DE102010001221A1 - Method for conditioning input material flow of fuel cell of fuel cell system in vehicle, involves driving turbine by starting material current of cell under normal conditions so that input material flow is compressed by compression unit - Google Patents

Method for conditioning input material flow of fuel cell of fuel cell system in vehicle, involves driving turbine by starting material current of cell under normal conditions so that input material flow is compressed by compression unit Download PDF

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Mario 76473 Neubauer
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Abstract

The method involves compressing input material flow of a fuel cell (11) of a fuel cell system by a compression unit (21) arranged with an electrical operated compressor (22). The compression unit is driven by a turbine (31), and the turbine is driven by a starting material current of the fuel cell under normal conditions so that input material flow is compressed by the compression unit. An exhaust valve (32) is opened, and output stream exits the fuel cell system in direction of flow viewed before the turbine. An independent claim is also included for a supply and discharge system for conditioning an input material flow of a fuel cell of a fuel cell system.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Konditionieren eines Eingangsstoffstromes mindestens einer Brennstoffzelle eines Brennstoffzellensystems, gemäß dem Anspruch 1. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Zufuhr- und Abfuhrsystem gemäß dem unabhängigen Anspruch 4.The invention relates to a method for conditioning an input material flow of at least one fuel cell of a fuel cell system, according to claim 1. Furthermore, the invention relates to a supply and discharge system according to independent claim 4.

Stand der TechnikState of the art

Um eine Brennstoffzelle betreiben zu können, müssen ein Brennstoff einer Anode und ein Oxidationsmittel einer Kathode der Brennstoffzelle zugeführt werden. Hierbei wird häufig zumindest das Oxidationsmittel komprimiert. Das Oxidationsmittel kann beispielsweise Sauerstoff enthaltene Luft sein.In order to operate a fuel cell, a fuel of an anode and an oxidant of a cathode of the fuel cell must be supplied. In this case, at least the oxidizing agent is often compressed. The oxidizing agent may be, for example, oxygen-containing air.

Die Schrift DE 10 2004 051 359 A1 offenbart ein mehrstufiges Kompressorsystem, das Luft einem Brennstoffzellenstapel in einem Fahrzeug zuführt. Hierbei wird die Luft durch einen ersten Kompressor, der mit einem Elektromotor angetrieben wird, komprimiert. Bei nur 10–20% der Fahrtzeit wird zusätzlich die Luft in einem zweiten Kompressor komprimiert. Der zweite Kompressor weist eine Kompressionseinheit und eine Expansionseinrichtung auf, wobei die Kompressionseinheit durch eine von einem Abgasstrom betriebenen Expansionseinrichtung angetrieben wird. Die 10–20% der Fahrtzeit, in der die Luft zusätzlich in der Kompressionseinheit komprimiert wird, zeichnen sich dadurch aus, dass das Fahrzeug in dieser Fahrtzeit zusätzliche elektrische Energie benötigt. Nachteilig hierbei ist, dass bei der überwiegenden Fahrtzeit der Brennstoffzelle die Enthalpie des Abgases nicht verwendet wird. Weiterhin ist es nachteilig, dass gerade, wenn eine zusätzliche Energie benötigt wird und die Kompressionsleistung des Kompressorsystems schnell ansteigen soll, der zweite Kompressor verwendet wird, da der zweite Kompressor auf Grund der Expansionseinrichtung ein hohes Massenträgheitsmoment aufweist.The font DE 10 2004 051 359 A1 discloses a multi-stage compressor system that supplies air to a fuel cell stack in a vehicle. Here, the air is compressed by a first compressor, which is driven by an electric motor. With only 10-20% of the journey time, the air is additionally compressed in a second compressor. The second compressor has a compression unit and an expansion device, wherein the compression unit is driven by an expander operated by an exhaust gas flow. The 10-20% of the travel time, in which the air is additionally compressed in the compression unit, is characterized by the fact that the vehicle requires additional electrical energy during this travel time. The disadvantage here is that the enthalpy of the exhaust gas is not used in the vast travel time of the fuel cell. Furthermore, it is disadvantageous that, especially when additional energy is required and the compression capacity of the compressor system is to increase rapidly, the second compressor is used because the second compressor has a high moment of inertia due to the expansion device.

Weiterhin ist bekannt, dass Luft für eine Brennstoffzelle durch einen elektrischen Turbokompressor, der sowohl durch einen elektrischen Motor als auch durch eine im Abgas angeordnete Turbine antreibbar ist, komprimiert werden kann. Hierbei ist ebenfalls u. a. nachteilig, dass die Forderung nach einer schnellen Erhöhung der Kompressorleistung durch ein hohes Massenträgheitsmoment des Turbokompressors, der mit der Turbine verbunden ist, schwer erfüllbar ist.Furthermore, it is known that air for a fuel cell can be compressed by an electric turbo-compressor, which can be driven both by an electric motor and by a turbine arranged in the exhaust gas. Here is also u. a. disadvantageous that the demand for a rapid increase in compressor power by a high moment of inertia of the turbocompressor, which is connected to the turbine, difficult to fulfill.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und ein Zufuhr- und Abfuhrsystem zum Konditionieren eines Eingangsstoffstromes bereitzustellen, das eine hohe Wirtschaftlichkeit aufweist. Zusätzlich soll das Verfahren und das Zufuhr- und Abfuhrsystem eine hohe Dynamik aufweisen.It is therefore an object of the invention to provide a method and a supply and discharge system for conditioning an input material stream having a high economy. In addition, the process and the supply and removal system should have high dynamics.

Zur Lösung der Aufgabe wird ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruches 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen des Verfahrens sind in den abhängigen Verfahrensansprüchen angegeben. Die Aufgabe wird weiterhin gelöst durch eine ein Zufuhr- und Abfuhrsystem mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 4. Vorteilhafte Weiterbildungen des Zufuhr- und Abfuhrsystem sind in den abhängigen Vorrichtungsansprüchen angegeben. Weiterhin wird ein Brennstoffzellensystem mit einem erfindungsgemäßen Zufuhr- und Abfuhrsystem unter Schutz gestellt. Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben sind, gelten dabei selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Zufuhr- und Abfuhrsystem und dem Brennstoffzellensystem und umgekehrt. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in Kombination erfindungswesentlich sein.To solve the problem, a method with the features of claim 1 is proposed. Advantageous developments of the method are specified in the dependent method claims. The object is further achieved by a supply and discharge system with the features of independent claim 4. Advantageous developments of the supply and discharge system are given in the dependent device claims. Furthermore, a fuel cell system is provided with a feed and discharge system according to the invention under protection. Features and details that are described in connection with the method according to the invention, of course, also apply in connection with the feed and discharge system according to the invention and the fuel cell system and vice versa. The features mentioned in the claims and in the description may each be essential to the invention individually or in combination.

Erfindungsgemäß ist ein Verfahren zum Konditionieren eines Eingangsstoffstromes mindestens einer Brennstoffzelle eines Brennstoffzellensystems vorgesehen, bei dem der Eingangsstoffstrom mit einem elektrisch betriebenen Kompressor komprimiert wird, und wobei der Eingangsstoffstrom mit einer Kompressionseinheit, die mit dem Kompressor strömungstechnisch in Reihe angeordnet ist, komprimierbar ist,
wobei die Kompressionseinheit durch eine Turbine antreibbar ist,
und wobei im Normalfall ein Ausgangsstoffstrom der Brennstoffzelle die Turbine antreibt, so dass die Kompressionseinheit den Eingangsstoffstrom komprimiert.According to the invention, a method for conditioning an input material flow of at least one fuel cell of a fuel cell system is provided, in which the input material flow is compressed with an electrically operated compressor, and wherein the input material flow is compressible with a compression unit, which is fluidically arranged in series with the compressor,
the compression unit being drivable by a turbine,
and wherein, normally, a fuel cell feedstock stream drives the turbine so that the compression unit compresses the feedstock stream.

Ein Eingangsstoffstrom wird vor dem Eintritt in eine Brennstoffzelle komprimiert. Hierzu ist sowohl ein Kompressor, der durch einen Elektromotor angetrieben wird, als auch eine Kompressionseinheit, die mit einer Turbine auf einer insbesondere gemeinsamen Welle gelagert ist und von der Turbine angetrieben wird, vorgesehen. Der Eingangsstoffstrom tritt in die Brennstoffzelle ein und wird in der Brennstoffzelle durch eine elektrochemische Reaktion verändert. Ein Ausgangsstoffstrom, der den chemisch veränderten Eingangsstoffstrom entsprechen oder ihn enthalten kann, verlässt die Brennstoffzeile wieder. Der Ausgangsstoffstrom kann die Turbine durchströmen und damit die Kompressionseinheit antreiben.An input stream is compressed prior to entry into a fuel cell. For this purpose, both a compressor which is driven by an electric motor, and a compression unit, which is mounted with a turbine on a particular common shaft and is driven by the turbine, provided. The input stream enters the fuel cell and is changed in the fuel cell by an electrochemical reaction. A feed stream that may or may be the same as the chemically altered feed stream leaves the fuel line again. The feed stream can flow through the turbine, driving the compression unit.

Beispielhaft kann der Eingangsstoffstrom Sauerstoff enthaltene Luft sein, die einer Kathode der Brennstoffzelle als Oxidationsmittel zugeführt wird. In der Brennstoffzelle reagiert der Sauerstoff zumindest teilweise mit einem Brennstoff, z. B. Wasserstoff, der einer Anode der Brennstoffzelle zur Verfügung gestellt wird, zu Wasser, das die Luft befeuchtet. Der Ausgangsstoffstrom kann z. B. der sauerstoffärmere und feuchtere Kathodenaustrittsstrom sein. Zusätzlich kann der Ausgangsstoffstrom einen Anodenaustrittsstrom beinhalten, in dem der nicht in der Brennstoffzelle umgesetzte Wasserstoff katalytisch nach Durchlaufen der Brennstoffzelle verbrannt worden ist. Der Anodenaustrittstrom kann durch die Verbrennung von Wasserstoff eine hohe Temperatur aufweisen. Daher wird der Kompressor, der elektronische Bauteile enthalten kann, bei einem Ausgangsstoffstrom, der den Anodenaustrittsstrom enthält, von der Turbine räumlich getrennt.By way of example, the input stream may be oxygen-containing air supplied to a cathode of the fuel cell as the oxidant. In the fuel cell, the oxygen reacts at least partially with a fuel, for. B. Hydrogen, which is provided to an anode of the fuel cell, to water, which humidifies the air. The starting material flow may, for. B. be the oxygen poorer and moister cathode exit stream. Additionally, the source stream may include an anode effluent stream in which the hydrogen not reacted in the fuel cell has been catalytically burned after passing through the fuel cell. The anode effluent stream may have a high temperature due to the combustion of hydrogen. Therefore, the compressor, which may contain electronic components, is spatially separated from the turbine at a source stream containing the anode effluent stream.

Der Ausgangsstoffstrom kann durch die elektrochemische und/oder chemische Reaktion als auch durch Feuchtigkeits- und Temperaturänderungen einen veränderten Druck als der Eingangsstoffstrom aufweisen, weist aber vor Eintritt in die Turbine einen höheren Druck als beim Verlassen der Turbine auf. Insbesondere entspricht der Druck nach dem Verlassen der Turbine einem Umgebungsdruck, wenn der Ausgangsstoffstrom nach der Turbine das Brennstoffzellensystem verlässt und als Abgas an die Umgebung abgegeben wird. Alternativ entspricht der Druck nach dem Verlassen der Turbine einem Druck, der vor einem Gegendruckventil, das in Strömungsrichtung hinter der Turbine angeordnet ist, herrscht. Eine Enthalpiedifferenz der Enthalpie des komprimierten Ausgangsstromes vor der Turbine und der Enthalpie des entspannten Ausgangsstoffstromes wird zum Antrieb der Turbine und damit indirekt zum Komprimieren des Eingangsstoffstromes genutzt.The feed stream may have a different pressure than the feed stream due to the electrochemical and / or chemical reaction as well as changes in humidity and temperature, but has a higher pressure before entering the turbine than when leaving the turbine. In particular, the pressure after leaving the turbine corresponds to an ambient pressure when the output flow to the turbine leaves the fuel cell system and is discharged as exhaust gas to the environment. Alternatively, the pressure after leaving the turbine corresponds to a pressure prevailing in front of a counter-pressure valve, which is arranged downstream of the turbine. An enthalpy difference of the enthalpy of the compressed output stream upstream of the turbine and the enthalpy of the relaxed starting material stream is used to drive the turbine and thus indirectly to compress the input stream.

Der Normalfall entspricht einem üblichen Betrieb der Brennstoffzelle zwischen Minimal- und Volllast und ist immer dann vorhanden, wenn ein Austritt des Ausgangsstroms durch die Turbine möglich und schnell genug ist. Im Normalfall wird der vollständige Ausgangsstoffstrom erfindungsgemäß immer durch die Turbine geleitet, wobei er die Turbine gemäß dem Wirkungsgrad der Turbine antreibt, so dass die Enthalpiedifferenz genutzt wird. Hierdurch steigt der Wirkungsgrad des Brennstoffzellensystems im Vergleich zum Stand der Technik aus der DE 10 2004 051 359 A1 an.The normal case corresponds to a normal operation of the fuel cell between minimum and full load and is always present when an exit of the output current through the turbine is possible and fast enough. In the normal case, according to the invention, the complete starting material stream is always passed through the turbine, whereby it drives the turbine in accordance with the efficiency of the turbine, so that the enthalpy difference is utilized. This increases the efficiency of the fuel cell system in comparison to the prior art from the DE 10 2004 051 359 A1 at.

Ausnahmesituationen, die von dem Normalfall abweichen, treten dann ein, wenn ein Austritt des Ausgangsstoffstroms durch die Turbine hindurch aus dem Brennstoffzellensystem unmöglich oder zu langsam ist. Zu den Ausnahmesituationen zählt zum Beispiel eine festgefrorene Turbine, wie sie z. B. bei einem Kaltstart eines mit einem Brennstoffzellensystem ausgestatteten Fahrzeuges vorkommt. Ist die Turbine nicht beweglich, so wird ein Großteil des Ausgangsstoffstromes an der Turbine vorbeigeleitet. Hierzu kann von einem Strömungspfad des Ausgangsstoffstroms, der durch die Turbine führt, ein weiterer Strömungspfad in Strömungsrichtung vor der Turbine abzweigen, in dem ein Auslassventil angeordnet ist. Ist die Turbine vereist, so wird das Auslassventil geöffnet und der Ausgangsstoffstrom verlässt vor der Turbine das Brennstoffzellensystem. Da bei dieser Anordnung der Strömungspfad zur Turbine nicht verschlossen wird, strömt ein geringer Teil des Ausgangsstoffstromes zur Turbine und taut diese auf. Eine Heizung für die Turbine kann so erfindungsgemäß entfallen. Ist die Turbine wieder beweglich, so kann das Auslassventil wieder verschlossen werden.Exceptional situations that deviate from the normal case occur when leakage of the starting material flow through the turbine out of the fuel cell system is impossible or too slow. One of the exceptional situations is, for example, a frozen turbine, as z. B. occurs during a cold start of a vehicle equipped with a fuel cell system. If the turbine is not movable, a large part of the starting material flow is conducted past the turbine. For this purpose, from a flow path of the starting material flow, which leads through the turbine, another flow path branch off in the flow direction in front of the turbine, in which an outlet valve is arranged. If the turbine is iced, the exhaust valve is opened and the feed stream leaves the fuel cell system in front of the turbine. With this arrangement, since the flow path to the turbine is not closed, a small portion of the feed stream flows to the turbine and thaws it. A heater for the turbine can thus be omitted according to the invention. If the turbine is movable again, the outlet valve can be closed again.

Eine weitere Ausnahme ist ein plötzlicher Druckverlust auf der Seite der anderen, nicht vom Eingangsstoffstrom durchströmten Elektrode, üblicherweise der Anode. Um ein Zerstören der Membran durch die Druckdifferenz zwischen der Anode und der Kathode zu vermeiden, kann ebenfalls das Auslassventil geöffnet werden, um einen Druckabbau auf Seiten der Kathode zu beschleunigen. Alternativ zum Auslassventil können andere Vorrichtungen vorgesehen sein, die es ermöglichen, dass der Ausgangsstoffstrom das Brennstoffzellensystem verlässt, ohne die Turbine anzutreiben. Z. B. kann ein Bypasspfad verwendet werden, der einen zur Turbine strömungstechnisch parallelen Strömungspfad darstellt und die Turbine umgeht. Bei einer weiteren Möglichkeit weist die Turbine verstellbare Flügel auf, so dass der Ausgangsstoffstrom die Turbine passieren kann, ohne sie anzutreiben. Das Einstellen der Flügel der Turbine, so dass der Ausgangsstoffstrom die Turbine durchströmt, aber im Wesentlichen nicht antreibt, oder das Öffnen des Bypasspfades ist erfindungsgemäß auf die Ausnahmesituationen begrenzt.Another exception is a sudden pressure drop on the side of the other electrode, not flowed through by the inlet stream, usually the anode. In order to avoid destroying the membrane by the pressure difference between the anode and the cathode, the outlet valve can also be opened to accelerate a pressure reduction on the side of the cathode. As an alternative to the exhaust valve, other devices may be provided which allow the feed stream to exit the fuel cell system without driving the turbine. For example, a bypass path can be used, which represents a fluidically parallel flow path to the turbine and bypasses the turbine. In another option, the turbine has adjustable wings so that the source stream can pass through the turbine without driving it. Adjusting the blades of the turbine so that the flow of starting material flows through the turbine, but does not substantially drive, or the opening of the bypass path according to the invention is limited to the exceptional situations.

Die Aufgabenstellung wird auch mit einem Zufuhr- und Abfuhrsystem zum Konditionieren des Eingangsstoffstromes gemäß des unabhängigen Anspruchs 4 gelöst, bei dem eine Steuereinheit des Zufuhr- und Abfuhrsystems veranlasst, dass im Normalfall, d. h. außer in den Ausnahmesituationen, der Ausgangsstoffstrom die Turbine antreibt, so dass die Kompressionseinheit den Eingangsstoffstrom komprimiert. Hierbei kann die Steuereinheit steuern und/oder regeln.The object is also achieved with a feed and discharge system for conditioning the input stream according to the independent claim 4, in which a control unit of the supply and discharge system causes that in the normal case, d. H. except in the exceptional situations, the feed stream drives the turbine so that the compression unit compresses the feed stream. In this case, the control unit can control and / or regulate.

Das Konditionieren des Eingangsstoffstromes kann neben dem Komprimieren auch ein Befeuchten und/oder Temperieren, insbesondere Abkühlen, umfassen. Es kann vorgesehen sein, dass der Eingangsstoffstrom vor dem Eintritt in die Brennstoffzelle befeuchtet wird. Eine Befeuchtungseinrichtung zum Befeuchten des Eingangsstoffstromes ist vorzugsweise sowohl hinter dem Kompressor als auch hinter der Kompressionseinheit angeordnet, um einen Tropfenschlag in dem Kompressor und der Kompressionseinheit zu vermeiden. Die Befeuchtungseinrichtung kann Wasser aus einem Wasserabscheider oder einem Rezirkulationsstrom beziehen. Vorzugsweise befeuchtet jedoch der vorhandene Ausgangsstoffstrom den Eingangsstoffstrom. Hierzu ist die Befeuchtungseinrichtung ebenfalls im Ausgangsstoffstrom angeordnet. Der Eingangsstoffstrom und der Ausgangsstoffstrom sind durch eine wasserdurchlässige Trennschicht, die als eine Membran oder ein Hohlfaserbündel ausgebildet sein kann, in der Befeuchtungseinrichtung getrennt, so dass nur Wasser und Wärme zwischen dem Eingangsstoffstrom und dem Ausgangsstoffstrom in der Befeuchtungseinrichtung ausgetauscht werden können, eine Durchmischung des Eingangs- und des Ausgangsstoffstromes jedoch unterbleibt. Der Eingangsstoffstrom ist auf Grund der Komprimierung wärmer als der Ausgangsstoffstrom, der Ausgangsstoffstrom ist auf Grund der elektrochemischen Reaktion in der Brennstoffzelle feuchter. Daher wird in der Befeuchtungseinrichtung der Eingangsstoffstrom gekühlt und befeuchtet, so dass er der Temperatur und der gewünschten Feuchtigkeit der Brennstoffzelle entspricht. Der Ausgangsstoffstrom wird in der Befeuchtungseinrichtung erwärmt und ihm wird ein Teil seiner Feuchtigkeit entzogen. Die Befeuchtungseinrichtung ist in Strömungsrichtung vorzugsweise vor der Turbine angeordnet, so dass durch die höhere Temperatur und die geringere Feuchtigkeit des Ausgangsstoffstroms nach Verlassen der Befeuchtungseinrichtung das Risiko eines Tropfenschlags in der Turbine verringert werden kann. Durch die höhere Temperatur steigt zudem der Wirkungsgrad der Turbine. Es kann sein, dass eine Bypassleitung mit einem Regelventil im Zufuhrsystem um den Befeuchter herumführt, um eine definierte Feuchtigkeit des Eingangsstoffstroms an einem Eingang der Brennstoffzelle einregeln zu können.The conditioning of the stream of input material may, in addition to the compression, also include wetting and / or tempering, in particular cooling. It can be provided that the stream of input material is moistened before it enters the fuel cell. A moistening device for moistening the input material flow is preferably arranged both behind the compressor and behind the compression unit in order to avoid a drop impact in the compressor and the compression unit. The moistening device may be water from a water separator or a recirculation stream Respectively. Preferably, however, the existing feed stream humidifies the feed stream. For this purpose, the moistening device is likewise arranged in the starting material flow. The feedstock stream and feedstock stream are separated in the moistener by a water-permeable separation layer, which may be formed as a membrane or a hollow fiber bundle, so that only water and heat can be exchanged between the feedstock stream and the feedstock stream in the moistener, mixing the input - And the starting material stream, however, is omitted. The feed stream is warmer than the feed stream due to compression, the feed stream being wetter due to the electrochemical reaction in the fuel cell. Therefore, in the humidifier, the input material stream is cooled and humidified to correspond to the temperature and desired humidity of the fuel cell. The feed stream is heated in the humidifier and deprived of some of its moisture. The moistening device is preferably arranged in front of the turbine in the flow direction, so that the risk of a droplet impact in the turbine can be reduced by the higher temperature and the lower humidity of the starting material flow after leaving the moistening device. The higher temperature also increases the efficiency of the turbine. It may be that a bypass line with a control valve in the supply system leads around the humidifier in order to adjust a defined humidity of the input material flow at an input of the fuel cell can.

Um den durch die Kompression erwärmten Eingangsstoffstrom abzukühlen, kann ein Wärmetauscher in dem Strömungspfad des Eingangsstoffstromes angeordnet sein. Vorzugsweise gibt der Eingangsstoffstrom Wärme in dem Wärmetauscher an den Ausgangsstoffstrom ab, so dass der Wärmtauscher sowohl von dem Eingangsstoffstrom als auch davon stofflich getrennt von dem Ausgangsstoffstrom durchflossen wird. Hierbei ist der Wärmtauscher in dem Ausgangsstoffstrom vor der Turbine angeordnet, um den Wirkungsgrad der Turbine zu steigern und einen Tropfenschlag in der Turbine zu verhindern.In order to cool the stream of input material heated by the compression, a heat exchanger may be arranged in the flow path of the stream of input material. Preferably, the input stream of material transfers heat in the heat exchanger to the feed stream so that the heat exchanger flows through both the feed stream and the feed material stream separately therefrom. In this case, the heat exchanger is arranged in the feed stream upstream of the turbine in order to increase the efficiency of the turbine and to prevent a drop impact in the turbine.

Der Kompressor kann im Zufuhrsystem in Strömungsrichtung vor oder hinter der Kompressionseinheit angeordnet sein. Ist der Kompressor hinter der Kompressionseinheit sein, so kann es je nach Auslegung der Komponenten sinnvoll sein, den Wärmetauscher hinter dem Kompressor oder zwischen Kompressionseinheit und Kompressor anzuordnen. Ist der Kompressor vor der Kompressionseinheit angeordnet, so kann der Wärmetauscher zwischen der Kompressionseinheit und dem Kompressor angeordnet sein. Eine Anordnung des Wärmetauschers zwischen der Kompressionseinheit und dem Kompressor steigert den Wirkungsgrad der/des nach dem Wärmetauscher angeordneten Kompressionseinheit oder Kompressors. Wenn der Kompressor einen größeren Anteil der Kompressionsleistung vollbringt und somit der Eingangsstoffstrom im Kompressor stärker als in der Kompressionseinheit erwärmt wird, kann es sinnvoll sein, den Wärmetauscher hinter dem Kompressor anzuordnen. Reichen der Wärmetauscher und/oder die Befeuchtungseinrichtung nicht aus, um den Eingangsstoffstrom bis zum Eintritt in die Brennstoffzelle abzukühlen, so kann hinter der Vorrichtung, die den Eingangsstoffstrom auf einen Enddruck komprimiert, also dem hinter der Kompressionseinheit angeordneten Kompressor oder der hinter dem Kompressor angeordneten Kompressionseinheit, ein weiterer Wärmetauscher angeordnet sein. Der weitere Wärmetauscher kann insbesondere vor der Befeuchtungseinrichtung angeordnet sein. Des Weiteren kann der weitere Wärmetauscher durch ein Kühlmittel der Brennstoffzelle gekühlt werden. Bei einer nahezu konstanten Last der Brennstoffzelle kann es sein, dass der Kompressor etwa 2/3 der Kompressionsleistung und die Kompressionseinheit etwa 1/3 der Kompressionsleistung übernimmt.The compressor may be arranged upstream or downstream of the compression unit in the feed system in the flow direction. If the compressor is behind the compression unit, it may be useful, depending on the design of the components, to arrange the heat exchanger behind the compressor or between the compression unit and the compressor. If the compressor is arranged in front of the compression unit, then the heat exchanger can be arranged between the compression unit and the compressor. An arrangement of the heat exchanger between the compression unit and the compressor increases the efficiency of the / after the heat exchanger arranged compression unit or compressor. If the compressor performs a greater proportion of the compression power and thus the input material flow in the compressor is heated more than in the compression unit, it may be useful to arrange the heat exchanger behind the compressor. If the heat exchanger and / or the moistening device are not sufficient to cool the input material flow until it enters the fuel cell, then behind the device which compresses the input material flow to a final pressure, that is, behind the compression unit arranged compressor or behind the compressor arranged compression unit , another heat exchanger may be arranged. The further heat exchanger can in particular be arranged in front of the moistening device. Furthermore, the further heat exchanger can be cooled by a coolant of the fuel cell. At a nearly constant load of the fuel cell, it may be that the compressor takes about 2/3 of the compression power and the compression unit about 1/3 of the compression power.

Wird die Last und somit die angeforderte elektrische Leistung der Brennstoffzelle schnell von einem nahezu oder vollständig lastfreien Betriebszustand der Brennstoffzelle erhöht, so ist der Ausgangsstoffstrom der Brennstoffzelle zunächst sehr gering. Dies kann beispielsweise bei einer Verwendung der Brennstoffzelle als Antrieb in einem Kraftfahrzeug der Fall sein, wenn das Fahrzeug gestartet wird oder nach einer Wartezeit, z. B. an einer Ampel, einer Kreuzung oder im Stau, plötzlich beschleunigt. Durch den geringen Ausgangsstoffstrom wird die Turbine nur wenig angetrieben, so dass die Kompressionseinheit ein Eingangsstoffstrom nur wenig komprimiert. Dadurch dass die Kompressionseinheit zusammen mit der auf einer Welle gelagerten Turbine ein hohes Massenträgheitsmoment aufweist, ist eine schnelle Erhöhung der Kompressionsleistung der Kompressionseinheit nicht möglich. Ist die Kompressionseinheit hinter dem Kompressor in Strömungsrichtung angeordnet, so wirkt die Kompressionseinheit auf Grund des hohen Massenträgheitsmoments und der geringen Drehgeschwindigkeit als Strömungswiderstand, der umgangen werden soll, um eine schnelle Erhöhung der Kompressionsleistung zu erreichen. Hierzu kann ein strömungstechnisch paralleler Bypass zur Kompressionseinheit vorgesehen sein, wobei in dem Bypass ein Bypassventil angeordnet ist. Das Bypassventil wird geöffnet, wenn die Last ausgehend von dem zumindest nahezu lastfreien Betriebszustand schnell erhöht wird, so dass der Eingangsstoffstrom im Wesentlichen an der Kompressionseinheit vorbeiströmt. Ist die Kompressionseinheit vor dem Kompressor in Strömungsrichtung angeordnet, so kann zu einem Strömungspfad zwischen Kompressionseinheit und Kompressor ein weiterer Strömungspfad hinführen, in dem ein Einlassventil angeordnet ist. Wenn die Last ausgehend von dem zumindest nahezu lastfreien Betriebszustand erhöht wird, wird das Einlassventil geöffnet, so dass genügend Luft für eine schnelle Erhöhung der Kompressionsleistung des Kompressors zur Verfügung steht. Durch das Öffnen des Bypass- oder Einlassventils wird die Kompressionsleistung des Kompressors absolut und prozentual erhöht, während die Kompressionsleistung der Kompressionseinheit absolut und prozentual verringert wird, so dass das gemeinsame Massenträgheitsmoment der Kompressionseinheit und der Turbine einer Beschleunigung des Kraftfahrzeuges nicht entgegenwirkt. So wird eine hohe Dynamik im Beschleunigungsverhalten erreicht.If the load and thus the required electric power of the fuel cell are rapidly increased by a virtually or completely load-free operating state of the fuel cell, the fuel cell's starting material flow is initially very low. This may for example be the case when using the fuel cell as a drive in a motor vehicle when the vehicle is started or after a waiting time, for. B. at a traffic light, an intersection or in a traffic jam, suddenly accelerated. Due to the low starting material flow, the turbine is driven only slightly, so that the compression unit compresses an input material flow only slightly. Since the compression unit together with the turbine mounted on a shaft has a high mass moment of inertia, a rapid increase in the compression capacity of the compression unit is not possible. If the compression unit is arranged downstream of the compressor in the flow direction, the compression unit acts as a flow resistance due to the high moment of inertia and the low rotational speed, which is to be bypassed in order to achieve a rapid increase in the compression power. For this purpose, a flow-parallel bypass to the compression unit may be provided, wherein in the bypass, a bypass valve is arranged. The bypass valve is opened when the load is increased rapidly starting from the at least almost no-load operating state, so that the input material flow substantially bypasses the compression unit. Is the compression unit upstream of the compressor in the flow direction arranged, it can lead to a flow path between the compression unit and the compressor, a further flow path in which an inlet valve is arranged. When the load is increased from the at least nearly no-load operating condition, the intake valve is opened so that sufficient air is available for a rapid increase in the compression capacity of the compressor. By opening the bypass or intake valve, the compression capacity of the compressor is increased in absolute and percentage terms, while the compression power of the compression unit is reduced in absolute and percentage terms, so that the common moment of inertia of the compression unit and the turbine does not counteract acceleration of the motor vehicle. This achieves high dynamics in the acceleration behavior.

Um eine Kontamination des Eingangsstoffstroms mit Öl aus der Lagerung der Kompressionseinheit und/oder des Kompressors zu verhindern, kann, insbesondere vor dem Befeuchter, im Zufuhrsystem ein Ölabscheider angeordnet sein. Alternativ kann eine Luftlagerung oder eine hermetisch abgeschlossene Lagerung der Kompressionseinheit und/oder des Kompressors vorgesehen sein.In order to prevent contamination of the input material flow with oil from the storage of the compression unit and / or the compressor, an oil separator can be arranged in the supply system, in particular in front of the humidifier. Alternatively, an air bearing or a hermetically sealed storage of the compression unit and / or the compressor may be provided.

Bei der Brennstoffzelle kann es sich um eine Polymer-Elektrolyt-Membran(PEM)-Brennstoffzelle handeln, der reiner Wasserstoff zur Anode und Sauerstoff enthaltenen Luft zur Kathode zugeführt wird. Anstelle einer einzelnen Brennstoffzelle kann auch ein Stapel aus Brennstoffzellen verwendet werden. Der Kompressor kann als Turbokompressor und die Expansionseinheit mit der Turbine als Turbolader ausgestaltet sein.The fuel cell may be a polymer electrolyte membrane (PEM) fuel cell, which is supplied with pure hydrogen to the anode and oxygen-containing air to the cathode. Instead of a single fuel cell, a stack of fuel cells may also be used. The compressor may be configured as a turbocompressor and the expansion unit with the turbine as a turbocharger.

Weitere die Erfindung verbessernde Maßnahmen ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung zu den Ausführungsbeispielen der Erfindung, welche in den Figuren schematisch dargestellt ist. Sämtliche aus den Ansprüchen, der Beschreibung oder der Zeichnung hervorgehende Merkmale und/oder Vorteile, einschließlich konstruktiver Einzelheiten, räumlicher Anordnung und Verfahrensschritte, können sowohl für sich als auch in den verschiedensten Kombinationen erfindungswesentlich sein. Es zeigen:Further measures improving the invention will become apparent from the following description of the embodiments of the invention, which is shown schematically in the figures. All of the claims, the description or the drawing resulting features and / or advantages, including design details, spatial arrangement and method steps may be essential to the invention both in itself and in various combinations. Show it:

1 ein erstes Brennstoffzellensystem mit einem ersten erfindungsgemäßen Zufuhr- und Abfuhrsystem, 1 a first fuel cell system with a first supply and discharge system according to the invention,

2 ein zweites Brennstoffzellensystem mit einem zweiten erfindungsgemäßen Zufuhr- und Abfuhrsystem und 2 a second fuel cell system with a second supply and discharge system according to the invention and

3 ein drittes Brennstoffzellensystem mit einem dritten erfindungsgemäßen Zufuhr- und Abfuhrsystem. 3 a third fuel cell system with a third supply and discharge system according to the invention.

In 1 ist ein Brennstoffzellensystem 10 mit einem ersten erfindungsgemäßen Zufuhrsystem 20 für eine Versorgung eines Stapels aus Brennstoffzellen 11 mit Sauerstoff enthaltene Luft und mit einem ersten erfindungsgemäßen Abfuhrsystem 30 zur Abfuhr der teilweise umgesetzten Luft dargestellt. Der Sauerstoff reagiert in den Brennstoffzellen 11 mit Wasserstoff zu Wasser. Die Brennstoffzellen 11 sind als PEM-Brennstoffzellen ausgestaltet und sind auf ca. 60–80°C temperiert. Um die Brennstoffzellen 11 mit Wasserstoff zu versorgen, weist eine Wasserstoffversorgungseinrichtung 50 des Brennstoffzellensystems 10 einen Wasserstofftank 51 mit einem nicht dargestellten Druckminderer, ein regelbares Wasserstoffeinlassventil 52 und ein Gebläse 53 auf. Der Wasserstoff strömt gemäß den Pfeilen 55 zu den Brennstoffzellen 11 und wird mit Hilfe des Gebläses 53 in einem Anodenrezirkulationspfad 56 den Brennstoffzellen 11 mehrfach wieder zugeführt. Ein Purge-Ventil 54 kann in Abständen geöffnet werden, wenn der Wasserstoffanteil in den Brennstoffzellen 11 zu gering ist.In 1 is a fuel cell system 10 with a first delivery system according to the invention 20 for supplying a stack of fuel cells 11 with oxygen-containing air and with a first inventive discharge system 30 shown for removal of the partially reacted air. The oxygen reacts in the fuel cells 11 with hydrogen to water. The fuel cells 11 are designed as PEM fuel cells and are tempered to about 60-80 ° C. To the fuel cells 11 to supply with hydrogen, has a hydrogen supply device 50 of the fuel cell system 10 a hydrogen tank 51 with a pressure reducer, not shown, a controllable hydrogen inlet valve 52 and a fan 53 on. The hydrogen flows according to the arrows 55 to the fuel cells 11 and will with the help of the blower 53 in an anode recirculation path 56 the fuel cells 11 repeatedly fed. A purge valve 54 can be opened at intervals when the hydrogen content in the fuel cells 11 is too low.

Das erfindungsgemäße Zufuhrsystem 20 weist einen Strömungspfad 26 auf, den die Luft, die aus einer Umgebung 40 angesaugt wird, als Eingangsstoffstrom gemäß den Pfeilen 27 bis zu den Brennstoffzellen 11 durchläuft. Hierbei wird zunächst der Eingangsstoffstrom in einer Kompressionseinheit 21 auf ca. 1,5 bar komprimiert und danach in einem Kompressor 22 weiter auf z. B. 2–3 bar komprimiert. Der Kompressor 22 wird durch einen Elektromotor 28 angetrieben. Bei der Kompression erwärmt sich der Eingangsstoffstrom auf bis zu 200°C, die in einem Wärmetauscher 42 an einen Ausgangsstoffstrom abgegeben wird.The delivery system according to the invention 20 has a flow path 26 on, the air coming from an environment 40 is sucked in, as input material flow according to the arrows 27 to the fuel cells 11 passes. Here, first, the input material flow in a compression unit 21 compressed to about 1.5 bar and then in a compressor 22 continue on z. B. compressed 2-3 bar. The compressor 22 is by an electric motor 28 driven. During compression, the input material stream heats up to 200 ° C, which in a heat exchanger 42 is delivered to a source of material flow.

Anschließend durchströmt der komprimierte und bereits teilweise temperierte Eingangsstoffstrom eine Befeuchtungseinrichtung 41, in der der Eingangsstoffstrom Feuchtigkeit aus dem Ausgangsstoffstrom übernimmt und erneut Wärme an den Ausgangsstoffstrom abgibt. Hierzu weist die Befeuchtungseinrichtung 41 eine wasserdurchlässige Trennschicht 44 auf, die den Eingangsstoffstrom vom Ausgangsstoffstrom trennt. In Strömungsrichtung sind die Kompressionseinheit 21, der Kompressor 22, der Wärmetauscher 42, die Befeuchtungseinrichtung 41 und der Stapel mit den Brennstoffzellen 11 in Reihe hintereinander angeordnet.Subsequently, the compressed and already partially tempered stream of input material flows through a moistening device 41 in which the input stream takes moisture out of the feed stream and again gives off heat to the feed stream. For this purpose, the moistening device 41 a water-permeable separating layer 44 which separates the feed stream from the feed stream. In the flow direction are the compression unit 21 , the compressor 22 , the heat exchanger 42 , the humidifier 41 and the stack with the fuel cells 11 arranged in series one behind the other.

Der so konditionierte, d. h. komprimierte, befeuchtete und auf Temperatur der Brennstoffzellen 11 temperierte Eingangsstoffstrom reagiert teilweise in den Brennstoffzellen zu Wasser, wobei der Eingangsstoffstrom sauerstoffärmer und feuchter wird und anschließend als Ausgangsstoffstrom die Brennstoffzellen 11 in etwa mit der Temperatur der Brennstoffzellen 11 verlässt. Der Ausgangsstoffstrom durchströmt einen Strömungspfad 33 gemäß den Pfeilen 34. In dem Strömungspfad 33 sind in Strömungsrichtung in Reihe hintereinander die Befeuchtungseinrichtung 41, der Wärmetauscher 42 und eine Turbine 31 angeordnet. Hierbei gibt der Ausgangsstoffstrom in der Befeuchtungseinrichtung 41 Feuchtigkeit an den Eingangsstoffstrom ab und nimmt in der Befeuchtungseinrichtung 41 und in dem Wärmetauscher 42 Wärme des Eingangsstoffstroms auf. Der Ausgangsstoffstrom treibt die Turbine 31 an, wobei der Ausgangsstoffstrom sich auf Umgebungsdruck entspannt und abkühlt. Alternativ wird der Ausgangsstoffstrom nur auf ein Druckniveau entspannt, das zwischen der Turbine 31 und einem nicht dargestellten Gegendruckventil herrscht. Die Turbine 31 ist auf einer insbesondere gemeinsamen Welle 45 mit der Kompressionseinheit 21 gelagert, so dass die Turbine 31 die Kompressionseinheit 21 antreibt und somit die Enthalpie des Ausgangsstoffstromes zum Komprimieren des Eingangsstoffstromes im Normalfall genutzt wird. Das Abfuhrsystem 30 weist ein Auslassventil 32 auf. Das Auslassventil 32 befindet sich in einem Strömungspfad 33', der zwischen der Befeuchtungseinrichtung 42 und der Turbine 31 vom Strömungspfad 33 abzweigt. Das Auslassventil 32 ist im Normalfall geschlossen. Ist in Ausnahmesituationen ein Austritt des Ausgangsstoffstroms an die Umgebung 40 durch die Turbine 31 hindurch unmöglich oder zu langsam, so wird das Auslassventil 32 geöffnet. Entsprechende beispielhafte Ausnahmesituationen sind bereits beschrieben worden.The so conditioned, ie compressed, humidified and temperature of the fuel cell 11 tempered input material flow partially reacts in the fuel cell to water, the input material stream is oxygen poorer and moister and then as fuel stream the fuel cells 11 at about the temperature of the fuel cells 11 leaves. The feed stream flows through a flow path 33 according to the arrows 34 , In the flow path 33 are in the flow direction in series behind each other, the humidifier 41 , the heat exchanger 42 and a turbine 31 arranged. Here, the feedstock stream is in the humidifier 41 Moisture to the input stream and decreases in the humidifier 41 and in the heat exchanger 42 Heat of the input material flow on. The feedstock stream drives the turbine 31 at, wherein the feed stream relaxes to ambient pressure and cools. Alternatively, the feed stream is only expanded to a pressure level between the turbine 31 and a counter-pressure valve, not shown, prevails. The turbine 31 is on a particular common wave 45 with the compression unit 21 stored, leaving the turbine 31 the compression unit 21 drives and thus the enthalpy of the starting material flow is used to compress the input material flow in the normal case. The discharge system 30 has an outlet valve 32 on. The outlet valve 32 is in a flow path 33 ' between the humidifier 42 and the turbine 31 from the flow path 33 branches. The outlet valve 32 is normally closed. Is in exceptional circumstances an exit of the source stream to the environment 40 through the turbine 31 through impossible or too slow, so will the exhaust valve 32 open. Corresponding exemplary exceptional situations have already been described.

Das Zufuhrsystem 20 weist einen Strömungspfad 26' auf, der zwischen der Kompressionseinheit 21 und dem Kompressor 22 in den Strömungspfad 26 mündet. In dem Strömungspfad 26' ist ein Einlassventil 23 angeordnet. Das Einlassventil 23 wird geöffnet, wenn auf Grund der hohen Massenträgheit der Kompressionseinheit 21 mit der Turbine 31 nicht schnell genug ausreichend Luft aus der Umgebung 40 durch die Kompressionseinheit 21 in das Zufuhrsystem 20 eingebracht werden kann. Dies ist z. B. der Fall, wenn die elektrische Leistung der Brennstoffzellen schnell erhöht werden soll, wobei insbesondere in diesem Augenblick ein geringer oder kein Ausgangsstoffstrom vorliegt, so dass sich die Turbine 31 nur wenig oder gar nicht dreht.The delivery system 20 has a flow path 26 ' on that between the compression unit 21 and the compressor 22 in the flow path 26 empties. In the flow path 26 ' is an inlet valve 23 arranged. The inlet valve 23 is opened when due to the high inertia of the compression unit 21 with the turbine 31 not fast enough enough air from the environment 40 through the compression unit 21 in the delivery system 20 can be introduced. This is z. As is the case when the electrical power of the fuel cell is to be increased rapidly, in particular at this moment a little or no starting material flow is present, so that the turbine 31 little or no rotation.

Im Zufuhr- und Abfuhrsystems 20, 30 sind ein Drucksensor 46 und ein Massenstromsensor 47 im Strömungspfad 26 vor den Brennstoffzellen 11 angeordnet. Hierbei ist der Massenstromsensor 47 bevorzugt an einer Stelle des Strömungspfades 26, an dem der Eingangsstoffstrom bereits vollständig vorhanden ist und an dem der Eingangsstoffstrom zugleich möglichst kalt ist, angeordnet. In 1 ist der Massenstromsensor 47 daher zwischen dem Einlassventil 23 und dem Kompressor 22 angeordnet. Der Drucksensor 46 und der Massenstromsensor 47 übermitteln vor den Brennstoffzellen 11 herrschende Druckwerte und Massenstromwerte an eine Steuereinheit 43, die daraufhin das Auslassventil 32, das Einlassventil 23 und den Elektromotor 28 steuern und/oder regeln kann. Ist der Druck z. B. zu hoch und der Massenstrom zu gering, z. B. wenn die Turbine 31 festgefroren ist, öffnet die Steuereinheit 43 das Auslassventil 32. Ist der Druck zu gering, so kann die Steuereinheit 43 die elektrische Leistungsaufnahme des Elektromotors 28 erhöhen. Ist zusätzlich der Massenstrom gering, so kann die Steuereinheit 43 das Lufteinlassventil 23 öffnen. Zusätzlich kann ein Drucksensor 57 in der Wasserstoffversorgungseinrichtung 50 vorhanden sein, damit die mit dem Drucksensor 57 verbundene Steuereinheit 43 einen Druckabfall auf Seite der Anode detektieren und das Auslassventil 32 öffnen kann. Kommunikationsleitungen 48 zu und von der Steuereinheit 43 sind gestrichelt dargestellt.In the supply and discharge system 20 . 30 are a pressure sensor 46 and a mass flow sensor 47 in the flow path 26 in front of the fuel cells 11 arranged. Here is the mass flow sensor 47 preferably at a location of the flow path 26 , at which the input material flow is already completely present and at which the input material flow is at the same time as cold as possible. In 1 is the mass flow sensor 47 therefore between the inlet valve 23 and the compressor 22 arranged. The pressure sensor 46 and the mass flow sensor 47 transmit in front of the fuel cells 11 prevailing pressure values and mass flow values to a control unit 43 , which then the exhaust valve 32 , the inlet valve 23 and the electric motor 28 control and / or can regulate. Is the pressure z. B. too high and the mass flow too low, z. When the turbine 31 frozen, opens the control unit 43 the outlet valve 32 , If the pressure is too low, the control unit can 43 the electrical power consumption of the electric motor 28 increase. In addition, if the mass flow is low, the control unit can 43 the air inlet valve 23 to open. In addition, a pressure sensor 57 in the hydrogen supply device 50 be present, so that with the pressure sensor 57 connected control unit 43 detect a pressure drop on the side of the anode and the exhaust valve 32 can open. communication lines 48 to and from the control unit 43 are shown in dashed lines.

In 2 und 3 sind zwei weitere Ausführungsbeispiele eines Brennstoffzellensystems 10 mit einem erfindungsgemäßen Zufuhr- und Abfuhrsystems 20, 30 dargestellt, wobei im Folgenden nur auf die Unterschiede im Vergleich zu 1 eingegangen wird. Gleiche Vorrichtungen werden mit denselben Bezugszeichen wie in 1 bezeichnet und sind dort beschrieben.In 2 and 3 are two further embodiments of a fuel cell system 10 with a feed and discharge system according to the invention 20 . 30 shown below, referring only to the differences in comparison to 1 will be received. Same devices are denoted by the same reference numerals as in FIG 1 designated and are described there.

In 2 weist die Wasserstoffversorgungseinrichtung 50 keinen Anodenrezirkulationspfad 56 und daher auch kein Gebläse 57 auf. Vielmehr durchläuft der Wasserstoff einen Strömungspfad 58 gemäß den Pfeilen 55, der nach den Brennstoffzellen 11 in Strömungsrichtung in den Strömungspfad 33 des Abfuhrsystems 30 mündet. Der Wasserstoff wird demnach zunächst in den Brennstoffzellen 11 teilweise elektrochemisch umgesetzt und strömt danach – um den umgesetzten Anteil verringert – in einen katalytischen Brenner 59 in den Strömungspfad 33. Dort trifft der Wasserstoff auf den nicht umgesetzten Sauerstoff des Ausgangsstoffstroms und wird in dem katalytischen Brenner 59 katalytisch verbrannt, wobei sich der Ausgangsstoffstrom stark erwärmt. Der Ausgangsstoffstrom, der hinter dem katalytischen Brenner 59 durch die Turbine 31 strömt, ist somit ein gemeinsamer Ausgangsstoffstrom, der sich aus einem Anodeaustrittsstrom und einem Kathodenaustrittsstrom zusammensetzt. Der stark erwärmte Ausgangsstoffstrom kann im besonderen Maße die Turbine 31 antreiben und den Eingangsstoffstrom komprimieren.In 2 has the hydrogen supply device 50 no anode recirculation path 56 and therefore no fan 57 on. Rather, the hydrogen goes through a flow path 58 according to the arrows 55 , after the fuel cells 11 in the flow direction in the flow path 33 the discharge system 30 empties. The hydrogen is therefore first in the fuel cells 11 partially reacted electrochemically and then flows - reduced by the amount converted - in a catalytic burner 59 in the flow path 33 , There, the hydrogen meets the unreacted oxygen of the feed stream and becomes in the catalytic burner 59 burned catalytically, with the starting material stream is strongly heated. The feedstream behind the catalytic burner 59 through the turbine 31 thus, is a common feedstock stream composed of an anode effluent stream and a cathode effluent stream. The highly heated starting material flow can, in particular, be the turbine 31 drive and compress the input stream.

Im Unterschied zu 1 ist der Wärmetauscher 42 zwischen der Kompressionseinheit 21 und dem Kompressor 22 im Strömungspfad 26 angeordnet. Hierdurch wird der Eingangsstoffstrom bereits vor dem Eintritt in den Kompressor 22 gekühlt, wodurch sich der Wirkungsgrad des Kompressors 22 erhöht. Ein Vorteil der Anordnung des Wärmetauschers in 1 hingegen ist, dass sowohl der Wärmetauscher 42 als auch die Befeuchtungseinrichtung 41 erst nach dem Kompressor 22 den Eingangsstoffstrom auf die Temperatur der Brennstoffzellen 11 abkühlen. Dies ist vorteilhaft, da der Kompressor 22 einen höheren Anteil an Kompressionsleistung erbringt und damit auch eine hohe Temperaturerhöhung erst nach dem Kompressor 22 zu erwarten ist.In contrast to 1 is the heat exchanger 42 between the compression unit 21 and the compressor 22 in the flow path 26 arranged. As a result, the input material flow is already before entering the compressor 22 cooled, which reduces the efficiency of the compressor 22 elevated. An advantage of the arrangement of the heat exchanger in 1 however, is that both the heat exchanger 42 as well as the moistening device 41 only after the compressor 22 the Input flow to the temperature of the fuel cells 11 cooling down. This is beneficial as the compressor 22 a higher proportion of compression power and thus a high temperature increase only after the compressor 22 is to be expected.

Um den den Kompressor 22 verlassenden Eingangsstoffstrom in 2 besser kühlen zu können, kann zwischen dem Kompressor 22 und der Befeuchtungseinrichtung 41 ein weiterer, nicht dargestellter Wärmetauscher angeordnet sein. Der weitere Wärmetauscher kann auch in die Befeuchtungseinrichtung 41, bevorzugt in Strömungsrichtung vor der wasserdurchlässigen Trennschicht, integriert sein. Der Massenstromsensor 47 ist in 2 bevorzugt zwischen dem Wärmetauscher 42 und dem Kompressor 22 angeordnet.To the the compressor 22 leaving input stream in 2 To be able to cool better, between the compressor 22 and the humidifier 41 another, not shown heat exchanger can be arranged. The further heat exchanger can also be in the humidifier 41 , preferably in the flow direction in front of the water-permeable separating layer, be integrated. The mass flow sensor 47 is in 2 preferably between the heat exchanger 42 and the compressor 22 arranged.

Die Steuereinheit 43 ist in 2 aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt, aber dennoch ebenso wie die Kommunikationsleitungen 48 vorhanden. Die Steuereinheit 43 des Ausführungsbeispiels von 2 steuert und/oder regelt das Einlassventil 23, das Auslassventil 32 und den Elektromotor 28 anhand der Messwerte der Drucksensoren 46, 57 und des Massenstromsensors 47 nach bereits beschriebenen Vorgaben. Ein mit der Steuereinheit 43 verbundener Drucksensor 57 ist hinter den Brennstoffzellen 11 angeordnet.The control unit 43 is in 2 not shown for reasons of clarity, but nevertheless as well as the communication lines 48 available. The control unit 43 of the embodiment of 2 controls and / or regulates the inlet valve 23 , the exhaust valve 32 and the electric motor 28 based on the measured values of the pressure sensors 46 . 57 and the mass flow sensor 47 according to already described specifications. One with the control unit 43 connected pressure sensor 57 is behind the fuel cells 11 arranged.

In 3 ist der Kompressor 22 im Strömungspfad 26 in Strömungsrichtung vor der Kompressionseinheit 21 angeordnet. Der Wärmetauscher 42 befindet sich zwischen dem Kompressor 22 und der Kompressionseinheit 21. Hierdurch kann sowohl der Wirkungsgrad der Kompressionseinheit 21 durch ein vorheriges Abkühlen des Eingangsstoffstromes verbessert werden als auch die hohe Temperaturerhöhung des Eingangsstoffstromes durch den Kompressor 22 im Wärmetauscher 42 abgeführt werden, so dass diese Anordnung in Bezug auf die Temperaturführung mehrere Vorteile bietet.In 3 is the compressor 22 in the flow path 26 in the flow direction before the compression unit 21 arranged. The heat exchanger 42 is located between the compressor 22 and the compression unit 21 , This allows both the efficiency of the compression unit 21 be improved by a previous cooling of the input material flow as well as the high temperature increase of the input material flow through the compressor 22 in the heat exchanger 42 be discharged, so that this arrangement offers several advantages in terms of temperature control.

Um die Kompressionseinheit herum ist ein Bypass 24 angeordnet, in dem sich ein Bypassventil 25 befindet. Das Bypassventil 25 wird geöffnet, wenn auf Grund des hohen Massenträgheitsmomentes die Kompressionseinheit 21 nicht schnell genug beschleunigt werden kann. Dies ist z. B. der Fall, wenn die elektrische Leistung der Brennstoffzellen schnell erhöht werden soll, wobei insbesondere in diesem Augenblick ein geringer oder kein Ausgangsstoffstrom vorliegt, so dass sich die Turbine 31 nur wenig oder gar nicht dreht. Durch den hohen Strömungswiderstand der Kompressionseinheit 21 wird bei geöffneten Bypassventil 25 ein Großteil des Eingangsstoffstroms an der Kompressionseinheit 21 vorbeigeleitet. Die Steuereinheit 43, die aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt, aber dennoch ebenso wie die Kommunikationsleitungen 48 vorhanden sind, steuert und/oder regelt das Auslassventil 32, den Elektromotor 28 und anstelle des Einlassventils 23 aus 1 das Bypassventil 25 anhand der Messwerte der Drucksensoren 46, 57 und des Massenstromsensors 47 nach bereits beschriebenen Vorgaben. Der hierbei die Massenstromwerte übermittelnde Massenstromsensor 47 ist vor der Turbine 22 angeordnet, der bereits den vollständig vorhandenen Massenstrom erfasst.There is a bypass around the compression unit 24 arranged in which there is a bypass valve 25 located. The bypass valve 25 is opened when, due to the high mass moment of inertia, the compression unit 21 can not be accelerated fast enough. This is z. As is the case when the electrical power of the fuel cell to be increased rapidly, in particular at this moment a little or no starting material flow is present, so that the turbine 31 little or no rotation. Due to the high flow resistance of the compression unit 21 is when the bypass valve is open 25 a majority of the input stream at the compression unit 21 bypasses. The control unit 43 , which for reasons of clarity not shown, but still as well as the communication lines 48 are present controls and / or regulates the exhaust valve 32 , the electric motor 28 and instead of the inlet valve 23 out 1 the bypass valve 25 based on the measured values of the pressure sensors 46 . 57 and the mass flow sensor 47 according to already described specifications. The mass flow sensor transmitting the mass flow values 47 is in front of the turbine 22 arranged, which already captures the fully existing mass flow.

Ein Vorteil der Ausführungsbeispiele der 1 und 2 ist, dass durch die Anordnung des Kompressors 22 hinter der Kompressionseinheit 21 eine regelbare Kompressionsvorrichtung näher an den Brennstoffzellen 11 angeordnet ist. Da die Kompressionsleistung der Kompressionseinheit 21 mit der Turbine 31 nicht regelbar ist, sondern von einem schwankenden Ausgangsstoffstrom abhängt, ist ein gewünschter Druck vor einem Brennstoffzelleneintritt in 1 und 2 leichter einzustellen.An advantage of the embodiments of 1 and 2 is that by the arrangement of the compressor 22 behind the compression unit 21 a controllable compression device closer to the fuel cells 11 is arranged. Because the compression performance of the compression unit 21 with the turbine 31 is not controllable, but depends on a fluctuating source flow, is a desired pressure before a fuel cell inlet in 1 and 2 easier to adjust.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 102004051359 A1 [0003, 0011] DE 102004051359 A1 [0003, 0011]

Claims (10)

Verfahren zum Konditionieren eines Eingangsstoffstromes mindestens einer Brennstoffzelle (11) eines Brennstoffzellensystems (10), wobei der Eingangsstoffstrom mit einem elektrisch betriebenen Kompressor (22) komprimiert wird, und wobei der Eingangsstoffstrom mit einer Kompressionseinheit (21), die mit dem Kompressor (22) strömungstechnisch in Reihe angeordnet ist, komprimierbar ist, wobei die Kompressionseinheit (21) durch eine Turbine (31) antreibbar ist, und wobei im Normalfall ein Ausgangsstoffstrom der Brennstoffzelle (11) die Turbine (31) antreibt, so dass die Kompressionseinheit (21) den Eingangsstoffstrom komprimiert.Method for conditioning an input stream of at least one fuel cell ( 11 ) of a fuel cell system ( 10 ), wherein the input material stream with an electrically operated compressor ( 22 ) and wherein the input material stream is compressed with a compression unit ( 21 ) connected to the compressor ( 22 ) is fluidly arranged in series, is compressible, wherein the compression unit ( 21 ) by a turbine ( 31 ) is drivable, and wherein normally a starting material flow of the fuel cell ( 11 ) the turbine ( 31 ), so that the compression unit ( 21 ) compresses the input stream. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Ausnahmesituation, die von dem Normalfall abweicht, vorliegt, wenn die Turbine (31) festgefroren ist und/oder bei einem Druckabfall in einer anderen, nicht vom Eingangsstoffstrom durchströmten Elektrode der Brennstoffzelle (11).A method according to claim 1, characterized in that an exceptional situation, which differs from the normal case, is present when the turbine ( 31 ) is frozen and / or at a pressure drop in another, not flowed through by the input material flow electrode of the fuel cell ( 11 ). Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in der Ausnahmesituation ein Auslassventil (32) geöffnet ist, wodurch ein überwiegender Teil des Ausgangsstroms in Strömungsrichtung gesehen vor der Turbine (31) das Brennstoffzellensystem (10) verlässt.A method according to claim 1 or 2, characterized in that in the exceptional situation, an outlet valve ( 32 ), whereby a predominant part of the output flow in the flow direction in front of the turbine ( 31 ) the fuel cell system ( 10 ) leaves. Zufuhr- und Abfuhrsystem (20, 30) zum Konditionieren eines Eingangsstoffstromes mindestens einer Brennstoffzelle (11) eines Brennstoffzellensystems (10), mit einem elektrisch betriebenen Kompressor (22), mit einer Kompressionseinheit (21), die mit dem Kompressor (22) strömungstechnisch in Reihe angeordnet ist, mit einer mit der Kompressionseinheit (21) verbundenen Turbine (31) und mit einer Steuereinheit (43) zur Steuerung des Zufuhr- und Abfuhrsystems (20, 30), wobei der Eingangsstoffstrom durch den Kompressor (22) und durch die Kompressionseinheit (21) komprimierbar ist, wobei die Kompressionseinheit (21) durch die Turbine (31), die durch einen Ausgangsstoffstrom der Brennstoffzelle antreibbar ist, antreibbar ist, wobei die Steuereinheit (43) veranlasst, dass im Normalfall der Ausgangsstoffstrom die Turbine (31) antreibt, so dass die Kompressionseinheit (21) den Eingangsstoffstrom komprimiert.Feed and discharge system ( 20 . 30 ) for conditioning an input stream of at least one fuel cell ( 11 ) of a fuel cell system ( 10 ), with an electrically operated compressor ( 22 ), with a compression unit ( 21 ) connected to the compressor ( 22 ) is arranged fluidly in series, with one with the compression unit ( 21 ) connected turbine ( 31 ) and with a control unit ( 43 ) for controlling the supply and discharge system ( 20 . 30 ), wherein the flow of input material through the compressor ( 22 ) and by the compression unit ( 21 ) is compressible, the compression unit ( 21 ) through the turbine ( 31 ), which is drivable by a feedstock stream of the fuel cell, is drivable, wherein the control unit ( 43 ) causes normally the starting material flow the turbine ( 31 ), so that the compression unit ( 21 ) compresses the input stream. Zufuhr- und Abfuhrsystem (20, 30) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Befeuchtungseinrichtung (41) im Zufuhrsystem (20) hinter dem Kompressor (22) und der Kompressionseinheit (21) und im Abfuhrsystem (30) vor der Turbine (31) angeordnet ist, wobei in der Befeuchtungseinrichtung (41) der Eingangsstoffstrom von dem Ausgangsstoffstrom befeuchtbar ist.Feed and discharge system ( 20 . 30 ) according to claim 4, characterized in that a moistening device ( 41 ) in the delivery system ( 20 ) behind the compressor ( 22 ) and the compression unit ( 21 ) and in the discharge system ( 30 ) in front of the turbine ( 31 ) is arranged, wherein in the moistening device ( 41 ) the feed stream from the feed stream is humidified. Zufuhr- und Abfuhrsystem (20, 30) nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Zufuhr- und Abfuhrsystem (20, 30) einen Wärmetauscher (42) aufweist, in dem Wärme von dem Eingangsstoffstrom auf den Ausgangsstoffstrom übertragbar ist, wobei der Wärmetauscher (42) im Abfuhrsystem (30) in Strömungsrichtung vor der Turbine (31) angeordnet ist.Feed and discharge system ( 20 . 30 ) according to claim 4 or 5, characterized in that the supply and removal system ( 20 . 30 ) a heat exchanger ( 42 ) is transferable in the heat from the input material stream to the output material flow, wherein the heat exchanger ( 42 ) in the discharge system ( 30 ) in the flow direction in front of the turbine ( 31 ) is arranged. Zufuhr- und Abfuhrsystem (20, 30) nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Kompressor (22) in Strömungsrichtung nach der Kompressionseinheit (21) angeordnet ist, wobei insbesondere ein zumindest ein Teil eines Eingangsstoffstrom (26') dem Kompressor (22) durch ein Einlassventil (23) zuführbar ist.Feed and discharge system ( 20 . 30 ) according to one of claims 4 to 6, characterized in that the compressor ( 22 ) in the flow direction after the compression unit ( 21 ), wherein in particular a at least part of an input material flow ( 26 ' ) the compressor ( 22 ) through an inlet valve ( 23 ) can be fed. Zufuhr- und Abfuhrsystem (20, 30) nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Kompressor (22) in Strömungsrichtung vor der Kompressionseinheit (21) angeordnet ist, wobei insbesondere zumindest ein Teil des Eingangsstoffstroms durch einen Bypass (24) mit einem Bypassventil (25) an der Kompressionseinheit (21) vorbeileitbar ist.Feed and discharge system ( 20 . 30 ) according to one of claims 4 to 6, characterized in that the compressor ( 22 ) in the flow direction before the compression unit ( 21 ), wherein in particular at least a part of the input material flow through a bypass ( 24 ) with a bypass valve ( 25 ) on the compression unit ( 21 ) is vorbeileitbar. Zufuhr- und Abfuhrsystem (20, 30) nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass es mit einem Verfahren der Ansprüche 1 oder 3 betreibbar ist.Feed and discharge system ( 20 . 30 ) according to one of claims 4 to 8, characterized in that it is operable by a method of claims 1 or 3. Brennstoffzellensystem (10) mit einem Zufuhr- und Abfuhrsystem (20, 30) nach einem der Ansprüche 4 bis 9.Fuel cell system ( 10 ) with a supply and removal system ( 20 . 30 ) according to one of claims 4 to 9.
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