DE19856499C1 - Verfahren und Vorrichtung zur zweistufigen Aufladung von Prozeßluft für eine Brennstoffzelle - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zur zweistufigen Aufladung von Prozeßluft für eine BrennstoffzelleInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur zweistufigen Aufladung von Prozeßluft für eine Brennstoffzelle (BZ), wobei in einer der beiden Ladestufen die Aufladung mittels einer Verdrängermaschine (ML) erfolgt, und in der anderen Ladestufe die Aufladung mittels einer kombinierten Expansions- und Kompressionsmaschine (ATL, COM) erfolgt, wobei mit dieser eine Energierückgewinnung aus dem Abgas der Brennstoffzelle (BZ) erfolgt.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur zweistufigen Aufla
dung von Prozeßluft für eine Brennstoffzelle.
Aus der DE 43 18 818 A1 ist ein Brennstoffzellensystem bekannt, bei dem die
Prozeßluft mit einem Kompressor verdichtet wird. Zur Energierückgewinnung wird
das Brennstoffzellenabgas einem Expander zugeführt, der über eine Welle mit dem
Kompressor gekoppelt ist. Sowohl Verdichter als auch Expander arbeiten nach dem
Verdrängerprinzip und sind insbesondere als Drehkolbenmaschinen ausgebildet.
Nachteilig an dieser Vorrichtung ist die Tatsache, das es für Brennstoffzellensysteme,
bei denen das Brenngas erst durch Reformierung von Methanol erzeugt werden muß,
nicht geeignet ist. Bei derartigen Brennstoffzellensystemen beträgt die Abgastempe
ratur typischerweise 350°C. Diese Temperaturen sind für eine Verdrängermaschine
nur noch sehr eingeschränkt verträglich.
Aus der US 4 838 020 A ist ein Brennstoffzellensystem bekannt, bei dem die Prozeßluft
mittels eines Abgasturboladers aufgeladen wird. Die der Brennstoffzelle zuzuführen
de Prozeßluft wird mittels eines Kompressors verdichtet. Zur Energierückgewinnung
aus dem Brennstoffzellenabgas wird dieses auf eine Turbine geleitet, die mit dem
Kompressor mechanisch gekoppelt ist. In der Abgasleitung ist außerdem ein katalyti
scher Brenner angeordnet, der den Energieinhalt des an die Turbine geleiteten
Abgases erhöht.
In der älteren, aber nicht vorveröffentlichten Patentanmeldung DE 197 55 116 C1 ist
ein Brennstoffzellensystem mit einer zweistufigen Aufladung beschrieben. In beiden
Stufen wird eine Expansionsmaschine eingesetzt. Dabei wird die Turbine der ersten
Stufe mit dem Abgas der Brennstoffzelle betrieben. In der Abgasleitung ist außerdem
ein katalytischer Brenner angeordnet, der den Energieinhalt des an die Turbine
geleiteten Abgases erhöht. Die Turbine der zweiten Stufe wird durch Expansion des
unter hohem Druck stehenden Gases aus der Hochdruckerzeugungseinheit des
Brennstoffzellensystems betrieben.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur zweistufigen
Aufladung von Prozeßluft für eine Brennstoffzelle zu schaffen, mit dem ein hohes
Druckverhältnis sowie ein hoher Wirkungsgrad erreicht wird.
Diese Aufgabe wird mit dem Verfahren nach Patentanspruch 1 sowie der Vorrichtung
nach Patentanspruch 10 gelöst. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind
Gegenstand von Unteransprüchen.
Gemäß der Erfindung geschieht die Aufladung der Brennstoffzellen-Prozeßluft in
zwei Schritten. Dabei erfolgt in einer der beiden Ladestufen die Aufladung mittels
einer Verdrängermaschine. In der anderen Ladestufe erfolgt die Aufladung mittels
einer kombinierten Expansions- und Kompressionsmaschine. Dabei wird die Expansi
on des Brennstoffzellenabgases für die Kompression der Ladeluft eingesetzt, so daß
eine Energierückgewinnung aus dem Abgas ermöglicht wird.
Bei einer mehrstufigen Aufladung ergibt sich das Gesamtdruckverhältnis πges als
Produkt der Druckverhältnisse π1, π2 der beiden Verdichterstufen:
πges = π1 . π2.
Unter einer Verdrängermaschine ist ein Verdichter zu verstehen, der das Fördermittel
(Gas oder Gasgemische) durch die Vergrößerung des Arbeitsraums (z. B. Zylinder)
ansaugt, und es durch eine sich anschließende Verkleinerung des Arbeitsraums
verdrängt. Durch diese Bewegung wird der Druck des Fördermittels erhöht. Haupt
bauelement der Verdrängermaschine ist ein Kolben. Je nach Bewegungsart dieses
Kolbens werden deshalb Verdrängermaschinen in Hubkolben- oder in Drehkolben
maschinen unterschieden. Je nachdem, ob das Fördermedium in oder außerhalb der
Maschine verdichtet wird, unterscheidet man Maschinen mit oder ohne innere
Verdichtung. Verdrängermaschinen werden auch als mechanische Lader bezeichnet,
weil die das Fördermittel unter Einsatz von mechanischer Energie verdichten.
Bei einer kombinierten Expansions- und Kompressionsmaschine wird in einem
kontinuierlichen Gasstrom Geschwindigkeitsenergie in Druckenergie umgesetzt. Sie
arbeitet bei hohen Drehzahlen und hohen Temperaturen. Gemäß der Erfindung wird
insbesondere ein Abgasturbolader oder ein Druckwellenlader (in der Literatur oft
auch als Comprex® bezeichnet) eingesetzt.
- - Es wird ein hohes Druckverhältnis erzielt, und zwar ohne daß man wie in der Patentanmeldung DE 197 55 116 C1 auf das Vorhandensein eines Hochdruckgas erzeugungssystems angewiesen wäre.
- - Eine Energierückgewinnung aus dem Abgas der Brennstoffzelle ist möglich.
- - Es wird ein hoher Wirkungsgrad erzielt.
- - Die Erfindung kann auch bei hohen Abgastemperaturen eingesetzt werden. Sie kann deshalb insbesondere bei Methanolbrennstoffzellensystemen angewandt werden, bei denen das Brenngas durch Methanolreformierung erzeugt wird.
- - Gegenüber einer einstufigen Aufladung mittels eines Abgasturboladers wird eine größere Flexibilität hinsichtlich der Bauraumaufteilung der einzelnen Komponen ten erreicht.
- - Das System kann absolut ölfrei realisiert werden. Dies ist bei einem Brennstoff zellensystem von wesentlicher Bedeutung, da die Brennstoffzelle durch das Öl zerstört bzw. in ihrer Leistungsfähigkeit eingeschränkt wird.
Die Erfindung kann für sämtliche Arten von Brennstoffzellensystemen eingesetzt
werden. Sie eignet sich insbesondere für mobile Anwendungen, z. B. in einem
Kraftfahrzeug oder in Bahnsystemen.
Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf
Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine erste erfindungsgemäße Ausführung mit einem Abgasturbolader in der
ersten Ladestufe;
Fig. 2 eine zweite erfindungsgemäße Ausführung mit einem Comprex-Verdichter in
der ersten Ladestufe.
Fig. 1 zeigt eine erste beispielhafte Ausführung der Erfindung. Dargestellt ist ein
Brennstoffzellensystem, bei dem das aus der Reformierung von Methanol gewonne
ne Brenngas (H2) auf der Anodenseite der Brennstoffzelle BZ eingeleitet wird. In einer
alternativen Ausführung kann das Brenngas auch aus einem mitgeführten Container
der Brennstoffzelle zugeführt werden.
Die auf der Kathodenseite der Brennstoffzelle BZ zugeführte Prozeßluft wird in zwei
Stufen aufgeladen. In der ersten Stufe dient ein Abgasturbolader ATL für die Vorver
dichtung der Ladeluft (Boost-Stufe). Der Abgasturbolader ATL kann ein herkömmli
cher Turbolader sein, wie er in Verbrennungsmotoren häufig Anwendung findet. Er
umfaßt eine Turbine T sowie einen Verdichter V, wobei Turbine T und Verdichter V
auf einer gemeinsamen Welle W angeordnet sind. Die Geometrie der Turbine T kann
entsprechend dem gegebenen Anwendungsfall variabel eingestellt werden. An der
Turbine T wird das Abgas der Brennstoffzelle BZ expandiert. Die auf diese Weise
rückgewonnene Energie wird über die Welle W dem Verdichter V des Turboladers
ALT direkt zugeführt.
In der zweiten Ladestufe wird ein mechanischer Lader ML, z. B. ein Drehkolbenver
dichter, eingesetzt. Er wird von einem Elektromotor M angetrieben.
Da der Abgasturbolader ATL den Vordruck in Abhängigkeit vom Abgasmassenstrom
und somit von der Drehzahl aufbaut, wird im unteren Lastbereich der Enddruck eher
zu niedrig sein, während er im oberen Bereich höher ist als benötigt. Dem kann man
durch eine waste-gate-Regelung entgegenwirken, indem man ein Überdruckventil
vorsieht. Das Überdruckventil bzw. das waste-gate wird hinter dem mechanischen
Lader ML angeordnet. Durch dieses Ventil wird der Druck nach oben begrenzt, d. h.
die Ladeluft wird von dem mechanischen Lader zwar höher verdichtet, jedoch wird
der zuviel gelieferte Druck "abgeblasen". Die überschüssig geförderte Luft wird direkt
der Expansionsmaschine des Turboladers ATL zugeführt.
Die verdichtete Prozeßluft wird auf der Kathodenseite in die Brennstoffzelle BZ
eingeleitet, die zum Beispiel als PEM-Brennstoffzelle (Proton-Exchange-Membran)
ausgebildet sein kann.
Zwischen erster und zweiter Ladestufe erfolgt eine Wassereinspritzung zur Befeuch
tung der Ladeluft, wie sie bei PEM-Brennstoffzellen üblicherweise vorgesehen wird.
Das Anoden- und/oder das Kathodenabgas wird nach Verlassen der Brennstoffzelle
BZ in einen katalytischen Brenner KB geleitet. Der katalytische Brenner KB dient als
Wärmequelle des Brennstoffzellensystems. Das Abgas des katalytischen Brenners
KB, das beim Verlassen des katalytischen Brenners KB eine Temperatur von ca.
350°C aufweist, wird an die Turbine T geführt. Diese Verfahrensführung hat den
Vorteil, daß der Turbine T ein wesentlich größerer Massenstrom zugeführt wird, der
zudem eine höhere Temperatur aufweist.
In einer weiteren, hier nicht dargestellten Ausführung, kann das Abgas der Brenn
stoffzelle (Anodenabgas und/oder Kathodenabgas) auch ohne Zwischenschaltung
des katalytischen Brenners direkt an die Turbine des Turboladers geleitet werden.
Es wird außerdem darauf hingewiesen, daß alternativ zu der gezeigten Ausführung
der mechanische Lader ML auch in der ersten Stufe eingesetzt werden kann,
während die kombinierte Expansions- und Kompressionsmaschine ATL die zweite
Ladestufe bildet.
Fig. 2 zeigt eine weitere Ausführung der Erfindung. Sie unterscheidet sich gegenüber
der Ausführung nach Fig. 1 nur dadurch, daß an Stelle des Abgasturboladers ein
Druckwellenlader COM eingesetzt wird. Dieser kann ein herkömmlicher Druckwel
lenlader sein, wie er in Verbrennungsmotoren häufig Anwendung findet. In einem
Druckwellenlader wird - wie in einem Abgasturbolader, aber auf einem gänzlich
anderen Prinzip - die Energie der Abgase zur Verdichtung der Ladeluft benützt. Die
Wirkungsweise eines Druckwellenladers beruht darauf, daß eine durch eine Leitung
laufende Druckwelle an einem offenen Ende negativ, d. h. als Unterdruckwelle,
reflektiert wird, an einem geschlossenen Ende aber als Druckwelle reflektiert wird.
Umgekehrt wird eine Saugwelle am offenen Ende als Druckwelle und am geschlos
senen als Saugwelle reflektiert. Der Druckwellenlader, dessen Aufbau in der Fig. 2
nicht im einzelnen wiedergegeben ist, besteht aus einem Zellenrad, mit auf dem
Umfang angeordneten, stirnseitig offenen Kanälen mit trapezförmigem Querschnitt.
Das Zellenrad ist in einem Gehäuse gelagert und von einem Mantel berührungsfrei
umschlossen. Es wird von dem Motor M1 angetrieben. Die Antriebsleistung ist jedoch
gering (ca. 300 bis 400 Watt), es müssen nur Lager- und Ventilationsverluste über
wunden werden.
Wie bei der in Fig. 1 gezeigten Ausführung kann eine waste-gate-Regelung vorhan
den sein, indem das Überdruckventil bzw. das waste-gate hinter dem mechanischen
Lader ML angeordnet wird. Die überschüssig geförderte Luft wird direkt dem Druck
wellenlader COM zugeführt.
Die dargestellte Ausführung hat gegenüber der in Fig. 1 gezeigten Ausführung den
Vorteil, daß das Verhalten der beiden Lader wesentlich besser aufeinander abge
stimmt werden kann.
In einer vorteilhaften Weiterbildung kann der Rotor des Druckwellenladers COM mit
sogenannten Registern versehen werden, wie in der WO 97/20134 beschrieben.
Dabei wird die Rotorfläche nach einem vorbestimmten Verhältnis auf die einzelnen
Register aufgeteilt, z. B. zu 1/3 und 2/3, um drei Schaltstellungen in Abhängigkeit vom
Massenstrom realisieren zu können. Dadurch wird der Regelbereich des Druckwel
lenladers entsprechend verdreifacht.
Claims (10)
1. Verfahren zur zweistufigen Aufladung von Prozeßluft für eine Brennstoffzelle
(BZ), dadurch gekennzeichnet, daß in einer der beiden Ladestufen die Aufla
dung mittels einer Verdrängermaschine (ML) durchgeführt wird, und in der anderen Lade
stufe die Aufladung mittels einer kombinierten Expansions- und Kompressions
maschine (ATL, COM) durchgeführt wird, wobei mit dieser die Energie aus
dem Abgas der Brennstoffzelle (BZ) zurückgewonnen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als kombinierte
Expansions- und Kompressionsmaschine ein Druckwellenlader (COM) einge
setzt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotorfläche des
Druckwellenladers (COM) zu 1/3 und 2/3 in verschiedene Register unterteilt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als kombinierte
Expansions- und Kompressionsmaschine ein Abgasturbolader (ATL) eingesetzt
wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Abgasturbolader
(ATL) mit variabler Turbinengeometrie eingesetzt wird.
6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich
net, daß das Kathodenabgas und/oder das Anodenabgas der Brennstoffzelle
(BZ) einem katalytischen Brenner (KB) zugeführt werden, und das Abgas des
katalytischen Brenners (KB) der kombinierten Expansions- und Kompressions
maschine (ATL, COM) zugeführt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Verdrängerma
schine (ML) ein Hubkolben- oder Drehkolbenverdichter eingesetzt wird.
8. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich
net, daß stromabwärts zur Verdrängermaschine (ML) in der Ladeluftleitung ein
Überdruckventil zur Druckbegrenzung eingesetzt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die über das Über
druckventil abgelassene Luft der kombinierten Expansions- und Kompressi
onsmaschine (ATL, COM) zugeführt wird.
10. Vorrichtung zur zweistufigen Aufladung von Prozeßluft für eine Brennstoffzelle
(BZ), dadurch gekennzeichnet, daß in einer der beiden Ladestufen eine Ver
drängermaschine (ML) vorhanden ist, und in der anderen Ladestufe eine kom
binierte Expansions- und Kompressionsmaschine (ATL, COM) vorhanden ist, mit
der die Energierückgewinnung aus dem Abgas der Brennstoffzelle (BZ) er
folgt.
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