DE102021210251A1

DE102021210251A1 - Fuel cell system with emergency operation using compressed air supply

Info

Publication number: DE102021210251A1
Application number: DE102021210251.4A
Authority: DE
Inventors: Jochen Braun
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2021-09-16
Filing date: 2021-09-16
Publication date: 2023-03-16

Abstract

Es wird eine Systemanordnung für ein Fahrzeug vorgeschlagen, aufweisend ein Brennstoffzellensystem, und eine separate Druckluftquelle für pneumatische Verbraucher, wobei das Brennstoffzellensystem eine Luftzufuhreinheit umfasst, die dazu ausgebildet ist, Luft druckbeaufschlagt über eine Luftzufuhrleitung an den Brennstoffzellenstapel zu liefern, wobei die Druckluftquelle dazu ausgebildet ist, Druckluft mit einem vordefinierten Druck zum Betrieb pneumatischer Verbraucher bereitzustellen, und wobei die Luftzufuhrleitung über ein Verbindungsventil/Ventil mit der Druckluftquelle verbunden ist, wobei das Verbindungsventil/Ventil dazu ausgebildet ist, selektiv Luft aus der Druckluftquelle zur Versorgung des Brennstoffzellensystems mit Luft in die Luftzufuhrleitung einzuleiten.

A system arrangement for a vehicle is proposed, having a fuel cell system and a separate compressed air source for pneumatic consumers, the fuel cell system comprising an air supply unit which is designed to supply pressurized air to the fuel cell stack via an air supply line, the compressed air source being designed for this purpose to provide compressed air at a predefined pressure for operating pneumatic consumers, and wherein the air supply line is connected to the compressed air source via a connecting valve/valve, wherein the connecting valve/valve is designed to selectively direct air from the compressed air source to supply the fuel cell system with air into the air supply line to initiate

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Systemanordnung für ein Fahrzeug mit einem Brennstoffzellensystem und einer separaten Druckluftquelle für pneumatische Verbraucher sowie ein Verfahren zum Versorgen eines Brennstoffzellensystems mit Luft.The present invention relates to a system arrangement for a vehicle with a fuel cell system and a separate compressed air source for pneumatic consumers and a method for supplying a fuel cell system with air.

Stand der TechnikState of the art

Es sind Fahrzeuge bekannt, bei denen elektrische Leistung durch ein Brennstoffzellen-system geliefert und zum Versorgen von Antriebsmotoren genutzt wird. Dabei wird Wasserstoff mit einem Oxidanten, in der Regel Sauerstoff aus der Umgebungsluft, katalytisch zu Wasser verbunden, um elektrische Leistung zu erzeugen. Die Umgebungsluft wird mittels eines Luftfördersystems bzw. Luftverdichtungssystems einem Kathodenpfad des Brennstoffzellensystems mit variablem bzw. betriebsabhängigem Luftmassenstrom zugeführt. Sauerstoffabgereicherte Abluft gerät durch den Kathodenpfad wieder in die Umgebung. Meist werden in diesen Abgasmassenstrom noch Spülgase und Wasser aus einem Anodenpfad eingeleitet.Vehicles are known in which electrical power is supplied by a fuel cell system and used to power traction motors. Hydrogen is catalytically combined with an oxidant, usually oxygen from the ambient air, to form water in order to generate electrical power. The ambient air is fed to a cathode path of the fuel cell system with a variable or operation-dependent air mass flow by means of an air conveying system or air compression system. Oxygen-depleted exhaust air returns to the environment through the cathode path. Purge gases and water from an anode path are usually introduced into this exhaust gas mass flow.

Im Gegensatz zu einem Wasserstoffsystem, bei dem der Druck durch einen Wasserstofftank stets ausreicht, auch im Falle eines Fehlers mit daraus resultierendem Notbetrieb, muss bei einem Luftfördersystem zur Versorgung des Kathodenpfads aktiv Druck aufgebaut werden. Sollte das Luftfördersystem ausfallen, kann das Brennstoffzellensystem folglich keine relevante Leistung mehrabgeben. Für die Nutzung eines Brennstoffzellensystems insbesondere in Nutzfahrzeugen ist jedoch eine hohe Verfügbarkeit und Zuverlässigkeit des Brennstoffzellensystems als Energielieferant erforderlich bzw. von Vorteil.In contrast to a hydrogen system, in which the pressure from a hydrogen tank is always sufficient, even in the event of a fault resulting in emergency operation, in an air conveying system to supply the cathode path, pressure must be actively built up. If the air delivery system fails, the fuel cell system can no longer deliver any relevant power. However, for the use of a fuel cell system, in particular in commercial vehicles, a high level of availability and reliability of the fuel cell system as an energy supplier is necessary or advantageous.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of Invention

Es ist folglich eine Aufgabe der Erfindung, ein Brennstoffzellensystem insbesondere für den Einsatz in einem Nutzfahrzeug vorzuschlagen, bei dem eine hohe Verfügbarkeit durch höhere Zuverlässigkeit einer Luftzufuhr erreicht wird, ohne die Komplexität oder die Herstellkosten signifikant zu erhöhen.It is consequently an object of the invention to propose a fuel cell system, in particular for use in a commercial vehicle, in which high availability is achieved through greater reliability of an air supply without significantly increasing the complexity or the manufacturing costs.

Die Aufgabe wird gelöst durch eine Systemanordnung mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen sind den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung zu entnehmen.The object is achieved by a system arrangement having the features of independent claim 1. Advantageous embodiments and developments can be found in the dependent claims and the following description.

Es wird eine Systemanordnung für ein Fahrzeug vorgeschlagen, aufweisend ein Brennstoffzellensystem, und eine separate Druckluftquelle für pneumatische Verbraucher, wobei das Brennstoffzellensystem eine Luftzufuhreinheit umfasst, die dazu ausgebildet ist, Luft druckbeaufschlagt über eine Luftzufuhrleitung an den Brennstoffzellenstapel zu liefern, wobei die Druckluftquelle dazu ausgebildet ist, Druckluft mit einem vordefinierten Druck zum Betrieb pneumatischer Verbraucher bereitzustellen, und wobei die Luftzufuhrleitung über ein Verbindungsventil/Ventil mit der Druckluftquelle verbunden ist, wobei das Verbindungsventil/Ventil dazu ausgebildet ist, selektiv Luft aus der Druckluftquelle zur Versorgung des Brennstoffzellensystems mit Luft in die Luftzufuhrleitung einzuleiten.A system arrangement for a vehicle is proposed, having a fuel cell system and a separate compressed air source for pneumatic consumers, the fuel cell system comprising an air supply unit which is designed to supply pressurized air to the fuel cell stack via an air supply line, the compressed air source being designed for this purpose to provide compressed air at a predefined pressure for operating pneumatic consumers, and wherein the air supply line is connected to the compressed air source via a connecting valve/valve, wherein the connecting valve/valve is designed to selectively direct air from the compressed air source to supply the fuel cell system with air into the air supply line to initiate

Das Brennstoffzellensystem weist bevorzugt mehrere Brennstoffzellen auf, die zu einem Brennstoffzellenstapel kombiniert sind. Bei dem Einsatz in Nutzfahrzeugen ist es besonders vorteilhaft, Polymerelektrolytmembran (PEM)-Brennstoffzellen zu verwenden. Diese werden anodenseitig mit Wasserstoff oder einem Wasserstoff aufweisenden Gas und kathodenseitig bevorzugt mit Luft versorgt. Alternativ könnten auch andere Formen von Brennstoffzellen realisiert sein, die unter anderem Festoxid- und Direkt-Methanol-Brennstoffzellen umfassen können.The fuel cell system preferably has a number of fuel cells which are combined to form a fuel cell stack. When used in commercial vehicles, it is particularly advantageous to use polymer electrolyte membrane (PEM) fuel cells. These are supplied with hydrogen or a gas containing hydrogen on the anode side and preferably with air on the cathode side. Alternatively, other forms of fuel cells could also be implemented, which may include solid oxide and direct methanol fuel cells, among others.

Die Luftzufuhreinheit kann einen oder mehrere Verdichter aufweisen, die stromaufwärts des den Brennstoffzellenstapels druckbeaufschlagte Luft in einen Kathodenpfad einleitet. Der mindestens eine Verdichter kann auch eine Anordnung aus mehreren Verdichtern sein, beispielsweise zwei oder mehr parallel zueinander angeordnete Verdichter, ein Vorverdichter, ein Hauptverdichter und ähnliches. Der mindestens eine Verdichter kann mittels eines Elektromotors betrieben werden. Der Elektromotor könnte dabei mit einer Spannung versorgt werden, die von dem Brennstoffzellensystem selbst und/oder einer externen Spannungsquelle, etwa einer Pufferbatterie, bereitgestellt wird. Zusätzlich dazu könnte auch eine Turbine vorgesehen sein, die stromabwärts der mindestens einen Brennstoffzelle in dem Kathodenpfad angeordnet ist und die den mindestens einen Verdichter unterstützt.The air supply unit may include one or more compressors that introduce pressurized air into a cathode path upstream of the fuel cell stack. The at least one compressor can also be an arrangement of several compressors, for example two or more compressors arranged parallel to one another, a pre-compressor, a main compressor and the like. The at least one compressor can be operated by an electric motor. The electric motor could be supplied with a voltage that is provided by the fuel cell system itself and/or an external voltage source, such as a buffer battery. In addition to this, a turbine could also be provided, which is arranged downstream of the at least one fuel cell in the cathode path and which supports the at least one compressor.

Bei Nutzfahrzeugen können mehrere druckluftbetriebene Verbraucher vorgesehen sein, die unter anderem ein Druckluft-Bremssystem umfassen. Die Druckluftquelle kann etwa einen Kompressor und einen Druckluftspeicher sowie Ventile, Druckluftleitungen und andere Komponenten umfassen.In the case of commercial vehicles, several compressed-air-operated consumers can be provided, which include a compressed-air brake system, among other things. The source of pressurized air may include, for example, a compressor and accumulator, as well as valves, pressurized air lines, and other components.

Ein Kern der Erfindung liegt in der Kombination der Druckluftquelle mit dem Brennstoffzellensystem im Fehlerfall. Durch das Verbindungsventil/Ventil , welches in Fluidverbindung mit der Luftzufuhrleitung, d.h. der tatsächlichen Luftzufuhr für das Brennstoffzellensystem steht, kann bedarfsweise Druckluft zur Versorgung des Brennstoffzellensystems verwendet werden. Die Ansteuerung des Verbindungsventil/Ventil s könnte durch eine Steuereinheit erfolgen, die bereits ein integraler Teil des Fahrzeugs sein könnte oder als zusätzliche Komponente vorgesehen wird. Es ist weiterhin auch denkbar, dass ein Sensor vorgesehen ist, der den Betrieb der Luftzufuhreinheit überwacht, beispielsweise durch eine Erfassung eines von der Luftzufuhreinheit bereitgestellten Drucks. Bei Unterschreiten eines vordefinierten Mindestwerts könnte ein Fehler der Luftzufuhreinheit angenommen und dadurch eine Ansteuerung des Verbindungsventil/Ventil s vorgenommen werden.A core of the invention lies in the combination of the compressed air source with the fuel cell system in the event of a fault. Through the connecting valve/valve, which is in fluid connection with the air supply line, ie the actual air supply for the fuel cell system, compressed air can be used to supply the fuel cell system as required. Controlling the connection valve/valve s could be done by a control unit which could already be an integral part of the vehicle or provided as an additional component. It is also conceivable that a sensor is provided which monitors the operation of the air supply unit, for example by detecting a pressure provided by the air supply unit. If a predefined minimum value is not reached, a fault in the air supply unit could be assumed and the connecting valve/valve could be activated as a result be made.

Im Fehlerfall könnte die Druckluftquelle ein Signal erhalten, welches den Fehlerfall signalisiert und daraufhin eine Luftversorgung für einen Notbetrieb vorbereitet. Es ist besonders vorteilhaft, wenn das Brennstoffzellensystem eine Betriebsstrategie auf Notbetrieb umschaltet. Dies kann auch eine Anpassung des Wassermangements, der daraus abgeleiteten Vorgaben für den Druck und den Überschuss an Oxidant im Kathodenpfad, sowie die Druckdifferenz zwischen dem Anodenpfad und dem Kathodenpfad und ggf. weitere Parameter umfassen.In the event of a fault, the compressed air source could receive a signal which signals the fault and then prepares an air supply for emergency operation. It is particularly advantageous if the fuel cell system switches an operating strategy to emergency operation. This can also include an adjustment of the water management, the specifications derived therefrom for the pressure and the excess of oxidant in the cathode path, as well as the pressure difference between the anode path and the cathode path and possibly other parameters.

Die Luftversorgung des Brennstoffzellensystems ist folglich redundant. Die Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit insbesondere von Nutzfahrzeugen kann demnach deutlich erhöht werden. Durch die erfindungsgemäße Anordnung wird der Antrieb auch von vollautomatisierten bzw. autonomen Nutzfahrzeugen abgesichert. Der zusätzliche Aufwand zur Realisierung und die Kosten zur Herstellung der Systemanordnung sind gering.The air supply of the fuel cell system is therefore redundant. The reliability and availability of commercial vehicles in particular can therefore be significantly increased. The arrangement according to the invention also protects the drive of fully automated or autonomous commercial vehicles. The additional outlay for the implementation and the costs for producing the system arrangement are low.

Die Druckluftquelle könnte einen Druckluftspeicher aufweisen. Der Druckluftspeicher bzw. Luftbehälter ist beispielsweise über einen Druckregler mit einem Kompressor verbunden. Die von dem Kompressor geförderte Druckluft strömt über den Druckregler in den Druckluftspeicher, wobei der Druckregler dazu ausgebildet sein könnte, einen vordefinierten Druck in dem Druckluftspeicher einzustellen. In Nutzfahrzeugen könnte der Druckluftspeicher beispielsweise einen Arbeitsdruck von 8-12 bar aufweisen. Der Druckluftspeicher ist entsprechend des betreffenden Fahrzeugs dimensioniert und weist ein geeignetes Volumen auf. Einzelne, mit dem Druckluftspeicher verbundene Druckluftverbraucher könnten mit geringeren Arbeitsdrücken versorgt werden, sodass etwa über ein in oder an dem Verbraucher befindliches Steuerventil Druckluft entsprechend aus dem Druckluftspeicher abgegeben wird. Es ist vorstellbar, dass das Verbindungsventil/Ventil dazu ausgebildet sein könnte, eine Druckreduktion durchzuführen. Vorzugsweise ist das Verbindungsventil/Ventil regelbar. Durch das Verbindungsventil/Ventil kann folglich in der Luftzufuhrleitung automatisch ein Druck bereitgestellt werden, der dem Druck einer ordnungsgemäß funktionierenden Luftzufuhreinheit entspricht. Die Verwendung des Druckluftspeichers ist besonders sinnvoll, um bei kurzzeitigem Funktionsausfall oder zum Überbrücken einer Betriebseinschränkung kontinuierlich Luft bereitstellen zu können.The compressed air source could have a compressed air reservoir. The compressed air reservoir or air tank is connected to a compressor, for example via a pressure regulator. The compressed air delivered by the compressor flows via the pressure regulator into the compressed air reservoir, it being possible for the pressure regulator to set a predefined pressure in the compressed air reservoir. In commercial vehicles, for example, the compressed air reservoir could have a working pressure of 8-12 bar. The compressed air reservoir is dimensioned according to the vehicle in question and has a suitable volume. Individual compressed air consumers connected to the compressed air reservoir could be supplied with lower working pressures, so that compressed air is discharged from the compressed air reservoir accordingly, for example via a control valve located in or on the consumer. It is conceivable that the connecting valve/valve could be designed to perform a pressure reduction. Preferably the connecting valve/valve is controllable. Consequently, the connecting valve/valve can automatically provide a pressure in the air supply line which corresponds to the pressure of a properly functioning air supply unit. The use of the compressed air reservoir is particularly useful in order to be able to continuously provide air in the event of a short-term functional failure or to bridge an operating restriction.

Die Luftzufuhreinheit oder die Luftzufuhrleitung könnte ein stromaufwärts der Einleitung des Verbindungspfades zwischen der Druckluftquelle und des Brennstoffzellensystems inclusive des Verbindungsventil/Ventils angeordnetes Absperrventil aufweisen, das selektiv schließbar ist. Das Absperrventil erlaubt, die Luftzufuhreinheit pneumatisch von dem Brennstoffzellensystem zu entkoppeln. Dies hat den besonderen Vorteil, dass Druckluft aus dem Druckluftspeicher nicht in die Luftzufuhreinheit geleitet wird. Nach Stand der Technik wird der Kathodenpfad nahe des Stacks sowieso meist mit Absperrvorrichtungen versehen, damit ein abgeschalteter Stack keine Verbindung zur Umgebung hat zwecks Intertisierung/Sauerstoffverarmung und damit Alterungsminimierung. Das erfindungsgemäße Konzept kann diese Ventile benutzen d.h. vorteilhafterweise werden zur Umsetzung des Konzepts keine zusätzlichen Absperrventile im Kathodenpfad benötigt.The air supply unit or the air supply line could have a shut-off valve arranged upstream of the introduction of the connection path between the compressed air source and the fuel cell system, including the connection valve/valve, which is selectively closable. The shut-off valve allows the air supply unit to be pneumatically decoupled from the fuel cell system. This has the particular advantage that compressed air from the compressed air reservoir is not fed into the air supply unit. According to the prior art, the cathode path near the stack is usually provided with shut-off devices anyway, so that a switched-off stack has no connection to the environment for the purpose of interfering/oxygen depletion and thus minimizing aging. The concept according to the invention can use these valves, i.e. advantageously no additional shut-off valves are required in the cathode path to implement the concept.

Alternativ oder zusätzlich dazu könnte in der Luftzufuhrleitung oder an einem Ausgang der Luftzufuhreinheit, d.h. stromaufwärts der Einleitung des Verbindungspfades zwischen der Druckluftquelle und des Brennstoffzellensystems incl. des Verbindungsventils/Ventils, ein Rückschlagventil vorgesehen sein. Damit könnte automatisch verhindert werden, dass Luft aus dem Druckluftspeicher in die Luftzufuhreinheit gerät. Derartige Rückschlagventile sind zuverlässig und weisen eine hohe Verfügbarkeit auf, durch eine fehlende Ansteuerung wird eine geringe Komplexität erreicht.Alternatively or additionally, a check valve could be provided in the air supply line or at an outlet of the air supply unit, i.e. upstream of the introduction of the connection path between the compressed air source and the fuel cell system including the connection valve/valve. This could automatically prevent air from getting into the air supply unit from the compressed air reservoir. Such non-return valves are reliable and have a high level of availability, and a low degree of complexity is achieved due to the lack of control.

Die Systemanordnung kann ferner ein Abluftventil aufweisen, das mit einem Kathodenpfad des Brennstoffzellensystems verbunden ist, wobei das Abluftventil ein Regelventil ist und dazu ausgebildet ist, durch Regeln eines Abluftstroms aus dem Kathodenpfad zusammen mit dem Verbindungsventil/Ventil den Zuluftstrom aus dem Druckluftspeicher in das Brennstoffzellensystem und das Druckniveau im Kathodenpfad zu regeln. Aufgrund der Fluidverbindung zwischen dem Verbindungsventil/Ventil bzw. dem Druckluftspeicher und einem Abluftausgang des Kathodenpfads kann durch entsprechende Drosselung eines Abluftstroms und der Ansteuerung des Verbindungsventil/Ventil folglich das Druckniveau und der Zuluftstrom geregelt werden. Dies könnte auch zur Druckregelung erreicht werden. Vorzugsweise sind die funktionalen Aufgaben des Abluftventils im Notbetrieb die gleichen wie im Normalbetrieb.The system arrangement can also have an exhaust air valve which is connected to a cathode path of the fuel cell system, the exhaust air valve being a control valve and being designed to regulate the intake air flow from the compressed air reservoir into the fuel cell system and into the fuel cell system by controlling an exhaust air flow from the cathode path together with the connecting valve/valve regulate the pressure level in the cathode path. Due to the fluid connection between the connecting valve/valve or the compressed air reservoir and an exhaust air outlet of the cathode path, the pressure level and the supply air flow can consequently be regulated by appropriate throttling of an exhaust air flow and activation of the connecting valve/valve. This could also be achieved for pressure control. The functional tasks of the exhaust air valve in emergency operation are preferably the same as in normal operation.

Die Systemanordnung könnte ferner eine Steuereinheit umfassen, die mit der Luftzufuhreinheit und dem Verbindungsventil/Ventil verbunden ist, wobei die Steuereinheit dazu ausgebildet ist, eine Funktionseinschränkung der Luftzufuhreinheit zu erfassen und bei erfasster Funktionseinschränkung das Verbindungsventil/Ventil zu öffnen. Die Funktionseinschränkung der Luftzufuhreinheit könnte, wie vorangehend bereits erläutert, durch Verwendung von Sensoren erfasse werden. Luftmassenstromsensoren, Drucksensoren, Drehzahlsensoren an Verdichterlaufrädern, oder andere geeignete Sensoren könnten vorgesehen sein, um den ordnungsgemäßen Betrieb der Luftzufuhreinheit zu prüfen. Wird ein ordnungsgemäßer Betrieb nicht festgestellt, obwohl dies für einen Betriebszustand des Brennstoffzellensystems erforderlich ist oder eine entsprechende Ansteuerung der Luftzufuhreinheit vorliegt, kann dies als eine Funktionseinschränkung interpretiert werden. Dann könnte zumindest teilweise das Verbindungsventil/Ventil geöffnet werden, um die druckbeaufschlagte Luft statt aus der Luftzufuhreinheit aus dem Druckluftspeicher dem Brennstoffzellensystem zuzuführen. Der Fahrer könnte weiterhin informiert werden und das Bordnetz, der Antriebsstrang und die Leistungsverzweigung zwischen Energiespeichern können angepasst werden. Zudem könnten über eine Dateninfrastruktur weitere Informationen ausgetauscht werden, etwa Angaben zu einer nächstgelegenen Werkstatt, und/oder Maßnahmen können eingeleitet werden, z.B. die Anforderung eines mobilen Reparaturdienstes oder die Lieferung von Ersatzteilen.The system arrangement could further include a control unit connected to the air supply unit and is connected to the connecting valve/valve, wherein the control unit is designed to detect a functional restriction of the air supply unit and to open the connecting valve/valve when a functional restriction is detected. As already explained above, the functional restriction of the air supply unit could be detected by using sensors. Mass air flow sensors, pressure sensors, speed sensors on compressor impellers, or other suitable sensors could be provided to check for proper operation of the air delivery unit. If proper operation is not determined, although this is necessary for an operating state of the fuel cell system or the air supply unit is controlled accordingly, this can be interpreted as a functional restriction. The connection valve/valve could then be opened at least partially in order to supply the pressurized air from the compressed air reservoir to the fuel cell system instead of from the air supply unit. The driver could still be informed and the on-board network, the powertrain and the power split between energy storage systems could be adjusted. In addition, further information could be exchanged via a data infrastructure, such as information on the nearest workshop, and/or measures could be initiated, for example requesting a mobile repair service or the delivery of spare parts.

Die Steuereinheit könnte ferner mit dem Absperrventil verbunden und dazu ausgebildet sein, bei erfasster Funktionseinschränkung das Absperrventil zu schließen. Des Weiteren könnte auch eine entsprechende Ansteuerung der Luftzufuhreinheit erfolgen, um ihren Betrieb gänzlich einzustellen oder auf eine Art Notbetrieb umzuschalten. Insbesondere könnte in einem Bordrechner des betreffenden Fahrzeugs ein Wartungshinweis generiert werden.The control unit could also be connected to the shut-off valve and be designed to close the shut-off valve when a functional restriction is detected. Furthermore, the air supply unit could also be controlled accordingly in order to completely stop its operation or to switch to a type of emergency operation. In particular, a maintenance notice could be generated in an on-board computer of the vehicle in question.

Weiterhin könnte die Steuereinheit dazu ausgebildet sein, bei erfasster Funktionseinschränkung ein Leistungsbegrenzungssignal zum Übertragen an elektrische Verbraucher, die mit dem Brennstoffzellensystem verbunden sind, abzugeben, und den Betrieb des Brennstoffzellensystems auf eine oder eine aktuell maximal mögliche Notbetriebsleistung zu reduzieren. Die Druckluftquelle könnte mit elektrischer Spannung von dem Brennstoffzellensystem versorgt werden. Allerdings könnte der bereitgestellte Luftstrom aus der Druckluftquelle auch nicht dafür ausreichen, sämtliche vorgesehenen Druckluftverbraucher und das Brennstoffzellensystem kontinuierlich mit Druckluft zu versorgen. Folglich ist es sinnvoll, das Leistungsbegrenzungssignal abzugeben, sodass die bereitzustellende Leistung des Brennstoffzellensystems eingeschränkt wird. Es wird dann ein geringerer Luftmassenstrom angefordert, der von der Druckluftquelle bereitgestellt werden könnte. Das Leistungsbegrenzungssignal könnte auch an die Druckluftverbraucher geleitet werden, sodass diese zumindest für eine kurze Zeitdauer nicht gleichzeitig und/oder mit einer reduzierten Leistung bzw. mit einem begrenzten Luftmassenstrombudget betrieben werden.Furthermore, the control unit could be designed to emit a power limitation signal for transmission to electrical consumers that are connected to the fuel cell system when a functional restriction is detected, and to reduce the operation of the fuel cell system to an emergency operating power or a currently maximum possible power. The source of compressed air could be supplied with electrical voltage from the fuel cell system. However, the air flow provided from the compressed air source might also not be sufficient to continuously supply compressed air to all of the intended compressed air consumers and the fuel cell system. Consequently, it makes sense to emit the power limitation signal so that the power to be provided by the fuel cell system is limited. A lower air mass flow, which could be provided by the compressed air source, is then requested. The power limitation signal could also be routed to the compressed air consumers, so that they are not operated simultaneously and/or with a reduced power or with a limited air mass flow budget, at least for a short period of time.

Nach einem Notbetrieb und einer geeigneten Reparaturmaßnahme kann die Betriebsstrategie des Brennstoffzellensystems wieder zurückgesetzt werden.After an emergency operation and a suitable repair measure, the operating strategy of the fuel cell system can be reset.

Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Versorgen eines Brennstoffzellensystems mit Luft, aufweisend Ansteuern einer Luftzufuhreinheit, die dazu ausgebildet ist, Luft druckbeaufschlagt über eine Luftzufuhrleitung an den Brennstoffzellenstapel zu liefern, und bei Betriebseinschränkung der Luftzufuhreinheit Verbinden einer separaten Druckluftquelle für pneumatische Verbraucher mit der Luftzufuhrleitung mittels eines Verbindungsventil/Ventil s, wobei die Druckluftquelle dazu ausgebildet ist, Druckluft mit einem vordefinierten Druck zum Betrieb pneumatischer Verbraucher bereitzustellen.The invention also relates to a method for supplying a fuel cell system with air, comprising controlling an air supply unit which is designed to supply pressurized air to the fuel cell stack via an air supply line, and when the air supply unit is restricted in its operation, connecting a separate compressed air source for pneumatic consumers to the air supply line a connecting valve/valve, the compressed air source being designed to provide compressed air at a predefined pressure for operating pneumatic consumers.

Das Verfahren könnte ferner das Schließen eines in der Luftzufuhreinheit oder der Luftzufuhrleitung stromaufwärts der Einleitung des Verbindungspfades zwischen der Druckluftquelle und des Brennstoffzellensystems incl. des Verbindungsventil/Ventils angeordneten Absperrventils aufweisen.The method could further include closing a shut-off valve located in the air supply unit or air supply line upstream of the initiation of the connection path between the compressed air source and the fuel cell system including the connection valve/valve.

Das Verfahren könnte überdies das Regeln eines Abluftstroms durch ein als Regelventil ausgebildetes Abluftventil aufweisen, das mit einem Kathodenpfad des Brennstoffzellensystems verbunden ist, um zusammen mit der Ansteuerung des Verbindungsventil/Ventils den Zuluftstrom aus dem Druckluftspeicher in das Brennstoffzellensystem und das Druckniveau im Kathodenpfad zu regeln.The method could also include the regulation of an exhaust air flow by an exhaust air valve designed as a control valve, which is connected to a cathode path of the fuel cell system, in order to regulate the supply air flow from the compressed air storage device into the fuel cell system and the pressure level in the cathode path together with the activation of the connecting valve/valve.

Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Figuren näher dargestellt.Further measures improving the invention are presented in more detail below together with the description of the preferred exemplary embodiments of the invention with the aid of figures.

Ausführungsbeispieleexemplary embodiments

Es zeigt:

1 eine Systemanordnung mit einem Brennstoffzellensystem;
2 eine Systemanordnung mit zwei Brennstoffzellensystemen;
3 eine Druckluftquelle im Detail;
4 eine schematische Darstellung eines Verfahrens zum Versorgen eines Brennstoffzellensystems mit Luft.

It shows:

1 a system arrangement with a fuel cell system;
2 a system arrangement with two fuel cell systems;
3 a compressed air source in detail;
4 a schematic representation of a method for supplying a fuel cell system with air.

1 zeigt eine Systemanordnung 2 für ein Fahrzeug, insbesondere ein Nutzfahrzeug. Hier ist ein Brennstoffzellensystem 4 vorgesehen, das einen Brennstoffzellenstapel 6 aufweist, das mit einem Wasserstoffsystem 8 gekoppelt ist, welches Wasserstoff aus einem Wasserstofftank 10 an einem Anodenpfad 12 bereitstellt. Dort wird beispielhaft auch eine Anodenrezirkulation 14 angedeutet. Der Brennstoffzellenstapel 6 weist zudem einen Kathodenpfad 16 auf, der mit einer Luftzufuhreinheit 18 verbunden ist. Diese stellt Luft aus der Umgebung 20 druckbeaufschlagt bereit. Hierzu ist eine Luftzufuhrleitung 22 vorgesehen, welche über ein Absperrventil 24 mit der Luftzufuhreinheit 18 in Fluidverbindung steht. Der Kathodenpfad 16 ist zudem über eine Abluftleitung 26 sowie ein Abluftventil 28 in Fluidverbindung mit der Umgebung 20. Die Luftzufuhreinheit 18 kann Verdichter aufweisen und zudem Einrichtungen zum Führen oder Behandeln von Zuluft, die für die Ausführung der Systemanordnung 2 unerheblich sind. 1 shows a system arrangement 2 for a vehicle, in particular a commercial vehicle. A fuel cell system 4 is provided here, which has a fuel cell stack 6 which is coupled to a hydrogen system 8 which provides hydrogen from a hydrogen tank 10 to an anode path 12 . An anode recirculation 14 is also indicated there by way of example. The fuel cell stack 6 also has a cathode path 16 which is connected to an air supply unit 18 . This provides pressurized air from the environment 20 ready. For this purpose, an air supply line 22 is provided, which is in fluid communication with the air supply unit 18 via a shut-off valve 24 . The cathode path 16 is also in fluid communication with the environment 20 via an exhaust air line 26 and an exhaust air valve 28 .

Die Luftzufuhrleitung 22 ist über ein Verbindungsventil/Ventil 30 mit einer Druckluftquelle 32 verbunden. Diese könnte beispielhaft in Form eines Druckluftbremssystems ausgebildet sein und auch für andere Druckluftverbraucher als Druckluftquelle fungieren. Das Verbindungsventil/Ventil 30 ist dazu ausgebildet, selektiv Luft aus der Druckluftquelle 32 zur Versorgung des Brennstoffzellensystems 12 mit Luft in die Luftzufuhrleitung 22 einzuleiten. Damit kann das Brennstoffzellensystem 12 auch dann betrieben werden, wenn die Luftzufuhreinheit 18 nicht ordnungsgemäß betreibbar ist.The air supply line 22 is connected to a compressed air source 32 via a connecting valve/valve 30 . This could be designed, for example, in the form of a compressed air brake system and also function as a compressed air source for other compressed air consumers. The connecting valve/valve 30 is configured to selectively introduce air from the compressed air source 32 into the air supply line 22 to supply the fuel cell system 12 with air. The fuel cell system 12 can thus also be operated when the air supply unit 18 cannot be operated properly.

Beispielhaft ist eine Steuereinheit 34 vorgesehen, die mit der Luftzufuhreinheit 18, dem Verbindungsventil/Ventil 30, der Absperrventil 24 und dem Abluftventil 28 gekoppelt ist. Beim Erkennen eines Fehlers der Luftzufuhreinheit 18 kann die Steuereinheit 34 das Absperrventil 24 schließen und das Verbindungsventil/Ventil 30 öffnen, sodass die Druckluft dem Brennstoffzellensystem zugeführt wird. Das Abluftventil 28 kann regelbar sein und dazu verwendet werden, den Druck und/oder den Massenstrom an Druckluft in den Kathodenpfad 16 zu regeln.By way of example, a control unit 34 is provided, which is coupled to the air supply unit 18 , the connection valve/valve 30 , the shut-off valve 24 and the exhaust air valve 28 . Upon detecting a fault in the air supply unit 18, the control unit 34 can close the shut-off valve 24 and open the connection valve/valve 30 so that the compressed air is supplied to the fuel cell system. The exhaust valve 28 may be controllable and used to control the pressure and/or mass flow of pressurized air into the cathode path 16 .

Wie in 2 dargestellt kann die Systemanordnung 2 auch ein weiteres oder alternativ auch mehrere Brennstoffzellensysteme 4 umfassen, welche von der Druckluftquelle 32 versorgt werden können. Hierfür sind beispielhaft zwei Verbindungsventil/Ventile 30 vorgesehen, die jeweils einem einzigen Brennstoffzellensystem 4 zugeordnet sind. Es ist denkbar, lediglich eines der beiden Brennstoffzellen 4 unter Druckluft von der Druckluftquelle zu betreiben.As in 2 shown, the system arrangement 2 can also include a further fuel cell system or, alternatively, a plurality of fuel cell systems 4 which can be supplied by the compressed air source 32 . Two connection valves/valves 30 are provided for this purpose, each of which is assigned to a single fuel cell system 4 . It is conceivable to operate only one of the two fuel cells 4 with compressed air from the compressed air source.

3 zeigt mögliche Varianten der Druckluftquelle 32. Hier ist ein Drucklufterzeuger 36 vorgesehen, der mit einem Druckregler 38 verbunden ist und einen Druckluftspeicher aufweist. Der Druckregler 38 könnte mit dem Verbindungsventil/Ventil verbunden sein (gestrichelte Linie). Dem Druckregler 38 ist ein Lufttrockner 40 nachgeschaltet, auf den ein Mehrkreisventil 42 folgt. Dieses ist mit einem ersten Bremskreis 44 (bspw. für die Hinterachse), einem zweiten Bremskreis 46 (bspw. für die Vorderachse), einem dritten Bremskreis 48 (bspw. für die Feststellbremse) und einem Nebenverbraucherkreis 50 verbunden. Das Verbindungsventil/Ventil 30 ist dann insbesondere mit dem Nebenverbraucherkreis 50 verbunden, der etwa eine Luftfederung mit Druckluft versorgt. Die dort bereitgestellte Druckluft ist bereits vorkonditioniert bzw. gereinigt. 3 shows possible variants of the compressed air source 32. A compressed air generator 36 is provided here, which is connected to a pressure regulator 38 and has a compressed air reservoir. The pressure regulator 38 could be connected to the connecting valve/valve (dashed line). The pressure regulator 38 is followed by an air dryer 40 which is followed by a multi-circuit valve 42 . This is connected to a first brake circuit 44 (e.g. for the rear axle), a second brake circuit 46 (e.g. for the front axle), a third brake circuit 48 (e.g. for the parking brake) and an auxiliary consumer circuit 50 . The connecting valve/valve 30 is then connected in particular to the secondary consumer circuit 50, which supplies compressed air to an air suspension, for example. The compressed air provided there is already preconditioned or cleaned.

4 zeigt schließlich eine schematische Darstellung eines Verfahrens zum Versorgen des Brennstoffzellensystems 4 mit Luft, aufweisend die Schritte des Ansteuerns 52 der Luftzufuhreinheit 18, die dazu ausgebildet ist, Luft druckbeaufschlagt über die Luftzufuhrleitung 22 an den Brennstoffzellenstapel 6 zu liefern, und bei Betriebseinschränkung der Luftzufuhreinheit 18 des Verbindens 54 der separaten Druckluftquelle 32 für pneumatische Verbraucher mit der Luftzufuhrleitung 22 mittels des Verbindungsventil/Ventil s 30, wobei die Druckluftquelle 32 dazu ausgebildet ist, Druckluft mit einem vordefinierten Druck zum Betrieb pneumatischer Verbraucher bereitzustellen. Das Verfahren weist ferner das Schließen 56 des in der Luftzufuhreinheit 18 oder der Luftzufuhrleitung 22 stromaufwärts des Verbindungsventil/Ventil s 30 angeordneten Absperrventils 24 auf. Durch das Regeln 58 des Abluftstroms durch das als Regelventil ausgebildete Abluftventil 28, das mit dem Kathodenpfad 16 des Brennstoffzellensystems 4 verbunden ist, zusammen mit der Ansteuerung des Verbindungsventils/Ventils 30 wird der Zuluftstrom aus der Druckluftquelle 32 in das Brennstoffzellensystem 4 und das Druckniveau im Kathodenpfad 16 geregelt. 4 Finally, FIG Connecting 54 the separate compressed air source 32 for pneumatic consumers with the air supply line 22 by means of the connecting valve / valve s 30, wherein the compressed air source 32 is designed to provide compressed air at a predefined pressure for operating pneumatic consumers. The method further includes closing 56 the isolation valve 24 located in the air supply unit 18 or air supply line 22 upstream of the connecting valve/valve 30 . By regulating 58 the exhaust air flow through the exhaust air valve 28 designed as a control valve, which is connected to the cathode path 16 of the fuel cell system 4, together with the actuation of the connecting valve/valve 30, the supply air flow from the compressed air source 32 into the fuel cell system 4 and the pressure level in the cathode path 16 regulated.

Claims

System arrangement (2) for a vehicle, comprising - a fuel cell system (4), and - a separate compressed air source (32) for pneumatic consumers, the fuel cell system (4) comprising an air supply unit (18) which is designed to supply air under pressure via a To supply air supply line (22) to a fuel cell stack (6), wherein the compressed air source (32) is adapted to supply compressed air at a predefined pressure operation of pneumatic consumers, in particular for a pneumatic commercial vehicle brake, and wherein the air supply line (22) is connected to the compressed air source (32) via a connecting valve/valve (30), wherein the connecting valve/valve (30) is designed to selectively supply air from the compressed air source (32) to supply the fuel cell system (4) with air into the air supply line (22).

System arrangement (2) after claim 1 , wherein the compressed air source (32) has a compressed air reservoir.

System arrangement (2) after claim 1 or 2 , wherein the air supply unit (18) or the air supply line (22) has a shut-off valve (24) arranged upstream of the introduction of the connection path between the compressed air source (32) and the fuel cell system (2), including the connection valve/valve (30), which can be closed selectively .

System arrangement (2) according to one of the preceding claims, further comprising an exhaust air valve (28) which is connected to a cathode path (16) of the fuel cell system (4), wherein the exhaust air valve (28) is a control valve and is designed to, by controlling an exhaust air flow from the cathode path (16) together with the activation of the connecting valve/valve (30), the supply air flow from the compressed air source (32) into the fuel cell system (4) and to regulate the pressure level in the cathode path (16).

System arrangement (2) according to one of the preceding claims, further comprising a control unit (34) which is connected to the air supply unit (18) and the connecting valve/valve (30), wherein the control unit (34) is designed to detect a functional restriction of the air supply unit (18) and to open or regulate the connecting valve/valve (30) when a functional restriction is detected.

System arrangement (2) after claim 3 and 5 , wherein the control unit (34) is also connected to the shut-off valve (24) and is designed to close the shut-off valve (24) when a functional restriction is detected.

System arrangement (2) after claim 5 or 6 , wherein the control unit (34) is designed to emit a power limitation signal for transmission to electrical consumers that are connected to the fuel cell system (4) when a functional restriction is detected, and to reduce the operation of the fuel cell system (4) to a predefined emergency operating power.

Method for supplying a fuel cell system (4) with air, comprising: activating (52) an air supply unit (18) which is designed to supply pressurized air to the fuel cell stack (6) via an air supply line, and when the air supply unit (18) is restricted in operation, connecting (54) a separate compressed air source (32) for pneumatic consumers to the air supply line (22) by means of a connecting valve/valve (30), the compressed air source (32) being designed to supply compressed air at a predefined pressure provide for the operation of pneumatic consumers.

procedure after claim 8 , further comprising closing (56) a shut-off valve (24) arranged in the air supply unit (18) or the air supply line (22) upstream of the connecting valve/valve (30).

procedure after claim 8 or 9 , further having regulation (58) of an exhaust air flow through an exhaust air valve (28) designed as a control valve, which is connected to a cathode path (16) of the fuel cell system (4) in order, together with the actuation of the connecting valve/valve (30), to regulate the supply air flow from the To regulate compressed air source (32) in the fuel cell system (4) and the pressure level in the cathode path (16).