DE102017007090A1 - Vehicle with a fuel cell system - Google Patents

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Pranav Satheesh
Vaikunth Shanbhag
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Fahrzeug (1) in einem Brennstoffzellensystem zur Bereitstellung von elektrischer Antriebsleistung, welches einen Luftverdichter (14) und eine Abgasturbine (27) zur Rückgewinnung von Energie aus dem Abgas, welches verdichtete Luft, welche zuvor durch den Luftverdichter (14) verdichtet worden ist, umfasst, aufweist, welches einen Hilfskompressor (23) für Luft und/oder Abgas aufweist, und welches einen Drucktank (25) aufweist, um Luft und/oder Abgas von dem Hilfskompressor (23) aufzunehmen. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Drucktank (25) in einer oder parallel zu einer Abgasleitung (13, 131, 132) in Strömungsrichtung vor einer Hilfsturbine angeordnet ist, mit einer schaltbaren Verbindung zwischen dem Drucktank (25) und der Hilfsturbine.
Das Fahrzeug (1) kann in einem Verfahren genutzt werden, in welchem das Abbremsen des Fahrzeugs durch die Verwendung eines elektrischen Fahrmotors als Generator durchgeführt wird, wobei die zurückgewonnene Energie in einer elektrischen Energiespeichereinrichtung gespeichert wird, und wobei zumindest ein Teil der zurückgewonnen Energie in dem Drucktank (25) gespeichert wird, dadurch, dass der Hilfskompressor mit zumindest einem Teil der zurückgewonnenen Energie angetrieben wird.

Figure DE102017007090A1_0000
The invention relates to a vehicle (1) in a fuel cell system for providing electric drive power, comprising an air compressor (14) and an exhaust gas turbine (27) for recovering energy from the exhaust gas, which compressed air previously compressed by the air compressor (14) comprising an auxiliary compressor (23) for air and / or exhaust gas and having a pressure tank (25) for receiving air and / or exhaust gas from the auxiliary compressor (23). The invention is characterized in that the pressure tank (25) in or parallel to an exhaust pipe (13, 131, 132) is arranged in the flow direction in front of an auxiliary turbine, with a switchable connection between the pressure tank (25) and the auxiliary turbine.
The vehicle (1) may be used in a method in which the deceleration of the vehicle is performed by the use of an electric traction motor as a generator, wherein the recovered energy is stored in an electric energy storage device, and wherein at least a part of the recovered energy in the Pressure tank (25) is stored, characterized in that the auxiliary compressor is driven with at least a portion of the recovered energy.
Figure DE102017007090A1_0000

Description

Die Erfindung betrifft ein Fahrzeug mit einem Brennstoffzellensystem zur Bereitstellung von elektrischer Antriebsleistung nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art. Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Verwendung eines solchen Fahrzeugs, wobei das Abbremsen des Fahrzeugs durch die Verwendung eines elektrischen Fahrmotors als Generator durchgeführt wird.The invention relates to a vehicle with a fuel cell system for providing electrical drive power according to the closer defined in the preamble of claim 1. The invention also relates to a method for using such a vehicle, wherein the braking of the vehicle performed by the use of an electric traction motor as a generator becomes.

Fahrzeuge mit einem Brennstoffzellensystem zur Bereitstellung von elektrischer Antriebsleistung, welche auch als Brennstoffzellenfahrzeuge bezeichnet werden, sind aus dem Stand der Technik wohl bekannt. Typischerweise ist ein solches Brennstoffzellenfahrzeug mit einem Brennstoffzellensystem ausgerüstet, welches elektrische Leistung beispielsweise aus komprimiertem Wasserstoff auf der Anodenseite und aus Luft, welche über einen Luftverdichter bereitgestellt wird, auf der Kathodenseite generiert. Eine Vielzahl solcher Brennstoffzellenfahrzeuge umfasst eine Abgasturbine zur Rückgewinnung von Energie aus der Wärme und dem Druck im Abgas, welches unter anderem aus der Abluft besteht, welche von dem besagten Luftverdichter verdichtet wurde, bevor sie die Brennstoffzelle passiert hat. Gemäß der US 4,759,997 A kann eine solche Abgasturbine auch durch eine zusätzliche Verbrennungsvorrichtung in der Abgasleitung der Brennstoffzelle mit Leistung versorgt werden.Vehicles having a fuel cell system for providing electric drive power, which are also referred to as fuel cell vehicles, are well known in the art. Typically, such a fuel cell vehicle is equipped with a fuel cell system that generates electric power, for example, from compressed hydrogen on the anode side and from air provided via an air compressor on the cathode side. A plurality of such fuel cell vehicles includes an exhaust gas turbine for recovering energy from the heat and the pressure in the exhaust gas, which among other things consists of the exhaust air which has been compressed by the said air compressor before it has passed the fuel cell. According to the US 4,759,997 A Such an exhaust gas turbine can also be supplied with power by an additional combustion device in the exhaust line of the fuel cell.

Gemäß der DE 10 2015 004 718 A1 kann eine Brennstoffzelle auch mit einem Luftverdichter in Kombination mit einem elektrischen Motor einerseits und einer Abgasturbine in Kombination mit einem Generator andererseits ausgerüstet werden. Die Komponenten können in Wirkverbindung stehen, beispielsweise über eine elektrische Energiespeichereinrichtung wie eine Batterie und/oder einen Kondensator.According to the DE 10 2015 004 718 A1 For example, a fuel cell can also be equipped with an air compressor in combination with an electric motor on the one hand and an exhaust gas turbine in combination with a generator on the other hand. The components may be in operative connection, for example via an electrical energy storage device such as a battery and / or a capacitor.

Der gattungsgemäße Stand der Technik, veröffentlicht in der DE 10 2007 007 934 A1 beschreibt ein Brennstoffzellenfahrzeug mit einem Hilfskompressor zum Verdichten von Luft und zum Aufladen eines Drucktanks mit dieser verdichteten Luft. Der Hilfskompressor kann mechanisch angetrieben werden, indem der Hilfskompressor in eine Triebverbindung zu den Rädern des Fahrzeugs gebracht wird. Der Hilfskompressor kann also angetrieben werden, während er Bremsenergie für das Fahrzeug bereitstellt. Die verdichtete Luft wird in einem Drucktank parallel zu dem Luftverdichter des Brennstoffzellensystems gespeichert. Bei Bedarf kann die Luft der Brennstoffzelle alternativ oder ergänzend zu der verdichteten Luft des Luftverdichters zur Verfügung gestellt werden.The generic state of the art, published in the DE 10 2007 007 934 A1 describes a fuel cell vehicle having an auxiliary compressor for compressing air and charging a pressure tank with this compressed air. The auxiliary compressor may be mechanically driven by placing the auxiliary compressor in a drive connection to the wheels of the vehicle. The auxiliary compressor can thus be driven while providing braking energy for the vehicle. The compressed air is stored in a pressure tank parallel to the air compressor of the fuel cell system. If necessary, the air of the fuel cell can be provided alternatively or in addition to the compressed air of the air compressor.

Das Problem mit dieser Anwendung ist es, dass der Hilfskompressor eine relativ hohe Qualität aufweisen muss, da keine Verschmutzung der verdichteten Luft akzeptiert werden kann, wenn die Luft später der Kathode der Brennstoffzelle zur Verfügung gestellt wird. Ein weiteres Problem ist es, dass das Druckniveau für die Luft, welche der Brennstoffzelle zur Verfügung gestellt wird, relativ niedrig ist, beispielsweise bei in etwa 15 kPA maximal. Deshalb ist die Menge an gespeicherter Energie in dem Drucktank relativ klein, was einen großen Drucktank erforderlich macht, wenn eine ausreichende Menge an Energie gespeichert werden soll. Dies verursacht Probleme mit dem Gewicht und dem benötigten Volumen für den Drucktank.The problem with this application is that the auxiliary compressor must be of relatively high quality, since no contamination of the compressed air can be accepted if the air is later provided to the cathode of the fuel cell. Another problem is that the pressure level for the air provided to the fuel cell is relatively low, for example, at about 15 kPa maximum. Therefore, the amount of stored energy in the pressure tank is relatively small, which requires a large pressure tank if a sufficient amount of energy is to be stored. This causes problems with the weight and volume required for the pressure tank.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Fahrzeug gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zu schaffen und ein Verfahren für die Verwendung eines solchen Fahrzeugs anzugeben, welches die oben genannten Nachteile vermeidet und ein solches Fahrzeug bzw. ein solches Verfahren verbessert.The object of the present invention is therefore to provide a vehicle according to the preamble of claim 1 and to provide a method for the use of such a vehicle, which avoids the above-mentioned disadvantages and improves such a vehicle or such a method.

Diese Aufgabe wird durch ein Fahrzeug mit den Merkmalen im Anspruch 1, insbesondere im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1, gelöst. Bezüglich des Verfahrens wird die Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen im Anspruch 6 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sowohl des Fahrzeugs als auch des Verfahrens sind in den abhängigen Unteransprüchen angegeben.This object is achieved by a vehicle having the features in claim 1, in particular in the characterizing part of claim 1. With regard to the method, the object is achieved by a method having the features in claim 6. Advantageous embodiments of both the vehicle and the method are specified in the dependent subclaims.

Das erfindungsgemäße Fahrzeug nutzt einen Luftverdichter und eine Abgasturbine zur Rückgewinnung von Energie aus dem Abgas, wie es aus dem Stand der Technik bekannt ist. Zusätzlich weist das Brennstoffzellensystem dieses erfindungsgemäßen Fahrzeugs einen Hilfskompressor für Luft und/oder Abgas und einen Drucktank zur Aufnahme der Luft und/oder des Abgases von dem Hilfskompressor auf. Erfindungsgemäß ist das Fahrzeug dadurch gekennzeichnet, dass der Drucktank in der Abgasleitung oder parallel zur der Abgasleitung in Strömungsrichtung vor einer Hilfsturbine angeordnet ist, wobei die Verbindung zwischen dem Drucktank und der Hilfsturbine schaltbar ist. Anders als im oben erwähnten gattungsgemäßen Stand der Technik hat das erfindungsgemäße Fahrzeug den Hilfskompressor und den Drucktank im Abgasbereich des Brennstoffzellensystems installiert. Der Hilfskompressor kann verwendet werden, um Abgas zu verdichten, welches die Abluft von dem Kathodenbereich der Brennstoffzelle ebenso enthalten kann wie Abgas von der Anodenseite der Brennstoffzelle. Alternativ oder besonders bevorzugt zusätzlich zu diesem Abgas kann Luft aus der Umgebung des Hilfskompressors verdichtet werden. Die verdichteten Gase, welche Abgas ebenso wie Luft oder Kombinationen hiervon enthalten können, werden dann unter Druck in dem Drucktank gespeichert. Anders als im Stand der Technik wird das komprimierte Gas nicht genutzt um direkt zu der Brennstoffzelle geleitet zu werden. Stattdessen wird es verwendet, um die Hilfsturbine anzutreiben, welche mit einem Generator verbunden sein kann, wie es aus dem Stand der Technik bekannt ist. Deshalb kann die in dem Drucktank gespeicherte Energie zur Rückgewinnung von Energie zu einem späteren Zeitpunkt durch den Antrieb der Hilfsturbine genutzt werden. Weil das komprimierte Gas aus dem Drucktank nur verwendet wird, um die Hilfsturbine anzutreiben, können die Anforderungen an die Gasqualität sehr gering sein, im Vergleich zu denen für Gas, welches der Brennstoffzelle zugeführt wird. Deshalb können der Hilfskompressor und die relevanten Komponenten sehr viel kostengünstiger konstruiert werden, als es bei der Anwendung im gattungsgemäßen oben genannten Stand der Technik der Fall ist.The vehicle according to the invention uses an air compressor and an exhaust gas turbine for recovering energy from the exhaust gas, as known from the prior art. In addition, the fuel cell system of this vehicle according to the invention has an auxiliary compressor for air and / or exhaust gas and a pressure tank for receiving the air and / or the exhaust gas from the auxiliary compressor. According to the invention, the vehicle is characterized in that the pressure tank is arranged in the exhaust pipe or parallel to the exhaust pipe in the flow direction in front of an auxiliary turbine, wherein the connection between the pressure tank and the auxiliary turbine is switchable. Unlike in the generic state of the art mentioned above, the vehicle according to the invention has the auxiliary compressor and the pressure tank installed in the exhaust area of the fuel cell system. The auxiliary compressor may be used to compress exhaust gas, which may include the exhaust air from the cathode region of the fuel cell as well as exhaust gas from the anode side of the fuel cell. Alternatively or particularly preferably, in addition to this exhaust gas, air from the environment of the auxiliary compressor can be compressed. The compressed gases, which may include exhaust gas as well as air or combinations thereof, are then stored under pressure in the pressure tank. Unlike in the prior art, the compressed gas is not used directly to the Fuel cell to be passed. Instead, it is used to power the auxiliary turbine, which may be connected to a generator as known in the art. Therefore, the energy stored in the pressure tank can be used to recover energy at a later time by the drive of the auxiliary turbine. Because the compressed gas from the pressure tank is only used to power the auxiliary turbine, the gas quality requirements may be very low compared to that for gas supplied to the fuel cell. Therefore, the auxiliary compressor and the relevant components can be constructed much more cheaply than is the case in the application in the generic state of the art mentioned above.

Gemäß des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Abbremsen des Fahrzeugs durchgeführt, indem der elektrische Fahrmotor als Generator verwendet wird. Dabei wird Energie in Form von elektrischer Energie zurückgewonnen und in einer elektrischen Energiespeichereinrichtung wie z.B. einer Batterie, einem Kondensator oder einer Kombination hiervon gespeichert. Dies wird im Allgemeinen auch als regeneratives Bremsen bezeichnet. Gemäß des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zumindest ein Teil der zurückgewonnen Energie in den Drucktank gespeichert, indem der Hilfskompressor mit der zurückgewonnenen elektrischen Energie angetrieben wird. Die elektrische Energie zum Antrieb des Hilfskompressors ist eine Art von Energie, welche in dem Fahrzeug ohnehin vorhanden ist und welche vorzugsweise nicht anderweitig genutzt werden kann. Deshalb ist die in dem Drucktank gespeicherte Energie eine zusätzlich zurückgewonnene Energie, welche beispielsweise in dem Drucktank gespeichert wird, wenn die elektrische Energiespeichereinrichtung bereits vollgeladen ist. Da das komprimierte Gas in dem Drucktank verwendet wird, um die Hilfsturbine anzutreiben, kann es auf einen relativ hohen Druck verdichtet werden, was die Speicherung einer relativ großen Menge an Energie in einem relativ kleinen Kessel als Drucktank ermöglicht. Vorzugsweise kann der Drucktank und die Ausrüstung dieselbe sein, welche in pneumatischen Bremssystemen in Lastkraftwagen eingesetzt wird. Der Drucktank und der Hilfskompressor ebenso wie die Ventile und die Leitungen, welche benötigt werden, können deshalb zu einem guten Preis am freien Markt eingekauft werden.According to the method of the invention, the deceleration of the vehicle is performed by using the electric traction motor as a generator. In the process, energy is recovered in the form of electrical energy and stored in an electrical energy storage device, such as e.g. a battery, a capacitor or a combination thereof stored. This is commonly referred to as regenerative braking. According to the method of the invention, at least part of the recovered energy is stored in the pressure tank by driving the auxiliary compressor with the recovered electric power. The electrical energy for driving the auxiliary compressor is a type of energy that is present in the vehicle anyway and which preferably can not be used otherwise. Therefore, the energy stored in the pressure tank is an additional recovered energy which is stored, for example, in the pressure tank when the electrical energy storage device is already fully charged. Since the compressed gas in the pressure tank is used to drive the auxiliary turbine, it can be compressed to a relatively high pressure, which allows the storage of a relatively large amount of energy in a relatively small vessel as a pressure tank. Preferably, the pressure tank and equipment may be the same as used in pneumatic brake systems in trucks. The pressure tank and the auxiliary compressor as well as the valves and the pipes which are needed can therefore be bought at a good price on the open market.

Gemäß einer sehr günstigen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Fahrzeugs wird die Abgasturbine zusätzlich als Hilfsturbine verwendet. Zuallererst vermeidet dies eine zweite Turbine in dem Brennstoffzellensystem. Eine solche Abgasturbine ist eine relativ komplexe Vorrichtung, sodass die Verwendung einer einzigen Turbine als Hilfsturbine ebenso wie als Abgasturbine Kosten, Komplexität, Bauvolumen und Gewicht einspart. Außerdem steht die Abgasturbine typischerweise in Wirkverbindung mit dem Luftverdichter und zumindest einer elektrischen Maschine. Zum Beispiel sind der Luftverdichter und die Abgasturbine auf derselben Welle angeordnet. Zusätzlich kann eine elektrische Maschine mit dieser Welle gekoppelt sein, um als Motor oder Generator zu arbeiten, je nachdem, welche Funktionalität benötigt wird. Ein solcher Aufbau wird auch als elektrischer Turbolader oder motorunterstützter Turbolader bezeichnet. In einem solchen Aufbau kann die Verwendung der Abgasturbine zusätzlich als Hilfsturbine den Antrieb des Luftverdichters über das komprimierte Gas in dem Drucktank ermöglichen. Dies hilft, die Menge an benötigter elektrischer Leistung, welche durch die elektrische Maschine, wenn diese als Motor betrieben wird, verbraucht wird, zu reduzieren. Das gespeicherte unter Druck stehende Gas kann hierdurch genutzt werden, um die Menge an Luft, mit welcher die Brennstoffzelle versorgt wird, zu erhöhen, beispielsweise unter Gefrierstartbedingungen, wenn eine hohe Last von dem Brennstoffzellensystem angefordert ist, und/oder wenn das Brennstoffzellensystem mit niedriger Last betrieben wird mit einem dementsprechend sehr kleinen Volumenstrom an Abgas, welcher durch die Abgasturbine strömt.According to a very favorable embodiment of the vehicle according to the invention, the exhaust gas turbine is additionally used as an auxiliary turbine. First of all, this avoids a second turbine in the fuel cell system. Such an exhaust gas turbine is a relatively complex device, so that the use of a single turbine as an auxiliary turbine as well as exhaust gas saves costs, complexity, volume and weight. In addition, the exhaust gas turbine is typically in operative connection with the air compressor and at least one electric machine. For example, the air compressor and the exhaust turbine are arranged on the same shaft. In addition, an electric machine may be coupled to this shaft to operate as a motor or generator, depending on what functionality is needed. Such a construction is also referred to as an electric turbocharger or engine-assisted turbocharger. In such a construction, the use of the exhaust gas turbine in addition as an auxiliary turbine can enable the drive of the air compressor via the compressed gas in the pressure tank. This helps to reduce the amount of required electric power consumed by the electric machine when operating as a motor. The stored pressurized gas may thereby be utilized to increase the amount of air supplied to the fuel cell, for example, under freeze start conditions when a high load is requested from the fuel cell system, and / or when the low load fuel cell system is operated with a correspondingly very small volume flow of exhaust gas, which flows through the exhaust gas turbine.

Eine weitere Alternative des beschriebenen Aufbaus eines elektrischen Turboladers hat die Wirkverbdingung lediglich auf der elektrischen Seite, beispielsweise, indem eine Turbine und ein Generator einerseits und ein Luftverdichter und ein Motor andererseits verwendet wird. Diese können dann elektrisch verbunden sein, beispielsweise über Leistungselektronik und /oder eine elektrische Energiespeichereinrichtung.Another alternative of the described structure of an electric turbocharger has the Wirkgebdingung only on the electrical side, for example, by a turbine and a generator on the one hand and an air compressor and a motor on the other hand is used. These can then be electrically connected, for example via power electronics and / or an electrical energy storage device.

In einer weiteren sehr vorteilhaften Ausgestaltung des Fahrzeugs ist der Drucktank parallel zu der Abgasleitung angeordnet, wobei beide parallelen Zweige jeweils wenigstens eine Ventileinrichtung aufweisen. Mit solchen Ventileinrichtungen kann die Strömung des Abgases durch die Abgasleitung einerseits oder in den Drucktank andererseits kontrolliert werden. Dabei kann die Verwendung des Bypass um den Drucktank entsprechend der Anforderungen des Brennstoffzellensystems geschaltet werden. Die zumindest zwei Ventileinrichtungen können auch als integriertes 3/2-Wegeventil an einem der Verzweigungspunkte angeordnet sein.In a further very advantageous embodiment of the vehicle, the pressure tank is arranged parallel to the exhaust pipe, wherein both parallel branches each have at least one valve device. With such valve devices, the flow of the exhaust gas through the exhaust pipe on the one hand or in the pressure tank on the other hand can be controlled. In this case, the use of the bypass to the pressure tank can be switched according to the requirements of the fuel cell system. The at least two valve devices can also be arranged as an integrated 3/2-way valve at one of the branching points.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Fahrzeugs und des Verfahrens zum Betreiben eines solchen Fahrzeugs können den weiteren abhängigen Unteransprüchen und dem Ausführungsbeispiel entnommen werden, welches nachfolgend detailliert unter Bezugnahme auf die Figur beschrieben ist.Further advantageous embodiments of the vehicle according to the invention and the method for operating such a vehicle can be taken from the further dependent subclaims and the exemplary embodiment which is described in detail below with reference to the figure.

Die einzige beigefügte Figur zeigt in einer Prinzipskizze ein Brennstoffzellensystem in einem angedeuteten Fahrzeug gemäß der Erfindung. The sole attached figure shows a schematic diagram of a fuel cell system in an indicated vehicle according to the invention.

In der einzigen beigefügten Figur ist ein Fahrzeug 1 durch einen Kasten um ein Brennstoffzellensystem 2 in beispielhafter Ausgestaltung angedeutet. Der Hauptteil des Brennstoffzellensystems 2 ist ein Brennstoffzellenstapel 3, welcher als Stapel von Einzelzellen aufgebaut ist. Der Brennstoffzellenstapel 3 umfasst einen Kathodenbereich 4 und einen Anodenbereich 5. Der Anodenbereich 5 wird mit Wasserstoff von einem Druckgasbehälter 6 versorgt, in welchem er bei einem Nenndruck von etwa 70 MPa gespeichert ist. Der Wasserstoff strömt über ein Druckregel- und Dosierventil 7 zu einer Gasstrahlpumpe 8 und in den Anodenbereich 5 des Brennstoffzellenstapels 3. Abgas aus dem Anodenbereich 5, welches nach wie vor Wasserstoff enthält, wird über eine Rezirkulationsleitung 9 zu der Gasstrahlpumpe 8 rezirkuliert. Es wird angetrieben durch die Gasstrahlpumpe 8 und mit frischem Wasserstoff aus dem Druckgasbehälter 6 vermischt. Die Mischung strömt in den Anodenbereich 5 des Brennstoffzellenstapels 3. In der Rezirkulationsleitung 9 wird Flüssigkeit typischerweise über einen Wasserabscheider 10 aus dem rezirkulierten Gas abgeschieden. In der Rezirkulationsleitung 9 reichert sich mit der Zeit Wasserdampf und inertes Gas an. Deshalb, beispielsweise von Zeit zu Zeit oder in Abhängigkeit einer Konzentration von Wasserstoff in der Rezirkulationsleitung 9, wird das Wasser in dem Wasserabscheider 10 zusammen mit dem inerten Gas abgelassen und abgeblasen. Dafür verbindet eine Ablassleitung 11 mit einem Ablassventil 12 den Wasserabscheider 10 mit einer Abgasleitung 13 des Brennstoffzellensystems 2.In the only attached figure is a vehicle 1 through a box around a fuel cell system 2 indicated in exemplary embodiment. The main part of the fuel cell system 2 is a fuel cell stack 3 , which is constructed as a stack of single cells. The fuel cell stack 3 includes a cathode region 4 and an anode region 5 , The anode area 5 is using hydrogen from a pressurized gas container 6 in which it is stored at a nominal pressure of about 70 MPa. The hydrogen flows through a pressure regulating and metering valve 7 to a gas jet pump 8th and in the anode area 5 of the fuel cell stack 3 , Exhaust gas from the anode area 5 , which still contains hydrogen, is via a recirculation line 9 to the gas jet pump 8th recirculated. It is powered by the gas jet pump 8th and with fresh hydrogen from the pressurized gas container 6 mixed. The mixture flows into the anode area 5 of the fuel cell stack 3 , In the recirculation line 9 Typically, liquid is passed through a water separator 10 separated from the recirculated gas. In the recirculation line 9 accumulates over time water vapor and inert gas. Therefore, for example from time to time or depending on a concentration of hydrogen in the recirculation line 9 , the water is in the water separator 10 drained and blown off together with the inert gas. For connecting a drain line 11 with a drain valve 12 the water separator 10 with an exhaust pipe 13 of the fuel cell system 2 ,

Der Kathodenbereich 4 des Brennstoffzellenstapels wird mit Luft als Sauerstofflieferant versorgt. Die Luft wird in einem Luftverdichter 14 verdichtet und fließt über eine Zuluftleitung 15 zum Kathodenbereich 4. Die verdichtete Luft passiert einen Ladeluftkühler 16 und einen Gas/Gas-Befeuchter 17, welche beide aus dem Stand der Technik wohl bekannt sind. Die Abluft, welche zumindest von einem Teil ihres Sauerstoffs abgereichert ist, passiert den Gas/Gas-Befeuchter 17 erneut und gibt Feuchtigkeit von der Abgasseite des Brennstoffzellensystems 2 an die Luft in der Zuluftleitung 15 ab. Die Abluft strömt dann durch die Abgasleitung 13, welche mit der Ablassleitung 11 verbunden ist, zu einer Abzweigung eines sogenannten Systembypass 18, welcher ein Systembypassventil 19 aufweist. Über diesen Systembypass 18 kann eine schaltbare Verbindung zwischen der Zuluftleitung 15 und der Abgasleitung 13 hergestellt werden. Dies kann beispielsweise verwendet werden, um zu verhindern, dass der Luftverdichter 14, welcher als Strömungsmaschine ausgebildet ist, die sogenannte Pumpgrenze überschreitet. Dies ist für einen Fachmann im Bereich der Brennstoffzellensysteme und der Luftverdichter in Form von Strömungsmaschinen aus dem Stand der Technik wohl bekannt. Deshalb ist es nicht im weiteren Detail erklärt, ebenso wie der Ladeluftkühler 16 und der Gas/Gas-Befeuchter 17.The cathode area 4 of the fuel cell stack is supplied with air as an oxygen supplier. The air is in an air compressor 14 compressed and flows through an air supply line 15 to the cathode area 4 , The compressed air passes through an intercooler 16 and a gas / gas humidifier 17 both of which are well known in the art. The exhaust air, which is depleted of at least part of its oxygen, passes through the gas / gas humidifier 17 again and gives moisture from the exhaust side of the fuel cell system 2 to the air in the supply air line 15 from. The exhaust air then flows through the exhaust pipe 13 connected to the drainage line 11 is connected to a branch of a so-called system bypass 18 which is a system bypass valve 19 having. About this system bypass 18 can be a switchable connection between the supply air line 15 and the exhaust pipe 13 getting produced. This can be used, for example, to prevent the air compressor 14 , which is designed as a turbomachine, the so-called surge limit exceeds. This is well known to those skilled in the art of fuel cell systems and air compressors in the form of prior art fluid machines. Therefore, it is not explained in further detail, as well as the intercooler 16 and the gas / gas humidifier 17 ,

Die Abgasleitung 13 hat einen weiteren Verzweigungspunkt, welcher mit dem Bezugszeichen 20 bezeichnet ist. An diesem Verzweigungspunkt ist die Abluft in der Abgasleitung 13 bereits mit dem Abgas aus der Ablassleitung 11, wenn das Abblasventil 12 geöffnet ist, und mit verdichteter Luft aus der Zuluftleitung 15, wenn das Systembypassventil 19 offen ist, vermischt. Dieses vermischte Abgas kann nun über einen ersten Zweig 131 zur Abgasturbine 27 geleitet werden, oder über einen zweiten Zweig 132 der Abgasleitung 13 in Abhängigkeit des Zustands einer ersten Ventileinrichtung 21 oder einer zweiten Ventileinrichtung 22 in den jeweiligen Zweigen 131, 132. Der erste Zweig 131 mit der ersten Ventileinrichtung 21 im geöffneten Zustand wird für den normalen Betriebszustand verwendet. Wenn Überschussenergie in dem Fahrzeug 1 verfügbar ist, beispielsweise weil das Brennstoffzellensystem 2 auf einem höheren Leistungsniveau arbeitet als von dem Fahrzeug 1 angefordert, für eine Zeit, welche benötigt wird, um das Leistungsniveau der Brennstoffzelle 2 zu senken, weil dieses nicht so dynamisch agieren kann, wie es von dem Fahrzeug häufig nachgefragt wird, oder insbesondere wenn das Fahrzeug regenerativ bremst. Ein solcher Überschuss an elektrischer Energie wird typischerweise in einer elektrischen Energiespeichereinrichtung in dem Fahrzeug 1 gespeichert. Wenn die elektrische Energiespeichereinrichtung vollgeladen ist, wird die Überschussenergie, welche insbesondere beim regenerativen Bremsen anfällt, typischerweise an einem Widerstand in Wärme umgewandelt. In dieser Situation kann das erfindungsgemäße Fahrzeug 1 nun einen Hilfskompressor 23 in dem zweiten Zweig 132 mit dieser Überschussenergie antreiben, um den Druck des Abgases in dem zweiten Zweig 132 zu erhöhen. Typischerweise ist der erste Zweig 131 über die erste Ventileinrichtung 21 verschlossen, während die zweite Ventileinrichtung 22 in einer solchen Situation geöffnet ist. Wenn die Menge an verfügbarer Überschussenergie größer ist als die benötigte Menge, um das Abgas zu komprimieren, kann zusätzlich Luft von der Umgebung des Hilfskompressors 23 verdichtet werden. In der Figur ist dies angedeutet durch eine zusätzliche Ansaugleitung 24, welche mit einem Filter und einem Rückschlagventil ausgestattet sein kann, um zu verhindern, dass Abgas durch die Ansaugleitung 24 in die Umgebung gelangt. Das komprimierte Gas wird dann in einem Drucktank 25 in dem zweiten Zweig 132 gespeichert. Die typischerweise verwendeten Drücke für den Drucktank 25 können in der Größenordnung von etwa 2 bis 3 MPa sein. Über ein Auslassventil 26 kann der Drucktank 25 mit der Abgasturbine 27 oder einer zusätzlichen Hilfsturbine des Brennstoffzellensystems 2 verbunden werden. Wenn das Auslassventil 26 geöffnet wird, gelangt das komprimierte Gas aus dem Drucktank 25 zu der Abgasturbine 27 und erzeugt dort mechanische Energie in der Abgasturbine 27. In dem dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispiel des Fahrzeugs 1 ist die Abgasturbine 27 über eine Welle 28 mit dem Luftverdichter 14 verbunden, ebenso wie mit einer elektrischen Maschine 29. Diese Anordnung des Luftverdichters 14, der elektrischen Maschine 29 und der Abgasturbine 27 wird häufig auch als elektrischer Turbolader oder ETC bezeichnet. Mit der Energie, welche über die Abgasturbine 27 zurückgewonnen wird, kann der Luftverdichter 14 angetrieben werden oder zumindest kann die Menge an benötigter Energie für die elektrische Maschine 29, welche dann als Elektromotor betrieben wird, um den Luftverdichter 14 anzutreiben, reduziert werden.The exhaust pipe 13 has another branch point, which is denoted by the reference numeral 20 is designated. At this branching point is the exhaust air in the exhaust pipe 13 already with the exhaust gas from the drain line 11 when the blow-off valve 12 is open, and with compressed air from the supply air line 15 when the system bypass valve 19 open, mixed. This mixed exhaust gas can now over a first branch 131 to the exhaust gas turbine 27 or over a second branch 132 the exhaust pipe 13 depending on the state of a first valve device 21 or a second valve device 22 in the respective branches 131 . 132 , The first branch 131 with the first valve device 21 when open, it is used for normal operating condition. When excess energy in the vehicle 1 is available, for example, because the fuel cell system 2 works at a higher level of performance than the vehicle 1 requested, for a time, which is needed to the performance level of the fuel cell 2 because it can not act as dynamically as it is often in demand by the vehicle, or especially when the vehicle regeneratively brakes. Such an excess of electrical energy typically becomes in an electrical energy storage device in the vehicle 1 saved. When the electrical energy storage device is fully charged, the excess energy that is generated in particular during regenerative braking is typically converted to heat at a resistor. In this situation, the vehicle according to the invention 1 now an auxiliary compressor 23 in the second branch 132 drive with this excess energy to the pressure of the exhaust gas in the second branch 132 to increase. Typically, the first branch 131 over the first valve device 21 closed while the second valve means 22 is open in such a situation. In addition, if the amount of available excess energy is greater than the amount required to compress the exhaust gas, air may be added from the environment of the auxiliary compressor 23 be compacted. In the figure, this is indicated by an additional suction line 24 , which may be equipped with a filter and a check valve to prevent exhaust gas through the intake pipe 24 gets into the environment. The compressed gas is then placed in a pressure tank 25 in the second branch 132 saved. The pressures typically used for the pressure tank 25 may be on the order of about 2 to 3 MPa. Via an outlet valve 26 can the pressure tank 25 with the exhaust gas turbine 27 or an additional auxiliary turbine of fuel cell system 2 get connected. When the exhaust valve 26 is opened, the compressed gas comes out of the pressure tank 25 to the exhaust gas turbine 27 and generates there mechanical energy in the exhaust gas turbine 27 , In the illustrated preferred embodiment of the vehicle 1 is the exhaust gas turbine 27 over a wave 28 with the air compressor 14 connected, as well as with an electric machine 29 , This arrangement of the air compressor 14 , the electric machine 29 and the exhaust gas turbine 27 is often referred to as an electric turbocharger or ETC. With the energy flowing through the exhaust gas turbine 27 can be recovered, the air compressor 14 be driven or at least the amount of energy required for the electric machine 29 , which is then operated as an electric motor to the air compressor 14 to be reduced.

Wenn komprimiertes Gas in dem Drucktank 25 gespeichert ist, kann die zusätzliche Energie verwendet werden, indem das Ablassventil 26 geöffnet wird, um das komprimierte Gas aus dem Drucktank 25 beispielsweise mit dem Abgas aus dem Brennstoffzellenstapel 3 im ersten Zweig 131 zu mischen. Wenn eine hohe Leistungsanforderung von dem Fahrzeug besteht, beispielsweise um eine Beschleunigung durchzuführen, kann die langsame Leistungsdynamik des Brennstoffzellenstapels 3 ausgeglichen werden durch die Verwendung von gespeicherter Energie in dem Drucktank 25. Komprimiertes Gas wird dazu über die Abgasturbine 27 geleitet und erhöht beispielsweise die Menge an Luft, welche dem Brennstoffzellenstapel 3 zugeführt wird. Außerdem kann das komprimierte Gas verwendet werden, um die elektrische Maschine 29 über die Abgasturbine 27 anzutreiben, welche dann als Generator verwendet wird, um direkt elektrische Energie zu generieren.When compressed gas in the pressure tank 25 stored, the extra energy can be used by the drain valve 26 is opened to the compressed gas from the pressure tank 25 for example, with the exhaust gas from the fuel cell stack 3 in the first branch 131 to mix. If there is a high power demand from the vehicle, for example, to perform an acceleration, the slow power dynamics of the fuel cell stack 3 be balanced by the use of stored energy in the pressure tank 25 , Compressed gas is added via the exhaust gas turbine 27 For example, it increases and increases the amount of air flowing to the fuel cell stack 3 is supplied. In addition, the compressed gas can be used to power the electric machine 29 over the exhaust gas turbine 27 which is then used as a generator to directly generate electrical energy.

Bei geringeren Lasten ist die zurückgewonnene Energie durch die Abgasturbine 27 im normalen Betriebszustand relativ klein aufgrund des relativ kleinen Volumenstroms an Abgas. In diesem Fall kann die zusätzliche Energie aus dem Drucktank 25 durch Öffnen des Auslassventils 26 verwendet werden, um die Abgasturbine 27 anzutreiben, was den Leistungsverbrauch der elektrischen Maschine 29 reduziert. Außerdem erlaubt dies die Abgasturbine 27 in einem Betriebspunkt zu verwenden, welcher im Vergleich zu einem Betrieb mit dem relativ geringen Abgasvolumenstrom des Brennstoffzellenstapels selbst einen sehr viel höheren Wirkungsgrad aufweist.At lower loads, the recovered energy is through the exhaust gas turbine 27 in the normal operating state relatively small due to the relatively small volume flow of exhaust gas. In this case, the extra energy from the pressure tank 25 by opening the exhaust valve 26 used to the exhaust gas turbine 27 to drive what the power consumption of the electric machine 29 reduced. In addition, this allows the exhaust gas turbine 27 to use at an operating point, which has a much higher efficiency compared to an operation with the relatively small exhaust gas volume flow of the fuel cell stack itself.

Auch bei einem Gefrierstart des Brennstoffzellensystems 2 kann die benötigte Leistung für den elektrischen Turbolader zur Verfügung gestellt werden, indem komprimiertes Gas aus dem Drucktank 25, welcher zuvor geladen worden ist, verwendet wird.Even with a freeze start of the fuel cell system 2 The required power for the electric turbocharger can be made available by injecting compressed gas from the pressure tank 25 which has been previously loaded is used.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11 Fahrzeugvehicle 22 BrennstoffzellensystemThe fuel cell system 33 Brennstoffzellenstapelfuel cell stack 44 Kathodenbereichcathode region 55 Anodenbereichanode region 66 DruckgasbehälterCompressed gas containers 77 Druckregel- und DosierventilPressure control and dosing valve 88th GasstrahlpumpeGas jet pump 99 Rezirkulationsleitungrecirculation 1010 Wasserabscheiderwater 1111 Ablassleitungdrain line 1212 Ablassventildrain valve 1313 Abgasleitungexhaust pipe 131131 erster Zweigfirst branch 132132 zweiter Zweigsecond branch 1414 Luftverdichterair compressor 1515 Zuluftleitungair supply 1616 LadeluftkühlerIntercooler 1717 Gas/Gas-BefeuchterGas / gas humidifier 1818 Systembypasssystem bypass 1919 SystembypassventilSystem bypass valve 2020 Verzweigungspunktbranching point 2121 erste Ventileinrichtungfirst valve device 2222 zweite Ventileinrichtungsecond valve device 2323 Hilfskompressorauxiliary compressor 2424 Ansaugleitungsuction 2525 Drucktankpressure tank 2626 Auslassventiloutlet valve 2727 Abgasturbineexhaust turbine 2828 Wellewave 2929 elektrische Maschineelectric machine

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Claims (9)

Fahrzeug (1) mit einem Brennstoffzellensystem (2) zur Bereitstellung von elektrischer Antriebsleistung, welches einen Luftverdichter (14) und eine Abgasturbine (27) zur Rückgewinnung von Energie aus dem Abgas, welches zuvor komprimierte Luft von dem Luftverdichter (14) umfasst, aufweist, welches einen Hilfskompressor (23) für Luft und/oder Abgas aufweist, und welches einen Drucktank (25) zur Aufnahme von Luft und/oder Abgas von dem Hilfskompressor (23) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Drucktank (25) in einer oder parallel zu einer Abgasleitung (13, 131, 132) in Strömungsrichtung vor einer Hilfsturbine angeordnet ist, mit einer schaltbaren Verbindung zwischen dem Drucktank (25) und der Hilfsturbine.Vehicle (1) having a fuel cell system (2) for providing electrical drive power, which comprises an air compressor (14) and an exhaust gas turbine (27) for recovering energy from the exhaust gas, which previously contains compressed air from the air compressor (14), which has an auxiliary compressor (23) for air and / or exhaust gas, and which has a pressure tank (25) for receiving air and / or exhaust gas from the auxiliary compressor (23), characterized in that the pressure tank (25) in one or in parallel to an exhaust pipe (13, 131, 132) upstream of an auxiliary turbine, with a switchable connection between the pressure tank (25) and the auxiliary turbine. Fahrzeug (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasturbine (27) zusätzlich als Hilfsturbine ausgebildet ist.Vehicle (1) to Claim 1 , characterized in that the exhaust gas turbine (27) is additionally designed as an auxiliary turbine. Fahrzeug (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Drucktank (25) parallel zu der Abgasleitung (13) positioniert ist, wobei jeder der beiden parallelen Zweige (131, 132) zumindest eine Ventileinrichtung (21, 22, 26) aufweist.Vehicle (1) to Claim 1 or 2 , characterized in that the pressure tank (25) is positioned parallel to the exhaust pipe (13), wherein each of the two parallel branches (131, 132) at least one valve means (21, 22, 26). Fahrzeug (1) gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest zwei Ventileinrichtungen (21, 22) zu einem 3/2-Wegeventil an einem der Verzweigungspunkte (20) integriert ausgebildet sind.Vehicle (1) according to Claim 3 , characterized in that the at least two valve devices (21, 22) are integrated to form a 3/2-way valve at one of the branch points (20). Fahrzeug (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasturbine (27) und der Luftverdichter (14) in Wirkverbindung mit wenigstens einer elektrischen Maschine (29) stehen.Vehicle (1) according to one of Claims 1 to 4 , characterized in that the exhaust gas turbine (27) and the air compressor (14) are in operative connection with at least one electric machine (29). Verfahren zur Verwendung eines Fahrzeugs (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei Bremsen des Fahrzeugs durchgeführt wird, indem ein elektrischer Antriebsmotor als Generator verwendet wird, wobei die zurückgewonnene Energie in einer elektrischen Energiespeichereinrichtung gespeichert wird, und wobei zumindest ein Teil der zurückgewonnenen Energie in dem Drucktank (25) gespeichert wird, indem der Hilfskompressor (23) mit zumindest einem Teil der zurückgewonnenen Energie angetrieben wird.Method for using a vehicle (1) according to one of the Claims 1 to 5 wherein braking of the vehicle is performed by using an electric drive motor as a generator, wherein the recovered energy is stored in an electrical energy storage device, and wherein at least a portion of the recovered energy is stored in the pressure tank (25) by the auxiliary compressor (23 ) is driven with at least a portion of the recovered energy. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Verteilung der zurückgewonnenen Energie zwischen der elektrischen Energiespeichereinrichtung und dem Hilfskompressor basierend auf dem Ladezustand der elektrischen Energiespeichereinrichtung und/oder dem Druck im Drucktank (25) erfolgt.Method according to Claim 6 , characterized in that the distribution of the recovered energy between the electrical energy storage device and the auxiliary compressor based on the state of charge of the electrical energy storage device and / or the pressure in the pressure tank (25). Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest wenn die elektrische Energiespeichereinrichtung vollgeladen ist, die zurückgewonnene Energie verwendet wird, um den Hilfskompressor (23) anzutreiben, um den Drucktank (25) zu füllen.Method according to Claim 7 characterized in that, at least when the electrical energy storage device is fully charged, the recovered energy is used to drive the auxiliary compressor (23) to fill the pressure tank (25). Verfahren gemäß einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das komprimierte Gas in dem Drucktank (25) zu der Hilfsturbine geleitet wird, wenn zusätzliche Energie benötigt wird, um den Luftverdichter (14) anzutreiben.Method according to one of Claims 6 to 8th characterized in that the compressed gas in the pressure tank (25) is directed to the auxiliary turbine when additional energy is needed to drive the air compressor (14).
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