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Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem mit einer Turbomaschine. Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Verfahren zum Betreiben eines derartigen Bren nstoffzellensystems.
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Stand der Technik
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Aus der deutschen Offenlegungsschrift
DE 10 2017 212 815 A1 ist ein Brennstoffzellensystem mit einer Brennstoffzelle, mit einer Luftzuführungsleitung zum Zuführen eines Oxidationsmittels in der Brennstoffzelle und einer Abgasleitung zum Abführen des Oxidationsmittels aus der Brennstoffzelle bekannt, wobei das Brennstoffzellensystem eine Turbomaschine aufweist, wobei das Laufrad als Verdichter ausgeführt ist, wobei der Verdichter in der Luftzuführungsleitung angeordnet ist, wobei das Brennstoffzellensystem eine Abgasturbine mit einem weiteren Laufrad aufweist, wobei das weitere Laufrad auf der Welle angeordnet ist, wobei die Abgasturbine in der Abgasleitung angeordnet ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Brennstoffzellensystem mit einer Turbomaschine funktionell zu verbessern.
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Die Aufgabe ist bei einem Brennstoffzellensystem mit einer Turbomaschine dadurch gelöst, dass die Turbomaschine in dem Brennstoffzellensystem mit einer elektromotorisch angetriebenen Fluidenergiemaschine kombiniert ist. In einem Brennstoffzellensystem wird die für die Wasserstoff-Sauerstoff-Reaktion erforderliche Luft über einen elektrisch angetriebenen Luftförderer, zum Beispiel ein Gebläse oder einen Kompressor, in einen Brennstoffzellenstack gefördert. Die zu fördernde Luftmenge variiert mit der abgerufenen elektrischen Leistung. Je nach Art und Auslegung des Brennstoffzellensystems muss der Luftförderer nicht nur den zur Überwindung des Strömungswiderstands erforderlichen Druck aufbauen, sondern es ist gegebenenfalls für den Betrieb des Brennstoffzellensystems ein höherer Betriebsdruck erforderlich. Der Grund für die höheren Drücke kann in der hohen abgerufenen Leistung, aber auch in einem Feuchtemanagement der Brennstoffzelle liegen. Mit der Turbomaschine, die auch als Abgasturbolader bezeichnet werden kann, kann am Ausgang des Brennstoffzellenstacks ein noch vorhandener Restdruck mittels einer Abgasturbine wiedergewonnen werden. Allerdings reicht die Abgasenergie bei einer Brennstoffzelle in der Regel allein nicht aus, um die im Betrieb des Brennstoffzellensystems benötigte Verdichterarbeit zu leisten. Zu diesem Zweck kann der Abgasturbolader in der Turbomaschine mit einem elektrischen Antrieb kombiniert werden. Bei einer derartigen Turbomaschine kann zum Beispiel ein Verdichterrad, ein Elektromotor und ein Turbinenrad, das auch als Abgas-Expanderrad bezeichnet wird, auf einer gemeinsamen Welle angeordnet werden. Im Unterschied dazu wird in dem beanspruchten Brennstoffzellensystem eine elektromotorisch angetriebene Fluidenergiemaschine mit einem nicht elektrisch angetriebenen Abgasturbolader kombiniert. Die elektromotorisch angetriebene Fluidenergiemaschine ist vorteilhaft so ausgeführt und angeordnet, dass sie auch bei niedrigen Leistungen der Brennstoffzelle energieeffizient auch kleine Luftmassenströme bereitstellt. Bei der elektromotorisch angetriebenen Fluidenergiemaschine handelt es sich zum Beispiel um einen elektrisch angetriebenen Verdichter oder um ein elektrisch angetriebenes Gebläse. Für im Betrieb des Brennstoffzellensystems benötigte hohe Druckverhältnisse wird die elektromotorisch angetriebene Fluidenergiemaschine vorteilhaft in Kombination mit dem Abgasturbolader verwendet. So kann das Brennstoffzellensystem auch bei höheren Drücken geräuscharm und gleichzeitig energieeffizient betrieben werden.
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Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Brennstoffzellensystems ist dadurch gekennzeichnet, dass die Turbomaschine in dem Brennstoffzellensystem zwischen dem elektromotorisch angetriebenen Verdichter und einem Brennstoffzellenstack angeordnet ist. Der elektromotorisch angetriebene Verdichter ist der Turbomaschine in einem Luftzuführpfad vorgeschaltet. Durch die Kombination des elektromotorisch angetriebenen Verdichters mit der als reiner Abgasturbolader ausgeführten Turbomaschine kann besonders vorteilhaft ein ansonsten gegebenenfalls erforderlicher Bypasspfad, der parallel zu dem Brennstoffzellenstack geschaltet ist, entfallen. Dadurch können die Herstellkosten für das Brennstoffzellensystem reduziert werden.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Brennstoffzellensystems ist dadurch gekennzeichnet, dass die elektromotorisch angetriebene Fluidenergiemaschine als Rotationskolbenmaschine ausgeführt ist. So kann bei niedrigen Luftmassenströmen die hohe Effizienz der Rotationskolbenmaschine genutzt werden. Bei hohen Druckverhältnissen kommen die Effizienzvorteile der Turbomaschine, die als reiner Abgasturbolader ausgeführt ist, zum Tragen. Die hohe Effizienz der Rotationskolbenmaschine ergibt sich unter anderem aus einer sehr guten Teillastfähigkeit bis hin zu kleinsten Massenströmen. Die Rotationskolbenmaschine ist insbesondere als Drehkolbenverdichter ausgeführt.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Brennstoffzellensystems ist dadurch gekennzeichnet, dass der elektromotorisch angetriebene Verdichter als Rootsgebläse ausgeführt ist. So kann bei niedrigen Luftmassenströmen die hohe Effizienz des Rootsgebläses genutzt werden. Bei hohen Druckverhältnissen kommen die Effizienzvorteile der Turbomaschine, die als reiner Abgasturbolader ausgeführt ist, zum Tragen. Die hohe Effizienz des Rootsgebläses oder Rootsverdichters ergibt sich unter anderem aus einer sehr guten Teillastfähigkeit bis hin zu kleinsten Massenströmen.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Brennstoffzellensystems ist dadurch gekennzeichnet, dass die Turbomaschine zum Verdichten eines Gases, mindestens ein Verdichterrad, durch welches Gas verdichtet wird, das in dem Brennstoffzellensystem einer Brennstoffzelle zugeführt wird, und mindestens ein Turbinenrad umfasst, über welches aus der Brennstoffzelle abgeführtes Gas entspannt wird. Je nach Ausführung kann die Turbomaschine mehr als ein Verdichterrad und mehr als ein Turbinenrad umfassen. Die Turbomaschine ist vorteilhaft so ausgelegt, dass die zugeführte Luft bei hohen Druckverhältnissen nur oder hauptsächlich durch das mindestens eine Verdichterrad verdichtet wird. Je nach Ausführung und Anordnung des elektromotorisch angetriebenen Verdichters, welcher der Turbomaschine vorgeschaltet ist, kann die Luft auch, gegebenenfalls unter Umgehung des elektromotorisch angetriebenen Verdichters, direkt der Turbomaschine zugeführt werden.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Brennstoffzellensystems ist dadurch gekennzeichnet, dass das Verdichterrad der Turbomaschine antriebsmäßig nur mit dem Turbinenrad der Turbomaschine verbunden ist. Es handelt sich hier also um einen reinen Abgasturbolader. Die Turbomaschine umfasst keinen elektromotorischen Antrieb.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Brennstoffzellensystems ist dadurch gekennzeichnet, dass dem Verdichterrad und/oder dem Turbinenrad jeweils ein/ein Bypass zugeordnet ist. Sowohl das Verdichterrad als auch das Turbinenrad der Turbomaschine, insbesondere das Expanderrad des Abgasturboladers, können jeweils optional durch einen Bypass umgangen werden. Die Bypässe können durch ein entsprechendes Gasventil, insbesondere ein Luftventil, zum Beispiel eine Drosselklappe gesteuert werden. So kann die Turbomaschine, insbesondere der Abgasturbolader, umgangen werden, wenn er nicht benötigt wird. Dadurch kann die Effizienz im Betrieb des Brennstoffzellensystems erhöht werden.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Brennstoffzellensystems ist durch mindestens eine Gaskonditioniereinheit gekennzeichnet. Bei der Gaskonditioniereinheit handelt es sich insbesondere um eine Luftkonditioniereinheit. Die Gaskonditioniereinheit, insbesondere Luftkonditioniereinheit, kann zwischen der elektromotorisch angetriebenen Fluidenergiemaschine und der Turbomaschine, insbesondere dem Abgasturbolader, oder zwischen dem Abgasturbolader beziehungsweise der Turbomaschine und der Brennstoffzelleneinheit angeordnet sein. Je nach Ausführung kann auch an beiden Positionen eine Gaskonditioniereinheit, insbesondere Luftkonditioniereinheit, angeordnet sein. Bei der Luftkonditioniereinheit handelt es sich zum Beispiel um einen Ladeluftkühler zur Kühlung oder um einen Befeuchter zur Befeuchtung. Die Luftkonditioniereinheiten haben die Aufgabe, Temperatur und Feuchte der zugeführten Luft besser an die Erfordernisse der Brennstoffzelleneinheit anzupassen.
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Die oben angegebene Aufgabe ist alternativ oder zusätzlich auch durch ein Verfahren zum Betreiben eines vorab beschriebenen Brennstoffzellensystems gelöst. Mit dem elektromotorisch angetriebenen Verdichter oder dem Gebläse werden im Betrieb des Brennstoffzellensystems vorteilhaft niedrige Gasmassenströme bei niedrigen bis mittleren Drücken bereitgestellt. Im Gegensatz dazu werden in Kombination mit der Turbomaschine im Betrieb des Brennstoffzellensystems vorteilhaft hohe Massenströme bei hohen Druckverhältnissen bereitgestellt. Bei einer Serienschaltung von einem Rootsgebläse und einer Turbomaschine, insbesondere einem Abgasturbolader, sind die Gasmassenströme im Betrieb immer gleich. Bei kleinen Luftsystemmassenströmen wird der Großteil der Verdichterarbeit im Rootsgebläse geleistet. Bei hohen Massenströmen und Systemdrücken wird der Großteil der Verdichterarbeit von der Turbomaschine, insbesondere vom Abgasturbolader, geleistet. So kann ein Kennfeld, in welchem die bereitgestellten Druckverhältnisse über einem Luftmassenstrom aufgetragen sind, besonders effektiv ausgenutzt werden. Dadurch kann der Wirkungsgrad des Brennstoffzellensystems wirksam erhöht werden.
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Die Erfindung betrifft gegebenenfalls auch ein Computerprogrammprodukt mit einem Computerprogramm, das Softwaremittel zum Durchführen eines vorab beschriebenen Verfahrens aufweist, wenn das Computerprogramm auf einem Computer ausgeführt wird. Der Computer ist zum Beispiel ein Steuergerät des beschriebenen Brennstoffzellensystems.
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Die Erfindung betrifft des Weiteren einen Verdichter und/oder eine Turbomaschine, insbesondere ein Verdichterrad und/oder ein Turbinenrad, für ein vorab beschriebenes Brennstoffzellensystem. Die genannten Teile sind separat handelbar.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnung verschiedene Ausführungsbeispiele im Einzelnen beschrieben sind.
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Figurenliste
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- Die 1 bis 3 zeigen schematische Darstellungen eines Brennstoffzellensystems mit einer Turbomaschine, der eine elektromotorisch angetriebene Fluidenergiemaschine vorgeschaltet ist, gemäß drei verschiedenen Ausführungsbeispielen.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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In den
1 bis
3 ist ein Brennstoffzellensystem
1 schematisch dargestellt. Das Brennstoffzellensystem
1 umfasst einen Brennstoffzellenstack
2 mit mindestens einer Brennstoffzelle
3. Ein derartiges Brennstoffzellensystem ist an sich bekannt, zum Beispiel aus der deutschen Offenlegungsschrift
DE 10 2012 224 052 A1 .
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Durch einen Pfeil 4 ist in den 1 bis 3 ein Luftmassenstrom angedeutet, der über einen Luftfilter 7 einer elektromotorisch angetriebenen Fluidenergiemaschine 20 zugeführt wird. Der gefilterte Luftmassenstrom, der durch einen Pfeil 8 angedeutet ist, wird einem Verdichter oder Gebläse 5 zugeführt, der auch als Luftverdichter 5 bezeichnet wird. Durch den elektromotorisch angetriebenen Luftverdichter 5 wird der gefilterte Luftmassenstrom 8 verdichtet.
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Durch einen Pfeil 9 ist ein durch den elektromotorisch angetriebenen Verdichter 5 verdichteter Luftmassenstrom angedeutet. Der einmal verdichtete Luftmassenstrom 9 wird einer Turbomaschine 10 zugeführt. Durch die Turbomaschine 10 wird der einmal verdichtete Luftmassenstrom 9 ein zweites Mal verdichtet. Der zweimal verdichtete Luftmassenstrom ist in den 1 bis 3 durch einen Pfeil 11 angedeutet. Der zweimal verdichtete Luftmassenstrom 11 wird der Brennstoffzelle 3 zugeführt.
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Durch einen Pfeil 12 ist ein Abgasmassenstrom der Brennstoffzelle 2 angedeutet. Der Abgasmassenstrom 12 wird über ein Turbinenrad 13 der Turbomaschine 10 entspannt. Der entspannte Abgasmassenstrom ist in den 1 bis 3 durch einen Pfeil 14 angedeutet.
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Die Turbomaschine 10 ist als reiner Abgasturboverdichter oder Abgasturbolader ausgeführt. Das Turbinenrad 13 des Abgasturboladers 10 ist durch eine Welle18 antriebsmäßig mit einem Verdichterrad 17 verbunden. Über die Welle 18 wird das Verdichterrad 17 in der Turbomaschine 10 im Betrieb des Brennstoffzellensystems 1 durch das Turbinenrad 13 angetrieben.
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Der elektrisch angetriebene Luftverdichter 5 ist als Rotationskolbenmaschine 19, zum Beispiel als Rootsgebläse, ausgeführt. Zum Antrieb der Rotationskolbenmaschine 19 dient ein Elektromotor 15, dem ein Inverter 16 zugeordnet ist. Der Elektromotor 15 ist über eine Antriebswelle 6 antriebsmäßig mit dem Kolbenverdichter 19 oder Rootsverdichter verbunden.
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Die Brennstoffzelle 3 ist eine galvanische Zelle, die chemische Reaktionsenergie eines zugeführten Brennstoffs und eines Oxidationsmittels in elektrische Energie wandelt. Das Oxidationsmittel ist die Luft, die über den elektromotorisch angetriebenen Luftverdichter 5 und die Turbomaschine 10 zweimal verdichtet wird. In der Regel muss die Luft vor dem Eintritt in die Kathode noch temperiert werden, zum Beispiel durch einen Zwischenkühler, der auch als Intercooler bezeichnet wird. Die Luft muss gegebenenfalls auch noch befeuchtet werden. Der Brennstoff kann vorzugsweise Wasserstoff oder Methan oder Methanol sein. Entsprechend entsteht als Abgas Wasserdampf und je nach verwendetem Kraftstoff Kohlendioxid.
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In 2 sind durch Rechtecke Gaskonditioniereinheiten, insbesondere Luftkonditioniereinheiten 21, 22, angedeutet. Die Luftkonditioniereinheit 21 ist zwischen der Rotationskolbenmaschine 19 und dem Verdichterrad 17 angeordnet. Die Luftkonditioniereinheit 22 ist zwischen dem Verdichterrad 17 und dem Brennstoffzellenstack 2 angeordnet. Durch die Luftkonditioniereinheit 21, 22 kann die der Brennstoffzelle 3 zugeführte Luft konditioniert werden. Dabei kann es sich sowohl um Ladeluftkühler zur Kühlung als auch um Befeuchter zur Befeuchtung handeln.
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In 3 ist dargestellt, dass das Brennstoffzellensystem 1 auch einen Bypass 31 oder 32 oder auch zwei Bypässe 31 und 32 umfassen kann. Der Bypass 31 ist dem Verdichterrad 17 zugeordnet. Der Bypass 32 ist dem Turbinenrad 13 zugeordnet. Mit den Bypässen 31 und 32 kann die auch als Abgasturbolader bezeichnete Turbomaschine 10 sowohl auf der Verdichterseite als auch auf der Expanderseite umgangen werden, wenn der Abgasturbolader beziehungsweise die Turbomaschine 10 gerade nicht benötigt wird. Zu diesem Zweck ist in den Bypässen 31, 32 vorteilhaft jeweils ein Luftventil, zum Beispiel eine Drosselklappe, angeordnet.
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Der elektromotorisch angetriebene Luftverdichter 5 dient dazu, bei niedrigen Leistungen der Brennstoffzelle 3 energieeffizient auch kleine Luftmassenströme bereitzustellen. Dadurch kann der Wirkungsgrad des Gesamtsystems erhöht werden. Große Luftmassenströme in Verbindung mit großen Druckverhältnissen werden im Betrieb des Brennstoffzellensystems 1 ebenfalls energieeffizient durch die Kombination aus Luftverdichter und der als Abgasturbolader ausgeführten Turbomaschine 10 zugeführt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102017212815 A1 [0002]
- DE 102012224052 A1 [0016]
