AT528352B1 - Turbovorrichtung für eine Förderung von einem Betriebszuführgas und einem Betriebsabgas eines Brennstoffzellensystems - Google Patents

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Turbovorrichtung (10) für eine Förderung von einem Betriebszuführgas (BZG) und einem Betriebsabgas (BAG) eines Brennstoffzellensystems (100), aufweisend einen Kompressorabschnitt (20) für eine Führung von Betriebszuführgas (BZG) von einem Kompressoreingang (22) zu einem Kompressorausgang (24), weiter aufweisend einen Turbinenabschnitt (40) für eine Führung von Betriebsabgas (BAG) von einem Turbineneingang (42) zu einem Turbinenausgang (44), wobei im Turbinenabschnitt (40) zwischen dem Turbineneingang (42) und dem Turbinenausgang (44) eine Turbine (46) angeordnet ist für eine Aufnahme von Drehmoment aus der Strömungsenergie des Betriebsabgases (BAG), wobei die Turbine (46) als einstufige Turbine (46) ausgebildet ist, wobei im Kompressorabschnitt (20) zwischen dem Kompressoreingang (22) und dem Kompressorausgang (24) ein mehrstufiger Kompressor (26) angeordnet ist für eine Übergabe von Drehmoment an die Strömungsenergie des Betriebszuführgases (BZG) für eine Kompression des Betriebszuführgases (BZG), wobei der Kompressor (26) drehmomentübertragend mit der Turbine (46) gekoppelt ist und eine erste Kompressorstufe (26a) stromabwärts des Kompressoreingangs (22) aufweist und weiter wenigstens eine zweite Kompressorstufe (26b) stromabwärts der ersten Kompressorstufe (26a) und stromaufwärts des Kompressorausgangs (24) aufweist, wobei die Turbine (46) über eine mechanische Getriebevorrichtung (50) drehmomentübertragend mit dem Kompressor (26) gekoppelt ist.

Description

Beschreibung

TURBOVORRICHTUNG FÜR EINE FÖRDERUNG VON EINEM BETRIEBSZUFÜHRGAS UND EINEM BETRIEBSABGAS EINES BRENNSTOFFZELLENSYSTEMS

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft eine Turbovorrichtung für eine Förderung von einem Betriebszuführgas und einem Betriebsabgas eines Brennstoffzellensystems, ein Brennstoffzellensystem mit einer solchen Turbovorrichtung sowie ein Kontrollverfahren für ein kontrolliertes Verdichten eines Betriebszuführgases mit einer solchen Turbovorrichtung.

[0002] Es ist bekannt, dass beim Betrieb von Brennstoffzellensystemen die Zuführgase zumindest teilweise komprimiert werden sollen. Wird das Brennstoffzellensystem beispielsweise unter der Verwendung von Umgebungsluft als Zuluft betrieben, so soll diese Umgebungsluft auf einen definierten Betriebsdruck gebracht werden. Die Druckdifferenz muss dabei zwischen dem Umgebungsdruck und dem Betriebsdruck überwunden werden. Für diese Überwindung ist üblicherweise eine Kompressionsvorrichtung vorgesehen, welche bei den bisherigen Lösungen einen elektrisch betriebenen Kompressor aufweist. Um nun die Effizienz zu steigern und insbesondere die elektrische Leistung für den Betrieb eines rein elektrischen Kompressors zu reduzieren, sind bereits sogenannte Turbovorrichtungen im Einsatz, welche einen Teil der Strömungsenergie des Abgases wiederverwerten und für die Kompression nutzen können. Solche Turbovorrichtungen sind beispielsweise als Turbolader aus dem Bereich der Verbrennungsmotoren bekannt, sodass mit solchen Vorrichtungen Strömungsenergie aus einem Abgas in drehmomentübertragender Weise auf einen Kompressor und damit auf eine Zuluft übertragen werden könnten.

[0003] Weitere Turbovorrichtungen sind beispielsweise aus der GB 2620441 A, der CN 111878423 A, der CN 114370411 A und der CN 209115369 U bekannt.

[0004] Nachteilhaft bei den bekannten Lösungen ist es, dass zwar grundsätzlich eine Effizienzsteigerung im Vergleich zu einem rein elektrischen Kompressionsbetrieb möglich ist, jedoch immer noch insbesondere für instationäre Betriebssituationen des Brennstoffzellensystems eine nicht ausreichende Effizienz der Kompression vorhanden ist. Insbesondere fehlt eine Kombination aus hoher Effizienz und gleichzeitig flexibler Kontrollierbarkeit des Kompressionsbedarfs. Dies ist insbesondere dann nachteilig, wenn das Brennstoffzellensystem bei stark schwankenden Umgebungsdrücken, wie beispielsweise bei Luftfahrzeugen, oder bei grundsätzlich niedrigem Umgebungsdruck, also beim Betrieb in großen Höhen, eingesetzt werden soll.

[0005] Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die voranstehend beschriebenen Nachteile zumindest teilweise zu beheben. Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, in kostengünstiger und einfacher Weise eine Effizienzsteigerung bei der Kompressionsfunktionalität in einem Brennstoffzellensystem zu erzielen.

[0006] Die voranstehende Aufgabe wird gelöst durch eine Turbovorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1, ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Anspruchs 10 sowie ein Kontrollverfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 11. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Turbovorrichtung beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem sowie dem erfindungsgemäßen Kontrollverfahren und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Aspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird beziehungsweise werden kann.

[0007] Erfindungsgemäß dient eine Turbovorrichtung der Förderung von einem Betriebszuführgas und einem Betriebsabgas eines Brennstoffzellensystems. Hierfür weist die Turbovorrichtung einen Kompressorabschnitt auf für eine Führung von Betriebszuführgas von einem Kompressoreingang zu einem Kompressorausgang. Weiter ist ein Turbinenabschnitt vorgesehen für eine Führung von Betriebsabgas von einem Turbineneingang zu einem Turbinenausgang. Im Turbinenabschnitt ist zwischen dem Turbineneingang und dem Turbinenausgang eine Turbine angeordnet für eine Aufnahme von Drehmoment aus der Strömungsenergie des Betriebsabgases.

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Eine erfindungsgemäße Turbovorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass im Kompressorabschnitt zwischen dem Kompressoreingang und dem Kompressorausgang ein mehrstufiger Kompressor angeordnet ist für eine Übergabe von Drehmoment an die Strömungsenergie des Betriebszuführgases für eine Kompression des Betriebszuführgases. Der Kompressor ist dabei drehmomentübertragend mit der Turbine gekoppelt. Er weist eine erste Kompressorstufe stromabwärts des Kompressoreingangs auf. Weiter ist er mit wenigstens einer zweiten Kompressorstufe stromabwärts der ersten Kompressorstufe und stromaufwärts des Kompressorausgangs ausgestattet.

[0008] Das Brennstoffzellensystem gemäß der Erfindung ist insbesondere als PEM- Brennstoffzellensystem ausgebildet.

[0009] Die erfindungsgemäße Turbovorrichtung basiert auf dem grundlegenden technischen Konzept zu Turboladern bei Verbrennungsmotoren. Auch bei der vorliegenden Erfindung soll zur Effizienzsteigerung zumindest ein Teil der Strömungsenergie des Betriebsabgases wiedergewonnen werden. Hierfür ist die Turbovorrichtung mit dem Turbinenabschnitt ausgestattet. Das üblicherweise heiße und mit Druck beaufschlagte Betriebsabgas auf der Abgasseite eines Brennstoffzellenstapels des Brennstoffzellensystems kann vom Turbineneingang aufgenommen werden. Dieses Betriebsabgas strömt nun durch den Turbinenabschnitt und durchströmt dabei die Turbine. Nachdem zumindest ein Teil der Strömungsenergie aus dem Betriebsabgas in eine Rotationsbewegung in Form von einer Drehmomentübergabe an der Turbine aufgenommen worden ist, wird nun das um diese Strömungsenergie reduzierte Betriebsabgas an dem Turbinenausgang zur Verfügung gestellt. Der Turbineneingang und der Turbinenausgang, wie auch der Kompressoreingang und der Kompressorausgang, stellen dabei die fluidkommunizierenden Schnittstellen für die Einbindung in das später noch erläuterte Brennstoffzellensystem dar.

[0010] In ähnlicher Weise ist der Kompressorabschnitt in einen Zuführabschnitt des Brennstoffzellenstapels des Brennstoffzellensystems fluidkommunizierend integriert. Betriebszuführgas, beispielsweise Zuluft, kann aus der Umgebung angesaugt werden und über den Kompressoreingang dem Kompressorabschnitt zugeführt werden. Innerhalb des Kompressorabschnitts ist nun die Kompressionsfunktionalität durch den Kompressor vorgegeben. Der Kompressor ist dabei als mehrstufiger Kompressor ausgebildet und weist insbesondere wenigstens zwei separate und strömungstechnisch sequentiell hintereinander geschaltete Kompressorstufen auf. Für jede Kompressorstufe ist ein eigener Rotor vorgesehen, welche identische oder unterschiedliche geometrische Ausprägungen aufweisen können. Wesentlich ist in der vorliegenden Erfindung, dass der Kompressor wenigstens zweistufig, insbesondere jedoch sogar mehrstufig, ausgebildet ist.

[0011] Durch die Verwendung eines mehrstufigen Kompressors mit zwei oder mehr Kompressorstufen werden eine Vielzahl von Vorteilen erzielbar. Zum einen wird es auf diese Weise möglich, die Effizienz der Turbovorrichtung noch weiter zu steigern. So kann jede der einzelnen Kompressorstufen in effizienter Weise eine Teilkompression zur Verfügung stellen. Soll beispielsweise eine Druckdifferenz von 2 bar zwischen Umgebungsdruck und Betriebsdruck überwunden werden, so kann diese Druckdifferenz hälftig auf die beiden Kompressorstufen aufgeteilt werden. Im Vergleich zu bekannten Lösungen, welche mit einem einzigen Kompressor nun eine Druckdifferenz von 2 bar überbrücken müssen, kann bei der erfindungsgemäßen Ausgestaltung jede der beiden Kompressorstufen die hälftige Kompressorleistung und damit nur 1 bar übernehmen. Dies führt zu kleinerer, kompakterer und kostengünstiger Ausgestaltung der jeweiligen Kompressorstufe. Damit zusammenhängend entsteht auch eine effizientere Betriebsweise der beiden Kompressorstufen, sodass in der Zusammenschau die Gesamteffizienz des Kompressors über die beiden einzelnen Kompressorstufen gesteigert werden kann.

[0012] Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist es, dass durch die mehrstufige Ausgestaltung des Kompressors die Kompaktheit des Systems der Turbovorrichtung gesteigert werden kann. Insbesondere ist auch die Komplexität durch die einfacheren einzelnen Kompressorstufen reduziert und auf diese Weise der Kostenaufwand für die Konstruktion und für die Montage einer solchen Turbovorrichtung minimiert.

[0013] Es ist noch darauf hinzuweisen, dass die drehmomentübertragende Kopplung zwischen

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der Turbine und dem Kompressor eine feste Verbindung, eine lösbare Verbindung oder eine Verbindung über das später noch erläuterte Getriebe sein kann. Auch eine Schaltbarkeit dieser Kopplung, beispielsweise mittels Kupplungsvorrichtungen ist grundsätzlich im Rahmen der vorliegenden Erfindung denkbar.

[0014] Es ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Turbine über eine mechanische Getriebevorrichtung drehmomentübertragend mit dem Kompressor gekoppelt ist. Eine solche mechanische Getriebevorrichtung kann zum Beispiel mehrere rotierende Zahnradkomponenten aufweisen, welche insbesondere eine Übersetzung und/oder eine Untersetzung mit sich bringen. Die mechanische Getriebevorrichtung erlaubt es damit, nicht nur eine einfache drehmomentübertragende Kopplung, sondern insbesondere über das Getriebe eine übersetzte drehmomentübertragende Kopplung zur Verfügung zu stellen. Insbesondere für instationäre Betriebssituationen können hier große Vorteile erzielt werden. Nicht zuletzt ist diese rein mechanische Kopplung frei von einer elektrischen Kopplung, sodass die bei manchen bekannten Lösungen vorhandenen elektrischen Verluste bei einer elektrischen Übertragung zwischen Turbinen und Kompressoren, vermieden werden. Vorzugweise ist die mechanische Getriebevorrichtung in der Lage, die Drehmomentübertragung von der Turbine für alle Stufen des Kompressors zur Verfügung zu stellen.

[0015] Weitere Vorteile können erzielt werden, wenn bei einer erfindungsgemäßen Turbovorrichtung die mechanische Getriebevorrichtung eine variable Kontrollierbarkeit für eine Kontrolle des von der Turbine an den Kompressor übergebenen Drehmoments aufweisen. Darunter ist zu verstehen, dass die Getriebevorrichtung eine Kontrollfunktion aufweist. Im einfachsten Fall kann damit das zu übergebende Drehmoment angepasst werden. Je nach Betriebssituation des Brennstoffzellensystems, aber auch in Abhängigkeit des Umgebungsdrucks, kann insbesondere ein gezieltes Kontrollieren oder auch Herunterregeln des aufgenommenen Drehmoments zur Verfügung gestellt werden. Damit wird es möglich, zumindest einen Teil des aufgenommenen Drehmoments nicht oder nur in reduzierter Weise an das Betriebszuführgas weiterzugeben. Insbesondere wird auf diese Weise eine aktive Kontrolle der Kompression und damit in indirekter Weise eine aktive Kontrolle des Drucks auf der Zuführseite des Brennstoffzellenstapels des Brennstoffzellensystems möglich. Auch wird es möglich, die Drehzahlen der Turbine und der einzelnen Kompressorstufen aneinander, vorzugsweise in kontrollierter Weise anzugleichen.

[0016] Weiter von Vorteil kann es sein, wenn bei einer erfindungsgemäßen Turbovorrichtung die mechanische Getriebevorrichtung eine variable Kontrollierbarkeit für jede einzelne Kompressorstufe aufweist. Darunter ist zu verstehen, dass die Funktionalität und die Kontrollierbarkeit noch granularer ausgestaltet sind. Die mechanische Getriebevorrichtung kann vorzugsweise eine Schaltbarkeit und/oder eine quantitative Kontrollierbarkeit spezifisch für jede Kompressorstufe aufweisen. Damit wird eine spezifische Kontrollierbarkeit für jede Kompressorstufe zur Verfügung gestellt, die die voranstehend beschriebenen Vorteile noch weiter verstärkt.

[0017] Ebenfalls von Vorteil kann es sein, wenn bei einer erfindungsgemäßen Turbovorrichtung der Kompressor, insbesondere zumindest die zweite Kompressorstufe, drehmomentübertragend mit einem Elektromotor gekoppelt ist. Je nach Betriebssituation kann es zum Beispiel bei Anfahrprozessen des Brennstoffzellensystems nicht ausreichend sein, ausschließlich die aufgenommenen Drehmomentmengen aus der Strömungsenergie des Betriebsabgases zu nutzen. Ist eine deutlich stärkere Kompression gewünscht, als durch die Turbine gewährleistet werden kann, kann für diese instationären Betriebssituationen der Elektromotor die fehlende Differenz zur Verfügung stellen. Dieser Elektromotor ist jedoch klein und leistungsarm ausgebildet, da er nur in diesen Sondersituationen die verbleibende Restmenge an Drehmoment zur Verfügung stellen muss. Im Vergleich zu klassischen, rein elektrischen Kompressoren ist hier eine kleinere, leichtere und damit vor allem kostengünstigere Ausgestaltung des Elektromotors möglich.

[0018] Von Vorteil ist es darüber hinaus, wenn bei einer erfindungsgemäßen Turbovorrichtung die erste Kompressorstufe und die zweite Kompressorstufe auf einer gemeinsamen Kompressorwelle angeordnet sind. Insbesondere handelt es sich dabei um eine Kompressorwelle, welche durchgehend oder im Wesentlichen durchgehend verläuft, sodass jedes Kompressorelement der jeweiligen Kompressorstufe drehmomentübertragend mit dieser gemeinsamen Kompressorwelle

verbunden ist. Diese Kompressorwelle ist insbesondere weitergeführt bis zu einem Getriebeausgang der bereits erläuterten mechanischen Getriebevorrichtung. Damit kann das Drehmoment sehr einfach und insbesondere ohne Änderung der Drehrichtung und/oder ohne Änderung der Gesamterstreckung übertragen werden. Gleiches gilt vorzugweise auch mit Bezug auf die später noch erläuterte Turbinenwelle.

[0019] Von Vorteil ist es ebenfalls, wenn bei einer erfindungsgemäßen Turbovorrichtung der Kompressorabschnitt zumindest einen Stufen-Bypassabschnitt aufweist für einen kontrollierten Bypass des Betriebszuführgases an wenigstens einer Kompressorstufe vorbei. Damit wird insbesondere eine weiter gesteigerte Kontrollierbarkeit ermöglicht, wie sie zum Beispiel durch ein Bypass-Kontrollventil zur Verfügung gestellt wird. Die einzelnen Kompressorstufen können dabei ähnlich einem Getriebe geschaltet werden und qualitativ aber auch quantitativ zu-, ab- oder quantitativ kontrolliert geschaltet werden. Vorzugsweise ist immer mindestens ein Stufen-Bypassabschnitt für genau eine Kompressorstufe vorgesehen, sodass eine exakte und für die jeweilige Kompressorstufe spezifische Schaltmöglichkeit zur Verfügung gestellt ist.

[0020] Weiter von Vorteil ist es ebenfalls, wenn bei einer erfindungsgemäßen Turbovorrichtung der Kompressor wenigstens eine dritte Kompressorstufe zwischen der zweiten Kompressorstufe und dem Kompressorausgang aufweist. Selbstverständlich können auch noch eine vierte, eine fünfte oder weitere Kompressorstufen in ähnlicher Kaskadierung vorgesehen sein. Damit wird eine noch weitere Flexibilisierung und Skalierung möglich. Zum einen können größere Kompressorleistungen und damit größere Druckunterschiede zwischen Umgebungsdruck und Betriebsdruck überbrückt werden. Zum anderen wird es möglich, die einzelnen benötigten Teilleistungen oder auch Stufenleistungen für jede Kompressorstufe noch weiter zu reduzieren, um die erfindungsgemäßen beschriebenen Vorteile dieser Aufteilung auf einzelne Kompressorstufen noch weiter zu stärken.

[0021] Ebenfalls vorgesehen ist es, dass bei einer erfindungsgemäßen Turbovorrichtung die Turbine als einstufige Turbine ausgebildet ist. Hier ist insbesondere gut der Unterschied zu klassischen Doppelturboladern oder Biturboladern zu sehen. Während bei einem Biturbolader, welcher auch Twin-Turbolader bei einem Verbrennungsmotor genannt wird, zwei vollständige Turboladervorrichtungen mit je einer eigenen Turbine und je einem eignen Kompressor strömungstechnisch hintereinandergeschaltet sind, wird bei einer erfindungsgemäßen Ausgestaltung der Turbovorrichtung nur die Kompressorseite einer einzigen Turbovorrichtung mehrstufig ausgeführt. Dies führt zu den beschriebenen Vorteilen, wobei nicht die gesamte Kompressionsleistung gesteigert, sondern die gleichbleibende Kompressionsleistung auf eine größere Anzahl einzelner Kompressionsstufen aufgeteilt wird. Dies geht insbesondere einher mit der erläuterten Kontrollierbarkeit der Effizienzsteigerung auf der Kompressorseite bei einer einfach und im Wesentlichen standardmäßig ausgebildeten Turbinenseite der Turbovorrichtung.

[0022] Von Vorteil ist es weiter, wenn bei einer erfindungsgemäßen Turbovorrichtung der Kompressor eine Kompressorwelle, insbesondere eine gemeinsame Kompressorwelle für alle Kompressorstufen, und die Turbine eine Turbinenwelle aufweist. Dabei sind die Kompressorwelle und die Turbinenwelle parallel oder im Wesentlichen parallel, insbesondere koaxial oder im Wesentlichen koaxial zueinander ausgerichtet. Diese Ausrichtung von Kompressorwelle und Turbinenwelle führt zu einer deutlichen Reduktion von Bauraum und Komplexität. Auch werden auf diese Weise durch das Vermeiden von Umlenkungen und unnötigen Kopplungen zwischen den Wellen mechanische Verluste weitestgehend eliminiert. Die Integration der mechanischen Getriebevorrichtung in der Turbovorrichtung wird damit weiter vereinfacht und hinsichtlich der mechanischen Getriebevorrichtung eine einfachere Kopplung an eine Eingangswelle und eine Ausgangswelle der mechanischen Getriebevorrichtung zur Verfügung gestellt.

[0023] Vorteile bringt es darüber hinaus mit sich, wenn bei einer erfindungsgemäßen Turbovorrichtung die erste Kompressorstufe und die zweite Kompressorstufe drehmomentübertragend über ein Kompressorgetriebe verbunden sind für eine Erzeugung einer unterschiedlichen Drehzahl an den beiden Kompressorstufen. Dieses Kompressorgetriebe kann eine feste oder variable Übersetzung aufweisen. Bei einer variablen Übersetzung ist eine schaltbare Kontrollierbarkeit der

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unterschiedlichen Drehzahlen möglich. Neben der grundsätzlichen Aufteilung der einzelnen Druckstufen zwischen den Kompressorstufen kann bei dieser Ausführungsform nun auch ein asymmetrisches Aufteilen dieser Druckstufen zur Verfügung gestellt werden. Dies erlaubt es, die Vorteile der vorliegenden Erfindung noch flexibler zur Verfügung zu stellen, insbesondere für Ausführungsformen, welche eine Schaltbarkeit mittels Stufen-Bypassabschnitten aufweisen.

[0024] Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Brennstoffzellensystem für eine Erzeugung von elektrischem Strom unter der Umsetzung von Brenngas. Ein solches Brennstoffzellensystem weist wenigstens einen Brennstoffzellenstapel mit einer Luftseite und einer Brennstoffseite auf. Die Luftseite ist mit einem Luftzuführabschnitt zur Zufuhr von Zuluft und einem Luftabführabschnitt für eine Abfuhr von Abluft ausgestattet. Die Brennstoffseite weist einen Brennstoffzuführabschnitt für die Zufuhr von Brennstoffzuführgas und einen Brennstoffabführabschnitt für eine Abfuhr von Brennstoffabgas auf. Ein solches Brennstoffzellensystem zeichnet sich dadurch aus, dass zumindest für die Luftseite eine Turbovorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung vorgesehen ist mit der Zuluft als Betriebszuführgas und der Abluft als Betriebsabführgas. Mit anderen Worten wird die Turbovorrichtung auf der Luftseite des Brennstoffzellenstapels des Brennstoffzellensystems eingesetzt. Damit bringt ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf eine erfindungsgemäße Turbovorrichtung erläutert worden sind.

[0025] Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem ist insbesondere als PEM-Brennstoffzellensystem ausgebildet, wobei eine Verwendung desselben bevorzugt in einem Luftfahrzeug erfolgt. Von Vorteil kann auch eine Verwendung als stationäre oder mobile Einrichtung des Brennstoffzellensystems in großen Höhen, insbesondere mehr als 1500 m über dem Meeresspiegel vorgesehen sein.

[0026] Ebenfalls Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Kontrollverfahren für ein kontrolliertes Verdichten eines Betriebszuführgases mit einer erfindungsgemäßen Turbovorrichtung. Ein solches Kontrollverfahren zeichnet sich durch die folgenden Schritte aus:

- Erfassen eines Soll-Verdichtungswertes für eine Verdichtung eines Betriebszuführgases,

- Bestimmen einer Soll-Drehzahl für die Kompressorstufen des Kompressors der Turbovorrichtung und/oder der Turbinenstufen,

- Anpassen der Ist-Drehzahl der Kompressorstufen und/oder der Turbinenstufen an die bestimmte Soll-Drehzahl.

[0027] Ein erfindungsgemäßes Kontrollverfahren bringt die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf eine erfindungsgemäße Turbovorrichtung erläutert worden sind. Die Anpassung der Ist-Drehzahl erfolgt dabei insbesondere durch die mehrfach erläuterte mechanische Getriebevorrichtung zwischen dem Turboabschnitt, Turbinenabschnitt und dem Kompressorabschnitt. Auch kann auf diese Weise eine Anpassung oder eine Ergänzung durch zusätzliches Drehmoment von einem vorhandenen angeordneten Elektromotor auf der Seite des Kompressorabschnitts zur Verfügung gestellt werden.

[0028] Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen beschrieben sind. Es zeigen schematisch:

[0029] Fig. 1 eine Ausführungsform einer Turbovorrichtung,

[0030] Fig. 2 eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Turbovorrichtung, [0031] Fig. 3 eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Turbovorrichtung, [0032] Fig. 4 eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Turbovorrichtung, [0033] Fig. 5 eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Turbovorrichtung,

[0034] Fig. 6 eine weitere Ausführungsform einer Turbovorrichtung,

[0035] Fig. 7 eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Turbovorrichtung und [0036] Fig. 8 eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems.

[0037] Figur 1 zeigt schematisch eine nicht erfindungswesentliche Turbovorrichtung 10. Diese ist schematisch dargestellt und auf Bauteile, wie Gehäuse, Fluidkanäle oder Ähnliches, wurde in dieser schematischen Darstellung aus Übersichtlichkeitsgründen verzichtet. In der Figur 1 ist gut Zu erkennen, dass sich die Turbovorrichtung 10 im Wesentlichen in einen Kompressorabschnitt 20 und einen Turboabschnitt 40 aufteilen lässt. Der Turboabschnitt 40 ist mit einem Turbineneingang 42 und einem Turbinenausgang 44 ausgestattet. Betriebsabgas BAG aus dem Brennstoffzellensystem 100 kann über den Turbineneingang 42 durch eine Turbine 46 strömen und diese damit in Rotation versetzen. Die Rotation wird durch die Strömungsenergie des Betriebsabgases BAG als Drehmoment auf die Turbinenwelle 48 übertragen. In drehmomentübertragender Kopplung befindet sich auf der Seite des Kompressorabschnitts 20 ein zweistufiger Kompressor 26. Dieser weist eine erste Kompressorstufe 26a und eine zweite Kompressorstufe 26b auf, die fluidtechnisch seriell hintereinander in einem Kompressorabschnitt 20 angeordnet sind. Betriebszuführgas BZG wird über den Kompressoreingang 22 in den Kompressor 26 einströmen. Nach dem Durchströmen der ersten Kompressorstufe 26a wird anschließend die zweite Kompressorstufe 26b durchströmt und abschließend verlässt das Betriebszuführgas BZG den Kompressorabschnitt 20 durch den Kompressorausgang 24 in komprimiertem Zustand.

[0038] Wie in der Figur 1 gut zu erkennen ist, ist der Kompressor 26 mehrstufig, hier zweistufig, ausgebildet. Das bedeutet, dass der zu überbrückende Druckunterschied von dem Umgebungsdruck zum gewünschten Betriebsdruck nun entsprechend auf diese beiden einzelnen Stufen aufgeteilt werden kann. Wird beispielsweise ein Druckunterschied von 2 bar gewünscht, so kann jeweils jede Stufe symmetrisch 1 bar an Druckunterschied und damit an Kompressionsleistung zur Verfügung stellen. Damit kann jede der Kompressorstufen 26a und 26b entsprechend kleiner und leichter ausgebildet sein und trotzdem den gesamten Druckunterschied von 2 bar zur Verfügung stellen. Für die Kopplung zwischen den beiden Kompressorstufen 26a und 26b ist hier eine Kompressorwelle 28 zur Verfügung gestellt, welche in drehmomentübertragender Kopplung parallel und sogar koaxial mit der Turbinenwelle 48 ausgerichtet ist.

[0039] Die Figur 2 zeigt eine Weiterbildung der Ausführungsform der Figur 1. Hier ist in drehmomentübertragende Kopplung zwischen dem Turbinenabschnitt 40 und dem Kompressorabschnitt 20 eine mechanische Getriebevorrichtung 50 integriert. Diese ist insbesondere variabel kontrollierbar ausgestaltet, sodass insbesondere ein Angleichen der Drehzahl in der Turbine 26 und der Kompressorstufe 26a und 26b möglich wird. Insbesondere kann bei instationären Betriebssituationen des Brennstoffzellensystems auf diese Weise ein kontrollierter Eingriff in den gewünschten Druckunterschied und/oder die gewünschte Drehzahl auf der Seite des Kompressorabschnitts 20 und/oder des Turbinenabschnitts 40 genommen werden.

[0040] Auch die Figur 3 bildet die Ausführungsform der Figur 2 nochmals weiter. Für Betriebssituationen, in denen die aufnehmbare Strömungsenergie mit Betriebsabgas BAG nicht ausreicht, um den gewünschten Verdichtereffekt zu erzielen, ist hier nun ein Elektromotor 60 vorgesehen. Dieser ist dehmomentübertragend dem Kompressor 26 und insbesondere hier mit der zweiten Kompressorstufe 26b gekoppelt. Im einfachsten Fall handelt es sich bei dieser Anbindung um eine direkte koaxiale Verlängerung der Kompressorwelle 28.

[0041] In der Figur 4 ist noch eine Möglichkeit eines Bypasses vorgesehen. So ist hier über ein Bypass-Kontrollventil 32 verlaufend ein Stufen-Bypassabschnitt 30 vorgesehen, über welchen zumindest ein Teil des Betriebszuführgases BZG an der zweiten Kompressorstufe 26b vorbeigeführt werden kann. Ähnlich ist ein zusätzlicher Stufen-Bypassabschnitt 30 auch für die erste Kompressorstufe 26a, beispielsweise in der Figur 5, dargestellt. Selbstverständlich können noch weitere Ventilvorrichtungen vorgesehen sein, um in kontrollierbarer Weise qualitativ oder quantitativ diese Bypass-funktion auszubilden.

[0042] In der Figur 6 ist eine nicht zur Erfindung gehörende Weiterbildung dargestellt, bei welcher eine dreistufige Ausgestaltung des Kompressors 26 vorgesehen ist. Hier ist nun die dritte Kom-

pressorstufe 26c vorgesehen, welche in der Lage ist, eine noch feinere Aufteilung oder einen noch größeren Druckunterschied für das Betriebszuführgas BZG zu erzeugen.

[0043] In der Figur 7 ist eine Variante dargestellt, bei welcher zusätzlich zwischen den beiden Kompressorstufen 26a und 26b noch ein Kompressorgetriebe 34 vorgesehen ist. Dies kann es ermöglichen, unterschiedliche Drehzahlen für die einzelnen Kompressorstufen 26a und 26b zu ermöglichen, sodass eine noch weitere, insbesondere kontrollierbare und variable Einstellmöglichkeit, für die einzelnen Stufen des Kompressors 26 zur Verfügung gestellt werden kann.

[0044] Die Figur 8 zeigt schematisch ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem 100. Dieses ist hier mit einem Brennstoffzellenstapel 110 ausgestattet. Dieser lässt sich in eine Luftseite 120 und eine Brennstoffseite 130 aufteilen. Auf der Brennstoffseite 130 wird Brennstoffzuführgas BZG über den Brennstoffzuführabschnitt 132 zugeführt. Entstehendes Brennstoffabgas BAG wird über den Brennstoffabführabschnitt 134 abgeführt. Ähnlich ist auf der Luftseite 120 ein Luftzuführabschnitt 122 für die Zufuhr von Zuluft ZL vorgesehen. Die hier entstehende Abluft AL wird über einen Abluftabführabschnitt 124 von der Luftseite 120 abgeführt. Auf der Luftseite 120 ist nun eine Turbovorrichtung 10 gemäß der Ausgestaltung einer der Figuren 1 bis 7 integriert.

[0045] Die Zuluft ZL bildet damit das Betriebszuführgas BZG und durchströmt den Kompressorabschnitt 20 der Turbovorrichtung 10. Ahnlich bildet die Abluft AL das Betriebsabgas BAG und durchströmt entsprechend den Turbinenabschnitt 40 der Turbovorrichtung 10.

[0046] Die voranstehende Erläuterung der Ausführungsformen beschreibt die vorliegende Erfindung ausschließlich im Rahmen von Beispielen.

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BEZUGSZEICHENLISTE

10 Turbovorrichtung

20 Kompressorabschnitt 22 Kompressoreingang

24 Kompressorausgang 26 Kompressor

26a erste Kompressorstufe 26b zweite Kompressorstufe 26c dritte Kompressorstufe 28 _ Kompressorwelle

30 _Stufen-Bypassabschnitt 32 Bypass-Kontrollventil 34 Kompressorgetriebe

40 Turbinenabschnitt

42 Turbineneingang

44 Turbinenausgang

46 Turbine

48 Turbinenwelle

50 Getriebevorrichtung

60 Elektromotor

100 Brennstoffzellensystem 110 Brennstoffzellenstapel 120 Luftseite

122 Luftzuführabschnitt

124 Luftabführabschnitt

130 Brennstoffseite

132 Brennstoffzuführabschnitt 134 Brennstoffabführabschnitt BZG Betriebszuführgas

BAG Betriebsabgas

ZL Zuluft

AL Abluft

ZG Brennstoffzuführgas AG Brennstoffabgas

Claims (11)

Patentansprüche

1. Turbovorrichtung (10) für eine Förderung von einem Betriebszuführgas (BZG) und einem Betriebsabgas (BAG) eines Brennstoffzellensystems (100), aufweisend einen Kompressorabschnitt (20) für eine Führung von Betriebszuführgas (BZG) von einem Kompressoreingang (22) zu einem Kompressorausgang (24), weiter aufweisend einen Turbinenabschnitt (40) für eine Führung von Betriebsabgas (BAG) von einem Turbineneingang (42) zu einem Turbinenausgang (44), wobei im Turbinenabschnitt (40) zwischen dem Turbineneingang (42) und dem Turbinenausgang (44) eine Turbine (46) angeordnet ist für eine Aufnahme von Drehmoment aus der Strömungsenergie des Betriebsabgases (BAG), wobei die Turbine (46) als einstufige Turbine (46) ausgebildet ist, wobei im Kompressorabschnitt (20) zwischen dem Kompressoreingang (22) und dem Kompressorausgang (24) ein mehrstufiger Kompressor (26) angeordnet ist für eine Übergabe von Drehmoment an die Strömungsenergie des Betriebszuführgases (BZG) für eine Kompression des Betriebszuführgases (BZG), wobei der Kompressor (26) drehmomentübertragend mit der Turbine (46) gekoppelt ist und eine erste Kompressorstufe (26a) stromabwärts des Kompressoreingangs (22) aufweist und weiter wenigstens eine zweite Kompressorstufe (26b) stromabwärts der ersten Kompressorstufe (26a) und stromaufwärts des Kompressorausgangs (24) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Turbine (46) über eine mechanische Getriebevorrichtung (50) drehmomentübertragend mit dem Kompressor (26) gekoppelt ist.

2. Turbovorrichtung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mechanische Getriebevorrichtung (50) eine variable Kontrollierbarkeit für eine Kontrolle des von der Turbine (46) an den Kompressor (26) übergebenen Drehmoments aufweist.

3. Turbovorrichtung (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die mechanische Getriebevorrichtung (50) eine variable Kontrollierbarkeit für jede einzelne Kompressorstufe (26a, 26b) aufweist.

4. Turbovorrichtung (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kompressor (26), insbesondere zumindest die zweite Kompressorstufe (26b), drehmomentübertragend mit einem Elektromotor (60) gekoppelt ist.

5. Turbovorrichtung (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Kompressorstufe (26a) und die zweite Kompressorstufe (26b) auf einer gemeinsamen Kompressorwelle (28) angeordnet sind.

6. Turbovorrichtung (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kompressorabschnitt (20) zumindest einen Stufen-Bypassabschnitt (30) aufweist für einen kontrollierbaren Bypass des Betriebszuführgases (BZG) an wenigstens einer Kompressorstufe (26a, 26b) vorbei.

7. Turbovorrichtung (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kompressor (30) wenigstens eine dritte Kompressorstufe (26c) zwischen der zweiten Kompressorstufe (26b) und dem Kompressorausgang (24) aufweist.

8. Turbovorrichtung (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kompressor (26) eine Kompressorwelle (28), insbesondere eine gemeinsame Kompressorwelle (28) für alle Kompressorstufen (26a, 26b, 26c), und die Turbine (46) eine Turbinenwelle (48) aufweist, wobei die Kompressorwelle (28) und die Turbinenwelle (48) parallel oder im Wesentlichen parallel, insbesondere koaxial oder im Wesentlichen koaxial zueinander ausgerichtet sind.

9. Turbovorrichtung (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Kompressorstufe (26a) und die zweite Kompressorstufe (26b) drehmomentübertragend über ein Kompressorgetriebe (34) verbunden sind für eine Erzeugung einer unterschiedlichen Drehzahl an den beiden Kompressorstufen (26a, 26b).

10. Brennstoffzellensystem (100) für eine Erzeugung von elektrischen Strom aufweisend wenigstens einen Brennstoffzellenstapel (110) mit einer Luftseite (120) und einer Brennstoff-

seite (130), wobei die Luftseite (120) einen Luftzuführabschnitt (122) zur Zufuhr von Zuluft (ZL) und einen Luftabführabschnitt (124) für eine Abfuhr von Abluft (AL) und die Brennstoffseite (130) einen Brennstoffzuführabschnitt (132) zur Zufuhr von Brennstoffzuführgas (ZG) und einen Brennstoffabführabschnitt (134) für eine Abfuhr von Brennstoffabgas (AG) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass für die Luftseite (120) eine Turbovorrichtung (10) mit den Merkmalen eines der Ansprüche 1 bis 9 vorgesehen ist mit der Zuluft (ZL) als Betriebszuführgas (BZG) und der Abluft (AL) als Betriebsabführgas (BAG).

11. Kontrollverfahren für ein kontrolliertes Verdichten eines Betriebszuführgases (BZG) mit einer Turbovorrichtung (10) mit den Merkmalen eines der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:

- Erfassen eines Soll-Verdichtungswertes für eine Verdichtung des Betriebszuführgases (BZG),

- Bestimmen einer Soll-Drehzahl für die Kompressorstufen (26a, 26b, 26c) des Kompressors (26) und/oder der Turbine (46) der Turbovorrichtung (10),

- Anpassen der Ist-Drehzahl der Kompressorstufen (26a, 26b, 26c) und/oder der Turbine (46) an die bestimmte Soll-Drehzahl.

Hierzu 8 Blatt Zeichnungen