DE10322296A1 - Air supply unit for a fuel cell system for a heavy truck braking unit has a turbine driven compressor and a combustion engine on the downstream side of the turbine - Google Patents

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Werner Dr.-Ing. Rumez
Manfred Dipl.-Ing. Stute
Siegfried Dipl.-Ing. Sumser
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Abstract

An air supply unit for a fuel cell system (2) comprises a turbo system (6) with an air compressor (34) driven by a turbine (28). A combustion engine (8) is connected to the gas outlet side of the turbine.

Description

Die Erfindung betrifft eine Luftversorgungseinrichtung für ein Brennstoffzellensystem nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The The invention relates to an air supply device for a fuel cell system according to the preamble of claim 1.

Nutzfahrzeuge mit einem hohen zulässigen Gesamtgewicht weisen neben der üblichen Radbremse sinnvollerweise auch eine Motorbremse auf. Hierdurch kann die auf insbesondere langen Gefällestrecken benötigte hohe Bremsleistung über lange Zeiträume erbracht werden, ohne dass die Radbremsen durch eine übermäßige Wärmeentwicklung Schaden nehmen. Die derzeitige Entwicklung führt dahin, dass die Bremsnennleistung von Motorbremssystemen etwa doppelt so groß ist wie die Antriebsnennleistung der Antriebsmaschine. Bei einer Antriebsnennleistung von beispielsweise 300 kW wäre das Motorbremssystem für eine maximale Bremsnennleistung von ca. 600 kW ausgelegt.commercial vehicles with a high gross vehicle weight in addition to the usual Wheel brake usefully also an engine brake on. This can on particularly long slopes needed high braking power over long periods be provided without the wheel brakes due to excessive heat damage to take. The current trend is that the brake rated power of engine braking systems is about twice as large as the nominal drive power the prime mover. For example, with a nominal drive rating 300 kW would be that Engine braking system for a maximum rated brake power of approx. 600 kW.

Kraftfahrzeuge, die mit einer elektrischen Maschine in Verbindung mit einem Brennstoffzellensystem betrieben werden, verfügen ebenso wie Nutzfahrzeuge mit Verbrennungsmaschinen sinnvollerweise über ein Motorbremssystem. Hierbei kann die als Antriebsmaschine verwendete elektrische Maschine im Generatorbetrieb Bremsenergie abführen und als elektrische Energie einem Speichermedium, beispielsweise einer Batterie, zuführen. Die verfügbare Bremsnennleistung einer elektrischen Maschine entspricht hierbei ungefähr ihrer Antriebsnennleistung. Um eine Maschine mit einer Bremsnennleistung auszustatten, die dem doppelten der benötigten Antriebsnennleistung entspricht, müsste die Maschine sehr groß und schwer ausgeführt werden, was aus Platz-, Kosten- und Gewichtsgründen uninteressant wäre.Motor vehicles those with an electric machine in conjunction with a fuel cell system be operated as well as commercial vehicles with combustion engines usefully over a The engine braking system. Here, the used as a prime mover electrical machine in generator mode dissipate braking energy and as electrical energy a storage medium, such as a Battery, feed. The available Brake rated power of an electric machine corresponds to this approximately their drive rating. To a machine with a Bremsnennleistung Equivalent to twice the required nominal drive power corresponds, would have the machine is very big and hard to execute which would be uninteresting for space, cost and weight reasons.

Zur Lösung dieses Problems schlägt die DE 101 27 799 A1 vor, ein Antriebssystem, umfassend einen Elektromotor und ein Brennstoffzellensystem, mit einem Kompressor auszustatten, der bei einem Motorbremsbetrieb Luft durch Verdichtung erhitzt, wobei die erhitzte Luft nach einer teilweisen Entspannung nach außen abgeführt wird. Die Bremsenergie verlässt somit das Bremssystem als Wärme in der aus dem System abgeführten Luft. Da die Bremsleistung des Kompressors umso höher ist je höher der Eingangsdruck ist, ist das Bremssystem zum Erbringen einer hohen Bremsleistung mit einem Turbosystem aus einer Turbine und einem Luftverdichter ausgestattet, der für einen hohen Eingangsdruck am Kompressor sorgt.To solve this problem proposes the DE 101 27 799 A1 to provide a drive system comprising an electric motor and a fuel cell system with a compressor which heats air by compression in an engine braking operation, wherein the heated air is discharged to the outside after a partial relaxation. The braking energy thus exits the braking system as heat in the air discharged from the system. Since the higher the input pressure, the greater the braking power of the compressor, the brake system is equipped with a turbine system and an air compressor to provide high braking power, which provides a high input pressure to the compressor.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Bremssystem für ein brennstoffzellenbetriebenes Fahrzeug anzugeben. Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Weitere Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.Of the Invention is based on the object, an improved braking system for a indicate fuel cell vehicle. This task will according to the invention solved by the features of claim 1. Further embodiments emerge from the dependent claims.

Die Erfindung geht aus von einer Luftversorgungseinrichtung für ein Brennstoffzellensystem, umfassend ein Turbosystem mit einer Turbine und einem von der Turbine antreibbaren Luftverdichter zur Verdichtung von Luft für das Brennstoffzellensystem.The The invention is based on an air supply device for a fuel cell system, comprising a turbo system with a turbine and a drivable by the turbine Air compressor for compressing air for the fuel cell system.

Es wird vorgeschlagen, dass die Luftversorgungseinrichtung einen Verbrennungsmotor aufweist, der abgasseitig mit der Turbine verbunden ist.It It is proposed that the air supply device is an internal combustion engine has, which is connected on the exhaust side with the turbine.

Die Erfindung geht von dem Gedanken aus, dass ein eigens für eine Motorbremsung eingerichteter Kompressor ein erhebliches Mehrgewicht gegenüber üblichen brennstoffzellenbetriebenen Antrieben bedeutet. Dies gilt umso mehr, als der Kompressor für eine hohe Bremsnennleistung ausgelegt und somit groß und schwer ausgeführt sein muss. Es wird daher nach Möglichkeiten gesucht, dem zusätzlichen Bremsaggregat weitere Funktionen zuzuordnen, so dass andere Elemente des Antriebs geringer dimensioniert werden oder ganz wegfallen können.The Invention is based on the idea that a specially for engine braking equipped compressor a considerable extra weight compared to usual fuel cell driven drives means. This is even more true as the compressor for designed a high brake rated power and thus big and heavy accomplished have to be. It will therefore look for opportunities wanted, the additional brake unit assign additional functions, leaving other elements of the drive be dimensioned smaller or completely eliminated.

Die Einbindung eines Verbrennungsmotors in den elektrischen Antrieb und somit die Schaffung eines Hybridantriebs weist solche Vorzüge auf. Der Elektromotor und das Brennstoffzellensystem können kleiner dimensioniert werden, da der Verbrennungsmotor für eine zusätzliche Antriebsnennleistung sorgt. Durch die abgasseitige Verbindung des Verbrennungsmotors mit der Turbine kann Energie, die im Abgas des Verbrennungsmotors enthalten ist, im Turbosystem zur Verdichtung von Luft für das Brennstoffzellensystem verwendet werden. Hierdurch kann auf einen elektrischen Antrieb für den Luftverdichter verzichtet werden oder er kann kleiner dimensioniert sein. Durch den Einsatz des Verbrennungsmotors kann somit nicht nur auf einen zusätzlichen Kompressor verzichtet werden, sondern es können auch andere Aggregate des Antriebssystems kleiner und leichter ausgeführt werden, wodurch Platz und Gewicht eingespart werden können.The Integration of an internal combustion engine in the electric drive and thus the creation of a hybrid drive has such advantages. The electric motor and the fuel cell system can be smaller dimensioned, since the internal combustion engine for an additional drive rated power provides. Through the exhaust gas connection of the internal combustion engine with the turbine can be energy in the exhaust of the internal combustion engine contained in the turbo system for compressing air for the fuel cell system be used. This allows for an electric drive for the air compressor be omitted or it may be smaller. By The use of the internal combustion engine can thus not only on one additional Compressor can be dispensed with, but it can also be other aggregates of the drive system are made smaller and lighter, reducing space and Weight can be saved.

Durch die Möglichkeit der Nutzung der Abgasenergie für die Luftversorgung des Brennstoffzellensystems können der Verbrennungsmotor und das Turbosystem als Bestandteile einer Luftversorgungseinrichtung für das Brennstoffzellensystem betrachtet werden. Durch die Möglichkeit der Nutzung der Bremsnennleistung des Verbrennungsmotors können der Verbrennungsmotor und das Turbosystem auch als ein Teil eines Bremssystems für ein hybridbetriebenes Fahrzeug betrachtet werden.By the possibility the use of exhaust gas energy for The air supply of the fuel cell system can be the internal combustion engine and the turbo system as components of an air supply device for the Fuel cell system are considered. By the possibility the use of the Bremsnennleistung the internal combustion engine, the Internal combustion engine and the turbo system also as part of a braking system for a hybrid-powered vehicle.

Der Verbrennungsmotor kann in üblichen, dem Fachmann bekannten Modi zur Erzeugung einer Bremsnennleistung betrieben werden. Zweckmäßigerweise ist der Verbrennungsmotor in einem Motorbremsbetrieb als Luftkompressor betreibbar. Durch das Zusammenwirken mit dem Turbosystem kann hierdurch der Druck in dem aus Verbrennungsmotor und Turbosystem bestehenden System derart erhöht werden, dass der Verbrennungsmotor eine hohe Bremsnennleistung erbringen kann.The internal combustion engine can be operated in conventional modes known to those skilled in the art for generating a nominal brake power. Conveniently, the engine is operable in an engine braking operation as an air compressor. By the interaction with the turbo system can thereby increase the pressure in the system consisting of the internal combustion engine and the turbo system in such a way that the internal combustion engine can produce a high rated brake power.

Vorteilhafterweise umfasst die Luftversorgungseinrichtung eine Luftverteilvorrichtung zur Verteilung von Luft vom Verdichter zum Brennstoffzellensystem und zum Verbrennungsmotor.advantageously, the air supply device comprises an air distribution device for distributing air from the compressor to the fuel cell system and to the combustion engine.

Hierdurch kann das Turbosystem zur Versorgung von Luft sowohl des Brennstoffzellensystems als auch des Verbrennungsmotors genutzt werden. Es ist möglich, dem Turbosystem drei Funktionen zuzuordnen: die Funktion eines Turboladers für den Verbrennungsmotor, die Funktion der Luftversorgung für das Brennstoffzellensystem und die Funktion der Bereitstellung eines hohen Eingangsdrucks am Verbrennungsmotor beim Motorbremsbetrieb. Die Luftverteilvorrichtung ist zweckmäßigerweise derart ansteuerbar, dass eine kontinuierliche Verstellung der Luftmengenrelation zum Brennstoffzellensystem und zum Verbrennungsmotor durchführbar ist.hereby can the turbo system for supplying air to both the fuel cell system and also be used of the internal combustion engine. It is possible to Turbosystem to assign three functions: the function of a turbocharger for the internal combustion engine, the function of the air supply for the fuel cell system and the function of providing a high inlet pressure at Internal combustion engine during engine braking operation. The air distribution device is expediently controlled such that a continuous adjustment of the air quantity relation to the fuel cell system and the internal combustion engine is feasible.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Luftversorgungseinrichtung eine Abgaszuführung auf, die Abgas vom Brennstoffzellensystem zur Turbine führt. Hierdurch kann eine Nutzung der im Abgas des Brennstoffzellensystems innewohnenden Energie zur Verdichtung von Luft durch den Luftverdichter genutzt werden. Es kann ein Teil oder die gesamte Energie, die das Brennstoffzellensystem zur Verdichtung von Luft zum Betrieb der Brennstoffzellen benötigt, aus dem Abgas des Brennstoffzellensystems gewonnen werden.In an advantageous embodiment of the invention, the air supply device an exhaust gas supply on, the exhaust gas from the fuel cell system leads to the turbine. hereby may be a use of inherent in the exhaust of the fuel cell system Energy used to compress air through the air compressor become. It can be a part or all of the energy that the fuel cell system required for the compression of air for the operation of the fuel cell the exhaust gas of the fuel cell system can be obtained.

Zweckmäßigerweise ist in der Abgaszuführung ein Rückschlagventil angeordnet. Hierdurch kann ein Eindringen von Abgasen aus dem Verbrennungsmotor in die Brennstoffzellen verhindert werden. Außerdem kann verhindert werden, dass der im Motorbremsbetrieb erzeugte hohe Gasdruck des als Kompressor betriebenen Verbrennungsmotors in das Brennstoffzellensystem drückt. Das Rückschlagventil ist zweckmäßigerweise derart aufgebaut, dass es bei einem Druckgefälle vom Brennstoffzellensystem zur Turbine Abgas des Brennstoffzellensystems zur Turbine durchlässt und bei einem Gasdruck des Verbrennungsmotors, der höher liegt als der gewünschte Abgasdruck des Brennstoffzellensystems, sperrt.Conveniently, is in the exhaust gas feed a check valve arranged. As a result, an ingress of exhaust gases from the internal combustion engine be prevented in the fuel cells. It can also be prevented that the high gas pressure generated in the engine braking operation as the compressor operated internal combustion engine presses in the fuel cell system. The Check valve is expediently constructed so that it at a pressure gradient of the fuel cell system to the turbine allows exhaust gas from the fuel cell system to pass through to the turbine and at a gas pressure of the internal combustion engine, which is higher than the desired exhaust gas pressure of the fuel cell system, locks.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist eine Abgasentwässerungsvorrichtung in Strömungsrichtung vor dem Rückschlagventil in der Abgaszuführung angeordnet.In a further advantageous embodiment of the invention is a Exhaust gas dehydrator in the flow direction in front of the check valve in the exhaust gas supply arranged.

Das aus dem Brennstoffzellensystem gewonnene Entfeuchtungswasser kommt auf diese Weise nicht mit Abgasen des Verbrennungsmotors in Berührung und kann zur Befeuchtung der Elektrolyte des Brennstoffzellensystems wiederverwendet werden.The Dehumidifying water obtained from the fuel cell system comes in this way not in contact with exhaust gases of the internal combustion engine and can be used to moisten the electrolytes of the fuel cell system be reused.

Vorteilhafterweise umfasst die Luftversorgungseinrichtung eine Bypassleitung, die zur Abführung von Brennstoffzellenabgas unter Umgehung der Turbine vorgesehen ist. Das Abgas kann auf diese Weise auch bei geschlossenem Rückschlagventil aus dem Brennstoffzellensystem herausgeführt werden. Außerdem ist es möglich, die Abgase des Brennstoffzellensystems und des Verbrennungsmotors zu trennen, wodurch eine Reinhaltung der Brennstoffzellenabgase für eine eventuelle Weiterverwendung gewährleistet werden kann.advantageously, the air supply device comprises a bypass line, which leads to removal provided by fuel cell exhaust bypassing the turbine is. The exhaust gas can in this way even with the check valve closed be led out of the fuel cell system. Besides that is it is possible the exhaust gases of the fuel cell system and the internal combustion engine to separate, thereby keeping the fuel cell exhaust gases clean for one ensures possible further use can be.

Ein einfacher Aufbau zur Kombination der Brems- und Antriebsleistung kann erreicht werden, indem der Verbrennungsmotor auf einem An- bzw. Abtriebsstrang mit einer elektrischen Maschine angeordnet ist. Durch eine Kopplung des Verbrennungsmotors mit der elektrischen Maschine, zweckmäßigerweise unter Zwischenschaltung eines Getriebes, können die Antriebsleistungs- wie auch die Bremsleistungsanteile zwischen der elektrischen Maschine und dem Verbrennungsmotor in einer gewünschten Weise abgestimmt werden. Hierbei ist es vorteilhaft, wenn der Verbrennungsmotor eine Basisleistung sowohl bzgl. Antrieb als auch bzgl. Bremsung liefert und die elektrische Maschine gemäß der momentan gewünschten Leistung angesteuert wird. Der Verbrennungsmotor ist auf diese Weise konstant und somit effizient betreibbar. Die elektrische Maschine ist in einfacher Weise fein ansteuerbar, so dass beispielsweise einer Tempomatfunktion in einfacher und sehr exakter Weise gefolgt werden kann. Aus energetischen Gründen ist es sinnvoll, dass der größere Bremsleistungsanteil über den Verbrennungsmotor in Verbindung mit dem Turbosystem abgedeckt wird, während der Tempomatfunktion weitgehend durch die Bremsleistungsspitzenregelung der elektrischen Maschine präzise und schnell gefolgt werden kann.On simple structure for combining the braking and drive power can be achieved by placing the combustion engine on a or output line is arranged with an electric machine. By coupling the internal combustion engine with the electric Machine, conveniently with the interposition of a gearbox, the drive power as well as the braking power components between the electric machine and be tuned to the internal combustion engine in a desired manner. It is advantageous if the internal combustion engine is a basic power both regarding drive and with regard to braking supplies and the electrical Machine according to the moment desired Power is controlled. The internal combustion engine is this way constant and thus efficient to operate. The electric machine is easily controllable in a simple manner, so that, for example followed a cruise control function in a simple and very precise manner can be. For energetic reasons, it makes sense that the larger brake power share over the Internal combustion engine is covered in conjunction with the turbo system, while the Cruise control function largely by the braking power peak control the electrical machine accurate and can be followed quickly.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung wird erreicht, indem die Turbine ein Stellelement, insbesondere ein Turbinenleitgitter, aufweist, das eine Verstellung des engsten Querschnitts der Turbine erlaubt. Hierdurch ist eine einfache Anpassung der Turbine an die Druckverhältnisse im Abgassystem und an die gewünschte Bremsleistung sowie auch an die gewünschte Luftverdichterleistung möglich. Um eine gewünschte hohe Leistungsdichte im Bremsbetrieb zu erreichen, ist es vorteilhaft, die Turbobremskennzahl TBF auf Werte unterhalb 0,01 einzurichten. Die Turbobremskennzahl verbindet das Verbrennungsvolumen VH des Verbrennungsmotors mit den Hauptparametern der Turbine, nämlich Turbinenraddurchmesser DT und dem engsten Turbinenquerschnitt AT, der der engste Leitgitterquerschnitt direkt vor dem Turbinenrad sein kann. Die Verbindung der Parameter ist gegeben durch die Beziehung TBF = DT·AT/VH. A further advantage of the invention is achieved in that the turbine has an actuating element, in particular a turbine guide grille, which permits an adjustment of the narrowest cross section of the turbine. As a result, a simple adaptation of the turbine to the pressure conditions in the exhaust system and to the desired braking power as well as to the desired air compressor performance is possible. In order to achieve a desired high power density in braking operation, it is advantageous to set the turbo brake characteristic TBF to values below 0.01. The turbo-brake characteristic combines the combustion volume V H of the internal combustion engine with the main parameters of the turbine, namely turbine wheel diameter D T and the narrowest turbine cross-section A T , which may be the narrowest guide-rail cross-section directly in front of the turbine wheel. The connection of the Parame ter is given by the relationship TBF = D T · A T / V H ,

Zweckmäßigerweise wird der Verbrennungsmotor im Bremsbetrieb als ein in Zweitaktbetriebsweise arbeitender Kompressor betrieben. Auf eine solche Betriebsweise bezieht sich die oben genannte Turbobremskennzahl unterhalb 0,01. Wird der Verbrennungsmotor im Bremsbetrieb als ein in Viertaktweise arbeitender Kompressor betrieben, so wird die Turbobremskennzahl zweckmäßigerweise unter 0,005 gehalten. Zur weiteren Steigerung der Leistungsdichten können die Werte der Turbobremskennzahl auch jeweils unter der Hälfte der oben genannten Werte gehalten werden.Conveniently, In the brake mode, the internal combustion engine is considered a two-stroke mode operating compressor operated. On such a mode of operation the above mentioned turbo-braking ratio is below 0,01. If the internal combustion engine in braking mode as a four-stroke mode operated compressor, so is the turbo brake characteristic expediently kept below 0.005. To further increase the power densities can the values of the turbo brake characteristic also each under half of the above values.

Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.Further Advantages are shown in the following description of the drawing. In the drawing is an embodiment represented the invention. The description and the claims contain numerous features in combination. The skilled person will become the characteristics expediently also consider individually and summarize to meaningful further combinations.

Dabei zeigt die einzige Figur eine Luftversorgungseinrichtung für ein Brennstoffzellensystem 2, bzw. ein Bremssystem für ein hybridbetriebenes Fahrzeug, mit einer Brennstoffzelleneinheit 4, einem Turbosystem 6 und einem Verbrennungsmotor 8. Elektrisch mit der Brennstoffzelleneinheit 4 verbunden ist eine Schalteinheit 10 und eine elektrische Maschine 12. Zwischen der elektrischen Maschine 12 und dem Verbrennungsmotor 8 ist ein Getriebe 14 angeordnet. Auf einer Welle 16 zum An- bzw. Abtrieb ist zwischen der elektrischen Maschine 12 und einem in der Figur nicht dargestellten Antriebsrad eine Kupplung 18 angeordnet.The single figure shows an air supply device for a fuel cell system 2 , or a braking system for a hybrid-powered vehicle, with a fuel cell unit 4 , a turbo system 6 and an internal combustion engine 8th , Electrically with the fuel cell unit 4 connected is a switching unit 10 and an electric machine 12 , Between the electric machine 12 and the internal combustion engine 8th is a transmission 14 arranged. On a wave 16 to the input or output is between the electric machine 12 and a drive wheel, not shown in the figure, a clutch 18 arranged.

In einem Antriebsbetrieb kann eine Antriebsleistung auf die Welle 16 sowohl durch den Verbrennungsmotor 8 als auch durch die elektrische Maschine 12 als auch durch den Verbrennungsmotor 8 und die elektrische Maschine 12 aufgebracht werden. Der Verbrennungsmotor 8 bezieht hierbei Kraftstoff aus einem Kraftstofftank 20, wobei der Kraftstoff in nicht näher dargestellter Weise aufbereitet und dem Verbrennungsmotor 8 zugeführt werden kann. Als Kraftstoff wird zweckmäßigerweise Methanol verwendet. Es ist jedoch auch möglich, Benzin, Diesel oder andere Kraftstoffe einzusetzen. Der Kraftstoff wird zum Betrieb der Brennstoffzelleneinheit 4 zuerst einem Reformer 22 zugeführt. Im Reformer 22 werden mit Hilfe von Wärmeenergie Wasserstoffanteile aus dem Kraftstoff herausgelöst, die anschließend der Brennstoffzelleneinheit 4 zur Erzeugung von Strom zugeführt werden. In der Brennstoffzelleneinheit 4 erzeugte elektrische Energie wird über die Schalteinheit 10 der elektrischen Maschine 12 zugeführt.In a drive mode, a drive power to the shaft 16 both by the internal combustion engine 8th as well as by the electric machine 12 as well as by the combustion engine 8th and the electric machine 12 be applied. The internal combustion engine 8th refers fuel from a fuel tank 20 , wherein the fuel prepared in a manner not shown and the internal combustion engine 8th can be supplied. As the fuel methanol is suitably used. However, it is also possible to use gasoline, diesel or other fuels. The fuel becomes the operation of the fuel cell unit 4 first a reformer 22 fed. In the reformer 22 With the help of heat energy hydrogen components are dissolved out of the fuel, which then the fuel cell unit 4 be supplied to generate electricity. In the fuel cell unit 4 generated electrical energy is transmitted through the switching unit 10 the electric machine 12 fed.

Abgase aus dem Verbrennungsmotor 8 werden über eine Abgasleitung 24 und einer Abgaszuführung 26 einer Turbine 28 zugeführt, die Bestandteil des Turbosystems 6 ist. In der Turbine 28 wird das Abgas entspannt und durch eine Abgasabführung 30 aus dem System entfernt. Die in der Turbine 28 umgesetzte kinetische Energie wird über eine Welle 32 einem Luftverdichter 34 zugeführt, der als Strömungsverdichter ausgeführt ist. Dem Luftverdichter 34 wird durch eine Luftzuführung 36 Luft zugeführt, die gegebenenfalls bereits aufbereitet ist. Diese Luft wird im Luftverdichter 34 verdichtet und anschließend einer Luftverteilvorrichtung 38 zugeführt. Die Luftverteilvorrichtung 38 verteilt die Luft zum Verbrennungsmotor 8 und zur Brennstoffzelleneinheit 4 oder nur zu einem der beiden genannten Aggregate. Die für den Betrieb der Brennstoffzelleneinheit 4 vorgesehene Luft wird über eine Luftzuleitung 40 einem Wärmetauscher 42 zugeführt, bevor sie in die Brennstoffzelleneinheit 4 eingeleitet wird. Im Wärmetauscher 42 oder in einem weiteren in der Figur nicht gezeigten Bauteil kann die Luft vor Eintritt in die Brennstoffzelleneinheit 4 zusätzlich befeuchtet werden, wenn dies für den Betrieb der Brennstoffzellen in der Brennstoffzelleneinheit 4 vorteilhaft ist. Der Wärmetauscher 42 kann auch vor dem Luftverteiler 38 angeordnet sein, um sowohl Brennstoffzelleneinheit 4 und Verbrennungsmotor 8 zu bedienen.Exhaust gases from the internal combustion engine 8th be over an exhaust pipe 24 and an exhaust gas supply 26 a turbine 28 supplied, which is part of the turbo system 6 is. In the turbine 28 the exhaust gas is released and through an exhaust gas discharge 30 removed from the system. The one in the turbine 28 converted kinetic energy is transmitted through a wave 32 an air compressor 34 fed, which is designed as a flow compressor. The air compressor 34 is through an air supply 36 Air supplied, which may already be processed. This air is in the air compressor 34 compressed and then an air distribution device 38 fed. The air distribution device 38 distributes the air to the combustion engine 8th and to the fuel cell unit 4 or only one of the two mentioned aggregates. The for the operation of the fuel cell unit 4 provided air is via an air supply line 40 a heat exchanger 42 fed before entering the fuel cell unit 4 is initiated. In the heat exchanger 42 or in another component, not shown in the figure, the air before entering the fuel cell unit 4 be additionally moistened if this is for the operation of the fuel cells in the fuel cell unit 4 is advantageous. The heat exchanger 42 can also be in front of the air distributor 38 be arranged to both fuel cell unit 4 and internal combustion engine 8th to use.

Das aus der Brennstoffzelleneinheit 4 austretende Abgas wird einem Wasserabscheider 44 zugeleitet, der Wasseranteile aus dem Abgas abtrennt und durch eine Leitung 46 einem Befeuchter oder weiteren Bauteilen zuführt oder aus dem System abführt. Nach Verlassen des Wasserabscheiders 44 gelangt das Brennstoffzellenabgas zu einem Rückschlagventil 48. Je nach Druckverhältnis in der Abgaszuführung 26 wird das Brennstoffzellenabgas entweder durch die Abgaszuführung 26 der Turbine 28 zugeführt oder über eine Bypassleitung 50 direkt in die Abgasabführung 30 geleitet.That from the fuel cell unit 4 exiting exhaust gas is a water separator 44 fed, the water removed from the exhaust gas and through a pipe 46 a humidifier or other components or removed from the system. After leaving the water separator 44 the fuel cell exhaust gas reaches a check valve 48 , Depending on the pressure ratio in the exhaust gas supply 26 The fuel cell exhaust is either through the exhaust gas supply 26 the turbine 28 supplied or via a bypass line 50 directly into the exhaust gas outlet 30 directed.

Im Bremsbetrieb wird mechanische Energie über die Welle 16 und die Kupplung 18 auf die elektrische Maschine 12 oder den Verbrennungsmotor 8 oder auf beide Aggregate übertragen. Die elektrische Maschine 12 kann dann im Generatorbetrieb betrieben werden, wobei die von der elektrischen Maschine 12 erzeugte elektrische Energie einer Speichereinheit, die bei spielsweise in der Brennstoffzelleneinheit 4 integriert sein kann, zugeführt wird. Die Umschaltung vom Elektromotorbetrieb in den Generatorbetrieb der elektrischen Maschine 12 erfolgt durch die Schalteinheit 10, die wiederum von einer Steuereinheit 52 angesteuert wird. Die Steuereinheit 52 steuert auch den Betrieb des Verbrennungsmotors 8, und zwar sowohl im Antriebsbetrieb als auch im Bremsbetrieb. Hierbei werden insbesondere die Gaswechselventile des Verbrennungsmotors 8 angesteuert, die im Bremsbetrieb als Kompressorventile verwendet werden. Die Auslassventile werden durch einen nicht gezeigten Aktuator von der Steuereinheit 52 angesteuert. Die Ansteuerung der Kompressorventile geschieht derart, dass der Verbrennungsmotor 8 als Kompressor betrieben wird. Hierbei wird dem Verbrennungsmotor 8 zugeführte Luft komprimiert und durch die Abgasleitung 24 und die Abgaszuführung 26 der Turbine 28 zugeführt.In braking mode, mechanical energy is transmitted through the shaft 16 and the clutch 18 on the electric machine 12 or the internal combustion engine 8th or transferred to both units. The electric machine 12 can then be operated in generator mode, wherein the electric machine 12 generated electrical energy of a storage unit, the example in the fuel cell unit 4 can be integrated, is supplied. The switchover from the electric motor operation to the generator operation of the electric machine 12 done by the switching unit 10 , in turn, from a control unit 52 is controlled. The control unit 52 also controls the operation of the internal combustion engine 8th , both in drive mode and in braking mode. In particular, the gas exchange valves of the internal combustion engine 8th controlled, the ver in brake mode as compressor valves ver be used. The exhaust valves are actuated by an unillustrated actuator from the control unit 52 driven. The control of the compressor valves is done in such a way that the internal combustion engine 8th is operated as a compressor. This is the internal combustion engine 8th supplied air is compressed and through the exhaust pipe 24 and the exhaust gas supply 26 the turbine 28 fed.

Die Leistungsaufnahme des Verbrennungsmotors 8 kann, neben der Drehzahleinstellung durch das Getriebe 14, gezielt über die Dekompression des Zylinderinhalts über die Auslassventile gesteuert werden. Die Steuerung der Kompressorventile des Verbrennungsmotors 8 kann derart geschehen, dass die Ventile bereits in der Kompressionsphase etwas geöffnet sind und ein Teil der komprimierten Gase ausgeschoben werden. Auch während der Auslassphase können die Ventile permanent schwach geöffnet sein. Auf diese Weise wird ein großer Anteil der Bremsenergie in Wärme umgewandelt. Ein Grenzfall könnte sein, dass die Auslassventile des Verbrennungsmotors 8 während des Bremsbetriebs in eine leichte Öffnungsstellung gebracht werden, wobei der Ventilöffnungsquerschnitt nicht drehzahlzyklisch sondern nach gewünschter Bremsleistungsaufnahme verstellt wird.The power consumption of the internal combustion engine 8th can, in addition to the speed setting by the transmission 14 , are specifically controlled via the decompression of the cylinder contents via the exhaust valves. The control of the compressor valves of the internal combustion engine 8th This can happen in such a way that the valves are already slightly open in the compression phase and some of the compressed gases are expelled. Even during the exhaust phase, the valves can be permanently opened weak. In this way, a large proportion of the braking energy is converted into heat. A limiting case could be that the exhaust valves of the internal combustion engine 8th be brought into a slight open position during the braking operation, wherein the valve opening cross-section is not speed-cyclically adjusted but to the desired braking power consumption.

Die Turbine 28 umfasst ein Turbinenleitgitter 54, das durch eine Stelleinheit 56 derart angesteuert werden kann, dass der engste Turbinenquerschnitt AT auf einen gewünschten Querschnitt eingestellt werden kann. Das Turbinenleitgitter 54 ist so einstellbar, dass der engste Turbinenquerschnitt AT kontinuierlich von einem Kleinstwert bis zu einem Größtwert verstellbar ist. Auf diese Weise ist der Gegendruck, der in der Abgaszuführung 26 und somit auch am Abgasausgang der Brennstoffzelleneinheit 4 anliegt, in einfacher Weise an gute Betriebsbedingungen der Brennstoffzelleneinheit 4 anpassbar.The turbine 28 includes a turbine grille 54 that by an actuator 56 can be controlled so that the narrowest turbine section A T can be set to a desired cross-section. The turbine grille 54 is adjustable so that the narrowest turbine section A T is continuously adjustable from a minimum value to a maximum value. In this way, the back pressure that is in the exhaust gas supply 26 and thus also at the exhaust gas outlet of the fuel cell unit 4 is applied, in a simple manner to good operating conditions of the fuel cell unit 4 customizable.

Die Stelleinheit 56 wird wiederum durch die Steuereinheit 52 angesteuert. Die von der Turbine 28 durch eine zumindest teilweise Entspannung der Abgase gewonnene Energie wird durch die Welle 32 dem Luftverdichter 34 zugeführt, der aus der Luftzuführung 36 einströmende Luft verdichtet. Der größte Teil dieser verdichteten Luft wird über die Luftverteilvorrichtung 38 dem Verbrennungsmotor 8 zugeführt, der diese Luft weiter komprimiert. Die komprimierte und nunmehr als Abgas bezeichnete Luft wird zur Turbine 28 geführt, wo sie Energie an die Turbine 28 abgibt. Durch den Energiekreislauf vom Luftverdichter 34 zum Verbrennungsmotor 8 zur Turbine 28 und zum Luftverdichter 34 kann der am Verbrennungsmotor 8 anliegende Eingangsdruck und der an der Turbine 28 anliegende Eingangsdruck innerhalb vorgegebener Grenzen wie gewünscht eingestellt werden. Bei einer Einstellung hoher Drücke kann durch den Verbrennungsmotor 8 eine hohe Bremsleistung von der Welle 16 aufgenommen werden.The actuator 56 will turn by the control unit 52 driven. The from the turbine 28 Energy gained through at least partial expansion of the exhaust gases passes through the shaft 32 the air compressor 34 fed from the air supply 36 compressed incoming air. Most of this compressed air is through the air distribution device 38 the internal combustion engine 8th fed, which further compresses this air. The compressed and now referred to as exhaust air becomes the turbine 28 where they put energy to the turbine 28 emits. Through the energy cycle from the air compressor 34 to the internal combustion engine 8th to the turbine 28 and to the air compressor 34 can the on the internal combustion engine 8th applied input pressure and the turbine 28 adjacent input pressure can be set within predetermined limits as desired. At a high pressure setting can by the internal combustion engine 8th a high braking power from the shaft 16 be recorded.

Die von der Brennstoffzelleneinheit 4 benötigte Luftmenge kann von der von der Brennstoffzelleneinheit 4 geforderten Energieabgabe bestimmt sein. Zur Regelung der Luftmenge ist die Brennstoffzelleneinheit 4 über eine Regelverbindung 58 mit der Steuereinheit 52 verbunden, die wiederum mit der Luftverteilvorrichtung 38 verbunden ist. Die Steuereinheit 52 steuert oder regelt die Luftmengenverteilung zum Verbrennungsmotor 8 bzw. zur Brennstoffzelleneinheit 4, indem sie die Luftverteilvorrichtung 38 entsprechend ansteuert. Der Luftverdichter 34 ist mit einem in der Figur nicht gezeigten Elektromotor verbunden, der als Ausgleichsantrieb für den Luftverdichter 34 dient, wenn durch die Turbine 28 nicht genug Energie zur Komprimierung der geforderten Luftmenge bereitgestellt wird.That of the fuel cell unit 4 required amount of air can from that of the fuel cell unit 4 demanded energy delivery be determined. To control the amount of air is the fuel cell unit 4 via a rule connection 58 with the control unit 52 connected, in turn, with the air distribution device 38 connected is. The control unit 52 controls or regulates the air volume distribution to the internal combustion engine 8th or to the fuel cell unit 4 by placing the air distribution device 38 controls accordingly. The air compressor 34 is connected to an electric motor, not shown in the figure, as a compensation drive for the air compressor 34 serves when through the turbine 28 not enough energy is provided to compress the required amount of air.

22
BrennstoffzellensystemThe fuel cell system
44
Brennstoffzelleneinheitfuel cell unit
66
TurbosystemTurbo system
88th
Verbrennungsmotorinternal combustion engine
1010
Schalteinheitswitching unit
1212
Elektrische Maschineelectrical machine
1414
Getriebetransmission
1616
Wellewave
1818
Kupplungclutch
2020
KraftstofftankFuel tank
2222
Reformerreformer
2424
Abgasleitungexhaust pipe
2626
Abgaszuführungexhaust gas supply
2828
Turbineturbine
3030
Abgasabführungflue gas discharge
3232
Wellewave
3434
Luftverdichterair compressor
3636
Luftzuführungair supply
3838
Luftverteilvorrichtungair distribution
4040
Luftzuleitungair supply
4242
Wärmetauscherheat exchangers
4444
Wasserabscheiderwater
4646
Leitungmanagement
4848
Rückschlagventilcheck valve
5050
Bypassleitungbypass line
5252
Steuereinheitcontrol unit
5454
Turbinenleitgitterturbine guide
5656
Stelleinheitactuator
5858
Regelverbindungusually connection

Claims (8)

Luftversorgungseinrichtung für ein Brennstoffzellensystem (2), umfassend ein Turbosystem (6) mit einer Turbine (28) und einem von der Turbine (28) antreibbaren Luftverdichter (34) zur Verdichtung von Luft für das Brennstoffzellensystem (2), gekennzeichnet durch einen Verbrennungsmotor (8), der abgasseitig mit der Turbine (28) verbunden ist.Air supply device for a fuel cell system ( 2 ) comprising a turbo system ( 6 ) with a turbine ( 28 ) and one of the turbine ( 28 ) drivable air compressor ( 34 ) for the compression of air for the fuel cell system ( 2 ), characterized by an internal combustion engine ( 8th ), the exhaust side with the turbine ( 28 ) connected is. Luftversorgungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbrennungsmotor (8) in einem Motorbremsbetrieb als Luftkompressor betreibbar ist.Air supply device according to claim 1, characterized in that the internal combustion engine ( 8th ) is operable as an air compressor in an engine braking operation. Luftversorgungseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine Luftverteilvorrichtung (38) zur Verteilung von Luft vom Luftverdichter (34) zum Brennstoffzellensystem (2) und zum Verbrennungsmotor (8).Air supply device according to claim 1 or 2, characterized by an air distribution device ( 38 ) for the distribution of air from the air compressor ( 34 ) to the fuel cell system ( 2 ) and the internal combustion engine ( 8th ). Luftversorgungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Abgaszuführung (26) vom Brennstoffzellensystem (2) zur Turbine (28).Air supply device according to one of the preceding claims, characterized by an exhaust gas feed ( 26 ) from the fuel cell system ( 2 ) to the turbine ( 28 ). Luftversorgungseinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass in der Abgaszuführung (26) ein Rückschlagventil (48) angeordnet ist.Air supply device according to claim 4, characterized in that in the exhaust gas supply ( 26 ) a check valve ( 48 ) is arranged. Luftversorgungseinrichtung nach Anspruch 4 oder 5, gekennzeichnet durch eine Bypassleitung (50), die zur Abführung von Brennstoffzellenabgas unter Umgehung der Turbine (28) vorgesehen ist.Air supply device according to claim 4 or 5, characterized by a bypass line ( 50 ), for the discharge of fuel cell exhaust gas bypassing the turbine ( 28 ) is provided. Luftversorgungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbrennungsmotor (8) auf einem An- bzw. Abtriebsstrang mit einer elektrischen Maschine (12) angeordnet ist.Air supply device according to one of the preceding claims, characterized in that the internal combustion engine ( 8th ) on a drive or driven train with an electric machine ( 12 ) is arranged. Luftversorgungseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Turbine (28) ein Stellelement, insbesondere ein Turbinenleitgitter (54), aufweist, das eine Verstellung des engsten Querschnitts der Turbine (28) erlaubt.Air supply device according to one of the preceding claims, characterized in that the turbine ( 28 ) an actuating element, in particular a turbine guide grille ( 54 ), which is an adjustment of the narrowest section of the turbine ( 28 ) allowed.
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