WO2023285214A1 - Method for operating a fuel cell system, and control device - Google Patents

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WO2023285214A1
WO2023285214A1 PCT/EP2022/068632 EP2022068632W WO2023285214A1 WO 2023285214 A1 WO2023285214 A1 WO 2023285214A1 EP 2022068632 W EP2022068632 W EP 2022068632W WO 2023285214 A1 WO2023285214 A1 WO 2023285214A1
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turbomachine
fuel cell
air
operating
surge limit
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PCT/EP2022/068632
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Inventor
Peter Philipp
Jochen Braun
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Robert Bosch Gmbh
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    • H01M8/04753—Pressure; Flow of fuel cell reactants

Definitions

  • the invention relates to a method for operating a fuel cell system according to the preamble of claim 1.
  • the invention also relates to a control unit that is set up to carry out steps of the method according to the invention.
  • Hydrogen-based fuel cells are considered to be the mobility concept of the future because they only emit water as exhaust gas and enable fast refueling times.
  • the electrochemical reaction in the fuel cells requires oxygen as a reaction gas.
  • Ambient air is usually used as an oxygen supplier.
  • the air required is supplied to the fuel cells of a fuel cell system by means of an air compression system.
  • air compression systems with high-speed turbomachines are used. Since the air supplied must be free of oil to protect the fuel cells, gas-bearing turbomachines are usually used.
  • gas bearings In addition to being oil-free, gas bearings have the advantage that they enable virtually smooth and therefore wear-free operation above a certain speed (lift-off speed). However, if this falls below this, for example when coasting down or starting up, the wear is high.
  • a start/stop operation therefore represents a significant additional load compared to continuous operation of the gas-bearing turbomachine. Frequent driving in traffic jams and/or trips in city traffic thus contribute to a reduction in the lifespan of the turbomachine. To protect the gas bearings, a minimum speed must therefore be observed when idling. A maximum speed is also specified. Furthermore, the operating range of a turbomachine is limited by a surge limit on the one hand and a choke limit on the other.
  • FIG. 1 A typical characteristic diagram of a thermal turbomachine is shown in FIG. 1 as an example. It shows the connection between the speed (n), the pressure ratio (pq/pi) and the delivered mass flow (m).
  • the choke limit (S) indicates the maximum mass flow that can be enforced, the surge limit (P) the maximum pressure ratio. If the surge limit is exceeded, local stalls initially occur at the inlet and/or outlet of the turbomachine. As a result, the pressure build-up can collapse and the turbomachine can go into an unstable state, so that the required air mass flow can no longer be provided and it is no longer possible to operate the fuel cell system at the desired operating point. This has a direct impact on the efficiency, emissions and wear and tear of the system.
  • an applicable limit operating characteristic is usually implemented in the system control. Since the surge limit is not exactly known for all operating conditions in real operation and aging effects can lead to a shift in the surge limit, the implemented limiting operating characteristic maintains a safety distance from the surge limit (see shaded area in Figure 1). However, this safety distance further restricts the usable operating range of the turbomachine. This proves to be a disadvantage, especially when the engine is idling and in the other lower part-load ranges, since it has a negative effect on energy and fuel consumption.
  • the present invention is concerned with the task of reducing the energy consumption or power requirement of a turbomachine for air compression in a fuel cell system, specifically in particular during idling and part-load operation.
  • the method with the features of claim 1 is proposed.
  • Advantageous developments of the invention can be found in the claims under. Furthermore, a control device for executing the process or individual process steps is specified.
  • air is supplied to a fuel cell stack via an air supply path, which air is compressed beforehand with the aid of a turbomachine integrated into the air supply path, in particular a gas-bearing thermal turbomachine.
  • a turbomachine integrated into the air supply path, in particular a gas-bearing thermal turbomachine.
  • the mass flow and thus the power consumption of the turbomachine can be reduced in idling operation at very low pressure conditions.
  • This is particularly advantageous in static Onary operation, for example in start/stop operation of a fuel cell vehicle having the fuel cell system when the compressor unit is not switched off, in stand-by operation and when the turbomachine is switched off or started up.
  • the operating points of the fuel cell stack can be more targeted and energy-optimized at part load, since with a reduced air mass flow, less air has to be flown away uselessly via a bypass path to bypass the fuel cell stack.
  • idling operation using the proposed method is less energy-intensive, idling phases can be extended. In this way, the number of start-stop processes can be reduced. The gas bearings of the flow machine are therefore subjected to less wear, so that the service life of the flow machine increases.
  • the air mass flow is preferably throttled downstream of the turbomachine. If the air mass flow is minimized at a constant speed of the turbomachine, the pressure ratio initially increases until the surge limit is reached. After that, with a further reduction in the air mass flow, it drops. For the reasons given above, there is no safety margin to the surge limit in the lower speed ranges and the surge limit can be exceeded so that the quasi-stable state or range is reached.
  • the flow cross section in a bypass path for bypassing the fuel cell stack and/or in an exhaust air path for discharging the air emerging from the fuel cell stack is preferably reduced.
  • the throttling in the bypass path requires that this is at least partially open. In this case, at least a partial mass flow is flown away uselessly via the bypass path.
  • the bypass path is therefore preferably closed and the air mass flow is guided completely over the fuel cell stack. The air mass flow can then be throttled by reducing the flow cross section in the exhaust air path.
  • a valve and/or a throttle flap downstream of the flow mechanism is/are preferred for throttling the air mass flow. chine at least partially closed.
  • the valve and/or the throttle flap can be arranged in the bypass path and/or in the exhaust air path.
  • the valve can in particular be a bypass valve integrated into the bypass path or a control valve integrated into the exhaust air path. If at least one shut-off valve is provided in the inlet and/or outlet area of the fuel cell stack, this preferably remains open.
  • the surge limit should only be deliberately exceeded at low and medium speeds in order to make the "mild surge” range usable.
  • the stable operating range of the turbomachine should not be left for reasons of safety and robustness. This means that the surge limit is preferably deliberately exceeded only in a specific speed range. It is also advantageous if a safety margin to the surge limit is maintained at higher and high engine speeds.
  • the turbomachine can therefore preferably be operated in different operating modes. It is preferably possible to switch between a first operating mode and a second operating mode of the turbomachine. In the first operating mode, operation takes place in a stable operating range, preferably while maintaining a safety margin from the surge limit, and in the second operating mode, the stable operating range is expanded to include a quasi-stable operating range beyond the surge limit. This means that the "mild surge" range is used.
  • switching between the first and second operating mode be made dependent on the current speed of the turbomachine. Due to the overall large operating range, switching can also be made dependent on other parameters, for example the current operating temperature. In this way, it can be specified that no switching takes place under certain conditions and/or in certain situations. If the expansion of the operating range to include the "mild surge" range is only to be used in idle operation, switching between the first and the second operating mode preferably takes place only when the system goes into idle operation or leaves it again.
  • a hysteresis or directional dependency when switching and/or a minimum dwell time can advantageously also be applied in order to avoid toggling between the operating modes.
  • a control unit is proposed that is set up to carry out steps of the method according to the invention.
  • a suitable system control can be made available via the control unit.
  • the characteristics map of the turbomachine can be stored in the control unit.
  • different operating modes can be defined, between which the control unit can be used to switch between them depending on the engine speed.
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a fuel cell system with a turbomachine for air compression
  • Fig. 3 is a graphical representation of a characteristic map of a thermal flow machine with extended operating range
  • Fig. 4 is a diagram for the graphical representation of the reduction in the power requirement of the turbomachine when the air mass flow is throttled.
  • FIG. 1 shows a typical characteristic diagram of a thermal turbomachine. That's applied Pressure ratio between the pressure p 0 at the outlet and the pressure p at the inlet of the turbomachine over the mass flow m. Lines are shown between them, along which the compressor speed n is constant.
  • the map shows the stable operating range of the turbomachine. This is limited on the one hand by a surge limit P and on the other hand by a stuffing limit S. If the surge limit P is exceeded, the turbomachine leaves the stable operating range and so-called "pumping" of the turbomachine occurs. In order to prevent this, the safety distance from the surge limit P, shown as a shaded area, is maintained. However, this narrows the operating range of the turbomachine.
  • FIG. 3 which shows another characteristic diagram of a thermal flow machine
  • the stable operating range is identified as “Area A”.
  • Area B designates the “mild surge” area
  • Area D designates the "deep surge” area.
  • the "deep surge” area is preceded by a safety zone Al, which maintains a safety distance from the surge limit P.
  • the stable operating range “Area A” is extended by the operating range “Area B” up to a given rotational speed of the turbomachine. This means that a safety margin to the surge limit P is not maintained and the surge limit P is deliberately exceeded.
  • the operating range of the turbomachine is not only expanded by the area "Area B", but also by a non-compliance with safety zone A2.
  • a turbomachine 4 which can be driven according to the method according to the invention, is shown as an example in FIG.
  • FIG. 2 shows a fuel cell system 1 with a fuel cell stack 2 which can be supplied with compressed air via a supply air path 3 with the aid of the turbomachine 4 .
  • the air is taken from the surroundings 11 and supplied to the turbomachine 4 via an air filter 12 .
  • the turbomachine 4 is driven by an electric motor 14 . Since the air heats up when it is compressed, a cooling device 13 is integrated into the supply air path 3 .
  • a humidification device 15 for humidifying the compressed air can be integrated into the supply air path 3 .
  • the topology for air compression shown in FIG. 2 is only chosen as an example.
  • an electrically driven air compressor with a turbine arranged in an exhaust air path 6 or a purely turbine-driven air compressor can optionally also be used.
  • the air compressor can also be designed in two stages and/or with two flows.
  • the air mass flow is throttled downstream of the turbomachine 4 when the shut-off valves 9, 10 are open.
  • the flow cross section can be narrowed downstream of the turbomachine 4, for example by partially closing a valve 7 arranged in a bypass path 5 and/or a valve 8 arranged in the exhaust air path 6.
  • the throttling of the air mass flow rh increases up to the surge limit of the pressure ratio pq/pi, so that the stable operating range “Area A” is left and the quasi-stable operating range “Area B” is reached (see Figure 3). In this area, the pressure ratio drops again.
  • the throttling of the air mass flow has the effect that the power requirement of the turbomachine 4 falls. This is shown as an example in FIG. 4 based on two measurements. Within the operating area “Area A” the Power requirements can be reduced by around 7 to 9% by using area A2. A corresponding reduction in the power requirement could be achieved again in the "Area B" operating area, so that the power requirement could be reduced by around 14 to 16% overall.

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Abstract

The invention relates to a method for operating a fuel cell system (1), comprising a fuel cell stack (2) to which, via an air inlet path (3), air which is compressed beforehand by means of a flow machine (4) integrated in the air inlet path (3), in particular a gas-supported thermal flow machine (4), is fed. According to the invention, in the idling mode or partial load mode of the fuel cell system (1), a pumping limit (P) of the flow machine (4) is deliberately exceeded and the flow machine (4) is operated in a virtually stable range with local flow separations. The invention also relates to a control device for carrying out the method or individual method steps.

Description

Beschreibung description
Titel: Title:
Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems sowie Steuergerät Method for operating a fuel cell system and control unit
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Steuergerät, das eingerichtet ist, Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens auszuführen. The invention relates to a method for operating a fuel cell system according to the preamble of claim 1. The invention also relates to a control unit that is set up to carry out steps of the method according to the invention.
Stand der Technik State of the art
Wasserstoffbasierte Brennstoffzellen gelten als Mobilitätskonzept der Zukunft, da sie lediglich Wasser als Abgas emittieren und schnelle Betankungszeiten ermög lichen. Hydrogen-based fuel cells are considered to be the mobility concept of the future because they only emit water as exhaust gas and enable fast refueling times.
Die elektrochemische Reaktion in den Brennstoffzellen benötigt neben Wasser stoff Sauerstoff als Reaktionsgas. Üblicherweise wird Umgebungsluft als Sauer stofflieferant genutzt. Zur Bereitstellung eines gewissen Luftmassenstroms sowie eines gewissen Druckniveaus wird die benötigte Luft den Brennstoffzellen eines Brennstoffzellensystems mittels eines Luftverdichtungssystems zugeführt. Zum Einsatz gelangen insbesondere Luftverdichtungssysteme mit hochdrehenden Strömungsmaschinen. Da zum Schutz der Brennstoffzellen die zugeführte Luft ölfrei sind muss, werden üblicherweise gasgelagerte Strömungsmaschinen ein gesetzt. Neben der Ölfreiheit besitzen Gaslager den Vorteil, dass sie einen na hezu reibungslosen und damit verschleißfreien Betrieb oberhalb einer gewissen Drehzahl (Abhebedrehzahl) ermöglichen. Wird diese jedoch unterschritten, bei spielsweise beim Aus- oder Anlaufen, ist der Verschleiß hoch. Ein Start/Stopp- Betrieb stellt daher eine deutliche Mehrbelastung im Vergleich zu einem kontinu ierlichen Betrieb der gasgelagerten Strömungsmaschine dar. Häufige Staufahr ten und/oder Fahrten im Stadtverkehr tragen somit zu einer Verkürzung der Le bensdauer der Strömungsmaschine bei. Zum Schutz der Gaslager ist daher im Leerlaufbetrieb eine Mindestdrehzahl ein zuhalten. Eine maximale Drehzahl ist ebenfalls vorgegeben. Des Weiteren wird der Betriebsbereich einer Strömungsmaschine durch eine Pumpgrenze einerseits und eine Stopfgrenze andererseits eingeschränkt. In addition to hydrogen, the electrochemical reaction in the fuel cells requires oxygen as a reaction gas. Ambient air is usually used as an oxygen supplier. In order to provide a certain air mass flow and a certain pressure level, the air required is supplied to the fuel cells of a fuel cell system by means of an air compression system. In particular, air compression systems with high-speed turbomachines are used. Since the air supplied must be free of oil to protect the fuel cells, gas-bearing turbomachines are usually used. In addition to being oil-free, gas bearings have the advantage that they enable virtually smooth and therefore wear-free operation above a certain speed (lift-off speed). However, if this falls below this, for example when coasting down or starting up, the wear is high. A start/stop operation therefore represents a significant additional load compared to continuous operation of the gas-bearing turbomachine. Frequent driving in traffic jams and/or trips in city traffic thus contribute to a reduction in the lifespan of the turbomachine. To protect the gas bearings, a minimum speed must therefore be observed when idling. A maximum speed is also specified. Furthermore, the operating range of a turbomachine is limited by a surge limit on the one hand and a choke limit on the other.
Ein typisches Kennfeld einer thermischen Strömungsmaschine ist beispielhaft in der Figur 1 dargestellt. Es zeigt den Zusammenhang zwischen der Drehzahl (n), dem Druckverhältnis (pq/pi) und dem geförderten Massenstrom (m). Die Stopf grenze (S) gibt den maximal durchsetzbaren Massenstrom an, die Pumpgrenze (P) das maximale Druckverhältnis. Wird die Pumpgrenze überschritten, kommt es zunächst zu lokalen Strömungsabrissen am Einlass und/oder am Auslass der Strömungsmaschine. In der Folge kann der Druckaufbau zusammenbrechen und die Strömungsmaschine in einen instabilen Zustand übergehen, so dass der ge forderte Luftmassenstrom nicht mehr bereitgestellt werden kann und ein Betrieb des Brennstoffzellensystems im gewünschten Betriebspunkt nicht mehr möglich ist. Dies hat direkte Auswirkungen auf die Effizienz, die Emissionen und den Ver schleiß des Systems. A typical characteristic diagram of a thermal turbomachine is shown in FIG. 1 as an example. It shows the connection between the speed (n), the pressure ratio (pq/pi) and the delivered mass flow (m). The choke limit (S) indicates the maximum mass flow that can be enforced, the surge limit (P) the maximum pressure ratio. If the surge limit is exceeded, local stalls initially occur at the inlet and/or outlet of the turbomachine. As a result, the pressure build-up can collapse and the turbomachine can go into an unstable state, so that the required air mass flow can no longer be provided and it is no longer possible to operate the fuel cell system at the desired operating point. This has a direct impact on the efficiency, emissions and wear and tear of the system.
Ein Überschreiten der Pumpgrenze gilt es daher zu vermeiden. Üblicherweise ist hierzu in die Systemsteuerung eine applizierbare Grenz-Betriebskennlinie im plementiert. Da im Realbetrieb die Pumpgrenze nicht exakt für alle Betriebsbe dingungen bekannt ist und Alterungseffekte zu einer Verschiebung der Pump grenze führen können, hält die implementierte Grenz-Betriebskennlinie einen Si cherheitsabstand zur Pumpgrenze ein (siehe schraffierten Bereich in der Figur 1). Dieser Sicherheitsabstand schränkt jedoch den nutzbaren Betriebsbereich der Strömungsmaschine weiter ein. Dies erweist sich insbesondere im Leerlaufbe trieb sowie in den weiteren unteren Teillastbereichen als Nachteil, da er sich ne gativ auf den Energie- und Brennstoffverbrauch auswirkt. It is therefore important to avoid exceeding the surge limit. For this purpose, an applicable limit operating characteristic is usually implemented in the system control. Since the surge limit is not exactly known for all operating conditions in real operation and aging effects can lead to a shift in the surge limit, the implemented limiting operating characteristic maintains a safety distance from the surge limit (see shaded area in Figure 1). However, this safety distance further restricts the usable operating range of the turbomachine. This proves to be a disadvantage, especially when the engine is idling and in the other lower part-load ranges, since it has a negative effect on energy and fuel consumption.
Die vorliegende Erfindung ist mit der Aufgabe befasst, den Energieverbrauch bzw. Leistungsbedarf einer Strömungsmaschine zur Luftverdichtung in einem Brennstoffzellensystem zu senken, und zwar insbesondere im Leerlauf- sowie Teillastbetrieb. Zur Lösung der Aufgabe wird das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteran sprüchen zu entnehmen. Ferner wird ein Steuergerät zur Ausführung des Verfah rens bzw. einzelner Verfahrensschritte angegeben. The present invention is concerned with the task of reducing the energy consumption or power requirement of a turbomachine for air compression in a fuel cell system, specifically in particular during idling and part-load operation. To solve the problem, the method with the features of claim 1 is proposed. Advantageous developments of the invention can be found in the claims under. Furthermore, a control device for executing the process or individual process steps is specified.
Offenbarung der Erfindung Disclosure of Invention
Bei dem vorgeschlagenen Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensys tems wird einem Brennstoffzellenstapel über einen Zuluftpfad Luft zugeführt, die zuvor mit Hilfe einer in den Zuluftpfad integrierten Strömungsmaschine, insbe sondere gasgelagerten thermischen Strömungsmaschine, verdichtet wird. Erfin dungsgemäß wird im Leerlauf- oder Teillastbetrieb des Brennstoffzellensystems eine Pumpgrenze der Strömungsmaschine gezielt überschritten und die Strö mungsmaschine in einem quasi-stabilen Bereich mit lokalen Strömungsablösun gen betrieben. In the proposed method for operating a fuel cell system, air is supplied to a fuel cell stack via an air supply path, which air is compressed beforehand with the aid of a turbomachine integrated into the air supply path, in particular a gas-bearing thermal turbomachine. According to the invention, when the fuel cell system is idling or operating under partial load, a surge limit of the turbomachine is deliberately exceeded and the flow machine is operated in a quasi-stable range with local flow detachments.
Bei dem vorgeschlagenen Verfahren wird demnach nicht nur auf die Einhaltung eines Sicherheitsabstands zur Pumpgrenze verzichtet, sondern die Pumpgrenze bewusst überschritten. Der Betriebsbereich der Strömungsmaschine wird auf diese Weise signifikant erweitert. In the proposed method, not only is the maintenance of a safety margin to the surge limit dispensed with, but the surge limit is deliberately exceeded. The operating range of the turbomachine is significantly expanded in this way.
Die Erweiterung des Betriebsbereichs im Leerlauf und den unteren Teillastberie chen ist unkritisch. Denn bevor der Druckaufbau komplett zusammenbricht und es zu einem Rückströmen durch die Strömungsmaschine, dem sogenannten „Pumpen“ (engl.: „deep surge“), kommt, treten lediglich lokale Strömungsablö sungen auf, welche auf einzelne Schaufelbereiche begrenzt sind. Die dabei ent stehenden lokalen Ablösegebiete sind nicht ortsfest, sondern umlaufen die Schaufelbereiche in Umfangsrichtung. Dieses Phänomen wird daher auch „rotie rende Ablösung“ (engl.: „rotating stall“) genannt. Die Strömungsmaschine befin det sich dann in einem quasi-stabilen Zustand bzw. quasi-stabilen Bereich (engl.: „mild surge“). Im Unterschied zum „Pumpen“ kehrt sich die Strömungsrichtung nicht um, sondern bleibt erhalten. The expansion of the operating range when idling and in the lower partial load ranges is not critical. Because before the pressure build-up collapses completely and there is a backflow through the turbomachine, the so-called "pumping" (engl.: "deep surge"), only local flow separations occur, which are limited to individual blade areas. The resulting local detachment areas are not stationary, but run around the blade areas in the circumferential direction. This phenomenon is therefore also called “rotating stall”. The turbomachine is then in a quasi-stable state or quasi-stable range (“mild surge”). In contrast to "pumping", the direction of flow does not reverse, but remains the same.
Durch Nutzung des „mild surge“ Bereichs kann im Leerlaufbetrieb bei sehr gerin gen Druckverhältnissen der Massenstrom und damit die Leistungsaufnahme der Strömungsmaschine reduziert werden. Dies ist insbesondere vorteilhaft im stati- onären Betrieb, beispielsweise im Start/Stopp-Betrieb eines das Brennstoffzel lensystem aufweisenden Brennstoffzellenfahrzeugs bei nicht abgeschaltetem Verdichteraggregat, im Stand-by-Betrieb sowie beim Aus-oder Anlaufen der Strömungsmaschine. Ferner können die Betriebspunkte des Brennstoffzellensta pels bei Teillast gezielter und energieoptimaler getroffen werden, da bei reduzier tem Luftmassenstrom weniger Luft nutzlos über einen Bypasspfad zur Umge hung des Brennstoffzellenstapels abgeströmt werden muss. By using the "mild surge" range, the mass flow and thus the power consumption of the turbomachine can be reduced in idling operation at very low pressure conditions. This is particularly advantageous in static Onary operation, for example in start/stop operation of a fuel cell vehicle having the fuel cell system when the compressor unit is not switched off, in stand-by operation and when the turbomachine is switched off or started up. Furthermore, the operating points of the fuel cell stack can be more targeted and energy-optimized at part load, since with a reduced air mass flow, less air has to be flown away uselessly via a bypass path to bypass the fuel cell stack.
Da der Leerlaufbetrieb nach dem vorgeschlagenen Verfahren weniger energiein tensiv ist, können Leerlaufphasen verlängert werden. Auf diese Weise kann die Anzahl der Start-Stopp-Vorgänge reduziert werden. Die Gaslager der Strö mungsmaschine werden demnach weniger auf Verschleiß beansprucht, so dass die Lebensdauer der Strömungsmaschine steigt. Since idling operation using the proposed method is less energy-intensive, idling phases can be extended. In this way, the number of start-stop processes can be reduced. The gas bearings of the flow machine are therefore subjected to less wear, so that the service life of the flow machine increases.
Zur gezielten Überschreitung der Pumpgrenze wird bevorzugt der Luftmassen strom stromabwärts der Strömungsmaschine gedrosselt. Wird bei konstanter Drehzahl der Strömungsmaschine der Luftmassenstrom minimiert, steigt das Druckverhältnis bis zum Erreichen der Pumpgrenze zunächst an. Danach, bei weiterer Reduktion des Luftmassenstroms, sinkt es ab. Aus den vorstehend ge nannten Gründen muss in den unteren Drehzahlbereichen kein Sicherheitsab stand zur Pumpgrenze eingehalten werden und die Pumpgrenze kann überschrit ten werden, so dass der quasi-stabilen Zustand bzw. Bereich erreicht wird. To deliberately exceed the surge limit, the air mass flow is preferably throttled downstream of the turbomachine. If the air mass flow is minimized at a constant speed of the turbomachine, the pressure ratio initially increases until the surge limit is reached. After that, with a further reduction in the air mass flow, it drops. For the reasons given above, there is no safety margin to the surge limit in the lower speed ranges and the surge limit can be exceeded so that the quasi-stable state or range is reached.
Ferner bevorzugt wird zur Drosselung des Luftmassenstroms stromabwärts der Strömungsmaschine der Strömungsquerschnitt in einem Bypasspfad zur Umge hung des Brennstoffzellenstapels und/oder in einem Abluftpfad zum Abführen der aus dem Brennstoffzellenstapel austretenden Luft verringert. Die Drosselung im Bypasspfad setzt voraus, dass dieser zumindest teilweise geöffnet ist. Zumindest ein Teilmassenstrom wird in diesem Fall nutzlos über den Bypasspfad abge strömt. Bevorzugt wird daher der Bypasspfad geschlossen und der Luftmassen strom vollständig über den Brennstoffzellenstapel geführt. Die Drosselung des Luftmassenstroms kann dann durch Verringern des Strömungsquerschnitts im Abluftpfad realisiert werden. Furthermore, to throttle the air mass flow downstream of the turbomachine, the flow cross section in a bypass path for bypassing the fuel cell stack and/or in an exhaust air path for discharging the air emerging from the fuel cell stack is preferably reduced. The throttling in the bypass path requires that this is at least partially open. In this case, at least a partial mass flow is flown away uselessly via the bypass path. The bypass path is therefore preferably closed and the air mass flow is guided completely over the fuel cell stack. The air mass flow can then be throttled by reducing the flow cross section in the exhaust air path.
Des Weiteren bevorzugt wird bzw. werden zur Drosselung des Luftmassen stroms ein Ventil und/oder eine Drosselklappe stromabwärts der Strömungsma- schine zumindest teilweise geschlossen. Das Ventil und/oder die Drosselklappe kann bzw. können im Bypasspfad und/oder im Abluftpfad angeordnet sein. Bei dem Ventil kann es sich insbesondere um ein in den Bypasspfad integriertes By passventil oder ein in den Abluftpfad integriertes Regelventil handeln. Sofern im Eintritts- und/oder Austrittsbereich des Brennstoffzellenstapels mindestens ein Absperrventil vorgesehen ist, bleibt dieses bevorzugt geöffnet. Furthermore, a valve and/or a throttle flap downstream of the flow mechanism is/are preferred for throttling the air mass flow. chine at least partially closed. The valve and/or the throttle flap can be arranged in the bypass path and/or in the exhaust air path. The valve can in particular be a bypass valve integrated into the bypass path or a control valve integrated into the exhaust air path. If at least one shut-off valve is provided in the inlet and/or outlet area of the fuel cell stack, this preferably remains open.
Da bei höheren oder hohen Drehzahlen der Strömungsmaschine die Strömung schlagartig ins „Pumpen“ Umschlagen kann, sollte die Pumpgrenze nur bei nied rigen und mittleren Drehzahlen gezielt überschritten werden, um den „mild surge“ Bereich nutzbar zu machen. Bei höheren und hohen Drehzahlen sollte dagegen der stabile Betriebsbereich der Strömungsmaschine aus Gründen der Sicherheit und Robustheit nicht verlassen werden. Das heißt, dass vorzugsweise die Pumpgrenze nur in einem bestimmten Drehzahlbereich gezielt überschritten wird. Von Vorteil ist ferner, wenn bei höheren und hohen Drehzahlen ein Sicher heitsabstand zu Pumpgrenze eingehalten wird. Since the flow can suddenly switch to "surge" at higher or high speeds of the turbomachine, the surge limit should only be deliberately exceeded at low and medium speeds in order to make the "mild surge" range usable. At higher and high speeds, on the other hand, the stable operating range of the turbomachine should not be left for reasons of safety and robustness. This means that the surge limit is preferably deliberately exceeded only in a specific speed range. It is also advantageous if a safety margin to the surge limit is maintained at higher and high engine speeds.
Die Strömungsmaschine kann daher bevorzugt in verschiedenen Betriebsmodi betrieben werden. Vorzugsweise kann zwischen einem ersten Betriebsmodus und einem zweiten Betriebsmodus der Strömungsmaschine umgeschaltet wer den. Im ersten Betriebsmodus erfolgt der Betrieb in einem stabilen Betriebsbe reich, vorzugsweise unter Einhaltung eines Sicherheitsabstands zur Pumpgren ze, und im zweiten Betriebsmodus wird der stabile Betriebsbereich um einen quasi-stabilen Betriebsbereich jenseits der Pumpgrenze erweitert. Das heißt, dass der „mild surge“ Bereich genutzt wird. The turbomachine can therefore preferably be operated in different operating modes. It is preferably possible to switch between a first operating mode and a second operating mode of the turbomachine. In the first operating mode, operation takes place in a stable operating range, preferably while maintaining a safety margin from the surge limit, and in the second operating mode, the stable operating range is expanded to include a quasi-stable operating range beyond the surge limit. This means that the "mild surge" range is used.
Da die Nutzung des „mild surge“ Bereichs nur in einem bestimmten Drehzahlbe reich unkritisch ist, wird ferner vorgeschlagen, dass das Umschalten zwischen dem ersten und zweiten Betriebsmodus von der aktuellen Drehzahl der Strö mungsmaschine abhängig gemacht wird. Aufgrund des insgesamt großen Be triebsbereichs kann das Umschalten auch von weiteren Parametern abhängig gemacht werden, beispielsweise von der aktuellen Betriebstemperatur. Auf diese Weise kann vorgegeben werden, dass bei bestimmten Bedingungen und/oder in bestimmten Situationen kein Umschalten erfolgt. Soll die Erweiterung des Betriebsbereichs um den „mild surge“ Bereich nur im Leerlaufbetrieb genutzt werden, erfolgt vorzugsweise das Umschalten zwischen dem ersten und dem zweiten Betriebsmodus nur dann, wenn das System in den Leerlaufbetrieb übergeht bzw. diesen wieder verlässt. Since the use of the "mild surge" range is only uncritical in a certain speed range, it is also proposed that switching between the first and second operating mode be made dependent on the current speed of the turbomachine. Due to the overall large operating range, switching can also be made dependent on other parameters, for example the current operating temperature. In this way, it can be specified that no switching takes place under certain conditions and/or in certain situations. If the expansion of the operating range to include the "mild surge" range is only to be used in idle operation, switching between the first and the second operating mode preferably takes place only when the system goes into idle operation or leaves it again.
Vorteilhafterweise kann auch eine Hysterese bzw. Richtungsabhängigkeit beim Umschalten und/oder eine minimale Verweilzeit appliziert werden, um ein Tog- geln zwischen den Betriebsmodi zu vermeiden. A hysteresis or directional dependency when switching and/or a minimum dwell time can advantageously also be applied in order to avoid toggling between the operating modes.
Darüber hinaus wird ein Steuergerät vorgeschlagen, das eingerichtet ist, Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens auszuführen. Insbesondere kann über das Steuergerät eine geeignete Systemsteuerung zur Verfügung gestellt werden. Im Steuergerät kann hierzu das Kennfeld der Strömungsmaschine hinterlegt sein. Ferner können verschiedene Betriebsmodi definiert sein, zwischen denen mit Hil fe des Steuergeräts drehzahlabhängig umgeschaltet wird. In addition, a control unit is proposed that is set up to carry out steps of the method according to the invention. In particular, a suitable system control can be made available via the control unit. For this purpose, the characteristics map of the turbomachine can be stored in the control unit. Furthermore, different operating modes can be defined, between which the control unit can be used to switch between them depending on the engine speed.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beiliegenden Zeichnungen näher er läutert. Diese zeigen: The invention is explained in more detail below with reference to the accompanying drawings. These show:
Fig. 1 eine grafische Darstellung eines typischen Kennfelds einer thermischen Strömungsmaschine, 1 shows a graphical representation of a typical characteristic diagram of a thermal turbomachine,
Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems mit einer Strömungsmaschine zur Luftverdichtung, 2 shows a schematic representation of a fuel cell system with a turbomachine for air compression,
Fig. 3 eine graphische Darstellung eines Kennfelds einer thermischen Strö mungsmaschine mit erweitertem Betriebsbereich und Fig. 3 is a graphical representation of a characteristic map of a thermal flow machine with extended operating range and
Fig. 4 ein Diagramm zur graphischen Darstellung der Reduzierung des Leis tungsbedarfs der Strömungsmaschine bei einer Drosselung des Luftmassen stroms. Fig. 4 is a diagram for the graphical representation of the reduction in the power requirement of the turbomachine when the air mass flow is throttled.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen Detailed description of the drawings
Figur 1, auf welche eingangs bereits Bezug genommen wurde, zeigt ein typi sches Kennfeld einer thermischen Strömungsmaschine. Aufgetragen ist das Druckverhältnis zwischen dem Druck p0 am Auslass und dem Druck p, am Ein lass der Strömungsmaschine über dem Massenstrom m. Dazwischen sind Linien dargestellt, entlang welcher die Verdichterdrehzahl n konstant ist. FIG. 1, to which reference was already made at the outset, shows a typical characteristic diagram of a thermal turbomachine. That's applied Pressure ratio between the pressure p 0 at the outlet and the pressure p at the inlet of the turbomachine over the mass flow m. Lines are shown between them, along which the compressor speed n is constant.
Das Kennfeld zeigt den stabilen Betriebsbereich der Strömungsmaschine. Dieser wird einerseits von einer Pumpgrenze P und andererseits von einer Stopfgren ze S begrenzt. Bei Überschreiten der Pumpgrenze P verlässt die Strömungsma schine den stabilen Betriebsbereich und es kommt zum sogenannten „Pumpen“ der Strömungsmaschine. Um dies zu verhindern, wird der als schraffierter Be reich dargestellte Sicherheitsabstand zur Pumpgrenze P eingehalten. Dieser engt jedoch den Betriebsbereich der Strömungsmaschine ein. The map shows the stable operating range of the turbomachine. This is limited on the one hand by a surge limit P and on the other hand by a stuffing limit S. If the surge limit P is exceeded, the turbomachine leaves the stable operating range and so-called "pumping" of the turbomachine occurs. In order to prevent this, the safety distance from the surge limit P, shown as a shaded area, is maintained. However, this narrows the operating range of the turbomachine.
In der Figur 3, welche ein weiteres Kennfeld einer thermischen Strömungsma schine zeigt, ist der stabile Betriebsbereich als „Area A“ gekennzeichnet. Jenseits der Pumpgrenze P sind zwei weitere Bereiche dargestellt, die als „Area B“ und „Area D“ ausgewiesen sind. „Area B“ bezeichnet den “mild surge“ Bereich und „Area D“ bezeichnet den „deep surge“ Bereich. Dem „deep surge“ Bereich ist ei ne Sicherheitszone Al vorgelagert, die einen Sicherheitsabstand zur Pumpgren ze P einhält. In FIG. 3, which shows another characteristic diagram of a thermal flow machine, the stable operating range is identified as “Area A”. Beyond the surge line P, two further areas are shown, identified as "Area B" and "Area D". "Area B" designates the "mild surge" area and "Area D" designates the "deep surge" area. The "deep surge" area is preceded by a safety zone Al, which maintains a safety distance from the surge limit P.
Bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird bis zu einer vor gegebenen Drehzahl der Strömungsmaschine der stabile Betriebsbereich „Area A“ um den Betriebsbereich „Area B“ erweitert. Das heißt, dass ein Sicherheitsab stand zur Pumpgrenze P nicht eingehalten und die Pumpgrenze P bewusst über schritten wird. In diesem Drehzahlbereich wird somit der Betriebsbereich der Strömungsmaschine nicht nur um den Bereich „Area B“, sondern ferner um eine nicht eingehaltene Sicherheitszone A2 erweitert. When the method according to the invention is carried out, the stable operating range “Area A” is extended by the operating range “Area B” up to a given rotational speed of the turbomachine. This means that a safety margin to the surge limit P is not maintained and the surge limit P is deliberately exceeded. In this speed range, the operating range of the turbomachine is not only expanded by the area "Area B", but also by a non-compliance with safety zone A2.
In dem erweiterten Betriebsbereich „Area B“ befindet sich die Strömungsmaschi ne in einem quasi-stabilen Zustand bzw. in einem quasi-stabilen Bereich. Das heißt, dass es zu Strömungsabrissen kommen kann, diese aber lokal begrenzt sind. Ferner bleibt die Hauptströmungsrichtung unverändert, so dass es nicht zu einem „Pumpen“ der Strömungsmaschine kommt. Dies ist lediglich im Betriebs bereich „Area D“ der Fall, so dass in dem entsprechenden Drehzahlbereich der Pumpgrenze P die Sicherheitszone Al vorgelagert ist, um ein „Pumpen“ der Strömungsmaschine sicher zu vermeiden. Eine Strömungsmaschine 4, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren be treibbar ist, ist beispielhaft in der Figur 2 dargestellt. In the extended operating range “Area B”, the flow machine is in a quasi-stable state or in a quasi-stable range. This means that stalls can occur, but these are locally limited. Furthermore, the main direction of flow remains unchanged, so that there is no "pumping" of the turbomachine. This is only the case in the “Area D” operating range, so that in the corresponding speed range the surge limit P is preceded by the safety zone Al in order to reliably prevent the turbomachine from “surging”. A turbomachine 4, which can be driven according to the method according to the invention, is shown as an example in FIG.
Figur 2 zeigt ein Brennstoffzellensystem 1 mit einem Brennstoffzellenstapel 2 der mit Hilfe der Strömungsmaschine 4 über einen Zuluftpfad 3 mit verdichteter Luft versorgbar ist. Denn der Betrieb des Brennstoffzellenstapels 2 erfordert einen gewissen Luftmassenstrom sowie ein gewisses Druckniveau. Die Luft wird der Umgebung 11 entnommen und über einen Luftfilter 12 der Strömungsmaschine 4 zugeführt. Die Strömungsmaschine 4 wird über einen Elektromotor 14 angetrie ben. Da sich die Luft beim Verdichten erwärmt, ist in den Zuluftpfad 3 eine Küh leinrichtung 13 integriert. Optional, daher nur gestrichelt dargestellt, kann eine Befeuchtungseinrichtung 15 zum Befeuchten der verdichteten Luft in den Zuluft pfad 3 integriert sein. FIG. 2 shows a fuel cell system 1 with a fuel cell stack 2 which can be supplied with compressed air via a supply air path 3 with the aid of the turbomachine 4 . Because the operation of the fuel cell stack 2 requires a certain air mass flow and a certain pressure level. The air is taken from the surroundings 11 and supplied to the turbomachine 4 via an air filter 12 . The turbomachine 4 is driven by an electric motor 14 . Since the air heats up when it is compressed, a cooling device 13 is integrated into the supply air path 3 . Optionally, therefore only shown in dashed lines, a humidification device 15 for humidifying the compressed air can be integrated into the supply air path 3 .
Die in der Figur 2 dargestellte Topologie zur Luftverdichtung ist lediglich beispiel haft gewählt. Anstelle der dargestellten Strömungsmaschine 4 kann wahlweise auch ein elektrisch angetriebener Luftverdichter mit einer in einem Abluftpfad 6 angeordneten Turbine oder ein rein turbinenangetriebener Luftverdichter einge setzt werden. Der Luftverdichter kann zudem zweistufig und/oder zweiflutig aus geführt sein. The topology for air compression shown in FIG. 2 is only chosen as an example. Instead of the turbomachine 4 shown, an electrically driven air compressor with a turbine arranged in an exhaust air path 6 or a purely turbine-driven air compressor can optionally also be used. The air compressor can also be designed in two stages and/or with two flows.
Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird bei geöffneten Ab sperrventilen 9, 10 der Luftmassenstrom stromabwärts der Strömungsmaschine 4 gedrosselt. Zur Drosselung des Luftmassenstroms kann stromabwärts der Strömungsmaschine 4 eine Verengung des Strömungsquerschnitts herbeigeführt werden, beispielsweise durch teilweises Schließen eines in einem Bypasspfad 5 angeordneten Ventils 7 und/oder eines im Abluftpfad 6 angeordneten Ventils 8. Die Drosselung des Luftmassenstroms rh hat bis zur Pumpgrenze einen Anstieg des Druckverhältnisses pq/pi zur Folge, so dass der stabile Betriebsbereich „Area A“ verlassen und der quasi-stabile Betriebsbereich „Area B“ erreicht wird (siehe Figur 3). In diesem Bereich sinkt das Druckverhältnis wieder ab. To carry out the method according to the invention, the air mass flow is throttled downstream of the turbomachine 4 when the shut-off valves 9, 10 are open. To throttle the air mass flow, the flow cross section can be narrowed downstream of the turbomachine 4, for example by partially closing a valve 7 arranged in a bypass path 5 and/or a valve 8 arranged in the exhaust air path 6. The throttling of the air mass flow rh increases up to the surge limit of the pressure ratio pq/pi, so that the stable operating range “Area A” is left and the quasi-stable operating range “Area B” is reached (see Figure 3). In this area, the pressure ratio drops again.
Die Drosselung des Luftmassenstroms hat den Effekt, dass der Leistungsbedarf der Strömungsmaschine 4 sinkt. Dies ist beispielhaft in der Figur 4 anhand von zwei Messungen dargestellt. Innerhalb des Betriebsbereichs „Area A“ konnte der Leistungsbedarf durch Nutzung des Bereichs A2 um etwa 7 bis 9 % gesenkt werden. Eine entsprechende Senkung des Leistungsbedarfs konnte nochmals im Betriebsbereich „Area B“ erzielt werden, so dass der Leistungsbedarf insgesamt um etwa 14 bis 16 % gesenkt werden konnte. The throttling of the air mass flow has the effect that the power requirement of the turbomachine 4 falls. This is shown as an example in FIG. 4 based on two measurements. Within the operating area "Area A" the Power requirements can be reduced by around 7 to 9% by using area A2. A corresponding reduction in the power requirement could be achieved again in the "Area B" operating area, so that the power requirement could be reduced by around 14 to 16% overall.

Claims

Ansprüche Expectations
1. Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems (1), umfassend ei nen Brennstoffzellenstapel (2), dem übereinen Zuluftpfad (3) Luft zugeführt wird, die zuvor mit Hilfe einer in den Zuluftpfad (3) integrierten Strömungsmaschi ne (4), insbesondere gasgelagerten thermischen Strömungsmaschine (4), ver dichtet wird, dadurch gekennzeichnet, dass im Leerlauf- oder Teillastbetrieb des Brennstoff zellensystems (1) eine Pumpgrenze (P) der Strömungsmaschine (4) gezielt überschritten wird und die Strömungsmaschine (4) in einem quasi-stabilen Be reich mit lokalen Strömungsablösungen betrieben wird. 1. A method for operating a fuel cell system (1), comprising a fuel cell stack (2), to which air is supplied via a supply air path (3), which has previously been supplied with the aid of a flow machine (4), in particular gas-bearing thermal, integrated into the supply air path (3). Turbomachine (4) is compressed, characterized in that in idling or part-load operation of the fuel cell system (1) a surge limit (P) of the turbomachine (4) is deliberately exceeded and the turbomachine (4) is in a quasi-stable range operated with local flow separation.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur gezielten Überschreitung der Pumpgren ze (P) der Luftmassenstrom (m) stromabwärts der Strömungsmaschine (4) ge drosselt wird. 2. The method as claimed in claim 1, characterized in that the air mass flow (m) downstream of the turbomachine (4) is throttled in order to deliberately exceed the surge limit (P).
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Drosselung des Luftmassenstroms (m) stromabwärts der Strömungsmaschine (4) der Strömungsquerschnitt in einem Bypasspfad (5) zur Umgehung des Brennstoffzellenstapels (2) und/oder in einem Abluftpfad (6) zum Abführen der aus dem Brennstoffzellenstapel (2) austreten den Luft verringert wird. 3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that for throttling the air mass flow (m) downstream of the turbomachine (4) the flow cross section in a bypass path (5) to bypass the fuel cell stack (2) and / or in an exhaust air path (6) for discharging the fuel cell stack (2) exiting the air is reduced.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass zur Drosselung des Luftmassenstroms (m) ein Ventil (7, 8) und/oder eine Drosselklappe stromabwärts der Strömungsmaschi ne (4) zumindest teilweise geschlossen wird bzw. werden. 4. The method according to claim 2 or 3, characterized in that for throttling the air mass flow (m) a valve (7, 8) and / or a throttle valve downstream of the flow machine (4) is or are at least partially closed.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpgrenze (P) nur in einem bestimmten Drehzahlbereich gezielt überschritten wird. 5. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the surge limit (P) is deliberately exceeded only in a specific speed range.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen einem ersten Betriebsmodus und ei nem zweiten Betriebsmodus der Strömungsmaschine (4) umgeschaltet wird, wo bei im ersten Betriebsmodus der Betrieb in einem stabilen Betriebsbereich er- folgt, vorzugsweise unter Einhaltung eines Sicherheitsabstands zur Pumpgren ze (P), und im zweiten Betriebsmodus der stabile Betriebsbereich um einen qua si-stabilen Betriebsbereich jenseits der Pumpgrenze (P) erweitert wird. 6. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that switching between a first operating mode and egg nem second operating mode of the turbomachine (4), where in the first operating mode, the operation takes place in a stable operating range, preferably while maintaining a safety margin to the surge limit (P), and in the second operating mode the stable operating range is extended by a quasi-stable operating range beyond the surge limit (P).
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Umschalten zwischen dem ersten und zweiten Betriebsmodus von der aktuellen Drehzahl (n) der Strömungsmaschi ne (4) abhängig gemacht wird. 7. The method according to claim 6, characterized in that the switching between the first and second operating mode of the current speed (n) of the flow machine (4) is made dependent.
8. Steuergerät, das eingerichtet ist, Schritte eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche auszuführen. 8. Control unit that is set up to carry out steps of a method according to any one of the preceding claims.
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