-
Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem, mit mindestens zwei parallel geschalteten Brennstoffzellensubsystemen, die jeweils einen Brennstoffzellenstapel umfassen, dem Wasserstoff und verdichtete Luft zugeführt wird. Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Verfahren zum Betreiben eines derartigen Brennstoffzellensystems.
-
Stand der Technik
-
Aus der deutschen Patentschrift
DE 10 2008 034 190 B4 ist ein Bausatz für ein Brennstoffzellensystem mit einer Mehrzahl von Brennstoffzellenmodulen bekannt, die zu ihrer Kombination miteinander elektrisch in Reihe schaltbar und/oder miteinander elektrisch parallel schaltbar sind. Die deutsche Patentschrift
DE 10 2008 034 190 B4 offenbart des Weiteren ein Verfahren zur Einstellung der Leistung eines Brennstoffzellensystems unter Verwendung eines derartigen Bausatzes sowie ein Brennstoffzellensystem, hergestellt unter Verwendung eines derartigen Bausatzes. Aus der deutschen Offenlegungsschrift
DE 10 2018 205 288 A1 ist ein Brennstoffzellensystem bekannt, mit einer Brennstoffzelle, einer Luftzuführungsleitung zum Zuführen von Umgebungsluft in die Brennstoffzelle und einer Abluftleitung zum Abführen der reagierten Umgebungsluft aus der Brennstoffzelle, wobei ein Verdichter in der Luftzuführungsleitung angeordnet ist, wobei stromabwärts des Verdichters parallel zu der Brennstoffzelle zumindest ein weiterer Verbraucher von Umgebungsluft angeordnet ist.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Aufgabe der Erfindung ist es, die Effizienz im Betrieb eines Brennstoffzellensystems, mit mindestens zwei parallel geschalteten Brennstoffzellensubsystemen, die jeweils einen Brennstoffzellenstapel umfassen, dem Wasserstoff und verdichtete Luft zugeführt wird, zu erhöhen.
-
Die Aufgabe ist bei einem Brennstoffzellensystem, mit mindestens zwei parallel geschalteten Brennstoffzellensubsystemen, die jeweils einen Brennstoffzellenstapel umfassen, dem Wasserstoff und verdichtete Luft zugeführt wird, dadurch gelöst, dass den Brennstoffzellensubsystemen zur Versorgung der Brennstoffzellenstapel mit verdichteter Luft eine gemeinsame Luftversorgungseinheit vorgeschaltet ist, die über einen Zuluftpfad mit Luft versorgt wird und von der ein Verdichterluftpfad ausgeht, durch den die Brennstoffzellensubsysteme mit verdichteter Luft versorgt werden. Unterschiedlich dimensionierte Luftversorgungseinheiten können modulartig aufgebaut sein. Dann können diese Luftversorgungseinheiten auch als Luftversorgungsmodule bezeichnet werden. Der modulartige Aufbau ermöglicht einen Baukasten mit unterschiedlich ausgelegten Luftversorgungsmodulen und Brennstoffzellensubsystemen, die ebenfalls als Module ausgeführt sein können. Die Luftversorgungseinheit umfasst zur Luftversorgung der Brennstoffzellensubsysteme eine hochdrehende Strömungsmaschine, die auch als elektrischer Luftkompressor bezeichnet wird. Aufgrund des besseren Wirkungsgrades von Brennstoffzellen gegenüber herkömmlichen Verbrennungsmotoren werden mit elektrischen Luftkompressoren Luftmengen auf ein Druckverhältnis von etwa drei bei Volllast verdichtet. Dieses Druckverhältnis hat sich im Hinblick auf Kosten-, Bauraum- und Befeuchtungsanforderungen bei herkömmlichen Brennstoffzellensystemen als vorteilhaft erwiesen. Bei Druckverhältnissen, die größer als drei sind, passen die mit herkömmlichen Brennstoffzellensystem realisierbaren Luftmengen und Luftdrücke nicht mehr optimal zusammen, wodurch sich ein maximal möglicher Verdichterwirkungsgrad verringert. Das betrifft insbesondere Brennstoffzellensysteme mit einer Nettoleistung, die kleiner oder gleich einhundert Kilowatt ist. Mit dem beanspruchten Brennstoffzellensystem können vorteilhaft größere Druckverhältnisse bis zum Beispiel von etwa vier realisiert werden, ohne dass hierbei der Verdichterwirkungsgrad zu gering wird. Durch die parallel geschalteten Brennstoffzellensubsysteme verdoppelt sich die notwendige Luftmenge im Betrieb des Brennstoffzellensystems. Durch die gemeinsame Luftversorgungseinheit kann auch bei einem Druckverhältnis von vier ein hoher Verdichterwirkungsgrad erreicht werden. Bei einem Druckverhältnis von vier wird ein Verdichterrad des Verdichters einer höheren Temperaturbelastung ausgesetzt. Diese höhere Temperaturbelastung muss bei der Auswahl des verwendeten Werkstoffs zur Darstellung des Verdichterrads berücksichtigt werden. Alternativ oder zusätzlich kann vor dem Verdichter Wasser eingespritzt werden.
-
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Brennstoffzellensystems ist dadurch gekennzeichnet, dass die gemeinsame Luftversorgungseinheit mindestens einen elektromotorisch angetriebenen Verdichter umfasst, der mit mindestens einer Turbine kombiniert ist. Bei einem Ausführungsbeispiel umfasst die gemeinsame Luftversorgungseinheit genau einen elektromotorischen angetriebenen Verdichter und genau eine Turbine. Der Verdichter umfasst zum Beispiel ein Verdichterrad. Der Verdichter kann aber auch mehr als ein Verdichterrad, zum Beispiel zwei Verdichterräder, umfassen. Analog kann die Turbine ein Turbinenrad umfassen. Die Turbine kann aber auch mehr als ein Turbinenrad, zum Beispiel zwei Turbinenräder, umfassen. Die Luftversorgungseinheit mit dem elektromotorisch angetriebenen Verdichter und der Turbine ist vorteilhaft im Hinblick auf den im Betrieb des Brennstoffzellensystems zu erwartenden Luftbedarf ausgelegt. Durch die gemeinsame Luftversorgungseinheit für die beiden Brennstoffzellensubsysteme kann die Anzahl der benötigten Komponenten zur Darstellung des Brennstoffzellensystems reduziert werden.
-
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Brennstoffzellensystems ist dadurch gekennzeichnet, dass den Brennstoffzellensubsystemen eine gemeinsame Abgasleitung mit einem Turbinenbypassventil, das verkürzt auch als Bypassventil bezeichnet wird, nachgeschaltet ist. Dadurch kann die Anzahl der benötigten Komponenten weiter reduziert werden. Insbesondere wird nur ein Turbinenbypassventil benötigt.
-
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Brennstoffzellensystems ist dadurch gekennzeichnet, dass von dem Turbinenbypassventil ein Befeuchtungspfad ausgeht, der in den Zuluftpfad mündet. Die Befeuchtung des Brennstoffzellensystems mit den beiden Brennstoffzellensubsystemen kann mit Hilfe des Turbinenbypassventils durch das von in rezirkulierter Abluft oder in rezirkuliertem Abgas befindliche, gasförmige Wasser erfolgen. So kann vorteilhaft das im Brennstoffzellensystem anfallende Wasser zum Befeuchten genutzt werden.
-
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Brennstoffzellensystems ist dadurch gekennzeichnet, dass den Brennstoffzellensubsystemen eine gemeinsame Abwasserleitung mit einer Pumpe nachgeschaltet ist. Dadurch kann die Anzahl der benötigten Komponenten zur Darstellung des Brennstoffzellensystems mit den Brennstoffzellensubsystemen weiter reduziert werden.
-
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Brennstoffzellensystems ist dadurch gekennzeichnet, dass von der Pumpe ein Verdichtereinspritzpfad mit einem Einspritzventil ausgeht, der in den Verdichterluftpfad mündet. Dadurch wird alternativ oder zusätzlich eine Möglichkeit zur Befeuchtung der den Brennstoffzellensubsystemen zugeführten Luft bereitgestellt. Dieses Wasser kann dann vorteilhaft in einem nachfolgenden Ladeluftkühler verdunstet werden. Durch den Verdunstungsprozess innerhalb des Ladeluftkühlers wird der Kühlkreislauf des Brennstoffzellensystems entlastet.
-
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Brennstoffzellensystems ist dadurch gekennzeichnet, dass von der Pumpe ein Zulufteinspritzpfad mit einem Einspritzventil ausgeht, der in den Zuluftpfad mündet. Das vor dem Verdichter zugeführte Wasser verdampft vorteilhaft durch die beim Verdichtungsprozess entstehende Wärme zumindest teilweise. Das führt gleichzeitig dazu, dass sich der normalerweise isentrope Verdichtungsprozess einem isothermen Prozess annähert. Dadurch kann die benötigte Aufnahmeleistung des Verdichters im Betrieb des Brennstoffzellensystems verringert werden.
-
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Brennstoffzellensystems ist dadurch gekennzeichnet, dass in dem Verdichterluftpfad ein gemeinsamer Ladeluftkühler für die beiden Brennstoffzellensubsysteme angeordnet ist.
-
Dadurch kann die Anzahl der benötigten Komponenten für die beiden Brennstoffzellensubsysteme vorteilhaft weiter reduziert werden.
-
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Brennstoffzellensystems ist dadurch gekennzeichnet, dass den Brennstoffzellensubsystemen separate Luftmassenstrommesseinrichtungen vorgeschaltet und separate Druckregelventile nachgeschaltet sind. So wird sichergestellt, dass die beiden Brennstoffzellensubsysteme mit einem jeweils ausreichenden Luftmassenstrom versorgt werden. Mit Hilfe der Signale aus Massenstrommessungen, die mit den Massenstrommesseinrichtungen durchgeführt und in einem entsprechenden Steuergerät ausgewertet werden, das die beiden Druckregelventile ansteuert, können die richtigen Luftmassenströme komfortabel geregelt werden.
-
Die Erfindung betrifft des Weiteren mindestens ein Einzelteil, vorteilhaft mehrere Einzelteile oder alle Einzelteile, für ein vorab beschriebenes Brennstoffzellensystem. Die Einzelteile sind separat handelbar.
-
Bei einem Verfahren zum Betreiben eines vorab beschriebenen Brennstoffzellensystems ist die oben angegebene Aufgabe alternativ oder zusätzlich dadurch gelöst, dass die Brennstoffzellensubsysteme über die gemeinsame Luftversorgungseinheit mit verdichteter Luft versorgt werden. Mit dem vorab beschriebenen Steuergerät können mit Hilfe der Signale aus den vorab beschriebenen Massenstrommessungen die Regelventile im Betrieb des Brennstoffzellensystems effektiv angesteuert werden, um die Luftmassenströme durch die Brennstoffzellensubsysteme zu regeln.
-
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnung verschiedene Ausführungsbeispiele im Einzelnen beschrieben sind.
-
Kurze Beschreibung der Zeichnung
-
In der einzigen beiliegenden Figur ist ein Brennstoffzellensystem mit zwei parallel geschalteten Brennstoffzellensubsystemen schematisch dargestellt, die über eine gemeinsame Luftversorgungseinheit mit verdichteter Luft versorgt werden.
-
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
-
- 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems 1 mit zwei Brennstoffzellensubsystemen 2, 3. Die beiden Brennstoffzellensubsysteme 2, 3 sind in dem Brennstoffzellensystem 1 parallel geschaltet.
-
Die beiden Brennstoffzellensubsysteme 2, 3 des Brennstoffzellensystems 1 werden über eine gemeinsame Luftversorgungseinheit 4 mit verdichteter Luft versorgt. Die Luftversorgungseinheit 4 umfasst einen Verdichter 41, der durch einen elektromotorischen Antrieb 42 angetrieben ist.
-
Die Luftversorgungseinheit 4 umfasst des Weiteren eine Turbine 43. Der Verdichter 41 umfasst zum Beispiel ein Verdichterrad, das drehfest mit einem Turbinenrad der Turbine 43 verbunden ist. Der elektromotorische Antrieb 42 umfasst zum Beispiel einen Elektromotor.
-
Die Turbine 43 der Luftversorgungseinheit 4 kann über ein Turbinenbypassventil 5, das verkürzt auch als Bypassventil bezeichnet wird, umgangen werden. Von dem Bypassventil 5 geht ein Befeuchtungspfad 20 aus, der in einem Zuluftpfad 17 mündet, über den dem Verdichter 41 Luft zugeführt wird. Die zugeführte Luft wird in dem Verdichter 41 verdichtet. Die verdichtete Luft wird über einen Verdichterluftpfad 18 einem Ladeluftkühler 9 zugeführt. In dem Ladeluftkühler 9 wird die verdichtete Luft abgekühlt.
-
Nach dem Ladeluftkühler 9 wird die verdichtete und abgekühlte Luft auf zwei Luftpfade 15, 16 aufgeteilt, die durch Pfeile angedeutet sind. In dem Luftpfad 15 ist eine Luftmassenstrommesseinrichtung 10 angeordnet. In dem Luftpfad 16 ist eine Luftmassenstrommesseinrichtung 11 angeordnet. Die Luftmassenstrommesseinrichtungen 10 und 11 dienen zur Messung der den Brennstoffzellensubsystemen über die Luftpfade 15 und 16 zugeführten Luftmassenströme.
-
Die Brennstoffzellensubsysteme 2 und 3 umfassen jeweils einen Brennstoffzellenstapel 51, 52. Durch Pfeile 53 und 54 ist Wasserstoff angedeutet, der den Brennstoffzellenstapeln 51 und 52 zugeführt wird und dort reagiert. Durch Pfeile 55, 56 und 57, 58 ist Kühlmittel angedeutet, mit welchem die Brennstoffzellenstapel 51 und 52 gekühlt werden.
-
Von den Brennstoffzellensubsystemen 2 und 3 gehen Abgasleitungen aus, in denen jeweils ein Druckregelventil 12, 13 angeordnet ist. Nach den Druckregelventilen 12, 13 wird das Abgas der beiden Brennstoffzellensubsysteme 2, 3 in einem gemeinsamen Abgaspfad 19 zusammengeführt.
-
Das in dem Abgaspfad 19 anfallende Abgas kann in der Turbine 43 entlastet und so zum Antreiben des Verdichters 41 genutzt werden. Über das Bypassventil 5 kann ein Teil des Abgases oder das gesamte Abgas dem Abgaspfad 19 entnommen werden. Das über das Bypassventil 5 entnommene Abgas wird dann über den Befeuchtungspfad 20 dem Zuluftpfad 17 zugeführt.
-
Das in den Brennstoffzellensubsystemen 2, 3 im Betrieb des Brennstoffzellensystems 1 anfallende Wasser wird über einen gemeinsamen Abwasserpfad 21 einer Pumpe 8 zugeführt. Das mit der Pumpe 8 geförderte Wasser wird über einen Pumpenausgang 23 auf einen Verdichtereinspritzpfad 24 und einen Zulufteinspritzpfad 25 aufgeteilt.
-
Die beiden Einspritzpfade 24 und 25 sind optional. Es kann auch nur einer der beiden Einspritzpfade 24, 25 genutzt werden. Es ist auch möglich, die Einspritzpfade 24, 25 ganz wegzulassen und die Befeuchtung alleine über den Befeuchtungspfad 20 zu realisieren.
-
In dem Verdichtereinspritzpfad 24 ist ein Einspritzventil 7 angeordnet. In dem Zulufteinspritzpfad 25 ist ein Einspritzventil 6 angeordnet. Über den Zulufteinspritzpfad 25 mit dem Einspritzventil 6 kann von der Pumpe 8 bereitgestelltes Wasser in den Zuluftpfad 17 eingespritzt werden. Über den Verdichtereinspritzpfad 24 mit dem Einspritzventil 7 kann von der Pumpe 8 bereitgestelltes Wasser in den Verdichterluftpfad 18 eingespritzt werden.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- DE 102008034190 B4 [0002]
- DE 102018205288 A1 [0002]
