WO2008104195A1 - Gasversorgungssystem für eine brennstoff zeilenanordnung und verfahren zum betrieb eines brennstoff zellensystems mit dem gas versorgungssystem - Google Patents

Gasversorgungssystem für eine brennstoff zeilenanordnung und verfahren zum betrieb eines brennstoff zellensystems mit dem gas versorgungssystem Download PDF

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WO2008104195A1
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gas supply
supply system
air module
compressor
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Ralf-Henning Stolte
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Daimler Ag
Ford Global Technologies, Llc
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    • Y02T90/40—Application of hydrogen technology to transportation, e.g. using fuel cells

Definitions

  • the invention relates to a gas supply system for a fuel cell arrangement with a supply line to the fuel cell arrangement for the supply of an oxidant, with an air module, which is fluidly arranged in the supply line and formed to compress the oxidant, and a method for operating a fuel cell system with the gas supply system ,
  • Fuel cell systems for mobile use represent an economical and at the same time environmentally conscious energy source for vehicles.
  • an electrochemical process is implemented whereby a fuel, usually hydrogen, is reacted with an oxidant, usually oxygen or ambient air, to remove it from the chemical energy the working gases to generate electrical energy for the drive of the vehicle.
  • document DE 699 100 60 T2 describes a fuel cell stack for ultra high-performance power supply systems, which has a gas supply system for supplying the fuel cell stack with oxygen or ambient air.
  • a compressor is stromungstechnisch integrated, which compresses the zugebowten oxygen or zugebowte ambient air.
  • the compressor is driven by a turbine, which uses the ejected exhaust gases of the fuel cell stack as the drive medium.
  • the published patent application DE 100 24 570 A1 likewise describes a fuel cell system and a method for operating the fuel cell system. Similar to the power supply system described above, this fuel cell system has a supply line for an oxygen-containing medium, e.g. Air, which is compressed by means of a m the supply line compressor, compressor or turbocompressor to a desired pressure level. Also in this system, the exhaust gases from the fuel cell stack are used to drive the compressor, the compressor or the turbocompressor.
  • an oxygen-containing medium e.g. Air
  • the invention is based on the object
  • a gas supply system for a fuel cell assembly is proposed.
  • the fuel cell assembly has a plurality of fuel cells, which are preferably formed in PEM (Proton Exchange Membrane) construction.
  • the fuel cells are connected in one or more fuel cell stacks, wherein in particular each fuel cell stack has more than 50, in particular more than 100 fuel cells.
  • the gas supply system For supplying an oxidant, preferably oxygen or ambient air, the gas supply system has a supply line to the fuel cell assembly.
  • the supply line is optionally designed as a supply system.
  • an air module is provided, which is arranged in terms of current engineering in the supply line and is designed to compress the oxidant.
  • the air module is designed as a flow machine of any type.
  • a parallel compressor which is preferably designed to build up a higher operating pressure in the gas supply system and / or in the supply line than the air module, is arranged in the supply line parallel to the air module.
  • the invention is based on the consideration that in particular fuel cell systems of smaller power class are designed deliberately to produce little waste heat so as to make the energy budget low. If one attempts to scale such fuel cell systems to greater power without adjusting the fuel cell cooling system, the power scaled system will overheat. It should also be considered that a balanced water balance of such fuel cell system is possible only at low operating temperatures without further measures, so that the power scaling leads to a reduction of the service life of the sensitive membranes and thus of the entire fuel cell system.
  • the inventors have recognized that the voltage field of operating temperature and water balance can be solved by increasing the operating pressure, so that according to the invention it is proposed to arrange a parallel compressor parallel to the air module, which allows such an increase of the operating pressure.
  • Another optional advantage of the parallel connection of air module and parallel compressor in addition to the power scaling is the simple scaling or control of the air mass flow for the desired performance class, as skilful choice of the design of air module and parallel compressor all air mass flows and thus all power classes can be supplied.
  • surge line effects ie effects that affect the unpredictable behavior of turbomachinery at pressures above the working pressure circumvented.
  • the air module comprises a screw compressor or is designed as a screw compressor.
  • the air module and / or the screw compressor is electrically operated.
  • it is advantageous that the air module or the screw compressor can impose its own dynamics on the parallel compressor and thus overall improved dynamics can be achieved.
  • the parallel compressor is designed as a turbocompressor, since in this embodiment particularly high operating or system pressures can be generated.
  • the turbocompressor is preferably formed as part of a turbocharger, in particular exhaust gas turbocharger, which has a turbine which is arranged to be driven by the ejection gases of the fuel cell arrangement.
  • the turbine in one possible embodiment is mechanical, e.g. via a shaft, coupled to the turbocompressor, in alternative embodiments, electrical power is generated via the turbine, with which the turbocompressor and / or the air module is driven.
  • the turbine is arranged after a Nachverbrenner, which is formed and / or arranged to anode gas from the
  • Burn fuel cell assembly to produce in this way heated exhaust gases that amplify and / or form the drive of the turbine.
  • the anode gas is combined with the cathode gas of the fuel cell assembly.
  • the pressure sides of the air module and the parallel compressor in the region of the supply line, that is to say upstream of the fuel cell arrangement are connected to one another in terms of current engineering. This embodiment is preferably used when the fuel cell assembly has only a single fuel cell stack.
  • the advantages of this variant are mainly in a simple control, in particular control or regulation of the fuel cell system.
  • the pressure sides of air modules and parallel compressor in the supply line ie in particular to the cathode input of the fuel cell assembly and the fuel cell stack are arranged isolated stromungstechnisch each other.
  • This is implemented, for example, so that the pressure side of the air module is arranged exclusively to a first fuel cell stack and the pressure side of the parallel compressor exclusively to a second fuel cell stack without mutual stromungstechnische connection in the supply line.
  • the first fuel cell stack is supplied exclusively via the air module and the second fuel cell stack exclusively via the parallel compressor with the oxidant.
  • the gas supply system into a low-pressure system, whereby the peripherals, in particular separators, gas-to-gas humidifiers, intercoolers, etc., remain unscaled.
  • a custom designed low pressure system is used, in which the gas supply system according to the invention is integrated.
  • the low pressure system is driven by activating the parallel compressor as a high pressure system which can deliver higher power.
  • the pressure losses at the components with increasing operating pressure at the same mass flow rate are smaller.
  • a coolant pump either the coolant pump of the low-pressure system is also used if temperature differences between low-pressure and high-pressure operation in the fuel cell system are tolerable, which are in the order of 5 K (at 4OkW) to 10 K (at 8OkW), based on the temperature differences between the cooling medium inlet and outlet of the fuel cell stack.
  • a more powerful coolant pump is used here.
  • the invention further relates to a method for operating a fuel cell system or systems with the gas supply system, as described above, wherein the following operating modes are within the scope of the invention:
  • the air module When starting the fuel cell system, the air module is first activated, which provides an impulse to the already preheated afterburner so that it can ignite with the moved over the air module air flow and hydrogen, wherein heat and volume flow is supplied by the exhaust gases for the turbine of the turbocharger , As a result, the turbocharger is activated, so that a further air flow is generated for the afterburner.
  • the air module is deactivated and optionally even used as a shut-off valve.
  • the now self-running circuit of turbocharger and afterburner produces starting heat for a quick start of the fuel cell, which is introduced for example via a heat exchanger in the cooling circuit in the fuel cell system.
  • An advantage of this start mode is that the energy for starting generated mainly from the hydrogen and is not deducted from a starter battery, so that the starter battery is spared in the start-up by an air start of the turbocharger.
  • the fuel cell system is driven as a low-pressure system, with the parallel compressor is deactivated.
  • the turbocharger is switched off and an optional afterburner is deactivated and, if appropriate, the wastegate of the turbocharger is set so that pressure build-up via the low pressure is avoided.
  • the parallel compressor is activated so that higher operating pressures are generated and power is scaled.
  • the parallel compressor in particular, serves as a booster for high power requirements, such as e.g. Mountain or high-speed cruises.
  • FIG. 1 shows a first exemplary embodiment of an inventive FremdstoffZeilensystems with a fuel cell stack.
  • FIG. 2 shows a second exemplary embodiment of a fuel cell system with two fuel cell stacks
  • FIG 3 shows a third exemplary embodiment of a fuel cell system with two fuel cell stacks with a modified gas supply.
  • FIG. 1 shows a fuel cell system 1 with a
  • Fuel cell stack 2 which over three different
  • Gas supply system 3 as a first exemplary embodiment of
  • Fuel cell stack 2 a hydrogen supply system
  • the hydrogen supply system 4 has a hydrogen inlet 6 which is connected to a tank (not shown) in a reformer-free fuel cell system or to a reformer unit in fuel cell systems with reformers.
  • the hydrogen is led from the hydrogen inlet 6 to the anode outlet of the fuel cell stack 2, passes through the fuel cell stack 2, is partially consumed and subsequently passed through a purge valve 7, where the residual hydrogen is coupled out either via a purge line 8 or at one passing another optional valve to a pumping device 9, which accelerates and recirculates the residual hydrogen.
  • the Kuhlniklauf 5 has a radiator 10 and other components such as an optional intercooler 11 or a heater 12 for controlling the temperature of the coolant.
  • the gas supply system 3 is designed as a supply line, which starts at an air outlet 13, and in which an electrically driven screw compressor 14 is arranged in terms of current, which compresses the supplied air and an operating pressure of up to 4 absolute generated bar. After the screw compressor 14, the compressed air is cooled by the intercooler 11 and humidified in a humidifier 15 before being supplied to the cathode portion of the fuel cell stack 2. After crossing the fuel cell stack 2, the partially used air is again through the
  • Moistening device 15 led to be dehumidified there and finally ejected through an outlet 16.
  • the previously described components of the fuel cell system 1 are assigned to a base system, which is designed for operation as a low-pressure system with absolute pressures less than 2 bar.
  • a turbo-compressor 17 is connected in parallel to the screw compressor 14, which can be selectively activated or deactivated.
  • the activation of the turbo-compressor 17 in addition to an activation of the screw compressor 14 leads to a higher operating pressure in the fuel system cell stack 2 and to an increased air mass flow. Due to the increased supply of air, the supply of hydrogen can be increased in an analogous manner, so that the fuel cell system 1 consumes more fuel or oxidant in total, and thus can deliver a higher electrical output. The delivery of the higher power is inevitably - especially if the Kuhlniklauf 5 is not adjusted - associated with an increase in the operating temperature and / or the temperature difference between Kuhlmedieneinlass and the fuel cell stack. However, this increased operating temperature and / or the increased temperature difference is tolerated by the fuel cell system 1, since due to the higher operating pressure, the water balance is still balanced.
  • Fuel Cell System 1 is a low cost, scalable system that can use the same peripherals as a low power, low power system.
  • An additional advantage is that, along with the increased power and the increased operating or system pressure, the pressure losses at the separator, gas-to-gas humidifier 15, intercooler 11, etc. become smaller with increasing pressure at the same mass flow rate, so that the increased operating pressure also benefits the system design.
  • the fuel cell system 1 shown in FIG. 1 or also the fuel cell systems shown below have the particular advantage that a very high power dynamic is achieved since the electric driven screw compressor 14 can impose its dynamics on the turbocompressor 17.
  • the parallel concept allows very high partial load efficiencies, since the load spread of the screw compressor 14 is increased.
  • the fuel cell system 1 can either be operated only with the screw compressor 14 (for example when driving on the city), when the turbocompressor 17 is connected, it forms a kind of booster for ascents or freeways.
  • the emergency running properties of the system are also improved because with regard to the two-stage parallel arrangement in the event of failure of the screw compressor 14 or of the turbocompressor 17, the other compressor in each case enables emergency supply of the fuel cell stack 2.
  • FIG. 2 shows a second exemplary embodiment of the fuel cell system 1 which, unlike the fuel cell system in FIG. 1, has two separate fuel cell stacks 2, but with a common hydrogen supply.
  • Fuel cell system 1 a post-combustion section 18, which will be explained below.
  • the fuel cell system 1 on the post-combustion section 18, which includes a turbine 19, which includes a turbine 19, the mechanical, z. B. is coupled via a shaft with the turbo compressor 17 and drives this.
  • the turbine 19 is driven by a gas mixture, which is formed from via the purge line 8, and via a hydrogen line 20 fed hydrogen and out of the guided through the cathode sections of the fuel cell stack 2 air m which an afterburner 21, for example, catalytically releasing heated exhaust gases is burned.
  • These heated exhaust gases drive the turbine 19.
  • a known from the turbocharger technology waste gate 22 is provided, which is designed as a bypass line to the turbine 19.
  • an oil-bearing turbocompressor in an alternative embodiment, which is supplied with oil via supply lines 23, which is likewise circulated by the turbine 19.
  • an air-bearing turbo compressor 17 is used, this embodiment being used in particular for boosting the fuel cell fuel system, ie for use at high rotational speeds.
  • FIG. 3 shows a schematic block diagram of a third exemplary embodiment of the fuel cell system 1, which is similar to the fuel cell system 1 in Figure 2 is constructed with two fuel cell stacks 2, but in contrast to this another embodiment of the gas supply system 4 has.
  • the pressure outlets of the screw compressor 14 and of the turbocompressor 17 are not brought together before the fuel cell stacks 2, but the pressure outlet of the screw compressor 14 is used to supply the left fuel cell stack 2 and the pressure outlet of the turbocompressor 17 supplies the right fuel cell stack 2, wherein the supply lines to the pressure outlets are indeed arranged fluidically parallel, but isolated from each other.

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Abstract

Um die Alltagstauglichkeit eines Brennstoff zellensystems zu gewährleisten, muss berücksichtigt werden, dass ein Fahrzeug im Straßenverkehr nicht stets die gleiche Leistungsanforderung hat. Es wird eine Gasversorgungssystem (4) für eine Brennstoff Zeilenanordnung (2) mit einer Zuleitung (4) zu der Brennstoff Zeilenanordnung (2) für die Zuführung eines Oxidanten, mit einem Luftmodul (14), welches strömungstechnisch in der Zuleitung (4) angeordnet und ausgebildet ist, um den Oxidanten zu verdichten, vorgeschlagen, wobei in der Zuleitung (4) ein Parallelverdichter (17) strömungstechnisch parallel zu dem Luftmodul (14) angeordnet ist.

Description

Gasversorgungssystem für eine BrennstoffZellenanordnung und Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems mit dem
GasVersorgungssystem
Die Erfindung betrifft ein Gasversorgungssystem für eine BrennstoffZeilenanordnung mit einer Zuleitung zu der BrennstoffZeilenanordnung für die Zuführung eines Oxidanten, mit einem Luftmodul, welches strömungstechnisch in der Zuleitung angeordnet und ausgebildet ist, um den Oxidanten zu verdichten, sowie ein Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems mit dem Gasversorgungssystem.
Brennstoffzellensysteme für den mobilen Einsatz stellen eine wirtschaftliche und zugleich umweltbewusste Energiequelle für Fahrzeuge dar. In einem Brennstoffzellensystem wird ein elektrochemischer Prozess umgesetzt, wobei ein Brennstoff, meist Wasserstoff, mit einem Oxidanten, meist Sauerstoff bzw. Umgebungsluft, umgesetzt wird, um aus der chemischen Energie der Arbeitsgase elektrische Energie für den Antrieb des Fahrzeugs zu erzeugen.
Um die Alltagstauglichkeit des Brennstoffzellensystems zu gewährleisten, muss berücksichtigt werden, dass ein Fahrzeug im Straßenverkehr nicht stets die gleiche
Leistungsanforderung hat. So ist die Leistungsanforderung zum Beispiel in einem Stau, also bei weitgehend stehendem Fahrzeug, wesentlich geringer als bei einer Hochgeschwindigkeits- oder Bergfahrt. Um mit dem Brennstoffzellensystem bei geringer Leistungsanforderung nicht unnötig Energie zu erzeugen, die dann aufwandig zwischengespeichert werden muss, ist es üblich, die Leistungsabgabe des Brennstoffzellensystems zu steuern.
Die Druckschrift DE 699 100 60 T2 beschreibt beispielsweise einen Brennstoffzellenstapel für ultrahochefflziente Stromversorgungssysteme, welche ein Gasversorgungssystem für die Versorgung des Brennstoffzellenstapels mit Sauerstoff bzw. Umgebungsluft aufweist. In der Zuleitung zu dem Brennstoffzellenstapel ist ein Verdichter stromungstechnisch integriert, welcher den zugefuhrten Sauerstoff bzw. die zugefuhrte Umgebungsluft verdichtet. Der Verdichter wird über eine Turbine angetrieben, welche die auszustoßenden Abgase des Brennstoffzellenstapels als Antriebsmedium nutzt.
Die Offenlegungsschrift DE 100 24 570 Al beschreibt ebenfalls ein Brennstoffzellensystem sowie ein Verfahren zum Betreiben des Brennstoffzellensystems . Ähnlich wie das zuvor beschriebene Stromversorgungssystem weist dieses Brennstoffzellensystem eine Zuleitung für ein sauerstoffhaltiges Medium, z.B. Luft auf, welches mittels einem m der Zuleitung angeordneten Verdichter, Kompressor oder Turboverdichter auf ein gewünschtes Druckniveau verdichtet wird. Auch bei diesem System werden die Abgase aus dem Brennstoffzellenstapel genutzt, um den Verdichter, den Kompressor bzw. den Turboverdichter anzutreiben.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein
Gasversorgungssystem für eine BrennstoffZeilenanordnung sowie ein entsprechendes Verfahren vorzuschlagen, welche eine einfache Skalierbarkeit der Leistungsabgabe erlauben. Diese Aufgabe wird durch ein Gasversorgungssystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie mit einem Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems mit dem Gasversorgungssystem mit dem Merkmal des Anspruchs 9 gelost. Bevorzugte oder vorteilhafte Ausfuhrungsformen der Erfindung ergeben sich aus den abhangigen Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung sowie den beigefugten Figuren.
Erfindungsgemaß wird ein Gasversorgungssystem für eine Brennstoffzellenanordnung vorgeschlagen. Die Brennstoffzellenanordnung weist eine Mehrzahl von Brennstoffzellen auf, welche bevorzugt in PEM-Bauweise (Proton Exchange Membrane) ausgebildet sind. Insbesondere sind die Brennstoffzellen in einem oder mehreren Brennstoffzellenstapeln verschaltet, wobei im Speziellen jeder Brennstoffzellenstapel mehr als 50, insbesondere mehr als 100 Brennstoffzellen aufweist.
Zur Zufuhrung eines Oxidanten, vorzugsweise Sauerstoff oder Umgebungsluft, weist das Gasversorgungssystem eine Zuleitung zu der Brennstoffzellenanordnung auf. Die Zuleitung ist optional als Zuleitungssystem ausgebildet.
Weiterhin ist ein Luftmodul vorgesehen, welches stromungstechnisch in der Zuleitung angeordnet und ausgebildet ist, um den Oxidanten zu verdichten. Im Allgemeinen ist das Luftmodul als Stromungsmaschine beliebiger Bauart ausgebildet.
Erfindungsgemaß ist in der Zuleitung stromungstechnisch parallel zu dem Luftmodul ein Parallelverdichter angeordnet, welcher vorzugsweise ausgebildet ist, um in dem Gasversorgungssystem und/oder in der Zuleitung einen höheren Betriebsdruck aufzubauen als das Luftmodul. Der Erfindung liegt die Überlegung zugrunde, dass insbesondere Brennstoffzellensysteme kleinerer Leistungsklasse ausgelegt sind, bewusst wenig Abwärme zu produzieren, um so den Energiehaushalt günstig zu gestalten. Versucht man nun, derartige Brennstoffzellensysteme auf größere Leistung zu skalieren, ohne die Kühlvorrichtung des BrennstoffZeilensystems anzupassen, so wird das leistungsskalierte System überhitzen. Zu berücksichtigen ist zudem, dass eine ausgeglichene Wasserbilanz derartiger Brennstoffzellensystems ohne weitere Maßnahmen nur bei geringen Betriebstemperaturen möglich ist, so dass die Leistungsskalierung zu einer Verminderung der Standzeit der empfindlichen Membranen und damit des gesamten Brennstoffzellensystems führt.
Die Erfinder haben erkannt, dass das Spannungsfeld von Betriebstemperatur und Wasserbilanz durch eine Erhöhung des Betriebsdruckes gelöst werden kann, so dass erfindungsgemäß vorgeschlagen wird, parallel zu dem Luftmodul einen Parallelverdichter anzuordnen, welcher eine solche Erhöhung des Betriebsdrucks erlaubt. Ein weiterer optionaler Vorteil der Parallelschaltung von Luftmodul und Parallelverdichter neben der Leistungsskalierung ist die einfache Skalierung oder Steuerung des Luftmassenstroms für die gewünschte Leistungsklasse, da bei geschickter Wahl der Auslegung von Luftmodul und Parallelverdichter alle Luftmassenströme und somit alle Leistungsklassen versorgt werden können. Dabei werden im Gegensatz zu zweistufigen, seriellen Anordnungen von Strömungsmaschinen bei der erfindungsgemäßen Anordnung so genannte Surge-Line-Effekte, also Effekte, die das unvorhersagbare Verhalten von Strömungsmaschinen bei Drücken oberhalb des Arbeitsdruckes betreffen, umgangen. Bei einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Luftmodul einen Schraubenverdichter oder ist als Schraubenverdichter ausgebildet. Besonders bevorzugt ist das Luftmodul und/oder der Schraubenverdichter elektrisch betrieben. Bei dieser bevorzugten Ausführungsform ist es vorteilhaft, dass das Luftmodul bzw. der Schraubenverdichter dem Parallelverdichter die eigene Dynamik aufzwingen kann und somit insgesamt eine verbesserte Dynamik erreichbar ist.
Es ist besonders bevorzugt, wenn der Parallelverdichter als Turboverdichter ausgebildet ist, da bei dieser Ausführungsform besonders hohe Betriebs- oder Systemdrücke erzeugbar sind.
Für eine energiesparende Integration ist der Turboverdichter vorzugsweise als Teil eines Turboladers, insbesondere Abgasturbolader, ausgebildet, welcher eine Turbine aufweist, die angeordnet ist, um von den Ausstoßgasen der BrennstoffZeilenanordnung angetrieben zu werden. Die Turbine ist bei einer möglichen Ausführungsform mechanisch, z.B. über eine Welle, mit dem Turboverdichter gekoppelt, bei alternativen Ausführungsformen wird über die Turbine elektrischer Strom erzeugt, mit dem der Turboverdichter und/oder das Luftmodul angetrieben wird.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung ist die Turbine nach einem Nachverbrenner angeordnet, welcher ausgebildet und/oder angeordnet ist, um Anodengas aus der
BrennstoffZeilenanordnung zu verbrennen, um auf diese Weise erhitzte Ausstoßgase zu erzeugen, die den Antrieb der Turbine verstärken und/oder bilden. Vorzugsweise wird in dem Nachverbrenner das Anodengas mit dem Kathodengas der Brennstoffzellenanordnung zusammengeführt . Bei einer möglichen Ausfuhrungsvariante sind die Druckseiten von Luftmodul und Parallelverdichter im Bereich der Zuleitung, also vor der BrennstoffZeilenanordnung, stromungstechnisch miteinander verbunden. Diese Ausfuhrungsvariante wird bevorzugt eingesetzt, wenn die BrennstoffZeilenanordnung nur einen einzigen Brennstoffzellenstapel aufweist. Die Vorteile dieser Ausfuhrungsvariante liegen vor allem in einer einfachen Kontrolle, insbesondere Steuerung bzw. Regelung, des Brennstoffzellensystems .
Bei einer anderen Ausfuhrungsvariante sind die Druckseiten von Luftmodulen und Parallelverdichter im Bereich der Zuleitung, also insbesondere bis zum Kathodeneingang der Brennstoffzellenanordnung bzw. der Brennstoffzellenstapel zueinander stromungstechnisch isoliert angeordnet. Dies wird beispielsweise so umgesetzt, dass die Druckseite des Luftmoduls ausschließlich an einen ersten Brennstoffzellenstapel und die Druckseite des Parallelverdichters ausschließlich an einen zweiten Brennstoffzellenstapel ohne gegenseitige stromungstechnische Verbindung im Bereich der Zuleitung angeordnet ist. Anders ausgedruckt wird der erste Brennstoffzellenstapel ausschließlich über das Luftmodul und der zweite Brennstoffzellenstapel ausschließlich über den Parallelverdichter mit dem Oxidanten versorgt.
Vorteile insbesondere dieser letzten Ausfuhrungsvariante, aber auch von anderen BrennstoffZeilensystemen mit mehreren Brennstoffzellenstapeln liegen beispielsweise darin, dass eine energiesparender Start des Brennstoffzellensystems durchfuhrbar ist. Dabei wird zunächst nur ein erster der Brennstoffzellenstapel gestartet. Sobald dieser Strom produziert und/oder die Betriebstemperatur erreicht hat, wird ein zweiter der Brennstoffzellenstapel aktiviert. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass bei dem Start des ersten Brennstoffzellenstapels der Kühlkreislauf von dem zweiten Brennstoffzellenstapel getrennt ist und sich daher schneller aufwärmen kann.
Um ein besonders kostengünstiges und zugleich leistungsskalierbares System darzustellen, ist es optional möglich, das Gasversorgungssystem in ein Niederdrucksystem zu integrieren, wobei die Peripherie, insbesondere Abscheider, Gas-Zu-Gas-Befeuchter, Intercooler, etc. unskaliert bleiben. Ähnlich wie bei dem aus dem Verbrennungsmotorenbau bekannten „Downsizing" oder „Tuning", also der Leistungsskalierung von Motoren durch den Einbau von Turboladern, wird als Ausgangssystem ein üblich ausgelegtes Niederdrucksystem verwendet, in das das erfindungsgemäße Gasversorgungssystem integriert wird. Im Betrieb wird das Niederdrucksystem durch Aktivierung des Parallelverdichters als ein Hochdrucksystem gefahren, welches eine höhere Leistung abgeben kann.
Dabei ist es für das leistungsskalierte System vorteilhaft, dass die Druckverluste an den Komponenten mit zunehmendem Betriebsdruck bei gleichem Massendurchsatz kleiner werden. Hinsichtlich einer Kühlmittelpumpe wird ebenfalls entweder die Kühlmittelpumpe des Niederdrucksystems eingesetzt, falls Temperaturdifferenzen zwischen Niederdruck- und Hochdruckbetrieb in dem Brennstoffzellensystem tolerierbar sind, die in der Größenordnung von 5 K (bei 4OkW) bis 10 K (bei 8OkW) liegen, bezogen auf die die Temperaturdifferenzen zwischen Kühlmedieneinlass und -auslass des Brennstoffzellenstapels . Alternativ wird hier eine leistungsstärkere Kühlmittelpumpe eingesetzt. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Betreiben eines oder des Brennstoffzellensystems mit dem Gasversorgungssystem, wie es zuvor beschrieben wurde, wobei die folgenden Betriebsmodi im Rahmen der Erfindung liegen:
Startmodus :
Bei dem Starten des Brennstoffzellensystems wird zunächst das Luftmodul aktiviert, welches einen Impuls auf den bereits vorgewärmten Nachbrenner liefert, so dass dieser mit dem über das Luftmodul bewegten Luftstrom und Wasserstoff zünden kann, wobei durch die Ausstoßgase Wärme und Volumenstrom für die Turbine des Turboladers geliefert wird. Hierdurch wird der Turbolader aktiviert, so dass ein weiterer Luftstrom für den Nachverbrenner generiert wird. In einem nächsten Schritt wird das Luftmodul deaktiviert und wird optional sogar als Verschlussventil verwendet. Der nun Selbstlaufende Kreislauf von Turbolader und Nachverbrenner produziert Startwärme für einen schnellen Start der Brennstoffzelle, welche beispielsweise über einen Wärmetauscher in den Kühlkreislauf in das Brennstoffzellensystem eingebracht wird. Vorteilhaft bei diesem Startmodus ist, dass die Energie zum Starten maßgeblich aus dem Wasserstoff generiert und nicht von einer Starterbatterie abgezogen wird, so dass die Starterbatterie beim Start-Up durch einen Luftstart des Turboladers geschont wird.
Notbetriebmodus :
Für den Fall, dass der Parallelverdichter oder das Luftmodul ausfällt, kann der jeweils verbleibende, aktive Verdichter das Brennstoffzellensystem versorgen, so dass ein mit dem Brennstoffzellensystem ausgerüstetes Fahrzeug noch im Notbetrieb mit verminderter Leistung, aber aus eigener Kraft in eine Werkstatt gelangen kann. Normalbetriebmodus :
Bei kleineren Leistungsanforderungen wird das Brennstoffzellensystem als Niederdrucksystem gefahren, wobei der Parallelverdichter deaktiviert ist. Vorzugsweise ist der Turbolader abgeschaltet sowie ein optionaler Nachverbrenner deaktiviert und gegebenenfalls der Waste-Gate des Turboladers eingestellt, so dass ein Druckaufbau über den Niederdruck vermieden wird. Bei größeren Leistungsanforderungen wird der Parallelverdichter aktiviert, so dass höhere Betriebsdrucke erzeugt werden und die Leistung skaliert wird. Der Parallelverdichter dient insbesondere als Booster bei starken Leistungsanforderungen, wie z.B. Berg- oder Hochgeschwindigkeitsfahrten .
Weitere Vorteile, Wirkungen und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausfuhrungsbeispiele der Erfindung. Dabei zeigen:
Fig. 1 ein erstes Ausfuhrungsbeispiel eines erfindungsgemaßen FremdstoffZeilensystems mit einem BrennstoffzellenStapel;
Fig. 2 ein zweites Ausfuhrungsbeispiel eines BrennstoffZeilensystems mit zwei Brennstoffzellenstapeln; und
Fig. 3 ein drittes Ausfuhrungsbeispiel eines Brennstoffzellensystems mit zwei Brennstoffzellenstapeln bei geänderter Gasversorgung .
Einander entsprechende Teile sind in den Figuren jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die Figur 1 zeigt ein Brennstoffzellensystem 1 mit einem
Brennstoffzellenstapel 2, welcher über drei unterschiedliche
Versorgungssysteme betrieben wird, nämlich einem
Gasversorgungssystem 3 als ein erstes Ausfuhrungsbeispiel der
Erfindung für den Kathodenabschnitt des
Brennstoffzellenstapels 2, einem Wasserstoffversorgungssystem
4 zur Versorgung des Anodenabschnitts des
Brennstoffzellenstapels 2, sowie einem Kuhlkreislauf 5 zur
Temperierung des Brennstoffzellenstapels 2.
Das Wasserstoffversorgungssystem 4 weist einen Wasserstoffeinlass 6, welcher mit einem nicht dargestellten Tank bei reformatorfreiem Brennstoffzellensystem bzw. mit einer Reformatoreinheit bei BrennstoffZeilensystemen mit Reformatoren verbunden ist. Der Wasserstoff wird ausgehend von dem Wasserstoffeinlass 6 zu dem Anodenemlass des Brennstoffzellenstapels 2 gefuhrt, durchquert den Brennstoffzellenstapel 2, wird dabei teilweise verbraucht und nachfolgend über ein Purge-Ventil 7 gefuhrt, wo der Restwasserstoff entweder über eine Purge-Leitung 8 ausgekoppelt wird oder an einem weiteren optionalen Ventil vorbei zu einer Pumpvorrichtung 9 gefuhrt wird, welche den Restwasserstoff beschleunigt und rezirkuiiert .
Der Kuhlkreislauf 5 weist einen Radiator 10 sowie weitere Komponenten wie einen optionalen Intercooler 11 oder eine Standheizung 12 zur Temperierung des Kuhlmittels auf.
Das Gasversorgungssystem 3 ist als eine Zuleitung ausgebildet, die an einem Luftemlass 13 beginnt, und in der ein elektrisch angetriebener Schraubenverdichter 14 stromungstechnisch angeordnet ist, welcher die zugefuhrte Luft verdichtet und einen Betriebsdruck von absolut bis zu 4 bar erzeugt. Nach dem Schraubenverdichter 14 wird die verdichtete Luft durch den Intercooler 11 abgekühlt und in einer Befeuchtungseinrichtung 15 befeuchtet bevor sie dem Kathodenabschnitt des Brennstoffzellenstapels 2 zugeführt wird. Nach Durchquerung des Brennstoffzellenstapels 2 wird die teilverbrauchte Luft wieder durch die
Befeuchtungseinrichtung 15 gefuhrt, um dort entfeuchtet zu werden und schließlich über einen Auslass 16 ausgestoßen. Die bislang geschilderten Komponenten des BrennstoffZeilensystems 1 sind einem Basissystem zuzuordnen, welches für den Betrieb als Niederdrucksystem mit absoluten Drucken kleiner als 2 bar ausgebildet ist.
Erfindungsgemaß ist parallel zu dem Schraubenverdichter 14 ein Turboverdichter 17 geschaltet, der selektiv aktiviert bzw. deaktiviert werden kann.
Die Aktivierung des Turboverdichters 17 ergänzend zu einer Aktivierung des Schraubenverdichters 14 fuhrt zu einem höheren Betriebsdruck in dem BrennstoffStoffzellenstapel 2 sowie zu einem erhöhten Luftmassenstrom. Durch die erhöhte Zufuhrung von Luft kann im analogen Maße die Zufuhrung von Wasserstoff erhöht werden, so dass das Brennstoffzellensystem 1 insgesamt mehr Brennstoff bzw. Oxidant verbraucht und damit eine höhere elektrische Leistung abgeben kann. Die Abgabe der höheren Leistung ist aber zwangsläufig - insbesondere wenn der Kuhlkreislauf 5 nicht angepasst ist - mit einer Erhöhung der Betriebstemperatur und/oder der Temperaturdifferenz zwischen Kuhlmedieneinlass und -auslass des Brennstoffzellenstapels verbunden. Diese erhöhte Betriebstemperatur und/oder die erhöhte Temperaturdifferenz wird jedoch von dem Brennstoffzellensystem 1 toleriert, da aufgrund des höheren Betriebsdruckes die Wasserbilanz trotzdem ausgeglichen ist. Damit stellt das Brennstoffzellensystem 1 ein kostengünstiges skalierbares System dar, welches die gleiche Peripherie verwenden kann, wie ein leistungsschwacheres Niederdrucksystem. Em zusatzlicher Vorteil ist es, dass einhergehend mit der erhöhten Leistung und dem erhöhten Betriebs- bzw. Systemdruck die Druckverluste am Abscheider, Gas-Zu-Gas-Befeuchter 15, Intercooler 11, etc. mit zunehmendem Druck kleiner bei gleichem Massendurchsatz werden, so dass der erhöhte Betriebsdruck auch der Systemauslegung zugute kommt.
Das in Figur 1 gezeigte Brennstoffzellensystem 1 oder auch die nachfolgend gezeigten Brennstoffzellensysteme haben insbesondere den Vorteil, dass eine sehr hohe Leistungsdynamik erreicht wird, da der elektrische angetriebene Schraubenverdichter 14 dem Turboverdichter 17 seine Dynamik aufzwingen kann. Das parallele Konzept ermöglicht sehr hohe Teillastwirkungsgrade, da die Lastspreizung des Schraubenverdichters 14 vergrößert ist. Im Normalbetrieb kann das Brennstoffzellensystem 1 entweder nur mit dem Schraubenverdichter 14 betrieben werden (z. B. bei Stadtfahrten) , bei Zuschaltung des Turboverdichters 17 bildet dieser quasi einen Booster für Bergfahrten oder Autobahn. Auch die Notlaufeigenschaften des Systems werden verbessert, da im Hinblick auf die zweistufige parallele Anordnung bei Ausfall des Schraubenverdichters 14 oder des Turboverdichters 17 jeweils der andere Verdichter eine Notversorgung des Brennstoffzellenstapels 2 ermöglicht.
Die Figur 2 zeigt ein zweites Ausfuhrungsbeispiel des Brennstoffzellensystems 1, welches im Unterschied zu dem Brennstoffzellensystem in Figur 1 zwei getrennte Brennstoffzellenstapel 2, jedoch mit gemeinsamer WasserstoffVersorgung aufweist. Zusätzlich zeigt das Brennstoffzellensystem 1 einen Nachverbrennungsabschnitt 18, welcher nachfolgend noch erläutert wird.
Auch bei dem in Figur 2 gezeigten Gasversorgungssystem 3 werden die Druckseiten des Schraubenverdichters 14 und des Turboverdichters 17 vor den Brennstoffzellenstapeln 2 stromungstechnisch zusammengeführt .
Insbesondere zum Antrieb des Turboverdichters 17 weist das Brennstoffzellensystem 1 den Nachverbrennungsabschnitt 18 auf, welcher eine Turbine 19 umfasst, die mechanisch, z. B. über eine Welle, mit dem Turboverdichter 17 gekoppelt ist und diesen antreibt. Die Turbine 19 wird durch ein Gasgemisch angetrieben, welches aus über der Purge-Leitung 8, bzw. über eine Wasserstoffleitung 20 zugefuhrten Wasserstoff und aus der durch die Kathodenabschnitte der Brennstoffzellenstapel 2 geführten Luft gebildet ist, welches m einem Nachbrenner 21 beispielsweise katalytisch unter Freisetzung von erwärmten Abgasen verbrannt wird. Diese erhitzten Abgase treiben die Turbine 19 an. Zur Umgehung der Turbine 19 ist ein aus der Turboladertechnik bekanntes Waste-Gate 22 vorgesehen, welches als Bypassleitung um die Turbine 19 ausgebildet ist. Der in der Figur 2 gezeigte Turboverdichter 17 ist bei einer Ausfuhrungsalternative als olgelagerter Turboverdichter ausgebildet, welcher über Versorgungsleitungen 23 mit Ol versorgt wird, welches ebenfalls von der Turbine 19 umgewalzt wird. Bei einer alternativen Ausfuhrungsform wird ein luftgelagerter Turboverdichter 17 verwendet, wobei diese Ausfuhrungsform insbesondere zum Boosten des BrennstoffzellenstoffSystems, also zur Verwendung bei hohen Drehzahlen eingesetzt wird.
Die Figur 3 zeigt in einer schematischen Blockdarstellung ein drittes Ausfuhrungsbeispiel des Brennstoffzellensystems 1, welches ähnlich wie das Brennstoffzellensystem 1 in Figur 2 mit zwei Brennstoffzellenstapeln 2 aufgebaut ist, jedoch im Gegensatz zu diesem eine andere Ausführung des Gasversorgungssystems 4 aufweist. Im Gegensatz zu der Figur 2 werden die Druckauslässe des Schraubenverdichters 14 und des Turboverdichters 17 nicht vor den Brennstoffzellenstapeln 2 zusammengeführt, sondern der Druckauslass des Schraubenverdichters 14 wird zur Versorgung des linken Brennstoffzellenstapels 2 und der Druckauslass des Turboverdichters 17 zur Versorgung des rechten Brennstoffzellenstapels 2 eingesetzt, wobei die Zuleitungen nach den Druckauslässen zwar strömungstechnisch parallel, jedoch isoliert von einander verlaufend angeordnet sind.
Bezugszeichenliste
1 Brennstoffzellensystem
2 Brennstoffzellenstapel
3 GasVersorgungssystem
4 WasserStoffVersorgungssystem
5 Kühlkreislauf
6 Wasserstoffeinlass
7 Purge-Ventil
8 Purge-Leitung
9 Pumpvorrichtung
10 Radiator
11 Intercooler
12 Standheizung
13 Lufteinlass
14 Schraubenverdichter
15 Befeuchtungseinriehtung
16 Auslass
17 Turboverdichter
18 Nachverbrennungsabschnitt
19 Turbine
20 Wasserstoffleitung
21 Kathodennachbrenner
22 Waste-Gate
23 Versorgungsleitungen

Claims

Patentansprüche
1. Gasversorgungssystem (4) für eine BrennstoffZeilenanordnung (2)
mit einer Zuleitung (4) zu der Brennstoffzellenanordnung (2) für die Zufuhrung eines Oxidanten
mit einem Luftmodul (14), welches stromungstechmsch m der Zuleitung (4) angeordnet und ausgebildet ist, um den Oxidanten zu verdichten,
dadurch gekennzeichnet, dass
in der Zuleitung (4) ein Parallelverdichter (17) stromungstechnxsch parallel zu dem Luftmodul (14) angeordnet ist.
2. Gasversorgungssystem (4) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Luftmodul (14) einen, insbesondere elektrisch angetriebenen Schraubenverdichter umfasst .
3. Gasversorgungsystem (4) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Parallelverdichter als Turboverdichter (17) ausgebildet ist.
4. Gasversorgungssystem (4) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Turboverdichter (17) als ein Teil eines Abgasturbolader ausgebildet ist, der zudem eine Turbine (19) aufweist, wobei die Turbine (19) angeordnet ist, um von den Ausstoßgasen der BrennstoffZeilenanordnung angetrieben zu werden.
5. Gasversorgungssystem (4) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Turbine (19) nach einem Nachverbrenner (21) angeordnet ist, welcher ausgebildet und/oder angeordnet ist, um Anodengas mit dem Kathodengas zu verbrennen oder umzusetzen.
6. Gasversorgungssystem (4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckseite von dem Luftmodul (14) und die Druckseite des Parallelverdichters (17) im Bereich der Zuleitung (4) vor der BrennstoffZeilenanordnung stromungstechmsch verbunden sind.
7. Gasversorgungssystem (4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeicnnet , dass die Druckseite von dem Luftmodul (14) und die Druckseite des Parallelverdichter (17) vor der BrennstoffZeilenanordnung (2) stromungstechmsch isoliert sind, wobei die Druckseite des Luftmoduls (14) mit einem ersten Brennstoffzellenstapel (2) der BrennstoffZeilenanordnung und die Druckseite des Parallelverdichters (17) mit einem zweiten Brennstoffzellenstapel (2) der
BrennstoffZeilenanordnung stromungstechmsch verbunden ist.
8. Gasversorgungssystem (4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Auslegung als Niederdrucksystem bei aktiviertem Luftmodul (14) und deaktiviertem Parallelverdichter (17) und/oder als Hochdrucksystem bei aktiviertem Luftmodul (14) und aktiviertem Parallelverdichter (17).
9. Gasversorgungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Luftmodul
(14) ein Turn-down ratio während des Betriebs von weniger als 1:10, vorzugsweise von weniger als 1:5 aufweist.
10. Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems mit dem Gasversorgungssystem (4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche
mit einem Startmodus mit den Schritten:
- Aktivierung des Luftmoduls (14)
- Starten des Nachverbrenners (21)
- Aktivierung des Turboverdichters (17)
- Deaktivierung des Luftmoduls (14)
- Aufwärmen der BrennstoffZeilenanordnung (2)
und/oder
mit einem Notbetriebmodus, wobei die Versorgung der BrennstoffZeilenanordnung (2) mit dem Oxidanten ausschließlich durch den Turboverdichter (17) erfolgt.
und/oder
mit einem Normalbetriebmodus, wobei die BrennstoffZeilenanordnung (2) abwechselnd als Niederdruck- und als Hochdrucksystem betrieben wird.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die BrennstoffZeilenanordnung (2) als Niederdrucksystem in einem niederen Leistungsabgabebereich und/oder als Hochdrucksystem in einem höheren Leistungsabgabebereich betrieben wird.
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