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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Brennstoffzellensystem, das zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet bzw. nach diesem Verfahren betreibbar ist.
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Stand der Technik
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Brennstoffzellen eines Brennstoffzellensystems benötigen Sauerstoff, der in den Zellen mit Wasserstoff zu Wasser bzw. Wasserdampf reagiert. Auf diese Weise wird durch elektrochemische Wandlung eine elektrische Leistung erzeugt. Als Sauerstoffquelle dient üblicherweise Umgebungsluft, die der Brennstoffzelle mittels eines Luftverdichtungssystems zugeführt wird, da der Prozess einen bestimmten Luftmassenstrom und/oder ein bestimmtes Druckniveau erfordert. Das hierbei zum Einsatz gelangende Luftverdichtungssystem umfasst in der Regel eine hochdrehende thermische Strömungsmaschine mit mindestens einem auf einer Welle angeordneten Verdichterrad, das elektromotorisch angetrieben wird. Zur Energierückgewinnung kann auf der Welle ein Turbinenrad angeordnet sein, dem aus der Brennstoffzelle austretende feuchte Luft zugeführt wird. In diesem Fall handelt es sich bei der Strömungsmaschine um einen Turbolader. Dieser kann auch nur durch die Turbine angetrieben werden, so dass ein Elektromotor entbehrlich ist.
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Zur Erhöhung des Systemdrucks können mehrflutige und/oder mehrstufige Luftverdichtungssysteme eingesetzt werden. Mehrflutige Luftverdichtungssysteme weisen eine Aufteilung des gesamten zu verdichtenden Massenstroms auf mehrere Verdichterräder mit gleicher Verdichtung von Eingangsdruck auf Ausgangsdruck mit nachfolgender Zusammenführung des Massenstroms auf (parallele Verdichtung). Mehrstufige Luftverdichtungssysteme verdichten die Luft sequentiell auf verschiedene Druckniveaus. Die verschiedenen Systeme können auch kombiniert werden.
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Neben dem Luftmassenstrom und/oder dem Druckniveau spielt der Feuchtegehalt der Luft eine wichtige Rolle. Die den Brennstoffzellen zugeführte Luft muss ausreichend feucht sein, um ein Austrocknen der protonenleitenden Membranen der Brennstoffzellen zu verhindern. Die Gefahr des Austrocknens ist dabei insbesondere im Bereich des Eintritts der Luft in die Brennstoffzellen signifikant hoch. Die verdichtete Luft wird daher in der Regel vor dem Eintritt in die Brennstoffzellen mit Hilfe einer Befeuchtungseinrichtung, beispielsweise einem Membranbefeuchter, befeuchtet.
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Ausgehend von dem vorstehend genannten Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, den Betrieb eines Brennstoffzellensystems über einen großen Betriebsbereich hinweg effizienter und robuster zu gestalten. Zugleich soll die Befeuchtung der Luft optimiert werden.
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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 5 vorgeschlagen. 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 mindestens einer Brennstoffzelle Luft als Sauerstofflieferant zugeführt, die zuvor mit Hilfe eines Luftverdichtungssystems, umfassend eine in einen Zuluftpfad integrierte erste Verdichtungsstufe sowie eine der ersten Verdichtungsstufe nachgeschaltete zweite Verdichtungsstufe, verdichtet wird. Erfindungsgemäß wird aus der Brennstoffzelle austretende feuchte Luft über einen Abluftpfad und einen Verbindungspfad, der den Abluftpfad mit dem Zuluftpfad verbindet, in den Zuluftpfad zwischen der ersten Verdichtungsstufe und der zweiten Verdichtungsstufe eingeleitet.
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Die aus der Brennstoffzelle austretende feuchte Luft bzw. Abluft wird demnach rezirkuliert und einer Nutzung zugeführt. Denn über den Feuchtegehalt der rezirkulierten Luft bzw. Abluft wird eine Befeuchtung der Luft im Zuluftpfad erzielt. Die mittels der rezirkulierten Abluft erzielte Befeuchtung wiederum macht eine zusätzliche Befeuchtungseinrichtung entbehrlich, so dass der Aufbau des Brennstoffzellensystems vereinfacht wird.
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Des Weiteren kann durch eine Befeuchtung der Zuluft eine Absenkung des Kathodendrucks erfolgen (geändertes Wassermanagement). Denn die Wasseraufnahme der Luft hängt u.a. signifikant vom Kathodendruck ab. Ohne Befeuchtung wird ein höherer Druck benötigt, um ein Austrocknen der Membran zu vermeiden. Auf diese Weise wird zugleich eine Effizienzsteigerung des Gesamtsystems erreicht.
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Dadurch, dass die feuchte Abluft zwischen einer ersten und einer zweiten Verdichtungsstufe eines Luftverdichtungssystems in den Zuluftpfad eingeleitet wird, kann nicht nur eine Befeuchtung, sondern zugleich eine Zwischenkühlung der Luft erzielt werden. Denn beim Verdichten erwärmt sich die Luft, so dass die Temperatur der Luft im Zuluftpfad stromabwärts der ersten Verdichtungsstufe höher als die Temperatur der aus der Brennstoffzelle austretenden feuchten Luft im Abluftpfad ist. Die Zwischenkühlung steigert den Wirkungsgrad beim mehrstufigen Verdichten.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die über den Verbindungspfad in den Zuluftpfad eingeleitete feuchte Luft stromaufwärts einer in den Abluftpfad integrierten Turbine abgezweigt. Das heißt, das die Abluft abgezweigt wird, bevor sie in der Turbine entspannt wird. Auf diese Weise kann ein Druckgefälle zwischen dem Druckniveau im Abluftpfad und dem Druckniveau im Zuluftpfad zur Rezirkulation der Luft bzw. Abluft genutzt werden. Mit Hilfe der Turbine wird vorzugsweise ein Verdichterrad der ersten Verdichtungsstufe angetrieben, so dass ein Teil der zuvor zum Verdichten der Luft eingesetzten Energie mit Hilfe der Turbine zurückgewonnen werden kann. Durch den rezirkulierten Teilmassenstrom sinkt die Turbinenleistung über einen weiten Betriebsbereich nicht, da aus Abstimmungsgründen ein Teil des Abluftmassenstroms sowieso über einen Turbinenbypass abgeführt wird. Die Turbinenleistung sinkt allein im Volllastbetrieb, wenn der Turbinenbypass üblicherweise geschlossen ist. Dies gilt insbesondere, wenn die erste Verdichtungsstufe allein über die Turbine angetrieben wird.
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Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass mit Hilfe eines in den Verbindungspfad integrierten ansteuerbaren Ventils der aus dem Abluftpfad abgezweigte Luftmassenstrom geregelt wird. Das Ventil ermöglicht die Realisierung unterschiedlicher Betriebsmodi. Beispielsweise kann bei geschlossenem Ventil eine Rezirkulation von Luft bzw. Abluft unterbunden werden. Bei geöffnetem Ventil und unverändertem Luftmassenstrom über die zweite Verdichtungsstufe des Luftverdichtungssystems kann mit Hilfe der rezirkulierten Luft, die vergleichsweise arm an Sauerstoff ist, der Lambda-Wert der Luft im Zuluftpfad gesenkt werden. Wird zugleich der Luftmassenstrom über die zweite Verdichtungsstufe angehoben, kann der aktuelle Lambda-Wert beibehalten werden.
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Das in den Verbindungspfad integrierte Ventil kann beispielsweise ein Regel- oder Schaltventil sein. Das Regelventil ist vorzugsweise als Proportionalventil ausgeführt, das einen variablen Öffnungsquerschnitt aufweist. Je nach Offenstellung des Ventils kann somit der abgezweigte Luftmassenstrom geregelt werden. Im Falle eines als Schaltventils ausgeführten Ventils kann dieses bevorzugt getaktet betrieben werden. Über die Taktung kann dann der Luftmassenstrom geregelt werden, der aus dem Abluftpfad abgezweigt wird.
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Das Ventil wird vorzugsweise nur geöffnet, wenn der Druck im Abluftpfad über dem Druck im Zuluftpfad liegt. In diesem Fall kann das Druckgefälle zur Rezirkulation der Luft bzw. Abluft genutzt werden. Der Druck bzw. die Drücke im Zuluft- und/oder Abluftpfad können dabei sensorisch und/oder mittels Modellen ermittelt werden. Bei der Druckermittlung ist der Druckverlust beim Durchströmen des Ventils und/oder des Verbindungspfads zu berücksichtigen.
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Um im Abstellfall bei tiefen Außentemperaturen der Eisbildung entgegenzuwirken, wird vorgeschlagen, dass der Verbindungspfad und/oder das Ventil während des Abstellens trocken geblasen wird bzw. werden. Sofern das Ventil als getaktetes Schaltventil ausgeführt ist, kann es dabei getaktet betrieben werden, um anhaftende Tröpfchen bzw. Feuchtigkeit zu entfernen. Sollte sich aufgrund der zusätzlichen Feuchtigkeit während des Abstellens Eis in der Turbine bilden, kann die mittels des Luftverdichtungssystems verdichtete warme Luft zum Enteisen bzw. Auftauen genutzt werden. Die verdichtete Luft wird hierzu über einen die mindestens eine Brennstoffzelle umgehenden Bypasspfad mit integriertem Bypassventil aus dem Zuluftpfad in den Abluftpfad eingeleitet.
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Das darüber hinaus zur Lösung der eingangs genannten Aufgabe vorgeschlagene Brennstoffzellensystem umfasst mindestens eine Brennstoffzelle, der über einen Zuluftpfad Luft als Sauerstofflieferant zuführbar ist. In den Zuluftpfad ist dabei ein Luftverdichtungssystem integriert, das eine erste Verdichtungsstufe sowie eine der ersten Verdichtungsstufe nachgeschaltete zweite Verdichtungsstufe umfasst. Erfindungsgemäß mündet zwischen der ersten und der zweiten Verdichtungsstufe ein Verbindungspfad in den Zuluftpfad, über den der Zuluftpfad mit einem Abluftpfad zum Abführen der aus der Brennstoffzelle austretenden feuchten Luft verbunden oder verbindbar ist.
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Bei einer Verbindung des Zuluftpfads mit dem Abluftpfad wird aus der Brennstoffzelle austretende feuchte Luft bzw. Abluft in den Zuluftpfad zwischen der ersten und der zweiten Verdichtungsstufe eingeleitet. Auf diese Weise wird die Luft befeuchtet und ggf. zugleich gekühlt. Die Befeuchtung mittels der feuchten Luft bzw. Abluft macht eine zusätzliche Befeuchtungseinrichtung entbehrlich, so dass das Gesamtsystem vereinfacht wird. Bei gleichzeitiger Kühlung wird eine Zwischenkühlung erreicht, die den Wirkungsgrad der Verdichtung in der zweiten Verdichtungsstufe steigert.
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Zum Befeuchten und ggf. Kühlen wird zumindest ein Teil der aus der Brennstoffzelle austretenden feuchten Luft bzw. Abluft rezirkuliert. Der rezirkulierte Luftmassenstrom wird somit nicht ungenutzt aus dem System abgeführt. Auf diese Weise wird auch eine Effizienzsteigerung erzielt. Die Rezirkulation erfolgt über einen zusätzlichen Verbindungspfad, über den die zur Rezirkulation erforderliche Verbindung des Zuluftpfads mit dem Abluftpfad herstellbar ist.
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Das vorgeschlagene Brennstoffzellensystem ist insbesondere zur Durchführung des zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet. Mit Hilfe des Brennstoffzellensystems können somit die gleichen Vorteile erzielt werden. Insbesondere kann mittels Rezirkulation der feuchten Luft bzw. Abluft ein weiterer Freiheitsgrad zur Optimierung des Systembetriebs über den gesamten Betriebsbereich mit unterschiedlichen Zielgrößen geschaffen werden. Bei den Zielgrößen kann es sich insbesondere um das Feuchte- bzw. Wassermanagement, die Dynamik, den Leistungsbedarf, den Brennstoffverbrauch und/oder die Alterung handeln.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung zweigt der Verbindungspfad zur Rezirkulation der feuchten Luft bzw. Abluft stromaufwärts einer in den Abluftpfad integrierten Turbine ab. Mit Hilfe der Turbine kann ein Teil der zuvor zum Verdichten eingesetzten Energie zurückgewonnen bzw. rekuperiert werden. Da die Luft über die Turbine entspannt wird, wird sie stromaufwärts der Turbine aus dem Abluftpfad abgezweigt. Auf diese Weise kann ein Druckgefälle zwischen dem Abluftpfad und dem Zuluftpfad zur Rezirkulation der feuchten Luft bzw. Abluft genutzt werden.
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Die in den Abluftpfad integrierte Turbine weist vorzugsweise ein auf einer gemeinsamen Welle mit einem Verdichterrad der ersten Verdichtungsstufe angeordnetes Turbinenrad auf. Das Verdichterrad kann somit über die Turbine angetrieben werden. Sofern die erste Verdichtungsstufe mehr als ein Verdichterrad umfasst, beispielsweise mehrflutig ausgeführt ist, können alle Verdichterräder der ersten Stufe mittels der Turbine angetrieben werden. Sollte die Turbinenleistung als alleiniger Antrieb nicht ausreichen, kann die erste Verdichtungsstufe ergänzend einen Elektromotor als Antrieb aufweisen.
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Alternativ kann die zweite Luftverdichtungsstufe zweiflutig ausgeführt werden, das heißt, dass der Luftmassenstrom aufgeteilt und nach der Verdichtung wieder zusammengeführt wird. Dies hat große Vorteile hinsichtlich der Axialkraft, da diese weitgehend ausgeglichen ist. Das Axiallager kann somit kostengünstiger ausgelegt werden, da die Alterung abnimmt und die Lebenserwartung steigt.
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Um die erste Verdichtungsstufe und die Turbine zu synchronisieren, wird üblicherweise ein Teilmassenstrom der aus der Brennstoffzelle austretenden feuchten Luft bzw. Abluft über einen Turbinenbypass abgeströmt. Dieser ungenutzt abgeführte Teilmassenstrom kann im Betrieb eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems einer Nutzung zugeführt werden. Auf die Turbinenleistung hat dies über einen großen Betriebsbereich keinen Einfluss. Lediglich im Vollastbetrieb sinkt die Turbinenleistung, wenn zugleich ein Teilmassenstrom rezirkuliert wird.
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Die zweite Verdichtungsstufe des Luftverdichtungssystems weist vorzugsweise mindestens ein Verdichterrad auf, das mit Hilfe eines Elektromotors antreibbar ist. Das heißt, dass der ersten Verdichtungsstufe eine zweite elektromotorisch angetriebene Verdichtungsstufe nachgeschaltet ist. Die elektromotorisch angetriebene zweite Luftverdichtungsstufe ist demnach näher an der mindestens einen Brennstoffzelle angeordnet als die mittels der Turbine angetriebene erste Verdichtungsstufe. Mit Hilfe der näher an der Brennstoffzelle angeordneten, elektromotorisch angetriebenen zweiten Verdichtungsstufe kann der Luftmassenstrom im Kathodenpfad des Stacks schneller geregelt werden, so dass ein größerer positiver Leistungssprung möglich ist. Auf diese Weise kann die Dynamik des gesamten Systems gesteigert werden.
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Bevorzugt ist in den Verbindungspfad ein ansteuerbares Ventil, beispielsweise ein Regel- oder Schaltventil, integriert. Die Rezirkulation kann somit temporär, transient oder stationär bewirkt werden. Sofern das Ventil als Regelventil, insbesondere als Proportionalventil, ausgeführt ist, kann über den variablen Öffnungsquerschnitt der rezirkulierte Luftmassenstrom geregelt werden. Sofern das Ventil als Schaltventil ausgeführt ist, kann dieses insbesondere getaktet betrieben werden.
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Bevorzugt ist zwischen der ersten Verdichtungsstufe und der zweiten Verdichtungsstufe und/oder stromabwärts der zweiten Verdichtungsstufe eine Kühleinrichtung in den Zuluftpfad integriert. Da sich die Luft beim Verdichten erwärmt, kann auf diese Weise eine Kühlung der Luft erreicht werden. Über eine Kühlung der Luft zwischen den beiden Verdichtungsstufen („Zwischenkühlung“) kann zugleich eine Erhöhung des Wirkungsgrads der zweiten Verdichtungsstufe erreicht werden. Die aus dem Abluftpfad abgezweigte feuchte Luft bzw. Abluft wird vorzugsweise stromaufwärts der Kühleinrichtung in den Zuluftpfad eingeleitet, damit es zu einer guten Vermischung von trockener und feuchter Luft kommt. Zugleich kann eine Entlastung eines an das Brennstoffzellensystem angeschlossenen Kühlkreises erreicht werden.
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Des Weiteren bevorzugt ist die Turbine über eine Bypassleitung mit integriertem Bypassventil umgehbar. Die Umgehung ermöglicht die erforderliche Abstimmung bzw. Synchronisierung der Turbine mit der ersten Verdichtungsstufe. Alternativ oder ergänzend wird vorgeschlagen, dass stromabwärts der Turbine ein Druckregelventil in den Abluftpfad integriert ist. Mit Hilfe des Druckregelventils kann ebenfalls ein Teil der ungenutzten Abluftenthalpie abgebaut werden.
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Ferner bevorzugt ist die mindestens eine Brennstoffzelle des Brennstoffzellensystems über eine Bypassleitung mit integriertem Bypassventil umgehbar. Die Bypassleitung ist vorzugsweise stromabwärts des Luftverdichtungssystems an den Zuluftpfad und stromaufwärts der Turbine an den Abluftpfad angeschlossen. Bei geöffnetem Bypassventil gelangt über den Bypasspfad verdichtete Luft in den Abluftpfad. Ein Teil der zum Verdichten eingesetzten Energie kann dann über die Turbine rekuperiert werden. Im Startfall bei tiefen Außentemperaturen kann die über den Bypasspfad der Turbine zugeführte verdichtete und erwärmte Luft zugleich zum Erwärmen und ggf. Enteisen genutzt werden. Auf diese Weise wird die Gefrierstartfähigkeit des Systems optimiert.
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Optional kann ein Bypass zur Umgehung des Verdichterrads der turbinengetriebenen Verdichtungsstufe vorgesehen sein. Dies kann ebenfalls vorteilhaft für das Startverhalten sowie für die Dynamik des Systems sein.
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Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Diese zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems.
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Ausführliche Beschreibung der Zeichnung
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Das dargestellte Brennstoffzellensystem 10 umfasst mindestens eine Brennstoffzelle 11, der über einen Zuluftpfad 12 Luft als Sauerstofflieferant zuführbar ist. Die Luft wird der Umgebung 23 entnommen. Die der Umgebung 23 entnommene Luft wird einem Luftverdichter 22 zugeführt, um diese von schädlichen Partikeln sowie schädliche chemischen Substanzen zu befreien. Aus der Brennstoffzelle 11 austretende Luft wird über einen Abluftpfad 13 zurück an die Umgebung 23 abgeführt.
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Neben Sauerstoff benötigt die Brennstoffzelle 11 Wasserstoff, der in einem Tank (nicht dargestellt) bevorratet und der Brennstoffzelle 11 über einen Anodenkreis (nicht dargestellt) zugeführt wird.
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Da die Brennstoffzelle 11 einen gewissen Luftmassenstrom und ein gewisses Druckniveau erfordert, wird die Luft vor dem Eintritt in die Brennstoffzelle 11 verdichtet. Die Verdichtung erfolgt mit Hilfe eines mehrstufigen Luftverdichtungssystems 1, das eine erste Verdichtungsstufe 1.1 sowie eine zweite Verdichtungsstufe 1.2 umfasst. Die erste Verdichtungsstufe 1.1 weist ein auf einer Welle 7 angeordnetes Verdichterrad 2 sowie eine Turbine 3 mit einem auf der Welle 7 angeordneten Turbinenrad 6 auf. Das Verdichterrad 2 wird von der Luft im Zuluftpfad 12 angeströmt, während dem Turbinenrad 6 die aus der Brennstoffzelle 11 austretende und über den Abluftpfad 13 abgeführte feuchte Luft zugeführt wird. Mit Hilfe der Turbine 3 wird somit im Betrieb des Brennstoffzellensystems 10 Energie zurückgewonnen. Der Betrieb der ersten Verdichtungsstufe 1.1 allein über die Turbine 3 erfordert eine genaue Abstimmung. Die Turbine 3 weist hierzu eine Bypassleitung 14 mit integriertem Bypassventil 15 auf. Ergänzend ist stromabwärts der Turbine 3 ein Druckregelventil 16 in den Abluftpfad 13 integriert. Über eine weitere Bypassleitung 20 mit integrierten Bypassventil 21 kann das Verdichterrad 2 der ersten Verdichtungsstufe 1.1 umgangen werden (siehe Figur).
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Da sich die Luft beim Verdichten erwärmt, kann stromabwärts der ersten Verdichtungsstufe 1.1 eine Kühleinrichtung 17 in den Zuluftpfad 12 integriert sein. Mittels dieser kann eine Zwischenkühlung realisiert werden.
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Die der ersten Verdichtungsstufe 1.1 nachgeschaltete zweite Verdichtungsstufe 1.2 weist ein Verdichterrad 4 auf, das mit Hilfe eines Elektromotors 5 angetrieben wird. Da mit Hilfe des Elektromotors 5 große positive Leistungssprünge erzielt werden können und die den Elektromotor 5 aufweisende zweite Verdichtungsstufe 1.2 nahe der Brennstoffzelle 11 angeordnet ist, kann eine höhere Dynamik bei der Regelung des Luftmassenstroms erreicht werden.
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Stromabwärts der zweiten Luftverdichtungsstufe 1.2 ist eine Kühleinrichtung 17 in den Zuluftpfad 12 integriert, um die verdichtete und erwärmte Luft vor dem Eintritt in die Brennstoffzelle 11 zu kühlen. Durch Öffnen eines Bypassventils 19, das in einen Bypasspfad 18 integriert ist, kann die Brennstoffzelle 11 umgangen werden, so dass die verdichtete und erwärmte Luft aus dem Zuluftpfad 12 direkt in den Abluftpfad 13 eingeleitet wird. Bei einem Gefrierstart kann auf diese Weise die Turbine 3 enteist werden.
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Eine weitere Verbindung des Zuluftpfads 12 mit dem Abluftpfad 13 ist durch Öffnen eines Ventils 9 herstellbar, das in einen Verbindungspfad 8 integriert ist. Der Verbindungspfad 8 zweigt stromaufwärts der Turbine 3 vom Abluftpfad 13 ab und mündet zwischen den beiden Verdichtungsstufen 1.1, 1.2 des Luftverdichtungssystems 1 in den Zuluftpfad 12. Der Verbindungspfad 8 dient der Rezirkulation von feuchter Luft bzw. Abluft. Mit Hilfe der rezirkulierten feuchten Luft kann die Luft im Zuluftpfad 12 befeuchtet werden, so dass eine zusätzliche Befeuchtungseinrichtung entbehrlich ist. Zugleich kann die Luft gekühlt werden, so dass die Zwischenkühlung optimiert wird. Sofern eine Kühleinrichtung 17 in den Zuluftpfad 12 stromaufwärts der zweiten Verdichtungsstufe 1.2 integriert ist, erfolgt die Einleitung der feuchten Luft bzw. Abluft aus dem Abluftpfad 13 bevorzugt stromaufwärts der Kühleinrichtung 17, so dass eine gute Vermischung der trockenen und der feuchten Luft erzielt wird.
