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Die Erfindung betrifft ein Verfahre zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Brennstoffzellensystem, das zur Durchführung des Verfahrens geeignet bzw. nach dem Verfahren betreibbar ist.
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Stand der Technik
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Brennstoffzellensysteme benötigen Sauerstoff, um mit Hilfe mindestens einer Brennstoffzelle einen Brennstoff, wie beispielsweise Wasserstoff, in elektrische Energie, Wärme und Wasser zu wandeln. Als Sauerstoffquelle dient üblicherweise Umgebungsluft, die der Brennstoffzelle über einen Zuluftpfad zugeführt wird. Da der Prozess in der Brennstoffzelle einen gewissen Luftmassenstrom sowie ein gewisses Druckniveau erfordert, wird die der Brennstoffzelle zugeführte Luft mit Hilfe eines in den Zuluftpfad integrierten Luftverdichtungssystems vorab verdichtet. Als Luftverdichtungssystem werden in der Regel hochdrehende Strömungsmaschinen mit mindestens einem auf einer Welle angeordneten Verdichterrad eingesetzt, das elektromotorisch angetrieben wird. Zur Energierückgewinnung kann auf der Welle ein Turbinenrad angeordnet sein, dem aus der Brennstoffzelle austretende feuchte Abluft zugeführt wird. Darüber hinaus gelangen Luftverdichtungssysteme zum Einsatz, die mehrflutig und/oder mehrstufig aufgebaut sind, das heißt mehr als nur ein Verdichterrad und/oder mehr als nur eine Welle aufweisen.
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Während bei Hochlast des Brennstoffzellensystems ein höherer Druck von Vorteil ist, steht bei Niedriglast eine gleichmäßige Verteilung der Luft im Vordergrund. Um dies zu erreichen, kann das System mit einem Sauerstoffüberschuss gefahren werden, beispielsweise mit einem Lambda > 5. Dies kann jedoch zu einem Austrocknen der Membran der Brennstoffzelle führen, so dass sich der Wirkungsgrad des Systems verringert. In der Regel werden daher Maßnahmen getroffen, die ein Austrocknen der Membran verhindern. Beispielsweise kann die Luft vor Eintritt in die Brennstoffzelle einer Befeuchtungseinrichtung zugeführt werden, um sie auf eine geforderte Sollfeuchte zu bringen. Die Befeuchtungseinrichtung erfordert jedoch zusätzlichen Bauraumbedarf, der insbesondere in mobilen Anwendungen knapp ist.
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Die vorliegende Erfindung ist daher mit der Aufgabe befasst, eine alternative Lösung zum Befeuchten der Zuluft in einem Brennstoffzellensystem anzugeben, dass einfach und bauraumschonend umsetzbar sowie effizient betreibbar ist.
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Zur Lösung der Aufgabe werden das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie das Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Anspruchs 6 angegeben. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den jeweiligen Unteransprüchen zu entnehmen.
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Offenbarung der Erfindung
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Bei dem vorgeschlagenen Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems wird Luft mit Hilfe eines mehrstufigen Luftverdichtungssystems verdichtet und über einen Zuluftpfad mindestens einer Brennstoffzelle zugeführt. Bei dem Verfahren wird ferner aus der Brennstoffzelle austretende Abluft über einen Abluftpfad abgeführt. Erfindungsgemäß wird lastabhängig, insbesondere bei Niedriglast, durch Schalten eines Ventils eine Verbindung des Abluftpfads mit dem Zuluftpfad stromabwärts einer ersten Stufe und stromaufwärts einer zweiten Stufe des Luftverdichtungssystems hergestellt und zumindest ein Teilmassenstrom der Abluft wird zur Rezirkulation aus dem Abluftpfad in den Zuluftpfad abgezweigt.
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Mit Hilfe der rezirkulierten feuchten Abluft kann die Zuluft im Zuluftpfad befeuchtet werden, so dass die Gefahr eines Austrocknens der Membran der Brennstoffzelle gemindert ist. Auf eine zusätzliche Befeuchtungseinrichtung kann ggf. verzichtet werden, so dass der Bauraumbedarf des Brennstoffzellensystems verringert wird. Sofern eine Befeuchtungseinrichtung vorgesehen ist, kann diese kleiner dimensioniert und/oder einfacher gestaltet werden.
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Da die Gefahr eines Austrocknens der Membran insbesondere bei einem Sauerstoffüberschuss, das heißt bei Niedriglast, besteht, wird vorzugsweise nur dann feuchte Abluft aus dem Abluftpfad abgezweigt und rezirkuliert. Der Verdichtungsaufwand ist dabei gering, da lediglich der Druckverlust über die Brennstoffzelle ausgeglichen werden muss. Der abgezweigte Teilmassenstrom wird dann zwischen einer ersten und einer zweiten Stufe des mehrstufigen Luftverdichtungssystems in den Zuluftpfad eingeleitet. Auf diese Weise kann über die feuchte Abluft nicht nur eine Befeuchtung, sondern zugleich eine Zwischenkühlung der Luft erreicht werden. Dies hat zur Folge, dass der Wirkungsgrad des Luftverdichtungssystems gesteigert wird.
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Bei Hochlast kann durch entsprechendes Schalten des Ventils die Verbindung zwischen dem Abluftpfad und dem Zuluftpfad wieder unterbrochen werden, so dass das Luftverdichtungssystem zum mehrstufigen Verdichten der Luft im Zuluftpfad zur Verfügung steht. Auf diese Weise kann bei Hochlast das Druckniveau im Zuluftpfad angehoben werden, so dass der Wirkungsgrad der Brennstoffzelle gesteigert wird.
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Da die Durchführung des vorgeschlagenen Verfahrens lediglich ein einziges Ventil erfordert, ist es einfach und kostengünstig umsetzbar. Vorzugsweise wird zur Durchführung des Verfahrens ein als Schieberventil ausgeführtes Ventil verwendet, das einen hin und her verschiebbaren Kolben aufweist. Über die Lage des Kolbens kann dann der aus dem Abluftpfad abgezweigte Teilmassenstrom variiert werden.
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Des Weiteren bevorzugt werden durch Schalten des Ventils die mehreren Stufen des Luftverdichtungssystems in Reihe oder parallel geschaltet. Bei in Reihe geschalteten Stufen wird keine feuchte Abluft rezirkuliert, sondern lediglich die der Umgebung entnommene Luft über die mehreren Stufen des Luftverdichtungssystems verdichtet. Bei parallel geschalteten Stufen kann eine erste Stufe zur Verdichtung der der Umgebung entnommenen Luft und eine weitere Stufe zur Rezirkulation der feuchten Abluft eingesetzt werden. Die rezirkulierte Abluft wird über die weitere Stufe ebenfalls verdichtet und somit auf das Druckniveau im Zuluftpfad gebracht. Wie bereits erwähnt ist der hierzu erforderliche Verdichtungsaufwand gering, da nur der Druckverlust über die Brennstoffzelle ausgeglichen werden muss.
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Ferner wird vorgeschlagen, dass durch Schalten des Ventils ein Bypasspfad zur Umgehung der mindestens einen Brennstoffzelle freigegeben wird. Auf diese Weise kann das Brennstoffzellensystem noch kompakter gestaltet werden, da ein separater Bypasspfad sowie ein separates Bypassventil entfallen können.
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In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Abluft über den Abluftpfad einer stromabwärts des Ventils in den Abluftpfad integrierten Turbine zugeführt wird. Mit Hilfe der Turbine kann ein Teil der zuvor zum Verdichten eingesetzten Energie zurückgewonnen werden. Ferner wird vorgeschlagen, dass mit Hilfe des Ventils der der Turbine zugeführte Abluftmassenstrom geregelt wird. Dies ist möglich, da die Turbine stromabwärts des Ventils in den Abluftpfad integriert ist, so dass über das Ventil eine Aufteilung des Abluftmassenstroms erreichbar ist.
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Des Weiteren bevorzugt wird die mit Hilfe des Luftverdichtungssystems verdichtete Luft vor dem Eintritt in die Brennstoffzelle, beispielsweise mit Hilfe eines Wärmetauschers, auf eine bestimmte Solltemperatur gebracht. Da sich die Luft beim Verdichten stark erwärmt, kann auf diese Weise eine Kühlung der Luft erzielt werden.
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Das darüber hinaus vorgeschlagene Brennstoffzellensystem umfasst mindestens eine Brennstoffzelle und ein in einen Zuluftpfad integriertes mehrstufiges Luftverdichtungssystem zur Versorgung der Brennstoffzelle mit verdichteter Luft. Ferner umfasst es einen Abluftpfad zum Abführen von aus der Brennstoffzelle austretender Abluft. Das Brennstoffzellensystem zeichnet sich durch ein Ventil aus, mittels dessen eine Verbindung des Abluftpfads mit dem Zuluftpfad stromabwärts einer ersten Stufe und stromaufwärts einer zweiten Stufe des Luftverdichtungssystems herstellbar ist, so dass zumindest ein Teilmassenstrom der Abluft aus dem Abluftpfad in den Zuluftpfad abzweigbar ist.
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Das vorgeschlagene Brennstoffzellensystem ist somit zur Durchführung des zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet bzw. nach diesem Verfahren betreibbar. Das heißt, dass mit dem Brennstoffzellensystem die gleichen Vorteile erzielbar sind. Insbesondere kann aus der Brennstoffzelle austretende feuchte Abluft rezirkuliert und zum Befeuchten der Zuluft genutzt werden. Die Rezirkulation wird über eine Stufe des mehrstufigen Luftverdichtungssystems bewirkt, wobei es sich vorzugsweise nicht um die erste Stufe, sondern eine weitere Stufe handelt. In diesem Fall wird der weiteren Stufe nicht nur feuchte, sondern - im Vergleich zur verdichteten Luft im Zuluftpfad - kühlere Luft bzw. Abluft zugeführt. Somit kann zugleich eine Zwischenkühlung erzielt werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Ventil als Schieberventil mit einem hin und her verschiebbaren Kolben ausgeführt. Über das Ventil kann somit nicht nur eine Verbindung des Abluftpfads mit dem Zuluftpfad hergestellt werden, sondern zugleich der aus dem Abluftpfad abgezweigte Teilmassenstrom variiert werden.
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Der hin und her verschiebbaren Kolben des Ventils weist vorzugsweise mehrere, beispielsweise vier, Steuerkanten auf, die mit mehreren Anschlüssen eines den Kolben aufnehmenden Ventilgehäuses in der Weise zusammenwirken, dass in Abhängigkeit von der axialen Lage des Kolbens die Öffnungsquerschnitte der Anschlüsse variieren. Auf diese Weise kann der aus dem Abluftpfad abgezweigte und rezirkulierte Teilmassenstrom genau eingestellt werden.
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Vorteilhafterweise ist in den Abluftpfad stromabwärts des Ventils eine Turbine integriert. Mit Hilfe der Turbine kann zumindest ein Teil der zum Verdichten eingesetzten Energie zurückgewonnen werden. Ein Turbinenrad der Turbine ist hierzu bevorzugt auf einer gemeinsamen Welle mit einem Verdichterrad einer Stufe des mehrstufigen Luftverdichtungssystems angeordnet, vorzugsweise mit dem Verdichterrad der zweiten Stufe. Denn diese muss in der Regel weniger Verdichtungsleistung erbringen als die erste Stufe, so dass ggf. der Antrieb der zweiten Stufe allein über die Turbine realisierbar ist. Die erste Stufe kann dann mit Hilfe eines Elektromotors angetrieben werden. Alternativ können die Verdichterräder der mehreren Stufen des Luftverdichtungssystems sowie das Turbinenrad der Turbine auf einer gemeinsamen Welle angeordnet werden, so dass mit Hilfe der Turbine ein Elektromotor des Luftverdichtungssystems entlastbar ist.
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Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass in den Zuluftpfad stromabwärts des Luftverdichters Systems ein Wärmetauscher integriert ist. Mit Hilfe des Wärmetauschers kann die verdichtete Luft auf eine Solltemperatur gebracht werden, so dass im Ergebnis der Wirkungsgrad der Brennstoffzelle steigt.
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Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems bei Niedriglast und
- 2 eine schematische Darstellung des Brennstoffzellensystems der 1 bei Hochlast.
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Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
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Das in den 1 und 2 schematisch dargestellte Brennstoffzellensystem 1 umfasst ein mehrstufiges Luftverdichtungssystem 2 zum Verdichten von Luft, die über einen Zuluftpfad 3 einer Brennstoffzelle 4 zugeführt wird. In den Zuluftpfad 3 ist stromabwärts des Luftverdichtungssystems 2 ein Wärmetauscher 8 integriert. Mit Hilfe des Wärmetauschers 8 kann die verdichtete Luft vor dem Eintritt in die Brennstoffzelle 4 auf eine Solltemperatur gebracht werden.
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Aus der Brennstoffzelle 4 austretende Abluft wird über einen Abluftpfad 5 einer Turbine 7 zur Energierückgewinnung zugeführt. Die Turbine 7 weist ein Turbinenrad 11 auf, das auf einer gemeinsamen Welle 10 mit einem Verdichterrad 12.1 einer ersten Stufe 2.1 sowie einem Verdichterrad 12.2 einer zweiten Stufe 2 des mehrstufigen Luftverdichtungssystems 2 angeordnet ist. Die mittels der Turbine 7 zurück gewonnene Energie kann somit zum Antrieb des Luftverdichtungssystems 2 genutzt werden.
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Die zweite Stufe 2.2 des Luftverdichtungssystems 2 kann in Abhängigkeit von der Schaltstellung eines Ventils 6 wahlweise zur Druckerhöhung oder zur Rezirkulation von Abluft aus dem Abluftpfad 5 genutzt werden. Das Ventil 6 wird vorzugsweise lastabhängig geschaltet, um bei Hochlast das Druckniveau und bei Niedriglast durch Rezirkulation von aus der Brennstoffzelle 4 austretender Abluft den Luftmassenstrom im Zuluftpfad 3 anzuheben.
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In der 1 ist das Brennstoffzellensystem 1 bei Niedriglast gezeigt. Ein hin und her verschiebbaren Kolben 9 des Ventils 6 nimmt dabei eine Lage ein, in der die zweite Stufe 2.2 parallel zur ersten Stufe 2.1 geschaltet und über die zweite Stufe 2.2 eine Verbindung des Abluftpfads 5 mit dem Zuluftpfad 3 hergestellt ist. Mit Hilfe des Ventils 6 wird somit ein Teilmassenstrom der Abluft aus dem Abluftpfad 5 abgezweigt und über die zweite Stufe 2.2 des Luftverdichtungssystems 2 in den Zuluftpfad 3 bzw. in den Wärmetauscher 8 eingeleitet. Die über die erste Stufe 2.1 geführte Luft wird demzufolge nur einstufig verdichtet.
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In der 2 ist das Brennstoffzellensystem 1 bei Hochlast gezeigt. Ihr nimmt der Kolben 9 eine Stellung ein, in der die beiden Stufen 2.1, 2.2 des Luftverdichtungssystems 2 in Reihe geschaltet sind. Die Verbindung des Abluftpfads 5 mit dem Zuluftpfad 3 ist unterbrochen. Es wird demnach keine Abluft rezirkuliert. Dafür wird die über den Zuluftpfad 3 dem Luftverdichtungssystem 2 zugeführte Luft mehrstufig verdichtet, so dass das Druckniveau im Zuluftpfad 3 angehoben wird.
