DE10018087A1

DE10018087A1 - Fuel cell device, especially for vehicle, has drive train containing coupling arrangement that only transfers energy from expansion unit to compressor unit

Info

Publication number: DE10018087A1
Application number: DE10018087A
Authority: DE
Inventors: Gert Hinsenkamp
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2000-04-12
Filing date: 2000-04-12
Publication date: 2001-11-29

Abstract

The device has a fuel cell (11) that interacts on the input and output sides with a compressor unit (14) and an expansion unit (20) respectively, whereby the expansion unit interacts with the compressor unit via a drive train. The drive train (27) contains a coupling arrangement (25) that only transfers energy from the expansion unit to the compressor unit.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Brennstoffzellenvorrichtung, insbesondere eines Fahrzeugs, mit einer Brennstoffzelle, die eingangsseitig mit einer Kompressoreinheit und abgasseitig mit einer Expansionseinheit wirkverbunden ist, wobei die Expansionseinheit mittels eines Antriebsstrangs mit der Kompressoreinheit in Wirkverbindung steht, gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a fuel cell device, in particular one Vehicle, with a fuel cell, the input side with a compressor unit and is operatively connected to an expansion unit on the exhaust gas side, the expansion unit is operatively connected to the compressor unit by means of a drive train, according to Preamble of claim 1.

Brennstoffzellenvorrichtungen der eingangs genannten Art sind bekannt. Dabei besteht der Antriebsstrang zwischen Expansionseinheit und Kompressoreinheit aus einer mechanisch starren Antriebsverbindung, um eine zuverlässige Energieübertragung von der Expansionseinheit zur Kompressoreinheit zum Antrieb der letzteren zu gewährleisten. Ferner ist es bekannt, zum Antrieb der Kompressoreinheit zusätzlich einen Elektromotor vorzusehen, der Teil des Antriebsstrangs ist. Dabei ist der Elektromotor vorzugsweise derart ausgebildet, dass er auch als Generator wirken kann. Ein derartiger, bekannter Antriebsstrang besteht somit aus einer mechanisch starren Verbindung zwischen Expansionseinheit und Kompressoreinheit unter Zwischenschaltung eines auch als Generator arbeitenden Elektromotors.Fuel cell devices of the type mentioned are known. There is the drive train between expansion unit and compressor unit from one mechanically rigid drive connection to ensure reliable energy transfer from the expansion unit to the compressor unit for driving the latter guarantee. It is also known to additionally drive the compressor unit to provide an electric motor that is part of the drive train. Here is the Electric motor is preferably designed such that it can also act as a generator. Such a known drive train thus consists of a mechanically rigid one Connection between expansion unit and compressor unit under Interposition of an electric motor that also works as a generator.

Nachteilhafterweise ist dieser bekannte Antriebsstrang nicht geeignet, eine wirkungsgradgünstige Betreibung der Brennstoffzellenvorrichtung auch insbesondere unter dynamischen Betriebsbedingungen wirkungsgradgünstig zu ermöglichen.Unfortunately, this known drive train is not suitable for one Efficient operation of the fuel cell device in particular to enable efficiency under dynamic operating conditions.

Eine andere bekannte Ausführungsform des Antriebsstranges beinhaltet einen Elektromotorantrieb für den. Kompressor und einen davon räumlich getrennten elektrischen Generator, der die Leistung der Expansionseinheit abnimmt. Die Nachteile dieser Anordnung gegenüber der oben beschriebenen durchgehenden starren Antriebsverbindung liegen in dem erforderlichen größeren Bauraum, den höheren Kosten und dem grundsätzlich an der Expansionseinheit entstehenden Wirkungsgradverlust durch die Umformung von mechanischer in elektrische Energie.Another known embodiment of the drive train includes one Electric motor drive for the. Compressor and one of them spatially separated electric generator that decreases the power of the expansion unit. The disadvantages this arrangement rigid compared to the above described Drive connection lie in the required larger installation space, the higher costs and the loss of efficiency that basically occurs at the expansion unit by transforming mechanical into electrical energy.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Brennstoffzellenvorrichtung der eingangs genannten Art vorzuschlagen, deren Antriebsstrang zwischen Expansionseinheit und Kompressoreinheit ein wirkungsgradgünstiges Betreiben der Brennstoffzellenvorrichtung auch unter dynamischen Betriebsbedingungen erlaubt und die die genannten Nachteile der bekannten Ausführungsformen vermeidet.It is therefore an object of the invention to provide a fuel cell device to propose the type mentioned, the drive train between the expansion unit and Compressor unit an efficient operation of the fuel cell device allowed even under dynamic operating conditions and the disadvantages mentioned avoids the known embodiments.

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Brennstoffzellenvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1, welche dadurch gekennzeichnet ist, dass der Antriebsstrang ein lediglich von der Expansionseinheit zur Kompressoreinheit energieübertragendes Kupplungsmittel aufweist. Da das Kupplungsmittel lediglich Energie von der Expansionseinheit zur Kompressoreinheit überträgt, wird verhindert, dass bei einem dynamischen Hochfahren der Kompressoreinheit selbige zwangsweise auch die Expansionseinheit mittels eines mechanisch vollständig starren Antriebsstrangs beschleunigt, was zu einer erheblichen Verschlechterung der Beschleunigungsdynamik der Kompressoreinheit beziehungsweise des gesamten Brennstoffzellensystems führen würde. Ein dynamisches Hochfahren der Kompressoreinheit kann bei einer Fahrzeugbeschleunigung auftreten, während welcher größere Luftmengen unter höheren Betriebsdrücken mittels der Kompressoreinheit an die Brennstoffzelle geliefert werden müssen. Da die durch den Antrieb der Kompressoreinheit bedingte Leistungsaufnahme insbesondere bei höheren Betriebsdrücken bis zu circa 25% der Abgabeleistung der Brennstoffzelle ausmacht, ist es von besonderer Bedeutung, insbesondere bei Verdichtungsdrücken oberhalb von circa 2 bar die Expansionseinheit zur partiellen Energierückgewinnung mechanisch mittels eines Antriebsstrangs an die Kompressoreinheit anzukoppeln. Dabei kommt vorteilhafterweise ein Elektromotor innerhalb des Antriebsstrangs zum Einsatz, welcher auch als Generator arbeiten kann. Durch die Integration des Kupplungsmittels im Antriebsstrang wird vorteilhafterweise eine wenigstens partielle Energierückgewinnung mittels der Expansionseinheit zum Antrieb der Kompressoreinheit ermöglicht und gleichzeitig ein wirkungsgradgünstiges, dynamisches Hochfahren der Kompressoreinheit gewährleistet unter Verhinderung einer nachteilhaften Energieübertragung von der Kompressoreinheit auf die Expansionseinheit.This object is achieved by a fuel cell device with the features of claim 1, which is characterized in that the drive train only energy-transferring from the expansion unit to the compressor unit Has coupling agent. Since the coupling agent only energy from the Expansion unit to the compressor unit, prevents one dynamic start-up of the compressor unit the same Expansion unit using a mechanically completely rigid drive train accelerates, causing a significant deterioration in acceleration dynamics the compressor unit or the entire fuel cell system would. A dynamic start-up of the compressor unit can occur with a Vehicle acceleration occurs during which larger amounts of air flow below higher ones Operating pressures are supplied to the fuel cell by means of the compressor unit have to. Since the power consumption caused by the drive of the compressor unit especially at higher operating pressures up to approximately 25% of the output of the Fuel cell, it is of particular importance, especially for Compression pressures above approximately 2 bar are the expansion unit to the partial Energy recovery mechanically by means of a drive train to the Coupling the compressor unit. An electric motor advantageously comes here used within the drive train, which can also work as a generator. The integration of the coupling means in the drive train advantageously results in a at least partial energy recovery by means of the expansion unit for the drive enables the compressor unit and at the same time an efficient, dynamic start-up of the compressor unit is ensured while preventing disadvantageous energy transfer from the compressor unit to the expansion unit.

Mit Vorteil ist die Expansionseinheit ausschließlich gasseitig antreibbar. Aufgrund des Kupplungsmittels im Antriebsstrang wird eine Energieübertragung von der Kompressoreinheit auf die Expansionseinheit vermieden. Damit wird ein von der Kompressoreinheit unabhängiges Betreiben der Expansionseinheit gewährleistet. Die Expansionseinheit kann somit stets in günstigen Kennfeldbereichen betrieben werden, bei welchen grundsätzlich zumindest der Eigenbedarf an Leistung der Expansionseinheit gedeckt wird und/oder Nettoleistung von der Expansionseinheit an die Welle abgegeben wird, so dass beispielsweise die verfügbare Beschleunigungsleistung für das Fahrzeug so wenig wie möglich verringert wird. Dabei gibt die Expansionseinheit nur dann Leistung an den Antriebsstrang ab, wenn sie selbst von der Gasseite der Brennstoffzellenvorrichtung her angetrieben wird. In dieser Weise wird eine optimale Nutzung der in der Brennstoffzellenvorrichtung rückgewinnbaren Leistung erreicht, wobei aufgrund des Kupplungsmittels die Expansionseinheit bei einem dynamischen Hochlaufen der Kompressoreinheit nicht nachteilhafterweise beschleunigt beziehungsweise hochgeschleppt wird. Die Beschleunigung der Expansionseinheit erfolgt somit entlastet, das heißt, ohne eine Leistungsübertragung mittels des Antriebsstrangs, und ausschließlich durch die sich einstellenden Gaskräfte in einem mit der Expansionseinheit wirkverbundenen Abgasstrang der Brennstoffzelle.The expansion unit can advantageously only be driven on the gas side. Because of the Coupling means in the powertrain will transfer energy from the Avoid compressor unit on the expansion unit. So that one of the Compressor unit ensures independent operation of the expansion unit. The Expansion unit can thus always be operated in favorable map areas, where basically at least the own need for performance of the expansion unit is covered and / or net power is delivered from the expansion unit to the shaft so that, for example, the available acceleration power for the vehicle is reduced as little as possible. The expansion unit only provides power to the drivetrain if it is itself on the gas side of the Fuel cell device is driven forth. In this way, an optimal Utilization of the power recoverable in the fuel cell device is achieved, wherein due to the coupling agent the expansion unit in a dynamic Startup of the compressor unit is not disadvantageously accelerated or dragged up. The acceleration of the expansion unit is thus relieved, that is, without a power transmission by means of Powertrain, and only by the gas forces in one the expansion unit of the fuel cell.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist das Kupplungsmittel als Überholkupplung ausgebildet. Ein als Überholkupplung ausgebildetes Kupplungsmittel ist verhältnismäßig einfach in einem Antriebsstrang integrierbar. Dabei ist eine Überholkupplung besonders geeignet, eine Energieübertragung von der Expansionseinheit zur Kompressoreinheit zu gewährleisten und gleichzeitig eine unerwünschte Energieübertragung von der Kompressoreinheit zur Expansionseinheit zur verhindern.According to a preferred embodiment, the coupling means is an overrunning clutch educated. A coupling means designed as an overrunning clutch is proportional easy to integrate in a drive train. An overrunning clutch is special suitable to transfer energy from the expansion unit to the compressor unit ensure and at the same time an unwanted energy transfer from the Compressor unit to prevent expansion unit.

Vorzugsweise weist der Antriebsstrang eine das Kupplungsmittel enthaltende Welleneinheit auf, die mit einem Elektromotor wirkverbunden ist. Ein derart ausgebildeter Antriebsstrang ist besonders kompakt und konstruktiv verhältnismäßig einfach aufgebaut.Preferably, the drive train has one that contains the coupling agent Shaft unit, which is operatively connected to an electric motor. Such a trained one The drive train is particularly compact and relatively simple in construction built up.

Mit Vorteil ist der Elektromotor auch als Generator ausgebildet. Ein auch als Generator ausgebildeter Elektromotor stellt eine flexible und kompakte Baueinheit dar, wobei der Generatorteil des Elektromotors zur Wirkverbindung mit der Expansionseinheit und der Motorteil des Elektromotors zur Wirkverbindung mit der Kompressoreinheit vorgesehen ist.The electric motor is also advantageously designed as a generator. One also as a generator trained electric motor is a flexible and compact unit, the Generator part of the electric motor for operative connection with the expansion unit and the Motor part of the electric motor is provided for operative connection with the compressor unit is.

Vorteilhafterweise können Elektromotor und Generatorteil als mögliche Betriebsarten ein und derselben elektrischen Maschine realisiert werden.The electric motor and generator part can advantageously be one of the possible operating modes and the same electrical machine can be realized.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung.Further advantageous embodiments of the invention result from the description.

Die Erfindung wird nachfolgend in einem Ausführungsbeispiel anhand einer zugehörigen Zeichnung näher erläutert. In einer einzigen Figur ist eine erfindungsgemäße Brennstoffzellenvorrichtung anhand eines Blockschaltbildes dargestellt.The invention is described in an exemplary embodiment based on an associated Drawing explained in more detail. In a single figure is an invention Fuel cell device shown using a block diagram.

Die Figur zeigt in schematischer Darstellung eine allgemein mit 10 bezeichnete Brennstoffzellenvorrichtung, insbesondere eines Fahrzeugs (nicht dargestellt), die eine Brennstoffzelle 11 aufweist. Die Brennstoffzelle 11 enthält eine Kathodeneinheit 12 und eine Anodeneinheit 13. Die Kathodeneinheit 12 ist eingangsseitig mittels einer als Pfeil 15 dargestellten Betriebsstoffzuführleitung mit einer Kompressoreinheit 14 wirkverbunden. Die Kompressoreinheit 14 ist eingangsseitig mit einer als Pfeil 28 dargestellten Betriebsstoffzuführleitung wirkverbunden. Die Anodeneinheit 13 ist eingangsseitig mit einer als Pfeil 16 dargestellten Betriebsstoffzuführleitung wirkverbunden. Abgasseitig der Brennstoffzelle 11 führen als Pfeile 18 dargestellte Abgasleitungen von der Kathodeneinheit 12 und der Anodeneinheit 13 zu einer katalytischen Brennereinheit 17, welche ausgangsseitig mittels einer als Pfeil 19 dargestellten Abgasleitung mit einer Expansionseinheit 20 wirkverbunden ist. Von der Expansionseinheit 20 führt eine als Pfeil 21 dargestellte Abgasleitung zu weiteren, nicht dargestellten Aggregaten der Brennstoffzellenvorrichtung 10 beziehungsweise des Fahrzeugs. Die Expansionseinheit 20 ist mittels eines Antriebsstrangs 27 mit der Kompressoreinheit 14 wirkverbunden. Der Antriebsstrang 27 besteht aus einer Welleneinheit 26, die mit einem Elektromotor 24 wirkverbunden ist. Der Elektromotor 24 ist auch geeignet, als Generator zu arbeiten. Zwischen dem Elektromotor 24 und der Expansionseinheit 20 weist die Welleneinheit 26 ein Kupplungsmittel 25 auf, das vorzugsweise als Überholkupplung ausgebildet ist. Vom Kupplungsmittel 25 führt eine Verbindungswelle 23 zur Expansionseinheit 20 und eine Antriebswelle 22 zur Kompressoreinheit 14.The figure shows a schematic illustration of a fuel cell device, generally designated 10, in particular a vehicle (not shown), which has a fuel cell 11 . The fuel cell 11 contains a cathode unit 12 and an anode unit 13 . The cathode unit 12 is operatively connected to a compressor unit 14 on the input side by means of a fuel supply line shown as arrow 15 . The compressor unit 14 is operatively connected on the input side to a fuel supply line shown as arrow 28 . The anode unit 13 is operatively connected on the input side to a fuel supply line shown as arrow 16 . On the exhaust gas side of the fuel cell 11 , exhaust gas lines shown as arrows 18 lead from the cathode unit 12 and the anode unit 13 to a catalytic burner unit 17 , which on the output side is operatively connected to an expansion unit 20 by means of an exhaust gas line shown as arrow 19 . An exhaust line, shown as arrow 21 , leads from the expansion unit 20 to further units, not shown, of the fuel cell device 10 or of the vehicle. The expansion unit 20 is operatively connected to the compressor unit 14 by means of a drive train 27 . The drive train 27 consists of a shaft unit 26 which is operatively connected to an electric motor 24 . The electric motor 24 is also suitable for working as a generator. Between the electric motor 24 and the expansion unit 20 , the shaft unit 26 has a coupling means 25 , which is preferably designed as an overrunning clutch. A connecting shaft 23 leads from the coupling means 25 to the expansion unit 20 and a drive shaft 22 to the compressor unit 14 .

Das vorzugsweise als Überholkupplung ausgebildete Kupplungsmittel 25 des Antriebsstrangs 27 ist geeignet, mittels der Expansionseinheit 20 rückgewonnene Energie zum Betreiben der Kompressoreinheit 14 an selbige zu übertragen, während eine unerwünschte, wirkungsgradgünstige Energieübertragung von der Kompressoreinheit 14 zur Expansionseinheit 20 durch das Kupplungsmittel 25 in zuverlässiger Weise vermieden wird. Eine derartige, von der Kompressoreinheit 14 zur Expansionseinheit 20 einsetzende, erwünschte Unterbrechung der Wirkverbindung im Antriebsstrang 27 mittels des Kupplungsmittels 25 erfolgt vorzugsweise in Form einer Drehzahlentkopplung. Hierdurch werden unerwünschte Schleppverluste vermieden, welche bei einem erzwingenden mechanischen Antrieb der Expansionseinheit 20 bei dynamisch hochdrehender Kompressoreinheit 14 unter einer vollständig starren Drehzahlkopplung zwischen Kompressoreinheit 14 und Expansionseinheit 20 auftreten würden. Es erfolgt somit durch das Kupplungsmittel 25 lediglich eine Energie- beziehungsweise Leistungsübertragung an die Antriebswelle 22, wobei die Expansionseinheit 20 ausschließlich von der Gasseite der Brennstoffzellenvorrichtung 10 beziehungsweise der Brennstoffzeile 11 her angetrieben wird.The coupling means 25 of the drive train 27, which is preferably designed as an overrunning clutch, is suitable for transferring energy recovered by the expansion unit 20 to operate the compressor unit 14 to the same, while an undesirable, efficient transfer of energy from the compressor unit 14 to the expansion unit 20 by the coupling means 25 is reliably avoided becomes. Such a desired interruption of the operative connection in the drive train 27 from the compressor unit 14 to the expansion unit 20 by means of the coupling means 25 is preferably carried out in the form of a speed decoupling. In this way, undesired drag losses are avoided, which would occur if the expansion unit 20 were forced to drive mechanically with the compressor unit 14 rotating dynamically and under a completely rigid speed coupling between the compressor unit 14 and the expansion unit 20 . The coupling means 25 thus only transmit energy or power to the drive shaft 22 , the expansion unit 20 being driven exclusively from the gas side of the fuel cell device 10 or the fuel line 11 .

Liefert die Expansionseinheit 20 in einem Betriebszustand mehr Energie an den Antriebsstrang 22, wie gleichzeitig vom Kompressor 14 benötigt wird, wird die überschüssige mechanische Energie von dem als Generator arbeitenden Elektromotor in elektrische Energie ungewandelt und an das elektrische Bordnetz des Fahrzeuges abgegeben.If the expansion unit 20 supplies more energy to the drive train 22 in an operating state, as is simultaneously required by the compressor 14 , the excess mechanical energy is converted into electrical energy by the electric motor operating as a generator and is delivered to the vehicle's electrical system.

Der weitere konstruktive Aufbau und die weitere Funktionsweise der Brennstoffzellenvorrichtung 10 sind an sich bekannt und werden hier nicht im Detail dargestellt beziehungsweise beschrieben.The further structural design and the further functioning of the fuel cell device 10 are known per se and are not shown or described in detail here.

Claims

1. Fuel cell device, in particular a vehicle, with a fuel cell that is operatively connected on the input side to a compressor unit and on the exhaust gas side to an expansion unit, the expansion unit being operatively connected to the compressor unit by means of a drive train, characterized in that the drive train ( 27 ) is only one of the expansion unit ( 20 ) to the compressor unit ( 14 ) has energy-transmitting coupling means ( 25 ).

2. Fuel cell device according to claim 1, characterized in that the expansion unit ( 20 ) can only be driven on the gas side.

3. Fuel cell device according to one of the preceding claims, characterized in that the coupling means ( 25 ) is designed as an overrunning clutch.

4. Fuel cell device according to one of the preceding claims, characterized in that the drive train ( 27 ) has a shaft unit ( 26 ) containing the coupling means ( 25 ), which is operatively connected to an electric motor ( 24 ).

5. Fuel cell device according to one of the preceding claims, characterized in that the electric motor ( 24 ) is also designed as a generator.