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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Luftversorgung einer Brennstoffzelle mit einem motorisch angetrieben Kompressor und einem als Freiläufer ausgebildeten Turbolader nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.
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Ein gattungsgemäßer Stand der Technik wird beispielsweise in der
DE 101 20 947 A1 oder auch in der
DE 10 2004 051 359 A1 beschrieben. In beiden Schriften ist es so, dass ein herkömmlicher Systembypass nach der zweiten Verdichterstufe abzweigt und zum Eingang der Turbine führt. Dies erlaubt zwar eine gewisse Regelung der Luftversorgung, ermöglicht jedoch nicht die notwendigen Freiheitsgrade, um beispielsweise in allen Betriebssituationen zu verhindern, dass mit zwei als Strömungsverdichter ausgebildeten Verdichterstufen in allen Betriebssituationen die gewünschten Volumenströme und Drücke im Bereich der Brennstoffzelle eingestellt werden können.
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Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht deshalb darin, die genannten Nachteile zu vermeiden und einen Aufbau anzugeben, welcher hinsichtlich der zur Brennstoffzelle gelieferten Volumenströme und Drücke einen hohen Freiheitsgrad bietet.
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Erfindungsgemäß wird dieser Aufbau durch die Vorrichtung mit den Merkmalen im Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen.
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Der Aufbau gemäß Anspruch 1 sieht eine Bypassleitung als Systembypass mit genau einer Ventileinrichtung zwischen der Druckseite des ersten Verdichters und dem Eingang der Expansionsmaschine vor. Auf einen weiteren Systembypass, wie er aus dem Stand der Technik bekannt ist, insbesondere zwischen der Druckseite des zweiten Verdichters und der Expansionsmaschine wird dabei verzichtet. Die erfindungsgemäße Bypassleitung mit der genau einen Ventileinrichtung ist durch die eine Ventileinrichtung sehr einfach ansteuerbar. Über sie kann erreicht werden, dass in keiner Situation die sogenannte Pumpgrenze des oder insbesondere beider als Strömungsmaschinen ausgebildeter Verdichter überschritten wird. Vielmehr kann bei Bedarf mit entsprechend hohem Druck und niedrigem Volumenstrom ein Teil des Volumenstroms sehr vorteilhaft über die Bypassleitung und die geöffnete Ventileinrichtung nach dem ersten Verdichter direkt in die Expansionsmaschine strömen und so zum Antrieb des zweiten Verdichters beitragen. Im zweiten Verdichter wird dann der Druck nochmals weiter erhöht, um die Luft mit den idealen gewünschten Bedingungen am Eingang der Brennstoffzelle oder eines optionalen Gas/Gas-Beleuchters, welcher vor der Brennstoffzelle noch von der Zuluft durchströmt wird, bereitzustellen. Neben dem Befeuchter kann dabei ein optionaler Ladeluftkühler zwischen und/oder idealerweise nach der zweiten Verdichterstufe angeordnet sein.
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Anstelle eines solchen Gas/Gas-Beleuchters kann es gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Idee auch vorgesehen sein, dass die Befeuchtung über eine Rezirkulation von Kathodenabluft realisiert wird. Gemäß dieser vorteilhaften Weiterbildung ist es dann vorgesehen, dass eine Kathodenrezirkulationsleitung, welche eine Rezirkulationsventileinrichtung aufweist, von der Abluftleitung vor der Expansionsmaschine abzweigt und in die Zuluftleitung zwischen die beiden Verdichterstufen, also zwischen den ersten und den zweiten Verdichter, führt. Hierdurch kann über die feuchte Abluft die Zuluft befeuchtet werden. In diesem Zusammenhang wird hinsichtlich des Prinzips der Befeuchtung auf die
DE 10 2010 035 727 A1 des Erfinders hingewiesen, welche dieses Prinzip umfassend darlegt.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Idee sieht es ferner vor, dass bei vorhandener Kathodenrezirkulationsleitung über Ventileinrichtungen in der Zuluftleitung in Strömungsrichtung vor der Einmündung der Rezirkulationsleitung und in der Abluftleitung zwischen dem Abzweig der Rezirkulationsleitung und der Expansionsmaschine eine Kreislaufführung der Kathodenabluft ermöglicht wird. Diese kann dann bei weiterhin dosiertem Wasserstoff in der Brennstoffzelle an Sauerstoff abgereichert werden, sodass letztlich ein an Stickstoff angereichertes und idealerweise von Sauerstoff freies Gas in der Kathode der Brennstoffzelle vorliegt. Dies hat entsprechende Vorteile hinsichtlich eines späteren Wiederstarts der Brennstoffzelle, da so eine für die Brennstoffzelle beim Wiederstart schädliche Medienzusammensetzung in der Brennstoffzelle verhindert wird.
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In diesem Zusammenhang kann dabei auch auf die
DE 10 2007 035 056 A1 des Erfinders verwiesen werden, welche ein entsprechendes Verfahren zum Herunterfahren einer Brennstoffzellenvorrichtung zeigt, das genau dies bewirkt, nämlich eine Anreicherung von Stickstoff, um beim Wiederstart einen sogenannten Luft/Luft-Start der Brennstoffzelle und die damit einhergehenden Nachteile hinsichtlich der Degradation der Brennstoffzelle zu vermeiden.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergeben sich ferner aus den restlichen abhängigen Unteransprüchen und werden anhand des Ausführungsbeispiels deutlich, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben ist.
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Dabei zeigen:
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1 eine prinzipmäßige Ausgestaltung eines Brennstoffzellensystems in einer möglichen Ausführungsform gemäß der Erfindung;
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2 ein Diagramm, welches den Zusammenhang zwischen dem Massenstrom und dem Druckverhältnis sowie der Pumpgrenze darstellt;
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3 eine alternative Ausführungsform eines Brennstoffzellensystems mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung; und
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4 eine weitere alternative Ausführungsform eines Brennstoffzellensystems mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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In der Darstellung der 1 ist ein prinzipmäßig angedeutetes Brennstoffzellensystem 1 zu erkennen, welches beispielsweise zur Bereitstellung von elektrischer Antriebsleistung in einem nicht dargestellten Fahrzeug eingesetzt werden kann. Den Kern des Brennstoffzellensystems 1 bildet dabei eine mit 2 bezeichnete Brennstoffzelle, welche insbesondere als Stapel von Einzelzellen, als sogenannter Brennstoffzellenstapel bzw. Brennstoffzellenstack, aufgebaut sein soll. Die Brennstoffzelle 2 kann dabei in PEM-Technologie, also mit protonenleitenden Membranen, realisiert sein. Die Brennstoffzelle 2 umfasst einen Anodenbereich 3 sowie einen Kathodenbereich 4. Auf den Anodenbereich 3 wird nicht weiter eingegangen, er wird in an sich bekannter Art und Weise mit Wasserstoff versorgt. Der Kathodenbereich 4 der Brennstoffzelle 2 wird mit Luft als Sauerstofflieferant versorgt. Hierfür dient eine in ihrer Gesamtheit mit dem Bezugszeichen 5 bezeichnete Vorrichtung zur Luftversorgung der Brennstoffzelle 2. Diese Vorrichtung zur Luftversorgung umfasst einen hier nicht dargestellten Luftfilter und dann in Strömungsrichtung der angesaugten Luft einen ersten Verdichter 6, welcher von einem mit 7 bezeichneten Elektromotor angetrieben sein soll. In Strömungsrichtung der Luft in einer mit 8 bezeichneten Zuluftleitung folgt dann ein zweiter Verdichter 9, welcher zusammen mit einer Turbine 10 als Expansionsmaschine auf einer gemeinsamen Welle angeordnet und als Turbolader ausgebildet ist. Der Turbolader ist dabei ein sogenannter Freiläufer, bei welchem die Turbine 10 den zweiten Verdichter 9 direkt und ohne z. B. eine (elektro-)motorische Unterstützung aufreibt. Im Anschluss an diesen zweiten Verdichter 9 findet sich in der Zuluftleitung 8 in dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 ein an sich bekannter Gas/Gas-Befeuchter 11, welcher von der zu befeuchtenden Zuluft zu der Brennstoffzelle 2 bzw. ihrem Kathodenraum 4 einerseits und von der Feuchte transportierenden Abluft aus der Brennstoffzelle 2 andererseits durchströmt wird. Ein solcher Gas/Gas-Befeuchter 11, welcher typischerweise die Feuchte durch für Wasserdampf durchlässige Membranen von der Abluft in die Zuluft überträgt, ist dabei an sich bekannt, sodass hierauf nicht weiter eingegangen werden muss. Darüber hinaus kann ein optionaler Ladeluftkühler beispielsweise in Strömungsrichtung zwischen dem zweiten Verdichter 9 und vor dem Gas/Gas-Befeuchter 11 vorgesehen sein.
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In dem hier dargestellten Aufbau der Vorrichtung 5 zur Luftversorgung der Brennstoffzelle 2 ist es nun so, dass eine Bypassleitung 12 mit einem Bypassventil 13 von dem Bereich der Zuluftleitung 8 zwischen dem ersten Verdichter 6 und dem zweiten Verdichter 9 abzweigt und zum Eingang der Expansionsmaschine, welche hier als Turbine 10 ausgebildet ist, führt. Die Turbine 10 soll über eine sogenannte variable Turbinengeometrie 14 verfügen, welche durch einen Aktuator 15 ansteuerbar ist. Zusätzlich zu der Abluft aus der Brennstoffzelle 2 kann bei geöffnetem Bypassventil 13 von dem ersten Verdichter 6 verdichtete Luft direkt in den Bereich der Turbine 10 gefördert werden, um so den Antrieb der Turbine 10 und damit letztlich auch den Antrieb des zweiten Verdichters 9 zu unterstützen. Dies kann nun insbesondere dann sinnvoll sein, wenn bestimmte Verhältnisse des Massenstroms und des Drucks ansonsten nicht erreicht werden können.
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In der Darstellung der 2 ist der Zusammenhang zwischen dem Massenstrom ṁ über dem Druckverhältnis pi gezeigt. Dabei ist in dem Diagramm eine sogenannte Pumpgrenze eingezeichnet und mit dem Bezugszeichen PG versehen. Eine Strömungsmaschine kann prinzipbedingt nicht oberhalb und links dieser Pumpgrenze PG in dem in 2 gezeigten Diagramm betrieben werden. Durch die Pumpgrenze PG wird somit die maximal mögliche Arbeitslinie des Verdichters, welche hier mit A bezeichnet ist, definiert. In der Praxis, und so ist es in 2 dargestellt, wird dabei typischerweise ein gewisser Sicherheitsabstand zu der Pumpgrenze PG eingehalten, sodass die Arbeitslinie A ein wenig unterhalb und rechts der Pumpgrenze zu finden ist. Die in der Darstellung der 2 untere mit S bezeichnete Linie zeigt den Systemdruckverlust. Letzten Endes ist ein Betrieb der Strömungsmaschinen in der Vorrichtung 5 innerhalb des schraffierten Bereichs möglich. Dieser stellt den Arbeitsbereich der Verdichter dar. Bei dem mit I bezeichneten Massenstrom ergibt sich somit ein maximales Druckverhältnis pi von 1, bei dem mit II bezeichneten Massenstrom ein maximales Druckverhältnis pi von 2.
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Bei bestimmten Umgebungsbedingungen wie beispielsweise hoher Umgebungstemperatur und einem Betrieb in hoher geodätischer Höhe und damit entsprechend „dünner” Luft, ist es nun wünschenswert, das Druckverhältnis und den Massenstrom in Kombinationen zu fahren, welche jenseits, also links der Pumpgrenze PG, liegen. Bei der in 1 dargestellten Ausführungsform der Vorrichtung 5 zur Luftversorgung ist es nun so, dass die Möglichkeit besteht, das Bypassventil 13 entsprechend zu öffnen und so zum Beispiel den in 2 mit III bezeichneten Massenstrom direkt der Turbine 10 zuzuführen. Damit wird vom zweiten Verdichter 9 nur noch der Massenstrom I mit dem Druckverhältnis 2 in der Darstellung der 2 zugeführt. Vom zweiten Verdichter 9 wird dieser Luftmassenstrom dann weiter verdichtet, sodass mit dem Massenstrom I der Kathodenraum 4 der Brennstoffzelle 2 bei einem Druckverhältnis versorgt werden kann, welches signifikant größer als das in 2 eingezeichnete Druckverhältnis 2 ist, und welches damit oberhalb der Pumpgrenze PG bzw. links von ihr liegen würde. Damit die Turbine 10 den Massenstrom III und die Abluft aus dem Kathodenraum 4 der Brennstoffzelle 2 gemeinsam expandieren kann, ist dabei die variable Turbinengeometrie 14 von entsprechendem Vorteil, welche über den Aktuator 15 in der gewünschten Art und Weise eingestellt werden kann.
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Der Aufbau gemäß
3 entspricht im Wesentlichen dem in
1 bereits gezeigten Aufbau. An die Stelle des Gas/Gas-Befeuchters
11 tritt in dem hier dargestellten Aufbau eine Kathodenrezirkulationsleitung
16 mit einer Rezirkulations-Ventileinrichtung
17, sodass bei Bedarf ein gewisser Volumenstrom der feuchten Abluft aus dem Kathodenbereich
4 der Brennstoffzelle
2 zwischen den ersten Verdichter
6 und den zweiten Verdichter
9 zurückgeführt werden kann. Diese Abluft enthält entsprechend Feuchte und dient somit zur Befeuchtung der Zuluft zu der Brennstoffzelle
2, sodass auf den hinsichtlich des Bauraums vergleichsweise großen und aufwändigen Gas/Gas-Befeuchter
11 gänzlich verzichtet werden kann. Das Grundprinzip dieser Befeuchtung über eine Rezirkulation von feuchtem Abgas aus dem Kathodenbereich
4 der Brennstoffzelle
2 ist dabei aus der
DE 10 2010 035 727 A1 des Erfinders prinzipiell bereits bekannt.
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In der Darstellung der
3 gibt es gegenüber dem Aufbau in
1 außerdem zwei zusätzliche Ventileinrichtungen, nämlich eine erste Ventileinrichtung
18 zwischen dem Abzweig der Bypassleitung
12 aus der Zuluftleitung
8 und der Einmündung der Kathodenrezirkulationsleitung
16 in die Zuluftleitung
8 zwischen dem ersten Verdichter
6 und dem zweiten Verdichter
9. Eine weitere Ventileinrichtung
19 befindet sich zwischen dem Abzweig der Kathodenrezirkulationsleitung
16 und der Turbine
10 in einer mit
20 bezeichneten Abluftleitung von der Brennstoffzelle
2 zur Turbine
10. Sind diese beiden Ventileinrichtungen
18,
19 geschlossen, dann kann über den zweiten Verdichter, welcher beispielsweise durch Luft angetrieben werden kann, welche in der Turbine
10 expandiert wird und zuvor über den ersten Verdichter
6 und die Bypassleitung
12 bei geöffnetem Bypassventil
13 zur Turbine
10 strömt, die Luft in dem Kathodenraum
4 umgewälzt werden. Wird weiterhin Wasserstoff auf der Anodenseite der Brennstoffzelle
2 zugeführt, dann wird die Luft an Sauerstoff abgereichert, sodass letztlich ein Stickstoffgemisch auf der Kathodenseite vorliegt. Dieses erlaubt eine vergleichsweise hohe Standzeit des Wasserstoffs auf der Anodenseite, ohne dass dieser durch Restsauerstoff auf der Kathodenseite aufgebraucht wird. Hierdurch können über eine lange Zeit für den Wiederstart der Brennstoffzelle sehr günstige Bedingungen aufrechterhalten werden. Auch dies ist prinzipiell aus dem Stand der Technik bekannt, wofür auf die
DE 10 2007 035 056 A1 des Erfinders hingewiesen wird.
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Typischerweise ist es nun so, dass ein Freiläufer mit der Turbine 10 und dem zweiten Verdichter 9 mit sehr hoher Drehzahl läuft und deshalb keine Abdichtung zwischen der Turbinenseite und der Verdichterseite über berührende Dichtungen erlaubt. Es kann also immer eine gewisse Menge an Sauerstoff aus der Luft, welche in der Turbine 10 expandiert wird um den zweiten Verdichter 9 anzutreiben, wenn auf der Kathodenseite ein an Sauerstoff abgereichertes Luftgemisch bereitgestellt werden soll. Durch diese mittels der Pfeile in 4 angedeuteten Leckage wird Sauerstoff von der Turbinenseite zur Seite des zweiten Verdichters 9 gefördert, was prinzipiell unerwünscht ist, insbesondere dann, wenn bereits ein an Sauerstoff abgereichertes im Wesentlichen stickstoffhaltiges Volumen in dem Bereich vorliegt. Aus diesem Grund kann es, wie in der Darstellung der 4 gezeigt, vorgesehen sein, dass in der Zuluftleitung zwischen dem zweiten Verdichter 9 und dem Kathodenbereich 4 der Brennstoffzelle ein Absperrventil 21 angeordnet ist, um in dieser Situation zusammen mit der Ventileinrichtung 19 den Kathodenraum 4 entsprechend abzusperren, sodass die dort herrschenden Bedingungen möglichst lange aufrechterhalten bleiben und so einen sehr schonenden Wiederstart der Brennstoffzelle 2, auch nach längerer Stillstandszeit, ermöglichen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10120947 A1 [0002]
- DE 102004051359 A1 [0002]
- DE 102010035727 A1 [0006, 0019]
- DE 102007035056 A1 [0008, 0020]
