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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Luftsystems zur Versorgung mindestens eines Brennstoffzellenstapels mit Luft. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Luftsystem, über das mindestens ein Brennstoffzellenstapel mit Luft versorgbar ist. Ferner wird ein Brennstoffzellensystem mit einem erfindungsgemäßen Luftsystem vorgeschlagen.
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Bevorzugter Anwendungsbereich sind Brennstoffzellen-Fahrzeuge, insbesondere Nutzfahrzeuge.
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Stand der Technik
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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. Der für die Reaktion benötigte Wasserstoff wird in einem geeigneten Tank bzw. Tanksystem des Brennstoffzellensystems bevorratet. Als Sauerstofflieferant dient in der Regel Luft, die der Umgebung entnommen wird.
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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. Die Luftverdichtung kann bei entsprechender Auslegung des Luftverdichters ein- oder mehrstufig sowie ein- oder mehrflutig vorgenommen werden.
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Da sich die Luft beim Verdichten sehr stark erwärmt, wird sie anschließend gekühlt. Zur Kühlung kann ein Kühler in den Zuluftpfad integriert sein. Eine Kühlung und zugleich Befeuchtung kann dadurch erreicht werden, dass gezielt flüssiges Wasser eingespritzt und verdunstet wird. Über den Verdunstungsprozess wird die Luft dann nicht nur befeuchtet, sondern zugleich gekühlt. Alternativ oder ergänzend kann in den Zuluftpfad eine Rezirkulationsleitung münden, über die aus dem Brennstoffzellenstapel austretende feuchte Abluft eingeleitet wird, so dass hierüber eine Befeuchtung der Luft im Zuluftpfad erzielt wird.
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Die gezielte Befeuchtung der Luft im Zuluftpfad, insbesondere das Einbringen von flüssigem Wasser, kann dazu führen, dass unerwünscht große Mengen an flüssigem Wasser in den Luftverdichter eindringen. Die Gefahr ist besonders groß, wenn die Luftverdichtung in mehreren Stufen erfolgt und eine Zwischenkühlung und/oder Zwischenbefeuchtung der Luft vorgesehen ist, so dass die Wasserlast vor der nächsten Verdichtungsstufe steigt.
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Die vorliegende Erfindung ist daher mit der Aufgabe befasst, das Eindringen von unerwünscht großen Mengen an flüssigem Wasser in einen Luftverdichter eines Luftsystems zu verhindern.
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Zur Lösung der Aufgabe werden das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie das Luftsystem mit den Merkmalen des Anspruchs 6 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den jeweiligen Unteransprüchen zu entnehmen. Darüber hinaus wird ein Brennstoffzellensystem mit einem erfindungsgemäßen Luftsystem angegeben.
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Offenbarung der Erfindung
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Vorgeschlagen wird ein Verfahren zum Betreiben eines Luftsystems zur Versorgung mindestens eines Brennstoffzellenstapels mit Luft. Die Luft wird dem Brennstoffzellenstapel über einen Zuluftpfad zugeführt und vorab mit Hilfe mindestens eines in den Zuluftpfad integrierten Luftverdichters verdichtet. Erfindungsgemäß wird mindestens einem Laufrad des Luftverdichters über eine separate Luftleitung gezielt Luft zugeführt und mit Hilfe einer Radrückenbeschaufelung des Laufrads von einer Saugseite auf eine Druckseite gefördert, wobei das Druckniveau der Luft angehoben wird, so dass eine Sperrfunktion in Bezug auf unerwünscht eindringendes Wasser erzielt wird.
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Die Sperrfunktion wird bei dem vorgeschlagenen Verfahren mit Hilfe von Luft realisiert, so dass diese Luft nachfolgend auch als „Sperrluft bezeichnet wird. Zur Erzielung der Sperrfunktion wird das Druckniveau der Luft angehoben, und zwar mit Hilfe einer Radrückenbeschaufelung eines Laufrads. Das heißt, dass die Sperrluft entlang des Radrückens des Laufrads geführt wird, und zwar vorzugsweise von radial innen nach radial außen.
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Die Durchführung des vorgeschlagenen Verfahrens setzt demnach einen Luftverdichter mit mindestens einem eine Radrückenbeschaufelung aufweisenden Laufrad voraus. Vorteilhafterweise ist der Außendurchmesser des Laufrads im Bereich des Radrückens bzw. der Radrückenbeschaufelung größer als in den übrigen Bereichen. Durch den vergrößerten Außendurchmesser der Radrückenbeschaufelung kann das zur Realisierung der Sperrfunktion notwendige Druckniveau der Sperrluft leichter erreicht werden.
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Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass die Luft zur Erzielung der Sperrfunktion stromaufwärts des Luftverdichters vom Luftmassenstrom im Zuluftpfad abgezweigt wird. Die separate Luftleitung ist hierzu vom Zuluftpfad bis zum Radrücken des Laufrads geführt. Durch die räumliche Nähe kann die separate Leitung sehr kurz gehalten werden.
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Die Luft zur Erzielung der Sperrfunktion wird vorzugsweise einem Verdichter-Laufrad des Luftverdichters zugeführt. Das Verdichter-Laufrad kann elektromotorisch und/oder mit Hilfe einer Turbine angetrieben werden. Sofern eine Turbine als Antrieb oder Antriebunterstützung vorgesehen ist, kann - alternativ oder ergänzend - die Luft zur Erzielung der Sperrfunktion einem Turbinen-Laufrad der Turbine zugeführt werden.
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Als weiterbildende Maßnahme wird vorgeschlagen, dass die Luft zur Erzielung der Sperrfunktion mit Hilfe eines Kühlers gekühlt und zur Kühlung des Luftverdichters genutzt wird. Vorzugsweise wird dabei ein Kühler verwendet, der in den Luftverdichter integriert ist. Die Sperrluft besitzt in diesem Fall nicht nur eine Sperrfunktion, sondern zugleich eine Kühlfunktion. Die Kühlleistung eines separaten Kühlkreises zur Kühlung des Luftverdichters kann somit reduziert werden, ggf. kann der separate Kühlkreis entfallen.
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Bevorzugt wird die Luft im Zuluftpfad befeuchtet, beispielsweise durch Rezirkulation der aus dem Brennstoffzellenstapel austretenden Abluft und/oder durch Wassereinspritzung. Wird die rezirkulierte Abluft stromaufwärts des Luftverdichters eingeleitet und/oder das flüssige Wasser stromaufwärts des Luftverdichters in den Zuluftpfad eingespritzt, erhöht sich die Gefahr, dass unerwünscht große Mengen an Wasser in den Luftverdichter eindringen. Die Befeuchtung der Luft im Zuluftpfad stromaufwärts des Luftverdichters kommt insbesondere bei der mehrstufigen Verdichtung vor. In diesem Fall wird in der Regel zwischen zwei Verdichtungsstufen die Luft mittels rezirkulierter Abluft und/oder Wassereinspritzung befeuchtet. In dieser Ausgestaltung eines Luftsystems kommen die Vorteile des vorgeschlagenen Verfahrens daher besonders gut zum Tragen.
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Des Weiteren wird ein Luftsystem zur Versorgung mindestens eines Brennstoffzellenstapels mit Luft vorgeschlagen. Das Luftsystem umfasst einen Zuluftpfad und einen in den Zuluftpfad integrierten Luftverdichter mit mindestens einem Laufrad, das eine Radrückenbeschaufelung aufweist. Die Radrückenbeschaufelung definiert eine Saugseite und eine Druckseite für Luft, die dem Laufrad über eine separate Luftleitung gezielt zuführbar ist.
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Das vorgeschlagene Luftsystem weist demnach alle zur Durchführung des zuvor beschriebenen Verfahrens erforderlichen Komponenten auf, so dass das vorgeschlagene Luftsystem insbesondere zur Durchführung des Verfahrens geeignet bzw. nach dem Verfahren betreibbar ist. Mit dem vorgeschlagenen Luftsystem lassen sich demnach die gleichen Vorteile erzielen. Insbesondere kann das Eindringen von unerwünscht großen Mengen an Wasser in den Luftverdichter verhindert werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung zweigt die separate Luftleitung stromaufwärts des Luftverdichters vom Zuluftpfad ab. Die als Sperrluft benötigte Luft kann demnach dem Zuluftpfad entnommen werden. Zudem kann die separate Luftleitung sehr kurz gehalten werden.
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Das die Radrückenbeschaufelung aufweisende Laufrad kann insbesondere ein Verdichter-Laufrad des Luftverdichters sein. Alternativ oder ergänzend kann das die Radrückenbeschaufelung aufweisende Laufrad ein Turbinen-Laufrad einer Turbine des Luftverdichters sein, sofern der Luftverdichter eine Turbine als Antrieb bzw. als Antriebsunterstützung umfasst. Über die Turbine kann zugleich ein Teil der zum Verdichten eingesetzten Energie zurückgewonnen werden, wenn die Turbine mit der aus dem Brennstoffzellenstapel austretenden Abluft betrieben wird.
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Bevorzugt weist das Laufrad einen Radrücken mit einem Außendurchmesser auf, der größer als ein Außendurchmesser im Bereich eines Luftaustritts des Verdichter-Laufrads oder eines Ablufteintritts des Turbinen-Laufrads ist. Der vergrößerte Außendurchmesser des Radrückens und damit der Radrückenbeschaufelung erleichtert das Fördern der Sperrluft auf das für die Sperrfunktion benötigte Druckniveau.
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Ferner bevorzugt ist in den Luftverdichter ein Kühler integriert. Die als Sperrluft eingesetzte Luft kann anschließend mit Hilfe des integrierten Kühlers abgekühlt werden, so dass sie zur Kühlung des Luftverdichters nutzbar ist. Die Luft besitzt in diesem Fall nicht nur eine Sperrfunktion, sondern darüber hinaus noch eine Kühlfunktion.
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Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass die durch die Radrückenbeschaufelung definierte Saugseite gegenüber der Umgebung mit Hilfe mindestens eines Dichtelements, beispielsweise mit Hilfe eines Wellendichtrings und/oder einer Labyrinthdichtung, abgedichtet ist. Durch diese Maßnahme ist sichergestellt, dass keine Luft aus der Umgebung angesaugt wird, sondern die als Sperrluft dienende Luft der Saugseite über die separate Luftleitung gezielt zugeführt wird.
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In den Zuluftpfad des vorgeschlagenen Luftsystems kann eine Abluft-Rezirkulationsleitung münden und/oder ein Einspritzventil zur Wassereinspritzung integriert sein. Mit Hilfe der rezirkulierten Abluft und/oder dem eingespritzten Wasser kann dann die Luft im Zuluftpfad befeuchtet werden. Sofern die Verdichtung der Luft in mehreren Stufen erfolgt, kann die Befeuchtung der Luft zwischen zwei Stufen vorgenommen werden. Dadurch erhöht sich zwar die Wasserlast für den nachfolgenden Luftverdichter, wenn dessen Laufrad jedoch eine Radrückenbeschaufelung aufweist, der über eine separate Luftleitung Luft als Sperrluft zugeführt wird, kann das Eindringen einer unerwünscht großen Menge an Wasser verhindert werden. Die Vorteile der Erfindung kommen daher insbesondere bei Luftsystemen mit mehrstufiger Luftverdichtung sowie Zwischenbefeuchtung zum Tragen.
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Darüber hinaus wird ein Brennstoffzellensystem mit mindestens einem Brennstoffzellenstapel und einem erfindungsgemäßen Luftsystem zur Versorgung des Brennstoffzellenstapels mit Luft vorgeschlagen. Das Brennstoffzellensystem kann einen oder mehrere Brennstoffzellenstapel umfassen, die parallelgeschaltet sind. Mit Hilfe des vorgeschlagenen Luftsystems können auch mehrere parallelgeschaltete Brennstoffzellenstapel mit Luft versorgt werden.
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Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Luftsystems zur Luftversorgung zweier parallelgeschalteter Brennstoffzellenstapel eines Brennstoffzellensystems und
- 2 einen Längsschnitt durch eine Turbine eines Luftverdichters des Luftsystems der 1.
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Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
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Das dargestellte Luftsystem 1 dient der Luftversorgung von zwei parallelgeschalteten Brennstoffzellenstapeln 2.1, 2.2. Es weist hierzu einen Zuluftpfad 3 auf, in den ein mehrstufiger Luftverdichter 4 integriert ist. Die erste Verdichtungsstufe 4.1 weist ein Verdichter-Laufrad 5 auf, das von einem Elektromotor 17 angetrieben wird. Die zweite Verdichtungsstufe 4.2 weist ein Verdichter-Laufrad 5 auf, das von einem weiteren Elektromotor 17 sowie von einer Turbine 11 angetrieben wird, die mit dem Elektromotor 17 über eine gemeinsame Welle 18 verbunden ist. Über die Turbine 11 kann ein Teil der Verdichterleistung zurückgewonnen werden. Der Turbine 11 wird hierzu über einen Abluftpfad 26 die aus den Brennstoffzellenstapeln 2.1, 2.2 austretende Abluft zugeführt.
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Da sich die Luft beim Verdichten stark erwärmt, ist zwischen den beiden Verdichterstufen 4.1, 4.2 ein Zwischenkühler 19 angeordnet. Stromabwärts der zweiten Verdichterstufe 4.2 ist ein weiterer Kühler 20 vorgesehen.
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Die Luft im Zuluftpfad 3 wird vor ihrem Eintritt in die Brennstoffzellenstapel 2.1, 2.2 nicht nur abgekühlt, sondern auch befeuchtet. Hierfür sind zwei Einspritzventile 15 in den Zuluftpfad 3 integriert, und zwar ein erstes stromabwärts der ersten Verdichtungsstufe 4.1 und ein zweites stromabwärts der zweiten Verdichtungsstufe 4.2. Das zum Einspritzen benötigte Wasser wird den Einspritzventilen 15 über eine Wasserleitung 27 zugeführt, in der das während der elektrochemischen Reaktion in den Brennstoffzellen anfallende Produktwasser gesammelt wird. Der zum Einspritzen benötigte Druck wird mittels einer Pumpe 23 bereitgestellt, die in die Wasserleitung 27 integriert ist.
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Eine zusätzliche Befeuchtung kann bei dem dargestellten System mit Hilfe der aus den Brennstoffzellenstapeln 2.1, 2.2 austretenden feuchten Abluft bewirkt werden. Denn diese kann über einen in den Zuluftpfad 3 mündenden Turbinenbypass 24 mit integriertem Bypassventil 25 rezirkuliert werden. Der Turbinenbypass 24 dient in diesem Fall als Rezirkulationsleitung 14 zur Rezirkulation der Abluft.
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Zur Regelung der den Brennstoffzellenstapeln 2.1, 2.2 zugeführten Luftmassenströme sind Massenstromsensoren 21 sowie Druckregelventile 22 vorgesehen.
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Wie in der 1 dargestellt, zweigt vom Zuluftpfad 3 eine Luftleitung 7 ab, die zu einem Laufrad 6 der Turbine 11 der zweiten Verdichtungsstufe 4.2 führt. Die abgezweigte Luft wird als Sperrluft eingesetzt, um zu verhindern, dass unerwünscht große Mengen an Wasser in den Luftverdichter 4 eindringen.
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Das Turbinen-Laufrad 6 der Turbine 11 ist als Längsschnitt in der 2 dargestellt, und zwar die obere Hälfte bis zur Drehachse A des Laufrads 6. Das Laufrad 6 ist von einer Abdeckung 16 eingefasst. Ferner weist das Laufrad 6 einen Radrücken 12 mit einer Radrückenbeschaufelung 8 auf, die eine Saugseite 9 und eine Druckseite 10 für Luft definiert, die der Saugseite 9 über die Luftleitung 7 zugeführt wird. Die zugeführte Luft wird dann über die Radrückenbeschaufelung 8 von der Saugseite 9 auf die Druckseite 10 gefördert.
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Zugleich wird das Druckniveau angehoben, so dass die gewünschte Sperrwirkung erzielt wird, die dem Eindringen von Wasser entgegenwirkt.
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Das Laufrad 6 weist im Bereich des Radrückens 12 sowie im Bereich der Radrückenbeschaufelung 8 einen Außendurchmesser DA auf, der deutlich größer als der Außendurchmesser D im Bereich des Turbineneintritts ist. Dies erleichtert das Erreichen eines Druckniveaus, das für die gewünschte Sperrwirkung erforderlich ist.
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Die Saugseite 9 ist nach außen mit Hilfe eines Dichtelements 13 in Form eines Dichtrings abgedichtet, so dass nur die aus dem Zuluftpfad 3 abgezweigte Luft auf die Saugseite 9 gelangt.
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Die mit Hilfe der abgezweigten Luft erzielte Sperrwirkung kann nicht nur am Laufrad 6 der Turbine 11 erzielt werden, sondern - alternativ oder ergänzend - auch an einem der Laufräder 5 des Luftverdichters 4. Das Bezugszeichen 5 ist daher in der 2 in Klammern angegeben.
