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Die Erfindung betrifft einen elektrischen Turbolader zur Luftversorgung einer Brennstoffzelle nach der in den Oberbegriffen der Ansprüche 1, 6 und 7 näher definierten Art.
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Aus der gattungsgemäßen
DE 10 2007 028 297 A1 ist eine Vorrichtung zur Versorgung einer Brennstoffzelle mit Oxidationsmittel bekannt. Diese ist als elektrischer Turbolader aufgebaut und weist eine Turbine, einen Kompressor und einen elektrischen Motor auf, welche zueinander in Triebverbindung stehen, insbesondere auf einer gemeinsamen Welle angeordnet sind. In der dortigen Schrift sind außerdem kompressorseitige Einrichtungen zur Beeinflussung von Druck und/oder Volumenstrom am Kompressor und turbinenseitige Einrichtungen zur Beeinflussung von Druck und/oder Volumenstrom an der Turbine beschrieben. Diese sind in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel als Kompressorbypass mit einem Bypassventil beziehungsweise als Systembypass mit einem Systembypassventil und als variable Turbinengeometrie ausgebildet.
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Ferner ist aus der
JP 2001-351655 A bei einem Turbolader für ein Brennstoffzellensystem ein Turbinenbypass mit einem Turbinenbypassventil bekannt. Die
JP 2009-301845 A beschreibt außerdem eine vor einer Turbine angeordnete Drossel zur Beeinflussung von Druck und/oder Volumenstrom an der Turbine.
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Der Schwerpunkt der Einrichtungen zur Beeinflussung von Druck- und/oder Volumenstrom an einem elektrischen Turbolader liegt im Stand der Technik im Bereich der Turbinenseite. Dies ist zwar entsprechend einfach, erlaubt jedoch nur den Abluftdruck einzustellen, sodass eine eingeschränkte Variabilität damit einhergeht. Lediglich der zuerst genannte gattungsgemäße Stand der Technik ist in der Lage, neben Druck- und/oder Volumenstrom auf der Turbinenseite auch Druck- und/oder Volumenstrom auf der Kompressorseite entsprechend zu beeinflussen. Der Aufbau weist jedoch den Nachteil auf, dass bereits verdichtete Zuluft ungenutzt abgeblasen wird, sodass der Aufbau vergleichsweise energieintensiv arbeitet.
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Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, einen elektrischen Turbolader zur Luftversorgung einer Brennstoffzelle so zu verbessern, dass er die maximale Variabilität bei der Einstellung des Druckverlaufs und des Volumenbeziehungsweise Massenstroms, welcher zur Brennstoffzelle gefördert wird, und gleichzeitig die maximale Variabilität bei der Einstellung des Drucks im Abluftstrang der Brennstoffzelle gewährleistet.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil der Patentansprüche 1, 6 und 7 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen hiervon ergeben sich aus den restlichen hiervon abhängigen Unteransprüchen.
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Die erfindungsgemäße Lösung sieht den Einsatz einer variablen Kompressorauslassgeometrie mit verstellbaren Leitschaufeln am Kompressorauslass vor. Dadurch lässt sich der Ladeluftdruck sowie der Luftmassenstrom zu der Brennstoffzelle einfach und effizient einstellen, ohne dass bereits verdichtete Luft wieder abgeblasen werden müsste. Der Aufbau ist damit sehr energieeffizient. Er kann insbesondere in Kombination mit einer turbinenseitigen Einrichtung zur Beeinflussung von Druck und/oder Volumenstrom an der Turbine eingesetzt werden, um sowohl den Ladeluftdruck als auch den Abluftdruck der Brennstoffzelle sehr variabel und flexibel und unabhängig voneinander einstellen zu können. Damit lässt sich eine hohe Variabilität beim Betrieb der Brennstoffzelle erzielen.
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In einer sehr günstigen Ausgestaltung des elektrischen Turboladers kann es dabei vorgesehen sein, dass die Einrichtung zur turbinenseitigen Beeinflussung von Druck und/oder Volumenstrom an der Turbine als variable Turbinengeometrie ausgebildet ist. Eine solche variable Turbinengeometrie kann ideal genutzt werden, um den Abluftdruck einzustellen. Sie erlaubt dabei eine sehr gute Energierückgewinnung der in der Abluft enthaltenen Energie über die Turbine, da auch hier keine noch unter Druck stehende Abluft abgeblasen werden muss, sondern dass diese gänzlich umgesetzt werden kann. Dies führt, wie im gattungsgemäßen eingangs genannten Stand der Technik dargelegt, zu Wirkungsgradsteigerungen und einer Erhöhung der Energieausbeute. Der Aufbau mit variabler Turbinengeometrie und variabler Kompressorgeometrie ist daher aus energetischer Sicht und hinsichtlich der Möglichkeit den Ladeluftdruck und den Abluftdruck variabel einzustellen, ideal.
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Die variable Turbinengeometrie ist jedoch vergleichsweise aufwändig in der Herstellung benötigt zahlreiche bewegliche Teile und ist damit entsprechend teuer. Um Kosten einzusparen ist es in einer alternativen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Turboladers daher auch möglich, auf die variable Turbinengeometrie zu verzichten und diese durch eine verstellbare Drossel in Strömungsrichtung vor und/oder nach der Turbine zu ersetzen. Dieser Aufbau ist außerordentlich einfach und kastengünstig und erlaubt ebenfalls eine Einstellung des Abluftdrucks in der gewünschten Art und Weise.
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Alternativ dazu wäre es auch denkbar, einen Systembypass mit einem Systembypassventil vorzusehen, welcher die Druckseite des Kompressors mit der Druckseite beziehungsweise der Eingangsseite der Turbine verbindet. Auch ein Turbinenbypass mit einer Ventileinrichtung, in der Art eines von Turboladern an sich bekannten Waste-Gate-Ventils, wäre alternativ dazu als einfache und kostengünstige Variante denkbar.
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Die eingangs genannte Aufgabe wird außerdem durch einen Aufbau mit den Merkmalen im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 6 gelöst. Unter Verzicht auf die komplexe und damit relativ teure variable Kompressorauslassgeometrie mit verstellbaren Leitschaufeln wird hier ein Aufbau mit einem Kompressorbypass mit einem Bypassventil ausgebildet. Der Aufbau wird mit einer verstellbaren Drossel vor und/oder nach der Turbine als turbinenseitige Einrichtung zur Beeinflussung von Druck und/oder Volumenstrom an der Turbine kombiniert. Auch dieser Aufbau ermöglicht eine hohe Variabilität beim Einstellen des Ladedrucks und des Abluftdrucks. Er verzichtet sowohl bei der Turbine als auch beim Kompressor auf die vergleichsweise teure und mechanisch komplexe variable Geometrie mit verstellbaren Leitschaufeln. Er ist daher sehr robust und sehr einfach und kostengünstig zu realisieren.
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Die eingangs genannte Aufgabe wird außerdem durch eine alternative Ausführungsform des elektrischen Turboladers gelöst, welche ebenfalls einen Kompressorbypass mit einem Bypassventil als kompressorseitige Einrichtung zur Beeinflussung von Druck und/oder Volumenstrom vorsieht. Dieser Aufbau wird turbinenseitig mit einem Turbinenbypass mit einem Bypassventil kombiniert, welcher die Druckseite der Turbine mit der Abluftseite der Turbine verbindet. Ähnlich wie bei der Drossel wird auch hierdurch ein sehr einfacher und effizienter Aufbau erreicht, insbesondere da ein Turbinenbypass bei Abgasturboladern in Antriebssträngen mit Verbrennungsmotor an sich bekannt und üblich ist und die Technologie daher einfach und effizient verfügbar ist.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Turboladers ergeben sich aus den restlichen abhängigen Ansprüchen. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des elektrischen Turboladers sowie eines Brennstoffzellensystems mit dem elektrischen Turbolader und eine Verwendung für ein solches Brennstoffzellensystem ergeben sich außerdem aus dem Ausführungsbeispiel, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben ist.
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Dabei zeigen:
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1 ein prinzipmäßig angedeutetes Brennstoffzellensystem mit einem elektrischen Turbolader gemäß der Erfindung in einem Fahrzeug;
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2 eine erste mögliche Ausgestaltung einer Bypassleitung um eine Turbine des elektrischen Turboladers;
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3 eine alternative Ausgestaltung einer Bypassleitung um eine Turbine des elektrischen Turboladers;
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4 eine erste mögliche Ausgestaltung einer Systembypassleitung;
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5 eine zweite mögliche Ausgestaltung einer Systembypassleitung;
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6 eine mögliche Ausgestaltung einer Drossel vor der Turbine des elektrischen Turboladers;
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7 eine mögliche Ausgestaltung einer Drossel nach der Turbine des elektrischen Turboladers;
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8 eine erste mögliche Ausführungsform eines Kompressorbypass in einem elektrischen Turbolader gemäß der Erfindung;
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9 eine zweite mögliche Ausführungsform eines Kompressorbypass in einem elektrischen Turbolader gemäß der Erfindung; und
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10 eine dritte mögliche Ausführungsform eines Kompressorbypass in einem elektrischen Turbolader gemäß der Erfindung.
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In der Darstellung der 1 ist ein stark schematisiertes Brennstoffzellensystem 1 prinzipmäßig angedeutet. Es soll in einem schematisch angedeuteten Fahrzeug 2 zur Erzeugung von elektrischer Leistung eingesetzt werden. Die elektrische Leistung des Brennstoffzellensystems 1 soll in dem Fahrzeug 2 dabei vorzugsweise zum Antrieb des Fahrzeugs dienen. Die wesentliche Komponente des Brennstoffzellensystems 1 ist dabei eine Brennstoffzelle 3, welche als PEM-Brennstoffzelle ausgebildet sein soll. Diese weist einen Kathodenraum 4 und einen Anodenraum 5 auf. Dem Anodenraum 5 wird in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel Wasserstoff aus einem Druckgasspeicher 6 über ein Druckregel- und Absperrventil 7 zugeführt. Nicht verbrauchtes Abgas aus dem Anodenraum 5 gelangt über eine Rezirkulationsleitung 8 und eine Rezirkulationsfördereinrichtung 9 zurück in den Bereich des Eingangs des Anodenraums 5 und wird diesem vermischt mit frischem Wasserstoff aus dem Druckgasspeicher 6 erneut zugeführt. In diesem sogenannten Anodenkreislauf reichert sich mit der Zeit Wasser und inertes Gas, welches durch die Membranen der Brennstoffzelle 3 in den Anodenraum 5 diffundiert ist, an. Um die Wasserstoffkonzentration in dem Anodenkreislauf aufrechtzuerhalten, muss Wasser und/oder Gas entweder von Zeit zu Zeit, in Abhängigkeit der Wasserstoffkonzentration oder kontinuierlich mit kleinem Volumenstrom abgelassen werden. Dies ist durch ein Ablassventil 10 sowie eine Ablassleitung 11 hier prinzipmäßig angedeutet. Neben diesem Aufbau der Wasserstoffversorgung des Anodenraums 5 der Brennstoffzelle 3 mit einem sogenannten Anodenkreislauf wäre auch der Betrieb des Anodenraums 5 ohne einen solchen Kreislauf denkbar und möglich. Ein solcher Aufbau wird dann typischerweise als Near-Dead-End-Brennstoffzelle aufgebaut.
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Dem Kathodenraum 4 der Brennstoffzelle 3 wird Luft als Sauerstofflieferant über eine Luftfördereinrichtung 12 zur Verfügung gestellt. Die Luftfördereinrichtung 12 soll dabei als Strömungsverdichter ausgebildet sein. Sie ist Teil eines später noch näher beschriebenen elektrischen Turboladers 13. Der Strömungsverdichter beziehungsweise Kompressor 12 verdichtet Umgebungsluft, weiche typischerweise über einen hier nicht dargestellten Luftfilter zuvor gefiltert worden ist. Die in dem Kompressor 12 verdichtete Zuluft ist dann typischerweise heiß und strömt auf der Druckseite des Kompressors 12 beispielsweise durch einen Ladeluftkühler 14, welcher mit einem Kühlkreislauf des Brennstoffzellensystems 1 in Verbindung steht, um abgekühlt zu werden. Ergänzend oder alternativ dazu könnte der Ladeluftkühler auch so ausgebildet sein, dass dieser von der Abluft aus dem Kathodenraum 4 der Brennstoffzelle 3 gekühlt wird. Nach dem Ladeluftkühler 14 strömt die Luft in einen optionalen Befeuchter 15, in welchem sie von der feuchten Abluft aus dem Kathodenraum 4 durch für Wasserdampf durchlässige Membranen befeuchtet wird. Danach strömt die Luft in den Kathodenraum 4 der Brennstoffzelle 3. Hier wird zumindest ein Teil des in ihr enthaltenen Sauerstoffs in der Brennstoffzelle 3 mit dem Wasserstoff aus dem Anodenraum 5 umgesetzt. Dabei entsteht elektrische Energie und Produktwasser. Die an Sauerstoff abgereicherte Abluft führt das Produktwasser aus dem Kathodenraum 4 mit ab und kann einen Teil des Produktwassers in dem optionalen Befeuchter 15 auf die Zuluft übertragen. Die Abluft, weiche immer noch einen gegenüber der Umgebung erhöhten Druck und eine gegenüber der Umgebung höhere Temperatur aufweist, strömt dann in eine Turbine 16, welche ebenfalls Teil des elektrischen Turboladers 13 ist. Im Bereich dieser Turbine 16 wird zumindest ein Teil der in der Abluft vorhandenen Energie zurückgewonnen und kann dem Antrieb des Kompressors 12 zur Verfügung gestellt werden. Nach der Turbine 16 gelangt die entspannte Abluft an die Umgebung.
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Der bereits erwähnte elektrische Turbolader 13 umfasst neben dem Kompressor 12 und der Turbine 16 außerdem eine elektrische Maschine 17, welche zusätzliche Antriebsleistung zum Antreiben des Kompressors 12 liefern kann, da in den normalen Betriebszuständen die im Bereich der Turbine 16 zurückgewonnene Leistung zum alleinigen Antrieb des Kompressors 12 typischerweise nicht ausreicht. Die elektrische Maschine 17 kann in Situationen, in denen die Energie im Bereich der Turbine 16 zum Antreiben des Kompressors 12 ausreicht, auch ohne Leistung mitlaufen. Sofern die Leistung im Bereich der Turbine 16 größer ist als die von dem Kompressor 12 benötigte Leistung, dann kann die elektrische Maschine 17 auch generatorisch betrieben werden, um elektrische Leistung beispielsweise für Nebenaggregate des Brennstoffzellensystems 1 und/oder des Fahrzeugs 2 bereitzustellen.
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Dieser Aufbau eines elektrischen Turboladers 13 ist dabei an sich bekannt. Die Problematik liegt nun darin, dass zum Erzielen einer hohen Variabilität bei der Ansteuerung der Brennstoffzelle 3 sowohl der Ladedruck pL beziehungsweise der Volumen- oder Massenstrom der zu der Brennstoffzelle 3 geförderten Luft, als auch der abluftseitige Druck der Brennstoffzelle 3 entsprechend der Bedürfnisse der Brennstoffzelle eingestellt werden muss. Dieser liegt im Bereich der Turbine 16 an und ist in der Darstellung der 1 als Abluftdruck pA bezeichnet. Auch dieser Abluftdruck pA muss je nach Leistungsanforderungen und Betriebszustand der Brennstoffzelle 3 angepasst werden. Um den Ladeluftdruck pL und den Abluftdruck pA unabhängig voneinander einstellen zu können, weist der hier dargestellte Turbolader 13 im Bereich des Kompressors 12 eine variable Kompressorausgangsgeometrie 18 auf. Diese variable Kompressorausgangsgeometrie 18, welche auch als VCG (Variable Compressor Geometry) bezeichnet werden kann, weist dabei einen Ring von Leitschaufeln im Bereich des Ausgangs des Kompressors 12 auf. Die Leitschaufeln sind verstellbar ausgebildet, sodass der druckseitige Austrittsquerschnitt des Kompressors 12 beeinflusst werden kann. Dadurch lässt sich der Ladeluftdruck pL sowie der zu der Brennstoffzelle 3 geförderte Volumen- beziehungsweise Massenstrom an Luft variabel einstellen. Im Bereich der Turbine 16 befindet sich eine variable Turbineneinlassgeometrie 19, welche auch als VTG (Variable Turbine Geometry) bezeichnet wird. Auch diese weist verstellbare Leitschaufeln, diesmal im Eintrittsbereich der Turbine 16 auf, welche so verstellt werden können, dass sich ein variabler Eintrittsquerschnitt in die Turbine 16 ergibt. Dadurch lässt sich der Abluftdruck pA als Gegendruck der Turbine 16 beeinflussen. Die variable Turbinengeometrie 19 und die variable Kompressorgeometrie 18 lassen sich dabei unabhängig voneinander einstellen, sodass eine sehr hohe Flexibilität beim Einstellen einer beliebigen Massenstrom-Druck-Kennlinie der Brennstoffzelle 3 möglich wird.
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Der Aufbau mit variabler Kompressorgeometrie 18 und variabler Turbinengeometrie 19 ist dabei hinsichtlich der Einstellbarkeit ideal. Außerdem ist er energetisch vorteilhaft, da keine Volumenströme, welche bereits verdichtet worden sind beziehungsweise noch nicht entspannt worden sind, an dem elektrischen Turbolader 13 vorbeigeleitet werden müssen, was immer mit einem gewissen Energieverlust einhergehen wurde.
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Der Aufbau mit variabler Kompressorgeometrie 18 und variabler Turbinengeometrie 19 ist dabei jedoch mechanisch aufwändig, da die verstellbaren Leitschaufeln eine Vielzahl von Einzelteilen benötigen, welche aufwändig und komplex in der Herstellung sind.
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In der 2 ist daher ein alternativer Aufbau zur Beeinflussung des Abluftdrucks PA im Bereich der Turbine dargestellt. Es handelt sich dabei um einen Turbinenbypass 20, welcher mit einer Ventileinrichtung 21 versehen ist. Diese Ventileinrichtung 21 kann vorzugsweise als 2/2-Wege-Ventil ausgebildet sein. Durch ein Öffnen und Schließen des Turbinenbypass 20 kann so ein Teil der Abluft um die Turbine 16 herumgeführt werden. Dadurch wird eine Einstellbarkeit des Abluftdrucks pA möglich.
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In der Darstellung der 3 ist ein alternativer Aufbau dargestellt. Dieser entspricht im Wesentlichen dem in 2 beschriebenen Aufbau. Anstelle des 2/2-Wege-Ventils 21 ist hier jedoch eine 3/2-Wege-Klappe 22 vorgesehen. Diese erlaubt neben der reinen Auf/Zu-Stellung für den Turbinenbypass 20 eine kontinuierliche Aufteilung der Volumenströme auf den Turbinenbypass 20 und die Turbine 16. Die Einstellbarkeit für den Abluftdruck PA wird damit weiter verbessert. Der Turbinenbypass 20 sowie die Ventileinrichtung 21 beziehungsweise die Klappe 22 können dabei vorzugsweise in das Turbinengehäuse des elektrischen Turboladers 13 integriert ausgebildet sein. Unter bestimmten Umständen kann es sinnvoll sein, die Ventileinrichtung 21 nicht als Proportionalventil, sondern als einfaches auf/zu Schaltventil, speziell z. B. als Schubumluftventil auszuführen.
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Ergänzend oder alternativ zu einem solchen Turbinenbypass 20 wäre es auch denkbar einen Systembypass 23 einzusetzen, um die variable Turbinengeometrie 19 einzusparen. Im Bereich des Kompressors 12 wäre es dann weiterhin sinnvoll, die variable Kompressorgeometrie 18 vorzuhalten oder anderweitige Methoden zur Beeinflussung des Kompressors 12, welche nachfolgend noch beschrieben werden, zu verwenden. In dem Ausführungsbeispiel der 4 und 5 ist ein solcher Systembypass, welcher die Druckseite des Kompressors 12 mit der Eingangsseite beziehungsweise Druckseite der Turbine 16 verbindet, dargestellt. In der Darstellung der 4 weist der Systembypass 23 dabei ein 2/2-Wege-Ventil 24 auf, in der Darstellung der 5 eine 3/2-Wege-Klappe. im Prinzip gilt auch hier wieder, dass das 2/2-Wege-Ventil 24 ausreicht, die 3/2-Wege-Klappe 25 jedoch eine feinere Einstellbarkeit ermöglicht. Unter bestimmten Umständen kann es sinnvoll sein, die 2/2-Wege-Ventil 24 nicht als Proportionalventil, sondern als einfaches auf/zu Schaltventil, speziell z. B. als Schubumluftventil auszuführen.
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In der Darstellung der 6 und 7 sind zwei weitere alternative Ausführungsformen zur Beeinflussung des Abluftdrucks pA dargestellt, welche sich ebenfalls als Ersatz für die variable Turbinengeometrie 19 eignen. Es handelt sich dabei um eine verstellbare Drossel 26, welche entweder in Strömungsrichtung nach der Turbine 16 angeordnet wird, wie dies ein 6 dargestellt ist, oder in Strömungsrichtung vor der Turbine 16, wie dies in der Darstellung der 7 zu erkennen ist. Die Drossel 26 ermöglicht den Aufbau eines gezielten Gegendrucks, um so den Abluftdruck pA zu beeinflussen.
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In der Darstellung der 8 bis 10 sollen abschließend Varianten erläutert werden, welche anstelle der variablen Kompressorgeometrie 9 im Bereich des Kompressors 12 eingesetzt werden können. In der Darstellung der 8 ist eine erste Ausführungsform eines Kompressorbypass 27 dargestellt. In dem in 8 dargestellten Ausführungsbeispiel weist dieser ein 2/2-Wege-Ventil 28 auf. Wie in der Darstellung der 9 zu erkennen ist, könnte dieses 2/2-Wege-Ventil 28 auch wieder durch eine 3/2-Wege-Klappe 29 ersetzt werden. Der Kompressorbypass 27 verbindet in dem in den 8 und 9 dargestellten Ausführungsbeispiel dabei die Druckseite des Kompressors 12 mit der Abluftseite der Turbine 16. Auch hierdurch wird eine entsprechende Regelbarkeit vergleichbar der variablen Kompressorgeometrie 18 erreicht. Der Aufbau ist einfacher und kostengünstiger. Unter bestimmten Umständen kann es sinnvoll sein, die 2/2-Wege-Ventil 28 nicht als Proportionalventil, sondern als einfaches auf/zu Schaltventil, speziell z. B. als Schubumluftventil auszuführen.
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In der Darstellung der 10 ist eine weitere alternative Ausführungsform des Kompressorbypass 27 dargestellt. Rein beispielhaft ist hier wieder das 2/2-Wege-Ventil 28 angeordnet. Ein Aufbau mit einer 3/2-Wege-Klappe 29 wäre selbstverständlich ebenso denkbar. Der Kompressorbypass 27 in der Darstellung der 10 führt von der Druckseite des Kompressors 12 auf die Zuluftseite des Kompressors 12. Die Funktionalität ist im Wesentlichen dieselbe, wie bei den in den 8 und 9 dargestellten Aufbau, typischerweise kann die Leitungsführung hier so gestaltet werden, dass sich die Integration des Kompressorbypass 27 in das Kompressorgehäuse des elektrischen Turboladers 13 typischerweise einfacher realisieren lässt.
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Sämtliche Ventile, Drosseln und Bypassleitungen lassen sich dabei idealerweise in den elektrischen Turbolader 13 bzw. sein Gehäuse integrieren. Alternativ dazu können diese selbstverständlich auch Anbauteile in der Peripherie des elektrischen Turboladers 13 angeordnet werden. Die beschriebenen Ausführungsbeispiele lassen sich untereinander kombinieren, sodass beispielsweise die Varianten zur Beeinflussung der Turbine 16 nach den 2 bis 7 mit den Varianten zur Beeinflussung des Kompressors 12 nach den 8 bis 9 untereinander beliebig kombiniert werden können. Auch lässt sich eine Kombination oder eine Ergänzung der einzelnen beschriebenen Varianten mit einer variablen Kompressorgeometrie 18 und/oder einer variablen Turbinengeometrie 19 realisieren.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007028297 A1 [0002]
- JP 2001-351655 A [0003]
- JP 2009-301845 A [0003]
