DE19944296A1 - Brennstoffzellenanlage - Google Patents
BrennstoffzellenanlageInfo
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Abstract
Die Erfindung bezieht sich auf eine Brennstoffzellenanlage, in welcher ein Abgas, das eine Druckenergie hat, auch nachdem Sauerstoff darin in der Brennstoffzelle verbraucht wurde, in einer Expansionsmaschine expandiert wird, um die Druckenergie in dem Abgas als mechanische Energie zur Unterstützung des Antriebs eines Verdichters zu nutzen. In der herkömmlichen Brennstoffzellenanlage kann die unterstützende Antriebskraft für den Verdichter durch die Expansionsmaschine lediglich erhalten werden, nachdem ein Abgasdruck in der Abgasleitung auf einen vorbestimmten Wert zugenommen hat, was nach Ablauf einiger Zeit nach einem Betriebsstart der Brennstoffzelle eintritt. Angesichts dessen ist gemäß der vorliegenden Erfindung eine Kupplung (20) zwischen dem elektrischen Motor (16) und der Expansionsmaschine (15) zur Verbindung/Trennung der Expansionsmaschine mit/von dem elektrischen Motor sowie eine Steuereinrichtung (21, 22) zur Steuerung der Kupplung vorgesehen. Die Steuereinrichtung erfaßt einen Druck in der Abgasleitung (13) zwischen der Brennstoffzelle (10) und der Expansionsmaschine (15), um die Kupplung auszurücken, solange ein erfaßter Druck niedriger ist als ein vorbestimmter Wert, und um die Kupplung einzurücken, wenn der erfaßte Druck höher wird als der vorbestimmte Wert.
Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine
Brennstoffzellenanlage und insbesondere bezieht sie sich auf
eine Brennstoffzellenanlage, in welcher ein Abgas, welches eine
Druckenergie hat, auch nachdem der Sauerstoff durch die
Brennstoffzelle aufgebraucht wurde, in einer Expansionsmaschine
expandiert wird, um die Druckenergie in dem Abgas als eine
mechanische Energie zur Unterstützung des Antriebs eines
Verdichters zu nutzen.
Bei einer derartigen Brennstoffzellenanlage ist die
Brennstoffzelle mit einer Luftzuführleitung, die sich von einer
Druckluftquelle zu der Brennstoffzelle erstreckt, und einer
Abgasleitung versehen, die sich von der Brennstoffzelle in die
Atmosphäre erstreckt, wobei der Verdichter in der
Luftzuführleitung angeordnet ist und die Expansionsmaschine
entsprechend in der Abgasleitung angeordnet ist. Der Verdichter
ist durch einen elektrischen Motor angetrieben.
Beispielsweise hat eine Brennstoffzellenanlage, die in der
japanischen ungeprüften (Kokai) Patentanmeldung Nr. 7-14599
beschrieben ist, welche mit den US-Patenten Nr. 5,434,016 und
5,645,950 übereinstimmt, wie in Fig. 3 gezeigt ist, eine
Brennstoffzelle 50, die mit einer Luftzuführleitung 51 und einer
Abgasleitung 52 versehen ist, einen Verdichter 53, der in der
Luftzuführleitung 51 angeordnet ist, eine Expansionsmaschine 54,
die in der Abgasleitung 52 angeordnet ist, und einen
elektrischen Motor 56 zum Antrieb des Verdichters 53. Die der
Luftzuführleitung 51 zuführte Luft wird durch den Verdichter 53
auf einen vorbestimmten Druckwert verdichtet und wird dann der
Brennstoffzelle 50 zugeführt, um darin enthaltenen Sauerstoff in
der Brennstoffzelle 50 zu verbrauchen. Das Abgas, aus dem der
Sauerstoff in der Brennstoffzelle 50 aufgebraucht ist, wird dann
durch die Abgasleitung 52 abgegeben und durch die
Expansionsmaschine 54 in die Nähe eines Atmosphärendrucks
entspannt. Die Expansionsmaschine 54 ist koaxial mit dem
Verdichter 53 angeordnet und damit durch eine gemeinsame Welle
57 verbunden, um durch den elektrischen Motor 56 angetrieben zu
werden. In Fig. 3 bezeichnen Bezugszeichen 58 und 59
Wasserabscheider, 61 bezeichnet eine Pumpe, 62 bezeichnet eine
Düse und 63 zeigt einen Tank.
Mit dieser Brennstoffzellenanlage wird versucht, die in dem von
der Brennstoffzelle 50 abgegebenen Abgas verbliebene
Druckenergie zu nutzen, um den Antrieb oder die Leistung des
Verdichters 53 zu unterstützen. Dies bedeutet, daß die
Druckenergie des Abgases in mechanische Energie (Antriebskraft)
durch die Expansionsmaschine 54 umgewandelt wird und die
Antriebs kraft über die gemeinsame Welle 57 auf den Verdichter 53
übertragen wird, um den Antrieb des Verdichters 53 durch den
elektrischen Motor 56 zu unterstützen.
Jedoch kann die unterstützende Antriebs kraft für den Verdichter
53 durch die Expansionsmaschine 54 lediglich erhalten werden,
nachdem ein Abgasdruck in der Abgasleitung 52 auf einen
vorbestimmten Wert angestiegen ist (Nenndruck der
Expansionsmaschine 54), was nach Ablauf einiger Zeit nach einem
Betriebsbeginn der Brennstoffzelle realisiert ist. Mit anderen
Worten, bevor der Abgasdruck in der Abgasleitung 52 den
vorbestimmten Wert erreicht, wie unmittelbar nach dem
Betriebsbeginn der Brennstoffzelle, kann die Expansionsmaschine
54 nicht durch das Abgas betrieben werden, so daß sie durch den
elektrischen Motor 56 angetrieben wird, um das Abgas
erzwungenermaßen unter den Atmosphärendruck zu entspannen. Dies
bedeutet jedoch nicht nur, daß die Expansionsmaschine 54 keine
mechanische Energie sammeln kann, sondern daß die
Expansionsmaschine 54 elektrische Energie für den elektrischen
Motor 56 verbraucht, mit anderen Worten, ein Gegendrehmoment
wird von der Expansionsmaschine 54 auf den elektrischen Motor 56
übertragen.
Angesichts der obigen Tatsache ist in dieser herkömmlichen
Brennstoffzellenanlage ein Klappenventil oder ein Luftschieber
64 zwischen der Brennstoffzelle 50 und der Expansionsmaschine 54
in der Abgasleitung (stromaufwärts der Expansionsmaschine 54)
angeordnet, um Atmosphäre in die Abgasleitung 52 einzuführen,
wenn der Druck in der Abgasleitung 52 ein Unterdruck ist, um den
Druck darin anzuheben.
Auch nachdem das Klappenventil 64 geöffnet wurde, dauert die
Drehung der Expansionsmaschine 54 durch den elektrischen Motor
56 jedoch an, bis der Druck in der Abgasleitung 52 den
vorbestimmten Wert erreicht hat, wobei elektrische Energie durch
den elektrischen Motor 56 verbraucht wird, um die
Expansionsmaschine 54 anzutreiben. Zudem nimmt, infolge der
durch das Klappenventil 64 durch die Expansionsmaschine 54
eingeführten Atmosphärenluft die Luftmenge in der Abgasleitung
52 und der Expansionsmaschine 54 zu, so daß die erforderliche
Zeit zum Anheben des Drucks des Abgases in der Abgasleitung 52
überflüssigerweise verlängert wird.
Mit der vorliegenden Erfindung soll erstens eine
Brennstoffzellenanlage geschaffen werden, in welcher die
Antriebs kraft des elektrischen Motors nicht zum Antrieb der
Expansionsmaschine verwendet wird, bevor der Druck in der
Abgasleitung den vorbestimmten Wert erreicht hat.
Mit der vorliegenden Erfindung soll zweitens eine
Brennstoffzellenanlage geschaffen werden, in welcher die in dem
Abgas verbliebene Druckenergie durch die Expansionsmaschine in
mechanische Energie umgewandelt wird, um den Antrieb des
Verdichters zu unterstützen, nachdem der Druck in der
Abgasleitung den vorbestimmten Wert erreicht hat.
Mit der vorliegenden Erfindung soll drittens eine
Brennstoffzellenanlage geschaffen werden, in welcher die
Druckanstiegszeit in der Abgasleitung beim Anlaufen der
Brennstoffzelle, d. h. die Zeit, die erforderlich ist, bis der
Druck in der Abgasleitung den vorbestimmten Wert erreicht hat,
verkürzt werden kann.
- 1) Um obige erste Aufgabe zu lösen, sind gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung dieser Anmeldung in einer Brennstoffzellenanlage mit einer Brennstoffzelle, einer Luftzuführleitung, einer Abgasleitung, einem in der Luftzuführleitung angeordneten Verdichter, einem elektrischen Motor zum Antrieb des Verdichters und einer Expansionsmaschine, die in der Abgasleitung angeordnet ist, um koaxial mit dem elektrischen Motor zu sein, um ein Abgas, das von der Brennstoffzelle abgegeben wird, auf einen Atmosphärendruck oder Umgebungsdruck zu expandieren, eine Kupplung zwischen dem elektrischen Motor und der Expansionsmaschine, um die Expansionsmaschine von dem elektrischen Motor zu trennen, und eine Steuereinrichtung, um die Kupplung zu steuern, vorgesehen ist. Diese Steuereinrichtung erfaßt einen Druck in der Abgasleitung zwischen der Brennstoffzelle und der Expansionsmaschine, um die Kupplung zu trennen, solange ein erfaßter Druck niedriger ist als ein vorbestimmter Wert.
In dem zweiten Aspekt der Erfindung dieser Anmeldung ist in der
obigen Brennstoffzellenanlage eine Einwegkupplung oder ein
Freilauf zwischen dem elektrischen Motor und der
Expansionsmaschine angeordnet, die solange im Leerlauf dreht,
wie die Anzahl von Umdrehungen der Expansionsmaschine kleiner
ist als die Anzahl von Umdrehungen des elektrischen Motors.
Weil gemäß dieser Erfindung die Expansionsmaschine über eine
Kupplung oder einen Freilauf mit dem elektrischen Motor
verbunden ist, sind der elektrische Motor und die
Expansionsmaschine durch Trennen der Kupplung oder durch den
Freilauf getrennt, bis der Druck in der Abgasleitung den
vorbestimmten Wert erreicht.
- 2) Um die zweite Aufgabe zu lösen, sind gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung in einer Brennstoffzellenanlage mit einer Brennstoffzelle, einer Luftzuführleitung, einer Abgasleitung, einem Verdichter, der in der Luftzuführleitung angeordnet ist, einem elektrischen Motor zum Antrieb des Verdichters, und einer Expansionsmaschine, die in der Abgasleitung angeordnet ist, um koaxial mit dem elektrischen Motor zu sein, um ein Abgas, das von der Brennstoffzelle abgegeben wird, auf einen Atmosphärendruck hinunter zu entspannen, eine Kupplung zwischen dem elektrischen Motor und der Expansionsmaschine, um die Expansionsmaschine mit dem elektrischen Motor zu verbinden, und eine Steuereinrichtung zur Steuerung der Kupplung vorgesehen. Die Steuereinrichtung erfaßt einen Druck in der Abgasleitung zwischen der Brennstoffzelle und der Expansionsmaschine, um die Kupplung einzurücken, wenn der erfaßte Druck größer wird als der vorbestimmte Wert.
In dem zweiten Aspekt der Erfindung ist in der obigen
Brennstoffzellenanlage eine Einwegkupplung oder ein Freilauf
zwischen dem elektrischen Motor und der Expansionsmaschine
angeordnet, um eine Drehung der Expansionsmaschine auf den
elektrischen Motor zu übertragen und zusammen mit der
Expansionsmaschine zu drehen, wenn die Anzahl von Umdrehungen
der Expansionsmaschine gleich der Anzahl von Umdrehungen des
elektrischen Motors wird.
Durch diese Erfindung wird nach Ablauf einer kurzen Zeit nach
dem Anlassen oder Betriebsbeginn der Brennstoffzelle die
Expansionsmaschine mit dem elektrischen Motor und dem Verdichter
durch die Kupplung oder den Freilauf verbunden. Im Ergebnis wird
die Druckenergie des Abgases als mechanische Energie durch die
Expansionsmaschine genutzt, so daß die mechanische Energie
(Antriebskraft) verwendet wird, um den Antrieb des Verdichters
zu unterstützen.
- 3) Um das dritte Ziel zu erreichen, ist gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung die Kupplung zwischen dem elektrischen Motor und der Expansionsmaschine getrennt, so daß keine Atmosphäre in die Abgasleitung eingeführt wird, auch wenn der Druck des Abgases niedriger ist als der vorbestimmte Wert, wobei gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung der Freilauf, der zwischen dem elektrischen Motor und der Expansionsmaschine angeordnet ist, leer dreht, so daß keine Atmosphärenluft in die Abgasleitung eingeführt wird, auch wenn die Anzahl der Umdrehungen der Expansionsmaschine kleiner ist als die des elektrischen Motors.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird, solange der Druck der
Abgasleitung unter dem vorbestimmten Wert ist, oder die Anzahl
von Umdrehungen der Expansionsmaschine kleiner ist, als die des
elektrischen Motors beim Anlassen der Brennstoffzelle, keine
Atmosphäre in die Abgasleitung eingeführt (wie zuvor beschrieben
wurde, ist die Kupplung oder der Freilauf zu dieser Zeit
getrennt) . Im Ergebnis wird der Druckanstieg des Abgases in der
Abgasleitung unterstützt, so daß die Kraftunterstützung des
Verdichters und des elektrischen Motors durch die
Expansionsmaschine rasch beginnt.
Als nächstes werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der
Brennstoffzellenanlage gemäß der vorliegenden Erfindung genau
unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung erläutert. Es ist
jedoch anzumerken, daß die vorliegende Erfindung nicht auf diese
Ausführungsbeispiele beschränkt ist, sondern daß verschiedene
Modifikationen oder Änderungen innerhalb des Erfindungsgedankens
möglich sind. In der Zeichnung ist:
Fig. 1 eine erläuternde Ansicht eines ersten
Ausführungsbeispiels einer Brennstoffzellenanlage gemäß der
vorliegenden Erfindung;
Fig. 2 eine erläuternde Ansicht eines zweiten
Ausführungsbeispiels der Brennstoffzellenanlage gemäß der
vorliegenden Erfindung; und
Fig. 3 eine erläuternde Ansicht, die ein herkömmliches
Beispiel einer Brennstoffzellenanlage zeigt.
Ein erstes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird
auf der Basis der Fig. 1 erläutert.
Eine Brennstoffzellenanlage gemäß diesem Ausführungsbeispiel
besteht aus einer Brennstoffzelle 10, die mit einer
Luftzuführleitung 12, einer Abgasleitung 13, einem Verdichter
11, der in der Luftzuführleitung 12 angeordnet ist, einer
Expansionsmaschine 15, die in der Abgasleitung 13 angeordnet
ist, und einem elektrischen Motor 16 zum Antrieb des Verdichters
11 versehen ist.
In der Brennstoffzelle 10 sind, wie bekannt ist, eine positive
Elektrode und eine negative Elektrode an beiden Seiten eines
Elektrolyts angeordnet, so daß sie eine Schicht bilden. In die
Brennstoffzelle 10 wird eine Prozeßluft durch den Verdichter 11
über die Luftzuführleitung 12 zugeführt und diese Prozeßluft
passiert einen positiven Elektrodenraum der Brennstoffzelle 10
und wird dann durch die Abgasleitung 13 abgegeben. Der
Verdichter 11 ist koaxial mit dem elektrischen Motor 16
angeordnet und damit durch eine gemeinsame Welle 17a verbunden.
In einem negativen Elektrodenraum der Brennstoffzelle 10 wird
Wasserstoff oder ein Gas, welches Wasserstoff in hoher Qualität
enthält, durch eine Brennstoffzuführleitung (nicht gezeigt)
zugeführt und durch Reaktion des Wasserstoffs mit in der
Prozeßluft enthaltenem Sauerstoff in der Brennstoffzelle 10
werden erzeugtes Wasser und Reaktionswärme zusätzlich zu
elektrischer Energie erzeugt. Somit wird das Abgas, welches viel
Dampf enthält, von der Brennstoffzelle 10 durch die Abgasleitung
13 abgegeben.
Das Abgas wird, nachdem das darin enthaltene Wasser in einer
Wasserabscheideeinrichtung 14, die in der Abgasleitung 13
angeordnet ist, abgeschieden wurde, in eine Expansionsmaschine
15 zugeführt, um eine darin verbliebene Druckenergie zu nutzen.
Diese Expansionsmaschine 15 ist ein bekannter Typ (z. B. eine
Turbine) mit veränderlicher Kapazität und ist koaxial mit dem
elektrischen Motor 16 angeordnet, um gemäß der vorliegenden
Erfindung über eine Kupplung, die auf gemeinsamen Wellen 17b,
17c angeordnet ist, mit dem elektrischen Motor 16 verbunden.
Als die Kupplung wird eine bekannte elektromagnetische Kupplung
20 in diesem Ausführungsbeispiel verwendet, deren Betrieb durch
einen Drucksensor 21, der in der Nähe der Abgasleitung 13
angeordnet ist, um den Druckwert in der Abgasleitung 13 zu
erfassen, und eine Steuereinrichtung 22 gesteuert wird, die
einen Antriebsstrom für die elektromagnetische Kupplung 20 auf
der Basis eines durch den Drucksensor 21 erfaßten Drucks
steuert. Die elektromagnetische Kupplung 20 wird in einen
getrennten oder unterbrochenen Zustand gebracht, solange der
Druck in der Abgasleitung 13, der durch den Drucksensor 21
erfaßt wird, niedriger ist als ein vorbestimmter Wert, wie zum
Beispiel unmittelbar nach dem Anfahren der Brennstoffzelle 10,
und sie überträgt die Antriebs kraft des elektrischen Motors 16
nicht auf die Expansionsmaschine 15. Aus diesem Grund wird die
Antriebs kraft des elektrischen Motors 16 nicht zum Antrieb der
Expansionsmaschine 15 verwendet, sondern sie dient lediglich dem
Antrieb des Verdichters 11. Zudem wird, solange der Druck in der
Abgasleitung 13 niedriger ist als der vorbestimmte Wert, die
Expansionsmaschine 16 im Leerlauf gedreht oder in einem nicht
betriebenen Zustand gehalten, so daß der Druck in der
Abgasleitung 13 in kurzer Zeit ansteigt.
Im Unterschied dazu wird, wenn der Druck in der Abgasleitung 13
höher als der vorbestimmte Wert wird, d. h. wenn einige Zeit
nach dem Anlassen der Brennstoffzelle 10 verstrichen ist, die
elektromagnetische Kupplung 20 in den eingerückten Zustand
gebracht, um die Drehung der Expansionsmaschine 15 auf den
elektrischen Motor 16 zu übertragen. Auf diese Weise wird die
durch die Expansionsmaschine 15 genutzte und umgewandelte
mechanische Energie über die gemeinsamen Wellen 17b und 17c
sowie die elektromagnetische Kupplung 20 auf den elektrischen
Motor 16 übertragen. Somit kann der Nachteil der herkömmlichen
Technik, daß die Antriebs kraft für die Expansionsmaschine als
Gegendrehmoment auf den elektrischen Motor übertragen wird,
vermieden werden. Zudem steigt der Druck in der Abgasleitung 13
von dem Druck unterhalb des vorbestimmten Werts auf den
vorbestimmten Wert in kurzer Zeit an, wie oben beschrieben ist,
was dazu führt, daß die Leistungsunterstützung durch die
Expansionsmaschine für den Verdichter 11 rasch beginnt.
Der Betrieb der elektromagnetischen Kupplung 20 wird nun genauer
erläutert. Wenn beispielsweise der Verdichter 11 angelassen
wird, indem ein Verdichtungsverhältnis davon auf 3,0 und eine
üblicherweise verwendete Drehzahl von 1500 Umdrehungen pro
Minute gesetzt wird, steigt der Druck in der Luftzuführleitung
12 auf den vorbestimmten Pegel (3 Atmosphären) schnell an. Wenn
jedoch, wie bei der herkömmlichen Technik (siehe Fig. 3) die
Expansionsmaschine 54, deren Verdichtungsverhältnis als 2,5
gewählt ist, mit dem elektrischen Motor 56 und dem Verdichter 53
verbunden würde, würde die Expansionsmaschine 54 durch den
elektrischen Motor 56 angetrieben und saugte Atmosphäre durch
das Klappenventil 64 an, so daß mindestens 3 Minuten
erforderlich wären, bis das Abgas in der Abgasleitung 52 den
vorbestimmten Pegel (2,5 Atmosphären) erreichte. Während dieser
Zeit würde das Abgas durch die Expansionsmaschine 54 auf
Atmosphärendruck entspannt.
Im Gegensatz dazu ist in diesem Ausführungsbeispiel die
Expansionsmaschine 15 mit dem elektrischen Motor 16 über die
elektromagnetische Kupplung 20 verbunden und wird durch den
Drucksensor 21 und die Steuereinrichtung 22 im getrennten oder
ausgerückten Zustand gehalten, bis der Druck in der Abgasleitung
13 den vorbestimmten Wert erreicht. Durch einen solchen Aufbau
wird die Last der Expansionsmaschine 15 nicht auf den
elektrischen Motor 16 aufgebracht, welcher dreht, bis der Druck
in der Abgasleitung 13 den vorbestimmten Wert erreicht, was zu
einer kurzen Druckanstiegszeit (etwa 5 Sekunden) für den Druck
in der Abgasleitung 13 führt.
In einem zweiten Ausführungsbeispiel ist eine Einwegkupplung
oder ein Freilauf 30 verwendet, welcher die Drehung der
Expansionsmaschine 15 auf den elektrischen Motor 16 unter einer
bestimmten Bedingung überträgt, jedoch die Drehung des
elektrischen Motors 16 niemals auf die Expansionsmaschine 15
überträgt. Der Freilauf 30 setzt die Leerdrehung fort, solange
die Drehzahl der Drehwelle 17c der Expansionsmaschine 15 kleiner
ist als die der Drehwelle 17b des elektrischen Motors 16, er
dreht jedoch zusammen mit der Drehwelle 17, wenn die Drehzahl
der Drehwelle 17c der Expansionsmaschine 15 größer wird als die
der Drehwelle 17b des elektrischen Motors 16. Somit beginnt eine
automatische Drehungsübertragung von der Expansionsmaschine 15
auf den elektrischen Motor 16.
In diesem Ausführungsbeispiel wird die Beziehung zwischen dem
Druck in der Abgasleitung 13 und dem Rotationsbeginn der
Expansionsmaschine 15 beachtet, dies bedeutet, daß die
Expansionsmaschine 15 ihre Drehung beginnt, wenn der Druck in
der Abgasleitung 13 auf den vorbestimmten Wert zugenommen hat.
In diesem Fall dreht der Freilauf 30 leer oder er überträgt die
Drehung der Expansionsmaschine 15 auf den Elektromotor 16 in
Übereinstimmung mit der Anzahl von Umdrehungen der
Expansionsmaschine 15. Im Ergebnis kann die Expansionsmaschine
15 die Druckenergie in die mechanische Energie umwandeln und
überträgt sie automatisch auf den Verdichter 11, um den Antrieb
des Verdichters 11 zu unterstützen, nachdem der Druck in der
Abgasleitung 13 den vorbestimmten Wert erreicht hat. Somit
können der Drucksensor 21 und die Steuereinrichtung 22 in dem
ersten Ausführungsbeispiel zur Steuerung der elektromagnetischen
Kupplung 20 entfallen, so daß der gesamte Aufbau der
Brennstoffzellenanlage vereinfacht werden kann.
Zudem wird in diesem Ausführungsbeispiel die Antriebs kraft des
elektrischen Motors 16 keinesfalls zum Antreiben der
Expansionsmaschine 15 verwendet, sondern sie wird zu jeder Zeit
lediglich zum Antrieb des Verdichters 11 verwendet.
Diese Erfindung bezieht sich auf eine Brennstoffzellenanlage, in
welcher ein Abgas, das eine Druckenergie hat, auch nachdem
Sauerstoff darin in der Brennstoffzelle verbraucht wurde, in
einer Expansionsmaschine expandiert wird, um die Druckenergie in
dem Abgas als mechanische Energie zur Unterstützung des Antriebs
eines Verdichters zu nutzen. In der herkömmlichen
Brennstoffzellenanlage kann die unterstützende Antriebs kraft für
den Verdichter durch die Expansionsmaschine lediglich erhalten
werden, nachdem ein Abgasdruck in der Abgasleitung auf einen
vorbestimmten Wert zugenommen hat, was nach Ablauf einiger Zeit
nach einem Betriebsstart der Brennstoffzelle eintritt.
Angesichts dessen ist gemäß der vorliegenden Erfindung eine
Kupplung 20 zwischen dem elektrischen Motor 16 und der
Expansionsmaschine 15 zur Verbindung/Trennung der
Expansionsmaschine mit/von dem elektrischen Motor sowie eine
Steuereinrichtung 21, 22 zur Steuerung der Kupplung vorgesehen.
Die Steuereinrichtung erfaßt einen Druck in der Abgasleitung 13
zwischen der Brennstoffzelle 10 und der Expansionsmaschine 15,
um die Kupplung auszurücken, solange ein erfaßter Druck
niedriger ist, als ein vorbestimmter Wert, und um die Kupplung
einzurücken, wenn der erfaßte Druck höher wird als der
vorbestimmte Wert. Als die Kupplung kann auch ein Freilauf 30
verwendet werden, so daß auf die Steuerung 21, 22 verzichtet
werden kann.
Claims (9)
1. Brennstoffzellenanlage, mit
einer Brennstoffzelle (10), die mit einer Luftzuführleitung (12), durch die Luft der Brennstoffzelle zugeführt wird, und einer Abgasleitung (13) versehen ist, durch welche ein Gas von der Brennstoffzelle abgegeben wird;
einem Verdichter (11), der in der Luftzuführleitung angeordnet ist, um die dadurch der Brennstoffzelle zugeführte Luft zu verdichten;
einem elektrischen Motor (16) zum Antrieb des Verdichters; und
einer Expansionsmaschine (15), die in der Abgasleitung angeordnet ist, um mit dem elektrischen Motor koaxial zu sein, um das Abgas, daß von der Brennstoffzelle abgegeben wird, nachdem darin enthaltener Sauerstoff in der Brennstoffzelle verbraucht ist, in die Nähe eines Umgebungsdrucks zu expandieren, gekennzeichnet durch
eine Kupplung (20), die zwischen dem elektrischen Motor (16) und der Expansionsmaschine (15) angeordnet ist, um die Expansionsmaschine mit/von dem elektrischen Motor zu verbinden/zu trennen; und
einer Steuereinrichtung (21, 22) zur Steuerung der Kupplung (20), wobei die Steuereinrichtung einen Druck in der Abgasleitung (13) zwischen der Brennstoffzelle (10) und der Expansionsmaschine (15) erfaßt, um die Kupplung zu trennen, solange ein erfaßter Druck niedriger ist, als ein vorbestimmter Wert, und um die Kupplung einzurücken, wenn der erfaßte Druck höher wird als der vorbestimmte Wert.
einer Brennstoffzelle (10), die mit einer Luftzuführleitung (12), durch die Luft der Brennstoffzelle zugeführt wird, und einer Abgasleitung (13) versehen ist, durch welche ein Gas von der Brennstoffzelle abgegeben wird;
einem Verdichter (11), der in der Luftzuführleitung angeordnet ist, um die dadurch der Brennstoffzelle zugeführte Luft zu verdichten;
einem elektrischen Motor (16) zum Antrieb des Verdichters; und
einer Expansionsmaschine (15), die in der Abgasleitung angeordnet ist, um mit dem elektrischen Motor koaxial zu sein, um das Abgas, daß von der Brennstoffzelle abgegeben wird, nachdem darin enthaltener Sauerstoff in der Brennstoffzelle verbraucht ist, in die Nähe eines Umgebungsdrucks zu expandieren, gekennzeichnet durch
eine Kupplung (20), die zwischen dem elektrischen Motor (16) und der Expansionsmaschine (15) angeordnet ist, um die Expansionsmaschine mit/von dem elektrischen Motor zu verbinden/zu trennen; und
einer Steuereinrichtung (21, 22) zur Steuerung der Kupplung (20), wobei die Steuereinrichtung einen Druck in der Abgasleitung (13) zwischen der Brennstoffzelle (10) und der Expansionsmaschine (15) erfaßt, um die Kupplung zu trennen, solange ein erfaßter Druck niedriger ist, als ein vorbestimmter Wert, und um die Kupplung einzurücken, wenn der erfaßte Druck höher wird als der vorbestimmte Wert.
2. Brennstoffzellenanlage nach Anspruch 1, wobei die Kupplung
eine elektromagnetische Kupplung (20) ist.
3. Brennstoffzellenanlage nach Anspruch 2, wobei die
Steuereinrichtung einen Drucksensor (21) zur Erfassung des
Drucks in der Abgasleitung (13) und eine Steuereinrichtung (22)
zur Steuerung eines Antriebsstroms für die elektromagnetische
Kupplung (20) auf der Basis eines durch den Drucksensor erfaßten
Drucks hat.
4. Brennstoffzellenanlage nach Anspruch 1, wobei der
vorbestimmten Wert des Drucks ein Nennaufnahmedruck der
Expansionsmaschine (15) ist.
5. Brennstoffzellenanlage nach Anspruch 4, wobei, wenn der Druck
in der Abgasleitung (13) höher wird als der Nennaufnahmedruck
der Expansionsmaschine, die Expansionsmaschine (15) durch das
Abgas angetrieben wird, um die Leistung des elektrischen Motors
(16) über die Kupplung (20) zu unterstützen.
6. Brennstoffzellenanlage nach Anspruch 1, wobei keine
Atmosphärenluft in die Abgasleitung (13) eingeführt wird, auch
wenn der Druck in der Abgasleitung niedriger ist als der
vorbestimmte Wert.
7. Brennstoffzellenanlage, mit
einer Brennstoffzelle (10), die mit einer Luftzuführleitung (12), durch die Luft zu der Brennstoffzelle zugeführt wird, und
einer Abgasleitung (13) versehen ist, durch die ein Gas aus der Brennstoffzelle abgegeben wird;
einem Verdichter (11), der in der Luftzuführleitung angeordnet ist, um die dadurch der Brennstoffzelle zugeführte Luft zu verdichten;
einem elektrischen Motor (16) zum Antrieb des Verdichters; und
einer Expansionsmaschine (15), die in der Abgasleitung angeordnet ist, um koaxial mit dem elektrischen Motor angeordnet zu sein, um ein von der Brennstoffzelle abgegebenes Abgas, nachdem darin enthaltener Sauerstoff in der Brennstoffzelle verbraucht ist, in die Nähe eines Umgebungsdrucks zu entspannen, gekennzeichnet durch
eine Einwegkupplung oder einen Freilauf (30), der zwischen dem elektrischen Motor (16) und der Expansionsmaschine (15) angeordnet ist, um eine Drehung der Expansionsmaschine auf den elektrischen Motor unter einer bestimmten Bedingung zu übertragen und zu keiner Zeit eine Drehung des elektrischen Motors (16) auf die Expansionsmaschine (15) zu übertragen.
einer Brennstoffzelle (10), die mit einer Luftzuführleitung (12), durch die Luft zu der Brennstoffzelle zugeführt wird, und
einer Abgasleitung (13) versehen ist, durch die ein Gas aus der Brennstoffzelle abgegeben wird;
einem Verdichter (11), der in der Luftzuführleitung angeordnet ist, um die dadurch der Brennstoffzelle zugeführte Luft zu verdichten;
einem elektrischen Motor (16) zum Antrieb des Verdichters; und
einer Expansionsmaschine (15), die in der Abgasleitung angeordnet ist, um koaxial mit dem elektrischen Motor angeordnet zu sein, um ein von der Brennstoffzelle abgegebenes Abgas, nachdem darin enthaltener Sauerstoff in der Brennstoffzelle verbraucht ist, in die Nähe eines Umgebungsdrucks zu entspannen, gekennzeichnet durch
eine Einwegkupplung oder einen Freilauf (30), der zwischen dem elektrischen Motor (16) und der Expansionsmaschine (15) angeordnet ist, um eine Drehung der Expansionsmaschine auf den elektrischen Motor unter einer bestimmten Bedingung zu übertragen und zu keiner Zeit eine Drehung des elektrischen Motors (16) auf die Expansionsmaschine (15) zu übertragen.
8. Brennstoffzellenanlage nach Anspruch 7, wobei der Freilauf
(30) leer dreht, solange die Drehzahl der Expansionsmaschine
(15) kleiner ist als die Drehzahl des elektrischen Motors (16),
und zusammen mit der Expansionsmaschine dreht, wenn die Drehzahl
der Expansionsmaschine gleich der Drehzahl des elektrischen
Motors wird, um die Drehung der Expansionsmaschine auf den
elektrischen Motor zu übertragen.
9. Brennstoffzellenanlage nach Anspruch 7, wobei keine
Atmosphärenluft in die Abgasleitung (13) eingeführt wird, auch
wenn die Drehzahl der Expansionsmaschine (15) kleiner ist als
die Drehzahl des elektrischen Motors (16)
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Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE10312647A1 (de) * | 2003-03-21 | 2004-09-30 | Ballard Power Systems Ag | Brennstoffzellensystem und Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems |
| DE10241349B4 (de) * | 2001-09-10 | 2005-12-29 | Hitachi, Ltd. | Brennstoffzellensystem |
| DE10155217B4 (de) * | 2001-11-09 | 2009-04-23 | BDF IP Holdings Ltd., Vancouver | Brennstoffzellensystem und Verfahren zum Betreiben des Brennstoffzellensystems |
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Families Citing this family (25)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| USRE38493E1 (en) | 1996-04-24 | 2004-04-13 | Questair Technologies Inc. | Flow regulated pressure swing adsorption system |
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| JP3601770B2 (ja) * | 1999-09-28 | 2004-12-15 | 株式会社豊田自動織機 | 燃料電池用圧縮回生機 |
| US7041272B2 (en) * | 2000-10-27 | 2006-05-09 | Questair Technologies Inc. | Systems and processes for providing hydrogen to fuel cells |
| AU2002215752A1 (en) | 2000-12-08 | 2002-06-18 | Denis Connor | Methods and apparatuses for gas separation by pressure swing adsorption with partial gas product feed to fuel cell power source |
| CA2329475A1 (en) | 2000-12-11 | 2002-06-11 | Andrea Gibbs | Fast cycle psa with adsorbents sensitive to atmospheric humidity |
| US20020112479A1 (en) * | 2001-01-09 | 2002-08-22 | Keefer Bowie G. | Power plant with energy recovery from fuel storage |
| DE10139608B4 (de) * | 2001-08-11 | 2007-05-16 | Nucellsys Gmbh | Brennstoffzellenanlage mit einem Gaserzeugungssystem und einem Brennstoffzellensystem und deren Verwendung |
| DE10161623A1 (de) * | 2001-12-14 | 2003-06-26 | Siemens Ag | Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenanlage und zugehörige Brennstoffzellenanlage |
| US7285350B2 (en) * | 2002-09-27 | 2007-10-23 | Questair Technologies Inc. | Enhanced solid oxide fuel cell systems |
| JP3863480B2 (ja) * | 2002-10-31 | 2006-12-27 | 松下電器産業株式会社 | 冷凍サイクル装置 |
| US7468215B2 (en) * | 2004-07-02 | 2008-12-23 | American Power Conversion Corporation | Self-starting fuel cell assembly |
| US7828877B2 (en) | 2004-11-05 | 2010-11-09 | Xebec Adsorption, Inc. | Separation of carbon dioxide from other gases |
| US7752845B2 (en) | 2007-01-08 | 2010-07-13 | Robert Paul Johnson | Solar-powered, liquid-hydrocarbon-fuel synthesizer |
| US20080280167A1 (en) * | 2007-05-08 | 2008-11-13 | American Power Conversion Corporation | Fuel cell stack performance monitoring |
| US20080292936A1 (en) * | 2007-05-23 | 2008-11-27 | American Power Conversion Corporation | Manifold for fuel cells |
| US20090087695A1 (en) * | 2007-10-02 | 2009-04-02 | American Power Conversion Corporation | Bipolar plate for use in fuel cell stacks and fuel cell assemblies |
| CN102341485B (zh) * | 2009-03-05 | 2015-06-10 | G4因赛特公司 | 用于生物质的热化学转化的方法和系统 |
| CA2781204C (en) | 2009-11-18 | 2018-05-01 | G4 Insights Inc. | Sorption enhanced methanation of biomass |
| CA2781195C (en) | 2009-11-18 | 2018-09-18 | G4 Insights Inc. | Method and system for biomass hydrogasification |
| US8383871B1 (en) | 2010-09-03 | 2013-02-26 | Brian G. Sellars | Method of hydrogasification of biomass to methane with low depositable tars |
| KR101090714B1 (ko) | 2010-10-25 | 2011-12-08 | 현대자동차주식회사 | 연료전지 차량용 고전압 구동부품 시동 장치 및 이의 제어 방법 |
| JP5383737B2 (ja) * | 2011-04-08 | 2014-01-08 | 本田技研工業株式会社 | 燃料電池システム及びその発電停止方法 |
| CA2956120C (en) * | 2014-07-24 | 2019-05-14 | Nissan Motor Co., Ltd. | Fuel cell system |
| CN116031439A (zh) * | 2021-10-26 | 2023-04-28 | 海德韦尔(太仓)能源科技有限公司 | 一种空气压缩装置以及包括空气压缩装置的燃料电池装置 |
Family Cites Families (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4333992A (en) * | 1980-10-30 | 1982-06-08 | United Technologies Corporation | Method for producing steam from the liquid in a moist gas stream |
| DE4318818C2 (de) * | 1993-06-07 | 1995-05-04 | Daimler Benz Ag | Verfahren und Vorrichtung zur Bereitstellung von konditionierter Prozessluft für luftatmende Brennstoffzellensysteme |
| DE19701560C2 (de) * | 1997-01-17 | 1998-12-24 | Dbb Fuel Cell Engines Gmbh | Brennstoffzellensystem |
| US6077620A (en) * | 1997-11-26 | 2000-06-20 | General Motors Corporation | Fuel cell system with combustor-heated reformer |
-
1998
- 1998-09-16 JP JP26135298A patent/JP3473436B2/ja not_active Expired - Fee Related
-
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- 1999-09-15 DE DE19944296A patent/DE19944296B4/de not_active Expired - Fee Related
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE10241349B4 (de) * | 2001-09-10 | 2005-12-29 | Hitachi, Ltd. | Brennstoffzellensystem |
| US7081311B2 (en) | 2001-09-10 | 2006-07-25 | Hitachi, Ltd. | Fuel cell system |
| DE10155217B4 (de) * | 2001-11-09 | 2009-04-23 | BDF IP Holdings Ltd., Vancouver | Brennstoffzellensystem und Verfahren zum Betreiben des Brennstoffzellensystems |
| DE10312647A1 (de) * | 2003-03-21 | 2004-09-30 | Ballard Power Systems Ag | Brennstoffzellensystem und Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems |
| DE102021211527A1 (de) | 2021-10-13 | 2023-04-13 | Zf Friedrichshafen Ag | Brennstoffzellensystem für ein Fahrzeug und Verfahren zu dessen Betrieb |
| WO2023061756A1 (de) * | 2021-10-13 | 2023-04-20 | Zf Friedrichshafen Ag | Brennstoffzellensystem für ein fahrzeug und verfahren zu dessen betrieb |
| DE102021211527B4 (de) | 2021-10-13 | 2023-05-11 | Zf Friedrichshafen Ag | Brennstoffzellensystem für ein Fahrzeug und Verfahren zu dessen Betrieb |
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| DE3705310C2 (de) | ||
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