DE10241349A1 - Brennstoffzellensystem - Google Patents

Brennstoffzellensystem

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Abstract

Ein Brennstoffzellengehäuse (52) hat eine Luftkammer (55), in die verdichtete Luft eingeführt wird, die durch Verdichten der Atmosphäre mittels eines Kompressors (59) erzeugt wird. Aus dem von der Luftkammer (55) abgeführten Abgas wird Energie rückgewonnen, wenn sie durch eine Expansionseinrichtung (60) expandieren gelassen wird. Der Kompressor (59) und die Expansionseinrichtung (60) sind über die Luftkammer (55) des Brennstoffzellengehäuses (52) durch eine Rohranordnung (65, 66) miteinander verbunden. Der Druck des Abgases, das durch die Rohranordnung (65, 66) strömt, wird von einem Drucksensor (1) gemessen. Basierend auf dem gemessenen Druck steuert ein Drosselventil (2) den Durchsatz des in die Expansionseinrichtung (60) angesaugten Abgases.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf ein Brennstoffzellensystem zur Erzeugung einer elektrischen Leistung durch Wasserstoff und Sauerstoff und insbesondere auf ein Brennstoffzellensystem mit einem Druckluft-Beschickungssystem zum Zuführen von Luft zur Brennstoffzelle.
  • Aus der US-A-5 434 016 ist ein Druckluft-Beschickungssystem für eine Brennstoffzelle bekannt, bei welchem aus der Atmosphäre angesaugte Luft verdichtet und der Brennstoffzelle zugeführt wird. Da das Abgas aus dem Brennstoffzellengehäuse einen Druck hat, der höher als der Atmosphärendruck ist, wird Leistung wiedergewonnen, wenn das Abgas in die Atmosphäre freigegeben wird, wobei die zurückgewonnene Leistung zum Verdichten der angesaugten Luft wiederverwendet wird.
  • Aus der JP-A-2001-93553 ist ein Brennstoffzellensystem mit einer Spiralströmungsmaschine bekannt, bei der die Spiralwände auf beiden Seiten einer Stirnplatte angeordnet sind. Eine der Spiralwände wird dabei zum Verdichten der Luft verwendet, während die andere zur Rückgewinnung von Leistung aus dem Abgas aus der Brennstoffzelle eingesetzt wird. Zwischen dem Kompressor und der Expansionseinrichtung wird ein Volumenverhältnis bestimmt. Der Innendruck in einer Luftkammer der Brennstoffzelle wird so eingestellt, dass er sich nahe bei einem vorgegebenen Wert befindet, der auf dem Volumenverhältnis basiert, um einen hohen Energiewirkungsgrad zu erhalten.
  • Ein geeigneter Wert für den Druck der der Luftkammer der Brennstoffzelle zugeführten Luft hängt von der Art und den Spezifikationen der Brennstoffzelle ab. Wenn lediglich der Leistungserzeugungswirkungsgrad des Brennstoffzellenkörpers in Betracht gezogen wird, verwendet man vorzugsweise einen hohen Luftzuführdruck, da der Sauerstoffteildruck in der Luftkammer umso höher wird, je höher der Luftzuführdruck ist, so dass dadurch die Reaktion umso mehr beschleunigt werden kann. Dies ermöglicht eine Größenreduzierung der Vorrichtung, wodurch das Bordgewicht verringert wird, wenn das Brennstoffzellensystem in einem Fahrzeug montiert wird. Die Erhöhung des Luftzuführdrucks erhöht jedoch auch die zum Verdichten der Luft erforderliche Leistung. Außerdem muss die Brennstoffzellenvorrichtung eine ausreichende Druckwiderstandsfähigkeit bei erhöhten Drucken haben. Dies führt zu einem erhöhten Gewicht der Brennstoffzellenanordnung, was sich für die Fahrzeugmontage als nachteilig erweist. Der optimale Luftdruck wird dann festgelegt, wenn diese im Gegensatz zueinander stehenden Bedingungen sowie die Eigenschaften der eigentlichen Brennstoffzelle in Betracht gezogen werden. Die Brennstoffzelle hat nicht nur einen optimalen Luftzuführdruck, vielmehr gibt es auch einen Optimalwert für den Luftdurchsatz. Wenn der für die Reaktion eingesetzte Sauerstoff nicht in ausreichender Menge zugeführt wird, wird die Reaktion verzögert. Andererseits erhöht die Zuführung von Luft mit einem Überschussvolumen die Menge an nicht für die Reaktion verwendetem und somit vergeudetem Sauerstoff.
  • Der Einsatzzustand der Brennstoffzelle ist außerdem nicht immer der gleiche. Die Umgebungsbedingungen, beispielsweise Druck, Temperatur und Feuchte der Atmosphäre ändern sich entsprechend der Jahres- und Tageszeit, während sich die Anforderungen an die elektrische Leistungsabgabe der Brennstoffzelle ebenfalls jede Minute ändern. So ändert sich bei der Montage der Brennstoffzelle in einem Kraftfahrzeug die Betriebsbedingung in starkem Ausmaß, wenn das Fahrzeug aus großer Höhe nach unten auf eine niedrigere Höhe fährt, wenn das Fahrzeug in einen Tunnel einfährt oder aus ihm heraus fährt, wenn es eine Steigung hinauf oder nach unten fährt oder wenn eine starke Beschleunigung erforderlich ist. Wenn sich diese Einsatzbedingungen ändern, ändert sich auch der Innendruck der Luftkammer. Zu diesem Zeitpunkt ändern sich auch aus den oben angegebenen Gründen die Optimalwerte für den Druck und den Durchsatz der zugeführten Luft. Die erwähnten herkömmlichen Technologien nehmen überhaupt keinen Bezug auf Änderungen der Betriebsbedingungen und stellen auch kein Druckluftzuführsystem bereit, das mit beträchtlichen Änderungen der Einsatzbedingung der am Fahrzeug montierten Brennstoffzelle fertig wird.
  • Die JP-A-60-160573 beschreibt ein Turboverdichter-System für Brennstoffzellen, das einen Turbinenluftstrom dadurch steuert, dass ein Druck in einer Kompressorkammer gemessen wird. Dieses Brennstoffzellensystem verwendet einen Turboverdichter, so dass eine Verwendung dieses Systems für ein brennstoffzellengetriebenes Fahrzeug nicht geeignet ist, das abrupten Laständerungen ausgesetzt ist. Die bekannte Anordnung ist für ein stationäres System vorgesehen und bewirkt die Steuerung basierend auf dem Druck in der Druckkammer. Als Folge ist die Entfernung zwischen einem Druckbestimmungspunkt und einem Steuerventil lang, so dass es sehr lange dauert, ehe sich die Steuerung stabilisiert.
  • Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht deshalb darin, ein Brennstoffzellensystem bereitzustellen, das in der Lage ist, schnell verdichtete Luft zuzuführen, wenn sich die 7 Umgebungsbedingungen und die Arbeitsleistungsanforderungen ändern, wobei das Brennstoffzellensystem montiert an einem Fahrzeug dessen Betriebszuverlässigkeit verbessern und einen hohen Wirkungsgrad ermöglichen soll.
  • Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Brennstoffzellensystem, das ein Brennstoffzellengehäuse mit einer Luftkammer, einen Verdrängerkompressor zum Zuführen verdichteter Luft zu der Luftkammer und eine Expansionseinrichtung zur Expansion des von der Luftkammer abgeführten Abgases aufweist, bereitgestellt, das sich erfindungsgemäß dadurch auszeichnet, dass es eine Rohrverbindung zwischen dem Kompressor und der Expansionseinrichtung über die Luftkammer des Brennstoffzellengehäuses sowie einen Drucksensor aufweist, der den Druck der durch die Rohrverbindung strömenden Luft misst, wobei wenigstens ein Durchsatz der Luft aus dem Kompressor oder ein Durchsatz des in die Expansionseinrichtung angesaugten Abgases entsprechend dem Luftdruck gesteuert wird, der von dem Drucksensor gemessen wird.
  • Der Drucksensor ist vorzugsweise zwischen der Luftkammer des Brennstoffzellengehäuses und der Expansionseinrichtung angeordnet, wobei stromab von dem Drucksensor ein Steuermechanismus mit variabler Drossel vorgesehen ist, der eine Rückkoppelungssteuerung auf wenigstens den Durchsatz der Luft aus dem Kompressor oder den Durchsatz des in die Expansionseinrichtung angesaugten Abgases bewirkt.
  • Die Expansionseinrichtung ist vorzugsweise in Verdrängerbauweise ausgeführt, wobei eine Leistungsabtriebswelle der Expansionseinrichtung und eine Leistungsantriebswelle des Kompressors eine gemeinsame Welle bilden, so dass das bei jeder Wellenumdrehung von wenigstens dem Kompressor oder der Expansionseinrichtung angesaugte Volumen variabel ist und das angesaugte Volumen entsprechend dem von dem Drucksensor gemessenen Druck geändert wird.
  • Die Erfindung bezieht sich ferner auf ein Brennstoffzellensystem mit einem Kompressor in Verdrängerbauweise, der einem Brennstoffzellengehäuse mit einer Luftkammer Druckluft zuführt, und mit einer Expansionseinrichtung zum Wiedergewinnen von Energie aus dem von dem Brennstoffzellengehäuse abgeführten Abgas, wobei das System eine Rohrverbindung zwischen dem Kompressor und der Expansionseinrichtung über die Luftkammer sowie einen Wärmeaustauscher mit variabler Kapazität hat, der in der Rohrverbindung vorgesehen ist, die sich von der Luftkammer zur Expansionseinrichtung erstreckt.
  • Die Erfindung betrifft ferner ein Brennstoffzellensystem mit einem Brennstoffzellengehäuse mit einer Luftkammer, mit einem Kompressor in Verdrängerbauweise, der der Luftkammer verdichtete Luft zuführt, und mit einer Expansionseinrichtung, welche aus der Luftkammer abgeführtes Abgas expandieren lässt. Bei diesem System ist ein Drehzahl- Änderungsgetriebe vorgesehen, das eine Leistungsantriebswelle des Kompressors mit einer Leistungsabtriebswelle der Expansionseinrichtung koppelt und das Drehzahlverhältnis der Leistungsantriebswelle des Kompressors bezüglich der Leistungsabtriebswelle der Expansionseinrichtung reduziert, wenn der Innendruck der Luftkammer des Brennstoffzellengehäuses hoch ist, und das Drehzahlverhältnis erhöht, wenn der Innendruck der Luftkammer niedrig ist.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt wird nach der Erfindung ein Brennstoffzellensystem mit einem Brennstoffzellenpaket bzw. -stapel mit einer Luftkammer, einem Kompressor in Verdrängerbauweise, der der Luftkammer Druckluft zuführt, mit einer Energierückgewinnungsvorrichtung, die Energie von dem aus der Luftkammer abgeführten Abgas wiedergewinnt, und mit einer Steuervorrichtung bereitgestellt, die den Durchsatz des Abgases steuert, das in die Energiewiedergewinnungsvorrichtung eintritt.
  • Die Steuervorrichtung erhöht vorzugsweise den Durchsatz des Abgases zur Energiewiedergewinnungsvorrichtung, wenn der Innendruck der Luftkammer hoch ist, und verringert den Durchsatz des Abgases, wenn der Innendruck niedrig ist.
  • Die Energierückgewinnungsvorrichtung weist einen Kompressor und eine Expansionseinrichtung auf, die mit der Welle des Kompressors verbunden ist.
  • Die Steuervorrichtung hat vorzugsweise eine Druckmessvorrichtung, die an dem Rohr, welches das Abgas zur Energierückgewinnungsvorrichtung führt, angebracht ist, und ein Steuerventil, das stromab von der Druckmessvorrichtung vorgesehen ist, um ein Messsignal von der Druckmessvorrichtung zu erhalten.
  • Insbesondere hat die Steuervorrichtung ein Ventil, das in dem Rohr angeordnet ist, welches das Abgas zu der Energierückgewinnungsvorrichtung führt, einen ersten Wärmeaustauscher, der stromab von dem Steuerventil angeordnet ist, um das Abgas abzukühlen und Wasser aus dem Abgas zu kondensieren, sowie einen zweiten Wärmeaustauscher, der Wärme zwischen dem mit dem ersten Wärmeaustauscher in Wärmeaustausch stehendem Abgas und dem Abgas austauscht, das an dem Steuerventil vorbeigeführt wurde.
  • Die Steuervorrichtung kann eine Drehzahl-Änderungsvorrichtung, die zwischen dem Kompressor und der Expansionseinrichtung angeordnet ist, und eine Druckmessvorrichtung aufweisen, die in dem Rohr angeordnet ist, welches das Abgas aus der Luftkammer zu der Energierückgewinnungsvorrichtung führt, wobei ein Drehzahländerungsverhältnis der Drehzahländerungsvorrichtung entsprechend einem Druck geändert wird, der von der Druckmessvorrichtung gemessen wird.
  • Anhand von Zeichnungen werden Ausführungsformen der Erfindung beispielsweise näher erläutert. Es zeigt:
  • Fig. 1 schematisch eine erste Ausführungsform eines Brennstoffzellensystems nach der Erfindung,
  • Fig. 2 schematisch eine zweite Ausführungsform eines Brennstoffzellensystems nach der Erfindung,
  • Fig. 3 eine geschnittene Draufsicht auf eine Luftkompressor-/Expansionseinrichtung für ein Brennstoffzellensystem nach der Erfindung,
  • Fig. 4 eine geschnittene Seitenansicht der Luftkompressor-/Expansionseinrichtung von Fig. 3 und
  • Fig. 5 schematisch eine dritte Ausführungsform eines Brennstoffzellensystems nach der Erfindung.
  • In Fig. 1 ist ein Brennstoffzellensystem 51 gezeigt, das ein Brennstoffzellengehäuse 52 bzw. ein Brennstoffzellenpaket, eine Wasserstoffelektrode 54, die in Kontakt mit einer Wasserstoffkammer 53 für den Durchgang von Wasserstoff oder von mit Wasserstoff angereichertem Gas und eine Sauerstoffelektrode 56 aufweist, die in Kontakt mit einer Luftkammer 55 steht, in die verdichtete Luft zugeführt wird, wobei dazwischen eine für Wasserstoff-Eisen durchlässige Membran 15 angeordnet ist.
  • Aus der von der Atmosphäre angesaugten Luft werden Staub und Teilchen durch eine Luftreinigungseinrichtung 58 entfernt. Die Luft wird dann auf einen erhöhten Druck durch einen Kompressor 59 in Verdrängerbauweise verdichtet und über eine stromauf befindliche Rohrverbindung 65 zu der Luftkammer 55 gefördert. Der Sauerstoff, der in die Luftkammer 55 eingeführten Luft verringert sein Volumen aufgrund der Reaktion in dem Brennstoffzellengehäuse 52, wobei Wasser oder Wasserdampf aus dem Wasserstoff und Sauerstoff erzeugt wird, die bei der Reaktion verwendet werden.
  • Der Druckverlust oder Druckabfall, der eintritt, wenn die verdichtete Luft durch das Brennstoffzellengehäuse 52 hindurchgeht, ist nicht groß. Auch wenn beispielsweise der Atmosphärendruck von 0,1 MPa auf 0,3 MPa durch den Kompressor 59 gesteigert wird, beträgt der durch diesen Durchgang verursachte Druckverlust nur etwa 0,02 MPa. Der Druck des von der Luftkammer 55 abgeführten Abgases liegt bei etwa 0,28 MPa, der, auch wenn er nur teilweise wiedergewonnen wird, den Wirkungsgrad der Brennstoffzelle verbessern kann. Deshalb wird das Abgas aus der Luftkammer in eine Expansionseinrichtung 60 über ein stromab befindliches Druckverbindungsrohr 66 eingeführt, um Leistung wiederzugewinnen. Die Innendrucke in den Verbindungsrohren 65, 66, die von einer Auslassöffnung des Kompressors 59 durch die Luftkammer 55 zur Einlassöffnung der Expansionseinrichtung 60 führen, sind höher als der Atmosphärendruck, so dass diese Verbindungsrohre so gebaut sind, dass sie diesen hohen Drucken standhalten.
  • Die wiedergewonnene Leistung wird auf den Kompressor 59 über eine Kupplungswelle 61 überführt, die die Expansionseinrichtung 60 mit dem Kompressor 59 verbindet. Die wiedergewonnene Leistung ist nicht ausreichend, um die dem Brennstoffzellengehäuse 52 zuzuführende Luft zu verdichten, so dass ein Motor 62 auf der der Expansionseinrichtung 60 gegenüberliegenden Seite des Kompressors 59 vorgesehen wird, um die Leistung bereitzustellen, die erforderlich ist, um die der Luftkammer zuzuführende Luft zu verdichten.
  • Der Zustand der in die Brennstoffzelle angesaugten Luft ändert sich abhängig von den Umgebungsbedingungen, wie der Temperatur, der Feuchte und dem Druck der Atmosphäre. Die Anforderungen an die von der Brennstoffzelle erzeugte elektrische Leistung ändern sich entsprechend den Bedingungen, die von einem Benutzer gefordert werden. Deshalb ändern sich der optimale Innendruck der Luftkammer und der optimale Durchsatz der zugeführten Luft, die den Umgebungsbedingungen und den Benutzeranforderungen genügen, ebenfalls. Der Luftdurchsatz kann relativ einfach dadurch gesteuert werden, dass die Drehzahl des Kompressors geändert wird. Der Druck der verdichteten Luft wird jedoch durch die Durchsätze der durch den Kompressor strömenden verdichteten Luft und des durch die Expansionseinrichtung strömenden Abgases sowie durch die Wassererzeugungsreaktion in dem Brennstoffzellengehäuse und die Kondensation des erzeugten Wasserdampfs beeinflusst. Es ist deshalb schwierig, die Drucke der verschiedenen Teile in dem Brennstoffzellensystem zu optimieren.
  • Die Erfindung ist darauf gerichtet, die Drucke der verschiedenen Teile in dem Brennstoffzellensystem zur Erhöhung ihres Wirkungsgrads optimal zu gestalten. Der erhöhte Wirkungsgrad ermöglicht es seinerseits dem Brennstoffzellensystem, dass seine Größe verringert wird und es somit optimal für Kraftfahrzeuganwendungen eingesetzt werden kann.
  • In Fig. 1 ist ein Drucksensor (Druckmesser) 1 in dem stromab gelegenen Druckverbindungsrohr 66a vorgesehen. In dem gleichen Verbindungsrohr ist stromab von dem Drucksensor 1 ein elektrisch angetriebenes Drosselventil 2 vorgesehen. Der Drucksensor 1 ist senkrecht zu einer Wand des stromab gelegenen Druckverbindungsrohrs 66 fixiert, so dass ein dynamischer Druck des Abgases aus der Luftkammer 55 vermieden werden kann. Ein zu dem von dem Drucksensor 1 gemessenen Druck proportionales Spannungssignal bildet das Ausgangssignal aus dem Drucksensor 1. Entsprechend dem Ausgangssignal aus dem Drucksensor 1 wird die Öffnung des motorgetriebenen Drosselventils 2 geändert. Das elektrisch angetriebene Drosselventil 2 ist mit einem Motor 2a versehen, der das Ventil 2 elektrisch öffnet oder schließt.
  • Zur Aktivierung des Brennstoffzellensystems wird das Drosselventil 2 auf eine Minimalöffnung in seinem variablen Bereich geschlossen. Diese Minimalöffnung ist nicht der voll geschlossene Zustand. Wenn der Kompressor 59 anläuft, wird Luft aus der Atmosphäre angesaugt. Die angesaugte Luft wird durch den Kompressor 59 unter Druck gesetzt und in die stromauf gelegene Verbindungsleitung 65 gefördert. Die verdichtete Luft geht durch die Luftkammer 55 mit einem geringen Druckabfall hindurch und wird dann in das stromab gelegene Druckverbindungsrohr 66 gefördert.
  • Der Drucksensor 1 misst den Druck der verdichteten Luft, die in das stromab gelegene Druckverbindungsrohr 66 strömt. Unmittelbar nach dem Anlauf des Kompressors 59 ist die Öffnung des Drosselventils 2 klein und somit nimmt der Druck stromauf von dem Drosselventil 2 allmählich zu. Wenn der von dem Drucksensor 1 gemessene Druck auf einen ausreichenden Wert ansteigt, wird der Motor 2a des Drosselventils 2 betätigt, um das Drosselventil 2 langsam zu öffnen. Wenn das Drosselventil 2 mit dem Öffnen fortfährt, kommen ein Luftvolumen, das von dem Kompressor 59 verdichtet wird, und ein Luftvolumen, das aus der Expansionseinrichtung 60 abgeführt wird, ins Gleichgewicht, wodurch der von dem Drucksensor 1 gemessene Druck stabilisiert wird. Während das System bei dem stabilisierten Druck läuft, kann, wenn sich irgendeine Änderung im Druck, der Temperatur oder der Feuchte der Atmosphäre ergibt, der Druck der Luftkammer 55 nahezu konstant gesteuert werden, indem einfach das Drosselventil 2 geöffnet oder geschlossen wird.
  • Obwohl bei dieser Ausführungsform das Ausgangssignal des Drucksensors 1 direkt dem Drosselventil 2 aufgegeben wird, kann die Bauweise auch so vorgesehen werden, dass das Ausgangssignal des Drucksensors 1 einer Steuereinrichtung, beispielsweise einem Mikrocomputer, zugeführt wird, der in Fig. 1 durch die gestrichelte Linie 1a dargestellt ist, und dann das elektrisch angetriebene Drosselventil 2 steuert. Die Verwendung der Steuereinrichtung 1a ermöglicht eine nichtlineare Steuerung und lässt auch den Einsatz von elektrischer Leistung als Steuervariable zu, die von dem Brennstoffzellengehäuse 52 erzeugt wird.
  • Es soll nun angenommen werden, dass ein auf dem oberen Niveau befindliches System bei der Steuerung der Brennstoffzelle Instruktionen liefert, die von der Brennstoffzelle 52 eine Steigerung der erzeugten elektrischen Leistung verlangen. Normalerweise wird die Drehzahl des Kompressors 59 erhöht, um den Luftdurchsatz zu steigern, dies erfordert jedoch Zeit und erlaubt kein schnelles Ansprechen auf den Bedarf. Dieses Verfahren ist für eine Anwendung im Kraftfahrzeug nicht praktisch. Vor der Erhöhung der Drehzahl des Kompressors wird deshalb das Drosselventil 2 etwas geschlossen, um den Innendruck der Luftkammer 55 zu erhöhen und um dadurch die Reaktionsgeschwindigkeit des Brennstoffzellengehäuses 52 zu steigern. Wenn danach die Drehzahl des Kompressors 59 ansteigt, wird die Öffnung des Drosselventils 2 auf den ursprünglichen Wert zurückgeführt. Diese Arbeitsfolge ermöglicht ein schnelles Ansprechen auf eine Anforderung aus dem System auf oberem Niveau.
  • Bei dieser Ausgestaltung ist die Entfernung längs des Strömungswegs zwischen dem Druckmesspunkt und dem zu steuernden Drosselventil kurz, wodurch die Zeitverzögerung von der Druckmessung zur Betätigung des gesteuerten Gegenstands verringert wird, was das Ansprechvermögen verbessert und es gleichzeitig unmöglich macht, dass instabile Erscheinungsformen, wie ein Oszillieren bzw. Nachpendeln auftreten. Obwohl der Drucksensor 1 dazu verwendet wird, das elektrisch angetriebene Drosselventil 2 zu steuern, ist es möglich, statt des Drucksensors 1 ein Abzweigrohr und ein Drosselventil in Kolben-Zylinder- Bauweise anstelle des Drosselventils 2 zu verwenden, das von einem Druck betätigt wird, der von dem Abzweigrohr zugeführt wird.
  • Mit dieser Anordnung lassen sich Vorrichtungen vermeiden, die mit Elektrizität arbeiten, so dass eine unerwünschte Funktion oder eine Betriebsstörung aufgrund von elektromagnetischem Rauschen oder eines gebrochenen Kabels vermieden werden kann. Man möchte, dass der Drucksensor so nahe wie möglich am Drosselventil in einem Bereich angeordnet ist, der eine gewünschte Messgenauigkeit gewährleistet. Indem die Druckmessposition und der Durchsatzsteuerabschnitt nahe beieinander angeordnet werden, kann ein schnelles Ansprechen auch dann gewährleistet werden, wenn eine abrupte Laständerung vorliegt, wie sie bei einer am Fahrzeug montierten Brennstoffzelle auftreten kann, wobei auch instabile Steuerzustände, wie ein Oszillieren bzw. Nachpendeln vermieden werden können.
  • Die in Fig. 2 gezeigte Ausführungsform unterscheidet sich von der in Fig. 1 durch eine Durchsatzsteuereinrichtung am Auslass der Luftkammer 55. Am Auslass der Luftkammer 55ist in dem stromab gelegenen Druckverbindungsrohr 66a ein Abzweigstück 11 vorgesehen. Das stromab befindliche Druckverbindungsrohr 66a hat ein Steuerventil 12, das in einem Rohrabschnitt 66c angeordnet ist, und einen Wärmeaustauscher 16 in einem anderen Rohrstück 66b. Die Rohrstücke 66c und 66b sind an der Auslassseite des Steuerventils 12 und des Wärmeaustauschers 16 zusammengeschlossen. Stromab von dem Punkt des Zusammenschlusses ist ein Wassersammler 13 angeordnet, der aus einem Druckbehälter besteht, in dem sich ein Wärmeaustauscher (erster Wärmeaustauscher 14) befindet, der Wärme mit Kühlwasser austauscht. Ein unterer Teil des Wassersammlers 13 dient als Wasserspeicher für das Auffangen von kondensiertem Wasser 15. Das aus dem Wassersammler 13 kommende Abgas tritt in den Wärmetauscher (zweiter Wärmeaustauscher) 16 ein, wo ein Wärmeaustausch mit dem Abgas stattfindet, das an dem Steuerventil 12 vorbeigeführt ist, und dann durch ein Rohrstück 66e in die Expansionseinrichtung 60 strömt.
  • Die Ausführungsform von Fig. 2 arbeitet wie folgt. Das Steuerventil 12 ist normalerweise geschlossen. Das Abgas, das aus der Luftkammer 55 mit einem hohen Wasserdampfgehalt kommt, tritt in den Wassersammler 13 durch den Wärmeaustauscher 16 ein. Das Abgas wird gekühlt, wenn es durch den Wärmeaustauscher 16 hindurchgeht. Das vom Wärmeaustauscher 16 abgekühlte Abgas wird durch Kühlwasser in dem Wärmeaustauscher 14 weiter abgekühlt, der in den Wassersammler 13 eingebaut ist, wodurch darin enthaltener Wasserdampf kondensiert. Das kondensierte Wasser 15 wird am Boden des Wassersammlers 13 gesammelt. Das Abgas wird erwärmt, wenn es anschließend durch den Wärmeaustauscher 16 hindurch und in die Expansionseinrichtung 60 geführt wird.
  • An dem stromab befindlichen Druckverbindungsrohr 66a ist ein Drucksensor 1 installiert, dessen Ausgangssignal zum elektrisch angetriebenen Drosselventil 12 geleitet wird, das von einem Motor 12a angetrieben wird. Wenn der Innendruck des stromab befindlichen Druckverbindungsrohrs 66a, gemessen von dem Drucksensor 1, zu hoch ist, bringt ein Drucksignal als Eingangssignal am elektrisch angetriebenen Drosselventil 2 das Ventil dazu, mit dem Öffnen zu beginnen, um den in den Wärmeaustauscher 16 strömenden Abgasmengenstrom zu begrenzen. Gleichzeitig wird der Kühlwasserdurchsatz gesteigert, um die Kühlkapazität des Wärmeaustauschers 13 in dem Wassersammler 13 zu steigern.
  • Das Abgas, dessen Temperatur in dem Wassersammler 13 ausreichend abgesenkt worden ist, wird in dem Wärmeaustauscher 13 mit dem Abgas in Wärmeaustausch gebracht, das an dem Drosselventil 12 vorbeigeführt wurde. Das Volumen des Abgases, das an dem Drosselventil 12 vorbeigeführt wird, wird verringert und die Menge der ausgetauschten Wärme nimmt ebenfalls ab. Deshalb wird das Abgas auf eine Temperatur erhitzt, die niedriger ist als sie normalerweise erwartet würde, und wird dann in die Expansionsvorrichtung 60 gesaugt. Da die Temperatur der in die Expansionsvorrichtung 60 angesaugten Luft niedrig ist, ist die Luftdichte hoch und ihr Volumen entsprechend verringert. Als Folge nimmt die Masse der in die Expansionseinrichtung 60 pro Zeiteinheit eingeführten Luft zu. Das von der Expansionseinrichtung geförderte Luftvolumen nimmt deshalb zu und es wird ein Druckanstieg in der Druckkammer verhindert, wodurch es möglich wird, den Innendruck der Druckkammer auf einen stabilisierten Wert zu regulieren.
  • Bei dieser Ausführungsform gibt es kein Drosselelement mit einem großen Druckverlust in dem Luftweg von dem Kompressor zur Expansionseinrichtung. Die verdichtete Luft wird einem geringeren Luftdruckabfall ausgesetzt, was wiederum den Wirkungsgrad verbessert. Insbesondere im Normalbetrieb wird Wasser aus dem Abgas in dem Wassersammler wiedergewonnen und das Abgas mit einem reduzierten Wassergehalt von dem Wärmeaustauscher erwärmt und dann in der Expansionseinrichtung expandiert, so dass die von der Expansionseinrichtung wiedergewonnene Leistung gesteigert werden kann.
  • Wie in Fig. 3 und 4 gezeigt ist, werden der Kompressor und die Expansionseinrichtung von einem einstückigen Aufbau in Form einer Kompressor-/Expansionseinrichtung 31 gebildet, bei der ein Kompressor 32 in Schraubenbauweise mit einem Paar von männlichen und weiblichen Rotoren und eine Expansionseinrichtung 33 in Schneckenbauweise mit einem Paar von männlichen und weiblichen Rotoren miteinander an ihren Wellenabschnitten gekoppelt sind.
  • Der Kompressor 32 hat eine Einlassöffnung 37 in der Nähe eines Wellenendes und eine Auslassöffnung 38 in der Nähe eines zentralen Abschnitts. Durch die Einlassöffnung 37 angesaugte Luft wird verdichtet, wenn das Volumen einer Kompressionskammer abnimmt, und durch die Auslassöffnung 38 abgeführt. Die Expansionseinrichtung 33 hat einen Schieber 34, der die Ansaugabschlussposition ändern kann. Der Schieber 34 ist mit einer Ansaugöffnung 35 versehen. Der Schieber 34 ist über einem Eingriffsabschnitt zwischen den männlichen und weiblichen Rotoren angeordnet und steht in Kontakt mit den Zahnenden der weiblichen und männlichen Rotoren. In Fig. 3 sind nur vereinfachte Umrisslinien des Schiebers 34 und der Ansaugöffnung 35 gezeigt. Der Schieber 34 hat einen Kolben 36 an seinem Ende, der in einen Zylinder 36a eingepasst ist. Eine Druckdifferenz zwischen den auf die vordere und hintere Fläche des Kolbens 36 wirkenden Drucken veranlasst den Schieber 34 zu einer Bewegung in Axialrichtung (in der Figur nach links oder rechts). Eine Ansaugöffnung 39 der Expansionseinrichtung steht mit der Ansaugöffnung 35 in Verbindung. Die Expansionseinrichtung 33 hat eine Auslassöffnung 40 auf einer der Ansaugöffnung 39 gegenüberliegenden Seite.
  • Wenn festgestellt wird, dass der Innendruck der Luftkammer, gemessen von dem Drucksensor 1, nicht ausreicht, wird der Innendruck des Zylinders 36a so gesteuert, dass der Kolben 36 in Fig. 3 und 4 nach links bewegt wird. Dadurch wird der Schieber 34 ebenfalls nach links bewegt. Bei der Bewegung des Schiebers 34 nach links wird eine Fläche, über die die in dem Schieber 34 gebildete Ansaugöffnung 35 zu den Rotoren hin mündet, fortschreitend verringert.
  • Eine von den weiblichen und männlichen Rotoren gebildete Expansionskammer und ein sie umschließendes Gehäuse hat ein Volumen, das am Ende des Ansaugvorgangs durch die Umrisslinie der Ansaugöffnung 35 begrenzt ist. Wenn die in dem Schieber 34 gebildete Ansaugöffnung 35 sich nach links bewegt, wird das Volumen des angesaugten Abgases verringert. Die Reduzierung der Menge des in die Expansionseinrichtung 33 durch Bewegen des Schiebers 34 nach links angesaugten Abgases führt dazu, dass der Druck in der Luftkammer 55 des Brennstoffzellengehäuses progressiv ansteigt. Wenn der Druck in der Luftkammer in die Nähe eines geeigneten Bereichs kommt, wird der Schieber 34 in seine Ausgangsstellung zurückgeführt und die Kompressor-/Expansionseinrichtung 31 arbeitet so, dass der Luftkammerdruck in dem geeigneten Bereich gesteuert wird.
  • Bei diesem Beispiel gibt es keine Drossel in dem Weg der verdichteten Luft, der sich vom Kompressor zur Expansionseinrichtung erstreckt. Es ergibt sich kein verschwenderischer Druckabfall, so dass der Leistungswirkungsgrad auf einem hohen Niveau gehalten wird. Da der Kompressor und die Expansionseinrichtung in eine einzige Vorrichtung integriert sind, kann die Brennstoffzelle in ihrer Größe reduziert werden, wobei man davon ausgehen kann, dass ein mechanischer Verlust entsprechend reduziert ist.
  • Anstelle eines elektrisch angetriebenen Drosselventils 2 in dem stromab gelegenen Druckverbindungsrohr 66 ist bei der Ausführungsform von Fig. 5 eine Drehzahländerungstransmission oder ein Drehzahländerungsgetriebe an einer Welle vorgesehen, die den Kompressor und die Expansionseinrichtung verbindet. Das heißt, dass das Drehzahländerungsgetriebe 43 zwischen einer Leistungsantriebswelle 41 des Kompressors 59 und einer Leistungsabtriebswelle 42 der Expansionseinrichtung 60 angeordnet ist. Das Untersetzungsverhältnis des Drehzahländerungsgetriebes 43 zwischen der Antriebswelle 41 des Kompressors 59 und der Abtriebswelle 42 der Expansionseinrichtung 60 ist in einem Bereich von beispielsweise zwischen 1 : 2 und 2 : 1 kontinuierlich variabel.
  • Der Innendruck der Luftkammer 55 in der Brennstoffzelle wird so gewählt, dass sie ihren höchsten Wirkungsgrad hat, wenn sie bei der maximalen Arbeitsleistung oder der am häufigsten eingesetzten Arbeitsleistung arbeitet. Die Kapazitäten des Kompressors und der Expansionseinrichtung sind so gewählt, dass sie diesen Innendruck verwirklichen. Beispielsweise kann das Untersetzungsverhältnis des Drehzahländerungsgetriebes, welches diesen hohen Wirkungsgrad verwirklicht, 1 : 1 sein. In diesem Fall kann ein Betrieb des Systems, um das Untersetzungsverhältnis auf nahezu 1 : 1 während des Betriebs im stationären Zustand zu halten, der Druck der Luftkammer in einem optimalen Bereich gehalten werden. Das Untersetzungsverhältnis des Drehzahländerungsgetriebes wird entsprechend dem Ausgangssignal aus dem Drucksensor 1 geändert, der an dem stromab gelegenen Druckverbindungsrohr 66 installiert ist.
  • Wenn die Umgebungsbedingungen und die Leistungsanforderungen sich ändern und der Innendruck in dem stromab gelegenen Druckverbindungsrohr gemessen vom Drucksensor 1 von dem Optimalbereich zur höheren Seite hin abweicht, wird das Untersetzungsverhältnis des Drehzahländerungsgetriebes 43 auf 1 : 2 verschoben, was die Drehzahl der Expansionseinrichtung erhöht. Da die Drehzahl der Expansionseinrichtung relativ zur Drehzahl des Kompressors zunimmt, nimmt das Volumen des aus der Druckkammer in die Expansionseinrichtung eingeführten Abgases stärker zu als das Volumen der von dem Kompressor in die Druckkammer eingeführten verdichteten Luft, wodurch der Innendruck der Druckkammer verringert wird. Wenn andererseits der Innendruck des stromab gelegenen Druckverbindungsrohrs gemessen vom Drucksensor von dem Optimalbereich zur niedrigeren Seite abweicht, wird das Untersetzungsverhältnis des Drehzahländerungsgetriebes 43 auf 2 : 1 verschoben, wodurch die Drehzahl des Kompressors erhöht wird. Dies steigert den Innendruck der Druckkammer, bis er in den Optimalbereich gesteuert wird.
  • Bei dieser Ausführung kann der Druckverlust in dem Druckluftzuführsystem für die Brennstoffzelle verringert werden, so dass ein hochwirksames Brennstoffzellensystem realisiert werden kann. Außerdem kann auch die Zeit, die für die Änderung der Drehzahl des Kompressors erforderlich ist, verringert werden, was ein hervorragendes Ansprechvermögen gibt.
  • Obwohl diese Ausführungsform im Hinblick auf die Änderung des Untersetzungsverhältnisses des Drehzahländerungsgetriebes 43 entsprechend dem Ausgangssignal des Drucksensors 1 beschrieben wurde, ist es auch möglich, das Untersetzungsverhältnis des Drehzahländerungsgetriebes 43 dadurch zu ändern, dass anstelle des Drucksensors ein Kolben- Zylinder-Mechanismus verwendet wird, dessen Kolben von Abgas aktiviert wird, das durch eine Rohrabzweigung aus dem stromab gelegenen Druckverbindungsrohr 66 strömt. Erfindungsgemäß kann auch dann, wenn sich die Umgebungsbedingungen, bei denen die Brennstoffzelle arbeitet, oder sich die Leistungsanforderungen bezüglich der elektrischen Energie ändern, die Luftzufuhr schnell auf einen geeigneten Druck und einen geeigneten Durchsatz eingestellt werden. Als Folge hat das Brennstoffzellensystem eine verbesserte Betriebssicherheit und die Brennstoffzelle kann mit hohem Wirkungsgrad arbeiten.

Claims (10)

1. Brennstoffzellensystem (51) mit einer Brennstoffzelle, die eine Luftkammer (55), einen verdichtete Luft zu der Luftkammer zuführenden Kompressor (59) und eine Energierückgewinnungseinrichtung (60) aufweist, die Energie aus dem von der Luftkammer (55) abgeführten Abgas zurückgewinnt, gekennzeichnet durch eine Steuereinrichtung (1, 2; 1, 12, 14, 16; 1, 43), die den Durchsatz des Abgases steuert, der in die Energierückgewinnungseinrichtung (60) eintritt.
2. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Energierückgewinnungseinrichtung den Kompressor (59) und eine Expansionseinrichtung (60) aufweist, die mit der Welle des Kompressors (59) verbunden ist.
3. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung eine Druckmesseinrichtung (1), die an einem Verbindungsrohr (66) angebracht ist, das das Abgas zu der Energierückgewinnungseinrichtung (60) führt, und ein Steuerventil (2, 12) aufweist, das stromab von der Druckmesseinrichtung (1) für den Empfang eines Messsignals aus der Druckmesseinrichtung (1) angeordnet ist.
4. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung ein Steuerventil (12), das in dem Verbindungsrohr (66), das das Abgas zu der Energierückgewinnungsleitung (60) führt, einen ersten Wärmeaustauscher (13), der stromab von dem Steuerventil (12) angeordnet ist, um das Abgas zu kühlen und um Wasser aus dem Abgas zu kondensieren, und einen zweiten Wärmeaustauscher (16) aufweist, der die Wärme zwischen dem Abgas, das mit dem ersten Wärmeaustauscher (13) in Wärmeaustausch stand, und dem Abgas austauscht, das an dem Steuerventil (12) vorbeigeführt wurde.
5. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinrichtung eine Drehzahländerungseinrichtung (43), die zwischen dem Kompressor (59) und der Expansionseinrichtung (60) angeordnet ist, und eine Druckmesseinrichtung (1) aufweist, die in dem Verbindungsrohr (60) angeordnet ist, die das Abgas aus der Luftkammer (55) zu der Energierückgewinnungseinrichtung (60) führt, wobei ein Drehzahländerungsverhältnis der Drehzahländerungseinrichtung (43) entsprechend einem Druck geändert wird, der von der Druckmesseinrichtung (1) gemessen wird.
6. Brennstoffzellensystem (51) mit einem Brennstoffzellengehäuse (52), das eine Luftkammer (55), einen Kompressor (59) in Verdrängerbauweise, der der Luftkammer (55) verdichtete Luft zuführt, und eine Expansionseinrichtung (60) aufweist, die das aus der Luftkammer (55) abgeführte Abgas expandieren lässt, gekennzeichnet durch eine Rohranordnung (65, 66); die den Kompressor (59) und die Expansionseinrichtung (60) über die Luftkammer (55) mit dem Brennstoffzellengehäuse (52) verbindet, durch einen Drucksensor (1), der einen Druck der durch die Rohranordnung (65, 66) strömenden Luft misst, und durch einen Steuermechanismus (2; 12, 14, 16; 43), der wenigstens einen Durchsatz der Luft aus dem Kompressor oder einen Durchsatz des in die Expansionseinrichtung (60) angesaugten Abgases entsprechend dem Luftdruck steuert, der von dem Drucksensor (1) gemessen wird.
7. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Drucksensor (1) zwischen der Luftkammer (55) des Brennstoffzellengehäuses (52) und der Expansionseinrichtung (60) angeordnet, dass stromab von dem Drucksensor (1) ein Steuermechanismus (2; 12) für eine variable Drossel vorgesehen ist, und dass der Steuermechanismus (2, 12) für die variable Drossel eine Rückkoppelungssteuerung an wenigstens dem Durchsatz der Luft aus dem Kompressor (59) oder dem Durchsatz des in die Expansionseinrichtung (60) angesaugten Abgases bewirkt.
8. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Expansionseinrichtung (60) in Verdrängerbauweise ausgeführt ist, dass eine Leistungsabtriebswelle der Expansionseinrichtung (60) und eine Leistungsantriebswelle des Kompressors (59) eine gemeinsame Welle (61; 41, 42) bilden, dass ein für jede Drehzahl der Welle wenigstens des Kompressors (59) oder der Expansionseinrichtung (60) angesaugtes Volumen variabel ist und dass das angesaugte Volumen entsprechend dem Druck geändert wird, der von dem Drucksensor (1) gemessen wird.
9. Brennstoffzellensystem (51) mit einem Kompressor (59) in Verdrängerbauweise, der verdichtete Luft einem Brennstoffzellengehäuse (52) zuführt, das eine Luftkammer (55) aufweist, und mit einer Expansionseinrichtung (60), die Energie des Abgases zurückgewinnt, das aus dem Brennstoffzellengehäuse (52) abgeführt wird, gekennzeichnet durch eine Rohranordnung (65, 66), die den Kompressor (59) und die Expansionseinrichtung (60) über die Luftkammer (55) verbindet, und durch eine Wärmeaustauschvorrichtung (14, 16) mit variabler Kapazität, die in der Rohranordnung (66) angeordnet ist, die sich von der Luftkammer (55) zur Expansionseinrichtung (60) erstreckt.
10. Brennstoffzellensystem (51) mit einem Brennstoffzellengehäuse (52), das eine Luftkammer (55) aufweist, mit einem Kompressor (59) in Verdrängerbauweise, der der Luftkammer (55) verdichtete Luft zuführt, und mit einer Expansionseinrichtung (60), die von der Luftkammer (55) abgeführtes Abgas expandieren lässt, gekennzeichnet durch ein Drehzahländerungsgetriebe (43), das eine Leistungsantriebswelle (41) des Kompressors (59) mit einer Leistungsabtriebswelle (42) der Expansionseinrichtung (60) koppelt, wobei das Drehzahländerungsgetriebe (43) ein Drehzahlverhältnis der Leistungsantriebswelle des Kompressors (59) bezüglich der Leistungsabtriebswelle der Expansionseinrichtung (60) reduziert, wenn ein Innendruck der Luftkammer (55) des Brennstoffzellengehäuses (52) hoch ist, und das Drehzahlverhältnis erhöht, wenn der Innendruck der Luftkammer (55) niedrig ist.
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