DE102018213713A1 - Fuel cell system and method for switching off a fuel cell system - Google Patents

Fuel cell system and method for switching off a fuel cell system Download PDF

Info

Publication number
DE102018213713A1
DE102018213713A1 DE102018213713.7A DE102018213713A DE102018213713A1 DE 102018213713 A1 DE102018213713 A1 DE 102018213713A1 DE 102018213713 A DE102018213713 A DE 102018213713A DE 102018213713 A1 DE102018213713 A1 DE 102018213713A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
fuel cell
valve
shut
air path
exhaust air
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
DE102018213713.7A
Other languages
German (de)
Inventor
Jochen Braun
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Priority to DE102018213713.7A priority Critical patent/DE102018213713A1/en
Priority to PCT/EP2019/071411 priority patent/WO2020035407A1/en
Publication of DE102018213713A1 publication Critical patent/DE102018213713A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04223—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids during start-up or shut-down; Depolarisation or activation, e.g. purging; Means for short-circuiting defective fuel cells
    • H01M8/04228—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids during start-up or shut-down; Depolarisation or activation, e.g. purging; Means for short-circuiting defective fuel cells during shut-down
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04223—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids during start-up or shut-down; Depolarisation or activation, e.g. purging; Means for short-circuiting defective fuel cells
    • H01M8/04238—Depolarisation
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/043—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems applied during specific periods
    • H01M8/04303—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems applied during specific periods applied during shut-down
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/0444—Concentration; Density
    • H01M8/0447—Concentration; Density of cathode exhausts
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04791—Concentration; Density
    • H01M8/04805—Concentration; Density of fuel cell exhausts
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04955—Shut-off or shut-down of fuel cells
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem (10) und ein Verfahren zum Abschalten eines solchen Brennstoffzellensystems (10). Das Brennstoffzellensystem (10) umfasst dabei wenigstens eine Brennstoffzelle (14), einen Zuluftpfad (18), mit welchem einem Kathodenpfad der Brennstoffzelle (14) Luft zuführbar ist, einen Abluftpfad (46), mit welchem Abluft der Brennstoffzelle (14) abführbar ist, wenigstens ein Verdichter (30), mittels welchem dem Brennstoffzellensystem (10) Umgebungsluft zuführbar ist, wobei mittels wenigstens einem der Verdichter (30) Umgebungsluft der Brennstoffzelle (14) zuführbar ist, wenigstens eine Turbine (62), welche in dem Abluftpfad (46) angeordnet und welche in einer umgekehrten Richtung betreibbar ist, ein Zuluftpfad-Absperrventil (38), mit welchem der Zuluftpfad (18) in Strömungsrichtung nach dem Verdichter (30) absperrbar ist, ein Abluftpfad-Absperrventil (66), mit welchem der Abluftpfad (46) in Strömungsrichtung nach der Turbine (62) absperrbar ist, ein Zuführpfad (74), über welchen der Turbine (62) eine Abluft der Brennstoffzelle (14) während des Abschaltens zuführbar ist, wobei der Zuführpfad (74) eine Zuführleitung (70) aufweist die mit dem Abluftpfad (46) zwischen Abluftpfad-Absperrventil (66) und Turbine (62) verbunden ist, und ein Zuführleitungs-Absperrventil (78), über welches die Zuführleitung (70) absperrbar istThe invention relates to a fuel cell system (10) and a method for switching off such a fuel cell system (10). The fuel cell system (10) comprises at least one fuel cell (14), a supply air path (18) with which air can be fed to a cathode path of the fuel cell (14), an exhaust air path (46) with which the fuel cell (14) can be discharged, at least one compressor (30), by means of which ambient air can be supplied to the fuel cell system (10), whereby at least one of the compressors (30) can be supplied with ambient air to the fuel cell (14), at least one turbine (62), which is located in the exhaust air path (46) arranged and which can be operated in a reverse direction, an supply air path shut-off valve (38) with which the supply air path (18) can be shut off downstream of the compressor (30), an exhaust air path shut-off valve (66) with which the exhaust air path (46 ) can be shut off in the flow direction after the turbine (62), a supply path (74) via which the turbine (62) can be supplied with exhaust air from the fuel cell (14) during the shutdown, w o the feed path (74) has a feed line (70) which is connected to the exhaust air path (46) between the exhaust air path shut-off valve (66) and the turbine (62), and a feed line shut-off valve (78) via which the feed line (70) is lockable

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem und ein Verfahren zum Abschalten eines solchen Brennstoffzellensystems.The present invention relates to a fuel cell system and a method for switching off such a fuel cell system.

Bei Brennstoffzellensystemen wird in der Regel das Oxidationsmittel Sauerstoff aus der Umgebungsluft benutzt, um in der Brennstoffzelle mit Wasserstoff zu Wasser zu reagieren und damit durch elektrochemische Wandlung eine elektrische Leistung zu liefern.In fuel cell systems, the oxidizing agent oxygen from the ambient air is generally used to react with hydrogen to water in the fuel cell and thus to provide electrical power through electrochemical conversion.

Stand der TechnikState of the art

Aus der WO 2016/087086 A1 ist ein Verfahren zum Abschalten eines Brennstoffzellensystems und ein Brennstoffzellensystem zum Durchführen des Verfahrens bekannt.From the WO 2016/087086 A1 a method for switching off a fuel cell system and a fuel cell system for performing the method is known.

Der Hintergrund der Erfindung liegt darin, dass beim Abschalten eines Brennstoffzellensystems der Rest-Sauerstoff in den Leitungen und ggf. weiteren Komponenten des Luftpfades verbraucht werden muss, so dass aufgrund des fehlenden Reaktionspartners die Reaktion zum Erliegen kommt und die Spannung an der Brennstoffzelle abfällt. Ein unkontrolliertes Abschalten der Brennstoffzelle würde zu einer Degradation und damit zu einer wesentlich geringeren Lebensdauer der Brennstoffzelle führen. Da jedoch die Brennstoffzelle das teuerste Teil in dem Brennstoffzellensystem ist, ist die Bestrebung die Brennstoffzelle kontrolliert abzuschalten und während dieser Zeit die Spannung abzubauen bzw. zu hohe Spannungen (z.B. Leerlaufspannung) zu vermeiden. Dazu ist es bekannt eine Abgasrückführpumpe (AGR-Pumpe) in einem abgeschlossenen Volumen zu betreiben und den in diesem abgeschlossenen Volumen vorhandenen Sauerstoff in der Brennstoffzelle zu verbrauchen. Während dieser Phase wird, um zu hohe Spannungen zu vermeiden, ein entsprechender Strom von der Brennstoffzelle abgenommen, so dass eine Degradation der Brennstoffzelle minimiert wird. Der Aufwand zum Vorsehen einer AGR-Pumpe in einem Brennstoffzellensystem ist jedoch beträchtlich. Abgesehen von der Pumpe an sich muss zusätzlich ein Antrieb, eine Leistungselektronik und eine Einbindung in das Bordnetz bewerkstelligt werden. Gegebenenfalls sind auch Hardware-Maßnahmen aufgrund Einfrieren/Auftauen erforderlich.The background of the invention is that when a fuel cell system is switched off, the residual oxygen in the lines and possibly other components of the air path must be consumed, so that the reaction comes to a standstill due to the lack of a reaction partner and the voltage at the fuel cell drops. An uncontrolled shutdown of the fuel cell would lead to degradation and thus to a significantly shorter lifespan for the fuel cell. However, since the fuel cell is the most expensive part in the fuel cell system, efforts must be made to switch the fuel cell off in a controlled manner and to reduce the voltage or avoid excessive voltages (e.g. open circuit voltage) during this time. For this purpose, it is known to operate an exhaust gas recirculation pump (EGR pump) in a closed volume and to consume the oxygen present in this closed volume in the fuel cell. During this phase, in order to avoid excessive voltages, a corresponding current is drawn from the fuel cell so that degradation of the fuel cell is minimized. However, the effort to provide an EGR pump in a fuel cell system is considerable. Apart from the pump itself, a drive, power electronics and integration into the vehicle electrical system must also be accomplished. Hardware measures due to freezing / thawing may also be required.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Brennstoffzellensystem anzugeben, mit welchem auf wirtschaftliche Weise der Restsauerstoff verbrauchbar ist. Darüber hinaus ist es eine Aufgabe der Erfindung ein Verfahren zum Abschalten eines solchen Brennstoffzellensystems anzugeben.It is therefore the object of the present invention to provide a fuel cell system with which the residual oxygen can be used in an economical manner. In addition, it is an object of the invention to provide a method for switching off such a fuel cell system.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Die Aufgabe wird durch ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen nach Anspruch 1 gelöst. Hinsichtlich eines Verfahrens zum Abschalten eines solchen Brennstoffzellensystems wird auf Anspruch 11 verwiesen. Die jeweils rückbezogenen abhängigen Ansprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung wieder.The object is achieved by a fuel cell system with the features of claim 1. With regard to a method for switching off such a fuel cell system, reference is made to claim 11. The respective dependent claims refer back to advantageous developments of the invention.

Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem umfasst dabei wenigstens eine Brennstoffzelle, einen Zuluftpfad, mit welchem einem Kathodenpfad der Brennstoffzelle Luft zuführbar ist, einen Abluftpfad, mit welchem Abluft der Brennstoffzelle abführbar ist, wenigstens ein Verdichter, mittels welchem dem Brennstoffzellensystem Umgebungsluft zuführbar ist, wobei mittels wenigstens einem der Verdichter Umgebungsluft der Brennstoffzelle zuführbar ist, wenigstens eine Turbine, welche in dem Abluftpfad angeordnet und welche in einer umgekehrten Richtung betreibbar ist, ein Zuluftpfad-Absperrventil, mit welchem der Zuluftpfad in Strömungsrichtung nach dem Verdichter absperrbar ist, ein Abluftpfad-Absperrventil, mit welchem der Abluftpfad in Strömungsrichtung nach der Turbine absperrbar ist, ein Zuführpfad, über welchen der Turbine eine Abluft der Brennstoffzelle während des Abschaltens zuführbar ist, wobei der Zuführpfad eine Zuführleitung aufweist die mit dem Abluftpfad zwischen Abluftpfad-Absperrventil und Turbine verbunden ist, und ein Zuführleitungs-Absperrventil, über welches die Zuführleitung absperrbar ist.The fuel cell system according to the invention comprises at least one fuel cell, an air supply path with which air can be supplied to a cathode path of the fuel cell, an exhaust air path with which exhaust air can be removed from the fuel cell, at least one compressor by means of which ambient air can be supplied to the fuel cell system, at least one of which Compressor ambient air can be supplied to the fuel cell, at least one turbine which is arranged in the exhaust air path and which can be operated in a reverse direction, an inlet air path shut-off valve with which the inlet air path can be shut off downstream of the compressor, an exhaust air path shut-off valve with which the Exhaust air path in the flow direction after the turbine can be shut off, a supply path via which the turbine can be supplied with exhaust air from the fuel cell during shutdown, the supply path having a supply line that connects with the exhaust air path between exhaust air ftpath shut-off valve and turbine is connected, and a feed line shut-off valve, via which the feed line can be shut off.

Als Zuführpfad wird im Sinne der Erfindung dabei der gesamte Pfad verstanden, über welchen die Abluft der Brennstoffzelle zur Turbine geleitet wird. Dieser Pfad umfasst dabei erfindungsgemäß wenigstens eine Zuführleitung. Vorzugsweise umfasst die Erfindung lediglich einen einzigen Verdichter. Es sind jedoch auch mehrere Verdichterstufen, wie beispielsweise mehrere Vorverdichter möglich. Ebenso ist vorzugsweise lediglich eine einzige Turbine vorgesehen. Es sind jedoch auch mehrere Turbinenstufen möglich. Unter einer umgekehrten Richtung im Sinne der Erfindung ist zu verstehen, das die Turbine entgegen ihrer gewöhnlichen Laufrichtung von einem Motor angetrieben betrieben wird. Dadurch wird die Turbine zu einem Gebläse, welches Luft von einem Turbinenausgang zu einem Turbineneingang befördert.In the context of the invention, the supply path is understood to mean the entire path via which the exhaust air of the fuel cell is directed to the turbine. According to the invention, this path comprises at least one feed line. The invention preferably comprises only a single compressor. However, several compressor stages, such as several pre-compressors, are also possible. Likewise, only a single turbine is preferably provided. However, several turbine stages are also possible. A reverse direction in the sense of the invention is to be understood that the turbine is driven by a motor against its normal running direction. This turns the turbine into a blower that transports air from a turbine outlet to a turbine inlet.

Als Ventil im Sinne der Erfindung wird dabei jedes Mittel verstanden, mit welchem eine Strömung reduzierbar und absperrbar ist. Im Sinne der Erfindung werden somit auch Klappen wie z.B. Drosselklappen als Ventile verstanden. Unter einem Verdichter wird dabei ein Mittel verstanden, mit welchem unter Erhöhung eines Druckes eines gasförmigen Mediums dieses weiterbeförderbar ist. Ein Verdichter kann somit z.B. eine Strömungsmaschine, ein Kolbenverdichter, ein Schraubenverdichter, ein Gebläse oder ein Turbokompressor sein.In the context of the invention, a valve is understood to mean any means with which a flow can be reduced and shut off. Valves such as throttle valves are thus also understood as valves in the sense of the invention. A compressor is understood to mean a means by which a gaseous medium can be conveyed further by increasing a pressure. A compressor can thus, for example, a turbomachine, a piston compressor, a screw compressor, a blower or a turbo compressor.

Durch die Anordnung der Turbine hat das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem den Vorteil, dass eine zusätzliche AGR-Pumpe mit Antrieb und Leistungselektronik nicht notwendig ist. Während des Abstellvorgangs kann vielmehr eine im Brennstoffzellensystem vorhandene Turbine verwendet werden. Das Brennstoffzellensystem lässt sich trotz des Verzichts auf die AGR-Pumpe kontrolliert abschalten, so dass eine Degradation vermieden wird. Dadurch lässt sich das Brennstoffzellensystem wirtschaftlicher und platzsparender herstellen.Due to the arrangement of the turbine, the fuel cell system according to the invention has the advantage that an additional EGR pump with drive and power electronics is not necessary. Instead, a turbine present in the fuel cell system can be used during the shutdown process. The fuel cell system can be switched off in a controlled manner despite the absence of the EGR pump, so that degradation is avoided. This makes the fuel cell system more economical and space-saving to manufacture.

In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung ist die Zuführleitung zwischen Zuluft-Absperrventil und Brennstoffzelle mit dem Zuluftpfad verbunden. Dadurch kann der gesamte Zuluftpfad bis zum Zuluftpfad-Absperrventil und der gesamte Abluftpfad bis zum Abluftpfad-Absperrventil genutzt werden. Die vorhandenen Komponenten werden dadurch während des Abschaltens maximal weiter verwendet. Weitere Bauteile können dadurch eingespart werden, so dass das Brennstoffzellensystem wirtschaftlich herstellbar ist. In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung sind das Zuführleitungs-Absperrventil und das Zuluftpfad-Absperrventil als Zuführleitungszuluftpfad-Mehrwegeventil ausgeführt. Über das Zuführleitungszuluftpfad-Mehrwegeventil kann das Zuluftpfad-Absperrventil gleichzeitig geschlossen werden, während das Zuführleitungs-Absperrventil geöffnet wird.In a preferred embodiment of the invention, the supply line between the supply air shut-off valve and the fuel cell is connected to the supply air path. As a result, the entire supply air path up to the supply air path shut-off valve and the entire exhaust air path up to the exhaust air path shut-off valve can be used. As a result, the existing components are used to a maximum during the shutdown. Additional components can be saved, so that the fuel cell system can be produced economically. In a further preferred embodiment, the supply line shut-off valve and the supply air path shut-off valve are designed as supply line supply air path multi-way valves. Via the supply line supply air path multi-way valve, the supply air path shut-off valve can be closed at the same time while the supply line shut-off valve is opened.

In einer weiteren bevorzugten Ausführung der Erfindung weist das Brennstoffzellensystem ein Abschaltabsperrventil, welches in dem Abluftpfad zwischen Brennstoffzelle und Turbine angeordnet ist, und eine über ein Verbindungsleitungsabsperrventil absperrbare Verbindungsleitung auf, welche zwischen dem Abschaltabsperrventil und der Turbine den Abluftpfad mit dem Zuluftpfad zwischen Zuluftpfad-Absperrventil und Brennstoffzelle verbindet, wobei die Zuführleitung zwischen dem Abschaltabsperrventil und Brennstoffzelle mit dem Abluftpfad verbunden ist. Als Abschaltabsperrventil im Sinne der Erfindung ist dabei ein Ventil zu verstehen, welches während eines Abschaltvorganges im Abluftpfad eine Verbindung zwischen Zuführleitung und Verbindungsleitung versperrt. Das Abschaltabsperrventil muss dabei nicht als separates Ventil ausgebildet sein. Die gleiche Funktion kann ebenso durch ein bereits vorhandenes Ventil übernommen werden, welches im Abluftpfad zwischen Zuführleitung und Verbindungsleitung angeordnet ist. Der Vorteil dieser Merkmale ist, dass lediglich durch vorsehen von Leitungen und Ventile eine Sauerstoffverarmung realisiert werden kann. Auch kann die Brennstoffzelle und die im Zuluftpfad und die im Abluftpfad angeordneten Komponenten wie Wasserabscheider und Befeuchtungseinrichtung in der gewöhnlichen Richtung betrieben werden. Zusätzlich kann die Zuführleitung abgesehen für einen Betrieb während eines Abschaltens des Brennstoffzellensystems auch für den Normalbetrieb eingesetzt werden als ein Bypass für die Turbine.In a further preferred embodiment of the invention, the fuel cell system has a shutoff shut-off valve which is arranged in the exhaust air path between the fuel cell and the turbine, and a connecting line which can be shut off via a connecting line shutoff valve and which between the shutdown shutoff valve and the turbine connects the exhaust air path with the supply air path between the supply air path shutoff valve and Fuel cell connects, wherein the supply line between the shut-off valve and fuel cell is connected to the exhaust air path. A shutoff shut-off valve in the sense of the invention is a valve which blocks a connection between the supply line and the connecting line during a shutdown process in the exhaust air path. The shut-off shut-off valve does not have to be designed as a separate valve. The same function can also be performed by an already existing valve, which is arranged in the exhaust air path between the supply line and the connecting line. The advantage of these features is that oxygen depletion can only be achieved by providing lines and valves. The fuel cell and the components arranged in the supply air path and the components such as water separator and humidification device can also be operated in the normal direction. In addition to operating during a shutdown of the fuel cell system, the feed line can also be used for normal operation as a bypass for the turbine.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind das Abschaltabsperrventil und das Zuführleitungs-Absperrventil als ein Zuführleitungsabschalt-Mehrwegeventil ausgeführt. Dadurch können Ventile eingespart und die Bauteile reduziert werden. Zudem wird eine Ansteuerung vereinfacht, da lediglich ein einziges Ventil angesteuert werden muss.In an advantageous embodiment of the invention, the shut-off shut-off valve and the feed line shut-off valve are designed as a feed line shut-off multi-way valve. This saves valves and reduces the number of components. In addition, control is simplified since only a single valve has to be controlled.

Vorzugsweise sind das Verbindungsleitungsabsperrventil und das Zuluftpfad-Absperrventil als Verbindungsleitungzuluftpfad-Mehrwegeventil ausgeführt. Über das Verbindungsleitungzuluftpfad-Mehrwegeventil kann das Zuluftpfad-Absperrventil gleichzeitig geschlossen werden, während das Verbindungsleitungsabsperrventil geöffnet wird.The connecting line shut-off valve and the supply air path shut-off valve are preferably designed as connecting line supply air path multi-way valves. Via the connecting line supply air path multi-way valve, the supply air path shutoff valve can be closed at the same time while the connecting line shutoff valve is opened.

Vorteilhafterweise ist die Verbindungsleitung ein absperrbarer Bypass und das Verbindungsleitungsabsperrventil ein Bypassventil des Brennstoffzellensystems. Es ist dadurch keine weitere Leitung zum Bereitstellen einer Verbindungsleitung notwendig. Der Bypass kann dadurch für verschiedene Funktionen genutzt werden. Dadurch kann die Zuführleitung abgesehen für einen Betrieb während eines Abschaltens des Brennstoffzellensystems auch für den Normalbetrieb eingesetzt werden als ein Bypass für die Turbine. Dadurch ist das Brennstoffzellensystem wirtschaftlicher herstellbar.The connecting line is advantageously a lockable bypass and the connecting line shutoff valve is a bypass valve of the fuel cell system. As a result, no further line is required to provide a connecting line. The bypass can thus be used for various functions. As a result, the supply line can also be used for normal operation as a bypass for the turbine, apart from for operation during a shutdown of the fuel cell system. This makes the fuel cell system more economical to manufacture.

Vorzugsweise weist das Brennstoffzellensystem einen über ein Bypassventil absperrbaren Bypass auf, welcher den Zuluftpfad zwischen Zuluft-Absperrventil und Brennstoffzelle und den Abluftpfad zwischen Turbine und Brennstoffzelle verbindet. Durch einen solchen Bypass kann wenigstens ein Teil des Luftmassenstrom an der Brennstoffzelle vorbeigeleitet werden, so dass ein pumpen des Verdichters vermieden werden kann.The fuel cell system preferably has a bypass which can be shut off by a bypass valve and which connects the supply air path between the supply air shutoff valve and the fuel cell and the exhaust air path between the turbine and the fuel cell. Such a bypass can bypass at least part of the air mass flow past the fuel cell, so that pumping of the compressor can be avoided.

In einer vorteilhaften Weiterbildung sind das Abluftpfad-Absperrventil und das Zuführleitungs-Absperrventil als Abluftpfadzuführleitungs-Mehrwegeventil kombiniert ausgebildet. Die Funktionen der beider Ventil können dadurch in einem Ventil zusammengefasst werden. Dadurch kann die Anzahl an benötigten Ventilen reduziert werden.In an advantageous further development, the exhaust air path shut-off valve and the supply line shut-off valve are combined as an exhaust air path supply line multi-way valve. The functions of the two valves can thus be combined in one valve. This can reduce the number of valves required.

In dem Abluftpfad ist vorzugsweise zwischen Brennstoffzelle und Bypass ein Regelungsventil angeordnet, mit welchem ein Druck regelbar ist. Dieses Ventil kann nach dem Abschalten des Brennstoffzellensystems geschlossen werden, so dass die Gefahr eines Eindringens von Sauerstoff in die Brennstoffzelle zusätzlich minimiert wird. Dadurch wird eine Degradation der Brennstoffzelle zusätzlich reduziert.A regulating valve, with which a pressure can be regulated, is preferably arranged in the exhaust air path between the fuel cell and the bypass. This valve can be closed after switching off the fuel cell system, so the danger penetration of oxygen into the fuel cell is additionally minimized. This further reduces degradation of the fuel cell.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist im Zuluftpfad in Strömungsrichtung nach dem Verbindungspfad ein Zuluftpfad-Stillstandabsperrventil angeordnet. Dieses Ventil kann nach dem Abschalten des Brennstoffzellensystems geschlossen werden, so dass die Gefahr eines Eindringens von Sauerstoff in die Brennstoffzelle zusätzlich minimiert wird. Dadurch wird eine Degradation der Brennstoffzelle zusätzlich reduziert. Alternativ oder zusätzlich ist in Strömungsrichtung unmittelbar nach der Brennstoffzelle ein Abluftpfad-Stillstandabsperrventil, mit welchem zusätzlich die Gefahr eines Eindringens von Sauerstoff in die Brennstoffzelle minimiert werden kann.In a preferred embodiment, a supply air path shut-off valve is arranged in the supply air path in the flow direction after the connection path. This valve can be closed after the fuel cell system has been switched off, so that the risk of oxygen penetration into the fuel cell is additionally minimized. This further reduces degradation of the fuel cell. As an alternative or in addition, there is an exhaust air path shut-off valve in the direction of flow immediately after the fuel cell, with which the risk of oxygen penetration into the fuel cell can additionally be minimized.

In einer weiteren vorteilhaften Ausbildung der Erfindung weist das Brennstoffzellensystem einen über ein Verdichterbypass-Absperrventil absperrbaren Verdichterbypass auf, welcher zwischen Verdichter und Zuluftpfad-Absperrventil und in Strömungsrichtung vor dem Verdichter mit dem Zuluftpfad verbunden ist. Dadurch kann der Verdichter drucklos betrieben werden, so dass eine Pumpgefahr des Verdichters vermieden wird.In a further advantageous embodiment of the invention, the fuel cell system has a compressor bypass, which can be shut off via a compressor bypass shut-off valve, which is connected between the compressor and the supply air path shut-off valve and in the flow direction upstream of the compressor with the supply air path. As a result, the compressor can be operated without pressure, so that a risk of the compressor pumping is avoided.

Die Erfindung umfasst zusätzlich ein Verfahren zum Abschalten eines Brennstoffzellensystems, insbesondere des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems. Das Verfahren umfasst dabei die Schritte des Schließens eines Zuluftpfad-Absperrventils, so dass eine Luftzufuhr aus der Umgebung gestoppt wird, des Schließens eines Abluftpfad-Absperrventils, so dass eine Abgabe der Abluft an die Umgebung gestoppt wird, des Betreibens einer Turbine im Abluftpfad in umgekehrter Richtung, und des Öffnens wenigstens eines Zuführpfades, so dass eine Abluft der Brennstoffzelle während des Abschaltens zwischen Abluftpfad-Absperrventil und Turbine eingeleitet wird und Abstellen der Turbine, wenn der Sauerstoff in einem durch das Zuluftpfad-Absperrventil und das Abluftpfad-Absperrventil gebildeten Volumen verbraucht ist.The invention additionally comprises a method for switching off a fuel cell system, in particular the fuel cell system according to the invention. The method comprises the steps of closing an inlet air path shutoff valve so that an air supply from the surroundings is stopped, closing an exhaust air path shutoff valve so that a discharge of the exhaust air to the surroundings is stopped, and operating a turbine in the exhaust air path in reverse Direction, and the opening of at least one supply path so that an exhaust air of the fuel cell is introduced during the shutdown between the exhaust air path shut-off valve and the turbine and shutdown of the turbine when the oxygen in a volume formed by the supply air path shut-off valve and the exhaust air path shut-off valve is consumed ,

Der Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt darin, dass eine Degradation beim Abschaltvorgang vermieden bzw. vermindert wird. Dadurch kann die Lebensdauer der Brennstoffzelle verlängert werden.The advantage of the method according to the invention is that degradation during the shutdown process is avoided or reduced. This can extend the life of the fuel cell.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Abschalten des Brennstoffzellensystems werden zudem die zum Brennstoffzellensystem genannten Vorteile erzielt.With the method according to the invention for switching off the fuel cell system, the advantages mentioned for the fuel cell system are also achieved.

In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird die Abluft der Brennstoffzelle während des Abschaltens dem Zuluftpfad entnommen. Dadurch wird das Brennstoffzellensystem entsprechend der Drehrichtung der Turbine in umgekehrter Richtung betrieben, so dass eine maximale Anzahl an Komponenten weiterverwendet werden kann.In a preferred embodiment of the invention, the exhaust air from the fuel cell is removed from the supply air path during the shutdown. As a result, the fuel cell system is operated in the opposite direction according to the direction of rotation of the turbine, so that a maximum number of components can continue to be used.

In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird die Abluft der Brennstoffzelle während des Abschaltens dem Abluftpfad entnommen. Dadurch kann die Brennstoffzelle in der üblichen Weise betrieben werden.In a further preferred embodiment of the invention, the exhaust air from the fuel cell is removed from the exhaust air path during the shutdown. As a result, the fuel cell can be operated in the usual way.

Vorzugsweise wird ein Verdichterbypass beim Abschalten des Brennstoffzellensystems geöffnet. Dadurch kann der Verdichter drucklos betrieben werden, so dass eine Pumpgefahr des Verdichters vermieden wird.A compressor bypass is preferably opened when the fuel cell system is switched off. As a result, the compressor can be operated without pressure, so that a risk of the compressor pumping is avoided.

Die Erfindung umfasst zusätzlich ein Kraftfahrzeug mit dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem. Das Kraftfahrzeug weist dabei die gleichen zu dem Brennstoffzellensystem genannten Vorteile auf.The invention additionally comprises a motor vehicle with the fuel cell system according to the invention. The motor vehicle has the same advantages as the fuel cell system.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt:

  • 1 Blockschaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems,
  • 2 Blockschaltbild eines zweiten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems,
  • 3 Blockschaltbild eines dritten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems, und
  • 4 Blockschaltbild eines vierten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems.
Embodiments of the invention are shown in the drawing and explained in more detail in the following description. It shows:
  • 1 Block diagram of a first embodiment of a fuel cell system according to the invention,
  • 2 Block diagram of a second embodiment of a fuel cell system according to the invention,
  • 3 Block diagram of a third embodiment of a fuel cell system according to the invention, and
  • 4 Block diagram of a fourth embodiment of a fuel cell system according to the invention.

In 1 ist ein Blockschaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems 10 gezeigt. Das Brennstoffzellensystem 10 umfasst eine Brennstoffzelle 14, welcher Luft über einen Zuluftpfad 18 zuführbar ist. Die Luft, welche aus einer Umgebung 22 des Brennstoffzellensystems 10 entnommen ist, wird über einen Luftfilter 26 gereinigt und mittels eines über einen elektrischen Motor M angetriebenen Verdichter 30 komprimiert. Durch die Komprimierung der Luft erhöht sich die Temperatur und der Druck der Luft hinter dem Verdichter 30. Dem Verdichter 30 nachgeschaltet ist im Zuluftpfad 18 ein Zwischenkühler 34 angeordnet, welcher die Temperatur der Luft im Zuluftpfad 18 auf einen für die Brennstoffzelle 14 notwendigen Temperaturbereich bringt. In Strömungsrichtung nach dem Zwischenkühler 34 ist ein Zuluftpfad-Absperrventil 38 angeordnet.In 1 is a block diagram of a first embodiment of a fuel cell system according to the invention 10 shown. The fuel cell system 10 includes a fuel cell 14 what air through a supply air path 18 is feedable. The air coming from an environment 22 of the fuel cell system 10 is removed is through an air filter 26 cleaned and by means of an electric motor M driven compressor 30 compressed. Compressing the air increases the temperature and pressure of the air behind the compressor 30 , The compressor 30 is connected in the supply air path 18 an intercooler 34 arranged, which is the temperature of the air in the supply air path 18 on one for the fuel cell 14 necessary temperature range brings. In the flow direction after the intercooler 34 is a supply air path shut-off valve 38 arranged.

Die den Zwischenkühler 34 verlassende Luft wird bevor sie einem Kathodenpfad der Brennstoffzelle 14 zugeführt wird über eine Befeuchtungseinrichtung 42 befeuchtet. Die Brennstoffzelle 14 ist mit einem Abluftpfad 46 verbunden, über den Abluft der Brennstoffzelle 14 an die Umgebung 22 abführbar ist. Die die Brennstoffzelle 14 verlassende Abluft wird in einem ersten Schritt über die Befeuchtungseinrichtung 42 entfeuchtet. Der Befeuchtungseinrichtung 42 nachgeschaltet ist ein Regelungsventil 48, mit welchem ein Druck der Abluft bzw. in der Brennstoffzelle 14 regelbar ist. The the intercooler 34 leaving air before it enters a cathode path of the fuel cell 14 is supplied via a humidifier 42 moistened. The fuel cell 14 is with an exhaust air path 46 connected, via the exhaust air of the fuel cell 14 to the environment 22 is dissipatable. The the fuel cell 14 Exhaust air is in a first step via the humidifier 42 dehumidified. The humidifier 42 a control valve is connected downstream 48 , with which a pressure of the exhaust air or in the fuel cell 14 is adjustable.

Zwischen Zuluftpfad 18 und Abluftpfad 46 ist ein über ein Bypassventil 50 regelbarer Bypass 54 angeordnet. Über den Bypass 54 ist Luft in Strömungsrichtung unmittelbar hinter dem Zwischenkühler 34 und hinter dem Zuluftpfad-Absperrventil 38 in Strömungsrichtung unmittelbar nach dem Regelungsventil 48 direkt in den Abluftpfad 46 einleitbar. In Strömungsrichtung nach einer Einleitstelle 56 des Bypasses 54 in den Abluftpfad 46, ist ein Wasserabscheider 58 angeordnet, welcher zusätzlich Wasser aus der Abluft abtrennt. Die den Wasserabscheider 58 verlassende Abluft wird einer dem Wasserabscheider 58 nachgeordneten Turbine 62 zugeführt, über welche ein Teil der Energie in der Abluft zum Antreiben des Verdichters 30 zurückgewonnen werden kann. Bevor die Abluft an die Umgebung 22 abgegeben wird ist in dem Abluftpfad 46 ein Abluftpfad-Absperrventil 66 angeordnet.Between the supply air path 18 and exhaust air path 46 is a bypass valve 50 adjustable bypass 54 arranged. Via the bypass 54 is air in the direction of flow immediately behind the intercooler 34 and behind the supply air path shut-off valve 38 in the flow direction immediately after the control valve 48 directly into the exhaust air path 46 introduced. In the direction of flow after an inlet point 56 of the bypass 54 in the exhaust air path 46 , is a water separator 58 arranged, which also separates water from the exhaust air. The water separator 58 Exhaust air leaves one of the water separators 58 downstream turbine 62 supplied, via which a part of the energy in the exhaust air for driving the compressor 30 can be recovered. Before the exhaust air to the environment 22 is released is in the exhaust air path 46 an exhaust air path shut-off valve 66 arranged.

Das Brennstoffzellensystem 10 weist zusätzlich einen eine Zuführleitung 70 umfassenden Zuführpfad 74 auf, über welchen der Turbine 62 eine Abluft der Brennstoffzelle 14 während des Abschaltens zuführbar ist. In dem ersten Ausführungsbeispiel ist die Zuführleitung 70 mit dem Abluftpfad 46 zwischen Abluftpfad-Absperrventil 66 und Turbine 62, und zwischen Befeuchtungseinrichtung 42 und Regelungsventil 48 verbunden. In der Zuführleitung 70 ist ein Zuführleitungs-Absperrventil 78 angeordnet, über welches die Zuführleitung 70 absperrbar ist.The fuel cell system 10 additionally has a feed line 70 comprehensive feed path 74 on which of the turbine 62 an exhaust air from the fuel cell 14 can be fed during the shutdown. In the first embodiment, the feed line is 70 with the exhaust air path 46 between exhaust air path shut-off valve 66 and turbine 62 , and between the humidifier 42 and control valve 48 connected. In the feed line 70 is a supply line shut-off valve 78 arranged, via which the feed line 70 is lockable.

Während des normalen Betriebes des Brennstoffzellensystems 10 nach dem ersten Ausführungsbeispiel sind das Zuluftpfad-Absperrventil 38 und das Abluftpfad-Absperrventil 66 geöffnet, währenddessen das Zuführleitungs-Absperrventil 78 geschlossen ist. Das Regelungsventil 48 und das Bypassventil 50 werden geregelt betrieben.During normal operation of the fuel cell system 10 according to the first embodiment, the supply air path shut-off valve 38 and the exhaust path shutoff valve 66 open while the supply line shut-off valve 78 closed is. The control valve 48 and the bypass valve 50 are operated in a regulated manner.

Beim Abschalten des Brennstoffzellensystem 10 werden das Zuluftpfad-Absperrventil 38 und das Abluftpfad-Absperrventil 66 geschlossen. Dadurch kann der in dem geschlossenen Volumen enthaltene Sauerstoff durch Umwälzung der Luft mittels der Turbine 62, verbraucht werden. Zusätzlich wird während des Abschaltens auch das Regelungsventil 48 geschlossen wohingegen das Zuführleitungs-Absperrventil 78 sowie das Bypass-Ventil 50 geöffnet werden. Während des Abschaltens wird zusätzlich die Turbine 62 über den Motor M in umgekehrter Richtung angetrieben. Dadurch übernimmt die Turbine 62 die Funktion eines Gebläses. Die die Turbine 62 verlassende Luft wird dadurch über einen Teil des Abluftpfades 46, ein den Abluftpfad 46 mit dem Zuluftpfad 18 verbindende Verbindungsleitung 82 und einem Teil des Zuluftpfades 18 der Brennstoffzelle 14 zugeleitet.When switching off the fuel cell system 10 become the supply air path shut-off valve 38 and the exhaust path shutoff valve 66 closed. This allows the oxygen contained in the closed volume by circulating the air by means of the turbine 62 , are consumed. In addition, the control valve also turns off during the shutdown 48 closed while the supply line shut-off valve 78 as well as the bypass valve 50 be opened. The turbine is also activated during the shutdown 62 driven in the opposite direction by the motor M. The turbine takes over 62 the function of a blower. The the turbine 62 leaving air is thus part of the exhaust air path 46 , an the exhaust air path 46 with the supply air path 18 connecting connecting line 82 and part of the supply air path 18 the fuel cell 14 fed.

In dem ersten Ausführungsbeispiel wird die Verbindungsleitung 82 durch den Bypass 54 gebildet. Ein die Verbindungsleitung 82 absperrendes Verbindungsleitungsabsperrventil 86 wird dementsprechend durch das Bypassventil 50 gebildet. Die die Brennstoffzelle 14 verlassende Abluft wird über einen Teil des Abluftpfades 46 und die Zuführleitung 70 der Turbine 62 zugeführt. Um zu vermeiden, dass die die Turbine 62 verlassende Luft in die Zuführleitung 70 eingeleitet wird, wird ein zwischen Verbindungsleitung 82 und Zuführleitung 70 angeordnetes Abschaltabsperrventil 90 geschlossen, welches im ersten Ausführungsbeispiel durch das Regelungsventil 48 gebildet ist.In the first embodiment, the connecting line 82 through the bypass 54 educated. On the connecting line 82 shut-off connecting line shut-off valve 86 is accordingly through the bypass valve 50 educated. The the fuel cell 14 Exhaust air leaving is part of the exhaust air path 46 and the feed line 70 the turbine 62 fed. To avoid the the turbine 62 leaving air in the supply line 70 is initiated, a between connecting line 82 and feed line 70 arranged shut-off valve 90 closed, which in the first embodiment by the control valve 48 is formed.

Nach einem Abschalten des Brennstoffzellensystems 10, nachdem der restliche Sauerstoff verbraucht ist, werden zusätzlich zu dem geschlossenen Zuluftpfad-Absperrventil 38 und dem geschlossenen Abluftpfad-Absperrventil 66, das Bypassventil 50 und das Zuführleitungs-Absperrventil 78 geschlossen. Dadurch wird zusätzlich ein Eindringen von Umgebungsluft in das abgeschlossene Volumen verhindert.After switching off the fuel cell system 10 After the remaining oxygen is consumed, the supply air path shut-off valve is closed 38 and the closed exhaust path shutoff valve 66 , the bypass valve 50 and the supply line shutoff valve 78 closed. This also prevents ambient air from entering the closed volume.

In einem weiteren nicht gezeigten Ausführungsbeispiel können das Zuführleitungs-Absperrventil 78 und das Abluftpfad-Absperrventil 66 als Abluftpfadzuführleitungs-Mehrwegeventil kombiniert ausgebildet sein. Auch kann im Zuluftpfad 18 in Strömungsrichtung unmittelbar vor der Brennstoffzelle 14 ein Zuluftpfad-Stillstandabsperrventil angeordnet sein, welches nach einem Abschalten des Brennstoffzellensystems 10 geschlossen wird. Zusätzlich oder alternativ kann im Abluftpfad 46 in Strömungsrichtung unmittelbar nach der Brennstoffzelle 14 ein Abluftpfad-Stillstandabsperrventil angeordnet sein, welches nach einem Abschalten des Brennstoffzellensystems 10 geschlossen wird.In a further embodiment, not shown, the supply line shut-off valve 78 and the exhaust path shutoff valve 66 be combined as an exhaust air path supply line multi-way valve. Also in the supply air path 18 in the direction of flow immediately before the fuel cell 14 a supply air path shut-off valve can be arranged, which after switching off the fuel cell system 10 is closed. Additionally or alternatively, can be in the exhaust air path 46 in the direction of flow immediately after the fuel cell 14 an exhaust air path shut-off valve can be arranged, which after switching off the fuel cell system 10 is closed.

In 2 ist ein Blockschaltbild eines zweiten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems 10 gezeigt. Dieses Brennstoffzellensystem 10 unterscheidet sich insbesondere dadurch von dem ersten Ausführungsbeispiel in 1, dass die Zuführleitung 70 zwischen dem Wasserabscheider 58 und dem Abschaltabsperrventil 90 mit dem Abluftpfad 46 verbunden ist. Zusätzlich ist eine separate Verbindungsleitung 82 vorgesehen. Die Verbindungsleitung 82 ist über das Verbindungsleitungsabsperrventil 86 absperrbar. Die Verbindungsleitung 82 verbindet dabei den Abluftpfad 46 zwischen Turbine 62 und Abschaltabsperrventil 90 und den Zuluftpfad 18 zwischen Zuluftpfad-Absperrventil 38 und einer Einleitstelle 110 des Bypasses 54 in den Zuluftpfad 18 fluidisch miteinander.In 2 is a block diagram of a second embodiment of the fuel cell system according to the invention 10 shown. This fuel cell system 10 differs in particular from the first exemplary embodiment in FIG 1 that the feed line 70 between the water separator 58 and the shut-off shut-off valve 90 with the exhaust air path 46 connected is. There is also a separate connection line 82 intended. The connecting line 82 is via the connecting line shut-off valve 86 shut off. The connecting line 82 connects the exhaust air path 46 between turbine 62 and shut-off shut-off valve 90 and the supply air path 18 between supply air path shut-off valve 38 and an introduction point 110 of the bypass 54 in the supply air path 18 fluidly with each other.

Das zweite Ausführungsbeispiel zeigt zusätzlich einen Befeuchtungseinrichtungsbypass 114, welcher im Zuluftpfad 18 angeordnet ist und mit welchem die Befeuchtungseinrichtung 42 umgangen werden kann. Dieser Befeuchtungseinrichtungsbypass 114 kann über ein Befeuchtungseinrichtungsbypass-Absperrventil 118 geöffnet oder verschlossen werden.The second embodiment also shows a humidifier bypass 114 which is in the supply air path 18 is arranged and with which the humidifier 42 can be avoided. This humidifier bypass 114 can via a humidifier bypass shutoff valve 118 be opened or closed.

Im Gegensatz zu dem ersten Ausführungsbeispiel ist das Zuluftpfad-Absperrventil 38 und das Verbindungsleitungsabsperrventil 86 als Verbindungsleitungzuluftpfad-Mehrwegeventil 122 ausgeführt. Ebenso ist das Abschaltabsperrventil 90 und das Zuführleitungs-Absperrventil 78 als ein Zuführleitungsabschalt-Mehrwegeventil 126 ausgebildet.In contrast to the first exemplary embodiment, the supply air path shut-off valve is 38 and the connection line shut-off valve 86 as connecting line supply air path multi-way valve 122 executed. The shut-off shut-off valve is also 90 and the supply line shutoff valve 78 as a multi-way supply line shutoff valve 126 educated.

Während des Abschaltens des Brennstoffzellensystems 10 nach dem zweiten Ausführungsbeispiel bleibt das Regelungsventil 48 geöffnet. Das Verbindungsleitungzuluftpfad-Mehrwegeventil 122 und das Zuführleitungsabschalt-Mehrwegeventil 126 wird entsprechend dem ersten Ausführungsbeispiel geschaltet. Das Bypass-Ventil 50 ist beim Abschalten des Brennstoffzellensystems 10 geschlossen.During the shutdown of the fuel cell system 10 according to the second embodiment, the control valve remains 48 open. The connecting line supply air path multi-way valve 122 and the supply line shutoff multi-way valve 126 is switched according to the first embodiment. The bypass valve 50 is when the fuel cell system is switched off 10 closed.

Nach einem Abschalten des Brennstoffzellensystems 10, nachdem der restliche Sauerstoff verbraucht ist, wird zusätzlich das Regelungsventil 48 geschlossen. Optional kann auch zusätzlich das Zuführleitungsabschalt-Mehrwegeventil 126 vollständig geschlossen sein.After switching off the fuel cell system 10 After the remaining oxygen has been used up, the control valve is also activated 48 closed. Optionally, the supply line shut-off multi-way valve can also be used 126 be completely closed.

In 3 ist ein Blockschaltbild eines dritten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems 10 gezeigt. Dieses Brennstoffzellensystem 10 unterscheidet sich insbesondere dadurch von dem ersten Ausführungsbeispiel in 1, dass die Zuführleitung 70 zwischen Zuluft-Absperrventil 38 und Brennstoffzelle 14 mit dem Zuluftpfad 18 verbunden ist. Im Gegensatz zu dem ersten und dem zweiten Ausführungsbeispiel kann dadurch auf eine Verbindungsleitung 82 beziehungsweise einen Bypass 54 verzichtet werden.In 3 is a block diagram of a third embodiment of the fuel cell system according to the invention 10 shown. This fuel cell system 10 differs in particular from the first exemplary embodiment in FIG 1 that the feed line 70 between supply air shut-off valve 38 and fuel cell 14 with the supply air path 18 connected is. In contrast to the first and the second exemplary embodiment, this can result in a connecting line 82 or a bypass 54 to be dispensed with.

Beim Abschalten des Brennstoffzellensystem 10 nach dem dritten Ausführungsbeispiel werden zusätzlich zu den Zuluftpfad-Absperrventil 38 und dem Abluftpfad-Absperrventil 66 noch das Bypassventil 50 geschlossen. Entsprechend dem zweiten Ausführungsbeispiel wird das Regelungsventil 48 und das Zuführleitungs-Absperrventil 78 geöffnet. Die der Turbine 62 über die Zuführleitung 70 zugeführte Abluft der Brennstoffzelle 14 wird anschließend der Brennstoffzelle 14 über den Abluftpfad 46 zugeführt. Dementsprechend wird die Brennstoffzelle 14 in umgekehrter Richtung betrieben. Die Abluft der Brennstoffzelle 14 wird über einen Teil des Zuluftpfades 18 und der Zuführleitung 70 zur Turbine 62 zurückgeführt.When switching off the fuel cell system 10 According to the third embodiment, in addition to the supply air path shut-off valve 38 and the exhaust path shutoff valve 66 still the bypass valve 50 closed. According to the second embodiment, the control valve 48 and the supply line shutoff valve 78 open. That of the turbine 62 via the feed line 70 exhaust air supplied to the fuel cell 14 then becomes the fuel cell 14 via the exhaust air path 46 fed. Accordingly, the fuel cell 14 operated in the opposite direction. The exhaust air from the fuel cell 14 is part of the supply air path 18 and the feed line 70 to the turbine 62 recycled.

Nach dem Abschalten des Brennstoffzellensystems 10 werden alle offenen Ventile 48, 78 geschlossen.After switching off the fuel cell system 10 are all open valves 48 . 78 closed.

In einer weiteren nicht gezeigten Ausführungsform des dritten Ausführungsbeispiels kann das Zuführleitungs-Absperrventil 78 und das Zuluftpfad-Absperrventil 38 als Zuführleitungszuluftpfad-Mehrwegeventil ausgeführt sein.In a further embodiment of the third exemplary embodiment, not shown, the feed line shut-off valve can 78 and the supply air path shutoff valve 38 be designed as a supply line supply air path multi-way valve.

4 zeigt ein Blockschaltbild eines vierten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems 10. Diese Figur zeigt beispielhaft eine Ausbildung eines Verdichterbypasses 130 anhand des in 1 gezeigten ersten Ausführungsbeispiels. Dieser Verdichterbypass 130 ist jedoch bei jedem Ausführungsbeispiel einsetzbar. Der Verdichterbypass 130 ist in Strömungsrichtung vor und hinter dem Verdichter 30 mit dem Zuluftpad 18 verbunden. In dem Verdichterbypass 130 ist ein Verdichterbypass-Absperrventil 134 angeordnet, über welches der Verdichterbypass 130 absperrbar ist. Dieses Verdichterbypass-Absperrventil 134 ist während eines Normalbetriebs geschlossen. Beim Abschalten des Brennstoffzellensystem 10 wird das Verdichterbypass-Absperrventil 134 geöffnet, so dass der Verdichter 30 drucklos mitlaufen kann. 4 shows a block diagram of a fourth embodiment of a fuel cell system according to the invention 10 , This figure shows an example of a compressor bypass design 130 based on the in 1 shown first embodiment. This compressor bypass 130 can be used in any embodiment. The compressor bypass 130 is upstream and downstream of the compressor 30 with the supply air pad 18 connected. In the compressor bypass 130 is a compressor bypass shut-off valve 134 arranged, via which the compressor bypass 130 is lockable. This compressor bypass shut-off valve 134 is closed during normal operation. When switching off the fuel cell system 10 becomes the compressor bypass shut-off valve 134 opened so the compressor 30 can run without pressure.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.This list of documents listed by the applicant has been generated automatically and is only included for the better information of the reader. The list is not part of the German patent or utility model application. The DPMA assumes no liability for any errors or omissions.

Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

  • WO 2016/087086 A1 [0003]WO 2016/087086 A1 [0003]

Claims (15)

Brennstoffzellensystem (10) umfassend: - wenigstens eine Brennstoffzelle (14), - einen Zuluftpfad (18), mit welchem einem Kathodenpfad der Brennstoffzelle (14) Luft zuführbar ist, - einen Abluftpfad (46), mit welchem Abluft der Brennstoffzelle (14) abführbar ist, - wenigstens ein Verdichter (30), mittels welchem dem Brennstoffzellensystem (10) Umgebungsluft zuführbar ist, wobei mittels wenigstens einem der Verdichter (30) Umgebungsluft der Brennstoffzelle (14) zuführbar ist, - wenigstens eine Turbine (62), welche in dem Abluftpfad (46) angeordnet und welche in einer umgekehrten Richtung betreibbar ist, - ein Zuluftpfad-Absperrventil (38), mit welchem der Zuluftpfad (18) in Strömungsrichtung nach dem Verdichter (30) absperrbar ist, - ein Abluftpfad-Absperrventil (66), mit welchem der Abluftpfad (46) in Strömungsrichtung nach der Turbine (62) absperrbar ist, - ein Zuführpfad (74), über welchen der Turbine (62) eine Abluft der Brennstoffzelle (14) während des Abschaltens zuführbar ist, wobei der Zuführpfad (74) eine Zuführleitung (70) aufweist die mit dem Abluftpfad (46) zwischen Abluftpfad-Absperrventil (66) und Turbine (62) verbunden ist, und - ein Zuführleitungs-Absperrventil (78), über welches die Zuführleitung (70) absperrbar ist.Fuel cell system (10) comprising: - at least one fuel cell (14), a supply air path (18) with which air can be supplied to a cathode path of the fuel cell (14), an exhaust air path (46) with which exhaust air from the fuel cell (14) can be removed, at least one compressor (30), by means of which ambient air can be supplied to the fuel cell system (10), ambient air being able to be supplied to the fuel cell (14) by means of at least one of the compressors (30), - at least one turbine (62) which is arranged in the exhaust air path (46) and which can be operated in a reverse direction, a supply air path shut-off valve (38) with which the supply air path (18) can be shut off downstream of the compressor (30), an exhaust air path shut-off valve (66) with which the exhaust air path (46) can be shut off in the flow direction after the turbine (62), - A feed path (74), via which the turbine (62) an exhaust air of the fuel cell (14) can be fed during the shutdown, the feed path (74) having a feed line (70) with the exhaust air path (46) between the exhaust air path shut-off valve (66) and turbine (62) is connected, and - A feed line shut-off valve (78), via which the feed line (70) can be shut off. Brennstoffzellensystem (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuführleitung (70) zwischen Zuluft-Absperrventil (38) und Brennstoffzelle (14) mit dem Zuluftpfad (18) verbunden ist.Fuel cell system (10) after Claim 1 , characterized in that the supply line (70) between the supply air shut-off valve (38) and the fuel cell (14) is connected to the supply air path (18). Brennstoffzellensystem (10) nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein Abschaltabsperrventil (90), welches in dem Abluftpfad (46) zwischen Brennstoffzelle (14) und Turbine (62) angeordnet ist, und eine über ein Verbindungsleitungsabsperrventil (86) absperrbare Verbindungsleitung (82), welche zwischen dem Abschaltabsperrventil (90) und der Turbine (62) den Abluftpfad (46) mit dem Zuluftpfad (18) zwischen Zuluftpfad-Absperrventil (38) und Brennstoffzelle (14) verbindet, wobei die Zuführleitung (70) zwischen dem Abschaltabsperrventil (90) und Brennstoffzelle (14) mit dem Abluftpfad (46) verbunden ist.Fuel cell system (10) after Claim 1 , characterized by a shut-off shut-off valve (90) which is arranged in the exhaust air path (46) between the fuel cell (14) and the turbine (62), and a connecting line (82) which can be shut off via a connecting line shut-off valve (86) and which is connected between the shut-off shut-off valve (90) and the turbine (62) connects the exhaust air path (46) to the supply air path (18) between the supply air path shutoff valve (38) and the fuel cell (14), the supply line (70) between the shutoff shutoff valve (90) and fuel cell (14) to the Exhaust air path (46) is connected. Brennstoffzellensystem (10) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Abschaltabsperrventil (90) und das Zuführleitungs-Absperrventil (78) als ein Zuführleitungsabschalt-Mehrwegeventil (126) ausgeführt sind.Fuel cell system (10) after Claim 3 , characterized in that the shut-off shut-off valve (90) and the feed line shut-off valve (78) are designed as a feed line shut-off multi-way valve (126). Brennstoffzellensystem (10) nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungsleitungsabsperrventil (86) und das Zuluftpfad-Absperrventil (38) als Verbindungsleitungzuluftpfad-Mehrwegeventil (122) ausgeführt sind.Fuel cell system (10) after Claim 3 or 4 , characterized in that the connecting line shut-off valve (86) and the supply air path shut-off valve (38) are designed as connecting line supply air path multi-way valve (122). Brennstoffzellensystem (10) nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsleitung (82) ein absperrbarer Bypass (54) und das Verbindungsleitungsabsperrventil (86) ein Bypassventil (50) des Brennstoffzellensystems (10) ist.Fuel cell system (10) according to one of the Claims 3 to 5 , characterized in that the connecting line (82) is a lockable bypass (54) and the connecting line shutoff valve (86) is a bypass valve (50) of the fuel cell system (10). Brennstoffzellensystem (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch einen über ein Bypassventil (50) absperrbaren Bypass (54), welcher den Zuluftpfad (18) zwischen Zuluft-Absperrventil (38) und Brennstoffzelle (14) und den Abluftpfad (46) zwischen Turbine (62) und Brennstoffzelle (14) verbindet.Fuel cell system (10) according to one of the Claims 1 to 5 , characterized by a bypass (54) which can be shut off via a bypass valve (50) and which connects the supply air path (18) between the supply air shutoff valve (38) and the fuel cell (14) and the exhaust air path (46) between the turbine (62) and the fuel cell (14) combines. Brennstoffzellensystem (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Abluftpfad-Absperrventil (66) und das Zuführleitungs-Absperrventil (78) als Abluftpfadzuführleitungs-Mehrwegeventil kombiniert ausgebildet sind.Fuel cell system (10) according to one of the preceding claims, characterized in that the exhaust air path shut-off valve (66) and the supply line shut-off valve (78) are designed in combination as an exhaust air path supply line multi-way valve. Brennstoffzellensystem (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Abluftpfad (46) zwischen Brennstoffzelle (14) und Bypass (54) ein Regelungsventil (48) angeordnet ist, mit welchem ein Druck regelbar ist.Fuel cell system (10) according to one of the preceding claims, characterized in that a control valve (48) is arranged in the exhaust air path (46) between the fuel cell (14) and the bypass (54), with which a pressure can be regulated. Brennstoffzellensystem (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, gekennzeichnet durch einen über ein Verdichterbypass-Absperrventil (134) absperrbaren Verdichterbypass (130), welcher zwischen Verdichter (30) und Zuluftpfad-Absperrventil (38) und in Strömungsrichtung vor dem Verdichter (30) mit dem Zuluftpfad (18) verbunden ist.Fuel cell system (10) according to one of the preceding claims, characterized by a compressor bypass (130) which can be shut off via a compressor bypass shut-off valve (134) and which is located between the compressor (30) and supply air path shut-off valve (38) and in the flow direction upstream of the compressor (30) the supply air path (18) is connected. Verfahren zum Abschalten eines Brennstoffzellensystems (10), insbesondere des Brennstoffzellensystems (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Verfahren die Schritte umfasst: - Schließen eines Zuluftpfad-Absperrventils (38), so dass eine Luftzufuhr aus der Umgebung (22) gestoppt wird, - Schließen eines Abluftpfad-Absperrventils (66), so dass eine Abgabe der Abluft an die Umgebung (22) gestoppt wird, - Betreiben einer Turbine (62) im Abluftpfad in umgekehrter Richtung, und - Öffnen wenigstens eines Zuführpfades (74), so dass eine Abluft der Brennstoffzelle (14) während des Abschaltens zwischen Abluftpfad-Absperrventil (66) und Turbine (62) eingeleitet wird, und - Abstellen der Turbine (62), wenn der Sauerstoff in einem durch das Zuluftpfad-Absperrventil (38) und das Abluftpfad-Absperrventil (66) gebildeten Volumen verbraucht ist.Method for switching off a fuel cell system (10), in particular the fuel cell system (10) according to one of the preceding claims, the method comprising the steps: Closing a supply air path shutoff valve (38) so that an air supply from the environment (22) is stopped, Closing an exhaust air path shut-off valve (66), so that a discharge of the exhaust air to the environment (22) is stopped, - Operating a turbine (62) in the exhaust air path in the reverse direction, and Opening at least one supply path (74) so that an exhaust air of the fuel cell (14) is introduced between the exhaust air path shut-off valve (66) and the turbine (62) during the shutdown, and - Shutting down the turbine (62) when the oxygen in a volume formed by the supply air path shutoff valve (38) and the exhaust air path shutoff valve (66) is used. Verfahren zum Abschalten eines Brennstoffzellensystems (10) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Abluft der Brennstoffzelle (14) während des Abschaltens dem Zuluftpfad (18) entnommen wird.Method for switching off a fuel cell system (10) according to Claim 11 , characterized in that the exhaust air of the fuel cell (14) is taken from the supply air path (18) during the shutdown. Verfahren zum Abschalten eines Brennstoffzellensystems (10) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Abluft der Brennstoffzelle (14) während des Abschaltens dem Abluftpfad (46) entnommen wird.Method for switching off a fuel cell system (10) according to Claim 11 , characterized in that the exhaust air of the fuel cell (14) is removed from the exhaust air path (46) during the shutdown. Verfahren zum Abschalten eines Brennstoffzellensystems (10) nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das ein Verdichterbypass (130) beim Abschalten des Brennstoffzellensystems (10) geöffnet wird.Method for switching off a fuel cell system (10) according to one of the Claims 11 to 13 , characterized in that the one compressor bypass (130) is opened when the fuel cell system (10) is switched off. Kraftfahrzeug mit einem Brennstoffzellensystem (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 10.Motor vehicle with a fuel cell system (10) according to one of the Claims 1 to 10 ,
DE102018213713.7A 2018-08-15 2018-08-15 Fuel cell system and method for switching off a fuel cell system Withdrawn DE102018213713A1 (en)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102018213713.7A DE102018213713A1 (en) 2018-08-15 2018-08-15 Fuel cell system and method for switching off a fuel cell system
PCT/EP2019/071411 WO2020035407A1 (en) 2018-08-15 2019-08-09 Fuel-cell system and method for shutting down a fuel-cell system

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102018213713.7A DE102018213713A1 (en) 2018-08-15 2018-08-15 Fuel cell system and method for switching off a fuel cell system

Publications (1)

Publication Number Publication Date
DE102018213713A1 true DE102018213713A1 (en) 2020-02-20

Family

ID=67659842

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE102018213713.7A Withdrawn DE102018213713A1 (en) 2018-08-15 2018-08-15 Fuel cell system and method for switching off a fuel cell system

Country Status (2)

Country Link
DE (1) DE102018213713A1 (en)
WO (1) WO2020035407A1 (en)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2021165117A1 (en) * 2020-02-21 2021-08-26 Robert Bosch Gmbh Method for operating a fuel cell system, and fuel cell system
DE102021208587A1 (en) 2021-08-06 2023-02-09 Robert Bosch Gesellschaft mit beschränkter Haftung Fuel cell system and method for operating a fuel cell system
DE102022206676A1 (en) 2022-06-30 2024-01-04 Mahle International Gmbh Fuel cell system and operating procedures

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2855656B1 (en) * 2003-05-28 2005-07-15 Renault Sa POWER MODULE FOR A MOTOR VEHICLE COMPRISING A FUEL CELL AND METHOD OF FREEZING A COMBUSTIBLE CELL
DE102008005530A1 (en) * 2008-01-22 2009-07-23 Robert Bosch Gmbh Proton exchange membrane fuel cell system degradation reducing method for motor vehicle, involves performing step balancing by step short-circuiting of different electrodes to reduce potential difference during transitions
DE102014224574A1 (en) 2014-12-02 2016-06-02 Robert Bosch Gmbh Intrinsically safe bleed-down circuit and control strategy for fuel cell systems
DE102015203953A1 (en) * 2015-03-05 2016-09-08 Volkswagen Ag Fuel cell system with cathode gas recirculation line and method of operation and control unit for controlling a fuel cell system
DE102015209096A1 (en) * 2015-05-19 2016-11-24 Volkswagen Ag Method for start-stop control of a fuel cell stack and fuel cell system and vehicle

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2021165117A1 (en) * 2020-02-21 2021-08-26 Robert Bosch Gmbh Method for operating a fuel cell system, and fuel cell system
DE102021208587A1 (en) 2021-08-06 2023-02-09 Robert Bosch Gesellschaft mit beschränkter Haftung Fuel cell system and method for operating a fuel cell system
DE102022206676A1 (en) 2022-06-30 2024-01-04 Mahle International Gmbh Fuel cell system and operating procedures

Also Published As

Publication number Publication date
WO2020035407A1 (en) 2020-02-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
WO2016062506A1 (en) Fuel cell system and method for switching off a fuel cell stack
WO2020035407A1 (en) Fuel-cell system and method for shutting down a fuel-cell system
DE102006037799B4 (en) Apparatus for the recirculation of anode exhaust gases of a fuel cell
DE102010035727A1 (en) Charging device for fuel cell device of motor vehicle, has recirculation device arranged downstream to compressor and upstream to another compressor at inlet point and recirculating exhaust gas of fuel cell
EP2158629A1 (en) Device and method for providing a fuel cell with an oxidizing agent
DE102011087912A1 (en) Fuel cell system e.g. mobile fuel cell system, for use in commercial vehicle, has compression device for compressing cathode gas, provided in cathode gas guide, and selectively bypassed from cathode gas by bypass guide
DE102011109339A1 (en) Fuel cell device for passenger car, has fuel cell stack for generating electrical high-voltage and electrically operable auxiliary compressor supplied with oxidizing agent at low voltage by fuel cell stack
DE102012001602A1 (en) Anode circuit of fuel cell system mounted in vehicle, has recirculation conveying device for anode gas exhaust, which is provided in form of gas jet pump by which fuel flowing to fuel cell is driven as propellant gas stream
DE102015015005A1 (en) Method for purging a fuel cell system
DE102018213695A1 (en) Fuel cell system and method for switching off a fuel cell system
DE102018200681A1 (en) Fuel cell system with a compressor associated medium pressure extraction and use of such a fuel cell system
DE102011122306A1 (en) Fuel cell system i.e. proton exchange membrane fuel cell system, for vehicle, has bypass valve arranged in exhaust pipe after fuel cell for bypassing components, where valve acts immediately up on or integrated in cathode chamber
DE102015001352A1 (en) The fuel cell system
DE102014016961A1 (en) Method for producing an oxygen-depleted gas
DE102014005127A1 (en) The fuel cell system
DE102016224721A1 (en) The fuel cell system
DE102012018712A1 (en) Air conveying device for supplying air to fuel cell system in vehicle, has compressor propelled with electric machine and intercooler, where electric machine is cooled by cooling medium in cooling circuit at intercooler
WO2023169813A1 (en) Fuel cell system with a plurality of inertizable fuel cell stacks, and method for operating such a fuel cell system
WO2015036100A1 (en) Method for operating a fuel cell system
DE102016003795A1 (en) Device for supplying air to a fuel cell
DE102007028296A1 (en) Polymer electrolyte membrane fuel cell system operating device for vehicle, has blocking unit arranged in discharge line that is guided away from cathode space of fuel cell, and another blocking unit arranged in supply line
DE102013216844A1 (en) Fuel cell system activation method and fuel cell system
DE102012000886A1 (en) Electric turbocharger for supplying air to a fuel cell
DE102020200611A1 (en) Fuel cell system
DE102011120542A1 (en) Fuel cell system for providing driving power to vehicle, has flap designed such that flap is opened automatically against weight force and/or spring force switched by air supply device of fuel cell

Legal Events

Date Code Title Description
R163 Identified publications notified
R119 Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee