DE10052554C2

DE10052554C2 - Regelsystem für Brennstoffzellen

Info

Publication number: DE10052554C2
Application number: DE10052554A
Authority: DE
Inventors: Peter Ingelheim
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2000-08-10
Filing date: 2000-10-24
Publication date: 2002-12-12
Anticipated expiration: 2020-10-25
Also published as: DE10052554A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Regelsystem für Brennstoffzellen. Sie ist eine Weiterent wicklung der deutschen Patentanmeldung DE 100 39 057.9

Den Brennstoffzellen werden wasserstoff- und sauerstoffreiche Gase unter Druck zugeführt, die durch chemische Reaktion in einer Membran Strom erzeugen.

Zur Regelung der Leistungsabgabe der Brennstoffzelle wird der Druck und die Menge der zugeführten Gase verändert.

Die Druckerhöhung erfolgt mit Kompressoren, die Leistung verbrauchen. Um den Wirkungs grad derartiger Kompressoren zu optimieren, werden sie in der Regel mit innerer Verdichtung ausgeführt. Das heißt, die Druckerhöhung π erfolgt innerhalb des Kompressors.

Da der Energieinhalt der Druckgase genutzt werden soll, wird häufig eine Expansionsmaschi ne nach der Brennstoffzelle angeordnet, in welcher die Gase wieder zur Abgabe von mechani scher Arbeit genutzt werden.

Aus der DE 43 18 818 A1 ist ein Brennstoffzellensystem bekannt, bei welchem eine Drehkol benmaschine als Expansionsmaschine mit dem Verdrängerkompressor über eine Welle ge koppelt ist, wobei zwar das Schluckvermögen des Expanders variabel ist, aber weder die inne re Verdichtung des Kompressors noch die innere Entspannung des Expanders. Zusätzlich wirkt sich bei Methanolbetrieb die Verwendung einer Verdrängermaschine als Expansionsma schine nachteilig aus, da die Gase mit ca. 350°C zur Expansionsmaschine strömen.

Ähnliches gilt auch für die DE 199 53 690 und 199 55 291 bei welchen zwei Spiralmaschinen als Kompressor und Expander eingesetzt werden.

In der US 4,838,020 ist ein Brennstoffzellensystem bekannt, bei dem der Energieinhalt der Prozeßluft mittels einer mit dem Verdrängerkompressor mechanisch gekoppelten Abgasturbi ne genutzt wird. Mittels eines katalytischen Brenners muß hier der Energieinhalt des an die Turbine geleiteten Abgases erhöht werden, um das System wie einen Abgasturbolader zu be treiben.

Aus der EP 1 009 053 A1 ist eine Lösung bekannt, bei welcher eine zweistufige Verdichtung mit einem Abgasturbolader oder einem Druckwellenlader und einem dahinter angeordneten Verdrängerlader erfolgt. Hier wird zwar ein höheres Druckverhältnis erreicht und der Wir kungsgrad der vorgenannten Lösungen verbessert, man hat aber durch den zusätzlichen Ver dichter ein zusätzliches und damit die Anlage verteuerndes Element.

Weiterhin haben kleine Turbolader an sich einen schlechten Wirkungsgrad und grundsätzlich - können Turbolader maximal die Leistung zurückgewinnen, die der Turboverdichter ver braucht. Es kann daher der Turbolader keine Nutzleistung an den Verdrängerlader abgeben. Alle oben genannten Verdrängerkompressoren und Verdrängerexpansionsmaschinen haben den Nachteil einer konstanten inneren Verdichtung und Entspannung. Das heißt, daß das Re gelsystem nur für einen bestimmten Auslegdruck optimiert werden kann. Bei Abweichung von diesem Druck sinkt der Wirkungsgrad dieser Anlagen daher stark ab.

Dies sei an einem Beispiel erläutert:
Man gehe davon aus, daß die Anlage aus einem Kompressor und einem Expander mit dem jeweiligen Maschinenwirkungsgrad 0,7 besteht und so ausgelegt ist, daß die innere Verdich tung des Kompressors π = 3,5 und die innere Entspannung der Expansionsmaschine π = 2,8 ist. Auslegpunkt sei gleichzeitig bei Maximaldruck im System, bei welchem der Kompressor bei Atmosphärendruck 1 bar ansaugt und der Expander mit Atmosphärendruck 1 bar ausstößt. Zur Absenkung des Systemdruckes wird vor den Kompressoreinlaß eine verstellbare, der Drosselklappe beim Gaspedal vergleichbare Drossel angeordnet, mit welcher der Ansaug druck verringert wird. Senkt man den Ansaugdruck auf z. B. 0,58 bar, dann beträgt der Druck nach dem Kompressor etwa 2 bar und der Druck vor dem Expander etwa 1,6 bar und nach dem Expander ebenso etwa 0,58 bar.

Im Kompressor bleibt die zu leistende Arbeit weitgehend erhalten, da die innere Verdichtung beibehalten wird und nur die Ansaugtemperatur geringfügig sinkt. Bei der Expansionsmaschi ne sinkt die gewinnbare Arbeit, da bei Absinken des Auslaßdruckes unter Atmosphärendruck die Ausschubarbeit zunimmt. So sind bei der vorgegebenen Auslegung bei einem Druck nach Kompressor von ca. 2 bar die an der Expansionsmaschine gewinnbare Arbeit und die Aus schubarbeit im Gleichgewicht. Bei noch niedrigeren Drücken nach der Expansionsmaschine wird die Ausschubarbeit sogar größer als die gewinnbare Arbeit, sodaß auch an der Expan sionmaschine Arbeit geleistet werden muß (vgl. Fig. 3) Ein einfaches Rechenbeispiel soll diesverdeutlichen. Zunächst sollen kurz die Zusammenhänge dargestellt werden.

Die adiabatische Leistungsaufnahme eines Kompressors mit der inneren Verdichtung π_K ist:

mit T₁ = Ansaugtemperatur
κ = Isentropenexponent
c_v= spezifische Wärmekapazität
m = Gasmasse pro Zeiteinheit
η_Komp = Kompressorwirkungsgrad

Der theoretische adiabatische Leistungsgewinn an einer Expansionsmaschine mit innerer Ent spannung π_E ist:

mit T₃ = Temperatur vor Expansionsmaschine
π_at = Entspannung innerhalb der Maschine bis auf Atmosphärendruck
η_Exp = Expanderwirkungsgrad

Es verbraucht dann die Kompressor-Expander-Kombination die Leistung P_ges = P_komp - P_exp.

Beispiel

T_Umgebung = 293°K; κ = 1,4; gewünschter Druck nach Kompressor: 1,6 bar; gewünschter Druck vor Expander 1,3 bar; m = 15 g/s; T₃ = 335°K; Maschinenwirkungsgrade alle Ma schinen 70%; c_v = 0,71 (KJ/(kg.K)

Heutige Maschine

Konstante innere Verdichtung π_K = 4; Konstante innere Entspannung π_E = 3,2; T₁ (durch Drosseln) ≈ 245°K;
P(adiabat)_komp(heute) = 245.0,71.0,485.0,015/0,7 = 1,8 kW;. P(adiabat)_exp = 335.0,71.(0,07.0,7 - 0,254).0,015 = -0,73 kW ⇒ P(adiabat)ges = 2,5 kW.

Da bei Fahrzeugantrieben im Teillastbereich mit geringen Drücken und Durchsatzmengen gearbeitet wird, erbringt dort eine Expansionsmaschine nur einen geringen Nutzen. Im Nor malbetrieb ist der Teillastbereich aber der überwiegende Betriebsbereich in einem Fahrzyklus. Daneben entstehen bei Öffnen der Ausschubkammern mit Unterdruck zur Atmosphäre ge räuschvolle Strömungspulsationen.

Eine Reihe von Fachleuten steht daher auf dem Standpunkt, daß bei Fahrzeugbrennstoffzellen auf eine Expansionsmaschine völlig verzichtet werden sollte.

Die Lösung aus EP 1 009 053 erbringt hier zwar Vorteile, da der Abgasturbolader dann weit gehend leistungsfrei ist, sie ist aber nicht optimal steuerbar, sondern erreicht nur über günstige Auslegwerte eine relative Verbesserung.

Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen. Die Erfindung, wie sie gekennzeichnet ist, ermög licht bei Verringerung des Betriebsdrucks eine deutliche Verringerung der Leistungsaufnahme des Kompressor-Expander-Moduls gegenüber dem Maximaldruck.

Dies wird dadurch erreicht, daß ein Kompressor mit verstellbarer innerer Verdichtung und eine Expansionsmaschine mit verstellbarer innerer Entspannung oder ein mit der Kompres sorwelle kraftschlüssig verbundene Abgasturbine mit Freilauf verwendet wird. Diese werden so gesteuert, daß der Ansaugdruck des Kompressors und der Auslaßdruck des Expanders stets ungefähr Atmosphärendruck ist.

Damit wird die Verdichtungsarbeit am Kompressor vermindert (geringere Druckdifferenz) und die Ausschubarbeit der Expansionsmaschine stets minimiert, sodaß sie eine positive Ar beitsleistung abgibt (oder die Turbine keine Leistung verbraucht).

Zusätzlich wird das Geräuschverhalten verbessert, da Strömungspulsationen am Kompres soreinlaß und am Expanderauslaß entfallen.

Weiterhin werden mit Verringerung des Systemdrucks die Maschinenwirkungsgrade verbes sert werden, da die Leckageverluste an den offenen Spalten sinken.

Bei Lösungen mit Methanol-Reformern, bei welchen hohe Temperaturen vor der Expansi onsmaschine herrschen, kann man eine mit dem Kompressor mechanisch gekoppelte Turbine mit Freilauf als Expansionsmaschine einsetzen. Über die Drehzahl wird der günstigste Be triebspunkt der Turbine angewählt, über Durchsatzmenge pro Umdrehung des Kompressors die Durchsatzmasse und über die innere Verdichtung der Systemdruck. Daher ist ein derarti ges System gezielt für den jeweiligen Betriebspunkt einstellbar.

Die in obigem Beispiel angenommenen Werte bei einer erfindungsgemäßen Maschine verbes sern sich damit zu:

Beispiel 2. Teil VSM Lösung

Verstellung π_K

= 1,6; π_E

= 1,3;
P(adiabat)_komp

(VSM) = 293.0,71.0,143.0,015/0,7 = 0,637 kW; P(adiabat)exp(VSM) = 335.0,71.0,077.0,7.0,015 = 0,192 kW; ⇒ P(adiabat)ges = 0,44 kW

Anhand der Fig. 1-3 werden die erfindungsgemäßen Lösungen erläutert:

Fig. 1 zeigt zwei Drehkolbenmaschinen als Kompressor und Expander mit zwischenliegen der Brennstoffzelle. Der Kompressor fördert ein konstantes Volumen pro Umdrehung zur Brennstoffzelle, der Expander saugt ein konstantes Volumen pro Umdrehung ab. Der Steuer schieber des Kompressors hat eine maximale Öffnung, sodaß der Kompressor ein größeres Volumen ansaugt als er ausläßt. Daher erfolgt eine innere Verdichtung auf einen Druck p2 < p0 = Atmosphärendruck. Mit dem Druck p3 < p0 kommt die Luft zum Expander, wo der Steuerschieber so eingestellt ist, daß die innere Entspannung soweit ist, daß die Auslaßkam mer beim Druck p0 wieder zur Atmosphäre geöffnet wird.

Wenn Kompressor und Expander gleiche Drehzahl haben, sind innere Verdichtung und Ent spannung von der Drehzahl völlig unabhängig sondern nur durch die Schieberstellung festge legt. Daher kann die Durchsatzmenge über die Drehzahl geregelt werden.

Fig. 2 zeigt eine Schieberstellung, bei welcher der Kompressor ein geringeres Volumen an saugt und der Expander auf ein kleineres Volumen entspannt. Daher verdichtet der Kompres sor auf einen geringeren Druck p4 < p2, der Expander entspannt von einem geringeren Druck p5 < p3.

Es könnte aber die Durchsatzmenge aber bei gegebener Drehzahl über einen ersten Schieber auf der Saugseite des Kompressors und die innere Verdichtung über einen zweiten Schieber auf der Förderseite des Kompressors geregelt werden und eine analoge Regelung beim Ex pander vorgesehen werden.

Fig. 3 zeigt ein Diagramm für den Leistungsbedarf verschiedener Luftversorgungssysteme für die Brennstoffzelle mit einem Maximaldruck nach dem Kompressor von 3,5 bar, nämlich:

- ein Kompressor-Expander-Modul mit unverstellbarer innerer Verdichtung 3,5 des Kom pressor und unverstellbarer innerer Expansions 2,8 des Expanders
- ein Kompressor allein mit unverstellbarer innerer Verdichtung 3,5
- ein erfindungsgemäßes verstellbares Kompressor-Expander-Modul
- ein verstellbarer Kompressor allein.

Das Diagramm zeigt, daß das verstellbare Kompressor-Expander-Modul mit Abstand am sparsamsten im Teillastbereich arbeitet.

Claims

1. Regelsystem für Brennstoffzellen, die mit einem Drehkolbenverdichter mit innerer Verdichtung gekoppelt sind, der dazu dient den Druck eines der Brennstoffzelle zuzuführenden kompressiblen Fluids zu erhöhen, dadurch gekennzeichnet, dass die innere Verdichtung des als Kompressor eingesetzten Drehkolbenverdichters aktiv mittels eines Regelelementes stufenlos einstellbar und so steuerbar ist, dass der Druck des kompressiblen Fluids, der auf der Saugseite des Kompressors bei Atmosphärendruck liegt beim Verlassen des Kompressors auf der Druckseite stets dem Druck in dem auf den Kompressor folgenden Förderkanal entspricht.

2. Regelsystem für Brennstoffzellen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zu dem Verdrängerverdichter eine Expansionsmaschine mit innerer Entspannung zur Nutzung des Energieinhalts der Druckgase vorgesehen ist, deren innere Entspannung aktiv mittels eines Regelelements stufenlos einstellbar und so gesteuert ist, dass die innere Entspannung der Druckgase stets auf Atmosphärendruck erfolgt.

3. Regelsystem für Brennstoffzellen nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine innenachsige Drehkolbenmaschine mit stufenloser Verstellbarkeit der inneren Verdichtung oder Entspannung über ringförmig um den Außenläufer angeordnete Drehschieber zum Einsatz kommt.

4. Regelsystem für Brennstoffzellen nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchsatz an kompressiblem Fluid pro Sekunde über die Kompressordrehzahl und/oder über ein mechanisches Regelelement stufenlos einstellbar ist und die Steuerung der inneren Verdichtung des Kompressors so erfolgt, dass bei gegebenem Durchsatz durch den Kompressor die innere Verdichtung und damit der Druck nach dem Kompressor möglichst gering ist.

5. Regelsystem für Brennstoffzellen nach Anspruch 1, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei Brennstoffzellensystemen mit Methanolreformern oder Brennstoffzellensystemen, bei denen hohe Temperaturen vor der Expansionsmaschine vorliegen, die Expansionsmaschine als Turbine ausgebildet ist, deren Welle kraftschlüssig mit dem Verdichter gekoppelt oder koppelbar ist oder einen Generator zur Stromerzeugung treibt, wobei der so gewonnene Strom innerhalb des Systems nutzbar ist.