DE102010033772A1 - Fuel cell i.e. polymer electrolyte membrane fuel cell, system for generating electrical drive energy in e.g. car, has heat exchanger with three regions, where supply air stream, exhaust air stream and coolant flow through respective regions - Google Patents

Fuel cell i.e. polymer electrolyte membrane fuel cell, system for generating electrical drive energy in e.g. car, has heat exchanger with three regions, where supply air stream, exhaust air stream and coolant flow through respective regions Download PDF

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Abstract

The system (1) has an air conveying device (6) arranged in a flow direction in front of a cathode region (4) of a fuel cell (2) and for compression of supply air stream (ZLS). An air intercooler (9) for cooling the air stream is provided after the air conveying device. The air intercooler is formed as a plate heat exchanger with three regions (12-14) that are sealed against each other, where the air stream flows to the cathode region through the first region, exhaust air stream flows from the cathode region through the second region and a coolant (KM) flows through the third region.

Description

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem mit wenigstens einer Brennstoffzelle nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art. Außerdem betrifft die Erfindung die Verwendung eines derartigen Brennstoffzellensystems.The invention relates to a fuel cell system with at least one fuel cell according to the type defined in greater detail in the preamble of claim 1. The invention also relates to the use of such a fuel cell system.

Aus dem allgemeinen Stand der Technik sind Brennstoffzellensysteme bekannt, welche wenigstens eine Brennstoffzelle mit einem Anodenbereich und einem Kathodenbereich aufweisen. Derartige Brennstoffzellen können insbesondere als sogenannte PEM-Brennstoffzellen ausgebildet sein, bei denen eine Polymermembran, welche ausschließlich für Protonen durchlässig ist, den Kathodenbereich vom Anodenbereich trennt. Brennstoffzellen dieses Typs werden im Anodenbereich typischerweise mit Wasserstoff oder einem wasserstoffhaltigen Gasgemisch versorgt, während dem Kathodenbereich Sauerstoff oder ein sauerstoffhaltiges Gasgemisch zugeführt wird. Insbesondere wird als sauerstoffhaltiges Gasgemisch häufig Luft verwendet. Diese Luft wird im Allgemeinen der Umgebung entnommen und gelangt über eine Luftfördereinrichtung in den Kathodenbereich der Brennstoffzelle. Da sich die Luft beim Durchströmen der Luftfördereinrichtung und beim Verdichten typischerweise stark erwärmt und da die Polymermembranen hinsichtlich Wärme und Feuchtigkeit besonders empfindlich sind, ist es aus dem allgemeinen Stand der Technik ebenfalls bekannt, dass die erwärmte Zuluft nach der Luftfördereinrichtung über einen Ladeluftkühler vor dem Eintritt in den Kathodenbereich abgekühlt wird. Der Stand der Technik kennt dabei im Wesentlichen zwei verschiedene Typen von Ladeluftkühlern, welche entweder von einem Abgas aus der Brennstoffzelle beziehungsweise aus dem Kathodenbereich zum Abkühlen des Zuluftstroms durchströmt werden, oder welche von einem Kühlmedium entweder eines eigenen Kühlkreislaufs oder des Kühlkreislaufs der Brennstoffzelle zur Abkühlung des Zuluftstroms durchströmt werden.From the general state of the art, fuel cell systems are known, which have at least one fuel cell with an anode region and a cathode region. Such fuel cells may in particular be designed as so-called PEM fuel cells, in which a polymer membrane, which is permeable exclusively to protons, separates the cathode region from the anode region. Fuel cells of this type are typically supplied with hydrogen or a hydrogen-containing gas mixture in the anode region, while oxygen or an oxygen-containing gas mixture is supplied to the cathode region. In particular, air is often used as the oxygen-containing gas mixture. This air is generally taken from the environment and passes through an air conveyor into the cathode region of the fuel cell. Since the air typically flows strongly as it flows through the air conveyor and during compression and because the polymer membranes are particularly sensitive to heat and moisture, it is also known from the general state of the art that the heated supply air to the air conveyor via an intercooler before entry is cooled in the cathode area. The state of the art essentially knows two different types of charge air coolers, which are flowed through either by an exhaust gas from the fuel cell or from the cathode area for cooling the supply air flow, or by a cooling medium of either a separate cooling circuit or the cooling circuit of the fuel cell to cool the Supply air flow to be flowed through.

Aus der US-Offenlegung US 2006/0147773 A1 ist außerdem ein Aufbau zum Austausch von Wärme und Feuchtigkeit bekannt, in welchem ein Zuluftstrom zu einer Brennstoffzelle einerseits strömt und in welchem durch einen Abluftstrom aus der Brennstoffzelle Wärme und Wasserdampf auf den Zuluftstrom übertragen wird. Darin ist außerdem beschrieben, dass dieser Aufbau zusätzlich von einem Kühlmittel der Brennstoffzelle nach derselben durchströmt sein kann, um zusätzlich Wärme in den Zuluftstrom einzutragen. Wie zu erkennen ist, scheint dieser Aufbau dabei von einem Sauerstoffstrom auszugehen, welcher aus einem Druckgasspeicher stammt, da nur in diesem Fall in allen Betriebszuständen eine Erwärmung des Sauerstoffstroms, wie sie beispielsweise im Rahmen der 7 der genannten Schrift beschrieben ist, sinnvoll erscheint.From the US disclosure US 2006/0147773 A1 In addition, a structure for exchanging heat and moisture is known, in which a supply air flow to a fuel cell flows on the one hand and in which heat and water vapor is transferred to the supply air flow through an exhaust air flow from the fuel cell. It also describes that this structure can additionally be flowed through by a coolant of the fuel cell after the same in order to additionally introduce heat into the supply air stream. As can be seen, this construction seems to start from an oxygen flow, which originates from a compressed gas storage, since only in this case in all operating conditions heating of the oxygen flow, as for example in the context of 7 described the font mentioned, makes sense.

In dem hier vorliegenden Fall ist es nun die Aufgabe der Erfindung, ein Brennstoffzellensystem anzugeben, welches in allen Betriebszuständen eine ideale Temperatur des Zuluftstroms gewährleistet und die Temperaturen der Stoffströme vergleichmäßigt.In the present case, it is the object of the invention to provide a fuel cell system, which ensures an ideal temperature of the supply air flow in all operating conditions and equalizes the temperatures of the streams.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems sind in den hiervon abhängigen Unteransprüchen angegeben.According to the invention this object is achieved by the features mentioned in the characterizing part of claim 1. Further advantageous embodiments of the fuel cell system according to the invention are specified in the dependent claims.

Gemäß der Erfindung ist es nun so, dass der Ladeluftkühler als Wärmetauscher mit drei gegeneinander abgedichteten Bereichen ausgebildet ist. Diese Bereiche werden dabei von verschiedenen Medien durchströmt, welche über den Wärmetauscher Wärme untereinander austauschen können. Dadurch, dass die Bereiche voneinander abgedichtet sind, ist bei dem erfindungsgemäßen Aufbau keinerlei Stoffaustausch zwischen den einzelnen Bereichen und den darin befindlichen Medien möglich. In dem ersten Bereich des Wärmetauschers strömt dabei der Zuluftstrom zu dem Kathodenbereich der Brennstoffzelle, welcher nach der Luftfördereinrichtung durch die beiden anderen Stoffströme entsprechend abgekühlt wird. In dem zweiten Bereich strömt ein Abluftstrom aus dem Kathodenbereich und durch den dritten Bereich strömt ein Kühlmedium. Beim Abkühlen des Zuluftstroms nimmt nun der Abluftstrom aus dem Kathodenbereich einen Teil der überschüssigen Wärme auf, ein anderer Teil wird von dem Kühlmedium aufgenommen. Damit wird der Zuluftstrom zu dem Kathodenbereich in der gewünschten Art und Weise abgekühlt. Außerdem kommt es zu einer Erwärmung des Abluftstroms aus der Brennstoffzelle, sodass von diesem mittransportiertes Produktwasser typischerweise als Wasserdampf aus dem System austritt und nichtauskondensiert, sodass kein Flüssigwasser aus dem System austritt, was insbesondere bei der Verwendung und dem Einsatz in Kraftfahrzeugen unerwünscht ist, da ein Benetzen der Straße mit Flüssigwasser, insbesondere bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts, in jedem Fall zu vermeiden ist.According to the invention, it is now so that the intercooler is designed as a heat exchanger with three mutually sealed areas. These areas are flowed through by different media, which can exchange heat with one another via the heat exchanger. The fact that the areas are sealed from each other, in the structure according to the invention no mass transfer between the individual areas and the media therein is possible. In the first region of the heat exchanger, the supply air flow flows to the cathode region of the fuel cell, which after the air conveying device is cooled correspondingly by the two other material flows. In the second region, an exhaust air stream flows out of the cathode region, and a cooling medium flows through the third region. When the supply air flow cools, the exhaust air flow from the cathode region now absorbs part of the excess heat, while another part is taken up by the cooling medium. Thus, the supply air flow to the cathode area is cooled in the desired manner. In addition, there is a heating of the exhaust air flow from the fuel cell, so that typically transported as water vapor from the system and nichtauskondensiert of this mittransportiertes product water, so that no liquid water leaking from the system, which is particularly undesirable in use and use in motor vehicles, as a Wetting the street with liquid water, especially at temperatures below freezing, should always be avoided.

Das Kühlmedium kann dabei ebenfalls Wärme mit aufnehmen, um auch in Situationen mit sehr heißem Zuluftstrom eine sichere und zuverlässige Abkühlung des Zuluftstroms zu dem Kathodenbereich der Brennstoffzelle zu gewährleisten.The cooling medium can also absorb heat in order to ensure a safe and reliable cooling of the supply air to the cathode region of the fuel cell, even in situations with very hot supply air.

In bestimmten Situationen kann außerdem Wärme aus dem Kühlmedium in den Abluftstrom mit übertragen werden, wenn dieses wärmer als der Abluftstrom ist. In diesen Situationen kann dies besonders sinnvoll sein, da dann das typischerweise aufgrund der geringen Temperaturdifferenz zur Umgebung ohnehin stark belastete Kühlsystem des Brennstoffzellensystems entlastet werden kann, wenn das Kühlmedium, welches den Ladeluftkühler durchströmt, aus dem Kühlkreislauf des Brennstoffzellensystem selbst stammt. Dies stellt dann einen entscheidenden Vorteil dar.In certain situations, heat from the cooling medium can also be transferred into the exhaust air stream if it is warmer than the exhaust air flow. In these situations, this can be be particularly useful because then the typically due to the low temperature difference to the environment anyway heavily loaded cooling system of the fuel cell system can be relieved when the cooling medium, which flows through the intercooler, comes from the cooling circuit of the fuel cell system itself. This then represents a decisive advantage.

Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Systems sieht es vor, dass in dem Abluftstrom enthaltene Energie über eine Turbine zurückgewonnen wird, wozu in Strömungsrichtung des Abluftstroms nach dem Ladeluftkühler eine Turbine angeordnet ist. In diesen Situationen ist es besonders sinnvoll, wenn möglichst viel Wärmeenergie in den Abluftstrom eingetragen wird, da dieser in der Turbine gewinnbringend zurückgewonnen werden kann.A particularly advantageous embodiment of the system according to the invention provides that energy contained in the exhaust air flow is recovered via a turbine, for which purpose a turbine is arranged downstream of the charge air cooler in the flow direction of the exhaust air flow. In these situations, it is particularly useful if as much heat energy is introduced into the exhaust air stream, as this can be recovered in the turbine profitable.

Ein weiterer entscheidender Vorteil des Aufbaus ergibt sich dann, wenn extrem niedrige Umgebungstemperaturen vorliegen. In diesen Situationen könnte es aufgrund der eher niedrigen Temperatur des Zuluftstroms nach der Luftfördereinrichtung zu einer entsprechend starken Abkühlung des Abluftstroms kommen. Dann könnten flüssige Tröpfchen auskondensieren und es könnte sich Eis beziehungsweise Schnee bilden, wenn die Umgebungstemperatur und damit die Temperatur in dem Ausströmbereich des Ladeluftkühlers für den Abluftstrom entsprechend niedrig ist. Dies wäre insbesondere bei der Verwendung einer Turbine nach dem Ladeluftkühler in der Strömung des Abluftstroms ein entscheidender Nachteil, da die Turbine durch Tröpfchen oder Eiskristalle stark belastet werden kann. Insbesondere kann diese während eines Stillstands des Systems dann auch festfrieren, sodass bei einem Wiederstart unter Temperaturbedingungen unterhalb des Gefrierpunkts massive Probleme auftreten könnten. In diesen Situationen ist nun jedoch typischerweise das Kühlmedium, insbesondere wenn dieses aus dem Kühlkreislauf des Brennstoffzellensystems selbst stammt und bereits die Brennstoffzelle abgekühlt hat, entsprechend warm, sodass in diesen Situationen der Abluftstrom durch das Kühlmedium erwärmt und eine Auskondensation und/oder Schneebildung verhindert wird. Dies dient einer sicheren und zuverlässigen Funktionalität des Brennstoffzellensystems und erlaubt ein Abstellen des Brennstoffzellensystems, ohne dass ein Festfrieren der Turbine bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts zu befürchten ist.Another decisive advantage of the structure arises when extremely low ambient temperatures are present. In these situations, it could come to a correspondingly strong cooling of the exhaust air flow due to the rather low temperature of the supply air flow to the air conveyor. Then liquid droplets could condense and it could form ice or snow, when the ambient temperature and thus the temperature in the outflow region of the charge air cooler for the exhaust air flow is correspondingly low. This would be a decisive disadvantage in particular in the use of a turbine after the intercooler in the flow of the exhaust air stream, since the turbine can be heavily loaded by droplets or ice crystals. In particular, this can then also freeze during a standstill of the system, so that massive problems could occur at a restart under temperature conditions below freezing. In these situations, however, typically now the cooling medium, especially if this comes from the cooling circuit of the fuel cell system itself and has already cooled the fuel cell, warm accordingly, so heated in these situations, the exhaust air flow through the cooling medium and condensation and / or snow is prevented. This serves for safe and reliable functionality of the fuel cell system and allows the fuel cell system to be switched off without the turbine freezing at temperatures below freezing point being feared.

Eine besonders bevorzugte Verwendung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems ist dabei die Verwendung in einem Fahrzeug, da hier die oben geschilderten Probleme hinsichtlich des Festfrierens und des Austritts von Wasser besonders gravierend sind. Dadurch, dass das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem diese Probleme durch eine einfache Komponente, welche vom Zuluftstrom, vom Abluftstrom und von dem Kühlmedium durchströmt wird, entsprechend verhindert, ist der Einsatz in Kraftfahrzeugen als der bevorzugte – nicht jedoch der einzige – Einsatz des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems anzusehen.A particularly preferred use of the fuel cell system according to the invention is the use in a vehicle, since the above-described problems with respect to the freezing and the discharge of water are particularly serious here. The fact that the fuel cell system according to the invention correspondingly prevents these problems by a simple component, which is flowed through by the supply air, the exhaust air flow and the cooling medium, the use in motor vehicles as the preferred - but not the only - use of the fuel cell system according to the invention.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems ergeben sich dabei aus den restlichen abhängigen Ansprüchen und werden anhand des Ausführungsbeispiels deutlich, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben wird.Further advantageous embodiments of the fuel cell system according to the invention will become apparent from the remaining dependent claims and will be apparent from the embodiment, which will be described below with reference to the figures.

Dabei zeigen:Showing:

1 eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems; 1 a first embodiment of the fuel cell system according to the invention;

2 eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems; und 2 a second embodiment of the fuel cell system according to the invention; and

3 einen Ausschnitt aus einem Wärmetauscher gemäß der Erfindung. 3 a section of a heat exchanger according to the invention.

In der Darstellung der 1 ist ein Brennstoffzellensystem 1 zu erkennen. Es umfasst eine Brennstoffzelle 2, welche einen Anodenbereich 3 und einen Kathodenbereich 4 aufweist, welche von einer protonenleitenden Membran 5 voneinander getrennt sind. Die Brennstoffzelle 2 soll dabei in der typischen Art und Weise als PEM-Brennstoffzellenstack aus einer Vielzahl von Einzelzellen aufgebaut sein. Dem Anodenbereich 3 wird in. an sich bekannter Art und Weise ein wasserstoffhaltiges Gas oder Wasserstoff zugeführt, worauf im Rahmen der hier vorliegenden Erfindung nicht näher eingegangen werden soll. Die Brennstoffzelle 2 wird in ihrem Kathodenbereich 4 mit Sauerstoff oder einem sauerstoffhaltigen Gas versorgt. Typischerweise wird hierfür Luft verwendet, welche über eine Luftfördereinrichtung 6 typischerweise über einen Luftfilter aus der Umgebung angesaugt und zu dem Kathodenbereich 4 der Brennstoffzelle 2 gefördert wird. Im Bereich der Brennstoffzelle 2 wird der in der Luft enthaltene Sauerstoff mit dem im Anodenbereich 3 vorliegenden Wasserstoff umgesetzt, sodass in an sich bekannter Art und Weise elektrische Leistung, Abwärme und Produktwasser, welches überwiegend mit dem Abluftstrom aus dem Kathodenbereich 4 abgeführt wird, entsteht. Um die Brennstoffzelle 2 auf einem geeigneten Temperaturniveau zu halten und die entstehende Abwärme wegzukühlen ist außerdem ein Kühlwärmetauscher 7 im Bereich der Brennstoffzelle 2 vorgesehen, welcher Teil eines hier nicht näher dargestellten Kühlkreislaufs 8 ist und typischerweise von einem flüssigen Kühlmedium durchströmt wird.In the presentation of the 1 is a fuel cell system 1 to recognize. It includes a fuel cell 2 which has an anode area 3 and a cathode region 4 which of a proton-conducting membrane 5 are separated from each other. The fuel cell 2 should be constructed in the typical manner as a PEM fuel cell stack of a variety of single cells. The anode area 3 will be in . a hydrogen-containing gas or hydrogen is supplied in a manner known per se, which should not be discussed further in the context of the present invention. The fuel cell 2 becomes in her cathode area 4 supplied with oxygen or an oxygen-containing gas. Typically, this air is used, which via an air conveyor 6 typically aspirated from the environment via an air filter and to the cathode region 4 the fuel cell 2 is encouraged. In the field of fuel cell 2 is the oxygen contained in the air with that in the anode area 3 implemented hydrogen present, so in a conventional manner electrical power, waste heat and product water, which predominantly with the exhaust air flow from the cathode area 4 is discharged, arises. To the fuel cell 2 To keep at a suitable temperature level and cool the resulting waste heat is also a cooling heat exchanger 7 in the field of fuel cell 2 provided, which part of a cooling circuit, not shown here 8th is and is typically traversed by a liquid cooling medium.

Nun ist es so, dass die über die Luftfördereinrichtung 6 zur Brennstoffzelle 2 geförderte Luft im Zuluftstrom ZLS nach der Luftfördereinrichtung 6 durch das Verdichten in der Luftfördereinrichtung 6 entsprechend aufgeheizt ist. Da die Membranen 5 der Brennstoffzelle 2 eine gewisse Feuchtigkeit benötigen, um problemlos zu arbeiten, stellt die Zufuhr von sehr heißer und trockener verdichteter Luft in die Brennstoffzelle 2 ein ernstes Problem dar. Daher ist in dem Brennstoffzellensystem 1 ein Ladeluftkühler 9 vorgesehen, in welchem die in der Brennstoffzelle 2 strömende Zuluft entsprechend abgekühlt wird. Nach dem Ladeluftkühler 9 kann außerdem ein optionaler Befeuchter 10 vorgesehen sein, in welchem der Zuluftstrom ZLS zum Kathodenbereich 4 der Brennstoffzelle 2 befeuchtet wird. In derartigen Brennstoffzellensystemen 1 ist es dabei üblich, dass der Befeuchter 10 als Gas-Gas-Befeuchter 10 ausgebildet ist und über die im Abluftstrom ALS des Kathodenraums 4 vorliegende Feuchte, typischerweise in Form von dampfförmigem Produktwasser des in der Brennstoffzelle 2 ablaufenden Prozesses, den Zuluftstrom ZLS zum Kathodenbereich 4 der Brennstoffzelle 2 zu befeuchten. Hierfür weist der Befeuchter 10 Membranen 11 auf, welche lediglich für den Wasserdampf, nicht jedoch für die Gase selbst durchlässig sind. Now it is that over the air conveyor 6 to the fuel cell 2 delivered air in the supply air flow ZLS after the air conveyor 6 by the compression in the air conveyor 6 heated accordingly. Because the membranes 5 the fuel cell 2 Requiring some moisture to work without problems puts the supply of very hot and dry compressed air into the fuel cell 2 is a serious problem. Therefore, in the fuel cell system 1 a charge air cooler 9 provided in which the in the fuel cell 2 flowing supply air is cooled accordingly. After the intercooler 9 Can also have an optional humidifier 10 be provided, in which the supply air flow ZLS to the cathode region 4 the fuel cell 2 is moistened. In such fuel cell systems 1 It is common that the humidifier 10 as a gas-gas humidifier 10 is formed and the in the exhaust air flow ALS of the cathode compartment 4 present moisture, typically in the form of vaporous product water in the fuel cell 2 proceeding process, the supply air flow ZLS to the cathode area 4 the fuel cell 2 to moisten. This is indicated by the humidifier 10 membranes 11 on, which are only permeable to the water vapor, but not for the gases themselves.

Der Ladeluftkühler 9 ist in dem hier dargestellten Aufbau so ausgebildet, dass dieser als Wärmetauscher konzipiert ist, welcher beispielsweise in der Art eines Plattenwärmetauschers aufgebaut sein kann. Der Ladeluftkühler 9 weist dabei drei unterschiedliche Bereiche 12, 13 und 14 auf. Die unterschiedlichen Bereiche sind gegeneinander abgedichtet, sodass es nicht zu einer Vermischung der in diesen Bereichen befindlichen Stoffe kommen kann. Auch Einzelkomponenten dieser Stoffe können anders als durch die Membran 11 des Befeuchters 10 zwischen den einzelnen Bereichen 12, 13, 14 des Ladeluftkühlers 9 nicht übertragen werden. In dem ersten Bereich 12 des Ladeluftkühlers 9 strömt nun der Zuluftstrom ZLS zu dem Kathodenbereich 4 der Brennstoffzelle 2 nach der Luftfördereinrichtung 6. Dieser ist nach der Luftfördereinrichtung 6 entsprechend heiß, sodass er abgekühlt werden muss. Dies erfolgt einerseits durch die in dem zweiten Bereich 13 des Ladeluftkühlers 9 strömenden Abluftstrom ALS aus dem Kathodenbereich 4, welcher typischerweise deutlich kühler als der Zuluftstrom ZLS nach der Luftfördereinrichtung 6 ist. Außerdem strömt durch den dritten Bereich 14 des Ladeluftkühlers 9 ein Kühlmedium KM beispielsweise in einem Kühlkreislauf mit einem flüssigen Kühlmedium. Der Aufbau erlaubt es so, sicher und zuverlässig die Temperatur der zu dem Kathodenbereich 4 der Brennstoffzelle 2 strömenden Zuluftstroms ZLS zu kontrollieren und diese in einen Bereich abzusenken, welcher für die Membranen 5 der Brennstoffzelle 2 unkritisch ist.The intercooler 9 is designed in the structure shown here so that it is designed as a heat exchanger, which may be constructed, for example, in the manner of a plate heat exchanger. The intercooler 9 has three different areas 12 . 13 and 14 on. The different areas are sealed against each other, so that it can not come to a mixing of the substances located in these areas. Also, individual components of these substances can be different than through the membrane 11 of the humidifier 10 between the different areas 12 . 13 . 14 of the intercooler 9 not be transferred. In the first area 12 of the intercooler 9 Now the supply air flow ZLS flows to the cathode area 4 the fuel cell 2 after the air conveyor 6 , This is after the air conveyor 6 accordingly hot, so it must be cooled. This is done on the one hand by the in the second area 13 of the intercooler 9 flowing exhaust air stream ALS from the cathode area 4 which is typically significantly cooler than the supply air flow ZLS after the air conveyor 6 is. It also flows through the third area 14 of the intercooler 9 a cooling medium KM, for example, in a cooling circuit with a liquid cooling medium. The construction thus allows safe and reliable temperature of the cathode area 4 the fuel cell 2 to control incoming supply air flow ZLS and lower it into an area which, for the membranes 5 the fuel cell 2 is not critical.

In der Darstellung der 2 ist ein weiterer Aufbau in der oben genannten Art und Weise zu erkennen. Dieselben Komponenten sind dabei mit denselben Bezugszeichen versehen, sodass nachfolgend nur noch auf die Unterschiede des Brennstoffzellensystems 1 gemäß 2 im Unterschied zu dem gemäß 1 näher eingegangen wird. Der Ladeluftkühler 9 ist auch in dem Ausführungsbeispiel gemäß 2 so ausgebildet, dass dieser über die drei Bereiche 12, 13, 14 verfügt. Der Bereich 14 ist dabei wiederum von einem Kühlmedium KM durchströmt, wobei dieses Kühlmedium KM das Kühlmedium KM des Kühlkreislaufs 8 der Brennstoffzelle 2 ist. Der dritte Bereich 14 des Ladeluftkühlers 9 steht dazu über entsprechende Leitungselemente mit dem Kühlkreislauf 8 des Brennstoffzellensystems 1 in Verbindung. Diese Verbindung weist dabei eine Ventileinrichtung 15 auf, welche so gestaltet ist, dass die Durchströmung des dritten Bereichs 14 zwischen 0 und 100 Prozent geregelt werden kann, je nachdem wie viel Kühlmedium KM zur Temperierung des Ladeluftkühlers 9 benötigt wird. Außerdem weist der Aufbau eine Bypassleitung 16 um den zweiten Bereich 13 des Ladeluftkühlers 9 auf, durch welche bei Bedarf der Abluftstrom ALS aus dem Kathodenbereich 4 strömen und den Ladeluftkühler 9 umgehen kann. Die Bypassleitung 16 weist eine Ventileinrichtung 17 auf, über welche einstellbar ist, ob oder wie viel des Abluftstroms ALS an dem Ladeluftkühler 9 vorbeiströmt.In the presentation of the 2 is another structure in the above manner to recognize. The same components are provided with the same reference numerals, so that below only on the differences of the fuel cell system 1 according to 2 unlike the according to 1 will be discussed in more detail. The intercooler 9 is also in the embodiment according to 2 designed so that this over the three areas 12 . 13 . 14 features. The area 14 is in turn by a cooling medium KM flows through, said cooling medium KM, the cooling medium KM of the cooling circuit 8th the fuel cell 2 is. The third area 14 of the intercooler 9 stands for this purpose via appropriate line elements with the cooling circuit 8th of the fuel cell system 1 in connection. This connection has a valve device 15 on, which is designed so that the flow through the third area 14 between 0 and 100 percent, depending on how much cooling medium KM is used to control the temperature of the intercooler 9 is needed. In addition, the structure has a bypass line 16 around the second area 13 of the intercooler 9 on, through which, if necessary, the exhaust air flow ALS from the cathode area 4 flow and the intercooler 9 can handle. The bypass line 16 has a valve device 17 on which is adjustable, whether or how much of the exhaust air flow ALS on the intercooler 9 flows past.

Der in 2 dargestellte Aufbau des Brennstoffzellensystems 1 weist außerdem einen sogenannten ETC 18 (Electric Turbo Charger/Elektrischer Turbolader) auf. Dieser ETC 18 umfasst die Luftfördereinrichtung 6 sowie eine Turbine 19, welche die in dem Abluftstrom ALS aus dem Kathodenbereich 4 der Brennstoffzelle 2 enthaltene Restenergie zumindest teilweise zurückgewinnt. Turbine 19 und Luftfördereinrichtung 6 sind dabei auf einer gemeinsamen Welle angeordnet, auf welcher außerdem eine elektrische Maschine 20 positioniert ist. Die elektrische Maschine 20 dient nun dazu, die Luftfördereinrichtung 6, welche insbesondere als Strömungsverdichter, prinzipiell jedoch auch als Schraubenverdichter, Rootsgebläse oder ähnliches ausgebildet sein kann, anzutreiben. Wenn im Bereich der Turbine 19 zusätzliche Leistung aus der Energierückgewinnung aus dem Abluftstrom vorliegt, so unterstützt diese Leistung den Antrieb der Luftfördereinrichtung 6, sodass über die elektrische Maschine 20 nicht mehr die gesamte zur Luftförderung erforderliche Leistung aufgebracht werden muss. In Sonderfällen kann es auch dazu kommen, dass im Bereich der Turbine 19 mehr Leistung vorliegt, als im Bereich der Luftfördereinrichtung 6 benötigt wird. Dann kann die elektrische Maschine 20 generatorisch betrieben werden, um so elektrische Leistung aus dem Abluftstrom ALS der Brennstoffzelle 2 zurückzugewinnen. Ferner kann die Temperatur des Abluftstroms ALS nach dem Ladeluftkühler 9 über einen optionalen, hier nicht dargestellten Brenner, welcher beispielsweise mit Abgas aus dem Anodenbereich 3 versorgt wird, nochmals erhöht werden.The in 2 illustrated construction of the fuel cell system 1 also has a so-called ETC 18 (Electric Turbo Charger / Electric Turbocharger) on. This ETC 18 includes the air conveyor 6 as well as a turbine 19 , which in the exhaust air stream ALS from the cathode area 4 the fuel cell 2 at least partially recovers contained residual energy. turbine 19 and air conveyor 6 are arranged on a common shaft, on which also an electric machine 20 is positioned. The electric machine 20 now serves to the air conveyor 6 , which in particular as a flow compressor, but in principle also as a screw compressor, Roots blower or the like can be designed to drive. If in the area of the turbine 19 additional power from the energy recovery from the exhaust air flow is present, this power supports the drive of the air conveyor 6 so on the electric machine 20 it is no longer necessary to apply all the power required to convey the air. In special cases it can also happen that in the area of the turbine 19 more power than in the area of the air conveyor 6 is needed. Then the electric machine 20 be operated as a generator, so as to electrical power from the exhaust air flow ALS of the fuel cell 2 recover. Furthermore, the temperature of the exhaust air stream ALS after the Intercooler 9 via an optional, not shown here burner, which, for example, with exhaust gas from the anode area 3 supplied, be increased again.

Für die hier vorliegende Erfindung ist der Aufbau des Brennstoffzellensystems 1 mit dem ETC 18 dabei nur insofern wichtig, als die Turbine 19 in bestimmten Betriebssituationen für Probleme sorgen kann, wenn aus dem Abluftstrom ALS des Kathodenbereichs 4 zu viel Flüssigkeit auskondensiert und Tröpfchen – oder bei widrigen Umgebungsbedingungen sogar Eis beziehungsweise Schnee – in den Bereich der Turbine 19 gelangt. Die Turbine 19 kann dann entsprechend geschädigt werden und kann insbesondere nach einem Abstellen des Brennstoffzellensystems 1 festfrieren, wenn Umgebungstemperaturen unterhalb des Gefrierpunkts vorliegen. Aufgrund der direkten Verbindung der Turbine 19 mit der elektrischen Maschine 20 und der Luftfördereinrichtung 6 kann ein solches Festfrieren der Turbine den Wiederstart des Systems unter Gefrierbedingungen nachteilig beeinflussen.For the present invention, the structure of the fuel cell system 1 with the ETC 18 only insofar important as the turbine 19 in certain operating situations can cause problems when from the exhaust air flow ALS of the cathode area 4 condenses too much liquid and droplets - or in adverse environmental conditions, even ice or snow - in the area of the turbine 19 arrives. The turbine 19 can then be damaged accordingly and in particular after a shutdown of the fuel cell system 1 freeze when ambient temperatures are below freezing. Due to the direct connection of the turbine 19 with the electric machine 20 and the air conveyor 6 Such freezing of the turbine may adversely affect the re-start of the system under freezing conditions.

Über den hier dargestellten Aufbau des Ladeluftkühlers 9 mit den angesprochenen drei Bereichen 12, 13 und 14 kann dies nun verhindert werden. Wenn unter widrigen Bedingungen und sehr kalten Umgebungstemperaturen zu befürchten ist, dass der Abluftstrom ALS nach dem Ladeluftkühler 9 entsprechend kalt ist, sodass Kondensation und/oder Schneebildung auftreten kann, dann liegt – bei bereits länger andauderndem Betrieb – typischerweise eine Betriebssituation vor, in der das Kühlmedium KM des Kühlkreislaufs 8 des Brennstoffzellensystems 1 entsprechend erwärmt ist, sodass durch den Aufbau des Ladeluftkühlers 9 mit den drei Bereichen 12, 13, 14 eine Erwärmung der Abluft über das Kühlmedium KM erfolgt und so Auskondensation und Flüssigkeit und Schneebildung sicher und zuverlässig vermieden wird. Durch den erfindungsgemäßen Aufbau des Ladeluftkühlers 9 wird so immer eine Vergleichmäßigung der Temperaturen der drei durch den Ladeluftkühler 9 strömenden Stoffströme erreicht, um so nachteilige Temperaturen im Abluftstrom ALS ebenso zu vermeiden wie zu hohe Temperaturen im Zuluftstrom ZLS, welche die Membranen 5 der Brennstoffzelle 2 schädigen könnten.About the structure of the intercooler shown here 9 with the mentioned three areas 12 . 13 and 14 this can now be prevented. If, under adverse conditions and very cold ambient temperatures, it is to be feared that the exhaust air flow will be ALS after the intercooler 9 is correspondingly cold, so that condensation and / or snow can occur, then is - in an already long dizzying operation - typically an operating situation, in which the cooling medium KM of the cooling circuit 8th of the fuel cell system 1 is heated accordingly, so that by the construction of the intercooler 9 with the three areas 12 . 13 . 14 Heating of the exhaust air via the cooling medium KM takes place and thus condensation and liquid and snow formation is safely and reliably avoided. Due to the construction of the intercooler according to the invention 9 So is a homogenization of the temperatures of the three by the intercooler 9 flows flowing material flows, so as to avoid adverse temperatures in the exhaust air flow ALS as well as excessive temperatures in the supply air flow ZLS, which the membranes 5 the fuel cell 2 could harm.

In der Darstellung der 3 ist nun ein Ausschnitt aus einer beispielhaften Ausgestaltung des Ladeluftkühlers 9 in Form eines Plattenwärmetauschers zu erkennen. Prinzipiell kann der Ladeluftkühler 9 in beliebiger Bauart von Wärmetauschern ausgebildet sein. Ein Plattenwärmetauscher ist jedoch hinsichtlich der Effizienz, Herstellungskosten und benötigtem Bauraum vergleichsweise vorteilhaft, da er klein und kostengünstig baut und dennoch eine ausreichend hohe Übertragungsleistung für die Wärme zur Verfügung stellt. Grundsätzlich sind dabei verschiedene Varianten von Gleichstrom, Gegenstrom und Kreuzstrom denkbar. Der Ausschnitt in 3 soll beispielhaft einen Abschnitt eines derartigen Plattenwärmetauschers zeigen. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Bereiche 12, 13, 14 jeweils übereinander gestapelt. Durch die Bereiche 12 strömt der Zuluftstrom ZLS zum Kathodenbereich 4 der Brennstoffzelle 2. Durch die zweiten Bereiche 13 strömt im Gegenstrom hierzu der Abluftstrom ALS aus dem Kathodenbereich 4 der Brennstoffzelle 2. Im Gegenstrom hierzu und wiederum im Gleichstrom zu dem Zuluftstrom ZLS strömt dann in den dritten Bereichen 14 das Kühlmedium KM, welches insbesondere aus dem Kühlkreislauf 8 für die Brennstoffzelle 2 stammt und den Ladeluftkühler 9 bevorzugt in Strömungsrichtung nach der Brennstoffzelle 2 beziehungsweise dem in ihr angeordneten Kühlwärmetauscher 7 durchströmt.In the presentation of the 3 is now a section of an exemplary embodiment of the intercooler 9 to recognize in the form of a plate heat exchanger. In principle, the intercooler 9 be formed in any type of heat exchangers. However, a plate heat exchanger is comparatively advantageous in terms of efficiency, manufacturing cost, and space required because it is small in size and inexpensive, yet provides a sufficiently high heat transfer performance. Basically, different variants of direct current, countercurrent and cross flow are conceivable. The clipping in 3 is intended to show, by way of example, a section of such a plate heat exchanger. In the illustrated embodiment, the areas are 12 . 13 . 14 each stacked on top of each other. Through the areas 12 the supply air flow ZLS flows to the cathode area 4 the fuel cell 2 , Through the second areas 13 flows in countercurrent to the exhaust air flow ALS from the cathode area 4 the fuel cell 2 , In countercurrent thereto and again in direct current to the supply air flow ZLS then flows in the third areas 14 the cooling medium KM, which in particular from the cooling circuit 8th for the fuel cell 2 comes and the intercooler 9 preferably in the flow direction after the fuel cell 2 or the cooling heat exchanger arranged in it 7 flows through.

Die bevorzugte Verwendung für ein derartiges Brennstoffzellensystem 1 liegt, wie oben bereits erwähnt, in der Anwendung in einem Fahrzeug. Das Brennstoffzellensystem 1 kann hier prinzipiell sowohl zur Erzeugung von elektrischer Antriebsenergie als auch zur Erzeugung von elektrischer Energie für elektronische Komponenten wie Unterhaltungselektronik, Navigation oder dergleichen eingesetzt werden. Der bevorzugte Anwendungszweck soll jedoch insbesondere in einem Brennstoffzellensystem 1 liegen, welches als Hauptaufgabe die Traktionsenergie für das Fahrzeug bereitstellt. Ein Fahrzeug kann dabei insbesondere ein Personenkraftwagen, ein Nutzkraftwagen oder ein Schiff sein.The preferred use for such a fuel cell system 1 is, as already mentioned above, in the application in a vehicle. The fuel cell system 1 can be used in principle both for the production of electrical drive energy and for the generation of electrical energy for electronic components such as consumer electronics, navigation or the like. However, the preferred application is intended in particular in a fuel cell system 1 lie, which provides the main task, the traction energy for the vehicle. A vehicle may be in particular a passenger car, a commercial vehicle or a ship.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • US 2006/0147773 A1 [0003] US 2006/0147773 A1 [0003]

Claims (10)

Brennstoffzellensystem mit wenigstens einer Brennstoffzelle (2) mit einem Anodenbereich (3) und einem Kathodenbereich (4), wobei in Strömungsrichtung vor dem Kathodenbereich (4) eine Luftfördereinrichtung (6) zum Verdichten eines Zuluftstroms (ZLS) angeordnet ist, und wobei ein Ladeluftkühler (9) zum Abkühlen des Zuluftstroms (ZLS) nach der Luftfördereinrichtung (6) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Ladeluftkühler (9) als Wärmetauscher mit drei gegeneinander abgedichteten Bereichen (12, 13, 14) ausgebildet ist, wobei durch den ersten Bereich (12) der Zuluftstrom (ZLS) zum Kathodenbereich (4), durch den zweiten Bereich (13) ein Abluftstrom (ALS) aus dem Kathodenbereich (4) und durch den dritten Bereich (14) ein Kühlmedium (KM) strömt.Fuel cell system with at least one fuel cell ( 2 ) with an anode region ( 3 ) and a cathode region ( 4 ), in the flow direction in front of the cathode region ( 4 ) an air conveying device ( 6 ) is arranged for compressing a supply air flow (ZLS), and wherein a charge air cooler ( 9 ) for cooling the supply air flow (ZLS) to the air conveyor ( 6 ), characterized in that the intercooler ( 9 ) as a heat exchanger with three mutually sealed areas ( 12 . 13 . 14 ) is formed, wherein by the first area ( 12 ) the supply air flow (ZLS) to the cathode region ( 4 ), through the second area ( 13 ) an exhaust air stream (ALS) from the cathode region ( 4 ) and the third area ( 14 ) flows a cooling medium (KM). Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmedium (KM) aus einem Kühlkreislauf (8) der Brennstoffzelle (2) stammt.Fuel cell system according to claim 1, characterized in that the cooling medium (KM) from a cooling circuit ( 8th ) of the fuel cell ( 2 ). Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in Strömungsrichtung des Abluftstroms (ALS) nach dem Ladeluftkühler (6) eine Turbine (19) angeordnet ist.Fuel cell system according to claim 1 or 2, characterized in that in the flow direction of the exhaust air stream (ALS) after the intercooler ( 6 ) a turbine ( 19 ) is arranged. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Turbine (19) zumindest mittelbar mit der Luftfördereinrichtung (6) mechanisch zur Leistungsübertragung gekoppelt ist.Fuel cell system according to claim 3, characterized in that the turbine ( 19 ) at least indirectly with the air conveying device ( 6 ) is mechanically coupled for power transmission. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass in Strömungsrichtung des Zuluftstroms (ZLS) nach dem Ladeluftkühler (6) und vor dem Kathodenbereich (4) ein Befeuchter (10) angeordnet ist.Fuel cell system according to one of claims 1 to 4, characterized in that in the flow direction of the supply air flow (ZLS) after the intercooler ( 6 ) and in front of the cathode area ( 4 ) a humidifier ( 10 ) is arranged. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Befeuchter (10) vom Abluftstrom (ALS) als Feuchtelieferant durchströmt ist, und für Wasserdampf durchlässige Membranen (11) zwischen Abluftstrom (ALS) und Zuluftstrom (ZLS) aufweist.Fuel cell system according to claim 5, characterized in that the humidifier ( 10 ) is traversed by the exhaust air flow (ALS) as a moisture supplier, and for water vapor permeable membranes ( 11 ) between exhaust air flow (ALS) and supply air flow (ZLS). Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Ventileinrichtung (15) zur Regelung der Durchströmung des Ladeluftkühlers (9) mit dem Kühlmedium (KM) vorgesehen ist.Fuel cell system according to one of claims 1 to 6, characterized in that a valve device ( 15 ) for controlling the flow through the intercooler ( 9 ) is provided with the cooling medium (KM). Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Bypassleitung (16) mit einer Ventileinrichtung (17) um den zweiten Bereich (13) des Ladeluftkühlers (9) vorgesehen ist.Fuel cell system according to one of claims 1 to 7, characterized in that a bypass line ( 16 ) with a valve device ( 17 ) around the second area ( 13 ) of the intercooler ( 9 ) is provided. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Ladeluftkühler (9) in der Art eines Plattenwärmetauschers ausgebildet ist.Fuel cell system according to one of claims 1 to 8, characterized in that the intercooler ( 9 ) is formed in the manner of a plate heat exchanger. Verwendung des Brennstoffzellensystems (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 in einem Fahrzeug.Use of the fuel cell system ( 1 ) according to one of claims 1 to 9 in a vehicle.
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