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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Brennstoffzellensystemen, das zur Durchführung des Verfahrens geeignet bzw. nach dem Verfahren betreibbar ist.
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Die Erfindung kann insbesondere in einem Brennstoffzellen-Fahrzeug zum Einsatz gelangen.
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Stand der Technik
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Wasserstoff basierte Brennstoffzellensysteme gelten als Mobilitätskonzept der Zukunft, da sie nur Wasser als Abgas emittieren und schnelle Betankungszeiten ermöglichen. Neben Wasserstoff benötigen Brennstoffzellen Sauerstoff, um den Wasserstoff in elektrische Energie, Wärme und Wasser zu wandeln. Der Wasserstoff wird einer Anode, der Sauerstoff wird einer Kathode zugeführt. Zur Steigerung der elektrischen Leistung werden üblicherweise eine Vielzahl von Brennstoffzellen zu einem Brennstoffzellenstapel, dem sogenannten „Stack“, zusammengefasst.
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Die Brennstoffzellen eines Brennstoffzellensystems werden in der Regel überstöchiometrisch mit Wasserstoff versorgt. Um auch den Überschuss zu nutzen, wird aus den Brennstoffzellen austretender abgereicherter Wasserstoff über einen Anodenkreis rezirkuliert. Die Rezirkulation kann passiv mit Hilfe einer Strahlpumpe und/oder aktiv mit Hilfe eines Gebläses realisiert werden. Frischer Wasserstoff wird üblicherweise in einem Hochdrucktank bevorratet und vor dem Eindosieren in den Anodenkreis mit Hilfe eines Druckminderers auf ein mittleres Druckniveau von etwa 15 bar gebracht. Da sich rezirkuliertes Anodengas über die Zeit mit Stickstoff anreichert, wird der Anodenkreis von Zeit zu Zeit gespült. Hierzu wird ein Ventil, das sogenannte Purgeventil, geöffnet und Anodengas aus dem Anodenkreis ausgeleitet. Die ausgeleitete Menge wird dann durch frischen Wasserstoff aus dem Hochdrucktank ersetzt.
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Brennstoffzellensysteme mit rein passiver Rezirkulation von Anodengas können, insbesondere im Teil- und Niedriglastbereich, Einschränkungen aufweisen, da über die Strahlpumpe nicht genügend Wasserstoff angesaugt wird. Die Einschränkungen steigen mit der Höhe des Stickstoffanteils. Dieser ist jedoch in der Regel nicht bekannt, da es eine zuverlässige Methode zur Messung der Zusammensetzung des Anodengases nicht gibt. Bei einem Gefrierstart besteht zudem das Problem, dass die sehr feinen Strömungskanäle der Strahlpumpe vereisen können, so dass sie beheizt werden muss, um sie vor und während des Gefrierstarts von Eis zu befreien.
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Die aktive Rezirkulation von Anodengas mittels eines Gebläses wiederum erfordert eine elektrische Leistung. Dadurch sinkt der Wirkungsgrad des Systems.
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Die vorliegende Erfindung ist mit der Aufgabe befasst, die vorstehend genannten Nachteile/Probleme bei der Rezirkulation von Anodengas in einem Anodenkreis zur Versorgung eines Brennstoffzellenstapels mit Wasserstoff zu beseitigen oder zumindest zu verringern.
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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 9 vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausführungsformen 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 Wasserstoff über einen Anodenkreis einer Anode eines Brennstoffzellenstapels zugeführt und rezirkuliert. Die Rezirkulation wird dabei mit Hilfe eines in den Anodenkreis integrierten Gebläses bewirkt. Erfindungsgemäß wird das Gebläse durch eine Turbine angetrieben, die in einen den Anodenkreis mit einem Wasserstoff-Hochdrucktank verbindenden Wasserstoffpfad integriert ist, so dass dem Hochdrucktank entnommener Wasserstoff die Turbine antreibt.
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Mit Hilfe des vorgeschlagenen Verfahrens kann Anodengas passiv rezirkuliert werden. Das heißt, dass die Rezirkulation keine elektrische Energie benötigt. Demzufolge steigt der Wirkungsgrad des Brennstoffzellensystems. Auf eine Strahlpumpe, die üblicherweise zur passiven Rezirkulation eingesetzt wird, kann verzichtet werden. Damit entfällt auch eine Beheizung der Strahlpumpe. Ferner kann auf einen der Strahlpumpe vorgeschalteten Druckminderer verzichtet werden. Darüber hinaus werden Einschränkungen im Teil- und Niedriglastbereich vermieden, da die passive Rezirkulation nicht mit einer Strahlpumpe, sondern mit Hilfe eines Gebläses realisiert wird.
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Um eine ausreichende Versorgung der Anode des Brennstoffzellenstapels mit Wasserstoff sicherzustellen, muss die von der Turbine erbrachte Leistung die Leistung des Gebläses abdecken. Die Leistung der Turbine kann dabei nach der folgenden Formel berechnet werden:
wobei η
Tu der Turbinenwirkungsgrad, c
P die spezifische Wärmekapazität des Gases bzw. des Wasserstoffs, ṁ
wasserstoff der Wasserstoffmassenstrom, T
Tu,ein die Turbineneintrittstemperatur,
das Druckverhältnis über der Turbine und K der Isotropenexponent des Gases bzw. des Wasserstoffs ist.
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Die Leistung des Gebläses kann nach der folgenden Formel berechnet werden:
Wobei η
Ge der Gebläsewirkungsgrad, ṁ
Anodengas der Anodengasmassenstrom, T
Ge,ein die Gebläseeintrittstemperatur und
das Druckverhältnis über dem Gebläse ist.
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Damit die Turbine das Gebläse antreiben kann muss PTu = PGe sein. Das vorgeschlagene Verfahren erfüllt diese Bedingung in allen Lastbereichen, somit auch bei Teil- und Niedriglast.
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Aus der ersten Formel zur Berechnung der Leistung der Turbine ist ersichtlich, dass nicht nur eine hohe Gastemperatur von Belang ist, sondern auch das Druckverhältnis über der Turbine. In Weiterbildung der Erfindung wird daher vorgeschlagen, dass mit Hilfe eines stromabwärts oder stromaufwärts der Turbine in den Wasserstoffpfad integrierten Drucksensors der Gasdruck überwacht wird.
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Des Weiteren bevorzugt wird mit Hilfe eines in den Wasserstoffpfad integrierten Druckreglers der Gasdruck geregelt. Mit Hilfe des Druckreglers kann der Gasdruck auf das Druckniveau des Anodenkreises gebracht werden. Ferner kann mit Hilfe des Druckreglers der Gasdruck im Wasserstoffpfad so eingestellt werden, dass das Druckverhältnis über der Turbine und damit die Leistung der Turbine optimiert wird. Der Druckregler kann dabei stromabwärts oder stromaufwärts der Turbine in den Wasserstoffpfad integriert sein.
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Bevorzugt wird bzw. werden bei der Durchführung des vorgeschlagenen Verfahrens die Turbine und/oder das Gebläse, insbesondere im Bereich zumindest eines Wellenlagers, mit Hilfe von Wasserstoff, das dem Hochdrucktank entnommen wird, gekühlt. Die Kühlung kann auf diese Weise besonders einfach und kostengünstig realisiert werden. Beispielsweise kann über einen Kühlpfad Wasserstoff aus dem Wasserstoffpfad abgezweigt und dem mindestens einen Wellenlager zugeführt werden.
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Ferner wird vorgeschlagen, dass mit Hilfe eines Drehzahlmessers die Drehzahl des Gebläses überwacht wird und aus der Drehzahl die Zusammensetzung des Anodengases im Anodenkreis abgeleitet wird. Bleibt die Drehzahl des Gebläses unter einem zu erwartenden Wert für die jeweilige Last, kann dies als Indiz für einen zu hohen Stickstoffanteil gesehen werden. Auf diese Weise kann von einer veränderten Drehzahl des Gebläses auf eine veränderte Gaszusammensetzung geschlossen werden.
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Ist der Stickstoffanteil zu hoch, kann der Anodenkreis mit frischem Wasserstoff aus dem Hochdrucktank gespült werden. Zum Spülen wird vorzugsweise ein in den Anodenkreis integriertes Purgeventil geöffnet. Über das geöffnete Purgeventil kann dann ein Teil des mit Stickstoff angereicherten Anodengases ausgeleitet und durch Wasserstoff aus dem Hochdrucktank ersetzt werden. Die Häufigkeit und/oder die Länge eines Purgevorgangs wird dabei vorzugsweise in Abhängigkeit von der Drehzahl des Gebläses eingestellt. Bleibt beispielsweise die Drehzahl des Gebläses unter einem für die jeweilige Last zu erwartenden Wert, wird das Purgeventil in kürzeren Zeitabständen und/oder länger geöffnet. Steigt die Drehzahl des Gebläses über einen für die jeweilige Last zu erwartenden Wert, wird vorzugsweise das Purgeventil in längeren Zeitabständen und/oder kürzer geöffnet. Das heißt, dass nur dann das Purgeventil geöffnet wird, wenn der Stickstoffanteil des Anodengases zu hoch ist. Auf diese Weise kann der Wasserstoffverbrauch gesenkt werden.
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Da bei einer Reduzierung des Stickstoffanteils des Anodengases im Anodenkreis sich der Leistungsbedarf des Gebläses ändert, wird als weiterbildende Maßnahme vorgeschlagen, dass vor oder während eines Purgevorgangs die Leistung der Turbine reduziert wird. Durch diese Maßnahme wird eine plötzliche Drehzahländerung des Gebläses vermieden, die mit einer unerwünschten Geräuschentwicklung einhergehen könnte. Nach einem Purgevorgang kann die Turbinenleistung wieder angehoben werden.
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Zur Reduzierung der Leistung der Turbine wird vorzugsweise der Wasserstoffmassenstrom im Wasserstoffpfad mit Hilfe des in den Wasserstoffpfad integrierten Druckreglers reduziert wird. Der Druckregler wird hierzu weiter geschlossen. Mit Beendigung des Purgevorgangs kann dann der Druckregler wieder weiter geöffnet werden.
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Zur Lösung der eingangs genannten Aufgabe wird darüber hinaus ein Brennstoffzellensystem vorgeschlagen, das einen Brennstoffzellenstapel mit einer Anode umfasst. Die Anode ist über einen Wasserstoffpfad mit Wasserstoff aus einem Wasserstoff-Hochdrucktank und über einen Anodenkreis mit rezirkuliertem Anodengas versorgbar. Zur Rezirkulation von Anodengas ist dabei in den Anodenkreis ein Gebläse integriert, das über eine im Wasserstoffpfad angeordnete Turbine antreibbar ist.
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Das vorgeschlagene Brennstoffzellensystem ist insbesondere zur Durchführung des zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet, so dass sich die gleichen Vorteile erzielen lassen. Insbesondere kann Anodengas passiv rezirkuliert werden, und zwar über alle Lastbereiche hinweg ohne Einschränkungen. Zudem kann auf eine Strahlpumpe sowie weitere Komponenten, wie beispielsweise eine Heizeinrichtung und/oder einen Druckminderer, verzichtet werden.
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Bevorzugt ist bzw. sind in den Wasserstoffpfad ein Drucksensor und/oder ein Druckregler integriert. Mit Hilfe dieser Komponenten kann der Gasdruck im Wasserstoffpfad überwacht und/oder geregelt werden, beispielsweise um die Leistung der Turbine zu optimieren.
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Ferner bevorzugt ist ein Drehzahlmesser zur Überwachung der Drehzahl des Gebläses vorhanden. Denn aus der Drehzahl kann die Zusammensetzung des Anodengases abgeleitet werden. Insbesondere kann von einer Änderung der Drehzahl auf eine Änderung des Stickstoffanteils im Anodengas geschlossen werden. Ist dieser zu hoch, kann ein Teil des Anodengases ausgeleitet und durch Wasserstoff aus dem Hochdrucktank ersetzt werden.
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Vorteilhafterweise ist in den Anodenkreis ein Purgeventil integriert. Durch Öffnen des Purgeventils kann Anodengas ausgeleitet werden, das dann durch Wasserstoff aus dem Hochdrucktank ersetzt wird.
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Die Erfindung und ihre Vorteile werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung des Anodenbereichs eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems,
- 2 ein Flussdiagramm zur Darstellung des Ablaufs eines erfindungsgemäßen Verfahrens und
- 3 ein Flussdiagramm zur Darstellung des Ablaufs eines weiteren erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
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Das in der 1 dargestellte erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem weist einen Anodenkreis 2 auf, welcher der Versorgung einer Anode 1.1 eines Brennstoffzellenstapels 1 mit Wasserstoff dient. Der Wasserstoff wird in den Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels 1 zusammen mit Sauerstoff, der hierzu einer Kathode 1.2 des Brennstoffzellenstapels 1 zugeführt wird, in elektrische Energie, Wärme und Wasser gewandelt.
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Der für diesen Prozess benötigte Wasserstoff wird in einem Hochdrucktank 5 gespeichert, der über einen Wasserstoffpfad 6 mit dem Anodenkreis 2 verbunden ist. Aus dem Brennstoffzellenstapel 1 austretender abgereicherter Wasserstoff wird über den Anodenkreis 2 rezirkuliert und erneut der Anode 1.1 zugeführt. Auf diese Weise kann der Wasserstoffverbrauch gesenkt werden. Da sich das rezirkulierte Anodengas über die Zeit mit Stickstoff anreichert, wird der Anodenkreis 2 von Zeit zu Zeit gespült. Hierzu wird ein in den Anodenkreis 2 integriertes Purgeventil 10 geöffnet. Die über das Purgeventil 10 ausgeleitete Menge wird durch Wasserstoff aus dem Hochdrucktank 5 ersetzt. Der Gasdruck im Anodenkreis 2 wird dabei mit Hilfe eines im Wasserstoffpfad 6 angeordneten Druckreglers 8 geregelt.
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Die Rezirkulation von Anodengas wird mit Hilfe eines in den Anodenkreis 2 integrierten Gebläses 3 bewirkt. Das Gebläse 3 wird nicht wie sonst üblich elektromotorisch angetrieben, sondern mit Hilfe einer Turbine 4, die stromaufwärts des Druckreglers 8 in den Wasserstoffpfad 6 integriert und mit dem Gebläse 3 wirkverbunden ist. Die Rezirkulation kann auf diese Weise passiv bewirkt werden, ohne dass hierfür eine elektrische Leistung benötigt wird. In der Folge steigt der Wirkungsgrad des Brennstoffzellenstapels 1.
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Die Turbine 4 wird durch den Wasserstoffmassenstrom im Wasserstoffpfad 6 angetrieben. Die Anordnung der Turbine 4 im Hochdruckbereich erweist sich dabei als Vorteil, da sich eine hohe Druckdifferenz zwischen dem Gasdruck im Wasserstoffpfad 6 und dem Gasdruck im Anodenkreis 2 ergibt. Zur Überwachung des Gasdrucks im Wasserstoffpfad 6 ist in diesem ein Drucksensor 7 angeordnet. Ferner wird die Drehzahl des Gebläses 3 mit Hilfe eines Drehzahlmessers 9 überwacht.
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Die in der 1 dargestellte Topologie ermöglicht die Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens. Dieses wird nachfolgend anhand der 2 näher erläutert. Dabei wird insbesondere erklärt, wie die Rezirkulation von Anodengas geregelt werden kann.
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In einem ersten Schritt 20 wird die passive Rezirkulation von Anodengas gestartet. Zur Regelung der Rezirkulation wird in Schritt 21 der Druckregler 8 so eingestellt, dass der Gasdruck im Anodenkreis 2 einem vorgegebenen Sollwert entspricht. Mit Hilfe des Drehzahlmessers 9 wird dann in Schritt 22 geprüft, ob die Drehzahl des Gebläses 3 in einem zu erwartenden Bereich liegt. Sofern dies der Fall ist („+"), muss nichts weiter unternommen werden. Sofern jedoch festgestellt wird, dass die Drehzahl nicht im zu erwartenden Bereich liegt („-“), wird in Schritt 23 geprüft, ob die Drehzahl unter einem vorgegebenen Schwellenwert liegt. Ist dies der Fall („+“), wird in Schritt 24 die Purgestrategie geändert, indem das Purgeventil 10 in kürzeren zeitlichen Abständen und/oder länger geöffnet wird. Ist dies nicht der Fall („-“), wir3d in einem Schritt 25 die Purgestrategie dahingehend geändert, dass das Purgeventil in längeren zeitlichen Abständen und/oder kürzer geöffnet wird.
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In Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die beispielhaft in der 3 dargestellten Schritte in Verbindung mit einem Purgevorgang durchgeführt. In Schritt 30 wird zunächst ein Purgevorgang eingeleitet. In Schritt 31 wird dann geprüft, ob die Drehzahl des Gebläses 3 erhöht ist. Ist dies der Fall („+“), wird in Schritt 32 der Druckregler 8 weiter geschlossen. Ergibt die Prüfung in Schritt 31, dass die Drehzahl des Gebläses 3 nicht erhöht ist („-“) müssen keine Maßnahmen durchgeführt werden, insbesondere muss der Druckregler 8 nicht weiter geschlossen werden. In Schritt 33 wird dann geprüft, ob der Purgevorgang beendet ist bzw. beendet werden kann. Sofern dies nicht der Fall ist („-“), wird weiterhin die Drehzahl des Gebläses 3 überwacht bzw. Schritt 31 wiederholt ausgeführt. Sofern in Schritt 33 festgestellt wird, dass der Purgevorgang beendet werden kann („+“), wird er in Schritt 34 beendet.
