WO2021069144A1 - Brennstoffzellensystem - Google Patents

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WO2021069144A1
WO2021069144A1 PCT/EP2020/073987 EP2020073987W WO2021069144A1 WO 2021069144 A1 WO2021069144 A1 WO 2021069144A1 EP 2020073987 W EP2020073987 W EP 2020073987W WO 2021069144 A1 WO2021069144 A1 WO 2021069144A1
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WO
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fuel cell
cell system
compressor
machine
electric motor
Prior art date
Application number
PCT/EP2020/073987
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English (en)
French (fr)
Inventor
Martin Schulte Moenting
Mark Hellmann
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
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Publication date
Application filed by Robert Bosch Gmbh filed Critical Robert Bosch Gmbh
Publication of WO2021069144A1 publication Critical patent/WO2021069144A1/de

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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H01M8/04111—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants using a compressor turbine assembly
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the invention relates to a fuel cell system with a turbo machine.
  • the invention also relates to a method for operating such a fuel cell system.
  • German patent application DE 102017212 815 A1 discloses a fuel cell system with a fuel cell, with an air supply line for supplying an oxidizing agent in the fuel cell and an exhaust line for removing the oxidizing agent from the fuel cell, the fuel cell system having a turbo machine, the impeller being designed as a compressor is, wherein the compressor is arranged in the air supply line, wherein the fuel cell system has an exhaust gas turbine with a further impeller, wherein the further impeller is arranged on the shaft, wherein the exhaust gas turbine is arranged in the exhaust line.
  • the object of the invention is to functionally improve a fuel cell system with a turbo machine.
  • the object is achieved in a fuel cell system with a turbo machine in that the turbo machine is combined in the fuel cell system with a fluid energy machine driven by an electric motor.
  • the turbo machine In a fuel cell system, it is responsible for the hydrogen-oxygen reaction
  • the required air is conveyed into a fuel cell stack via an electrically driven air conveyor, for example a fan or a compressor.
  • the amount of air to be conveyed varies with the required electrical power.
  • the air conveyor not only has to build up the pressure required to overcome the flow resistance, but a higher operating pressure may also be required to operate the fuel cell system.
  • the reason for the higher pressures can be the high power required, but also the humidity management of the fuel cell.
  • the turbo machine which can also be referred to as an exhaust gas turbocharger
  • any residual pressure that is still present at the outlet of the fuel cell stack can be regained by means of an exhaust gas turbine.
  • the exhaust gas energy alone is usually not sufficient to perform the compression work required to operate the fuel cell system.
  • the exhaust gas turbocharger in the turbomachine can be combined with an electric drive.
  • a turbo machine for example, a compressor wheel, an electric motor and a turbine wheel, which is also referred to as an exhaust gas expander wheel, can be arranged on a common shaft.
  • a fluid energy machine driven by an electric motor is combined with a non-electrically driven exhaust gas turbocharger.
  • the fluid energy machine driven by an electric motor is advantageously designed and arranged in such a way that it also provides small air mass flows in an energy-efficient manner even when the fuel cell has low outputs.
  • the fluid energy machine driven by an electric motor is, for example, an electrically driven compressor or an electrically driven fan.
  • the fluid energy machine driven by an electric motor is advantageously used in combination with the exhaust gas turbocharger. In this way, the fuel cell system can be operated quietly and energy-efficiently even at higher pressures.
  • a preferred embodiment of the fuel cell system is characterized in that the turbo machine in the fuel cell system between the electric motor driven compressor and a Fuel cell stack is arranged.
  • the compressor, driven by an electric motor is connected upstream of the turbomachine in an air supply path.
  • the combination of the compressor driven by an electric motor with the turbo machine designed as a pure exhaust-gas turbocharger means that an otherwise possibly required bypass path, which is connected in parallel to the fuel cell stack, can particularly advantageously be dispensed with. As a result, the manufacturing costs for the fuel cell system can be reduced.
  • Another preferred exemplary embodiment of the fuel cell system is characterized in that the fluid energy machine driven by an electric motor is designed as a rotary piston machine.
  • the high efficiency of the rotary piston machine can be used with low air mass flows.
  • the efficiency advantages of the turbomachine which is designed as a pure exhaust gas turbocharger, come into play.
  • the high efficiency of the rotary piston machine results among other things from a very good partial load capability down to the smallest mass flows.
  • the rotary piston machine is designed in particular as a rotary piston compressor.
  • Another preferred exemplary embodiment of the fuel cell system is characterized in that the compressor driven by an electric motor is designed as a Roots blower.
  • the compressor driven by an electric motor is designed as a Roots blower.
  • the high efficiency of the Roots blower can be used with low air mass flows.
  • the efficiency advantages of the turbomachine which is designed as a pure exhaust gas turbocharger, come into play.
  • the high efficiency of the Roots blower or Roots compressor results, among other things, from a very good partial load capability down to the smallest mass flows.
  • the turbomachine for compressing a gas comprises at least one compressor wheel, which compresses gas that is fed to a fuel cell in the fuel cell system, and at least one turbine wheel, via which gas discharged from the fuel cell is relaxed.
  • the turbomachine can comprise more than one compressor wheel and more than one turbine wheel.
  • the turbo machine is advantageously designed so that the air supplied at high pressure conditions is only or mainly compressed by the at least one compressor wheel.
  • the air can also be fed directly to the turbomachine, possibly bypassing the compressor driven by an electric motor.
  • Another preferred exemplary embodiment of the fuel cell system is characterized in that the compressor wheel of the turbomachine is only connected in terms of drive to the turbine wheel of the turbomachine.
  • This is a pure exhaust gas turbocharger.
  • the turbo machine does not include an electric motor drive.
  • a bypass is assigned to the compressor wheel and / or the turbine wheel.
  • Both the compressor wheel and the turbine wheel of the turbomachine, in particular the expander wheel of the exhaust gas turbocharger, can each optionally be bypassed.
  • the bypasses can be controlled by a corresponding gas valve, in particular an air valve, for example a throttle valve.
  • the turbo machine, in particular the exhaust gas turbocharger can thus be bypassed when it is not needed. As a result, the efficiency in the operation of the fuel cell system can be increased.
  • the gas conditioning unit is in particular an air conditioning unit.
  • the gas conditioning unit in particular the air conditioning unit, can be arranged between the fluid energy machine driven by an electric motor and the turbomachine, in particular the exhaust gas turbocharger, or between the exhaust gas turbocharger or the turbomachine and the fuel cell unit.
  • a gas conditioning unit in particular an air conditioning unit, can also be arranged at both positions.
  • the air conditioning unit is, for example, a charge air cooler for cooling or a humidifier for humidification.
  • the Air conditioning units have the task of better adapting the temperature and humidity of the air supplied to the requirements of the fuel cell unit.
  • the above-mentioned object is alternatively or additionally also achieved by a method for operating a fuel cell system described above.
  • the electric motor-driven compressor or the fan With the electric motor-driven compressor or the fan, low gas mass flows are advantageously provided at low to medium pressures when the fuel cell system is in operation.
  • advantageously high mass flows are provided at high pressure conditions.
  • the gas mass flows are always the same during operation.
  • most of the compressor work is done in the Roots blower.
  • most of the compressor work is done by the turbomachine, in particular the exhaust gas turbocharger.
  • a characteristic field in which the provided pressure ratios are plotted against an air mass flow can thus be used particularly effectively. This can effectively increase the efficiency of the fuel cell system.
  • the invention optionally also relates to a computer program product with a computer program which has software means for carrying out a method described above when the computer program is executed on a computer.
  • the computer is, for example, a control unit of the fuel cell system described.
  • the invention further relates to a compressor and / or a turbo machine, in particular a compressor wheel and / or a turbine wheel, for a fuel cell system described above.
  • the named parts can be traded separately. Further advantages, features and details of the invention emerge from the following description, in which various exemplary embodiments are described in detail with reference to the drawing.
  • FIGS. 1 to 3 show schematic representations of a fuel cell system with a turbo machine, which is preceded by a fluid energy machine driven by an electric motor, according to three different exemplary embodiments.
  • a fuel cell system 1 is shown schematically.
  • the fuel cell system 1 comprises a fuel cell stack 2 with at least one fuel cell 3.
  • Such a fuel cell system is known per se, for example from the German patent application DE 102012 224052 A1.
  • An air mass flow is indicated by an arrow 4 in FIGS. 1 to 3, which air mass flow is fed via an air filter 7 to a fluid energy machine 20 driven by an electric motor.
  • the filtered air mass flow which is indicated by an arrow 8 is fed to a compressor or blower 5, which is also referred to as an air compressor 5.
  • the filtered air mass flow 8 is compressed by the air compressor 5, which is driven by an electric motor.
  • An air mass flow compressed by the electric motor driven compressor 5 is indicated by an arrow 9.
  • the air mass flow 9, once compressed, is fed to a turbomachine 10.
  • the once compressed air mass flow 9 is compressed a second time by the turbomachine 10.
  • the twice compressed air mass flow is indicated in FIGS. 1 to 3 by an arrow 11.
  • the twice compressed air mass flow 11 is fed to the fuel cell 3.
  • An exhaust gas mass flow of the fuel cell 2 is indicated by an arrow 12.
  • the exhaust gas mass flow 12 is expanded via a turbine wheel 13 of the turbomachine 10.
  • the relaxed exhaust gas mass flow is indicated in FIGS. 1 to 3 by an arrow 14.
  • the turbomachine 10 is designed as a pure exhaust gas turbo compressor or exhaust gas turbocharger.
  • the turbine wheel 13 of the exhaust gas turbocharger 10 is drivingly connected to a compressor wheel 17 by a shaft 8.
  • the compressor wheel 17 in the turbomachine 10 is driven by the turbine wheel 13 via the shaft 18.
  • the electrically driven air compressor 5 is designed as a rotary piston machine 19, for example as a Roots blower.
  • An electric motor 15, to which an inverter 16 is assigned, is used to drive the rotary piston machine 19.
  • the electric motor 15 is drivingly connected to the piston compressor 19 or Roots compressor via a drive shaft 6.
  • the fuel cell 3 is a galvanic cell which converts the chemical reaction energy of a supplied fuel and an oxidizing agent into electrical energy.
  • the oxidizing agent is the air that is compressed twice via the electric motor-driven air compressor 5 and the turbomachine 10.
  • the air must be tempered before it enters the cathode, for example using an intercooler, which is also known as an intercooler.
  • the air may also have to be humidified.
  • the fuel can preferably be hydrogen or methane or methanol. Accordingly, water vapor is produced as exhaust gas and, depending on the fuel used, carbon dioxide.
  • gas conditioning units in particular air conditioning units 21, 22, are indicated by rectangles.
  • the air conditioning unit 21 is arranged between the rotary piston machine 19 and the compressor wheel 17.
  • the air conditioning unit 22 is arranged between the compressor wheel 17 and the fuel cell stack 2.
  • the air supplied to the fuel cell 3 can be conditioned by the air conditioning unit 21, 22.
  • intercoolers for cooling and humidifiers for humidification are involved.
  • FIG. 3 shows that the fuel cell system 1 can also include a bypass 31 or 32 or also two bypasses 31 and 32.
  • the bypass 31 is assigned to the compressor wheel 17.
  • the bypass 32 is assigned to the turbine wheel 13.
  • the turbo machine 10 also referred to as the exhaust gas turbocharger, can be bypassed both on the compressor side and on the expander side when the exhaust gas turbocharger or the turbo machine 10 is not currently required. For this purpose is in the
  • Bypasses 31, 32 advantageously each have an air valve, for example a throttle valve, arranged.
  • the electric motor-driven air compressor 5 is used to provide even small air mass flows in an energy-efficient manner when the power of the fuel cell 3 is low. This can increase the efficiency of the overall system. Large air mass flows in connection with high pressure ratios are also supplied in an energy-efficient manner during operation of the fuel cell system 1 by the combination of air compressor and turbo machine 10, which is designed as an exhaust gas turbocharger.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem (1) mit einer Turbomaschine (10). Um das Brennstoffzellensystem (1) mit der Turbomaschine (10) funktionell zu verbessern, ist die Turbomaschine (10) in dem Brennstoffzellensystem (1) mit einer elektromotorisch angetriebenen Fluidenergiemaschine (20) kombiniert.

Description

Beschreibung
Titel
Brennstoffzellensystem
Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem mit einer Turbomaschine. Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Verfahren zum Betreiben eines derartigen Brennstoffzellensystems.
Stand der Technik
Aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 102017212 815 Al ist ein Brennstoffzellensystem mit einer Brennstoffzelle, mit einer Luftzuführungsleitung zum Zuführen eines Oxidationsmittels in der Brennstoffzelle und einer Abgasleitung zum Abführen des Oxidationsmittels aus der Brennstoffzelle bekannt, wobei das Brennstoffzellensystem eine Turbomaschine aufweist, wobei das Laufrad als Verdichter ausgeführt ist, wobei der Verdichter in der Luftzuführungsleitung angeordnet ist, wobei das Brennstoffzellensystem eine Abgasturbine mit einem weiteren Laufrad aufweist, wobei das weitere Laufrad auf der Welle angeordnet ist, wobei die Abgasturbine in der Abgasleitung angeordnet ist.
Offenbarung der Erfindung
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Brennstoffzellensystem mit einer Turbomaschine funktionell zu verbessern.
Die Aufgabe ist bei einem Brennstoffzellensystem mit einer Turbomaschine dadurch gelöst, dass die Turbomaschine in dem Brennstoffzellensystem mit einer elektromotorisch angetriebenen Fluidenergiemaschine kombiniert ist. In einem Brennstoffzellensystem wird die für die Wasserstoff-Sauerstoff- Reaktion erforderliche Luft über einen elektrisch angetriebenen Luftförderer, zum Beispiel ein Gebläse oder einen Kompressor, in einen Brennstoffzellenstack gefördert.
Die zu fördernde Luftmenge variiert mit der abgerufenen elektrischen Leistung.
Je nach Art und Auslegung des Brennstoffzellensystems muss der Luftförderer nicht nur den zur Überwindung des Strömungswiderstands erforderlichen Druck aufbauen, sondern es ist gegebenenfalls für den Betrieb des Brennstoffzellensystems ein höherer Betriebsdruck erforderlich. Der Grund für die höheren Drücke kann in der hohen abgerufenen Leistung, aber auch in einem Feuchtemanagement der Brennstoffzelle liegen. Mit der Turbomaschine, die auch als Abgasturbolader bezeichnet werden kann, kann am Ausgang des Brennstoffzellenstacks ein noch vorhandener Restdruck mittels einer Abgasturbine wiedergewonnen werden. Allerdings reicht die Abgasenergie bei einer Brennstoffzelle in der Regel allein nicht aus, um die im Betrieb des Brennstoffzellensystems benötigte Verdichterarbeit zu leisten. Zu diesem Zweck kann der Abgasturbolader in der Turbomaschine mit einem elektrischen Antrieb kombiniert werden. Bei einer derartigen Turbomaschine kann zum Beispiel ein Verdichterrad, ein Elektromotor und ein Turbinenrad, das auch als Abgas- Expanderrad bezeichnet wird, auf einer gemeinsamen Welle angeordnet werden. Im Unterschied dazu wird in dem beanspruchten Brennstoffzellensystem eine elektromotorisch angetriebene Fluidenergiemaschine mit einem nicht elektrisch angetriebenen Abgasturbolader kombiniert. Die elektromotorisch angetriebene Fluidenergiemaschine ist vorteilhaft so ausgeführt und angeordnet, dass sie auch bei niedrigen Leistungen der Brennstoffzelle energieeffizient auch kleine Luftmassenströme bereitstellt. Bei der elektromotorisch angetriebenen Fluidenergiemaschine handelt es sich zum Beispiel um einen elektrisch angetriebenen Verdichter oder um ein elektrisch angetriebenes Gebläse. Für im Betrieb des Brennstoffzellensystems benötigte hohe Druckverhältnisse wird die elektromotorisch angetriebene Fluidenergiemaschine vorteilhaft in Kombination mit dem Abgasturbolader verwendet. So kann das Brennstoffzellensystem auch bei höheren Drücken geräuscharm und gleichzeitig energieeffizient betrieben werden.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Brennstoffzellensystems ist dadurch gekennzeichnet, dass die Turbomaschine in dem Brennstoffzellensystem zwischen dem elektromotorisch angetriebenen Verdichter und einem Brennstoffzellenstack angeordnet ist. Der elektromotorisch angetriebene Verdichter ist der Turbomaschine in einem Luftzuführpfad vorgeschaltet. Durch die Kombination des elektromotorisch angetriebenen Verdichters mit der als reiner Abgasturbolader ausgeführten Turbomaschine kann besonders vorteilhaft ein ansonsten gegebenenfalls erforderlicher Bypasspfad, der parallel zu dem Brennstoffzellenstack geschaltet ist, entfallen. Dadurch können die Herstellkosten für das Brennstoffzellensystem reduziert werden.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Brennstoffzellensystems ist dadurch gekennzeichnet, dass die elektromotorisch angetriebene Fluidenergiemaschine als Rotationskolbenmaschine ausgeführt ist. So kann bei niedrigen Luftmassenströmen die hohe Effizienz der Rotationskolbenmaschine genutzt werden. Bei hohen Druckverhältnissen kommen die Effizienzvorteile der Turbomaschine, die als reiner Abgasturbolader ausgeführt ist, zum Tragen. Die hohe Effizienz der Rotationskolbenmaschine ergibt sich unter anderem aus einer sehr guten Teillastfähigkeit bis hin zu kleinsten Massenströmen. Die Rotationskolbenmaschine ist insbesondere als Drehkolbenverdichter ausgeführt.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Brennstoffzellensystems ist dadurch gekennzeichnet, dass der elektromotorisch angetriebene Verdichter als Rootsgebläse ausgeführt ist. So kann bei niedrigen Luftmassenströmen die hohe Effizienz des Rootsgebläses genutzt werden. Bei hohen Druckverhältnissen kommen die Effizienzvorteile der Turbomaschine, die als reiner Abgasturbolader ausgeführt ist, zum Tragen. Die hohe Effizienz des Rootsgebläses oder Rootsverdichters ergibt sich unter anderem aus einer sehr guten Teillastfähigkeit bis hin zu kleinsten Massenströmen.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Brennstoffzellensystems ist dadurch gekennzeichnet, dass die Turbomaschine zum Verdichten eines Gases, mindestens ein Verdichterrad, durch welches Gas verdichtet wird, das in dem Brennstoffzellensystem einer Brennstoffzelle zugeführt wird, und mindestens ein Turbinenrad umfasst, über welches aus der Brennstoffzelle abgeführtes Gas entspannt wird. Je nach Ausführung kann die Turbomaschine mehr als ein Verdichterrad und mehr als ein Turbinenrad umfassen. Die Turbomaschine ist vorteilhaft so ausgelegt, dass die zugeführte Luft bei hohen Druckverhältnissen nur oder hauptsächlich durch das mindestens eine Verdichterrad verdichtet wird. Je nach Ausführung und Anordnung des elektromotorisch angetriebenen Verdichters, welcher der Turbomaschine vorgeschaltet ist, kann die Luft auch, gegebenenfalls unter Umgehung des elektromotorisch angetriebenen Verdichters, direkt der Turbomaschine zugeführt werden.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Brennstoffzellensystems ist dadurch gekennzeichnet, dass das Verdichterrad der Turbomaschine antriebsmäßig nur mit dem Turbinenrad der Turbomaschine verbunden ist. Es handelt sich hier also um einen reinen Abgasturbolader. Die Turbomaschine umfasst keinen elektromotorischen Antrieb.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Brennstoffzellensystems ist dadurch gekennzeichnet, dass dem Verdichterrad und/oder dem Turbinenrad jeweils ein/ein Bypass zugeordnet ist. Sowohl das Verdichterrad als auch das Turbinenrad der Turbomaschine, insbesondere das Expanderrad des Abgasturboladers, können jeweils optional durch einen Bypass umgangen werden. Die Bypässe können durch ein entsprechendes Gasventil, insbesondere ein Luftventil, zum Beispiel eine Drosselklappe gesteuert werden. So kann die Turbomaschine, insbesondere der Abgasturbolader, umgangen werden, wenn er nicht benötigt wird. Dadurch kann die Effizienz im Betrieb des Brennstoffzellensystems erhöht werden.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Brennstoffzellensystems ist durch mindestens eine Gaskonditioniereinheit gekennzeichnet. Bei der Gaskonditioniereinheit handelt es sich insbesondere um eine Luftkonditioniereinheit. Die Gaskonditioniereinheit, insbesondere Luftkonditioniereinheit, kann zwischen der elektromotorisch angetriebenen Fluidenergiemaschine und der Turbomaschine, insbesondere dem Abgasturbolader, oder zwischen dem Abgasturbolader beziehungsweise der Turbomaschine und der Brennstoffzelleneinheit angeordnet sein. Je nach Ausführung kann auch an beiden Positionen eine Gaskonditioniereinheit, insbesondere Luftkonditioniereinheit, angeordnet sein. Bei der Luftkonditioniereinheit handelt es sich zum Beispiel um einen Ladeluftkühler zur Kühlung oder um einen Befeuchter zur Befeuchtung. Die Luftkonditioniereinheiten haben die Aufgabe, Temperatur und Feuchte der zugeführten Luft besser an die Erfordernisse der Brennstoffzelleneinheit anzupassen.
Die oben angegebene Aufgabe ist alternativ oder zusätzlich auch durch ein Verfahren zum Betreiben eines vorab beschriebenen Brennstoffzellensystems gelöst. Mit dem elektromotorisch angetriebenen Verdichter oder dem Gebläse werden im Betrieb des Brennstoffzellensystems vorteilhaft niedrige Gasmassenströme bei niedrigen bis mittleren Drücken bereitgestellt. Im Gegensatz dazu werden in Kombination mit der Turbomaschine im Betrieb des Brennstoffzellensystems vorteilhaft hohe Massenströme bei hohen Druckverhältnissen bereitgestellt. Bei einer Serienschaltung von einem Rootsgebläse und einer Turbomaschine, insbesondere einem Abgasturbolader, sind die Gasmassenströme im Betrieb immer gleich. Bei kleinen Luftsystemmassenströmen wird der Großteil der Verdichterarbeit im Rootsgebläse geleistet. Bei hohen Massenströmen und Systemdrücken wird der Großteil der Verdichterarbeit von der Turbomaschine, insbesondere vom Abgasturbolader, geleistet. So kann ein Kennfeld, in welchem die bereitgestellten Druckverhältnisse über einem Luftmassenstrom aufgetragen sind, besonders effektiv ausgenutzt werden. Dadurch kann der Wirkungsgrad des Brennstoffzellensystems wirksam erhöht werden.
Die Erfindung betrifft gegebenenfalls auch ein Computerprogrammprodukt mit einem Computerprogramm, das Softwaremittel zum Durchführen eines vorab beschriebenen Verfahrens aufweist, wenn das Computerprogramm auf einem Computer ausgeführt wird. Der Computer ist zum Beispiel ein Steuergerät des beschriebenen Brennstoffzellensystems.
Die Erfindung betrifft des Weiteren einen Verdichter und/oder eine Turbomaschine, insbesondere ein Verdichterrad und/oder ein Turbinenrad, für ein vorab beschriebenes Brennstoffzellensystem. Die genannten Teile sind separat handelbar. Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnung verschiedene Ausführungsbeispiele im Einzelnen beschrieben sind.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Die Figuren 1 bis 3 zeigen schematische Darstellungen eines Brennstoffzellensystems mit einer Turbomaschine, der eine elektromotorisch angetriebene Fluidenergiemaschine vorgeschaltet ist, gemäß drei verschiedenen Ausführungsbeispielen.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
In den Figuren 1 bis 3 ist ein Brennstoffzellensystem 1 schematisch dargestellt. Das Brennstoffzellensystem 1 umfasst einen Brennstoffzellenstack 2 mit mindestens einer Brennstoffzelle 3. Ein derartiges Brennstoffzellensystem ist an sich bekannt, zum Beispiel aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 102012 224052 Al.
Durch einen Pfeil 4 ist in den Figuren 1 bis 3 ein Luftmassenstrom angedeutet, der über einen Luftfilter 7 einer elektromotorisch angetriebenen Fluidenergiemaschine 20 zugeführt wird. Der gefilterte Luftmassenstrom, der durch einen Pfeil 8 angedeutet ist, wird einem Verdichter oder Gebläse 5 zugeführt, der auch als Luftverdichter 5 bezeichnet wird. Durch den elektromotorisch angetriebenen Luftverdichter 5 wird der gefilterte Luftmassenstrom 8 verdichtet.
Durch einen Pfeil 9 ist ein durch den elektromotorisch angetriebenen Verdichter 5 verdichteter Luftmassenstrom angedeutet. Der einmal verdichtete Luftmassenstrom 9 wird einer Turbomaschine 10 zugeführt. Durch die Turbomaschine 10 wird der einmal verdichtete Luftmassenstrom 9 ein zweites Mal verdichtet. Der zweimal verdichtete Luftmassenstrom ist in den Figuren 1 bis 3 durch einen Pfeil 11 angedeutet. Der zweimal verdichtete Luftmassenstrom 11 wird der Brennstoffzelle 3 zugeführt. Durch einen Pfeil 12 ist ein Abgasmassenstrom der Brennstoffzelle 2 angedeutet. Der Abgasmassenstrom 12 wird über ein Turbinenrad 13 der Turbomaschine 10 entspannt. Der entspannte Abgasmassenstrom ist in den Figuren 1 bis 3 durch einen Pfeil 14 angedeutet.
Die Turbomaschine 10 ist als reiner Abgasturboverdichter oder Abgasturbolader ausgeführt. Das Turbinenrad 13 des Abgasturboladers 10 ist durch eine Wellel8 antriebsmäßig mit einem Verdichterrad 17 verbunden. Über die Welle 18 wird das Verdichterrad 17 in der Turbomaschine 10 im Betrieb des Brennstoffzellensystems 1 durch das Turbinenrad 13 angetrieben.
Der elektrisch angetriebene Luftverdichter 5 ist als Rotationskolbenmaschine 19, zum Beispiel als Rootsgebläse, ausgeführt. Zum Antrieb der Rotationskolbenmaschine 19 dient ein Elektromotor 15, dem ein Inverter 16 zugeordnet ist. Der Elektromotor 15 ist über eine Antriebswelle 6 antriebsmäßig mit dem Kolbenverdichter 19 oder Rootsverdichter verbunden.
Die Brennstoffzelle 3 ist eine galvanische Zelle, die chemische Reaktionsenergie eines zugeführten Brennstoffs und eines Oxidationsmittels in elektrische Energie wandelt. Das Oxidationsmittel ist die Luft, die über den elektromotorisch angetriebenen Luftverdichter 5 und die Turbomaschine 10 zweimal verdichtet wird. In der Regel muss die Luft vor dem Eintritt in die Kathode noch temperiert werden, zum Beispiel durch einen Zwischenkühler, der auch als Intercooler bezeichnet wird. Die Luft muss gegebenenfalls auch noch befeuchtet werden.
Der Brennstoff kann vorzugsweise Wasserstoff oder Methan oder Methanol sein. Entsprechend entsteht als Abgas Wasserdampf und je nach verwendetem Kraftstoff Kohlendioxid.
In Figur 2 sind durch Rechtecke Gaskonditioniereinheiten, insbesondere Luftkonditioniereinheiten 21, 22, angedeutet. Die Luftkonditioniereinheit 21 ist zwischen der Rotationskolbenmaschine 19 und dem Verdichterrad 17 angeordnet. Die Luftkonditioniereinheit 22 ist zwischen dem Verdichterrad 17 und dem Brennstoffzellenstack 2 angeordnet. Durch die Luftkonditioniereinheit 21, 22 kann die der Brennstoffzelle 3 zugeführte Luft konditioniert werden. Dabei kann es sich sowohl um Ladeluftkühler zur Kühlung als auch um Befeuchter zur Befeuchtung handeln.
In Figur 3 ist dargestellt, dass das Brennstoffzellensystem 1 auch einen Bypass 31 oder 32 oder auch zwei Bypässe 31 und 32 umfassen kann. Der Bypass 31 ist dem Verdichterrad 17 zugeordnet. Der Bypass 32 ist dem Turbinenrad 13 zugeordnet. Mit den Bypässen 31 und 32 kann die auch als Abgasturbolader bezeichnete Turbomaschine 10 sowohl auf der Verdichterseite als auch auf der Expanderseite umgangen werden, wenn der Abgasturbolader beziehungsweise die Turbomaschine 10 gerade nicht benötigt wird. Zu diesem Zweck ist in den
Bypässen 31, 32 vorteilhaft jeweils ein Luftventil, zum Beispiel eine Drosselklappe, angeordnet.
Der elektromotorisch angetriebene Luftverdichter 5 dient dazu, bei niedrigen Leistungen der Brennstoffzelle 3 energieeffizient auch kleine Luftmassenströme bereitzustellen. Dadurch kann der Wirkungsgrad des Gesamtsystems erhöht werden. Große Luftmassenströme in Verbindung mit großen Druckverhältnissen werden im Betrieb des Brennstoffzellensystems 1 ebenfalls energieeffizient durch die Kombination aus Luftverdichter und der als Abgasturbolader ausgeführten Turbomaschine 10 zugeführt.

Claims

Ansprüche
1. Brennstoffzellensystem (1) mit einer Turbomaschine (10), dadurch gekennzeichnet, dass die Turbomaschine (10) in dem Brennstoffzellensystem (1) mit einer elektromotorisch angetriebenen Fluidenergiemaschine (20) kombiniert ist.
2. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Turbomaschine (10) in dem Brennstoffzellensystem (1) zwischen der elektromotorisch angetriebenen Fluidenergiemaschine (20) und einem Brennstoffzellenstack (2) angeordnet ist.
3. Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektromotorisch angetriebene Fluidenergiemaschine (20) als Rotationskolbenmaschine (19) ausgeführt ist.
4. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die elektromotorisch angetriebene Fluidenergiemaschine (20) als Rootsgebläse ausgeführt ist.
5. Brennstoffzellensystems nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Turbomaschine (10) zum Verdichten eines Gases, mindestens ein Verdichterrad (17), durch welches Gas verdichtet wird, das in dem Brennstoffzellensystem (1) einer Brennstoffzelle (3) zugeführt wird, und mindestens ein Turbinenrad (13) umfasst, über welches aus der Brennstoffzelle (3) abgeführtes Gas entspannt wird.
6. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Verdichterrad (17) der Turbomaschine (10) antriebsmäßig nur mit dem Turbinenrad (13) der Turbomaschine (10) verbunden ist.
7. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass dem Verdichterrad (17) und/oder dem Turbinenrad (13) jeweils ein/ein Bypass (31,32) zugeordnet sind/ist.
8. Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch mindestens eine Gaskonditioniereinheit (21,22).
9. Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass mit der elektrisch angetriebenen Fluidenergiemaschine (20) im Betrieb des Brennstoffzellensystems (1) niedrige Gasmassenströme bei niedrigen bis mittleren Drücken bereitgestellt werden, wobei in Kombination mit der Turbomaschine (10) im Betrieb des Brennstoffzellensystems (1) hohe Massenströme bei hohen Druckverhältnissen bereitgestellt werden.
10. Verdichter (5), und/oder Turbomaschine (10), insbesondere Verdichterrad (17) und/oder Turbinenrad (13), für ein Brennstoffzellensystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6.
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