DE102016224721A1 - The fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem, vorzugsweise in einem Fahrzeug, umfassend zumindest eine Brennstoffzelle, eine zur Brennstoffzelle führende Zuleitung für ein Oxidationsmittel, vorzugsweise Luft, ein Niederspannungsnetz, betreibbar mit einer Niederspannung, ein Hochspannungsnetz, betreibbar mit einer Hochspannung, die höher als die Niederspannung ist, einen ersten Verdichter in der Zuleitung und einen ersten Elektromotor im Niederspannungsnetz zum Antrieb des ersten Verdichters, und einen zweiten Verdichter in der Zuleitung stromab des ersten Verdichters und eine zweiten Elektromotor im Hochspannungsnetz zum Antrieb des zweiten Verdichters.The invention relates to a fuel cell system, preferably in a vehicle, comprising at least one fuel cell, a leading to the fuel cell supply line for an oxidant, preferably air, a low voltage network, operable with a low voltage, a high voltage network, operable with a high voltage that is higher than the low voltage a first compressor in the supply line and a first electric motor in the low-voltage network for driving the first compressor, and a second compressor in the supply line downstream of the first compressor and a second electric motor in the high-voltage network for driving the second compressor.
Description
Vorliegende Technologie betrifft ein Brennstoffzellensystem, vorzugsweise in einem Fahrzeug, und ein Verfahren zur Steuerung eines Brennstoffzellensystems.The present technology relates to a fuel cell system, preferably in a vehicle, and a method of controlling a fuel cell system.
Brennstoffzellensysteme umfassen zumindest eine Brennstoffzelle, insbesondere einen Stapel aus mehreren Brennstoffzellen. Zu den Brennstoffzellen führt eine Zuleitung für das Oxidationsmittel. Bei dem Oxidationsmittel handelt es sich insbesondere um Luft. Bei der hier betrachteten Technologie wird das Oxidationsmittel vor dem Zuführen in die Brennstoffzellen verdichtet.Fuel cell systems comprise at least one fuel cell, in particular a stack of several fuel cells. To the fuel cell leads a supply line for the oxidant. The oxidizing agent is in particular air. In the technology considered here, the oxidizing agent is compressed before being fed into the fuel cells.
Es ist eine bevorzugte Aufgabe der hier offenbarten Technologie, zumindest einen Nachteil von einer vorbekannten Lösung zu verringern oder zu beheben oder eine alternative Lösung vorzuschlagen. Weitere bevorzugte Aufgaben können sich aus den vorteilhaften Effekten der hier offenbarten Technologie ergeben. Insbesondere ist es eine Aufgabe der hier offenbarten Technologie, ein Brennstoffzellensystem und ein entsprechendes Verfahren anzugeben, die einen Betrieb der Brennstoffzelle mit sehr hohem Wirkungsgrad ermöglichen. Die Aufgabe(n) wird/werden gelöst durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche. Die abhängigen Ansprüche stellen bevorzugte Ausgestaltungen dar.It is a preferred object of the technology disclosed herein to reduce or eliminate at least one disadvantage of a previously known solution or to suggest an alternative solution. Other preferred objects may result from the beneficial effects of the technology disclosed herein. In particular, it is an object of the technology disclosed herein to provide a fuel cell system and a corresponding method that enable operation of the fuel cell with very high efficiency. The object (s) is / are solved by the subject matter of the independent claims. The dependent claims are preferred embodiments.
Die hier offenbarte Technologie betrifft ein Brennstoffzellensystem mit mindestens einer Brennstoffzelle. Das Brennstoffzellensystem ist beispielsweise für mobile Anwendungen wie Kraftfahrzeuge gedacht, insbesondere zur Bereitstellung der Energie für mindestens eine elektrische Antriebsmaschine zur Fortbewegung des Kraftfahrzeugs. In ihrer einfachsten Form ist eine Brennstoffzelle ein elektrochemischer Energiewandler, der Brennstoff und Oxidationsmittel in Reaktionsprodukte umwandelt und dabei Elektrizität und Wärme produziert. Die Brennstoffzelle umfasst eine Anode und eine Kathode, die durch einen ionenselektiven bzw. ionenpermeablen Separator getrennt sind. Die Anode wird mit Brennstoff versorgt. Bevorzugte Brennstoffe sind: Wasserstoff, niedrigmolekularer Alkohol, Biokraftstoffe, oder verflüssigtes Erdgas. Die Kathode wird mit Oxidationsmittel versorgt. Bevorzugte Oxidationsmittel sind bspw. Luft, Sauerstoff und Peroxide. Der ionenselektive Separator kann bspw. als Protonenaustauschmembran (proton exchange membrane, PEM) ausgebildet sein. Bevorzugt kommt eine kationenselektive Polymerelektrolytmembran zum Einsatz. Materialien für eine solche Membran sind beispielsweise: Nafion®, Flemion® und Aciplex®.The technology disclosed herein relates to a fuel cell system having at least one fuel cell. The fuel cell system is intended, for example, for mobile applications such as motor vehicles, in particular for providing the energy for at least one electric drive machine for locomotion of the motor vehicle. In its simplest form, a fuel cell is an electrochemical energy converter that converts fuel and oxidant into reaction products, producing electricity and heat. The fuel cell includes an anode and a cathode separated by an ion-selective or ion-permeable separator. The anode is supplied with fuel. Preferred fuels are: hydrogen, low molecular weight alcohol, biofuels, or liquefied natural gas. The cathode is supplied with oxidant. Preferred oxidizing agents are, for example, air, oxygen and peroxides. The ion-selective separator can be designed, for example, as a proton exchange membrane (PEM). Preferably, a cation-selective polymer electrolyte membrane is used. Materials for such a membrane are, for example: Nafion®, Flemion® and Aciplex®.
Ein Brennstoffzellensystem umfasst neben der mindestens einen Brennstoffzelle vorzugsweise periphere Systemkomponenten (BOP-Komponenten), die beim Betrieb der mindestens einen Brennstoffzelle zum Einsatz kommen können. In der Regel sind mehrere Brennstoffzellen zu einem Brennstoffzellenstapel bzw. Stack zusammengefasst.A fuel cell system preferably comprises, in addition to the at least one fuel cell, peripheral system components (BOP components) which can be used during operation of the at least one fuel cell. As a rule, several fuel cells are combined to form a fuel cell stack or stack.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Brennstoffzellensystem. Das Brennstoffzellensystem befindet sich insbesondere in einem Fahrzeug. Das Brennstoffzellensystem umfasst zumindest eine Brennstoffzelle. Vorzugsweise sind mehrere Brennstoffzellen zu einem Brennstoffzellenstapel zusammengefasst. Der Einfachheit halber wird hier meistens von einer Brennstoffzelle gesprochen, wobei jedoch stets auch der Stapel aus mehreren Brennstoffzellen angewendet werden kann.The problem is solved by a fuel cell system. The fuel cell system is located in particular in a vehicle. The fuel cell system comprises at least one fuel cell. Preferably, a plurality of fuel cells are combined to form a fuel cell stack. For the sake of simplicity, this is usually referred to as a fuel cell, although the stack of multiple fuel cells can always be used.
Das Brennstoffzellensystem umfasst eine Zuleitung für das Oxidationsmittel. Die Zuleitung führt zur Brennstoffzelle. Bei dem Oxidationsmittel handelt es sich insbesondere um Luft aus der Umgebung.The fuel cell system includes a supply line for the oxidant. The supply leads to the fuel cell. The oxidizing agent is in particular ambient air.
Ferner umfasst das Brennstoffzellensystem ein Niederspannungsnetz und ein Hochspannungsnetz. Das Niederspannungsnetz ist mit einer Niederspannung betreibbar. Das Hochspannungsnetz ist mit einer Hochspannung betreibbar. Beide Spannungsnetze können dabei zumindest indirekt über die gleiche Energiequelle, insbesondere die Brennstoffzelle, versorgt werden. Über entsprechende Mittel zur Spannungstransformation wird erreicht, dass die beiden Spannungsnetze mit unterschiedlicher Spannung betrieben werden.Furthermore, the fuel cell system comprises a low-voltage network and a high-voltage network. The low voltage network can be operated with a low voltage. The high voltage network can be operated with a high voltage. Both voltage networks can be supplied at least indirectly via the same energy source, in particular the fuel cell. Via corresponding means for voltage transformation it is achieved that the two voltage networks are operated with different voltage.
Darüber hinaus umfasst das Brennstoffzellensystem einen ersten Verdichter in der Zuleitung und einen ersten Elektromotor im Niederspannungsnetz. Der erste Verdichter ist in der Zuleitung zum Verdichten des Oxidationsmittels angeordnet. Der erste Elektromotor ist mit dem ersten Verdichter antriebsverbunden. Der erste Elektromotor wird mit der Niederspannung aus dem Niederspannungsnetz betrieben.In addition, the fuel cell system comprises a first compressor in the supply line and a first electric motor in the low-voltage network. The first compressor is arranged in the supply line for compressing the oxidizing agent. The first electric motor is drive-connected to the first compressor. The first electric motor is operated with the low voltage from the low voltage grid.
Stromab des ersten Verdichters umfasst das Brennstoffzellensystem einen zweiten Verdichter in der Zuleitung. Der zweite Verdichter ist in der Zuleitung vorzugsweise so angeordnet, dass er das vom ersten Verdichter verdichtete Oxidationsmittel weiter verdichten kann. Der zweite Verdichter befindet sich somit vorzugsweise in Reihe mit dem ersten Verdichter. Ein mit dem zweiten Verdichter antriebsverbundener zweiter Elektromotor befindet sich im Hochspannungsnetz. Der zweite Elektromotor wird mit der Hochspannung aus dem Hochspannungsnetz betrieben.Downstream of the first compressor, the fuel cell system includes a second compressor in the supply line. The second compressor is preferably arranged in the supply line so that it can further compress the oxidizing agent compressed by the first compressor. The second compressor is thus preferably in series with the first compressor. A second electric motor drive-connected to the second compressor is located in the high-voltage network. The second electric motor is with the High voltage operated from the high voltage network.
In bevorzugter Ausführung ist vorgesehen, dass das Oxidationsmittel lediglich über die beiden beschriebenen Verdichter verdichtet wird. In einer alternativen Ausgestaltung kann das Brennstoffzellensystem jedoch auch weitere Verdichter in Reihenschaltung oder Parallelschaltungen aufweisen.In a preferred embodiment, it is provided that the oxidizing agent is compressed only via the two compressors described. In an alternative embodiment, however, the fuel cell system can also have further compressors in series connection or parallel circuits.
Die Hochspannung im Hochspannungsnetz ist höher als die Niederspannung im Niederspannungsnetz. Bei dem Vergleich der Spannungen bzw. bei Größenangaben zu den Spannungen werden vorzugsweise stets Nennspannungen betrachtet.The high voltage in the high voltage network is higher than the low voltage in the low voltage network. When comparing the voltages or in terms of size to the voltages are preferably always considered nominal voltages.
Im Rahmen der Erfindung wurde erkannt, dass eine sehr energieeffiziente Verdichtung des Oxidationsmittels möglich ist, wenn der erste Verdichter, und somit der für die niedrigere Leistung ausgelegte Verdichter, über das Niederspannungsnetz angetrieben wird. Der zweite Verdichter, und somit der für die höhere Leistung ausgelegte Verdichter, kann mit der höheren Spannung energieeffizienter betrieben werden als mit der niedrigeren Spannung.In the context of the invention it has been recognized that a very energy-efficient compression of the oxidizing agent is possible when the first compressor, and thus the compressor designed for the lower power, is driven via the low-voltage network. The second compressor, and thus the compressor designed for higher performance, can be operated more energy-efficiently with the higher voltage than with the lower voltage.
Bevorzugt ist vorgesehen, dass die Hochspannung zumindest das 2-fache, vorzugsweise zumindest das 3-fache, besonders vorzugsweise zumindest das 4-fache, der Niederspannung beträgt. Es hat sich gezeigt, dass diese Spannungsunterschiede der beiden Spannungsnetze in Anbetracht der benötigten Leistungen der Verdichter einen sehr energieeffizienten Betrieb der beiden Elektromotoren ermöglichen.It is preferably provided that the high voltage is at least 2 times, preferably at least 3 times, particularly preferably at least 4 times, the low voltage. It has been shown that these voltage differences of the two voltage grids allow a very energy-efficient operation of the two electric motors in view of the required performance of the compressor.
Des Weiteren ist bevorzugt vorgesehen, dass die Niederspannung höchstens 100 Volt (V), vorzugsweise höchstens 75 V, besonders vorzugsweise höchstens 48 V, beträgt. Zusätzlich oder alternativ beträgt die Hochspannung vorzugsweise zumindest 200 V. Insbesondere liegt die Hochspannung zwischen 200 V und 1000 V. Diese Spannungen eignen sich insbesondere für den Betrieb des Brennstoffzellensystems in einem Straßenfahrzeug.Furthermore, it is preferably provided that the low voltage is at most 100 volts (V), preferably at most 75 V, particularly preferably at most 48 V. Additionally or alternatively, the high voltage is preferably at least 200 V. In particular, the high voltage is between 200 V and 1000 V. These voltages are particularly suitable for the operation of the fuel cell system in a road vehicle.
Das Brennstoffzellensystem umfasst vorzugsweise eine Bypassleitung für das Oxidationsmittel. Die Bypassleitung umgeht den zweiten Verdichter. Insbesondere zweigt die Bypassleitung zwischen dem ersten Verdichter und dem zweiten Verdichter ab. Stromab des zweiten Verdichters mündet die Bypassleitung wieder in die Zuleitung für das Oxidationsmittel. Es ist ein ansteuerbares Ventil vorgesehen, dass ein Öffnen und Schließen der Bypassleitung ermöglicht. Insbesondere ist das Ventil, beispielsweise als Drosselventil, für eine gestufte oder stufenlose Änderung des Volumenstroms durch die Bypassleitung ausgelegt.The fuel cell system preferably includes a bypass conduit for the oxidant. The bypass line bypasses the second compressor. In particular, the bypass line branches off between the first compressor and the second compressor. Downstream of the second compressor, the bypass line opens again into the supply line for the oxidizing agent. It is provided a controllable valve that allows opening and closing of the bypass line. In particular, the valve, for example as a throttle valve, designed for a stepped or stepless change in the volume flow through the bypass line.
Die Bypassleitung ermöglicht es somit das Oxidationsmittel vollständig oder teilweise am zweiten Verdichter vorbei zu leiten. Dies ist insbesondere im Teillastbereich der Brennstoffzelle sinnvoll, da hier nicht die volle Verdichterleistung beider Verdichter notwendig ist.The bypass line thus makes it possible to pass the oxidant completely or partially past the second compressor. This is particularly useful in the partial load range of the fuel cell, since not the full compressor capacity of both compressors is necessary here.
Besonders bevorzugt weist der zweite Verdichter ein luftgelagertes Verdichterrad auf. Diese Luftlagerung bedarf einer minimalen Drehzahl des Verdichterrads, da sich ansonsten das Luftpolster in der Luftlagerung nicht aufbaut. Ohne die Bypassleitung würde stets das Oxidationsmittel durch den zweiten Verdichter strömen und das Verdichterrad antreiben. Unter Umständen wird dabei jedoch die minimale Drehzahl des Luftlagers nicht erreicht, wodurch es zu einer erhöhten Belastung des Lagers kommt. Durch die Nutzung der Bypassleitung kann dieser nachteilige Effekt vermieden werden.Particularly preferably, the second compressor has an air-bearing compressor wheel. This air bearing requires a minimum speed of the compressor wheel, otherwise the air cushion does not build up in the air bearing. Without the bypass line, the oxidant would always flow through the second compressor and drive the compressor wheel. Under certain circumstances, however, the minimum speed of the air bearing is not reached, resulting in an increased load on the bearing. By using the bypass line, this disadvantageous effect can be avoided.
Ferner führt vorzugsweise eine Abgasleitung von der Brennstoffzelle weg. Insbesondere für die Abgasleitung in die Umgebung. In der Abgasleitung befindet sich vorzugsweise eine Turbine. Die Turbine wird vom Abgas angetrieben und ist mit dem ersten Verdichter antriebsverbunden. Je nach Druck in der Abgasleitung kann die Turbine den Antrieb des ersten Verdichters teilweise oder vollständig übernehmen und die Leistung des ersten Elektromotors kann entsprechend teilweise oder vollständig reduziert werden.Furthermore, an exhaust pipe preferably leads away from the fuel cell. In particular for the exhaust pipe into the environment. In the exhaust pipe is preferably a turbine. The turbine is driven by the exhaust gas and is drive-connected to the first compressor. Depending on the pressure in the exhaust pipe, the turbine can take over the drive of the first compressor partially or completely and the power of the first electric motor can be reduced accordingly partially or completely.
In bevorzugter Ausführung wird der zweite Verdichter ausschließlich über den zweiten Elektromotor betrieben. In einer alternativen Variante ist es auch möglich, den zweiten Verdichter zusätzlich über eine weitere Turbine der Abgasleitung vollständig oder teilweise anzutreiben.In a preferred embodiment, the second compressor is operated exclusively via the second electric motor. In an alternative variant, it is also possible to additionally or completely drive the second compressor via a further turbine of the exhaust gas line.
Die Nennleistung des zweiten Verdichters beträgt vorzugsweise zumindest das 1,5-fache, insbesondere zumindest das 2-fache, besonders vorzugsweise zumindest das 2,5-fache, der Nennleistung des ersten Verdichters. Insbesondere ist die Nennleistung des Verdichters die mögliche Dauerleistung des Verdichters, die bei einem bestimmungsgemäßen Betrieb ohne wesentliche zeitliche Einschränkung erbracht werden kann, ohne die Lebensdauer des Verdichters wesentlich zu beeinträchtigen. Der erste Verdichter weist vorzugsweise eine Nennleistung zwischen 2 kW und 10 kW auf.The rated power of the second compressor is preferably at least 1.5 times, in particular at least twice, more preferably at least 2.5 times, the rated power of the first compressor. In particular, the rated capacity of the compressor is the possible continuous output of the compressor, which can be provided during normal operation without significant time restriction, without significantly affecting the life of the compressor. The first compressor preferably has a rated power between 2 kW and 10 kW.
Die Verwendung des zweiten Verdichters mit einer höheren Leistung als der erste Verdichter, ermöglicht insbesondere den Einsatz des zweiten Verdichters in einem relativ hohen Leistungsbereich der Brennstoffzelle. Im unteren Leistungsbereich kommt insbesondere die beschriebene Bypassleitung zum Einsatz, um das vom ersten Verdichter verdichtete Oxidationsmittel am zweiten Verdichter vorbei zu leiten.The use of the second compressor with a higher power than the first compressor, in particular allows the use of the second compressor in a relatively high power range of the fuel cell. In the lower power range, in particular the described bypass line is used to compress the first compressor Pass oxidant past the second compressor.
Es ist bevorzugt vorgesehen, denselben Kühlmittelkreislauf sowohl zum Kühlen des ersten Verdichters als auch des zweiten Verdichters zu verwenden.It is preferably provided to use the same coolant circuit both for cooling the first compressor and the second compressor.
Die hier offenbarte Technologie umfasst ferner ein Fahrzeug. Bei dem Fahrzeug handelt es sich insbesondere um ein Straßenfahrzeug. Das Fahrzeug umfasst das hier beschriebene Brennstoffzellensystem und zumindest zwei Bordnetze. Bei den beiden Bordnetzen handelt es sich um das Niederspannungsnetz für den Betrieb des ersten Elektromotors und das Hochspannungsnetz für den Betrieb des zweiten Elektromotors.The technology disclosed herein further includes a vehicle. The vehicle is in particular a road vehicle. The vehicle includes the fuel cell system described herein and at least two electrical systems. The two on-board networks are the low-voltage network for the operation of the first electric motor and the high-voltage network for the operation of the second electric motor.
Ferner umfasst das Fahrzeug zumindest eine elektrische Antriebsmaschine. Die elektrische Antriebsmaschine ist mit zumindest einem Rad des Fahrzeugs antriebsverbunden dient somit zum Vortrieb des Fahrzeugs. Die Antriebsmaschine wird vorzugsweise mit dem Hochspannungsnetz betrieben. So wird für den Betrieb des zweiten Verdichters vorzugsweise das ohnehin im Fahrzeug vorhanden Hochspannungsnetz genutzt. Des Weiteren ist bevorzugt vorgesehen, dass das Niederspannungsnetz nicht nur zum Antrieb des ersten Verdichters, sondern auch für weitere Komponenten des Fahrzeugs verwendet wird. Bei diesen weiteren Komponenten handelt es sich zum Beispiel um: periphere Systemkomponenten des Brennstoffzellensystems, wie Kühlmittelpumpe oder Steuergeräte, oder sonstige elektrische Komponenten des Fahrzeugs, wie Beleuchtung, Steuergeräte, Audiosysteme, Komfortsysteme usw.Furthermore, the vehicle comprises at least one electric drive machine. The electric drive machine is drive-connected with at least one wheel of the vehicle thus serves to propel the vehicle. The prime mover is preferably operated with the high-voltage network. Thus, the already existing in the vehicle high-voltage network is preferably used for the operation of the second compressor. Furthermore, it is preferably provided that the low-voltage network is not only used to drive the first compressor, but also for other components of the vehicle. These other components are for example: peripheral system components of the fuel cell system, such as coolant pump or control units, or other electrical components of the vehicle, such as lighting, control units, audio systems, comfort systems, etc.
Bevorzugt ist die Antriebsmaschine ein Elektromotor, der durch Rekuperation elektrische Energie zu einer Energiespeichereinrichtung rückspeisen kann. Preferably, the prime mover is an electric motor, which can regenerate electrical energy by recuperation to an energy storage device.
Ebenso kann das hier offenbarte Fahrzeug mehrere elektrische Antriebsmaschinen umfassen.Likewise, the vehicle disclosed herein may include a plurality of electric drive machines.
Ferner umfasst die hier offenbarte Technologie ein Verfahren zur Steuerung eines Brennstoffzellensystems. Vorzugsweise wird das Brennstoffzellensystem gesteuert, welches hier im Detail beschrieben wurde. Insbesondere handelt es sich dabei um ein Brennstoffzellensystem im Fahrzeug.Further, the technology disclosed herein includes a method of controlling a fuel cell system. Preferably, the fuel cell system is controlled, which has been described in detail here. In particular, it is a fuel cell system in the vehicle.
Bei dem Verfahren erfolgt ein verdichten eines Oxidationsmittels, vorzugsweise Luft, mit zumindest zwei, insbesondere in Reihe geschalteten, Verdichtern. Der erste Verdichter ist über einen ersten Elektromotor angetrieben. Der zweite Verdichter ist über einen zweiten Elektromotor angetrieben. Der erste Elektromotor wird mit einer Niederspannung und der zweite Elektromotor mit einer Hochspannung betrieben. Die Hochspannung ist dabei höher als die Niederspannung. Ferner erfolgt ein Zuführen des verdichteten Oxidationsmittels zu zumindest einer Brennstoffzelle, insbesondere zu einem Brennstoffzellenstapel.In the method, a compression of an oxidizing agent, preferably air, with at least two, in particular connected in series, compressors. The first compressor is driven by a first electric motor. The second compressor is driven by a second electric motor. The first electric motor is operated with a low voltage and the second electric motor with a high voltage. The high voltage is higher than the low voltage. Furthermore, the compressed oxidizing agent is supplied to at least one fuel cell, in particular to a fuel cell stack.
Die im Rahmen des offenbarten Brennstoffzellensystems und des offenbarten Fahrzeugs beschriebenen vorteilhaften Ausgestaltungen und Unteransprüche finden entsprechend vorteilhafte Anwendung auf das hier offenbarte Verfahren.The advantageous embodiments and subclaims described in the context of the disclosed fuel cell system and the disclosed vehicle accordingly find advantageous application to the method disclosed here.
Insbesondere ist vorgesehen, bis zu einer Brennstoffzellenleistung von 50 %, vorzugsweise 40 %, besonders vorzugsweise 30 %, den zweiten Elektromotor und somit den zweiten Verdichter nicht zu betreiben. Insbesondere wird in diesem Leistungsbereich lediglich der erste Verdichter verwendet. Der erste Verdichter wird dabei durch den ersten Elektromotor und/oder die Turbine angetrieben.In particular, it is envisaged not to operate the second electric motor and thus the second compressor up to a fuel cell power of 50%, preferably 40%, particularly preferably 30%. In particular, only the first compressor is used in this power range. The first compressor is driven by the first electric motor and / or the turbine.
Die Brennstoffzellenleistung bezieht sich auf die Nennleistung der Brennstoffzelle, insbesondere auf die Nennleistung des Brennstoffzellenstapels. Insbesondere ist die Nennleistung der Brennstoffzelle die mögliche Dauerleistung der Brennstoffzelle, die bei einem bestimmungsgemäßen Betrieb ohne wesentliche zeitliche Einschränkung erbracht werden kann, ohne die Lebensdauer der Brennstoffzelle wesentlich zu beeinträchtigen.The fuel cell power refers to the rated power of the fuel cell, in particular to the rated power of the fuel cell stack. In particular, the rated power of the fuel cell is the possible continuous power of the fuel cell, which can be provided during a normal operation without significant time limitation, without significantly affecting the life of the fuel cell.
Des Weiteren ist im Rahmen des Verfahrens bevorzugt vorgesehen, dass bis zu einer Brennstoffzellenleistung von 50 %, vorzugsweise 40 %, besonders vorzugsweise 30 %, das Oxidationsmittel nur mit dem ersten Verdichter verdichtet wird, und zwar mit einem Verdichtungsverhältnis von bis zu 2,5, vorzugsweise bis zu 2, besonders vorzugsweise bis zu 1,5. Der erste Verdichter ist insbesondere für diese Verdichtungsverhältnisse ausgelegt. Für einen Betrieb des Brennstoffzellensystems im höheren Leistungsbereich wird der zweite Verdichter zusätzlich zum ersten Verdichter verwenden.Furthermore, within the scope of the method it is preferably provided that, up to a fuel cell output of 50%, preferably 40%, particularly preferably 30%, the oxidizing agent is compressed only with the first compressor, with a compression ratio of up to 2.5, preferably up to 2, more preferably up to 1.5. The first compressor is designed especially for these compression ratios. For operation of the fuel cell system in the higher power range, the second compressor will use in addition to the first compressor.
Des Weiteren ist bevorzugt vorgesehen, dass bis zu einer Brennstoffzellenleistung von 50 %, vorzugsweise 40 %, besonders vorzugsweise 30 %, der gesamte Volumenstrom des Oxidationsmittels am zweiten Verdichter vorbeigeführt wird. Dieses Vorbeiführen des Oxidationsmittels erfolgt insbesondere mit der beschriebenen Bypassleitung.Furthermore, it is preferably provided that, up to a fuel cell output of 50%, preferably 40%, particularly preferably 30%, the entire volume flow of the oxidizing agent is conducted past the second compressor. This passing of the oxidizing agent takes place in particular with the described bypass line.
Vorzugsweise werden ab einer Brennstoffzellenleistung von 30 %, vorzugsweise 40 %, besonders vorzugsweise 50 %, beide Verdichter betrieben.Preferably, from a fuel cell power of 30%, preferably 40%, particularly preferably 50%, both compressors are operated.
Bei dem beschriebenen Verfahren werden vorzugsweise weitere Faktoren, wie beispielsweise Temperaturen in der Umgebung oder im Brennstoffzellensystem, berücksichtigt. In Abhängigkeit dieser weiteren Faktoren können sich Zustände ergeben, bei denen beispielsweise beide Verdichter bereits bei einer Brennstoffzellenleistung unter 30 % betrieben werden oder bei denen beispielsweise nur der erste Verdichter einer Brennstoffzellenleistung über 50 % betrieben wird. So muss die Verwendung der Verdichter nicht in allen Betriebszuständen den definierten Brennstoffzellenleistungen zugeordnet sein.In the described method, other factors, such as, for example, temperatures in the environment or in the Fuel cell system, considered. Depending on these further factors, conditions may arise in which, for example, both compressors are already operated at a fuel cell power of less than 30% or in which, for example, only the first compressor of a fuel cell power is operated above 50%. Thus, the use of the compressors does not have to be assigned to the defined fuel cell outputs in all operating states.
Die hier offenbarte Technologie wird nun anhand der Figuren erläutert. Es zeigen:
-
1 eine schematische Ansicht des offenbarten Brennstoffzellensystems, und -
2 eine schematische Ansicht des Brennstoffzellensystems, integriert in ein Fahrzeug.
-
1 a schematic view of the disclosed fuel cell system, and -
2 a schematic view of the fuel cell system, integrated into a vehicle.
Die
Das Brennstoffzellensystem
Ferner umfasst das Brennstoffzellensystem
In der Zuleitung
Der erste Verdichter
Zwischen dem ersten Verdichter
In der Zuleitung
Des Weiteren umfasst das Brennstoffzellensystem
In der Abgasleitung
Die vorhergehende Beschreibung der vorliegenden Erfindung dient nur zu illustrativen Zwecken und nicht zum Zwecke der Beschränkung der Erfindung. Im Rahmen der Erfindung sind verschiedene Änderungen und Modifikationen möglich, ohne den Umfang der Erfindung sowie ihrer Äquivalente zu verlassenThe foregoing description of the present invention is for illustrative purposes only, and not for the purpose of limiting the invention. Various changes and modifications are possible within the scope of the invention without departing from the scope of the invention and its equivalents
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- BrennstoffzellensystemThe fuel cell system
- 22
- Brennstoffzelle, insbesondere BrennstoffzellenstapelFuel cell, in particular fuel cell stack
- 33
- Zuleitungsupply
- 44
- NiederspannungsnetzLow-voltage grid
- 55
- HochspannungsnetzHigh Voltage Power
- 66
- erster Verdichterfirst compressor
- 7 7
- erster Elektromotorfirst electric motor
- 88th
- zweiter Verdichtersecond compressor
- 99
- zweiter Elektromotorsecond electric motor
- 1010
- Bypassleitungbypass line
- 1111
- ansteuerbares Ventilcontrollable valve
- 1212
- Abgasleitungexhaust pipe
- 1313
- Turbineturbine
- 1414
- Luftfilterair filter
- 1515
- LadeluftkühlerIntercooler
- 1616
- Befeuchterhumidifier
- 1717
- Fahrzeugvehicle
- 1818
- elektrische Antriebsmaschineelectric drive machine
- 1919
- Räderbikes
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- US 2011/0097632 A1 [0003]US 2011/0097632 A1 [0003]
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