DE102012215103A1

DE102012215103A1 - Brennstoffzellensystem mit einer Brennstoffzelle und einem Druckförderer

Info

Publication number: DE102012215103A1
Application number: DE201210215103
Authority: DE
Inventors: Stefan Haase; Michael Bauer; Andreas Buchner
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2012-08-24
Filing date: 2012-08-24
Publication date: 2014-02-27

Abstract

Bei einem Brennstoffzellensystem mit einer Brennstoffzelle und einem Druckluftförderer zum Bereitstellen von Druckluft an der Brennstoffzelle mit einem Betriebsdruck, ist ein zweiter Druckluftförderer vorgesehen, mit dem an der Brennstoffzelle Druckluft mit einem höheren Druck als dem Betriebsdruck bereitstellbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem mit einer Brennstoffzelle und einem Druckluftförderer zum Bereitstellen von Druckluft an der Brennstoffzelle mit einem Betriebsdruck. Ferner betrifft die Erfindung eine Verwendung eines solchen Brennstoffzellensystems bei einem Kraftfahrzeug.
Brennstoffzellensysteme, insbesondere solche von Hybrid-Kraftfahrzeugen, weisen einen Druckluftförderer bzw. Druckluftkompressor zum Fördern von Druckluft auf, mit dem aus der Umgebung des Brennstoffzellensystems ausreichend Sauerstoff für den Betrieb der zugehörigen Brennstoffzelle bereitgestellt wird. Dazu wird im Betrieb des Brennstoffzellensystems der Druckluftförderer so geregelt, dass er den für den jeweiligen Betriebszustand der Brennstoffzelle richtigen Druck und Massenfluss an Druckluft liefert. Bei Lastsprüngen muss der Druckluftförderer den Anforderungen der Brennstoffzelle entsprechend nachgeregelt werden.
Gemäß der Erfindung ist ein Brennstoffzellensystem mit einer Brennstoffzelle und einem Druckluftförderer zum Bereitstellen von Druckluft an der Brennstoffzelle mit einem Betriebsdruck geschaffen, bei dem ein zweiter Druckluftförderer vorgesehen ist, mit dem an der Brennstoffzelle Druckluft mit einem höheren Druck als dem Betriebsdruck bereitstellbar ist.
Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass die limitierende Komponente beim Regeln von Lastsprüngen an einem Brennstoffzellensystem der derzeit verwendete Druckluftförderer ist. Der Druckluftförderer kann nicht so schnell nachgeregelt werden, wie dies erforderlich wäre. Er kann den erforderlichen Massenfluss an Druckluft nicht so schnell aufbauen, wie die Brennstoffzelle den darin enthaltenen Sauerstoff verbrauchen würde. Damit sind schnelle Leistungsänderungen bei bestehenden Brennstoffzellen nicht möglich.
Dieser transiente Nachteil wird gemäß der Erfindung mit einem zweiten Druckluftförderer gelöst, der an der zugehörigen Brennstoffzelle Druckluft mit einem höheren Betriebsdruck als dem normalen Betriebsdruck bereitstellen kann. Dieser Druckförderer kommt für die Brennstoffzelle nur im Bedarfsfall, also insbesondere bei größeren Leistungssprüngen, zum Einsatz. Der zweite Druckluftförderer wird auch als Hochdruck-Luftförderer oder Hochdruck-Kompressor bezeichnet. Demgegenüber kann der den normalen Betriebsdruck für die Brennstoffzelle bereitstellende Druckluftförderer als Niederdruck-Luftförderer bezeichnet werden. Der Betriebsdruck des zweiten Druckluftförderers liegt höher als der des ersten Druckluftförderers. Dadurch kann mit diesem gezielt bei sprunghaft steigender Lastforderung und damit sprunghaft steigender Anforderung von Druckluftmasse weitere Druckluft zum Strom des ersten Druckluftförderers hinzugefügt werden. Diese Ergänzung mit weiterer Druckluft kann sehr sprunghaft geschehen, da der zweite Druckluftförderer von vorne herein seine Druckluft mit einem höheren Luftdruck zur Verfügung stellt. Sofern bei einem Lastsprung dieser hohe Luftdruck nicht vollständig benötigt wird, kann der Luftdruck sehr einfach mittels eines regelbaren Druckminderers angepasst werden. Diese Regelung ist schneller als eine Leistungsanpassung eines Druckförderers selbst.
Auf diese Weise kann das transiente Verhalten eines Brennstoffzellensystems deutlich verbessert werden. Insbesondere entsteht am Brennstoffzellensystem kein Leistungsloch, welches ansonsten durch eine entsprechend größer dimensionierte Batterie ausgeglichen werden müsste. Damit kann auch die Batterie auf eine besonders hohe Energiedichte und nicht etwa auf eine hohe Spitzenleistung ausgelegt werden. Die Folge ist eine leichtere und zugleich kleinere Batterie, was sich sehr vorteilhaft auf das Fahrzeuggewicht und den benötigten Bauraum auswirkt. Ferner ist eine geringere Degradation bzw. Alterung der Batterie aufgrund von kleineren Gradienten in allen Transienten zu erwarten.
Die erfindungsgemäße Lösung hat darüber hinaus den Vorteil, dass der erste Druckluftförderer vergleichsweise klein dimensioniert sein kann. Er muss bei vergleichsweise großer Fördermenge nur an den üblichen Betriebsdruck der Brennstoffzelle angepasst sein. Hingegen kann der zweite Druckluftförderer gezielt auf eine vergleichsweise kleine Fördermenge bei gezielt hohem Druck ausgelegt sein. Die erfindungsgemäße Lösung resultiert damit insgesamt in geringeren Kosten und reduziertem Gewicht für das gesamte Kraftfahrzeug.
Besonders bevorzugt ist der zweite Druckluftförderer mit einem Speichervolumen zum Speichern von Druckluft unter dem höheren Druck versehen. Das Speichervolumen stellt einen einfachen und kostengünstigen Zwischenspeicher dar, mit dem die Fördermenge weiter gesteigert werden kann, welche vom zweiten Druckluftförderer sehr kurzfristig bereitzustellen ist.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung wird als zweiter Druckluftförderer ein solcher verwendet, der bereits am Kraftfahrzeug verbaut ist. Solche Druckluftförderer sind bei Kraftfahrzeugen teilweise in vielfältiger Ausgestaltung vorzufinden. So weisen Kraftfahrzeuge Druckluftförderer für die zugehörige Verbrennungskraftmaschine in Form eines Turboladers auf, oder sie sind mit einer pneumatischen Bremseinrichtung versehen, die ebenfalls einen Druckluftförderer umfasst.
Besonders bevorzugt wird bei der erfindungsgemäßen Lösung als zweiter Druckluftförderer ein Kompressor einer Luftfederung verwendet. Ein solcher Kompressor entspricht insbesondere hinsichtlich Förderdruck und Fördermenge weitgehend genau jenen Anforderungen, die für den zweiten Druckluftförderer gemäß der Erfindung benötigt werden.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Lösung anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Es zeigt die Fig. ein schematisches Schaubild eines Brennstoffzellensystems gemäß der Erfindung.
Ein Brennstoffzellensystem 10 umfasst eine Brennstoffzelle 12, der durch eine erste Leitung 14 Druckluft mit einem Betriebsdruck für den Normalbetrieb der Brennstoffzelle 12 zugeführt werden kann. Diese Druckluft unter Betriebsdruck wird von einem ersten Druckluftförderer 16 aus der Umgebung des Brennstoffzellensystems 10 in die erste Leitung 14 gefördert.
An die erste Leitung 14 ist eine zweite Leitung 18 angeschlossen, in der ferner ein Speichervolumen 20 geschaltet ist. Das Speichervolumen 20 wird von einem zweiten Druckluftförderer 22 mit Druckluft unter einem höheren Luftdruck versorgt, als der von dem ersten Druckluftförderer 16 bereitgestellte Betriebsdruck. Diese Druckluft mit erhöhtem Druck kann mittels eines sich in der Leitung 18 zwischen dem Speichervolumen 20 und der ersten Leitung 14 befindenden Ventils 24 wahlweise der Brennstoffzelle 12 zugeführt werden. Dieses Einspeisen von Druckluft mit erhöhtem Druck erfolgt insbesondere dann, wenn die Brennstoffzelle 12 für einen schnellen Lastwechsel hin zu einer höheren Last einen kurzzeitig erhöhten Bedarf an Sauerstoff aus der zugeführten Luft hat.
Für die Regelung des zweiten Druckluftförderers 22, der vorzugsweise auch für den Betrieb einer (nicht dargestellten) Luftfederung verwendet wird, ist ein Steuergerät 26 vorgesehen, das betrieblich mit der Brennstoffzelle 12, dem ersten Druckförderer 16, dem zweiten Druckförderer 22 sowie dem Ventil 24 gekoppelt ist.
Bezugszeichenliste

10: Brennstoffzellensystem
12: Brennstoffzelle
14: erste Leitung
16: erster Druckluftförderer
18: zweite Leitung
20: Speichervolumen
22: zweiter Druckluftförderer
24: Ventil
26: Steuergerät

Claims

Brennstoffzellensystem (10) mit einer Brennstoffzelle (12) und einem Druckluftförderer (16) zum Bereitstellen von Druckluft an der Brennstoffzelle (12) mit einem Betriebsdruck, bei dem ein zweiter Druckluftförderer (22) vorgesehen ist, mit dem an der Brennstoffzelle (12) Druckluft mit einem höheren Druck als dem Betriebsdruck bereitstellbar ist.
Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, bei dem der zweite Druckluftförderer (22) mit einem Speichervolumen (20) zum Speichern von Druckluft unter dem höheren Druck versehen ist.
Verwendung eines Brennstoffzellensystems (10) nach Anspruch 1 oder 2 bei einem Kraftfahrzeug, das mit einer Luftfederung ausgestattet ist, bei der mit dem zweien Druckluftförderer (22) sowohl die Luftfederung als auch das Brennstoffzellensystem (10) mit Druckluft unter höherem Druck versorgt wird.