WO2024028004A1 - Fuel cell system and method for operating a fuel cell system - Google Patents

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WO2024028004A1
WO2024028004A1 PCT/EP2023/067631 EP2023067631W WO2024028004A1 WO 2024028004 A1 WO2024028004 A1 WO 2024028004A1 EP 2023067631 W EP2023067631 W EP 2023067631W WO 2024028004 A1 WO2024028004 A1 WO 2024028004A1
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fuel cell
air
cell system
subsystems
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Inventor
Andreas Knoop
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
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    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04007—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids related to heat exchange
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    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
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    • H01M8/04119—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying
    • H01M8/04126—Humidifying
    • H01M8/04141—Humidifying by water containing exhaust gases

Definitions

  • the invention relates to a fuel cell system with at least two fuel cell subsystems connected in parallel, each comprising a fuel cell stack to which hydrogen and compressed air are supplied.
  • the invention further relates to a method for operating such a fuel cell system.
  • German patent DE 10 2008 034 190 B4 a kit for a fuel cell system with a plurality of fuel cell modules is known, which can be electrically connected in series and/or electrically connected in parallel with one another in order to be combined with one another.
  • the German patent DE 10 2008 034 190 B4 further discloses a method for adjusting the performance of a fuel cell system using such a kit and a fuel cell system manufactured using such a kit.
  • a fuel cell system is known, with a fuel cell, an air supply line for supplying ambient air into the fuel cell and an exhaust air line for discharging the reacted ambient air from the fuel cell, a compressor being arranged in the air supply line, whereby At least one further consumer of ambient air is arranged downstream of the compressor parallel to the fuel cell.
  • the object of the invention is to increase the efficiency in the operation of a fuel cell system with at least two fuel cell subsystems connected in parallel, each comprising a fuel cell stack to which hydrogen and compressed air are supplied.
  • the object is achieved in a fuel cell system with at least two fuel cell subsystems connected in parallel, each comprising a fuel cell stack to which hydrogen and compressed air is supplied, in that a common air supply unit is connected upstream of the fuel cell subsystems for supplying the fuel cell stacks with compressed air, which has a Supply air path is supplied with air and from which a compressor air path extends through which the fuel cell subsystems are supplied with compressed air.
  • Air supply units of different dimensions can have a modular structure. Then these air supply units can also be referred to as air supply modules.
  • the modular structure enables a modular system with differently designed air supply modules and fuel cell subsystems, which can also be designed as modules.
  • the air supply unit includes a high-speed turbomachine, also referred to as an electric air compressor, for supplying air to the fuel cell subsystems. Due to the better efficiency of fuel cells compared to conventional combustion engines, electric air compressors are used to compress quantities of air to a pressure ratio of around three at full load. This pressure ratio has proven to be advantageous in terms of cost, installation space and humidification requirements in conventional fuel cell systems.
  • the common air supply unit comprises at least one electric motor-driven compressor which is combined with at least one turbine.
  • the common air supply unit includes exactly one electric motor-driven compressor and exactly one turbine.
  • the compressor includes, for example, a compressor wheel.
  • the compressor can also include more than one compressor wheel, for example two compressor wheels.
  • the turbine can comprise a turbine wheel.
  • the turbine can also include more than one turbine wheel, for example two turbine wheels.
  • the air supply unit with the electric motor-driven compressor and the turbine is advantageously designed with regard to the air requirement expected during operation of the fuel cell system.
  • the common air supply unit for the two fuel cell subsystems allows the number of components required to represent the fuel cell system to be reduced.
  • a further preferred embodiment of the fuel cell system is characterized in that the fuel cell subsystems are followed by a common exhaust line with a turbine bypass valve, which is also referred to as a bypass valve for short. This allows the number of components required to be further reduced. In particular, only one turbine bypass valve is required.
  • a further preferred embodiment of the fuel cell system is characterized in that one of the turbine bypass valves Humidification path that flows into the supply air path.
  • the fuel cell system with the two fuel cell subsystems can be humidified using the gaseous water contained in recirculated exhaust air or in recirculated exhaust gas using the turbine bypass valve.
  • the water produced in the fuel cell system can be advantageously used for humidification.
  • a further preferred embodiment of the fuel cell system is characterized in that a common wastewater line with a pump is connected downstream of the fuel cell subsystems. This allows the number of components required to represent the fuel cell system with the fuel cell subsystems to be further reduced.
  • a further preferred exemplary embodiment of the fuel cell system is characterized in that a compressor injection path with an injection valve extends from the pump and opens into the compressor air path.
  • a compressor injection path with an injection valve extends from the pump and opens into the compressor air path.
  • a further preferred embodiment of the fuel cell system is characterized in that a supply air injection path with an injection valve emanates from the pump and opens into the supply air path.
  • the water supplied upstream of the compressor advantageously evaporates at least partially due to the heat generated during the compression process. At the same time, this leads to the normally isentropic compression process approaching an isothermal process. As a result, the required input power of the compressor when operating the fuel cell system can be reduced.
  • a further preferred embodiment of the fuel cell system is characterized in that a common intercooler for the two fuel cell subsystems is arranged in the compressor air path. As a result, the number of components required for the two fuel cell subsystems can advantageously be further reduced.
  • a further preferred embodiment of the fuel cell system is characterized in that separate air mass flow measuring devices are connected upstream of the fuel cell subsystems and separate pressure control valves are connected downstream. This ensures that the two fuel cell subsystems are each supplied with sufficient air mass flow. With the help of the signals from mass flow measurements, which are carried out with the mass flow measuring devices and evaluated in a corresponding control device that controls the two pressure control valves, the correct air mass flows can be conveniently regulated.
  • the invention further relates to at least one individual part, advantageously several individual parts or all individual parts, for a previously described fuel cell system.
  • the individual parts can be traded separately.
  • the above-mentioned task is solved alternatively or additionally in that the fuel cell subsystems are supplied with compressed air via the common air supply unit.
  • the control valves can be effectively controlled during operation of the fuel cell system using the signals from the mass flow measurements described above in order to regulate the air mass flows through the fuel cell subsystems.
  • Figure 1 shows a schematic representation of a fuel cell system 1 with two fuel cell subsystems 2, 3.
  • the two fuel cell subsystems 2, 3 are connected in parallel in the fuel cell system 1.
  • the two fuel cell subsystems 2, 3 of the fuel cell system 1 are supplied with compressed air via a common air supply unit 4.
  • the air supply unit 4 includes a compressor 41, which is driven by an electric motor drive 42.
  • the air supply unit 4 further comprises a turbine 43.
  • the compressor 41 comprises, for example, a compressor wheel which is connected in a rotationally fixed manner to a turbine wheel of the turbine 43.
  • the electric motor drive 42 includes, for example, an electric motor.
  • the turbine 43 of the air supply unit 4 can be bypassed via a turbine bypass valve 5, which is also referred to as a bypass valve.
  • a humidification path 20 extends from the bypass valve 5 and opens into a supply air path 17, via which air is supplied to the compressor 41. The supplied air is compressed in the compressor 41. The compressed air is supplied to an intercooler 9 via a compressor air path 18. The compressed air is cooled in the intercooler 9.
  • the compressed and cooled air is divided into two air paths 15, 16, which are indicated by arrows.
  • An air mass flow measuring device 10 is arranged in the air path 15.
  • An air mass flow measuring device 11 is arranged in the air path 16. The air mass flow measuring devices 10 and 11 serve to measure the air mass flows supplied to the fuel cell subsystems via the air paths 15 and 16.
  • the fuel cell subsystems 2 and 3 each include a fuel cell stack 51, 52. Hydrogen is indicated by arrows 53 and 54, which is supplied to the fuel cell stacks 51 and 52 and reacts there. Arrows 55, 56 and 57, 58 indicate coolant with which the fuel cell stacks 51 and 52 are cooled.
  • Exhaust gas lines extend from the fuel cell subsystems 2 and 3, in each of which a pressure control valve 12, 13 is arranged. After the pressure control valves 12, 13, the exhaust gas from the two fuel cell subsystems 2, 3 is brought together in a common exhaust gas path 19.
  • the exhaust gas occurring in the exhaust gas path 19 can be relieved in the turbine 43 and thus used to drive the compressor 41. Part or all of the exhaust gas can be removed from the exhaust gas path 19 via the bypass valve 5. The exhaust gas removed via the bypass valve 5 is then fed to the supply air path 17 via the humidification path 20.
  • the water produced in the fuel cell subsystems 2, 3 during operation of the fuel cell system 1 is fed to a pump 8 via a common wastewater path 21.
  • the water conveyed by the pump 8 is divided into a compressor injection path 24 and a supply air injection path 25 via a pump outlet 23.
  • the two injection paths 24 and 25 are optional. Only one of the two injection paths 24, 25 can be used. It is also possible to completely omit the injection paths 24, 25 and to implement the humidification via the humidification path 20 alone.
  • An injection valve 7 is arranged in the compressor injection path 24.
  • An injection valve 6 is arranged in the supply air injection path 25. Water provided by the pump 8 can be injected into the supply air path 17 via the supply air injection path 25 with the injection valve 6. Water provided by the pump 8 can be injected into the compressor air path 18 via the compressor injection path 24 with the injection valve 7.

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Abstract

The invention relates to a fuel cell system (1), comprising at least two fuel cell subsystems (2, 3) connected in parallel, which each comprise a fuel cell stack (51, 52), which is supplied with hydrogen (53, 54) and compressed air (15, 16). In order to increase the efficiency in operation of the fuel cell system (1), a common air supply unit (4) is connected upstream of the fuel cell subsystems (2, 3) to supply the fuel cell stacks (51, 52) with compressed air (15, 16), which air supply unit is supplied with air via a supply air path (17) and from which a compressor air path (18) extends, through which the fuel cell subsystems (2, 3) are supplied with compressed air.

Description

Beschreibung Description
Titel title
Brennstoffzellensystem und Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems Fuel cell system and method for operating a fuel cell system
Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem, mit mindestens zwei parallel geschalteten Brennstoffzellensubsystemen, die jeweils einen Brennstoffzellenstapel umfassen, dem Wasserstoff und verdichtete Luft zugeführt wird. Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Verfahren zum Betreiben eines derartigen Brennstoffzellensystems. The invention relates to a fuel cell system with at least two fuel cell subsystems connected in parallel, each comprising a fuel cell stack to which hydrogen and compressed air are supplied. The invention further relates to a method for operating such a fuel cell system.
Stand der Technik State of the art
Aus der deutschen Patentschrift DE 10 2008 034 190 B4 ist ein Bausatz für ein Brennstoffzellensystem mit einer Mehrzahl von Brennstoffzellenmodulen bekannt, die zu ihrer Kombination miteinander elektrisch in Reihe schaltbar und/oder miteinander elektrisch parallel schaltbar sind. Die deutsche Patentschrift DE 10 2008 034 190 B4 offenbart des Weiteren ein Verfahren zur Einstellung der Leistung eines Brennstoffzellensystems unter Verwendung eines derartigen Bausatzes sowie ein Brennstoffzellensystem, hergestellt unter Verwendung eines derartigen Bausatzes. Aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 10 2018 205 288 Al ist ein Brennstoffzellensystem bekannt, mit einer Brennstoffzelle, einer Luftzuführungsleitung zum Zuführen von Umgebungsluft in die Brennstoffzelle und einer Abluftleitung zum Abführen der reagierten Umgebungsluft aus der Brennstoffzelle, wobei ein Verdichter in der Luftzuführungsleitung angeordnet ist, wobei stromabwärts des Verdichters parallel zu der Brennstoffzelle zumindest ein weiterer Verbraucher von Umgebungsluft angeordnet ist. From the German patent DE 10 2008 034 190 B4 a kit for a fuel cell system with a plurality of fuel cell modules is known, which can be electrically connected in series and/or electrically connected in parallel with one another in order to be combined with one another. The German patent DE 10 2008 034 190 B4 further discloses a method for adjusting the performance of a fuel cell system using such a kit and a fuel cell system manufactured using such a kit. From the German published patent application DE 10 2018 205 288 A1 a fuel cell system is known, with a fuel cell, an air supply line for supplying ambient air into the fuel cell and an exhaust air line for discharging the reacted ambient air from the fuel cell, a compressor being arranged in the air supply line, whereby At least one further consumer of ambient air is arranged downstream of the compressor parallel to the fuel cell.
Offenbarung der Erfindung Aufgabe der Erfindung ist es, die Effizienz im Betrieb eines Brennstoffzellensystems, mit mindestens zwei parallel geschalteten Brennstoffzellensubsystemen, die jeweils einen Brennstoffzellenstapel umfassen, dem Wasserstoff und verdichtete Luft zugeführt wird, zu erhöhen. Disclosure of the invention The object of the invention is to increase the efficiency in the operation of a fuel cell system with at least two fuel cell subsystems connected in parallel, each comprising a fuel cell stack to which hydrogen and compressed air are supplied.
Die Aufgabe ist bei einem Brennstoffzellensystem, mit mindestens zwei parallel geschalteten Brennstoffzellensubsystemen, die jeweils einen Brennstoffzellenstapel umfassen, dem Wasserstoff und verdichtete Luft zugeführt wird, dadurch gelöst, dass den Brennstoffzellensubsystemen zur Versorgung der Brennstoffzellenstapel mit verdichteter Luft eine gemeinsame Luftversorgungseinheit vorgeschaltet ist, die über einen Zuluftpfad mit Luft versorgt wird und von der ein Verdichterluftpfad ausgeht, durch den die Brennstoffzellensubsysteme mit verdichteter Luft versorgt werden. The object is achieved in a fuel cell system with at least two fuel cell subsystems connected in parallel, each comprising a fuel cell stack to which hydrogen and compressed air is supplied, in that a common air supply unit is connected upstream of the fuel cell subsystems for supplying the fuel cell stacks with compressed air, which has a Supply air path is supplied with air and from which a compressor air path extends through which the fuel cell subsystems are supplied with compressed air.
Unterschiedlich dimensionierte Luftversorgungseinheiten können modulartig aufgebaut sein. Dann können diese Luftversorgungseinheiten auch als Luftversorgungsmodule bezeichnet werden. Der modulartige Aufbau ermöglicht einen Baukasten mit unterschiedlich ausgelegten Luftversorgungsmodulen und Brennstoffzellensubsystemen, die ebenfalls als Module ausgeführt sein können. Die Luftversorgungseinheit umfasst zur Luftversorgung der Brennstoffzellensubsysteme eine hochdrehende Strömungsmaschine, die auch als elektrischer Luftkompressor bezeichnet wird. Aufgrund des besseren Wirkungsgrades von Brennstoffzellen gegenüber herkömmlichen Verbrennungsmotoren werden mit elektrischen Luftkompressoren Luftmengen auf ein Druckverhältnis von etwa drei bei Volllast verdichtet. Dieses Druckverhältnis hat sich im Hinblick auf Kosten-, Bauraum- und Befeuchtungsanforderungen bei herkömmlichen Brennstoffzellensystemen als vorteilhaft erwiesen. Bei Druckverhältnissen, die größer als drei sind, passen die mit herkömmlichen Brennstoffzellensystem realisierbaren Luftmengen und Luftdrücke nicht mehr optimal zusammen, wodurch sich ein maximal möglicher Verdichterwirkungsgrad verringert. Das betrifft insbesondere Brennstoffzellensysteme mit einer Nettoleistung, die kleiner oder gleich einhundert Kilowatt ist. Mit dem beanspruchten Brennstoffzellensystem können vorteilhaft größere Druckverhältnisse bis zum Beispiel von etwa vier realisiert werden, ohne dass hierbei der Verdichterwirkungsgrad zu gering wird. Durch die parallel geschalteten Brennstoffzellensubsysteme verdoppelt sich die notwendige Luftmenge im Betrieb des Brennstoffzellensystems. Durch die gemeinsame Luftversorgungseinheit kann auch bei einem Druckverhältnis von vier ein hoher Verdichterwirkungsgrad erreicht werden. Bei einem Druckverhältnis von vier wird ein Verdichterrad des Verdichters einer höheren Temperaturbelastung ausgesetzt. Diese höhere Temperaturbelastung muss bei der Auswahl des verwendeten Werkstoffs zur Darstellung des Verdichterrads berücksichtigt werden. Alternativ oder zusätzlich kann vor dem Verdichter Wasser eingespritzt werden. Air supply units of different dimensions can have a modular structure. Then these air supply units can also be referred to as air supply modules. The modular structure enables a modular system with differently designed air supply modules and fuel cell subsystems, which can also be designed as modules. The air supply unit includes a high-speed turbomachine, also referred to as an electric air compressor, for supplying air to the fuel cell subsystems. Due to the better efficiency of fuel cells compared to conventional combustion engines, electric air compressors are used to compress quantities of air to a pressure ratio of around three at full load. This pressure ratio has proven to be advantageous in terms of cost, installation space and humidification requirements in conventional fuel cell systems. At pressure ratios that are greater than three, the air volumes and air pressures that can be achieved with conventional fuel cell systems no longer match optimally, which reduces the maximum possible compressor efficiency. This applies in particular to fuel cell systems with a net output that is less than or equal to one hundred kilowatts. With the claimed fuel cell system, larger pressure ratios of up to, for example, around four can advantageously be achieved without the compressor efficiency becoming too low. Through the With fuel cell subsystems connected in parallel, the amount of air required to operate the fuel cell system doubles. Thanks to the common air supply unit, high compressor efficiency can be achieved even with a pressure ratio of four. At a pressure ratio of four, one compressor wheel of the compressor is exposed to a higher temperature load. This higher temperature load must be taken into account when selecting the material used to represent the compressor wheel. Alternatively or additionally, water can be injected upstream of the compressor.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Brennstoffzellensystems ist dadurch gekennzeichnet, dass die gemeinsame Luftversorgungseinheit mindestens einen elektromotorisch angetriebenen Verdichter umfasst, der mit mindestens einer Turbine kombiniert ist. Bei einem Ausführungsbeispiel umfasst die gemeinsame Luftversorgungseinheit genau einen elektromotorischen angetriebenen Verdichter und genau eine Turbine. Der Verdichter umfasst zum Beispiel ein Verdichterrad. Der Verdichter kann aber auch mehr als ein Verdichterrad, zum Beispiel zwei Verdichterräder, umfassen. Analog kann die Turbine ein Turbinenrad umfassen. Die Turbine kann aber auch mehr als ein Turbinenrad, zum Beispiel zwei Turbinenräder, umfassen. Die Luftversorgungseinheit mit dem elektromotorisch angetriebenen Verdichter und der Turbine ist vorteilhaft im Hinblick auf den im Betrieb des Brennstoffzellensystems zu erwartenden Luftbedarf ausgelegt. Durch die gemeinsame Luftversorgungseinheit für die beiden Brennstoffzellensubsysteme kann die Anzahl der benötigten Komponenten zur Darstellung des Brennstoffzellensystems reduziert werden. A preferred embodiment of the fuel cell system is characterized in that the common air supply unit comprises at least one electric motor-driven compressor which is combined with at least one turbine. In one embodiment, the common air supply unit includes exactly one electric motor-driven compressor and exactly one turbine. The compressor includes, for example, a compressor wheel. However, the compressor can also include more than one compressor wheel, for example two compressor wheels. Analogously, the turbine can comprise a turbine wheel. However, the turbine can also include more than one turbine wheel, for example two turbine wheels. The air supply unit with the electric motor-driven compressor and the turbine is advantageously designed with regard to the air requirement expected during operation of the fuel cell system. The common air supply unit for the two fuel cell subsystems allows the number of components required to represent the fuel cell system to be reduced.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Brennstoffzellensystems ist dadurch gekennzeichnet, dass den Brennstoffzellensubsystemen eine gemeinsame Abgasleitung mit einem Turbinenbypassventil, das verkürzt auch als Bypassventil bezeichnet wird, nachgeschaltet ist. Dadurch kann die Anzahl der benötigten Komponenten weiter reduziert werden. Insbesondere wird nur ein Turbinenbypassventil benötigt. A further preferred embodiment of the fuel cell system is characterized in that the fuel cell subsystems are followed by a common exhaust line with a turbine bypass valve, which is also referred to as a bypass valve for short. This allows the number of components required to be further reduced. In particular, only one turbine bypass valve is required.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Brennstoffzellensystems ist dadurch gekennzeichnet, dass von dem Turbinenbypassventil ein Befeuchtungspfad ausgeht, der in den Zuluftpfad mündet. Die Befeuchtung des Brennstoffzellensystems mit den beiden Brennstoffzellensubsystemen kann mit Hilfe des Turbinenbypassventils durch das von in rezirkulierter Abluft oder in rezirkuliertem Abgas befindliche, gasförmige Wasser erfolgen. So kann vorteilhaft das im Brennstoffzellensystem anfallende Wasser zum Befeuchten genutzt werden. A further preferred embodiment of the fuel cell system is characterized in that one of the turbine bypass valves Humidification path that flows into the supply air path. The fuel cell system with the two fuel cell subsystems can be humidified using the gaseous water contained in recirculated exhaust air or in recirculated exhaust gas using the turbine bypass valve. The water produced in the fuel cell system can be advantageously used for humidification.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Brennstoffzellensystems ist dadurch gekennzeichnet, dass den Brennstoffzellensubsystemen eine gemeinsame Abwasserleitung mit einer Pumpe nachgeschaltet ist. Dadurch kann die Anzahl der benötigten Komponenten zur Darstellung des Brennstoffzellensystems mit den Brennstoffzellensubsystemen weiter reduziert werden. A further preferred embodiment of the fuel cell system is characterized in that a common wastewater line with a pump is connected downstream of the fuel cell subsystems. This allows the number of components required to represent the fuel cell system with the fuel cell subsystems to be further reduced.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Brennstoffzellensystems ist dadurch gekennzeichnet, dass von der Pumpe ein Verdichtereinspritzpfad mit einem Einspritzventil ausgeht, der in den Verdichterluftpfad mündet. Dadurch wird alternativ oder zusätzlich eine Möglichkeit zur Befeuchtung der den Brennstoffzellensubsystemen zugeführten Luft bereitgestellt. Dieses Wasser kann dann vorteilhaft in einem nachfolgenden Ladeluftkühler verdunstet werden. Durch den Verdunstungsprozess innerhalb des Ladeluftkühlers wird der Kühlkreislauf des Brennstoffzellensystems entlastet. A further preferred exemplary embodiment of the fuel cell system is characterized in that a compressor injection path with an injection valve extends from the pump and opens into the compressor air path. This alternatively or additionally provides a possibility for humidifying the air supplied to the fuel cell subsystems. This water can then advantageously be evaporated in a subsequent intercooler. The evaporation process within the intercooler relieves the load on the cooling circuit of the fuel cell system.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Brennstoffzellensystems ist dadurch gekennzeichnet, dass von der Pumpe ein Zulufteinspritzpfad mit einem Einspritzventil ausgeht, der in den Zuluftpfad mündet. Das vor dem Verdichter zugeführte Wasser verdampft vorteilhaft durch die beim Verdichtungsprozess entstehende Wärme zumindest teilweise. Das führt gleichzeitig dazu, dass sich der normalerweise isentrope Verdichtungsprozess einem isothermen Prozess annähert. Dadurch kann die benötigte Aufnahmeleistung des Verdichters im Betrieb des Brennstoffzellensystems verringert werden. A further preferred embodiment of the fuel cell system is characterized in that a supply air injection path with an injection valve emanates from the pump and opens into the supply air path. The water supplied upstream of the compressor advantageously evaporates at least partially due to the heat generated during the compression process. At the same time, this leads to the normally isentropic compression process approaching an isothermal process. As a result, the required input power of the compressor when operating the fuel cell system can be reduced.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Brennstoffzellensystems ist dadurch gekennzeichnet, dass in dem Verdichterluftpfad ein gemeinsamer Ladeluftkühler für die beiden Brennstoffzellensubsysteme angeordnet ist. Dadurch kann die Anzahl der benötigten Komponenten für die beiden Brennstoffzellensubsysteme vorteilhaft weiter reduziert werden. A further preferred embodiment of the fuel cell system is characterized in that a common intercooler for the two fuel cell subsystems is arranged in the compressor air path. As a result, the number of components required for the two fuel cell subsystems can advantageously be further reduced.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Brennstoffzellensystems ist dadurch gekennzeichnet, dass den Brennstoffzellensubsystemen separate Luftmassenstrommesseinrichtungen vorgeschaltet und separate Druckregelventile nachgeschaltet sind. So wird sichergestellt, dass die beiden Brennstoffzellensubsysteme mit einem jeweils ausreichenden Luftmassenstrom versorgt werden. Mit Hilfe der Signale aus Massenstrommessungen, die mit den Massenstrommesseinrichtungen durchgeführt und in einem entsprechenden Steuergerät ausgewertet werden, das die beiden Druckregelventile ansteuert, können die richtigen Luftmassenströme komfortabel geregelt werden. A further preferred embodiment of the fuel cell system is characterized in that separate air mass flow measuring devices are connected upstream of the fuel cell subsystems and separate pressure control valves are connected downstream. This ensures that the two fuel cell subsystems are each supplied with sufficient air mass flow. With the help of the signals from mass flow measurements, which are carried out with the mass flow measuring devices and evaluated in a corresponding control device that controls the two pressure control valves, the correct air mass flows can be conveniently regulated.
Die Erfindung betrifft des Weiteren mindestens ein Einzelteil, vorteilhaft mehrere Einzelteile oder alle Einzelteile, für ein vorab beschriebenes Brennstoffzellensystem. Die Einzelteile sind separat handelbar. The invention further relates to at least one individual part, advantageously several individual parts or all individual parts, for a previously described fuel cell system. The individual parts can be traded separately.
Bei einem Verfahren zum Betreiben eines vorab beschriebenen Brennstoffzellensystems ist die oben angegebene Aufgabe alternativ oder zusätzlich dadurch gelöst, dass die Brennstoffzellensubsysteme über die gemeinsame Luftversorgungseinheit mit verdichteter Luft versorgt werden. Mit dem vorab beschriebenen Steuergerät können mit Hilfe der Signale aus den vorab beschriebenen Massenstrommessungen die Regelventile im Betrieb des Brennstoffzellensystems effektiv angesteuert werden, um die Luftmassenströme durch die Brennstoffzellensubsysteme zu regeln. In a method for operating a previously described fuel cell system, the above-mentioned task is solved alternatively or additionally in that the fuel cell subsystems are supplied with compressed air via the common air supply unit. With the control device described above, the control valves can be effectively controlled during operation of the fuel cell system using the signals from the mass flow measurements described above in order to regulate the air mass flows through the fuel cell subsystems.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnung verschiedene Ausführungsbeispiele im Einzelnen beschrieben sind. Further advantages, features and details of the invention emerge from the following description, in which various exemplary embodiments are described in detail with reference to the drawing.
Kurze Beschreibung der Zeichnung Short description of the drawing
In der einzigen beiliegenden Figur ist ein Brennstoffzellensystem mit zwei parallel geschalteten Brennstoffzellensubsystemen schematisch dargestellt, die über eine gemeinsame Luftversorgungseinheit mit verdichteter Luft versorgt werden. Beschreibung der Ausführungsbeispiele In the only accompanying figure, a fuel cell system with two fuel cell subsystems connected in parallel is shown schematically, which are supplied with compressed air via a common air supply unit. Description of the exemplary embodiments
Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems 1 mit zwei Brennstoffzellensubsystemen 2, 3. Die beiden Brennstoffzellensubsysteme 2, 3 sind in dem Brennstoffzellensystem 1 parallel geschaltet. Figure 1 shows a schematic representation of a fuel cell system 1 with two fuel cell subsystems 2, 3. The two fuel cell subsystems 2, 3 are connected in parallel in the fuel cell system 1.
Die beiden Brennstoffzellensubsysteme 2, 3 des Brennstoffzellensystems 1 werden über eine gemeinsame Luftversorgungseinheit 4 mit verdichteter Luft versorgt. Die Luftversorgungseinheit 4 umfasst einen Verdichter 41, der durch einen elektromotorischen Antrieb 42 angetrieben ist. The two fuel cell subsystems 2, 3 of the fuel cell system 1 are supplied with compressed air via a common air supply unit 4. The air supply unit 4 includes a compressor 41, which is driven by an electric motor drive 42.
Die Luftversorgungseinheit 4 umfasst des Weiteren eine Turbine 43. Der Verdichter 41 umfasst zum Beispiel ein Verdichterrad, das drehfest mit einem Turbinenrad der Turbine 43 verbunden ist. Der elektromotorische Antrieb 42 umfasst zum Beispiel einen Elektromotor. The air supply unit 4 further comprises a turbine 43. The compressor 41 comprises, for example, a compressor wheel which is connected in a rotationally fixed manner to a turbine wheel of the turbine 43. The electric motor drive 42 includes, for example, an electric motor.
Die Turbine 43 der Luftversorgungseinheit 4 kann über ein Turbinenbypassventil 5, das verkürzt auch als Bypassventil bezeichnet wird, umgangen werden. Von dem Bypassventil 5 geht ein Befeuchtungspfad 20 aus, der in einem Zuluftpfad 17 mündet, über den dem Verdichter 41 Luft zugeführt wird. Die zugeführte Luft wird in dem Verdichter 41 verdichtet. Die verdichtete Luft wird über einen Verdichterluftpfad 18 einem Ladeluftkühler 9 zugeführt. In dem Ladeluftkühler 9 wird die verdichtete Luft abgekühlt. The turbine 43 of the air supply unit 4 can be bypassed via a turbine bypass valve 5, which is also referred to as a bypass valve. A humidification path 20 extends from the bypass valve 5 and opens into a supply air path 17, via which air is supplied to the compressor 41. The supplied air is compressed in the compressor 41. The compressed air is supplied to an intercooler 9 via a compressor air path 18. The compressed air is cooled in the intercooler 9.
Nach dem Ladeluftkühler 9 wird die verdichtete und abgekühlte Luft auf zwei Luftpfade 15, 16 aufgeteilt, die durch Pfeile angedeutet sind. In dem Luftpfad 15 ist eine Luftmassenstrommesseinrichtung 10 angeordnet. In dem Luftpfad 16 ist eine Luftmassenstrommesseinrichtung 11 angeordnet. Die Luftmassenstrommesseinrichtungen 10 und 11 dienen zur Messung der den Brennstoffzellensubsystemen über die Luftpfade 15 und 16 zugeführten Luftmassenströme. After the intercooler 9, the compressed and cooled air is divided into two air paths 15, 16, which are indicated by arrows. An air mass flow measuring device 10 is arranged in the air path 15. An air mass flow measuring device 11 is arranged in the air path 16. The air mass flow measuring devices 10 and 11 serve to measure the air mass flows supplied to the fuel cell subsystems via the air paths 15 and 16.
Die Brennstoffzellensubsysteme 2 und 3 umfassen jeweils einen Brennstoffzellenstapel 51, 52. Durch Pfeile 53 und 54 ist Wasserstoff angedeutet, der den Brennstoffzellenstapeln 51 und 52 zugeführt wird und dort reagiert. Durch Pfeile 55, 56 und 57, 58 ist Kühlmittel angedeutet, mit welchem die Brennstoffzellenstapel 51 und 52 gekühlt werden. The fuel cell subsystems 2 and 3 each include a fuel cell stack 51, 52. Hydrogen is indicated by arrows 53 and 54, which is supplied to the fuel cell stacks 51 and 52 and reacts there. Arrows 55, 56 and 57, 58 indicate coolant with which the fuel cell stacks 51 and 52 are cooled.
Von den Brennstoffzellensubsystemen 2 und 3 gehen Abgasleitungen aus, in denen jeweils ein Druckregelventil 12, 13 angeordnet ist. Nach den Druckregelventilen 12, 13 wird das Abgas der beiden Brennstoffzellensubsysteme 2, 3 in einem gemeinsamen Abgaspfad 19 zusammengeführt. Exhaust gas lines extend from the fuel cell subsystems 2 and 3, in each of which a pressure control valve 12, 13 is arranged. After the pressure control valves 12, 13, the exhaust gas from the two fuel cell subsystems 2, 3 is brought together in a common exhaust gas path 19.
Das in dem Abgaspfad 19 anfallende Abgas kann in der Turbine 43 entlastet und so zum Antreiben des Verdichters 41 genutzt werden. Über das Bypassventil 5 kann ein Teil des Abgases oder das gesamte Abgas dem Abgaspfad 19 entnommen werden. Das über das Bypassventil 5 entnommene Abgas wird dann über den Befeuchtungspfad 20 dem Zuluftpfad 17 zugeführt. The exhaust gas occurring in the exhaust gas path 19 can be relieved in the turbine 43 and thus used to drive the compressor 41. Part or all of the exhaust gas can be removed from the exhaust gas path 19 via the bypass valve 5. The exhaust gas removed via the bypass valve 5 is then fed to the supply air path 17 via the humidification path 20.
Das in den Brennstoffzellensubsystemen 2, 3 im Betrieb des Brennstoffzellensystems 1 anfallende Wasser wird über einen gemeinsamen Abwasserpfad 21 einer Pumpe 8 zugeführt. Das mit der Pumpe 8 geförderte Wasser wird über einen Pumpenausgang 23 auf einen Verdichtereinspritzpfad 24 und einen Zulufteinspritzpfad 25 aufgeteilt. The water produced in the fuel cell subsystems 2, 3 during operation of the fuel cell system 1 is fed to a pump 8 via a common wastewater path 21. The water conveyed by the pump 8 is divided into a compressor injection path 24 and a supply air injection path 25 via a pump outlet 23.
Die beiden Einspritzpfade 24 und 25 sind optional. Es kann auch nur einer der beiden Einspritzpfade 24, 25 genutzt werden. Es ist auch möglich, die Einspritzpfade 24, 25 ganz wegzulassen und die Befeuchtung alleine über den Befeuchtungspfad 20 zu realisieren. The two injection paths 24 and 25 are optional. Only one of the two injection paths 24, 25 can be used. It is also possible to completely omit the injection paths 24, 25 and to implement the humidification via the humidification path 20 alone.
In dem Verdichtereinspritzpfad 24 ist ein Einspritzventil 7 angeordnet. In dem Zulufteinspritzpfad 25 ist ein Einspritzventil 6 angeordnet. Über den Zulufteinspritzpfad 25 mit dem Einspritzventil 6 kann von der Pumpe 8 bereitgestelltes Wasser in den Zuluftpfad 17 eingespritzt werden. Über den Verdichtereinspritzpfad 24 mit dem Einspritzventil 7 kann von der Pumpe 8 bereitgestelltes Wasser in den Verdichterluftpfad 18 eingespritzt werden. An injection valve 7 is arranged in the compressor injection path 24. An injection valve 6 is arranged in the supply air injection path 25. Water provided by the pump 8 can be injected into the supply air path 17 via the supply air injection path 25 with the injection valve 6. Water provided by the pump 8 can be injected into the compressor air path 18 via the compressor injection path 24 with the injection valve 7.

Claims

Ansprüche Expectations
1. Brennstoffzellensystem (1), mit mindestens zwei parallel geschalteten Brennstoffzellensubsystemen (2,3), die jeweils einen Brennstoffzellenstapel (51,52) umfassen, dem Wasserstoff (53,54) und verdichtete Luft (15,16) zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass den Brennstoffzellensubsystemen (2,3) zur Versorgung der Brennstoffzellenstapel (51,52) mit verdichteter Luft (15,16) eine gemeinsame Luftversorgungseinheit (4) vorgeschaltet ist, die über einen Zuluftpfad (17) mit Luft versorgt wird und von der ein Verdichterluftpfad (18) ausgeht, durch den die Brennstoffzellensubsysteme (2,3) mit verdichteter Luft versorgt werden. 1. Fuel cell system (1), with at least two fuel cell subsystems (2,3) connected in parallel, each comprising a fuel cell stack (51,52), to which hydrogen (53,54) and compressed air (15,16) is supplied, characterized in that the fuel cell subsystems (2,3) for supplying the fuel cell stacks (51,52) with compressed air (15,16) are preceded by a common air supply unit (4), which is supplied with air via a supply air path (17) and from which Compressor air path (18), through which the fuel cell subsystems (2,3) are supplied with compressed air.
2. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die gemeinsame Luftversorgungseinheit (4) mindestens einen elektromotorisch angetriebenen Verdichter (41) umfasst, der mit mindestens einer Turbine (43) kombiniert ist. 2. Fuel cell system according to claim 1, characterized in that the common air supply unit (4) comprises at least one electric motor-driven compressor (41) which is combined with at least one turbine (43).
3. Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass den Brennstoffzellensubsystemen (2,3) eine gemeinsame Abgasleitung (19) mit einem Turbinenbypassventil (5) nachgeschaltet ist. 3. Fuel cell system according to one of the preceding claims, characterized in that the fuel cell subsystems (2,3) are connected downstream of a common exhaust line (19) with a turbine bypass valve (5).
4. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass von dem Turbinenbypassventil (5) ein Befeuchtungspfad (20) ausgeht, der in den Zuluftpfad (17) mündet. 4. Fuel cell system according to claim 3, characterized in that a humidification path (20) extends from the turbine bypass valve (5), which opens into the supply air path (17).
5. Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass den Brennstoffzellensubsystemen (2,3) eine gemeinsame Abwasserleitung (21) mit einer Pumpe (8) nach geschaltet ist. 5. Fuel cell system according to one of the preceding claims, characterized in that a common wastewater line (21) with a pump (8) is connected downstream of the fuel cell subsystems (2,3).
6. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass von den Pumpe (8) ein Verdichtereinspritzpfad (24) mit einem Einspritzventil (7) ausgeht, der in den Verdichterluftpfad (18) mündet. 6. Fuel cell system according to claim 5, characterized in that a compressor injection path (24) with an injection valve (7) extends from the pump (8), which opens into the compressor air path (18).
7. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass von der Pumpe (8) ein Zulufteinspritzpfad (25) mit einem Einspritzventil (6) ausgeht, der in den Zuluftpfad (17) mündet. 7. Fuel cell system according to claim 5 or 6, characterized in that a supply air injection path (25) with an injection valve (6) extends from the pump (8), which opens into the supply air path (17).
8. Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Verdichterluftpfad (18) ein gemeinsamer Ladeluftkühler (9) für die beiden Brennstoffzellensubsysteme (2,3) angeordnet ist. 8. Fuel cell system according to one of the preceding claims, characterized in that a common charge air cooler (9) for the two fuel cell subsystems (2,3) is arranged in the compressor air path (18).
9. Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass den Brennstoffzellensubsystemen (2,3) separate Luftmassenstrommesseinrichtungen (10,11) vorgeschaltet und separate Druckregelventile (12,13) nachgeschaltet sind. 9. Fuel cell system according to one of the preceding claims, characterized in that the fuel cell subsystems (2,3) are connected upstream of separate air mass flow measuring devices (10,11) and separate pressure control valves (12,13) are connected downstream.
10. Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die10. A method for operating a fuel cell system (1) according to one of the preceding claims, characterized in that
Brennstoffzellensubsysteme (2,3) über die gemeinsame Luftversorgungseinheit (4) mit verdichteter Luft (15,16) versorgt werden. Fuel cell subsystems (2,3) are supplied with compressed air (15,16) via the common air supply unit (4).
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