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Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem nach dem unabhängigen Vorrichtungsanspruch. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems nach dem unabhängigen Verfahrensanspruch.
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Stand der Technik
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In Antriebssystemen mit Brennstoffzellensystemen wird in der Regel Sauerstoff aus der Umgebungsluft benutzt, um in der Brennstoffzelle mit Wasserstoff zu Wasser bzw. Wasserdampf zu reagieren und damit eine elektrische Energie zu gewinnen.
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Die Umgebungsluft wird mittels eines Fördersystems bzw. Kompressionssystems dem Brennstoffzellenstapel zugeführt. Das Kompressionssystem ist dazu ausgeführt, einen bestimmten Luftmassenstrom und/oder ein bestimmtes Druckniveau bereitzustellen. Die Komprimierung bzw. Kompression der Luft findet häufig über eine thermische Strömungsmaschine statt. Dabei kann optional zur Luftverdichtung (einstufig, mehrstufig oder mehrflutig) eine EnergieRückgewinnung der abströmenden feuchten Luft mittels einer Turbine realisiert werden (z.B. elektrisch angetriebener Turbolader oder Turbolader ohne E-Antrieb). Aus den Anforderungen an den Druck und/oder den Massenstrom resultieren bei den thermischen Strömungsmaschinen hohe Drehzahlen. Da die Zuluft für den Brennstoffzellenstapel frei von Ölrückständen sein muss, werden bei den Strömungsmaschinen die Rotor-Welle-Einheiten vorzugsweise mittels Gaslager gelagert.
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Die Lager bei den Rotor-Welle-Einheiten müssen aufgrund von Reibverlusten (z.B. in den Lagern, Wärmeeintrag in die Materialien durch die Luftverdichtung, Erwärmung der E-Maschine bei elektrisch angetriebenen Maschinen, etc..) gekühlt werden.
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Zur Kühlung der Rotor-Welle-Einheiten bei den Strömungsmaschinen wird nach Stand der Technik verdichtete Luft aus der Zuluft nach der Luftverdichtung abgezweigt/entnommen, gekühlt (bspw. mit flüssigem Kühlmedium) und an die Gaslager geleitet. Der abgezweigte Luftmassenstrom für die Gaslager zieht nach sich eine zusätzliche Verlustleistung.
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Offenbarung der Erfindung
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Die Erfindung sieht gemäß einem ersten Aspekt ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des unabhängigen Vorrichtungsanspruches vor. Ferner sieht die Erfindung gemäß einem zweiten Aspekt ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems mit den Merkmalen des unabhängigen Verfahrensanspruches vor. Weitere Vorteile, Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.
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Die vorliegende Erfindung sieht ein Brennstoffzellensystem vor, aufweisend:
- - mindestens einen Brennstoffzellenstapel
- - und ein Kathodensystem zum Bereitstellen eines sauerstoffhaltigen Reaktanten in Form einer Zuluft,
wobei das Kathodensystem - - eine Zuluftleitung zum Bereitstellen der Zuluft an den mindestens einen Brennstoffzellenstapel
- - und eine Abluftleitung zum Abführen einer Abluft von dem mindestens einen Brennstoffzellenstapel
aufweist, - - wobei in der Zuluftleitung eine Kompressionseinheit zum Verdichten der Zuluft vorgesehen ist,
- - und wobei zwischen der Abluftleitung und der Zuluftleitung des Kathodensystems eine Luftverbindung von der Abluft zu der Zuluft vorgesehen ist,
die durch die Kompressionseinheit bereitgestellt ist,
insbesondere durch mindestens ein und/oder mehrere Gaslager der Kompressionseinheit,
wobei vorzugsweise die Luftverbindung mindestens einen Kühlluftpfad oder mehrere Kühlluftpfade aufweisen kann,
wobei bevorzugt der mindestens eine Kühlluftpfad oder mehrere Kühlluftpfade durch den mindestens einen Gaslager und/oder durch mehrere Gaslager der Kompressionseinheit bereitgestellt sein kann/können.
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Das Brennstoffzellensystem im Rahmen der Erfindung kann mindestens einen oder mehrere Brennstoffzellenstapel, sog. Brennstoffzellenstacks, mit jeweils mehreren gestapelten Wiederholeinheiten in Form von Brennstoffzellen, bspw., PEM-Brennstoffzellen, aufweisen.
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Das Brennstoffzellensystem im Rahmen der Erfindung kann vorteilhafterweise für mobile Anwendungen, wie bspw. in Kraftfahrzeugen, oder für stationäre Anwendungen, wie bspw. in Generatoranlagen, verwendet werden.
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Die erfindungsgemäße Idee liegt darin, dass die Abluftrückführung in die Zuluft mithilfe der Kompressionseinheit bereitgestellt wird. Die Luftverbindung im Rahmen der Erfindung kann ebenfalls als Abluftrückführung bezeichnet werden. Die Luftverbindung im Rahmen der Erfindung kann mindestens eine Leitung umfassen. Bspw. kann die Abluftrückführung bzw. die Luftverbindung über die Lager, insbesondere Gaslager, an den rotierenden Rotor-Welle-Einheiten der Kompressionseinheit bereitgestellt werden. Durch die Luftverbindung gelang die Abluft, ggf. gemischt mit einer Bypassluft wieder in die Zuluft, vorzugsweise über die Gaslager der Kompressionseinheit.
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Mithilfe der Erfindung können mehrere vorteilhafte Funktionen bereitgestellt werden.
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Zum einen kann die Luftverbindung für eine Kühlung des mindestens einen Gaslagers der Kompressionseinheit verwendet werden. Dies ist energetisch deutlich effizienter als die Entnahme einer Luft für die Kühlung aus der Zuluft.
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Mithilfe der Erfindung können außerdem weitere vorteilhafte Funktionen bereitgestellt werden:
- - Sauerstoffverarmung und/oder Inertisierung der Zuluft,
- - Rezirkulation der Zuluft und/oder Homogenisierung in einem Kathodenpfad durch den Stack,
- - Befeuchtung der Zuluft mittels Abluft bzw. Abgasrückführung,
- - Sauerstoffzudosierung in die Zuluft, z.B. bei Gefrierstart,
- - Trocknung des Kathodensystems usw.
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Die Funktionen, die mithilfe der Erfindung ermöglicht werden, können auf eine vorteilhafte Weise, nämlich kostenoptimiert, bauraumoptimiert aufwandsreduziert, hoch funktional sowie flexibel verwendbar für unterschiedliche Betriebsstrategien und/oder verschiedene Betriebsfälle bereitgestellt werden, wie z.B.
- - Start, Start-Stopp, Standby,
- - Gefrierstart,
- - Normalbetrieb, Heißlandbetrieb,
- - Regenerationsfunktionen,
- - Diagnose,
- - Standby, und/oder
- - Stopp, Bleed-Down.
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Die Funktionen, die mithilfe der Erfindung ermöglicht werden, können zur Optimierung der Funktionalität und zur Erhöhung der Lebensdauer (bzw. Minimierung der Alterung/Degradation) des Brennstoffzellensystems sowie zur Reduktion des Verbrauchs durch das Brennstoffzellensystem dienen.
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Die Idee kann für nahezu alle Betriebsmodi angewandt werden, kann verschiedene Systemfunktionen realisieren und der Aufwand ist überschaubar gering bzw. klein. Die Absperr-Ventile am Stack bzw. in Stacknähe können dadurch entfallen.
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Vorteile der Erfindung sind unter anderem:
- - reduzierter Aufwand / Kosten / Bauraum minimal für die Realisierung genannter Systemfunktionen,
- - weitere Funktionalitäten ohne signifikanten Mehraufwand,
- - flexibel in vielen/allen Betriebsmodi einsetzbar,
- - Optimierung von Betriebsstrategien,
- - Reduktion der Stack-Degradation beim Abstellvorgang, in Stillstandsphase, in Standby und anderen Betriebspunkten, da Luft-zu-Luft-Starts bzw. Eindringen von Sauerstoff auf die Anodenseite vermieden wird, und da OCV in Stillstandsphasen bzw. Standby-Phasen vermieden wird,
- - Erhöhung der Lebensdauer des Stacks,
- - Verringerter Leistungsverlust über die Lebensdauer,
- - Verbesserte Stack-Auslegung,
- - Kostensenkung,
- - Keine zusätzliche Abgasrückführungs-Pumpen, Luftverdichter, Gebläseeinheiten o.Ä. notwendig,
- - Verbesserte Startfähigkeit des Brennstoffzellensystems, insbesondere auch bei Gefrierstart,
- - Auslegung und Optimierung des Brennstoffzellensystems durch Befeuchtung der Zuluft verbessert insbesondere auch hinsichtlich Abdeckung des kompletten Betriebsbereichs (z.B. Heißland, etc.),
- - die Absperrventile vor und nach dem Stack können entfallen
- - Verbesserung des System-Wirkungsgrades,
- - Homogenisierung in einem Kathodenpfad des Stacks,
- - Verbesserung über Lebenszeit, Diagnosen, etc.
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Ferner kann bei einem Brennstoffzellensystem vorgesehen sein, dass die Luftverbindung von der Abluft zu der Zuluft in einen Bereich der Zuluftleitung stromaufwärts der Kompressionseinheit bereitgestellt ist, und/oder dass die Luftverbindung von der Abluft zu der Zuluft aus einem Bereich der Abluftleitung nach einer Bypassleitung und/oder vor einem Druckregelventil bereitgestellt ist. Auf diese Weise können verbesserte Druckverhältnisse für die Überleitung der Abluft in die Luft genutzt werden. Auch kann dadurch eine Saugwirkung durch die Kompressionseinheit für die Überleitung der Abluft in die Luft ausgenutzt werden. Auf diese Weise können zusätzliche Abgasrückführungs-Pumpen, Luftverdichter, Gebläseeinheiten o.Ä. entfallen.
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Weiterhin kann bei einem Brennstoffzellensystem vorgesehen sein, dass in der Zuluftleitung stromaufwärts der Kompressionseinheit und/oder stromaufwärts einer Einleitstelle der Abluft aus der Luftverbindung in die Zuluft ein, insbesondere regelbares und/oder dichtschließendes, Ventil angeordnet ist. Mithilfe eines solchen Ventils können erweiterte Funktionen mithilfe der Erfindung ermöglicht werden, wie z. B. Sauerstoffverarmung und/oder Inertisierung der Zuluft, gezielte und/oder regelbare Sauerstoffzudosierung in die Zuluft, z.B. bei Gefrierstart, usw.
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Des Weiteren kann bei einem Brennstoffzellensystem vorgesehen sein, dass in der Luftverbindung von der Abluft zu der Zuluft stromaufwärts oder stromabwärts eines Gaslagers ein, insbesondere regelbares und/oder dichtschließendes, Ventil angeordnet ist. Mithilfe eines solchen Ventils können erweiterte Funktionen mithilfe der Erfindung ermöglicht werden, wie z. B. gezielte und/oder regelbare Befeuchtung der Zuluft usw.
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Zudem kann bei einem Brennstoffzellensystem vorgesehen sein, dass die Luftverbindung durch mindestens ein und/oder mehrere Gaslager der Kompressionseinheit bereitgestellt ist, dass die Luftverbindung mindestens einen Kühlluftpfad oder mehrere Kühlluftpfade aufweist, wobei insbesondere der mindestens eine Kühlluftpfad oder mehrere Kühlluftpfade durch den mindestens einen Gaslager und/oder durch mehrere Gaslager der Kompressionseinheit bereitgestellt ist/sind. Auf diese Weise kann eine flexible Gestaltung der Luftverbindung ermöglicht werden.
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Die Kompressionseinheit im Rahmen der Erfindung kann mindestens einen elektromotorisch betriebenen Verdichter und/oder mindestens einen mechanisch, insbesondere mithilfe einer Turbine, angetriebenen Verdichter und/oder mindestens einen elektromotorisch und mechanisch angetriebenen Verdichter in der Zuluftleitung aufweisen. Außerdem kann die Kompressionseinheit im Rahmen der Erfindung mindestens eine Turbine in der Abluftleitung aufweisen. Darüber hinaus ist es denkbar, dass die mindestens eine Turbine in der Abluftleitung in einer Wirkverbindung mit mindestens einem Verdichter in der Zuluftleitung angeordnet sein kann, um den mindestens einen Verdichter beim Verdichten der Zuluft zu unterstützen.
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Ferner sieht die vorliegende Erfindung vor: ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems, welches wie oben beschrieben ausgeführt sein kann, insbesondere mit einer erfindungsgemäßen Luftverbindung, wobei die Luftverbindung dazu verwendet wird, eine Verbindung zwischen der Abluft und der Zuluft bereitzustellen. Mithilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens können die gleichen Vorteile erreicht werden, die oben in Verbindung mit dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem beschrieben wurden. Auf diese Vorteile wird vorliegend vollumfänglich Bezug genommen.
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Weiterhin kann die Luftverbindung von der Abluft zu der Zuluft für eine Kühlung mindestens eines Gaslagers der Kompressionseinheit verwendet werden. Die Funktion kann in allen Betriebsmodi des Brennstoffzellensystems vorteilhaft sein, in denen die Kompressionseinheit betrieben wird. Diese Funktion kann durch die Luftverbindung systeminhärent gewährleistet werden. Vorzugsweise kann zur Regelung der Kühlung ein, insbesondere regelbares und/oder dichtschließendes, Ventil der Luftverbindung verwendet werden.
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Des Weiteren kann die Luftverbindung von der Abluft zu der Zuluft für eine Sauerstoffverarmung und/oder Inertisierung der Zuluft verwendet werden. Für eine Inertisierung der Zuluft können die Ventile stromabwärts der Entnahmestelle in der Abluftleitung und stromaufwärts der Einleitstelle der Abluft aus der Luftverbindung in die Zuluft geschlossen und/oder in einen Abdicht-Modus überführt werden. Für eine Sauerstoffverarmung können die Ventile stromabwärts der Entnahmestelle in der Abluftleitung und stromaufwärts der Einleitstelle der Abluft aus der Luftverbindung in die Zuluft zumindest in eine Teilöffnungs-Stellung gebracht werden. Ist ein Ventil im Verbindungspfad der Luftverbindung angeordnet, dann wird dieses für die Sauerstoffverarmung und/oder Inertisierung der Zuluft geöffnet. Die Kompressionseinheit kann so angesteuert werden, dass die Drehzahlen in einem niedrigen Drehzahlbereich unterhalb einer Mildsurgegrenze für die Drehzahl liegen und/oder dass die Drücke in einem niedrigen Druckbereich unterhalb einer Mildsurgegrenze für den Druck liegen. Dabei kann weiterhin Strom vom Stack gezogen werden, um den Sauerstoff zu verbrauchen bzw. zu verarmen bis hin zu inertisieren. Die Wasserstoffversorgung auf der Anodenseite des Systems oder zumindest die Anodenrezirkulation kann weiterhin erfolgen. Ein Bypassventil kann weiterhin, bspw. alternierend, angesteuert werden, um auch Sauerstoff im Bypasspfad zu entfernen. Diese Funktion kann vorteilhaft sein, bei: Abstellen des Brennstoffzellensystems, Übergang zu Standby-Betrieb, bei Start-Stopp-Betrieb, vor und während Stillstandsphasen des Brennstoffzellensystems.
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Zudem kann die Luftverbindung von der Abluft zu der Zuluft für eine Rezirkulation der Zuluft und/oder Homogenisierung in einem Kathodenpfad durch den Stack verwendet werden. Hierzu kann ein Druckregelventil in der Abluftleitung geschlossen oder teilgeschlossen werden (Ansteuerung nicht im Abdicht-Modus). Ein Ventil stromaufwärts einer Einleitstelle der Abluft aus der Luftverbindung in die Zuluft kann geschlossen oder teilgeschlossen werden (Ansteuerung nicht im Abdicht-Modus). Die Kompressionseinheit kann dabei so angesteuert werden, dass die Drehzahlen in einem niedrigen Drehzahlbereich unterhalb einer Mildsurgegrenze für die Drehzahl liegen und/oder dass die Drücke in einem niedrigen Druckbereich unterhalb einer Mildsurgegrenze für den Druck liegen. Dabei kann weiterhin Strom vom Stack gezogen werden, damit kein OCV auftritt. Ein Bypassventil kann bspw. geschlossen werden (ein Abdicht-Modus ist jedoch nicht erforderlich). Diese Funktion kann vorteilhaft sein für: Diagnosen, SOH-Bestimmung und/oder Regenerationsfunktionen, bspw. in Standby-Phasen, bei Start-Stopp-Betrieb o.Ä.
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Außerdem kann die Luftverbindung von der Abluft zu der Zuluft für eine Befeuchtung der Zuluft verwendet werden. Für diese Funktion können die vorhandenen Ventile entsprechend angesteuert werden, um die Abluft durch die Luftverbindung zu der Zuluft einzuleiten. Diese Funktion kann vorteilhaft sein, bei: Normalbetrieb, dauerhaft oder zeitweise oder abhängig von Betriebsbedingungen und/oder Umgebungsbedingungen, z. B. bei Heißland und/oder hohen Umgebungstemperaturen.
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Ferner kann die Luftverbindung, insbesondere ein, insbesondere regelbares und/oder dichtschließendes, Ventil stromaufwärts einer Einleitstelle der Abluft aus der Luftverbindung in die Zuluft, für eine Sauerstoffzudosierung in die Zuluft verwendet werden. Hierzu kann ein Ventil vor der Einleitstelle der Abluft aus der Luftverbindung in die Zuluft entsprechend angesteuert werden (geöffnet und/oder teilgeöffnet, bspw. mit einem gewünschten Teil-Strömungsquerschnitt und/oder für eine bestimmte Zeit, ggf. getaktet und/oder periodisch). Ein Druckregelventil in der Abluftleitung kann ebenfalls entsprechend angesteuert werden (geöffnet und/oder teilgeöffnet, bspw. mit einem gewünschten Teil-Strömungsquerschnitt und/oder für eine bestimmte Zeit, ggf. getaktet und/oder periodisch). Bei der Ansteuerung der Ventile ist ggf. eine Phasenverschiebung möglich. Die Kompressionseinheit kann so angesteuert werden, dass die Drehzahlen in einem niedrigen Drehzahlbereich unterhalb einer Mildsurgegrenze für die Drehzahl liegen und/oder dass die Drücke in einem niedrigen Druckbereich unterhalb einer Mildsurgegrenze für den Druck liegen. Der Stack-Strom kann entsprechend der Sauerstoffzudosierung gezogen werden, damit kein OCV auftritt. Ein Bypassventil kann geregelt werden (oder alternativ zu oder ggf. alternierend angesteuert werden). Diese Funktion kann bei einem Start, insbesondere bei einem Gefrierstart (Sauerstoffverarmtes Gefrierstartverfahren) und/oder für Diagnosefunktionen (z.B. SOH) des Systems vorteilhaft sein.
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Weiterhin kann die Luftverbindung von der Abluft zu der Zuluft für eine Trocknung des Kathodensystems verwendet werden. Hierzu kann ein Druckregelventil in der Abluftleitung geöffnet werden. Ein Ventil vor der Einleitstelle der Abluft aus der Luftverbindung in die Zuluft kann auch geöffnet werden. Die Kompressionseinheit kann entsprechend angesteuert werden. Ein Bypassventil kann voll geöffnet werden. Der Stack-Strom kann gezogen werden, damit kein OCV auftritt. Diese Funktion kann beim Abstellen des Systems, insbesondere bei tieferen Temperaturen (Gefriergefahr), aber auch in Stillstandsphasen, bspw. über eine Wake-up-Funktion, vorteilhaft sein.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele:
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Die Erfindung und deren Weiterbildungen sowie deren Vorteile werden nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen jeweils schematisch:
- 1 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems,
- 2 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems im Sinne der Erfindung im Vergleich zu 1,
- 3 eine schematische Darstellung eines weiteren Bren nstoffzel lensystems,
- 4 eine schematische Darstellung eines weiteren Brennstoffzellensystems im Sinne der Erfindung im Vergleich zu 3,
- 5 eine schematische Darstellung eines weiteren Brennstoffzellensystems, und
- 6 eine schematische Darstellung eines weiteren Brennstoffzellensystems im Sinne der Erfindung im Vergleich zu 5.
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Die 2, 4 und 6 zeigen jeweils ein Brennstoffzellensystem 100 im Sinne der Erfindung. Die 1, 3, und 5 stellen den Stand der Technik für verschiedene Topologien dar.
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Das Brennstoffzellensystem 100 im Sinne der Erfindung weist folgende Elemente auf:
- - mindestens einen Brennstoffzellenstapel 101
- - und ein Kathodensystem 10 zum Bereitstellen eines sauerstoffhaltigen Reaktanten in Form einer Zuluft L1,
wobei das Kathodensystem 10 - - eine Zuluftleitung 11 zum Bereitstellen der Zuluft L1 an den mindestens einen Brennstoffzellenstapel 101
- - und eine Abluftleitung 12 zum Abführen einer Abluft L2 von dem mindestens einen Brennstoffzellenstapel 101
aufweist, - - wobei in der Zuluftleitung 11 eine Kompressionseinheit KE zum Verdichten der Zuluft L1 vorgesehen ist,
- - und wobei zwischen der Abluftleitung 12 und der Zuluftleitung 11 des Kathodensystems 10 eine Luftverbindung LV von der Abluft L2 zu der Zuluft L1 vorgesehen ist,
die durch die Kompressionseinheit KE bereitgestellt ist,
insbesondere durch mindestens ein und/oder mehrere Gaslager der Kompressionseinheit KE,
wobei vorzugsweise die Luftverbindung LV mindestens einen Kühlluftpfad KP oder mehrere Kühlluftpfade KP aufweisen kann,
wobei bevorzugt der mindestens eine Kühlluftpfad KP oder mehrere Kühlluftpfade KP durch den mindestens einen Gaslager und/oder durch mehrere Gaslager der Kompressionseinheit KE bereitgestellt sein kann/können.
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Das Brennstoffzellensystem 100 kann für mobile Anwendungen, wie bspw. in Kraftfahrzeugen, oder für stationäre Anwendungen, wie bspw. in Generatoranlagen, verwendet werden. Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem 100 kann mindestens einen oder mehrere Brennstoffzellenstapel 101, sog. Brennstoffzellenstacks, mit jeweils mehreren gestapelten Wiederholeinheiten in Form von mehreren Brennstoffzellen 101, bspw., PEM-Brennstoffzellen, aufweisen.
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Das Brennstoffzellensystem 100 umfasst somit ein Kathodensystem 10 mit einer Zuluftleitung 11 zum Stack 101 und einer Abluftleitung 12 vom Stack 101. Am Eingang der Zuluftleitung 11 wird zumeist ein Luftfilter AF angeordnet, um schädliche chemische Substanzen und Partikel zu filtern bzw. deren Eintritt ins System 100 zu verhindern.
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Die Kompressionseinheit KE im Kathodensystem 10 dient dazu, die Luft aus der Umgebung U anzusaugen und in Form einer Zuluft L1 an den Stack 101 bereitzustellen. Nach dem Durchlauf des Stacks 101 wird eine Abluft L2 aus dem Stack 101 wieder an die Umgebung U abgelassen.
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Die Kompressionseinheit KE kann mindestens einen elektromotorisch betriebenen Verdichter V1 (vgl. 2 und 6) und/oder mindestens einen mechanisch, insbesondere mithilfe einer Turbine T1, angetriebenen Verdichter V3 und/oder mindestens einen elektromotorisch und mechanisch, insbesondere mithilfe einer Turbine T2, angetriebenen Verdichter V2 in der Zuluftleitung 11 aufweisen.
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Zudem kann die Kompressionseinheit KE mindestens eine Turbine T1, T2 in der Abluftleitung 12 aufweisen, die in einer Wirkverbindung mit mindestens einem Verdichter in der Zuluftleitung 11 angeordnet ist, um den mindestens einen Verdichter beim Verdichten der Zuluft L1 zu unterstützen.
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Wie es die 1 bis 6 andeuten, können/kann stromabwärts nach der Kompressionseinheit KE mindestens ein Zuluftkühler IC, ein Wärmetauscher HE und/und ein optionaler Befeuchter HM vorgesehen sein.
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Vor und nach dem Brennstoffzellenstapel bzw. Stack 101 können Absperrventile SV1, SV2 vorgesehen sein. Zudem kann in der Abluftleitung 12 ein Ventil CVexh als Druckregler vorgesehen sein.
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Zwischen der Zuluftleitung 11 und der Abluftleitung 12 kann eine Bypassleitung 13 mit einem Bypassventil ByCath vorgesehen sein.
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Die Erfindung schlägt eine Abluftrückführung in die Zuluft L1 mithilfe der Kompressionseinheit KE vor. Die Luftverbindung LV kann ebenfalls als Abluftrückführung bezeichnet werden und mindestens eine Leitung umfassen. Bspw. kann die Luftverbindung LV über die Lager, insbesondere Gaslager, an den rotierenden Rotor-Welle-Einheiten der Kompressionseinheit KE bereitgestellt werden. Die Gaslager können radiale Lager und/oder axiale Lager umfassen, die mindestens einen oder mehrere Luftpfade für die Luftverbindung LV bilden.
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Durch die Luftverbindung LV kann die Abluft L2, ggf. gemischt mit einer Bypassluft wieder in die Zuluft L1, vorzugsweise über die Gaslager der Kompressionseinheit KE, bereitgestellt werden.
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Mithilfe der Luftverbindung LV zwischen der Abluft L2 und der Zuluft L1 können mehrere vorteilhafte Funktionen bereitgestellt werden.
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Zum einen kann die Luftverbindung LV für eine Kühlung des mindestens einen Gaslagers der Kompressionseinheit KE verwendet werden. Die erfindungsgemäße Lösung, die Entnahme einer Luft für die Kühlung aus der Abluft L2 (vgl. 2, 4, 6), ist energetisch deutlich effizienter als die Entnahme einer Luft für die Kühlung aus der Zuluft L1 (vgl. 1, 3, 5). Vorzugsweise kann zur Regelung der Kühlung ein, insbesondere regelbares und/oder dichtschließendes, Ventil CVBear der Luftverbindung LV verwendet werden.
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Mithilfe der Luftverbindung LV zwischen der Abluft L2 und der Zuluft L1 können außerdem weitere vorteilhafte Funktionen bereitgestellt werden:
- - Sauerstoffverarmung und/oder Inertisierung der Zuluft L1,
- - Rezirkulation der Zuluft L1 und/oder Homogenisierung in einem Kathodenpfad durch den Stack 101,
- - Befeuchtung der Zuluft L1 mittels Abluft L2,
- - Sauerstoffzudosierung in die Zuluft L1, z.B. bei Gefrierstart,
- - Trocknung des Kathodensystems 10 usw.
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Die Funktionen, die mithilfe der Luftverbindung LV zwischen der Abluft L2 und der Zuluft L1 ermöglicht werden, können kostenoptimiert, bauraumoptimiert aufwandsreduziert, hoch funktional sowie flexibel verwendbar für unterschiedliche Betriebsstrategien und/oder verschiedene Betriebsfälle bereitgestellt werden, wie z.B.
- - Start, Start-Stopp, Standby,
- - Gefrierstart,
- - Normalbetrieb, Heißlandbetrieb,
- - Regenerationsfunktionen,
- - Diagnose,
- - Standby, und/oder
- - Stopp, Bleed-Down.
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Die Funktionen, die mithilfe der Luftverbindung LV zwischen der Abluft L2 und der Zuluft L1 ermöglicht werden, können zur Optimierung der Funktionalität und zur Erhöhung der Lebensdauer (bzw. Minimierung der Alterung/Degradation) des Brennstoffzellensystems 100 sowie zur Reduktion des Verbrauchs durch das Brennstoffzellensystem 100 dienen.
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Vorteile der Erfindung sind unter anderem:
- - reduzierter Aufwand / Kosten / Bauraum minimal für die Realisierung genannter Funktionen,
- - weitere Funktionalitäten ohne signifikanten Mehraufwand,
- - flexibel in vielen/allen Betriebsmodi einsetzbar,
- - Optimierung von Betriebsstrategien,
- - Reduktion der Stack-Degradation beim Abstellvorgang, in Stillstandsphase, in Standby und anderen Betriebspunkten, da Luft-zu-Luft-Starts bzw. Eindringen von Sauerstoff auf die Anodenseite vermieden wird, und da OCV in Stillstandsphasen bzw. Standby-Phasen vermieden wird,
- - Erhöhung der Lebensdauer des Stacks 101,
- - Verringerter Leistungsverlust über die Lebensdauer,
- - Verbesserte Stack-Auslegung,
- - Kostensenkung,
- - Keine zusätzliche Abgasrückführungs-Pumpen, Luftverdichter, Gebläseeinheiten o.Ä. notwendig,
- - Verbesserte Startfähigkeit des Brennstoffzellensystems, insbesondere auch bei Gefrierstart,
- - Auslegung und Optimierung des Brennstoffzellensystems 100 durch Befeuchtung der Zuluft L1 verbessert insbesondere auch hinsichtlich Abdeckung des kompletten Betriebsbereichs (z.B. Heißland, etc.),
- - die Absperrventile SV1, SV2 vor und nach dem Stack können entfallen (vgl. 2 und 6),
- - Verbesserung des System-Wirkungsgrades,
- - Homogenisierung in einem Kathodenpfad bzw. Kathode des Stacks 101,
- - Verbesserung über Lebenszeit, Diagnosen, etc.
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Wie es die 2, 4, und 6 andeuten, kann die Luftverbindung LV von der Abluft L2 zu der Zuluft L1 in einen Bereich der Zuluftleitung 11 stromaufwärts der Kompressionseinheit KE bereitstellen.
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Wie es die 2, 4, und 6 ferner andeuten, kann die Luftverbindung LV von der Abluft L2 zu der Zuluft L1 aus einem Bereich der Abluftleitung 12 nach der Bypassleitung 13 und/oder vor dem Druckregelventil CVexh bereitstellen.
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Wie es die 2, 4, und 6 weiterhin andeuten, kann in der Zuluftleitung 11 stromaufwärts der Kompressionseinheit KE und/oder stromaufwärts einer Einleitstelle der Abluft L2 aus der Luftverbindung LV in die Zuluft L1 ein, insbesondere regelbares und/oder dichtschließendes, Ventil CVin angeordnet sein.
Wie es die 2, 4, und 6 des Weiteren andeuten, kann in der Luftverbindung LV von der Abluft L2 zu der Zuluft L1 stromaufwärts oder stromabwärts (nicht dargestellt) eines Gaslagers ein, insbesondere regelbares und/oder dichtschließendes, Ventil CVBear angeordnet sein.
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Im Rahmen der Erfindung ist es denkbar, dass die Luftverbindung LV durch mindestens ein und/oder mehrere Gaslager der Kompressionseinheit KE bereitgestellt werden kann. Die Luftverbindung LV kann dabei mindestens einen Kühlluftpfad KP oder mehrere Kühlluftpfade KP aufweisen. Der mindestens eine Kühlluftpfad KP oder mehrere Kühlluftpfade KP kann/können wiederum durch den mindestens einen Gaslager und/oder durch mehrere Gaslager der Kompressionseinheit KE bereitgestellt werden.
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Ferner sieht die vorliegende Erfindung vor: ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems 100, welches wie oben beschrieben ausgeführt sein kann, insbesondere mit einer erfindungsgemäßen Luftverbindung LV, wobei die Luftverbindung LV dazu verwendet wird, eine Verbindung zwischen der Abluft L2 und der Zuluft L1 bereitzustellen.
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Weiterhin kann die Luftverbindung LV von der Abluft L2 zu der Zuluft L1 für eine Kühlung des mindestens einen Gaslagers der Kompressionseinheit KE verwendet werden. Die Funktion kann in allen Betriebsmodi des Brennstoffzellensystems 100 vorteilhaft sein, in denen die Kompressionseinheit KE betrieben wird. Diese Funktion kann durch die Luftverbindung LV systeminhärent gewährleistet werden. Wenn dabei das Ventil CVBear vorhanden ist, darf es nicht komplett zugemacht werden bzw. darf nur unterhalb einer Drehzahl (oder anderen Bedingungen) zugemacht werden, für die eine Kühlung des mindestens einen Gaslagers der Kompressionseinheit KE nicht notwendig ist.
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Des Weiteren kann die Luftverbindung LV von der Abluft L2 zu der Zuluft L1 für eine Sauerstoffverarmung und/oder Inertisierung der Zuluft L1 verwendet werden. Für eine Inertisierung der Zuluft L1 können die Ventile CVexh, CVin geschlossen und/oder in einen Abdicht-Modus überführt werden. Für eine Sauerstoffverarmung der Zuluft L1 reicht es, wenn die die Ventile CVexh, CVin teilgeschlossen werden. In beiden Fällen (für eine Sauerstoffverarmung und/oder Inertisierung der Zuluft L1) kann das Ventil CVbear geöffnet werden. Die Kompressionseinheit KE kann so angesteuert werden, dass die Drehzahlen in einem niedrigen Drehzahlbereich unterhalb einer Mildsurgegrenze für die Drehzahl liegen und/oder dass die Drücke in einem niedrigen Druckbereich unterhalb einer Mildsurgegrenze für den Druck liegen. Dabei kann weiterhin Strom vom Stack 101 gezogen werden, um den Sauerstoff zu verbrauchen bzw. zu verarmen bis hin zu inertisieren. Die Wasserstoffversorgung auf der Anodenseite des Systems 100 oder zumindest die Anodenrezirkulation kann weiterhin erfolgen. Das Bypassventil ByCath kann weiterhin, bspw. alternierend, angesteuert werden, um auch Sauerstoff in der Bypassleitung 13 zu entfernen. Falls das Ventil CVBear vorhanden: für diese Funktion öffnen. Diese Funktion kann vorteilhaft sein, bei: Abstellen des Brennstoffzellensystems 100, Übergang zu Standby-Betrieb, bei Start-Stopp-Betrieb, vor und während Stillstandsphasen des Brennstoffzellensystems 100.
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Zudem kann die Luftverbindung LV von der Abluft L2 zu der Zuluft L1 für eine Rezirkulation der Zuluft L1 und/oder Homogenisierung in einem Kathodenpfad durch den Stack 101 verwendet werden. Hierzu kann das Druckregelventil CVexh zugemacht oder in teiloffenen Stellung betrieben, vorzugsweise eigeregelt, werden (Ansteuerung nicht im Abdicht-Modus). Das Ventil CVin, welches in der Zuluftleitung 11 stromaufwärts der Kompressionseinheit KE und/oder stromaufwärts einer Einleitstelle der Abluft L2 aus der Luftverbindung LV in die Zuluft L1 vorgesehen ist, kann zugemacht oder in teiloffenen Stellung betrieben und/oder eingeregelt werden (Ansteuerung nicht im Abdicht-Modus). Die Kompressionseinheit KE kann dabei so angesteuert werden, dass die Drehzahlen in einem niedrigen Drehzahlbereich unterhalb einer Mildsurgegrenze für die Drehzahl liegen und/oder dass die Drücke in einem niedrigen Druckbereich unterhalb einer Mildsurgegrenze für den Druck liegen. Dabei kann weiterhin Strom vom Stack 101 gezogen werden, damit kein OCV auftritt. Ein Bypassventil ByCath kann bspw. geschlossen werden ein Abdicht-Modus ist jedoch nicht erforderlich). Falls das Ventil CVBear vorhanden: für diese Funktion öffnen. Diese Funktion kann vorteilhaft sein für: Diagnosen, SOH-Bestimmung und/oder Regenerationsfunktionen, bspw. in Standby-Phasen, bei Start-Stopp-Betrieb o.Ä.
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Außerdem kann die Luftverbindung LV von der Abluft L2 zu der Zuluft L1 für eine Befeuchtung der Zuluft L1 verwendet werden. Für diese Funktion können die Ventile CVexh, ByCath und die Kompressionseinheit KE entsprechend eingeregelt werden, um die Abluft L2 durch die Luftverbindung LV zu der Zuluft L1 zuzuführen. Falls das Ventil CVBear vorhanden ist: für diese Funktion geregelt (abhängig von einigen Parametern, wie z.B. Temperaturniveaus, Stack-Betrieb, Umgebungsbedingungen). Das Ventil CVBear darf jedoch nur dann komplett zugemacht werden, wenn keine Kühlung der Gaslager durch Gas-Massenstrom mehr notwendig ist. Falls das Ventil CVBear nicht vorhanden ist, wird die Zuluft L1 dauerhaft mit dem Massenstrom der Abluft L2 über die Luftverbindung LV befeuchtet. Diese Funktion kann vorteilhaft sein, bei: Normalbetrieb, dauerhaft oder zeitweise oder abhängig von Betriebsbedingungen und/oder Umgebungsbedingungen, z. B. bei Heißland und/oder hohen Umgebungstemperaturen.
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Ferner kann die Luftverbindung LV, insbesondere ein, insbesondere regelbares und/oder dichtschließendes, Ventil CVin stromaufwärts einer Einleitstelle der Abluft L2 aus der Luftverbindung LV in die Zuluft L1, für eine Sauerstoffzudosierung in die Zuluft L1 verwendet werden. Hierzu kann das Ventil CVin vor der Einleitstelle der Abluft L2 aus der Luftverbindung LV in die Zuluft L1 entsprechend angesteuert werden (geöffnet und/oder teilgeöffnet, bspw. mit einem gewünschten Teil-Strömungsquerschnitt und/oder für eine bestimmte Zeit, ggf. getaktet und/oder periodisch). Ein Druckregelventil CVexh in der Abluftleitung 12 kann ebenfalls entsprechend angesteuert werden (geöffnet und/oder teilgeöffnet, bspw. mit einem gewünschten Teil-Strömungsquerschnitt und/oder für eine bestimmte Zeit, ggf. getaktet und/oder periodisch). Bei der Ansteuerung der Ventile CVin, Cvexh ist ggf. eine Phasenverschiebung möglich. Die Kompressionseinheit KE kann so angesteuert werden, dass die Drehzahlen in einem niedrigen Drehzahlbereich unterhalb einer Mildsurgegrenze für die Drehzahl liegen und/oder dass die Drücke in einem niedrigen Druckbereich unterhalb einer Mildsurgegrenze für den Druck liegen. Der Stack-Strom kann entsprechend der Sauerstoffzudosierung gezogen werden, damit kein OCV auftritt. Ein Bypassventil ByCath kann geregelt werden (oder alternativ zu oder ggf. alternierend angesteuert werden). Falls das Ventil CVBear vorhanden: für diese Funktion öffnen. Diese Funktion kann bei einem Start, insbesondere bei einem Gefrierstart (Sauerstoffverarmtes Gefrierstartverfahren) und/oder für Diagnosefunktionen (z.B. SOH) des Systems vorteilhaft sein.
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Weiterhin kann die Luftverbindung LV von der Abluft L2 zu der Zuluft L1 für eine Trocknung des Kathodensystems 10 verwendet werden. Hierzu kann das Druckregelventil CVexh in der Abluftleitung 12 geöffnet werden. Das Ventil CVin vor der Einleitstelle der Abluft L2 aus der Luftverbindung LV in die Zuluft L1 kann auch geöffnet werden. Die Kompressionseinheit KE kann entsprechend angesteuert werden. Ein Bypassventil ByCath kann voll geöffnet werden. Der Stack-Strom kann gezogen werden, damit kein OCV auftritt. Falls das Ventil CVBear vorhanden: für diese Funktion öffnen. Diese Funktion kann beim Abstellen des Systems, insbesondere bei tieferen Temperaturen (Gefriergefahr), aber auch in Stillstandsphasen, bspw. über eine Wake-up-Funktion, vorteilhaft sein.
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Die voranstehende Beschreibung der Figuren beschreibt die vorliegende Erfindung ausschließlich im Rahmen von Beispielen. Selbstverständlich können einzelne Merkmale der Ausführungsformen, sofern es technisch sinnvoll ist, frei miteinander kombiniert werden, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
