DE102019105843A1

DE102019105843A1 - Compressor unit for a fuel cell

Info

Publication number: DE102019105843A1
Application number: DE102019105843.0A
Authority: DE
Inventors: Richard Aymanns; Dominik Lückmann
Original assignee: FEV Europe GmbH
Current assignee: FEV Europe GmbH
Priority date: 2019-03-07
Filing date: 2019-03-07
Publication date: 2019-04-18
Also published as: DE102020105784A1

Abstract

Eine Verdichtereinheit 10 zur Luftversorgung einer Brennstoffzelle 50, die mit der Verdichtereinheit verbindbar ist, umfasst einen Verdichter 20 zur Verdichtung von der Brennstoffzelle 50 zuzuführender Luft. Eine Turbine 30 ist durch einen Abgasstrom der Brennstoffzelle 50 antreibbar und ein Bypass 40 kann verdichtete Luft unter Umgehung der Brennstoffzelle an die Turbine 30 leiten.

A compressor unit 10 for supplying air to a fuel cell 50, which is connectable to the compressor unit, comprises a compressor 20 for compressing air to be supplied to the fuel cell 50. A turbine 30 is drivable by an exhaust gas flow of the fuel cell 50 and a bypass 40 can direct compressed air to the turbine 30 bypassing the fuel cell.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Verdichtereinheit für eine Brennstoffzelle, ein entsprechendes Verfahren und auf eine Brennstoffzelleneinheit.The present invention relates to a compressor unit for a fuel cell, a corresponding method and to a fuel cell unit.

Brennstoffzellen werden insbesondere in Kraftfahrzeugen eingesetzt, um aus einem oxidationsfähigen Gas, wie bspw. Wasserstoff, Strom zu gewinnen. Dabei wird für die Oxidation ein ständiger Strom an Frischluft benötigt, der über ein Gebläse erzeugt wird. Konkret kommen dafür häufig elektrisch angetriebene Verdichter (meist Radialverdichter) zum Einsatz, die häufig zusätzlich über eine Turbine verfügen. Die Turbine wird mit dem aus der Brennstoffzelle abfließenden Massenstrom der Luft, nämlich dem Abgas, angetrieben. Für den Brennstoffzellenbetrieb über einen weiten Massenstrombereich ergibt sich hieraus das Problem, dass der Verdichterbetriebspunkt gerade bei kleinen Massenströmen durch die Pumpgrenze limitiert ist. Um kleinere Massenströme erreichen zu können, wird beim Stand der Technik der überschüssige Teil des Verdichtermassenstroms nach Verdichter abgeblasen, was zu einer starken Reduktion des Wirkungsgrads führt.Fuel cells are used in particular in motor vehicles in order to obtain electricity from an oxidizable gas, such as, for example, hydrogen. In this case, a constant stream of fresh air is required for the oxidation, which is generated by a blower. Specifically, electrically driven compressors (usually centrifugal compressors) are frequently used for this purpose, and often also have a turbine. The turbine is driven by the mass flow of the air, namely the exhaust gas, flowing out of the fuel cell. For fuel cell operation over a wide mass flow range, this results in the problem that the compressor operating point is limited by the surge limit, especially for small mass flows. In order to be able to achieve smaller mass flows, in the prior art the excess part of the compressor mass flow is blown off after the compressor, which leads to a strong reduction of the efficiency.

Entsprechend ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Verdichtereinheit bereitzustellen, die über einen hohen Bereich unterschiedlicher Leistung der Brennstoffzelle, also entsprechend unterschiedlichen Mengen von zuzuführender Frischluft, einen verbesserten Leistungsgrad der Verdichtung aufweist. Zudem soll die Leistung der Brennstoffzelle dabei im bevorzugten Betriebspunkt betrieben werden. Diese Aufgabe wird mit den Mitteln der unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.Accordingly, it is the object of the present invention to provide a compressor unit having over a high range of different power of the fuel cell, that is, according to different amounts of fresh air to be supplied, an improved efficiency of compression. In addition, the power of the fuel cell should be operated at the preferred operating point. This object is achieved by the means of the independent claims. Preferred developments are the subject of the dependent claims.

Eine Verdichtereinheit zur Luftversorgung einer Brennstoffzelle, die mit der Verdichtereinheit verbindbar ist, umfasst einen Verdichter zur Verdichtung von der Brennstoffzelle zuzuführender Luft. Eine mit dem Verdichter rotativ gekoppelte Turbine ist durch einen Abgasstrom der Brennstoffzelle antreibbar, und ein Bypass ist vorgesehen, zum Leiten von durch den Verdichter verdichteter Luft an die Turbine unter Umgehung der Brennstoffzelle. In den Bypass oder die Zuleitung in den Bypass ist bevorzugt ein steuerbares Ventil integriert. Das steuerbare Ventil kann den Bypass öffnen und schließen und/oder Zwischenstellungen einstellen. Alternativ zu diesem Ventil kann im Strömungskanal, der vom Verdichter zur Brennstoffzelle eine Abzweigung vorgesehen sein, die steuerbar einen Bypassstrom abzweigt. Da als Verdichter bevorzugt Radialverdichter eingesetzt werden, ergibt sich das Problem, dass diese Verdichter einen minimalen Volumendurchsatz benötigen. Diese Untergrenze wird auch als Pumpgrenzlimitierung bezeichnet. Unterhalb dieses Volumendurchsatzes lässt sich ein benötigter Druck der Verdichtung nicht aufbauen. So wird herkömmlich ein zu großer Luftmassenstrom erzeugt und überschüssige Teile abgeblasen, was nunmehr nicht mehr nötig ist, da überschüssige Luft an der Brennstoffzelle vorbei (in Form eines Bypasses), direkt der Turbine zugeführt wird. Dadurch kann die darin enthaltene Energie zumindest zu einem Teil zurückgewonnen und so der Wirkungsgradnachteil signifikant reduziert werden. Gleichzeitig ergeben sich auch für den Turbinenbetrieb zwei zusätzliche Vorteile, die zu einer weiteren Wirkungsgradsteigerung des Gesamtsystems führen. Zum einen führt nämlich der erhöhte Massenstrom zu einer deutlichen Wirkungsgradsteigerung des Turbinenbetriebspunkts und zum anderen ist der gebypasste Massenstrom aus dem Verdichter heißer als die Luft nach der Brennstoffzelle, was zu einer Erhöhung der zur Verfügung stehenden Energie führt. Die Erfindung verbessert den Systemwirkungsgrad dadurch, dass ein Teil der Energie im überschüssigen Massenstrom zurückgewonnen werden kann. Es ergibt sich eine Verbesserung des Systemwirkungsgrads einer Brennstoffzellenluftversorgung durch den Verdichterbetrieb bei einem eigentlich zu hohem Massenstrom, der durch Pumpgrenzlimitierung bestimmt ist, einer Bypass-Leitung des überschüssigen Luftmassenstroms an der Brennstoffzelle vorbei und der Nutzung, der darin enthaltenen Energie in der Turbine und dadurch wird eine Reduzierung der erforderlichen elektrischen Antriebsleistung erreicht. Ferner kann durch eine Regelung der Ventilöffnung der Druck innerhalb der Brennstoffzelle auf einen optimalen Wert bzw. Betriebspunkt eingestellt werden.A compressor unit for supplying air to a fuel cell, which is connectable to the compressor unit, comprises a compressor for compressing air to be supplied to the fuel cell. A turbine rotatably coupled to the compressor is drivable by an exhaust flow of the fuel cell, and a bypass is provided for directing air compressed by the compressor to the turbine bypassing the fuel cell. In the bypass or the supply line in the bypass, a controllable valve is preferably integrated. The controllable valve can open and close the bypass and / or set intermediate positions. As an alternative to this valve, a branch can be provided in the flow channel, from the compressor to the fuel cell, which branch off controllably a bypass flow. Since centrifugal compressors are preferably used as compressors, the problem arises that these compressors require a minimum volume throughput. This lower limit is also referred to as surge limit. Below this volume flow rate, a required compression pressure can not be built up. Thus, an excessively large air mass flow is conventionally generated and excess parts are blown off, which is no longer necessary now, since excess air past the fuel cell (in the form of a bypass) is fed directly to the turbine. As a result, the energy contained therein can be recovered at least in part and thus the efficiency disadvantage can be significantly reduced. At the same time, two additional advantages also result for the turbine operation, which lead to a further increase in the efficiency of the overall system. On the one hand, the increased mass flow leads to a significant increase in efficiency of the turbine operating point, and on the other hand, the bypassed mass flow from the compressor is hotter than the air after the fuel cell, which leads to an increase in the available energy. The invention improves system efficiency by recovering some of the energy in the excess mass flow. The result is an improvement in the system efficiency of a fuel cell air supply by the compressor operation at a really high mass flow, which is determined by surge limit, a bypass line of the excess air mass flow past the fuel cell and the use of the energy contained in the turbine and thereby achieved a reduction in the required electrical drive power. Furthermore, by regulating the valve opening, the pressure within the fuel cell can be set to an optimum value or operating point.

Vorteilhaft ist, wenn der Durchflussquerschnitt vom Bypass dafür ausgelegt ist, mindestens 30% und insbesondere mindestens 40% der durch den Verdichter verdichtbaren Luft parallel zur Brennstoffzelle zu leiten. Dies bedeutet, dass ein nennenswerter Anteil, an der Brennstoffzelle vorbei unmittelbar der Turbine zugeleitet werden kann. In einer oberen Abgrenzung kann unabhängig davon der Bypass dafür ausgelegt sein, maximal 95% und insbesondere maximal 80% der durch den Verdichter verdichtbaren Luft parallel zur Brennstoffzelle zu leiten. Ein größerer Teil der Leitung parallel zur Brennstoffzelle wird nicht benötigt, da in den Fällen, dass die Brennstoffzelle weniger Luft benötigt, auch die Leistung des Verdichters reduziert werden kann.It is advantageous if the flow cross section of the bypass is designed to conduct at least 30% and in particular at least 40% of the air compressible by the compressor parallel to the fuel cell. This means that a noteworthy fraction, past the fuel cell, can be directly fed to the turbine. Independently of this, the bypass can be designed in an upper delimitation to conduct a maximum of 95% and in particular a maximum of 80% of the air which can be compressed by the compressor parallel to the fuel cell. A greater part of the line parallel to the fuel cell is not needed because in cases where the fuel cell requires less air, the compressor's performance can also be reduced.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann die Turbine als eine VTG-Turbine eingerichtet sein, die Schaufelstellung zu verändern. Die Verdichtereinheit umfasst dann eine Steuerung, die eingerichtet ist, in Abhängigkeit vom Leistungsabruf der angeschlossenen Brennstoffzelle oder einer Änderung des Leistungsabrufs der angeschlossenen Brennstoffzelle in einer gemeinsamen Steuerung und/oder Regelung sowohl die Schaufelstellung wie auch die Öffnung des Ventils des Bypasses einzustellen. Die Steuerung kann auch die Leistung des Motors, der den Verdichter antreibt, in einer kombinierten Regelung bestimmen. Bevorzugte Regelungen bzw. Steuerungen werden nachfolgend beschrieben.In a further preferred embodiment, the turbine may be configured as a VTG turbine to change the vane position. The compressor unit then comprises a controller that is set up, depending on the power demand of the connected fuel cell or a change in the power consumption of the connected fuel cell in a common control and / or regulating both the blade position and the opening of the valve of the bypass. The controller may also determine the power of the engine that drives the compressor in a combined control. Preferred regulations or controls are described below.

Bevorzugt kann die Steuerung eingerichtet sein, bei einem Lastwechsel von einer höheren Leistung auf eine niedrigere Leistung, die Durchlassöffnung des Ventils des Bypasses zu erhöhen und die Schaufelstellung so zu verändern, dass Druckschwankungen des in der Turbine erzeugten Gegendrucks reduziert werden. Bei einer niedrigeren Leistung wird nämlich ein niedrigerer Luftdurchsatz durch die Brennstoffzelle benötigt, was durch die genannte Öffnung des Ventils ermöglicht wird. Dabei könnte es sich aber ergeben, dass der Druck in der Brennstoffzelle abfällt. Dies ist negativ, da hierdurch der Wirkungsgrad der Umsetzung reduziert wird. Dies kann durch eine Veränderung der Schaufelstellung der VTG-Turbine (Variable Turbinen Geometrie) dahingehend kompensiert werden, dass sich vor der VTG-Turbine ein Druck aufbaut. Vorteilhaft ist dabei ferner, dass sich bei dieser Schaufelstellung das von der Turbine erzeugte Drehmoment erhöht, was seinerseits eine Reduzierung der vom Motor bereitzustellenden Leistung bewirkt.Preferably, the controller may be configured to increase the passage of the valve of the bypass at a load change from a higher power to a lower power and to change the blade position so that pressure fluctuations of the counter-pressure generated in the turbine can be reduced. Namely, at a lower power, a lower air flow rate through the fuel cell is required, which is made possible by said opening of the valve. However, it could turn out that the pressure in the fuel cell drops. This is negative, as this reduces the conversion efficiency. This can be compensated by changing the vane position of the VTG turbine (Variable Turbine Geometry) to the effect that a pressure builds up in front of the VTG turbine. It is also advantageous that in this blade position, the torque generated by the turbine increases, which in turn causes a reduction in the power to be provided by the engine.

Alternativ oder zusätzlich kann die Steuerung eingerichtet sein, bei einem Start des Abrufs von Energie von der angeschlossenen Brennstoffzelle und dem Start der Verdichtereinheit, zunächst die Durchlassöffnung des Ventils des Bypasses entweder zu schließen oder die Durchlassmenge des Bypasses auf weniger als 20% einer mittleren Durchlassmenge bei stetigem Betrieb der angeschlossenen Brennstoffzelle zu begrenzen und die Schaufelstellung der Turbine so zu verändern, dass sich in der angeschlossenen Brennstoffzelle ein notwendiger Betriebsdruck der zugeführten Luft aufbaut. Auf diese Weise kann die Brennstoffzelle beim Betriebsstart ihre Nennleistung schneller erreichen.Alternatively, or in addition, the controller may be configured to either close the passage of the valve of the bypass or start the passage of the bypass to less than 20% of an average passage at a start of the retrieval of energy from the connected fuel cell and the start of the compressor unit limit continuous operation of the connected fuel cell and to change the blade position of the turbine so that builds up a necessary operating pressure of the supplied air in the connected fuel cell. In this way, the fuel cell can reach its rated power faster at startup.

Alternativ oder zusätzlich kann die Steuerung eingerichtet sein, bei einem Start des Abrufs von Energie von der angeschlossenen Brennstoffzelle und dem Start der Verdichtereinheit, zunächst die Durchlassöffnung des Ventils des Bypasses entweder zu komplett zu schließen oder die Durchlassmenge des Bypasses auf weniger als 20% einer mittleren Durchlassmenge bei stetigem Betrieb der angeschlossenen Brennstoffzelle zu begrenzen und die Schaufelstellung der Turbine so zu verändern, dass das in der Turbine erzeugte Drehmoment maximiert ist. Bei dieser Optimierung wird die durch den Motor bereitzustellende Leistung reduziert.Alternatively or additionally, the controller may be configured, at a start of the retrieval of energy from the connected fuel cell and the start of the compressor unit, either to close the passage opening of the valve of the bypass to completely or the passage amount of the bypass to less than 20% of a middle To limit the flow rate during continuous operation of the connected fuel cell and to change the blade position of the turbine so that the torque generated in the turbine is maximized. With this optimization, the power to be provided by the engine is reduced.

Bevorzugt kann ferner sein, wenn stromabwärts vom Verdichter ein Ladeluftkühler angeordnet ist, um die der Brennstoffzelle zuzuführende Luft zu kühlen und eine Abzweigung für die dem Bypass zuzuführenden Luft zwischen dem Verdichter und dem Ladeluftkühler angeordnet ist. Hinter dem Verdichter der Brennstoffzellenluftversorgung wird also über eine Abzweigung bzw. einen Bypass ein über ein Ventil regelbarer Massenstrom an der Brennstoffzelle vorbeigeführt und hinter der Brennstoffzelle vor der Turbine wieder mit dem Brennstoffzellenabluft zusammengeführt. Die Abzweigung hinter dem Verdichter sollte möglichst vor dem Ladeluftkühler angeordnet sein, um die Temperatur der verdichteten Luft zu erhalten.It may further be preferred if, downstream of the compressor, a charge air cooler is arranged in order to cool the air to be supplied to the fuel cell and a branch for the air to be supplied to the bypass is arranged between the compressor and the charge air cooler. Behind the compressor of the fuel cell air supply so via a branch or a bypass via a valve controllable mass flow past the fuel cell and merged behind the fuel cell before the turbine again with the fuel cell exhaust air. The branch behind the compressor should, if possible, be arranged in front of the intercooler in order to maintain the temperature of the compressed air.

In einem Verfahren zum Betrieb einer Verdichtereinheit, die mit einer Brennstoffzelle verbunden ist, komprimiert ein Verdichter Frischluft und führt sie der Brennstoffzelle zu und Abgas der Brennsstoffzelle wird einer Turbine zum zumindest anteilsweisen Antrieb des Verdichters zugeführt und bei niedrigen Verbrauchslasten der Brennstoffzelle wird ein Bypassstrom von komprimierter Frischluft vom Verdichter zur Turbine geleitet, wobei der Bypassstrom die Brennstoffzelle umgeht. Bevorzugt kann insbesondere bei hohen Lasten die gesamte komprimierte Frischluft der Brennstoffzelle zugeführt werden.In a method of operating a compressor unit connected to a fuel cell, a compressor compresses fresh air and supplies it to the fuel cell and exhaust gas of the fuel cell is supplied to a turbine for at least partially driving the compressor and at low fuel cell consumption loads, a bypass flow becomes more compressed Fresh air from the compressor to the turbine passed, the bypass current bypasses the fuel cell. Preferably, in particular at high loads, the entire compressed fresh air can be supplied to the fuel cell.

Eine Brennstoffzelleneinheit kann eine entsprechende Verdichtereinheit und eine Brennstoffzelle umfassen.A fuel cell unit may include a corresponding compressor unit and a fuel cell.

Nachfolgend wird die Erfindung mit der Figur anhand von bevorzugten Ausführungsformen beispielhaft beschrieben. Die Figur zeigt eine Verdichtereinheit 10, die einen Verdichter 20 und eine Turbine 30 umfasst. Diese Komponenten sind (über eine Achse drehsteif) miteinander gekoppelt. Ebenfalls ist ein Motor 60 mit dieser Achse gekoppelt und wird dabei über eine Ansteuerung 62 mit Energie versorgt. Der Verdichter 20 ist also motorisch antreibbar. Über eine Versorgung, die durch den eingehenden Pfeil symbolisch gezeigt ist, wird der Verdichter 20 mit Frischluft versorgt und bei dem Betrieb des Verdichters 20 wird bei einem Auslass die verdichtete Frischluft ausgegeben. Stromabseits vom Verdichter 20 ist eine Abzweigung 23 angeordnet, durch die der Frischluftstrom in zwei Teilströme teilbar ist. Der eine Teilstrom wird zu einer an der Verdichtereinheit 10 angeschlossenen Brennstoffzelle 50 geleitet. Ein Ausgang der Brennstoffzelle 50 für das in der Brennstoffzelle 50 reduzierte Gas, bzw. Abgas wird als Abgasstrom in die Verdichtereinheit 10 (zurück-) geleitet und dort mit dem Bypass 40 verbunden. In anderen Worten: Der Bypass 40 ist parallel zur angeschlossenen Brennstoffzelle 50 geschaltet. Der in die Verdichtereinheit 10 geleitete Abgasstrom wird ggf. verbunden mit einem Luftstrom des Bypasses 40 zu der Turbine 30 geleitet und treibt den Verdichter 20 an. So werden die Enthalpie und die kinetische Energie des Abgasstroms und des Bypassstroms genutzt, um im Verdichter 20 (Frisch-)Luft zu verdichten. Bei der Zuführung von verdichteter Luft lässt sich ein höherer Wirkungsgrad der Brennstoffzelle 50 erreichen, als bei unverdichteter Luft.The invention will be described by way of example with the figure based on preferred embodiments. The figure shows a compressor unit 10 that a compressor 20 and a turbine 30 includes. These components are coupled with each other (torsionally stiff via an axle). Also is an engine 60 coupled with this axis and is doing via a control 62 energized. The compressor 20 is thus motor driven. About a supply, which is shown symbolically by the incoming arrow, the compressor 20 supplied with fresh air and during operation of the compressor 20 At an outlet, the compressed fresh air is output. Downstream of the compressor 20 is a turnoff 23 arranged, through which the fresh air flow is divisible into two partial streams. The one partial flow becomes one at the compressor unit 10 connected fuel cell 50 directed. An output of the fuel cell 50 for that in the fuel cell 50 Reduced gas, or exhaust gas is as exhaust gas flow in the compressor unit 10 (back-) directed and there with the bypass 40 connected. In other words, the bypass 40 is parallel to the connected fuel cell 50 connected. The in the compressor unit 10 guided exhaust gas flow is possibly connected to an air flow of the bypass 40 to the turbine 30 directed and drives the compressor 20 on. Thus, the enthalpy and the kinetic energy of the exhaust stream and the bypass stream are used to in the compressor 20 (Fresh) air to compress. With the supply of compressed air, a higher efficiency of the fuel cell can be 50 reach, as in uncompacted air.

Bevorzugt wird als Verdichter 20 ein Radialverdichter eingesetzt, der rotierende Schaufeln und bevorzugt auch stationäre Schaufeln aufweist. Ein derartiger Verdichter hat eine Pumpgrenzlimitierung bei kleinen Massenströmen. Das bedeutet, dass ein minimaler Massenstrom benötigt wird, um die gewünschte Verdichtung zu erzielen. Da z.B. wegen der baulichen Bedingungen aber nur ein begrenzter Volumenstrom durch die Brennstoffzelle 50 geleitet werden kann, wird bei bekannten Bauformen ein Teil der komprimierten Luft abgeblasen. Dies reduziert den Wirkungsgrad der Verdichtereinheit 10. Bei der vorliegenden Ausführungsform wird stattdessen diese nicht benötigte komprimierte Luft durch den Bypass 40 parallel zur Brennstoffzelle 50 der Turbine 30 zugeleitet und die in der Luft vorhandenen Enthalpie wird über die Turbine 30 in rotative Energie umgewandelt und so zum Antrieb des Verdichters 20 genutzt. Entsprechend muss der Motor 60 weniger Leistung liefern.Preferred is as a compressor 20 a radial compressor is used which has rotating blades and preferably also stationary blades. Such a compressor has a surge limit at low mass flows. This means that a minimum mass flow is needed to achieve the desired compaction. For example, because of the structural conditions but only a limited volume flow through the fuel cell 50 can be conducted, in known designs, a portion of the compressed air is blown off. This reduces the efficiency of the compressor unit 10 , In the present embodiment, instead of this unnecessary compressed air through the bypass 40 parallel to the fuel cell 50 the turbine 30 supplied and the enthalpy present in the air is transmitted through the turbine 30 converted into rotary energy and so to drive the compressor 20 used. Accordingly, the engine must 60 deliver less power.

Zur Steuerung des Bypassstroms ist im Bypass ein Ventil 45 angeordnet und wird durch ein eine Steuerleitung 42 gesteuert. Gleichwertig, bzw. äquivalent ist, wenn der vom Verdichter 20 ausgehende Strom entlang einer Abzweigung 23 geleitet wird, die steuerbar einen Teil des Volumenstroms abzweigt. In einem Verfahren des Betriebs der Verdichtereinheit 10 wird abhängig von der benötigten Leistung das Ventil 45 geöffnet oder geschlossen oder auf Zwischenstellungen gebracht. Bei Betriebszuständen, bei denen eine maximale Leistungsabgabe von der Brennstoffzelle 50 benötigt wird, wird das Ventil 45 geschlossen, so dass der gesamte vom Verdichter 20 bereitgestellte Volumenstrom zur Brennstoffzelle 50 geleitet wird. Bei einer Teillast kann das Ventil weiter geöffnet werden. Bevorzugt wird dafür ein Regelkreis eingesetzt. Als eine Regelgröße kann der in der Brennstoffzelle 50 vorhandene Druck zum Einsatz kommen, der über zumindest einen Drucksensor (in der Figur nicht gezeigt) aufgenommen wird. Die zugehörige Stellgröße ist die Öffnung des Ventils 45. Wenn der Druck in der Brennstoffzelle 50 ein vorgegebenes Optimum, dass leistungsabhängig sein kann, übersteigt, wird die Öffnung des Ventils 45 vergrößert und hierdurch wird der Druck reduziert. Bei einem Absinken des Drucks kann das Ventil 45 geschlossen oder zumindest dessen Ventilöffnung reduziert werden.To control the bypass flow in the bypass is a valve 45 arranged and is by a a control line 42 controlled. Equivalent, or equivalent, if that of the compressor 20 outgoing electricity along a turn-off 23 is passed, which controllably diverts a portion of the flow rate. In a method of operating the compressor unit 10 depends on the required power the valve 45 opened or closed or placed in intermediate positions. In operating conditions where a maximum power output from the fuel cell 50 is needed, the valve 45 closed, leaving the entire of the compressor 20 provided volume flow to the fuel cell 50 is directed. At a partial load, the valve can be opened further. Preferably, a control loop is used for this purpose. As a controlled variable, that in the fuel cell 50 existing pressure to be used, which is at least one pressure sensor (not shown in the figure) recorded. The associated manipulated variable is the opening of the valve 45 , When the pressure in the fuel cell 50 a predetermined optimum that can be performance-related, exceeds, the opening of the valve 45 increases and thereby the pressure is reduced. When the pressure drops, the valve can 45 closed or at least the valve opening can be reduced.

In einer Variante der Erfindung ist die Turbine 30 eine VTG-Turbine. VTG-Turbinen weisen ein „Variable Turbinen Geometrie“ auf, was bedeutet, dass z.B. der Winkel der Schaufelstellungen, bevorzugt am Rotor, während des Betriebs verändert werden kann. Dadurch kann der vor der Turbine 30 vorhandene Staudruck eingestellt werden, wie auch das von der Turbine 30 abgegebene Drehmoment. In einer kombinierten Regelung von zumindest zwei Stellgrößen der folgenden drei Stellgrößen, nämlich der Stellung der VTG-Turbine, der Öffnung des Ventils 45 und das durch den Motor 60 abgegebene Drehmoment kann ein Optimum der Zufuhr von Frischluft bei einem geringen Energieverbrauch der Verdichtung realisiert werden. Beispiele für geeignete Regelungen wurden bereits vorstehend genannt.In a variant of the invention, the turbine 30 a VTG turbine. VTG turbines have a "variable turbine geometry", which means that, for example, the angle of the blade positions, preferably on the rotor, can be changed during operation. This allows the front of the turbine 30 existing dynamic pressure can be adjusted, as well as that of the turbine 30 delivered torque. In a combined control of at least two manipulated variables of the following three manipulated variables, namely the position of the VTG turbine, the opening of the valve 45 and that by the engine 60 given torque can be realized an optimum of the supply of fresh air with a low energy consumption of the compression. Examples of suitable regulations have already been mentioned above.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

1010: Verdichtereinheitcompressor unit
2020: Verdichtercompressor
2323: Abzweigungdiversion
3030: Turbineturbine
4040: Bypassbypass
4242: Steuerleitungcontrol line
4545: VentilValve
5050: Brennstoffzellefuel cell
6060: Motorengine
6262: Ansteuerungcontrol
7070: LadeluftkühlerIntercooler

Claims

Compressor unit (10) for supplying air to a fuel cell (50) which is connectable to the compressor unit (10); with a compressor (20) for compressing air to be supplied to the fuel cell (50), with a turbine (30) which is rotationally coupled to the compressor (20) and which can be driven by an exhaust gas flow of the fuel cell (50), and a bypass (40) for directing air compressed by the compressor (20) to the turbine (30) bypassing the fuel cell (50). and in particular in the bypass (40) a controllable valve (45) is integrated.

Compressor unit (10) according to Claim 1 wherein the flow area of the bypass (40) is designed to conduct at least 30% and in particular at least 40% of the air compressible by the compressor (20) parallel to the fuel cell (50).

Compressor unit (10) according to one of the preceding claims, wherein the flow cross-section of the bypass is designed to conduct a maximum of 95% and in particular a maximum of 80% of compressible by the compressor air parallel to the fuel cell (50).

Compressor unit (10) according to one of the preceding claims, wherein the turbine (30) is arranged as a VTG turbine, the vane position to change and the compressor unit (10) comprises a controller which is arranged, depending on the power of the connected fuel cell ( 50) or a change in the power consumption of the connected fuel cell (50) in a common control and / or regulation to adjust both the blade position and the opening of the valve (45) of the bypass (40).

Compressor unit (10) according to Claim 4 wherein the controller is arranged to increase the passage of the valve (45) of the bypass (40) and to change the blade position so that pressure fluctuations in the turbine in the turbine (30 ) generated back pressure can be reduced.

Compressor unit (10) according to one of Claims 4 or 5 wherein the controller is arranged, upon a start of the retrieval of energy from the connected fuel cell and the start of the compressor unit (10), either to close the passage opening of the valve (45) of the bypass (40) either completely or the passage amount of the bypass (40) to limit less than 20% of a mean flow rate during continuous operation of the connected fuel cell (50) and to change the blade position of the turbine so that in the connected fuel cell (50) builds up a necessary operating pressure of the supplied air.

Compressor unit (10) according to one of Claims 4 to 6 wherein the controller is arranged, at a start of the retrieval of energy from the connected fuel cell and the start of the compressor unit (10), first to close the passage opening of the valve (45) of the bypass (40) either completely or the passage amount of the bypass ( 40) to less than 20% of a mean flow rate with steady operation of the connected fuel cell (50) and to change the blade position of the turbine (30) so that the torque (30) generated in the turbine (30) is maximized.

Compressor unit (10) according to one of the preceding claims, wherein downstream of the compressor (20) a charge air cooler (70) is arranged to cool the air to be supplied to the fuel cell (50) and a branch (23) for the bypass (40). supplied air between the compressor (20) and the charge air cooler (70) is arranged.

A method of operating a compressor unit (10) connected to a fuel cell (50), wherein a compressor (20) compresses fresh air and supplies it to the fuel cell (50) and exhaust gas of the fuel cell (50) of a turbine (30) for at least a fractional drive the compressor (20) is supplied and at low fuel consumption loads of the fuel cell (50) a bypass flow of compressed fresh air from the compressor (20) to the turbine (30) is passed, the bypass flow bypasses the fuel cell and in particular at high loads, the total compressed fresh air Fuel cell (50) is supplied.

A fuel cell unit having a compressor unit (10) according to one of the preceding claims and a fuel cell (50).