EP4150688A1

EP4150688A1 - Luftversorgungsvorrichtung für brennstoffzellensysteme und brennstoffzellensystem

Info

Publication number: EP4150688A1
Application number: EP21727091.7A
Authority: EP
Inventors: Philipp Hausmann; Oliver Harr; Benjamin Pieck
Original assignee: Cellcentric GmbH and Co KG
Current assignee: Cellcentric GmbH and Co KG
Priority date: 2020-05-15
Filing date: 2021-05-12
Publication date: 2023-03-22
Also published as: KR20230009954A; JP7486608B2; CN115552670A; JP2023524852A; DE102020206162A1; WO2021228908A1; US20230178764A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Luftversorgungsvorrichtung (1) für Brennstoffzellensysteme (2, 3) mit einem Strömungsverdichter und einem elektrischen Antriebsmotor (4) für den Strömungsverdichter, wobei der Strömungsverdichter zwei Verdichterräder (6, 7) aufweist, welche im Wesentlichen symmetrisch ausgebildet und zusammen mit dem zwischen ihnen angeordneten elektrischen Antriebsmotor (4) auf einer gemeinsamen Welle (5) angeordnet sind. Die erfindungsgemäße Luftversorgungsvorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Verdichterräder (6, 7) druckseitig mit zwei pneumatisch nicht dauerhaft verbundenen Systemen (2, 3, 10, 13) verbunden sind. Außerdem ist ein Brennstoffzellensystem (2, 3) beansprucht, welches eine solche Luftversorgungsvorrichtung (1) nutzt.

Description

Luftversorgungsvorrichtung für Brennstoffzellensysteme und Brennstoffzellensystem

Die Erfindung betrifft eine Luftversorgungsvorrichtung für Brennstoffzellensysteme gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 sowie ein Brennstoffzellensystem, welches hierüber versorgt wird.

Brennstoffzellensysteme sind soweit aus dem Stand der Technik bekannt. Für ihre Luftversorgung werden häufig Strömungsverdichter eingesetzt, welche zum Teil elektrisch angetrieben sind. Sehr häufig ist es so, dass auf der einen Seite eines Elektromotors eine Turbine und auf der anderen Seite ein Verdichter angeordnet ist. Dieser Aufbau, welche auch als elektrischer Turbolader oder motorunterstützter Turbolader bezeichnet wird, findet häufig Verwendung, da er in der Lage ist Restenergie aus den Abgasen zurückzugewinnen. Er hat jedoch den Nachteil, dass eine ungleichmäßige Belastung der Lager auftritt, da die im Bereich des Verdichters wirkenden Kräfte und die im Bereich der Turbine wirkenden Kräfte sich teilweise stark unterscheiden. Dies führt zu einer erhöhten Reibung im Bereich des Axiallagers. Somit sind recht aufwändige und teure Axiallager nötig, in deren Bereich dennoch unerwünscht hohe Leistungsverluste kaum zu vermeiden sind.

Weitere Aufbauten können auch als zweistufige Verdichter mit einem Elektromotor und zwei Verdichterrädern auf derselben Welle ausgebildet sein. Als Beispiel kann in diesem Zusammenhang auf die DE 102010 035 725 A1 hingewiesen werden. Auch hier ist die Belastung der Axiallager relativ groß, da unterschiedliche Druckverhältnisse und Kräfte auf den Seiten vorliegen. In der genannten Schrift wird versucht, dies über die Radrückenteile der Verdichterräder entsprechend auszugleichen. Die gattungsgemäße WO 2019/096890 A2 löst dieses Kräfteungleichgewicht dadurch, dass zwei symmetrische Verdichterräder auf einer gemeinsamen Welle mit dem elektrischen Antriebsmotor angeordnet sind. Hierdurch lassen sich die Axialkräfte deutlich reduzieren. Kleinere Axiallager und sehr viel weniger Reibung im Bereich dieser Axiallager werden so möglich.

Zum weiteren Stand der Technik kann außerdem auf die DE 101 20 947 A1 der Anmelderin hingewiesen werden, welche die Kombination eines elektrisch angetriebenen Strömungsverdichters mit einem sogenannten Freiläufer, also einem freilaufenden Turbolader mit einer Turbine auf der einen Seite und einem Verdichter auf der anderen Seite, beschreibt.

Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, eine verbesserte Luftversorgungsvorrichtung für Brennstoffzellensysteme gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 anzugeben und darüber hinaus ein verbessertes diese Luftversorgungsvorrichtung nutzendes Brennstoffzellensystem.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Luftversorgungsvorrichtung für Brennstoffzellensysteme mit den Merkmalen im Anspruch 1, und hier insbesondere im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1, gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Luftversorgungsvorrichtung ergeben sich aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen. Außerdem löst ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen im Anspruch 7 die Aufgabe. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des Brennstoffzellensystems ergeben sich aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen.

Die Luftversorgungsvorrichtung für Brennstoffzellensysteme sieht es, vergleichbar wie im gattungsgemäßen Stand der Technik ausgeführt, vor, dass ein Strömungsverdichter vorhanden ist, welcher von einem elektrischen Antriebsmotor angetrieben wird. Der Strömungsverdichter weist dabei zwei Verdichterräder auf, welche im Wesentlichen symmetrisch ausgebildet und zusammen mit dem zwischen ihnen angeordneten elektrischen Antriebsmotor auf einer gemeinsamen Welle angeordnet sind. Erfindungsgemäß ist es nun so, dass die beiden Verdichterräder mit zwei pneumatisch nicht dauerhaft verbundenen Systemen verbunden sind. Diese Nutzung eines elektrisch angetriebenen Strömungsverdichters mit zwei im Wesentlichen symmetrischen Verdichterrädern in der Art, wie es im gattungsgemäßen Stand der Technik beschrieben ist, ermöglicht eine deutliche Entlastung der Axiallager, was deren Konstruktion vereinfacht und die Reibung verringert. Bei Brennstoffzellenanwendungen im Fahrzeugbereich und den dort üblichen Leistungen können so bis zu 2 kW Verlustleistung eingespart werden. Die Verwendung der erzeugten Luftströme, in dem die Verdichterräder druckseitig mit zwei verschiedenen Systemen verbunden sind, welche nicht oder zumindest nicht dauerhaft pneumatisch verbunden sind, hat dabei den entscheidenden Vorteil, dass in beide Systeme nur ein Teil der Wärme eingetragen wird, während dieser bei einem Zusammenführen der druckseitigen Luftleitungen in den Komponenten gemeinsam vorliegt, was bei Brennstoffzellensystemen sehr schnell zu einer thermischen Überlastung der Komponenten führen könnte.

Die erfindungsgemäße Luftversorgung lässt sich nun insbesondere einsetzen, um, und so ist es gemäß einer sehr vorteilhaften Weiterbildung der Luftversorgungsvorrichtung vorgesehen, zwei voneinander getrennte Brennstoffzellensysteme über die eine gemeinsame Luftversorgungsvorrichtung mit Luft zu versorgen. Die voneinander getrennten Brennstoffzellensysteme können beispielsweise zwei gleichartige Systeme sein, welche im Rahmen eines modularen Aufbaus miteinander kombiniert werden, beispielsweise um die für ein Nutzfahrzeug erforderliche Antriebsleistung bereitzustellen. Es wäre genauso gut denkbar ein Brennstoffzellensystem und ein weiteres Luft benötigendes System beliebiger anderer Art gemeinsam zu versorgen.

Gemäß einer außerordentlich günstigen Weiterbildung der erfindungsgemäßen Luftversorgungsvorrichtung sind die beiden pneumatisch nicht dauerhaft miteinander verbundenen Systeme eine Verdichterseite und eine Turbinenseite eines freilaufenden Turboladers. Die Luftversorgungsvorrichtung mit den beiden symmetrischen Verdichterrädern versorgt also über das eine Verdichterrad die Verdichterseite eines Freiläufers, während über das andere Verdichterrad dessen Turbine angeströmt wird. Hierdurch entsteht im Wesentlichen eine Registeraufladung, bei welcher der elektrisch angetriebene Strömungsverdichter beispielsweise ein Druckniveau von 1 ,5 bis 2,5 bar zur Verfügung stellt. Dieser Druck geht dann von dem Verdichterrad in die Verdichterseite des Freiläufers, welcher den Druck weiter anhebt, beispielsweise auf bis zu 4,5 bar zur Versorgung eines Brennstoffzellensystems. Der Volumenstrom des anderen Verdichterrads gelangt dazu in die Turbinenseite des Freiläufers und stellt damit die Energie zur Verfügung, welche zum Antrieb der Verdichterseite und zum Steigern des Drucks benötigt wird. Dieser Aufbau ist außerordentlich einfach und vorteilhaft. Insbesondere kann der Freiläufer so gestaltet werden, dass er für den Fall, dass er aufgrund der in einem Brennstoffzellensystem im sehr feuchten Gase, welche ihm zugeführt werden können, durchaus auch einfrieren kann. Dennoch kann nun, über das eine elektrisch angetriebene Verdichterrad, die Luft durch die Verdichterseite des Freiläufers hindurch zu dem Brennstoffzellensystem geblasen werden, was zumindest ausreicht, um dieses zu starten und danach aufzutauen.

Gemäß einer weiteren sehr vorteilhaften Ausgestaltung können die pneumatisch nicht dauerhaft verbundenen Systeme über eine mit einem Ventil versehene Bypassleitung steuerbar verbunden sein. Eine solche steuerbare Verbindung der beiden ansonsten nicht dauerhaft verbundenen Systeme ermöglicht es beispielsweise, einen großen Volumenstrom bei niedrigem Druck bereitzustellen, insbesondere für den Aufbau mit dem zusätzlichen Freiläufer gemäß der oben beschriebenen Ausführungsvariante. Insbesondere für diesen Aufbau kann dann bei einer verschlossenen Bypassleitung und damit einer entsprechend hohen Antriebsleistung auf der Turbinenseite des Freiläufers ein relativ hoher Druck bei entsprechend geringerem Volumenstrom realisiert werden. Wird das Ventil in der Bypassleitung zunehmend geöffnet, gelangt mehr Luft auf die Verdichterseite und weniger auf die Turbinenseite. Damit ist ein höherer Volumenstrom bei geringerem Druck möglich.

In dem Verdichter bzw. in beiden Stufen der Verdichtung bei der Ausführungsvariante mit dem Freiläufer kommt es dabei zu einer Erwärmung. Diese ist einerseits nicht erwünscht, da sie die Brennstoffzellensysteme entsprechend belastet. Andererseits ist es gewünscht, die Zuluft zu den Brennstoffzellensystemen feucht zu halten, um ein Austrocknen zu verhindern. Aus diesem Grund kann es gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Idee vorgesehen sein, dass eine Einrichtung zur Zufuhr von Flüssigkeit in den verdichteten Luftstrom in Strömungsrichtung vor und/oder nach der Verdichterseite vorgesehen ist. Dieses Einbringen von Flüssigkeit, insbesondere von deionisiertem Wasser, welches gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung dieser Idee über eine Düse zum Zerstäuben der Flüssigkeit erfolgen kann, reduziert einerseits die Temperatur des verdichteten Luftstroms, da die Flüssigkeit in diesem entsprechend verdampft, und befeuchtet andererseits denselben. Dies ermöglicht zwei entscheidende Vorteile. Einerseits verbessert es den Wirkungsgrad der Verdichterseite, wenn die Zufuhr der Flüssigkeit vor der Verdichterseite erfolgt und es sorgt andererseits - in beiden Ausgestaltungen - dafür, dass die Zuluft zu der Brennstoffzelle befeuchtet ist. Aufwändige, komplizierte und mit einem hohen Platzbedarf innerhalb des Brennstoffzellensystems einhergehende Vorrichtungen zur Befeuchtung der Zuluft können so durch ein einfaches Wasserreservoir, welches gegebenenfalls auch Kondensat auffangen und wieder verwenden kann, und eine entsprechende Einrichtung zur Zufuhr des Wassers in den verdichteten Luftstrom realisiert werden. Solche Aufbauten sind sehr einfach, kostengünstig und platzsparend in die Luftversorgungsvorrichtung zu integrieren.

Eine sehr günstige Weiterbildung der erfindungsgemäßen Luftversorgungsvorrichtung kann es ferner vorsehen, dass der freilaufende Turbolader hydrodynamisch gelagert ist. Ein solches hydrodynamisches Lager kann außerordentlich einfach und effizient sein und die bei dem schnelllaufenden Turbolader entstehende Reibung reduzieren. Besonders günstig ist es dabei, wenn Wasser, beispielsweise das in der zuvor beschriebenen Ausgestaltung für das Befeuchten des Systems ohnehin mitgeführte oder aus dem System zurückgewonnene Wasser, genutzt wird, um die hydrodynamische Lagerung des freilaufenden Turboladers zu realisieren.

Der freilaufende Turbolader ist dabei besonders gut geeignet, um diese hydrodynamische Lagerung umzusetzen. Selbst wenn es zu einer Leckage zwischen den Lagern und der Abluft oder auch der verdichteten Luft kommt, ist dies relativ unkritisch, da diese Luft, im Falle der Abluft, nicht weiter verwendet wird, sodass die Feuchte hier nicht stört, und im Falle der Zuluft ohnehin anschließend befeuchtet wird, sodass die Feuchte hier ebenfalls nicht störend, sondern sogar eher förderlich ist. Damit ist ein entscheidender Unterschied zu einem beispielsweise elektrisch angetriebenen Verdichter vorhanden, welcher im Falle einer hydrodynamischen Lagerung über Wasser bei einer Undichtheit im Bereich der Elektrik bzw. Elektronik feucht werden könnte, was hier zu einer massiven Kurzschlussgefahr führen kann und einen gravierenden Nachteil darstellt.

Ein Brennstoffzellensystem mit wenigstens einer Brennstoffzelle kann es erfindungsgemäß vorsehen, dass die Luftversorgung der Brennstoffzelle mit zumindest einem Teil der Luft aus einer Luftversorgungsvorrichtung gemäß der Erfindung erfolgt. Ein Brennstoffzellensystem kann die Luftversorgungsvorrichtung also alleine oder zusammen mit einem anderen Brennstoffzellensystem oder auch sonstigem System nutzen, um seine verdichtete und im Idealfall bereits befeuchtete Zuluft zu erhalten.

Eine außerordentlich günstige Weiterbildung eines solchen Brennstoffzellensystems mit wenigstens einer Brennstoffzelle, welche eine Anodenseite und eine Kathodenseite aufweist, sowie mit einer Luftversorgungsvorrichtung mit Freiläufer, kann es darüber hinaus vorsehen, dass der Ausgang der Kathodenseite steuerbar wahlweise oder anteilig mit der Umgebung und/oder mit einer Rezirkulationsleitung verbindbar ist, wobei die Rezirkulationsleitung zwischen einen der Verdichterräder und der Verdichterseite des freilaufenden Turboladers mündet. Der freilaufende Turbolader wird in dieser Ausgestaltung eines Brennstoffzellensystems also für eine Rezirkulation von Kathodenabgas genutzt, welches ganz oder insbesondere teilweise rezirkuliert und durch die Verdichterseite des Freiläufers umgewälzt wird. Hierdurch wird ebenfalls Feuchtigkeit, welche das Kathodenabgas als Produkt der Reaktion in der Brennstoffzelle mitführt, in die verdichtete Zuluft eingetragen. Damit wird der Verzicht auf einen aufwändigen Befeuchter sowie der Möglichkeit der Reduzierung oder gar des Verzichts auf ein Eindüsen von Flüssigkeit in den verdichteten Luftstrom ermöglicht. Ferner ist es so, dass die Rezirkulationsrate der an Sauerstoff abgereicherten Abluft aus der Kathodenseite dazu genutzt werden kann, beispielsweise bei wenig Last, den Sauerstoffgehalt in der Kathode abzusenken.

Damit lassen sich zu hohe Zellspannungen und damit eine Schädigung der Einzelzellen der Brennstoffzelle verhindern.

Eine weitere sehr günstige Ausgestaltung des Brennstoffzellensystems kann es ergänzend oder alternativ hierzu vorsehen, dass eine Rezirkulation von Anodenabgas vorgesehen ist, welche zumindest teilweise über ein Rezirkulationsgebläse erfolgt. Dies ist soweit prinzipiell aus dem Stand der Technik bekannt. Die erfindungsgemäße Variante des Brennstoffzellensystems in dieser Ausgestaltung sieht es darüber hinaus vor, dass das Rezirkulationsgebläse eine Abluftturbine aufweist, welche vom Abgas des Brennstoffzellensystems, insbesondere der Kathodenabluft, angetrieben ist. Eine solche Abluftturbine, welche gemäß einer sehr vorteilhaften Weiterbildung dieser Idee magnetisch mit dem Rezirkulationsgebläse gekoppelt ist, nutzt also die Restenergie in den Abgasen der Brennstoffzelle, um damit das Rezirkulationsgebläse anzutreiben. Die eingebrachte pneumatische Energie ist damit ideal genutzt. Insbesondere bei der Ausgestaltung mit einer magnetischen Kopplung zwischen der Abluftturbine und dem Rezirkulationsgebläse bleibt auch die wasserstoffführende Seite des Aufbaus von der luftführenden Seite soweit getrennt, dass diese zuverlässig gegeneinander abgedichtet werden können, und keine unkontrollierten Wasserstoffleckagen in die Abluft befürchtet werden müssen.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der erfindungsgemäße Luftversorgungsvorrichtung und des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems ergeben sich auch aus den Ausführungsbeispielen, welche nachfolgend unter Bezugnahme auf Figuren näher beschrieben sind.

Dabei zeigen:

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Luftversorgungsvorrichtung in einer ersten möglichen Ausführungsform;

Fig. 2 eine erfindungsgemäße Luftversorgungsvorrichtung in einer zweiten möglichen Ausführungsform;

Fig. 3 die erfindungsgemäße Luftversorgungsvorrichtung gemäß Fig. 2 in einer alternativen Ausgestaltung;

Fig. 4 eine mögliche Ausführungsform eines Brennstoffzellensystems mit der Luftversorgungsvorrichtung gemäß Fig. 2 oder 3;

Fig. 5 ein Brennstoffzellensystem analog zu dem in Fig. 4 in einer alternativen Weiterbildung; und

Fig. 6 einen Ausschnitt aus der Darstellung gemäß Fig. 5 mit einem beispielhaften System zur Nutzung von Wasser in dem Brennstoffzellensystem. In der Darstellung der Figur 1 ist eine Luftversorgungsvorrichtung 1 für Brennstoffzellensysteme 2, 3 gezeigt. Die Luftversorgungsvorrichtung besteht im Wesentlichen aus einem elektrischen Antriebsmotor 4, welcher auf einer gemeinsamen Welle 5 mit zwei Verdichterrädern 6, 7 angeordnet ist. Die Verdichterräder 6, 7 werden durch den zentral zwischen ihnen auf der Welle 5 angeordneten elektrischen Antriebsmotor 4 angetrieben und sind im Wesentlichen symmetrisch ausgestaltet. Hierdurch werden Kräfte, welche in Axialrichtung auf die gemeinsame Welle 5 wirken, minimiert. Dies hilft einerseits zur Reduzierung von Reibleistungsverlusten und erlaubt andererseits eine einfache und effiziente Ausgestaltung von Axiallagern. Über zwei getrennte oder optional, wie gestrichelt dargestellt, einen gemeinsamen Ansaugweg 8 wird von den Verdichterrädern 6, 7 Luft angesaugt und vom Verdichterrad 6 dem Brennstoffzellensystem 2 und vom Verdichterrad 7 dem Brennstoffzellensystem 3 zur Verfügung gestellt.

Die Brennstoffzellensysteme 2, 3 sind dabei unabhängig voneinander ausgebildet und können beispielsweise identisch ausgeführte Brennstoffzellensystem 2, 3 sein, welche zur Bereitstellung von Antriebsleistung in einem Nutzfahrzeug dienen. Sie können beispielsweise in der Art ausgestaltet sein, wie es ein Brennstoffzellensystem alleine zum Antrieb eines Personenkraftwagens wäre, sodass quasi dieses Brennstoffzellensystem für ein Nutzfahrzeug zweifach verwendet und über ein und dieselbe Luftversorgungsvorrichtung 1 mit Luft versorgt wird. Wie bereits erwähnt kann eine gemeinsame Ansaugleitung 8 vorgesehen sein, in welcher dann ein gemeinsamer hier nicht dargestellter Luftfilter ausreicht. Genauso gut wäre es denkbar, zwei getrennte Luftfilter und Ansaugleitungen 8 vorzusehen.

Eine alternative Ausgestaltung der Luftversorgungsvorrichtung 1 ist in der Darstellung der Figur 2 zu erkennen. Die Luftversorgungsvorrichtung 1 ist im Wesentlichen so aufgebaut, wie im Rahmen der Figur 1 beschrieben. Sie umfasst den elektrischen Antriebsmotor 4 und die beiden Verdichterräder 6, 7. Diese sind über zwei getrennte Luftversorgungsleitungen 8 mit der Umgebung verbunden und saugen hier entsprechend Luft an. Durch den elektrischen Antriebsmotor 4 angetrieben wird in beiden Verdichterrädern 6, 7 Luft verdichtet. Vom Verdichterrad 6 gelangt die verdichtete Luft über eine Registerleitung 9 zu einer Verdichterseite 10 eines freilaufenden Turboladers 11, welcher auch als Freiläufer 11 bezeichnet wird. In diesem Freiläufer 11 verbindet eine gemeinsamen Welle 12 die Verdichterseite 10 mit einer Turbinenseite 13, welche mit der Druckseite des Verdichterrads 7 der Luftversorgungsvorrichtung 1 in Verbindung steht und dementsprechend über den Luftstrom von diesem Verdichterrad 7 angetrieben wird. Nach der Turbinenseite 13 bzw. ihrer Turbine strömt die expandierte Luft, welche zuvor über eine Turbinenleitung

14 von dem Verdichterrad 7 zur Turbinenseite 13 des Freiläufers 11 gelangt war, wieder ab. Von der Verdichterseite 10 des Freiläufers 11 aus gelangt die nun noch stärker verdichtete Zuluft zu einem Brennstoffzellensystem 2, 3, wie es in der Darstellung der Figur 2 schematisch angedeutet ist. Dieser Aufbau ermöglicht es so, dass ein Freiläufer 11 eingesetzt wird, um, ausgehend von Druck den das Verdichterrad 6 als erste Verdichterstufe erzeugt, den für das Brennstoffzellensystems 2, 3 benötigten Druck auf der Verdichterseite 10 des Freiläufers 11 zu erzeugen. Es handelt sich also um eine Art Registeraufladung.

In der Darstellung der Figur 3 ist eine weitere Variante gezeigt, welche im Wesentlichen analog zur Darstellung in Figur 2 zu verstehen ist. Zusätzlich ist eine Bypassleitung 15 mit einem Ventil 16 vorgesehen, welche es ermöglicht, einen Teil der Luft, welche über das Verdichterrad 7 der Luftversorgungsvorrichtung 1 verdichtet worden ist, von der Turbinenleitung 14 in die Registerleitung 9 zu leiten. Hierdurch lässt sich beispielsweise bei ganz oder teilweise geöffnetem Ventil 16 ein höherer Volumenstrom an Luft zu dem Brennstoffzellensystem 2, 3 realisieren. Gleichzeitig wird der Luftstrom durch die Turbinenseite 13 des Freiläufers 11 entsprechend reduziert, sodass zwar ein höherer Volumenstrom, aber ein niedrigerer Druck im Brennstoffzellensystem 2, 3 vorliegt. Mit zunehmendem Schließen des Ventils 16 in der Bypassleitung 15 steigt die Leistung auf der Turbinenseite 13 und damit auch die Verdichterleistung auf der Verdichterseite 10 des Freiläufers 11 entsprechend an, während gleichzeitig der Volumenstrom kleiner wird. Hierdurch lässt sich ein höherer Druck bei geringerem Volumenstrom realisieren. Über das Ventil 16 in der Bypassleitung 15 ist die Luftversorgung also steuerbar. Auch wenn die Bypassleitung

15 mit dem Ventil 16 besondere Vorteile bietet, ist sie hier rein optional zu verstehen und kann im Prinzip auch weggelassen werden, wie es bereits bei der Darstellung der Figur 2 erläutert worden ist. Unabhängig von dieser Bypassleitung 15, und damit auch bei dem Aufbau gemäß Figur 2 einsetzbar, ist nun außerdem ein Wasserreservoir 17 gezeigt, welches über eine oder optional zwei Wasserleitungen 18, 18‘ mit dem verdichteten Zuluftstrom zu dem Brennstoffzellensystem 2, 3 in Verbindung steht. Über eine geeignete Einrichtung zur Zufuhr von flüssigem Wasser am Ende der Wasserleitung 18 und/oder 18‘ kann so flüssiges Wasser in den verdichteten Volumenstrom eingebracht, vorzugsweise in diesem zerstäubt werden. Der nach dem Verdichterrad 6 bzw. der Verdichterseite 10 entsprechend heiße Volumenstrom an verdichteter Luft wird hierdurch einerseits abgekühlt und andererseits befeuchtet. Beides ist für den Betrieb des Brennstoffzellensystems 2, 3 von Vorteil, da die Zuluft mit einer Temperatur von im Wesentlichen nicht mehr als ca. 70° C zu dem Brennstoffzellensystem 2, 3 strömen sollte, und da diese möglichst befeuchtet sein soll. Wird diese Befeuchtung durch die Zufuhr von Wasser an dieser Stelle erreicht, kann auf einen aufwändigen Befeuchter, beispielsweise einen Gas/Gas-Befeuchter, wie er bisher üblich ist, verzichtet werden oder dieser kann zumindest in seiner Größe reduziert werden. Damit lässt sich ein großes und aufwändiges Bauteil einsparen, was sowohl hinsichtlich der Kosten, der Systemkomplexität als auch des Platzbedarfs ein ganz entscheidender Vorteil ist. Eine weitere Verwendung des in dem Wasserreservoir 17 gesammelten Wassers ergibt sich auch aus der später noch beschriebenen Darstellung in Figur 6.

In der Darstellung der Figur 4 ist das Brennstoffzellensystem 2, 3 nun mit einigen seiner Komponenten beispielhaft näher dargestellt. Der Aufbau der Luftversorgungsvorrichtung 1 und des Freiläufers 11 entspricht im Wesentlichen dem aus Figur 3. Das Brennstoffzellensystem 2, 3 umfasst eine Brennstoffzelle 19, welche typischerweise ein Stapel von Einzelzellen ist. Um diesen Brennstoffzellenstapel bzw. -stack 19 ist beispielhaft eine Anodenseite 20 und eine Kathodenseite 21 gezeigt.

Über die Luftversorgungsvorrichtung 1 und den Freiläufer 11 wird nun die Kathodenseite 21 über eine Zuluftleitung 22 mit Luft versorgt. Abluft gelangt über eine Abluftleitung 23 zu einer mit 24 bezeichneten Ventileinrichtung, wobei diese Ventileinrichtung auch als Abgasrückführventil 24 bezeichnet werden könnte. Wahlweise oder anteilig kann über diese Ventileinrichtung 24 die Abluft aus der Abluftleitung 23 ganz oder teilweise über eine Abluftrückführleitung 25 in die Registerleitung 9 zurückgeleitet werden, oder über den mit 23‘ bezeichneten Abschnitt der Abluftleitung 23 in die Umgebung. Die Anodenseite 20 wird mit Wasserstoff aus einem Druckgasspeicher 26 versorgt. Über eine Druckregel- und Dosiereinrichtung 27 sowie eine optionale Gasstrahlpumpe 28 gelangt dieser Wasserstoff in die Anodenseite 20. Über eine mit 29 bezeichnete Rezirkulationsleitung, in welcher ein Wasserabscheider 30 angeordnet sein kann, gelangt Abgas aus der Anodenseite 20 zurück zur Gasstrahlpumpe 28, sofern diese vorhanden ist. In der Rezirkulationsleitung 29 kann in an sich bekannter Art und Weise alternativ oder ergänzend zu der Gasstrahlpumpe 28 ein Rezirkulationsgebläse 31 angeordnet sein. In den Wasserabscheider 30 oder auch alternativ in einem anderen Bereich der Rezirkulationsleitung 29 ist dabei ein sogenanntes Abblasventil oder Purgeventil angeordnet, über welches beispielsweise in Abhängigkeit der Zeit, in Abhängigkeit der Wasserstoffkonzentration in der Rezirkulationsleitung 29 oder auch in Abhängigkeit anderer Parameter Gas aus der Rezirkulationsleitung 29, gegebenenfalls zusammen mit Wasser aus dem Wasserabscheider 30, abgelassen wird. Dieses gelangt in die Abluftleitung 23, und hier wahlweise entweder in den Bereich 23‘ der Abluftleitung oder, wie es optional angedeutet ist, auch in den Bereich der Abluftleitung 23 in Strömungsrichtung der Abluft vor dem Abgasrückführventil 24.

In diesem Aufbau des Brennstoffzellensystems 2, 3 ist es nun möglich, über die Abluftrückführleitung 25 bei entsprechender Stellung der Ventileinrichtung 24 Abluft ganz oder teilweise zurückzuführen, sodass die Befeuchtung der Zuluft in der Zuluftleitung 22 zu der Kathodenseite 21 der Brennstoffzelle 19 unterstützt wird. Dies kann alternativ oder insbesondere ergänzend zu der Verwendung des Wasserreservoirs 17, wie es in der Darstellung der Figur 3 angedeutet ist, dazu beitragen, dass auf einen herkömmlichen Befeuchter ganz oder teilweise verzichtet werden kann. Zwar besteht hier nun das Risiko, dass Feuchtigkeit in den Bereich des Freiläufers 11 gelangt. Im Falle eines Stillstands des Systems bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts kann dies zu einem Festfrieren des Freiläufers 11 führen. Anders als ein Festfrieren der Luftversorgungsvorrichtung 1 ist dies aber relativ unkritisch, da für den Start des Brennstoffzellensystems 2, 3 die Luft, welche über das Verdichterrad 6 sowie gegebenenfalls bei geöffnetem Bypassventil 16 über das Verdichterrad 7 gefördert und durch die Verdichterseite 10 des Freiläufers in die Zuluftleitung 22 geblasen wird, bei weitem ausreicht. Damit reicht es aus, wenn der Freiläufer 11 dann wieder seinen Betrieb aufnimmt, wenn er ausreichend aufgetaut ist. Der Aufbau mit der Kombination aus Luftversorgungsvorrichtung 1 und Freiläufer 11 ermöglicht so neben einem optimalen Betrieb mit einer hohen Steuerbarkeit von Druck und Volumenstrom der zugeführten Luft außerdem einen Verzicht auf einen Befeuchter, da die Abgasrückführung möglich wird, ohne dass Risiko eines Anfrierens der gesamten Luftversorgungsvorrichtung 1 im Falle von Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts.

Anders als bei herkömmlichen elektrischen Turboladern, bei denen die Druckenergie in dem Brennstoffzellensystem 2, 3 entspannt wird und zusätzlich zur Unterstützung beispielsweise des Antriebs der Luftversorgungsvorrichtung 1 dient, geht dieser Druck bei dem Aufbau gemäß Figur 4 nun verloren. Um genau dies zu verhindern ist es möglich, den Aufbau so weiterzubilden, wie es in der Darstellung der Figur 5 erfolgt ist. Der Aufbau entspricht hier im Wesentlichen dem in Figur 4, wobei zur Vereinfachung auf den Wasserabscheider 30 und die Ableitung von Anodenabgas in der Darstellung verzichtet worden ist. Auch die Gasstrahlpumpe 28, welche ja ohnehin nur optional war, ist in der Darstellung der Figur 5 nicht mehr vorhanden. Anstelle eines elektrischen Antriebs des Rezirkulationsgebläses 31, wie es typischerweise vorgesehen ist, ist es hier nun so, dass die Abluft aus der Kathodenseite 21 der Brennstoffzelle 19 über eine in der Abluftleitung 23 angeordnete Abluftturbine 32 strömt, welche mit dem Rezirkulationsgebläse 31 leistungsübertragend gekoppelt ist, was hier in Form einer gemeinsamen Welle 33 angedeutet ist. Hierdurch ist es möglich, über die in der Abluft der Kathodenseite 21 der Brennstoffzelle 19 enthaltene Energie das Rezirkulationsgebläse 31 anzutreiben, um so diese Energie wieder zurückzugewinnen und damit das Gesamtsystem noch energieeffizienter zu machen. Besonders günstig ist es dabei wenn die Kopplung zwischen der Abluftfturbine 32 und dem Rezirkulationsgebläse 31 magnetisch erfolgt. Dadurch können die beiden Volumen, welche ja einerseits Wasserstoff bzw. wasserstoffhaltiges Gas und andererseits Luft führen leicht hermetisch gegeneinander abgedichtet werden.

Alle beschriebenen Ausführungsvarianten lassen sich dabei selbstverständlich untereinander kombinieren, sodass auch in den Ausführungsvarianten der Figuren 3,

4 und 5 auf die Bypassleitung 15 verzichtet werden kann oder entsprechend in den Ausführungsvarianten der Figuren 2, 4 und 5 zusätzlich das Wasserreservoir 17 mit den Wasserleitungen 18, 18‘ vorgesehen werden kann. Der Aufbau, wie er in den Darstellungen der Figuren 2 ff. dargestellt ist, eignet sich dabei insbesondere zur Luftversorgung eines einzelnen Brennstoffzellensystems 2, 3. Im Falle der Verwendung von mehreren Brennstoffzellensystemen wäre der Aufbau aus Figur 1 geeigneter oder der in den Figuren 2 ff. dargestellte Aufbau müsste entsprechend mehrfach vorhanden sein, wie die Brennstoffzellensysteme 2, 3 selbst auch.

Das bereits angesprochene Wasserreservoir 17 kann beispielsweise mit Wasser befüllt werden, welches aus dem System zurückgewonnen wird. Das Brennstoffzellensystem 2, 3 verfügt typischerweise über Wasserabscheider beispielsweise in der Rezirkulationsleitung 29, wie es in der Darstellung der Figur 4 zu erkennen ist, und kann bei Bedarf auch über einen weiteren Wasserabscheider im Bereich der Abluftleitung 23 verfügen. Wie bereits erwähnt kann das Wasser dieser Wasserabscheider das Wasserreservoir 17 speisen. Dies kann nun gemäß einer günstigen Ausgestaltung in Form eines isolierten Wassertanks 170 ausgebildet oder - wie dargestellt mit einem solchen verbunden - sein. Dieser ist in der Darstellung der Figur 6 mit gestrichelter Linie eingezeichnet. Das gesamte sich an diesen Wassertank 170 anschließende Wassersystem ist dabei gestrichelt dargestellt. In dem Wassertank 170 wird das Wasser beheizt. Dies kann beispielsweise über eine elektrische Beheizung erfolgen oder es kann ergänzend oder alternativ Abwärme des Brennstoffzellensystems 2, 3 zur Beheizung genutzt werden. Insbesondere kann Abwärme, welche in der Abluft der T urbine 13 des freilaufenden T urboladers 11 vorhanden ist, genutzt werden, um den Wassertank 170 entsprechend zu beheizen. Das darin gespeicherte Wasser hat im Idealfall eine Temperatur von ca. 80° C, der Wassertank 170 verfügt über eine thermische Isolierung 171. Das Wasser aus dem Wassertank 170 wird dann über eine Wasserpumpe 172 in einen Druckwasserverteiler 173, beispielsweise in Form einer sogenannten Common Rail, geleitet. Von diesem unter dem entsprechenden Druck stehenden System zweigen dann die einzelnen Wasserleitungen ab, wobei hier wiederum die Wasserleitungen 18 und 18‘, welche so ja schon aus Figur 3 bekannt sind, zu Befeuchtern 34, 35 führen, in welchen beispielsweise über eine Einstoff- oder Zweistoffdüse der Volumenstrom in der Registerleitung 9 und/oder der Zuluftleitung 22 entsprechend befeuchtet werden kann. Diese Befeuchter 34, 35 können elektrisch betreibbar sein. Über zwei weitere Wasserleitungen 174 und 175 werden zwei hydrodynamische Lager 36, 37 des freilaufenden Turboladers 11 mit Wasser versorgt, sodass dieser quasi wassergelagert ist. In dem Brennstoffzellensystem 2, 3 wird dabei typischerweise ausreichend Abwasser anfallen, um sowohl die Befeuchtung des Zuluftstroms als auch die Lagerung des freilaufenden Turboladers 11 zu bewerkstelligen, sodass die Wasserversorgung ohne externe Zufuhr von Wasser in dem System erfolgen kann. Der Aufbau erlaubt dabei sowohl beim Wassertank 170 als auch bei der Wasserpumpe 172 sowie bei den Befeuchtern 34, 35 den Einsatz von Komponenten, welche so aus dem Bereich der herkömmlichen Fahrzeuge, und hier insbesondere aus dem Bereich der Verbrennungsmotorentechnik, bereits bekannt sind und dort üblicherweise eingesetzt werden, insbesondere zur Schadstoff und Verbrauchsminimierung bei Verbrennungsmotoren mit Benzineinspritzung. Derartige Komponenten sind daher einfach, gut erprobt und kostengünstig am Markt verfügbar.

Claims

Patentansprüche

1. Luftversorgungsvorrichtung (1) für Brennstoffzellensysteme (2, 3) mit einem Strömungsverdichter und einem elektrischen Antriebsmotor (4) für den Strömungsverdichter, wobei der Strömungsverdichter zwei Verdichterräder (6, 7) aufweist, welche im Wesentlichen symmetrisch ausgebildet und zusammen mit dem zwischen ihnen angeordneten elektrischen Antriebsmotor (4) auf einer gemeinsamen Welle (5) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Verdichterräder (6, 7) druckseitig mit zwei pneumatisch nicht dauerhaft verbundenen Systemen (2, 3, 10, 13) verbunden sind.

2. Luftversorgungsvorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die pneumatisch nicht dauerhaft verbundenen Systeme zwei Brennstoffzellensysteme (2, 3) sind.

3. Luftversorgungsvorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die pneumatisch nicht dauerhaft verbundenen Systeme eine Verdichterseite (10) und eine Turbinenseite (13) eines freilaufenden Turboladers (11) sind.

4. Luftversorgungsvorrichtung (1) nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die pneumatisch nicht dauerhaft verbundenen Systeme (2, 3, 10, 13) über einen mit einem Ventil (16) versehene Bypassleitung (15) steuerbar verbunden sind.

5. Luftversorgungsvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Einrichtung zur Zufuhr von Flüssigkeit in den verdichteten Luftstrom vorgesehen ist, welche insbesondere wenigstens eine Düse zum Zerstäuben der Flüssigkeit in dem verdichteten Luftstrom aufweist.

6. Luftversorgungsvorrichtung (1) nach Anspruch 3, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der freilaufende Turbolader (11) eine hydrodynamische Lagerung aufweist.

7. Brennstoffzellensystem (2, 3) mit wenigstens einer Brennstoffzelle (19), wobei die Luftversorgung der Brennstoffzelle (19) mit zumindest einem Teil der Luft aus einer Luftversorgungsvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6 erfolgt.

8. Brennstoffzellensystem (2, 3) nach Anspruch 7, ferner mit einer Anodenseite (20) und einer Kathodenseite (21) der wenigstens einen Brennstoffzelle (19), sowie mit einer Luftversorgungsvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgang der Kathodenseite (21) steuerbar wahlweise oder anteilig mit der Umgebung und/oder einer Rezirkulationsleitung (25) verbindbar ist, wobei die Rezirkulationsleitung (25) zwischen einem der Verdichterräder (6) und der Verdichterseite (10) des freilaufenden Turboladers (11) mündet.

9. Brennstoffzellensystem (2, 3) nach Anspruch 7 oder 8, ferner mit einer Rezirkulation von Anodenabgas, welche zumindest teilweise über ein Rezirkulationsgebläse (31) erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass das Rezirkulationsgebläse (31) mit einer Abluftturbine (32) gekoppelt ist, welche vom Abgas der Brennstoffzelle (19), insbesondere der Kathodenabluft, angetrieben ist.

10. Brennstoffzellensystem (2, 3) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Kopplung zwischen der Abluftturbine (32) und dem Rezirkulationsgebläse (31) als magnetische Kopplung ausgebildet ist.