DE102008002698A1

DE102008002698A1 - Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer oder mechanischer Energie, sowie Verfahren zum Betrieb derselben

Info

Publication number: DE102008002698A1
Application number: DE102008002698A
Authority: DE
Inventors: Florian Wahl; Ulrich Gottwick
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2008-06-27
Filing date: 2008-06-27
Publication date: 2009-12-31

Abstract

Es wird eine Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer oder mechanischer Energie beschrieben mit einem Reaktor (12), dem mindestens eine gasförmige Ausgangssubstanz zugeführt und in diesem umgesetzt wird unter Freisetzung der mechanischen oder elektrischen Energie, sowie mit mindestens einem dem Reaktor (12) vorgeschalteten Verdichter (24) zur Kompression der gasförmigen Ausgangssubstanz, wobei zwischen dem Verdichter (24) und dem Reaktor (12) ein Speicher (34) zur Zwischenspeicherung der komprimierten gasförmigen Ausgangssubstanz vorgesehen ist.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Erzeugung mechanischer oder elektrischer Energie sowie auf ein Verfahren zum Betrieb derselben nach dem Oberbegriff der unabhängigen Ansprüche.
Stand der Technik
In jüngster Zeit erfahren Brennstoffzellensysteme eine zunehmend größere Aufmerksamkeit in Hinblick auf mögliche Anwendungen als Antriebseinheit für Fahrzeuge sowie zur umweltfreundlichen Bereitstellung elektrischer Energie.
Ihre Wirkungsweise beruht auf der elektrochemischen Umsetzung von insbesondere gasförmigen Kraftstoffen wie Wasserstoff, Erdgas, Methanol- oder Benzindämpfen. Diese in einer sogenannten Halbzelle der Brennstoffzelle ablaufenden Reaktionen werden mit einer zweiten Halbzellenreaktion gekoppelt, bei der eine elektrochemische Reduktion von Sauerstoff stattfindet.
Üblicherweise werden derartige Brennstoffzellensysteme mit einem gegenüber Atmosphärendruck erhöhten Druck betrieben, um eine höhere Gesamteffizienz der Brennstoffzelle zu erreichen. Dazu müssen jedoch die der Brennstoffzelle zugeführten kraftstoffhaltigen bzw. sauerstoffhaltigen Gasströme komprimiert werden.
Während der kraftstoffhaltige Gasstrom üblicherweise in Gasdruckspeichern mitgeführt wird und somit naturgemäß einen entsprechend erhöhten Druck aufweist, muss der der Brennstoffzelle zugeführte sauerstoffhaltige Gasstrom (üblicherweise Luft) erst komprimiert werden. Die dazu benötigte elektrische Leistung beträgt oft mehr als 2 kW.
Weiterhin kommt es insbesondere beim Betrieb von Brennstoffzellenfahrzeugen mit großer Lastspreizung im Fall einer niedrigen Last zu Betriebszuständen an der Brennstoffzelle, bei der eine Degradation der Zellkomponenten eintreten kann. Dies ist beispielsweise dann der Fall, wenn die Brennstoffzelle im Leerlauf betrieben wird. Wird, um diese Schädigung zu vermeiden, der Brennstoffzellenstack künstlich elektrisch belastet, wirkt sich dies wiederum negativ auf den Systemwirkungsgrad des Brennstoffzellensystems aus.
Um die zur Kompression des der Brennstoffzelle zugeführten sauerstoffhaltigen Gasstroms benötigte Energie möglichst gering zu halten, wird beispielsweise in der DE 10 2005 009 674 A1 vorgeschlagen, die bei der Expansion von in einem Druckgasspeicher gespeichertem Wasserstoff freigesetzte Energie mechanisch oder elektrisch mit einem Kompressor zu koppeln, der der Vorverdichtung sauerstoffhaltiger Gase für die Brennstoffzelle dient. Dieses vorgeschlagene System löst jedoch nicht die bereits beschriebene Leerlaufproblematik.
Offenbarung der Erfindung
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Erzeugung mechanischer oder elektrischer Energie bereitzustellen, die bei einem erhöhten Innendruck betrieben werden kann und dennoch einen ausreichend guten Gesamtwirkungsgrad aufweist.
Diese Aufgabe wird ausgehend von einer Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer oder mechanischer Energie sowie durch ein Verfahren zum Betrieb derselben mit den kennzeichnenden Merkmalen der unabhängigen Ansprüche in vorteilhafter Weise gelöst.
Dies beruht insbesondere darauf, dass zwischen einem Reaktor, der der Umsetzung mindestens einer gasförmigen Ausgangssubstanz unter Freisetzung der mechanischen oder elektrischen Energie dient, und einem Verdichter zur Kompression der gasförmigen Ausgangssubstanz ein Speicher zur Zwischenspeicherung der komprimierten gasförmigen Ausgangssubstanz vorgesehen ist.
Der besondere Vorteil dieser Anordnung besteht darin, dass insbesondere in Betriebszuständen, die einem Leerlauf der Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer oder mechanischer Energie entsprechen, die Möglichkeit besteht, mittels des Verdichters die erwähnte gasförmige Ausgangssubstanz zu verdichten und diese zwischenzuspeichern. Auf diese Weise kann auch im Leerlaufbetrieb der Vorrichtung eine elektrische Grundlast durch den Verdichter gewährleistet werden, so dass es nicht zu einer Degradation der Vorrichtung kommen kann, sondern diese einer ausreichend hohen Grundlast unterworfen wird.
Die zwischengespeicherte komprimierte gasförmige Ausgangssubstanz wiederum steht für Betriebszustände zur Verfügung, bei denen eine Maximallast an die Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer oder mechanischer Energie angelegt wird. Bei Erreichen derartiger Betriebszustände kann der Verdichter in seiner Leistung gedrosselt oder zumindest kurzzeitig ganz abgeschaltet werden und die Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer oder mechanischer Energie partiell oder in Gänze mit der im Speicher zwischengespeicherten komprimierten gasförmigen Ausgangssubstanz versorgt werden. Auf diese Weise ist eine maximale Leistung der Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer oder mechanischer Energie realisierbar, ohne dass es zu Leistungsverlusten bedingt durch die fortlaufende Komprimierung der gasförmigen Ausgangssubstanz kommt.
Ein weiterer vorteilhafter Aspekt ist darin zu sehen, dass insbesondere bei abrupten Lastwechselvorgängen, bspw. bei einem sogenannten Kick down, die für eine hohe Leistungsabgabe einer Brennstoffzelle bspw. benötigte Luft in kürzester Zeit zur Verfügung gestellt werden kann. Während bei üblichen Brennstoffzellensystemen bei einem Lastwechselvorgang zunächst der Verdichter beschleunigt werden muss, wobei ein Zeitverzug von ca. 500 ms auftritt, kann die vorliegende Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie in diesem Zeitraum aus dem integrierten Speicher mit zwischengespreicherter Luft als Ausgangssubstanz versorgt werden.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
So ist es von Vorteil, wenn der Speicher zur Zwischenspeicherung der komprimierten gasförmigen Ausgangssubstanz einen Drucksensor aufweist. Mit diesem ist eine deutlich effektivere Steuerung des aus Reaktor, Verdichter und Zwischenspeicher gebildeten Systems möglich.
Weiterhin ist von Vorteil, wenn dem Reaktor in Strömungsrichtung der gasförmigen Ausgangssubstanz nachgeordnet eine Turbine zur Rekuperation von Kompressionsenergie vorgesehen ist. Dies ermöglicht die Rückgewinnung von Kompressionsenergie auf Basis des erhöhten Restdrucks der den Reaktor verlassenden Abgase. Die Kompressionsenergie steht wiederum für die Kompression weiterer gasförmiger Ausgangssubstanzen zur Verfügung.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist der erwähnte Zwischenspeicher eine weitere Ableitung für die komprimierte gasförmige Ausgangssubstanz auf. Dies bietet den Vorteil, dass die zwischengespeicherte gasförmige Ausgangssubstanz für weitere Anwendungen, wie beispielsweise die Aufladung eines Verbrennungsmotors oder pneumatische Anwendungen, zur Verfügung steht.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt
1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer oder mechanischer Energie gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Ausführungsformen der Erfindung
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in 1 grafisch verdeutlicht. Dabei ist die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer oder mechanischer Energie als Brennstoffzellensystem ausgeführt. Es sei jedoch darauf hingewiesen, dass die Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer oder mechanischer Energie beispielsweise auch einen Verbrennungsmotor oder eine Gasturbine aufweisen kann.
Das Brennstoffzellensystem 10 umfasst eine Brennstoffzelle 12, die beispielsweise eine erste Halbzelle 12a sowie eine zweite Halbzelle 12b umfasst. Dabei ist beispielsweise eine Vielzahl von Brennstoffzellen 12 zu einem sogenannten Brennstoffzellenstack zusammengefasst. Die Brennstoffzelle 12 dient der Erzeugung elektrischer Energie auf elektrochemischem Wege. Dazu wird die Brennstoffzelle 12 mit einem beispielsweise gasförmigen Brennstoff sowie mit einem sauerstoffhaltigen Gas wie beispielsweise Luft versorgt. Der gasförmige Brennstoff ist vorzugsweise in einem entsprechenden Drucktank 14 gespeichert. Er kann über einen sogenannten Anodenpfad 16, der vorzugsweise einen Druckminderer bzw. Druckregler 18 aufweist, der ersten Halbzelle 12a zugeführt werden.
Die mittels der Brennstoffzelle 12 gewonnene elektrische Energie wird beispielsweise einem Elektromotor 20 zugeführt, der beispielsweise als Antrieb eines Kraftfahrzeugs ausgestaltet sein kann. Weiterhin wird die Brennstoffzelle 12 mit Luft oder einem sonstigen sauerstoffhaltigen Gas über einen sogenannten Kathodenpfad 22 versorgt. Da die Halbzellen 12a, 12b der Brennstoffzelle 12 vorzugsweise mit einem gegenüber dem Luftdruck erhöhten Gasdruck beaufschlagt werden, wird die der zweiten Halbzelle 12b zugeführte Luft zuvor komprimiert. Dies geschieht beispielsweise mittels eines Verdichters oder Kompressors 24.
Um zumindest einen Teil der aufgewendeten Kompressionsenergie zurückzugewinnen, wird in den die Halbzelle 12b verlassenden Kathodenabgaspfad 28 beispielsweise eine Turbine 30 integriert. Diese dient der Rekuperation der Druckenergie unter Bereitstellung mechanischer oder weiterer elektrischer Energie. Weiterhin wird im Kathodenabgaspfad 28 auskondensiertes Wasser über eine Rückführleitung 32 dem Kathoden- bzw. Anodenpfad 16, 22 zur Befeuchtung der gasförmigen Ausgangssubstanzen der Brennstoffzelle 12 zugeführt.
Zur Optimierung des Systemgesamtwirkungsgrades ist vorzugsweise in den Kathodenpfad 22 ein Zwischenspeicher 34 integriert. Dieser ist im vorliegenden Beispiel über einen Seitenpfad 36 mit dem Kathodenpfad 22 verbunden.
Alternativ kann der Zwischenspeicher 34 jedoch auch direkt in den Kathodenpfad 22 integriert sein, so dass die im Kathodenpfad 22 geführte Luft komplett den Zwischenspeicher 34 passiert. Dabei ist der Zwischenspeicher 34 im Kathodenpfad 22 zwischen dem Verdichter 24 und dem Brennstoffzellenstack 12 positioniert. Somit ermöglicht der Zwischenspeicher 34 die Zwischenspeicherung bereits vorkomprimierter Luft. Um eine bessere Regelung der Zwischenspeicherung zu ermöglichen, ist der Seitenpfad 36 beispielsweise über ein geeignetes 3-Wege-Ventil 38 mit dem Kathodenpfad 22 verbunden.
Dabei ist das 3-Wege-Ventil 38 vorzugsweise mit einer Rückschlagfunktion ausgestattet, die verhindert, dass komprimierte Luft den Verdichter 24 in falscher Richtung durchströmen kann. Da üblicherweise in der Brennstoffzelle 12 ein im Vergleich zum Zwischenspeicher 34 abweichendes Druckniveau herrscht, ist das 3-Wege-Ventil 38 weiterhin vorzugsweise mit einer geeigneten Druckregelfunktion versehen. Diese kann beispielsweise durch einen Taktbetrieb oder durch eine entsprechende Proportionalfunktion gewährleistet werden.
Weiterhin kann im Zwischenspeicher 34 ein Drucksensor 40 vorgesehen sein. Dieser dient der Erfassung des Speicherdrucks im Zwischenspeicher 34 und unterstützt eine wirkungsgradoptimierte Steuerung der Vorrichtung 10 zur Erzeugung elektrischer oder mechanischer Energie. Alternativ zur Positionierung eines Drucksensors 40 im Zwischenspeicher 34 kann eine entsprechende zur Steuerung der Vorrichtung 10 ausgelegte, nicht dargestellte Steuereinheit mit einem Funktionsalgorithmus ausgestattet werden, der auf der Basis beispielsweise der Ansteuerung des 3-Wege-Ventils 38, eines nicht dargestellten Drucksensors im Kathodenpfad 22 und auf Basis der Ansteuerung des Verdichters 24 ein Schätzwert des Drucks im Zwischenspeicher 34 berechnet.
Weiterhin kann der Zwischenspeicher 34 einen nicht dargestellten zweiten Auslass für komprimierte Luft aufweisen, der eine Funktion als Druckminderer erfüllt bzw. der Bereitstellung vorverdichteter Luft für pneumatische Zwecke oder zur Aufladung eines entsprechenden Verbrennungsmotors dient. Weitere Anwendungen der im Zwischenspeicher 34 gespeicherten komprimierten Luft können in der mobilen Bereitstellung von Druckluft für Maschinenanwendungen oder für Geräte im handwerklichen Bereich bestehen. Der Zwischenspeicher 34 umfasst beispielsweise ein Innenvolumen von 2 bis 100 Litern, vorzugsweise von 10 bis 60 Liter und insbesondere von 15 bis 30 Liter.
Die Positionierung des Zwischenspeichers 34 im Kathodenpfad 22 dient insbesondere der Vermeidung kritischer Betriebszustände im Leerlauf der Brennstoffzelle 12. Üblicherweise werden Brennstoffzellen in einem Leerlaufzustand entweder mit ganz geringen Gasströmen betrieben, wobei die Gefahr einer Degradation der elektrochemischen Halbzellen 12a, 12b besteht, oder die Brennstoffzellen werden künstlich mit einer Last beaufschlagt, die einen Grundumsatz der Brennstoffzellen bewirkt.
Demgegenüber wird im erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel beispielsweise in einem Leerlaufbetriebszustand der Verdichter 24 als Grundlast weiter betrieben und die dabei komprimierte Luft im Zwischenspeicher 34 gespeichert. Auf diese Weise kann die im Leerlaufbetrieb der Brennstoffzelle 12 erzeugte elektrische Energie in Form von Druckenergie für nachfolgende Betriebszustände gespeichert werden. Dies erhöht den Gesamtwirkungsgrad des Brennstoffzellensystems. Allgemein wird der Verdichter 24 in Phasen geringer Last an der Brennstoffzelle 12 weiter betrieben und dient der Befüllung des Zwischenspeichers 34.
Eine Alternative besteht darin, im Leerlaufbetrieb des Brennstoffzellenstacks 12 den Verdichter 24 zumindest weitgehend außer Betrieb zu nehmen und die zweite elektrochemische Halbzelle 12b mit im Zwischenspeicher 34 gespeicherter komprimierter Luft zu versorgen. Auf diese Weise kann eine Abschaltung der Brennstoffzelle 12 bei Stillstand beispielsweise eines entsprechenden, das Brennstoffzellensystem 10 enthaltenden Fahrzeugs erfolgen und die damit einhergehende Stackalterung bzw. Verkürzung der Lebensdauer des Brennstoffzellenstacks 12 bei geringem Effizienzverlust vermieden werden.
Die während des Leerlaufbetriebs im Zwischenspeicher 34 zwischengespeicherte Luft kann beispielsweise der Brennstoffzelle 12 bei hohen Lastanforderungen zusätzlich zu der bereits mittels des Verdichters 24 zur Verfügung gestellten Luft zugeführt werden oder sie kann als alleinige Luftversorgung der zweiten elektrochemischen Halbzelle 12b dienen.
Grundsätzlich ist eine Befüllung des Zwischenspeichers 34 mit komprimierter Luft immer dann möglich, wenn die mittels des Verdichters 24 bereitgestellte Menge an komprimierter Luft sowohl dem aktuellen Bedarf der Brennstoffzelle 12 genügt als auch eine zusätzliche Einspeicherung im Zwischenspeicher 34 ermöglicht.
Dies ermöglicht einen alternierenden Betrieb des Verdichters 24. So wird in Phasen einer geringen an der Brennstoffzelle 12 anliegenden Last der Verdichter 24 zugeschaltet und in Phasen hoher am Brennstoffzellenstack 12 anliegender Lasten die Leistung des Kompressors 24 heruntergefahren bzw. dieser ausgeschaltet. Der notwendige Druckaufbau im Kathodenpfad 22 erfolgt dann partiell oder ausschließlich mittels des Zwischenspeichers 34.
Die Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer oder mechanischer Energie kann anstelle einer Brennstoffzelle alternativ auch einen Verbrennungsmotor oder eine Gasturbine umfassen. So kann der Verdichter 24 bspw. auch der Aufladung eines Verbrennungsmotors dienen. Auch bei Positionierung eines Zwischenspeichers zwischen dem Verdichter 24 und einem anstelle der Brennstoffzelle 12 vorgesehenen Verbrennungsmotor bzw. einer Gasturbine, lässt sich das vorbeschriebene Betriebsverfahren im Wesentlichen unverändert bei dieser Anordnung anwenden. Es resultieren die bereits anhand von 1 erläuterten Vorteile einer Verbesserung des Gesamtwirkungsgrades der Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer oder mechanischer Energie in analoger Weise.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 102005009674 A1 [0007]

Claims

Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer oder mechanischer Energie, umfassend einen Reaktor (12), dem mindestens eine gasförmige Ausgangssubstanz zugeführt und in diesem umgesetzt wird unter Freisetzung der mechanischen oder elektrischen Energie, sowie mit mindestens einem dem Reaktor (12) vorgeschalteten Verdichter (24) zur Kompression der gasförmigen Ausgangssubstanz, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Verdichter (24) und dem Reaktor (12) ein Speicher (34) zur Zwischenspeicherung der komprimierten gasförmigen Ausgangssubstanz vorgesehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dass die gasförmige Ausgangssubstanz Luft oder Sauerstoff ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dass in den Speicher (34) ein Drucksensor (40) integriert ist.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass in Strömungsrichtung der gasförmigen Ausgangssubstanz dem Reaktor (12) nachgeordnet eine Turbine (30) zur Rekuperation von Kompressionsenergie vorgesehen ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Speicher (34) mittels eines rückschlaggesicherten Dreiwegeventils (38) mit dem Verdichter (24) und dem Reaktor (12) in fluidleitendem Kontakt steht.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Zwischenspeicher (34) eine weitere Ableitung für die komprimierte gasförmige Ausgangssubstanz aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Reaktor (12) eine Brennstoffzelle ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Reaktor (12) ein Verbrennungsmotor oder eine Gasturbine ist.
Verfahren zum Betrieb einer Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer oder mechanischer Energie nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Reaktor (12) zeitweilig zumindest partiell aus dem Zwischenspeicher (34) mit einer gasförmigen Ausgangssubstanz versorgt wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdichter (24) in Phasen einer geringen am Reaktor (12) anliegenden elektrischen oder mechanischen Last betrieben wird.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine Leistungsreduzierung oder Abschaltung des Verdichters (24) bei Vorliegen eines vorbestimmten Füllgrades des Zwischenspeichers (34) erfolgt.