AT528366B1

AT528366B1 - Turbo device for conveying operating supply gas and operating exhaust gas from a fuel cell system

Info

Publication number: AT528366B1
Application number: ATA50469/2024A
Authority: AT
Inventors: Schubert Dipl -Ing Thomas; Zimmermann Dipl -Ing Jörg; Hausegger Bsc Julia
Original assignee: Avl List Gmbh
Priority date: 2024-06-11
Filing date: 2024-06-11
Publication date: 2026-03-15
Also published as: DE102025122574A1; AT528366A1

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).The present invention relates to a turbo device (10) for conveying an operating feed gas (BZG) and an operating exhaust gas (BAG) of a fuel cell system (100), comprising a compressor section (20) for guiding the operating feed gas (BZG) from a compressor inlet (22) to a compressor outlet (24), further comprising a turbine section (40) for guiding the operating exhaust gas (BAG) from a turbine inlet (42) to a turbine outlet (44), wherein a turbine (46) is arranged between the turbine inlet (42) and the turbine outlet (44) for absorbing torque from the flow energy of the operating exhaust gas (BAG), wherein a compressor (26) is further arranged between the compressor inlet (22) and the compressor outlet (24) for compressing the operating feed gas (BZG), wherein the turbine section (40) includes a turbine generator (41) coupled to the turbine (46) for torque transmission. comprising for the generation of current (I) from the absorbed torque, wherein the compressor section (20) comprises a compressor motor (21) coupled to the compressor (26) for torque transmission for an electric motor drive of the compressor (26) for the compression of the operating supply gas (BZG), wherein further the turbine generator (41) is connected to the compressor motor (21) for the transmission of the generated current (I), wherein the electrical connection module (70) comprises at least one current storage device (72) for intermediate storage of generated current (I) before transmission to the compressor motor (21), wherein the electrical connection module (70) comprises at least one load resistor (74) for the consumption of at least a portion of the generated current (I).

Description

TURBOVORRICHTUNG FÜR EINE FÖRDERUNG VON BETRIEBSZUFÜHRGAS UND VON ElINEM BETRIEBSABGAS EINES BRENNSTOFFZELLENSYSTEMS TURBO DEVICE FOR CONVEYING ENGINE SUPPLY GAS AND ELINEM ENGINE EXHAUST GAS OF A FUEL CELL SYSTEM

[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. [0001] The present invention relates to a turbo device for conveying operating supply gas and operating exhaust gas of a fuel cell system, a fuel cell system with such a turbo device and a control method with a control of the pressure during the conveying of operating supply gas of such a fuel cell system.

[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. [0002] It is known that in fuel cell systems, some of the operating gases must be pressurized. This applies in particular to the intake air, which is drawn in, for example, from the environment. Since the operating pressure of a fuel cell system is usually above the ambient pressure, for example in the range of 3 bar, compression of the intake air is necessary. Fans or compressors can be used for this compression. It is known to operate the compressors electrically and thus carry out the pressure increase. A disadvantage of these solutions is the requirement for electrical current to operate the compressor and the resulting reduction in the efficiency of the fuel cell system.

[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. [0003] Therefore, it is already known to use turbocharger devices to increase the operating efficiency of such compressors. In the known turbocharger devices, similar to turbochargers in internal combustion engines, a turbine is integrated into the exhaust stream of the fuel cell system and can absorb torque from the flow energy of the exhaust gas. A compressor is connected to the same shaft, so that the torque of the turbine can be transmitted to a compressor and its compressor rotor by direct mechanical coupling. This makes it possible to recover flow energy from the exhaust gas of the fuel cell system, and this recovered energy is available for the compression of the intake air.

[0004] Weitere Turbovorrichtungen sind beispielsweise aus der CN 117039057 A, der CN 112382779 A, CN 116291767 A und der US 4923768 A bekannt. [0004] Other turbo devices are known, for example, from CN 117039057 A, CN 112382779 A, CN 116291767 A and US 4923768 A.

[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. [0005] A disadvantage of known turbo devices is their relatively complex and costly integration into the fuel cell system. It is necessary for the turbine side and the compressor side to be located close to each other to ensure mechanical coupling, for example, via a common shaft. However, this significantly increases the effort and complexity regarding the gas flow in the fuel cell system. Typically, the exhaust gas flow of a fuel cell stack is independent of the intake air flow. However, when using a known turbocharger device, the exhaust gas and the intake air must be guided close to each other, at least in the area of the turbocharger device, to ensure mechanical coupling between the turbine side and the compressor side. This leads to increased complexity of the piping, increased installation space requirements, and, not least, reduced flow efficiency of the guided gases, since the path traveled by at least one of the two gases is lengthened.

[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. [0006] It is therefore an object of the present invention to at least partially overcome the disadvantages described above. In particular, it is an object of the present invention to reduce the complexity of using a turbo device in a cost-effective and simple manner.

[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, [0007] The foregoing problem is solved by a turbo device with the features of claim 1, a fuel cell system with the features of claim 9, and a control method with the features of claim 11. Further features and details of the invention will become apparent from the dependent claims, the description, and the drawings. Features and details described in connection with the turbo device according to the invention naturally also apply in connection with the fuel cell system and the control method according to the invention, and vice versa.

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sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig BeZug genommen wird beziehungsweise werden kann. so that, with regard to the disclosure of the individual aspects of the invention, mutual reference is always made, or can be made.

[0008] Das Brennstoffzellensystem gemäß der Erfindung ist insbesondere als PEM- Brennstoffzellensystem ausgebildet. [0008] The fuel cell system according to the invention is in particular designed as a PEM fuel cell system.

[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. [0009] According to the invention, a turbo device serves to convey a process gas and a process exhaust gas of a fuel cell system. For this purpose, the turbo device has a compressor section for guiding the process gas from a compressor inlet to a compressor outlet. In addition, a turbine section is provided for guiding the process exhaust gas from a turbine inlet to a turbine outlet. A turbine is arranged between the turbine inlet and the turbine outlet for absorbing torque from the flow energy of the process exhaust gas. Furthermore, a compressor is arranged between the compressor inlet and the compressor outlet for compressing the process gas. A turbo device according to the invention is characterized in that the turbine section has a turbine generator coupled to the turbine for torque transmission, for generating electricity from the absorbed torque. The compressor section has a compressor motor coupled to the compressor for torque transmission, for an electric motor drive of the compressor to compress the process gas. The turbine generator is connected to the compressor motor for transmitting the generated electricity.

[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. [0010] The core concept of the invention is based on the known use of purely mechanically connected turbo devices. Here, too, a compressor section and a turbine section are provided to interact with the operating supply gas and the operating exhaust gas. The turbine section is fluidly connected to an exhaust gas stream of the fuel cell stack of the fuel cell system via its turbine inlet and turbine outlet. Hot exhaust gas flowing from the fuel cell stack will now flow into the turbine inlet and drive the turbine in the turbine section. In this process, the flow energy of the exhaust gas is reduced, and corresponding torque is absorbed by the turbine.

[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. [09011] Similarly, the compressor section is fluidly integrated into a supply section for the fuel cell stack. Supply gas, for example ambient air, can enter the compressor through the compressor inlet and be compressed by rotation of the compressor, which is designed in particular as a compressor rotor. After the pressure increase in the compressor section, the supply gas, pressurized by the corresponding pressure step, leaves the compressor section via the compressor outlet, so that compression for the further supply of air to the fuel cell stack has been completed.

[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. [0012] The core concept of the invention is based on the fact that, in particular, an elimination of mechanical coupling is provided. This is ensured by the fact that an electromotive coupling, in particular exclusively an electromotive coupling, is now formed between the compressor and the turbine. This is achieved by, in a first step, coupling the turbine to the turbine generator in order to convert the torque absorbed from the flow energy of the exhaust gas into electrical current. This electrical current can then be transmitted to a compressor motor in a very simple and efficient manner using electrical conductors. The compressor motor then converts the absorbed and generated electrical current back into torque, which can be used by the compressor, and in particular by a compressor rotor, for compression and thus converted into torque in the flow energy of the supply gas. In other words, the possibility of transmitting electrical current from the turbine generator to the compressor motor replaces the purely mechanical coupling of known solutions.

[0013] Insbesondere wird ein erfindungsgemäße Turbovorrichtung frei von einer mechanischen Kopplung zwischen der Turbine und dem Kompressor ausgebildet sein. Das bedeutet, dass die [0013] In particular, a turbo device according to the invention will be designed without a mechanical coupling between the turbine and the compressor. This means that the

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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. Energy transfer from the turbine section to the compressor section, and specifically from the turbine to the compressor, occurs exclusively via the conversion of the absorbed torque into electrical current. This electrical current, compared to a mechanical transmission, can then be transferred more freely to another location within the fuel cell system, where it is converted by the compressor motor back into the torque required for compression.

[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. [0014] The mechanical decoupling of the two sections of the turbo device, and thus the free choice of location for the compressor section and the turbo section, provides greater design freedom. In particular, it is no longer necessary to physically adapt the exhaust system and the feed line for the turbo devices. Rather, even with existing designs, it is possible to position the turbo section next to the existing exhaust system and, similarly, to integrate the compressor section into a feed line that is significantly separated from the exhaust system. The purely electrical coupling via the generated current now makes it possible to guarantee the increase in efficiency.

[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. [0015] Although it is to be expected that an electrical loss will occur during the conversion of torque into electrical current and back again from electrical current into torque at the compressor motor, this can be accepted because the advantages in terms of reduced installation space, increased design freedom and reduced complexity of the overall system clearly outweigh this disadvantage.

[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. [0016] It can be advantageous if, in a turbo device according to the invention, the turbine generator is at least partially directly electrically connected to the compressor motor. As already explained in the introduction, this direct electrical connection is, in particular, free of any mechanical connection between the turbine generator and the compressor motor. This means that, in particular, a direct electrical connection is provided, especially one that is even free of any control mechanism. This minimizes complexity, but also makes it difficult or impossible to control the rotational speed. Therefore, the controlled connection options for transmitting the electrical current, which are explained in more detail below, are preferred in order to allow the rotational speed between the turbine and the compressor to be controlled essentially independently of each other.

[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. [0017] Furthermore, in a turbo device according to the invention, the turbine generator is connected to the compressor motor via an electrical connection module for controlling the speed of the compressor and/or the turbine. The speed of the turbine depends essentially on the operating condition of the fuel cell system. Depending on the mass flow rate, flow velocity, and the resulting flow energy in the exhaust gas from the fuel cell system, the turbine can have different speeds and, accordingly, absorb different amounts of torque from the flow energy of the exhaust gas. Therefore, a controllable connection for transmitting the generated current allows for direct control, and in particular, regulation, of the speed of the compressor motor and thus also of the compressor. For example, the generated current may not be at least partially passed on to the compressor, so that the speed of the compressor differs from the speed of the turbine, and in particular is lower than the speed of the turbine. This leads to a lower compression than the actual electrical power available from the turbine generator. In this way, it becomes possible to ensure direct controllability and thus active control of the pressure increase via the compressor section through controllability via the electrical connection module.

[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-[0018] In a turbo device according to the invention, the electrical connection module has at least one energy storage device for intermediate storage of generated electricity before transmission to the compressor motor. Such an energy storage device can be, as will be explained later, a short-term or long-term energy storage device. In particular for transient operating conditions,

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. In certain operating situations of the fuel cell system, a pressure increase may be required at the compressor section that does not correlate with the current power output in the turbine section. In other words, the current flow energy absorbed from the exhaust gas in the form of torque is insufficient to provide the required pressure increase at the compressor. In such cases, the missing electrical power can be supplied from the energy storage system to supplement the electrical current currently generated by the turbine generator. This energy storage system can be recharged when, in other, particularly transient, operating situations of the fuel cell system, the absorbable flow energy at the turbine section exceeds the currently required compression energy at the compressor section. This allows the energy storage system to decouple the demand at the compressor from the demand at the turbine section, thus making operation even more efficient and stable.

[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: [0019] It can bring further advantages if, in a turbo device according to the invention as described in the preceding paragraph, the energy storage device has at least one of the following embodiments:

- Kondensatorvorrichtung, - Batterievorrichtung. - Capacitor device, - Battery device.

[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. [0020] The preceding list is not exhaustive. Naturally, several different or identical energy storage devices can be used together as part of the connection module. A capacitor device serves in particular as a short-term storage device to compensate for strong fluctuations in short time periods with regard to differences in compressor demand and the current turbine output at the turbine section. This makes it possible to provide steady-state compression functionality even in unsteady and/or highly fluctuating exhaust gas conditions. Conversely, in highly fluctuating compression situations, appropriate adjustment can be ensured despite a constant or substantially constant exhaust gas situation at the turbine section. If a fuel cell system with such a turbo device is used, for example, at high altitudes or even in aircraft, highly fluctuating ambient pressures can be expected, especially in an aircraft. Depending on the ambient pressure, the compression requirement varies accordingly, so that the use of an energy storage device requires compression and pressure increase of varying strengths, and, above all, independent of the turbine section, depending on the ambient pressure.

[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. [0021] In a turbo device according to the invention, the electrical connection module has at least one load resistor for consuming at least a portion of the generated current. This load resistor is, in particular, designed to be controllable and/or switchable. The same applies, of course, to the energy storage devices in the preceding paragraphs, which are also designed to be switchable and/or controllable. Providing a load resistor can serve to prevent excess generated electrical current from being passed on to the compressor motor, but instead to convert it, for example, into heat via the load resistor. The conversion into heat dissipates this excess generated electrical current and thus prevents its conversion into torque and compression at the compressor section. This load resistor can therefore be used when more electrical current is generated than is required for the current operation of the compressor. The excess generated electrical current can be converted into heat via the load resistor and dissipated accordingly. Such a load resistor can be used in addition to or as an alternative to the storage devices of the preceding paragraphs, particularly when the energy storage device used is already fully charged.

[0022] Ebenfalls von Vorteil ist es darüber hinaus, wenn bei einer erfindungsgemäßen Turbovorrichtung der Kompressormotor einen Stromanschluss aufweist für eine elektrisch leitende Verbin-[0022] It is also advantageous if, in a turbo device according to the invention, the compressor motor has a power connection for an electrically conductive connection-

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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. The system is connected to an external power supply. Such an external power supply could, for example, be the power supply for the fuel cell system. As has already been explained several times, there are operating situations in which the available flow energy for the torque that can be absorbed at the turbine is insufficient to provide the currently required compressor power at the compressor section. Particularly when no energy storage is provided or when it is depleted, this additional but missing compression energy can now be drawn from an external power supply at the power connection. This allows for overcompensation in these short-term operating situations and thus enables compression that exceeds the current turbocharger functionality.

[0023] Ebenfalls von Vorteil ist es weiter, wenn bei einer erfindungsgemäßen Turbovorrichtung eine Sensorvorrichtung für eine Bestimmung wenigstens eines der folgenden Strömungsparameter vorgesehen ist: [0023] It is also advantageous if a sensor device for determining at least one of the following flow parameters is provided in a turbo device according to the invention:

- Massenstrom des Betriebszuführgases, - Temperatur des Betriebszuführgases, - Mass flow rate of the operating gas, - Temperature of the operating gas,

- Druck am Kompressoreingang, - Pressure at the compressor inlet,

- Druck am Kompressorausgang, - Pressure at the compressor outlet,

- Massenstrom des Betriebsabgases, - Mass flow rate of the operating exhaust gas,

- Temperatur des Betriebsabgases, - Temperature of the operating exhaust gas,

- Druck am Turbineneingang, - Pressure at the turbine inlet,

- Druck am Turbinenausgang. - Pressure at the turbine outlet.

[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. [0024] The preceding list is not exhaustive. Naturally, two or more sensor devices can be provided, which detect correspondingly different flow parameters. In particular, the information from the sensor devices can provide valuable control variables or regulated variables for the control method described later. Specifically, knowledge of the pressures enables calculation and estimation for improved controllability of the currently absorbable flow energy at the turbine section, as well as the currently required compression power at the compressor section. The mass flow rate of the individual gases can also be used to draw conclusions about the energy situation in both sections.

[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. [0025] Further advantages arise if, in a turbo device according to the invention, the turbine generator and/or the compressor motor are designed to be switchable, particularly for switching the transmission of the generated electrical current. Such switchability serves in particular for qualitative switching, i.e., a complete switching on and a complete switching off of the respective component. Of course, quantitative switching is also possible in order to control the respective electrical component in the form of the turbine generator and the compressor motor independently of the current flow situation in the two sections. The mechanical coupling between the turbine generator and the turbine, as well as between the compressor motor and the compressor, is preferably retained with this switchability. This shifts the switchability to the electrical part and avoids a complex and elaborate mechanical circuit.

[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-[0026] A further advantage can also be achieved if, in a turbo device according to the invention, a multi-stage compressor is arranged in the compressor section between the compressor inlet and the compressor outlet. A multi-stage compressor is understood to mean that a first compressor stage is arranged downstream of the compressor inlet and the operating supply gas flowing through is directed at the outlet of the first compressor stage into a second compressor stage before, after the second compressor-

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. In the downstream stage, the operating supply gas exits the compressor outlet in its compressed state. The multi-stage design allows for lighter, simpler, and more cost-effective construction of the individual compressor stages. For example, if a pressure increase of 2 bar between the compressor inlet and outlet is desired, the multi-stage design enables a stepwise conversion and pressure increase. The total pressure increase of 2 bar is then achieved in 1 bar in each compressor stage, thus reducing the stability and mechanical load requirements for each stage. A symmetrical distribution, and therefore the same pressure level in each compressor stage, is preferred. However, asymmetrical distributions are also conceivable. Naturally, three or more stages for the multi-stage compressor are also possible within the scope of the present invention.

[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. [0027] Another object of the present invention is a fuel cell system for generating electricity. Such a fuel cell system comprises at least one fuel cell stack with an air side and a fuel side. The air side is equipped with an air supply section for supplying intake air. Furthermore, the air side has an air exhaust section for removing exhaust air. Similarly, a fuel supply section for supplying fuel gas is provided on the fuel side. A fuel exhaust section is also provided for removing fuel exhaust gas. Such a fuel cell system is characterized in that a turbo device according to the present invention is provided for the air side, with the intake air as the operating gas and the exhaust air as the operating exhaust gas. Thus, a fuel cell system according to the invention offers the same advantages as those explained in detail with reference to a turbo device according to the invention.

[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. [0028] Such a fuel cell system can be further developed by arranging the turbine section at a distance from the compressor section. This is only possible by providing mechanical decoupling, since the turbo device is designed to be free of any mechanical connection between the compressor and the turbine. This makes it possible to bridge even large distances by using different arrangements and positions of the turbine section and the compressor section. Integration into the fluid communication system in the associated air supply section and the associated air discharge section is therefore essentially design-independent, so that these two gas flow sections can be routed and arranged independently of each other.

[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: [0029] Another object of the present invention is a control method for monitoring the pressure during the delivery of an operating feed gas to a fuel cell system with a turbo device according to the invention. Such a control method is characterized by the following steps:

- Erfassen eines Soll-Verdichtungswertes für eine Verdichtung des Betriebszuführgases, - Determining a target compression value for the compression of the operating supply gas,

- Bestimmen der Soll-Drehzahl für den Kompressor und/oder der Turbine der Turbovorrichtung, - Determining the target speed for the compressor and/or turbine of the turbo device,

- Anpassen der Ist-Leistung des Kompressormotors zum Erzielen der bestimmen SollDrehzahl des Kompressors. - Adjusting the actual power output of the compressor motor to achieve the specified target speed of the compressor.

[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. [90030] By using a turbo device according to the invention, a control method according to the invention offers the same advantages as have been explained in detail with reference to a turbo device according to the invention. The control method clearly demonstrates once again that active control and, in particular, active regulation of the pressure on the compressor side is possible. This even allows for the possibility of increasing the pressure, especially when the energy storage devices described above or an external power supply are available.

[0031] Es kann von Vorteil sein, wenn bei einem erfindungsgemäßen Kontrollverfahren für die Erfassung des Soll-Verdichtungswertes wenigstens ein Strömungsparameter des Betriebszuführ-[0031] It can be advantageous if, in a control method according to the invention for determining the target compression value, at least one flow parameter of the operating supply

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. The pressure of the gas and/or the operating exhaust gas is detected. This enables controlled intervention in the pressure regulation. In particular, a control system is conceivable such that, for example, the current pressure situation at the compressor inlet is measured at the pressure inlet, and the compression result or success is determined accordingly by measuring the pressure at the compressor outlet. This enables qualitative, and especially quantitative, control, for example in the form of a control system, within the framework of the control method according to the invention.

[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: [0032] Further advantages, features and details of the invention will become apparent from the following description, in which exemplary embodiments of the invention are described in detail with reference to the drawings. The drawings schematically show:

[0033] Fig 1 eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Turbovorrichtung, [0033] Fig 1 shows an embodiment of a turbo device according to the invention,

[0034] Fig. 2 eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Turbovorrichtung, [0034] Fig. 2 shows a further embodiment of a turbo device according to the invention,

[0035] Fig. 3 eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Turbovorrichtung, [0035] Fig. 3 shows another embodiment of a turbo device according to the invention,

[0036] Fig. 4 eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Turbovorrichtung, [0036] Fig. 4 shows another embodiment of a turbo device according to the invention,

[0037] Fig. 5 SiS weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Turbovorrichtung un [0037] Fig. 5 SiS further embodiment of a turbo device according to the invention

[0038] Fig. 6 eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems. [0038] Fig. 6 shows an embodiment of a fuel cell system according to the invention.

[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. [0039] Figure 1 schematically illustrates a turbo device 10 according to the invention. This device can be divided into a compressor section 20 and a turbine section 40. The compressor section 20 serves to guide the operating supply gas BZG, which can flow into the compressor section 20 via a compressor inlet 22. There, the operating supply gas BZG flows through the compressor 26, for example in the form of a compressor rotor, and can leave the compressor section 20 in a compressed state via the compressor outlet 24. This compressor section 20 is, for example, fluidly integrated into the air supply section 122 of a fuel cell system 100.

[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. [0040] Similarly, on the side of the turbine section 40, a fluid-communicating integration into the air discharge section 124 of the fuel cell system 100 is provided. An operating exhaust gas BAG can enter the turbine section 40 via a turbine inlet 42 and flows through the turbine 46 there. Through the drive of the turbine 46, the operating exhaust gas BAG loses flow energy and can now leave the turbine outlet 44 with reduced pressure and thus reduced flow energy.

[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. [0041] According to the invention, the turbine section 40 now includes a turbine generator 41. This is mechanically coupled to the turbine 46, for example, via a turbine shaft, so that the absorbed torque and thus the rotation of the turbine 46 can be converted into electrical current by the turbine generator 41. This electrically generated current can be transmitted via an electrically conductive connection between the turbine generator 41 and the compressor motor 21 and now serves to drive the compressor 26 via the compressor motor 21. The flow energy from the operating exhaust gas (BAG) can thus be transferred and transported to a spaced-apart compressor section 20 via the generated electrical current. The electrical current I is thus used at the compressor section 20 to rotate the compressor rotor of the compressor 26 and thus to compress and increase the pressure of the fuel supply gas (BZG). The absence of a mechanical coupling between the turbine 46 and the compressor 26 allows for a completely free arrangement of these two sections 20 and 40 of the turbo device 10 in the fuel cell system 100.

[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 [0042] Figure 2 shows a further development of the embodiment of Figure 1. In the transmission section between the turbine generator 41 and the compressor motor 21, a connection module 70 is now provided. This connection module 70 can have a control unit which enables the transmission of the generated electric current in a controlled manner. This allows direct and controlled intervention in the current speed of the compressor 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. to take, for example, by controlling the amount of electrical current supplied to the compressor motor 21. This controlled intervention is further specified in particular by the components shown in the following figures.

[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. [0043] Figure 3 shows the integration of an energy storage device 72 into the connection module 70. The connection module 70 now provides two switchable lines, making it possible to decouple the generated electrical current from the electrical current actually supplied to the compressor motor 21. In operating situations with very high generated current, a portion of it can be stored in the battery device 72. Similarly, if too little electrical current is generated, a supplementary current can be drawn from the energy storage device 72, for example, in the form of a battery or an electrical capacitor. Parallel operation is also possible, ensuring supplementary operation, i.e., supplementing the generated electrical current with additional current from the energy storage device 72.

[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. [0044] Figure 4 shows a further development of Figure 3. Here, it is possible to detect the current ambient pressure at the compressor inlet 22 via a sensor device 80, so that the current difference to the desired operating pressure can be specified precisely. This makes it possible to specify the required compressor output and, by means of a control method according to the invention, to intervene in the speed of the compressor 26 and thus in the operating mode of the compressor motor 21. Particularly for situations in which no energy storage device 72 is provided or the current output at the turbine 46 is insufficient, this embodiment also provides a power connection 23, which can draw additional electrical power from an external power source (not shown). Here, too, a load resistor 74 is provided for a surplus situation, i.e., a situation in which too much electrical current is generated at the turbine generator 41. This resistor can be switched and integrated into the transmission connection in the connection module 70. This can, for example, be designed as a heating resistor and accordingly convert excess generated electrical current into heat and thus prevent it from being passed on to the compressor motor 21.

[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. [0045] Figure 5 shows a further development of Figure 1. Here, a multi-stage compressor 26 is provided, which here has a first compressor stage 26a and a second compressor stage 26b. For a compression requirement of, for example, 2 bar, a division into, for example, 1 bar compression stages per compressor stage 26a and 26b can now be provided. In both cases, it is possible, for example, via the compressor shaft 28, to ensure a common drive of both compressor stages 26a and 26b via the compressor motor 21. Here again, a mechanical decoupling between compressor section 20 and turbine section 40 is provided, as well as a transmission option for the generated electrical current via the connection module 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. [0046] Figure 6 shows the integration of a turbo device 10 according to one of the embodiments shown in Figures 1 to 5 into a fuel cell system 100. This system is schematically equipped with a fuel cell stack 110. On the fuel side 130, fuel supply gas BZG is supplied via a fuel supply section 132, and the resulting fuel exhaust gas AG is discharged via a fuel discharge section 134. On the air side 120, supply air ZL is provided via the air supply section 122, and exhaust air AL is discharged via the air discharge section 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 [0047] As Figure 6 clearly shows, local decoupling between the compressor section 20 and the turbine section 40 is now possible. Thus, the turbine section 40 is arranged close to the fuel cell stack 110. The compression takes place at a different position, closer to the inlet of the air supply section 122. This decoupling is possible because, at the location of the turbine section 40, the absorbed torque is converted into electrical current via the turbine generator 41. This current is transmitted via an electrical line to a compressor motor 21, which then converts the torque into torque in the turbo device 10 at the location of the compressor section 20, and from there into the

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. The corresponding compression performance is ensured by the rotation of compressor 26. This provides local decoupling and thus enables a better package, a reduced installation space and, above all, a reduced complexity in the gas routing.

[0048] Die voranstehende Erläuterung der Ausführungsformen beschreibt die vorliegende Erfindung ausschließlich im Rahmen von Beispielen. [0048] The preceding explanation of embodiments describes the present invention exclusively by way of examples.

BEZUGSZEICHENLISTE REFERENCE MARK LIST

10 Turbovorrichtung 10 Turbo device

20 Kompressorabschnitt 21 Kompressormotor 20 Compressor section 21 Compressor motor

22 Kompressoreingang 22 Compressor input

23 Stromanschluss 23 Power connection

24 Kompressorausgang 26 Kompressor 24 Compressor outlet 26 Compressor

26a erste Kompressorstufe 26b zweite Kompressorstufe 28 _ Kompressorwelle 26a first compressor stage 26b second compressor stage 28 _ compressor shaft

40 Turbinenabschnitt 40 Turbine section

41 Turbinengenerator 41 Turbine generator

42 Turbineneingang 42 Turbine inlet

44 Turbinenausgang 44 Turbine outlet

46 Turbine 46 Turbine

70 Verbindungsmodul 70 Connection module

72 Stromspeicher 72 energy storage units

74 VWVerbraucherwiderstand 80 Sensorvorrichtung 74 VW consumer resistor 80 sensor device

100 Brennstoffzellensystem 110 Brennstoffzellenstapel 120 Luftseite 100 Fuel cell system 110 Fuel cell stack 120 Air side

122 Luftzuführabschnitt 122 Air supply section

124 Luftabführabschnitt 130 Brennstoffseite 124 Air discharge section 130 Fuel side

132 Brennstoffzuführabschnitt 134 Brennstoffabführabschnitt BZG Betriebszuführgas BAG Betriebsabgas 132 Fuel supply section 134 Fuel discharge section BZG Operating supply gas BAG Operating exhaust gas

ZL Zuluft ZL supply air

AL Abluft AL exhaust air

ZG Brennstoffzuführgas AG Brennstoffabgas ZG Fuel Supply Gas AG Fuel Exhaust

| Strom | Electricity

Claims

Patent claims

1. Turbo device (10) for conveying an operating feed gas (BZG) and an operating exhaust gas (BAG) of a fuel cell system (100), comprising a compressor section (20) for guiding the operating feed gas (BZG) from a compressor inlet (22) to a compressor outlet (24), further comprising a turbine section (40) for guiding the operating exhaust gas (BAG) from a turbine inlet (42) to a turbine outlet (44), wherein a turbine (46) is arranged between the turbine inlet (42) and the turbine outlet (44) for absorbing torque from the flow energy of the operating exhaust gas (BAG), wherein a compressor (26) is further arranged between the compressor inlet (22) and the compressor outlet (24) for compressing the operating feed gas (BZG), wherein the turbine section (40) comprises a turbine generator (41) coupled to the turbine (46) for torque transmission for generating electricity (I) from the recorded torque, wherein the compressor section (20) has a compressor motor (21) coupled to the compressor (26) for torque transmission for an electric motor drive of the compressor (26) for compression of the operating supply gas (BZG), wherein further the turbine generator (41) is connected to the compressor motor (21) for transmission of the generated current (I), wherein the turbine generator (41) is connected to the compressor motor (21) via an electrical connection module (70) for control of the speed of the compressor (26) and/or the turbine (46), characterized in that the electrical connection module (70) has at least one current storage device (72) for intermediate storage of generated current (I) before transmission to the compressor motor (21), wherein the electrical connection module (70) has at least one load resistor (74) for consumption of at least a portion of the generated current (I).

2. Turbo device (10) according to claim 1, characterized in that the turbine generator (41) is at least partially directly electrically connected to the compressor motor (21).

3. Turbo device (10) according to one of claims 1 to 2, characterized in that the energy storage device (72) has at least one of the following embodiments: - capacitor device - battery device 4. Turbo device (10) according to one of the preceding claims, characterized in that

Figure 21 shows that the compressor motor (21) has a power connection (23) for an electrically conductive connection to an external power supply.

5. Turbo device (10) according to one of the preceding claims, characterized in that a sensor device (80) is provided for determining at least one of the following flow parameters:

- Mass flow rate of the operating gas (OS) - Temperature of the operating gas (OS) - Pressure at the compressor inlet (22) - Pressure at the compressor outlet (24) - Mass flow rate of the operating exhaust gas (OS) - Temperature of the operating exhaust gas (OS) - Pressure at the turbine inlet (42) - Pressure at the turbine outlet (44)

6. Turbo device (10) according to one of the preceding claims, characterized in that the turbine generator (41) and/or the compressor motor (21) is switchable

are designed, in particular for switching the transmission of the generated electric current ().

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7. Turbo device (10) according to one of the preceding claims, characterized in that a multi-stage compressor (26) is arranged in the compressor section (20) between the compressor inlet (22) and the compressor outlet (24).

8. Fuel cell system (100) for generating electric current comprising at least one fuel cell stack (110) with an air side (120) and a fuel side (130), wherein the air side (120) has an air supply section (122) for supplying supply air (ZL) and an air discharge section (124) for removing exhaust air (AL) and the fuel side (130) has a fuel supply section (132) for supplying fuel supply gas (ZG) and a fuel discharge section (134) for removing fuel exhaust gas (AG), characterized in that a turbo device (10) with the features of one of claims 1 to 7 is provided for the air side (120) with the supply air (ZL) as the operating supply gas (BZG) and the exhaust air (AL) as the operating exhaust gas (BAG).

9. Fuel cell system (100) according to claim 8, characterized in that the turbine section (40) is arranged at a distance from the compressor section (20).

10. Control method for controlling the pressure during the delivery of an operating feed gas (BZG) of a fuel cell system (100) with a turbo device (10) having the features of one of claims 1 to 7, characterized by the following steps:

- Determining a target compression value for the compression of the operating supply gas (OSG),

- Determining the target speed for the compressor (26) and/or the turbine (46) of the turbo device (10),

- Adjusting the actual power of the compressor motor (21) to achieve the specified target speed of the compressor (26).

11. Control method according to claim 10, characterized in that at least one flow parameter of the operating supply gas (BZG) and/or the operating exhaust gas (BAG) is recorded for the determination of the target compression value.

This includes 6 sheets of drawings.