DE10325449A1 - Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems mit veränderlichem Betriebsdruck - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems mit veränderlichem Druck, wobei das Brennstoffzellensystem eine Brennstoffzelleneinheit (1) mit einer Mehrzahl von Brennstoffzellen aufweist und einer Kathode (2) einer Brennstoffzelle ein Oxidationsmittel zugeführt wird, welches mit einem Brennmittel, das einer Anode (3) der Brennstoffzelle zugeführt wird, chemisch reagiert. Aus der Reaktion in der Brennstoffzelleneinheit (1) wird eine elektrische Ausgangsleistung des Brennstoffzellensystems zur Versorgung von elektrischen Verbrauchern (4) bereitgestellt. Eine elektrische Leistung in einem Lastpunkt der Brennstoffzelleneinheit (1) variiert abhängig vom Druck, wobei der Druck von zumindest einem das Oxidationsmittel fördernden Kompressor (5) aufgebracht wird. In dem Lastpunkt, in dem eine elektrische Leistung von dem Brennstoffzellensystem angefordert wird, wird die Druckabhängigkeit der elektrischen Leistung der Brennstoffzelleneinheit (1) gegen eine aufzubringende elektrische Leistung zum Betreiben des Kompressors (5) abgeglichen und ein Druck für das Oxidationsmittel eingestellt, der mit einer minimal notwendigen elektrischen Leistung des Kompressors (5) erbracht wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems mit veränderlichem Betriebsdruck nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • Es ist bekannt, Brennstoffzellensysteme mit veränderlichem Druck zu betreiben. So ist in der Offenlegungsschrift DE 100 18 081 A1 ein Verfahren beschrieben, die Luftversorgung unter Berücksichtigung der Betriebleistung der Brennstoffzelle luftüberschussabhängig zu regeln. Die luftüberschussabhängige Regelung erfolgt insbesondere in einem Teillastbereich der Brennstoffzelle. Zusätzlich zur luftüberschussabhängigen Regelung kann eine druckabhängige Regelung zur Einstellung der Luftversorgung der Brennstoffzelle vorgesehen sein. Unter Berücksichtigung der jeweils vorliegenden Betriebsleistung der Brennstoffzelle wird eine wirkungsgradgünstige Verringerung des in die Brennstoffzelle zuzuführenden Massenstroms an Luft eingestellt.
    •
  • Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems nach dem Stand der Technik weiter zu entwickeln.
  • Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
  • Es erfolgt ein Abgleich einer Druckabhängigkeit der Brennstoffzellenleistung gegen eine aufzubringende Leistung zum Antreiben eines Kompressors, der die Brennstoffzelleneinheit mit erhöhtem Druck eines Oxidationsmittels beaufschlagt. Dabei wird ein Druck eingestellt, der für einen gegebenen Lastpunkt nur eine minimal notwendige elektrische Antriebsleistung des Kompressors erfordert. Dadurch kann eine Minimierung von parasitärer elektrischer Leistung zum Antreiben des Kompressors erreicht und der Wirkungsgrad des Brennstoffzellensystems erhöht werden. Weiterhin ist es möglich, Vorteile von Hochdruck-Brennstoffzellensystemen und Niederdruck-Brennstoffzellensystemen zu kombinieren.
  • In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung wird der Abgleich in jedem Lastpunkt vorgenommen, so dass der Wirkungsgrad über den gesamten Lastbereich optimiert werden kann. Besonders bevorzugt wird der Druck quasi kontinuierlich über den Lastbereich des Brennstoffzellensystems verändert.
  • In einer günstigen Weiterbildung werden weitere elektrische Komponenten des Brennstoffzellensystems in den Abgleich mit einbezogen, um die im Lastpunkt minimal notwendige elektrische Leistung des Kompressors festzulegen. Damit kann der Wirkungsgrad weiter verbessert werden.
  • In einer weiteren günstigen Weiterbildung wird bei erhöhtem Druck eine gegenüber einem Teillastbereich erhöhte Betriebstemperatur der Brennstoffzelleneinheit zugelassen. Dies erleichtert eine Kühlung der Brennstoffzelleneinheit in Betriebszuständen höherer Last, insbesondere bei Volllast. Die Betriebstemperatur des Brennstoffzellensystems kann bedarfsgerecht bzw. lastabhängig eingestellt werden, was eine Kühlproblematik des Brennstoffzellensystems vermindert
  • In einer weiteren günstigen Weiterbildung wird zumindest zeitweise der Kompressor durch eine im Brennstoffzellensystem implementierte Gasturbine angetrieben. Ein Elektromotor zum Antreiben des Kompressors wird entlastet.
  • In einer weiteren günstigen Weiterbildung wird die Gasturbine durch eine Brennkammer im Brennstoffzellensystem geheizt. Dadurch können z.B. Abgase des Brennstoffzellensystems und/oder ein Kraftstoff zur Verbrennung genutzt werden. Es werden keine zusätzlichen Komponenten benötigt, und es ist kein zusätzlicher Platz oder zusätzliches Gewicht notwendig.
  • Eine zweckmäßige Weiterbildung sieht vor, dass die Gasturbine den Kompressor kurzfristig bei hohen Lastanforderungen an das Brennstoffzellensystem antreibt. Dadurch steht in Betriebsbereichen mit hohen Lastanforderungen eine elektrische Leistung zur Verfügung, welche weit über dem maximalen Auslegungspunkt des Kompressors liegen kann. Weiterhin kann die Kühlproblematik weiter vermindert werden, da bei hohen Lasten ein hoher Druck verfügbar und eine erhöhte Betriebstemperatur der Brennstoffzelleneinheit zulässig ist. Dies ermöglicht eine höhere Stromdichte der Brennstoffzelleneinheit wie auch eine höhere Ausgangsleistung des Brennstoffzelleneinheit bei unveränderter Größe der Brennstoffzelleneinheit.
  • In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung kann beim Antrieb des Kompressors durch die Gasturbine eine Leistung eines elektrischen Antriebsmotors des Kompressors Verbrauchern zur Verfügung gestellt werden, etwa einem Fahrantrieb. Dies entlastet die Brennstoffzelleneinheit.
  • Weitere Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen und der Beschreibung.
    •
  • Die Erfindung ist anhand einer Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt die einzige Figur eine schematische Darstellung eines bevorzugten Brennstoffzellensystems.
  • Ein bevorzugtes Brennstoffzellensystem zur Durchführung des erfindungsgemäßem Verfahrens umfasst eine Brennstoffzelleneinheit 1 mit einer Mehrzahl von Brennstoffzellen, die vorzugsweise in Stapelbauweise angeordnet sind, und bei dem ein oder mehrere Brennstoffzellenstapel in an sich bekannter Weise elektrisch in Serie und/oder parallel geschaltet sein können, um ein gewünschtes Spannungs- und Stromniveau für elektrische Verbraucher 4 bereitstellen zu können. Die Brennstoffzelleneinheit 1 ist vereinfacht durch eine Kathode 2 und eine Anode 3 dargestellt. Der Kathode 2 wird über eine kathodenseitige Zuführleitung 12 ein Oxidationsmittel zugeführt, während die Anode 3 über eine anodenseitige Zuführleitung 13 ein Brennmittel zugeführt wird. Brennmittel und Oxidationsmittel reagieren in den Brennstoffzellen der Brennstoffzelleneinheit 1 miteinander, und Reaktionsprodukte werden über kathodenseitige und anodenseitige Abführleitungen 14, 15 abgeführt. Bei der Reaktion entsteht eine elektrische Spannung an der Brennstoffzelleneinheit 1, die für elektrische Verbraucher 4, insbesondere ein elektrischer Fahrantrieb, zur Verfügung gestellt werden kann.
  • Weitere, an sich bekannte Details eines Brennstoffzellensystems, wie z.B. etwaige Vorratstanks für die Betriebsmedien, eine etwaige Gaserzeugung zur Erzeugung von Wasserstoff oder eines wasserstoffreichen Reformats als Brennmittel, Abgasnachbehandlung, eine etwaige Kühlung und dergleichen, sind nicht dargestellt, können jedoch vorgesehen sein. Vorzugsweise werden Luft als Oxidationsmittel und Wasserstoff als Brennmittel verwendet. Selbstverständlich sind auch andere geeignete Betriebsmedien denkbar, wie etwa reiner Sauerstoff als Oxidationsmittel oder Methanol als Brennmittel, z.B. in so genannten Direkt-Methanol-Brennstoffzellen oder Dimethylether und weitere, an sich bekannte und übliche Betriebsmedien zum Betreiben von Brennstoffzellen.
  • In der kathodenseitigen Zuführleitung 12 ist ein Kompressor 5 angeordnet, der über eine Welle 9 von einem Elektromotor 6 angetrieben wird. Der Elektromotor 6 ist über Signalleitungen 16 mit einem Steuergerät 17 verbunden, welches Lastanforderungen an den Elektromotor 6 weitergibt, bzw. Leistungsdaten des Elektromotors 6 empfängt. Weiterhin kann das Steuergerät 17 auch weitere Betriebsdaten und Parameter des Brennstoffzellensystems enthalten und insbesondere eine Leistungsanforderung, wie etwa die Stellung eines Fahrpedals, an das Brennstoffzellensystem verarbeiten.
  • Besonders bevorzugt ist die Brennstoffzelleneinheit 1 aus so genannten PEM-Brennstoffzellen gebildet, bei denen zwischen Anode 3 und Kathode 2 eine Protonen leitende Membran aus einem Polymer-Werkstoff angeordnet ist. Optional sind auch andere Brennstoffzellentypen denkbar. Die genannten PEM-Brennstoffzellen sind jedoch wegen ihrer niedrigen Betriebstemperatur für einen bevorzugten Fahrantrieb von Fahrzeugen oder auch eine Bordnetzversorgung in Fahrzeugen besonders zweckmäßig.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird das Brennstoffzellensystem mit einem veränderlichem Druck betrieben, wobei das Brennstoffzellensystem aus der Reaktion in der Brennstoffzelleneinheit 1 eine elektrische Ausgangsleistung des Brennstoffzellensystems zur Versorgung von elektrischen Verbrauchern 4 bereitstellt. Dabei kann sowohl der kathodenseitige Druck des Oxidationsmittels als auch der anodenseitige Druck des Brennmittels gleichartig erhöht werden, oder nur der kathodenseitige Druck. Es zeigt sich, dass etwa eine Erhöhung des Sauerstoffpartialdrucks zu einer Leistungserhöhung der Brennstoffzelleneinheit 1 führt. Allerdings ist es, insbesondere bei PEM-Brennstoffzellen, günstig, wenn eine Druckdifferenz zwischen Kathode 2 und Anode 3 nur gering ist, da dann auf zusätzliche Maßnahmen zur Stabilisierung der Protonen leitenden Membran in dem Brennstoffzellen verzichtet werden kann.
  • In einem Lastpunkt fordern Verbraucher 4, insbesondere der Fahrmotor, elektrische Leistung vom Brennstoffzellensystem an, indem beispielsweise eine Leistungsanforderung an das Steuergerät 17 geleitet wird. Eine Anforderung des Fahrmotors erfordert in der Regel eine hohe Dynamik des Brennstoffzellensystems. In dem Lastpunkt der Brennstoffzelleneinheit 1 kann die Ausgangsleistung der Brennstoffzelleneinheit 1 abhängig vom Druck variiert werden, wobei der Druck wird zumindest von dem das Oxidationsmittel fördernden Kompressor 5 aufgebracht wird. Gemäß der Erfindung wird in dem Lastpunkt die Druckabhängigkeit der elektrischen Leistung der Brennstoffzelleneinheit 1 gegen eine aufzubringende elektrische Leistung zum Betreiben des Kompressors 5 abgeglichen. Diese Daten können als charakteristische Größen von Brennstoffzelleneinheit 1 und Kompressor 5 vor der Inbetriebnahme des Brennstoffzellensystems bestimmt worden sein und z.B. in Kennfeldern und/oder Tabellen in dem Steuergerät 17 abgelegt sein.
  • Anschließend wird ein Druck für das Oxidationsmittel eingestellt, der mit einer minimal notwendigen elektrischen Leistung des Kompressors 5 erbracht werden kann. Daraus ergibt sich, dass der Druck des Oxidationsmittels auch nur so hoch gewählt wird, wie gerade notwendig.
  • Vorzugsweise erfolgt der Abgleich zwischen Druckabhängigkeit der elektrischen Leistung der Brennstoffzelleneinheit 1 und der aufzubringenden elektrischen Leistung zum Betreiben des Kompressors 5 in jedem Lastpunkt. Der Druck kann quasi kontinuierlich über den Lastbereich der Brennstoffzelleneinheit 1 verändert werden. Dadurch kann der Systemwirkungsgrad über den gesamten Lastbereich durch eine Minimierung parasitärer Leistungen des Kompressors 5 erhöht werden. Dies ist besonders für einen Betrieb im Teillastbereich wichtig, der für einen Normverbrauch des Brennstoffzellensystems relevant ist.
  • Zweckmäßigerweise werden etwaige weitere, nicht dargestellte elektrische Komponenten, wie z.B. Pumpen, insbesondere Kühlmittelpumpen, Lüfter und dergleichen, des Brennstoffzellensystems 1 in den Abgleich mit einbezogen, um die im Lastpunkt minimal notwendige elektrische Leistung des Kompressors 5 festzulegen.
  • Es ergibt sich vorteilhaft, dass bei erhöhtem Druck eine gegenüber einem Teillastbereich erhöhte Betriebstemperatur der Brennstoffzelleneinheit 1 zugelassen werden kann. Hierdurch wird eine für die Kühlung relevante Größe Q/dT (Q = abzuführende Wärmemenge, dT = Temperaturunterschied zwischen Brennstoffzelle und Kühlmedium) verkleinert, was die Kühlproblematik entschärft. Dies ist bei PEM-Brennstoffzellen von besonderer Bedeutung, da die üblicherweise für die Protonen leitende Membran eingesetzten Polymer-Werkstoffe Temperaturen von merklich über 100°C nicht dauerhaft tolerieren können. Speziell beim Einsatz des Brennstoffzellensystems in einem Fahrzeug steht zur Kühlung üblicherweise das Temperaturniveau der Umgebungsluft zur Verfügung, so dass bei einem der Teillast entsprechenden niedrigeren Druckniveau die anfallende Wärme bei Volllast bei erhöhten, z.B. sommerlichen Umgebungstemperaturen kaum abgeführt werden kann, was zu Leistungseinbußen des Brennstoffzellensystems führen kann.
  • Besonders günstig ist, dass zumindest zeitweise der Kompressor 5 durch eine im Brennstoffzellensystem implementierte Gasturbine 7 angetrieben wird. In diesem so genannten „Boost-Betrieb" kann die Kühlproblematik weiter entschärft und zusätzliche Ausgangsleistung den Verbrauchern 4 zugänglich gemacht werden.
  • Vorzugsweise wird die Gasturbine 7 durch eine Brennkammer 8 im Brennstoffzellensystem geheizt. Die Brennkammer 8 kann durch einen separat mitgeführten Kraftstoff und/oder mit Brennstoffzellenabgas betrieben werden.
  • Die Gasturbine 7 treibt besonders bevorzugt den Kompressor 5 nur bei hohen Lastanforderungen an das Brennstoffzellensystem an. Durch die zeitlich begrenzte Bereitstellung des Boost-Betriebs mittels der Gasturbine 7 kann eine weit über einem maximalen Auslegungspunkt für den Elektromotor 6 des Kompressors 5 liegende Antriebsleistung zur Verfügung gestellt werden, wodurch eine signifikante Steigerung des Drucks und damit der Betriebstemperatur der Brennstoffzelleneinheit 1 möglich ist. Daraus resultiert eine höhere Stromdichte der Brennstoffzelleneinheit 1 und damit eine höhere Leistung der Brennstoffzelleneinheit 1 bei Volllast bei unveränderter Größe der Brennstoffzelleneinheit 1.
  • Mit besonderem Vorteil kann beim Antrieb des Kompressors 5 durch die Gasturbine 7 elektrische Leistung des Antriebsmotors 6 des Kompressors 5 elektrischen Verbrauchern 4 zur Verfügung gestellt werden. Besonders bevorzugt wird die Leistung einem elektrischen Fahrantrieb zugeführt.
  • Insgesamt ermöglicht die Erfindung eine Erhöhung des Wirkungsgrades des Brennstoffzellensystems im Teillastbereich, was eine Verbrauchsreduzierung ermöglicht. Durch Anhebung des Druckniveaus im Volllastbereich kann auch die Betriebstemperatur angehoben werden, was die Kühlproblematik entschärft. Zusätzlich kann eine temporäre Mobilisierung von Leistungsreserven durch den Boost-Betrieb erfolgen.

Claims (10)

  1. Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems mit veränderlichem Druck, wobei das Brennstoffzellensystem eine Brennstoffzelleneinheit (1) mit einer Mehrzahl von Brennstoffzellen aufweist und einer Kathode (2) einer Brennstoffzelle ein Oxidationsmittel zugeführt wird, welches mit einem Brennmittel, das einer Anode (3) der Brennstoffzelle zugeführt wird, chemisch reagiert, wobei aus der Reaktion in der Brennstoffzelleneinheit (1) eine elektrische Ausgangsleistung des Brennstoffzellensystems zur Versorgung von elektrischen Verbrauchern (4) bereitgestellt wird, und wobei eine elektrische Leistung in einem Lastpunkt der Brennstoffzelleneinheit (1) abhängig vom Druck variiert und der Druck von zumindest einem das Oxidationsmittel fördernden Kompressor (5) aufgebracht wird, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Lastpunkt, in dem eine elektrische Leistung von dem Brennstoffzellensystem angefordert wird, die Druckabhängigkeit der elektrischen Leistung der Brennstoffzelleneinheit (1) gegen eine aufzubringende elektrische Leistung zum Betreiben des Kompressors (5) abgeglichen und ein Druck für das Oxidationsmittel eingestellt wird, der mit einer minimal notwendigen elektrischen Leistung des Kompressors (5) erbracht wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgleich zwischen Druckabhängigkeit der elektrischen Leistung der Brennstoffzelleneinheit (1) und der aufzubringenden elektrischen Leistung zum Betreiben des Kompressors (5) in jedem Lastpunkt durchgeführt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck quasi kontinuierlich über den Lastbereich der Brennstoffzelleneinheit (1) verändert wird.
  4. Verfahren nach zumindest einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass weitere elektrische Komponenten des Brennstoffzellensystems in den Abgleich mit einbezogen werden, um die im Lastpunkt minimal notwendige elektrische Leistung des Kompressors (5) festzulegen.
  5. Verfahren nach zumindest einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei erhöhtem Druck eine gegenüber einem Teillastbereich erhöhte Betriebstemperatur der Brennstoffzelleneinheit (1) zugelassen wird.
  6. Verfahren nach zumindest einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest zeitweise der Kompressor (5) durch eine im Brennstoffzellensystem implementierte Gasturbine (7) angetrieben wird.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasturbine (7) durch eine Brennkammer (8) im Brennstoffzellensystem geheizt wird.
  8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Gasturbine (7) den Kompressor (5) bei hohen Lastanforderungen an das Brennstoffzellensystem antreibt.
  9. Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass beim Antrieb des Kompressors (5) durch die Gasturbine (7) eine Leistung eines elektrischen Antriebsmotors (6) des Kompressors (7) Verbrauchern (4) zur Verfügung gestellt wird.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistung einem elektrischen Fahrantrieb zugeführt wird.
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