DE102009014743A1 - Fuel cell system has low-temperature fuel cell, which is operated with compressed air on cathode side, and liquid is partially supplied to side of heat exchanger from liquid separators, where compressed air flows on other side - Google Patents

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Abstract

The fuel cell system (1) has a low-temperature fuel cell (2), which is operated with compressed air on the cathode side. Liquid separators (14,15) are arranged in a gas flow from or to the low-temperature fuel cell. A liquid is partially supplied to a side of a heat exchanger (17) from the liquid separators, where compressed air flows on the other side.

Description

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem mit einer Niedertemperatur-Brennstoffzelle nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.The The invention relates to a fuel cell system with a low-temperature fuel cell after the type defined in the preamble of claim 1 in more detail.

Aus der gattungsgemäßen DE 10 2006 043 573 A1 ist ein Verfahren bzw. ein Aufbau zur Verringerung des Austritts von flüssigem Wasser mit dem Abgas eines Brennstoffzellensystems, mit einer als PEM-Brennstoffzelle ausgebildeten Niedertemperatur-Brennstoffzelle, bekannt. Bei diesem Brennstoffzellensystem wird Wärme im Kühlkreislauf des Brennstoffzellensystems genutzt, um Produktwasser im Abgas des Brennstoffzellensystems so weit zu erwärmen, dass dieses zumindest weitgehend verdampft wird, um zu vermeiden, dass flüssiges Wasser aus dem Auspuff des Systems austritt. Damit kann ein Benetzen der Umgebung mit flüssigem Wasser verhindert werden, was insbesondere bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts und beim Einsatz eines derartigen Brennstoffzellensystems in einem Transportmittel, wie beispielsweise einem Kraftfahrzeug, zu erheblichen Nachteilen bezüglich der Verkehrssicherheit führen könnte.From the generic DE 10 2006 043 573 A1 is a method or a structure for reducing the leakage of liquid water with the exhaust gas of a fuel cell system, with a designed as a PEM fuel cell low-temperature fuel cell known. In this fuel cell system, heat is utilized in the cooling circuit of the fuel cell system to heat product water in the exhaust of the fuel cell system to at least substantially vaporize it to prevent liquid water from exiting the system exhaust. Thus, a wetting of the environment can be prevented with liquid water, which could lead to considerable disadvantages in terms of road safety, especially at temperatures below freezing and when using such a fuel cell system in a means of transport, such as a motor vehicle.

Der Aufbau zum Verdampfen des flüssigen Produktwassers im Abgas ist vergleichsweise komplex und benötigt über den Kühlkreislauf mehrere Wärmeübergänge zum Eintrag der entsprechenden thermischen Energie in das flüssige Produktwasser. Außerdem wird Wasser in einem Brennstoffzellensystem nicht nur über das Abgas entsorgt, sondern muss gegebenenfalls in flüssiger Form aus den Abgasen abgeschieden werden, beispielsweise um den Eintritt von Tröpfchen in eine Abgasturbine zu verhindern. Auch das so anfallende abgeschiedene Wasser muss an die Umgebung abgegeben werden.Of the Structure for vaporizing the liquid product water in the exhaust gas is comparatively complex and needs about the cooling circuit several heat transfer to the entry of the corresponding thermal energy in the liquid Product water. In addition, water is in a fuel cell system not just disposed of via the exhaust, but must if necessary be deposited in liquid form from the exhaust gases, for example, the entry of droplets into an exhaust gas turbine to prevent. Even the resulting deposited water must be delivered to the environment.

Es ist aus dem allgemeinen Stand der Technik bei Brennstoffzellensystemen, und hier insbesondere bei Brennstoffzellensystemen in Transportmitteln, wie beispielsweise Kraftfahrzeugen, bekannt, dass die von der Brennstoffzelle erzeugte Abwärme im Allgemeinen sehr schwer wegzukühlen ist. Aufgrund der, im Vergleich zu einem Verbrennungsmotor, sehr viel niedrigeren Temperatur einer Brennstoffzelle sind weitaus größere Kühlflächen zum Kühlen der Abwärme einer Brennstoffzelle notwendig, als dies bei einer Verbrennungskraftmaschine der Fall ist. Damit stellt die Kühlung einer Brennstoffzelle, insbesondere in Transportmitteln, immer eine besondere Herausforderung dar.It is from the general state of the art in fuel cell systems, and here especially in fuel cell systems in means of transport, such as automobiles, known to be powered by the fuel cell Generated waste heat is generally very difficult to cool off is. Because of, compared to an internal combustion engine, very much much lower temperature of a fuel cell are much larger Cooling surfaces for cooling the waste heat a fuel cell necessary, as in an internal combustion engine the case is. Thus, the cooling of a fuel cell, especially in means of transport, always a special challenge represents.

Es ist daher die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung, den oben genannten Aufbau dahingehend zu verbessern, dass Wasser, welches im Wasserabscheider an verschiedenen Stellen des Brennstoffzellensystems gesammelt wird, in dampfförmigem Zustand an die Umgebung abgegeben werden kann, und dass außerdem der Kühlkreislauf des Brennstoffzellensystems entlastet wird.It is therefore the object of the present invention, the above mentioned structure to improve that water, which in the water separator at various points of the fuel cell system is collected, in a vaporous state to the environment can be discharged, and that also the cooling circuit the fuel cell system is relieved.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Brennstoffzellensystems sind in den Unteransprüchen beschrieben. Eine vorteilhafte Verwendung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems ergibt sich aus Anspruch 10.According to the invention this task by a fuel cell system with the features dissolved in the characterizing part of claim 1. advantageous Embodiments of the fuel cell system are in the subclaims described. An advantageous use of the fuel cell system according to the invention arises from claim 10.

Dadurch, dass die Flüssigkeit aus den Flüssigkeitsabscheidern zumindest teilweise einer Seite eines Wärmetauschers zuführbar ist, welcher auf der anderen Seite von der verdichtenden Luft durchströmt ist, wird Wärme aus der verdichteten Luft direkt in die Flüssigkeit eingetragen. Dadurch kommt es einerseits zu einer Verdampfung der Flüssigkeit bzw. eines Großteils der Flüssigkeit und andererseits wird die nach dem Verdichten sehr heiße Luft durch diese Verdampfung von Flüssigkeit effizient gekühlt. Damit kann entweder ganz auf einen Ladeluftkühler verzichtet werden, oder dieser kann entsprechend entlastet werden, sodass der Kühlkreislauf des Brennstoffzellensystems an sich entlastet wird und mit weniger Kühlfläche auskommt. Andererseits wird das flüssige Wasser aus den Flüssigkeitsabscheidern im Bereich des Wärmetauschers verdampft, und kann danach als Dampf an die Umgebung des Brennstoffzellensystems abgegeben werden.Thereby, that the liquid from the liquid separators at least partially fed to one side of a heat exchanger is, which flows through on the other side of the condensing air is, heat from the compressed air directly into the Liquid entered. This happens on the one hand an evaporation of the liquid or a large part the liquid and on the other hand, after the compression very hot air due to this evaporation of liquid efficiently cooled. This can be waived entirely on a charge air cooler be, or this can be relieved accordingly, so that the Relieves the cooling circuit of the fuel cell system in itself and gets by with less cooling surface. on the other hand the liquid water gets out of the liquid separators evaporates in the area of the heat exchanger, and can thereafter delivered as a vapor to the environment of the fuel cell system become.

Der erfindungsgemäße Aufbau des Brennstoffzellensystems ermöglicht also einerseits eine Entlastung des Kühlkreislaufs des Brennstoffzellensystems und andererseits ein Verdampfen der in den Flüssigkeitsabscheidern gesammelten Flüssigkeit, sodass diese dampfförmig an die Umgebung gelangt und nicht als Flüssigkeit aus dem Brennstoffzellensystem herausläuft.Of the Inventive structure of the fuel cell system So on the one hand allows a relief of the cooling circuit the fuel cell system and on the other hand evaporation of the in the liquid separators collected liquid, so this comes in vaporous form to the environment and not as Liquid from the fuel cell system runs out.

Dies kann insbesondere beim Einsatz in Transportmitteln, wie beispielsweise in Kraftfahrzeugen, Flugzeugen oder dergleichen sinnvoll sein, da in derartigen fahrbaren Transportmitteln der Austritt von Flüssigkeit häufig unerwünscht oder aufgrund gesetzlicher Vorschriften nicht erlaubt ist. Der Grund hierfür liegt häufig in Sicherheitsvorschriften, welche ein Benetzen der Fahrwege mit flüssigem oder bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts eventuell sogar gefrierender Flüssigkeit, insbesondere Wasser, verhindern wollen, um andere Verkehrsteilnehmer nicht zu gefährden.This especially when used in means of transport, such as in motor vehicles, aircraft or the like to be useful because in such mobile transport the escape of liquid often unwanted or due to legal Regulations are not allowed. The reason is often in safety regulations, which wetting the routes with liquid or at temperatures below the freezing point of possibly even freezing liquid, especially water, want to prevent other road users not to endanger.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und werden anhand des Ausführungsbeispiels deutlich, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figur erläutert wird.Further advantageous embodiments of the invention will become apparent from the Subclaims and are based on the embodiment clearly, which will be explained below with reference to the figure becomes.

Die einzige beigefügte Figur zeigt eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems.The only attached figure shows a schematic representation a fuel cell system.

In der einzigen beigefügten Figur ist ein Brennstoffzellensystem 1 schematisch angedeutet. Es kann sich dabei insbesondere um das Brennstoffzellensystem 1 in einem Transportmittel, beispielsweise einem Kraftfahrzeug, handeln. Das Brennstoffzellensystem 1 kann dort zur Erzeugung von Vortriebsenergie ebenso eingesetzt werden, wie zur Bereitstellung von elektrischer Energie, welche beispielsweise für elektrische Nebenverbraucher in dem Kraftfahrzeug Verwendung findet. Das Brennstoffzellensystem 1 weist eine Niedertemperatur-Brennstoffzelle 2 auf, welche beispielsweise als PEM-Brennstoffzelle ausgebildet sein kann. Die Brennstoffzelle 2 weist einen Kathodenbereich 3 und einen Anodenbereich 4 auf, welche entsprechend dem oben dargestellten Beispiel von einer PE-Membran getrennt sind.In the single attached figure is a fuel cell system 1 indicated schematically. It may be in particular the fuel cell system 1 in a means of transport, for example a motor vehicle. The fuel cell system 1 can there be used to generate propulsion energy as well as to provide electrical energy, which is used for example for electrical auxiliary consumers in the motor vehicle. The fuel cell system 1 has a low-temperature fuel cell 2 on, which may be formed for example as a PEM fuel cell. The fuel cell 2 has a cathode area 3 and an anode region 4 which are separated according to the example shown above from a PE membrane.

Die Versorgung des Kathodenbereichs 3 mit einem sauerstoffhaltigen Medium erfolgt typischerweise mit Luft, welche über einen Verdichter 5 bereitgestellt und auf das benötigte Druckniveau verdichtet wird. Die Abluft aus dem Kathodenbereich 3 gelangt dann wieder in die Umgebung, wobei sie in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel eine Turbine 6 durchströmt, über welche Wärme und Druckenergie aus dem aus dem Kathodenbereich 3 strömenden Abgas zurück gewonnen werden. Die Turbine 6 kann die so zurück gewonnene Energie als mechanische Energie entweder dem Verdichter 5 zur Verfügung stellen, wie es hier angedeutet ist, oder sie könnte gemeinsam mit dem Verdichter 5 auf eine hier nicht dargestellte elektrische Maschine wirken, welche in an sich bekannter Weise den Verdichter 5 zusammen mit der Turbine 6 antreibt, und welche bei Energieüberschuss von der Turbine 6 generatorisch angetrieben werden kann, um elektrische Energie zu erzeugen.The supply of the cathode area 3 with an oxygen-containing medium is typically carried out with air, which via a compressor 5 provided and compressed to the required pressure level. The exhaust air from the cathode area 3 then returns to the environment, where they in the embodiment shown here, a turbine 6 flows through which heat and pressure energy from the out of the cathode area 3 be recovered back flowing gas. The turbine 6 The energy thus recovered can be used as mechanical energy either to the compressor 5 provide as indicated here, or they could work together with the compressor 5 act on an electric machine, not shown here, which in a conventional manner the compressor 5 together with the turbine 6 drives, and which at energy surplus from the turbine 6 can be driven as a generator to generate electrical energy.

Der Anodenbereich 4 der Brennstoffzelle 2 wird in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel aus einer Wasserstoffspeichereinrichtung 7 mit Wasserstoff versorgt. Unverbrauchter Wasserstoff wird nach dem Durchströmen des Anodenbereichs 4 über eine Rezirkulationsleitung 8 und eine Rezirkulationsfördereinrichtung 9 zusammen mit frischem Wasserstoff aus der Wasserstoffspeichereinrichtung 7 wieder dem Anodenbereich 4 zugeführt.The anode area 4 the fuel cell 2 is in the embodiment shown here from a hydrogen storage device 7 supplied with hydrogen. Unused hydrogen becomes after passing through the anode area 4 via a recirculation line 8th and a recirculation conveyor 9 together with fresh hydrogen from the hydrogen storage device 7 again the anode area 4 fed.

Ferner weist das Brennstoffzellensystem 1 in an sich bekannter Weise einen Befeuchter 10 auf, welcher die zu dem Kathodenbereich 3 strömende Zuluft durch die von dem Kathodenbereich 3 abströmende Abluft entsprechend befeuchtet. Typischerweise sind derartige Befeuchter 10 so ausgerüstet, dass sie die beiden Stoffströme über eine für Wasserdampf durchlässige Membran voneinander trennen, sodass Wasserdampf aus der feuchten Abluft des Kathodenbereichs 3 in die trockene Zuluft zu dem Kathodenbereich 3 übertragen werden kann. Außerdem ist in dem Brennstoffzellensystem 1 ein Ladeluftkühler 11 zu erkennen, welcher die nach dem Verdichter 5 sehr heiße Zuluft zu dem Kathodenbereich 3 auf ein Temperaturniveau kühlt, welches für den Kathodenbereich 3 der Niedertemperatur-Brennstoffzelle 2 verträglich ist, ohne diesen, und hier insbesondere die Membranen, entsprechend zu schädigen. Der Ladeluftkühler 11 ist, wie auch die Brennstoffzelle 2 selbst, Teil eines Kühlkreislaufs 12, welcher hier nur schematisch angedeutet ist. Im Kühlkreislauf 12 wird über einen Kühlwärmetauscher 13, welcher beispielsweise beim Einsatz in einem Fahrzeug der übliche Fahrzeugkühler sein kann, die im Bereich des Ladeluftkühlers 11 und im Bereich der Brennstoffzelle 2 anfallende Abwärme an die Umgebung des Brennstoffzellensystems 1 abgegeben.Furthermore, the fuel cell system 1 in a conventional manner, a humidifier 10 on which the to the cathode area 3 flowing supply air through the from the cathode area 3 the exhaust air is humidified accordingly. Typically, such humidifiers 10 equipped so that they separate the two streams over a permeable to water vapor membrane, so that water vapor from the moist exhaust air of the cathode area 3 into the dry supply air to the cathode area 3 can be transferred. In addition, in the fuel cell system 1 a charge air cooler 11 to recognize which after the compressor 5 very hot supply air to the cathode area 3 cooled to a temperature level, which for the cathode area 3 the low-temperature fuel cell 2 is compatible, without damaging it, and in particular the membranes accordingly. The intercooler 11 is like the fuel cell 2 itself, part of a refrigeration cycle 12 , which is indicated here only schematically. In the cooling circuit 12 is via a cooling heat exchanger 13 which, for example, when used in a vehicle can be the usual vehicle radiator, which in the area of the intercooler 11 and in the area of the fuel cell 2 accumulating waste heat to the environment of the fuel cell system 1 issued.

In dem Brennstoffzellensystem 1 sind außerdem diverse Flüssigkeitsabscheider 14.1, 14.2, 14.3 und 15 zu erkennen. Diese Flüssigkeitsabscheider 14, 15 sind dabei an beispielhaften Positionen angedeutet. Sie müssen nicht zwingend an diesen Positionen sitzen, und sie müssen ebenfalls nicht zwingend in der hier vorhandenen Zahl vorhanden sein. Es wäre durchaus denkbar, dass lediglich einer oder zwei der Flüssigkeitsabscheider 14, 15 vorhanden wären, oder, dass alternativ dazu, mehr Flüssigkeitsabscheider als dargestellt in dem Brennstoffzellensystem 1 ausgebildet sind.In the fuel cell system 1 are also various liquid separator 14.1 . 14.2 . 14.3 and 15 to recognize. These liquid separators 14 . 15 are indicated in exemplary positions. You do not necessarily have to sit in these positions, and they also do not necessarily have to be present in the number available here. It would be quite possible that only one or two of the liquid separator 14 . 15 would be present, or, alternatively, more liquid separators than shown in the fuel cell system 1 are formed.

Der Flüssigkeitsabscheider 14.1 an der Position unmittelbar vor dem Kathodenbereich 3 kann dazu dienen, Tröpfchen abzuscheiden, welche sich nach der Befeuchtung in der Zuluft zu dem Kathodenbereich 3 ansammeln. Diese Tröpfchen könnten im Bereich des Kathodenbereichs 3 beispielsweise die Zuleitung der Zuluft zu den Membranen in einem so genannten Flow-Field behindern. Daher kann die Flüssigkeit in diesem Bereich durch den Flüssigkeitsabscheider 14.1 abgeschieden werden. Der Flüssigkeitsabscheider 14.2 ist in dem Brennstoffzellensystem 1 sehr wichtig. Er ist am Austritt der Abluft aus dem Kathodenbereich 3 angeordnet. Diese Abluft wird einen großen Teil des in der Brennstoffzelle 2, bei der chemischen Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff, entstehenden Produktwassers mit sich führen. Im Bereich des Flüssigkeitsabscheiders 14.2 wird sich also eine große Menge an flüssigem Wasser ansammeln. Der Flüssigkeitsabscheider 14.3 ist insbesondere dann sinnvoll und notwendig, wenn eine Turbine 6 in dem Brennstoffzellensystem 1 genutzt wird. Er verhindert nämlich, dass flüssige Tröpfchen in den Bereich der Turbine 6 gelangen. Da eine derartige Turbine 6 mit sehr hohen Drehzahlen von mehreren 10.000 U/min läuft, könnten hier flüssige Tröpfchen zu einer Beschädigung von laufenden Bauteilen der Turbine 6 führen.The liquid separator 14.1 at the position immediately before the cathode area 3 can serve to separate droplets, which after moistening in the supply air to the cathode area 3 accumulate. These droplets could be in the area of the cathode area 3 For example, hinder the supply of air to the membranes in a so-called flow field. Therefore, the liquid in this area through the liquid separator 14.1 be deposited. The liquid separator 14.2 is in the fuel cell system 1 very important. He is at the exit of the exhaust air from the cathode area 3 arranged. This exhaust air is a big part of the fuel cell 2 , in the chemical reaction of hydrogen and oxygen, resulting product water with it. In the area of the liquid separator 14.2 will therefore accumulate a large amount of liquid water. The liquid separator 14.3 is particularly useful and necessary if a turbine 6 in the fuel cell system 1 is being used. It prevents liquid droplets in the area of the turbine 6 reach. Because such a turbine 6 Running at very high speeds of several 10,000 rpm, liquid droplets could cause damage to the running components of the turbine 6 to lead.

Der letzte hier dargestellte Flüssigkeitsabscheider 15 ist im Bereich des Anodenbereichs 4 angeordnet. Auch in der Anode bildet sich bis zu einem gewissen Grad Produktwasser, welches über den Flüssigkeitsabscheider 15 abgeschieden werden kann. Durch diesen Flüssigkeitsabscheider 15 wird außerdem verhindert, dass flüssige Tröpfchen in den Bereich der Rezirkulationsfördereinrichtung 9 gelangen und deren Betrieb nachteilig beeinflussen.The last liquid separator shown here 15 is in the range of the anode area 4 arranged. Also in the anode, product water is formed to some degree, which is via the liquid separator 15 can be deposited. Through this liquid separator 15 It also prevents liquid droplets from entering the area of the recirculation conveyor 9 arrive and affect their operation adversely.

Jeder der Flüssigkeitsabscheider 14, 15 kann insbesondere mit einer hier nicht dargestellten Ventileinrichtung versehen sein, sodass die Flüssigkeitsabscheider 14, 15 beispielsweise in Abhängigkeit der Betriebszeit oder auch in Abhängigkeit eines, über Sensoren erfassten oder über eine Simulation errechneten, Füllstandes entsprechend entleert werden kann. Hierfür weist jeder der Flüssigkeitsabscheider 14, 15 eine entsprechende Ableitung auf, welche sich in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel des Brennstoffzellensystems 1 im Bereich eines Zwischenspeichers 16 treffen. In diesem Zwischenspeicher 16 sammelt sich somit die Flüssigkeit, im Allgemeinen Wasser, aus dem Bereich aller Flüssigkeitsabscheider 14, 15. Der Bereich 16 muss dabei nicht zwingend als Zwischenspeicher 16 ausgebildet sein, eine reine Zusammenführung der Leitungen aus den einzelnen Flüssigkeitsabscheidern 14, 15 wäre ebenso denkbar. Aus dem Bereich des Zwischenspeichers 16 gelangt die Flüssigkeit dann in den Bereich eines Wärmetauschers 17. Anstelle des Sammelns der Leitungen im Bereich 16 wäre es selbstverständlich auch denkbar, die Flüssigkeit aus den einzelnen Flüssigkeitsabscheidern 14, 15 direkt in den Bereich des Wärmetauschers 17 zu leiten, ohne diese zuvor zu sammeln.Each of the liquid separators 14 . 15 can be provided in particular with a valve device, not shown here, so that the liquid separator 14 . 15 For example, depending on the operating time or depending on one, detected by sensors or calculated via a simulation, fill level can be emptied accordingly. For this purpose, each of the liquid separator 14 . 15 a corresponding derivation, which is in the embodiment of the fuel cell system shown here 1 in the area of a cache 16 to meet. In this cache 16 Thus, the liquid, generally water, collects from the area of all liquid separators 14 . 15 , The area 16 does not necessarily have to be a cache 16 be formed, a pure merger of the lines from the individual Flüssigkeitsabscheidern 14 . 15 would be just as conceivable. From the area of the cache 16 then the liquid enters the area of a heat exchanger 17 , Instead of collecting the wires in the area 16 it would of course also conceivable, the liquid from the individual Flüssigkeitsabscheidern 14 . 15 directly into the area of the heat exchanger 17 to manage without collecting them first.

In dem Wärmetauscher 17 wird die Flüssigkeit nun auf einer Seite des Wärmetauschers 17 eingebracht. Auf der anderen Seite wird der Wärmetauscher 17 von heißer verdichteter Zuluft aus dem Verdichter 5 durchströmt. In dem Wärmetauscher 17 gelangt also die Wärme aus der heißen verdichteten Zuluft in den Bereich der abgeschiedenen Flüssigkeit. Die Flüssigkeit wird in dem Wärmetauscher 17 verdampft. Der Dampf kann dann an die Umgebung abgelassen werden oder kann beispielsweise mit der Abluft aus der Turbine 6 gemischt und dann in die Umgebung abgelassen werden. Durch die Verdampfung der Flüssigkeit aus den Flüssigkeitsabscheidern 14, 15 wird erreicht, dass keine Flüssigkeit in flüssigem Zustand an die Umgebung des Brennstoffzellensystems 1 abgegeben wird, sondern dass lediglich Dampf aus dem Brennstoffzellensystem 1 in den Bereich der Umgebung gelangt. Dieser Dampf, welcher typischerweise in der Atmosphäre aufsteigt, ist dabei weniger kritisch als Flüssigkeit, welche den Bereich unterhalb des Austritts und damit im Allgemeinen unterhalb des Brennstoffzellensystems 1 benetzen würde.In the heat exchanger 17 the liquid is now on one side of the heat exchanger 17 brought in. On the other side is the heat exchanger 17 hot compressed supply air from the compressor 5 flows through. In the heat exchanger 17 Thus, the heat from the hot compressed supply air reaches the area of the separated liquid. The liquid is in the heat exchanger 17 evaporated. The steam can then be discharged to the environment or, for example, with the exhaust air from the turbine 6 mixed and then drained into the environment. By evaporation of the liquid from the liquid separators 14 . 15 It is achieved that no liquid in a liquid state to the environment of the fuel cell system 1 is discharged, but that only steam from the fuel cell system 1 enters the area of the environment. This vapor, which typically rises in the atmosphere, is less critical than liquid, which is the area below the outlet and thus generally below the fuel cell system 1 would wet.

Außerdem wird durch das Verdampfen der Flüssigkeit im Wärmetauscher 17 erreicht, dass die nach dem Verdichter 5 sehr heiße Zuluft zu dem Kathodenbereich 3 der Brennstoffzelle 2 entsprechend gekühlt wird, sodass in dem Ladeluftkühler 11 eine deutlich geringere Abkühlung der Zuluft erfolgen muss. Dadurch wird der Kühlkreislauf 12 des Brennstoffzellensystems 1 entsprechend entlastet und kleinere Flächen des Kühlwärmetauschers 13 können bereits ausreichen, um die Abwärme der Brennstoffzelle 2 in allen Betriebssituationen sicher abzuführen.In addition, by the evaporation of the liquid in the heat exchanger 17 achieved that after the compressor 5 very hot supply air to the cathode area 3 the fuel cell 2 is cooled accordingly, so in the intercooler 11 a significantly lower cooling of the supply air must be made. This will make the cooling circuit 12 of the fuel cell system 1 correspondingly relieved and smaller areas of the cooling heat exchanger 13 can already be enough to reduce the waste heat of the fuel cell 2 safely dissipate in all operating situations.

Der Wärmetauscher 17 kann als Teilbereich des Ladeluftkühlers 11 ausgeführt sein bzw. mit diesem zusammen in einem Bauteil realisiert werden. Dies hat insbesondere hinsichtlich des Packagings und hinsichtlich der Anzahl der verwendeten Bauteile entsprechende Vorteile. Es wäre jedoch auch denkbar, den Wärmetauscher 11 komplett getrennt vom Ladeluftkühler 11 auszuführen, wenn dies zweckdienlich erscheint.The heat exchanger 17 can be used as part of the intercooler 11 be executed or realized together with this in a component. This has particular advantages in terms of packaging and in terms of the number of components used. However, it would also be possible to use the heat exchanger 11 completely separate from the intercooler 11 if deemed appropriate.

Je nach anfallender Menge an abgeschiedener Flüssigkeit wäre es auch denkbar, auf den Ladeluftkühler 11 in bestimmten Systemen gänzlich zu verzichten, da durch das Verdampfen der Flüssigkeit im Bereich des Wärmetauschers 17 der verdichteten Luft eine sehr hohe Mengen an Wärme entzogen werden kann. Da typischerweise bei höheren Leistungen nicht nur ein höherer Luftbedarf auftritt, sondern auch eine höhere Menge an Produktwasser anfällt, wäre es durchaus denkbar, insbesondere in Systemen, welche hinsichtlich von Temperaturschwankungen der Zuluft vergleichsweise tolerant sind, auf einen Ladeluftkühler 11 gänzlich zu verzichten. Bei einem derartigen Aufbau wäre es sinnvoll, den Bereich des Zwischenspeichers 16 in jedem Fall als echten Zwischenspeicher 16 auszubilden. Dieser kann insbesondere so angeordnet werden, dass er so über dem Wärmetauscher 17 liegt, dass eine Förderung der Flüssigkeit in dem Bereich des Wärmetauschers 17 über die Schwerkraft erfolgen kann. Alternativ dazu wäre jedoch auch ein entsprechendes Fördermittel denkbar, oder die Flüssigkeit kann von im Bereich der Flüssigkeitsabscheider befindlichen Gasen, welche gegenüber der Umgebung natürlich unter einem erhöhten Druck stehen, in den Bereich des Zwischenspeichers und von dort weiter in den Bereich des Wärmetauschers 17 gefördert werden.Depending on the amount of liquid deposited, it would also be conceivable to charge the intercooler 11 to completely dispense in certain systems, as by the evaporation of the liquid in the area of the heat exchanger 17 The compressed air can be deprived of a very high amount of heat. Since typically at higher powers not only a higher air requirement occurs, but also generates a higher amount of product water, it would be quite conceivable, especially in systems that are relatively tolerant of temperature fluctuations of the supply air, on a charge air cooler 11 completely renounce. In such a structure, it would be useful to the area of the cache 16 in any case as a real cache 16 train. This can be arranged in particular so that it is above the heat exchanger 17 lies that a promotion of the liquid in the area of the heat exchanger 17 can be done by gravity. Alternatively, however, a corresponding conveying means would also be conceivable, or the liquid may be in the region of the intermediate store and from there further into the area of the heat exchanger from gases located in the region of the liquid separator, which naturally are under increased pressure with respect to the environment 17 be encouraged.

Wenn über einen Zwischenspeicher 16 eine entsprechende Menge an auskondensierter Flüssigkeit zur Verfügung steht, so kann diese auch verwendet werden, um im Bereich des Wärmetauschers 17 eine gezielte Kühlung der über den Verdichter 5 verdichteten Zuluft zu realisieren. Hierfür kann in der Zuleitung der Flüssigkeit zu dem Wärmetauscher 17 eine entsprechende Einrichtung zur Variation des Durchflusses angeordnet werden. Eine solche Einrichtung könnte beispielsweise ein Proportionalventil oder ein getaktetes Ventil sein. Beim Einsatz einer entsprechenden Fördereinrichtung wäre es auch denkbar, diese drehzahlvariabel auszugestalten. Alternativ oder ergänzend dazu, kann auch ein Teil der Zuluft und/oder der Flüssigkeit in einem Bypass um den Wärmetauscher 17 herumgeführt werden, sodass die Menge des mit der heißen Zuluft in Verbindung kommenden flüssigen Kondensats jeweils so angepasst werden kann, dass die gewünschte Kühlwirkung der verdichteten Zuluft erzielt wird.If through a cache 16 an appropriate amount of condensed liquid is available, so this can also be used to in the region of the heat exchanger 17 a targeted cooling of the compressor 5 to realize compressed supply air. For this purpose, in the supply of the liquid to the heat exchanger 17 a corresponding device for varying the flow can be arranged. Such a device could for example be a proportional valve or a clocked valve. When using a corresponding conveyor, it would also be possible to design these variable speed. Alternatively or additionally, also a part of the supply air and / or the liquid in a bypass around the heat exchanger 17 be guided around so that the amount of liquid condensate coming into contact with the hot supply air can each be adjusted so that the desired cooling effect of the compressed supply air is achieved.

Insbesondere im Bereich des Flüssigkeitsabscheiders 15 in der Rezirkulationsleitung 8 um den Anodenbereich 4 kann neben der Flüssigkeit auch Gas mit abgelassen werden, welches sich im Bereich der Rezirkulationsleitung 8 befindet. Dies kann beispielsweise Stickstoff sein, welcher durch die Membranen der Brennstoffzelle 2 hindurch in den Anodenbereich 4 diffundiert, und welcher sich durch die Kreislaufführung der Anodengase dort anreichert. Zusammen mit der Flüssigkeit kann dieses Gas, welches typischerweise auch immer einen kleinen Anteil an Wasserstoff enthalten wird, ebenfalls in den Bereich des Zwischenspeichers 16 und des Wärmetauschers 17 gelangen. Um zu verhindern, dass Wasserstoff mit der verdampften Flüssigkeit an die Umgebung gelangt, wäre es denkbar, im Bereich des Zwischenspeichers 16 oder des Wärmetauschers 17, und hier insbesondere im Bereich des Wärmetauschers 17, ein katalytisches Material bzw. eine Katalysator anzuordnen, an welchem der Wasserstoff mit Restsauerstoff, welcher über einen der Flüssigkeitsabscheider 14 ebenfalls in diesen Bereich gelangen wird, abreagieren kann. Dadurch kann eine unerwünschte Emission von Wasserstoff in die Umgebung des Brennstoffzellensystems 1 verhindert werden. Die bei der Reaktion entstehende Wärme dient ebenfalls zur Verdampfung der abgeschiednen Flüssigkeit.Especially in the area of the liquid separator 15 in the recirculation line 8th around the anode area 4 In addition to the liquid also gas can be drained with, which is located in the recirculation line 8th located. This can be, for example, nitrogen, which passes through the membranes of the fuel cell 2 through into the anode area 4 diffuses, and which accumulates there by the circulation of the anode gases. Together with the liquid, this gas, which will typically also always contain a small amount of hydrogen, also in the region of the buffer 16 and the heat exchanger 17 reach. In order to prevent hydrogen from getting into the environment with the evaporated liquid, it would be conceivable in the area of the intermediate storage 16 or the heat exchanger 17 , and in particular in the area of the heat exchanger 17 to arrange a catalytic material or a catalyst, on which the hydrogen with residual oxygen, which via one of the liquid separator 14 also get into this area, can abreact. This can cause unwanted emission of hydrogen into the environment of the fuel cell system 1 be prevented. The heat generated during the reaction also serves to evaporate the separated liquid.

Grundsätzlich ist dieser Aufbau des Brennstoffzellensystems 1 für alle Brennstoffzellensysteme denkbar. Seine bevorzugte Anwendung liegt jedoch in der Verwendung in einem Transportmittel, wie beispielsweise einem Kraftfahrzeug oder dergleichen. Hier ist es, wie bereits mehrfach erwähnt, besonders wichtig, kein flüssiges Wasser an die Umgebung gelangen zu lassen und außerdem eine gute Kühlleitung des Systems zu realisieren.Basically, this structure of the fuel cell system 1 conceivable for all fuel cell systems. However, its preferred application is in use in a means of transportation such as a motor vehicle or the like. Here it is, as already mentioned several times, particularly important not to let liquid water get to the environment and also to realize a good cooling line of the system.

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Claims (10)

Brennstoffzellensystem mit einer Niedertemperatur-Brennstoffzelle, welche kathodenseitig mit verdichteter Luft betreibbar ist, wobei in den Gasströmen von und/oder zu der Niedertemperatur-Brennstoffzelle Flüssigkeitsabscheider angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass Flüssigkeit aus den Flüssigkeitsabscheidern (14, 15) zumindest teilweise einer Seite eines Wärmetauschers (17) zuführbar ist, welcher auf seiner anderen Seite von der verdichteten Luft durchströmt ist.Fuel cell system with a low-temperature fuel cell, which is operable on the cathode side with compressed air, wherein in the gas streams of and / or to the low-temperature fuel cell liquid separator are arranged, characterized in that liquid from the liquid separators ( 14 . 15 ) at least partially one side of a heat exchanger ( 17 ) is fed, which is flowed through on its other side of the compressed air. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die eine Seite des Wärmetauschers (17) mit der Umgebung in Verbindung steht.Fuel cell system according to claim 1, characterized in that the one side of the heat exchanger ( 17 ) communicates with the environment. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeitsabscheider (14, 15) mit einem Sammelbehälter (16) verbunden sind, welcher über die eine Seite des Wärmetauschers (17) mit der Umgebung in Verbindung steht.Fuel cell system according to claim 1, characterized in that the liquid separator ( 14 . 15 ) with a collecting container ( 16 ) are connected, which on one side of the heat exchanger ( 17 ) communicates with the environment. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die verdichtete Luft nach dem Wärmetauscher (17) einen Ladeluftkühler (11) durchströmt.Fuel cell system according to one of claims 1 to 3, characterized in that the compressed air after the heat exchanger ( 17 ) an intercooler ( 11 ) flows through. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (17) als Teilbereich des Ladeluftkühlers (11) ausgebildet ist.Fuel cell system according to claim 4, characterized in that the heat exchanger ( 17 ) as part of the intercooler ( 11 ) is trained. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuleitung der Flüssigkeit zum Wärmetauscher (17) eine Einrichtung zur Variation des Durchflusses aufweist.Fuel cell system according to one of claims 1 to 5, characterized in that the supply line of the liquid to the heat exchanger ( 17 ) has a device for varying the flow. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur Variation des Durchflusses als Proportionalventil, getaktetes Ventil oder drehzahlvariable Fördereinrichtung ausgebildet ist.Fuel cell system according to claim 6, characterized in that in that the device for varying the flow rate as a proportional valve, clocked valve or variable speed conveyor formed is. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur Variation des Durchflusses als Bypassleitung der Zuluft und/oder der Flüssigkeit um den Wärmetauscher (17) ausgebildet ist.Fuel cell system according to claim 6 or 7, characterized in that the means for varying the flow as a bypass line of the supply air and / or the liquid around the heat exchanger ( 17 ) is trained. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eines der Bauteile zwischen dem Flüssigkeitsabscheider (15) und dem Wärmetauscher (17) und/oder der Wärmetauscher (17) ein katalytisches Material aufweist.Fuel cell system according to one of claims 1 to 8, characterized in that one of the components between the liquid separator ( 15 ) and the heat exchanger ( 17 ) and / or the heat exchanger ( 17 ) comprises a catalytic material. Verwendung eines Brennstoffzellensystems nach einem der Ansprüche 1 bis 9 in einem Transportmittel.Use of a fuel cell system after a of claims 1 to 9 in a means of transport.
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