DE102007052465A1 - Fuel cell system and method for operating a fuel cell system - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem mit zumindest einer Brennstoffzelle (2), welche einen Anodenraum (4) und einen Kathodenraum (3) aufweist, mit einem mit dem Kathodenraum (3) verbundenen Kathodenzweig (6), welchem ein Ladeluftkühler (9) zugeordnet ist, und mit einer vom Kathodenzweig (6) stromauf des Ladeluftkühlers (9) abzweigenden Bypassvorrichtung (12) und zumindest einer im Kathodenzweig (6) zwischen dem Ladeluftkühler (9) und der Brennstoffzelle (2) angeordneten Funktionskomponente (10), wobei die Bypassvorrichtung (12) einen ersten Teilzweig (14) aufweist, welcher zwischen dem Ladeluftkühler (9) und der Funktionskomponente (10) in den Kathodenzweig (6) mündet, und einen zweiten Teilzweig (15) aufweist, welcher stromab der Funktionskomponente (10) in den Kathodenzweig (6) mündet. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems.The invention relates to a fuel cell system having at least one fuel cell (2) which has an anode space (4) and a cathode space (3), with a cathode branch (6) connected to the cathode space (3), to which a charge air cooler (9) is assigned. and with a bypass device (12) branching off from the cathode branch (6) upstream of the charge air cooler (9) and at least one functional component (10) arranged in the cathode branch (6) between the charge air cooler (9) and the fuel cell (2), the bypass device (12 ) has a first partial branch (14), which opens into the cathode branch (6) between the charge air cooler (9) and the functional component (10), and has a second partial branch (15) which is downstream of the functional component (10) into the cathode branch (10). 6) opens. The invention also relates to a method for operating a fuel cell system.

Description

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem mit zumindest einer Brennstoffzelle, welche einen Anodenraum und einen Kathodenraum aufweist. Das Brennstoffzellensystem umfasst des Weiteren einen mit dem Kathodenraum verbundenen Kathodenzweig, welcher einem Ladeluftkühler zugeordnet ist. Ferner weist das Brennstoffzellensystem eine vom Kathodenzweig stromauf dem Ladeluftkühler abzweigende Bypassvorrichtung auf, und zwischen dem Ladelüftkühler und der Brennstoffzelle ist zumindest eine weitere Funktionskomponente im Kathodenzweig angeordnet. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems.The The invention relates to a fuel cell system with at least one Fuel cell, which has an anode compartment and a cathode compartment having. The fuel cell system further includes a connected to the cathode compartment cathode branch, which a charge air cooler assigned. Furthermore, the fuel cell system of the Cathode branch upstream of the intercooler bypassing bypass device on, and between the charge air cooler and the fuel cell is at least one more functional component in the cathode branch arranged. Furthermore, the invention relates to a method for Operating a fuel cell system.

Aus der US 7,141,326 B2 ist ein Brennstoffzellensystem gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bekannt. Besonders in einer Kaltstartphase des Brennstoffzellensystems kann über die Bypassvorrichtung Gas geleitet werden, um Komponenten des Brennstoffzellensystems erwärmen zu können. Bei dem bekannten Brennstoffzellensystem dauert dies jedoch relativ lange.From the US 7,141,326 B2 a fuel cell system according to the preamble of claim 1 is known. Especially in a cold start phase of the fuel cell system can be passed through the bypass device gas to heat components of the fuel cell system can. In the known fuel cell system, however, this takes a relatively long time.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Brennstoffzellensystem sowie ein Verfahren zu schaffen, bei dem die Dauer des Kaltstarts des Brennstoffzellensystems verkürzt werden kann.It Object of the present invention, a fuel cell system as well as to create a procedure in which the duration of the cold start of the fuel cell system can be shortened.

Diese Aufgabe wird durch ein Brennstoffzellensystem, welches die Merkmale nach Anspruch 1 aufweist, und ein Verfahren, welches die Merkmale nach Anspruch 11 aufweist, gelöst.These Task is by a fuel cell system, which features according to claim 1, and a method according to the features Claim 11, solved.

Ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem umfasst zumindest eine Brennstoffzelle, welche einen Anodenraum und einen Kathodenraum aufweist. Das Brennstoffzellensystem umfasst des Weiteren einen Kathodenzweig, welcher mit dem Kathodenraum verbunden ist, und in welchem ein Ladeluftkühler angeordnet ist. Des Weiteren weist das Brennstoffzellensystem eine Bypassvorrichtung auf, welche vom Kathodenzweig stromauf des Ladeluftkühlers abzweigt. Zwischen dem Ladeluftkühler und der Brennstoffzelle ist zumindest eine weitere Funktionskomponente im Kathodenzweig angeordnet bzw. diesem zugeordnet. Die Bypassvorrichtung weist einen ersten Teilzweig auf, welcher zwischen dem Ladeluftkühler und der Funktionskomponente in den Kathodenzweig mündet. Des Weiteren umfasst die Bypassvorrichtung einen zweiten Teilzweig, welcher stromab der Funktionskomponente in den Kathodenzweig mündet. Durch eine derartige Ausgestaltung kann die Umgehung von Elementen im Kathodenzweig wesentlich flexibilisiert und dadurch situationsabhängig die Zuführung von in dem Brennstoffzellensystem strömenden Fluiden verbessert werden. Besonders während der Kaltstartphase des Brennstoffzellensystems kann somit die Erwärmung von Komponenten spezifischer und somit schneller erreicht werden, wodurch die Dauer des Kaltstarts des Brennstoffzellensystems verkürzt werden kann.One Fuel cell system according to the invention at least one fuel cell, which has an anode space and a Cathode compartment has. The fuel cell system further includes a cathode branch connected to the cathode compartment, and in which a charge air cooler is arranged. Furthermore the fuel cell system has a bypass device which branches off from the cathode branch upstream of the intercooler. Between the intercooler and the fuel cell is arranged at least one further functional component in the cathode branch or assigned to this. The bypass device has a first one Teilzweig, which between the intercooler and the functional component opens into the cathode branch. Of Furthermore, the bypass device comprises a second sub-branch, which opens downstream of the functional component in the cathode branch. By such a configuration, the circumvention of elements significantly more flexible in the cathode branch and thus situation-dependent the supply of flowing in the fuel cell system Fluids are improved. Especially during the cold start phase the fuel cell system can thus the heating of Components can be achieved more specifically and thus faster shortens the duration of the cold start of the fuel cell system can be.

Vorzugsweise zweigen die beiden Teilzweige in der Bypassvorrichtung von einer gemeinsamen Einrichtung zur Reduzierung des Strömungsquerschnitts ab. Insbesondere ist die Einrichtung als ein 3/2-Wege-Ventil ausgebildet. Dadurch kann eine sehr zuverlässige und dennoch einfach und kompakt aufgebaute Einrichtung geschaffen werden.Preferably branch the two sub-branches in the bypass device of a common device for reducing the flow cross-section from. In particular, the device is designed as a 3/2-way valve. This can be a very reliable and yet easy and compact structure to be created.

Vorzugsweise ist die Einrichtung zur Reduzierung des Strömungsquerschnitts in dem Ladeluftkühler oder der Funktionskomponente angeordnet, insbesondere dort integriert. Dadurch kann eine besonders bauraumoptimierte Ausgestaltung geschaffen werden.Preferably is the device for reducing the flow cross section arranged in the intercooler or the functional component, in particular integrated there. This can be a particularly space-optimized design be created.

Vorzugsweise ist die Bypassvorrichtung zumindest teilweise in dem Ladeluftkühler und in der weiteren Funktionskomponente angeordnet, insbesondere dort integriert. Auch dadurch kann der kompakte Aufbau nochmals verbessert werden.Preferably the bypass device is at least partially in the intercooler and arranged in the further functional component, in particular integrated there. This also makes the compact design again be improved.

Vorzugsweise ist stromauf der Abzweigung der Bypassvorrichtung von dem Kathodenzweig ein Verdichter mit dem Kathodenzweig verbunden. Bei der Verdichtung von Gasen erwärmt sich das Medium bzw. das Fluid, insbesondere die im Kathodenzweig geführte Prozessluft, aufgrund der thermodynamischen Zusammenhänge. Dadurch kann erwärmtes Fluid in die Bypassvorrichtung geleitet werden, welches dann situationsspezifisch insbesondere während des Kaltstarts zu einzelnen Komponenten individualisiert über zumindest einen Teilzweig geführt werden kann. Das Aufwärmen einzelner Komponenten kann dadurch wesentlich verbessert werden.Preferably is upstream of the branch of the bypass device from the cathode branch a compressor connected to the cathode branch. In the compression of gases, the medium or the fluid heats up, in particular the process air guided in the cathode branch, due to the thermodynamic relationships. This can be heated fluid are passed into the bypass device, which then situation specific especially during the cold start to individual components be performed individually over at least a sub-branch can. The warming up of individual components can thereby be significantly improved.

Vorzugsweise mündet die Bypassvorrichtung, insbesondere der zweite Teilzweig, stromauf der Brennstoffzelle in den Kathodenzweig. Gerade dadurch kann besonders vorteilhaft das schnelle Aufwärmen der Brennstoffzelle im Kaltstart erreicht werden, da über die Bypassvorrichtung gezielt diese erwärmte Prozessluft über einen oder beide Teilzweige zugeleitet werden kann. Es kann auch stromab der Brennstoffzelle eine Einmündung des Teilzweigs in den Kathodenzweig vorgesehen sein. Diesbezüglich kann auch eine Einmündung in eine Rezirkulationsvorrichtung zur Rückführung des Kathodenabgases in eine Zuführleitung zur Brennstoffzelle vorgesehen sein. Insbesondere ist die Rezirkulationsvorrichtung dem Kathodenzweig zugeordnet.Preferably opens the bypass device, in particular the second sub-branch, upstream of the fuel cell into the cathode branch. Especially because of it can be particularly advantageous the rapid warm-up of the fuel cell can be achieved in cold start, because of the bypass device specifically this heated process air over a or both sub-branches can be supplied. It can also be downstream the fuel cell a junction of the branch branch in the Provided cathode branch. In this regard, too a confluence with a recirculation device for recycling the cathode exhaust gas into a supply line to the fuel cell be provided. In particular, the recirculation device is the Assigned to the cathode branch.

Vorzugsweise ist die weitere Funktionskomponente ein Befeuchter.Preferably the other functional component is a humidifier.

Es kann auch vorgesehen sein, dass weitere Komponenten zwischen dem Befeuchter und der Brennstoffzelle angeordnet sind und der zweite Teilzweig zwischen einer dieser weiteren Komponenten und der Brennstoffzelle in den Kathodenzweig mündet.It can also be provided that more Components are arranged between the humidifier and the fuel cell and the second sub-branch opens between one of these further components and the fuel cell in the cathode branch.

Vorzugsweise ist das Brennstoffzellensystem als mobiles Brennstoffzellensystem ausgebildet und zur Verwendung in einem Fahrzeug vorgesehen. Insbesondere ist die Brennstoffzelle als PEM-Brennstoffzelle ausgebildet, wobei das Brennstoffzellensystem vorzugsweise einen Brennstoffzellenstapel mit einer Mehrzahl von Brennstoffzellen aufweist.Preferably is the fuel cell system as a mobile fuel cell system designed and intended for use in a vehicle. Especially the fuel cell is designed as a PEM fuel cell, wherein the fuel cell system preferably with a fuel cell stack a plurality of fuel cells.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems wird ein in einem Kathodenzweig strömendes Fluid zumindest anteilig betriebsphasenabhängig vor einem im Kathodenzweig angeordneten Ladeluftkühler in eine Bypassvorrichtung geleitet und nach dem Ladeluftkühler in den Kathodenzweig zurückgeführt. Die Bypassvorrichtung weist einen ersten Teilzweig auf, welcher zwischen dem Ladeluftkühler und einer stromab des Ladeluftkühlers angeordneten weiteren Funktionskomponente in den Kathodenzweig mündet, wobei die Bypassvorrichtung einen zweiten Teilzweig aufweist, welcher stromab der Funktionskomponente in den Kathodenzweig mündet. Betriebsphasenabhängig wird das in die Bypassvorrichtung strömende Fluid über den ersten Teilzweig und/oder den zweiten Teilzweig geleitet. Die Dauer des Kaltstarts des Brennstoffzellensystems kann dadurch wesentlich verkürzt werden.at the method of operation according to the invention of a fuel cell system becomes a flowing in a cathode branch Fluid at least proportionally operating phase dependent before a arranged in the cathode branch intercooler in a bypass device passed and after the intercooler in the cathode branch recycled. The bypass device has a first branch on which, between the intercooler and a further functional component arranged downstream of the charge air cooler opens into the cathode branch, wherein the bypass device a second sub-branch, which downstream of the functional component flows into the cathode branch. Depending operating phase The fluid flowing into the bypass device is overflowed passed the first sub-branch and / or the second sub-branch. The Duration of the cold start of the fuel cell system can thereby significantly be shortened.

Vorzugsweise wird die Strömung durch die Teilzweige der Bypassvorrichtung durch eine in der Bypassvorrichtung angeordnete Einrichtung zur Reduzierung des Strömungsquerschnitts, insbesondere ein 3/2-Wege-Ventil, eingestellt. Dadurch kann sehr einfach und aufwandsarm und dennoch funktionszuverlässig die individuelle Leitung des Fluids in der Bypassvorrichtung ermöglicht werden.Preferably the flow becomes through the sub-branches of the bypass device by a device arranged in the bypass device for Reduction of the flow cross-section, in particular a 3/2-way valve, adjusted. This can be very simple and little effort and yet functionally reliable the individual line of the fluid in the bypass device.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems sind als vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens anzusehen.advantageous Embodiments of the fuel cell system according to the invention are as advantageous embodiments of the invention View procedure.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand einer schematischen Zeichnung näher erläutert.One Embodiment of the invention will be described below a schematic drawing explained in more detail.

Die einzige Figur zeigt in vereinfachter Weise ein Brennstoffzellensystem, wobei lediglich die für das Verständnis der Erfindung ausreichenden Komponenten gezeigt sind.The single figure shows in a simplified way a fuel cell system, only those for the understanding of the invention sufficient components are shown.

Das Brennstoffzellensystem 1 ist als mobiles Brennstoffzellensystem ausgebildet und in einem Fahrzeug angeordnet. Das Brennstoffzellensystem 1 umfasst einen Brennstoffzellenstapel mit einer Mehrzahl von Brennstoffzellen, wobei in der Figur lediglich eine Brennstoffzelle 2 gezeigt ist. Die Brennstoffzelle 2 ist als PEM-Brennstoffzelle ausgebildet und weist einen Kathodenraum 3 sowie einen Anodenraum 4 auf, welche durch eine Membran-Elektroden-Anordnung (MEA) 5 voneinander separiert sind.The fuel cell system 1 is designed as a mobile fuel cell system and arranged in a vehicle. The fuel cell system 1 includes a fuel cell stack having a plurality of fuel cells, wherein in the figure, only a fuel cell 2 is shown. The fuel cell 2 is designed as a PEM fuel cell and has a cathode compartment 3 and an anode compartment 4 resulting from a membrane-electrode assembly (MEA) 5 are separated from each other.

Darüber hinaus umfasst das Brennstoffzellensystem 1 einen Kathodenzweig 6, welcher eine Zuführleitung 7 aufweist. Über die Zuführleitung 7 wird Oxidationsmittel, insbesondere Sauerstoff oder ein sauerstoffhaltiges Gas, zum Kathodenraum 3 geführt. Dem Kathodenzweig 6 zugeordnet ist ein Verdichter 8 sowie ein Ladeluftkühler 9 und ein als Funktionskomponente ausgebildeter Befeuchter 10.In addition, the fuel cell system includes 1 a cathode branch 6 which is a supply line 7 having. About the feed line 7 becomes oxidizing agent, in particular oxygen or an oxygen-containing gas, to the cathode compartment 3 guided. The cathode branch 6 assigned is a compressor 8th as well as a charge air cooler 9 and a humidifier designed as a functional component 10 ,

Gemäß der Darstellung ist der Ladeluftkühler 9 stromab des Verdichters 8 und der Befeuchter 10 stromab des Ladeluftkühlers 9 angeordnet.As shown, the intercooler 9 downstream of the compressor 8th and the humidifier 10 downstream of the intercooler 9 arranged.

Im Ausführungsbeispiel ist lediglich der Befeuchter 10 zwischen dem Ladeluftkühler 9. und der Brennstoffzelle 2 angeordnet, wobei diesbezüglich auch weitere zusätzliche Komponenten zwischen dem Ladeluftkühler 9 und der Brennstoffzelle 2 im Kathodenzweig 6 angeordnet sein können.In the embodiment, only the humidifier 10 between the intercooler 9 , and the fuel cell 2 arranged, in this regard, other additional components between the intercooler 9 and the fuel cell 2 in the cathode branch 6 can be arranged.

Diesbezüglich können nicht nur an diesen genannten Stellen im Kathodenzweig 6 sondern auch an anderen Stellen im Brennstoffzellensystem 1 zumindest ein Filter und/oder ein Schalldämpfer und/oder zumindest ein Abscheider und/oder ein Druckhalteventil etc. vorgesehen sein.In this regard, not only at these sites mentioned in the cathode branch 6 but also elsewhere in the fuel cell system 1 at least one filter and / or a silencer and / or at least one separator and / or a pressure-holding valve etc. may be provided.

Des Weiteren umfasst der Kathodenzweig 6 eine von dem Kathodenraum 2 wegführende Abführleitung 11, über welche das Kathodenabgas abgeführt wird.Furthermore, the cathode branch comprises 6 one from the cathode compartment 2 leading discharge line 11 over which the cathode exhaust gas is removed.

Der Kathodenstrang umfasst somit ein Ansaugsystem und ein Abluftsystem. Im Kathodenstrang können an verschiedenen Stellen zusätzlich Schalldämpfer und/oder Abscheider implementiert sein.Of the Cathode strand thus includes an intake system and an exhaust system. In the cathode strand, silencers can be added at various points and / or separators implemented.

Das Brennstoffzellensystem 1 umfasst des Weiteren eine Bypassvorrichtung 12, welche ein zum Kathodenzweig 6 parallel geschaltetes Leitungssystem darstellt. Die Bypassvorrichtung 12 zweigt an der Abzweigung 13 zwischen dem Verdichter 8 und dem Ladeluftkühler 9 vom Kathodenzweig 6, insbesondere der Zuführleitung 7, ab. An der Abzweigung 13 kann eine Einrichtung zur Reduzierung des Strömungsquerschnitts, insbesondere ein Ventil, angeordnet sein.The fuel cell system 1 further comprises a bypass device 12 which one to the cathode branch 6 represents a parallel switched line system. The bypass device 12 branches at the junction 13 between the compressor 8th and the intercooler 9 from the cathode branch 6 , in particular the supply line 7 , from. At the junction 13 it is possible to arrange a device for reducing the flow cross-section, in particular a valve.

Die Bypassvorrichtung 12 umfasst einen ersten Teilzweig 14 und einen zweiten Teilzweig 15. Der erste Teilzweig 14 und der zweite Teilzweig 15 zweigen von einer Einrichtung 16 zur Reduzierung des Strömungsquerschnitts ab. Die Einrichtung 16 ist im Ausführungsbeispiel als 3-Wege-Ventil konzipiert.The bypass device 12 includes a first sub-branch 14 and a second sub-branch 15 , The first sub branch 14 and the second sub-branch 15 two from a facility 16 for reducing the flow cross section. The device 16 is designed in the exemplary embodiment as a 3-way valve.

Der erste Teilzweig 14 mündet an der Einmündung 17 zwischen dem Ladeluftkühler 9 und dem Befeuchter 10 in den Kathodenzweig 6, insbesondere die Zuführleitung 7. Der zweite Teilzweig 15 mündet an der Einmündung 18 zwischen dem Befeuchter 10 und der Brennstoffzelle 2 in den Kathodenzweig 6, insbesondere die Zuführleitung 7.The first sub branch 14 flows at the confluence 17 between the intercooler 9 and the humidifier 10 in the cathode branch 6 , in particular the supply line 7 , The second sub-branch 15 flows at the confluence 18 between the humidifier 10 and the fuel cell 2 in the cathode branch 6 , in particular the supply line 7 ,

Es kann auch vorgesehen sein, dass die Bypassvorrichtung 12 zumindest zwei Einrichtungen 16 aufweist.It can also be provided that the bypass device 12 at least two facilities 16 having.

Es kann auch vorgesehen sein, dass die Bypassvorrichtung 12 zumindest einen weiteren Teilzweig aufweist, welcher nach dem Befeuchter 10 in den Kathodenzweig 6 mündet. Dies ist gemäß der gestrichelten Darstellung angedeutet, wobei diesbezüglich eine Einmündung vor der Brennstoffzelle 2 vorgesehen ist. Prinzipiell kann jedoch auch eine Einmündung dieses Teilzweigs nach der Brennstoffzelle 2 vorgesehen sein, wobei diesbezüglich auch eine Einmündung in eine Rezirkulationsvorrichtung des Kathodenstrangs vorgesehen sein kann.It can also be provided that the bypass device 12 has at least one further sub-branch, which after the humidifier 10 in the cathode branch 6 empties. This is indicated according to the dashed line, in this regard, an opening in front of the fuel cell 2 is provided. In principle, however, can also be an opening of this branch after the fuel cell 2 be provided, in this regard, an opening may be provided in a recirculation device of the cathode strand.

In der Darstellung gemäß der Figur ist die Bypassvorrichtung 12 quasi separat zu dem Kathodenzweig 6 und dem Ladeluftkühler 9 sowie dem Befeuchter 10 angeordnet. Es kann auch vorgesehen sein, dass die Bypassvorrichtung 12 zumindest teilweise in den Ladeluftkühler 9 und den Befeuchter 10 integriert ist. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die Einrichtung 16 in dem Ladeluftkühler 9 oder dem Befeuchter 10 integriert ist.In the illustration according to the figure, the bypass device 12 virtually separate to the cathode branch 6 and the intercooler 9 as well as the humidifier 10 arranged. It can also be provided that the bypass device 12 at least partially into the intercooler 9 and the humidifier 10 is integrated. In particular, it can be provided that the device 16 in the intercooler 9 or the humidifier 10 is integrated.

Insbesondere in der Kaltstartphase kann durch diese Ausgestaltung der Bypassvorrichtung 12 das von dem Verdichter 8 verdichtete und somit erwärmte Gas betriebsphasenspezifisch individuell an bestimmte Orte und somit zu verschiedenen Komponenten flexibel geleitet werden. Das Aufwärmen einzelner Komponenten kann dadurch spezifischer erfolgen, wodurch die Dauer des Kaltstarts des Brennstoffzellensystems 1 wesentlich verkürzt werden kann.In particular, in the cold start phase can by this configuration of the bypass device 12 that of the compressor 8th compressed and thus heated gas operating phase specific individually directed to specific locations and thus to various components flexible. The warming up of individual components can thereby be made more specific, whereby the duration of the cold start of the fuel cell system 1 can be significantly shortened.

Mit Hilfe der Einrichtung 16 kann die erwärmte Luft aus dem Verdichter 8 um den Ladeluftkühler 9 herumgeführt werden, ohne signifikant abgekühlt zu werden. Der Volumenstrom zwischen dem Kathodenzweig 6 und der Bypassvorrichtung 12 teilt sich gemäß der vorliegenden Druckverluste auf. Die erwärmte Luft wird dann vor den aufzutauenden Einheiten in den Kathodenzweig wieder eingeleitet. Abhängig von den Ventilstellungen der Einrichtung 16 kann dies erfolgen, wobei diesbezüglich Ventilstellungen a–b oder a–c beispielhaft erwähnt seien. Für den Kaltstart ist der Durchlass des 3-Wege-Ventils in der Stellung a–c besonders wichtig, da so der Brennstoffzelle 2 warme und zugleich trockene komprimierte Luft zugeführt werden kann. Wird das 3-Wege-Ventil in die Stellung b–c gebracht, kann beispielsweise im Normalbetrieb ein Teil der Prozessluft um den Befeuchter 10 herumgeführt werden, um die Befeuchtung in bestimmten Lastfällen aktiv zu verringern. Der Volumenstrom zwischen dem Kathodenzweig 6 und der Bypassvorrichtung 12 teilt sich auch in diesem Fall gemäß der vorliegenden Druckverluste auf. Die beschriebene Verschaltung kann in einem Brennstoffzellensystem 1 mit diskreten Bauteilen oder durch Integration in die vorhandenen Komponenten umgesetzt werden.With the help of the device 16 can the heated air from the compressor 8th around the intercooler 9 be led around without being cooled significantly. The volume flow between the cathode branch 6 and the bypass device 12 splits according to the present pressure losses. The heated air is then returned to the thawed units in the cathode branch again. Depending on the valve settings of the device 16 this can be done, in which respect valve positions a-b or a-c are mentioned by way of example. For the cold start, the passage of the 3-way valve in the position a-c is particularly important because so the fuel cell 2 warm and dry compressed air can be supplied. If the 3-way valve is brought into position b-c, for example, in normal operation, a part of the process air around the humidifier 10 be guided around to actively reduce the humidification in certain load cases. The volume flow between the cathode branch 6 and the bypass device 12 is also divided in this case according to the present pressure losses. The described interconnection may be in a fuel cell system 1 be implemented with discrete components or by integration into the existing components.

Durch die beiden Teilzweige 14 und 15 der Bypassvorrichtung 12 und der Einrichtung 16 ergibt sich die Möglichkeit, die im Prozessluftstrom nach dem Verdichtungsprozess vorhandene Energie direkt, das heißt ohne Wärmeübergang zum Beispiel ins Kühlwasser (bei Luft/Wasser-Ladeluftkühler) oder an die Umgebung (bei Luft/Luft-Ladeluftkühler), zum schnelleren Auftauen und/oder Erwärmen der Komponenten des Kathodenzweiges 6 und des Brennstoffzellenstapels bzw. der Brennstoffzelle 2 zu verbinden. Dadurch kann eine größere aktive Einflussmöglichkeit auf den Betrieb des Brennstoffzellensystems 1 bei gleich bleibender Komponentenanzahl ermöglicht werden.Through the two sub-branches 14 and 15 the bypass device 12 and the facility 16 results in the possibility of the energy present in the process air stream after the compression process directly, ie without heat transfer, for example to the cooling water (air / water intercooler) or to the environment (in air / air intercooler), for faster thawing and / or Heating the components of the cathode branch 6 and the fuel cell stack or the fuel cell 2 connect to. This allows a greater active influence on the operation of the fuel cell system 1 be made possible with a constant number of components.

11
BrennstoffzellensystemThe fuel cell system
22
Brennstoffzellefuel cell
33
Kathodenraumcathode space
44
Anodenraumanode chamber
55
Membran-Elektroden-Anordnung (MEA)Membrane electrode assembly (MEA)
66
Kathodenzweigcathode branch
77
Zuführleitungfeed
88th
Verdichtercompressor
99
LadeluftkühlerIntercooler
1010
Befeuchterhumidifier
1111
Abführleitungdischarge
1212
Bypassvorrichtungbypass device
1313
Abzweigungdiversion
14, 1514 15
Teilzweigsubbranch
1616
EinrichtungFacility
17, 1817 18
Einmündungjunction

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • - US 7141326 B2 [0002] - US 7141326 B2 [0002]

Claims (12)

Brennstoffzellensystem mit zumindest einer Brennstoffzelle (2), welche einen Anodenraum (4) und einen Kathodenraum (3) aufweist, mit einem mit dem Kathodenraum (3) verbundenen Kathodenzweig (6), welchem ein Ladeluftkühler (9) zugeordnet ist, und mit einer vom Kathodenzweig (6) stromauf des Ladeluftkühlers (9) abzweigenden Bypassvorrichtung (12), und zumindest einer im Kathodenzweig (6) zwischen dem Ladeluftkühler (9) und der Brennstoffzelle (2) angeordneten Funktionskomponente (10), dadurch gekennzeichnet, dass die Bypassvorrichtung (12) einen ersten Teilzweig (14) aufweist, welcher zwischen dem Ladeluftkühler (9) und der Funktionskomponente (10) in den Kathodenzweig (6) mündet, und einen zweiten Teilzweig (15) aufweist, welcher stromab der Funktionskomponente (10) in den Kathodenzweig (6) mündet.Fuel cell system with at least one fuel cell ( 2 ) containing an anode space ( 4 ) and a cathode compartment ( 3 ), with one with the cathode space ( 3 ) connected cathode branch ( 6 ) to which a charge air cooler ( 9 ) and with one from the cathode branch ( 6 ) upstream of the intercooler ( 9 ) branching bypass device ( 12 ), and at least one in the cathode branch ( 6 ) between the intercooler ( 9 ) and the fuel cell ( 2 ) arranged functional component ( 10 ), characterized in that the bypass device ( 12 ) a first sub-branch ( 14 ), which between the intercooler ( 9 ) and the functional component ( 10 ) in the cathode branch ( 6 ), and a second sub-branch ( 15 ), which downstream of the functional component ( 10 ) in the cathode branch ( 6 ) opens. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilzweige (14, 15) in der Bypassvorrichtung (12) von einer Einrichtung (16) zur Reduzierung des Strömungsquerschnitts abzweigen.Fuel cell system according to claim 1, characterized in that the partial branches ( 14 . 15 ) in the bypass device ( 12 ) by a body ( 16 ) branch off to reduce the flow cross-section. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (16) ein 3-Wege-Ventil aufweist.Fuel cell system according to claim 2, characterized in that the device ( 16 ) has a 3-way valve. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (16) in dem Ladeluftkühler (9) oder der Funktionskomponente (10) angeordnet, insbesondere integriert, ist.Fuel cell system according to claim 2 or 3, characterized in that the device ( 16 ) in the intercooler ( 9 ) or the functional component ( 10 ), in particular integrated, is. Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Leitungen der Bypassvorrichtung (12) zumindest teilweise in dem Ladeluftkühler (9) und/oder in der weiteren Funktionskomponente (10) angeordnet, insbesondere integriert, sind,Fuel cell system according to one of the preceding claims, characterized in that lines of the bypass device ( 12 ) at least partially in the intercooler ( 9 ) and / or in the further functional component ( 10 ) are arranged, in particular integrated, are Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass stromauf der Abzweigung (13) der Bypassvorrichtung (12) von dem Kathodenzweig (6) ein Verdichter (8) mit dem Kathodenzweig (6) verbunden ist.Fuel cell system according to one of the preceding claims, characterized in that upstream of the branch ( 13 ) of the bypass device ( 12 ) from the cathode branch ( 6 ) a compressor ( 8th ) with the cathode branch ( 6 ) connected is. Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bypassvorrichtung (12), insbesondere der zweite Teilzweig (15), stromauf der Brennstoffzelle (2) in den Kathodenzweig (6) mündet.Fuel cell system according to one of the preceding claims, characterized in that the bypass device ( 12 ), in particular the second sub-branch ( 15 ), upstream of the fuel cell ( 2 ) in the cathode branch ( 6 ) opens. Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die weitere Funktionskomponente (10) ein Befeuchter ist.Fuel cell system according to one of the preceding claims, characterized in that the further functional component ( 10 ) is a humidifier. Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es als mobiles Brennstoffzellensystem (1) ausgebildet ist.Fuel cell system according to one of the preceding claims, characterized in that it is used as a mobile fuel cell system ( 1 ) is trained. Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzelle (2) eine PEM-Brennstoffzelle ist.Fuel cell system according to one of the preceding claims, characterized in that the fuel cell ( 2 ) is a PEM fuel cell. Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems (1), bei dem in einem Kathodenzweig (6) strömendes Fluid zumindest anteilig betriebsphasenabhängig vor einem im Kathodenzweig (6) angeordneten Ladeluftkühler (9) in eine Bypassvorrichtung (12) geleitet und nach dem Ladeluftkühler (9) in den Kathodenzweig (6) zurückgeleitet wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Bypassvorrichtung (12) einen ersten Teilzweig (14) aufweist, welcher zwischen dem Ladeluftkühler (9) und einer stromab des Ladeluftkühlers (9) angeordneten weiteren Funktionskomponente (10) in den Kathodenzweig (6) mündet, und einen zweiten Teilzweig (15) aufweist, welcher stromab der Funktionskomponente (10) in den Kathodenzweig (6) mündet, und betriebsphasenabhängig das in die Bypassvorrichtung (12) strömende Fluid über den ersten Teilzweig (14) und/oder den zweiten Teilzweig (15) geleitet wird.Method for operating a fuel cell system ( 1 ), in which in a cathode branch ( 6 ) flowing fluid at least proportionally operating phase-dependent before a in the cathode branch ( 6 ) arranged intercooler ( 9 ) into a bypass device ( 12 ) and after the intercooler ( 9 ) in the cathode branch ( 6 ), characterized in that the bypass device ( 12 ) a first sub-branch ( 14 ), which between the intercooler ( 9 ) and one downstream of the intercooler ( 9 ) arranged further functional component ( 10 ) in the cathode branch ( 6 ), and a second sub-branch ( 15 ), which downstream of the functional component ( 10 ) in the cathode branch ( 6 ) and operating phase-dependent into the bypass device ( 12 ) flowing fluid over the first partial branch ( 14 ) and / or the second sub-branch ( 15 ). Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömung durch die Teilzweige (14, 15) durch zumindest eine in der Bypassvorrichtung (12) angeordnete Einrichtung (16) zur Reduzierung des Strömungsquerschnitts, insbesondere ein 3-Wege-Ventil, eingestellt wird.A method according to claim 11, characterized in that the flow through the sub-branches ( 14 . 15 ) by at least one in the bypass device ( 12 ) ( 16 ) is set to reduce the flow cross-section, in particular a 3-way valve.
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