DE10325452A1 - Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems, wobei das Brennstoffzellensystem eine Brennstoffzelleneinheit (1) mit einer Mehrzahl von Brennstoffzellen aufweist, welche elektrische Verbraucher (4) mit elektrischer Leistung versorgt. Die Brennstoffzelleneinheit (1) wird bei Inbetriebnahme während einer Aufwärmphase auf eine Betriebstemperatur erwärmt. Während der Aufwärmphase der Brennstoffzelleneinheit (1) werden die elektrischen Verbraucher (4) mit elektrischer Leistung versorgt, die von einer Strömungsmaschine (7) mit Brennkammer (8) zur Verfügung gestellt wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • Es ist bekannt, dass Brennstoffzellensysteme aufgrund der unterschiedlichen katalytischen Reaktionen in Komponenten des Brennstoffzellensystems wie auch in der Brennstoffzelle selbst eine erhöhte Betriebstemperatur benötigen. Gegenstand der Offenlegungsschrift DE 101 42 923 A1 ist ein Fahrzeug mit einem Elektromotor als Fahrantrieb, der von einer Brennkraftmaschine und einem Brennstoffzellensystem mit Antriebsleistung versorgt wird. Die Brennkraftmaschine wird unter anderem zum Aufheizen des Brennstoffzellensystems auf eine Betriebstemperatur verwendet, um deren Kaltstartphase zu verkürzen. Alternativ können auch elektrische Heizmittel vorgesehen sein. Das Fahrzeug ist auch bei einem Kaltstart des Brennstoffzellensystems sofort einsatzbereit und wird in diesem Fall durch elektrische Leistung eines Generators angetrieben, der durch die Brennkraftmaschine angetrieben wird.
  • 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.
  • Gemäß der Erfindung werden während einer Aufwärmphase einer Brennstoffzelleneinheit elektrische Verbraucher mit elektrischer Leistung versorgt, die von einer mit einer Brennkammer ausgestatteten Strömungsmaschine zur Verfügung gestellt wird.
  • In einer vorteilhaften Weiterbildung werden mit fortschreitender Erwärmung der Brennstoffzelleneinheit die Verbraucher zunehmend mit Energie der Brennstoffzelleneinheit versorgt. In der Aufwärmphase entstehende elektrische Leistung der Brennstoffzelle kann von Verbrauchern abgenommen und die Aufwärmphase unterstützt werden.
  • In einer besonders vorteilhaften Weiterbildung werden die Verbraucher erst dann mit elektrischer Leistung der Brennstoffzelleneinheit versorgt, wenn diese ihre Betriebstemperatur erreicht hat. Dies entspricht einer möglichst schonenden Aufwärmephase der Brennstoffzelleneinheit.
  • In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung werden Komponenten des Brennstoffzellensystems mit Abwärme der Strömungsmaschine erwärmt. Bevorzugt wird die Brennstoffzelleneinheit erwärmt, besonders bevorzugt erfolgt eine Aufheizung eines Kühlmittels der Brennstoffzelleneinheit mittels der Abwärme der Strömungsmaschine. Das Brennstoffzellensystem bzw. die Brennstoffzelleneinheit werden auf diese Weise schnell und gleichmäßig durchwärmt.
  • In einer günstigen Weiterbildung wird die Brennkammer der Strömungsmaschine mit Brennstoffzellenabgas betrieben. Damit können reaktive Bestandteile aus dem Brennstoffzellenabgas entfernt werden. Optional oder zusätzlich kann auch ein separater Kraftstoff verwendet werden.
  • In einer sehr günstigen Weiterbildung treibt die Strömungsmaschine einen Kompressor bei hohen Lastanforderungen an das Brennstoffzellensystem an. Damit kann eine Leistung an Verbraucher abgegeben werden, die höher ist als der Auslegung der Brennstoffzelleneinheit entspricht. Der Kompressor verfügt dann über eine höhere Leistung als der Auslegung seines Elektromotors entspricht.
  • 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. Mit besonderem Vorteil wird das Brennstoffzellensystem in einem Fahrzeug eingesetzt; besonders bevorzugt stellt das Brennstoffzellensystem die Antriebsleistung für einen Fahrantrieb bereit.
  • 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 der 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 stark vereinfacht durch eine einzige Kathode 2, der über eine kathodenseitige Zuführleitung 12 ein Oxidationsmittel zugeführt wird, und eine einzige Anode 3, der über eine anodenseitige Zuführleitung 13 ein Brennmittel zugeführt wird, dargestellt. Brennmittel und Oxidationsmittel reagieren in den Brennstoffzellen im Bereich einer Ionen leitenden Membran 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. Vorratstanks für die Betriebsmedien, eine etwaige Gaserzeugung zur Erzeugung von Wasserstoff oder eines wasserstoffreichen Reformats als Brennmittel, Abgasnachbehandlung, Kühleinrichtungen, Pumpen, Lüfter und dergleichen, sind nicht dargestellt, können jedoch vorgesehen sein, wobei ein detaillierter Aufbau eines Brennstoffzellensystems dem Fachmann geläufig ist und keiner näheren Erläuterung bedarf. 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 Betriebsmedien für Brennstoffzellen.
  • In der kathodenseitigen Zuführleitung 12 ist vorzugsweise ein Kompressor 5 angeordnet, der über eine Welle 9 von einem Elektromotor 6 angetrieben wird und der das Oxidationsmittel auf einen Betriebsdruck komprimiert. 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. Zusätzlich zu dem Kompressor 5 kann auch eine mit einer Brennkammer 8 ausgestattete Strömungsmaschine 7 vorgesehen sein, deren Turbine durch die Abwärme der Brennkammer 8 betrieben wird. Besonders bevorzugt ist die Strömungsmaschine 7 eine Gasturbine. Die Brennkammer 8 ist zweckmäßigerweise Bestandteil des Brennstoffzellensystems, insbesondere einer Abgasnachbehandlung des Brennstoffzellensystems.
  • Bevorzugt steht der Kompressor 5 mit der Strömungsmaschine 7 in Wirkverbindung. Insbesondere kann der Kompressor 5 bzw. dessen Elektromotor 6 von der Strömungsmaschine 7 angetrieben werden. Deren Brennkammer 8 wird z.B. durch Abgas der Brennstoffzelleneinheit 1 und/oder durch einen anderen geeigneten Kraftstoff beheizt, so dass auch dann elektrische Leistung zur Verfügung steht, wenn die Brennstoffzelleneinheit 1 selbst nicht oder noch nicht einsatzbereit ist.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Starten eines Brennstoffzellensystems werden während einer Aufwärmphase der Brennstoffzelleneinheit 1 auf eine Betriebstemperatur die elektrischen Verbraucher 4 mit elektrischer Leistung versorgt, die von der Strömungsmaschine 7 zur Verfügung gestellt wird. Die Strömungsmaschine 7 treibt dazu bevorzugt den Elektromotor 6 an, der dann als Generator arbeitet, der die Verbraucher 4 mit Leistung versorgt. So kann innerhalb weniger Sekunden eine elektrische Leistung von einigen Kilowatt, abhängig von der Größe des Elektromotors 6, z.B. für einen Fahrantrieb bereitgestellt werden. Bis die Aufwärmphase abgeschlossen und die Brennstoffzelleneinheit auf eine notwendige Starttemperatur gebracht worden ist, kann die Leistung für den Fahrantrieb bzw. andere Verbraucher 4 entweder nur aus dem Generatorbetrieb oder, optional, auch zusätzlich aus einem mitgeführten Energiespeicher, insbesondere einer Batterie, bereit gestellt werden.
  • Es ist zweckmäßig, ein an sich bekanntes Kaltstartsystem in dem Brennstoffzellensystem vorzusehen, welches praktisch nur im Startfall in Betrieb ist und die Aufgabe hat, das Brennstoffzellensystem möglichst schnell auf eine Starttemperatur zumindest nahe der normalen Betriebstemperatur zu bringen. Im Normalbetrieb ist das Kaltstartsystem außer Funktion.
  • Mit zunehmender Erwärmung der Brennstoffzelleneinheit 1 können die Verbraucher 4 auch zunehmend mit Leistung der Brennstoffzelleneinheit 1 versorgt werden, während die Strömungsmaschine 7 entsprechend weniger Leistung an die Verbraucher 4 abgibt.
  • Besonders bevorzugt wird erst dann elektrische Leistung der Brennstoffzelleneinheit 1 an die Verbraucher 4 abgegeben, wenn diese eine vorgegebene Start- und/oder Betriebstemperatur erreicht hat.
  • In einer besonders bevorzugten Weiterbildung werden Komponenten des Brennstoffzellensystems, insbesondere die Brennstoffzelleneinheit 1, mit Abwärme der Strömungsmaschine 7 erwärmt. Dazu ist ein nicht dargestellter Wärmetauscher vorgesehen, der Abwärme der Strömungsmaschine 7 und/oder der Brennkammer 8 auf die Komponenten, besonders bevorzugt auf die Brennstoffzelleineinheit 1, überträgt. In einer besonders vorteilhaften Weiterbildung wird die Abwärme der Strömungsmaschine 7 bzw. der Brennkammer 8 zur Aufheizung eines Kühlmittels der Brennstoffzelleneinheit 1 eingesetzt. Insbesondere wird ein Wasser-Glykolgemisch, welches als Kühlmittel durch zumindest die Brennstoffzelleneinheit 1 strömt, mit der Abwärme vorgewärmt. Damit kann die Brennstoffzelleneinheit 1 homogener und schonender aufgewärmt werden.
  • Mit besonderem Vorteil ist die Strömungsmaschine 7 bzw. deren Brennkammer 8 mit dem Kaltstartsystem über einen Wärmetauscher in Verbindung und somit mit ihrer Abwärme in das Kaltstartsystem eingebunden.
  • In einer vorteilhaften Betriebsweise treibt die Strömungsmaschine 7 den Kompressor 5 zumindest kurzzeitig auch bei hohen Lastanforderungen an das Brennstoffzellensystem an. Es ist günstig, beim Antrieb des Kompressors 5 durch die Strömungsmaschine 7 die nunmehr verfügbare elektrische Leistung des Elektromotors 6 des Kompressors 7 Verbrauchern 4, insbesondere dem Fahrantrieb, zur Verfügung zu stellen. Dadurch wird der Elektromotor 6 entlastet, so dass eine elektrische Leistung von einigen Kilowatt, wobei eine typische Antriebsleistung des Elektromotors 6 bis etwa 10 kW betragen kann, zusätzlich dem Fahrantrieb zur Verfügung gestellt werden kann, ohne dass eine höhere Leistung der Brennstoffzelleneinheit 1 notwendig wäre und eine größere Menge Abwärme von dieser abzuführen wäre. Eine Kühlproblematik bei Volllast wird damit verringert.
  • Insgesamt ermöglicht die Erfindung eine Verkürzung der Kaltstartzeit der Brennstoffzelleneinheit 1 und eine sofortige Verfügbarkeit von Antriebsleistung beim Kaltstart. Zusätzlich kann im Volllastbereich eine temporäre Mobilisierung von Leistungsreserven durch einen Antrieb des Kompressors 5 durch die Strömungsmaschine 7 erfolgen, wodurch die Kühlproblematik entschärft wird, indem zusätzliche Antriebsleistung ohne Vermehrung der Abwärme der Brennstoffzelleneinheit 1 verfügbar gemacht wird.

Claims (10)

  1. Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems, wobei das Brennstoffzellensystem eine Brennstoffzelleneinheit (1) mit einer Mehrzahl von Brennstoffzellen aufweist, welche elektrische Verbraucher (4) mit elektrischer Leistung versorgt, wobei die Brennstoffzelleneinheit (1) bei Inbetriebnahme während einer Aufwärmphase auf eine Betriebstemperatur erwärmt wird, dadurch gekennzeichnet, dass während der Aufwärmphase der Brennstoffzelleneinheit (1) die elektrischen Verbraucher (4) mit elektrischer Leistung versorgt werden, die von einer Strömungsmaschine (7) mit Brennkammer (8) zur Verfügung gestellt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mit fortschreitender Erwärmung in der Aufwärmphase der Brennstoffzelleneinheit (1) die Verbraucher (4) zunehmend mit elektrischer Leistung der Brennstoffzelleneinheit (1) versorgt werden.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbraucher (4) erst mit elektrischer Leistung der Brennstoffzelleneinheit (1) versorgt werden, wenn diese ihre Start- und/oder Betriebstemperatur erreicht hat.
  4. Verfahren nach zumindest einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Komponenten des Brennstoffzellensystems mit Abwärme der Strömungsmaschine (7) erwärmt werden.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzelleneinheit (1) mit Abwärme der Strömungsmaschine (7) erwärmt wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass Abwärme der Strömungsmaschine (7) zur Aufheizung eines Kühlmittels der Brennstoffzelleneinheit (1) eingesetzt wird.
  7. Verfahren nach zumindest einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Gasturbine als Strömungsmaschine (7) verwendet wird.
  8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsmaschine (7) einen Kompressor (5) bei hohen Lastanforderungen an das Brennstoffzellensystem antreibt.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass beim Antrieb des Kompressors (5) durch die Strömungsmaschine (7) eine Leistung eines Elektromotors (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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