DE102022207799A1 - Method and device for air compression in a fuel cell system and fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Luftverdichtung in einem Brennstoffzellensystem (1), insbesondere in einem mobilen Brennstoffzellensystem (1), unter Verwendung eines Luftverdichters (2), der mittels einer Turbine (3) angetrieben wird. Erfindungsgemäß wird der Luftverdichter (2) ausschließlich mit Hilfe der Turbine (3) angetrieben und die zum Antreiben der Turbine (3) erforderliche Energie wird aus der katalytischen Umsetzung von Wasserstoff, insbesondere von Reinwasserstoff, gewonnen.Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung (10) zur Luftverdichtung für ein Brennstoffzellensystem (1), insbesondere für ein mobiles Brennstoffzellensystem (1), sowie ein Brennstoffzellensystem (1) mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung (10).The invention relates to a method for compressing air in a fuel cell system (1), in particular in a mobile fuel cell system (1), using an air compressor (2) which is driven by a turbine (3). According to the invention, the air compressor (2) is driven exclusively with the aid of the turbine (3) and the energy required to drive the turbine (3) is obtained from the catalytic conversion of hydrogen, in particular pure hydrogen. The invention further relates to a device (10) for air compression for a fuel cell system (1), in particular for a mobile fuel cell system (1), and a fuel cell system (1) with a device (10) according to the invention.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Luftverdichtung in einem Brennstoffzellensystem gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Darüber hinaus betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Luftverdichtung für ein Brennstoffzellensystem gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 8. Da die Erfindung bevorzugt in einem Brennstoffzellensystem zum Einsatz gelangt, wird ferner ein Brennstoffzellensystem mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung vorgeschlagen. Bei dem Brennstoffzellensystem kann es sich insbesondere um ein mobiles Brennstoffzellensystem handeln.The invention relates to a method for air compression in a fuel cell system according to the preamble of claim 1. In addition, the invention relates to a device for air compression for a fuel cell system according to the preamble of
Stand der TechnikState of the art
In einem wasserstoffbasierten Brennstoffzellensystem benötigen die Brennstoffzellen Wasserstoff und Sauerstoff als Reaktionsgase. Diese werden in einer elektrochemischen Reaktion in den Brennstoffzellen in elektrische Energie, Wärme und Wasser gewandelt. Als Sauerstofflieferant dient in der Regel Luft, die der Umgebung entnommen wird. Der ferner benötigte Wasserstoff wird in einem geeigneten Tank bzw. Tanksystem des Brennstoffzellensystems bevorratet.In a hydrogen-based fuel cell system, the fuel cells require hydrogen and oxygen as reaction gases. These are converted into electrical energy, heat and water in an electrochemical reaction in the fuel cells. Air taken from the environment usually serves as the oxygen supplier. The hydrogen required is stored in a suitable tank or tank system of the fuel cell system.
Da die elektrochemische Reaktion in den Brennstoffzellen einen gewissen Luftmassenstrom sowie ein gewisses Druckniveau erfordert, wird die Luft vor Eintritt in die Brennstoffzellen verdichtet. Das Verdichten erfolgt mit Hilfe eines Luftverdichters, wobei es sich üblicherweise um eine elektromotorisch angetriebene Strömungsmaschine handelt. Ergänzend zum elektromotorischen Antrieb kann eine Turbine vorgesehen sein, die über eine Antriebswelle mit dem Elektromotor mechanisch gekoppelt ist und zur Energierückgewinnung die aus den Brennstoffzellen austretende Abluft nutzt. Bei einer mehrstufigen Ausführung des Luftverdichters kann eine Verdichtungsstufe elektromotorisch und eine weitere mit Hilfe einer Turbine angetrieben werden.Since the electrochemical reaction in the fuel cells requires a certain air mass flow and a certain pressure level, the air is compressed before entering the fuel cells. Compression is carried out using an air compressor, which is usually a turbomachine driven by an electric motor. In addition to the electric motor drive, a turbine can be provided, which is mechanically coupled to the electric motor via a drive shaft and uses the exhaust air emerging from the fuel cells to recover energy. In a multi-stage design of the air compressor, one compression stage can be driven by an electric motor and another with the help of a turbine.
Bei der Luftverdichtung in einem Brennstoffzellensystem wird der größte Anteil der vom Luftverdichter benötigten Antriebsleistung nach wie vor elektromotorisch erbracht. Die hierbei zum Einsatz gelangenden hochdrehenden elektrischen Maschinen müssen mit elektrischer Energie versorgt werden. Hierzu werden in der Regel 15 % bis 20 % der elektrischen Leistung der Brennstoffzellen abgezweigt, was zu Lasten des Gesamtwirkungsgrads des Brennstoffzellensystems geht.When compressing air in a fuel cell system, the majority of the drive power required by the air compressor is still provided by an electric motor. The high-speed electrical machines used here must be supplied with electrical energy. For this purpose, 15% to 20% of the electrical power of the fuel cells is usually diverted, which is at the expense of the overall efficiency of the fuel cell system.
Die vorliegende Erfindung ist mit der Aufgabe befasst, den Gesamtwirkungsgrad eines Brennstoffzellensystems zu verbessern. Zur Lösung der Aufgabe werden das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie die Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 8 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den jeweiligen Unteransprüchen zu entnehmen. Darüber hinaus wird ein Brennstoffzellensystem mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung angegeben.The present invention is concerned with the task of improving the overall efficiency of a fuel cell system. To solve the problem, the method with the features of claim 1 and the device with the features of
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Vorgeschlagen wird ein Verfahren zur Luftverdichtung in einem Brennstoffzellensystem, insbesondere in einem mobilen Brennstoffzellensystem, unter Verwendung eines Luftverdichters, der mittels einer Turbine angetrieben wird. Erfindungsgemäß wird der Luftverdichter ausschließlich mit Hilfe der Turbine angetrieben und die zum Antreiben der Turbine erforderliche Energie wird aus der katalytischen Umsetzung von Wasserstoff, insbesondere von Reinwasserstoff, gewonnen.What is proposed is a method for compressing air in a fuel cell system, in particular in a mobile fuel cell system, using an air compressor that is driven by a turbine. According to the invention, the air compressor is driven exclusively with the help of the turbine and the energy required to drive the turbine is obtained from the catalytic conversion of hydrogen, in particular pure hydrogen.
Da der Luftverdichter ausschließlich durch die Turbine angetrieben wird, entfällt ein elektromotorischer Antrieb. Dadurch verbessert sich die Gesamtenergiebilanz des Brennstoffzellensystems. Insbesondere muss der Wasserstoff nicht erst mit Hilfe der Brennstoffzellen in elektrische Energie gewandelt werden, so dass die Energieflusskette von Wasserstoff auf Druckluft effizienter ist. Die hohe Effizienz bei der Umsetzung von Wasserstoff wird dadurch erzielt, dass der eingesetzte Wasserstoff vollständig für die beabsichtigte Umwandlung in Wärmeenergie genutzt wird und - im Vergleich zur elektrochemischen Reaktion in den Brennstoffzellen - es nicht zu einer unvollständigen Reaktion kommt.Since the air compressor is driven exclusively by the turbine, there is no need for an electric motor drive. This improves the overall energy balance of the fuel cell system. In particular, the hydrogen does not have to be converted into electrical energy using fuel cells, so the energy flow chain from hydrogen to compressed air is more efficient. The high efficiency in the conversion of hydrogen is achieved because the hydrogen used is fully used for the intended conversion into thermal energy and - compared to the electrochemical reaction in the fuel cells - there is no incomplete reaction.
Darüber hinaus ergeben sich weitere Vorteile. Insbesondere ist die Funktion „Luftverdichtung“ nicht mehr an eine Hochvoltversorgung gebunden. Dadurch kann die technische Komplexität reduziert werden und der Luftverdichter kann kompakter gestaltet werden. Des Weiteren kann an mehreren Stellen im elektrischen System des Brennstoffzellensystems eine Reduzierung vorgenommen werden, beispielsweise bei der Dimensionierung eines Hochvolt DC/DC-Wandlers und/oder einer Hochvolt-Batterie.There are also other advantages. In particular, the “air compression” function is no longer tied to a high-voltage supply. This allows the technical complexity to be reduced and the air compressor can be made more compact. Furthermore, a reduction can be made at several points in the electrical system of the fuel cell system, for example when dimensioning a high-voltage DC/DC converter and/or a high-voltage battery.
Bei dem vorgeschlagenen Verfahren wird die aus der katalytischen Umsetzung von Wasserstoff gewonnene Energie zur Erzeugung eines die Turbine antreibenden Luftmassenstroms genutzt. Dieser wird mittels der Turbine entspannt, so dass über die Turbine der Luftverdichter antreibbar ist. Diese Antriebsart erlaubt gegenüber einem elektromotorischen Antrieb größere Designfreiheitsgrade, insbesondere bei höheren Drehzahlen. Vergleichbar hohe Drehzahlen würden im Fall eines elektromotorischen Antriebs den Aufwand für die Ansteuerung und die Rotorlagerung steigern.In the proposed method, the energy obtained from the catalytic conversion of hydrogen is used to generate an air mass flow that drives the turbine. This is expanded using the turbine so that the air compressor can be driven via the turbine. This type of drive allows greater degrees of design freedom than an electric motor drive, especially at higher speeds. In the case of an electric motor drive, comparably high speeds would increase the effort required for control and rotor bearings.
Gegenüber einem Luftverdichter, der mittels einer Turbine angetrieben wird, welche die Enthalpie aus der feuchten Abluft der Brennstoffzellen nutzt, kann auf einen Wasserabscheider stromaufwärts der Turbine verzichtet werden. Denn der durch katalytische Umsetzung von Wasserstoff erzeugte und der Turbine zugeführte Luftmassenstrom enthält - im Unterschied zur feuchten Abluft der Brennstoffzellen - kein Flüssigwasser.Compared to an air compressor that is driven by a turbine that uses the enthalpy from the moist exhaust air from the fuel cells, there is no need for a water separator upstream of the turbine. In contrast to the moist exhaust air from the fuel cells, the air mass flow generated by the catalytic conversion of hydrogen and fed to the turbine does not contain any liquid water.
Bei dem vorgeschlagenen Verfahren wird Wasserstoff und kein Restwasserstoff verwendet. Bevorzugt wird der Wasserstoff über ein Regelorgan, insbesondere ein Regelventil, einem Wasserstoff-Speicher des Brennstoffzellensystems entnommen. Hierbei kann es sich insbesondere um den Wasserstoff-Speicher handeln, über den die Brennstoffzellen mit Wasserstoff versorgt werden. Dadurch ist sichergestellt, dass zur Durchführung des Verfahrens Wasserstoff, insbesondere Reinwasserstoff, zur Verfügung steht. Der Betrieb erfolgt vorzugsweise oberhalb der Explosionsgrenze von 77 Vol.-%.The proposed process uses hydrogen and no residual hydrogen. The hydrogen is preferably removed from a hydrogen storage unit of the fuel cell system via a control element, in particular a control valve. This can in particular be the hydrogen storage, through which the fuel cells are supplied with hydrogen. This ensures that hydrogen, in particular pure hydrogen, is available to carry out the process. Operation preferably takes place above the explosion limit of 77% by volume.
Weiterhin bevorzugt wird der Wasserstoff zur katalytischen Umsetzung in einem Brenner, insbesondere in einem katalytischen Brenner, flammlos verbrannt, wobei die flammlose Verbrennung in Anwesenheit von Sauerstoff erfolgt. Ein wesentlicher Aspekt der flammlosen Verbrennung ist, dass das Abgas frei von Schadstoffen ist. Dies stellt insbesondere einen Vorteil für mobile Brennstoffzellensysteme dar.Furthermore, the hydrogen is preferably burned flameless for the catalytic conversion in a burner, in particular in a catalytic burner, the flameless combustion taking place in the presence of oxygen. A key aspect of flameless combustion is that the exhaust gas is free of pollutants. This is a particular advantage for mobile fuel cell systems.
Katalytische Brenner für die flammlose Verbrennung von Wasserstoff zur Wärmegewinnung sind aus dem Stand der Technik bekannt. Sie können ein Trägergitter umfassen, das mit einem Katalysator, insbesondere einem platinbasierten Katalysator, beschichtet ist, der zur Selbstentzündung des vorbeiströmenden Wasserstoffs führt.Catalytic burners for the flameless combustion of hydrogen to generate heat are known from the prior art. They can comprise a support grid that is coated with a catalyst, in particular a platinum-based catalyst, which leads to the spontaneous ignition of the hydrogen flowing past.
Vorteilhafterweise findet die Verbrennung von Wasserstoff im Brenner nicht nur flammlos, sondern auch weitgehend drucklos statt. Dies ist der Fall, wenn der Brenner einen vergleichsweise großen Strömungsquerschnitt aufweist, der durch das mit dem Katalysator beschichtete Trägergitter nur unwesentlich eingeschränkt wird.Advantageously, the combustion of hydrogen in the burner takes place not only without flame, but also largely without pressure. This is the case if the burner has a comparatively large flow cross section, which is only insignificantly restricted by the support grid coated with the catalyst.
Bevorzugt wird Luft, insbesondere Umgebungsluft, als Sauerstofflieferant genutzt. Diese kann bei Bedarf mit Hilfe eines Gebläses dem Brenner zugeführt werden. Sofern die Verbrennung im Brenner weitgehend drucklos erfolgt, kann ein Gebläse mit vergleichsweise geringer Leistungsaufnahme verwendet werden, beispielsweise ein Gebläse mit einem 12V-Antrieb. Der durch das Gebläse verursachte zusätzliche Aufwand ist demnach gering.Air, especially ambient air, is preferably used as an oxygen supplier. If necessary, this can be fed to the burner with the help of a fan. If combustion in the burner takes place largely without pressure, a fan with a comparatively low power consumption can be used, for example a fan with a 12V drive. The additional effort caused by the blower is therefore low.
Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass der Brenner bei Bedarf mit Hilfe einer elektrischen Heizeinrichtung beheizt wird. Bedarf kann beispielsweise bei einer Betauung der mit dem Katalysatormaterial beschichteten Oberflächen des Brenners gegeben sein. Durch Beheizen können dann die betauten Oberflächen freigelegt werden. Eine Betauung der Oberflächen kann insbesondere im Abstellfall auftreten, so dass der Brenner beim erneuten Starten beheizt bzw. vorgeheizt werden muss. Im Betrieb des Brenners sind die Temperaturen in der Regel so hoch, dass keine zusätzliche Beheizung erforderlich ist. Zum Beheizen kann eine 12V-Heizeinrichtung eingesetzt werden, so dass der durch die elektrische Heizeinrichtung verursachte zusätzliche Aufwand gering ist.Furthermore, it is suggested that the burner be heated, if necessary, using an electrical heating device. There may be a need, for example, for condensation on the surfaces of the burner coated with the catalyst material. The condensed surfaces can then be exposed by heating. Condensation on the surfaces can occur, especially when the burner is switched off, so that the burner must be heated or preheated when it is restarted. When the burner is in operation, the temperatures are usually so high that no additional heating is required. A 12V heater can be used for heating, so that the additional effort caused by the electric heater is low.
Bevorzugt wird mit Hilfe der durch die katalytische Umsetzung von Wasserstoff gewonnenen Wärmeenergie eine Turbineneintrittstemperatur von maximal 200°C bis 400°C erreicht. Das Temperaturniveau am Turbineneintritt ist demnach vergleichsweise niedrig, so dass die Anforderungen hinsichtlich der Temperaturbeständigkeit der Turbine gering sind. Bei der flammlosen („kalten“) Verbrennung werden im Brenner in der Regel Reaktionstemperaturen von maximal 400°C erreicht, so dass am Turbineneintritt ähnliche Temperaturen herrschen. In einem klassischen Brenner werden dagegen Temperaturen um die 1000°C erreicht, was die Bildung von Schadstoffen im Abgas, insbesondere von Stickoxiden, begünstigt. Die flammlose („kalte“) Verbrennung ist dagegen im Wesentlichen schadstofffrei.A turbine inlet temperature of a maximum of 200°C to 400°C is preferably achieved with the help of the thermal energy obtained through the catalytic conversion of hydrogen. The temperature level at the turbine inlet is therefore comparatively low, so that the requirements with regard to the temperature resistance of the turbine are low. During flameless (“cold”) combustion, reaction temperatures of a maximum of 400°C are usually reached in the burner, so that similar temperatures prevail at the turbine inlet. In a classic burner, on the other hand, temperatures of around 1000°C are reached, which promotes the formation of pollutants in the exhaust gas, especially nitrogen oxides. Flameless (“cold”) combustion, on the other hand, is essentially free of pollutants.
Bei einer maximalen Temperatur von 200°C bis 400°C am Turbineneintritt, werden am Turbinenaustritt Temperaturen um die 80°C bis 100°C erreicht. Die Temperatur am Turbinenaustritt liegt demnach auf einem nutzbaren Niveau, insbesondere auf Brennstoffzellen-Temperaturniveau.With a maximum temperature of 200°C to 400°C at the turbine inlet, temperatures of around 80°C to 100°C are reached at the turbine outlet. The temperature at the turbine outlet is therefore at a usable level, in particular at the fuel cell temperature level.
In Weiterbildung der Erfindung wird daher vorgeschlagen, dass die am Turbinenaustritt vorhandene Restwärmeenergie zum Konditionieren eines Mediums, insbesondere eines Kühlmediums eines Kühlsystems, genutzt wird. Das Brennstoffzellensystem kann somit bei einem Kalt- oder Gefrierstart schneller auf Betriebstemperatur gebracht werden. Entsprechend verbessert sich das Kalt- bzw. Gefrierstartverhalten des Brennstoffzellensystems. Dazu trägt ferner bei, dass über den turbinengetriebenen Luftverdichter der geforderte Luftmassenstrom und das geforderte Druckniveau effizienter zur Verfügung gestellt werden können als über einen elektromotorisch angetriebenen Verdichter, da Wasserstoff direkt in Wärmeenergie zum Antreiben der Turbine und damit zum Antreiben des Verdichters umgesetzt wird und nicht erst mit Hilfe der hochfahrenden Brennstoffzellen in elektrische Energie gewandelt werden muss. Sofern die elektrische Energie einer Batterie entnommen wird, muss auch diese zuvor mit Hilfe der Brennstoffzellen aus Wassersoff erzeugt werden.In a further development of the invention, it is therefore proposed that the residual heat energy present at the turbine outlet is used to condition a medium, in particular a cooling medium of a cooling system. The fuel cell system can therefore be brought to operating temperature more quickly during a cold or freezing start. The cold or freeze start behavior of the fuel cell system improves accordingly. A further contribution to this is that the required air mass flow and the required pressure level can be provided more efficiently via the turbine-driven air compressor than via an electric motor-driven compressor, since hydrogen is converted directly into heat energy to drive the turbine and thus to drive the compressor and not first must be converted into electrical energy with the help of the high-speed fuel cells. If the electrical energy is one If the battery is removed, it must first be generated from hydrogen using the fuel cells.
Die darüber hinaus für ein Brennstoffzellensystem, insbesondere für ein mobiles Brennstoffzellensystem, vorgeschlagene Vorrichtung zur Luftverdichtung weist einen Luftverdichter und eine Turbine zum Antreiben des Luftverdichters auf. Erfindungsgemäß ist die Turbine alleiniger Antrieb des Luftverdichters und zum Antreiben der Turbine ist ein Brenner, insbesondere ein katalytischer Brenner, zur Umsetzung von Wasserstoff, insbesondere von Reinwasserstoff, in Wärmeenergie vorgesehen.The air compression device, which is also proposed for a fuel cell system, in particular for a mobile fuel cell system, has an air compressor and a turbine for driving the air compressor. According to the invention, the turbine is the sole drive of the air compressor and a burner, in particular a catalytic burner, for converting hydrogen, in particular pure hydrogen, into thermal energy is provided to drive the turbine.
Die Vorrichtung ist insbesondere zur Durchführung des zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet, so dass die gleichen Vorteile erzielbar sind. Insbesondere wird durch den Wegfall eines elektromotorischen Antriebs des Luftverdichters die Effizienz bei der Luftverdichtung gesteigert. Entsprechend verbessert sich der Gesamtwirkungsgrad des Brennstoffzellensystems. In der Folge kann anteilig die Leistung der Brennstoffzellen reduziert werden. Alternativ oder ergänzend können einzelne Komponenten kleiner dimensioniert werden. Dies gilt insbesondere für Komponenten des elektrischen Systems, da dieses nicht mehr die elektrische Leistung für den Antrieb des Luftverdichters bereitstellen muss. Beispielsweise kann die Kapazität einer Hochvoltbatterie reduziert und/oder der Leistungsbedarf eines Hochvolt-DC/DC-Wandlers gesenkt werden.The device is particularly suitable for carrying out the previously described method according to the invention, so that the same advantages can be achieved. In particular, the elimination of an electric motor drive for the air compressor increases the efficiency of air compression. The overall efficiency of the fuel cell system improves accordingly. As a result, the performance of the fuel cells can be proportionally reduced. Alternatively or additionally, individual components can be made smaller. This applies in particular to components of the electrical system, as this no longer has to provide the electrical power to drive the air compressor. For example, the capacity of a high-voltage battery can be reduced and/or the power requirement of a high-voltage DC/DC converter can be reduced.
Die vorgeschlagene Vorrichtung zeichnet sich ferner durch eine vergleichsweise geringe technische Komplexität aus, insbesondere im Vergleich zu einem Luftverdichter mit einer hochdrehenden elektrischen Maschine als Antrieb. Dies erleichtert die Integration der Vorrichtung in ein Brennstoffzellensystem. Auf eine Hochvolt-Anbindung und/oder eine Anbindung an einen Wasserkühlkreislauf kann verzichtet werden.The proposed device is also characterized by a comparatively low technical complexity, especially in comparison to an air compressor with a high-speed electric machine as a drive. This facilitates the integration of the device into a fuel cell system. There is no need for a high-voltage connection and/or a connection to a water cooling circuit.
Mit Hilfe des vorgeschlagenen Antriebskonzepts kann der Luftverdichter zudem bei höheren und damit effizienteren Drehzahlen betrieben werden als mit Hilfe eines elektromotorischen Antriebs.With the help of the proposed drive concept, the air compressor can also be operated at higher and therefore more efficient speeds than with the help of an electric motor drive.
Der zur katalytischen Umsetzung von Wasserstoff vorgesehene Brenner ist vorzugsweise ein katalytischer Brenner. Er unterscheidet sich von einem herkömmlichen Brenner durch die maximal erreichbare Reaktionstemperatur. Im herkömmlichen Brenner beträgt diese etwa 1000°C. In einem katalytischen Brenner beträgt die Reaktionstemperatur dagegen maximal 400°C, so dass auch von der „kalten“ Verbrennung gesprochen wird. Ferner erfolgt die Verbrennung von Wasserstoff in einem katalytischen Brenner flammlos sowie weitgehend schadstofffrei.The burner provided for the catalytic conversion of hydrogen is preferably a catalytic burner. It differs from a conventional burner in the maximum achievable reaction temperature. In a conventional burner this is around 1000°C. In a catalytic burner, on the other hand, the reaction temperature is a maximum of 400°C, which is also referred to as “cold” combustion. Furthermore, the combustion of hydrogen in a catalytic burner is flameless and largely free of pollutants.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Brenner über ein Regelorgan, insbesondere ein Regelventil, mit einem Wasserstoff-Speicher verbunden. Für die Wasserstoffversorgung des Brenners wird demnach lediglich ein einfaches Regelorgan benötigt, über das zugleich die Leistung des Luftverdichters regelbar ist.According to a preferred embodiment of the invention, the burner is connected to a hydrogen storage device via a control element, in particular a control valve. To supply the burner with hydrogen, all that is required is a simple control element, which can also be used to regulate the performance of the air compressor.
Ferner bevorzugt weist die Vorrichtung ein Gebläse zur Versorgung des Brenners mit Luft als Sauerstofflieferant auf. Das Gebläse kann beispielsweise ein 12V-Gebläse sein, so dass der zusätzliche Aufwand gering ist.Furthermore, the device preferably has a blower for supplying the burner with air as an oxygen supplier. The blower can be a 12V blower, for example, so that the additional effort is minimal.
Die Vorrichtung kann zudem eine elektrische Heizeinrichtung zum Beheizen des Brenners aufweisen. Durch Beheizen können mit einem Katalysator beschichtete Oberflächen des Brenners im Betauungsfall wieder freigelegt werden, so dass sich vorbeiströmender Wasserstoff hieran selbst entzünden kann. Die Heizeinrichtung kann insbesondere eine 12V-Heizeinrichtung sein, so dass der durch die elektrische Heizeinrichtung verursachte zusätzliche Aufwand gering ist.The device can also have an electrical heating device for heating the burner. By heating, surfaces of the burner coated with a catalyst can be exposed again in the event of condensation, so that hydrogen flowing past them can self-ignite. The heating device can in particular be a 12V heating device, so that the additional effort caused by the electrical heating device is low.
Als weiterbildende Maßnahme wird vorgeschlagen, dass die Turbine austrittseitig über einen Wärmeübertrager mit einem Kühlsystem thermisch gekoppelt ist. Da im Betrieb der Vorrichtung am Austritt der Turbine Temperaturen von 80°C bis 100°C herrschen, kann diese Restwärmeenergie zur Konditionierung des Kühlmediums des Kühlsystems genutzt werden. Dies gilt insbesondere, da die normale Betriebstemperatur des Brennstoffzellensystems sich auf einem sehr ähnlichen Temperaturniveau befindet. Mit Hilfe der Restwärmeenergie kann demnach das Brennstoffzellensystem schneller auf Betriebstemperatur gebracht werden.As a further measure, it is proposed that the turbine be thermally coupled to a cooling system on the outlet side via a heat exchanger. Since temperatures of 80°C to 100°C prevail at the outlet of the turbine during operation of the device, this residual heat energy can be used to condition the cooling medium of the cooling system. This is particularly true since the normal operating temperature of the fuel cell system is at a very similar temperature level. With the help of the residual heat energy, the fuel cell system can be brought to operating temperature more quickly.
Des Weiteren wird ein Brennstoffzellensystem, insbesondere ein mobiles Brennstoffzellensystem, mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Luftverdichtung vorgeschlagen. Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann der Gesamtwirkungsgrad des Brennstoffzellensystems gesteigert werden, da für den Antrieb des Luftverdichters keine hochdrehende elektrische Maschine und damit keine elektrische Leistung benötigt wird, die zuvor mit Hilfe der Brennstoffzellen erzeugt worden ist.Furthermore, a fuel cell system, in particular a mobile fuel cell system, with an air compression device according to the invention is proposed. With the help of the device according to the invention, the overall efficiency of the fuel cell system can be increased, since no high-speed electrical machine and therefore no electrical power is required to drive the air compressor, which was previously generated with the help of the fuel cells.
Die Erfindung und ihre Vorteile werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Diese zeigt eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Luftverdichtung.The invention and its advantages are explained in more detail below with reference to the accompanying drawing. This shows a schematic representation of a fuel cell system with an air compression device according to the invention.
Ausführliche Beschreibung der ZeichnungDetailed description of the drawing
Das schematisch dargestellte Brennstoffzellensystem 1 ist vorzugsweise ein mobiles Brennstoffzellensystem 1, das in ein Fahrzeug (nicht dargestellt) eingebaut ist. Das Brennstoffzellensystem 1 weist einen mehrere Brennstoffzellen umfassenden Brennstoffzellenstapel 9 auf, die über einen Anodenkreis 15 mit Wasserstoff und über einen Luftpfad 11 mit Luft versorgt werden. Der Wasserstoff wird in einem Wasserstoff-Speicher 5 bevorratet und über ein Regelventil 14 einer in den Anodenkreis 15 integrierten Strahlpumpe 16 zur passiven Rezirkulation von Wasserstoff zugeführt. Zur aktiven Rezirkulation ist ferner ein Rezirkulationsgebläse 17 im Anodenkreis 15 vorgesehen. Da aus den Brennstoffzellen austretendes Anodengas noch Restwasserstoff enthält, kann durch Rezirkulation der Wasserstoffverbrauch gesenkt werden.The schematically illustrated fuel cell system 1 is preferably a mobile fuel cell system 1 that is installed in a vehicle (not shown). The fuel cell system 1 has a fuel cell stack 9 comprising several fuel cells, which are supplied with hydrogen via an
Im Luftpfad 11 zur Luftversorgung des Brennstoffzellenstapels 9 ist ein Luftverdichter 2 angeordnet, der den geforderten Luftmassenstrom sowie das geforderte Druckniveau bereitstellt. Da sich beim Verdichten die Luft sehr stark erwärmt, wird sie stromabwärts des Luftverdichters 2 mit Hilfe eines Kühlers 12 gekühlt. Ferner kann - wie in der Figur dargestellt - ein Befeuchter 13 vorgesehen sein. Das Befeuchten der Luft verhindert ein Austrocknen der Membranen der Brennstoffzellen.An air compressor 2 is arranged in the
Der im Luftpfad 11 angeordnete Luftverdichter 2 wird mittels einer Turbine 3 angetrieben, und zwar ausschließlich. Das heißt, dass kein elektromotorischer Antrieb, insbesondere keine hochdrehende elektrische Maschine als Antrieb für den Luftverdichter 2 vorhanden ist. Der Turbine 3 ist ein katalytischer Brenner 6 vorgeschaltet, der über ein Regelorgan 4 in Form eines einfachen Regelventils mit Wasserstoff aus dem Wasserstoff-Speicher 5 versorgbar ist. Der dem Brenner 6 auf diese Weise zugeführte Wasserstoff wird im Brenner flammlos verbrannt. Die Abgase des Brenners 6 werden der Turbine 3 zugeführt und treiben so den mit der Turbine 3 über eine Welle 23 mechanisch gekoppelten Luftverdichter 2 an. Die Komponenten bilden gemeinsam eine erfindungsgemäße Vorrichtung 10 zur Luftverdichtung aus.The air compressor 2 arranged in the
Die am Austritt der Turbine 3 vorhandene Restwärme kann vorliegend zur Konditionierung eines Kühlmediums eines Kühlsystems 7 genutzt werden. Die Turbine 3 ist hierzu über einen Wärmeübertrager 8 mit dem Kühlsystem 7 thermisch gekoppelt. Insbesondere kann bei einem Kaltstart des Brennstoffzellensystems 1 das Kühlmedium des Kühlkreises 7 mit Hilfe der Restwärme aufgeheizt werden. Das Kühlsystem 7 weist eine Pumpe 18 auf, mit deren Hilfe das Kühlmedium durch den Brennstoffzellenstapel 9 gefördert und anschließend einem Kühler 19 zugeführt werden kann. Zur Umgehung des Kühlers 19 ist ein Bypass 20 vorgesehen, der über ein Wegeventil 21 freigegeben werden kann.The residual heat present at the outlet of the
Aus den Brennstoffzellen austretende feuchte Abluft kann einem Kondensator 24 zum Abscheiden von Flüssigwasser zugeführt werden, der in das Kühlsystem 7 integriert ist. Dieses Flüssigwasser kann - wie in der Figur dargestellt - mit Hilfe einer Pumpe 22 dem Befeuchter 13 zugeführt werden und die Kondensationswärme kann an das Kühlmedium abgegeben werden. Die austretende feuchte Abluft wird demnach nicht wie bei vielen bekannten Brennstoffzellensystemen 1 zum Antreiben der Turbine 3 genutzt, so dass ein der Turbine 3 vorgeschalteter Wasserabscheider entfallen kann.Moist exhaust air emerging from the fuel cells can be fed to a
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| DE102022207799.7A DE102022207799A1 (en) | 2022-07-28 | 2022-07-28 | Method and device for air compression in a fuel cell system and fuel cell system |
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2022
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