DE102004051359A1

DE102004051359A1 - Zweistufige Kompression zur Luftversorgung eines Brennstoffzellensystems

Info

Publication number: DE102004051359A1
Application number: DE102004051359A
Authority: DE
Inventors: Volker Formanski; Peter Kilian; Thomas Herbig; Marc Becker
Original assignee: Motors Liquidation Co
Current assignee: General Motors LLC
Priority date: 2003-10-29
Filing date: 2004-10-21
Publication date: 2005-06-09
Anticipated expiration: 2024-10-22
Also published as: JP4584672B2; US20050095488A1; DE102004051359B4; US7344787B2; JP2005135910A

Abstract

Ein mehrstufiges Kompressorsystem, das Luft, die an eine Kathode eines Brennstoffzellensystems geliefert wird, komprimiert, umfasst einen Kompressor einer ersten Stufe, der Einlassluft komprimiert, um einen ersten unter Druck stehenden Luftstrom bei einem ersten Druck vorzusehen. Ein Kompressor einer zweiten Stufe umfasst eine Kompressionseinheit, die den ersten unter Druck stehenden Luftstrom auf einen zweiten unter Druck stehenden Luftstrom bei einem zweiten Druck komprimiert. Eine Antriebseinheit treibt die Kompressionseinheit unter Verwendung von Expansionsenergie eines Abgasstromes der Brennstoffzelle an. Ein erster Wärmetauscher ermöglicht eine Wärmeübertragung zwischen dem zweiten unter Druck stehenden Luftstrom und dem Abgasstrom, um den Abgasstrom zu erhitzen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Brennstoffzellensysteme und insbesondere eine komprimierte Oxidationsmittelversorgung für einen Brennstoffzellenstapel.

Brennstoffzellensysteme umfassen einen Brennstoffzellenstapel, der elektrische Energie auf Grundlage einer Reaktion zwischen einem auf Wasserstoff basierenden Zufuhrgas (beispielsweise reinem Wasserstoff oder einem Wasserstoffreformat) und einem Oxidationsmittelzufuhrgas (beispielsweise reiner Sauerstoff oder auch sauerstoffhaltige Luft) erzeugt. Das auf Wasserstoff basierende Zufuhrgas und das Oxidationsmittelzufuhrgas werden an den Brennstoffzellenstapel unter geeigneten Betriebsbedingungen (d.h. Temperatur und Druck) zur Reaktion darin geliefert. Die richtige Konditionierung der Zufuhrgase wird durch andere Komponenten des Brennstoffzellensystems erreicht, um die richtigen Betriebsbedingungen vorsehen zu können.

Das Brennstoffzellensystem umfasst einen Luftkompressor zum Komprimieren des Oxidationsmittelzufuhrgases und einen Wärmetauscher zum Kühlen des Oxidationsmittelzufuhrgases. Der Kompressor sieht den geeigneten Betriebsdruck des Oxidationsmittelzufuhrgases vor, und der Wärmetauscher sieht die geeignete Betriebstemperatur des Oxidationsmittelzufuhrgases vor. Allgemein umfasst das Brennstoffzellensystem auch eine Befeuchtungseinrichtung, um einen geeigneten Befeuchtungszustand des Oxidationsmittelzufuhrgases zur Reaktion in dem Brennstoffzellenstapel zu erzielen. Ein Kühlmittelsystem sieht ein Mittel vor, mit dem Wärme von dem Brennstoffzellenstapel und anderen Systemkomponenten abgegeben werden kann.

Die Konstruktion des Systems zur Lieferung von Oxidationsmittelzufuhrgas beeinflusst das gesamte Brennstoffzellensystem erheblich. Genauer beeinflusst das Oxidationsmittelliefersystem die Leistungsentnahme von dem Brennstoffzellenstapel zum Betrieb von Kompressormotoren und dergleichen, wie auch die Belastung des Kühlmittelsystems mit Abwärme. Infolgedessen ist es vorteilhaft, den Betriebswirkungsgrad des Systems zur Lieferung von Oxidationsmittelzufuhrgas zu verbessern.

Demgemäß sieht die vorliegende Erfindung ein mehrstufiges Kompressorsystem vor, das an eine Kathode eines Brennstoffzellensystems gelieferte Luft komprimiert. Das mehrstufige Kompressorsystem umfasst einen Kompressor einer ersten Stufe, der Einlassluft komprimiert, um einen ersten unter Druck stehenden Luftstrom bei einem ersten Druck zu liefern. Ein Kompressor einer zweiten Stufe umfasst eine Kompressionseinheit, die den ersten unter Druck stehenden Luftstrom auf einen zweiten unter Druck stehenden Luftstrom bei einem zweiten Druck komprimiert. Eine über Motor betriebene Antriebseinheit treibt die erste Stufe der Kompressionseinheit an, und eine Expansionseinheit treibt die zweite Stufe der Kompressionseinheit unter Verwendung von Expansionsenergie eines Abgasstromes der Brennstoffzelle an. Ein erster Wärmetauscher ermöglicht eine Wärmeübertragung zwischen dem zweiten unter Druck stehenden Luftstrom und dem Abgasstrom, um den Abgasstrom aufzuheizen.

Bei einer Ausführungsform umfasst das mehrstufige Kompressorsystem ferner einen zweiten Wärmetauscher, der zwischen dem Kompressor der ersten Stufe und dem Kompressor der zweiten Stufe angeordnet ist, um eine Temperatur des ersten unter Druck stehenden Luftstroms zu verringern. Der zweite Wärmetauscher befindet sich in Reihe mit dem ersten Wärmetauscher und erlaubt eine Wärmeübertragung zwischen dem ersten unter Druck stehenden Luftstrom und dem Abgasstrom.

Bei einer noch weiteren Ausführungsform umfasst das mehrstufige Kompressorsystem ferner ein Bypassventil mit einem offenen Zustand, einem geschlossenen Zustand und einem teilweise offenen Zustand. In dem geschlossenen Zustand strömt der erste unter Druck stehende Strom an den Kompressor der zweiten Stufe, und im offenen Zustand umgeht der erste unter Druck stehende Strom den Kompressor der zweiten Stufe.

Bei einer noch weiteren Ausführungsform umfasst der mehrstufige Kompressor ferner ein Bypassventil mit einem vollständig offenen Zustand, einem geschlossenen Zustand und einem teilweise offenen Zustand. Im geschlossenen Zustand steht der zweite unter Druck stehende Luftstrom nicht in Fluidverbindung mit dem Abgasstrom. In dem vollständig offenen Zustand oder teilweise offenen Zustand steht ein entsprechender Anteil des zweiten unter Druck stehenden Luftstroms in Fluidverbindung mit dem Abgasstrom.

Bei einer anderen Ausführungsform umfasst das mehrstufige Kompressorsystem ferner einen zweiten Wärmetauscher, der unterstromig des ersten Wärmetauschers angeordnet ist, um eine Temperatur des zweiten unter Druck stehenden Luftstroms zu verringern.

Weitere Anwendungsgebiete der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend detaillierter beschrieben. Es sei zu verstehen, dass die detaillierte Beschreibung wie auch die spezifischen Beispiele, während sie die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung angeben, nur zu Zwecken der Veranschaulichung und nicht dazu bestimmt sind, den Schutzumfang der Erfindung zu beschränken.

Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden nur beispielhaft unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, in welchen:

1 ein Funktionsblockschaubild eines Brennstoffzellensystems mit einer zweistufigen Luftkompression gemäß der vorliegenden Erfindung ist;

2 ein Funktionsblockschaubild eines Brennstoffzellensystems gemäß der vorliegenden Erfindung ist, das eine zweistufige Luftkompression und einen optionalen Flüssigkeitszwischenkühler umfasst; und

3 ein Funktionsblockschaubild des Brennstoffzellensystems gemäß der vorliegenden Erfindung ist, das eine alternativ ausgebildete zweistufige Luftkompression und einen optionalen Zwischenkühler für Abgas von der Brennstoffzelle umfasst.

Die folgende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen ist lediglich beispielhafter Natur und nicht dazu bestimmt, die Erfindung, ihre Anwendung oder ihren Gebrauch zu beschränken.

In 1 ist ein Brennstoffzellensystem 10 gezeigt. Das Brennstoffzellensystem 10 umfasst einen Brennstoffzellenstapel 12, ein Kühlmittelsystem 14 und ein Kompressorsystem 16. Das Kühlmittelsystem 14 hält die Betriebstemperatur des Brennstoffzellenstapels 12 auf einem geeigneten Niveau. Zusätzlich kann das Kühlmittelsystem 14 optional die Temperatur von Fluiden an verschiedenen Punkten in dem Brennstoffzellensystem 10 einstellen, wie nachfolgend detaillierter beschrieben ist. Das Kompressorsystem 16 komprimiert Oxidationsmittel, das an den Brennstoffzellenstapel 12 geliefert wird. Genauer wird das Oxidationsmittel an eine Kathodenseite (nicht gezeigt) des Brennstoffzellenstapels 12 geliefert, so dass es katalytisch mit Wasserstoffgas reagiert, das an eine Anodenseite (nicht gezeigt) des Brennstoffzellenstapels 12 geliefert wird. Das Oxidationsmittel ist sauerstoffreiche Luft, die von dem Kompressorsystem 16 in einem geeigneten Betriebszustand (d.h. Temperatur und Druck) geliefert wird. Das Oxidationsmittel reagiert mit dem Wasserstoffgas, um elektrischen Strom und einen Abgasstrom zu erzeugen.

Das Kompressorsystem 16 umfasst einen Kompressor 18 der ersten Stufe und einen Kompressor 20 der zweiten Stufe. Wie nachfolgend detaillierter erläutert ist, wird in einer ersten Betriebsart des Brennstoffzellensystems 10 der Kompressor 18 der ersten Stufe verwendet, und in einer zweiten Betriebsart des Brennstoffzellensystems 10 werden beide Kompressoren 18, 20 der ersten als auch zweiten Stufe verwendet. Der Kompressor 18 der ersten Stufe kann vom Schraubentyp, vom Hubkolbentyp, vom Scheibentyp, vom Schnecken- bzw. Spiraltyp oder einem anderen Typ von Kompressor sein, der durch einen Motor 22, wie beispielsweise einem Elektromotor, angetrieben wird. Sauerstoffreiche Luft wird in den Kompressor 18 der ersten Stufe gezogen und darin komprimiert, um einen ersten unter Druck stehenden Strom bei einem ersten Druck vorzusehen. Der Kompressor 20 der zweiten Stufe ist ein Turbokompressor oder ein anderer Typ von Kompressor 24, der durch eine Expansionseinrichtung 26 angetrieben wird. Genauer strömt der Abgas strom durch die Expansionseinrichtung 26, wobei die Expansionsenergie des Abgasstromes den Kompressor 24 antreibt. Der erste unter Druck stehende Strom wird in den Kompressor 20 der zweiten Stufe gezogen und darin komprimiert, um einen zweiten unter Druck stehenden Strom bei einem zweiten Druck vorzusehen.

Ein Wärmetauscher 28 oder ein Rekuperator ermöglicht eine Wärmeübertragung zwischen dem zweiten unter Druck stehenden Strom und dem Abgasstrom. An dieser Stelle führt der Wärmetauscher 28 zwei Funktionen aus. Zunächst ermöglicht der Wärmetauscher 28 eine Wärmeübertragung von dem zweiten unter Druck stehenden Strom auf den Abgasstrom, um die Abgasstromtemperatur zu erhöhen. Zweitens verringert der Wärmetauscher 28 die Temperatur des zweiten unter Druck stehenden Stromes, wodurch die Belastung des Kühlmittelsystems 14 des Brennstoffzellensystems 10 verringert wird. Bevorzugt verlässt der zweite unter Druck stehende Strom den Wärmetauscher 28 mit einer geeigneten Temperatur, um in den Brennstoffzellenstapel 12 einzutreten.

Wie oben beschrieben wurde, ist das Brennstoffzellensystem 10 in einer ersten und einer zweiten Betriebsart betreibbar. Die erste Betriebsart ist auf die Nennbetriebsbedingungen gerichtet, denen das Brennstoffzellensystem 10 ausgesetzt ist, um elektrischen Strom zu liefern. Die zweite Betriebsart ist auf Betriebsbedingungen oberhalb des Durchschnitts gerichtet, denen das Brennstoffzellensystem 10 ausgesetzt ist, um einen größeren elektrischen Strom zu liefern. Beispielsweise liegen bei einem das Brennstoffzellensystem 10 umfassenden Fahrzeug in etwa 80 bis 90 % der Fahrtzeit in der ersten Betriebsart, um ausreichend elektrischen Strom für Standardfahrmanöver vorzusehen. Die zweite Betriebsart ist auf die verbleibende Fahrtzeit gerichtet, während der extremere Fahrzeugmanöver vorkommen, die zusätzliche elektrische Energie erfordern.

Es ist ein erstes Bypassventil 30 enthalten, mit dem selektiv eine Fluidübertragung von dem Kompressor 18 der ersten Stufe direkt auf den Brennstoffzellenstapel 12 ermöglicht wird. Bei Betrieb in der ersten Betriebsart ist das erste Bypassventil 30 offen, wodurch eine Fluidströmung von dem Austrag des Kompressors 18 der ersten Stufe an den Brennstoffzellenstapel 12 ermöglicht wird. Wie oben beschrieben ist, wird der Kompressor 20 der zweiten Stufe bei Betrieb in der ersten Betriebsart nicht verwendet. Bei Betrieb in der zweiten Betriebsart wird das erste Bypassventil 30 geschlossen, so dass der erste unter Druck stehende Strom an den Kompressor 20 der zweiten Stufe geliefert wird.

Zwischen der Austragsseite des Kompressors 20 der zweiten Stufe und dem Austragsströmungspfad ist ein zweites Bypassventil 32 angeordnet. Das zweite Bypassventil 32 ist bei Betrieb in der zweiten Betriebsart selektiv offen und steuert eine Rückführströmung zu der Expansionseinrichtung 26. Genauer kann bei Betrieb in der zweiten Betriebsart mehr Expansionsenergie erforderlich sein, um den ersten unter Druck stehenden Strom in dem Kompressor 20 der zweiten Stufe ausreichend zu komprimieren. Das zweite Bypassventil 32 wird betätigt, um einen Rückführstrom von der Austragsseite des Kompressors 24 an die Expansionseinrichtung 26 gemäß den Leistungsbeschreibungen (engl. "performance map") sowohl des Kompressors 24 als auch der Expansionseinrichtung 26 zu steuern. Der Rückführstrom mischt sich mit der Abgasströmung, um eine zusätzliche Expansionsenergie in der Expansionseinrichtung 26 vorzusehen.

Um verschiedene mögliche Betriebsbedingungen einstellen zu können, kann die Expansionseinrichtung 26 mit variablen Führungsflügeln 33 oder einem Abgasbypass ausgestattet sein, der ein Steuerventil umfasst (nicht gezeigt). Ein Anstellwinkel der variablen Führungsflügel 33 wird variiert, um den Wirkungsgrad der Expansionseinrichtung zu erhöhen und den Fluiddruck oberstromig der Expansionseinrichtung 26 einzustellen. Der Abgasbypass sieht eine Umgehung bzw. einen Bypass von dem Einlass der Expansionseinrichtung zu dem Auslass der Expansionseinrichtung vor und wird bei Perioden von mittel- zu hochvolumigen Fluidströmungen an dem Einlass der Expansionseinrichtung verwendet.

Bei Betrieb in der zweiten Betriebsart komprimiert der Kompressor 18 der ersten Stufe die Einlassluft, um den ersten unter Druck stehenden Strom zu erzeugen. Das erste Bypassventil 30 wird geschlossen, um eine Strömung des ersten unter Druck stehenden Stroms direkt an den Brennstoffzellenstapel 12 zu verhindern. Der erste unter Druck stehende Strom wird in den Kompressor 20 der zweiten Stufe gezogen und darin komprimiert, um den zweiten unter Druck stehenden Strom vorzusehen. Der zweite unter Druck stehende Strom wird von dem Kompressor 20 der zweiten Stufe ausgetragen und strömt durch den Wärmetauscher 28.

Das Austragsfluid von dem Brennstoffzellenstapel 12 wird durch den zweiten unter Druck stehenden Strom in dem Wärmetauscher 28 aufgeheizt. Das aufgeheizte Austragsfluid dehnt sich in der Expansionseinrichtung 26 aus, um den Turbokompressor 24 anzutreiben. Wenn das zweite Bypassventil 32 geschlossen ist, strömt der zweite unter Druck stehende Strom von dem Wärmetauscher 28 an den Brennstoffzellenstapel 12. Wenn das zweite Bypassventil 32 offen ist, wird ein Anteil des zweiten unter Druck stehenden Stromes zur Mischung mit dem Austragsfluid zurückgeführt, und der verbleibende Anteil des zweiten unter Druck stehenden Stromes strömt an den Brennstoffzellenstapel 12.

Unmittelbar vor dem Einlass des Brennstoffzellenstapels 12 ist ein optionaler Wärmetauscher 36 angeordnet. Der optionale Wärmetauscher 36 steht in Wärmetausch mit dem Kühlmittelsystem 14 und erlaubt eine Wärmeübertragung zwischen dem in den Brennstoffzellenstapel 12 eintretenden, unter Druck stehenden Fluid und dem Kühlmittelsystem 14. Genauer erlaubt der optionale Wärmetauscher 36 eine Verringerung der Temperatur des unter Druck stehenden Fluides, das in den Brennstoffzellenstapel 12 eintritt, auf eine geeignete Größe zur Verwendung in dem Brennstoffzellenstapel 12. Der optionale Wärmetauscher 36 stellt, wenn er vorhanden ist, ferner die Temperatur des zweiten unter Druck stehenden Stromes zur Verwendung in dem Brennstoffzellenstapel 12 ein.

In 2 ist eine alternative Ausgestaltung des Brennstoffzellensystems 10 gezeigt und mit 10' bezeichnet. Die Ausgestaltung des Brennstoffzellensystems 10' ist allgemein gleich zu der Ausgestaltung des Brennstoffzellensystems 10, das oben beschrieben ist. Ein Unterschied besteht jedoch darin, dass ein optionaler Flüssigkeitszwischenkühler 34 zwischen dem Kompressor der ersten Stufe und dem Kompressor der zweiten Stufe angeordnet ist. Der optionale Wärmetauscher 34 steht in Wärmetausch mit dem Kühlmittelsystem 14. Der optionale Wärmetauscher 34 erlaubt eine Wärmeübertragung zwischen dem ersten unter Druck stehenden Strom, der den Kompressor 18 der ersten Stufe verlässt, und dem Kühlmittelsystem 14. Genauer erlaubt der optionale Wärmetauscher 34 eine Verringerung der anfänglichen Temperatur des ersten unter Druck stehenden Fluides auf eine geeignete Größe zur Kompression in dem Kompressor 20 der zweiten Stufe oder zur Verwendung in dem Brennstoffzellenstapel 12 abhängig von der Betriebsart des Brennstoffzellensystems 10'.

Bei Betrieb in der ersten Betriebsart komprimiert der Kompressor 18 der ersten Stufe die Einlassluft, um den ersten unter Druck stehenden Strom zu erzeugen. Der optionale Wärmetauscher 34 verringert die Temperatur des ersten unter Druck stehenden Stroms. Das erste Bypassventil 30 ist offen, um einen Durchfluss des ersten unter Druck stehenden Stroms an den Brennstoffzellenstapel 12 zu ermöglichen. Der optionale Wärmetauscher 36 stellt, wenn er vorhanden ist, ferner die Temperatur des ersten unter Druck stehenden Stromes zur Verwendung in dem Brennstoffzellenstapel 12 ein.

In 3 ist eine weitere alternative Ausgestaltung des Brennstoffzellensystems 10 gezeigt und mit 10'' bezeichnet. Die Ausgestaltung des Brennstoffzellensystems 10'' ist allgemein gleich zu der Ausgestaltung des Brennstoffzellensystems 10', das oben detailliert beschrieben ist. Ein Unterschied besteht jedoch darin, dass der optionale Wärmetauscher 34 eine Wärmeübertragung zwischen dem ersten unter Druck stehenden Strom, der von dem Kompressor 18 der ersten Stufe ausgetragen wird, und dem Abgasstrom ermöglicht, der den Brennstoffzellenstapel 12 verlässt. Infolgedessen ermöglicht der erste unter Druck stehende Strom eine zusätzliche Aufheizung des Abgasstromes, um zusätzliche Expansionsenergie zum Antrieb des Kompressors 20 der zweiten Stufe vorzusehen. Es sei auch angemerkt, dass das Brennstoffzellensystem 10' ansonsten auf die gleiche Art und Weise (d.h. erste und zweite Betriebsart) wie oben für das Brennstoffzellensystem 10' beschrieben arbeitet.

Die Tabelle 1 sieht einen Vergleich zwischen den Leistungen bzw. den Betriebsverhalten der verschiedenen Brennstoffzellensysteme vor. Fall 1 und Fall 2 repräsentieren Brennstoffzellensysteme ohne die Vorteile der vorliegenden Erfindung. Fall 3 (das Brennstoffzellensystem 10), Fall 4 (das Brennstoffzellensystem 10') und Fall 5 (das Brennstoffzellensystem 10'') repräsentieren Ausgestaltungen gemäß der vorliegenden Erfindung. Genauer zeigt Fall 1 die Leistung eines Brennstoffzellensystems, das keinen Zwischenkühler 34 oder Rekuperator 28 umfasst. Fall 2 zeigt ein Brennstoffzellensystem, das lediglich einen Zwischenkühler 34 umfasst. Fall 3 zeigt die Leistung des Brennstoffzellensystems 10, das lediglich den Rekuperator 28 umfasst. Fall 4 zeigt das Brennstoffzellensystem 10', das sowohl den Rekuperator 28 als auch den Zwischenkühler 34 unter Verwendung von flüssigem Kühlmittel zur Wärmeübertragung umfasst, und Fall 5 zeigt die Leistung eines Brennstoffzellensystems 10'', das den Rekuperator 28 und den Zwischenkühler 34 unter Verwendung des Brennstoffzellenabgases zur Wärmeübertragung umfasst.

Die Leistungsdaten von Tabelle 1 wurden auf Grundlage eines Betriebs mit einem Zufuhrgasdurchfluss für Oxidationsmittel von 60 g/s bei einem Druck von 3 bar, einer Betriebstemperatur des Brennstoffzellenstapels von 90°C, einem Kompressorwirkungsgrad von 60 % für beide Kompressionsstufen, einem Wirkungsgrad der Expansionseinrichtung von 70 %, einem Wirkungsgrad für den Motor und Wechselrichter für die erste Kompressionsstufe von 85 % und einer Umgebungstemperatur von 25°C bestimmt. Es sei angemerkt, dass die in Tabelle 1 vorgesehenen Werte lediglich beispielhaft sind und basierend auf der jeweiligen Kon struktion und den jeweiligen Leistungsanforderungen der Brennstoffzellensysteme variieren können.

Tabelle 1

Für Fall 1 beträgt die benötigte Leistung der ersten Stufe 7,8 kW mit einer Wärmelast von 7,5 kW, die das Kühlmittelsystem handhaben muss. Da der Kompressor der ersten Stufe durch einen Elektromotor angetrieben wird, werden 9,2 kW der über Brennstoffzelle erzeugten Leistung verbraucht, um den Elektromotor anzutreiben. Bei Fall 2 verbessert die Verwendung eines Zwischenkühlers die Leistung durch geringfügige Verringerung der Wärmelast auf 6,9 kW und verringert den Leis tungsbedarf der ersten Stufe auf 8,6 kW. Fall 4 verbessert sich sowohl gegenüber Fall 1 als auch Fall 2 mit einem Leistungsbedarf der ersten Stufe von 8,0 kW und einer Wärmelast von 3,7 kW. Fall 3 sieht jedoch mit dem Leistungsbedarf der ersten Stufe von 8,1 kW und einer Wärmelast von 1,5 kW die bedeutendsten Leistungsvorteile vor. Obwohl der Leistungsbedarf der ersten Stufe für Fall 3 geringfügig höher als für Fall 4 ist, wird die Wärmelast auf das Kühlmittelsystem für Fall 3 um über 50 % verringert. Fall 5 stellt ebenfalls eine interessante alternative Systemkonfiguration vor, die lediglich 7,8 kW Leistung für den elektrischen Kompressor für Stufe 1 mit einer Gesamtwärmeabgabe von 2,3 kW an das Kühlmittelsystem erfordert.

Zusammengefasst umfasst ein mehrstufiges Kompressorsystem, das Luft, die an eine Kathode eines Brennstoffzellensystems geliefert wird, komprimiert, einen Kompressor einer ersten Stufe, der Einlassluft komprimiert, um einen ersten unter Druck stehenden Luftstrom bei einem ersten Druck vorzusehen. Ein Kompressor einer zweiten Stufe umfasst eine Kompressionseinheit, die den ersten unter Druck stehenden Luftstrom auf einen zweiten unter Druck stehenden Luftstrom bei einem zweiten Druck komprimiert. Eine Antriebseinheit treibt die Kompressionseinheit unter Verwendung von Expansionsenergie eines Abgasstromes der Brennstoffzelle an. Ein erster Wärmetauscher ermöglicht eine Wärmeübertragung zwischen dem zweiten unter Druck stehenden Luftstrom und dem Abgasstrom, um den Abgasstrom zu erhitzen.

Claims

Mehrstufiges Kompressorsystem (16), das an eine Kathode eines Brennstoffzellensystems (10, 10', 10'') gelieferte Luft komprimiert, mit: einem Kompressor (18) einer ersten Stufe, der Einlassluft komprimiert, um einen ersten unter Druck stehenden Luftstrom bei einem ersten Druck vorzusehen; einem Kompressor (20) einer zweiten Stufe, mit: einer Kompressionseinheit (24), die den ersten unter Druck stehenden Luftstrom auf einen zweiten unter Druck stehenden Luftstrom bei einem zweiten Druck komprimiert; und einer Antriebseinheit (26), die die Kompressionseinheit (24) unter Verwendung von Expansionsenergie eines Abgasstroms der Brennstoffzelle (12) antreibt; und einen ersten Wärmetauscher (28), der eine Wärmeübertragung zwischen dem zweiten unter Druck stehenden Luftstrom und dem Abgasstrom ermöglicht, um den Abgasstrom aufzuheizen.
Mehrstufiges Kompressorsystem (16) nach Anspruch 1, ferner mit einem zweiten Wärmetauscher (34), der zwischen dem Kompressor (18) der ersten Stufe und dem Kompressor (20) der zweiten Stufe angeordnet ist, um eine Temperatur des ersten unter Druck stehenden Luftstroms zu verringern.
Mehrstufiges Kompressorsystem (16) nach Anspruch 2, wobei der zweite Wärmetauscher (34) in Reihe mit dem ersten Wärmetauscher (28) angeordnet ist und eine Wärmeübertragung zwischen dem ersten unter Druck stehenden Luftstrom und dem Abgasstrom ermöglicht.
Mehrstufiges Kompressorsystem (16) nach Anspruch 1, ferner mit einem Bypassventil (30), das einen offenen Zustand, einen geschlossenen Zustand und einen teilweise offenen Zustand besitzt, wobei in dem geschlossenen Zustand der erste unter Druck stehende Strom an den Kompressor (20) der zweiten Stufe strömt, im offenen Zustand der erste unter Druck stehende Strom den Kompressor (20) der zweiten Stufe umgeht und im teilweise offenen Zustand ein Anteil des ersten unter Druck stehenden Stromes den Kompressor (20) der zweiten Stufe umgeht.
Mehrstufiges Kompressorsystem (16) nach Anspruch 1, ferner mit einem Bypassventil (32), das einen vollständig offenen Zustand, einen geschlossenen Zustand und einen teilweise offenen Zustand besitzt, wobei in dem geschlossenen Zustand der zweite unter Druck stehende Luftstrom an einer Fluidverbindung mit dem Abgasstrom gehindert ist, und in dem teilweise offenen Zustand oder vollständig offenen Zustand ein entsprechender Anteil des zweiten unter Druck stehenden Luftstroms in Fluidverbindung mit dem Abgasstrom steht.
Mehrstufiges Kompressorsystem (16) nach Anspruch 1, ferner mit einem zweiten Wärmetauscher (36), der unterstromig des ersten Wärmetauschers (28) angeordnet ist, um eine Temperatur des zweiten unter Druck stehenden Luftstroms zu verringern.
Mehrstufiges Kompressorsystem (16) nach Anspruch 1, wobei die Antriebseinheit (26) eine Expansionseinrichtung (26) mit variablen Führungsflügeln (33) umfasst.
Mehrstufiges Kompressorsystem (16) nach Anspruch 1, wobei die Antriebseinheit (26) eine Expansionseinrichtung (26) mit einer Abgasumgehung umfasst.
Brennstoffzellensystem (10, 10', 10'') mit: einem Brennstoffzellenstapel (12); und einem Kompressorsystem (16), das komprimierte Luft an eine Kathode des Brennstoffzellenstapels (12) liefert, wobei das Kompressorsystem (16) umfasst: einen Kompressor (18) einer ersten Stufe, der Einlassluft komprimiert, um einen ersten unter Druck stehenden Luftstrom bei einem ersten Druck vorzusehen; einen Kompressor (20) einer zweiten Stufe, der eine Kompressionseinheit (24) umfasst, die den ersten unter Druck stehenden Luftstrom auf einen zweiten unter Druck stehenden Luftstrom bei einem zweiten Druck komprimiert, und eine Antriebseinheit (26) umfasst, die die Kompressionseinheit (24) unter Verwendung von Expansionsenergie eines Abgasstromes des Brennstoffzellenstapels (12) antreibt; und einen ersten Wärmetauscher (28), der eine Wärmeübertragung zwischen dem zweiten unter Druck stehenden Luftstrom und dem Abgasstrom ermöglicht.
Brennstoffzellensystem (10, 10', 10'') nach Anspruch 9, ferner mit einem zweiten Wärmetauscher (34), der zwischen dem Kompressor (18) der ersten Stufe und dem Kompressor (20) der zweiten Stufe angeordnet ist, um eine Temperatur des ersten unter Druck stehenden Luftstromes zu verringern.
Brennstoffzellensystem (10, 10', 10'') nach Anspruch 10, wobei der zweite Wärmetauscher (34) in Reihe mit dem ersten Wärmetauscher (28) angeordnet ist und eine Wärmeübertragung zwischen dem ersten unter Druck stehenden Luftstrom und dem Abgasstrom ermöglicht.
Brennstoffzellensystem (10, 10', 10'') nach Anspruch 9, ferner mit einem Bypassventil (30), das einen offenen Zustand, einen geschlossenen Zustand und einen teilweise offenen Zustand besitzt, wobei in dem geschlossenen Zustand der erste unter Druck stehende Strom an den Kompressor (20) der zweiten Stufe strömt, in dem offenen Zustand der erste unter Druck stehende Strom den Kompressor (20) der zweiten Stufe umgeht und in dem teilweise offenen Zustand ein Anteil des ersten unter Druck stehenden Stromes den Kompressor (20) der zweiten Stufe umgeht.
Brennstoffzellensystem (10, 10', 10'') nach Anspruch 9, ferner mit einem Bypassventil (32), das einen vollständig offenen Zustand, einen geschlossenen Zustand und einen teilweise offenen Zustand besitzt, wobei in dem geschlossenen Zustand der zweite unter Druck stehende Luftstrom an einer Fluidverbindung mit dem Abgasstrom gehindert ist und in dem vollständig offenen Zustand oder dem teilweise offenen Zustand ein entsprechender Anteil des zweiten unter Druck stehenden Luftstromes in Fluidverbindung mit dem Abgasstrom steht.
Brennstoffzellensystem (10, 10', 10'') nach Anspruch 9, ferner mit einem zweiten Wärmetauscher (36), der unterstromig des ersten Wärmetauschers (28) angeordnet ist, um eine Temperatur des zweiten unter Druck stehenden Luftstroms zu verringern.
Brennstoffzellensystem (10, 10', 10'') nach Anspruch 9, wobei die Antriebseinheit (26) eine Expansionseinrichtung (26) mit variablen Führungsflügeln (33) umfasst.
Brennstoffzellensystem (10, 10', 10'') nach Anspruch 9, wobei die Antriebseinheit (26) eine Expansionseinrichtung (26) mit einer Abgasumgehung umfasst.
Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems (10, 10', 10'') in einer ersten und zweiten Betriebsart, umfassend, dass: bei Betrieb in der ersten und zweiten Betriebsart Einlassluft mit einem ersten Kompressor (18) komprimiert wird, um einen ersten unter Druck stehenden Luftstrom bei einem ersten Druck vorzusehen; bei Betrieb in der zweiten Betriebsart der erste unter Druck stehende Luftstrom mit einem zweiten Kompressor (20) komprimiert wird, um einen zweiten unter Druck stehenden Luftstrom bei einem zweiten Druck vorzusehen; und bei Betrieb in der zweiten Betriebsart der zweite Kompressor (20) unter Verwendung von Abgas von dem Brennstoffzellensystem (10, 10'; 10'') angetrieben wird; und bei Betrieb in der zweiten Betriebsart das Abgas durch Wärmeübertragung zwischen dem zweiten unter Druck stehenden Luftstrom und dem Abgas unter Verwendung eines ersten Wärmetauschers (28) erhitzt wird.
Verfahren nach Anspruch 17, ferner umfassend, dass eine Temperatur des ersten unter Druck stehenden Luftstroms unter Verwendung eines zweiten Wärmetauschers (34) verringert wird, der zwischen dem Kompressor (18) der ersten Stufe und dem Kompressor (20) der zweiten Stufe angeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 18, wobei der zweite Wärmetauscher (34) in Reihe mit dem ersten Wärmetauscher (28) angeordnet ist und eine Wärmeübertragung zwischen dem ersten unter Druck stehenden Luftstrom und dem Abgasstrom ermöglicht.
Verfahren nach Anspruch 17, ferner umfassend, dass: bei Betrieb in der ersten Betriebsart ein Bypassventil (30) geschlossen wird, um eine Strömung des ersten unter Druck stehenden Stromes an den zweiten Kompressor (20) zu verhindern; und bei Betrieb in der zweiten Betriebsart das Bypassventil (30) in einen vollständig offenen Zustand oder einen teilweise offenen Zustand geöffnet wird, um eine Strömung des ersten unter Druck stehenden Stromes an den zweiten Kompressor (20) zu ermöglichen.
Verfahren nach Anspruch 17, ferner umfassend, dass: bei Betrieb in der zweiten Betriebsart ein Bypassventil (32) in einen vollständig offenen Zustand oder einen teilweise offenen Zustand geöffnet wird, um eine Fluidverbindung zwischen einer entsprechenden Strömung des zweiten unter Druck stehenden Stromes und dem Abgasstrom zu ermöglichen; und bei Betrieb in der ersten oder zweiten Betriebsart ein Bypassventil (32) geschlossen wird, um eine Fluidverbindung zwischen dem zweiten unter Druck stehenden Strom und dem Abgasstrom zu verhindern.
Verfahren nach Anspruch 17, ferner umfassend, dass eine Temperatur des zweiten unter Druck stehenden Luftstromes unter Verwendung eines zweiten Wärmetauschers (36) verringert wird, der unterstromig des ersten Wärmetauschers (28) angeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 17, ferner umfassend, dass Führungsflügel (33) einer Expansionseinrichtung (26) verstellt werden, um eine Kapazität des zweiten Kompressors (20) zu regulieren.
Mehrstufiges Kompressorsystem (16) nach Anspruch 17, wobei der Schritt zum Antreiben des zweiten Kompressors (20) unter Verwendung einer Expansionseinrichtung (26) erreicht wird, die eine Abgasumgehung hat.
Verfahren zum Komprimieren von Luft, die an eine Kathode eines Brennstoffzellensystems (10, 10', 10'') geliefert wird, umfassend, dass: Einlassluft mit einem ersten Kompressor (18) komprimiert wird, um einen ersten unter Druck stehenden Luftstrom bei einem ersten Druck vorzusehen; der erste unter Druck stehende Luftstrom mit einem zweiten Kompressor (20) komprimiert wird, um einen zweiten unter Druck stehenden Luftstrom bei einem zweiten Druck vorzusehen; der zweite Kompressor (20) unter Verwendung von Abgas von dem Brennstoffzellensystem (10, 10', 10'') angetrieben wird; und das Abgas durch eine Wärmeübertragung zwischen dem zweiten unter Druck stehenden Luftstrom und dem Abgas erhitzt wird.
Verfahren nach Anspruch 25, ferner umfassend, dass eine Temperatur des ersten unter Druck stehenden Luftstromes in einem zweiten Wärmetauscher (34) verringert wird, der zwischen dem Kompressor (18) der ersten Stufe und dem Kompressor (20) der zweiten Stufe angeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 26, wobei der zweite Wärmetauscher (34) in Reihe mit dem ersten Wärmetauscher (28) angeordnet ist und eine Wärmeübertragung zwischen dem ersten unter Druck stehenden Luftstrom und dem Abgasstrom ermöglicht.
Verfahren nach Anspruch 25, ferner umfassend, dass der Kompressor (20) der zweiten Stufe umgangen wird, wenn das Brennstoffzellensystem (10, 10', 10'') in einer ersten Betriebsart arbeitet, und der erste unter Druck stehende Luftstrom an den Kompressor (20) der zweiten Stufe gelenkt wird, wenn das Brennstoffzellensystem (10, 10', 10'') in einer zweiten Betriebsart arbeitet.
Verfahren nach Anspruch 25, ferner umfassend, dass ein Anteil des zweiten unter Druck stehenden Luftstromes zur Mischung mit dem Abgasstrom zurückgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 25, ferner umfassend, dass eine Temperatur des zweiten unter Druck stehenden Luftstromes verringert wird.
Verfahren nach Anspruch 25, ferner umfassend, dass eine Kapazität des zweiten Kompressors (20) reguliert wird, indem Fühhrüngsflügel (33) einer Expansionseinrichtung (26) verstellt werden.
Verfahren nach Anspruch 25, wobei der Schritt zum Antreiben des zweiten Kompressors (20) unter Verwendung einer Expansionseinrichtung (26) erreicht wird, die eine Abgasumgehung besitzt.