WO2016124575A1 - Brennstoffzellensystem und verfahren zum betrieb eines solchen - Google Patents

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    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the invention relates to a fuel cell system having at least one fuel cell stack with cathode chambers and at least one cathode gas supply, the one
  • Cathode gas supply path for supplying a cathode operating gas into the
  • the invention further relates to a method for operating a
  • Fuel cell system comprising at least one fuel cell stack with cathode spaces and at least one cathode gas supply.
  • Fuel cells use the chemical transformation of a fuel with oxygen to water to generate electrical energy.
  • fuel cells contain as core component the so-called membrane electrode assembly (MEA for membrane electrode assembly), which is a composite of an ion-conducting, in particular proton-conducting membrane and in each case an electrode arranged on both sides of the membrane (anode and cathode).
  • MEA membrane electrode assembly
  • the fuel in particular hydrogen H 2 or a
  • DE 101 20 947 A1, DE 10 2004 051 359 A1 and DE 10 2010 035 727 A1 each describe fuel cell systems with a two-stage compression of the cathode gas.
  • the first compressor stage can be realized by an electromotive drive and the second stage by an exhaust-gas turbocharger, in which the one in the cathode gas supply line arranged compressor is coupled to a turbine disposed in the exhaust pipe.
  • DE 10 2010 035 727 A1 these stages can also be combined in a single machine.
  • DE 10 2010 035 727 A1 describes a feed back of moist exhaust gas into the supply air of the fuel cell between the two compressor stages in order, inter alia, to achieve humidification.
  • Exhaust gas turbocharger is formed, the compressor is thus driven via an exhaust gas driven by the cathode and / or anode exhaust gas, and the second compressor stage comprises an electric motor driven compressor. Between the two
  • the cathode operating gas is humidified by water injection.
  • WO 2010 / 020332A1 discloses, in particular, how a gas stream flows through a sensor device
  • Compressor is supplied. Furthermore, it shows, to measure the exhaust air flow of the compressor by means of a valve element.
  • the knowledge of feed and discharge stream characterize the operating state of the compressor. His knowledge allows optimal control of supply and exhaust air flows of fuel cells.
  • DE 100 24 570 A1 shows the installation of two compressors on a common shaft.
  • a compressor in the cathode gas supply path (Kathodenenzustromweg) and the second compressor in the cathode exhaust gas flow path are installed.
  • the invention is based on the object of proposing a fuel cell system which at least partially eliminates these disadvantages. These objects are also achieved in part or fully by a method of operating a fuel cell system having at least one fuel cell stack having the features of the independent claims.
  • Cathode spaces and at least one cathode gas supply comprising a
  • Cathode gas supply path for supplying a cathode operating gas into the
  • the fuel cell system has at least a second compressor, the second compressor having an electric drive and is formed together with the first compressor as a parallel circuit.
  • the fuel cell system has at least a second compressor, wherein the second compressor has an electric drive and is formed as a parallel circuit together with the first compressor, the second compressor can be used as a so-called 'e-booster'.
  • An 'e-booster' serves in particular as variable
  • the 'e-booster' can be advantageously switched on when the dynamic requirements of a start-stop operation of the fuel cell system quickly require a large change in the charge pressure of the cathode operating gas. Furthermore, the 'e-booster' can be advantageously switched on when the dynamic requirements of a start-stop operation of the fuel cell system quickly require a large change in the charge pressure of the cathode operating gas. Furthermore, the 'e-booster' can be advantageously switched on when the dynamic requirements of a start-stop operation of the fuel cell system quickly require a large change in the charge pressure of the cathode operating gas. Furthermore, the
  • the first compressor switchable, so that the fuel cell stack, an increased boost pressure is provided. Because the 'e-booster' is designed small, its inert rotational masses are low. Because they are low, an e-Booster drive accelerates it quickly to a high RPM, quickly providing high boost pressure. The low inertial rotation masses of the 'e-Booster' thus increase its dynamic range compared to that of the first compressor. The first compressor can be made smaller by the combination with the 'e-booster'. Thus, weight and thus costs, especially when using fuel cell systems in vehicle construction, are reduced.
  • the second compressor is arranged in a bypass surrounding the first compressor.
  • a Cathode operating gas can also be supplied bypassing the first compressor of the fuel cell.
  • the inert rotational mass of the first compressor is greater than the sluggish
  • the efficiency of the first compressor is advantageously lower than the efficiency of the second compressor.
  • a conveyed mass flow of the first compressor is greater than the delivered mass flow of the second compressor. This allows the
  • Parallel connection of the two compressors are designed such that the second compressor is switched on or off at the optimum operating point of the first compressor.
  • the first compressor so the main compressor, always in an optimized lower
  • the main compressor can thus be designed for smaller loads and thus operates relatively more efficiently in operating areas of lower power.
  • the first compressor in a first power network and the second compressor in a second power network are arranged. This has in the
  • Low-voltage network for example, a 12V or a 48V network can be connected, while the first compressor can be powered by a high-voltage network.
  • the object is achieved in a further aspect of the invention by a method.
  • the method of operating a fuel cell system solves the problem by switching at least a second compressor to increase the pressure of the cathode operating gas above ambient pressure.
  • the turbo lag of the first compressor can be bridged.
  • the second compressor can be operated alone in the lower load range, if only small
  • Cathode operating gas mass flows are requested from the fuel cell stack.
  • At least one further method step can be carried out additionally or alternatively in any desired number and order. So the second compressor can be switched off when the first compressor reaches its operating performance. Further, the second compressor may be shut down to assist the run-up of the first compressor until it reaches its operating point.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a fuel cell system
  • FIG. 2 is a schematic representation of a fuel cell system with a first and second compressor in series
  • FIG. 4 shows a fuel cell system with a first compressor and a second
  • Figure 5 is a schematic enlargement of the cathode gas supply path
  • Figure 6 is a schematic representation of a fuel cell system according to a preferred embodiment of the invention with a parallel connection of two second compressors with a first compressor.
  • FIG. 1 shows a fuel cell system 1, which is used, for example, in a vehicle, not shown.
  • This vehicle is usually a
  • the fuel cell system 1 comprises as a core component a fuel cell stack 2 which has a plurality of stacked individual cells. Each individual cell comprises in each case an anode space and a cathode space 3 which are separated from one another by an ion-conducting polymer electrolyte membrane (see detail section).
  • the anode and cathode chamber 3 each comprise a catalytic electrode, the anode or the cathode (not shown), which catalyzes the respective partial reaction of the fuel cell reaction.
  • an indicated bipolar plate is further arranged in each case, which serves to supply the operating media into the anode and cathode chambers 3 and also produces the electrical connection between the individual fuel cells.
  • Fuel cell system 1 on the one hand, an anode gas supply 34 and on the other hand, a cathode supply 4.
  • the cathode gas supply 4 comprises a cathode supply path 5, which supplies an oxygen-containing cathode operating gas 6 to the cathode compartments 3 of the fuel cell stack 2, in particular air which is drawn in from the environment.
  • Cathode gas supply 4 further includes a cathode exhaust path 35 which connects the
  • Fuel cell stack 2 dissipates.
  • the cathode operating gas 6 is fed along a cathode gas supply path 5
  • Fuel cell stack 2 supplied from a first compressor 7.
  • This first compressor 7 is supplied either by a gas storage 25 with cathode operating gas 6 or is connected in the usual embodiment to the environment by means of a suction nozzle 26 and a filter 27.
  • the first compressor 7 is in the example shown as electrical
  • the ETL supports the first compressor 7 connected to an electric motor 28.
  • the first compressor 7 can be supplied with additional torque.
  • the first compressor 7 is according to the invention a second compressor 8 connected in parallel 10. To control a guided through the second compressor mass flow, which is
  • Parallel circuit 10 is provided with a valve 8a, the control of which allows feeding of cathode operating gas 6 in the parallel strand of the second compressor 8.
  • the operation of the fuel cell system 1 is thus ensured by the cathode gas supply 4, 4a, 4b.
  • the cathode gas supply 4 thus comprises inter alia the exhaust gas turbocharger 7 with turbine 16 and electric auxiliary drive 36 and a second small compressor 8 with valve 8b, the so-called 'e-booster', connected in parallel to this exhaust gas turbocharger with electric drive 28.
  • the 'e-booster' is switched into the pressure build-up of the cathode gas supply path 5 when an increased cathode operating gas pressure is requested in the cathode compartments 3 of the fuel cell stack 2.
  • the 'e-booster' is powered by its own electric drive 9, as well as the first compressor, the main compressor, here a turbocharger.
  • a control element for example a throttle flap 33, is located in the exhaust gas flow.
  • turbochargers Fundamental goals of using turbochargers in fuel cell systems are regulation of the oxygen flow, for example as a function of the power consumption of a fuel cell.
  • the regulated retrieval of power from the fuel cell is particularly important for the mobile use of fuel cells.
  • An example of mobile use is an electromotive traction of vehicles.
  • turbochargers as
  • Exhaust gas turbocharger and electric turbocharger known manner used.
  • Exhaust gas turbochargers use a portion of an exhaust stream in a turbine to produce a torque. The torque is transmitted to support the drive or the drive of the turbocharger, so exhaust gas turbine and
  • turbocharger Compressor together with an existing between them torque transmission form the exhaust gas turbocharger.
  • Electrically driven turbochargers have an electric drive whose torque drives the turbocharger.
  • turbochargers allow more flexible boost pressure control. An adjustment of the optimal boost pressure at part load is given with them.
  • the boost pressure depends, among other things, on the charge gas temperature and the compressor output.
  • An electric drive of turbochargers is usually due to the sluggish rotational masses of turbochargers.
  • the forces of an exhaust stream of fuel cells are usually not sufficient to accelerate the rotational masses quickly.
  • the inert rotational masses of turbochargers or compressors include the masses of their blades and shafts. Also fasteners that connect blades and shafts together, can be counted to the inert rotational mass.
  • the anode supply includes an anode supply path for supplying an anode operating gas into the anode spaces of the stack and a
  • Anode exhaust path for discharging an anode exhaust gas from the anode chambers for example in the direction of an exhaust gas turbocharger.
  • FIG. 2 shows a fuel cell system 1 not belonging to the present invention in an embodiment with serial connection of the first compressor 7 and the second compressor 8.
  • the pre-compressed cathode operating gas 6 from the first compressor can be compressed faster to operating pressure.
  • Both the first compressor 7 and the second compressor 8 are bypassed by a bypass 1 1.
  • the bypass 1 1 of the second compressor allows its bypass, so that only the first compressor can be supplied with cathode operating gas 6.
  • FIG. 3 shows a sectional view along the line of intersection purple - purple or IIIb - IIIb.
  • the figure shows schematically a half section of a compressor 7 or a compressor 8.
  • the compressor shaft 30 and the blades 31st are part of the inert rotational mass of the compressors 7, 8.
  • the application of increased forces takes more time.
  • This loss of time means a loss of dynamic for the first compressor 7.
  • the second compressor 8 can be added due to its lower inert rotational mass 14 in the pressure build-up of the cathode operating gas.
  • FIG. 4 shows a further schematic illustration of a fuel cell system 1.
  • a meaningful design form of both compressors can be seen.
  • the compressors are expediently designed in such a way that a conveyed mass flow of the first compressor 17a, 17b (FIG. 5), for example of cathode operating gas 6, is greater than the delivered mass flow of the second compressor 18.
  • the first compressor can be considered electric supported turbocharger for setting or laying out the base load and the middle load range.
  • Figure 6 shows a preferred embodiment of the fuel cell system with a
  • the second compressor 8 is connected in parallel with the first second compressor 8 to compensate for its loss of dynamic at startup.
  • the first compressor 7 is connected in a first power grid 19.
  • the second compressor 8 is connected in a second power network 20.
  • the second power grid is within one
  • Vehicle a low-voltage power system, such as the 12 V system or 48 V system.
  • Compressor 8 the power supply 32 of the electric drive of the first
  • Compressor 7 are designed to be smaller. This can be achieved at a power savings in the so-called turbo lag by means of the then switched on, e-Boosters' high operating pressures of the cathode operating gas 6. Consequently, there is a high
  • the cathode gas pressures in the waste gate 22 are higher, so that an exhaust gas turbocharger can be driven faster.
  • a compression is present in particular when the pressure of reactant liquids or gases is compressed above the ambient pressure 21.
  • the peak power can also be increased and a system can be easily scaled to several power classes.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzellensystem mit mindestens einem Brennstoffzellenstapel mit Kathodenräumen und mindestens einer Kathodengasversorgung, umfassend einen Kathodengasversorgungspfad zur Zuführung eines Kathodenbetriebsgases in die Kathodenräume und mindestens einen im Kathodengasversorgungspfad angeordneten ersten Verdichter. Es ist vorgesehen, dass das Brennstoffzellensystem, mindestens einen zweiten Verdichter aufweist, wobei der zweite Verdichter einen elektrischen Antrieb aufweist, und zusammen mit dem ersten Verdichter als Parallelschaltung ausgebildet ist.

Description

Beschreibung
Brennstoffzellensystem und Verfahren zum Betrieb eines solchen
Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem mit mindestens einem Brennstoffzellenstapel mit Kathodenräumen und mindestens einer Kathodengasversorgung, die einen
Kathodengasversorgungspfad zur Zuführung eines Kathodenbetriebsgases in die
Kathodenräume umfasst. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betrieb eines
Brennstoffzellensystems, das mindestens einen Brennstoffzellenstapel mit Kathodenräumen und mindestens eine Kathodengasversorgung umfasst.
Brennstoffzellen nutzen die chemische Umsetzung eines Brennstoffs mit Sauerstoff zu Wasser, um elektrische Energie zu erzeugen. Hierfür enthalten Brennstoffzellen als Kernkomponente die sogenannte Membran-Elektroden-Einheit (MEA für membrane electrode assembly), die ein Verbund aus einer Ionen leitenden, insbesondere Protonen leitenden Membran und jeweils einer beidseitig an der Membran angeordneten Elektrode (Anode und Kathode) ist. Im Betrieb der Brennstoffzelle wird der Brennstoff, insbesondere Wasserstoff H2 oder ein
wasserstoffhaltiges Gasgemisch, der Anode zugeführt, wo eine elektrochemische Oxidation unter Abgabe von Elektronen stattfindet (H2 -> 2 H+ + 2 e"). Über die Membran, welche die Reaktionsräume gasdicht voneinander trennt und elektrisch isoliert, erfolgt ein
(wassergebundener oder wasserfreier) Transport der Protonen H+ aus dem Anodenraum in den Kathodenraum. Die an der Anode bereitgestellten Elektronen e" werden über eine elektrische Leitung der Kathode zugeleitet. Der Kathode wird Sauerstoff oder ein sauerstoffhaltiges Gasgemisch zugeführt, sodass eine Reduktion des Sauerstoffs unter Aufnahme der Elektronen stattfindet ( 2 02 + 2 e -> 02~). Gleichzeitig reagieren im Kathodenraum diese
Sauerstoffanionen mit den über die Membran transportierten Protonen unter Bildung von Wasser (2 H+ + O2" -» H20).
Um Wasserstoff oder andere Prozessflüssigkeiten, wie Gase, Kühlmittel, Umgebungsluft oder gefilterte Luft zu transportieren, ist ein Einsatz von Verdichtern, zum Beispiel Turboladern, in Brennstoffzellsystemen bekannt.
DE 101 20 947 A1 , DE 10 2004 051 359 A1 und DE 10 2010 035 727 A1 beschreiben jeweils Brennstoffzellensysteme mit einer zweistufigen Verdichtung des Kathodengases. Offenbart wird insbesondere, die erste Verdichterstufe durch elektromotorischen Antrieb zu realisieren und die zweite Stufe durch einen Abgasturbolader, bei dem der in der Kathodengasversorgungsleitung angeordnete Verdichter mit einer in der Abgasleitung angeordneten Turbine gekoppelt ist.
Dabei können gemäß DE 10 2010 035 727 A1 diese Stufen auch in einer einzigen Maschine zusammengefasst werden. Zudem beschreibt DE 10 2010 035 727 A1 eine Rückeinspeisung feuchten Abgases in die Zuluft der Brennstoffzelle zwischen die beiden Verdichterstufen, um unter anderem eine Befeuchtung zu erzielen.
DE 198 56 499 C1 beschreibt ein Brennstoffzellensystem, dessen Kathodenbetriebsgas einer zweistufigen Verdichtung unterzogen wird, wobei eine erste Verdichterstufe als
Abgasturbolader ausgebildet ist, der Verdichter also über eine von dem Kathoden- und/oder Anodenabgas angetriebene Abgasturbine angetrieben wird, und die zweite Verdichterstufe einen elektromotorisch angetriebenen Verdichter umfasst. Zwischen den beiden
Verdichterstufen wird das Kathodenbetriebsgas durch Wassereinspritzung befeuchtet.
Die DE10 201 1 1 15 846 A1 offenbart in Absatz [0038] eine Brennstoffzelleneinrichtung, die einen Turbolader mit einem Verdichter mit einer ersten Turbine und einer zweiten Turbine umfasst. Die Schrift lehrt damit insbesondere, wie ein Verdichter über zwei Turbinen
anzutreiben ist, um den Ladedruck für das Kathodenbetriebsgas eines Brennstoffzellenstapels zu verdichten.
Auch die Steuerung und Regelung von Verdichtern zur kontrollierten Zufuhr von
Kathodenbetriebsgas in Richtung einer Brennstoffzelle ist bekannt. Die WO 2010/020332A1 offenbart hierzu insbesondere, wie ein Gasstrom durch eine Sensoreinrichtung einem
Verdichter zugeführt wird. Ferner zeigt sie, den Abluftstrom des Verdichters mittels eines Ventilelements zu vermessen. Die Kenntnis von Zufuhr- und Abfuhrstrom charakterisieren den Betriebszustand des Verdichters. Dessen Kenntnis ermöglicht eine optimale Regelung von Zufuhr- und Abluftströmen von Brennstoffzellen.
Die DE 100 24 570 A1 zeigt den Verbau zweier Verdichter auf einer gemeinsamen Welle. Dabei sind ein Verdichter im Kathodengasversorgungspfad (Kathodenzustromweg) und der zweite Verdichter im Kathodenabgasströmungsweg verbaut.
Nachteilig am bekannten Stand der Technik sind insbesondere die Baugrößen vorhandener Brennstoffzellensysteme. Denn diese hängen unter anderem von den Baugrößen verbauter Verdichter ab. Verdichter, deren Bauraum für den Einsatz in Brennstoffzellensystemen ausgelegt ist, sind nicht bekannt. Vorhandene Verdichter dimensionieren die Brennstoffzellen aufgrund ihrer Größe über. Die Überdimensionierung von Brennstoffzellen erhöht deren Preis und resultiert im Verlust von Reaktionszeiten. Der Dynamikumfang der Brennstoffzelle ist nachteilig. Weil die Verdichter nicht auf einen Einsatz in Brennstoffzellen ausgelegt sind, laufen diese auch nicht im optimalen Betriebspunkt.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Brennstoffzellensystem vorzuschlagen, das diese Nachteile zumindest teilweise beseitigt. Diese Aufgaben werden auch teilweise oder vollständig durch ein Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems mit mindestens einem Brennstoffzellenstapel mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst.
Bei einem Brennstoffzellensystem mit mindestens einem Brennstoffzellenstapel mit
Kathodenräumen und mindestens einer Kathodengasversorgung, umfassend einen
Kathodengasversorgungspfad zur Zuführung eines Kathodenbetriebsgases in die
Kathodenräume und mindestens einen im Kathodengasversorgungspfad angeordneten ersten Verdichter, wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass das Brennstoffzellensystem mindestens einen zweiten Verdichter aufweist, wobei der zweite Verdichter einen elektrischen Antrieb aufweist und zusammen mit dem ersten Verdichter als Parallelschaltung ausgebildet ist.
Dadurch, dass das Brennstoffzellensystem mindestens einen zweiten Verdichter aufweist, wobei der zweite Verdichter einen elektrischen Antrieb aufweist und zusammen mit dem ersten Verdichter als Parallelschaltung ausgebildet ist, kann der zweite Verdichter als sogenannter ,e- Booster' verwendet werden. Ein ,e-Booster' dient insbesondere als variables
Leistungsaggregat. Der ,e-Booster' kann vorteilhafter Weise zugeschaltet werden, wenn die Dynamikanforderungen eines Start-Stopp- Betriebes des Brennstoffzellensystems schnell eine hohe Änderung des Ladedrucks des Kathodenbetriebsgases erfordern. Ferner ist der
,e-Booster', also der elektrisch angetriebene Verdichter kleiner Baugröße, bei hohen
Lastanforderungen dem ersten Verdichter zuschaltbar, sodass dem Brennstoffzellenstapel ein erhöhter Ladedruck bereitgestellt wird. Weil der ,e-Booster' klein ausgelegt ist, sind seine trägen Rotationsmassen gering. Weil sie gering sind, beschleunigt ein Antrieb des ,e-Boosters' diesen schnell auf eine hohe Drehzahl, sodass schnell ein hoher Ladedruck zur Verfügung gestellt wird. Die geringen trägen Rotationsmassen des ,e-Boosters' erhöhen dessen Dynamikumfang somit gegenüber dem des ersten Verdichters. Der erste Verdichter kann durch die Kombination mit dem ,e-Booster' kleiner ausgelegt werden. Somit werden Gewicht und damit Kosten, insbesondere beim Einsatz von Brennstoffzellensystemen im Fahrzeugbau, reduziert.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der zweite Verdichter in einem den ersten Verdichter umlaufenden Bypass angeordnet. In einem Dauerbetrieb kann vorteilhafter Weise somit ein Kathodenbetriebsgas auch unter Umgehung des ersten Verdichters der Brennstoffzelle zugeführt werden.
Vorzugsweise ist die träge Rotationsmasse des ersten Verdichters größer als die träge
Rotationsmasse des zweiten Verdichters. Hierdurch ist es möglich, den langsamen
Druckaufbau des ersten Verdichters durch den schnellen Druckaufbau des zweiten Verdichters auszugleichen.
Um das langsame Anpassen des Ladedrucks, den der erste Verdichter erzeugt, auszugleichen, ist vorteilhafter Weise der Wirkungsgrad des ersten Verdichters geringer als der Wirkungsgrad des zweiten Verdichters.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist ein geförderter Massenstrom des ersten Verdichters größer als der geförderte Massenstrom des zweiten Verdichters. Dadurch kann die
Parallelschaltung der beiden Verdichter derart ausgelegt werden, dass der zweite Verdichter um den optimalen Betriebspunkt des ersten Verdichters zu- oder abgeschaltet wird. Damit kann der erste Verdichter, also der Hauptverdichter, immer in einem optimierten geringeren
Betriebspunkt laufen. Der Hauptverdichter kann somit für kleinere Lasten ausgelegt werden und arbeitet somit in Betriebsbereichen kleinerer Leistung vergleichsweise effizienter.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind der erste Verdichter in einem ersten Stromnetzwerk und der zweite Verdichter in einem zweiten Stromnetzwerk angeordnet. Dies hat im
Fahrzeugbereich den Vorteil, dass der zweite Verdichter beispielsweise an das
Niederstromnetzwerk, zum Beispiel ein 12V- oder ein 48V-Netzwerk, angeschlossen werden kann, während der erste Verdichter durch ein Hochvoltnetz gespeist werden kann.
Die Aufgabe wird in einem weiteren Aspekt der Erfindung von einem Verfahren gelöst. Das Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems löst die Aufgabe dadurch, dass mindestens ein zweiter Verdichter geschaltet wird, um den Druck des Kathodenbetriebsgases über Umgebungsdruck zu erhöhen. Durch ein derartiges Verfahren lässt sich insbesondere das Turboloch des ersten Verdichters überbrücken. Zusätzlich kann der zweite Verdichter im unteren Lastbereich alleine betrieben werden, wenn lediglich kleine
Kathodenbetriebsgasmassenströme von dem Brennstoffzellenstapel angefordert werden.
Dabei kann zumindest ein weiterer Verfahrensschritt zusätzlich oder alternativ in beliebiger Anzahl und Reihenfolge durchgeführt werden. So kann der zweite Verdichter abgeschaltet werden, wenn der erste Verdichter dessen Betriebsleistung erreicht. Ferner kann der zweite Verdichter abgeschaltet werden, um den Hochlauf des ersten Verdichters zu unterstützen, bis dieser seinen Betriebspunkt erreicht.
Die verschiedenen, in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar.
Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen
Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
Figur 1 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems,
Figur 2 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems mit einem ersten und zweiten Verdichter in Serienschaltung,
Figur 3 ein Schnittbild entlang der Schnittlinie lila - lila beziehungsweise
lllb - lllb,
Figur 4 ein Brennstoffzellensystem mit einem ersten Verdichter und einem zweiten
Verdichter in einer Parallelschaltung,
Figur 5 eine schematische Vergrößerung des Kathodengasversorgungspfads, und
Figur 6 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung mit einer Parallelschaltung von zwei zweiten Verdichtern mit einem ersten Verdichter.
Figur 1 zeigt ein Brennstoffzellensystem 1 , welches zum Beispiel in einem nicht weiter dargestellten Fahrzeug Verwendung findet. Dieses Fahrzeug ist üblicher Weise ein
Elektrofahrzeug (nicht dargestellt), welches einen Elektrotraktionsmotor (nicht dargestellt) aufweist. Dieser Elektrotraktionsmotor wird durch das Brennstoffzellensystem 1 mit elektrischer Energie versorgt. Das Brennstoffzellensystem 1 umfasst als Kernkomponente einen Brennstoffzellenstapel 2, der eine Vielzahl von in Stapelform angeordneten Einzelzellen aufweist. Jede Einzelzelle umfasst jeweils einen Anodenraum sowie einen Kathodenraum 3, welche von einer ionenleitfähigen Polymerelektrolytmembran voneinander getrennt sind (siehe Detailausschnitt). Der Anoden- und Kathodenraum 3 umfasst jeweils eine katalytische Elektrode, die Anode beziehungsweise die Kathode (nicht dargestellt), welche die jeweilige Teilreaktion der Brennstoffzellenumsetzung katalysiert. Zwischen zwei solchen Membran-Elektroden-Einheiten ist ferner jeweils eine angedeutete Bipolarplatte angeordnet, welche der Zuführung der Betriebsmedien in die Anoden- und Kathodenräume 3 dient und ferner die elektrische Verbindung zwischen den einzelnen Brennstoffzellen herstellt.
Um den Brennstoffzellenstapel 2 mit den Betriebsgasen zu versorgen, weist das
Brennstoffzellensystem 1 einerseits eine Anodengasversorgung 34 und andererseits eine Kathodenversorgung 4 auf.
Die Kathodengasversorgung 4 umfasst einen Kathodenversorgungspfad 5, welcher den Kathodenräumen 3 des Brennstoffzellenstapels 2 ein sauerstoffhaltiges Kathodenbetriebsgas 6 zuführt, insbesondere Luft, die aus der Umgebung angesaugt wird. Die
Kathodengasversorgung 4 umfasst ferner einen Kathodenabgaspfad 35, welcher das
Kathodenabgas (insbesondere die Abluft) aus den Kathodenräumen 3 des
Brennstoffzellenstapels 2 abführt.
Zum Betrieb des Brennstoffzellenstapels 2 benötigt dieser ein Kathodenbetriebsgas 6. Das Kathodenbetriebsgas 6 wird entlang eines Kathodengasversorgungspfades 5 dem
Brennstoffzellenstapel 2 von einem ersten Verdichter 7 zugeführt. Dieser erste Verdichter 7 wird entweder von einem Gasspeicher 25 mit Kathodenbetriebsgas 6 versorgt oder ist in der üblichen Ausführungsform an die Umgebung mittels eines Ansaugstutzens 26 und eines Filters 27 angeschlossen. Der erste Verdichter 7 ist im dargestellten Beispiel als elektrisch
angetriebener Turbolader (ETL) ausgeführt. Der ETL unterstützt den an einen Elektromotor 28 angeschlossenen ersten Verdichter 7. Damit kann der erste Verdichter 7 mit zusätzlichem Drehmoment versorgt werden.
Der erste Verdichter 7 ist erfindungsgemäß einem zweiten Verdichter 8 parallel geschaltet 10. Um ein durch den zweiten Verdichter geführten Massestrom zu steuern, ist die
Parallelschaltung 10 mit einem Ventil 8a versehen, dessen Stellregelung ein Zuführen von Kathodenbetriebsgas 6 in den Parallelstrang des zweiten Verdichters 8 ermöglicht. Der Betrieb des Brennstoffzellensystems 1 wird also durch die Kathodengasversorgung 4, 4a, 4b gesichert. Die Kathodengasversorgung 4 umfasst somit unter anderem den Abgasturbolader 7 mit Turbine 16 und elektrischem Zusatzantrieb 36 und einen diesem Abgasturbolader mit elektrischen Antrieb 28 parallel zugeschalteten zweiten kleinen Verdichter 8 mit Ventil 8b, den sogenannten ,e-Booster'. Der ,e-Booster' wird in den Druckaufbau des Kathodengasversorgungspfads 5 zugeschaltet, wenn in den Kathodenräumen 3 des Brennstoffzellenstapels 2 ein erhöhter Kathodenbetriebsgasdruck angefordert wird. Der ,e-Booster' wird von einem eigenen elektrischen Antrieb 9 angetrieben, ebenso wie der erste Verdichter, der Hauptverdichter, hier ein Turbolader. Zur Regelung von Druck- beziehungsweise Massenstrom befindet sich im Abgasstrom ein Regelorgan, beispielsweise eine Drosselklappe 33.
Grundsätzliche Ziele einer Verwendung von Turboladern in Brennstoffzellensystemen sind eine Regelung des Sauerstoffstroms, zum Beispiel in Abhängigkeit des Leistungsabrufs einer Brennstoffzelle. Der geregelte Abruf von Leistung aus der Brennstoffzelle ist insbesondere für den mobilen Einsatz von Brennstoffzellen wichtig. Ein Beispiel für den mobilen Einsatz ist eine elektromotorische Traktion von Fahrzeugen. Unter anderem werden Turbolader als
Abgasturbolader und elektrische angetriebene Turbolader (ETL / ETC) bekannter Weise verwendet. Abgasturbolader verwenden einen Teil eines Abgasstroms in einer Turbine zur Erzeugung eines Drehmoments. Das Drehmoment wird zur Unterstützung des Antriebs beziehungsweise des Antriebs des Turboladers übertragen, sodass Abgasturbine und
Verdichter zusammen mit einer zwischen ihnen vorhandenen Drehmomentübertragung den Abgasturbolader bilden. Elektrisch angetriebene Turbolader verfügen über einen elektrischen Antrieb, dessen Drehmoment den Turbolader antreibt.
Elektrisch angetriebene Turbolader ermöglichen eine flexiblere Ladedruckregelung. Eine Einstellung des optimalen Ladedruckes bei Teillastlauf ist mit ihnen gegeben. Der Ladedruck ist unter anderem von der Ladegastemperatur und der Verdichterleistung abhängig. Ein elektrischer Antrieb von Turboladern erfolgt meist aufgrund der trägen Rotationsmassen von Turboladern. Die Kräfte eines Abgasstroms von Brennstoffzellen reichen meist nicht aus, um die Rotationsmassen zügig zu beschleunigen. Zu den trägen Rotationsmassen von Turboladern beziehungsweise Verdichtern zählen unter anderem die Massen ihrer Laufschaufeln und Wellen. Auch Verbindungselemente, die Laufschaufeln und Wellen miteinander verbinden, können zur trägen Rotationsmasse gezählt werden.
Um einen Brennstoffzellenstapel mit seinen Betriebsmedien, also den Reaktanten zu versorgen, weist dieser einerseits eine Anodenversorgung und andererseits eine Kathodenversorgung auf. Die Anodenversorgung umfasst einen Anodenversorgungspfad zur Zuführung eines Anodenbetriebsgases in die Anodenräume des Stapels und einen
Anodenabgaspfad zur Abführung eines Anodenabgases aus den Anodenräumen, zum Beispiel in Richtung eines Abgasturboladers.
Figur 2 zeigt ein nicht der vorliegenden Erfindung zugehöriges Brennstoffzellensystem 1 in einer Ausführungsform mit serieller Verschaltung des ersten Verdichters 7 und des zweiten Verdichters 8. Durch die serielle Verschaltung des zweiten Verdichters 8 vor den ersten Verdichter 7 verdichtet dieser das Kathodenbetriebsgas 6 beziehungsweise ein
Betriebsmedium 29, wie zum Beispiel Umgebungsluft oder oxidierende Gase, vor. Damit kann das vorverdichtete Kathodenbetriebsgas 6 vom ersten Verdichter schneller auf Betriebsdruck verdichtet werden. Sowohl der erste Verdichter 7 als auch der zweite Verdichter 8 sind durch einen Bypass 1 1 umgehbar. Der Bypass 1 1 des zweiten Verdichters ermöglicht dessen Umgehung, sodass nur der erste Verdichter mit Kathodenbetriebsgas 6 versorgt werden kann.
Figur 3 zeigt ein Schnittbild entlang der Schnittlinie lila - lila beziehungsweise lllb - lllb. Die Figur zeigt schematisch einen Halbschnitt eines Verdichters 7 oder eines Verdichters 8.
Dargestellt sind die Verdichterwelle 30 und die Laufschaufeln 31 . Die Verdichterwelle 30 und die Laufschaufeln 31 sind Teil der trägen Rotationsmasse der Verdichter 7, 8. Je größer die träge Rotationsmasse 13 des ersten Verdichters 7 ist, desto mehr Energie muss vom ersten Verdichter 7 aufgenommen werden, um sie zu beschleunigen. Das Aufbringen erhöhter Kräfte benötigt mehr Zeit. Dieser Zeitverlust bedeutet einen Dynamikverlust für den ersten Verdichter 7. Um diesen Dynamikverlust auszugleichen, kann der zweite Verdichter 8 aufgrund seiner geringeren trägen Rotationsmasse 14 in den Druckaufbau des Kathodenbetriebsgases hinzugeschaltet werden.
Figur 4 zeigt eine weitere schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems 1 . In der dargestellten Ausführungsform einer Parallelschaltung von erstem Verdichter 7 und zweitem Verdichter 8 ist eine sinnvolle Auslegungsform beider Verdichter zu sehen. Sinnvoller Weise sind die Verdichter derart ausgelegt, dass ein geförderter Massenstrom des ersten Verdichters 17a, 17b (Figur 5), zum Beispiel aus Kathodenbetriebsgas 6, größer ist als der geförderte Massenstrom des zweiten Verdichters 18. Durch eine derartige Auslegung kann der erste Verdichter als elektrisch unterstützter Turbolader zum Einstellen oder Auslegen der Grundlast und des mittleren Lastbereichs benutzt werden. Figur 6 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform des Brennstoffzellensystems mit einer
Parallelschaltung von erstem Verdichter 7 und zwei zweiten Verdichtern 8. Ein mehrfaches Parallelschalten von zweiten Verdichtern ermöglicht ein präzises Ausgleichen des
Dynamikverlusts des ersten Verdichters bei dessen Start. In der vorliegenden Ausführungsform ist der zweite Verdichter 8 dem ersten zweiten Verdichter 8 parallel geschaltet, um dessen Dynamikverlust beim Starten auszugleichen. In dieser Ausführungsform ist der erste Verdichter 7 in einem ersten Stromnetz 19 angeschlossen. Hingegen ist der zweite Verdichter 8 in einem zweiten Stromnetzwerk 20 angeschlossen. Das zweite Stromnetz ist innerhalb eines
Fahrzeuges ein Niedervoltstromsystem, wie zum Beispiel das 12 V-System oder 48 V-System. Durch die Trennung der elektrischen Versorgung des ersten Verdichters 7 und zweiten
Verdichters 8 kann die Spannungsversorgung 32 des elektrischen Antriebs des ersten
Verdichters 7 kleiner ausgelegt werden. Damit können bei einer Leistungsersparnis im sogenannten Turboloch mittels des dann zugeschalteten ,e-Boosters' hohe Betriebsdrücke des Kathodenbetriebsgases 6 erreicht werden. Folglich stellt sich eine hohe
Kathodenbetriebsgasversorgung 6 für einen Wärmetauscher 23 und einen Feuchtetauscher 24 und damit eines aufbereiteten Kathodenbetriebsgases 6 für die Brennstoffzelle 2 ein. Auch die Kathodengasdrücke im Waste-Gate 22 sind höher, sodass ein Abgasturbolader schneller angetrieben werden kann. Eine Verdichtung liegt insbesondere vor, wenn der Druck von Reaktantenflüssigkeiten beziehungsweise Gasen über dem Umgebungsdruck 21 komprimiert wird.
Durch Parallelschaltung mehrerer kleiner Verdichter kann zusätzlich ebenfalls die Peakleistung erhöht werden und ein System somit auf einfache Art und Weise auf mehrere Leistungsklassen skaliert werden.
Bezugszeichenliste Brennstoffzellensystem
Brennstoffzellenstapel
Kathodenräume
Kathodengasversorgung
a Kathodengasversorgung
b Kathodengasversorgung
Kathodengasversorgungspfad
Kathodenbetriebsgas
erster Verdichter
zweiter Verdichter
a Ventil
b zweiter Verdichter mit Ventil
elektrischer Antrieb
0 Parallelschaltung
1 Bypass
2 Parallelschaltung eines Bypasses
3 träge Rotationsmasse des ersten Verdichters4 träge Rotationsmasse des zweiten Verdichters5 Wirkungsgrad des ersten Verdichters
6 Turbine
7 Wirkungsgrad des zweiten Verdichters
7a, b geförderter Massenstrom des ersten Verdichters8 geförderter Massenstrom des zweiten Verdichters9 erstes Stromnetzwerk
0 zweites Stromnetzwerk
1 Umgebungsdruck
2 Waste-Gate
3 Wärmetauscher
4 Feuchtetauscher
5 Gasspeicher
6 Ansaugstutzen
7 Filter
8 Elektromotor
9 Betriebsmedium Verdichterwelle
Laufschaufeln
Spannungsversorgung Drosselklappe
Anodengasversorgung Kathodenabgaspfad elektrischer Zusatzantrieb

Claims

Patentansprüche
1 . Brennstoffzellensystem (1 ) mit mindestens einem Brennstoffzellenstapel (2) mit
Kathodenräumen (3) und mindestens einer Kathodengasversorgung (4, 4a, 4b), umfassend einen Kathodengasversorgungspfad (5) zur Zuführung eines
Kathodenbetriebsgases (6) in die Kathodenräume (3) und mindestens einen im
Kathodengasversorgungspfad (5) angeordneten ersten Verdichter (7), dadurch gekennzeichnet, dass das Brennstoffzellensystem (1 ) mindestens einen zweiten Verdichter (8) aufweist, wobei der zweite Verdichter (8) einen elektrischen Antrieb (9) aufweist und zusammen mit dem ersten Verdichter (7) als Parallelschaltung (10) ausgebildet ist.
2. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Verdichter (8) in einem den ersten Verdichter (7) umlaufenden Bypass (1 1 ) angeordnet ist.
3. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die trägen Rotationsmassen (13) des ersten Verdichters (7) größer sind als die trägen Rotationsmassen (14) des zweiten Verdichters (8).
4. Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass der Wirkungsgrad (15) des ersten Verdichters (7) geringer ist als der Wirkungsgrad (16) des zweiten Verdichters (8).
5. Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass ein geförderter Massenstrom (17) des ersten Verdichters (7) größer ist als der geförderte Massenstrom (18) des zweiten Verdichters (8).
6. Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass der erste Verdichter (7) in einem ersten Stromnetzwerk (19) angeordnet ist.
7. Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass der zweite Verdichter (8) in einem zweiten Stromnetzwerk (22) angeordnet ist.
8. Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Brennstoffzellenstapel (2) von dem mindestens einen im
Kathodengasversorgungspfad (5) angeordneten ersten Verdichter (7) mit
Kathodenbetriebsgas (6) versorgt wird und der mindestens eine zweite Verdichter (8) geschaltet wird, um den Druck des Kathodenbetriebsgases (6) über
Umgebungsdruck (21 ) zu erhöhen.
9. Verfahren nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch den Schritt, dass der zweite Verdichter (8) abgeschaltet wird, wenn der erste Verdichter (7) dessen Betriebsleistung erreicht.
10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, gekennzeichnet durch den Schritt, dass der zweite Verdichter (8) abgeschaltet wird, wenn der erste Verdichter (7) das
Kathodengas (6) verdichtet.
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