WO2022248359A1 - Verfahren zum betreiben eines brennstoffzellensystems sowie brennstoffzellensystem - Google Patents

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WO2022248359A1
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compression stage
air path
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Jochen Braun
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Robert Bosch Gmbh
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    • H01M8/04119—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying
    • H01M8/04126—Humidifying
    • H01M8/04141—Humidifying by water containing exhaust gases

Definitions

  • the invention relates to a method for operating a fuel cell system having the features of the preamble of claim 1.
  • the invention also relates to a fuel cell system which is suitable for carrying out the method according to the invention or can be operated according to this method.
  • Fuel cells in a fuel cell system require oxygen, which reacts with hydrogen in the cells to form water or water vapor. In this way, electrical power is generated by electrochemical conversion.
  • Ambient air which is supplied to the fuel cell by means of an air compression system, is usually used as the oxygen source, since the process requires a certain air mass flow rate and/or a certain pressure level.
  • the air compression system used here generally comprises a high-speed thermal turbomachine with at least one compressor wheel which is arranged on a shaft and is driven by an electric motor.
  • a turbine wheel can be arranged on the shaft, to which moist air emerging from the fuel cell is supplied.
  • the turbomachine is a turbocharger. This can also be driven only by the turbine, so that an electric motor is not necessary.
  • Multi-flow and/or multi-stage air compression systems can be used to increase the system pressure.
  • Multi-flow air compression systems have a distribution of the entire mass flow to be compressed to several compressor wheels with the same compression from inlet pressure to outlet pressure. pressure with subsequent merging of the mass flow (parallel compression).
  • Multi-stage air compression systems sequentially compress the air to different pressure levels. The different systems can also be combined.
  • the moisture content of the air plays an important role.
  • the air supplied to the fuel cells must be sufficiently humid to prevent the proton-conducting membranes of the fuel cells from drying out.
  • the risk of drying out is particularly high in the area where the air enters the fuel cells.
  • the compressed air is therefore usually sources before entering the fuel cells using a humidifier, such as a humidifier Membranbe humidified.
  • the object of the present invention is to make the operation of a fuel cell system more efficient and robust over a large operating range.
  • the humidification of the air should be optimized.
  • At least one fuel cell is supplied with air as an oxygen supplier, which is compressed beforehand with the aid of an air compression system comprising a first compression stage integrated into an air supply path and a second compression stage downstream of the first compression stage.
  • moist air exiting the fuel cell is introduced into the supply air path between the first compression stage and the second compression stage via an exhaust air path and a connecting path that connects the exhaust air path to the intake air path.
  • the moist air or exhaust air emerging from the fuel cell is accordingly recirculated and put to use. This is because humidification of the air in the supply air path is achieved via the moisture content of the recirculated air or exhaust air.
  • the humidification achieved by means of the recirculated exhaust air in turn makes an additional humidification device unnecessary, so that the structure of the fuel cell system is simplified.
  • the cathode pressure can be reduced by humidifying the supply air (changed water management). Because the water absorption of the air depends, among other things, significantly on the cathode pressure. Without humidification, a higher pressure is required to prevent the membrane from drying out. In this way, an increase in the efficiency of the overall system is achieved at the same time.
  • the moist exhaust air is introduced into the supply air path between a first and a second compression stage of an air compression system, not only humidification, but at the same time intermediate cooling of the air can be achieved. This is because the air heats up during compression, so that the temperature of the air in the supply air path downstream of the first compression stage is higher than the temperature of the moist air exiting the fuel cell in the exhaust air path. Intermediate cooling increases the efficiency of multi-stage compression.
  • the moist air introduced into the supply air path via the connection path is branched off upstream of a turbine integrated into the exhaust air path.
  • a pressure gradient between the pressure level in the exhaust air path and the pressure level in the supply air path can be used to recirculate the air or exhaust air.
  • a compressor wheel of the first compression stage is preferably driven with the aid of the turbine, so that part of the energy previously used to compress the air can be recovered with the aid of the turbine. Due to the recirculated partial mass flow, the turbine output does not drop over a wide operating range, since part of the exhaust air mass flow is discharged via a turbine bypass anyway for coordination reasons. The turbine output drops only in full-load operation when the turbine bypass is usually closed. this applies especially when the first compression stage is driven solely by the turbine.
  • the air mass flow branched off from the exhaust air path be regulated with the aid of a controllable valve integrated into the connection path.
  • the valve enables different operating modes to be implemented. For example, when the valve is closed, recirculation of air or exhaust air can be prevented. When the valve is open and the air mass flow through the second compression stage of the air compression system is unchanged, the lambda value of the air in the supply air path can be reduced with the help of the recirculated air, which is comparatively low in oxygen. If at the same time the air mass flow is increased via the second compression stage, the current lambda value can be retained.
  • the valve integrated into the connection path can be a control or switching valve, for example.
  • the control valve is preferably designed as a proportional valve that has a variable opening cross section. Depending on the open position of the valve, the diverted air mass flow can be regulated. In the case of a valve designed as a switching valve, this can preferably be operated in a clocked manner. The air mass flow, which is branched off from the exhaust air path, can then be regulated via the clocking.
  • the valve is preferably only opened when the pressure in the exhaust air path is above the pressure in the supply air path.
  • the pressure gradient can be used to recirculate the air or exhaust air.
  • the pressure or pressures in the supply air and/or exhaust air path can be determined by sensors and/or by means of models. When determining the pressure, the pressure loss when flowing through the valve and/or the connection path must be taken into account.
  • connection path and/or the valve be blown dry during the shutdown.
  • the valve is designed as a clocked switching valve, it can be operated clocked in order to remove adhering droplets or moisture.
  • the warm air compressed by the air compression system can be used for de-icing or defrosting can be used.
  • the compressed air is introduced from the supply air path into the exhaust air path via a bypass path bypassing the at least one fuel cell and having an integrated bypass valve.
  • the fuel cell system proposed in addition to solving the problem mentioned at the outset comprises at least one fuel cell to which air can be supplied as an oxygen supplier via a supply air path.
  • An air compression system is integrated into the supply air path, which comprises a first compression stage and a second compression stage downstream of the first compression stage.
  • a connection path opens out between the first and the second compression stage in the supply air path, via which the supply air path is connected or can be connected to an exhaust air path for discharging the moist air emerging from the fuel cell.
  • At least part of the moist air or exhaust air exiting the fuel cell is recirculated for humidification and, if necessary, cooling.
  • the recirculated air mass flow is therefore not discharged from the system unused. In this way, an increase in efficiency is also achieved.
  • the recirculation takes place via an additional connection path, via which the connection between the supply air path and the exhaust air path required for recirculation can be established.
  • the proposed fuel cell system is particularly suitable for carrying out the method according to the invention described above.
  • the same advantages can thus be achieved with the aid of the fuel cell system.
  • recirculation of the moist air or exhaust air can be used to create a further degree of freedom to optimize system operation over the entire operating range with different target values.
  • the target sizes it can in particular be moisture or water management, dynamics, power requirements, fuel consumption and/or ageing.
  • connection path for recirculating the moist air or exhaust air branches off upstream of a turbine integrated in the exhaust air path.
  • a turbine integrated in the exhaust air path.
  • part of the energy previously used for compression can be recovered or recuperated. Since the air is expanded via the turbine, it is branched off from the exhaust air path upstream of the turbine. In this way, a pressure gradient between the exhaust air path and the air supply path can be used to recirculate the moist air or exhaust air.
  • the turbine integrated into the exhaust air path preferably has a turbine wheel arranged on a common shaft with a compressor wheel of the first compression stage.
  • the compressor wheel can thus be driven via the turbine. If the first compression stage includes more than one compressor wheel, for example if it has a multi-flow design, all the compressor wheels of the first stage can be driven by the turbine. If the turbine output is not sufficient as the sole drive, the first compression stage can be supplemented by an electric motor as a drive.
  • the second stage of air compression can be carried out with two flows, which means that the air mass flow is divided and combined again after compression.
  • This has great advantages with regard to the axial force, since the se is largely balanced.
  • the thrust bearing can thus be designed more cost-effectively, since aging decreases and life expectancy increases.
  • a partial mass flow of the moist air or exhaust air exiting the fuel cell is usually discharged via a turbine bypass.
  • This unused partial mass flow can be used during operation of a fuel cell system according to the invention. This has no effect on turbine performance over a large operating range. Only in full-load operation does the turbine output drop if part of the mass flow is recirculated at the same time.
  • the second compression stage of the air compression system preferably has at least one compressor wheel that can be driven with the aid of an electric motor. This means that the first compression stage is followed by a second compression stage driven by an electric motor. The second air compression stage driven by an electric motor is therefore arranged closer to the at least one fuel cell than the first compression stage driven by the turbine.
  • the air mass flow in the cathode path of the stack can be regulated more quickly with the help of the electric motor-driven second compression stage, which is located closer to the fuel cell, so that a larger positive jump in performance is possible. In this way, the dynamics of the entire system can be increased.
  • a controllable valve for example a control or switching valve, is preferably integrated into the connection path.
  • the recirculation can thus be effected temporarily, transiently or stationary. If the valve is designed as a control valve, in particular as a proportional valve, the recirculated air mass flow can be controlled via the variable opening cross section. If the valve is designed as a switching valve, this can be operated in particular clocked who the.
  • a cooling device is preferably integrated into the supply air path between the first compression stage and the second compression stage and/or downstream of the second compression stage. Since the air heats up during compression, the air can be cooled in this way. By cooling the air between the two compression stages (“intermediate cooling”), the efficiency of the second compression stage can be increased at the same time.
  • the moist air or exhaust air branched off from the exhaust air path is introduced into the intake air path, preferably upstream of the cooling device, so that there is good mixing of dry and moist air. At the same time, a cooling circuit connected to the fuel cell system can be relieved.
  • the turbine can preferably be bypassed via a bypass line with an integrated bypass valve.
  • the bypass enables the necessary tuning or synchronization of the turbine with the first compression stage.
  • a pressure control valve is integrated in the exhaust air path downstream of the turbine. With the help of the pressure control valve, part of the unused exhaust air enthalpy can also be reduced.
  • the at least one fuel cell of the fuel cell system can preferably be bypassed via a bypass line with an integrated bypass valve.
  • the bypass line is preferably connected to the supply air path downstream of the air compression system and to the exhaust air path upstream of the turbine.
  • the bypass valve When the bypass valve is open, compressed air enters the exhaust air path via the bypass path. Part of the energy used for compression can then be recuperated via the turbine.
  • the compressed and heated air supplied to the turbine via the bypass path can be used at the same time for heating and, if necessary, de-icing. This optimizes the system's freeze start capability.
  • a bypass can be provided to bypass the compressor wheel of the turbine-driven compression stage. This can also be advantageous for the starting behavior and for the dynamics of the system.
  • the fuel cell system 10 shown comprises at least one fuel cell 11 to which air can be supplied as an oxygen supplier via an air supply path 12 .
  • the air is taken from the environment 23 .
  • the air taken from the environment 23 is supplied to an air compressor 22 in order to free it from harmful particles and harmful chemical substances. Air escaping from the fuel cell 11 is discharged back to the environment 23 via an exhaust air path 13 .
  • the fuel cell 11 requires hydrogen, which is stored in a tank (not shown) and fed to the fuel cell 11 via an anode circuit (not shown). Since the fuel cell 11 requires a certain air mass flow and a certain pressure level, the air is compressed before it enters the fuel cell 11 . Compression takes place using a multi-stage air compression system 1, which includes a first compression stage 1.1 and a second compression stage 1.2.
  • the first compression stage 1.1 has a compressor wheel 2 arranged on a shaft 7 and a turbine 3 with a turbine wheel 6 arranged on the shaft 7 .
  • the compressor wheel 2 is flown by the air in the supply air path 12, while the turbine wheel 6 is supplied with the moist air emerging from the fuel cell 11 and discharged via the exhaust air path 13.
  • the turbine 3 has a bypass line 14 with an integrated bypass valve 15 .
  • a pressure control valve 16 is integrated into the exhaust air path 13 downstream of the turbine 3 .
  • the compressor wheel 2 of the first compression stage 1.1 can be bypassed via a further bypass line 20 with an integrated bypass valve 21 (see fi gur).
  • a cooling device 17 can be integrated into the inlet air path 12 downstream of the first compression stage 1.1. This can be used to implement intermediate cooling.
  • the second compression stage 1.1 downstream of the first compression stage 1.2 has a compressor wheel 4, which is driven by an electric motor 5. Since with the help of the electric motor 5 large positive jumps in performance it can be achieved and the electric motor 5 having the second compaction processing stage 1.2 is arranged near the fuel cell 11, a higher dynamic can be achieved when controlling the air mass flow.
  • a cooling device 17 is integrated into the supply air path 12 downstream of the second air compression stage 1.2 in order to cool the compressed and heated air before it enters the fuel cell 11 .
  • a bypass valve 19 which is integrated into a bypass path 18, the fuel cell 11 can be bypassed, so that the compressed and heated air from the supply air path 12 directly into the exhaust air path 13 is initiated.
  • the turbine 3 can be de-iced in this way.
  • a further connection of the supply air path 12 to the exhaust air path 13 can be produced by opening a valve 9 which is integrated into a connection path 8 .
  • Connection path 8 branches off upstream of the turbine 3 from the exhaust air path 13 and opens out between the two compression stages 1.1, 1.2 of the air compression system 1 in the supply air path 12.
  • the connection path 8 serves to recirculate moist air or exhaust air.
  • the air in the supply air path 12 can be humidified with the aid of the recirculated humid air, so that an additional humidifying device is not necessary.
  • the air can be cooled so that the intermediate cooling is optimized. If a cooling device 17 is integrated into the air supply path 12 upstream of the second compression stage 1.2, the moist air or exhaust air from the exhaust air path 13 is preferably introduced upstream of the cooling device 17, so that the dry and moist air are well mixed becomes.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems (10), bei dem mindestens einer Brennstoffzelle (11) Luft als Sauerstofflieferant zugeführt wird, die zuvor mit Hilfe eines Luftverdichtungssystems (1), umfassend eine in einen Zuluftpfad (12) integrierte erste Verdichtungsstufe (1.1) sowie eine der ersten Verdichtungsstufe (1.1) nachgeschaltete zweite Verdichtungsstufe (1.2), verdichtet wird. Erfindungsgemäß wird aus der Brennstoffzelle (11) austretende feuchte Luft über einen Abluftpfad (13) und einen Verbindungspfad (8), der den Abluftpfad (13) mit dem Zuluftpfad (12) verbindet, in den Zuluftpfad (12) zwischen der ersten Verdichtungsstufe (1.1) und der zweiten Verdichtungsstufe (1.2) eingeleitet. Die Erfindung betrifft ferner ein Brennstoffzellensystem (10) zur Durchführung des Verfahrens.

Description

Beschreibung
Titel:
Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems sowie Brennstoffzellen system
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Brennstoffzellensystem, das zur Durchführung des erfindungsge mäßen Verfahrens geeignet bzw. nach diesem Verfahren betreibbar ist.
Stand der Technik
Brennstoffzellen eines Brennstoffzellensystems benötigen Sauerstoff, der in den Zellen mit Wasserstoff zu Wasser bzw. Wasserdampf reagiert. Auf diese Weise wird durch elektrochemische Wandlung eine elektrische Leistung erzeugt. Als Sauerstoffquelle dient üblicherweise Umgebungsluft, die der Brennstoffzelle mit tels eines Luftverdichtungssystems zugeführt wird, da der Prozess einen be stimmten Luftmassenstrom und/oder ein bestimmtes Druckniveau erfordert. Das hierbei zum Einsatz gelangende Luftverdichtungssystem umfasst in der Regel eine hochdrehende thermische Strömungsmaschine mit mindestens einem auf einer Welle angeordneten Verdichterrad, das elektromotorisch angetrieben wird. Zur Energierückgewinnung kann auf der Welle ein Turbinenrad angeordnet sein, dem aus der Brennstoffzelle austretende feuchte Luft zugeführt wird. In diesem Fall handelt es sich bei der Strömungsmaschine um einen Turbolader. Dieser kann auch nur durch die Turbine angetrieben werden, so dass ein Elektromotor entbehrlich ist.
Zur Erhöhung des Systemdrucks können mehrflutige und/oder mehrstufige Luft verdichtungssysteme eingesetzt werden. Mehrflutige Luftverdichtungssysteme weisen eine Aufteilung des gesamten zu verdichtenden Massenstroms auf meh rere Verdichterräder mit gleicher Verdichtung von Eingangsdruck auf Ausgangs- druck mit nachfolgender Zusammenführung des Massenstroms auf (parallele Verdichtung). Mehrstufige Luftverdichtungssysteme verdichten die Luft sequenti ell auf verschiedene Druckniveaus. Die verschiedenen Systeme können auch kombiniert werden.
Neben dem Luftmassenstrom und/oder dem Druckniveau spielt der Feuchtegeh alt der Luft eine wichtige Rolle. Die den Brennstoffzellen zugeführte Luft muss ausreichend feucht sein, um ein Austrocknen der protonenleitenden Membranen der Brennstoffzellen zu verhindern. Die Gefahr des Austrocknens ist dabei insbe sondere im Bereich des Eintritts der Luft in die Brennstoffzellen signifikant hoch. Die verdichtete Luft wird daher in der Regel vor dem Eintritt in die Brennstoffzel len mit Hilfe einer Befeuchtungseinrichtung, beispielsweise einem Membranbe feuchter, befeuchtet.
Ausgehend von dem vorstehend genannten Stand der Technik liegt der vorlie genden Erfindung die Aufgabe zugrunde, den Betrieb eines Brennstoffzellensys tems über einen großen Betriebsbereich hinweg effizienter und robuster zu ge stalten. Zugleich soll die Befeuchtung der Luft optimiert werden.
Zur Lösung der Aufgabe werden das Verfahren mit den Merkmalen des An spruchs 1 sowie das Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Anspruchs 5 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den jeweiligen Unteransprüchen zu entnehmen.
Offenbarung der Erfindung
Bei dem vorgeschlagenen Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensys tems wird mindestens einer Brennstoffzelle Luft als Sauerstofflieferant zugeführt, die zuvor mit Hilfe eines Luftverdichtungssystems, umfassend eine in einen Zu luftpfad integrierte erste Verdichtungsstufe sowie eine der ersten Verdichtungs stufe nachgeschaltete zweite Verdichtungsstufe, verdichtet wird. Erfindungsge mäß wird aus der Brennstoffzelle austretende feuchte Luft über einen Abluftpfad und einen Verbindungspfad, der den Abluftpfad mit dem Zuluftpfad verbindet, in den Zuluftpfad zwischen der ersten Verdichtungsstufe und der zweiten Verdich tungsstufe eingeleitet. Die aus der Brennstoffzelle austretende feuchte Luft bzw. Abluft wird demnach rezirkuliert und einer Nutzung zugeführt. Denn über den Feuchtegehalt der rezir- kulierten Luft bzw. Abluft wird eine Befeuchtung der Luft im Zuluftpfad erzielt. Die mittels der rezirkulierten Abluft erzielte Befeuchtung wiederum macht eine zu sätzliche Befeuchtungseinrichtung entbehrlich, so dass der Aufbau des Brenn stoffzellensystems vereinfacht wird.
Des Weiteren kann durch eine Befeuchtung der Zuluft eine Absenkung des Ka thodendrucks erfolgen (geändertes Wassermanagement). Denn die Wasserauf nahme der Luft hängt u.a. signifikant vom Kathodendruck ab. Ohne Befeuchtung wird ein höherer Druck benötigt, um ein Austrocknen der Membran zu vermei den. Auf diese Weise wird zugleich eine Effizienzsteigerung des Gesamtsystems erreicht.
Dadurch, dass die feuchte Abluft zwischen einer ersten und einer zweiten Ver dichtungsstufe eines Luftverdichtungssystems in den Zuluftpfad eingeleitet wird, kann nicht nur eine Befeuchtung, sondern zugleich eine Zwischenkühlung der Luft erzielt werden. Denn beim Verdichten erwärmt sich die Luft, so dass die Temperatur der Luft im Zuluftpfad stromabwärts der ersten Verdichtungsstufe höher als die Temperatur der aus der Brennstoffzelle austretenden feuchten Luft im Abluftpfad ist. Die Zwischenkühlung steigert den Wirkungsgrad beim mehrstu figen Verdichten.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die über den Verbindungspfad in den Zuluftpfad eingeleitete feuchte Luft stromaufwärts einer in den Abluftpfad integrierten Turbine abgezweigt. Das heißt, das die Abluft ab gezweigt wird, bevor sie in der Turbine entspannt wird. Auf diese Weise kann ein Druckgefälle zwischen dem Druckniveau im Abluftpfad und dem Druckniveau im Zuluftpfad zur Rezirkulation der Luft bzw. Abluft genutzt werden. Mit Hilfe der Turbine wird vorzugsweise ein Verdichterrad der ersten Verdichtungsstufe ange trieben, so dass ein Teil der zuvor zum Verdichten der Luft eingesetzten Energie mit Hilfe der Turbine zurückgewonnen werden kann. Durch den rezirkulierten Teilmassenstrom sinkt die Turbinenleistung über einen weiten Betriebsbereich nicht, da aus Abstimmungsgründen ein Teil des Abluftmassenstroms sowieso über einen Turbinenbypass abgeführt wird. Die Turbinenleistung sinkt allein im Volllastbetrieb, wenn der Turbinenbypass üblicherweise geschlossen ist. Dies gilt insbesondere, wenn die erste Verdichtungsstufe allein über die Turbine angetrie ben wird.
Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass mit Hilfe eines in den Verbindungspfad integrierten ansteuerbaren Ventils der aus dem Abluftpfad abgezweigte Luftmas senstrom geregelt wird. Das Ventil ermöglicht die Realisierung unterschiedlicher Betriebsmodi. Beispielsweise kann bei geschlossenem Ventil eine Rezirkulation von Luft bzw. Abluft unterbunden werden. Bei geöffnetem Ventil und unveränder tem Luftmassenstrom über die zweite Verdichtungsstufe des Luftverdichtungs systems kann mit Hilfe der rezirkulierten Luft, die vergleichsweise arm an Sauer stoff ist, der Lambda-Wert der Luft im Zuluftpfad gesenkt werden. Wird zugleich der Luftmassenstrom über die zweite Verdichtungsstufe angehoben, kann der aktuelle Lambda-Wert beibehalten werden.
Das in den Verbindungspfad integrierte Ventil kann beispielsweise ein Regel oder Schaltventil sein. Das Regelventil ist vorzugsweise als Proportionalventil ausgeführt, das einen variablen Öffnungsquerschnitt aufweist. Je nach Offenstel lung des Ventils kann somit der abgezweigte Luftmassenstrom geregelt werden. Im Falle eines als Schaltventils ausgeführten Ventils kann dieses bevorzugt ge taktet betrieben werden. Über die Taktung kann dann der Luftmassenstrom ge regelt werden, der aus dem Abluftpfad abgezweigt wird.
Das Ventil wird vorzugsweise nur geöffnet, wenn der Druck im Abluftpfad über dem Druck im Zuluftpfad liegt. In diesem Fall kann das Druckgefälle zur Rezirku lation der Luft bzw. Abluft genutzt werden. Der Druck bzw. die Drücke im Zuluft- und/oder Abluftpfad können dabei sensorisch und/oder mittels Modellen ermittelt werden. Bei der Druckermittlung ist der Druckverlust beim Durchströmen des Ventils und/oder des Verbindungspfads zu berücksichtigen.
Um im Abstellfall bei tiefen Außentemperaturen der Eisbildung entgegenzuwir ken, wird vorgeschlagen, dass der Verbindungspfad und/oder das Ventil während des Abstellens trocken geblasen wird bzw. werden. Sofern das Ventil als getakte tes Schaltventil ausgeführt ist, kann es dabei getaktet betrieben werden, um an haftende Tröpfchen bzw. Feuchtigkeit zu entfernen. Sollte sich aufgrund der zu sätzlichen Feuchtigkeit während des Abstellens Eis in der Turbine bilden, kann die mittels des Luftverdichtungssystems verdichtete warme Luft zum Enteisen bzw. Auftauen genutzt werden. Die verdichtete Luft wird hierzu über einen die mindestens eine Brennstoffzelle umgehenden Bypasspfad mit integriertem By passventil aus dem Zuluftpfad in den Abluftpfad eingeleitet.
Das darüber hinaus zur Lösung der eingangs genannten Aufgabe vorgeschlage ne Brennstoffzellensystem umfasst mindestens eine Brennstoffzelle, der über ei nen Zuluftpfad Luft als Sauerstofflieferant zuführbar ist. In den Zuluftpfad ist da bei ein Luftverdichtungssystem integriert, das eine erste Verdichtungsstufe sowie eine der ersten Verdichtungsstufe nachgeschaltete zweite Verdichtungsstufe um fasst. Erfindungsgemäß mündet zwischen der ersten und der zweiten Verdich tungsstufe ein Verbindungspfad in den Zuluftpfad, über den der Zuluftpfad mit ei nem Abluftpfad zum Abführen der aus der Brennstoffzelle austretenden feuchten Luft verbunden oder verbindbar ist.
Bei einer Verbindung des Zuluftpfads mit dem Abluftpfad wird aus der Brenn stoffzelle austretende feuchte Luft bzw. Abluft in den Zuluftpfad zwischen der ers ten und der zweiten Verdichtungsstufe eingeleitet. Auf diese Weise wird die Luft befeuchtet und ggf. zugleich gekühlt. Die Befeuchtung mittels der feuchten Luft bzw. Abluft macht eine zusätzliche Befeuchtungseinrichtung entbehrlich, so dass das Gesamtsystem vereinfacht wird. Bei gleichzeitiger Kühlung wird eine Zwi schenkühlung erreicht, die den Wirkungsgrad der Verdichtung in der zweiten Verdichtungsstufe steigert.
Zum Befeuchten und ggf. Kühlen wird zumindest ein Teil der aus der Brennstoff zelle austretenden feuchten Luft bzw. Abluft rezirkuliert. Der rezirkulierte Luft massenstrom wird somit nicht ungenutzt aus dem System abgeführt. Auf diese Weise wird auch eine Effizienzsteigerung erzielt. Die Rezirkulation erfolgt über einen zusätzlichen Verbindungspfad, über den die zur Rezirkulation erforderliche Verbindung des Zuluftpfads mit dem Abluftpfad herstellbar ist.
Das vorgeschlagene Brennstoffzellensystem ist insbesondere zur Durchführung des zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet. Mit Hilfe des Brennstoffzellensystems können somit die gleichen Vorteile erzielt werden. Ins besondere kann mittels Rezirkulation der feuchten Luft bzw. Abluft ein weiterer Freiheitsgrad zur Optimierung des Systembetriebs über den gesamten Betriebs bereich mit unterschiedlichen Zielgrößen geschaffen werden. Bei den Zielgrößen kann es sich insbesondere um das Feuchte- bzw. Wassermanagement, die Dy namik, den Leistungsbedarf, den Brennstoffverbrauch und/oder die Alterung handeln.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung zweigt der Verbin dungspfad zur Rezirkulation der feuchten Luft bzw. Abluft stromaufwärts einer in den Abluftpfad integrierten Turbine ab. Mit Hilfe der Turbine kann ein Teil der zu vor zum Verdichten eingesetzten Energie zurückgewonnen bzw. rekuperiert wer den. Da die Luft über die Turbine entspannt wird, wird sie stromaufwärts der Tur bine aus dem Abluftpfad abgezweigt. Auf diese Weise kann ein Druckgefälle zwi schen dem Abluftpfad und dem Zuluftpfad zur Rezirkulation der feuchten Luft bzw. Abluft genutzt werden.
Die in den Abluftpfad integrierte Turbine weist vorzugsweise ein auf einer ge meinsamen Welle mit einem Verdichterrad der ersten Verdichtungsstufe ange ordnetes Turbinenrad auf. Das Verdichterrad kann somit über die Turbine ange trieben werden. Sofern die erste Verdichtungsstufe mehr als ein Verdichterrad umfasst, beispielsweise mehrflutig ausgeführt ist, können alle Verdichterräder der ersten Stufe mittels der Turbine angetrieben werden. Sollte die Turbinenleistung als alleiniger Antrieb nicht ausreichen, kann die erste Verdichtungsstufe ergän zend einen Elektromotor als Antrieb aufweisen.
Alternativ kann die zweite Luftverdichtungsstufe zweiflutig ausgeführt werden, das heißt, dass der Luftmassenstrom aufgeteilt und nach der Verdichtung wieder zusammengeführt wird. Dies hat große Vorteile hinsichtlich der Axialkraft, da die se weitgehend ausgeglichen ist. Das Axiallager kann somit kostengünstiger aus gelegt werden, da die Alterung abnimmt und die Lebenserwartung steigt.
Um die erste Verdichtungsstufe und die Turbine zu synchronisieren, wird übli cherweise ein Teilmassenstrom der aus der Brennstoffzelle austretenden feuch ten Luft bzw. Abluft über einen Turbinenbypass abgeströmt. Dieser ungenutzt abgeführte Teilmassenstrom kann im Betrieb eines erfindungsgemäßen Brenn stoffzellensystems einer Nutzung zugeführt werden. Auf die Turbinenleistung hat dies über einen großen Betriebsbereich keinen Einfluss. Lediglich im Vollastbe trieb sinkt die Turbinenleistung, wenn zugleich ein Teilmassenstrom rezirkuliert wird. Die zweite Verdichtungsstufe des Luftverdichtungssystems weist vorzugsweise mindestens ein Verdichterrad auf, das mit Hilfe eines Elektromotors antreibbar ist. Das heißt, dass der ersten Verdichtungsstufe eine zweite elektromotorisch angetriebene Verdichtungsstufe nachgeschaltet ist. Die elektromotorisch ange triebene zweite Luftverdichtungsstufe ist demnach näher an der mindestens ei nen Brennstoffzelle angeordnet als die mittels der Turbine angetriebene erste Verdichtungsstufe. Mit Hilfe der näher an der Brennstoffzelle angeordneten, elektromotorisch angetriebenen zweiten Verdichtungsstufe kann der Luftmas senstrom im Kathodenpfad des Stacks schneller geregelt werden, so dass ein größerer positiver Leistungssprung möglich ist. Auf diese Weise kann die Dyna mik des gesamten Systems gesteigert werden.
Bevorzugt ist in den Verbindungspfad ein ansteuerbares Ventil, beispielsweise ein Regel- oder Schaltventil, integriert. Die Rezirkulation kann somit temporär, transient oder stationär bewirkt werden. Sofern das Ventil als Regelventil, insbe sondere als Proportionalventil, ausgeführt ist, kann über den variablen Öffnungs querschnitt der rezirkulierte Luftmassenstrom geregelt werden. Sofern das Ventil als Schaltventil ausgeführt ist, kann dieses insbesondere getaktet betrieben wer den.
Bevorzugt ist zwischen der ersten Verdichtungsstufe und der zweiten Verdich tungsstufe und/oder stromabwärts der zweiten Verdichtungsstufe eine Kühlein richtung in den Zuluftpfad integriert. Da sich die Luft beim Verdichten erwärmt, kann auf diese Weise eine Kühlung der Luft erreicht werden. Über eine Kühlung der Luft zwischen den beiden Verdichtungsstufen („Zwischenkühlung“) kann zu gleich eine Erhöhung des Wirkungsgrads der zweiten Verdichtungsstufe erreicht werden. Die aus dem Abluftpfad abgezweigte feuchte Luft bzw. Abluft wird vor zugsweise stromaufwärts der Kühleinrichtung in den Zuluftpfad eingeleitet, damit es zu einer guten Vermischung von trockener und feuchter Luft kommt. Zugleich kann eine Entlastung eines an das Brennstoffzellensystem angeschlossenen Kühlkreises erreicht werden.
Des Weiteren bevorzugt ist die Turbine über eine Bypassleitung mit integriertem Bypassventil umgehbar. Die Umgehung ermöglicht die erforderliche Abstimmung bzw. Synchronisierung der Turbine mit der ersten Verdichtungsstufe. Alternativ oder ergänzend wird vorgeschlagen, dass stromabwärts der Turbine ein Druck regelventil in den Abluftpfad integriert ist. Mit Hilfe des Druckregelventils kann ebenfalls ein Teil der ungenutzten Abluftenthalpie abgebaut werden.
Ferner bevorzugt ist die mindestens eine Brennstoffzelle des Brennstoffzellen systems über eine Bypassleitung mit integriertem Bypassventil umgehbar. Die Bypassleitung ist vorzugsweise stromabwärts des Luftverdichtungssystems an den Zuluftpfad und stromaufwärts der Turbine an den Abluftpfad angeschlossen. Bei geöffnetem Bypassventil gelangt über den Bypasspfad verdichtete Luft in den Abluftpfad. Ein Teil der zum Verdichten eingesetzten Energie kann dann über die Turbine rekuperiert werden. Im Startfall bei tiefen Außentemperaturen kann die über den Bypasspfad der Turbine zugeführte verdichtete und erwärmte Luft zu gleich zum Erwärmen und ggf. Enteisen genutzt werden. Auf diese Weise wird die Gefrierstartfähigkeit des Systems optimiert.
Optional kann ein Bypass zur Umgehung des Verdichterrads der turbinengetrie benen Verdichtungsstufe vorgesehen sein. Dies kann ebenfalls vorteilhaft für das Startverhalten sowie für die Dynamik des Systems sein.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Diese zeigt eine schematische Darstel lung eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnung
Das dargestellte Brennstoffzellensystem 10 umfasst mindestens eine Brennstoff zelle 11, der über einen Zuluftpfad 12 Luft als Sauerstofflieferant zuführbar ist.
Die Luft wird der Umgebung 23 entnommen. Die der Umgebung 23 entnommene Luft wird einem Luftverdichter 22 zugeführt, um diese von schädlichen Partikeln sowie schädliche chemischen Substanzen zu befreien. Aus der Brennstoffzel le 11 austretende Luft wird über einen Abluftpfad 13 zurück an die Umgebung 23 abgeführt.
Neben Sauerstoff benötigt die Brennstoffzelle 11 Wasserstoff, der in einem Tank (nicht dargestellt) bevorratet und der Brennstoffzelle 11 über einen Anodenkreis (nicht dargestellt) zugeführt wird. Da die Brennstoffzelle 11 einen gewissen Luftmassenstrom und ein gewisses Druckniveau erfordert, wird die Luft vor dem Eintritt in die Brennstoffzelle 11 ver dichtet. Die Verdichtung erfolgt mit Hilfe eines mehrstufigen Luftverdichtungssys tems 1, das eine erste Verdichtungsstufe 1.1 sowie eine zweite Verdichtungsstu fe 1.2 umfasst. Die erste Verdichtungsstufe 1.1 weist ein auf einer Welle 7 ange ordnetes Verdichterrad 2 sowie eine Turbine 3 mit einem auf der Welle 7 ange ordneten Turbinenrad 6 auf. Das Verdichterrad 2 wird von der Luft im Zuluft pfad 12 angeströmt, während dem Turbinenrad 6 die aus der Brennstoffzelle 11 austretende und über den Abluftpfad 13 abgeführte feuchte Luft zugeführt wird. Mit Hilfe der Turbine 3 wird somit im Betrieb des Brennstoffzellensystems 10 Energie zurückgewonnen. Der Betrieb der ersten Verdichtungsstufe 1.1 allein über die Turbine 3 erfordert eine genaue Abstimmung. Die Turbine 3 weist hierzu eine Bypassleitung 14 mit integriertem Bypassventil 15 auf. Ergänzend ist strom abwärts der Turbine 3 ein Druckregelventil 16 in den Abluftpfad 13 integriert.
Über eine weitere Bypassleitung 20 mit integrierten Bypassventil 21 kann das Verdichterrad 2 der ersten Verdichtungsstufe 1.1 umgangen werden (siehe Fi gur).
Da sich die Luft beim Verdichten erwärmt, kann stromabwärts der ersten Ver dichtungsstufe 1.1 eine Kühleinrichtung 17 in den Zuluftpfad 12 integriert sein. Mittels dieser kann eine Zwischenkühlung realisiert werden.
Die der ersten Verdichtungsstufe 1.1 nachgeschaltete zweite Verdichtungsstu fe 1.2 weist ein Verdichterrad 4 auf, das mit Hilfe eines Elektromotors 5 angetrie ben wird. Da mit Hilfe des Elektromotors 5 große positive Leistungssprünge er zielt werden können und die den Elektromotor 5 aufweisende zweite Verdich tungsstufe 1.2 nahe der Brennstoffzelle 11 angeordnet ist, kann eine höhere Dy namik bei der Regelung des Luftmassenstroms erreicht werden.
Stromabwärts der zweiten Luftverdichtungsstufe 1.2 ist eine Kühleinrichtung 17 in den Zuluftpfad 12 integriert, um die verdichtete und erwärmte Luft vor dem Ein tritt in die Brennstoffzelle 11 zu kühlen. Durch Öffnen eines Bypassventils 19, das in einen Bypasspfad 18 integriert ist, kann die Brennstoffzelle 11 umgangen wer den, so dass die verdichtete und erwärmte Luft aus dem Zuluftpfad 12 direkt in den Abluftpfad 13 eingeleitet wird. Bei einem Gefrierstart kann auf diese Weise die Turbine 3 enteist werden.
Eine weitere Verbindung des Zuluftpfads 12 mit dem Abluftpfad 13 ist durch Öff- nen eines Ventils 9 herstellbar, das in einen Verbindungspfad 8 integriert ist. Der
Verbindungspfad 8 zweigt stromaufwärts der Turbine 3 vom Abluftpfad 13 ab und mündet zwischen den beiden Verdichtungsstufen 1.1, 1.2 des Luftverdichtungs systems 1 in den Zuluftpfad 12. Der Verbindungspfad 8 dient der Rezirkulation von feuchter Luft bzw. Abluft. Mit Hilfe der rezirkulierten feuchten Luft kann die Luft im Zuluftpfad 12 befeuchtet werden, so dass eine zusätzliche Befeuchtungs einrichtung entbehrlich ist. Zugleich kann die Luft gekühlt werden, so dass die Zwischenkühlung optimiert wird. Sofern eine Kühleinrichtung 17 in den Zuluft pfad 12 stromaufwärts der zweiten Verdichtungsstufe 1.2 integriert ist, erfolgt die Einleitung der feuchten Luft bzw. Abluft aus dem Abluftpfad 13 bevorzugt strom- aufwärts der Kühleinrichtung 17, so dass eine gute Vermischung der trockenen und der feuchten Luft erzielt wird.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems (10), bei dem min destens einer Brennstoffzelle (11) Luft als Sauerstofflieferant zugeführt wird, die zuvor mit Hilfe eines Luftverdichtungssystems (1), umfassend eine in einen Zu luftpfad (12) integrierte erste Verdichtungsstufe (1.1) sowie eine der ersten Ver dichtungsstufe (1.1) nachgeschaltete zweite Verdichtungsstufe (1.2), verdichtet wird, dadurch gekennzeichnet, dass aus der Brennstoffzelle (11) austretende feuch te Luft über einen Abluftpfad (13) und einen Verbindungspfad (8), der den Abluft pfad (13) mit dem Zuluftpfad (12) verbindet, in den Zuluftpfad (12) zwischen der ersten Verdichtungsstufe (1.1) und der zweiten Verdichtungsstufe (1.2) eingelei tet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die über den Verbindungspfad (8) in den Zuluft pfad (12) eingeleitete feuchte Luft stromaufwärts einer in den Abluftpfad (13) in tegrierten Turbine (3) abgezweigt wird, mittels welcher vorzugsweise ein Verdich terrad (2) der ersten Verdichtungsstufe (1.1) angetrieben wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mit Hilfe eines in den Verbindungspfad (8) inte grierten ansteuerbaren Ventils (9), beispielsweise Regel- oder Schaltventils, der aus dem Abluftpfad (13) abgezweigte Luftmassenstrom geregelt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil (9) nur geöffnet wird, wenn der Druck im Abluftpfad (13) über dem Druck im Zuluftpfad (12) liegt, wobei vorzugsweise der Druck bzw. die Drücke sensorisch und/oder mittels Modellen ermittelt wird.
5. Brennstoffzellensystem (10) mit mindestens einer Brennstoffzelle (11), der über einen Zuluftpfad (12) Luft als Sauerstofflieferant zuführbar ist, wobei in den Zuluftpfad (12) ein Luftverdichtungssystem (1) integriert ist, das eine erste Ver dichtungsstufe (1.1) sowie eine der ersten Verdichtungsstufe (1.1) nachgeschal tete zweite Verdichtungsstufe (1.2) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der ersten und der zweiten Verdich tungsstufe (1.1, 1.2) ein Verbindungspfad (8) in den Zuluftpfad (12) mündet, über den der Zuluftpfad (12) mit einem Abluftpfad (13) zum Abführen der aus der Brennstoffzelle (11) austretenden feuchten Luft verbunden oder verbindbar ist.
6. Brennstoffzellensystem (10) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbindungspfad (8) stromaufwärts einer in den Abluftpfad (13) integrierten Turbine (3) abzweigt, die vorzugsweise ein auf einer gemeinsamen Welle (7) mit einem Verdichterrad (2) der ersten Verdich tungsstufe (1.1) angeordnetes Turbinenrad (6) aufweist.
7. Brennstoffzellensystem (10) nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Verdichtungsstufe (1.2) mindestens ein mit Hilfe eines Elektromotors (5) antreibbares Verdichterrad (4) aufweist
8. Brennstoffzellensystem (10) nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass in den Verbindungspfad (8) ein ansteuerbares Ventil (9), beispielsweise ein Regel- oder Schaltventil, integriert ist.
9. Brennstoffzellensystem (10) nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der ersten Verdichtungsstufe (1.1) und der zweiten Verdichtungsstufe (1.2) und/oder stromabwärts der zweiten Ver dichtungsstufe (1.2) eine Kühleinrichtung (17) in den Zuluftpfad (12) integriert ist.
10. Brennstoffzellensystem (10) nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Turbine (3) über eine Bypassleitung (14) mit integriertem Bypassventil (15) umgehbar ist und/oder stromabwärts der Turbi ne (3) ein Druckregelventil (16) in den Abluftpfad (13) integriert ist.
11. Brennstoffzellensystem (10) nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzelle (11) über eine Bypasslei tung (18) mit integriertem Bypassventil (19) umgehbar ist.
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