DE102021002031A1 - Fuel cell system with modular compressors - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem für Fahrzeuge, ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems und ein Fahrzeug, umfassend ein Brennstoffzellensystem.
Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem (1) für Fahrzeuge umfasst
a) zumindest einen Brennstoffzellenstapel (2, 3),
b) einen ersten Verdichter (4), der dazu ausgebildet ist, einen Brennstoff mit einem ersten Wirkungsgrad bei einem ersten Massendurchsatz und einem ersten Verdichtungsdruck zu verdichten,
c) einen zweiten Verdichter (5), der dazu ausgebildet ist, einen Brennstoff mit einem zweiten Wirkungsgrad bei einem zweiten Massendurchsatz und einem zweiten Verdichtungsdruck zu verdichten, und
d) eine Steuereinheit (6), die dazu ausgebildet ist, den ersten und den zweiten Verdichter (4, 5) so zu steuern, dass
- der erste Massendurchsatz und der zweite Massendurchsatz sich zu einem vorgegebenen Gesamtmassendurchsatz zusammensetzen und
- der erster Verdichtungsdruck und der zweite Verdichtungsdruck sich zu einem vorgegebenen Gesamtverdichtungsdruck zusammensetzen.

Figure DE102021002031A1_0000
The invention relates to a fuel cell system for vehicles, a method for operating a fuel cell system and a vehicle comprising a fuel cell system.
The fuel cell system (1) according to the invention for vehicles comprises
a) at least one fuel cell stack (2, 3),
b) a first compressor (4) which is designed to compress a fuel with a first efficiency at a first mass flow rate and a first compression pressure,
c) a second compressor (5) which is designed to compress a fuel with a second efficiency at a second mass throughput and a second compression pressure, and
d) a control unit (6) which is designed to control the first and the second compressor (4, 5) so that
- The first mass throughput and the second mass throughput are combined to form a predetermined total mass throughput, and
the first compression pressure and the second compression pressure are combined to form a predetermined total compression pressure.
Figure DE102021002031A1_0000

Description

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem für Fahrzeuge, ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems und ein Fahrzeug, umfassend ein Brennstoffzellensystem.The invention relates to a fuel cell system for vehicles, a method for operating a fuel cell system and a vehicle comprising a fuel cell system.

Aus der DE10116712A1 ist eine Luftversorgungseinrichtung eines Brennstoffzellensystems, insbesondere in einem Fahrzeug, mit einer Mehrzahl an mittels Luftverdichtern mit Luft zu versorgenden Funktionseinheiten, und ein Verfahren zur Luftversorgung von Funktionseinheiten eines Brennstoffzellensystems bekannt.From the DE10116712A1 An air supply device of a fuel cell system, in particular in a vehicle, with a plurality of functional units to be supplied with air by means of air compressors, and a method for supplying air to functional units of a fuel cell system are known.

Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem für Fahrzeuge umfasst

  1. a) zumindest einen Brennstoffzellenstapel,
  2. b) einen ersten Verdichter, der dazu ausgebildet ist, einen Brennstoff mit einem ersten Wirkungsgrad bei einem ersten Massendurchsatz und einem ersten Verdichtungsdruck zu verdichten,
  3. c) einen zweiten Verdichter, der dazu ausgebildet ist, einen Brennstoff mit einem zweiten Wirkungsgrad bei einem zweiten Massendurchsatz und einem zweiten Verdichtungsdruck zu verdichten, und
  4. d) eine Steuereinheit, die dazu ausgebildet ist, den ersten und den zweiten Verdichter so zu steuern, dass
    • - der erste Massendurchsatz und der zweite Massendurchsatz sich zu einem vorgegebenen Gesamtmassendurchsatz zusammensetzen und
    • - der erster Verdichtungsdruck und der zweite Verdichtungsdruck sich zu einem vorgegebenen Gesamtverdichtungsdruck zusammensetzen.
The fuel cell system according to the invention for vehicles comprises
  1. a) at least one fuel cell stack,
  2. b) a first compressor which is designed to compress a fuel with a first efficiency at a first mass flow rate and a first compression pressure,
  3. c) a second compressor which is designed to compress a fuel with a second efficiency at a second mass flow rate and a second compression pressure, and
  4. d) a control unit which is designed to control the first and the second compressor so that
    • - The first mass throughput and the second mass throughput are combined to form a predetermined total mass throughput, and
    • the first compression pressure and the second compression pressure are combined to form a predetermined total compression pressure.

Dadurch, dass die Steuereinheit dazu ausgebildet ist, den ersten und den zweiten Verdichter so zu steuern, dass der erste Massendurchsatz und der zweite Massendurchsatz sich zu einem vorgegebenen Gesamtmassendurchsatz zusammensetzen und der erster Verdichtungsdruck und der zweite Verdichtungsdruck sich zu einem vorgegebenen Gesamtverdichtungsdruck zusammensetzen, können Betriebspunkte des ersten und des zweiten Verdichters flexibel eingestellt werden. Dies ermöglicht einen Betrieb der Verdichter bei Betriebspunkten mit hohen Wirkungsgraden. Insbesondere können so Gesamtwirkungsgrade, welche sich aus dem ersten Wirkungsgrad und dem zweiten Wirkungsgrad zusammensetzen, erzielt werden, die höher sind, als Verdichtungswirkungsgrade von Brennstoffzellensystemen mit einem einzelnen Verdichter.The fact that the control unit is designed to control the first and the second compressor in such a way that the first mass flow rate and the second mass flow rate are combined to form a predetermined total mass flow rate and the first compression pressure and the second compression pressure are combined to form a predetermined total compression pressure, operating points can of the first and the second compressor can be flexibly adjusted. This enables the compressors to be operated at operating points with high efficiencies. In particular, it is possible in this way to achieve overall efficiencies, which are composed of the first efficiency and the second efficiency, which are higher than the compression efficiencies of fuel cell systems with a single compressor.

Vorzugsweise umfasst das Brennstoffzellensystem eine schaltbare Verbindung, die dazu ausgebildet ist, den ersten Verdichter und den zweiten Verdichter in einer ersten Schaltstellung parallel zu verschalten und in einer zweiten Schaltstellung seriell zu verschalten. Dies ermöglicht die Einstellung von vorgegebenen Gesamtmassendurchsätzen und Gesamtverdichtungsdrücken, die in einem reinen Parallelbetrieb der Verdichter aufgrund von Pumpgrenzen oder Stopfgrenzen der Verdichter nicht einstellbar sind.The fuel cell system preferably comprises a switchable connection which is designed to connect the first compressor and the second compressor in parallel in a first switching position and to connect them in series in a second switching position. This enables the setting of predetermined total mass throughputs and total compression pressures, which cannot be set in a pure parallel operation of the compressors due to the pump limits or clogging limits of the compressors.

Vorzugsweise umfasst das Brennstoffzellensystem eine Rückkopplung, welche einen Ausgang des Brennstoffzellenstapels mit einem Eingang des Brennstoffzellenstapels und/oder einem Befeuchter und/oder einem Ausgang des ersten und/oder zweiten Verdichters so verbindet, dass ein geschlossener Druckkreislauf entsteht. Dadurch kann ein Ausgangsdruck des Brennstoffzellenstapels genutzt werden, um eine zur Erzeugung des vorgegebenen Gesamtverdichtungsdrucks notwendige Verdichtungsleistungsleistung des ersten und/oder zweiten Verdichters zu reduzieren, woraus eine Steigerung des Gesamtwirkungsgrads des Brennstoffzellensystems folgt.The fuel cell system preferably includes a feedback that connects an output of the fuel cell stack to an input of the fuel cell stack and / or a humidifier and / or an output of the first and / or second compressor in such a way that a closed pressure circuit is created. As a result, an output pressure of the fuel cell stack can be used in order to reduce a compression power output of the first and / or second compressor that is necessary to generate the predetermined total compression pressure, which results in an increase in the overall efficiency of the fuel cell system.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems umfasst die Schritte:

  • S1: Verdichten eines Brennstoffs mittels eines ersten Verdichters und eines zweiten Verdichters, wobei eine Steuereinheit zur Optimierung eines Gesamtwirkungsgrades den ersten und den zweiten Verdichter so steuert, dass
    • - ein erster Massendurchsatz des ersten Verdichters und ein zweiter Massendurchsatz des zweiten Verdichters sich zu einem vorgegebenen Gesamtmassendurchsatz zusammensetzen und
    • - ein erster Verdichtungsdruck des ersten Verdichters und ein zweiter Verdichtungsdruck des zweiten Verdichters sich zu einem vorgegebenen Gesamtverdichtungsdruck zusammensetzen;
  • S2: Anreichern des verdichteten Brennstoffs mit Wasserdampf mittels eines Befeuchters;
  • S3: Umwandeln einer chemischen Energie des verdichteten Brennstoffs in eine elektrische Energie mittels eines Brennstoffzellenstapels.
The method according to the invention for operating a fuel cell system comprises the steps:
  • S1: Compressing a fuel by means of a first compressor and a second compressor, wherein a control unit for optimizing an overall efficiency controls the first and the second compressor in such a way that
    • - A first mass flow rate of the first compressor and a second mass flow rate of the second compressor are combined to form a predetermined total mass flow rate, and
    • a first compression pressure of the first compressor and a second compression pressure of the second compressor are combined to form a predetermined total compression pressure;
  • S2: Enriching the compressed fuel with water vapor by means of a humidifier;
  • S3: Conversion of chemical energy of the compressed fuel into electrical energy by means of a fuel cell stack.

Das erfindungsgemäße Fahrzeug umfasst ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem.The vehicle according to the invention comprises a fuel cell system according to the invention.

Die abhängigen Ansprüche beschreiben weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung.The dependent claims describe further advantageous embodiments of the invention.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele werden anhand der folgenden Figuren näher erläutert. Dabei zeigt

  • 1 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems für Fahrzeuge,
  • 2 ein Betriebsdiagramm eines Brennstoffzellensystems mit einem einzelnen Verdichter und Betriebsdiagramme eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems mit zwei Verdichtern und
  • 3 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems.
Preferred exemplary embodiments are explained in more detail with reference to the following figures. It shows
  • 1 an embodiment of a fuel cell system according to the invention for vehicles,
  • 2 an operating diagram of a fuel cell system with a single compressor and operating diagrams of a fuel cell system according to the invention with two compressors and
  • 3 an embodiment of a method according to the invention for operating a fuel cell system.

Das in 1 gezeigte Brennstoffzellensystem 1 umfasst zwei Brennstoffzellenstapel 2, 3. Jeder Brennstoffzellenstapel 2, 3 umfasst eine Vielzahl gestapelter Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen (Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PEMFC). Jede Brennstoffzelle umfasst eine Kathode 2a, 3a, eine Protonenaustauschmembran 2b, 3b und eine Anode 2c, 3c. In 1 ist zur Veranschaulichung pro Brennstoffzellenstapel 2, 3 jeweils eine Brennstoffzelle dargestellt.This in 1 shown fuel cell system 1 includes two fuel cell stacks 2 , 3 . Any fuel cell stack 2 , 3 includes a variety of stacked proton exchange membrane fuel cells (PEMFC). Each fuel cell includes a cathode 2a , 3a , a proton exchange membrane 2 B , 3b and an anode 2c , 3c . In 1 is for illustration per fuel cell stack 2 , 3 each shown a fuel cell.

Weiterhin umfasst das Brennstoffzellensystem 1 einen ersten Verdichter 4 und einen zweiten Verdichter 5. Beide Verdichter 4, 5 sind baugleiche elektrisch betriebene Axialverdichter mit gleichem Nennmassendurchsatz. Der erste Verdichter 4 ist dazu ausgebildet, einen Brennstoff mit einem ersten Wirkungsgrad bei einem ersten Massendurchsatz und einem ersten Verdichtungsdruck zu verdichten. Der zweite Verdichter 5 ist dazu ausgebildet, einen Brennstoff mit einem zweiten Wirkungsgrad bei einem zweiten Massendurchsatz und einem zweiten Verdichtungsdruck zu verdichten.The fuel cell system also includes 1 a first compressor 4th and a second compressor 5 . Both compressors 4th , 5 are structurally identical electrically operated axial compressors with the same nominal mass throughput. The first compressor 4th is designed to compress a fuel with a first efficiency at a first mass flow rate and a first compression pressure. The second compressor 5 is designed to compress a fuel with a second efficiency at a second mass flow rate and a second compression pressure.

Beide Verdichter 4, 5 werden mit einer Steuereinheit 6 gesteuert. Die Steuerung erfolgt so, dass der erste Massendurchsatz und der zweite Massendurchsatz sich zu einem vorgegebenen Gesamtmassendurchsatz zusammensetzen und der erste Verdichtungsdruck und der zweite Verdichtungsdruck sich zu einem vorgegebenen Gesamtverdichtungsdruck zusammensetzen. Im Ausführungsbeispiel werden der Gesamtmassendurchsatz und der Gesamtverdichtungsdruck dabei durch einen Brennstoffbedarf der Brennstoffzellenstapel 2, 3 vorgegeben. Durch die Steuereinheit 6 werden die Betriebspunkte des ersten und des zweiten Verdichters 4, 5 so eingestellt, dass ein höchstmöglicher Gesamtwirkungsgrad, welcher sich aus dem ersten Wirkungsgrad des ersten Verdichters 4 und dem zweiten Wirkungsgrad des zweiten Verdichters 5 zusammensetzt, erreicht wird.Both compressors 4th , 5 come with a control unit 6th controlled. The control takes place in such a way that the first mass throughput and the second mass throughput are combined to form a predetermined total mass throughput and the first compression pressure and the second compression pressure are combined to form a predetermined total compression pressure. In the exemplary embodiment, the total mass throughput and the total compression pressure are determined by a fuel requirement of the fuel cell stacks 2 , 3 given. Through the control unit 6th become the operating points of the first and the second compressor 4th , 5 adjusted so that the highest possible overall efficiency, which results from the first efficiency of the first compressor 4th and the second efficiency of the second compressor 5 composed, is achieved.

Im Ausführungsbeispiel ist ein Ausgang des ersten Verdichters 4 mittels einer schaltbaren Verbindung 16 in einer ersten Schaltstellung mit einem Ausgang des zweiten Verdichters 5 verbunden. Die schaltbare Verbindung 16 umfasst ein Dreiwegeventil 17, welches mittels der Steuereinheit 6 gesteuert wird. In der ersten Schaltstellung ermöglicht die schaltbare Verbindung 16 einen parallelen Betrieb der Verdichter 4, 5. Des Weiteren wird durch die Verbindung der beiden Verdichterausgänge ein Druckausgleich des ersten Verdichtungsdrucks und des zweiten Verdichtungsdrucks erreicht, wodurch Druckschwankungen an einem Eingang der Brennstoffzellenstapel 2, 3 vermindert werden.In the exemplary embodiment, there is an output of the first compressor 4th by means of a switchable connection 16 in a first switching position with an output of the second compressor 5 tied together. The switchable connection 16 includes a three-way valve 17th , which by means of the control unit 6th is controlled. In the first switch position, the switchable connection enables 16 parallel operation of the compressors 4th , 5 . Furthermore, the connection of the two compressor outlets achieves a pressure equalization of the first compression pressure and the second compression pressure, as a result of which pressure fluctuations at an inlet of the fuel cell stack 2 , 3 be reduced.

In einer zweiten Schaltstellung verbindet die schaltbare Verbindung 16 den Ausgang des ersten Verdichters 4 mit einem Eingang des zweiten Verdichters 5. Dies ermöglicht einen seriellen Betrieb der beiden Verdichter 4, 5, durch den höhere Gesamtverdichtungsdrücke erreichbar sind als im parallelen Betrieb.The switchable connection connects in a second switch position 16 the output of the first compressor 4th with an input of the second compressor 5 . This enables serial operation of the two compressors 4th , 5 , by means of which higher total compression pressures can be achieved than in parallel operation.

Weiterhin ist zwischen dem Ausgang des zweiten Verdichters 5 und dem Eingang der Brennstoffzellenstapel 2, 3 ein Befeuchter 7 angeordnet. Der Befeuchter 7 umfasst eine wasserdurchlässige Polymermembran und ist dazu ausgebildet, den verdichteten Brennstoff mit Wasserdampf anzureichern. Durch die Befeuchtung des Brennstoffs werden Umwandlungswirkungsgrade sowie Lebensdauern der Brennstoffzellenstapel 2, 3 erhöht.Furthermore, there is between the output of the second compressor 5 and the entrance of the fuel cell stacks 2 , 3 a humidifier 7th arranged. The humidifier 7th comprises a water-permeable polymer membrane and is designed to enrich the compressed fuel with water vapor. The humidification of the fuel increases the conversion efficiencies and lifetimes of the fuel cell stacks 2 , 3 elevated.

Im Ausführungsbeispiel umfasst das Brennstoffzellensystem 1 eine Rückkopplung 8, welche einen Ausgang der Brennstoffzellenstapel 2, 3 mit dem Befeuchter 7 so verbindet, dass ein geschlossener Druckkreislauf entsteht. Ein in der Rückkopplung 8 angeordnetes Druckregulationsventil 9, welches mittels der Steuereinheit 6 gesteuert wird, ermöglicht die Einstellung einer vorgegebenen Druckdifferenz zwischen dem Ausgang der Brennstoffzellenstapel 2, 3 und dem Befeuchter 7. Durch die Rückkopplung 8 und die Druckregulation wird eine zur Erzeugung des vorgegebenen Gesamtverdichtungsdrucks notwendige Verdichtungsleistung des ersten und zweiten Verdichters reduziert, wodurch sich der Gesamtwirkungsgrad des Brennstoffzellensystems 1 erhöht.In the exemplary embodiment, the fuel cell system comprises 1 a feedback 8th showing an output of the fuel cell stack 2 , 3 with the humidifier 7th connects in such a way that a closed pressure circuit is created. One in the feedback 8th arranged pressure regulation valve 9 , which by means of the control unit 6th is controlled, enables the setting of a predetermined pressure difference between the output of the fuel cell stack 2 , 3 and the humidifier 7th . Through the feedback 8th and the pressure regulation reduces a compression power of the first and second compressors that is necessary for generating the predetermined total compression pressure, whereby the overall efficiency of the fuel cell system is increased 1 elevated.

2 zeigt ein Betriebsdiagramm 10 des ersten Verdichters 4 und ein Betriebsdiagramm 11 des zweiten Verdichters 5 im Parallelbetrieb. Weiterhin zeigt 2 ein Betriebsdiagramm 12 eines konventionellen Brennstoffzellensystems (nicht gezeigt), welches aus dem Stand der Technik bekannt ist und einen einzelnen Verdichter umfasst. Der einzelne Verdichter ist dazu ausgebildet, das konventionelle Brennstoffzellensystem in einem Einzelbetrieb zu betreiben. Zu diesem Zweck hat er einen doppelt so hohen Nennmassendurchsatz wie der erste Verdichter 4. Die Betriebsdiagramme 10, 11, 12 umfassen jeweils eine Darstellung eines Massendurchsatzes, welche auf einer Abszisse 13 aufgetragen ist, und eines Verdichtungsverhältnisses, welches auf einer Ordinate 14 aufgetragen ist. Ferner umfassen die Betriebsdiagramme 10, 11, 12 Niveaulinien 15, die Wirkungsgrade der Verdichter kennzeichnen. In den Betriebsdiagrammen 10, 11, 12 sind verschiedene Betriebspunkte der Verdichter eingezeichnet. Ein Betriebspunkt ist dabei charakterisiert durch einen vorgegebenen Gesamtmassendurchsatz m und ein vorgegebenes Gesamtverdichtungsdruckverhältnis PR. 2 shows an operational diagram 10 of the first compressor 4th and an operational diagram 11 of the second compressor 5 in parallel operation. Furthermore shows 2 an operational diagram 12th a conventional fuel cell system (not shown) which is known from the prior art and comprises a single compressor. The individual compressor is designed to operate the conventional fuel cell system in a single mode. For this purpose, it has a nominal mass throughput that is twice as high as the first compressor 4th . The operating diagrams 10 , 11 , 12th each include a representation of a mass throughput, which is on an abscissa 13th is plotted, and a compression ratio which is on an ordinate 14th is applied. Furthermore, the operating diagrams include 10 , 11 , 12th Level lines 15th , which mark the efficiency of the compressors. In the operating diagrams 10 , 11 , 12th various operating points of the compressors are shown. An operating point is characterized by a predetermined total mass flow rate m and a predetermined total compression pressure ratio PR.

Im Folgenden werden Parameter des ersten Verdichters 4 mit dem Index 1 gekennzeichnet. Parameter des zweiten Verdichters 5 werden mit dem Index 2 gekennzeichnet.The following are parameters of the first compressor 4th with the index 1 marked. Second compressor parameters 5 be with the index 2 marked.

Bei Betriebspunkt A ist der vorgegebenen Gesamtmassendurchsatz ṁA. Das vorgegebene Gesamtverdichtungsdruckverhältnis ist PRA. PRA und ṁA können in konventionellen Brennstoffzellensystemen durch Betrieb eines einzelnen Verdichters eingestellt werden (vergleiche Betriebsdiagramm 12). Derselbe Gesamtmassendurchsatz ṁA kann ebenfalls durch den Parallelbetrieb des ersten Verdichters 4 und des zweiten Verdichters 5 im erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem 1 realisiert werden (vergleiche Betriebsdiagramme 10, 11). Der erste Verdichter 4 und der zweite Verdichter 5 werden dabei mittels der Steuereinheit 6 so gesteuert, dass ein maximaler Gesamtwirkungsgrad, welcher sich aus dem ersten Wirkungsgrad des ersten Verdichters 4 und dem zweiten Wirkungsgrad des zweiten Verdichters 5 zusammensetzt, erzielt wird. Im Ausführungsbeispiel wird dies erreicht, indem der Gesamtmassendurchsatz mittels des ersten Verdichters 4 durchgesetzt wird ṁA = ṁA1. Der Massendurchsatz des zweiten Verdichters 5 ṁA2 ist am Betriebspunkt A 0 kg/s. Der erste Wirkungsgrad des ersten Verdichters 4 ist aufgrund einer kleineren Dimensionierung (halber Nennmassendurchsatz) bei Betriebspunkt A höher als ein Wirkungsgrad des einzelnen Verdichters. Dadurch wird beim Betrieb des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems 1 bei Betriebspunkunkt A ein höherer Gesamtwirkungsgrad erreicht als beim konventionellen System mit einem einzelnen größer dimensionierten Verdichter.At operating point A, the specified total mass flow rate is ṁ A. The given total compression pressure ratio is PR A. PR A and ṁ A can be set in conventional fuel cell systems by operating a single compressor (see operating diagram 12th ). The same total mass flow rate ṁ A can also be achieved by operating the first compressor in parallel 4th and the second compressor 5 in the fuel cell system according to the invention 1 can be realized (compare operating diagrams 10 , 11 ). The first compressor 4th and the second compressor 5 are done by means of the control unit 6th controlled so that a maximum overall efficiency, which results from the first efficiency of the first compressor 4th and the second efficiency of the second compressor 5 composed, is achieved. In the exemplary embodiment, this is achieved by increasing the total mass throughput by means of the first compressor 4th ṁ A = ṁ A1 is enforced. The mass flow rate of the second compressor 5 ṁ A2 is 0 kg / s at operating point A. The first efficiency of the first compressor 4th is due to a smaller dimensioning (half the nominal mass flow rate) at operating point A higher than the efficiency of the individual compressor. This is when the fuel cell system according to the invention is operated 1 at operating point A, a higher overall efficiency is achieved than with a conventional system with a single, larger-sized compressor.

Bei Betriebspunkt B ist der vorgegebenen Gesamtmassendurchsatz ṁB. Das vorgegebene Gesamtverdichtungsdruckverhältnis ist PRB. PRB und ṁB können in konventionellen Brennstoffzellensystemen durch einen Betrieb des einzelnen Verdichters eingestellt werden (vergleiche Betriebsdiagramm 12). Derselbe Gesamtmassendurchsatz ṁB kann ebenfalls durch den Parallelbetrieb des ersten Verdichters 4 und des zweiten Verdichters 5 im erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem 1 realisiert werden (vergleiche Betriebsdiagramme 10, 11). Dabei gilt ṁB = ṁB1 + ṁB2 und PRB = f(ṁB1, PRB1, ṁB2, PRB2). Mittels der Steuereinheit 6 werden der erste Verdichter 4 und der zweite Verdichter 5 dabei so gesteuert, dass ein Gesamtwirkungsgrad der Verdichter 4, 5 bei Betriebspunkt B, höher ist als bei konventionellen Brennstoffzellensystem mit einem einzelnen Verdichter.At operating point B, the specified total mass flow rate is ṁB. The specified total compression pressure ratio is PR B. PR B and ṁ B can be set in conventional fuel cell systems by operating the individual compressor (see operating diagram 12th ). The same total mass throughput ṁ B can also be achieved by operating the first compressor in parallel 4th and the second compressor 5 in the fuel cell system according to the invention 1 can be realized (compare operating diagrams 10 , 11 ). Here, ṁ B = ṁ B1 + ṁ B2 and PR B = f (ṁ B1 , PR B1 , ṁ B2 , PR B2 ). By means of the control unit 6th become the first compressor 4th and the second compressor 5 controlled in such a way that an overall efficiency of the compressor 4th , 5 at operating point B, is higher than with conventional fuel cell systems with a single compressor.

Im Ausführungsbeispiel wird das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem 1 mit dem in 3 gezeigten Verfahren betrieben. In einem ersten Schritt des Verfahrens S1 verdichten der erste Verdichter 4 und der zweite Verdichter 5 einen Brennstoff. Dabei werden die Verdichter 4, 5 mittels der Steuereinheit 6 so gesteuert, dass der erste Massendurchsatz des ersten Verdichters 4 und der zweite Massendurchsatz des zweiten Verdichters 5 sich zu einem vorgegebenen Gesamtmassendurchsatz zusammensetzen, der erste Verdichtungsdruck des ersten Verdichters 4 und der zweite Verdichtungsdruck des zweiten Verdichters 5 sich zu einem vorgegebenen Gesamtverdichtungsdruck zusammensetzen und ein Gesamtwirkungsgrad, welcher sich aus dem ersten Wirkungsgrad des ersten Verdichters 4 und dem zweiten Wirkungsgrad des zweiten Verdichters 5 zusammensetzt, optimiert wird. In einem zweiten Schritt des Verfahrens S2 reichert der Befeuchter 7 den verdichteten Brennstoff mit Wasserdampf an. In einem dritten Schritt des Verfahrens S3 wandeln die Brennstoffzellenstapel 2, 3 eine chemische Energie des verdichteten Brennstoffs in eine elektrische Energie um.In the exemplary embodiment, the fuel cell system according to the invention 1 with the in 3 procedures shown. In a first step of the process S1 compress the first compressor 4th and the second compressor 5 a fuel. Thereby the compressors 4th , 5 by means of the control unit 6th controlled so that the first mass flow rate of the first compressor 4th and the second mass flow rate of the second compressor 5 make up a given total mass flow rate, the first compression pressure of the first compressor 4th and the second compression pressure of the second compressor 5 are composed of a predetermined total compression pressure and an overall efficiency, which is derived from the first efficiency of the first compressor 4th and the second efficiency of the second compressor 5 composed, is optimized. In a second step of the process S2 enriches the humidifier 7th the compressed fuel with steam. In a third step of the process S3 convert the fuel cell stacks 2 , 3 converts the chemical energy of the compressed fuel into electrical energy.

Im Ausführungsbeispiel ist das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem 1 in einen Lastkraftwagen (nicht gezeigt) integriert.In the exemplary embodiment is the fuel cell system according to the invention 1 integrated in a truck (not shown).

In weiteren Ausführungsbeispielen (nicht gezeigt) werden erfindungsgemäße Brennstoffzellensysteme zum Antrieb von Schienenfahrzeugen und Wasserfahrzeugen verwendet.In further exemplary embodiments (not shown), fuel cell systems according to the invention are used to drive rail vehicles and watercraft.

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

  • DE 10116712 A1 [0002]DE 10116712 A1 [0002]

Claims (10)

Brennstoffzellensystem (1) für Fahrzeuge, umfassend a) zumindest einen Brennstoffzellenstapel (2, 3), b) einen ersten Verdichter (4), der dazu ausgebildet ist, einen Brennstoff mit einem ersten Wirkungsgrad bei einem ersten Massendurchsatz und einem ersten Verdichtungsdruck zu verdichten, c) einen zweiten Verdichter (5), der dazu ausgebildet ist, einen Brennstoff mit einem zweiten Wirkungsgrad bei einem zweiten Massendurchsatz und einem zweiten Verdichtungsdruck zu verdichten und d) eine Steuereinheit (6), die dazu ausgebildet ist, den ersten und den zweiten Verdichter (4, 5) so zu steuern, dass - der erste Massendurchsatz und der zweite Massendurchsatz sich zu einem vorgegebenen Gesamtmassendurchsatz zusammensetzen und - der erste Verdichtungsdruck und der zweite Verdichtungsdruck sich zu einem vorgegebenen Gesamtverdichtungsdruck zusammensetzen.Fuel cell system (1) for vehicles, comprising a) at least one fuel cell stack (2, 3), b) a first compressor (4) which is designed to compress a fuel with a first efficiency at a first mass flow rate and a first compression pressure, c) a second compressor (5) which is designed to compress a fuel with a second efficiency at a second mass flow rate and a second compression pressure and d) a control unit (6) which is designed to control the first and the second compressor (4, 5) so that - The first mass throughput and the second mass throughput are combined to form a predetermined total mass throughput, and the first compression pressure and the second compression pressure are combined to form a predetermined total compression pressure. Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 1, umfassend eine schaltbare Verbindung (16), die dazu ausgebildet ist, den ersten Verdichter (4) und den zweiten Verdichter (5) in einer ersten Schaltstellung parallel zu verschalten und in einer zweiten Schaltstellung seriell zu verschalten.Fuel cell system (1) according to Claim 1 , comprising a switchable connection (16) which is designed to connect the first compressor (4) and the second compressor (5) in parallel in a first switching position and to connect them in series in a second switching position. Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 2, wobei die schaltbare Verbindung (16) ein Dreiwegeventil (17) umfasst, welches mittels der Steuereinheit (6) steuerbar ist.Fuel cell system (1) according to Claim 2 , wherein the switchable connection (16) comprises a three-way valve (17) which can be controlled by means of the control unit (6). Brennstoffzellensystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der vorgegebene Gesamtmassendurchsatz und der vorgegebene Gesamtverdichtungsdruck durch einen Brennstoffbedarf des Brennstoffzellenstapels (2, 3) vorgegeben werden.Fuel cell system (1) according to one of the preceding claims, wherein the predetermined total mass throughput and the predetermined total compression pressure are predetermined by a fuel requirement of the fuel cell stack (2, 3). Brennstoffzellensystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Ausgang des ersten Verdichters (4) und ein Ausgang des zweiten Verdichters (5) zwecks eines Ausgleichs des ersten Verdichtungsdrucks und des zweiten Verdichtungsdrucks miteinander verbunden sind.Fuel cell system (1) according to one of the preceding claims, wherein an output of the first compressor (4) and an output of the second compressor (5) are connected to one another for the purpose of equalizing the first compression pressure and the second compression pressure. Brennstoffzellensystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend einen Befeuchter (7), welcher zwischen den Verdichtern (4, 5) und dem Brennstoffzellenstapel (2, 3) angeordnet ist und dazu ausgebildet ist, einen verdichteten Brennstoff mit Wasserdampf anzureichern.Fuel cell system (1) according to one of the preceding claims, comprising a humidifier (7) which is arranged between the compressors (4, 5) and the fuel cell stack (2, 3) and is designed to enrich a compressed fuel with water vapor. Brennstoffzellensystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend eine Rückkopplung, (8) welche einen Ausgang des Brennstoffzellenstapels (2, 3) mit dem Befeuchter (7) und/oder einem Eingang des Brennstoffzellenstapels (2, 3) und/oder dem Ausgang des ersten und/oder zweiten Verdichters (4, 5) so verbindet, dass ein geschlossener Druckkreislauf entsteht.Fuel cell system (1) according to one of the preceding claims, comprising a feedback (8) which connects an output of the fuel cell stack (2, 3) with the humidifier (7) and / or an input of the fuel cell stack (2, 3) and / or the output of the first and / or second compressor (4, 5) connects so that a closed pressure circuit is created. Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 7, wobei die Rückkopplung (8) ein Druckregulationsventil (9) umfasst, welches mittels der Steuereinheit (6) steuerbar ist.Fuel cell system (1) according to Claim 7 , wherein the feedback (8) comprises a pressure regulation valve (9) which can be controlled by means of the control unit (6). Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems (1), umfassend die Schritte: S1: Verdichten eines Brennstoffs mittels eines ersten Verdichters (4) und eines zweiten Verdichters (5), wobei eine Steuereinheit (6) zur Optimierung eines Gesamtwirkungsgrades den ersten und den zweiten Verdichter (4, 5) so steuert, dass - ein erster Massendurchsatz des ersten Verdichters (4) und ein zweiter Massendurchsatz des zweiten Verdichters (5) sich zu einem vorgegebenen Gesamtmassendurchsatz zusammensetzen und - ein erster Verdichtungsdruck des ersten Verdichters (4) und ein zweiter Verdichtungsdruck des zweiten Verdichters (5) sich zu einem vorgegebenen Gesamtverdichtungsdruck zusammensetzen; S2: Anreichern des verdichteten Brennstoffes mit Wasserdampf mittels eines Befeuchters (7); S3: Umwandeln einer chemischen Energie des verdichteten Brennstoffs in eine elektrische Energie mittels eines Brennstoffzellenstapels (2, 3).A method for operating a fuel cell system (1), comprising the steps: S1: Compression of a fuel by means of a first compressor (4) and a second compressor (5), a control unit (6) controlling the first and second compressors (4, 5) in order to optimize an overall efficiency so that - A first mass flow rate of the first compressor (4) and a second mass flow rate of the second compressor (5) are combined to form a predetermined total mass flow rate and - A first compression pressure of the first compressor (4) and a second compression pressure of the second compressor (5) are combined to form a predetermined total compression pressure; S2: Enriching the compressed fuel with water vapor by means of a humidifier (7); S3: Conversion of chemical energy of the compressed fuel into electrical energy by means of a fuel cell stack (2, 3). Fahrzeug, umfassend ein Brennstoffzellensystem (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8.Vehicle comprising a fuel cell system (1) according to one of the Claims 1 until 8th .
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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