DE102011109339A1

DE102011109339A1 - Brennstoffzellenvorrichtung, Kraftwagen und Verfahren zum Betreiben des Kraftwagens

Info

Publication number: DE102011109339A1
Application number: DE102011109339A
Authority: DE
Inventors: Dipl.-Ing. Markus (FH) Aberle; Massimo Venturi
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Cellcentric GmbH and Co KG
Priority date: 2011-08-03
Filing date: 2011-08-03
Publication date: 2013-02-07

Abstract

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine einfach aufgebaute und einfach zu betreibende Brennstoffzellenvorrichtung (10) bereitzustellen. Die erfindungsgemäße Brennstoffzellenvorrichtung (10) weist einen Brennstoffzellenstapel (12) zum Erzeugen einer elektrischen Hochspannung sowie einen Hauptverdichter (30) zum Versorgen des Brennstoffzellenstapels (12) mit einem Oxidationsmittel, z. B. Luft, in einem Nennbetrieb des Brennstoffzellenstapels (12) auf. Ein Antrieb des Hauptverdichters (30) kann beispielsweise durch eine Turbine (40) ermöglicht sein, die im Abgasstrom des Brennstoffzellenstapels (12) angeordnet ist. Zusätzlich oder alternativ dazu kann der Hauptverdichter (30) einen elektrischen Antrieb (42) aufweisen, der mit der Hochspannung des Brennstoffzellenstapels (12) betreibbar sein kann. Die erfindungsgemäße Brennstoffzellenvorrichtung (10) weist einen zusätzlichen Verdichter (28) auf. Dieser Zusatzverdichter (28) ist mit einer Niederspannung betreibbar. Mit ihm ist ähnlich wie mit dem Hauptverdichter das Oxidationsmittel dem Brennstoffzellenstapel (12) zuführbar.

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzellenvorrichtung mit einem Brennstoffzellenstapel, mittels welchem eine elektrische Hochspannung erzeugt werden kann. Unter einer Hochspannung wird im Zusammenhang mit der Erfindung eine Spannung verstanden, die größer als 60 V ist. Der Brennstoffzellenstapel ist mittels eines Hauptverdichters mit einem Oxidationsmittel, insbesondere Luft, versorgbar. Der Hauptverdichter ist dabei dazu ausgelegt, einen Oxidationsmittelstrom für einen Nennbetrieb des Brennstoffzellenstapels zu erzeugen, bei welchem dieser eine elektrische Leistung erzeugt, welche ausreicht, den Hauptverdichter zu betreiben sowie eine Nennleistung abzugeben. Die Erfindung betrifft auch einen Kraftwagen sowie ein Verfahren zum Betreiben eines Kraftwagens, der einen Brennstoffzellenstapel aufweist.
Eine Brennstoffzellenvorrichtung der genannten Art ist aus der DE 10 2005 049 846 A1 bekannt. Bei der darin beschriebenen Brennstoffzellenvorrichtung ist ein Verdichter mit elektrischer Leistung betreibbar, die sowohl aus dem Brennstoffzellenstapel als auch aus einer Niederspannungsenergiequelle entnommen werden kann. Mittels einer Leistungsschalteinrichtung muss allerdings zwischen der Hochspannung und der Niederspannung ausgewählt werden. Ein mit zwei unterschiedlichen Spannungen betreibbarer Verdichter erfordert deshalb einen verhältnismäßig großen Schaltungsaufwand.
Aus der DE 101 20 947 A1 ist eine Brennstoffzellenvorrichtung bekannt, welche ein zweistufiges Brennstoffzellenluft-Versorgungssystem aufweist. Bei diesem sind zwei Strömungsverdichter als Reiheschaltung eines Niederdruckverdichters mit Elektroantrieb und eines Hochdruckverdichters mit einem Turbinenantrieb bereitgestellt. Der Elektroantrieb des Niederdruckverdichters ist mit elektrischer Energie aus einer Brennstoffzelle oder aus einem Stromspeicher versorgbar, welcher an die Brennstoffzelle angeschlossen ist. Der Elektroantrieb und der Stromspeicher müssen für einen Betrieb mit der Hochspannung der Brennstoffzellen ausgelegt sein, weshalb diese beiden Elemente besonders spannungsfest sein müssen. Die Kosten für deren Herstellung sind daher verhältnismäßig groß.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine einfach aufgebaute und einfach zu betreibende Brennstoffzellenvorrichtung bereitzustellen.
Die Aufgabe wird durch eine Brennstoffzellenvorrichtung gemäß Patentanspruch 1, einen Kraftwagen gemäß Patentanspruch 6 und ein Verfahren gemäß Patentanspruch 8 gelöst.
Die erfindungsgemäße Brennstoffzellenvorrichtung weist einen Brennstoffzellenstapel (Englisch: Fuel Cell Stack Module, FC-STM) zum Erzeugen einer elektrischen Hochspannung sowie einen Hauptverdichter zum Versorgen des Brennstoffzellenstapels mit einem Oxidationsmittel in einem Nennbetrieb des Brennstoffzellenstapels auf. Als Oxidationsmittel wird dem Brennstoffzellenstapel dabei bevorzugt Luft zugeführt. Ein Antrieb des Hauptverdichters kann beispielsweise durch eine Turbine ermöglicht sein, die im Abgasstrom des Brennstoffzellenstapels angeordnet ist. Zusätzlich oder alternativ dazu kann der Hauptverdichter einen elektrischen Antrieb aufweisen, der z. B. mit der Hochspannung des Brennstoffzellenstapels betreibbar sein kann. Die erfindungsgemäße Brennstoffzellenvorrichtung weist des Weiteren einen zusätzlichen Verdichter auf, der hier als Zusatzverdichter bezeichnet ist. Der Zusatzverdichter ist mit einer Niederspannung betreibbar. Mit ihm ist ähnlich wie mit dem Hauptverdichter dem Brennstoffzellenstapel das Oxidationsmittel zuführbar. Im Zusammenhang mit der Erfindung ist unter dem Begriff Niederspannung eine Spannung mit einem Spannungswert von kleiner als 60 V_DC, insbesondere von 12 V, 24 V oder 48 V, zu verstehen. Sie kann beispielsweise von einer handelsüblichen Kraftfahrzeugbatterie erzeugt werden.
Die erfindungsgemäße Brennstoffzellenvorrichtung eignet sich insbesondere zum Betreiben eines elektrischen Fahrantriebs eines Kraftwagens. Sie lässt sich aber auch zum Betreiben eines Hilfsantriebs in einem Flugzeug, in einem Schiff, in einem Zug oder in einem Blockheizkraftwerk (BHKW) verwenden.
Die erfindungsgemäße Brennstoffzellenvorrichtung weist mehrere Vorteile auf. Während einer Startphase des Brennstoffzellenstapels, wenn die von diesem erzeugte elektrische Leistung bzw. sein Abgasstrom noch nicht für einen Betrieb des Hauptverdichters ausreicht, kann der Brennstoffzellenstapel mit einem Oxidationsmittelstrom beaufschlagt werden, der von dem Zusatzverdichter erzeugt wird. Falls die Brennstoffzellenvorrichtung in einem Kraftwagen eingebaut ist, genügt es hierfür, elektrische Leistung aus einem Niedervolt-Bordnetz bereitzustellen. Der mit einer Niederspannung betreibbarer Zusatzverdichter kann im Vergleich mit einem Verdichter, der für einen Betrieb mit Hochspannung ausgelegt ist, kleiner und leichter gebaut sein. Zudem sind seine Herstellungskosten geringer. In gleicher Weise ist es bei der erfindungsgemäßen Brennstoffzellenvorrichtung möglich, den Zusatzverdichter für das nach einer Fahrt nötige Spülen des Brennstoffzellenstapels (Ausblasen von Restwasser) zu verwenden, so dass auch hierfür nur eine Niederspannung bereitgestellt werden muss.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass der Hauptverdichter bei der erfindungsgemäßen Brennstoffzellenvorrichtung eine kleinere Spitzenleistung und eine geringere Dynamik, d. h. eine höhere Ansprechzeit auf einen abrupten Anstieg der Leistungsanforderung, aufweisen kann als eine vergleichbare Brennstoffzellenvorrichtung ohne einen Zusatzverdichter. Es kommt dennoch nicht zu einer Leistungseinbuße bei der erfindungsgemäßen Brennstoffzellenvorrichtung: Durch eines gleichzeitigen Betrieb des Hauptverdichters und des Zusatzverdichters lässt sich ein Oxidationsmittelstrom erzeugen, durch den mittels des Brennstoffzellenstapels eine für einen Spitzenleistungsbetrieb der Brennstoffzellenvorrichtung ausreichend große elektrische Leistung erzeugt werden kann. Wird mittels der Brennstoffzellenvorrichtung beispielsweise ein elektrischer Antriebsmotor eines Kraftwagens betrieben, so kann sich ein solcher Spitzenbetrieb während einer Beschleunigungsphase des Kraftwagens, bei einem Überholmanöver oder bei einer Fahrt bergauf ergeben, wenn eine geforderte Leistung größer als die Nennleistung ist. Durch Bereitstellen des Zusatzverdichters ist es beispielsweise möglich, einen Hauptverdichter mit einem verhältnismäßig kleinen oder sogar auch ohne einen eigenen elektrischen Antrieb zu verwenden. Genauso ist es möglich, den Antrieb des Hauptverdichters für bestimmte Betriebsphasen (Startphase, Spülphase, Spitzenleistung) zu optimieren. Eine hierdurch eventuell verursachte Beeinträchtigung der Leistungsfähigkeit der Brennstoffzellenvorrichtung bei einer anderen Betriebsphase kann mittels des Zusatzverdichters einfach vermieden werden.
Dieselben Vorteile ergeben sich auch bei dem erfindungsgemäßen Verfahren, mittels welchem ein Kraftwagen betreibbar ist, der einen elektrischen Antriebsmotor und einen Brennstoffzellenstapel zum Versorgen des Antriebsmotors mit elektrischer Leistung aufweist. Gemäß dem Verfahren wird ein Hauptverdichter bereitgestellt, der dazu ausgelegt ist, den Brennstoffzellenstapel mit einem Oxidationsmittelstrom zu beaufschlagen. Dabei handelt es sich um einen Oxidationsmittelstrom, der dazu ausreicht, mittels des Brennstoffzellenstapels eine elektrische Leistung für einen Fahrbetrieb des Kraftwagens (und gegebenenfalls für einen elektrischen Antrieb des Hauptverdichters) zu erzeugen. Zusätzlich wird ein weiterer Verdichter bereitgestellt, der elektrisch betreibbar ist. Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird der zusätzliche Verdichter zu unterschiedlichen Anlässen mit Niederspannung betrieben: so kann der zusätzliche Verdichter zum Erzeugen eines Oxidationsmittelstroms in der bereits beschriebenen Startphase des Brennstoffzellenstapels betrieben werden. Entsprechend ist auch ein Betrieb des zusätzlichen Verdichters mit Niederspannung während einer Spülphase des Brennstoffzellenstapels möglich. Um in einem Spitzenleistungsbetrieb des Kraftwagens eine hierfür benötigte verhältnismäßig große elektrische Leistung für den Antriebsmotor zu erzeugen, können der Hauptverdichter und der zusätzliche Verdichter gleichzeitig betrieben werden.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Brennstoffzellenvorrichtung sieht vor, dass der Hauptverdichter und der Zusatzverdichter eine zweistufige Versorgungseinrichtung bilden, bei welcher eine Auslassöffnung eines der beiden Verdichter mit einer Einlassöffnung des anderen Verdichters gekoppelt ist. Mit anderen Worten wird ein Oxidationsmittelstrom eines der Verdichter in den anderen Verdichter geleitet. Bevorzugt ist dabei der Zusatzverdichter stromaufwärts des Hauptverdichters angeordnet, so dass ein vom Zusatzverdichter erzeugter Oxidationsmittelstrom zum Hauptverdichter geführt wird.
Eine alternative, aber ebenso vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass der Hauptverdichter und der Zusatzverdichter eine parallele Versorgungseinrichtung bilden. Hierbei ist das Oxidationsmittel einer Einlassöffnung des Hauptverdichters und einer Einlassöffnung des Zusatzverdichters unabhängig voneinander zuführbar, d. h. die beiden Verdichter weisen z. B. separate Lufteinlassöffnungen auf oder ein Versorgungsluftstrom wird stromaufwärts der beiden Einlassöffnungen geteilt. Ein von dem Zusatzverdichter erzeugter Oxidationsmittelstrom ist dann einem von dem Hauptverdichter erzeugten Oxidationsmittelstrom zuführbar. Als mögliche, vorteilhafte Einmündungsbereiche für den Oxidationsmittelstrom des Zusatzverdichters in denjenigen des Hauptverdichters haben sich erwiesen: der Bereich stromaufwärts des Hauptverdichters (d. h. vor der Einlassöffnung des Hauptverdichters), der Bereich zwischen dem Hauptverdichter und einem diesem nachgeschalteten Zwischenkühler der Brennstoffzellenvorrichtung, der Bereich zwischen dem Zwischenkühler und einer Befürchtungseinrichtung der Brennstoffzellenvorrichtung sowie der Bereich zwischen der Befeuchtungseinrichtung und dem Brennstoffzellenstapel.
Für den Fall, dass der Hauptverdichter einen Rotor mit einem Schaufelrad aufweist, ergibt sich ein weiterer Vorteil, wenn der Hauptverdichter auch bei stillstehendem Rotor von einem Oxidationsmittelstrom durch strömbar ist. Dies ist durch eine entsprechende Turbinen-Geometrie erreichbar.
Wird ein Doppelschichtkondensator bereitgestellt, kann der Hauptverdichter bei einem Start der Brennstoffzellenvorrichtung auch mittels des Doppelschichtkondensators betrieben und hierdurch die Brennstoffzellenvorrichtung entsprechend schnell hochgefahren werden. Auch das Erzeugen eines Leistungsschubs beispielsweise zu Beginn eines Spitzenleistungsbetriebs ist durch Verwenden der in dem Doppelschichtkondensator gespeicherten zusätzlichen Energie möglicht.
Zu der Erfindung gehört auch ein Kraftwagen mit einem Elektromotor zum Antreiben des Kraftwagens sowie mit einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Brennstoffzellenvorrichtung und mit einer Kraftfahrzeugbatterie. Die Kraftfahrzeugbatterie ist hierbei mit dem Zusatzverdichter gekoppelt, so dass dieser mit ihr betreibbar ist. Mit einer Kraftfahrzeugbatterie ist hierbei insbesondere eine Akkumulator zum Erzeugen von Niederspannung, also zum Beispiel 12 V, 24 V oder 48 V, gemeint.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Dabei zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems gemäß einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Brennstoffzellenvorrichtung und
2 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems gemäß einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Brennstoffzellenvorrichtung.
In 1 ist eine im Ganzen als Brennstoffzellensystem 10 bezeichnete Brennstoffzellenvorrichtung gezeigt. Es handelt sich um eine vereinfachte Darstellung in Form eines P&ID (Piping and Instrumentation Diagram). In dem Diagramm sind Strömungsrichtungen von Fluiden durch Pfeile angegeben. Das Brennstoffzellensystem 10 ist in einem Personenkraftwagen eingebaut, der einen (nicht dargestellten) Elektromotor als Antrieb aufweist. Mittels eines Brennstoffzellenstapels 12 des Brennstoffzellensystems 10 wird eine für den Betrieb des Elektromotors benötigte elektrische Leistung erzeugt. Der Brennstoffzellenstapel 12 und der Elektromotor sind über ein (nicht dargestelltes) Hochvolt-Bordnetz miteinander verbunden. Mittels des Brennstoffzellenstapels 12 wird für das Hochvolt-Bordnetz eine elektrische Spannung von über 60 V erzeugt.
Zum Erzeugen der elektrischen Leistung wird einer Anode 14 des Brennstoffzellenstapels 12 ein Wasserstoffgas aus einem Vorratsbehälter 16 zugeführt. Eine Wasserstoffdruckregelung 18 stellt dabei eine Menge des pro Zeiteinheit einströmenden Wasserstoffgases ein. Mittels eines regelbaren Ventils 20 kann ein aus der Anode 14 ausströmender Gasstrom über einen Bypass 22 abgeführt werden.
Eine Katode 24 des Brennstoffzellenstapels 12 wird mit Luft mit beaufschlagt. Die Luft wird über einen Lufteinlass 26 aus einer Umgebung des Personenkraftwagens von zwei Verdichtereinrichtungen 28 und 30 eingesogen. Die Verdichtereinrichtung 28 weist einen Vorfilter 31 zum Filtern der eingesogenen Luft, einen Verdichter 32 und einen Elektromotor 34 zum Antreiben des Verdichters 32 auf. Der Elektromotor 34 ist an ein (nicht weiter dargestelltes) Niedervolt-Bordnetz angeschlossen. Über das Niedervolt-Bordnetz wird der Elektromotor 34 mit einer Betriebsspannung von 12 V versorgt. Das Niedervolt-Bordnetz ist mit einem Hochvolt-Bordnetz über einen DC/DC-Wandler gekoppelt, aus dem es elektrische Energie beziehen kann. Zusätzlich ist eine 12 V-Batterie an das Niedervolt-Bordnetz angeschlossen. Für den Betrieb des Brennstoffzellensystems 10 ist nur der genannte DC/DC-Wandler nötig. An das Hochvolt-Bordnetz kann eine Hochvolt-Batterie angeschlossen sein. Es ist aber auch möglich, das Brennstoffzellensystem 10 ohne eine Hochvolt-Batterie zu betreiben. Die beiden Bordnetze können auch entkoppelt sein, so dass kein DC/DC-Wandler notwendig ist.
Die Verdichtereinrichtung 30 weist einen Luftfilter 36 und einen Verdichter 38 auf. Der Verdichter 38 ist mit einer Turbine 40 der Verdichtereinrichtung 30 gekoppelt, über die der Verdichter 38 angetrieben wird. Die Turbine 40 wird hierzu von einem Abgas des Brennstoffzellenstapels 12 durchströmt. Zusätzlich kann der Verdichter 38 von einem Elektromotor 42 angetrieben werden. Der Elektromotor 42 ist mit dem Hochvolt-Bordnetz gekoppelt. Die Verdichtereinrichtung 30 wird auch als ETC (Electric Turbo Charger) bezeichnet. Die Verdichtereinrichtung 30 aber kann auch ohne den Elektromotor 42 bereitgestellt sein. Es ist auch möglich, die Verdichtereinrichtung 30 ohne die Turbine 40 bereitzustellen.
Die Verdichtereinrichtung 30 stellt einen Hauptverdichter des Brennstoffzellensystems 10 dar, die Verdichtereinrichtung 28 einen Zusatzverdichter. Mittels eines Zwischenkühlers 44 wird die komprimierte Luft mithilfe eines Kühlmittelstroms 46 gekühlt. Die gekühlte Luft wird einer Befeuchtungseinrichtung 48 zugeführt. Der Brennstoffzellenstapel 12 wird mittels eines Kühlmittelstroms 49 gekühlt.
Bei dem Brennstoffzellensystem 10 kann vorgesehen sein, den Abgasstrom des Brennstoffzellenstapels 12 in einem Katalysator 50 nach zu verbrennen. Der Turbine 40 ist eine Auspuffanlage 52 nachgeschaltet.
Durch die beiden Verdichtereinrichtungen 28 und 30 ist eine zweistufige Luftversorgung gebildet. Die Hauptluftversorgung wird im Normalbetrieb des Brennstoffzellenstapels 12 durch die Verdichtereinrichtung 30 ermöglicht. Die Verdichtereinrichtung 30 weist eine Turbinen-Geometrie auf die es gestattet, dass die vorgeschaltete Verdichtereinrichtung 28 Luft durch die Verdichtereinrichtung 30 transportiert, auch wenn sich ein Rotor des Verdichters 38 nicht dreht.
Zu Beginn einer Fahrt mit dem Personenkraftwagen wird das Brennstoffzellensystems 10 durch ein (nicht dargestelltes) Steuergerät des Personenkraftwagens wie folgt gestartet. Mithilfe der Wasserstoffdruckregelung 18 wird die Anode 14 mit Wasserstoff beaufschlagt. Der Elektromotor 34 der Verdichtereinrichtung 28 wird gestartet, so dass hierdurch Luft durch den Zwischenkühler 44 und die Befeuchtungseinrichtung 48 zum Brennstoffzellenstapel 12 transportiert wird. Sobald im Brennstoffzellenstapel 12 Luft und Wasserstoff vorhanden sind, erzeugt diese eine elektrische Spannung. Mithilfe des regelbaren Ventils 20 kann die gewünschte Wasserstoffkonzentration auf der Anodenseite des Brennstoffzellenstapels 12, also an der Anode 14, eingestellt werden.
Wenn dann mittels des Brennstoffzellenstapels 12 ausreichend elektrische Leistung zur Verfügung steht, wird die Verdichtereinrichtung 30 aktiviert und entsprechend der verfügbaren elektrischen Leistung die Drehzahl des Verdichters 38 erhöht. Da die von dem Brennstoffzellenstapel 12 erzeugte elektrische Leistung abhängig von der dem Brennstoffzellenstapel 12 zugeführten Luftmenge (d. h. dem Luftmassenstrom) ist, sind die verfügbare elektrische Leistung und die Drehzahl des Verdichters 38 voneinander abhängig. Somit wird das Brennstoffzellensystem 10 durch das Rückkoppeln der elektrischen Leistung aus dem Brennstoffzellenstapel 12 in die Verdichtereinrichtung 30 hochgefahren wird. Es ist auch möglich, den Elektromotor 42 mit elektrischer Energie aus einer Hochvolt-Batterie zu betreiben.
Sobald das Brennstoffzellensystem 10 im Nennbetrieb läuft, d. h. der Brennstoffzellenstapel 12 liefert eine ausreichende elektrische Leistung für den Betrieb der Verdichtereinrichtung 30 und für einen Fahrbetrieb des Personenkraftwagens, kann die Verdichtereinrichtung 28 abgeschaltet werden. Dies beendet die Startphase.
Benötigt der Personenkraftwagen während einer Fahrt zusätzliche Leistung, die allein durch den mittels der Verdichtereinrichtung 30 erzeugten Luftstrom nicht erzeugt werden kann, so wird die Verdichtereinrichtung 28 auch während des Nennbetriebs aktiviert. Hierdurch erhält die Verdichtereinrichtung 30 einen höheren Eingangsdruck, wodurch sie mehr Luft in den Brennstoffzellenstapel 12 fördert. Dann wird von den Brennstoffzellenstapel 12 mehr elektrische Leistung abgegeben, die beispielsweise zum Beschleunigen des Personenkraftwagens verwendet werden kann (Boost-Betrieb).
In 2 ist ein Brennstoffzellensystem 54 eines weiteren Personenkraftwagens gezeigt. In 2 sind diejenigen Elemente des Brennstoffzellensystems 54, die in ihrer Funktionsweise Elementen des Brennstoffzellensystems 10 entsprechen, mit denselben Bezugszeichen versehen wie in 1. Für die Erläuterung dieser Elemente sei entsprechend auf die Beschreibung der 1 verwiesen.
Bei dem Brennstoffzellensystem 54 bilden eine Verdichtereinrichtung 30 und eine weitere Verdichtereinrichtung 56 eine parallele Versorgungseinrichtung zum Versorgen eines Brennstoffzellenstapels 12 mit Luft. Die Verdichtereinrichtung 56 ist dazu mit ihrer Einlassöffnung an einen Lufteinlass 58 angeschlossen. Die Verdichtereinrichtung 56 weist ähnlich wie die Verdichtereinrichtung 28 einen Luftfilter 60, einen Verdichter 62 und einen mit Niederspannung betreibbaren Elektromotor 64 auf. Ein Ausgangsluftstrom der Verdichtereinrichtung 56 ist mittels eines steuerbaren Ventils 66 durch ein (nicht dargestelltes) Steuergerät einstellbar.
Der Ausgangsluftstrom der Verdichtereinrichtung 56 kann an unterschiedlichen Stellen in eine Luftversorgungs-Hauptstrecke eingespeist werden. Als Luftversorgungs-Hauptstrecke ist hier dasjenige Luftleitsystem bezeichnet, das von einem Lufteinlass 26 durch einen Verdichter 38 der Verdichtereinrichtung 30 (dem Hauptverdichter) zum Brennstoffzellenstapel 12 führt. Die Verdichtereinrichtung 56 stellt einen Zusatzverdichter des Brennstoffzellensystems 54 dar. In 2 ist eine Variante A dargestellt, bei welcher der Ausgangsluftstrom der Verdichtereinrichtung 56 in ein Rohr der Luftversorgung-Hauptstrecke eingeleitet wird, das eine Befeuchtungseinrichtung 48 mit dem Brennstoffzellenstapel 12 verbindet. Gestrichelt dargestellt sind in 2 weitere Varianten: Eine Variante B, bei welcher der Ausgangsluftstrom der Verdichtereinrichtung 56 in ein Rohr eingeleitet wird, das einen Zwischenkühler 44 mit der Befeuchtungseinrichtung 48 verbindet. Eine Variante C, bei welcher der Ausgangsluftstrom in ein Rohr eingeleitet wird, das den Verdichter 38 mit dem Zwischenkühler 44 verbindet. Eine Variante D, bei welcher der Ausgangsluftstrom in ein den Lufteinlass 26 mit der Verdichtereinrichtung 30 verbindendes Rohr eingeleitet wird. Die gestrichelten Linien, welche die Varianten B, C und D repräsentieren, stellen jeweils das den Ausgang des regelbaren Ventils 66 mit dem jeweiligen Rohr verbindende Verbindungselement dar.
Die im Zusammenhang mit dem Brennstoffzellensystem 10 erläuterten Ausführungsvarianten sind auch im Zusammenhang mit dem Brennstoffzellensystem 54 möglich.
Die Verdichtereinrichtung 28 bzw. 56 können bei der Herstellung eines Kraftwagens in diesen eingebaut werden oder auch als nachrüstbare Module oder Tuning-Elemente bereitgestellt sein.
An das Hochvolt-Bordnetz kann als ein weiterer Speicher für elektrische Energie ein (nicht dargestellter) Doppelschichtkondensator angeschlossen sein, mit dem die Verdichtereinrichtung 30 dann ebenfalls betrieben werden kann. Ein solcher Doppelschichtkondensator hat sich als besonders vorteilhaft im Zusammenhang mit dem bereits beschriebenen Boost-Betrieb erwiesen. Über den Doppelschichtkondensator lässt sich zudem eine bei einer Rekuperation gewonnene elektrische Energie für den Betrieb der Verdichtereinrichtung 30 nutzen. Für den Fall, dass der Doppelschichtkondensator bereits bei einem Start des Personenkraftwagens geladen ist, lässt sich die hierdurch zusätzlich verfügbare Energie für einen schnelleres Hochfahren des Brennstoffzellensystems 10 bzw. 54 nutzen. Hierdurch lässt sich das Brennstoffzellensystems 10 bzw. 54 mit dem geladenen Doppelschichtkondensator über die Verdichtereinrichtung 30 schneller starten. Bei nicht geladenem Doppelschichtkondensator ist ein langsamerer Start über die am Niedervolt-Bordnetz angeschlossene Batterie und die Verdichtereinrichtung 28 bzw. 56 möglich.
Nach einer Fahrt ist der Doppelschichtkondensator zum Betrieb der Verdichtereinrichtung 30 beim Spülen des Brennstoffzellenstapels 12 als Energiequelle verwendbar. Durch die schnell verfügbare elektrische Leistung aus dem Doppelschichtkondensator können schließlich auch eine Dynamik des Katalysators 50 und der Verdichtereinrichtung 30 ausgeglichen werden. Wird ein Doppelschichtkondensator im Hochvolt-Bordnetz bereitgestellt, so lässt sich über diesen Doppelschichtkondensator auch ein Spannungsgradient für Hochvolt-Komponenten reduzieren.
Die Brennstoffzellensysteme 10 und 54 mit den bei Niederspannung betreibbaren Verdichtereinrichtungen 28 und 56 weisen insbesondere folgende Vorteile auf: Eine Hochvolt-Batterie ist weder zum Start noch zum Betrieb des Fahrzeugs zwingend notwendig. Das Brennstoffzellenfahrzeug kann mit elektrischer Leistung aus einer 12 V-Batterie gestartet werden. Ist die 12 V-Batterie leer, so kann mittels eines Übertragungskabels von einer anderen 12 V-Quelle (z. B. eines anderen Fahrzeugs mit 12 V-Batterie) Starthilfe geleistet werden. Mit dem 12 V-Gebläse, d. h. der Verdichtereinrichtung 28 bzw. 56, kann der Brennstoffzellenstapel 12 kurzzeitig mehr Leistung liefern, z. B. für ein Überholmanöver, eine Bergfahrt usw. Dies ermöglicht es auch, ein Brennstoffzellensystem, das für einen bestimmten Wagentyp vorgesehen ist, auch in schwereren Fahrzeugen zu verwenden. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass mit der Verdichtereinrichtung 28 bzw. 56 ein Stopp/Start-Betrieb des Hauptverdichters, d. h. der Verdichtereinrichtung 30, ermöglicht werden kann.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102005049846 A1 [0002]
DE 10120947 A1 [0003]

Claims

Brennstoffzellenvorrichtung (10, 54) mit einem Brennstoffzellenstapel (12) zum Erzeugen einer elektrischen Hochspannung und mit einem Hauptverdichter (30) zum Versorgen des Brennstoffzellenstapels (12) mit einem Oxidationsmittel, insbesondere Luft, in einem Nennbetrieb des Brennstoffzellenstapels (12), gekennzeichnet durch einen mit einer Niederspannung elektrisch betreibbaren Zusatzverdichter (28, 56), mittels welchem der Brennstoffzellenstapel (12) ebenfalls mit dem Oxidationsmittel versorgbar ist.
Brennstoffzellenvorrichtung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Hauptverdichter (30) und der Zusatzverdichter (28) eine zweistufige Versorgungseinrichtung bilden, bei welcher eine Auslassöffnung eines der beiden Verdichter mit einer Einlassöffnung des anderen Verdichters gekoppelt ist, wobei bevorzugt der Zusatzverdichter (28) stromaufwärts des Hauptverdichters (30) angeordnet ist.
Brennstoffzellenvorrichtung (54) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Hauptverdichter (30) und der Zusatzverdichter (56) eine parallele Versorgungseinrichtung bilden, bei welcher einer Einlassöffnung des Hauptverdichters und einer Einlassöffnung des Zusatzverdichters unabhängig voneinander Oxidationsmittel zuführbar ist und bei welcher ein von dem Zusatzverdichter (56) erzeugter Oxidationsmittelstrom einem von dem Hauptverdichter (30) erzeugten Oxidationsmittelstrom zuführbar ist, insbesondere – vor der Einlassöffnung des Hauptverdichters (Var. D) und/oder – zwischen dem Hauptverdichter (30) und einem Zwischenkühler (44) der Brennstoffzellenvorrichtung (Var. C) und/oder – zwischen dem Zwischenkühler (44) und einer Befeuchtungseinrichtung (48) der Brennstoffzellenvorrichtung (Var. B) und/oder – zwischen der Befeuchtungseinrichtung (48) und dem Brennstoffzellenstapel (Var. A).
Brennstoffzellenvorrichtung (10, 54) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Hauptverdichter (30) einen Rotor mit einem Schaufelrad aufweist und der Hauptverdichter (30) auch bei stillstehendem Rotor von einem Oxidationsmittelstrom durchströmbar ist.
Brennstoffzellenvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Doppelschichtkondensator, welcher dazu ausgelegt ist, eine elektrische Hochspannung zum Betreiben des Hauptverdichters und/oder eines elektrischen Fahrantriebs zu erzeugen.
Kraftwagen mit einem Elektromotor zum Antreiben des Kraftwagens, mit einer Brennstoffzellenvorrichtung (10, 54) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, mittels welcher der Elektromotor betreibbar ist, und mit einer Kraftfahrzeugbatterie, die mit dem Zusatzverdichter (28, 56) gekoppelt ist und die bevorzugt eine Niederspannung kleiner als 60 V, insbesondere 12 V oder 24 V, erzeugt.
Kraftwagen nach Anspruch 6 mit einem an einem Hochvolt-Bordnetz des Kraftwagens angeschlossenen Doppelschichtkondensator, welcher dazu ausgelegt ist, eine elektrische Hochspannung zum Betreiben des Hauptverdichters und/oder des Elektromotors zu erzeugen.
Verfahren zum Betreiben eines Kraftwagens mit einem elektrischen Antriebsmotor und einem Brennstoffzellenstapel (12) zum Versorgen des Antriebsmotors mit elektrischer Leistung, umfassend die Schritte: – Bereitstellen eines Hauptverdichters (30), der dazu ausgelegt ist, den Brennstoffzellenstapel (12) mit einem Oxidationsmittelstrom zu beaufschlagen, welcher ausreicht, um mittels des Brennstoffzellenstapels (12) zumindest eine elektrische Leistung für einen Fahrbetrieb des Kraftwagens zu erzeugen, – Bereitstellen eines zusätzlichen Verdichters (28, 56), der elektrisch betreibbar ist, – Betreiben des zusätzlichen Verdichters (28, 56) mit einer Niederspannung und hierdurch a) Beaufschlagen des Brennstoffzellenstapels (12) mit einem Oxidationsmittelstrom in einer Startphase des Brennstoffzellenstapels (12) oder einer Spülphase des Brennstoffzellenstapels und/oder b) gleichzeitiges Betreiben beider Verdichter (34; 28, 56) in einem Spitzenleistungsbetrieb des Kraftwagens.