DE10127799A1 - Turbo-braking and air supply device for fuel cell system uses displacement compressor and flow machine compressor coupled to vario-turbine - Google Patents

Turbo-braking and air supply device for fuel cell system uses displacement compressor and flow machine compressor coupled to vario-turbine

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DE10127799A1 DE2001127799 DE10127799A DE10127799A1 DE 10127799 A1 DE10127799 A1 DE 10127799A1 DE 2001127799 DE2001127799 DE 2001127799 DE 10127799 A DE10127799 A DE 10127799A DE 10127799 A1 DE10127799 A1 DE 10127799A1
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Abstract

The turbo-braking and air supply device has a displacement compressor (11) coupled to a drive shaft (24) preceded by a flow machine compressor (14), coupled via a shaft to a vario-turbine (9), with a short-circuit connection between the output of the displacement compressor and the input (3) of the vario-turbine via the environment of the fuel cell (10). An Independent claim for a turbo-braking and air supply method for a fuel cell system for an electrical machine providing mechanical work is also included.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung mit Verfahrensabläufen der Regelung, hauptsächlich nach den Ansprüchen 1, 2 und 5, bzw. 10 bis 14, für Brennstoffzellen mit elektrischen Maschinen, die mit einer erfindungsgemäßen Turbobremse für den mobilen wie auch für stationären Einsatz vorgesehen sind.The invention relates to a device with control process sequences, mainly according to claims 1, 2 and 5, or 10 to 14, for fuel cells with electrical machines with a turbo brake according to the invention for the mobile as well as stationary use.

Die Aufgabenstellung der Erfindung begründet sich aus dem häufig entstehenden hohem Bremsleistungsbedarf über große Zeiträume bei Nutzfahrzeugen wie auch bei schwereren PKW-Fahrzeugen, die neben der normalen Betriebsbremse zusätzlich eine Motorbremse für den Dauerbremsbetrieb besitzen. Aus Sicherheitsgründen sollte das System eine autarke und redundante Bremswirkung zur vorhandenen Dauerbremse, die auf der elektrischen Maschine in Verbindung mit der Brennstoffzelle basiert, erbringen können.The task of the invention is based on the frequently arising high braking power requirements over long periods of time for commercial vehicles as well as for heavier car vehicles that in addition to the normal service brake have an engine brake for continuous braking. For safety reasons the system should have an autonomous and redundant braking effect to the existing one Retarder on the electrical machine in conjunction with the Fuel cell based, can provide.

Die dargelegte Erfindung einer Dauerbremse für Brennstoffzellen-Fahrzeuge führt bei den Entwicklungen, mit den Kenntnissen der Aufladetechnik bei konventionellen Motoren, bis zu höchsten spezifischen Bremsleistungen bezogen auf den Platzbedarf. Die positive Wirkungen auf das Verbrauchsverhalten über die Gewichtseinsparungen und ermöglichbaren hohen mittleren Transport­ geschwindigkeiten sind dabei offensichtlich.The stated invention of a permanent brake for fuel cell vehicles leads to the developments with the knowledge of charging technology in conventional Motors up to the highest specific braking power based on the Space requirements. The positive effects on consumption behavior over the Weight savings and high medium transport possible speeds are obvious.

Bei den laufenden Entwicklungen an Motorbremssystemen für die konventionellen aufgeladenen Dieselmotoren geht der Trend zu einer Verdoppelung der Bremsnennleistung gegenüber der Antriebsnennleistung. So müßte ein Brennstoffzellen-Nfz-Fahrzeug der Zukunft, das eine Antriebsnennleistung von 300 KW erbringt, die elektrischen Maschinen für den Generatorbetrieb, bzw. Motorbremsbetrieb auf ca. 600 KW auslegen, was platzmäßig und aus Gewichts- und Kostengründen völlig uninteressant und unrealistisch wäre. Dies wird bedeuten, daß die Brennstoffzellen-Trucks generell mit teuren Retardern auszurüsten wären um den Anforderungen, die der Stand der Technik von der Dieselmotorenseite vorgibt, genügen zu können.In the current developments of engine braking systems for the conventional turbocharged diesel engines, the trend is to double the Brake nominal power compared to the nominal drive power. So one should Fuel cell commercial vehicle of the future with a nominal drive power of 300 KW provides the electrical machines for generator operation or Design engine brake operation to approx. 600 KW, which is limited in space and weight and cost reasons would be completely uninteresting and unrealistic. This will mean that the fuel cell trucks would generally have to be equipped with expensive retarders  the requirements of the state of the art on the diesel engine side, to be enough.

Ein Stand der Technik bzgl. der erfindungsgemäßen Brennstoffzellen- Turbobremssystemen ist nach dem vorliegenden Kenntnisstand nicht vorhanden. Mit dem Anspruch 1 wird die erfindungsgemäße Vorrichtung eines Brennstoffzellen- Turbobremssystems beschrieben, das in der Antriebsbetriebsweise prinzipiell auch die Luftversorgung des Systems übernehmen kann.A state of the art with respect to the fuel cell According to the current state of knowledge, turbo brake systems are not available. With claim 1, the inventive device of a fuel cell Turbo braking system described, in principle also in the drive mode can take over the air supply of the system.

Der Kernpunkt der Erfindung betrifft die Kombination eines Verdrängerkompressors mit einem Freiläufer der Strömungsmaschinenbauart. Der Freiläufer entspricht im prinzipiellen Aufbau dem bekannten Abgasturbolader. Die Turbine wird vorteilhafterweise mit einem Varioelement versehen, mit dem der engste Strömungsquerschnitt in der Turbine für das gewünschte Aufstauverhalten eingestellt wird. Die technisch beste Lösung eines Varioelements ist die Plazierung eines variablen Turbinenleitgitters direkt vor dem Turbinenrad, womit der Eintrittsdrall der Zuströmung, bzw. die Turbinenleistung effizient geregelt werden kann.The essence of the invention relates to the combination of a positive displacement compressor with a free-flow machine of the fluid machine type. The freewheel corresponds in basic structure of the well-known exhaust gas turbocharger. The turbine will advantageously provided with a vario element with which the narrowest Flow cross-section set in the turbine for the desired accumulation behavior becomes. The technically best solution for a vario element is to place one variable turbine guide vane directly in front of the turbine wheel, which means that the inlet swirl of the Inflow, or the turbine power can be controlled efficiently.

In der Turbobremsphase wird der Austritt des Verdrängerkompressors praktisch direkt mit dem Eintritt der Varioturbine verbunden. Die Brennstoffzelle wird dabei mindestens teilweise umgangen. Der Verdrängerkompressor, der ein Kolbenkompressor oder auch ein Drehscheibenkompressor nach dem Wankelprinzip sein kann, ist während der Bremsphase mit der Abtriebswelle fest verbunden und sorgt über die Hochdruckschleife im Verdrängungsraum und über die Ladungswechselschleife um den Kompressor herum für die hohen Bremsleistungen. Der Verdrängerkompressor arbeitet quasi als aufgeladener Retarder, der die erwärmte Luft unter hohem Druck durch die nachfolgende Varioturbine presst und damit die Turbinenleistung für die Luftlieferung über den Strömungsmaschinen­ kompressor bereitstellt.In the turbo braking phase, the discharge of the displacement compressor becomes practical directly connected to the inlet of the Varioturbine. The fuel cell is doing this at least partially bypassed. The positive displacement compressor, the one Piston compressor or a rotary disc compressor based on the Wankel principle can be, is firmly connected to the output shaft during the braking phase and takes care of the high pressure loop in the displacement space and the Charge exchange loop around the compressor for high braking performance. The positive displacement compressor works almost as a charged retarder, which warmed air under high pressure by the following Varioturbine and thus the turbine power for the air delivery over the turbomachines compressor provides.

Mit dieser Bremsmethode sind extrem hohe Bremsleistungen erzielbar, die zum einen durch die realisierbaren Innendrücke des Verdrängerkompressors und zum andern durch die Haltbarkeit der Varioturbine maßgebend bestimmt sind. Wenn wir von Kolbenkompressoren ausgehen, so sind Zylinderdrücke bis 300 bar oder in Zukunft sogar bis 350 bar nicht abwegig. Die Turbineneintrittsdrücke der Turbobremsturbinen können schon heute Werte von 7 bar im Mittel mechanisch verkraften und bei Weiterentwicklungen der geeigneten Turbinentypen werden in Zukunft auch mittlere Werte von über 10 bar möglich sein.With this braking method extremely high braking performance can be achieved, which for one through the realizable internal pressures of the displacement compressor and others are largely determined by the durability of the Varioturbine. If we piston compressors, cylinder pressures are up to 300 bar or in Not unreasonable in the future, even up to 350 bar. The turbine inlet pressures of the Turbine brake turbines can already achieve values of 7 bar on average mechanically  cope with and with further developments of the suitable turbine types are in In the future, medium values of over 10 bar may also be possible.

Wie schon die Entwicklungen der Dieselmotoren-Turbobremssysteme anzeigen, läßt sich damit in den Brennstoffzellen-Fahrzeugen die gewünschten kompakten Bremseinheiten realisieren, die sehr hohe spezifische Leistungen ermöglichen. Aus diesen technischen Vorteilen heraus werden sie sich zunehmend als Standard- Bremssystem mit einer herausragenden Bedeutung für die verschiedenen Anwendungsfälle durchsetzen.As the developments of the diesel engine turbo brake systems indicate the desired compact in fuel cell vehicles Realize brake units that enable very high specific outputs. Out With these technical advantages, they will increasingly become standard Brake system with an outstanding importance for the different Enforce use cases.

Ein grobe Vorstufe des aufgeladenen Turbobremsretarders wäre die Vorrichtung mit einer Drosseleinrichtung vor oder nach der Turbine, z. B. aus Gründen einer Vereinfachung oder aus Kostenaspekten. Der Verdrängerkompressor würde bei dieser Lösung gegen einen sehr engen Querschnitt, ggf. gegen einen Drosselklappenspalt die Luft ausschieben, was im wesentlichen der heutigen Gegendruckbremse herkömmlicher Nutzfahrzeugmotoren entspricht. Der Verdrängerkompressor wäre mit diesen Drossel-Elementen ausserhalb der Turbine wenig oder überhaupt nicht aufgeladen, da die Turbinenleistung durch die Verlusterzeuger nur geringe Werte annehmen kann. Die Leistungsdichte erreicht im unaufgeladenen Zustand des Verdrängerkompressors bei dieser wenig vorteilhaften Vorrichtung nur ein bescheidenes Niveau.A rough preliminary stage of the turbocharged retarder charged would be the device with a throttle device before or after the turbine, e.g. B. for the sake of one Simplification or from a cost perspective. The positive displacement compressor would this solution against a very narrow cross section, possibly against one Throttle gap expel the air, which is essentially today's Counter pressure brake corresponds to conventional commercial vehicle engines. The With these throttle elements, a positive-displacement compressor would be outside the turbine little or not charged at all, because the turbine power by the Loss generator can only assume low values. The power density reaches in uncharged state of the positive displacement compressor in this less advantageous Device only a modest level.

Um eine gewünschte hohe Leistungsdichte der Bremseinheit mit Varioturbine nach Anspruch 1 zu realisieren, bietet sich aus dem Anspruch 2 die Umsetzung der Turbobremskennzahl TBF auf Werte unterhalb 10 Promille an.To achieve a desired high power density of the brake unit with Varioturbine To implement claim 1, offers the implementation of claim 2 Turbo brake index TBF to values below 10 per mille.

Die Turbobremszahl verbindet die Hauptparameter der Bremseinheit:
Turbinenraddurchmesser DT, engster Turbinenquerschnitt AT, der der engste Leitgitterquerschnitt direkt vor dem Turbinenrad sein kann und das Verdrängungsvolumen VH mittels der Beziehung
The turbo brake number combines the main parameters of the brake unit:
Turbine wheel diameter D T , narrowest turbine cross-section A T , which can be the narrowest guide vane cross-section directly in front of the turbine wheel and the displacement volume V H by means of the relationship

TBF = DT.AT/VH
TBF = D T. A T / V H

zur Charakterisierung. In der Zweitaktbetriebsweise des Verdrängerkompressors ergeben Werte des Turbobremsfaktors von unterhalb 10 Promille hohe Leistungsdichten. Entsprechend der Entwicklungsstände bzgl. der mechanischen Festigkeiten, im Besonderen der Turbinenseite und des Verdrängerverdichters mit Peripherie, wird man diese Auslegungszahl auch unter 5 Promille absenken wollen um die Leistungsdichte weiter zu steigern.for characterization. In the two-stroke mode of the positive displacement compressor result in values of the turbo brake factor of less than 10 per thousand Power densities. According to the state of development regarding mechanical Strengths, especially the turbine side and the positive-displacement compressor  Periphery, you will want to lower this design number below 5 per thousand to further increase the power density.

Nach dem Anspruch 3 wird der Verdrängerkompressor vorteilhaft mit der elektrischen Maschine gekoppelt sein, um hier auch eine Abstimmung der Bremsleistungsanteile der elektrischen Maschine, die dann üblicherweise auch als Generator laufen wird, mit dem Basisturbobremssystem durchführen zu können. Dem Anspruch ist zu entnehmen, daß der Kompressor auch in der Antriebsbetriebsweise für die Luftlieferung der Brennstoffzelle wirken wird.According to claim 3, the positive displacement compressor is advantageous with the electrical Be coupled to the machine to coordinate the braking power shares the electrical machine, which will then usually also run as a generator, to be able to perform with the basic turbo brake system. The claim is too see that the compressor is also in the drive mode for the Air delivery of the fuel cell will act.

Zum Schutz der Brennstoffzelle vor den starken Druckstößen des Verdrängerkompressors wird entsprechend dem Anspruch 4 nachfolgend ein Pulsationsdämpfer angeordnet, der ein genügend großes Dämpfungsvolumen ggf. mit Pulskonverter aufweist.To protect the fuel cell from the strong pressure surges of the Displacement compressor is a according to claim 4 below Pulsation damper arranged, which may have a sufficiently large damping volume with pulse converter.

Nach Anspruch 5 wird ein Ventil vorgesehen, das die Massenstromaufteilung durch den Bypass und die Brennstoffzelle ggf. auch stufenlos regelbar macht, was in der Bremsphase wie auch der Antriebsbetriebsweise vorteilhaft sein kann, wenn die Belastung der Brennstoffzelle durch eine Reduzierung nicht benötigter Massenströme herabgesetzt werden soll. Der Kurzschluss der beiden Maschinen der Luftversorgung bei Umgehung der Brennstoffzelle begünstigt das Bremsverhalten des Quasi-Retarders auch durch eine Herabsetzung der Druckverlustquelle Brennstoffzelle vor der Turbine.According to claim 5, a valve is provided which through the mass flow distribution the bypass and the fuel cell may also be infinitely variable, which in the Braking phase as well as the drive mode of operation can be advantageous if the Load on the fuel cell through a reduction of unnecessary ones Mass flows should be reduced. The short circuit of the two machines of the Air supply bypassing the fuel cell favors braking behavior of the quasi-retarder also by reducing the pressure loss source Fuel cell in front of the turbine.

Aus dem Anspruch 6 werden die Betriebsweisen der elektrischen Maschine, die den Antrieb wie auch den Bremsbetrieb unterstützt, gekennzeichnet.From the claim 6, the modes of operation of the electrical machine, the Drive as well as braking operation supported, marked.

Je nach Eintrittsdruckniveau und Typ der Brennstoffzellen kann ein Wärmetauscher nach Anspruch 7, der hauptsächlich zur Temperaturabsenkung des Brennstoffzellen- Luftstroms dient, eine Notwendigkeit werden.Depending on the inlet pressure level and type of fuel cells, a heat exchanger can be used according to claim 7, mainly for lowering the temperature of the fuel cell Airflow serves to become a necessity.

Die Entwässerung des Luft-Wasser-Dampfgemisches nach dem Austritt der Brennstoffzelle würde man aus energetischen Gründen, wie im Anspruch 8 erwähnt, nach der Turbine des Freiläufers mittels eines Kondensators durchführen. Um das Brennstoffzellen-Turbobremssystem optimal zu nutzen, wird nach Anspruch 9 ein Regler zumindest mit den Hauptstellgrößen der Varioturbine und dem Bypassventil der Brennstoffzelle über Signale in Verbindung stehen. The drainage of the air-water vapor mixture after the leakage A fuel cell would be used for energy reasons, as mentioned in claim 8 after the turbine of the freewheel by means of a condenser. In order to make optimal use of the fuel cell turbo brake system, according to claim 9 a controller with at least the main manipulated variables of the Varioturbine and the The bypass valve of the fuel cell is connected via signals.  

Das Zusammenspiel zwischen dem Verdrängerkompressor und dem Freiläufer, der vorteilhafterweise mit einer Varioturbine ausgestattet ist, beschreibt der Verfahrensanspruch 10. Hierbei wird der Aufladegrad des Verdrängerkompressors als zentrales Merkmal herausgehoben, der durch die Wirkung der variablen Turbine maßgebend eingestellt wird und damit das gewünschte Bremsleistungsniveau der Turbobremse für das Brennstoffzellen-Fahrzeug damit bereitstellt.The interaction between the positive-displacement compressor and the freewheel, which is advantageously equipped with a Varioturbine, is described in method claim 10 . The charging level of the positive-displacement compressor is emphasized as a central feature, which is decisively set by the action of the variable turbine and thus provides the desired braking power level of the turbo brake for the fuel cell vehicle.

Der Verfahrensanspruch 11 gibt den Hinweis, daß der größte Luftmassenstromanteil die Brennstoffzelle umgeht. Der verbleibende Luftstrom durch die Brennstoffzelle kann in Verbindung mit dem Generatorstrom der elektrischen Maschine für eine Wasserstofferzeugung zur Energieumwandlung und Speicherung der Bremsenergie Anwendung finden.The process claim 11 indicates that the largest air mass flow bypasses the fuel cell. The remaining air flow through the fuel cell can be used in conjunction with the generator current of the electrical machine for hydrogen generation for energy conversion and storage of the braking energy.

Das Zusammenwirken zwischen der elektrischen und turbobasierten Bremse soll nach dem Anspruch 12 den Gesamtbremsleistungsbedarf im Dauerbremsbetrieb abdecken.The interaction between the electric and turbo-based brakes is said to according to claim 12, the total braking power requirement in continuous braking cover.

Aus energetischer Sicht macht es Sinn, daß der größere Bremsleistungsanteil über die Turbobremse abgedeckt wird, während die Tempomatfunktion weitgehend durch die Bremsleistungsspitzenregelung der elektrischen Maschine sehr präzise und schnell nach den Ansprüchen 13 und 14 regelbar ist.From an energetic point of view, it makes sense that the larger share of the braking power the turbo brake is covered while the cruise control function largely by the braking power peak control of the electrical machine very precise and is quickly regulated according to claims 13 and 14.

Ein den Ansprüchen zugrunde gelegtes Ausführungsbeispiel zeigt die Fig. 1:An claims factor The embodiment shows the Fig. 1:

Der Strömungsverdichter (14), der über eine Welle mit einer Varioturbine (9) angetrieben ist, saugt die Umgebungsluft bei einem vorgeschalteten Luftfilter mit dem Zustand 1 an. Die Lagerung (12) des Freiläufers kann eine übliche ölgeschmierte Gleitlagerung oder Kugellagerung sein, die eine vollständige Abdichtung und Abkapselung des Schmiergehäuse zur Ansaugluft besitzt. Zukünftige Rotorlagerungsentwicklungen werden in Richtung von ölfreien Lagerungen laufen, wie z. B. die Darstellung der Prinzipien von Luftlagerungen oder Magnetlagerungen. Der Strömungsverdichter (14) komprimiert die Luft auf den Zustandspunkt 2, der nahezu dem thermodynamischen Eintrittspunkt des gezeigten mehrzylindrischen Kolbenverdichters (11) entspricht.The flow compressor ( 14 ), which is driven by a shaft with a vario turbine ( 9 ), sucks in the ambient air with an upstream air filter with status 1 . The bearing ( 12 ) of the freewheel can be a conventional oil-lubricated slide bearing or ball bearing, which has a complete seal and encapsulation of the lubricating housing from the intake air. Future rotor bearing developments will run in the direction of oil-free bearings, such as B. the presentation of the principles of air bearings or magnetic bearings. The flow compressor ( 14 ) compresses the air to the state point 2 , which corresponds almost to the thermodynamic entry point of the multi-cylinder piston compressor ( 11 ) shown.

Der auf den Druck P2 aufgeladene Kolbenverdichter (11) stellt in der Bremsphase das eigentliche Kernelement der Bremse des Brennstoffzellen-Turbobremssystems dar. Über die Antriebswelle (24), die über eine Kupplung (16) trennbar ist, wird die Bremsenergie, die z. B. auf die Räder wirken soll, in den Kompressor (11) als Antriebsleistung eingespeist. Der Antriebsleistungsbedarf des Kompressors (11) ist, wie schon einige Male erwähnt, über den Aufladegrad und auch den Gegendruck P3.1, bzw. die Ladungswechselaufwendung stark beeinflussbar. Zusätzlich ist hier die Kompressordrehzahl und damit die Leistungsaufnahme über das Getriebe (18) regelbar. Die elektrische Maschine (15) sitzt ebenfalls auf dem Zweig vor dem Abtriebsstrang (24), wodurch in der Generatorbetriebsweise, die über die Schalteinheit (23) eingestellt wird, Bremsenergie aufgebracht wird. Die Kombination der Bremsen Kolbenverdichter (11) und Generator (15), die prinzipiell unabhängig und redundant die Bremsleistungen liefern können, erlauben die Gesamtbremsleistung untereinander aufzuteilen. Die Aufteilung der Gesamtbremsleistung kann permanent über die Regelung der elektrischen Maschine und über die gewichtigen Parameter des Kolbenverdichters erfolgen. Eine Regelungsmöglichkeit des Kolbenverdichters (11), neben der Drehzahlbeeinflussung über das Getriebe (18), ist die gezielte Beeinflussung der Dekompression des Zylinderinhaltes über die Austrittsventile, die mittels dem Signal (43) und dem zugehörigen Aktuator über die Kontrolleinheit (40) durchgeführt wird. Ein Grenzfall könnte sein, daß das Austrittsventil des Kompressors (11) während der Bremsphase eine Öffnungsstellung erhält, dessen Ventilöffnungsquerschnitt also nicht drehzahlzyklisch sondern nach Bremsleistungsbedarf höchstens zeitlich kontinuierlich in einer Ventilhubveränderung verstellt wird.The charged to the pressure P 2 piston compressor (11) is in the braking phase, the actual core element of the brake of the fuel cell turbo braking system. Over the drive shaft (24) which is separable via a coupling (16), the braking energy is, the z. B. to act on the wheels, fed into the compressor ( 11 ) as drive power. The drive power requirement of the compressor ( 11 ) can, as already mentioned a few times, be greatly influenced by the degree of charging and also the back pressure P 3.1 , or the charge exchange expenditure. In addition, the compressor speed and thus the power consumption can be regulated via the gearbox ( 18 ). The electric machine ( 15 ) is also located on the branch in front of the drive train ( 24 ), as a result of which braking energy is applied in the generator operating mode, which is set via the switching unit ( 23 ). The combination of the piston compressor ( 11 ) and the generator ( 15 ) brakes, which in principle can deliver the braking power independently and redundantly, allow the total braking power to be divided among themselves. The distribution of the total braking power can be done permanently via the control of the electrical machine and the weighted parameters of the piston compressor. A control option for the piston compressor ( 11 ), in addition to influencing the speed via the gearbox ( 18 ), is the targeted influencing of the decompression of the cylinder content via the outlet valves, which is carried out by means of the signal ( 43 ) and the associated actuator via the control unit ( 40 ). A limit case could be that the outlet valve of the compressor ( 11 ) receives an open position during the braking phase, the valve opening cross-section of which is therefore not adjusted cyclically in terms of speed but at most continuously in time as the valve stroke changes in a valve lift change.

Nach dem Kompressor (11) folgt ein Pulsationsdämpfer (20), der die Funktion der Glättung der Druckpulsation auf relativ geringe Druckschwankungen mit den Werten der Drücke von P3.2 hat.The compressor ( 11 ) is followed by a pulsation damper ( 20 ), which has the function of smoothing the pressure pulsation to relatively small pressure fluctuations with the values of the pressures from P 3.2 .

Dem Pulsationsdämpfer (20) stromab folgt ein Ventil (25), das eine Massenstromaufteilung der Luft zur Brennstoffzelle (10) durch einen vorgeschalteten Wärmetauscher (17) mit dem Austrittszustandspunkt (3.3) einerseits und einen Brennstoffzellen-Bypass (22) andererseits bewirken kann. Eine vollständige Umgehung der Brennstoffzelle durch die Luft in der Bremsphase kann die Vorrichtung dann liefern, wenn das Ventil (25) den Durchgang zur Brennstoffzelle vollständig verschließt. Der Fall, daß der Gesamtluftstrom durch die Brennstoffzelle transportiert wird, also kein Bypass-Strom erfolgen soll, tritt überwiegend in der Antriebsphase des Brennstoffzellen-Fahrzeugs auf. Der Regler (40) steuert den Aktuator des Ventils (25) über das Signal (42) in soweit an, daß die Aufteilung bei den verschiedenen Betriebsweisen und Betriebspunkten sich optimal einstellen kann.The pulsation damper ( 20 ) is followed downstream by a valve ( 25 ) which can cause a mass flow distribution of the air to the fuel cell ( 10 ) through an upstream heat exchanger ( 17 ) with the outlet state point ( 3.3 ) on the one hand and a fuel cell bypass ( 22 ) on the other. The device can provide a complete bypass of the fuel cell by the air in the braking phase when the valve ( 25 ) completely closes the passage to the fuel cell. The case in which the total air flow is transported through the fuel cell, that is to say no bypass flow, occurs predominantly in the drive phase of the fuel cell vehicle. The controller ( 40 ) controls the actuator of the valve ( 25 ) via the signal ( 42 ) to such an extent that the division can be optimally adjusted for the various operating modes and operating points.

Der Kurzschluss zwischen dem Kolbenverdichteraustritt (3.1) und dem Varioturbineneintritt (3) wird über die Bypassaktivierung (22) mittels dem erwähnten Signal (42) erzielt, wodurch die maximalen Bremsleistungen durch die starke Aufstaufunktion des Varioleitgitters auf den Druck P3 bewirkt werden kann. Das Variogitter der Turbine wird mit einem Aktuator (13), je nach Leitgitterkonstruktion, axial oder in einer Drehbewegung verstellt. Der Regler (40) sendet dazu das von der Gesamtbrennstoffzellen-Regelung erhaltene Signal (41) an den erwähnten Aktuator (13) mit dem angepassten Signal (45) weiter.The short circuit between the piston compressor outlet ( 3.1 ) and the varioturbine inlet ( 3 ) is achieved via the bypass activation ( 22 ) by means of the signal ( 42 ) mentioned, as a result of which the maximum braking power can be brought about by the strong accumulation function of the vario line to the pressure P 3 . The variogrid of the turbine is adjusted axially or in a rotary motion with an actuator ( 13 ), depending on the guide grill construction. For this purpose, the controller ( 40 ) transmits the signal ( 41 ) obtained from the overall fuel cell control to the above-mentioned actuator ( 13 ) with the adapted signal ( 45 ).

Ein Großteil der Bremsenergie verläßt das Brennstoffzellen-Turbobremssystem als Wärmeenergie in der erwärmten Luft über den Turbinenaustritt (4) in den Austrittstrakt (5L) direkt in die Umgebung.Much of the braking energy leaves the fuel cell turbo braking system as thermal energy in the heated air via the turbine outlet ( 4 ) into the outlet section ( 5 L) directly into the environment.

Am Austritt (4) der Varioturbine (9) ist ein Kondensator (19) angeordnet, der in der Antriebsbetriebsweise die Entwässerung des Luft-Wasser-Dampf-Gemischs unterstützt. Das Wasser verläßt den Kondensator über den Ausgang (5 W) in Richtung eines Zwischenspeichers. In der Bremsphase wird dann das abgespeicherte Wasser für die H2-Erzeugung bei der Bremsenergie-Umwandlung genutzt. At the outlet ( 4 ) of the varioturbine ( 9 ) there is a condenser ( 19 ) which supports the dewatering of the air-water-steam mixture in the drive mode. The water leaves the condenser via the outlet (5 W) in the direction of an intermediate store. In the braking phase, the stored water is then used to generate H 2 during the conversion of braking energy.

Nummernverzeichnis der Fig. 1Number index of FIG. 1

11

Strömungsverdichter des Freiläufers, Eintrittsebene
Flow compressor of the freewheeler, entry level

22

Strömungsverdichter des Freiläufers, Austrittsebene
Flow compressor of the freewheel, exit level

3.13.1

Eintrittsebene Zwischenkühler/Eintrittsebene Kompressor nach dem Verdrängerprinzip (z. B. Kolbenverdichter)
Intercooler inlet level / compressor inlet level according to the displacement principle (e.g. piston compressor)

3.13.1

Eintrittsebene Pulsationsdämpfer
Entry level pulsation damper

3.23.2

Austrittsebene Pulsationsdämpfer
Exit level pulsation damper

33

Eintrittsebene Turbine des Freiläufers
Turbine of the freewheel

44

Austrittsebene Turbine ggf. Eintrittsebene Kondensator
Turbine outlet level or condenser inlet level

55

L Austrittsebene Kondensator Luft
L Exit level condenser air

55

W Austrittsebene Kondensator Wasser
W outlet level condenser water

99

Turbine des Freiläufers
Free-running turbine

1010

Brennstoffzelle
fuel cell

1111

Kompressor nach dem Verdrängerprinzip
Compressor based on the displacement principle

1212

Lagerung des Freiläufers (z. B. Kugellagerung, Magnetlagerung, Luftlagerung)
Bearing of the freewheel (e.g. ball bearing, magnetic bearing, air bearing)

1313

Variables Element der Turbine
Variable element of the turbine

1414

Strömungsverdichter des Freiläufers
Flow compressor of the freewheel

1515

Elektromotor für den Fahrzeugantrieb
Electric motor for vehicle drive

1616

Kupplung
clutch

1717

Wärmetauscher
heat exchangers

1818

Getriebe
transmission

1919

Kondensator
capacitor

2020

Pulsationsdämpfer
pulsation dampers

2222

Umblase-Bypass der Brennstoffzelle
Blow-bypass of the fuel cell

2323

Elektrische Schaltvorrichtung für Antriebs- oder Generatorbetrieb des Elektromotors
Electrical switching device for drive or generator operation of the electric motor

2424

An- Abtriebswelle zur elektischen Maschine und Turbobremse
Output shaft for the electrical machine and turbo brake

2525

Ventil zum Brennstoffzellen-Bypass des Vario-Elements der Turbine
Valve for the fuel cell bypass of the vario element of the turbine

4040

Regler des Luftversorgungssystems der Brennstoffzelle und der Turbobremse
Regulator of the air supply system of the fuel cell and the turbo brake

4141

Signal von Brennstoffzellenbetriebsregler zu Regler (Signal from fuel cell operating controller to controller (

4040

)
)

4242

Signal von Regler (Signal from controller (

4040

) zum Umblase-Ventilsteller
) to the blow-by valve actuator

4343

Signal von Regler (Signal from controller (

4040

) zum Dekompressionssteller des Kompressors
) to the decompression controller of the compressor

4444

Signal von Regler (Signal from controller (

4040

) zur elektrischen Schaltvorrichtung, die den Antriebs- oder Generatorbetrieb des Motors () to the electrical switching device that controls the drive or generator operation of the engine (

1515

) kontrolliert
) checked

4545

Signal von Regler (Signal from controller (

4040

) zum Steller des variablen Turbinenelements
) to the actuator of the variable turbine element

Claims (14)

1. Turbobrems- und Luftversorgungseinrichtungen von Brennstoffzellen­ systemen mit elektrischen Maschinen zur Abgabe und Aufnahme von mechanischer Arbeit für den mobilen wie auch stationären Einsatz
dadurch gekennzeichnet,
daß einem Kompressor (11) der Verdrängerbauart ein Kompressor (14) der Strömungsmaschinenbauart vorgeschaltet ist, der mit einer Turbine (9) über eine Welle verbunden ist, die mit variablen strömungsquerschnitts­ beeinflussende Elementen innerhalb oder ausserhalb des Turbinengehäuses versehen, bzw. verbunden ist
und daß der Austritt des Kompressors (11) bei mindestens teilweiser Umgehung der Brennstoffzelle (10) mit dem Eintritt (3) der Varioturbine (9) kurzschließbar
und der Verdränger-Kompressor (11) mit einer Antriebs-, bzw. Abtriebswelle (24) fest verbindbar ist.1. Turbo brake and air supply devices of fuel cell systems with electrical machines for the delivery and reception of mechanical work for mobile as well as stationary use
characterized by
that a compressor ( 11 ) of the displacer type is preceded by a compressor ( 14 ) of the turbomachine type, which is connected to a turbine ( 9 ) via a shaft which is provided or connected with elements influencing variable flow cross-section inside or outside the turbine housing
and that the outlet of the compressor ( 11 ) can be short-circuited when the fuel cell ( 10 ) is at least partially bypassed with the inlet ( 3 ) of the vario-turbine ( 9 )
and the displacement compressor ( 11 ) can be firmly connected to an input or output shaft ( 24 ). 2. Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß das Verdrängungsvolumen VH des Verdrängerkompressors (11) mit dem Eintrittsdurchmessers DT und dem engsten Querschnitt AT der Turbine (9) über die Beziehung: TBF = (DT.AT)/VH charakterisiert ist und daß auf der Maximalbremsleistungslinie Werte des Turbobremsfaktors von
TBF < 10 Promille
gegeben sind.2. Device according to claim 1, characterized in that the displacement volume V H of the displacement compressor ( 11 ) with the inlet diameter D T and the narrowest cross section AT of the turbine ( 9 ) via the relationship: TBF = (D T .A T ) / VH is characterized and that on the maximum braking power line values of the turbo braking factor of
TBF <10 per thousand
given are. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß der An-, Abtriebsstrang (24) dem Verdrängerkompressor (11) einem Getriebe (18), einer elektrischen Maschine (15) und einer schaltbaren Kupplung (16) nachfolgt. 3. Apparatus according to claim 1, characterized in that the input and output train ( 24 ) follows the displacement compressor ( 11 ), a transmission ( 18 ), an electrical machine ( 15 ) and a switchable clutch ( 16 ). 4. Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Austritt (3.1) des Verdrängerkompressors (11) ein Pulsationsdämpfer (20) angeordnet ist.4. The device according to claim 1, characterized in that a pulsation damper ( 20 ) is arranged after the outlet ( 3.1 ) of the displacement compressor ( 11 ). 5. Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Eintritt (3.3) der Brennstoffzelle (10) eine Umgehungsleitung (22) zur Varioturbine (9) besteht, die mit einem regelbaren Ventil (25) in Verbindung steht.5. The device according to claim 1, characterized in that before the entry ( 3.3 ) of the fuel cell ( 10 ) there is a bypass line ( 22 ) to the varioturbine ( 9 ), which is connected to a controllable valve ( 25 ). 6. Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Maschine (15) mit einer Schaltvorrichtung (23) als Antriebs- wie auch Generatormaschine ausgebildet ist.6. The device according to claim 1, characterized in that the electrical machine ( 15 ) with a switching device ( 23 ) is designed as a drive and generator machine. 7. Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß ein Wärmetauscher (17) direkt vor der Brennstoffzelle (10) oder vor dem Verdrängerkompressor (11) angeordnet ist.7. The device according to claim 1, characterized in that a heat exchanger ( 17 ) is arranged directly in front of the fuel cell ( 10 ) or in front of the displacement compressor ( 11 ). 8. Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß nach der Varioturbine (9) ein Kondensator (19) angeordnet ist, der Austrittsrohre für die Luft (5L) und Wasser (5W) aufweist.8. The device according to claim 1, characterized in that a capacitor ( 19 ) is arranged after the vario-turbine ( 9 ), the outlet pipes for the air ( 5 L) and water ( 5 W). 9. Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß ein Regler (40) vorliegt, der zumindest Signalverbindungen zu den Stellern der Varioturbine (9, 13) und dem Umgehungsventil (25) besitzt.9. The device according to claim 1, characterized in that a controller ( 40 ) is present, which has at least signal connections to the actuators of the vario-turbine ( 9 , 13 ) and the bypass valve ( 25 ). 10. Verfahren einer Turbobrems- und Luftversorgungseinrichtungen von Brennstoffzellensystemen mit elektrischen Maschinen zur Abgabe und 9 Aufnahme von mechanischer Arbeit für den mobilen wie auch stationären Einsatz dadurch gekennzeichnet, daß ein Verdrängerkompressor (11) durch einen Strömungskompressor (14) in einer Bremsphase aufgeladen wird und der Aufladegrad, bzw. die Bremsleistung des Verdrängerkompressors (11) über den engsten Turbinenquerschnitt einer Varioturbine (9) mittels eines Stellers (13) eingeregelt wird.10. A method of a turbo brake and air supply devices of fuel cell systems with electrical machines for the delivery and 9 recording of mechanical work for mobile and stationary use, characterized in that a displacement compressor ( 11 ) is charged by a flow compressor ( 14 ) in a braking phase and the The degree of charging or the braking power of the displacement compressor ( 11 ) is regulated by means of an actuator ( 13 ) over the narrowest turbine cross-section of a vario-turbine ( 9 ). 11. Verfahren nach Anspruch 10 dadurch gekennzeichnet, daß in der Bremsphase die Brennstoffzelle (10) von der Luftströmung über die Einstellung des Ventils (25) weitgehend mittels des Bypasskanals (22) umgangen wird.11. The method according to claim 10, characterized in that in the braking phase the fuel cell ( 10 ) by the air flow via the setting of the valve ( 25 ) is largely bypassed by means of the bypass channel ( 22 ). 12. Verfahren nach Anspruch 10 dadurch gekennzeichnet, daß in der Bremsphase die elektrische Maschine (15) von der Schaltvorrichtung (23) in die Generatorbetriebsweise versetzt wird und mit der Turbobremseinrichtung (11, 14, 9, 13) derart zusammenwirkt, daß die Bremsleistungsanforderung gemeinsam erfüllt wird.12. The method according to claim 10, characterized in that in the braking phase the electrical machine ( 15 ) from the switching device ( 23 ) is placed in the generator mode and cooperates with the turbo brake device ( 11 , 14 , 9 , 13 ) such that the braking power requirement together is fulfilled. 13. Verfahren nach Anspruch 12 dadurch gekennzeichnet, der größte Teil der Bremsleistungsanforderung durch die Turbobremseinrichtung (11, 14, 9, 13) aufgebracht wird und der kleiner Bremsleistungsanteil von der elektrischen Maschine (15) in der Generatorbetriebsweise übernommen wird.13. The method according to claim 12, characterized in that the largest part of the braking power requirement is applied by the turbo brake device ( 11 , 14 , 9 , 13 ) and the small braking power portion is taken over by the electrical machine ( 15 ) in the generator mode. 14. Verfahren nach Anspruch 13 dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Maschine (15) die Tempomatfunktion bewerkstelligt, während die Turbobremse (11, 14, 9, 13) eine Basisbremsleistung bereitstellt, die relativ zur elektrischen Maschine (15) geringe Schwankungen durch Regelungseingriffe über die Turbine (9) erfährt.14. The method according to claim 13, characterized in that the electrical machine ( 15 ) accomplishes the cruise control function, while the turbo brake ( 11 , 14 , 9 , 13 ) provides a basic braking power, the relative to the electrical machine ( 15 ) small fluctuations through control interventions on the Turbine ( 9 ) experiences.
DE2001127799 2001-06-01 2001-06-01 Turbo-braking and air supply device for fuel cell system uses displacement compressor and flow machine compressor coupled to vario-turbine Withdrawn DE10127799A1 (en)

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102021110899A1 (en) 2021-04-28 2022-11-03 Man Truck & Bus Se Vehicle with an endurance braking device and corresponding braking method

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