DE102021208587A1 - Fuel cell system and method for operating a fuel cell system - Google Patents

Fuel cell system and method for operating a fuel cell system Download PDF

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Abstract

Es wird ein Brennstoffzellensystem (10) und ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems beansprucht. Das Brennstoffzellensystem (10) umfasst:- wenigstens eine Brennstoffzelle (14),- einen Zuluftpfad (18), mit welchem einem Kathodenpfad der Brennstoffzelle (14) Luft zuführbar ist,- einen Abluftpfad (46), mit welchem Abluft der Brennstoffzelle (14) abführbar ist,- wenigstens ein Verdichter (30), mittels welchem dem Brennstoffzellensystem (10) Umgebungsluft zuführbar ist, wobei mittels wenigstens einem der Verdichter (30) Umgebungsluft der Brennstoffzelle (14) zuführbar ist,- wenigstens eine Turbine (62), welche in dem Abluftpfad (46) angeordnet,- ein Zuluftpfad-Absperrventil (38), mit welchem der Zuluftpfad (18) in Strömungsrichtung nach dem Verdichter (30) absperrbar ist,- ein Abluftpfad-Absperrventil (66), mit welchem der Abluftpfad (46) in Strömungsrichtung nach der Turbine (62) absperrbar ist,- eine Bypassleitung (54), die den Zuluftpfad (18) mit dem Abluftpfad (46) verbindet, wobei in der Bypassleitung (54) ein Bypass-Ventil (50) angeordnet ist und die Bypassleitung (54) mit dem Abluftpfad (46) zwischen dem Abluftpfad-Absperrventil (66) und der Turbine (62) verbunden ist und die Bypassleitung (54) mit dem Zuluftpfad (18) zwischen dem Zuluftpfad-Absperrventil (38) und der Brennstoffzelle (14) verbunden ist.A fuel cell system (10) and a method for operating a fuel cell system are claimed. The fuel cell system (10) comprises: - at least one fuel cell (14), - an air inlet path (18) with which air can be supplied to a cathode path of the fuel cell (14), can be removed,- at least one compressor (30) by means of which ambient air can be fed to the fuel cell system (10), wherein by means of at least one of the compressors (30) ambient air can be fed to the fuel cell (14),- at least one turbine (62), which in arranged on the exhaust air path (46), - an intake air path shut-off valve (38), with which the intake air path (18) can be shut off in the direction of flow downstream of the compressor (30), - an exhaust air path shut-off valve (66), with which the exhaust air path (46) can be shut off downstream of the turbine (62) in the direction of flow,- a bypass line (54) which connects the air supply path (18) to the exhaust air path (46), a bypass valve (50) being arranged in the bypass line (54) and the Bypass line (54) with the Ab air path (46) between the exhaust air path shut-off valve (66) and the turbine (62) and the bypass line (54) is connected to the supply air path (18) between the supply air path shut-off valve (38) and the fuel cell (14).

Description

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

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

Stand der TechnikState of the art

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

Der Hintergrund der Erfindung liegt darin, dass beim Abschalten eines Brennstoffzellensystems der Rest-Sauerstoff in den Leitungen und ggf. weiteren Komponenten des Luftpfades verbraucht werden muss, so dass aufgrund des fehlenden Reaktionspartners die Reaktion zum Erliegen kommt und die Spannung an der Brennstoffzelle abfällt. Ein unkontrolliertes Abschalten der Brennstoffzelle würde zu einer Degradation und damit zu einer wesentlich geringeren Lebensdauer der Brennstoffzelle führen. Da jedoch die Brennstoffzelle das teuerste Teil in dem Brennstoffzellensystem ist, ist die Bestrebung die Brennstoffzelle kontrolliert abzuschalten und während dieser Zeit die Spannung abzubauen bzw. zu hohe Spannungen (z.B. Leerlaufspannung) zu vermeiden. Dazu ist es bekannt eine Abgasrückführpumpe (AGR-Pumpe) in einem abgeschlossenen Volumen zu betreiben und den in diesem abgeschlossenen Volumen vorhandenen Sauerstoff in der Brennstoffzelle zu verbrauchen. Während dieser Phase wird, um zu hohe Spannungen zu vermeiden, ein entsprechender Strom von der Brennstoffzelle abgenommen, so dass eine Degradation der Brennstoffzelle minimiert wird. Der Aufwand zum Vorsehen einer AGR-Pumpe in einem Brennstoffzellensystem ist jedoch beträchtlich. Abgesehen von der Pumpe an sich muss zusätzlich ein Antrieb, eine Leistungselektronik und eine Einbindung in das Bordnetz bewerkstelligt werden. Gegebenenfalls sind auch Hardware-Maßnahmen aufgrund Einfrieren/Auftauen erforderlich.The background of the invention is that when a fuel cell system is switched off, the residual oxygen in the lines and possibly other components of the air path must be consumed, so that the reaction comes to a standstill due to the lack of reactants and the voltage at the fuel cell drops. An uncontrolled shutdown of the fuel cell would lead to degradation and thus to a significantly shorter service life of the fuel cell. However, since the fuel cell is the most expensive part in the fuel cell system, the aim is to switch off the fuel cell in a controlled manner and to reduce the voltage during this time or to avoid excessive voltages (e.g. no-load voltage). For this purpose it is known to operate an exhaust gas recirculation pump (EGR pump) in a closed volume and to consume the oxygen present in this closed volume in the fuel cell. During this phase, in order to avoid excessively high voltages, a corresponding current is drawn from the fuel cell, so that degradation of the fuel cell is minimized. However, the expense of providing an EGR pump in a fuel cell system is considerable. Apart from the pump itself, a drive, power electronics and integration into the vehicle electrical system must also be accomplished. Hardware freeze/thaw actions may also be required.

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

Offenbarung der ErfindungDisclosure of Invention

Die Aufgabe wird durch ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen nach Anspruch 1 gelöst. Hinsichtlich eines Verfahrens zum Betreiben, insbesondere zum Abschalten, eines solchen Brennstoffzellensystems wird auf Anspruch 9 verwiesen. Die jeweils rückbezogenen abhängigen Ansprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung wieder.The object is achieved by a fuel cell system having the features of claim 1. Reference is made to claim 9 with regard to a method for operating, in particular for switching off, such a fuel cell system. The dependent claims refer back to advantageous developments of the invention.

Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem umfasst dabei wenigstens eine Brennstoffzelle, einen Zuluftpfad, mit welchem einem Kathodenpfad der Brennstoffzelle Luft zuführbar ist, einen Abluftpfad, mit welchem Abluft der Brennstoffzelle abführbar ist, wenigstens ein Verdichter, mittels welchem dem Brennstoffzellensystem Umgebungsluft zuführbar ist, wenigstens eine Turbine, welche in dem Abluftpfad angeordnet ist, ein Zuluftpfad-Absperrventil, mit welchem der Zuluftpfad in Strömungsrichtung nach dem Verdichter absperrbar ist, ein Abluftpfad-Absperrventil, mit welche der Abluftpfad in Strömungsrichtung nach der Turbine absperrbar ist und eine Bypassleitung mit einem Bypassventil, wobei die Bypassleitung mit dem Abluftpfad zwischen der Turbine und dem Abluftpfad-Absperrventil verbunden ist und wobei die Bypassleitung mit dem Zuluftpfad zwischen dem Zuluftpfad-Absperrventil und der Brennstoffzelle verbunden ist.The fuel cell system according to the invention comprises at least one fuel cell, an air supply path, with which air can be supplied to a cathode path of the fuel cell, an exhaust air path, with which exhaust air from the fuel cell can be discharged, at least one compressor, by means of which ambient air can be supplied to the fuel cell system, at least one turbine, which is arranged in the exhaust air path, an intake air path shut-off valve with which the intake air path can be shut off in the flow direction downstream of the compressor, an exhaust air path shut-off valve with which the exhaust air path can be shut off in the flow direction downstream of the turbine, and a bypass line with a bypass valve, the bypass line having is connected to the exhaust air path between the turbine and the exhaust air path shutoff valve, and wherein the bypass line is connected to the intake air path between the intake air path shutoff valve and the fuel cell.

Es ist von Vorteil, wenn in dem Abluftpfad eine Vorrichtung zur Änderung der Strömungsrichtung angeordnet ist, welche in umgekehrter Richtung zur Turbine betreibbar ist, da auf diese Weise verbleibende sauerstoffhaltige Luft aus dem Luftpfad über die Bypassleitung und den Abluftpfad zur Brennstoffzelle transportiert werden kann, so dass diese vollständig abgebaut werden kann.It is advantageous if a device for changing the direction of flow is arranged in the exhaust air path and can be operated in the opposite direction to the turbine, since in this way remaining oxygen-containing air can be transported from the air path via the bypass line and the exhaust air path to the fuel cell that it can be completely eliminated.

Wenn die Vorrichtung zur Änderung der Strömungsrichtung ein Gebläse oder Verdichterrad ist, kann die Auslegung des Gebläses und des Verdichterrades optimal auf den oben beschriebenen Abtransport von sauerstoffhaltiger Luft ausgerichtet werden.If the device for changing the direction of flow is a fan or compressor wheel, the design of the fan and the compressor wheel can be optimally aligned with the transport of oxygen-containing air described above.

Ein besonderer Vorteil wird erzielt, wenn die Vorrichtung zur Änderung der Strömungsrichtung die Turbine im Abluftpfad ist, welche in einer umgekehrten Richtung betreibbar ist. Durch die Möglichkeit die Turbine in umgekehrte Richtung zu betreiben, hat das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem den Vorteil, dass ein zusätzliches Gebläse mit Antrieb und Leistungselektronik nicht notwendig ist. Während des Abstellvorgangs kann vielmehr die im Brennstoffzellensystem vorhandene Turbine verwendet werden. Das Brennstoffzellensystem lässt sich trotz des Verzichts auf das Gebläse kontrolliert abschalten, so dass eine Degradation vermieden wird. Dadurch lässt sich das Brennstoffzellensystem wirtschaftlicher und platzsparender herstellen.A particular advantage is achieved when the device for changing the flow direction is the turbine in the exhaust air path, which is operable in a reverse direction. Due to the possibility of operating the turbine in the opposite direction, the fuel cell system according to the invention has the advantage that an additional fan with drive and power electronics is not necessary. Rather, the turbine present in the fuel cell system can be used during the shutdown process. Despite the lack of a fan, the fuel cell system can be switched off in a controlled manner so that degradation is avoided becomes. As a result, the fuel cell system can be produced in a more economical and space-saving manner.

Es ist von Vorteil, wenn im Abluftpfad zwischen der Turbine und dem Auslass ein Regelungsventil angeordnet ist, mit welchem ein Druck im Abluftpfad regelbar ist, da dieses die Effizienz des Brennstoffzellensystems steigert. Dieses Regelungsventil kann nach dem Abschalten des Brennstoffzellensystems geschlossen werden, so dass die Gefahr eines Eindringens von Sauerstoff in die Brennstoffzelle zusätzlich minimiert wird. Dadurch wird eine Degradation der Brennstoffzelle zusätzlich reduziert.It is advantageous if a control valve is arranged in the exhaust air path between the turbine and the outlet, with which a pressure in the exhaust air path can be regulated, since this increases the efficiency of the fuel cell system. This control valve can be closed after the fuel cell system has been switched off, so that the risk of oxygen penetrating into the fuel cell is additionally minimized. This further reduces degradation of the fuel cell.

Eine Realisierung des Regelungsventils und des Abluftpfad-Absperrventil in einem gemeinsamen Ventil ist aufgrund des geringeren Bauraums und zum Einsparen von Kosten vorteilhaft.A realization of the control valve and the exhaust air path shut-off valve in a common valve is advantageous because of the smaller installation space and to save costs.

Es ist von Vorteil, wenn die Turbine eine Turbinen-Bypassleitung mit Turbinen-Bypassventil aufweist, da auf diese Weise das Fluid an der Turbine vorbeiströmen kann und ungewollte Druckverlust vermieden werden können.It is advantageous if the turbine has a turbine bypass line with a turbine bypass valve, since in this way the fluid can flow past the turbine and unwanted pressure losses can be avoided.

Ein Rückschlagventil in der Bypassleitung ist vorteilhaft, da die korrekte Strömungsrichtung sichergestellt werden kann.A non-return valve in the bypass line is advantageous because the correct direction of flow can be ensured.

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

Die Erfindung umfasst zusätzlich ein Verfahren zum Abschalten des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems. Das Verfahren umfasst dabei die Schritte des Schließens eines Zuluftpfad-Absperrventils, so dass eine Luftzufuhr aus der Umgebung gestoppt wird, des Schließens eines Abluftpfad-Absperrventils, so dass eine Abgabe der Abluft an die Umgebung gestoppt wird, des Betreibens einer Vorrichtung zur Änderung der Strömungsrichtung, und des Abstellens der Vorrichtung zur Änderung der Strömungsrichtung, wenn der Sauerstoff in einem durch das Zuluftpfad-Absperrventil und das Abluftpfad-Absperrventil gebildeten Volumen verbraucht ist.The invention additionally includes a method for switching off the fuel cell system according to the invention. The method includes the steps of closing an air supply path shut-off valve so that an air supply from the environment is stopped, closing an exhaust air path shut-off valve so that a discharge of the exhaust air to the environment is stopped, operating a device for changing the flow direction , and stopping the flow direction changing device when the oxygen in a volume formed by the supply air path shutoff valve and the exhaust air path shutoff valve is consumed.

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

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

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

Unter einer umgekehrten Richtung im Sinne der Erfindung ist zu verstehen, dass das Gebläse oder die Turbine entgegen der gewöhnlichen Laufrichtung der Turbine betrieben werden. Dadurch wird die Turbine beispielsweise zu einem Gebläse, welches Luft von einem Turbinenausgang zu einem Turbineneingang befördert.A reversed direction within the meaning of the invention is to be understood as meaning that the fan or the turbine is operated in the opposite direction to the usual running direction of the turbine. As a result, the turbine becomes a fan, for example, which conveys air from a turbine outlet to a turbine inlet.

Entspricht die Vorrichtung zur Änderung der Strömungsrichtung der Turbine, so wird die Turbine entgegen ihrer gewöhnlichen Laufrichtung von einem Motor angetrieben. Dadurch wird die Turbine zu einem Gebläse, welches Luft von einem Turbinenausgang zu einem Turbineneingang befördert.If the device for changing the direction of flow corresponds to the turbine, the turbine is driven by a motor in the opposite direction to its normal running direction. As a result, the turbine becomes a fan that moves air from a turbine outlet to a turbine inlet.

Als Ventil im Sinne der Erfindung wird dabei jedes Mittel verstanden, mit welchem eine Strömung reduzierbar und absperrbar ist. Im Sinne der Erfindung werden somit auch Klappen wie z.B. Drosselklappen als Ventile verstanden.A valve within the meaning of the invention is understood to be any means with which a flow can be reduced and shut off. Within the meaning of the invention, flaps such as throttle flaps are also understood as valves.

Unter einem Verdichter wird ein Mittel verstanden, mit welchem unter Erhöhung eines Druckes eines gasförmigen Mediums dieses weiterbeförderbar ist. Ein Verdichter kann somit z.B. eine Strömungsmaschine, ein Kolbenverdichter, ein Schraubenverdichter, ein Gebläse oder ein Turbokompressor sein.A compressor is understood to be a means with which the pressure of a gaseous medium can be increased and the latter can be conveyed further. A compressor can thus be, for example, a turbomachine, a piston compressor, a screw compressor, a blower or a turbo compressor.

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

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

In 1 ist ein Blockschaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems 10 gezeigt. Das Brennstoffzellensystem 10 umfasst eine Brennstoffzelle 14, welcher Luft über einen Zuluftpfad 18 zuführbar ist. Die Luft, welche aus einer Umgebung 22 des Brennstoffzellensystems 10 entnommen wird, wird mittels eines über einen elektrischen Motor M angetriebenen Verdichter 30 komprimiert.In 1 a block diagram of a first exemplary embodiment of a fuel cell system 10 according to the invention is shown. The fuel cell system 10 includes a fuel cell 14 to which air can be supplied via an air supply path 18 . The air which is taken from an environment 22 of the fuel cell system 10 is compressed by means of a compressor 30 driven by an electric motor M.

Durch die Komprimierung der Luft erhöht sich die Temperatur und der Druck der Luft hinter dem Verdichter 30. Dem Verdichter 30 kann im Zuluftpfad 18 ein Kühler 34 nachgeordnet sein, welcher die Temperatur der Luft im Zuluftpfad 18 auf einen für die Brennstoffzelle 14 notwendigen Temperaturbereich bringt.The compression of the air increases the temperature and pressure of the air downstream of the compressor 30. A cooler 34 can be arranged downstream of the compressor 30 in the air supply path 18, which brings the temperature of the air in the air supply path 18 to a temperature range necessary for the fuel cell 14.

Des Weiteren kann im Zuluftpfad 18 ein Luftfilter 26 angeordnet sein, welcher die Luft aus der Umgebung 22 reinigt.Furthermore, an air filter 26 which cleans the air from the environment 22 can be arranged in the supply air path 18 .

In Strömungsrichtung nach dem Verdichter 30 ist ein Zuluftpfad-Absperrventil 38 angeordnet, mit welchem der Zuluftpfad 18 in Strömungsrichtung nach dem Verdichter 30 absperrbar ist.An inlet air path shut-off valve 38 is arranged downstream of the compressor 30 in the flow direction, with which the inlet air path 18 can be shut off in the flow direction downstream of the compressor 30 .

Die Brennstoffzelle 14 ist mit einem Abluftpfad 46 verbunden, über den Abluft der Brennstoffzelle 14 an die Umgebung 22 abführbar ist. Im Abluftpfad 46 ist wenigstens eine Turbine 62 angeordnet.The fuel cell 14 is connected to an exhaust air path 46 via which the exhaust air from the fuel cell 14 can be discharged to the environment 22 . At least one turbine 62 is arranged in the exhaust air path 46 .

Des Weiteren weist der Abluftpfad 46 ein Abluftpfad-Absperrventil 66 auf, mit welchem der Abluftpfad 46 in Strömungsrichtung nach der Turbine 62 absperrbar ist.Furthermore, the exhaust air path 46 has an exhaust air path shut-off valve 66 with which the exhaust air path 46 can be shut off in the direction of flow after the turbine 62 .

Zwischen Zuluftpfad 18 und Abluftpfad 46 ist eine Bypassleitung 54 angeordnet. Die Bypassleitung 54 weist ein Bypassventil 50 auf, über welches die Menge an Luft, welche vom Zuluftpfad 18 in den Abluftpfad 46 strömt, regelbar ist. Das Bypassventil 50 kann die Bypassleitung 54 auch vollständig absperren.A bypass line 54 is arranged between the supply air path 18 and the exhaust air path 46 . The bypass line 54 has a bypass valve 50 via which the amount of air flowing from the air supply path 18 into the exhaust air path 46 can be regulated. The bypass valve 50 can also shut off the bypass line 54 completely.

Die Bypassleitung 54 ist an einem ersten Ende 120 mit dem Abluftpfad 46 zwischen der Turbine 62 und dem Abluftpfad-Absperrventil 66 verbunden und am einem zweiten Ende 110 mit dem Zuluftpfad 18 zwischen dem Zuluftpfad-Absperrventil 38 und der Brennstoffzelle 14 verbunden.The bypass line 54 is connected at a first end 120 to the exhaust path 46 between the turbine 62 and the exhaust path shutoff valve 66 and at a second end 110 to the supply air path 18 between the supply air path shutoff valve 38 and the fuel cell 14 .

In der Bypassleitung 54 kann ein Rückschlagventil angeordnet sein, so dass eine Strömung nur vom Zuluftpfad 18 in Richtung des Abluftpfades 46 möglich ist.A non-return valve can be arranged in the bypass line 54 so that a flow is only possible from the supply air path 18 in the direction of the exhaust air path 46 .

Im Abluftpfad 46 ist eine Vorrichtung zur Änderung der Strömungsrichtung 45 angeordnet, welche in umgekehrter Richtung zur Turbine 46 betreibbar ist.A device for changing the flow direction 45 is arranged in the exhaust air path 46 and can be operated in the opposite direction to the turbine 46 .

Gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel ist die Vorrichtung zur Änderung der Strömungsrichtung 45 ein Gebläse 45, welches durch einen Motor antreibbar ist.According to the first embodiment, the device for changing the direction of flow 45 is a fan 45 which can be driven by a motor.

Des Weiteren ist im Abluftpfad 46 ein Regelungsventil 48, mit welchem ein Druck der Abluft bzw. in der Brennstoffzelle 14 regelbar ist, angeordnet.Furthermore, a control valve 48, with which a pressure of the exhaust air or in the fuel cell 14 can be regulated, is arranged in the exhaust air path 46.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung kann das Regelungsventil 48 und das Abluftpfad-Absperrventil 66 in einem gemeinsamen Ventil realisiert sein.According to one embodiment of the invention, the control valve 48 and the exhaust air path shut-off valve 66 can be implemented in a common valve.

Während des normalen Betriebes des Brennstoffzellensystems 10 nach dem ersten Ausführungsbeispiel sind das Zuluftpfad-Absperrventil 38 und das Abluftpfad-Absperrventil 66 geöffnet. Das Regelungsventil 48 und das Bypassventil 50 werden geregelt betrieben.During normal operation of the fuel cell system 10 according to the first exemplary embodiment, the air-intake path shut-off valve 38 and the air-out path shut-off valve 66 are opened. The control valve 48 and the bypass valve 50 are operated in a controlled manner.

Beim Abschalten des Brennstoffzellensystem 10 werden das Zuluftpfad-Absperrventil 38 und das Abluftpfad-Absperrventil 66 geschlossen. Dadurch kann der in dem geschlossenen Volumen enthaltene Sauerstoff durch Umwälzung der Luft mittels der Vorrichtung zur Änderung der Strömungsrichtung 45, verbraucht werden. Zusätzlich wird während des Abschaltens auch das Regelungsventil 48 geschlossen wohingegen das Bypass-Ventil 50 geöffnet wird.When the fuel cell system 10 is switched off, the inlet air path shut-off valve 38 and the exhaust air path shut-off valve 66 are closed. As a result, the oxygen contained in the closed volume can be consumed by circulating the air by means of the flow direction changing device 45 . In addition, the control valve 48 is also closed during the shutdown, whereas the bypass valve 50 is opened.

Während des Abschaltens wird die Turbine 62 nicht angetrieben und/oder es kann ein Turbinenbypassventil 70 geöffnet werden, so dass die Luft an der Turbine 62 vorbei strömen kann.During shutdown, the turbine 62 is not driven and/or a turbine bypass valve 70 may be opened to allow air to bypass the turbine 62 .

Die das Gebläse 45 verlassende Luft wird über einen Teil des Abluftpfades 46 der Brennstoffzelle 14 zugeleitet. Die die Brennstoffzelle 14 verlassende Abluft wird über einen Teil des Zuluftpfades 18 und über die Bypassleitung 54 der Vorrichtung zur Änderung der Strömungsrichtung 45 zugeführt.The air leaving the blower 45 is fed to the fuel cell 14 via part of the exhaust air path 46 . The exhaust air leaving the fuel cell 14 is supplied to the device for changing the direction of flow 45 via part of the air supply path 18 and via the bypass line 54 .

Nach einem Abschalten des Brennstoffzellensystems 10, nachdem der restliche Sauerstoff verbraucht ist, kann zusätzlich zu dem geschlossenen Zuluftpfad-Absperrventil 38 und dem geschlossenen Abluftpfad-Absperrventil 66, das Bypassventil 50 geschlossen werden bzw. bleiben. Dadurch wird zusätzlich ein Eindringen von Umgebungsluft in das abgeschlossene Volumen verhindert.After the fuel cell system 10 has been switched off, after the remaining oxygen has been consumed, the bypass valve 50 can be or remain closed in addition to the closed supply air path shut-off valve 38 and the closed exhaust air path shut-off valve 66 . This also prevents ambient air from penetrating into the closed volume.

In 2 ist ein Blockschaltbild eines zweiten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems 10 gezeigt. Dieses Brennstoffzellensystem 10 unterscheidet sich insbesondere dadurch von dem ersten Ausführungsbeispiel in 1 das die Vorrichtung zur Änderung der Strömungsrichtung 45 als Turbine 45,62 realisiert ist, welche in einer umgekehrten Richtung betreibbar ist. Es ist also kein weiteres Gebläse, wie im ersten Ausführungsbeispiel im Abluftpfad angeordnet.In 2 a block diagram of a second exemplary embodiment of the fuel cell system 10 according to the invention is shown. This fuel cell system 10 differs in particular from the first exemplary embodiment in FIG 1 that the device for changing the direction of flow 45 is realized as a turbine 45,62, which can be operated in a reverse direction. There is therefore no further fan, as in the first exemplary embodiment, arranged in the exhaust air path.

Während des Abschaltens wird die Turbine 62 über einen Motor M in umgekehrte Richtung betrieben. Die Turbine 62 fungiert, wie ein Gebläse, welches die verlassende Luft in Richtung der Brennstoffzelle 14 bewegt. Die die Turbine 62 verlassende Luft wird über einen Teil des Abluftpfades 46 der Brennstoffzelle 14 zugeleitet. Die die Brennstoffzelle 14 verlassende Abluft wird über einen Teil des des Zuluftpfades 18 und über die Bypassleitung 54 der Turbine 62 zugeführt.During shutdown, a motor M operates the turbine 62 in reverse direction. The turbine 62 acts like a fan moving the exiting air toward the fuel cell 14 . The turbine 62 leaving Air is supplied to the fuel cell 14 via part of the exhaust air path 46 . The exhaust air leaving the fuel cell 14 is supplied to the turbine 62 via part of the air supply path 18 and via the bypass line 54 .

Die Turbine 66 während des Betriebs in umgekehrter Richtung bevorzugt im unteren Teillastbereich bzw. mit limitierter Drehzahl aus Komponentenschutzgründen betrieben.During operation in the reverse direction, the turbine 66 is preferably operated in the lower part-load range or with a limited speed for reasons of component protection.

Nach einem Abschalten des Brennstoffzellensystems 10, nachdem der restliche Sauerstoff verbraucht ist, kann zusätzlich zu dem geschlossenen Zuluftpfad-Absperrventil 38 und dem geschlossenen Abluftpfad-Absperrventil 66, das Bypassventil 50 geschlossen werden bzw. bleiben. Dadurch wird zusätzlich ein Eindringen von Umgebungsluft in das abgeschlossene Volumen verhindert.After the fuel cell system 10 has been switched off, after the remaining oxygen has been consumed, the bypass valve 50 can be or remain closed in addition to the closed supply air path shut-off valve 38 and the closed exhaust air path shut-off valve 66 . This also prevents ambient air from penetrating into the closed volume.

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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited

  • WO 2016087086 A1 [0003]WO 2016087086 A1 [0003]

Claims (9)

Brennstoffzellensystem (10) umfassend: - wenigstens eine Brennstoffzelle (14), - einen Zuluftpfad (18), mit welchem einem Kathodenpfad der Brennstoffzelle (14) Luft zuführbar ist, - einen Abluftpfad (46), mit welchem Abluft der Brennstoffzelle (14) abführbar ist, - wenigstens ein Verdichter (30), mittels welchem der Brennstoffzelle (14) Umgebungsluft zuführbar ist, - wenigstens eine Turbine (62), welche in dem Abluftpfad (46) angeordnet, - ein Zuluftpfad-Absperrventil (38), mit welchem der Zuluftpfad (18) in Strömungsrichtung nach dem Verdichter (30) absperrbar ist, - ein Abluftpfad-Absperrventil (66), mit welchem der Abluftpfad (46) in Strömungsrichtung nach der Turbine (62) absperrbar ist, - eine Bypassleitung (54), die den Zuluftpfad (18) mit dem Abluftpfad (46) verbindet, wobei in der Bypassleitung (54) ein Bypass-Ventil (50) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Bypassleitung (54) mit dem Abluftpfad (46) zwischen der Turbine (62) und dem Abluftpfad-Absperrventil (66) verbunden ist und dass die Bypassleitung (54) mit dem Zuluftpfad (18) zwischen dem Zuluftpfad-Absperrventil (38) und der Brennstoffzelle (14) verbunden ist.Fuel cell system (10) comprising: - at least one fuel cell (14), - an air supply path (18) with which air can be supplied to a cathode path of the fuel cell (14), - an exhaust air path (46) with which exhaust air from the fuel cell (14) can be discharged - at least one compressor (30), by means of which ambient air can be supplied to the fuel cell (14), - at least one turbine (62), which is arranged in the exhaust air path (46), - an intake air path shut-off valve (38), with which the The inlet air path (18) can be shut off in the direction of flow after the compressor (30), - an exhaust air path shut-off valve (66), with which the exhaust air path (46) can be shut off in the direction of flow after the turbine (62), - a bypass line (54) which connects the supply air path (18) to the exhaust air path (46), a bypass valve (50) being arranged in the bypass line (54), characterized in that the bypass line (54) is connected to the exhaust air path (46) between the turbine (62 ) and the exhaust air path shut-off valve (66) v is connected and that the bypass line (54) is connected to the air supply path (18) between the air supply path shut-off valve (38) and the fuel cell (14). Brennstoffzellensystem (10) nach Anspruch 1, wobei in dem Abluftpfad (46) eine Vorrichtung zur Änderung der Strömungsrichtung (45) angeordnet ist, welche in umgekehrter Richtung zur Turbine (46) betreibbar ist.Fuel cell system (10) after claim 1 , A device for changing the direction of flow (45) being arranged in the exhaust air path (46), which device can be operated in the opposite direction to the turbine (46). Brennstoffzellensystem (10) nach Anspruch 2, wobei die Vorrichtung zur Änderung der Strömungsrichtung (45) ein Gebläse oder Verdichterrad ist.Fuel cell system (10) after claim 2 , wherein the device for changing the flow direction (45) is a fan or compressor wheel. Brennstoffzellensystem (10) nach Anspruch 2, wobei die Vorrichtung zur Änderung der Strömungsrichtung (45) die Turbine (62) ist, welche in einer umgekehrten Richtung betreibbar ist.Fuel cell system (10) after claim 2 wherein the device for changing the flow direction (45) is the turbine (62) which is operable in a reverse direction. Brennstoffzellensystem (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei im Abluftpfad (46) zwischen der Turbine (62) und dem Auslass (22) ein Regelungsventil (48) angeordnet ist, mit welchem ein Druck im Abluftpfad (46) regelbar ist.Fuel cell system (10) according to one of the preceding claims, wherein a control valve (48) is arranged in the exhaust air path (46) between the turbine (62) and the outlet (22), with which a pressure in the exhaust air path (46) can be regulated. Brennstoffzellensystem (10) nach Anspruch 5, wobei das Regelungsventil (48) und das Abluft-Absperrventil (66) in einem gemeinsamen Ventil realisiert sind.Fuel cell system (10) after claim 5 , wherein the control valve (48) and the exhaust air shut-off valve (66) are realized in a common valve. Brennstoffzellensystem nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Turbine (62) eine Turbinen-Bypassleitung mit Turbinen-Bypassventil (70) aufweist.Fuel cell system according to one of the preceding claims, wherein the turbine (62) has a turbine bypass line with a turbine bypass valve (70). Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems (10), insbesondere zum Inertisieren oder Homogenisieren, nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Verfahren die Schritte umfasst: - Schließen des Zuluftpfad-Absperrventils (38), so dass eine Luftzufuhr aus der Umgebung (22) gestoppt wird, - Schließen des Abluftpfad-Absperrventils (66), so dass eine Abgabe der Abluft an die Umgebung (22) gestoppt wird, - Betreiben der Vorrichtung zur Änderung der Strömungsrichtung (45), - Abstellen der Vorrichtung zur Änderung der Strömungsrichtung, wenn der Sauerstoff in einem durch das Zuluftpfad-Absperrventil (38) und das Abluftpfad-Absperrventil (66) gebildeten Volumen verbraucht ist.Method for operating a fuel cell system (10), in particular for rendering inert or homogenizing, according to one of the preceding claims, the method comprising the steps: - Closing the supply air path shut-off valve (38) so that air supply from the environment (22) is stopped, - Closing the exhaust air path shut-off valve (66) so that discharge of the exhaust air to the environment (22) is stopped, - Operating the device for changing the direction of flow (45), - turning off the device for changing the flow direction when the oxygen in a volume formed by the supply air path shut-off valve (38) and the exhaust air path shut-off valve (66) is consumed. Kraftfahrzeug mit einem Brennstoffzellensystem (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7.Motor vehicle with a fuel cell system (10) according to one of Claims 1 until 7 .
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