DE10152311A1

DE10152311A1 - Fuel cell system, especially for vehicle, has fuel cell exhaust gas water recovery device with heat exchanger for achieving heat transfer between 2 different temperature cell exhaust gas flows

Info

Publication number: DE10152311A1
Application number: DE10152311A
Authority: DE
Inventors: Rene Van Doorn; Jens Arik Almkermann; Immanuel Kutschera
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2001-10-26
Filing date: 2001-10-26
Publication date: 2003-05-15
Also published as: WO2003052853A3; WO2003052853A2

Abstract

The fuel cell system has a fuel cell exhaust gas water recovery device (12) with a fuel cell exhaust gas heat exchanger (14) for achieving heat transfer between two fuel cell exhaust gas flows (16,18) at different temperatures and a second fuel cell exhaust gas heat exchanger (20) for heat transfer between a fuel cell exhaust gas flow and a coolant (24).

Description

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, mit einer Brennstoffzellenabgas-Wasserrückgewinnungseinrichtung, gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1. The invention relates to a fuel cell system, in particular a motor vehicle a fuel cell exhaust gas water recovery device, according to the preamble of Claim 1.

Brennstoffzellensysteme der eingangs genannten Art sind bereits bekannt. Dabei ist bei derartigen Systemen eine hinreichende Wasserversorgung sicherzustellen. Bei Einsatz von Polymerelektrolyt-Membranen sind selbige zur Gewährleistung eines korrekten Protonenleitmechanismus mit Wasser zu befeuchten. Ferner kann ein Bedarf an Wasserdampf zur Kraftstoffreformierung auftreten, falls zum Betreiben des Brennstoffzellensystems nicht reiner Wasserstoff sondern Kohlenwasserstoffe eingesetzt werden. Dabei ist in bekannter Weise eine Brennstoffzellenabgas-Wasserrückgewinnungseinrichtung vorgesehen, um einen möglichst geschlossenen Wasserhaushalt im Brennstoffzellensystem während dessen Betrieb sicherstellen zu können, so dass hierzu auf zusätzliche Wasserspeicher zur Gewährleistung einer hinreichenden Wasserversorgung verzichtet werden kann. Dabei erfolgt die Wasserrückgewinnung aus einem praktisch schadstofffreien Brennstoffzellenabgas, das im Wesentlichen aus N₂, O₂, H₂O und im Reformatbetrieb zusätzlich aus CO₂ besteht. Ferner weist der aus der Brennstoffzelleneinheit austretende Brennstoffzellenabgasstrom ein oberhalb des Umgebungsdrucks (Atmosphärendruck) liegendes Druckniveau auf. Ein Nachteil der bekannten Brennstoffzellensysteme ist, dass die Wasserrückgewinnung mit einer Einrichtung erfolgt, die einen verhältnismäßig ungünstigen Wirkungsgrad aufweist. Fuel cell systems of the type mentioned are already known. A sufficient water supply must be ensured in such systems. When using polymer electrolyte membranes, they must be moistened with water to ensure a correct proton guide mechanism. There may also be a need for water vapor for fuel reforming if the fuel cell system used is not pure hydrogen, but hydrocarbons. In this case, a fuel cell exhaust gas water recovery device is provided in a known manner in order to be able to ensure that the water balance in the fuel cell system is as closed as possible during its operation, so that additional water reservoirs to ensure an adequate water supply can be dispensed with. The water is recovered from a practically pollutant-free fuel cell exhaust gas, which essentially consists of N ₂ , O ₂ , H ₂ O and, in reformate mode, additionally of CO ₂ . Furthermore, the fuel cell exhaust gas stream emerging from the fuel cell unit has a pressure level which is above the ambient pressure (atmospheric pressure). A disadvantage of the known fuel cell systems is that the water is recovered using a device that has a relatively unfavorable efficiency.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Brennstoffzellensystem der eingangs genannten Art zu schaffen, das im Vergleich zu traditionellen Brennstoffzellensystemen eine wirkungsgradgünstigere und effektivere Wasserrückgewinnung aus dem Brennstoffzellenabgas erlaubt. It is an object of the invention to provide a fuel cell system of the type mentioned create that in comparison to traditional fuel cell systems more efficient and effective water recovery from the fuel cell exhaust gas allowed.

Zur Lösung der Aufgabe wird ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen, das sich dadurch auszeichnet, dass die Wasserrückgewinnungseinrichtung einen Brennstoffzellenabgas-Wärmetauscher aufweist zur Erzielung eines Wärmeübergangs zwischen zwei Brennstoffzellenabgasströmen unterschiedlicher Temperatur. Mittels eines derartigen Wärmetauschers ist es gegebenenfalls in Kombination mit weiteren Kühleinrichtungen möglich, eine im Vergleich zu traditionellen Lösungen wirkungsgradgünstigere und effektivere Wasserrückgewinnung im Brennstoffzellensystem zu erzielen. Hierzu kann ein und derselbe Brennstoffzellenabgasstrom genutzt werden, der bei erstmaligem Eintritt in den Wärmetauscher eine verhältnismäßig hohe Betriebstemperatur aufweist und bei nachfolgender Rückführung in selbigen eine möglichst niedrige Betriebstemperatur aufweist. Zur Erzielung der erwünschten Temperaturdifferenz des den Wärmetauscher durchsetzenden Brennstoffzellenabgases wird selbiges mittels geeigneter Einrichtungen im Rückführstrang einer die Brennstoffzellenabgas- Betriebstemperatur absenkenden Behandlung unterzogen. To solve the problem, a fuel cell system with the features of Claim 1 proposed, which is characterized in that the Water recovery device has a fuel cell exhaust gas heat exchanger for achieving a heat transfer between two fuel cell exhaust gas streams different Temperature. By means of such a heat exchanger it is possibly in Combination with other cooling devices possible, one compared to traditional solutions more efficient and effective water recovery in the Achieve fuel cell system. One and the same fuel cell exhaust gas flow can be used for this be, which is a relatively high when entering the heat exchanger for the first time Operating temperature and if possible a subsequent return in the same has low operating temperature. To achieve the desired The temperature difference of the fuel cell exhaust gas passing through the heat exchanger becomes the same by means of suitable devices in the return line of the fuel cell exhaust gas Treated operating temperature reducing treatment.

Mit Vorteil weist die Wasserrückgewinnungseinrichtung einen zweiten Brennstoffzellenabgas-Wärmetauscher auf zur Erzielung eines Wärmeübergangs zwischen einem Brennstoffzellengasstrom und einem Kühlmittel. Hierbei wird unter Kühlmittel ein beliebiges Medium verstanden, das zu einer Kühlung des Brennstoffzellenabgasstroms geeignet ist, jedoch nicht durch den zu kühlenden Brennstoffzellenabgasstrom gebildet wird. Bei dem Kühlmittel kann es sich beispielsweise um ein Gemisch aus Wasser und Glykol, zum Beispiel G12 handeln. Somit unterscheidet sich der zweite Wärmetauscher vom ersten Wärmetauscher dadurch, dass beim zweiten Wärmetauscher ein vom Brennstoffzellenabgas unabhängiger Kühlmaterialstrom zur Wasserrückgewinnung genutzt wird, während der erste Wärmetauscher ein und denselben Brennstoffzellenabgasstrom auf unterschiedlichen Temperaturniveaus zum gleichen Zweck nutzt. The water recovery device advantageously has a second one Fuel cell exhaust gas heat exchanger to achieve heat transfer between one Fuel cell gas flow and a coolant. Here, any coolant is used Understood medium that is suitable for cooling the fuel cell exhaust gas stream, but is not formed by the fuel cell exhaust gas stream to be cooled. In which Coolant can be a mixture of water and glycol, for example Act example G12. The second heat exchanger thus differs from the first Heat exchanger in that a second from the Fuel cell exhaust gas independent coolant flow is used for water recovery while the first heat exchanger on one and the same fuel cell exhaust gas flow uses different temperature levels for the same purpose.

Entsprechend einer bevorzugten Ausführungsform sind der erste und der zweite Brennstoffzellenabgas-Wärmetauscher zueinander in Reihe geschaltet. Hierbei wird der vollständige Brennstoffzellenabgasstrom zwei voneinander unabhängigen Wärmetauschern zur sukzessiven Kühlung zugeführt. Alternativ ist auch eine Parallelschaltung des ersten und des zweiten Brennstoffzellenabgas-Wärmetauschers denkbar, wobei beispielsweise zwei Teilströme des Brennstoffzellenabgases durch jeweils einen zugehörigen Wärmetauscher zu deren Kühlung geleitet werden können. Darüber hinaus ist auch eine Kombination an Reihen- und Parallelschaltung der genannten zwei Wärmetauscherarten denkbar. Mittels einer teilweisen oder vollständigen Parallelschaltung der zwei Wärmetauscher ist eine flexible Brennstoffzellenabgaskühlung und somit eine effektive Wasserrückgewinnung im Brennstoffzellensystem möglich. According to a preferred embodiment, the first and second Fuel cell exhaust gas heat exchangers connected in series to one another. Here, the complete fuel cell exhaust gas flow two independent heat exchangers fed for successive cooling. Alternatively, a parallel connection of the first is also possible and the second fuel cell exhaust gas heat exchanger conceivable, for example two partial flows of the fuel cell exhaust gas, each with an associated one Heat exchangers can be directed to their cooling. In addition, there is also one Combination of series and parallel connection of the two types of heat exchangers mentioned conceivable. By means of a partial or complete parallel connection of the two heat exchangers is a flexible fuel cell exhaust gas cooling and therefore an effective one Water recovery possible in the fuel cell system.

Der erste Brennstoffzellenabgas-Wärmetauscher kann in Abgasströmungsrichtung gesehen dem zweiten Brennstoffzellenabgas-Wärmetauscher vorgeschaltet oder nachgeschaltet sein. Dabei handelt es sich bei beiden Anordnungen um eine Reihenschaltung der zwei Wärmetauscher. Mittels geeigneter Anordnung der zwei Wärmetauscher zueinander kann gegebenenfalls ein betriebsoptimierter Gesamtwirkungsgrad bei der Wasserrückgewinnung im Brennstoffzellensystem erzielt werden. Die Auslegung der zwei Wärmetauscher kann dabei auch von deren Anordnung zueinander im Brennstoffzellensystem abhängen. The first fuel cell exhaust gas heat exchanger can be in the exhaust gas flow direction seen upstream of the second fuel cell exhaust gas heat exchanger or downstream. Both arrangements are connected in series of the two heat exchangers. By means of a suitable arrangement of the two heat exchangers to each other, an overall efficiency that is optimized for operation can be used Water recovery can be achieved in the fuel cell system. The interpretation of the two The heat exchanger can also be arranged in relation to one another Detach fuel cell system.

Vorteilhafterweise ist dem ersten Brennstoffzellenabgas-Wärmetauscher oder dem zweiten Brennstoffzellenabgas-Wärmetauscher ein Kondensatabscheider nachgeschaltet. Aufgrund der optimierten Brennstoffzellenabgaskühlung lässt sich mittels eines Kondensatabscheiders eine effektive und verhältnismäßig einfache Wasserrückgewinnung im Brennstoffzellensystem vorzugsweise zur Realisierung eines geschlossenen Wasserhaushalts erzielen. The first fuel cell exhaust gas heat exchanger or the downstream of a second fuel cell exhaust gas heat exchanger, a condensate separator. Due to the optimized fuel cell exhaust gas cooling, a Condensate separator an effective and relatively easy water recovery in the Fuel cell system preferably to implement a closed Achieve water balance.

Entsprechend einer möglichen Ausführungsform ist dem Kondensatabscheider ein Brennstoffzellenabgas-Expander unter Ausnutzung einer mechanischen Leistung nachgeschaltet. Dabei dient ein derartiger Expander zu einer weiteren Temperaturerniedrigung des selbigen durchsetzenden Brennstoffzellenabgases, das anschließend nach Erreichen einer verhältnismäßig niedrigen Betriebstemperatur dem ersten Wärmetauscher zugeführt wird zur Erzielung eines erwünschten Wärmeübergangs zwischen den zwei in Wirkkontakt tretenden Brennstoffzellenabgasströmen unterschiedlicher Temperatur. Da Brennstoffzellensysteme bei verhältnismäßig hohen Betriebsdrücken arbeiten, kann ein derart eingesetzter Expander auch zur Zurückgewinnung der im Brennstoffzellenabgas enthaltenen Kompressionsenergie dienen. According to a possible embodiment, the condensate separator is on Fuel cell exhaust gas expander using mechanical power downstream. Such an expander is used for another Lowering the temperature of the penetrating fuel cell exhaust gas, which then follows Reaching a relatively low operating temperature the first Heat exchanger is supplied to achieve a desired heat transfer between the two fuel cell exhaust gas streams coming into active contact are different Temperature. Since fuel cell systems operate at relatively high operating pressures, an expander used in this way can also be used to recover the Compression energy contained in fuel cell exhaust gas are used.

Entsprechend einer weiteren, alternativen Ausführungsform ist dem Kondensatabscheider eine Brennstoffzellenabgas-Drossel insbesondere in Form eines Druckhalteventils nachgeschaltet. Auch wenn bei Einsatz einer derartigen Drossel gegebenenfalls im Vergleich zu einem Expander eine geringere Brennstoffzellenabgaskühlung aufgrund sich einstellender Reibungseffekte erzielbar ist, mit einer daraus resultierenden geringeren Effektivität des ersten Wärmetauschers aufgrund der geringeren Temperaturdifferenz der zwei selbigen durchsetzenden Brennstoffzellenabgasströme, kann mittels Einsatz einer Drossel anstelle eines Expanders eine kompaktere Ausgestaltung und eine flexiblere Druckregelung des Brennstoffzellenabgases realisiert werden. According to a further alternative embodiment, the Condensate separator a fuel cell exhaust gas throttle in particular in the form of a pressure control valve downstream. Even if, when using such a choke, possibly in Compared to an expander, a lower fuel cell exhaust gas cooling due to itself adjusting friction effects can be achieved, with a resulting lower Effectiveness of the first heat exchanger due to the lower temperature difference two of the same penetrating fuel cell exhaust gas flows can be achieved by using one Throttle instead of an expander a more compact design and a more flexible Pressure control of the fuel cell exhaust gas can be realized.

Gegebenenfalls kann dem Brennstoffzellenabgas-Expander oder -Drossel ein zweiter Kondensatabscheider nachgeschaltet sein. Hierdurch wird eine praktisch maximal mögliche Wasserrückgewinnung im Brennstoffzellensystem gewährleistet. If necessary, the fuel cell exhaust gas expander or throttle can be a second Condensate trap must be connected. This is a practically maximum possible water recovery in the fuel cell system guaranteed.

Ferner ist es möglich, dass dem ersten Brennstoffzellenabgas-Wärmetauscher oder dem zweiten Brennstoffzellenabgas-Wärmetauscher ein Brennstoffzellenabgas-Expander oder eine Brennstoffzellenabgas-Drossel nachgeschaltet ist, wobei der Expander oder die Drossel an ihrer jeweiligen Brennstoffzellenabgas-Austrittsseite mit einem Kondensatabscheider verbunden ist. Bei dieser alternativen Ausführungsform erfolgt somit eine einzige Kondensatabscheidung im Brennstoffzellensystem im Anschluss an eine besonders effektive Brennstoffzellenabgaskühlung. Furthermore, it is possible for the first fuel cell exhaust gas heat exchanger or the second fuel cell exhaust gas heat exchanger, a fuel cell exhaust gas expander or a fuel cell exhaust gas throttle is connected downstream, the expander or the Throttle on their respective fuel cell exhaust side with a Condensate trap is connected. In this alternative embodiment there is therefore a only condensate separation in the fuel cell system following a special one effective fuel cell exhaust gas cooling.

Vorzugsweise ist die Brennstoffzellenabgas-Drossel mittels einer Brennstoffzellenabgaswärme abgebenden Zuführleitung mit dem ersten Wärmetauscher verbunden. Mitteis einer derartigen, weiteren Temperaturabnahme des in den ersten Wärmetauscher zurückzuführenden Brennstoffzellenabgases kann der Wirkungsgrad des ersten Wärmetauschers bei Einsatz einer eine verhältnismäßig niedrige Kühlleistung aufweisenden Drossel verbessert werden. Gegebenenfalls kann eine derartige Zuführleitung auch bei Einsatz eines Expanders in Abhängigkeit der Temperaturdifferenz zwischen dem sich in der Zuführleitung befindenden Brennstoffzellenabgas und der Umgebungsluft sinnvoll sein. Für den Fall allerdings, dass das Brennstoffzellenabgas in der Zuführleitung kälter als die Umgebungsluft ist, wird der Einsatz einer wärmeisolierten Zuführleitung bevorzugt, so dass eine nicht erwünschte Erwärmung des Brennstoffzellenabgases vor Wiedereintritt in den ersten Wärmetauscher wenigstens begrenzt werden kann. The fuel cell exhaust gas throttle is preferably by means of a Fuel cell exhaust gas heat supply line connected to the first heat exchanger. Mitteis such a further decrease in the temperature of the first heat exchanger fuel cell exhaust gas to be recycled can be the efficiency of the first Heat exchanger when using a relatively low cooling capacity Throttle can be improved. If necessary, such a feed line can also be used Use of an expander depending on the temperature difference between the the fuel cell exhaust gas and the ambient air his. In the event, however, that the fuel cell exhaust gas in the supply line is colder than the ambient air, the use of a heat insulated supply line is preferred, so that an undesirable heating of the fuel cell exhaust gas occurs Re-entry into the first heat exchanger can at least be limited.

Mit Vorteil enthält der im ersten Wärmetauscher zu kühlende Brennstoffzellenabgasstrom unmittelbar aus der Brennstoffzelleneinrichtung strömendes Abgas und der sich erwärmende Brennstoffzellenabgasstrom gekühltes Abgas der Brennstoffzelleneinrichtung. Dies ermöglicht eine wirkungsgradgünstige Wasserrückgewinnung im Brennstoffzellensystem zur Realisierung eines möglichst geschlossenen Wasserhaushalts in selbigem. The fuel cell exhaust gas stream to be cooled advantageously contains in the first heat exchanger Exhaust gas flowing directly from the fuel cell device and the heating fuel cell exhaust gas stream cooled exhaust gas of the fuel cell device. This enables efficient water recovery in the Fuel cell system for realizing a closed water balance in the same.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung. Further advantageous embodiments of the invention result from the description.

Die Erfindung wird nachfolgend in zwei Ausführungsbeispielen anhand einer zugehörigen Zeichnung näher erläutert. Es zeigen: The invention is described in two exemplary embodiments based on an associated one Drawing explained in more detail. Show it:

Fig. 1 ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem entsprechend einer ersten Ausführungsform anhand eines Blockschaltbildes und Fig. 1 shows a fuel cell system according to the invention according to a first embodiment based on a block diagram and

Fig. 2 ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem einer zweiten, alternativen Ausführungsform anhand eines Blockschaltbildes. Fig. 2 shows a fuel cell system according to the invention of a second, alternative embodiment based on a block diagram.

Fig. 1 zeigt in schematischer Darstellung ein erstes Ausführungsbeispiel eines allgemein mit 10 bezeichneten Brennstoffzellensystems. Das Brennstoffzellensystem 10 enthält eine Brennstoffzelleneinrichtung 11 und eine allgemein mit 12 bezeichnete Brennstoffzellenabgas-Wasserrückgewinnungseinrichtung. Die Wasserrückgewinnungseinrichtung 12 enthält einen Brennstoffzellenabgas-Wärmetauscher 14, welcher auf der Abgasseite der Brennstoffzelleneinrichtung 11 mittels einer Zuführleitung (Pfeil 16) mit selbiger verbunden ist. Vom Wärmetauscher 14 (erster Wärmetauscher) führt eine Zuführleitung (Pfeil 22) zu einem zweiten Brennstoffzellenabgas-Wärmetauscher 20, der mittels einer Zuführleitung (Pfeil 25) mit einem Kondensatabscheider 26 verbunden ist. Der Kondensatabscheider 26 ist austrittsseitig mittels einer Zuführleitung (Pfeil 27) mit einem Brennstoffzellenabgas-Expander 28 verbunden, von welchem eine Zuführleitung 35 zu dem ersten Wärmetauscher 14 führt. Der Brennstoffzellenabgasstrom wird anschließend vom ersten Wärmetauscher 14 gemäß Pfeil 19 im Brennstoffzellensystem 10 weitergeleitet. Fig. 1 shows a first embodiment of a fuel cell system, indicated generally at 10 in schematic representation. The fuel cell system 10 includes a fuel cell device 11 and a fuel cell exhaust gas water recovery device, generally designated 12. The water recovery device 12 contains a fuel cell exhaust gas heat exchanger 14 , which is connected to the same on the exhaust side of the fuel cell device 11 by means of a feed line (arrow 16 ). A supply line (arrow 22 ) leads from the heat exchanger 14 (first heat exchanger) to a second fuel cell exhaust gas heat exchanger 20 which is connected to a condensate separator 26 by means of a supply line (arrow 25 ). The condensate separator 26 is connected on the outlet side by means of a feed line (arrow 27 ) to a fuel cell exhaust gas expander 28 , from which a feed line 35 leads to the first heat exchanger 14 . The fuel cell exhaust gas flow is then passed on from the first heat exchanger 14 according to arrow 19 in the fuel cell system 10 .

Das Brennstoffzellensystem 10 gemäß Fig. 1 weist zwei voneinander unterschiedliche Wärmetauscher 14, 20 zur Kühlung von aus der Brennstoffzelleneinrichtung 11 austretendem Brennstoffzellenabgas auf. Dabei dient der erste Wärmetauscher 14 zur Erzielung eines Wärmeübergangs zwischen zwei Brennstoffzellenabgasströmen (Pfeile 16, 18), welche Brennstoffzellenabgas mit unterschiedlichen Temperaturen enthalten. Der zweite Wärmetauscher 20 dient dagegen zur Erzielung eines Wärmeübergangs zwischen einem Brennstoffzellenabgasstrom (Pfeil 22) und einem Kühlmittel 24. Der erste und zweite Wärmetauscher 14, 20 sind in diesem Ausführungsbeispiel in Reihe geschaltet, wobei der erste Wärmetauscher 14 in Abgasströmungsrichtung (Pfeil 22) gesehen dem zweiten Wärmetauscher 20 vorgeschaltet ist. Der Kondensatabscheider 26 dient dazu, aus dem gekühlten Brennstoffzellenabgas (Pfeil 25) Wasser (Pfeil 36) abzuscheiden. Anschließend wird das bereits gekühlte und von Kondensatanteilen befreite Brennstoffzellenabgas gemäß Pfeil 27 dem Expander 28 zugeführt unter Ausnutzung einer mechanischen Leistung. Aufgrund der Druckerniedrigung des den Expander 28 durchsetzenden Brennstoffzellenabgases stellt sich eine weitere Temperaturerniedrigung desselben ein, so dass eine weitere Wasserrückgewinnung aus dem Brennstoffzellenabgas gemäß Pfeil 38 erfolgen kann. Vom Expander 28 wird der Brennstoffzellenabgasstrom (Pfeil 18) durch die Zuführleitung 35 in den ersten Wärmetauscher 14 zurückgeführt. Aufgrund der verhältnismäßig niedrigen Betriebstemperatur des Brennstoffzellenabgasstroms (Pfeil 18) erfolgt eine besonders wirkungsgradgünstige Abkühlung des gleichzeitig den ersten Wärmetauscher 14 durchsetzenden warmen Brennstoffzellenabgasstroms (Pfeil 16). Der Einsatz eines Expanders 28 ist bei Brennstoffzellensystemen 10 mit Betriebsdrücken sehr viel größer als 1 bar vorteilhaft aufgrund des verbleibenden, verhältnismäßig hohen Expansionsdruckverhältnisses auch bei vorheriger Brennstoffzellenabgaskühlung. The fuel cell system 10 according to FIG. 1 has two different heat exchangers 14 , 20 for cooling fuel cell exhaust gas emerging from the fuel cell device 11 . The first heat exchanger 14 is used to achieve heat transfer between two fuel cell exhaust gas flows (arrows 16 , 18 ) which contain fuel cell exhaust gas at different temperatures. The second heat exchanger 20 , on the other hand, serves to achieve heat transfer between a fuel cell exhaust gas stream (arrow 22 ) and a coolant 24 . In this exemplary embodiment, the first and second heat exchangers 14 , 20 are connected in series, the first heat exchanger 14 being connected upstream of the second heat exchanger 20 as seen in the exhaust gas flow direction (arrow 22 ). The condensate separator 26 serves to separate water (arrow 36 ) from the cooled fuel cell exhaust gas (arrow 25 ). The fuel cell exhaust gas which has already been cooled and freed of condensate components is then fed to the expander 28 in accordance with arrow 27 using a mechanical power. As a result of the pressure drop in the fuel cell exhaust gas passing through the expander 28 , the temperature of the fuel cell exhaust gas drops further, so that further water recovery from the fuel cell exhaust gas can take place according to arrow 38 . From the expander 28 , the fuel cell exhaust gas flow (arrow 18 ) is fed back through the feed line 35 into the first heat exchanger 14 . Because of the relatively low operating temperature of the fuel cell exhaust gas flow (arrow 18 ), the warm fuel cell exhaust gas flow (arrow 16 ), which at the same time passes through the first heat exchanger 14 , is cooled particularly efficiently. The use of an expander 28 is advantageous in fuel cell systems 10 with operating pressures very much greater than 1 bar due to the remaining, relatively high expansion pressure ratio even with previous fuel cell exhaust gas cooling.

Fig. 2 zeigt in schematischer Darstellung ein alternatives Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems 10. Dabei entspricht das Brennstoffzellensystem 10 der Fig. 2 im Wesentlichen derjenigen der Fig. 1, jedoch ist statt eines Expanders 28 eine Brennstoffzellenabgas-Drossel 30 vorgesehen, welche an ihrer Austrittsseite mittels einer Zuführleitung (Pfeil 31) mit einem zweiten Kondensatabscheider 32 verbunden ist. Auch bei dieser Ausführungsform erfolgt somit eine zweite Wasserabscheidung aus dem Brennstoffzellenabgas gemäß Pfeil 40. Bei einer im Vergleich zum Expander 28 (Fig. 1) geringeren Abgastemperaturverringerung mittels der Drossel 30 kann - wie im vorliegenden Ausführungsbeispiel - eine an die Umgebung Abgaswärme abgebende Zuführleitung 34 vorgesehen sein, welche den zweiten Kondensatabscheider 32 mit dem ersten Wärmetauscher 14 in Abgasströmungsrichtung (Pfeil 18) verbindet. Hierdurch ist es möglich, eine weitere erwünschte Temperatursenkung des durch die Zuführleitung 34 strömenden Brennstoffzellenabgases zu erzielen, so dass der erste Wärmetauscher 14 in besonders wirkungsgradgünstiger Weise betrieben werden kann. Der erste und zweite Wärmetauscher 14, 20 können gemäß schematischer Darstellung in Fig. 2 mittels Bauteilintegration beider Wärmetauscher 14, 20 als kompakte Baueinheit 33 ausgebildet sein. Fig. 2 shows an alternative embodiment shows in a schematic representation of a fuel cell system 10 according to the invention. The fuel cell system 10 of FIG. 2 essentially corresponds to that of FIG. 1, but instead of an expander 28, a fuel cell exhaust gas throttle 30 is provided, which is connected on its outlet side to a second condensate separator 32 by means of a feed line (arrow 31 ). In this embodiment, too, a second water separation from the fuel cell exhaust gas takes place according to arrow 40 . In the case of a lower exhaust gas temperature reduction by means of the throttle 30 compared to the expander 28 ( FIG. 1), a supply line 34 which emits exhaust gas heat to the environment can be provided, as in the present exemplary embodiment, which leads the second condensate separator 32 with the first heat exchanger 14 in the exhaust gas flow direction (arrow 18 ) connects. This makes it possible to achieve a further desired temperature reduction of the fuel cell exhaust gas flowing through the feed line 34 , so that the first heat exchanger 14 can be operated in a particularly efficient manner. According to the schematic illustration in FIG. 2, the first and second heat exchangers 14 , 20 can be designed as a compact structural unit 33 by means of component integration of both heat exchangers 14 , 20 .

Claims

1. A fuel cell system, in particular a motor vehicle, with a fuel cell exhaust gas water recovery device, characterized in that the water recovery device ( 12 ) has a fuel cell exhaust gas heat exchanger ( 14 ) to achieve heat transfer between two fuel cell exhaust gas streams ( 16 , 18 ) of different temperatures.

2. Fuel cell system according to claim 1, characterized in that the water recovery device ( 12 ) has a second fuel cell exhaust gas heat exchanger ( 20 ) to achieve heat transfer between a fuel cell exhaust gas stream ( 22 ) and a coolant ( 24 ).

3. Fuel cell system according to one of the preceding claims, characterized in that the first and the second fuel cell exhaust gas heat exchanger ( 14 , 20 ) are connected to one another in series.

4. Fuel cell system according to one of the preceding claims, characterized in that the first fuel cell exhaust gas heat exchanger ( 14 ) in the exhaust gas flow direction ( 22 ) is connected upstream of the second fuel cell exhaust gas heat exchanger ( 20 ).

5. Fuel cell system according to one of the preceding claims, characterized in that the first fuel cell exhaust gas heat exchanger ( 14 ) seen in the exhaust gas flow direction ( 22 ) is connected downstream of the second fuel cell exhaust gas heat exchanger ( 20 ).

6. Fuel cell system according to one of the preceding claims, characterized in that the first fuel cell exhaust gas heat exchanger ( 14 ) or the second fuel cell exhaust gas heat exchanger ( 20 ) is followed by a condensate separator ( 26 ).

7. Fuel cell system according to one of the preceding claims, characterized in that the condensate separator ( 26 ) is followed by a fuel cell exhaust gas expander ( 28 ) using a mechanical power.

8. Fuel cell system according to one of the preceding claims, characterized in that the condensate separator ( 26 ) is followed by a fuel cell exhaust gas throttle ( 30 ).

9. Fuel cell system according to one of the preceding claims, characterized characterized in that the fuel cell exhaust gas throttle is designed as a pressure control valve is.

10. Fuel cell system according to one of the preceding claims, characterized in that the fuel cell exhaust gas expander ( 28 ) or throttle ( 30 ) is followed by a second condensate separator ( 32 ).

11. Fuel cell system according to one of the preceding claims, characterized in that the first fuel cell exhaust gas heat exchanger ( 14 ) or the second fuel cell exhaust gas heat exchanger ( 20 ) is followed by a fuel cell exhaust gas expander ( 28 ) or a fuel cell exhaust gas throttle ( 30 ) and the expander ( 28 ) or the throttle ( 30 ) is connected on its respective fuel cell exhaust gas outlet side to a condensate separator.

12. Fuel cell system according to one of the preceding claims, characterized in that the fuel cell exhaust gas throttle ( 30 ) is connected to the first heat exchanger ( 14 ) by means of a supply line ( 34 ) which emits fuel cell exhaust gas heat.

13. Fuel cell system according to one of the preceding claims, characterized in that the fuel cell exhaust gas stream ( 16 ) to be cooled in the first heat exchanger ( 14 ) contains exhaust gas flowing directly from the fuel cell device ( 11 ) and the heating fuel cell exhaust gas stream ( 18 ) contains cooled exhaust gas from the fuel cell device ( 11 ) contains.