AT528366B1 - Turbovorrichtung für eine Förderung von Betriebszuführgas und von 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 des Betriebszuführgases (BZG) von einem Kompressoreingang (22) zu einem Kompressorausgang (24), weiter aufweisend einen Turbinenabschnitt (40) für eine Füh- rung des Betriebsabgases (BAG) von einem Turbineneingang (42) zu einem Turbinenausgang (44), wobei zwischen dem Turbineneingang (42) und dem Turbinenausgang (42) eine Turbine (46) angeordnet ist für eine Aufnahme von Drehmoment aus der Strömungsenergie des Betriebsabgases (BAG), wobei weiter zwischen dem Kompressoreingang (22) und dem Kompressorausgang (24) ein Kompressor (26) angeordnet ist für eine Kompression des Betriebszuführgases (BZG), wobei der Turbinenabschnitt (40) einen mit der Turbine (46) drehmomentübertragend gekoppelten Turbinengenerator (41) aufweist für eine Erzeugung von Strom (I) aus dem aufgenommenen Drehmoment, wobei der Kompressorabschnitt (20) einen mit dem Kompressor (26) drehmomentübertragend gekoppelten Kompressormotor (21) aufweist für einen elektromotorischen Antrieb des Kompressors (26) zur Kompression des Betriebszuführgases (BZG), wobei weiter der Turbinengenerator (41) mit dem Kompressormotor (21) für eine Übertragung des erzeugten Stroms (I) verbunden ist, wobei das elektrische Verbindungsmodul (70) wenigstens einen Stromspeicher (72) aufweist für eine Zwischenspeicherung von erzeugtem Strom (I) vor der Übertragung auf den Kompressormotor (21), wobei das elektrischer Verbindungsmodul (70) wenigstens einen Verbraucherwiderstand (74) aufweist für einen Verbrauch wenigstens eines Anteils des erzeugten Stroms (I).

Description

Beschreibung

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

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft eine Turbovorrichtung für eine Förderung von Betriebszuführgas und von einem Betriebsabgas eines Brennstoffzellensystems, ein Brennstoffzellensystem mit einer solchen Turbovorrichtung sowie ein Kontrollverfahren mit einer Kontrolle des Drucks bei der Förderung von Betriebszuführgas eines solchen Brennstoffzellensystems.

[0002] Es ist bekannt, dass bei Brennstoffzellensystemen einige der Betriebsgase mit Druck beaufschlagt werden müssen. Insbesondere gilt dies für Zuluft, welche beispielsweise aus der Umgebung angesaugt wird. Da der Betriebsdruck eines Brennstoffzellensystems üblicherweise oberhalb des Umgebungsdrucks, beispielsweise im Bereich von 3 bar, liegt, ist eine Kompression der angesaugten Zuluft notwendig. Für diese Kompression können Ventilatoren oder Kompressoren eingesetzt werden. Dabei ist es bekannt, die Kompressoren elektrisch zu betreiben und auf diese Weise die Druckerhöhung durchzuführen. Nachteilhaft bei diesen Lösungen ist der Bedarf an elektrischem Strom für den Betrieb des Kompressors und die auf diese Weise reduzierte Effizienz im Betrieb des Brennstoffzellensystems.

[0003] Daher ist es bereits bekannt Turboladervorrichtungen zu verwenden, um die Betriebseffizienz solcher Kompressoren zu steigern. Bei den bekannten Turboladervorrichtungen wird ähnlich den Turboladern bei Verbrennungsmotoren eine Turbine in den Abgasstrang des Brennstoffzellensystems integriert und kann dort Drehmoment aus der Strömungsenergie des Abgases aufnehmen. Mit der gleichen Welle ist ein Kompressor verbunden, sodass durch direkte mechanische Kopplung das Drehmoment der Turbine an einen Kompressor und dessen Kompressorrotor weitergegeben werden kann. Damit wird eine Rückgewinnung von Strömungsenergie aus dem Abgas des Brennstoffzellensystems möglich und diese rückgewonnene Energie steht für die Kompression der Zuluft verfügbar.

[0004] Weitere Turbovorrichtungen sind beispielsweise aus der CN 117039057 A, der CN 112382779 A, CN 116291767 A und der US 4923768 A bekannt.

[0005] Nachteilhaft bei den bekannten Turbovorrichtungen ist die relativ komplexe und aufwendige Integration in das Brennstoffzellensystem. So ist es notwendig, dass die Turbinenseite und die Kompressorseite nahe beieinander liegen, um die mechanische Kopplung zum Beispiel über eine gemeinsame Welle zu gewährleisten. Dies führt jedoch dazu, dass der Aufwand und die Komplexität hinsichtlich der Gasführung im Brennstoffzellensystem deutlich steigen. So ist üblicherweise der Abgasverlauf eines Brennstoffzellenstapels unabhängig von dem Zuluftverlauf. Beim Einsatz einer bekannten Turboladervorrichtung muss jedoch das Abgas und die Zuluft zumindest in dem Bereich der Turboladervorrichtung nahe aneinander vorbeigeführt werden, um die mechanische Kopplung zwischen der Turbinenseite und der Kompressorseite zu gewährleisten. Dies führt zu einer erhöhten Komplexität der Leitungsführung, einem erhöhten Bauraum und nicht zuletzt auch zu reduzierter Strömungseffizienz der geführten Gase, da der zurückgelegte Weg für zu mindestens eines der beiden Gase verlängert wird.

[0006] Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die voranstehend beschriebenen Nachteile zumindest teilweise zu beheben. Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, in kostengünstiger und einfacher Weise die Komplexität beim Einsatz einer Turbovorrichtung zu reduzieren.

[0007] Die voranstehende Aufgabe wird gelöst durch eine Turbovorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1, ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Anspruchs 9 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,

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sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig BeZug genommen wird beziehungsweise werden kann.

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

[0009] Erfindungsgemäß dient eine Turbovorrichtung der Förderung von einem Betriebszuführgas und von einem Betriebsabgas eines Brennstoffzellensystems. Hierfür weist die Turbovorrichtung einen Kompressorabschnitt für eine Führung des Betriebszuführgases von einem Kompressoreingang zu einem Kompressorausgang auf. Darüber hinaus ist ein Turbinenabschnitt vorgesehen für eine Führung des Betriebsabgases von einem Turbineneingang zu einem Turbinenausgang. Zwischen dem Turbineneingang und dem Turbinenausgang ist eine Turbine angeordnet für eine Aufnahme von Drehmoment aus der Strömungsenergie des Betriebsabgases. Weiter ist zwischen dem Kompressoreingang und dem Kompressorausgang ein Kompressor angeordnet für eine Kompression des Betriebszuführgases. Eine erfindungsgemäße Turbovorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass der Turbinenabschnitt einen mit der Turbine drehmomentübertragend gekoppelten Turbinengenerator aufweist für eine Erzeugung von Strom aus dem aufgenommenen Drehmoment. Der Kompressorabschnitt weist einen mit dem Kompressor drehmomentübertragend gekoppelten Kompressormotor auf für einen elektromotorischen Antrieb des Kompressors zur Kompression des Betriebszuführgases. Dabei ist der Turbinengenerator mit dem Kompressormotor für eine Übertragung des erzeugten Stroms verbunden.

[0010] Der erfindungsgemäße Kerngedanke beruht auf dem bekannten Einsatz von rein mechanisch verbundenen Turbovorrichtungen. Auch hier ist ein Kompressorabschnitt und ein Turbinenabschnitt vorgesehen, um entsprechend mit dem Betriebszuführgas und dem Betriebsabgas zusammenzuwirken. Der Turbinenabschnitt ist mit seinem Turbineneingang und seinem Turbinenausgang fluidkommunizierend in einen Abgasstrang des Brennstoffzellenstapels des Brennstoffzellensystems eingebunden. Heißes Abgas, welches aus dem Brennstoffzellenstapel strömt, wird nun in den Turbineneingang einströmen und dort im Turbinenabschnitt die Turbine antreiben. Dabei wird die Strömungsenergie des Abgases reduziert und entsprechend Drehmoment von der Turbine aufgenommen.

[09011] In ähnlicher Weise ist der Kompressorabschnitt in einen Zuführabschnitt zum Brennstoffzellstapel fluidkommunizierend eingebunden. Zuführgas, beispielsweise Zuluft aus der Umgebung, kann durch den Kompressoreingang zum Kompressor gelangen und kann durch Rotation des Kompressors, welcher insbesondere als Kompressorrotor ausgebildet ist, komprimiert werden. Nach der erfolgten Druckerhöhung im Kompressorabschnitt wird das um den entsprechenden Druckschritt unter Druck gesetzte Zuführgas den Kompressorabschnitt über den Kompressorausgang verlassen, sodass die Kompression für die weitere Zufuhr der Zuluft zum Brennstoffzellenstapel erfolgt ist.

[0012] Der erfindungsgemäße Kerngedanke beruht nun darauf, dass insbesondere eine Freistellung von einer mechanischen Kopplung zur Verfügung gestellt wird. Dies wird dadurch gewährleistet, dass nun eine elektromotorische Kopplung, insbesondere ausschließlich eine elektromotorische Kopplung zwischen dem Kompressor und der Turbine ausgebildet wird. Dies wird dadurch erzielt, dass in einem ersten Schritt die Turbine mit dem Turbinengenerator gekoppelt ist, um das von der Strömungsenergie des Abgases aufgenommene Drehmoment in elektrischen Strom umzuwandeln. Dieser elektrische Strom kann nun mit Hilfe von elektrischen Leitungen in sehr einfacher und effizienter Weise an einen Kompressormotor weitergeleitet werden. Der Kompressormotor wandelt den aufgenommenen und erzeugten elektrischen Strom nun wieder in Drehmoment um, welches vom Kompressor und dort insbesondere von einer Kompressorrotor, zur Kompression verwendet und damit als Drehmoment in die Strömungsenergie des Zuführgases umgewandelt werden kann. Mit anderen Worten ersetzt die Übertragungsmöglichkeit für elektrischen Strom vom Turbinengenerator zum Kompressormotor die rein mechanische Kopplung der bekannten Lösungen.

[0013] Insbesondere wird ein erfindungsgemäße Turbovorrichtung frei von einer mechanischen Kopplung zwischen der Turbine und dem Kompressor ausgebildet sein. Das bedeutet, dass die

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Energieübertragung von dem Turbinenabschnitt zum Kompressorabschnitt und dort insbesondere von der Turbine zum Kompressor ausschließlich über den Umweg der Umwandlung des aufgenommenen Drehmoments in elektrischen Strom erfolgt. Dieser elektrische Strom kann nun im Vergleich zu einer mechanischen Übertragung freier an einen anderen Ort im Brennstoffzellensystem übertragen werden und dort vom Kompressormotor wieder in das benötigte Drehmoment für die Kompression mit dem Kompressor umgesetzt werden.

[0014] Durch die mechanische Entkopplung der beiden Abschnitte der Turbovorrichtung und damit eine freie Platzwahl für den Kompressorabschnitt und den Turboabschnitt ist eine größere Konstruktionsfreiheit gegeben. Insbesondere ist es nun nicht mehr notwendig, den Abgasstrang und den Zuführstrang für die Turbovorrichtungen örtlich aneinander anzupassen. Vielmehr ist es möglich, auch bei bestehenden Konstruktionsformen den Turboabschnitt beim bereits vorhandenen Abgasabschnitt zu platzieren und in gleicher Weise den Kompressorabschnitt in einen vom Abgasabschnitt deutlich beabstandeten Zuführabschnitt zu integrieren. Durch die rein elektrische Kopplung über den erzeugten Strom wird es nun möglich die Effizienzsteigerung zu gewährleisten.

[0015] Zwar ist davon auszugehen, dass durch die Umwandlung von Drehmoment in elektrischen Strom und am Kompressormotor wieder von elektrischem Strom zurück in Drehmoment ein elektrischer Verlust entsteht, jedoch kann dies in Kauf genommen werden, da die Vorteile hinsichtlich reduzierten Bauraums, erhöhter Konstruktionsfreiheit und reduzierter Komplexität des Gesamtsystems diesen Nachteil deutlich übersteigen.

[0016] Es kann Vorteile mit sich bringen, wenn bei einer erfindungsgemäßen Turbovorrichtung der Turbinengenerator mit dem Kompressormotor zumindest teilweise direkt elektrisch leitend verbunden ist. WMe bereits einleitend erläutert worden ist, ist diese direkt elektrisch leitende Verbindung insbesondre frei von einer mechanischen Verbindung zwischen dem Turbinengenerator und dem Kompressormotor. Das bedeutet also, dass insbesondere eine direkte elektrische Verbindung, insbesondere sogar frei von jeglicher Kontrollmöglichkeit, zur Verfügung gestellt ist. Das reduziert die Komplexität maximal, führt jedoch auch dazu, dass eine Kontrolle der Drehzahl nicht oder nur schwer möglich ist. Bevorzugt sind daher die nachfolgend noch näher erläuterten kontrollierten Verbindungsmöglichkeiten für die Übertragung des elektrischen Stroms, um die Drehzahl zwischen der Turbine und dem Kompressor im Wesentlichen unabhängig voneinander kontrolliert einstellen zu können.

[0017] Darüber hinaus ist bei einer erfindungsgemäßen Turbovorrichtung der Turbinengenerator mit dem Kompressormotor über ein elektrisches Verbindungsmodul verbunden für eine Kontrolle der Drehzahl des Kompressors und/oder der Turbine. Die Drehzahl der Turbine hängt im Wesentlichen davon ab, in welcher Betriebssituation sich das Brennstoffzellensystem gerade befindet. Je nach Massenstrom, Strömungsgeschwindigkeit und der damit enthaltenden Strömungsenergie Im Abgas vom Brennstoffzellensystem kann die Turbine unterschiedliche Drehzahlen aufweisen und entsprechend auch unterschiedliche Mengen an Drehmoment aus der Strömungsenergie des Abgases aufnehmen. Dementsprechend kann nun durch eine kontrollierbare Verbindung für die Übertragung des erzeugten Stroms eine direkte Kontrolle, insbesondere sogar eine Regelung, der Drehzahl des Kompressormotors und damit auch des Kompressors zur Verfügung gestellt werden. So kann beispielsweise der erzeugte Strom zumindest teilweise nicht an den Kompressor weitergegeben werden, sodass sich die Drehzahl des Kompressors von der Drehzahl der Turbine unterscheidet, insbesondere geringer als die Drehzahl der Turbine ausfällt. Dies führt zu einer geringeren Kompression als tatsächlich elektrische Leistung von dem Turbinengenerator vorhanden ist. Auf diese Weise wird es möglich, durch die Kontrollierbarkeit über das elektrische Verbindungsmodul eine direkte Kontrollierbarkeit und damit eine aktive Kontrolle der Druckerhöhung über den Kompressorabschnitt zu gewährleisten.

[0018] Bei einer erfindungsgemäßen Turbovorrichtung weist das elektrische Verbindungsmodul wenigstens einen Stromspeicher auf für eine Zwischenspeicherung von erzeugtem Strom vor der Übertragung auf den Kompressormotor. Ein solcher Stromspeicher kann, wie später noch erläutert wird, ein kurzfristiger oder langfristiger Stromspeicher sein. Insbesondere für instationäre Be-

triebssituationen des Brennstoffzellensystems kann eine Druckerhöhung am Kompressorabschnitt gewünscht sein, welche mit der aktuellen Leistung im Turbinenabschnitt nicht korreliert. Mit anderen Worten bedeutet dies, dass die aktuell aus der Strömungsenergie des Abgases aufnehmbare Strömungsenergie in Form des Drehmoments nicht ausreicht, um den aktuell benötigten Druckerhöhungsschritt am Kompressor zur Verfügung zu stellen. Für einen solchen Fall kann nun die fehlende elektrische Leistung, als Ergänzung zum aktuell erzeugten elektrischen Strom aus dem Turbinengenerator, aus dem Stromspeicher zur Verfügung gestellt werden. Ein solcher Stromspeicher kann dazu dienen, aufgeladen zu werden, wenn in anderen, insbesondere instationären Betriebssituationen des Brennstoffzellensystems die aufnehmbare Strömungsenergie am Turbinenabschnitt die aktuell benötigte Kompressionsenergie am Kompressorabschnitt übersteigt. Dies erlaubt es, über den Stromspeicher die Bedarfssituation am Kompressor und die Aufnahmesituation am Turbinenabschnitt entsprechend zeitlich voneinander zu entkoppeln und damit die Betriebsweise noch effizienter und stabiler zu gestalten.

[0019] Es kann weitere Vorteile mit sich bringen, wenn bei einer erfindungsgemäßen Turbovorrichtung gemäß dem voranstehenden Absatz der Stromspeicher wenigstens eine der folgenden Ausführungsformen aufweist:

- Kondensatorvorrichtung, - Batterievorrichtung.

[0020] Bei der voranstehenden Aufzählung handelt es sich um eine nicht abschließende Liste. Selbstverständlich können auch mehrere unterschiedliche wie auch identische Stromspeicher gemeinsam als Teil des Verbindungsmoduls eingesetzt werden. Eine Kondensatorvorrichtung dient dabei insbesondere als kurzfristiger Speicher, um starke Schwankungen in kurzen Zeitspannen hinsichtlich eines Unterschieds im Kompressorbedarf und der aktuellen Turbinenleistung am Turbinenabschnitt ausgleichen zu können. Somit wird es möglich, auch bei instationärer und/oder stark schwankender Abgassituation eine stationäre Kompressionsfunktionalität zur Verfügung zu stellen. Auch umgekehrt, bei stark schwankenden Kompressionssituationen kann eine entsprechende Anpassung trotz konstanter oder im Wesentlichen konstanter Abgassituation am Turbinenabschnitt gewährleistet werden. Wird ein Brennstoffzellensystem mit einer solchen Turbovorrichtung beispielsweise in großen Höhen oder sogar in Flugzeugen eingesetzt, so kann insbesondere bei einem Luftfahrzeug von stark schwankenden Umgebungsdrücken ausgegangen werden. Je nach Umgebungsdruck ist entsprechend der Kompressionsbedarf unterschiedlich, sodass durch den Einsatz eines Stromspeichers je nach Umgebungsdruck eine unterschiedlich starke und vor allem vom Turbinenabschnitt unabhängige Kompression und Druckerhöhung benötigt wird.

[0021] Bei einer erfindungsgemäßen Turbovorrichtung weist das elektrische Verbindungsmodul wenigstens einen Verbraucherwiderstand auf für einen Verbrauch wenigstens eines Anteils des erzeugten Stroms. Dieser Verbraucherwiderstand ist insbesondere kontrollierbar und/oder schaltbar ausgebildet. Gleiches gilt selbstverständlich auch für die Stromspeicher in den voranstehenden Absätzen, welche ebenfalls schaltbar und/oder kontrollierbar ausgebildet sind. Das Vorsehen eines Verbraucherwiderstandes kann dazu dienen, überschüssigen erzeugten elektrischen Strom nicht an den Kompressormotor weiterzuleiten, sondern über den Verbraucherwiderstand beispielsweise in Wärme umzuwandeln. Die Umwandlung in Wärme vernichtet diesen überschüssigen erzeugten elektrischen Strom und vermeidet damit eine Umsetzung in Drehmoment und Kompression am Kompressorabschnitt. Dieser Verbraucherwiderstand kann also eingesetzt werden, wenn mehr elektrischer Strom erzeugt wird als für die aktuelle Situation für den Betrieb des Kompressors benötigt wird. Der zu viel erzeugte elektrische Strom kann über den Verbraucherwiderstand zum Beispiel in Wärme umgewandelt und entsprechend abgeführt werden. Ein solcher Verbraucherwiderstand kann zusätzlich oder alternativ zu den Speichervorrichtungen der voranstehenden Absätze eingesetzt werden, insbesondere dann, wenn der verwendete Stromspeicher bereits vollgeladen ist.

[0022] Ebenfalls von Vorteil ist es darüber hinaus, wenn bei einer erfindungsgemäßen Turbovorrichtung der Kompressormotor einen Stromanschluss aufweist für eine elektrisch leitende Verbin-

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dung an eine externe Stromversorgung. Eine solche externe Stromversorgung kann beispielsweise eine Stromversorgung des Brennstoffzellensystems sein. Wie bereits mehrfach erläutert worden ist, gibt es Betriebssituationen, in denen die zur Verfügung stehende Strömungsenergie für das aufnehmbare Drehmoment an der Turbine nicht ausreichen, um die aktuell benötigte Kompressorleistung am Kompressorabschnitt zur Verfügung zu stellen. Insbesondere dann, wenn keine Stromspeicher vorgesehen sind oder diese sich in einem entleerten Zustand befinden, kann diese zusätzliche aber fehlende Kompressionsenergie nun über eine externe Stromversorgung am Stromanschluss gezogen werden. Dies erlaubt es, für diese kurzfristigen Einsatzsituationen auch eine Überkompensation durchzuführen und entsprechend auch eine Kompression zu ermöglichen, welche oberhalb der aktuellen Turbofunktionalität liegt.

[0023] Ebenfalls von Vorteil ist es weiter, wenn bei einer erfindungsgemäßen Turbovorrichtung eine Sensorvorrichtung für eine Bestimmung wenigstens eines der folgenden Strömungsparameter vorgesehen ist:

- Massenstrom des Betriebszuführgases, - Temperatur des Betriebszuführgases,

- Druck am Kompressoreingang,

- Druck am Kompressorausgang,

- Massenstrom des Betriebsabgases,

- Temperatur des Betriebsabgases,

- Druck am Turbineneingang,

- Druck am Turbinenausgang.

[0024] Bei der voranstehenden Aufzählung handelt es sich um eine nicht abschließende Liste. Selbstverständlich können auch zwei oder mehr Sensorvorrichtungen vorgesehen sein, welche entsprechend unterschiedliche Strömungsparameter wahrnehmen. Insbesondere für das später noch erläuterte Kontrollverfahren können die Informationen aus den Sensorvorrichtungen wertvolle Steuergrößen oder Regelgrößen bilden. Insbesondere ein Wissen über die Drücke führt dazu, dass eine Kalkulation und Abschätzung für eine verbesserte Kontrollierbarkeit für die aktuell aufnehmbare Strömungsenergie am Turbinenabschnitt, wie auch die aktuell benötigte Kompressionsleistung am Kompressorabschnitt, gewährleistet werden kann. Über den Massenstrom der einzelnen Gase kann ebenfalls ein Rückschluss auf die Energiesituation in den beiden Abschnitten getroffen werden.

[0025] Weitere Vorteile bringt es darüber hinaus mit sich, wenn bei einer erfindungsgemäßen Turbovorrichtung der Turbinengenerator und/oder der Kompressormotor schaltbar ausgebildet sind, insbesondere für ein Schalten der Übertragung des erzeugten elektrischen Stroms. Eine solche Schaltbarkeit dient insbesondere einem qualitativen Schalten, also einem kompletten Einschalten und einem kompletten Ausschalten der jeweiligen Komponente. Selbstverständlich ist jedoch auch ein quantitatives Schalten möglich, um entsprechend unabhängig von der aktuellen Strömungssituation in den beiden Abschnitten die jeweilige elektrische Komponente in Form des Turbinengenerators und des Kompressormotors anzusteuern. Die mechanische Kopplung zwischen dem Turbinengenerator und der Turbine sowie zwischen dem Kompressormotor und dem Kompressor bleibt bei dieser Schaltbarkeit vorzugsweise erhalten. Damit wird die Schaltbarkeit in den elektrischen Teil verlegt und eine aufwendige und komplexe mechanische Schaltung vermieden.

[0026] Ein weiterer Vorteil kann ebenfalls erzielt werden, wenn bei einer erfindungsgemäßen Turbovorrichtung im Kompressorabschnitt zwischen dem Kompressoreingang und dem Kompressorausgang ein mehrstufiger Kompressor angeordnet ist. Unter einem mehrstufigen Kompressor ist zu verstehen, dass eine erste Kompressorstufe stromabwärts des Kompressoreingangs angeordnet ist und das durchströmende Betriebszuführgas am Ausgang der ersten Kompressorstufe in eine zweite Kompressorstufe geführt wird, bevor nach der zweiten Kompressor-

stufe stromabwärts das Betriebszuführgas in der komprimierten Situation den Kompressorausgang verlässt. Die mehrstufige Ausbildung führt dazu, dass die einzelnen Kompressorstufen leichter und einfacher sowie kostengünstiger ausgebildet werden können. Wird beispielsweise eine Druckerhöhung zwischen Kompressoreingang und Kompressorausgang von 2 bar gewünscht, so kann bei der mehrstufigen Ausgestaltung eine stufenweise Umsetzung und Druckerhöhung stattfinden. Die gesamte Druckerhöhung von 2 bar wird nun jeweils pro Kompressorstufe mit jeweils 1 bar umgesetzt, sodass die Anforderungen an Stabilität und mechanischer Belastbarkeit für jede Kompressorstufe entsprechend sinken. Dabei ist es bevorzugt, wenn eine symmetrische Verteilung und damit eine gleiche Druckstufe pro Kompressorstufe vorgesehen ist. Jedoch sind auch unsymmetrische Verteilungen grundsätzlich denkbar. Selbstverständlich sind auch drei oder mehr Stufen für die mehrstufigen Kompressor grundsätzlich im Rahmen der vorliegenden Erfindung möglich.

[0027] Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Brennstoffzellensystem für eine Erzeugung von elektrischem Strom. Ein solches Brennstoffzellensystem weist wenigstens einen Brennstoffzellenstapel mit einer Luftseite und einer Brennstoffseite auf. Die Luftseite ist mit einem Luftzuführabschnitt zur Zufuhr von Zuluft ausgestattet. Weiter weist die Luftseite einen Luftabführabschnitt für eine Abfuhr von Abluft auf. Ähnlich ist auf der Brennstoffseite ein Brennstoffzuführabschnitt zur Zufuhr von Brennstoffzuführgas vorgesehen. Auch ein Brennstoffabführabschnitt ist vorgesehen für eine Abfuhr von Brennstoffabgas. Ein solches Brennstoffzellensystem zeichnet sich dadurch aus, dass für die Luftseite eine Turbovorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung vorgesehen ist mit der Zuluft als Betriebszuführgas und der Abluft als Betriebsabgas. Damit bringt ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf eine erfindungsgemäße Turbovorrichtung erläutert worden sind.

[0028] Ein solches Brennstoffzellensystem lässt sich dahingehend weiterbilden, dass der Turbinenabschnitt vom Kompressorabschnitt beabstandet angeordnet ist. Das ist nur dadurch möglich, dass eine mechanische Entkopplung vorgesehen ist, da die Turbovorrichtung insbesondere frei von einer mechanischen Verbindung zwischen Kompressor und Turbine ausgebildet ist. Damit wird es möglich, auch große Abstände durch unterschiedliche Anordnungen und Positionierungen des Turbinenabschnitts und des Kompressorabschnitts zu überbrücken. Die Integration in die fluiıdkommunizierende Kommunikation in dem zugehörigen Luftzuführabschnitt und dem zugehörigen Luftabführabschnitt ist somit im Wesentlichen konstruktionsfrei, sodass diese beiden Gasführungsabschnitte unabhängig voneinander verlegt und angeordnet werden können.

[0029] Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Kontrollverfahren für eine Kontrolle des Drucks bei Förderung von einem Betriebszuführgas eines Brennstoffzellensystems mit einer erfindungsgemäßen Turbovorrichtung. Ein solches Kontrollverfahren zeichnet sich durch die folgenden Schritte aus:

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

- Bestimmen der Soll-Drehzahl für den Kompressor und/oder der Turbine der Turbovorrichtung,

- Anpassen der Ist-Leistung des Kompressormotors zum Erzielen der bestimmen SollDrehzahl des Kompressors.

[90030] Durch die Verwendung einer erfindungsgemäßen Turbovorrichtung bringt ein erfindungsgemäßes Kontrollverfahren die gleichen Vorteile mit sich, wie sie ausführlich mit Bezug auf eine erfindungsgemäße Turbovorrichtung erläutert worden sind. Im Kontrollverfahren wird nochmals gut ersichtlich, dass eine aktive Kontrolle und insbesondere eine aktive Regelung des Drucks auf der Kompressorseite möglich ist. Dies führt insbesondere sogar zu einer Überhöhungsmöglichkeit für den Druck, insbesondere dann, wenn die weiter oben erläuterten Stromspeicher oder ein externer Stromanschluss zur Verfügung stehen.

[0031] Es kann von Vorteil sein, wenn bei einem erfindungsgemäßen Kontrollverfahren für die Erfassung des Soll-Verdichtungswertes wenigstens ein Strömungsparameter des Betriebszuführ-

gases und/oder des Betriebsabgases erfasst wird. Damit wird ein kontrollierter Eingriff in die Druckregelung möglich. So ist insbesondere sogar eine Regelung denkbar, sodass beispielsweise am Druckeingang die aktuelle Drucksituation am Kompressoreingang gemessen wird und entsprechend das Kompressionsergebnis oder der Kompressionserfolg durch eine Druckerfassung am Kompressorausgang durchgeführt wird. Damit wird eine qualitative, insbesondere sogar eine quantitative, Kontrolle, zum Beispiel in Form einer Regelung, im Rahmen des erfindungsgemäßen Kontrollverfahrens möglich.

[0032] 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:

[0033] Fig 1 eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Turbovorrichtung,

[0034] Fig. 2 eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Turbovorrichtung,

[0035] Fig. 3 eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Turbovorrichtung,

[0036] Fig. 4 eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Turbovorrichtung,

[0037] Fig. 5 SiS weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Turbovorrichtung un

[0038] Fig. 6 eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems.

[0039] In der Figur 1 ist schematisch eine erfindungsgemäße Turbovorrichtung 10 dargestellt. Diese lässt sich aufteilen in einen Kompressorabschnitt 20 und einen Turbinenabschnitt 40. Der Kompressorabschnitt 20 dient der Führung von Betriebszuführgas BZG, welches über einen Kompressoreingang 22 in den Kompressorabschnitt 20 einströmen kann. Dort durchströmt das Betriebszuführgas BZG den Kompressor 26, beispielsweise in Form einer Kompressorrotor und kann im komprimierten Zustand den Kompressorabschnitt 20 über den Kompressorausgang 24 verlassen. Dieser Kompressorabschnitt 20 ist beispielsweise in den Luftzuführabschnitt 122 eines Brennstoffzellensystems 100 fluidkommunizierend integriert.

[0040] Ähnlich ist auf der Seite des Turbinenabschnitts 40 eine fluidkommunizierende Integration in den Luftabführabschnitt 124 des Brennstoffzellensystems 100 vorgesehen. Ein Betriebsabgas BAG kann über einen Turbineneingang 42 in den Turbinenabschnitt 40 eintreten und durchströmt dort die Turbine 46. Durch den Antrieb der Turbine 46 verliert das Betriebsabgas BAG an Strömungsenergie und kann mit reduziertem Druck und damit reduzierter Strömungsenergie nun den Turbinenausgang 44 verlassen.

[0041] Der Turbinenabschnitt 40 weist nun erfindungsgemäß einen Turbinengenerator 41 auf. Dieser ist beispielsweise über eine Turbinenwelle mit der Turbine 46 mechanisch gekoppelt, sodass das aufgenommene Drehmoment und damit die Rotation der Turbine 46 durch den Turbinengenerator 41 in elektrischen Strom | umgewandelt werden kann. Durch eine elektrisch leitende Verbindung zwischen dem Turbinengenerator 41 und dem Kompressormotor 21 kann dieser elektrisch erzeugte Strom | übertragen werden und dient nun dem elektromotorischen Antrieb des Kompressors 26 über den Kompressormotor 21. Die Strömungsenergie aus dem Betriebsabgas BAG kann also über den Umweg des erzeugten elektrischen Stroms | an einen beabstandeten Kompressorabschnitt 20 übertragen und transportiert werden. Der elektrische Strom I dient damit am Kompressorabschnitt 20 der Rotation der Kompressorrotor des Kompressors 26 und damit der Kompression und damit der Druckerhöhung des Brennstoffzuführgases BZG. Durch die Freiheit von einer mechanischen Kopplung zwischen der Turbine 46 und dem Kompressor 26 kann eine komplett freie Anordnung dieser beiden Abschnitte 20 und 40 der Turbovorrichtung 10 im Brennstoffzellensystem 100 erzielt werden.

[0042] Die Figur 2 zeigt eine Weiterbildung der Ausführungsform der Figur 1. Im Übertragungsteil zwischen dem Turbinengenerator 41 und dem Kompressormotor 21 ist nun hier ein Verbindungsmodul 70 vorgesehen. Dieses Verbindungsmodul 70 kann eine Kontrolleinheit aufweisen, welche die Übertragung des erzeugten elektrischen Stroms | in kontrollierter Weise ermöglicht. Dies erlaubt es in direkter Weise und kontrolliert Eingriff auf die aktuelle Drehzahl des Kompressors 26

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zu nehmen, beispielsweise, indem in kontrollierter Weise nur eine definierte Menge an elektrischem Strom | an den Kompressormotor 21 weitergegeben wird. Dieser kontrollierte Eingriff wird insbesondere durch die Komponenten der nachfolgenden Figuren noch weiter spezifiziert.

[0043] So zeigt die Figur 3 eine Einbindung eines Stromspeichers 72 in das Verbindungsmodul 70. Im Verbindungsmodul 70 sind nun zwei schaltbare Leitungen vorgesehen, sodass es möglich ist, eine Entkopplung des erzeugten elektrischen Stroms | von dem tatsächlich weitergegebenen elektrischen Strom | an den Kompressormotor 21 zur Verfügung zu stellen. So kann in Betriebssituationen mit sehr hohem erzeugten Strom | ein Teil davon in die Batterievorrichtung 72 eingespeichert werden. In gleicher Weise kann bei zu wenig erzeugtem elektrischen Strom | ein Ausgleich aus dem Stromspeicher 72, zum Beispiel in Form einer Batterie oder eines elektrischen Kondensators, zur Verfügung gestellt werden. Auch ein paralleler Betrieb ist möglich, sodass ein Ergänzungsbetrieb, also ein Ergänzen des erzeugten elektrischen Stroms | mit zusätzlichem Strom | aus dem Stromspeicher 72, gewährleistet sein kann.

[0044] In der Figur 4 ist eine Weiterbildung zur Figur 3 dargestellt. So ist es hier möglich, über eine Sensorvorrichtung 80 den aktuellen Umgebungsdruck am Kompressoreingang 22 wahrzunehmen, sodass entsprechend die aktuelle Differenz zum gewünschten Betriebsdruck exakt spezifiziert sein kann. Damit wird es möglich, die benötigte Kompressorleistung vorzugeben, und durch ein erfindungsgemäßes Kontrollverfahren Eingriff auf die Drehzahl des Kompressors 26 und damit auf die Betriebsweise des Kompressormotors 21 zu nehmen. Insbesondere für Situationen, in denen kein Stromspeicher 72 vorgesehen ist oder aber die aktuelle Leistung an der Turbine 46 nicht ausreicht, ist bei dieser Ausführungsform noch ein Stromanschluss 23 vorgesehen, welcher von einer externen, nicht dargestellten, Stromquelle, entsprechend zusätzlich elektrische Leistung beziehen kann. Auch hier ist für eine Überschusssituation, also für eine Situation in der am Turbinengenerator 41 zu viel elektrischer Strom | erzeugt wird, ein Verbraucherwiderstand 74 vorgesehen, welcher schaltbar in die Übertragungsverbindung im Verbindungsmodul 70 eingebunden werden kann. Dieser kann zum Beispiel als Heizwiderstand ausgebildet sein und entsprechend überschüssigen erzeugten elektrischen Strom | in Wärme überführen und auf diese Weise an der Weitergabe an den Kompressormotor 21 hindern.

[0045] Die Figur 5 zeigt eine Weiterbildung zur Figur 1. Hier ist ein mehrstufiger Kompressor 26 vorgesehen, welcher hier eine erste Kompressorstufe 26a und eine zweite Kompressorstufe 26b aufweist. Bei einem Kompressionsbedarf von beispielsweise 2 bar, kann nun eine Aufteilung auf beispielsweise jeweils 1 bar Kompressionsstufe pro Kompressorstufe 26a und 26b zur Verfügung gestellt werden. In beiden Fällen wird es möglich, zum Beispiel über die Kompressorwelle 28 einen gemeinsamen Antrieb beider Kompressorstufen 26a und 26b über den Kompressormotor 21 zu gewährleisten. Auch hier ist wieder eine mechanische Entkopplung zwischen Kompressorabschnitt 20 und Turbinenabschnitt 40 vorgesehen und eine Übertragungsmöglichkeit des erzeugten elektrischen Stroms | über das Verbindungsmodul 70.

[0046] Die Figur 6 zeigt eine Einbindung einer Turbovorrichtung 10 gemäß einem der Ausführungsbeispiele der Figuren 1 bis 5 in ein Brennstoffzellensystem 100. Dieses ist hier schematisch mit einem Brennstoffzellenstapel 110 ausgestattet. In einer Brennstoffseite 130 wird Brennstoffzuführgas BZG über einen Brennstoffzuführabschnitt 132 zugeführt und entsprechend entstandenes Brennstoffabgas AG wieder über einen Brennstoffabführabschnitt 134 abgeführt. Auf der Luftseite 120 erfolgt eine Zufuhr von Zuluft ZL über den Luftzuführabschnitt 122 und eine Abfuhr von Abluft AL über den Luftabführabschnitt 124.

[0047] Wie die Figur 6 gut zeigt, ist nun eine örtliche Entkopplung zwischen dem Kompressorabschnitt 20 und dem Turbinenabschnitt 40 möglich. So ist hier eine dem Brennstoffzellenstapel 110 nahe Anordnung des Turbinenabschnitts 40 gewählt. Die Kompression findet entsprechend an einer anderen Position näher am Eingang in den Luftzuführabschnitt 122 statt. Diese Entkopplung ist möglich, da am Ort des Turbinenabschnitts 40 eine Übersetzung des aufgenommenen Drehmoments über den Turbinengenerator 41 in elektrischen Strom | erfolgt. Dieser wird durch eine elektrische Leitung übertragen an einen Kompressormotor 21, welcher nun am Ort des Kompressorabschnitts 20 eine Umsetzung in der Turbovorrichtung 10 in Drehmoment und dort in die

entsprechende Kompressionsleistung durch Rotation des Kompressors 26 gewährleistet. Damit wird die Örtliche Entkopplung zur Verfügung gestellt und entsprechend ein besseres Package, ein reduzierter Bauraum und vor allem auch eine reduziertere Komplexität der Führung der Gase möglich.

[0048] Die voranstehende Erläuterung der Ausführungsformen beschreibt die vorliegende Erfindung ausschließlich im Rahmen von Beispielen.

BEZUGSZEICHENLISTE

10 Turbovorrichtung

20 Kompressorabschnitt 21 Kompressormotor

22 Kompressoreingang

23 Stromanschluss

24 Kompressorausgang 26 Kompressor

26a erste Kompressorstufe 26b zweite Kompressorstufe 28 _ Kompressorwelle

40 Turbinenabschnitt

41 Turbinengenerator

42 Turbineneingang

44 Turbinenausgang

46 Turbine

70 Verbindungsmodul

72 Stromspeicher

74 VWVerbraucherwiderstand 80 Sensorvorrichtung

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

| Strom

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 des Betriebszuführgases (BZG) von einem Kompressoreingang (22) zu einem Kompressorausgang (24), weiter aufweisend einen Turbinenabschnitt (40) für eine Führung des Betriebsabgases (BAG) von einem Turbineneingang (42) zu einem Turbinenausgang (44), wobei zwischen dem Turbineneingang (42) und dem Turbinenausgang (42) eine Turbine (46) angeordnet ist für eine Aufnahme von Drehmoment aus der Strömungsenergie des Betriebsabgases (BAG), wobei weiter zwischen dem Kompressoreingang (22) und dem Kompressorausgang (24) ein Kompressor (26) angeordnet ist für eine Kompression des Betriebszuführgases (BZG), wobei der Turbinenabschnitt (40) einen mit der Turbine (46) drehmomentübertragend gekoppelten Turbinengenerator (41) aufweist für eine Erzeugung von Strom (I) aus dem aufgenommenen Drehmoment, wobei der Kompressorabschnitt (20) einen mit dem Kompressor (26) drehmomentübertragend gekoppelten Kompressormotor (21) aufweist für einen elektromotorischen Antrieb des Kompressors (26) zur Kompression des Betriebszuführgases (BZG), wobei weiter der Turbinengenerator (41) mit dem Kompressormotor (21) für eine Übertragung des erzeugten Stroms (I) verbunden ist, wobei der Turbinengenerator (41) mit dem Kompressormotor (21) über ein elektrisches Verbindungsmodul (70) verbunden ist für eine Kontrolle der Drehzahl des Kompressors (26) und/oder der Turbine (46), dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Verbindungsmodul (70) wenigstens einen Stromspeicher (72) aufweist für eine Zwischenspeicherung von erzeugtem Strom (I) vor der Übertragung auf den Kompressormotor (21), wobei das elektrische Verbindungsmodul (70) wenigstens einen Verbraucherwiderstand (74) aufweist für einen Verbrauch wenigstens eines Anteils des erzeugten Stroms (I).

2. Turbovorrichtung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Turbinengenerator (41) mit dem Kompressormotor (21) zumindest teilweise direkt elektrisch leitend verbunden ist.

3. Turbovorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Stromspeicher (72) wenigstens eine der folgenden Ausführungsformen aufweist: - Kondensatorvorrichtung - Batterievorrichtung 4. Turbovorrichtung (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekenn-

zeichnet, dass der Kompressormotor (21) einen Stromanschluss (23) aufweist für eine elektrisch leitende Verbindung an eine externe Stromversorgung.

5. Turbovorrichtung (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Sensorvorrichtung (80) für eine Bestimmung wenigstens eines der folgenden Strömungsparameter vorgesehen ist:

- Massenstrom des Betriebszuführgases (BZG) - Temperatur des Betriebszuführgases (BZG) - Druck am Kompressoreingang (22) - Druck am Kompressorausgang (24) - Massenstrom des Betriebsabgases (BAG) - Temperatur des Betriebsabgases (BAG) - Druck am Turbineneingang (42) - Druck am Turbinenausgang (44)

6. Turbovorrichtung (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Turbinengenerator (41) und/oder der Kompressormotor (21) schaltbar

ausgebildet sind, insbesondere für ein Schalten der Übertragung des erzeugten elektrischen Stroms ().

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7. Turbovorrichtung (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Kompressorabschnitt (20) zwischen dem Kompressoreingang (22) und dem Kompressorausgang (24) ein mehrstufiger Kompressor (26) angeordnet ist.

8. Brennstoffzellensystem (100) für eine Erzeugung von elektrischen Strom aufweisend wenigstens einen Brennstoffzellenstapel (110) mit einer Luftseite (120) und einer Brennstoffseite (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 7 vorgesehen ist mit der Zuluft (ZL) als Betriebszuführgas (BZG) und der Abluft (AL) als Betriebsabgas (BAG).

9. Brennstoffzellensystem (100) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Turbinenabschnitt (40) vom Kompressorabschnitt (20) beabstandet angeordnet ist.

10. Kontrollverfahren für eine Kontrolle des Drucks bei Förderung von einem Betriebszuführgas (BZG) eines Brennstoffzellensystems (100) mit einer Turbovorrichtung (10) mit den Merkmalen eines der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:

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

- Bestimmen der Soll-Drehzahl für den Kompressor (26) und/oder der Turbine (46) der Turbovorrichtung (10),

- Anpassen der Ist-Leistung des Kompressormotors (21) zum Erzielen der bestimmten Soll-Drehzahl des Kompressors (26).

11. Kontrollverfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass für die Erfassung des Soll-Verdichtungswertes wenigstens ein Strömungsparameter des Betriebszuführgases (BZG) und/oder des Betriebsabgases (BAG) erfasst wird.

Hierzu 6 Blatt Zeichnungen