DE10130095A1 - Antriebseinrichtung für einen Kompressor eines Brennstoffzellensystems - Google Patents
Antriebseinrichtung für einen Kompressor eines BrennstoffzellensystemsInfo
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Abstract
Eine Antriebseinrichtung für einen Kompressor, der zur Lieferung von Druckluft für den Betrieb eines Brennstoffzellensystems in einem Kraftfahrzeug ausgelegt ist, wobei die Antriebseinrichtung einen Elektromotor umfaßt, der im Betrieb mit elektrischer Energie vom Brennstoffzellensystem speisbar ist, zeichnet sich dadurch aus, daß für das Anlassen des Brennstoffzellensystems der den Kompressor antreibende Elektromotor mit elektrischer Energie von einer Niederspannungsbatterie antreibbar ist, und daß der Elektromotor mit einer Betriebsspannung betreibbar ist, die deutlich höher liegt als die Ausgangsspannung der Niederspannungsbatterie. Ein Expander kann an den Kompressor angeschlossen werden, um diesen mit Energie der Kathodenabgase anzutreiben. Auch Wasserstoffrezirkulation kann zur Anwendung gelangen. Es wird auch ein Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems beschrieben.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Antriebseinrichtung für einen Kom
pressor, der zur Lieferung von Druckluft für den Betrieb eines Brennstoff
zellensystems in einem Kraftfahrzeug ausgelegt ist, wobei die Antriebsein
richtung einen Elektromotor umfaßt, der im Betrieb mit elektrischer Ener
gie vom Brennstoffzellensystem speisbar ist, weiterhin befaßt sich die Er
findung mit einer mit elektrischer Energie betriebenen Einrichtung und
einem Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems.
Brennstoffzellensysteme mit solchen Antriebseinrichtungen sind u. a. als
Antriebsquelle für Kraftfahrzeuge gedacht, wobei die von den Brennstoff
zellen gelieferte elektrische Energie nach entsprechender Aufbereitung an
einem oder mehreren Antriebsmotoren angelegt wird, die für die Fortbe
wegung eines Kraftfahrzeuges sorgen. Ein Teil der Ausgangsleistung des
Brennstoffzellensystems wird aber auch an den Elektromotor angelegt, der
im Betrieb zum Antreiben des Kompressors benötigt wird.
Das Anlassen von einem Brennstoffzellensystem ist in der Praxis mit Pro
blemen verbunden.
Eine bekannte Lösung sieht die Verwendung einer Traktionsbatterie mit
zum Beispiel 288 V Betriebsspannung vor. Diese Traktionsbatterie hat im
Prinzip drei verschiedene Aufgaben:
Zum einen wird sie dazu verwendet, den Hauptkompressor anzutreiben, um mit diesem Kompressor verdichtete Luft in das Brennstoffzellensystem einzuspeisen, so daß Strom erzeugt wird, der dann die Traktionsbatterie als Stromquelle für den den Kompressor antreibenden Elektromotor er setzt.
Zum einen wird sie dazu verwendet, den Hauptkompressor anzutreiben, um mit diesem Kompressor verdichtete Luft in das Brennstoffzellensystem einzuspeisen, so daß Strom erzeugt wird, der dann die Traktionsbatterie als Stromquelle für den den Kompressor antreibenden Elektromotor er setzt.
Die zweite Aufgabe der Traktionsbatterie besteht darin, den das Fahrzeug
bewegenden Elektromotor bzw. die das Fahrzeug bewegenden Elektromo
toren dynamisch zu unterstützen, so daß zum Beispiel bei starker Be
schleunigung oder bei erhöhten Geschwindigkeiten die Leistung der Trak
tionsbatterie die elektrischen Ausgangsleistung des Brennstoffzellensy
stems ergänzt.
Die dritte Aufgabe besteht darin, daß eine Traktionsbatterie dazu verwen
det werden kann, um beispielsweise regeneratives Bremsen zu realisieren.
Das heißt, daß bei Abbremsung des Fahrzeuges die vorhandene kinetische
Energie zum Teil in elektrische Energie umgewandelt wird, die dann in der
Traktionsbatterie gespeichert werden kann.
Obwohl eine Traktionsbatterie für diese verschiedenen Zwecke nützlich
sein kann, stellt sie ein teures und schweres Bauteil dar, so daß man ger
ne auf die Traktionsbatterie verzichten möchte. Wenn aber die Traktions
batterie abgeschafft würde, könnte man diese nicht mehr zum Hochfahren
des Brennstoffzellensystems verwenden.
Für das Hochfahren des Brennstoffzellensystems wird Luft benötigt. Da
der Luftkompressor aus der Brennstoffzellenspannung betrieben wird,
steht diese noch nicht zur Verfügung. Mangels einer Traktionsbatterie ist
dann bereits vorgeschlagen worden, mittels eines 12 V-Hilfslüfters, d. h.
eines sogenannten Start-up Blowers, das Brennstoffzellensystem mit aus
reichender Luft zu versorgen, so daß die Stromerzeugung dort anfängt
und das System allmählich hochfährt, bis die Stromerzeugung durch das
Brennstoffzellensystem ausreicht, um das System im Betrieb aufrecht zu
erhalten.
Unabhängig davon, ob man mit einer Traktionsbatterie oder mit einem
Hilfslüfter arbeitet, sind viele das System verkomplizierende oder verteu
ernde Komponenten, beispielsweise Lüfter, Ventile, Rohre, 288 V-
Batterien etc., notwendig, auf die man lieber verzichten möchte.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ohne Anwendung einer Trakti
onsbatterie oder eines Hilfslüfters ausreichend Luft zur Verfügung zu
stellen, daß das Brennstoffzellensystem angelassen und hochgefahren
werden kann.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein allgemeines
Konzept für die Versorgung von Einrichtungen mit elektrischer Energie bei
der Inbetriebnahme eines Brennstoffzellensystems vorzusehen, das preis
günstig realisiert werden kann und zuverlässig arbeitet.
Weiterhin befaßt sich die vorliegende Erfindung mit der Schaffung eines
neuen Verfahrens für den Betrieb bzw. für die Inbetriebnahme eines
Brennstoffzellensystems.
Um diese Aufgaben zu lösen, wird nach einer ersten Variante der Erfin
dung vorgesehen, daß für das Anlassen des Brennstoffzellensystems der
den Kompressor antreibende Elektromotor mit elektrischer Energie von
einer Niederspannungsbatterie antreibbar ist und daß der Elektromotor
mit einer Betriebsspannung betreibbar ist, die deutlich höher liegt als die
Ausgangsspannung der Niederspannungsbatterie.
Mit anderen Worten wird erfindungsgemäß anerkannt, daß es trotz des
nicht unerheblichen Spannungsunterschieds zwischen der Ausgangs
spannung der Niederspannungsbatterie und der Betriebsspannung des
den Kompressor antreibenden Elektromotors dennoch möglich ist, den
Elektromotor und daher auch den Kompressor mindestens bei niedrigen
Drehzahlen anzutreiben und hierdurch einen ausreichenden Luftstrom zu
erzeugen, um das Brennstoffzellensystem anzulassen, d. h. in Betrieb zu
setzen.
Hierdurch kann auf die teure und schwere Traktionsbatterie ohne weite
res verzichtet werden. Da beim Betrieb eines Kraftfahrzeuges mit einem
Brennstoffzellensystem eine Niederspannungsbatterie zur Versorgung der
in einem Kraftfahrzeug üblichen Bordelektrik vorgesehen wird - selbst
wenn diese Batterie kleiner ausfällt als bei einem Kraftfahrzeug mit her
kömmlichem Antrieb, da die Notwendigkeit der Lieferung eines hohen An
lasserstromes entfällt, kann diese kostengünstig für die Inbetriebnahme
des Brennstoffzellensystems herangezogen werden.
Besonders günstig ist es in diesem Zusammenhang, wenn es sich bei dem
Kompressor um einen in seiner Drehzahl variablen Kompressor handelt
und auf der Luftauslaßseite des Brennstoffzellensystems eine Drosselein
richtung vorgesehen ist, die im Fahrbetrieb des Brennstoffzellensystems
eine Drosselwirkung aufweist, jedoch zum Anlassen des Systems keine
oder nur eine verhältnismäßig kleine Drosselwirkung ausübt.
Es ist nämlich erfindungsgemäß erkannt worden, daß bei einem in seiner
Drehzahl variablen Kompressor ein relativ hoher Luftdurchsatz erreichbar
ist, wenn auf der Ausgangsseite der Gegendruck klein gehalten wird. So
mit kann auch mit relativ wenig Leistung eine ausreichende Luftströmung
erzeugt werden, um das Brennstoffzellensystem in Betrieb zu setzen.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird eine Schalt
einrichtung zwischen den die Betriebsspannung führenden Klemmen, d. h.
die Ausgangsklemmen des Brennstoffzellensystems und den Ausgangs
klemmen der Niederspannungsbatterie, angeordnet und führt wahlweise
entweder die Betriebsspannung oder die Niederspannung dem Elektro
motor bzw. einem dem Elektromotor vorgeschalteten Speisemodul zu.
Die Schalteinrichtung soll vorzugsweise so ausgerichtet werden, daß sie
zur Erzeugung einer galvanischen Trennung zwischen den die Betriebs
spannung führenden Klemmen und den Ausgangsklemmen der Nieder
spannungsbatterie ausgelegt ist. Auf diese Weise wird verhindert, daß die
Niederspannungsbatterie mit der wesentlichen höheren Betriebsspannung
belastet wird. Auch wird eine klare Zuordnung zwischen der jeweiligen
Antriebsquelle und dem Elektromotor hierdurch geschaffen. Die Schalt
einrichtung kann beispielsweise als Schütz ausgebildet werden, wodurch
die Schalteinrichtung während der Lebensdauer des Kraftfahrzeuges viele
Schaltvorgänge zuverlässig vornehmen kann. Außerdem stellt ein Schütz
eine preisgünstige Lösung für die erfindungsgemäße Verwendung einer
Niederspannungsbatterie zum Anlassen eines Brennstoffzellensystems
dar.
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung liegt darin, einen Span
nungswandler vorzusehen, der die Ausgangsspannung der Niederspan
nungsbatterie auf ein Spannungsniveau bringt, das zumindest im wesent
lichen der Betriebsspannung des Elektromotors entspricht. Hierfür kann
der Spannungswandler beispielsweise ein Kleinleistungs-DC-DC-Wandler
sein, der zum Hochtransformieren der beispielsweise 12 V Spannung der
Niederspannungsbatterie auf etwa 288 V ausreicht. Die erforderliche Aus
gangsleistung liegt bei etwa 200 W (im Vergleich beträgt die maximale Ab
gabeleistung des Elektromotors etwa 7 KW), so daß der entsprechende
Strom bei der Niederspannungsbatterie unter 20 A liegt, woraus ersicht
lich ist, daß sowohl der DC-DC-Wandler als auch die Niederspannungs
batterie kostengünstig zum Zwecke der Realisierung der Erfindung aus
gelegt werden können.
Besonders günstig ist es, wenn der Elektromotor ein Wechselstrommotor
ist, dem ein Speisemodul in Form eines Wechselrichters vorgeschaltet ist,
wenn es sich bei dem Spannungswandler uni einen DC-DC-Wandler han
delt und wenn sowohl der Ausgang des DC-DC-Wandlers als auch die von
den Brennstoffzellen gelieferte Betriebsspannung dem Eingang des Wech
selrichters zuführbar sind.
Einerseits stellt ein Wechselstrommotor einen preisgünstigen Motor zum
Antreiben des Kompressors da und kann ohne weiteres von einem Lei
stungswechselrichter ein sogenanntes PIM-Power Inverter Module ange
steuert werden. Andererseits bietet diese Lösung die Möglichkeit, den
Ausgang des DC-DC-Wandlers permanent mit den die Betriebsspannung
führenden Klemmen zu verbinden, so daß keine besonderen Maßnahmen
erforderlich sind, um den DC-DC-Wandler ein- und aus zu schalten, da
dieser nur dann funktioniert, wenn das elektrische System eingeschaltet
ist und die Betriebsspannung niedriger als die Ausgangsspannung des
DC-DC-Wandlers liegt. Es sind somit keine besonders teuren schaltungs
technischen Maßnahmen erforderlich, um diese Ausführungsform zu rea
lisieren.
Es ist aber nicht zwingend erforderlich, den Elektromotor als Wechsel
strommotor zu realisieren; auch die Verwendung eines Gleichstrommotors
mit einer entsprechenden Steuerung bzw. mit einem entsprechenden
Speisemodul käme in Frage.
Typische Werte für die Ausgangsspannung des Brennstoffzellensystems,
d. h. die Betriebsspannung, liegen im Spannungsbereich zwischen 100 V
und 500 V, während die Ausgangsspannung der verwendeten Nieder
spannungsbatterie üblicherweise im Bereich zwischen 12 V und 48 V liegt
und vorzugsweise entweder 12 V oder 42 V beträgt.
Wie bereits erwähnt, ist das Kraftfahrzeug vorzugsweise so unter Anwen
dung der erfindungsgemäßen Antriebseinrichtung konzipiert, daß keine
Traktionsbatterie vorhanden ist. Der Kompressor ist beispielsweise ein so
genannter Schraubenverdichter, da ein Kompressor dieser Art einen im
gegendrucklosen Schwachlastfall verwendbaren Hauptkompressor dar
stellt. Auch können andere Kompressorarten verwendet werden, die ein
entsprechendes Verhalten aufweisen.
Nach einer weiteren Variante der Erfindung wird eine mit elektrischer
Energie betriebene Einrichtung für den Betrieb eines Brennstoffzellensy
stems vorgesehen, wobei die Einrichtung im Betrieb mit elektrischer Ener
gie vom Brennstoffzellensystem speisbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß
für das Anlassen des Brennstoffzellensystems die Einrichtung mit elektri
scher Energie von einer Niederspannungsbatterie antreibbar ist, und daß
die Einrichtung mit einer Betriebsspannung betreibbar ist, die deutlich
höher liegt als die Ausgangsspannung der Niederspannungsbatterie.
Hierdurch wird erfindungsgemäß anerkannt, daß das Konzept des Antrei
bens von üblicherweise mit Hochspannung betriebenen Einrichtungen mit
Energie von einer Niederspannungsbatterie während des Anlassens des
Brennstoffzellensystems auf andere Einrichtungen ausgedehnt werden
kann. Beispielsweise kann das Konzept auf das Antreiben einer Wasser
stoffrezirkulationspumpe ausgedehnt werden. Das Konzept ist aber auch
für das Betreiben anderer elektrisch betriebener Komponenten anzuwen
den. Solche andere Komponente sind z. B. eine Heizvorrichtung um ein
frostgefährdetes Ventil vorzuheizen oder eine Heizvorrichtung, die zur
Wasserdampferzeugung eingesetzt wird.
Nach einer dritten Variante der Erfindung wird ein Verfahren zum Betrieb
eines Brennstoffzellensystems mit mindestens einer Einrichtung, die im
Betrieb mit elektrischer Energie vom Brennstoffzellensystems gespeist
wird, vorgesehen mit den kennzeichnenden Merkmalen, daß für das An
lassen des Brennstoffzellensystems die Einrichtung mit elektrischer Ener
gie von einer Niederspannungsbatterie angetrieben wird und daß nach
dem Anlassen des Brennstoffzellensystems und der Erzeugung von elek
trischer Energie vom Brennstoffzellensystem die Einrichtung anschließend
mit Hochspannungsenergie aus dem Brennstoffzellensystems betrieben
wird.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind den weiteren Patent
ansprüchen sowie der nachfolgenden Beschreibung zu entnehmen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter
Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert, in welcher zeigen:
Fig. 1 ein schematisches Blockdiagramm einer ersten erfindungsgemä
ßen Antriebseinrichtung für einen Luftkompressor eines Brenn
stoffzellensystems,
Fig. 2 eine Darstellung ähnlich der Fig. 1, jedoch mit weiteren Details
einer möglichen elektrischen Schaltung, und
Fig. 3 eine Darstellung ähnlich der Fig. 1 einer weiteren, erfindungsge
mäßen Variante einer Antriebseinrichtung für einen Luftkompres
sor eines Brennstoffzellensystems.
Fig. 4 eine Darstellung ähnlich den bisherigen Darstellungen, bei der
jedoch ein Expander zur Anwendung kommt.
Fig. 5 eine Darstellung ähnlich den bisherigen Darstellungen, bei der
jedoch eine Wasserstoffrezirkulationspumpe zur Anwendung
kommt.
Bezug nehmend auf die Fig. 1 ist mit 10 ein Kompressor angedeutet, der
von einem Elektromotor 12, beispielsweise in Form eines Wechselstrom
motors, angetrieben werden kann. Beim Antrieb des Kompressors 10 vom
Motor 12 wird vom Kompressor Luft entsprechend dem Pfeil 14 durch den
Lufteinlaß 16 eingesaugt und mit einem erhöhten Druck über den Luf
tauslaß 18 des Kompressors dem Lufteinlaß 20 auf der Kathodenseite ei
nes Brennstoffzellensystems 22 zugeführt.
In diesem Beispiel wird das Brennstoffzellensystem durch mehrere, paral
lel und/oder in Reihe zueinander geschaltete PEM (Proton Exchange
Membrane) Brennstoffzellen gebildet, diese liegen in Form eines soge
nannten "Stack" vor. Wasserstoff wird entsprechend dem Pfeil 24 über den
Eingang 26 auf der Anodenseite des Brennstoffzellensystem 22 diesem zu
geführt und die durch die Membrane hindurch passierende Protonen
kombinieren in den Brennstoffzellen mit der dem Kathodeneingang 20 zu
geführten Luftsauerstoff zur Bildung von Wasser bei der gleichzeitigen Er
zeugung von elektrischer Energie, die in an sich bekannter Weise über
nicht gezeigte elektrische Leitungen zu einem Hochspannungsbus 28, be
stehend aus zwei Leitungen 30 und 32, gelangt.
Auf der Anodenseite des Brennstoffzellensystems 22 gibt es einen Ausgang
34 für die dort vorhandenen Gase in Form von überschüssigem Wasser
stoff, der bspw. wiederverwendet oder verbrannt werden kann. Auf der
Kathodenseite gibt es einen Ausgang 36, der überschüssigen Sauerstoff,
Stickstoff und Wasser aus dem Brennstoffzellensystem 22 herausführt,
wobei das Wasser abgetrennt und zur Befeuchtung der vom Kompressor
bei 18 austretende und dem Brennstoffzellensystem bei 20 zugeführte Luft
verwendet werden kann (nicht gezeigt). Die verbleibenden Bestandteile,
d. h. überschüssiger Sauerstoff, Stickstoff und nicht wiederverwendetes
Wasser verlassen das System als Abgase.
Obwohl das Brennstoffzellensystem hier Wasserstoff als Brennstoff ver
wendet, gibt es andere Brennstoffzellenarten, die mit Kohlenwasserstoffen
als Brennstoff arbeiten, wobei diese Kohlenwasserstoffe erst durch Refor
mierung und verschiedene Shiftreaktionen in ein wasserstoffreiches Syn
thesegas für die eigentlichen Brennstoffzellen aufgearbeitet werden müs
sen.
Die Einrichtungen, die die Reformierung und Shiftreaktionen durchfüh
ren, müssen zusätzlich zu den Brennstoffzellen teilweise mit Luft versorgt
werden, wofür ebenfalls ein Kompressor benötigt ist.
Auch sind Brennstoffzellen bekannt, die mit Methanol direkt gespeist wer
den. Auch solche Brennstoffzellensysteme benötigen Sauerstoff für die
Stromerzeugungsreaktion und müssen mit Luft von einem Kompressor
versorgt werden.
Die Bezeichnung "Brennstoffzellensystem" wird hier als Gattungsbegriff
verwendet, d. h. das Brennstoffzellensystem 22 könnte eine beliebige, für
den Betrieb von Kraftfahrzeugen geeignete Ausbildung aufweisen. In je
dem Fall wird ein Kompressor zur Lieferung von Druckluft zur Anwendung
gelangen.
Das Bezugszeichen 38 deutet hier auf eine Drosseleinrichtung hin, die von
einem Solenoid 40 betätigt werden kann, und zwar zwischen einer voll ge
öffneten Stellung für das Anlassen des Brennstoffzellensystems und eine
Drosselstellung, die im ständigen Betrieb des Brennstoffzellensystems
nach Anlassen desselben gewählt wird. Unter Umständen ist diese Ein
richtung nicht notwendig da bei geringer Luftdurchströmung die Brenn
stoffzellen ohnehin einen kleinen Luftwiderstand bieten, der aber erst bei
größerem Luftdurchsatz großer wird. Alternativ zu einer Drosseleinrich
tung könnte bei Inbetriebnahme der Brennstoffzellen die Abgase über eine
ansteuerbare Weiche der Umgebung direkt zugeführt werden, d. h. ohne
größeren Widerstand, und erst beim Erreichen des Betriebszustandes die
Weiche umgestellt werden, um die Abgase zu Wasserzurückgewinnung
dem normalen Abgassystem zuzuführen, bei dem ein größerer Widerstand
herrscht.
Im ständigen Betrieb erzeugt das Brennstoffzellensystem 22 elektrische
Energie, so daß eine Betriebsspannung an den Klemmen 42 und 44 der
Leitungen 32 und 30 des Hochspannungsbusses 28 anliegt. Diese Span
nung wird über die Leitungen 30, 32 einem Wechselrichter 46 zugeführt,
das den Elektromotor 12 über die Leitungen 48 antreibt. Diese Art des
Antriebes, die eine Steuerung beeinhaltet ist an sich bekannt und wird
hier im Detail nicht weiter erörtert.
Das Bezugszeichen 50 bezeichnet eine Niederspannungsbatterie, die beim
Anlassen des Brennstoffzellensystems 22 dem Wechselrichter 46 über ei
nen DC-DC-Wandler 52 mit elektrischer Energie für den Antrieb des
Elektromotors 12 versorgt. Die Niederspannungsbatterie 50 ist nämlich an
den Niederspannungsbus 54 für die Bordelektrik des entsprechenden
Kraftfahrzeuges angeschlossen und liefert über diesen Niederspannungs
bus 54, nach Schließung des Schalters 61, die entsprechende elektrische
Leistung an den DC-DC-Wandler 52. Der Ausgang des DC-DC-Wandlers
52 liefert über die Leitungen 56 und 58 eine hochtransformierte Span
nung an die Leitungen 30 bzw. 32 des Hochspannungsbusses 28, der, wie
bereits erläutert, direkt zum Wechselrichter 46 führt.
Bei Inbetriebnahme des Brennstoffzellensystems wird daher nach Schlie
ßung des Schalters 61 elektrische Leistung von der Niederspannungsbat
terie 50 an den DC-DC-Wandler 52 angelegt und über das Solenoid 40 die
Drosseleinrichtung 38 geöffnet. Nach der Hochtransformierung der an den
Spannungswandler 52 angelegten Spannung wird diese hochtransfor
mierte Spannung über die Leitungen 30, 32 an den Wechselrichter 46 an
gelegt. Dieser sorgt dann für den Antrieb des Elektromotors 12 und über
dessen Ausgangswelle 60 für den Antrieb des Kompressors 10, der das
Brennstoffzellensystems mit Luft versorgt.
Fig. 2 zeigt eine Möglichkeit für das Einschalten der Antriebseinrichtung
gemäß Fig. 1, wobei Fig. 2 zusätzlich zu den in Fig. 1 dargestellten Kom
ponenten einen Schlüsselschalter 62 eine elektrische Steuerung 64 und
Leitungen 66, 68, 70, 72 und 74 enthält.
Wenn der Benutzer in sein Fahrzeug einsteigt, so kann er beispielsweise
über den Schlüsselschalter 62 die Steuerung 64 veranlassen, den Schal
ter 61 über die Leitung 70 zu schließen, so daß die Ausgangsspannung
der Niederspannungsbatterie an den DC-DC-Wandler 52 über den Nieder
spannungsbus angelegt wird.
Gleichzeitig wird über die Steuerleitung 74 das Solenoid 40 zur Öffnung
der Drosseleinrichtung 38, beispielsweise in Form eines beliebigen Schie
bers veranlaßt. Das Steuersignal geht über die Steuerleitung 72 an den
Wechselrichter 46, damit dieser den Betrieb aufnimmt und über die Lei
tungen 48 den Elektromotor 12 antreibt. Der Elektromotor 12 treibt dann
über die Welle 60 den Kompressor 10 an. Die Luftversorgung des Brenn
stoffzellensystems 22 führt in kurzer Zeit zur Erzeugung der gewünschten
Betriebsspannung vom Brennstoffzellensystem 22, die dann an den
Klemmen 42 und 44 des Hochspannungsbusses zur Verfügung steht und
ermöglicht einen höheren Ausgangsstrom des Wechselrichters 46. Durch
den höheren Ausgangsstrom steigt die Abgabeleistung des Elektromotors
12 und daher die Geschwindigkeit des Kompressors 10 an. Es kann dann
die Drosseleinrichtung 38 geschlossen werden. Das Brennstoffzellensy
stem befindet sich dann im normalen Betrieb.
Da die Betriebsspannung an den Ausgangsklemmen des DC-DC-Wandlers
der Ausgangsspannung entspricht bzw. übersteigt, wird von diesem kein
Strom mehr erzeugt und die Versorgung des Elektromotors 12 erfolgt voll
ständig über den Hochspannungsbus des Brennstoffzellensystems 22.
Fig. 3 zeigt eine alternative Möglichkeit, den Elektromotor 12 mit elektri
scher Leistung von einer Niederspannungsbatterie zu versorgen. Die in
Fig. 3 gezeigten Bauteile entsprechend weitestgehend denen der Ausfüh
rungsform gemäß Fig. 1, weshalb für die gleichen Teile die gleichen Be
zugszeichen verwendet werden. Die für die Ausführungsform gemäß Fig. 1
und 2 abgegebene Beschreibung gilt auch für die Bestandteile der Ausfüh
rungsform gemäß Fig. 3, die mit den gleichen Bezugszeichen versehen ist.
Anstelle eines DC-DC-Wandlers wird bei der Ausführungsform gemäß
Fig. 3 eine Schalteinrichtung 80 in Form eines Schützes verwendet, der
die Eingangsklemmen 82 und 84 des Wechselrichters 46 wahlweise mit
den die Betriebsspannung führenden Klemmen 42 bzw. 44 des Hoch
spannungsbusses 28 oder mit den Ausgangsklemmen der Niederspan
nungsbatterie 50 verbindet.
Das heißt, der Schütz 80 sorgt für die Bewegung der beweglichen Schal
tarme 86, 88. Damit kann der Wechselrichter 46 entweder mit der Be
triebsspannung von den Klemmen 42, 44 oder mit Niederspannung vom
Niederspannungsbus 54 versorgt werden. Obwohl bei Versorgung des
Wechselrichters mit Niederspannung von der Niederspannungsbatterie 50
die Ausgangsleistung des Wechselrichters 46 beschränkt ist, reicht es -
vor allem bei Anwendung eines im gegendrucklosen Schwachlastfall opti
mierten Kompressors 10 - aus, um für eine Luftströmung durch das
Brennstoffzellensystem 22 zu sorgen, damit dieses ausreichende elektri
sche Energie erzeugt, um die gewünschte Betriebsspannung an den
Klemmen 42 bzw. 44 zu erzeugen. Sobald dies erreicht ist, wird über den
Schütz 80 die Niederspannungsbatterie 50 vom Wechselrichter 46 ent
koppelt und es steht ausreichende elektrische Leistung am Ausgang des
Wechselrichters 46 zur Verfügung, um den Elektromotor 12 und daher
den Kompressor 10 bei voller Leistung anzutreiben.
Die Fig. 4 zeigt eine Anordnung, die denen der Fig. 1-3 sehr ähnlich
ist. Aus diesem Grunde sind für gleiche Teile die gleichen Bezugszeichen
verwendet worden und es gilt für diese Teile auch die bisherige Beschrei
bung, sofern nichts gegenteiliges gesagt wird.
Wesentlich bei dieser Ausführungsform ist, daß ein Expander 90 über eine
Abtriebswelle 60A an den Rotor des Kompressors 10 bzw. an dessen An
triebswelle 60 angeschlossen ist. Die Anodenabgase, die den Stack bei 36
verlassen, werden in diesem Beispiel über die Leitungen 92 und 94 dem
Einlaß des Expanders 90 zugeführt und die kinetische Energie bzw.
Druckenergie des Kathodenabgasstromes, der den Stack bei 36 verläßt,
wird im Expander in eine Drehbewegung dessen Abtriebswelle 60A umge
wandelt, die den Kompressor 10 mechanisch antreibt, so daß mindestens
ein Teil der Antriebsenergie des Kompressors anstatt vom Elektromotor 12
vom Expander geliefert wird. Diese Antriebsart für den Kompressor 10 tritt
erst dann im Betrieb ein, wenn das Brennstoffzellensystem bereits ange
lassen ist. Wie bereits oben erwähnt, ist es zumindest empfehlenswert und
in vielen Fällen notwendig für die Anlaßphase für einen niedrigen Luftwi
derstand am Ausgang des Brennstoffzellensystems zu sorgen. Bei den bis
herigen Ausführungsformen ist dieser niedrige Luftwiderstand durch die
Drosselklappe 38 erreicht, die vom Solenoid 40 angesteuert für die Anlaß
phase geöffnet wird. Die Drosselklappe 38 und das Solenoid 40 kommen
auch hier zum Einsatz, hier werden sie aber anstatt in der Kathodenab
gasleitung in der Abgasleitung 96 des Expanders eingebaut, so daß die
Kathodenabgase das System entsprechend dem Pfeil 98 verlassen.
Je nach Bauart und Auslegung des Expanders kann es erforderlich sein,
eine Zusatzklappe 38A mit Solenoid 40A über eine Leitung 95 an die Lei
tung 92 stromab der zu dem Expander 90 führenden Abzweigung 94 an
zuschließen. In der Anlaßphase wird dann diese Zusatzklappe 38A geöff
net, wodurch die Kathodenabgase, die den Stack bei 36 verlassen entspre
chend dem Pfeil 98A aus dem Brennstoffzellensystem austreten können,
so daß sie nicht erst einen eventuell vorhandenen inneren Widerstand des
Expanders überwinden müssen. Es wäre auch denkbar, bei dieser Aus
führungsform die Drosselklappe 38 und Solenoid 40 fortzulassen und le
diglich die Zusatzklappe 38A mit Solenoid 40A zu verwenden. Da der Mo
tor 12 in der Anlaßphase den Expander über die Welle 60A antreiben
muß, was eine zusätzliche Belastung der Niederspannungsbatterie dar
stellt, könnte hier ein Freilauf zur Anwendung gelangen, der in den Ex
pander integriert oder wie bei 100 in gebrochenen Linien dargestellt,
wahlweise in die Antriebswelle 60A zwischen Expander 90 und Kompres
sor 10 angeordnet ist. Anstatt einen Freilauf 100 zu verwenden, könnte
eine Kupplung, beispielsweise eine elektromagnetische betätigte Kupplung oder
eine Zentrifugalkupplung zwischen dem Kompressor und dem Expander
90 angeordnet werden. Auch wäre es denkbar, zwischen diesen beiden
Teilen ein Getriebe beispielsweise ein Untersetzungsgetriebe einzusetzen,
wodurch eine höhere Drehgeschwindigkeit des Expanders im Vergleich
zum Kompressor möglich ist.
Vorteilhaft im Zusammenhang mit einem Systemstart aus der Nieder
spannungsbatterie 50 ist auch die Implementation des Expanders 90 in
einer nicht mit dem Kompressor 10 mechanisch gekoppelten Version in
Form eines Abgasturboladers in Radialverdichterausführung mit Inter
coolern/Wärmetauschern in einer Ausführung, die an sich für herkömmli
ehe Pkws bekannt ist. Bei der Verwendung eines Abgasturboladers im
Sinne der vorliegenden Lehre entzieht eine Abgasturbine dem Abgasstrom
der Brennstoffzelle Druck- bzw. Volumenstrom-Energie. Ein mechanisch
starr mit dieser hochdrehenden Turbine gekoppelter zusätzlicher Turbi
nen-Verdichter entlastet den Kompressor 10, indem diesem Kompressor
10 über die zusätzliche Verdichter-Turbine z. B. ein erhöhter Vordruck be
reitgestellt wird. Alternativ hierzu kann der Abgasturbolader so angewen
det werden, daß er den vom Kompressor gelieferten Luftstrom zusätzlich
verdichtet. Der Vorteil eines solchen Abgasturboladers beim Starten ist,
neben der mechanischen Entkopplung vom Kompressor 10 die Charakte
ristik des Radialverdichters bzw. allgemein der Strömungsmaschinen, die
dazu führt, daß bei Meiner Durchströmung (wie sie beim Systemstart
durch den Kompressor 10 erzeugt wird) nur ein minimaler Gegendruck
aufgebaut wird, so daß beim Start der Antrieb für den Kompressor nicht
unnötig belastet wird.
Zu Fig. 4 ist auch anzumerken, daß die Leitungen 36 und 34 gegenüber
den bisherigen Ausführungsformen der Fig. 1-3 vertauscht sind, um die
Zeichnung zu vereinfachen. Die genaue Stelle, an der die Kathodenabgase
bei 36 und die Anodenabgase bei 34 den Stack 22 verlassen, ist lediglich
eine Frage der internen Auslegung des Stacks.
Die Fig. 5 zeigt nun eine weitere Abwandlung der erfindungsgemäßen
Ausführung gemäß Fig. 4. Hier wird in den Wasserstoffkreislauf auf der
Anodenseite des Brennstoffzellensystems eine Wasserstoffrezirkulati
onspumpe 110 mit elektrischem Antriebsmotor 112 eingebaut. Es kann
sich bei der Rezirkulationspumpe 110 um ein Gebläse bzw. einen Ver
dichter, z. B. einen Radialverdichter, einen Axialverdichter oder einen Sei
tenkanalverdichter handeln. Der Elektromotor 112 wird hier genauso be
trieben wie der Motor 12, d. h., das beim Anlassen des Brennstoffzellensy
stems der Motor 112 parallel zum Motor 12 mit Energie aus der Nieder
spannungsbatterie 50 angesteuert wird, wodurch dieser Motor beispiels
weise bei einer Leistungsaufnahme von 50-100 Watt bei etwa 10% der
Nenndrehzahl läuft. Sobald das Brennstoffzellensystem ausreichende
elektrische Energie erzeugt, kann der Motor 112 wie auch der Kompres
sormotor 12 über die Leitungen 30 und 32 des Hochspannungsbusses 28
ggf. über den Wechselrichter 46 angetrieben werden.
Es ist nämlich festgestellt worden, daß die Wasserstoffrezirkulation, die an
sich bekannt ist, beispielsweise aus der deutschen Patentanmeldung
100 62 673.4 bzw. aus der internationalen Anmeldung WO 99/05741, die
normalerweise nur im stetigen Betrieb des Brennstoffzellensystems eine
Rolle spielt, einen bedeutenden Einfluß auf das Anlaßverfahren gemäß
vorliegender Erfindung haben kann. Die geringfügige Wasserstoffrezirku
lation, die in der Anlaufphase stattfindet, stellt nämlich sicher, daß der
Wasserstoff relativ gleichmäßig verteilt in den Brennstoffzellen vorliegt
und dies erleichert das Anlassen des Brennstoffzellensystems bei kleinem
Luftdurchsatz.
Es soll darauf hingewiesen werden, daß es viele verschiedenen Möglich
keiten gibt, einen solche Wasserstoffrezirkulationspumpe im System an
zuordnen. Wesentlich für die vorliegende Erfindung ist u. a. auch das Kon
zept, das eine solche Rezirkulationspumpe und ggf. auch weitere Kompo
nenten, die in der Regel mit höherer Spannung betrieben werden, beim
Startvorgang des Systems von einer Niederspannungsbatterie und dann,
nach der Anlaufphase, anschließend über den. Hochspannungsbus bei
Entkopplung von der Niederspannungsbatterie betrieben werden können.
Claims (36)
1. Antriebseinrichtung für einen Kompressor (10), der zur Lieferung
von Druckluft für den Betrieb eines Brennstoffzellensystems (22) in
einem Kraftfahrzeug ausgelegt ist, wobei die Antriebseinrichtung ei
nen Elektromotor (12) umfaßt, der im Betrieb mit elektrischer Ener
gie vom Brennstoffzellensystem (22) speisbar ist,
dadurch gekennzeichnet,
daß für das Anlassen des Brennstoffzellensystems (22) der den
Kompressor (10) antreibende Elektromotor (12) mit elektrischer
Energie von einer Niederspannungsbatterie (50) antreibbar ist, und
daß der Elektromotor (12) mit einer Betriebsspannung betreibbar
ist, die deutlich höher liegt als die Ausgangsspannung der Nieder
spannungsbatterie (50).
2. Antriebseinrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß es sich bei dem Kompressor (10) um einen in seiner Drehzahl
variablen Kompressor handelt, daß auf der Luftauslaßseite (36) des
Brennstoffzellensystems (22) eine Drosseleinrichtung (38) vorgese
hen ist, die im Fahrbetrieb des Brennstoffzellensystems eine Dros
selwirkung aufweist, jedoch zum Anlassen des Brennstoffzellensy
stems keine oder eine nur verhältnismäßig kleine Drosselwirkung
ausübt.
3. Antriebseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß eine Schalteinrichtung (80) zwischen den die Betriebsspannung
führenden Klemmen (42, 44) und den Ausgangsklemmen der Nie
derspannungsbatterie (50) angeordnet ist und wahlweise die Be
triebsspannung oder die Niederspannung dem Elektromotor (12)
bzw. einem dem Elektromotor vorgeschaltetem Speisemodul (46)
zuführt.
4. Antriebseinrichtung nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Schalteinrichtung (80) zur Erzeugung einer galvanischen
Trennung zwischen den die Betriebsspannung führenden Klemmen
(42, 44) und den Ausgangsklemmen der Niederspannungsbatterie
(50) ausgelegt ist.
5. Antriebseinrichtung nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Schalteinrichtung (80) als Schütz ausgebildet ist.
6. Antriebseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß ein Spannungswandler (52) vorgesehen ist, der die Ausgangs
spannung der Niederspannungsbatterie (50) auf ein Spannungsni
veau bringt, das zumindest im wesentlichen der Betriebsspannung
des Elektromotors (12) entspricht.
7. Antriebseinrichtung nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Elektromotor (12) ein Wechselstrommotor ist, dem ein Spei
semodul in Form eines Wechselrichters (46) vorgeschaltet ist, daß es
sich bei dem Spannungswandler (52) um einen DC-DC-Wandler
handelt, und daß sowohl der Ausgang des DC-DC-Wandlers als
auch die von den Brennstoffzellen gelieferte Betriebsspannung dem
Eingang des Wechselrichters (46) zuführbar sind.
8. Antriebseinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Elektromotor ein Gleichstrommotor ist.
9. Antriebseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Ausgangsspannung des Brennstoffzellensystems (22), d. h.
die Betriebsspannung, im Spannungsbereich zwischen 100 V und
500 V liegt.
10. Antriebseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Ausgangsspannung der Niederspannungsbatterie (50) im
Bereich zwischen 12 V und 48 V liegt, und vorzugsweise 12 V oder
42 V beträgt.
11. Antriebseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß keine Traktionsbatterie vorhanden ist.
12. Antriebseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß es sich bei dem Kompressor (10) um einen Schraubenverdichter
handelt.
13. Mit elektrischer Energie betriebene Einrichtung (12; 112) für den
Betrieb eines Brennstoffzellensystems (22), wobei die Einrichtung im
Betrieb mit elektrischer Energie vom Brennstoffzellensystem (22)
speisbar ist,
dadurch gekennzeichnet,
daß für das Anlassen des Brennstoffzellensystems (22) der Ein
richtung (12; 112) mit elektrischer Energie von einer Niederspan
nungsbatterie (50) antreibbar ist, und daß die Einrichtung (12; 112)
mit einer Betriebsspannung betreibbar ist, die deutlich höher liegt
als die Ausgangsspannung der Niederspannungsbatterie (50).
14. Einrichtung nach Anspruch 13,
dadurch gekennzeichnet,
daß es sich bei der Einrichtung um einen Antriebsmotor (12) für ei
nen Kompressor (10) handelt, der zur Lieferung von Druckluft für
den Betrieb des Brennstoffzellensystems ausgelegt ist.
15. Einrichtung nach Anspruch 13,
dadurch gekennzeichnet,
daß es sich bei der Einrichtung um einen Antriebsmotor (112) für
eine Wasserstoffrezirkulationspumpe (110) handelt, der für die Re
zirkulation vom Wasserstoff im Anodenkreislauf des Brennstoffzel
lensystems sorgt.
16. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß ein Expander (90) vorgesehen ist, der über einen Welle (60A) mit
dem Kompressor (10) gekoppelt ist und der von Abgasen des Brenn
stoffzellensystems antreibbar ist.
17. Einrichtung nach Anspruch 16,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Expander (90) durch den Kathodenabgasen des Brennstoff
zellensystems antreibbar ist.
18. Einrichtung nach Anspruch 16 oder 17,
dadurch gekennzeichnet,
daß eine steuerbare Drosselklappe (38) auf der Ausgangsseite des
Expanders vorgesehen ist.
19. Einrichtung nach Anspruch 16, 17 oder 18,
dadurch gekennzeichnet,
daß zwischen dem Kathodenausgang (36) des Brennstoffzellensy
stems und dem Expander (90) eine Abgasleitung (95) vorgesehen ist,
die eine steuerbare Klappe (38A) enthält.
20. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 16-19,
dadurch gekennzeichnet,
daß eine Freilaufeinrichtung (100) zwischen dem Kompressor (10)
und dem Expander (90) vorgesehen ist.
21. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 16-20,
dadurch gekennzeichnet,
daß eine Kupplung zwischen dem Kompressor (10) und dem Expan
der (90) vorgesehen ist.
22. Einrichtung nach Anspruch 21,
dadurch gekennzeichnet,
daß es sich um einen steuerbare Kupplung handelt.
23. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 16-22,
dadurch gekennzeichnet,
daß ein Getriebe zwischen dem Expander (90) und dem Kompressor
(10) vorgesehen ist.
24. Einrichtung nach Anspruch 23,
dadurch gekennzeichnet,
daß es sich bei dem Getriebe um ein Untersetzungsgetriebe handelt,
d. h. der Expander (90) läuft schneller als der Kompressor (10).
25. Einrichtung nach Anspruch 15,
dadurch gekennzeichnet,
daß es sich bei der Wasserstoffrezirkulationspumpe (110) um einen
Verdichter aus der Gruppe der axialen Verdichter, der radialen Ver
dichter und der Seitenkanalverdichter handelt.
26. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1-15,
dadurch gekennzeichnet,
daß ein Expander vorgesehen ist, der von den Abgasen des Brenn
stoffzellensystems antreibbar ist, und daß der Expander einen zuge
ordneten Zusatzverdichter antreibt, der einen verdichteten Luft
strom an den Kompressor liefert oder den Ausgangsluftstrom des
Kompressors zusätzlich verdichtet.
27. Einrichtung nach Anspruch 26,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Expander mit Zusatzverdichter ein Abgasturbolader ist.
28. Einrichtung nach Anspruch 27,
dadurch gekennzeichnet,
daß ein Intercooler zwischen dem Abgasturbolader und dem Kom
pressor vorgesehen ist.
29. Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems mit
mindestens einer Einrichtung (12; 112), die im Betrieb mit elektrischer
Energie vom Brennstoffzellensystems (22) gespeist wird,
dadurch gekennzeichnet,
daß für das Anlassen des Brennstoffzellensystems (22) die Einrich
tung (12; 112) mit elektrischer Energie von einer Niederspannungs
batterie (50) angetrieben wird und daß nach dem Anlassen des
Brennstoffzellensystems und der Erzeugung von elektrischer Ener
gie vom Brennstoffzellensystem die Einrichtung (12; 112) anschlie
ßend mit Hochspannungsenergie aus dem Brennstoffzellensystems
betrieben wird.
30. Verfahren nach Anspruch 29,
dadurch gekennzeichnet,
daß es sich bei der Einrichtung (12) um einen Elektromotor handelt,
der zum Antrieb eines Kompressors (10) des Brennstoffzellensy
stems (22) dient, der zur Lieferung von Druckluft für den Betrieb
des Brennstoffzellensystems (22) ausgelegt ist.
31. Verfahren nach Anspruch 29,
dadurch gekennzeichnet,
daß beim Anlassen des Brennstoffzellensystems eine Wasser
stoffströmung im Anodenkreislauf des Brennstoffzellensystems er
zeugt wird, um eine Verteilung von Wasserstoff in den Brennstoff
zellen (22) des Brennstoffzellensystems zu erzeugen.
32. Verfahren nach Anspruch 31,
dadurch gekennzeichnet,
daß es sich bei der Einrichtung zur Erzeugung einer Wasserstoff
verteilung um eine Wasserstofffreizirkulationspumpe (110) handelt,
die in der Anlaufphase mit elektrischer Energie von der Niederspan
nungsbatterie (50) angetrieben wird und im Betriebszustand des
Brennstoffzellensystems mit elektrischer Energie vom Brennstoff
zellensystem betrieben wird.
33. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 29 bis 32,
dadurch gekennzeichnet,
daß die kinetische Energie und/oder Druckenergie der Kathodenab
gase ausgenützt wird, um einen Expander (90) anzutreiben, der
beim Betrieb des Brennstoffzellensystems für den Antrieb des
Druckluft für das Brennstoffzellensystem liefernden Kompressors
(10) sorgt.
34. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 29 bis 33,
dadurch gekennzeichnet,
daß beim Anlassen des Brennstoffzellensystems eine Drosselklappe
(38; 38A) auf der Kathodenabgasseite des Brennstoffzellensystems
geöffnet wird, um einen niedrigen Luftwiderstand zu erzeugen und
daß dieser Drosselklappe nach erfolgtem Anlassen des Brennstoff
zellensystems in eine Stellung gebracht wird, die für einen höheren
Luftwiderstand sorgt.
35. Verfahren nach Anspruch 34,
dadurch gekennzeichnet,
daß die steuerbare Drosselklappe (38) dem Kathodenausgang des
Brennstoffzellen-Stacks benachbart angeordnet wird.
36. Verfahren nach Anspruch 34 oder 35,
dadurch gekennzeichnet,
daß eine steuerbare Klappe (38A) in einer Abgasleitung (95) vorge
sehen ist, die an eine Rückkopplungsleitung (92; 94) angeschlossen
ist, die vom Kathodenausgang (36) des Brennstoffzellen-Stacks zum
Eingang des Expanders (90) führt und diese steuerbare Klappe beim
Anlassen des Brennstoffzellensystems geöffnet wird und nach er
folgter Anlassung des Brennstoffzellensystems mindestens teilweise
geschlossen wird.
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