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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Verdichtereinheit für eine Brennstoffzelle, ein entsprechendes Verfahren und auf eine Brennstoffzelleneinheit.
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Brennstoffzellen werden insbesondere in Kraftfahrzeugen eingesetzt, um aus einem oxidationsfähigen Gas, wie bspw. Wasserstoff, Strom zu gewinnen. Dabei wird für die Oxidation ein ständiger Strom an Frischluft benötigt, der über ein Gebläse erzeugt wird. Konkret kommen dafür häufig elektrisch angetriebene Verdichter (meist Radialverdichter) zum Einsatz, die häufig zusätzlich über eine Turbine verfügen. Die Turbine wird mit dem aus der Brennstoffzelle abfließenden Massenstrom der Luft, nämlich dem Abgas, angetrieben. Für den Brennstoffzellenbetrieb über einen weiten Massenstrombereich ergibt sich hieraus das Problem, dass der Verdichterbetriebspunkt gerade bei kleinen Massenströmen durch die Pumpgrenze limitiert ist. Um kleinere Massenströme erreichen zu können, wird beim Stand der Technik der überschüssige Teil des Verdichtermassenstroms nach Verdichter abgeblasen, was zu einer starken Reduktion des Wirkungsgrads führt.
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Entsprechend ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Verdichtereinheit bereitzustellen, die über einen hohen Bereich unterschiedlicher Leistung der Brennstoffzelle, also entsprechend unterschiedlichen Mengen von zuzuführender Frischluft, einen verbesserten Leistungsgrad der Verdichtung aufweist. Zudem soll die Leistung der Brennstoffzelle dabei im bevorzugten Betriebspunkt betrieben werden. Diese Aufgabe wird mit den Mitteln der unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Eine Verdichtereinheit zur Luftversorgung einer Brennstoffzelle, die mit der Verdichtereinheit verbindbar ist, umfasst einen Verdichter zur Verdichtung von der Brennstoffzelle zuzuführender Luft. Eine mit dem Verdichter rotativ gekoppelte Turbine ist durch einen Abgasstrom der Brennstoffzelle antreibbar, und ein Bypass ist vorgesehen, zum Leiten von durch den Verdichter verdichteter Luft an die Turbine unter Umgehung der Brennstoffzelle. In den Bypass oder die Zuleitung in den Bypass ist bevorzugt ein steuerbares Ventil integriert. Das steuerbare Ventil kann den Bypass öffnen und schließen und/oder Zwischenstellungen einstellen. Alternativ zu diesem Ventil kann im Strömungskanal, der vom Verdichter zur Brennstoffzelle eine Abzweigung vorgesehen sein, die steuerbar einen Bypassstrom abzweigt. Da als Verdichter bevorzugt Radialverdichter eingesetzt werden, ergibt sich das Problem, dass diese Verdichter einen minimalen Volumendurchsatz benötigen. Diese Untergrenze wird auch als Pumpgrenzlimitierung bezeichnet. Unterhalb dieses Volumendurchsatzes lässt sich ein benötigter Druck der Verdichtung nicht aufbauen. So wird herkömmlich ein zu großer Luftmassenstrom erzeugt und überschüssige Teile abgeblasen, was nunmehr nicht mehr nötig ist, da überschüssige Luft an der Brennstoffzelle vorbei (in Form eines Bypasses), direkt der Turbine zugeführt wird. Dadurch kann die darin enthaltene Energie zumindest zu einem Teil zurückgewonnen und so der Wirkungsgradnachteil signifikant reduziert werden. Gleichzeitig ergeben sich auch für den Turbinenbetrieb zwei zusätzliche Vorteile, die zu einer weiteren Wirkungsgradsteigerung des Gesamtsystems führen. Zum einen führt nämlich der erhöhte Massenstrom zu einer deutlichen Wirkungsgradsteigerung des Turbinenbetriebspunkts und zum anderen ist der gebypasste Massenstrom aus dem Verdichter heißer als die Luft nach der Brennstoffzelle, was zu einer Erhöhung der zur Verfügung stehenden Energie führt. Die Erfindung verbessert den Systemwirkungsgrad dadurch, dass ein Teil der Energie im überschüssigen Massenstrom zurückgewonnen werden kann. Es ergibt sich eine Verbesserung des Systemwirkungsgrads einer Brennstoffzellenluftversorgung durch den Verdichterbetrieb bei einem eigentlich zu hohem Massenstrom, der durch Pumpgrenzlimitierung bestimmt ist, einer Bypass-Leitung des überschüssigen Luftmassenstroms an der Brennstoffzelle vorbei und der Nutzung, der darin enthaltenen Energie in der Turbine und dadurch wird eine Reduzierung der erforderlichen elektrischen Antriebsleistung erreicht. Ferner kann durch eine Regelung der Ventilöffnung der Druck innerhalb der Brennstoffzelle auf einen optimalen Wert bzw. Betriebspunkt eingestellt werden.
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Vorteilhaft ist, wenn der Durchflussquerschnitt vom Bypass dafür ausgelegt ist, mindestens 30% und insbesondere mindestens 40% der durch den Verdichter verdichtbaren Luft parallel zur Brennstoffzelle zu leiten. Dies bedeutet, dass ein nennenswerter Anteil, an der Brennstoffzelle vorbei unmittelbar der Turbine zugeleitet werden kann. In einer oberen Abgrenzung kann unabhängig davon der Bypass dafür ausgelegt sein, maximal 95% und insbesondere maximal 80% der durch den Verdichter verdichtbaren Luft parallel zur Brennstoffzelle zu leiten. Ein größerer Teil der Leitung parallel zur Brennstoffzelle wird nicht benötigt, da in den Fällen, dass die Brennstoffzelle weniger Luft benötigt, auch die Leistung des Verdichters reduziert werden kann.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann die Turbine als eine VTG-Turbine eingerichtet sein, die Schaufelstellung zu verändern. Die Verdichtereinheit umfasst dann eine Steuerung, die eingerichtet ist, in Abhängigkeit vom Leistungsabruf der angeschlossenen Brennstoffzelle oder einer Änderung des Leistungsabrufs der angeschlossenen Brennstoffzelle in einer gemeinsamen Steuerung und/oder Regelung sowohl die Schaufelstellung wie auch die Öffnung des Ventils des Bypasses einzustellen. Die Steuerung kann auch die Leistung des Motors, der den Verdichter antreibt, in einer kombinierten Regelung bestimmen. Bevorzugte Regelungen bzw. Steuerungen werden nachfolgend beschrieben.
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Bevorzugt kann die Steuerung eingerichtet sein, bei einem Lastwechsel von einer höheren Leistung auf eine niedrigere Leistung, die Durchlassöffnung des Ventils des Bypasses zu erhöhen und die Schaufelstellung so zu verändern, dass Druckschwankungen des in der Turbine erzeugten Gegendrucks reduziert werden. Bei einer niedrigeren Leistung wird nämlich ein niedrigerer Luftdurchsatz durch die Brennstoffzelle benötigt, was durch die genannte Öffnung des Ventils ermöglicht wird. Dabei könnte es sich aber ergeben, dass der Druck in der Brennstoffzelle abfällt. Dies ist negativ, da hierdurch der Wirkungsgrad der Umsetzung reduziert wird. Dies kann durch eine Veränderung der Schaufelstellung der VTG-Turbine (Variable Turbinen Geometrie) dahingehend kompensiert werden, dass sich vor der VTG-Turbine ein Druck aufbaut. Vorteilhaft ist dabei ferner, dass sich bei dieser Schaufelstellung das von der Turbine erzeugte Drehmoment erhöht, was seinerseits eine Reduzierung der vom Motor bereitzustellenden Leistung bewirkt.
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Alternativ oder zusätzlich kann die Steuerung eingerichtet sein, bei einem Start des Abrufs von Energie von der angeschlossenen Brennstoffzelle und dem Start der Verdichtereinheit, zunächst die Durchlassöffnung des Ventils des Bypasses entweder zu schließen oder die Durchlassmenge des Bypasses auf weniger als 20% einer mittleren Durchlassmenge bei stetigem Betrieb der angeschlossenen Brennstoffzelle zu begrenzen und die Schaufelstellung der Turbine so zu verändern, dass sich in der angeschlossenen Brennstoffzelle ein notwendiger Betriebsdruck der zugeführten Luft aufbaut. Auf diese Weise kann die Brennstoffzelle beim Betriebsstart ihre Nennleistung schneller erreichen.
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Alternativ oder zusätzlich kann die Steuerung eingerichtet sein, bei einem Start des Abrufs von Energie von der angeschlossenen Brennstoffzelle und dem Start der Verdichtereinheit, zunächst die Durchlassöffnung des Ventils des Bypasses entweder zu komplett zu schließen oder die Durchlassmenge des Bypasses auf weniger als 20% einer mittleren Durchlassmenge bei stetigem Betrieb der angeschlossenen Brennstoffzelle zu begrenzen und die Schaufelstellung der Turbine so zu verändern, dass das in der Turbine erzeugte Drehmoment maximiert ist. Bei dieser Optimierung wird die durch den Motor bereitzustellende Leistung reduziert.
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Bevorzugt kann ferner sein, wenn stromabwärts vom Verdichter ein Ladeluftkühler angeordnet ist, um die der Brennstoffzelle zuzuführende Luft zu kühlen und eine Abzweigung für die dem Bypass zuzuführenden Luft zwischen dem Verdichter und dem Ladeluftkühler angeordnet ist. Hinter dem Verdichter der Brennstoffzellenluftversorgung wird also über eine Abzweigung bzw. einen Bypass ein über ein Ventil regelbarer Massenstrom an der Brennstoffzelle vorbeigeführt und hinter der Brennstoffzelle vor der Turbine wieder mit dem Brennstoffzellenabluft zusammengeführt. Die Abzweigung hinter dem Verdichter sollte möglichst vor dem Ladeluftkühler angeordnet sein, um die Temperatur der verdichteten Luft zu erhalten.
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In einem Verfahren zum Betrieb einer Verdichtereinheit, die mit einer Brennstoffzelle verbunden ist, komprimiert ein Verdichter Frischluft und führt sie der Brennstoffzelle zu und Abgas der Brennsstoffzelle wird einer Turbine zum zumindest anteilsweisen Antrieb des Verdichters zugeführt und bei niedrigen Verbrauchslasten der Brennstoffzelle wird ein Bypassstrom von komprimierter Frischluft vom Verdichter zur Turbine geleitet, wobei der Bypassstrom die Brennstoffzelle umgeht. Bevorzugt kann insbesondere bei hohen Lasten die gesamte komprimierte Frischluft der Brennstoffzelle zugeführt werden.
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Eine Brennstoffzelleneinheit kann eine entsprechende Verdichtereinheit und eine Brennstoffzelle umfassen.
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Nachfolgend wird die Erfindung mit der Figur anhand von bevorzugten Ausführungsformen beispielhaft beschrieben. Die Figur zeigt eine Verdichtereinheit 10, die einen Verdichter 20 und eine Turbine 30 umfasst. Diese Komponenten sind (über eine Achse drehsteif) miteinander gekoppelt. Ebenfalls ist ein Motor 60 mit dieser Achse gekoppelt und wird dabei über eine Ansteuerung 62 mit Energie versorgt. Der Verdichter 20 ist also motorisch antreibbar. Über eine Versorgung, die durch den eingehenden Pfeil symbolisch gezeigt ist, wird der Verdichter 20 mit Frischluft versorgt und bei dem Betrieb des Verdichters 20 wird bei einem Auslass die verdichtete Frischluft ausgegeben. Stromabseits vom Verdichter 20 ist eine Abzweigung 23 angeordnet, durch die der Frischluftstrom in zwei Teilströme teilbar ist. Der eine Teilstrom wird zu einer an der Verdichtereinheit 10 angeschlossenen Brennstoffzelle 50 geleitet. Ein Ausgang der Brennstoffzelle 50 für das in der Brennstoffzelle 50 reduzierte Gas, bzw. Abgas wird als Abgasstrom in die Verdichtereinheit 10 (zurück-) geleitet und dort mit dem Bypass 40 verbunden. In anderen Worten: Der Bypass 40 ist parallel zur angeschlossenen Brennstoffzelle 50 geschaltet. Der in die Verdichtereinheit 10 geleitete Abgasstrom wird ggf. verbunden mit einem Luftstrom des Bypasses 40 zu der Turbine 30 geleitet und treibt den Verdichter 20 an. So werden die Enthalpie und die kinetische Energie des Abgasstroms und des Bypassstroms genutzt, um im Verdichter 20 (Frisch-)Luft zu verdichten. Bei der Zuführung von verdichteter Luft lässt sich ein höherer Wirkungsgrad der Brennstoffzelle 50 erreichen, als bei unverdichteter Luft.
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Bevorzugt wird als Verdichter 20 ein Radialverdichter eingesetzt, der rotierende Schaufeln und bevorzugt auch stationäre Schaufeln aufweist. Ein derartiger Verdichter hat eine Pumpgrenzlimitierung bei kleinen Massenströmen. Das bedeutet, dass ein minimaler Massenstrom benötigt wird, um die gewünschte Verdichtung zu erzielen. Da z.B. wegen der baulichen Bedingungen aber nur ein begrenzter Volumenstrom durch die Brennstoffzelle 50 geleitet werden kann, wird bei bekannten Bauformen ein Teil der komprimierten Luft abgeblasen. Dies reduziert den Wirkungsgrad der Verdichtereinheit 10. Bei der vorliegenden Ausführungsform wird stattdessen diese nicht benötigte komprimierte Luft durch den Bypass 40 parallel zur Brennstoffzelle 50 der Turbine 30 zugeleitet und die in der Luft vorhandenen Enthalpie wird über die Turbine 30 in rotative Energie umgewandelt und so zum Antrieb des Verdichters 20 genutzt. Entsprechend muss der Motor 60 weniger Leistung liefern.
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Zur Steuerung des Bypassstroms ist im Bypass ein Ventil 45 angeordnet und wird durch ein eine Steuerleitung 42 gesteuert. Gleichwertig, bzw. äquivalent ist, wenn der vom Verdichter 20 ausgehende Strom entlang einer Abzweigung 23 geleitet wird, die steuerbar einen Teil des Volumenstroms abzweigt. In einem Verfahren des Betriebs der Verdichtereinheit 10 wird abhängig von der benötigten Leistung das Ventil 45 geöffnet oder geschlossen oder auf Zwischenstellungen gebracht. Bei Betriebszuständen, bei denen eine maximale Leistungsabgabe von der Brennstoffzelle 50 benötigt wird, wird das Ventil 45 geschlossen, so dass der gesamte vom Verdichter 20 bereitgestellte Volumenstrom zur Brennstoffzelle 50 geleitet wird. Bei einer Teillast kann das Ventil weiter geöffnet werden. Bevorzugt wird dafür ein Regelkreis eingesetzt. Als eine Regelgröße kann der in der Brennstoffzelle 50 vorhandene Druck zum Einsatz kommen, der über zumindest einen Drucksensor (in der Figur nicht gezeigt) aufgenommen wird. Die zugehörige Stellgröße ist die Öffnung des Ventils 45. Wenn der Druck in der Brennstoffzelle 50 ein vorgegebenes Optimum, dass leistungsabhängig sein kann, übersteigt, wird die Öffnung des Ventils 45 vergrößert und hierdurch wird der Druck reduziert. Bei einem Absinken des Drucks kann das Ventil 45 geschlossen oder zumindest dessen Ventilöffnung reduziert werden.
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In einer Variante der Erfindung ist die Turbine 30 eine VTG-Turbine. VTG-Turbinen weisen ein „Variable Turbinen Geometrie“ auf, was bedeutet, dass z.B. der Winkel der Schaufelstellungen, bevorzugt am Rotor, während des Betriebs verändert werden kann. Dadurch kann der vor der Turbine 30 vorhandene Staudruck eingestellt werden, wie auch das von der Turbine 30 abgegebene Drehmoment. In einer kombinierten Regelung von zumindest zwei Stellgrößen der folgenden drei Stellgrößen, nämlich der Stellung der VTG-Turbine, der Öffnung des Ventils 45 und das durch den Motor 60 abgegebene Drehmoment kann ein Optimum der Zufuhr von Frischluft bei einem geringen Energieverbrauch der Verdichtung realisiert werden. Beispiele für geeignete Regelungen wurden bereits vorstehend genannt.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Verdichtereinheit
- 20
- Verdichter
- 23
- Abzweigung
- 30
- Turbine
- 40
- Bypass
- 42
- Steuerleitung
- 45
- Ventil
- 50
- Brennstoffzelle
- 60
- Motor
- 62
- Ansteuerung
- 70
- Ladeluftkühler
