines Brennstoffzellensystems mit einer Brennstoffzelleneinheit, wobei das Verdichtungsverhältnis abhängig vom Betriebszustand des Brennstoffzellensystems verändert wird.

Description

Die Erfindung betrifft die Verwendung eines Kompressors in einem Brennstoffzellensystem gemäß den Ansprüchen 1 bis 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.

Aus der DE 195 40 824 A1 ist ein Brennstoffzellensystem gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 5 bekannt. Bei diesem Brennstoffzellensystem wird zur dynamischen Einstellung der Leistung, insbesondere zur dynamischen Veränderung des Luftvolumenstroms, die Drehzahl eines zur Luftzufuhr genutzten Kompressors verändert.

Aus der DE 197 38 132 A1 ist eine mehrachsige Rotationskörper-Verdrängungsmaschine bekannt, bei welcher in Abhängigkeit von der gewählten Form der Verdrängungskörper ein Verdichtungsverhältnis fest eingestellt werden kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Verwendung eines Kompressors für ein Brennstoffzellensystem anzugeben, bei welchem der Energieverbrauch beim Kaltstart verringert ist.

Diese Aufgabe wird durch eine Verwendung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Erfindungsgemäß wird ein Kompressor mit variablem inneren Verdichtungsverhältnis zur Luftversorgung der Kathodenseite einer Brennstoffzelle verwendet. Dabei kann ein solcher Kompressor an die unterschiedlichen Anforderungen bei Kaltstart und Normalbetrieb eines Brennstoffzellensystems 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
1 ein Druck-Volumen-Diagramm zum Verdichtungsverhältnis eines Kompressors in einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem und
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 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 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

Verwendung eines Kompressors mit im Betrieb variablem innerem Verdichtungsverhältnis, welches durch Variation der Größe der Austrittsöffnungen erfolgt, zur Förderung eines sauerstoffhaltigen Mediums zum Zweck einer Luftversorgung eines Brennstoffzellensystems mit einer Brennstoffzelleneinheit, wobei das Verdichtungsverhältnis abhängig vom Betriebszustand des Brennstoffzellensystems verändert wird.
Verwendung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das innere Verdichtungsverhältnis (V_i) abhängig von Betriebsbedingungen kontinuierlich variierbar ist.
Verwendung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das innere Verdichtungsverhältnis (V_i) abhängig von Betriebsbedingungen diskontinuierlich variierbar ist.
Verwendung nach einer der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Kompressor bei Kaltstartbedingungen einen höheren Mediendurchsatz mit geringerem Druck bereitstellt als im Normalbetrieb.
Verwendung nach einer der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Kompressor bei Normalbetrieb mit einem höheren inneren Verdichtungsverhältnis (V_i) betrieben wird als bei Kaltstartbedingungen.