DE102024207942A1 - Method for operating an air system, air system and fuel cell system - Google Patents

Method for operating an air system, air system and fuel cell system

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Stefan Loesch
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Luftsystems (1), bei dem einem Brennstoffzellenstapel (2) über einen Zuluftpfad (3) mit integriertem Luftverdichtersystem (4), das mindestens zwei Verdichtungsstufen (4.1, 4.2) umfasst, Luft zugeführt wird und die aus dem Brennstoffzellenstapel (2) austretende Luft über einen Abluftpfad (5) abgeführt und über einen den Abluftpfad (5) mit dem Zuluftpfad (3) verbindenden Rezirkulationspfad (6) zumindest teilweise rezirkuliert wird, um die mit Hilfe des Luftverdichtersystems (4) verdichtete Luft im Zuluftpfad (3) zu kühlen und/oder zu befeuchten. Erfindungsgemäß wird bei einem Kalt- oder Gefrierstart mit Hilfe des Luftverdichtersystems (4) verdichtete Luft aus dem Zuluftpfad (3) über den Rezirkulationspfad (5) in den Abluftpfad (5) eingeleitet, um mindestens eine hierin angeordnete Komponente, insbesondere eine Turbine (7), zu erwärmen.
Die Erfindung betrifft ferner ein Luftsystem (1) sowie ein Brennstoffzellensystem mit einem erfindungsgemäßen Luftsystem (1). The invention relates to a method for operating an air system (1) in which air is supplied to a fuel cell stack (2) via a supply air path (3) with an integrated air compressor system (4) comprising at least two compression stages (4.1, 4.2), and the air exiting the fuel cell stack (2) is discharged via an exhaust air path (5) and at least partially recirculated via a recirculation path (6) connecting the exhaust air path (5) with the supply air path (3) in order to cool and/or humidify the air compressed by the air compressor system (4) in the supply air path (3). According to the invention, during a cold or freezing start, air compressed by the air compressor system (4) from the supply air path (3) is introduced into the exhaust air path (5) via the recirculation path (5) in order to heat at least one component arranged therein, in particular a turbine (7).
The invention further relates to an air system (1) and a fuel cell system with an air system (1) according to the invention.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Luftsystems zur Versorgung eines Brennstoffzellenstapels mit Luft. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Luftsystem für ein Brennstoffzellensystem sowie ein Brennstoffzellensystem mit einem erfindungsgemäßen Luftsystem.The invention relates to a method for operating an air system to supply a fuel cell stack with air. Furthermore, the invention relates to an air system for a fuel cell system and to a fuel cell system with an air system according to the invention.

Bevorzugter Anwendungsbereich der Erfindung sind mobile Brennstoffzellensysteme, insbesondere PEM-Brennstoffzellensysteme.The preferred application area of the invention is mobile fuel cell systems, in particular PEM fuel cell systems.

Stand der TechnikState of the art

Brennstoffzellen wandeln einen Brennstoff, beispielsweise Wasserstoff, und Sauerstoff in elektrische Energie, Wärme und Wasser. Als Sauerstofflieferant dient in der Regel Luft, im Allgemeinen Umgebungsluft. Die Luftversorgung erfolgt üblicherweise über ein Luftsystem, das einen Zuluftpfad zum Zuführen von Luft und einen Abluftpfad zum Abführen der aus den Brennstoffzellen austretenden Luft bzw. Abluft umfasst.Fuel cells convert a fuel, such as hydrogen, and oxygen into electrical energy, heat, and water. Air, generally ambient air, typically serves as the oxygen source. The air supply is usually provided by an air system that includes an intake air path for supplying air and an exhaust air path for removing the air exiting the fuel cells.

Da die elektrochemische Reaktion in den Brennstoffzellen einen gewissen Luftmassenstrom sowie ein gewisses Druckniveau erfordert, wird die Luft zuvor verdichtet. In den Zuluftpfad ist hierzu ein Verdichter integriert. Dieser kann ein- oder mehrstufig sowie ein- oder mehrflutig ausgeführt sein. Als Verdichter wird üblicherweise eine thermische Strömungsmaschine eingesetzt, die mit Hilfe eines Elektromotors angetrieben wird. Zur Energierekuperation kann der Verdichter mit einer in den Abluftpfad integrierten Turbine gekoppelt sein, der die aus dem Brennstoffzellenstapel austretende Luft bzw. Abluft zugeführt wird.Since the electrochemical reaction in the fuel cells requires a certain air mass flow and pressure level, the air is compressed beforehand. A compressor is integrated into the supply air path for this purpose. This compressor can be single-stage or multi-stage, and single- or multi-flow. A thermal turbomachine, driven by an electric motor, is typically used as the compressor. For energy recuperation, the compressor can be coupled to a turbine integrated into the exhaust air path, which is fed with the air exiting the fuel cell stack.

Da sich die Luft beim Verdichten sehr stark erwärmt, wird sie mit Hilfe eines stromabwärts des Verdichters in den Zuluftpfad integrierten Kühlers zudem abgekühlt. Des Weiteren kann in den Zuluftpfad eine Befeuchtungseinrichtung zur weiteren Konditionierung der dem Brennstoffzellenstapel zugeführten Luft integriert sein. Das Befeuchten der Luft soll ein Austrocknen der Membranen der Brennstoffzellen verhindern. Das Befeuchten der trockenen Luft im Zuluftpfad kann beispielsweise mittels Rezirkulation von feuchter Luft aus dem Abluftpfad bewirkt werden.Since the air heats up considerably during compression, it is also cooled by a cooler integrated downstream of the compressor in the supply air path. Furthermore, a humidification unit can be integrated into the supply air path to further condition the air supplied to the fuel cell stack. Humidifying the air is intended to prevent the fuel cell membranes from drying out. Humidifying the dry air in the supply air path can be achieved, for example, by recirculating moist air from the exhaust air path.

Bei einem Kalt- oder Gefrierstart eines Brennstoffzellensystems muss das Luftsystem einschließlich seiner Komponenten erst auf Betriebstemperatur gebracht werden. Dadurch verlängert sich der Startvorgang.When starting a fuel cell system in cold or freezing conditions, the air system, including its components, must first be brought up to operating temperature. This lengthens the starting process.

Die vorliegende Erfindung ist mit der Aufgabe befasst, die Kalt- bzw. Gefrierstartfähigkeit eines Luftsystems für ein Brennstoffzellensystem zu verbessern, so dass der Startvorgang verkürzt werden kann.The present invention is concerned with the objective of improving the cold or freezing start capability of an air system for a fuel cell system, so that the starting process can be shortened.

Zur Lösung der Aufgabe werden das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie das Luftsystem mit den Merkmalen des Anspruchs 6 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den jeweiligen Unteransprüchen zu entnehmen. Darüber hinaus wird ein Brennstoffzellensystem mit einem erfindungsgemäßen Luftsystem angegeben.To solve the problem, the method with the features of claim 1 and the air system with the features of claim 6 are proposed. Advantageous embodiments of the invention can be found in the respective dependent claims. Furthermore, a fuel cell system with an air system according to the invention is described.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Bei dem vorgeschlagenen Verfahren zum Betreiben eines Luftsystems wird einem Brennstoffzellenstapel über einen Zuluftpfad mit integriertem Luftverdichtersystem, das mindestens zwei Verdichtungsstufen umfasst, Luft zugeführt und die aus dem Brennstoffzellenstapel austretende Luft wird über einen Abluftpfad abgeführt und über einen den Abluftpfad mit dem Zuluftpfad verbindenden Rezirkulationspfad zumindest teilweise rezirkuliert, um die mit Hilfe des Luftverdichtersystems verdichtete Luft im Zuluftpfad zu kühlen und/oder zu befeuchten. Erfindungsgemäß wird bei einem Kalt- oder Gefrierstart mit Hilfe des Luftverdichtersystems verdichtete Luft aus dem Zuluftpfad über den Rezirkulationspfad in den Abluftpfad eingeleitet, um mindestens eine hierin angeordnete Komponente, insbesondere eine Turbine, zu erwärmen.In the proposed method for operating an air system, air is supplied to a fuel cell stack via a supply air path with an integrated air compressor system comprising at least two compression stages. The air exiting the fuel cell stack is discharged via an exhaust air path and at least partially recirculated via a recirculation path connecting the exhaust air path to the supply air path in order to cool and/or humidify the air compressed by the air compressor system in the supply air path. According to the invention, during a cold or freezing start, air compressed by the air compressor system from the supply air path is introduced into the exhaust air path via the recirculation path in order to heat at least one component arranged therein, in particular a turbine.

Bei einem Kalt- oder Gefrierstart wird demnach der Rezirkulationspfad in umgekehrter Richtung durchströmt, so dass keine Luft aus dem Abluftpfad in den Zuluftpfad, sondern Luft aus dem Zuluftpfad in den Abluftpfad eingeleitet wird. Mit anderen Worten wird der Rezirkulationspfad bidirektional betrieben. Im Normalbetrieb strömt die Luft vom Abluftpfad in den Zuluftpfad. Bei einem Kalt- oder Gefrierstart wird die Strömungsrichtung umgekehrt, so dass Luft aus dem Zuluftpfad in den Abluftpfad eingeleitet wird. Dies hat den Effekt, dass die Luft im Abluftpfad mit Hilfe der Luft im Zuluftpfad erwärmt wird, denn beim Verdichten erwärmt sich die Luft. Das heißt, dass die Luft stromabwärts mindestens einer Verdichtungsstufe des Luftverdichtungssystems aus dem Zuluftpfad abgezweigt wird. Dies ist aber zugleich die Voraussetzung dafür, im Normalbetrieb die über mindestens eine Verdichtungsstufe verdichtete Luft mit Hilfe der Luft aus dem Abluftpfad zu kühlen, so dass diese Voraussetzung gegeben ist.During a cold or freezing start, the recirculation path is traversed in the reverse direction, so that air from the supply air path is not introduced into the exhaust air path, but rather air from the supply air path is introduced into the exhaust air path. In other words, the recirculation path operates bidirectionally. Under normal operating conditions, air flows from the exhaust air path into the supply air path. During a cold or freezing start, the flow direction is reversed, so that air from the supply air path is introduced into the exhaust air path. This has the effect of warming the air in the exhaust air path with the help of the air in the supply air path, because air heats up during compression. This means that air is diverted from the supply air path downstream of at least one compression stage of the air compression system. This is also a prerequisite for cooling the air compressed by at least one compression stage using air from the exhaust air path during normal operation, thus fulfilling this requirement.

Mit dem Erwärmen der Luft im Abluftpfad kann bei einem Kalt- oder Gefrierstart ein gleichmäßiges Aufheizen des Luftsystems erzielt werden, so dass dieses schneller auf Betriebstemperatur gebracht werden kann. Damit verkürzt sich der Startvorgang. Dies gilt insbesondere, wenn in den Abluftpfad eine Turbine integriert ist, die mit einer Verdichtungsstufe des Luftverdichtungssystems gekoppelt ist. Denn dann kann zugleich die Turbine erwärmt werden. Dies ist insbesondere von Vorteil, da die Luft prinzipbedingt über die Turbine entspannt und damit abgekühlt wird. Durch Zuführen der erwärmten verdichteten Luft aus dem Zuluftpfad kann die Luftverdichter-Turbinen-Einheit gleichmäßig auf Betriebstemperatur gebracht werden. Zugleich steigt der Luftdurchsatz durch den Luftverdichter, was wiederum zu einer schnelleren Erwärmung des Gesamtsystems führt.By heating the air in the exhaust air path, a more even heating of the air system can be achieved during a cold or freezing start, allowing it to reach operating temperature more quickly. This shortens the start-up time. This process is particularly advantageous when a turbine is integrated into the exhaust air path and coupled to a compression stage of the air compression system. This allows the turbine to be heated simultaneously. This is especially beneficial because, by design, the air expands and thus cools as it passes through the turbine. By introducing the heated, compressed air from the supply air path, the air compressor-turbine unit can be brought up to operating temperature uniformly. At the same time, the airflow through the air compressor increases, which in turn leads to faster heating of the overall system.

In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass bei einem Kalt- oder Gefrierstart die mit Hilfe des Luftverdichtersystems verdichtete Luft zwischen zwei Verdichtungsstufen des Luftverdichtungssystems aus dem Zuluftpfad über den Rezirkulationspfad in den Abluftpfad eingeleitet wird. Das heißt, dass der Rezirkulationspfad zwischen zwei Verdichtungsstufen in den Zuluftpfad mündet. In dieser Anordnung wird die Förder- und Verdichterleistung mindestens einer Verdichtungsstufe genutzt, um die durch das Verdichten erwärmte Luft aus dem Zuluftpfad über den Rezirkulationspfad in den Abluftpfad zu fördern. Auch im Normalbetrieb des Luftsystems erweist sich diese Anordnung als vorteilhaft, da über die Luft aus dem Abluftpad, die zwischen zwei Verdichtungsstufen in den Zuluftpfad eingeleitet wird, eine Zwischenkühlung erzielt werden kann. Zugleich kann die Rezirkulation mit geringem Energieaufwand bewirkt werden, da die Verdichterleistung der mindestens einen vorgeschalteten Verdichtungsstufe nicht verloren geht. Es muss lediglich die Verdichterleistung der mindestens einen nachgeschalteten Verdichtungsstufe erneut aufgebracht werden.In a further development of the invention, it is proposed that during a cold or freezing start, the air compressed by the air compressor system between two compression stages of the air compression system is introduced from the supply air path into the exhaust air path via the recirculation path. This means that the recirculation path between two compression stages leads into the supply air path. In this arrangement, the conveying and compression capacity of at least one compression stage is used to convey the air heated by compression from the supply air path into the exhaust air path via the recirculation path. This arrangement also proves advantageous during normal operation of the air system, as intermediate cooling can be achieved via the air from the exhaust air pad, which is introduced into the supply air path between two compression stages. At the same time, recirculation can be achieved with low energy consumption, since the compressor capacity of the at least one upstream compression stage is not lost. Only the compressor capacity of the at least one downstream compression stage needs to be supplied again.

Sofern vorliegend von einer „vorgeschalteten“ oder „nachgeschalteten“ Verdichtungsstufe gesprochen wird, beziehen sich diese Angaben auf die zwischen zwei Verdichtungsstufen angeordnete Mündung des Rezirkulationspfads in den Zuluftpfad. Das heißt, dass eine stromaufwärts der Mündung im Zuluftpfad angeordnete Verdichtungsstufe vorgeschaltet und eine stromabwärts der Mündung im Zuluftpfad angeordnete Verdichtungsstufe nachgeschaltet ist.Where the term "upstream" or "downstream" compression stage is used, this refers to the point where the recirculation path opens into the supply air path between two compression stages. This means that a compression stage located upstream of the opening in the supply air path is considered upstream, and a compression stage located downstream of the opening in the supply air path is considered downstream.

Ferner bevorzugt wird bei einem Kalt- oder Gefrierstart der Verdichtungsanteil der mindestens einen nachgeschalteten Verdichtungsstufe an der Gesamtverdichtung reduziert. In der Folge erhöht sich der Verdichtungsanteil der der mindestens einen vorgeschalteten Verdichtungsstufe an der Gesamtverdichtung, was dazu führt, dass die Rezirkulation noch energieeffizienter betrieben werden kann. Mit Hilfe der Verdichterleistung der mindestens einen nachgeschalteten Verdichtungsstufe muss im Wesentlichen nur das Druckgefälle zwischen dem Druck am Brennstoffzellenstapelausgang und dem erforderlichen Druck am Brennstoffzellenstapeleingang überwunden werden.Furthermore, preferably, during a cold or freezing start, the compression ratio of the at least one downstream compression stage to the total compression is reduced. Consequently, the compression ratio of the at least one upstream compression stage to the total compression increases, resulting in even more energy-efficient recirculation. The compressor capacity of the at least one downstream compression stage essentially only needs to overcome the pressure differential between the pressure at the fuel cell stack outlet and the required pressure at the fuel cell stack inlet.

Beträgt beispielsweise der Druck am Brennstoffzellenstapeleingang 3,5 bar und der Druck am Brennstoffzellenstapelausgang 3,2 bar und der Druck im Bereich der Mündung des Rezirkulationspfads in den Zuluftpfad 2,5 bar, wird die über den Rezirkulationspfad rezirkulierte Luft um 0,7 bar gedrosselt und muss anschließend wieder um 1 bar verdichtet werden.For example, if the pressure at the fuel cell stack inlet is 3.5 bar and the pressure at the fuel cell stack outlet is 3.2 bar, and the pressure in the area of the recirculation path's outlet into the supply air path is 2.5 bar, the air recirculated via the recirculation path is throttled by 0.7 bar and must then be compressed again by 1 bar.

Die Reduzierung des Verdichtungsanteils einer Verdichtungsstufe an der Gesamtverdichtung setzt allerdings voraus, dass diese veränderbar ist. Dies kann dadurch ermöglicht werden, dass zumindest ein Verdichteraggregat einer Verdichtungsstufe eine entsprechende Stelleinrichtung aufweist.Reducing the compression ratio of one compression stage to the total compression requires that this ratio be adjustable. This can be achieved by having at least one compressor unit in a compression stage equipped with a corresponding adjustment device.

Weiterhin bevorzugt wird bei einem Kalt- oder Gefrierstart der Wirkungsgrad einer im Abluftpfad angeordneten Turbine abgesenkt. Die Turbine ist hierzu mit einem Verdichteraggregat einer Verdichtungsstufe gekoppelt. Die Absenkung der Wirkungsgrad der Turbine hat den Effekt, dass die über die Turbine geführte Luft weniger stark abgekühlt wird und sich die Turbine dadurch noch schneller erwärmt. Die Absenkung des Wirkungsgrads der Turbine kann beispielsweise durch Dissipation von Energie durch eine der Turbine vorgeschaltete Drosselklappe erzielt werden.Furthermore, it is preferable to reduce the efficiency of a turbine located in the exhaust air path during a cold or freezing start. For this purpose, the turbine is coupled to a compressor unit of a compression stage. Reducing the turbine's efficiency has the effect that the air passing over the turbine is cooled less, and the turbine therefore heats up even faster. The reduction in turbine efficiency can be achieved, for example, by dissipating energy through a throttle valve installed upstream of the turbine.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird über einen Bypasspfad mit integriertem Bypassventil Luft von der Druckseite auf die Saugseite der mindestens einen nachgeschalteten Verdichtungsstufe geführt. Auf diese Weise kann auch die mit Hilfe der mindestens einen nachgeschalteten Verdichtungsstufe verdichtete Luft zum Erwärmen der Luft im Abluftpfad genutzt werden. Das im Bypasspfad angeordnete Bypassventil wird vorzugsweise über die Temperatur gesteuert, so dass es selbsttätig öffnet und den Bypasspfad zumindest teilweise freigibt.According to a preferred embodiment of the invention, air is routed from the pressure side to the suction side of the at least one downstream compression stage via a bypass path with an integrated bypass valve. In this way, the air compressed by the at least one downstream compression stage can also be used to heat the air in the exhaust air path. The bypass valve arranged in the bypass path is preferably temperature-controlled, so that it opens automatically and at least partially releases the bypass path.

Des Weiteren wird ein Luftsystem für ein Brennstoffzellensystem vorgeschlagen. Das Luftsystem umfasst einen Zuluftpfad, über den einem Brennstoffzellenstapel Luft zuführbar ist, wobei in den Zuluftpfad ein mehrstufiges Luftverdichtungssystem integriert ist, das mindestens zwei Verdichtungsstufen aufweist. DAs Luftsystem umfasst ferner einen Abluftpfad, über den aus dem Brennstoffzellenstapel austretende Luft abführbar ist, sowie einen den Abluftpfad mit dem Zuluftpfad verbindenden Rezirkulationspfad. Erfindungsgemäß ist in den Abluftpfad mindestens eine Komponente, beispielsweise eine Turbine, integriert, und der Rezirkulationspfad zweigt stromaufwärts der mindestens einen Komponente vom Abluftpfad ab und mündet zwischen zwei Verdichtungsstufen des Luftverdichtungssystems in den Zuluftpfad.Furthermore, an air system for a fuel cell system is proposed. The air system comprises a supply air path through which air can be supplied to a fuel cell stack, wherein a multi-stage air compression system with at least two compression stages is integrated into the supply air path. The air system further comprises an exhaust air path through which air exiting the fuel cell stack can be discharged, as well as a recirculation path connecting the exhaust air path with the supply air path. According to the invention, at least one component, for example a turbine, is integrated into the exhaust air path, and the recirculation path The ion path branches off upstream of at least one component from the exhaust air path and flows into the supply air path between two compression stages of the air compression system.

Das vorgeschlagene Luftsystem ist insbesondere zur Durchführung des zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet bzw. nach diesem Verfahren betreibbar, so dass die gleichen Vorteile erzielbar sind. Das vorgeschlagene Luftsystem weist insbesondere eine verbesserte Kalt- und/oder Gefrierstartfähigkeit auf, da sich das System gleichmäßiger erwärmt. Sofern in den Abluftpfad eine Turbine zur Energierekuperation integriert wird, kann diese schneller auf Betriebstemperatur gebracht werden. Dies gilt insbesondere, da sich die Luft in der Turbine entspannt und abkühlt.The proposed air system is particularly suitable for carrying out the previously described method according to the invention, or can be operated according to this method, so that the same advantages can be achieved. The proposed air system exhibits, in particular, improved cold-start and/or freezing-start capability, since the system heats up more uniformly. If a turbine for energy recuperation is integrated into the exhaust air path, it can be brought up to operating temperature more quickly. This is especially true because the air expands and cools down in the turbine.

Bevorzugt ist in den Abluftpfad eine Drosselklappe integriert. Mit Hilfe der Drosselklappe kann zumindest ein Teil der beim Verdichten in die Luft eingebrachten Energie dissipiert werden, beispielsweise, um den Wirkungsgrad einer in den Abluftpfad angeordneten Turbine abzusenken. Denn dies hat den Effekt, dass sich die Luft in der Turbine weniger stark abkühlt. Die Drosselklappe ist daher bevorzugt stromaufwärts der Turbine in den Abluftpfad integriert.Preferably, a throttle valve is integrated into the exhaust air path. With the aid of the throttle valve, at least some of the energy introduced into the air during compression can be dissipated, for example, to reduce the efficiency of a turbine located in the exhaust air path. This has the effect of reducing the cooling of the air in the turbine. The throttle valve is therefore preferably integrated into the exhaust air path upstream of the turbine.

Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass das Luftverdichtersystem eine Stelleinrichtung zur variablen Aufteilung der Gesamtverdichterleistung auf die mindestens zwei Verdichtungsstufen aufweist. Auf diese Weise kann bei einem Kalt- und/oder Gefrierstart der Verdichteranteil der mindestens einen nachgeschalteten Verdichtungsstufe reduziert werden. Damit erhöht sich der Verdichteranteil der mindestens einen vorgeschalteten Verdichtungsstufe, so dass die über den Rezirkulationspfad in den Abluftpfad eingeleitete Luft stärker verdichtet und erwärmt ist.Furthermore, it is proposed that the air compressor system include an actuator for variably distributing the total compressor output across the at least two compression stages. This allows the compressor output of the at least one downstream compression stage to be reduced during a cold and/or freezing start. This increases the compressor output of the at least one upstream compression stage, resulting in the air introduced into the exhaust air path via the recirculation path being more highly compressed and heated.

Ferner bevorzugt ist die mindestens eine nachgeschaltete Verdichtungsstufe über einen Bypasspfad mit integriertem Bypassventil umgehbar. Bei einem Kalt- und/oder Gefrierstart kann auf diese Weise verdichtete und erwärmte Luft von der Druckseite auf die Saugseite der mindestens einen nachgeschalteten Verdichtungsstufe geführt werden, die dann ebenfalls über den Rezirkulationspfad in den Abluftpfad gelangt. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung zweigt der Bypasspfad von der Rezirkulationsleitung ab.Furthermore, preferably, the at least one downstream compression stage can be bypassed via a bypass path with an integrated bypass valve. In the event of a cold and/or freezing start, compressed and heated air can thus be routed from the pressure side to the suction side of the at least one downstream compression stage, which then also enters the exhaust air path via the recirculation path. According to a preferred embodiment of the invention, the bypass path branches off from the recirculation line.

Da der bevorzugte Anwendungsbereich eines erfindungsgemäßen Luftsystems ein Brennstoffzellensystem ist, wird ferner ein Brennstoffzellensystem mit einem Brennstoffzellenstapel und einem erfindungsgemäßen Luftsystem zur Versorgung des Brennstoffzellenstapels mit Luft vorgeschlagen. Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Luftsystems kann die Kalt- und/oder Gefrierstartfähigkeit des Brennstoffzellensystems verbessert werden.Since the preferred application of an air system according to the invention is a fuel cell system, a fuel cell system comprising a fuel cell stack and an air system according to the invention for supplying the fuel cell stack with air is further proposed. The cold-start and/or freezing-start capability of the fuel cell system can be improved with the aid of the air system according to the invention.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Diese zeigt eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Luftsystems.A preferred embodiment of the invention is explained in more detail below with reference to the accompanying drawing. This shows a schematic representation of an air system according to the invention.

Ausführliche Beschreibung der ZeichnungDetailed description of the drawing

Das in der Figur beispielhaft dargestellte erfindungsgemäße Luftsystem 1 dient der Versorgung eines Brennstoffzellenstapels 2 mit Luft. Die Luft wird der Umgebung entnommen und dem Brennstoffzellenstapel 2 über einen Zuluftpfad 3 des Luftsystems 1 zugeführt. Aus dem Brennstoffzellenstapel 2 austretende Luft bzw. Abluft wird über einen Abluftpfad 5 des Luftsystems 1 abgeführt.The air system 1 according to the invention, illustrated by way of example in the figure, serves to supply a fuel cell stack 2 with air. The air is taken from the environment and supplied to the fuel cell stack 2 via an air supply path 3 of the air system 1. Air exiting the fuel cell stack 2, or exhaust air, is discharged via an exhaust air path 5 of the air system 1.

Die der Umgebung entnommene Luft wird mit Hilfe eines in den Zuluftpfad 3 integrierten mehrstufigen Luftverdichtersystems 4, das vorliegend eine erste Verdichtungsstufe 4.1 und eine zweite Verdichtungsstufe 4.2 umfasst, verdichtet. Die erste Verdichtungsstufe 4.1 ist mit einer im Abluftpfad 5 angeordneten Turbine 7 gekoppelt, so dass hierüber ein Teil der zum Verdichten eingesetzten Energie rekuperiert wird. Da sich die Luft beim Verdichten stark erwärmt, ist stromabwärts des Luftverdichtersystems 4 ein Kühler 11 in den Zuluftpfad 3 integriert.The ambient air is compressed by means of a multi-stage air compressor system 4 integrated into the supply air path 3, which in this case comprises a first compression stage 4.1 and a second compression stage 4.2. The first compression stage 4.1 is coupled to a turbine 7 located in the exhaust air path 5, so that some of the energy used for compression is recovered. Since the air heats up considerably during compression, a cooler 11 is integrated into the supply air path 3 downstream of the air compressor system 4.

Der Zuluftpfad 3 und der Abluftpfad 5 sind über einen Rezirkulationspfad 6 verbunden, der stromaufwärts der Turbine 7 sowie einer der Turbine 7 vorgeschalteten Drosselklappe 10 vom Abluftpfad 5 abzweigt und zwischen den beiden Verdichtungsstufen 4.1, 4.2 in den Zuluftpfad 3 mündet. Im Normalbetrieb des Luftsystems 1 kann mit Hilfe der über den Rezirkulationspfad 6 in den Zuluftpfad 3 eingeleiteten Luft eine Zwischenkühlung erzielt werden. Bei einem Kalt- und/oder Gefrierstart kann die Strömungsrichtung im Rezirkulationspfad 6 umgekehrt werden und die mit Hilfe der ersten Verdichtungsstufe 4.1 verdichtet und erwärmte Luft zum Erwärmen der Turbine 7 genutzt werden. Mit Hilfe der vorgeschalteten Drosselklappe 10 kann ein Teil der beim Verdichten in die Luft eingebrachten Energie dissipiert werden, so dass der Wirkungsgrad der Turbine 7 abgesenkt wird. Dies hat den Vorteil, dass die Luft in der Turbine 7 weniger stark abkühlt. Über einen Bypasspfad 8 mit integriertem Bypassventil 9 kann zudem verdichtete und erwärmte Luft von der Druckseite auf die Saugseite der zweiten Verdichtungsstufe 4.2 und damit in den Rezirkulationspfad 6 geführt werden, so dass sich die Turbine 7 noch schneller erwärmt.The supply air path 3 and the exhaust air path 5 are connected via a recirculation path 6, which branches off from the exhaust air path 5 upstream of the turbine 7 and a throttle valve 10 located upstream of the turbine 7, and flows into the supply air path 3 between the two compression stages 4.1 and 4.2. During normal operation of the air system 1, the air introduced into the supply air path 3 via the recirculation path 6 can be used for intermediate cooling. During a cold and/or freezing start, the flow direction in the recirculation path 6 can be reversed, and the air compressed and heated by the first compression stage 4.1 can be used to heat the turbine 7. The upstream throttle valve 10 allows some of the energy introduced into the air during compression to be dissipated, thus reducing the efficiency of the turbine 7. This has the advantage of reducing the cooling of the air in the turbine 7. In addition, compressed and heated air can be directed from the pressure side to the suction side of the second compression stage 4.2 and thus into the recirculation path 6 via a bypass path 8 with integrated bypass valve 9, so that the turbine 7 heats up even faster.

Claims (10)

Verfahren zum Betreiben eines Luftsystems (1), bei dem einem Brennstoffzellenstapel (2) über einen Zuluftpfad (3) mit integriertem Luftverdichtersystem (4), das mindestens zwei Verdichtungsstufen (4.1, 4.2) umfasst, Luft zugeführt wird und die aus dem Brennstoffzellenstapel (2) austretende Luft über einen Abluftpfad (5) abgeführt und über einen den Abluftpfad (5) mit dem Zuluftpfad (3) verbindenden Rezirkulationspfad (6) zumindest teilweise rezirkuliert wird, um die mit Hilfe des Luftverdichtersystems (4) verdichtete Luft im Zuluftpfad (3) zu kühlen und/oder zu befeuchten, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Kalt- oder Gefrierstart mit Hilfe des Luftverdichtersystems (4) verdichtete Luft aus dem Zuluftpfad (3) über den Rezirkulationspfad (5) in den Abluftpfad (5) eingeleitet wird, um mindestens eine hierin angeordnete Komponente, insbesondere eine Turbine (7), zu erwärmen.Method for operating an air system (1) in which air is supplied to a fuel cell stack (2) via a supply air path (3) with an integrated air compressor system (4) comprising at least two compression stages (4.1, 4.2) and the air exiting the fuel cell stack (2) is discharged via an exhaust air path (5) and at least partially recirculated via a recirculation path (6) connecting the exhaust air path (5) with the supply air path (3) in order to cool and/or humidify the air compressed by the air compressor system (4) in the supply air path (3), characterized in that, during a cold or freezing start, air compressed by the air compressor system (4) from the supply air path (3) is introduced into the exhaust air path (5) via the recirculation path (5) in order to heat at least one component arranged therein, in particular a turbine (7). Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Kalt- oder Gefrierstart die mit Hilfe des Luftverdichtersystems (4) verdichtete Luft zwischen zwei Verdichtungsstufen (4.1, 4.2) des Luftverdichtungssystems (4) aus dem Zuluftpfad (3) über den Rezirkulationspfad (5) in den Abluftpfad (5) eingeleitet wird.Procedure according to Claim 1 , characterized in that , in the event of a cold or freezing start, the air compressed by means of the air compressor system (4) is introduced between two compression stages (4.1, 4.2) of the air compression system (4) from the supply air path (3) via the recirculation path (5) into the exhaust air path (5). Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Kalt- oder Gefrierstart der Verdichtungsanteil der mindestens einen nachgeschalteten Verdichtungsstufe (4.2) an der Gesamtverdichtung reduziert wird.Procedure according to Claim 1 or 2 , characterized in that, in the event of a cold or freezing start, the compaction component of the at least one downstream compaction stage (4.2) is reduced in relation to the total compaction. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Kalt- oder Gefrierstart der Wirkungsgrad einer im Abluftpfad (5) angeordneten Turbine (7) abgesenkt wird, beispielsweise durch Dissipation von Energie durch eine der Turbine (7) vorgeschaltete Drosselklappe (10).Method according to one of the preceding claims, characterized in that in the event of a cold or freezing start the efficiency of a turbine (7) arranged in the exhaust air path (5) is reduced, for example by dissipation of energy through a throttle valve (10) upstream of the turbine (7). Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass über einen Bypasspfad (8) mit integriertem Bypassventil (9) Luft von der Druckseite auf die Saugseite der mindestens einen nachgeschalteten Verdichtungsstufe (4.2) geführt wird, wobei vorzugsweise das Bypassventil (9) über die Temperatur gesteuert wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that air is guided from the pressure side to the suction side of the at least one downstream compression stage (4.2) via a bypass path (8) with integrated bypass valve (9), wherein the bypass valve (9) is preferably controlled via the temperature. Luftsystem (1) für ein Brennstoffzellensystem, umfassend einen Zuluftpfad (3), über den einem Brennstoffzellenstapel (2) Luft zuführbar ist, wobei in den Zuluftpfad (3) ein mehrstufiges Luftverdichtungssystem (4) integriert ist, das mindestens zwei Verdichtungsstufen (4.1, 4.2) aufweist, ferner umfassend einen Abluftpfad (5), über den aus dem Brennstoffzellenstapel (2) austretende Luft abführbar ist, sowie einen den Abluftpfad (5) mit dem Zuluftpfad (3) verbindenden Rezirkulationspfad (6), dadurch gekennzeichnet, dass in den Abluftpfad (3) mindestens eine Komponente, beispielsweise eine Turbine (7), integriert ist, und der Rezirkulationspfad (6) stromaufwärts der mindestens einen Komponente vom Abluftpfad (5) abzweigt und zwischen zwei Verdichtungsstufen (4.1, 4.2) des Luftverdichtungssystems (4) in den Zuluftpfad (3) mündet.Air system (1) for a fuel cell system, comprising an air supply path (3) through which air can be supplied to a fuel cell stack (2), wherein a multi-stage air compression system (4) is integrated into the air supply path (3), which has at least two compression stages (4.1, 4.2), further comprising an exhaust air path (5) through which air exiting the fuel cell stack (2) can be discharged, and a recirculation path (6) connecting the exhaust air path (5) with the air supply path (3), characterized in that at least one component, for example a turbine (7), is integrated into the exhaust air path (3), and the recirculation path (6) branches off upstream of the at least one component from the exhaust air path (5) and opens into the air supply path (3) between two compression stages (4.1, 4.2) of the air compression system (4). Luftsystem (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass in den Abluftpfad (5) eine Drosselklappe (10) integriert ist, vorzugsweise stromaufwärts der Turbine (7).Air system (1) according to Claim 6 , characterized in that a throttle valve (10) is integrated into the exhaust air path (5), preferably upstream of the turbine (7). Luftsystem (1) nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Luftverdichtersystem (4) eine Stelleinrichtung zur variablen Aufteilung der Gesamtverdichterleistung auf die mindestens zwei Verdichtungsstufen (4.1, 4.2) aufweist.Air system (1) according to Claim 6 or 7 , characterized in that the air compressor system (4) has an actuating device for variably distributing the total compressor power to the at least two compression stages (4.1, 4.2). Luftsystem (1) nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine nachgeschaltete Verdichtungsstufe (4.2) über einen Bypasspfad (8) mit integriertem Bypassventil (9) umgehbar ist, wobei vorzugsweise der Bypasspfad (8) von der Rezirkulationsleitung (6) abzweigt.Air system (1) according to one of the Claims 6 until 8 , characterized in that the at least one downstream compression stage (4.2) can be bypassed via a bypass path (8) with integrated bypass valve (9), wherein preferably the bypass path (8) branches off from the recirculation line (6). Brennstoffzellensystem mit einem Brennstoffzellenstapel (2) und einem Luftsystem (1) nach einem der Ansprüche 6 bis 9 zur Versorgung des Brennstoffzellenstapels (2) mit Luft.Fuel cell system with a fuel cell stack (2) and an air system (1) according to one of the Claims 6 until 9 to supply the fuel cell stack (2) with air.
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