DE102020207406A1 - Method for operating a fuel cell system - Google Patents

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Jochen Wessner
Martin Katz
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Robert Bosch GmbH
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    • Y02E60/50—Fuel cells

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems mit einem Brennstoffzellenstack, von dem auf einer Kathodenseite ein Abgasmassenstrom (10) über eine Abgasturbine (11) entspannt wird.Um die Effizienz beim Betreiben des Brennstoffzellensystems zu erhöhen, wird ein Teilabgasmassenstrom über einen vor der Abgasturbine (11) angeordneten Flüssigkeitsabscheider (28) abgezweigt, um einen Abgasdruck vor der Abgasturbine (11) in mindestens einem bestimmten Betriebszustand gezielt abzusenken.The invention relates to a method for operating a fuel cell system with a fuel cell stack, from which an exhaust gas mass flow (10) is expanded on a cathode side via an exhaust gas turbine (11) (11) arranged liquid separator (28) branched off in order to lower an exhaust gas pressure in front of the exhaust gas turbine (11) in at least one specific operating state in a targeted manner.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems mit einem Brennstoffzellenstack, von dem auf einer Kathodenseite ein Abgasmassenstrom über eine Abgasturbine entspannt wird.The invention relates to a method for operating a fuel cell system with a fuel cell stack, of which an exhaust gas mass flow is expanded on a cathode side via an exhaust gas turbine.

Stand der TechnikState of the art

Aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 10 2017 212 815 A1 ist ein Brennstoffzellensystem mit einer Brennstoffzelle, einer Luftzuführungsleitung zum Zuführen eines Oxidationsmittels in die Brennstoffzelle und einer Abgasleitung zum Abführen des Oxidationsmittels aus der Brennstoffzelle bekannt, wobei das Brennstoffzellensystem eine Turbomaschine mit einem Laufrad aufweist, das als Verdichter ausgeführt ist, der in der Luftzuführungsleitung angeordnet ist, wobei, um die Kühlung der Turbomaschine zu optimieren, nicht bereits erwärmte, verdichtete Luft vom Laufrad verwendet wird, sondern aus der entgegengesetzten Richtung gekühlte, unverdichtete Luft angesaugt wird.From the German Offenlegungsschrift DE 10 2017 212 815 A1 a fuel cell system with a fuel cell, an air supply line for supplying an oxidizing agent into the fuel cell and an exhaust line for removing the oxidizing agent from the fuel cell is known, the fuel cell system having a turbo machine with an impeller which is designed as a compressor which is arranged in the air supply line , whereby, in order to optimize the cooling of the turbomachine, not already heated, compressed air from the impeller is used, but cooled, uncompressed air is sucked in from the opposite direction.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Aufgabe der Erfindung ist es, die Effizienz beim Betreiben eines Brennstoffzellensystems zu erhöhen.The object of the invention is to increase the efficiency when operating a fuel cell system.

Die Aufgabe ist bei einem Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems mit einem Brennstoffzellenstack, von dem auf einer Kathodenseite ein Abgasmassenstrom über eine Abgasturbine entspannt wird, dadurch gelöst, dass ein Teilabgasmassenstrom über einen vor der Abgasturbine angeordneten Flüssigkeitsabscheider abgezweigt wird, um einen Abgasdruck vor der Abgasturbine in mindestens einem bestimmten Betriebszustand gezielt abzusenken. Vor der Abgasturbine bedeutet im Hinblick auf eine Abgasströmungsrichtung stromaufwärts. Je nach Anwendung kann es unter Umständen auch sinnvoll sein, den kompletten Abgasmassenstrom über den vor der Abgasturbine angeordneten Flüssigkeitsabscheider abzuzweigen. In dem Brennstoffzellensystem wird auf einer Kathodenseite der Brennstoffzelle Luft zugeführt, die mit einem Turbokompressor verdichtet wird. Zur Lagerung werden vorteilhaft hochdynamische Luftlager verwendet. Die Luftlager ermöglichen bei geringem Verschleiß die im Betrieb des Brennstoffzellensystems extrem hohen Drehzahlen auf einer Verdichterseite und einer Turbinenseite. Beim Einschalten und beim Abschalten des Brennstoffzellensystems werden beim Anlaufen und beim Auslaufen des Verdichters und der Turbine kritische Bereiche, insbesondere Mischreibungsbereiche, durchlaufen, die zu unerwünschten Lagerschäden führen können. Die Turbine wird durch den Abgasmassenstrom angetrieben, solange vor der Abgasturbine noch Abgasdruck anliegt. Mit dem beanspruchten Verfahren wird der Abgasdruck vor der Abgasturbine über den Flüssigkeitsabscheider abgebaut. Der über den Flüssigkeitsabscheider abgezweigte Abgasmassenstrom treibt die Abgasturbine nicht weiter an. Darüber hinaus kann der abgezweigte Teilabgasmassenstrom vorteilhaft anderweitig in dem Brennstoffzellensystem oder an anderer Stelle genutzt werden. Durch das gezielte Absenken des Abgasdrucks vor der Abgasturbine können besonders vorteilhaft Beschädigungen durch Einfrieren beim Abstellen des Brennstoffzellensystems vermieden werden.The object is achieved in a method for operating a fuel cell system with a fuel cell stack, of which an exhaust gas mass flow is expanded on a cathode side via an exhaust gas turbine, in that a partial exhaust gas mass flow is branched off via a liquid separator arranged in front of the exhaust gas turbine in order to increase an exhaust gas pressure in front of the exhaust gas turbine to lower at least one specific operating state in a targeted manner. Before the exhaust gas turbine means upstream with regard to an exhaust gas flow direction. Depending on the application, under certain circumstances it can also make sense to branch off the entire exhaust gas mass flow via the liquid separator arranged in front of the exhaust gas turbine. In the fuel cell system, air is supplied on a cathode side of the fuel cell, which air is compressed with a turbo compressor. Highly dynamic air bearings are advantageously used for storage. With little wear and tear, the air bearings enable the extremely high speeds on one side of the compressor and one side of the turbine when the fuel cell system is in operation. When the fuel cell system is switched on and switched off, critical areas, in particular mixed friction areas, which can lead to undesired bearing damage, are traversed when the compressor and the turbine are started and stopped. The turbine is driven by the exhaust gas mass flow as long as exhaust gas pressure is still present in front of the exhaust gas turbine. With the claimed method, the exhaust gas pressure is reduced in front of the exhaust gas turbine via the liquid separator. The exhaust gas mass flow branched off via the liquid separator does not continue to drive the exhaust gas turbine. In addition, the branched off partial exhaust gas mass flow can advantageously be used elsewhere in the fuel cell system or at another point. By specifically lowering the exhaust gas pressure upstream of the exhaust gas turbine, damage caused by freezing when the fuel cell system is switched off can be avoided in a particularly advantageous manner.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass der Teilabgasmassenstrom vor einem Abschaltvorgang und/oder während eines Abschaltvorgangs des Brennstoffzellensystems über den vor der Abgasturbine angeordneten Flüssigkeitsabscheider abgezweigt wird, um den Abgasdruck vor der Abgasturbine gezielt so weit abzusenken, dass die für ein Auslaufen der Abgasturbine bei dem Abschaltvorgang benötigte Zeitdauer signifikant reduziert wird. Durch Versuche, insbesondere durch Druckmessungen, kann mit relativ geringem Aufwand ermittelt werden, wie groß der abgezweigte Teilabgasmassenstrom sein muss, um eine ausreichende Druckabsenkung vor der Abgasturbine sicherzustellen.A preferred embodiment of the method is characterized in that the partial exhaust gas mass flow is branched off before a shutdown process and / or during a shutdown process of the fuel cell system via the liquid separator arranged in front of the exhaust gas turbine in order to lower the exhaust gas pressure in front of the exhaust gas turbine in a targeted manner to the point that the Exhaust gas turbine in the shutdown process required time is significantly reduced. Through experiments, in particular through pressure measurements, it can be determined with relatively little effort how large the branched off partial exhaust gas mass flow must be in order to ensure a sufficient pressure reduction in front of the exhaust gas turbine.

Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass der über den vor der Abgasturbine angeordneten Flüssigkeitsabscheider abgezweigte Teilabgasmassenstrom über ein Ventil in einem Flüssigkeitsablauf des Flüssigkeitsabscheiders in einen Auspuff abgeleitet wird, wobei der Flüssigkeitsablauf des Flüssigkeitsabscheiders getrocknet wird. Bei der Flüssigkeit handelt es sich vorzugsweise um Wasser. Daher wird der Flüssigkeitsabscheider auch als Wasserabscheider bezeichnet. Analog wird der Flüssigkeitsablauf als Wasserablauf bezeichnet. Mit dem beanspruchten Verfahren kann der abgezweigte Teilabgasmassenstrom vorteilhaft genutzt werden, um den Flüssigkeitsablauf, insbesondere eine entsprechende Flüssigkeitsleitung, auszublasen. Das liefert unter anderem den Vorteil, dass gegebenenfalls auf einen zusätzlichen Ausblasvorgang zum Trocknen des Flüssigkeitsablaufs verzichtet werden kann.Another preferred embodiment of the method is characterized in that the partial exhaust gas mass flow branched off via the liquid separator arranged in front of the exhaust gas turbine is diverted into an exhaust via a valve in a liquid outlet of the liquid separator, the liquid outlet of the liquid separator being dried. The liquid is preferably water. The liquid separator is therefore also referred to as a water separator. Similarly, the liquid drain is referred to as the water drain. With the claimed method, the branched off partial exhaust gas mass flow can advantageously be used to blow out the liquid drain, in particular a corresponding liquid line. Among other things, this provides the advantage that, if necessary, an additional blow-out process for drying the liquid drain can be dispensed with.

Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil über ein Steuergerät des Brennstoffzellensystems geöffnet wird, wenn im Steuergerät erfasste Betriebszustandsdaten darauf hinweisen, dass der bestimmte Betriebszustand eingetreten ist. Im einfachsten Fall liegt in dem Steuergerät die Information vor, dass das Brennstoffzellensystem abgeschaltet werden soll. Das kann zum Beispiel der Fall sein, wenn ein mit dem Brennstoffzellensystem ausgestattetes Kraftfahrzeug abgestellt wird. Das kann aber auch der Fall sein, wenn das Brennstoffzellensystem im weiteren Betrieb des Kraftfahrzeugs nicht mehr benötigt wird, weil notwendige Antriebsenergie über ein weiteres System bereitgestellt wird, zum Beispiel über ein elektrisches Energiespeichersystem.Another preferred exemplary embodiment of the method is characterized in that the valve is opened via a control device of the fuel cell system when operating state data recorded in the control device indicate that the specific operating state has occurred. In the simplest case, the control device has the information that the fuel cell system is to be switched off. This can be the case, for example, when one is using the fuel cell system equipped motor vehicle is parked. However, this can also be the case if the fuel cell system is no longer required in the further operation of the motor vehicle, because the necessary drive energy is provided via a further system, for example via an electrical energy storage system.

Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Flüssigkeitsabscheider und der Abgasturbine eine verstellbare Drosseleinrichtung angeordnet ist, mit welcher der Abgasmassenstrom zur Abgasturbine reduziert, insbesondere unterbrochen, werden kann, um die für das Auslaufen der Abgasturbine benötigte Zeitdauer weiter zu reduzieren. Bei der verstellbaren Drosseleinrichtung handelt es sich zum Beispiel um eine Drosselklappe, über welche der Abgasmassenstrom zur Abgasturbine stufenlos variiert werden kann. Je nach Stellung der Drosseleinrichtung vergrößert oder verkleinert sich der über den Flüssigkeitsabscheider abgezweigte Teilabgasmassenstrom.Another preferred embodiment of the method is characterized in that an adjustable throttle device is arranged between the liquid separator and the exhaust gas turbine, with which the exhaust gas mass flow to the exhaust gas turbine can be reduced, in particular interrupted, in order to further reduce the time required for the exhaust gas turbine to run down. The adjustable throttle device is, for example, a throttle valve via which the exhaust gas mass flow to the exhaust gas turbine can be continuously varied. Depending on the position of the throttle device, the partial exhaust gas mass flow branched off via the liquid separator increases or decreases.

Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass mit dem über den vor der Abgasturbine angeordneten Flüssigkeitsabscheider abgezweigten Teilabgasmassenstrom Flüssigkeit über den Flüssigkeitsablauf des Flüssigkeitsabscheiders in den Auspuff getrieben wird. Dadurch wird sichergestellt, dass nicht zu viel Flüssigkeit im Flüssigkeitsabscheider verbleibt. Je nach Ausführung kann die Flüssigkeit aus dem Flüssigkeitsabscheider auch einer anderen Stelle zugeführt oder an einer anderen Stelle gesammelt werden.Another preferred exemplary embodiment of the method is characterized in that the partial exhaust gas mass flow branched off via the liquid separator arranged in front of the exhaust gas turbine is used to drive liquid via the liquid outlet of the liquid separator into the exhaust. This ensures that not too much liquid remains in the liquid separator. Depending on the design, the liquid from the liquid separator can also be fed to another point or collected at another point.

Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Computerprogramm, welches eingerichtet ist, die Schritte eines vorab beschriebenen Verfahrens durchzuführen. Über das Computerprogramm wird auf einfache Art und Weise ermöglicht, dass das beanspruchte Verfahren im betrieb des Brennstoffzellensystems automatisch abläuft.The invention also relates to a computer program which is set up to carry out the steps of a method described above. The computer program makes it possible in a simple manner for the claimed method to run automatically during operation of the fuel cell system.

Die Erfindung betrifft des Weiteren ein maschinenlesbares Speichermedium, auf welchem ein derartiges Computerprogramm gespeichert ist. Bei dem maschinenlesbaren Speichermedium handelt es sich vorzugsweise um einen nicht flüchtigen Speicher.The invention also relates to a machine-readable storage medium on which such a computer program is stored. The machine-readable storage medium is preferably a non-volatile memory.

Die Erfindung betrifft des Weiteren ein elektronisches Steuergerät, das eingerichtet ist, die Schritte eines vorab beschriebenen Verfahrens durchzuführen. Das elektronische Steuergerät ist vorzugsweise Teil eines Brennstoffzellensystems.The invention also relates to an electronic control device which is set up to carry out the steps of a method described above. The electronic control unit is preferably part of a fuel cell system.

Die Erfindung betrifft darüber hinaus ein Brennstoffzellensystem mit einem Brennstoffzellenstack, von dem auf einer Kathodenseite ein Abgasmassenstrom über eine Abgasturbine entspannt in einen Auspuff abgeführt wird, und mit einem Steuergerät, das steuerungsmäßig so mit einem beziehungsweise dem Ventil verbunden ist, dass der Abgasdruck vor der Abgasturbine in mindestens einem bestimmten Betriebszustand gezielt abgesenkt werden kann. Besonders vorteilhaft wird der Abgasdruck über das Ventil, gegebenenfalls in Kombination mit einer entsprechenden Ansteuerung einer verstellbaren Drosseleinrichtung vor der Abgasturbine, abgesenkt, bevor oder während das Brennstoffzellensystem abgeschaltet wird.The invention also relates to a fuel cell system with a fuel cell stack, from which an exhaust gas mass flow is discharged into an exhaust pipe via an exhaust gas turbine on a cathode side, and with a control device that is controlled in such a way that the exhaust gas pressure is connected to the exhaust gas turbine can be lowered in a targeted manner in at least one specific operating state. The exhaust gas pressure is particularly advantageously lowered via the valve, possibly in combination with a corresponding control of an adjustable throttle device upstream of the exhaust gas turbine, before or while the fuel cell system is switched off.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnung verschiedene Ausführungsbeispiele im Einzelnen beschrieben sind.Further advantages, features and details of the invention emerge from the following description, in which various exemplary embodiments are described in detail with reference to the drawing.

FigurenlisteFigure list

Es zeigen:

  • 1 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems mit einem Luftverdichter und einer Abgasturbine auf einer Kathodenseite; und
  • 2 einen Ausschnitt des Brennstoffzellensystems aus 1 mit der Abgasturbine, die zwischen einem Flüssigkeitsabscheider und einem Auspuff angeordnet ist.
Show it:
  • 1 a schematic representation of a fuel cell system with an air compressor and an exhaust gas turbine on a cathode side; and
  • 2 a section of the fuel cell system 1 with the exhaust gas turbine, which is arranged between a liquid separator and an exhaust pipe.

Beschreibung der AusführungsbeispieleDescription of the exemplary embodiments

In 1 ist ein Brennstoffzellensystem 1 schematisch dargestellt. Brennstoffzellensysteme an sich sind bekannt, zum Beispiel aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 10 2012 224 052 A1 . Das Brennstoffzellensystem 1 umfasst eine Brennstoffzelle 3, die nur durch ein gestricheltes Rechteck angedeutet ist. Die Brennstoffzelle 3 umfasst mindestens einen Stack 2, der ersatzweise mit einem Ventilsymbol dargestellt ist.In 1 is a fuel cell system 1 shown schematically. Fuel cell systems are known per se, for example from the German Offenlegungsschrift DE 10 2012 224 052 A1 . The fuel cell system 1 includes a fuel cell 3 which is only indicated by a dashed rectangle. The fuel cell 3 includes at least one stack 2 , which is shown alternatively with a valve symbol.

Durch einen Pfeil 4 ist ein Luftmassenstrom angedeutet, der über eine als Luftverdichter ausgeführte Luftzuführvorrichtung 5 der Brennstoffzelle 3 zugeführt wird. Durch einen Pfeil 6 ist ein verdichteter Luftmassenstrom 6 angedeutet, von dem ein Kühlluftmassenstrom 7 abgezweigt wird. Der Kühlluftmassenstrom 7 ist ebenfalls nur durch einen Pfeil angedeutet und ist Teil eines Kühlluftpfades 19, über welchen dem Luftverdichter 5 über einen Kühllufteintritt 23 Kühlluft zugeführt wird.By an arrow 4th an air mass flow is indicated, which is carried out via an air supply device designed as an air compressor 5 the fuel cell 3 is fed. By an arrow 6th is a compressed air mass flow 6th indicated, from which a cooling air mass flow 7th is branched off. The cooling air mass flow 7th is also only indicated by an arrow and is part of a cooling air path 19th over which the air compressor 5 via a cooling air inlet 23 Cooling air is supplied.

Die über den Kühlluftpfad 19 zugeführte Kühlluft dient zum Beispiel zur Kühlung von Luftlagern, mit denen eine Welle des Luftverdichters 5 drehbar gelagert ist. Der Kühlluftmassenstrom 7 stellt einen Verlust im verdichteten Luftmassenstrom 6 dar, da der abgezweigte Kühlluftmassenstrom 7 nicht mehr im Stack 2 der Brennstoffzelle 3 verfügbar ist.The one via the cooling air path 19th supplied cooling air is used, for example, to cool air bearings with which a shaft of the air compressor 5 is rotatably mounted. The cooling air mass flow 7th represents a loss in the compressed air mass flow 6th dar, there the branched cooling air mass flow 7th no longer in the stack 2 the fuel cell 3 is available.

Da der Kühlluftmassenstrom 7 über den Luftverdichter 5 zur internen Kühlung bereitgestellt wird, ist Energie, insbesondere elektrische Energie, notwendig, um ihn zu erzeugen. Diese Energie wirkt sich negativ auf den Gesamtwirkungsgrad einer elektrischen Antriebsmaschine eines Kraftfahrzeugs aus, das über das Brennstoffzellensystem 1 angetrieben wird.Since the cooling air mass flow 7th via the air compressor 5 is provided for internal cooling, energy, in particular electrical energy, is necessary to generate it. This energy has a negative effect on the overall efficiency of an electric drive machine of a motor vehicle that is powered by the fuel cell system 1 is driven.

Der verbleibende Luftmassenstrom 6 wird über eine Luftzuführleitung 8 der Brennstoffzelle 3 zugeführt. Die Brennstoffzelle 3 ist eine galvanische Zelle, die chemische Reaktionsenergie eines über eine nicht gezeigte Brennstoffzuführungsleitung zugeführten Brennstoffs und eines Oxidationsmittels in elektrische Energie wandelt.The remaining air mass flow 6th is via an air supply line 8th the fuel cell 3 fed. The fuel cell 3 is a galvanic cell that converts the chemical reaction energy of a fuel supplied via a fuel supply line (not shown) and an oxidizing agent into electrical energy.

Das Oxidationsmittel ist die Luft, die über die Luftzuführleitung 8 auf einer Kathodenseite 20 der Brennstoffzelle 3 zugeführt wird. Der auf einer Anodenseite zugeführte Brennstoff kann vorzugsweise Wasserstoff oder Methan oder Methanol sein. Entsprechend entsteht als Abgas Wasserdampf und Kohlendioxid. Das Abgas wird auf der Kathodenseite 20 der Brennstoffzelle 3 in Form eines Abgasmassenstroms 10 über eine Abgasleitung 9 abgeführt, wie durch einen Pfeil 10 angedeutet ist. Die Anodenseite der Brennstoffzelle 3 ist in 1 nicht dargestellt.The oxidizing agent is the air coming through the air supply line 8th on a cathode side 20th the fuel cell 3 is fed. The fuel supplied on an anode side can preferably be hydrogen or methane or methanol. Accordingly, water vapor and carbon dioxide are produced as exhaust gas. The exhaust gas is on the cathode side 20th the fuel cell 3 in the form of an exhaust gas mass flow 10 via an exhaust pipe 9 led away as if by an arrow 10 is indicated. The anode side of the fuel cell 3 is in 1 not shown.

Der Abgasmassenstrom 10 wird über eine Abgasturbine 11 zu einem Abgasaustritt 12 abgeführt, der durch einen Pfeil angedeutet ist. Der Luftverdichter 5 ist in der Luftzuführleitung 8 angeordnet. Die Abgasturbine 11 ist in der Abgasleitung 9 angeordnet. Der Luftverdichter 5 und die Abgasturbine 11 sind über eine Welle mechanisch verbunden.The exhaust gas mass flow 10 is via an exhaust turbine 11th to an exhaust outlet 12th dissipated, which is indicated by an arrow. The air compressor 5 is in the air supply line 8th arranged. The exhaust turbine 11th is in the exhaust pipe 9 arranged. The air compressor 5 and the exhaust turbine 11th are mechanically connected via a shaft.

Die Welle ist durch einen optionalen Elektromotor 14 elektrisch antreibbar. Die Abgasturbine 11 dient der Unterstützung des Elektromotors 14 beim Antreiben des Luftverdichters 5. Der Luftverdichter 5, die Abgasturbine 11, die Welle und der Elektromotor 14 bilden zusammen einen Turboverdichter 15, der auch als Turbomaschine bezeichnet wird.The shaft is by an optional electric motor 14th electrically driven. The exhaust turbine 11th serves to support the electric motor 14th when driving the air compressor 5 . The air compressor 5 who have favourited the exhaust turbine 11th , the shaft and the electric motor 14th together form a turbo compressor 15th , also known as a turbo machine.

Das Brennstoffzellensystem 1 umfasst des Weiteren eine Bypassleitung 13, in der ein Bypassventil 16 angeordnet ist. Über die Bypassleitung 13 mit dem Bypassventil 16 kann ein Bypassluftmassenstrom 17 zur Druckabsenkung von der Luftzuführleitung 8 unter Umgehung des Stacks 2 der Brennstoffzelle 3 in die Abgasleitung 9 abgeführt werden. Das ist zum Beispiel vorteilhaft, um eine Druckabsenkung in dem über die Luftzuführleitung 8 der Brennstoffzelle 3 zugeführten Luftmassenstrom zu bewirken.The fuel cell system 1 also includes a bypass line 13th , in which a bypass valve 16 is arranged. Via the bypass line 13th with the bypass valve 16 can be a bypass air mass flow 17th to lower the pressure of the air supply line 8th bypassing the stack 2 the fuel cell 3 into the exhaust pipe 9 be discharged. This is advantageous, for example, to lower the pressure in the air supply line 8th the fuel cell 3 to effect supplied air mass flow.

Das Brennstoffzellensystem 1 umfasst des Weiteren einen Zwischenkühler 18, der durch ein gestricheltes Rechteck angedeutet ist. Der Zwischenkühler 18 dient dazu, den verdichteten Luftmassenstrom 6 zu kühlen, bevor der Kühlluftmassenstrom 7 über den Kühlluftpfad 19 abgezweigt wird.The fuel cell system 1 further comprises an intercooler 18th , which is indicated by a dashed rectangle. The intercooler 18th serves to control the compressed air mass flow 6th to cool before the cooling air mass flow 7th via the cooling air path 19th is branched off.

1 zeigt nur die Kathodenseite 20 des Brennstoffzellensystems 1. Die Anodenseite ist aus Gründen der Übersichtlichkeit in 1 nicht gezeigt. 1 shows only the cathode side 20th of the fuel cell system 1 . For the sake of clarity, the anode side is in 1 Not shown.

2 zeigt einen Ausschnitt des Brennstoffzellensystems aus 1 mit der Abgasturbine 11, die mit dem Abgasmassenstrom 10 angetrieben wird. Durch einen Doppelpfeil 25 ist angedeutet, wie sich eine Welle 24 im Betrieb des Brennstoffzellensystems mit der Abgasturbine 11 dreht. 2 shows a section of the fuel cell system from 1 with the exhaust turbine 11th that with the exhaust gas mass flow 10 is driven. By a double arrow 25th is indicated as a wave 24 during operation of the fuel cell system with the exhaust gas turbine 11th turns.

Durch eine gestrichelte Linie 26 ist angedeutet, dass die Abgasturbine 11 steuerungsmäßig mit einem elektronischen Steuergerät 27 verbunden ist. In dem Steuergerät 27 wird zum Beispiel eine Drehzahl der Welle 24 der Abgasturbine 11 erfasst. Alternativ oder zusätzlich kann über das Steuergerät 27 Einfluss auf das Betriebsverhalten der Abgasturbine 11 ausgeübt werden.With a dashed line 26th it is indicated that the exhaust gas turbine 11th with an electronic control unit 27 connected is. In the control unit 27 becomes, for example, a speed of rotation of the shaft 24 the exhaust turbine 11th recorded. Alternatively or additionally, the control unit 27 Influence on the operating behavior of the exhaust gas turbine 11th be exercised.

Der Abgasmassenstrom 10 wird über einen Flüssigkeitsabscheider 28 über die Abgasturbine 11 in einen Auspuff 29 geführt. Im Flüssigkeitsabscheider 28 wird Flüssigkeit, insbesondere Wasser, aus dem Abgasmassenstrom 10 abgeschieden. Das abgeschiedene Wasser gelangt über einen Flüssigkeitsablauf 30 in den Auspuff 29.The exhaust gas mass flow 10 is via a liquid separator 28 via the exhaust turbine 11th into an exhaust 29 guided. In the liquid separator 28 becomes liquid, especially water, from the exhaust gas mass flow 10 deposited. The separated water passes through a liquid drain 30th in the exhaust 29 .

Wenn der Turboverdichter (15 in 1) abgeschaltet wird, dann wird die Abgasturbine 11 aufgrund des in der Abgasturbine 11 herrschenden Drucks noch durch den Abgasmassenstrom 10 angetrieben. Daher dauert es eine gewisse Zeit, bis die Abgasturbine 11 nach dem Abschalten des Turboverdichters ausgelaufen ist. Dabei tritt in den zur Lagerung der Welle 24 verwendeten Luftlagern Mischreibung auf, was unerwünscht ist.If the turbo compressor ( 15th in 1 ) is switched off, then the exhaust gas turbine 11th due to the in the exhaust gas turbine 11th prevailing pressure still through the exhaust gas mass flow 10 driven. Therefore, it takes a certain amount of time before the exhaust gas turbine 11th leaked after the turbo compressor was switched off. This occurs in the storage of the shaft 24 Air bearings used mixed friction, which is undesirable.

In 2 ist im Wasserablauf 30 des Wasserabscheiders 28 ein Ventil 31 angeordnet, das, wie durch eine gestrichelte Linie 33 angedeutet ist, angesteuert über das Steuergerät 27, geöffnet wird, so dass ein Teilabgasmassenstrom über den Wasserablauf 30 in den Auspuff 29 abgeführt wird. Dabei wird der Wasserablauf oder Flüssigkeitsablauf 30 trockengeblasen. Im Auspuff 29 wird der Teilabgasmassenstrom dann mit dem Restabgasmassenstrom von der Abgasturbine 11 wieder vereinigt.In 2 is in the water drain 30th of the water separator 28 a valve 31 arranged that as indicated by a dashed line 33 is indicated, controlled via the control unit 27 , is opened, so that a partial exhaust gas mass flow via the water drain 30th in the exhaust 29 is discharged. This is the water drainage or liquid drainage 30th blown dry. In the exhaust 29 the partial exhaust gas mass flow is then with the remaining exhaust gas mass flow from the exhaust gas turbine 11th reunited.

Zwischen dem Wasserabscheider oder Flüssigkeitsabscheider 28 und der Abgasturbine 11 ist eine nur angedeutete Drosseleinrichtung 32 angeordnet. Die Drosseleinrichtung 32 ist optional und dient vorteilhaft dazu, die Zuströmung zur Abgasturbine 11 komplett abzuschalten. Durch eine gestrichelte Linie 34 ist angedeutet, dass die Drosseleinrichtung 32 durch das Steuergerät 27 angesteuert ist.Between the water separator or liquid separator 28 and the exhaust turbine 11th is only a hinted throttle device 32 arranged. The throttle device 32 is optional and serves advantageous to the inflow to the exhaust gas turbine 11th switch off completely. With a dashed line 34 it is indicated that the throttle device 32 through the control unit 27 is controlled.

Bei entsprechender Ansteuerung der Drosseleinrichtung 34 wird der komplette Abgasmassenstrom 10 über den Flüssigkeitsabscheider 28 und das geöffnete Ventil 31 in den Auspuff 29 abgeführt. Durch die vorab beschriebenen Maßnahmen kann die Zeitdauer, die für das Auslaufen der Abgasturbine 11 benötigt wird, durch entsprechende Ansteuerung mit dem Steuergerät 27 auf ein Minimum reduziert werden.With appropriate control of the throttle device 34 becomes the complete exhaust gas mass flow 10 via the liquid separator 28 and the open valve 31 in the exhaust 29 discharged. The measures described above can reduce the time required for the exhaust gas turbine to run down 11th is required, through appropriate control with the control unit 27 can be reduced to a minimum.

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

  • DE 102017212815 A1 [0002]DE 102017212815 A1 [0002]
  • DE 102012224052 A1 [0016]DE 102012224052 A1 [0016]

Claims (10)

Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems (1) mit einem Brennstoffzellenstack (2), von dem auf einer Kathodenseite (20) ein Abgasmassenstrom (10) über eine Abgasturbine (11) entspannt wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teilabgasmassenstrom über einen vor der Abgasturbine (11) angeordneten Flüssigkeitsabscheider (28) abgezweigt wird, um einen Abgasdruck vor der Abgasturbine in mindestens einem bestimmten Betriebszustand gezielt abzusenken.A method for operating a fuel cell system (1) with a fuel cell stack (2), from which an exhaust gas mass flow (10) is expanded on a cathode side (20) via an exhaust gas turbine (11), characterized in that a partial exhaust gas mass flow via an upstream of the exhaust gas turbine (11 ) arranged liquid separator (28) is branched off in order to lower an exhaust gas pressure in front of the exhaust gas turbine in at least one specific operating state in a targeted manner. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Teilabgasmassenstrom vor einem Abschaltvorgang und/oder während eines Abschaltvorgangs des Brennstoffzellensystems (1) über den vor der Abgasturbine (11) angeordneten Flüssigkeitsabscheider (28) abgezweigt wird, um den Abgasdruck vor der Abgasturbine (11) gezielt so weit abzusenken, dass die für ein Auslaufen der Abgasturbine (11) bei dem Abschaltvorgang benötigte Zeitdauer signifikant reduziert wird.Procedure according to Claim 1 , characterized in that the partial exhaust gas mass flow is branched off before a shutdown process and / or during a shutdown process of the fuel cell system (1) via the liquid separator (28) arranged in front of the exhaust gas turbine (11) in order to specifically lower the exhaust gas pressure in front of the exhaust gas turbine (11) that the time required for the exhaust gas turbine (11) to stop during the shutdown process is significantly reduced. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der über den vor der Abgasturbine (11) angeordneten Flüssigkeitsabscheider (28) abgezweigte Teilabgasmassenstrom über ein Ventil (31) in einem Flüssigkeitsablauf (30) des Flüssigkeitsabscheiders (28) in einen Auspuff (29) abgeleitet wird, wobei der Flüssigkeitsablauf (30) des Flüssigkeitsabscheiders (28) getrocknet wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the partial exhaust gas mass flow branched off via the liquid separator (28) arranged in front of the exhaust gas turbine (11) via a valve (31) in a liquid drain (30) of the liquid separator (28) into an exhaust (29) is derived, wherein the liquid drain (30) of the liquid separator (28) is dried. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil (31) über ein Steuergerät (27) des Brennstoffzellensystems (1) geöffnet wird, wenn im Steuergerät (27) erfasste Betriebszustandsdaten darauf hinweisen, dass der bestimmte Betriebszustand eingetreten ist.Procedure according to Claim 3 , characterized in that the valve (31) is opened via a control device (27) of the fuel cell system (1) when operating status data recorded in the control device (27) indicate that the specific operating status has occurred. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Flüssigkeitsabscheider (28) und der Abgasturbine (11) eine verstellbare Drosseleinrichtung (32) angeordnet ist, mit welcher der Abgasmassenstrom zur Abgasturbine (11) reduziert, insbesondere unterbrochen, werden kann, um die für das Auslaufen der Abgasturbine (11) benötigte Zeitdauer weiter zu reduzieren.Method according to one of the preceding claims, characterized in that an adjustable throttle device (32) is arranged between the liquid separator (28) and the exhaust gas turbine (11), with which the exhaust gas mass flow to the exhaust gas turbine (11) can be reduced, in particular interrupted, by to further reduce the time required for the exhaust gas turbine (11) to run down. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem über den vor der Abgasturbine (11) angeordneten Flüssigkeitsabscheider (28) abgezweigten Teilabgasmassenstrom Flüssigkeit über den Flüssigkeitsablauf (30) des Flüssigkeitsabscheiders (28) in den Auspuff (29) getrieben wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that with the partial exhaust gas mass flow branched off via the liquid separator (28) arranged in front of the exhaust gas turbine (11), liquid is driven into the exhaust (29) via the liquid outlet (30) of the liquid separator (28). Computerprogramm, welches eingerichtet ist, die Schritte eines Verfahrens gemäß Anspruch 4 oder Anspruch 5 durchzuführen.Computer program which is set up, the steps of a method according to Claim 4 or Claim 5 perform. Maschinenlesbares Speichermedium, auf welchem ein Computerprogramm nach Anspruch 7 gespeichert ist.Machine-readable storage medium on which a computer program is based Claim 7 is stored. Elektronisches Steuergerät (27), das eingerichtet ist, die Schritte eines Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6 durchzuführen.Electronic control device (27) which is set up to carry out the steps of a method according to one of the Claims 1 until 6th perform. Brennstoffzellensystem (1) mit einem Brennstoffzellenstack (2), von dem auf einer Kathodenseite (20) ein Abgasmassenstrom über eine Abgasturbine (11) entspannt in einen Auspuff (29) abgeführt wird, und mit einem Steuergerät (27), das steuerungsmäßig so mit einem beziehungsweise dem Ventil (31) verbunden ist, dass der Abgasdruck vor der Abgasturbine (11) in mindestens einem bestimmten Betriebszustand gezielt abgesenkt werden kann.Fuel cell system (1) with a fuel cell stack (2), from which an exhaust gas mass flow is discharged into an exhaust (29) on a cathode side (20) via an exhaust gas turbine (11), and with a control unit (27) which, in terms of control, has a or the valve (31) is connected so that the exhaust gas pressure in front of the exhaust gas turbine (11) can be reduced in a targeted manner in at least one specific operating state.
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Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102012224052A1 (en) 2012-12-20 2014-06-26 Robert Bosch Gmbh Method for detecting surge in electrically driven compressor of vehicle fuel cell system, involves detecting compressor pumping based on change in torque and target current of drive device, and target rotational speed of compressor
DE102017212815A1 (en) 2017-07-26 2019-01-31 Robert Bosch Gmbh Turbomachine, in particular for a fuel cell system

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