DE102010047523A1

DE102010047523A1 - Fuel cell system for use in e.g. ships, has air inlet pipe placed between burner and compressor in flow direction subsequent to compressor components, where hot exhaust gases of burner flow from cathode region of fuel cell

Info

Publication number: DE102010047523A1
Application number: DE102010047523A
Authority: DE
Inventors: Markus Handgrätinger; Dipl.-Ing. Mazzotta Cosimo
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2010-08-09
Filing date: 2010-10-05
Publication date: 2012-02-09

Abstract

The system has a compressor (6) for supplying air to a cathode region (3) of a fuel cell (2). A catalytic burner (13) burns exhaust gas in an anode region (4) of the fuel cell and/or fuel. An air inlet pipe (22) is placed between the burner and the compressor in a flow direction directly or indirectly subsequent to compressor components. Hot exhaust gases of the burner flow from the cathode region of the fuel cell. The components of the compressor are arranged in the flow direction in front of the cathode region of the fuel cell.

Description

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem mit wenigstens einer Brennstoffzelle nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.The invention relates to a fuel cell system with at least one fuel cell according to the closer defined in the preamble of claim 1.

Aus dem deutschen Patent DE 103 06 234 B4 ist ein Verfahren zur Luftversorgung einer Brennstoffzelle sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens bekannt. Der Aufbau beschreibt dabei einen Verdichter und eine Turbine, welche zur Luftversorgung der Brennstoffzelle genutzt werden, wobei die Turbine den Verdichter zumindest mittelbar antreibt und aus dem System zurückgewonnene Leistung dem Verdichter zur Verfügung stellt. Um die Turbine möglichst effizient betreiben zu können, ist dabei ein Brenner vorgesehen, dessen heiße Abgase in den Bereich der Turbine strömen. Über eine spezielle Verschaltung ist eine Vorwärmung der Zuluft zum Brenner über einen Wärmetauscher vorgesehen, sodass auch nach der Turbine verbleibende Abwärme in dem System noch genutzt werden kann. Der Aufbau gemäß des oben genannten deutschen Patents sieht es dabei vor, dass ein Bypass um den Kathodenraum angeordnet ist, welcher es erlaubt, den Brenner – im Kaltstartfall – ergänzend mit frischer Luft zu betreiben. Diese Luft wird dann nach dem Kathodenraum wieder mit dem Abgas des Kathodenraums gemischt und gelangt dann zusammen mit dem Abgas aus dem Anodenraum und optionalem frischen Brennstoff in den Brenner.From the German patent DE 103 06 234 B4 a method for supplying air to a fuel cell and a device for carrying out this method is known. The structure describes a compressor and a turbine, which are used for supplying air to the fuel cell, wherein the turbine drives the compressor at least indirectly and provides recovered power from the system to the compressor. In order to operate the turbine as efficiently as possible, while a burner is provided, the hot exhaust gases flow into the region of the turbine. A preheating of the supply air to the burner via a heat exchanger is provided via a special interconnection, so that even after the turbine remaining waste heat in the system can still be used. The structure according to the above-mentioned German patent provides that a bypass is arranged around the cathode space, which allows the burner - in cold start case - to operate in addition to fresh air. This air is then mixed again after the cathode space with the exhaust gas of the cathode space and then passes together with the exhaust gas from the anode chamber and optional fresh fuel in the burner.

Der Nachteil bei diesem Aufbau besteht nun darin, dass dem Brenner – zumindest teilweise – Luft beziehungsweise Abgas aus dem Kathodenbereich zugeführt wird, welches aufgrund der Umsetzung von Sauerstoff im Kathodenbereich an Sauerstoff abgereichert ist. Dies erfordert in vielen Fällen für einen regulären und in gewünschten Größen regelbaren Betrieb des Brenners eine entsprechend hohe Stöchiometrie, welche einen größeren Volumenstrom und damit einen größeren Leistungsbedarf im Bereich des Verdichters benötigt. Außerdem wird dem Brenner Luft und Abgas mit hoher Feuchtigkeit zugeführt. Auch Flüssigwasser kann nicht gänzlich ausgeschlossen werden. Dies führt sowohl im kontinuierlichen als auch im diskontinuierlichen Betrieb des Brenners zu entsprechenden Problemen. Damit ist ein zuverlässiger Betrieb des Brenners und der Turbine häufig nur schwer zu gewährleisten. Zwar kann diese Problematik durch einen aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannten Abscheider vor dem Brenner entschärft werden. Allerdings wird damit ein Massenstrom aus dem System abgeführt, welcher nach dem Brenner als Dampf zur Rückgewinnung von Energie wertvoll wäre.The disadvantage of this structure consists in the fact that the burner - at least partially - air or exhaust gas is supplied from the cathode region, which is depleted of oxygen due to the reaction of oxygen in the cathode region. In many cases, this requires a correspondingly high stoichiometry for a regular operation of the burner which can be regulated in desired sizes, which requires a larger volume flow and thus a greater power requirement in the area of the compressor. In addition, the burner is supplied with air and high-humidity exhaust gas. Also, liquid water can not be completely excluded. This leads to corresponding problems both in continuous and discontinuous operation of the burner. Thus, a reliable operation of the burner and the turbine is often difficult to ensure. Although this problem can be mitigated by a known from the general state of the art separator before the burner. However, so that a mass flow is discharged from the system, which would be valuable after the burner as steam for the recovery of energy.

Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, ein Brennstoffzellensystem in der oben genannten Art und Weise dahingehend weiterzubilden, dass die genannten Nachteile vermieden werden, und dass mit minimalem Energieeinsatz ein sicherer und zuverlässiger Betrieb des Brenners ermöglicht wird.The object of the present invention is now to develop a fuel cell system in the manner mentioned above to the effect that the disadvantages mentioned are avoided, and that with a minimum use of energy reliable and reliable operation of the burner is made possible.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems ergeben sich außerdem aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen.According to the invention this object is achieved by the features mentioned in the characterizing part of claim 1. Advantageous embodiments of the fuel cell system according to the invention also emerge from the subclaims dependent thereon.

Die Problematik wird also dadurch gelöst, dass eine Zuluftleitung für den Brenner zwischen dem Verdichter und einer in Strömungsrichtung auf den Verdichter folgenden Komponente des Brennstoffzellensystems, beispielsweise einem Ladeluftkühler, einem Gas/Gas-Befeuchter oder Ähnlichem abzweigt, und das die heißen Abgase des Brenners und die Abgase aus dem Kathodenbereich der Brennstoffzelle – ohne den Brenner zu durchströmen – in die Turbine einströmen.The problem is thus solved in that an air supply line for the burner between the compressor and a downstream in the flow direction of the compressor component of the fuel cell system, such as a charge air cooler, a gas / gas humidifier or similar branches off, and the hot exhaust gases of the burner and the exhaust gases from the cathode region of the fuel cell - without flowing through the burner - flow into the turbine.

Der erfindungsgemäße Aufbau ermöglicht es also, den Brenner beispielsweise direkt mit Frischluft aus dem Verdichter zu betreiben, um so frische, trockene und nach dem Verdichten typischerweise auch heiße Luft zum Betreiben des Brenners zur Verfügung zu haben. Diese Luft durchströmt außer dem Verdichter und einigen Leitungselementen keine weiteren Komponenten wie Wärmetauscher, Ladeluftkühler, Befeuchter und den Kathodenbereich der Brennstoffzelle, sodass dieser Volumenstrom mit vergleichsweise geringen Druckverlusten von dem Verdichter zu dem Brenner gefördert werden kann. Die Verbrennung beispielsweise von Abgasen aus dem Anodenbereich, welche kontinuierlich oder diskontinuierlich abgeführt werden, und/oder optionalem frischem Brennstoff in dem Brenner kann so sehr gezielt und effizient erfolgen. Die heißen Abgase des Brenners werden dann erst nach dem Brenner mit den Abgasen aus dem Kathodenbereich der Brennstoffzelle gemischt und gelangen dann in die Turbine oder werden erst im Bereich der Turbine gemischt. Damit lässt sich der gesamte durch die Brennstoffzelle geführte Volumenstrom hinsichtlich Druck, thermischem Energieinhalt und Masse zusammen mit den heißen Abgasen des Brenners in der Turbine nutzen. Bei idealen Betriebsbedingungen für den Brenner und hoher Regelbarkeit desselben aufgrund der mit hohem Sauerstoffgehalt zur Verfügung stehenden trockenen und heißen Frischluft aus dem Verdichter, entsteht so ein System, welches ein Maximum an Energie in der Turbine nutzt und dennoch in hohem Maße steuer- und/oder regelbar ist.The structure according to the invention thus makes it possible, for example, to operate the burner directly with fresh air from the compressor so as to have fresh, dry and, after compression, also typically hot air for operating the burner. This air flows through the compressor and some line elements no other components such as heat exchangers, intercooler, humidifier and the cathode region of the fuel cell, so that this volume flow can be promoted with comparatively low pressure losses from the compressor to the burner. The combustion of, for example, exhaust gases from the anode region, which are removed continuously or discontinuously, and / or optional fresh fuel in the burner can thus be carried out in a very targeted and efficient manner. The hot exhaust gases of the burner are then mixed after the burner with the exhaust gases from the cathode region of the fuel cell and then get into the turbine or are mixed only in the turbine. In this way, the entire volume flow guided through the fuel cell can be used with regard to pressure, thermal energy content and mass together with the hot exhaust gases of the burner in the turbine. Under ideal operating conditions for the burner and high controllability of the same due to the high oxygen content available dry and hot fresh air from the compressor, so creates a system that uses a maximum of energy in the turbine and yet highly tax- and / or is controllable.

In einer alternativen Ausführung sieht der erfindungsgemäße Aufbau es vor, dass die Zuluftleitung vor einer mittelbar auf den Verdichter folgenden Komponente abzweigt. Dies bedeutet, dass zwischen dem Verdichter und der Abzweigung der Zuluftleitung durchaus noch eine weitere Komponente oder weitere Bauteile, wie zum Beispiel Ventileinrichtung oder dergleichen vorhanden sein können. Ist die weitere zwischen der Zuluftleitung und dem Verdichter angeordnete Komponente beispielsweise ein Ladeluftkühler, so könnte der oben genannte Vorteil, dass Frischluft mit hohem Sauerstoffgehalt zu dem Brenner geführt wird, ebenso erreicht werden. Diese wäre allerdings unter regulären Bedingungen bereits abgekühlt, sodass hierdurch ein geringerer Wärmeeintrag in den Brenner erfolgen würde. Unter Kaltstartbedingungen bei sehr niedrigen Aussendtemperaturen kann es jedoch durchaus vorkommen, dass die Abgase der Brennstoffzelle deutlich wärmer als die nach dem Verdichter vorliegende Frischluft sind. In diesen Fällen würde ein solcher Aufbau dann die dem Brenner zugeführte Frischluft entsprechend erwärmen und vorkonditionieren, dass hierdurch entsprechende Vorteile entstehen.In an alternative embodiment, the construction according to the invention provides that the supply air duct branches off before a component that indirectly follows the compressor. This means that between the compressor and the branch of the supply air line quite a further component or other components, such as valve device or the like may be present. If the further component arranged between the supply air line and the compressor is, for example, a charge air cooler, the above-mentioned advantage that fresh air with a high oxygen content is conducted to the burner could also be achieved. However, this would have already cooled under regular conditions, so that this would result in a lower heat input into the burner. However, under cold start conditions at very low emission temperatures, it can happen that the exhaust gases of the fuel cell are significantly warmer than the fresh air present after the compressor. In such cases, such a structure would then appropriately heat and precondition the fresh air supplied to the burner so as to provide corresponding benefits.

In einer besonders günstigen und vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Aufbaus ist es ferner vorgesehen, dass in der Zuluftleitung vor dem Brenner eine Ventileinrichtung angeordnet ist. Mit diesem Aufbau wird eine Regelbarkeit der Luftversorgung des Brenners erreicht. Die Ventileinrichtung in der Zuleitung vor dem Brenner kann auch als System-Bypassventil genutzt werden, um beispielsweise beim Einsatz des Brennstoffzellensystems in einem Kraftfahrzeug, in dem das Brennstoffzellensystem im Start/Stopp-Verfahren betrieben wird, während des Stopps Luft um das Brennstoffzellensystem herumzuleiten und so dieses bei weiterhin aufrechterhaltener Möglichkeit des schnellen Wiederstarts effizient und leise zu betreiben. Außerdem erlaubt das System-Bypassventil eine entsprechende Regelbarkeit des Verdichters, insbesondere wenn dieser als Strömungsverdichter zusammen mit der Turbine auf einer Welle betrieben wird. In diesem Fall kann der Verdichter gegebenenfalls nicht ausreichend schnell auf eine dynamische Leistungsabsenkung im Brennstoffzellensystem reagieren und würde zuviel Luft in das Brennstoffzellensystem fördern. Diese überschüssige Luft könnte in solchen Situationen über die Zuluftleitung zum Brenner dann durch den Brenner direkt der Turbine zugeführt werden. Der Brenner kann dabei entweder betrieben werden oder auch im nichtbetriebenen Zustand lediglich von der durch den System-Bypass geleiteten Luft durchströmt werden.In a particularly favorable and advantageous development of the structure according to the invention, it is further provided that a valve device is arranged in the supply air line in front of the burner. With this structure, a controllability of the air supply of the burner is achieved. The valve device in the supply line in front of the burner can also be used as a system bypass valve in order, for example, when using the fuel cell system in a motor vehicle in which the fuel cell system is operated in the start / stop method, to bypass air around the fuel cell system during the stop and so on to operate this efficiently and quietly while still maintaining the possibility of a quick restart. In addition, the system bypass valve allows a corresponding controllability of the compressor, especially when it is operated as a flow compressor together with the turbine on a shaft. In this case, the compressor may not react sufficiently quickly to a dynamic power reduction in the fuel cell system and would promote too much air into the fuel cell system. This excess air could then be fed through the burner directly to the turbine in such situations via the supply air line to the burner. The burner can either be operated or flowed through in the non-powered state only by the system bypass bypassed air.

Bei dem oben beschriebenen Aufbau, bei welchem die Zuluftleitung mittelbar nach dem Verdichter abzweigt und beispielsweise ein Ladeluftkühler zwischen der Abzweigung und dem Verdichter angeordnet ist, kann insbesondere in System-Bypassventil eingesetzt werden, welches keine sehr hohen Temperaturen aushalten muss, da hier immer eine moderate Temperatur des Zuluftstroms zum Brenner vorliegt und nicht, wie beim direkt nach dem Verdichter abzweigenden Zuluftleitung die vergleichsweise hohe Temperatur der verdichteten Frischluft.In the structure described above, in which the supply air line branches off indirectly after the compressor and, for example, a charge air cooler between the branch and the compressor is arranged, can be used in particular in system bypass valve, which does not have to endure very high temperatures, as always a moderate Temperature of the supply air flow to the burner is present and not, as in the branching directly after the compressor supply air line, the relatively high temperature of the compressed fresh air.

Eine Alternative zur Integration des System-Bypassventils in die Zuluftleitung wäre außerdem die parallele Anordnung der Zuluftleitung, welche den direkt oder mittelbar nach dem Verdichter angeordneten Bereich mit dem Brenner verbindet und „parallel” dazu aus dem Bypass mit entsprechender Ventileinrichtung welcher den Zuluftstrom zu dem Abluftstrom verbindet. Diese Verbindung zum Abluftstrom kann dann entweder vor oder nach dem Brenner erfolgen, insbesondere soll die Verbindung zwischen der Zuluftleitung und der Abluftleitung in Strömungsrichtung vor der Turbine angeordnet sein.An alternative to the integration of the system bypass valve in the supply air line would also be the parallel arrangement of the supply air line, which connects the directly or indirectly arranged after the compressor area with the burner and "parallel" to the bypass with appropriate valve device which the supply air to the exhaust air stream combines. This connection to the exhaust air flow can then take place either before or after the burner, in particular the connection between the supply air line and the exhaust air line should be arranged upstream of the turbine in the flow direction.

In einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems kann es ferner vorgesehen sein, dass die Abgase des Kathodenbereichs vor der Turbine wenigstens einen in wärmeleitendem Kontakt mit dem Brenner stehenden Bereich durchströmen. Dadurch kann Abwärme des Brenners genutzt werden, um auch diesen Abgasstrom aus dem Kathodenbereich entsprechend zu erwärmen, insbesondere um Flüssigwasser in diesem Abgasstrom zu verdampfen. Damit wird der Eintrag von Flüssigwasser in die Turbine vermieden und der entstehende Dampf kann in der Turbine zusätzlich gewinnbringend genutzt werden. Je nach Ausgestaltung des Systems kann der wärmeleitende Kontakt dabei so ausgebildet sein, dass der Einbau des Brenners dadurch begünstigt wird, beispielsweise indem dieser in einem Doppelrohr angeordnet ist, welches in dem zwischen den Rohren verbleibenden Rohrspalt von dem Abgas aus dem Kathodenbereich durchströmt wird, während der Brenner selbst im Inneren des inneren Rohrs angeordnet ist. Ein solcher Aufbau würde gewährleisten, dass die nach außen weisenden Oberflächen des Brenners vergleichsweise kühl sind und so dicht neben anderen Komponenten eingebaut werden können, ohne dass die Gefahr besteht, dass diese thermisch geschädigt werden.In an advantageous development of the fuel cell system according to the invention, it can further be provided that the exhaust gases of the cathode region in front of the turbine flow through at least one region in heat-conducting contact with the burner. As a result, waste heat from the burner can be used to heat this exhaust stream from the cathode area accordingly, in particular to evaporate liquid water in this exhaust stream. Thus, the entry of liquid water is avoided in the turbine and the resulting steam can also be used profitably in the turbine. Depending on the configuration of the system, the heat-conducting contact can be designed so that the installation of the burner is favored by, for example, by this is arranged in a double tube, which is traversed in the pipe gap remaining between the tubes from the exhaust gas from the cathode region while the burner itself is arranged inside the inner tube. Such a construction would ensure that the outwardly facing surfaces of the burner are comparatively cool and so can be installed close to other components without the risk of being thermally damaged.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems ergeben sich aus den restlichen Unteransprüchen und werden anhand des Ausführungsbeispiels deutlich, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert 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 is explained 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; 2 a second embodiment of the fuel cell system according to the invention;

3 eine dritte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems; 3 a third embodiment of the fuel cell system according to the invention;

4 eine vierte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems; und 4 a fourth embodiment of the fuel cell system according to the invention; and

5 eine fünfte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems. 5 A fifth embodiment of the fuel cell system according to the invention.

In der Darstellung der 1 ist eine erste mögliche Ausführungsform des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems 1 zu erkennen. Das Brennstoffzellensystem 1 umfasst dabei eine Brennstoffzelle 2, welche typischerweise als Stapel von Einzelzellen, als sogenannter Brennstoffzellenstack, ausgebildet ist. Die Brennstoffzelle 2 soll als PEM-Brennstoffzellenstack ausgebildet sein und umfasst einen Kathodenbereich 3 und einen Anodenbereich 4, welche jeweils von protonenleitenden Membranen 5 voneinander getrennt ausgebildet sind. Über einen Verdichter 6 wird dem Kathodenbereich 3 der Brennstoffzelle Luft als Sauerstofflieferant zugeführt. Der Verdichter 6 kann dabei insbesondere als Strömungsverdichter, aber auch als Schraubenverdichter, Rootsgebläse oder Ähnliches ausgebildet sein.In the presentation of the 1 is a first possible embodiment of the fuel cell system according to the invention 1 to recognize. The fuel cell system 1 includes a fuel cell 2 which is typically designed as a stack of single cells, as a so-called fuel cell stack. The fuel cell 2 should be designed as a PEM fuel cell stack and includes a cathode region 3 and an anode region 4 , each of proton-conducting membranes 5 are formed separately from each other. About a compressor 6 becomes the cathode area 3 supplied the fuel cell air as an oxygen supplier. The compressor 6 can be designed in particular as a flow compressor, but also as a screw compressor, Roots blower or the like.

Dem Anodenbereich 4 der Brennstoffzelle wird als Brennstoff Wasserstoff zugeführt, welcher in einem Druckgasspeicher 7 gespeichert sein soll. Über eine geeignete Ventileinrichtung 8 wird dieser Wasserstoff im Druck abgesenkt und dem Anodenbereich 4 der Brennstoffzelle 2 zugeführt. Nicht verbrauchtes Abgas aus dem Anodenbereich 4 gelangt über eine Rezirkulationsleitung 9 und eine Rezirkulationsfördereinrichtung 10, insbesondere ein Wasserstoffrezirkulationsgebläse, zurück in den Anodenbereich 4 und wird mit frischem Wasserstoff aus dem Druckgasspeicher 7 vermischt und dem Anodenbereich 4 erneut zugeführt. In einer solchen Anodenrezirkulation, welche auch als Anodenloop bezeichnet wird, sammelt sich mit der Zeit Wasser und Stickstoff an, welcher durch die Membranen 5 der Brennstoffzelle 2 aus dem Kathodenbereich 3 in den Anodenbereich 4 diffundiert. Dieses Gemisch aus Wasser und nicht umsetzbarem inertem Gas wird ebenfalls über die Rezirkulationsleitung 9 und das Wasserstoffrezirkulationsgebläse 10 mit rezirkuliert und reichert sich mit der Zeit an. Die Konzentration an Wasserstoff in dem Anodenloop fällt damit ab und beeinträchtigt die Performance der Brennstoffzelle 2. Deshalb wird aus dem Anodenloop von Zeit zu Zeit diskontinuierlich oder auch mit einem geringen Volumenstrom kontinuierlich sowie gegebenenfalls in einer Kombination dieser beiden Methoden Wasser und/oder Gas über eine Ventileinrichtung 11, das sogenannte Drain/Purge-Ventil, abgelassen. Dieses Ventil 11 kann, wie aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt, dabei beispielsweise in einem Wasserabscheider angeordnet sein. Dies ist in der Darstellung der hier gewählten Figuren nicht dargestellt, die Ventileinrichtung 11 ist lediglich prinzipmäßig angedeutet.The anode area 4 the fuel cell is supplied as fuel hydrogen, which in a compressed gas storage 7 should be saved. About a suitable valve device 8th This hydrogen is lowered in pressure and the anode area 4 the fuel cell 2 fed. Unused exhaust gas from the anode area 4 passes through a recirculation line 9 and a recirculation conveyor 10 , in particular a hydrogen circulation blower, back into the anode area 4 and is using fresh hydrogen from the compressed gas storage 7 mixed and the anode area 4 fed again. In such an anode recirculation, which is also referred to as anode loop, accumulates with time water and nitrogen, which flows through the membranes 5 the fuel cell 2 from the cathode area 3 in the anode area 4 diffused. This mixture of water and unreactable inert gas also passes through the recirculation line 9 and the hydrogen circulation fan 10 with recirculates and accumulates over time. The concentration of hydrogen in the anode loop thus drops and impairs the performance of the fuel cell 2 , Therefore, from time to time, discontinuously or even at a low volume flow, water and / or gas from the anode loop are continuously and optionally mixed in a combination of these two methods via a valve device 11 , the so-called drain / purge valve, drained. This valve 11 can, as known from the general state of the art, for example, be arranged in a water separator. This is not shown in the representation of the figures chosen here, the valve device 11 is only indicated in principle.

Das abgelassene Gas, welches immer auch eine Restmenge an Wasserstoff enthält, gelangt dann über ein Leitungselement 12, die Purge-Leitung, in den Bereich eines später noch näher beschriebenen Brenners 13. Diesem Brenner 13 kann über ein weiteres Leitungselement 14 und der darin angeordnete Ventileinrichtung 15 außerdem Brennstoff aus dem Bereich des Druckgasspeichers 7 zur Verbrennung direkt zugeführt werden, wenn dies zur Bereitstellung der erforderlichen Abgastemperatur notwendig sein sollte.The discharged gas, which always contains a residual amount of hydrogen, then passes through a line element 12 , the purge pipe, in the area of a later described burner 13 , This burner 13 can have another conduit element 14 and the valve means disposed therein 15 also fuel from the range of compressed gas storage 7 be fed directly to the combustion, if this should be necessary to provide the required exhaust gas temperature.

Die vom Verdichter 6 geförderte Luft ist nach dem Verdichten typischerweise vergleichsweise heiß und trocken. Sie gelangt bei dem Aufbau gemäß 1 in an sich bekannter Art und Weise daher in den Bereich eines Ladeluftkühlers 16, welcher auf der einen Seite von der heißen verdichteten Zuluft und auf der anderen Seite von der aus dem Kathodenbereich 3 der Brennstoffzelle 2 abströmenden Abluft durchströmt wird. Dieser Gas/Gas-Ladeluftkühler 16 sorgt dafür, dass die heiße verdichtete Zuluft entsprechend abgekühlt und die Wärme auf die Abluft beziehungsweise das Abgas aus dem Kathodenbereich 3 übertragen wird. Nach dem Ladeluftkühler 16 ist ein optionaler Befeuchter 17 angeordnet, welcher typischerweise als Gas/Gas-Befeuchter 17 ausgebildet ist. Er besitzt Membranen, welche lediglich für Wasserdampf, nicht jedoch für die Gase selbst durchlässig sind. Diese Membranen werden häufig als Hohlfasermembranen ausgebildet. Sie werden auf der einen Seite von dem im Ladeluftkühler 16 abgekühlten, aber noch trockenen Zuluftstrom zum Kathodenbereich 3 durchströmt, und auf der anderen Seite von dem Abluftstrom aus dem Kathodenbereich 3, welcher den größten Teil des in der Brennstoffzelle 2 entstehenden Produktwassers als Dampf und gegebenenfalls auch tröpfchenförmig mit sich führt. Der Dampf kann dann durch die Membranen hindurch den Zuluftstrom zum Kathodenbereich 3 in dem Gas/Gas-Befeuchter 17 befeuchten, um so die Membranen 5 der Brennstoffzelle 2 vor Austrocknung zu schützen.The from the compressor 6 delivered air is typically comparatively hot and dry after compression. It arrives in the structure according to 1 in a manner known per se therefore in the area of a charge air cooler 16 which is on one side of the hot compressed supply air and on the other side of the cathode region 3 the fuel cell 2 flowing out exhaust air is flowed through. This gas / gas intercooler 16 ensures that the hot compressed supply air is cooled accordingly and the heat on the exhaust air or the exhaust gas from the cathode area 3 is transmitted. After the intercooler 16 is an optional humidifier 17 arranged, which typically as a gas / gas humidifier 17 is trained. It has membranes which are only permeable to water vapor but not to the gases themselves. These membranes are often formed as hollow fiber membranes. You will be on the one side of the intercooler 16 cooled, but still dry supply air to the cathode area 3 flows through, and on the other side of the exhaust air flow from the cathode region 3 , which is the largest part of the fuel cell 2 resulting product water as a vapor and possibly also droplet-like with it. The steam can then through the membranes through the supply air to the cathode area 3 in the gas / gas humidifier 17 so moisten the membranes 5 the fuel cell 2 to prevent dehydration.

In der Darstellung der 1 ist außerdem eine Bypassleitung 18 mit einer Ventileinrichtung 19 um den Gas/Gas-Befeuchter 17 zu erkennen. In bestimmten Situationen, insbesondere beim Kaltstart, ist der Eintrag von Feuchtigkeit in die Brennstoffzelle häufig nicht erwünscht, um Tröpfchenbildung im Bereich der Brennstoffzelle 2 und damit ein Fluten der für die Gasführung erforderlichen Kanäle innerhalb der Brennstoffzelle 2 zu vermeiden. In diesen Situationen kann über die Bypassleitung 18 mit der Ventileinrichtung 19 die Zuluft auch um den Gas/Gas-Befeuchter 17 herumgeführt werden.In the presentation of the 1 is also a bypass line 18 with a valve device 19 around the gas / gas humidifier 17 to recognize. In certain situations, especially during cold start, the entry of moisture into the fuel cell is often undesirable for droplet formation in the area of the fuel cell 2 and thus flooding the channels required for gas guidance within the fuel cell 2 to avoid. In these situations can be via the bypass line 18 with the valve device 19 the supply air also around the gas / gas humidifier 17 be led around.

Das Abgas beziehungsweise die Abluft aus dem Kathodenbereich 3 der Brennstoffzelle 2 durchströmt nach dem Kathodenbereich 3 zuerst den Gas/Gas-Befeuchter 17 und dann den Ladeluftkühler 16 bevor es in den Bereich einer Turbine 20 gelangt, welche die in dem Abgas aus dem Kathodenbereich 3 enthaltene Restenergie zumindest teilweise zurückgewinnt, um diese dem Verdichter 6 zur Verfügung zu stellen. Der hier dargestellte Aufbau aus Verdichter 6 und Turbine 20 ist dabei so aufgebaut, dass beide auf einer gemeinsamen Welle zusammen mit einer elektrischen Maschine 21 angeordnet sind. Ein solcher Aufbau wird im Allgemeinen auch als elektrischer Turbolader oder ETC (Electric Turbo Charger) bezeichnet. Dieser ETC funktioniert dabei so, dass die an der Turbine 20 zurückgewonnene Energie immer dem Antrieb des Verdichters 16 zur Verfügung gestellt wird, wenn dieser angetrieben ist. Typischerweise reicht die zurückgewonnene Energie nicht zum vollständigen Antrieb des Verdichters 6 aus, sodass durch die elektrische Maschine 21 im motorischen Betrieb zusätzlich Leistung für den Verdichter 6 bereitgestellt wird. Sollte in bestimmten Situationen die Leistung an der Turbine größer sein als die, die der Verdichter 6 benötigt, dann kann die elektrische Maschine 21 auch generatorisch betrieben werden, um elektrische Energie zu erzeugen. Dies kann insbesondere dann genutzt werden, wenn Leistungsspitzen über elektrische Energie aus der elektrischen Maschine 21 abgedeckt werden sollen. Hierfür kann dann der bereits beschriebene Brenner 13 mit Brennstoff und Luft entsprechend befeuert werden, um so an der Turbine 20 möglichst viel Leistung bereitzustellen.The exhaust gas or the exhaust air from the cathode area 3 the fuel cell 2 flows through the cathode area 3 first the gas / Gas humidifier 17 and then the intercooler 16 before it reaches the area of a turbine 20 which is in the exhaust gas from the cathode region 3 contained residual energy at least partially recovers this to the compressor 6 to provide. The construction of compressor shown here 6 and turbine 20 is constructed so that both on a common shaft together with an electric machine 21 are arranged. Such a structure is also commonly referred to as an electric turbocharger or ETC (Electric Turbo Charger). This ETC works like that on the turbine 20 Energy always recovered the drive of the compressor 16 is provided when this is driven. Typically, the recovered energy is not enough to fully drive the compressor 6 out, so by the electric machine 21 Additional power for the compressor during engine operation 6 provided. In some situations, turbine power should be greater than that of the compressor 6 needed, then the electric machine 21 can also be operated as a generator to generate electrical energy. This can be used in particular when power peaks via electrical energy from the electric machine 21 should be covered. This can then be the burner already described 13 be fueled accordingly with fuel and air, so at the turbine 20 to provide as much power as possible.

Der Brenner 13 kann prinzipiell als jede Art von Brenner ausgebildet sein. Typischerweise werden hier Porenbrenner oder insbesondere katalytische Brenner bevorzugt, da diese besonders gut geeignet sind, um Wasserstoff möglichst emissionsfrei umzusetzen. Der Brenner 13 in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel soll beispielhaft als katalytischer Brenner 13 ausgebildet sein. Dieser sogenannte Kat-Brenner 13 wird über eine Zuluftleitung 22 mit Frischluft direkt aus dem Verdichter 6 versorgt. Dem Brenner 13 steht damit immer eine vergleichsweise heiße und trockene Zuluft nach dem Verdichter 6 zur Verfügung, welche nicht zuerst den Ladeluftkühler 16, den Gas/Gas-Befeuchter 17 und den Kathodenraum 3 der Brennstoffzelle 2 durchströmt hat. Diese vergleichsweise heiße und trockene Zuluft weist den gesamten Sauerstoffgehalt der Luft auf, ohne dass im Kathodenbereich 3 der Brennstoffzelle 2 ein Umsatz von Sauerstoff aus dieser Luft erfolgt wäre. Sie ist daher für die Verbrennung in dem Brenner 13 ideal geeignet und kann aufgrund der nach dem Verdichter 6 vergleichsweise hohen Temperatur zusätzlich Energie bereitstellen. Diese Energie und der relativ hohe Sauerstoffgehalt der Luft erlauben den Betrieb des Brenners 13 unter sehr gut zu regelnden und leicht zu kontrollierenden Bedingungen und mit einer insgesamt vergleichsweise geringen Luftmenge, da je benötigtem Anteil an Sauerstoff lediglich die hierfür erforderliche Luft gefördert werden muss und nicht, wie bei der Verwendung von Abluft aus dem Kathodenbereich 3, eine deutlich größere Menge an Luft, da diese im Kathodenbereich 3 bereits an Sauerstoff abgereichert wurde.The burner 13 can be designed in principle as any type of burner. Typically, pore burners or, in particular, catalytic burners are preferred here, since they are particularly well suited to convert hydrogen as emission-free as possible. The burner 13 in the embodiment shown here is intended as an example as a catalytic burner 13 be educated. This so-called Kat burner 13 is via a supply air line 22 with fresh air directly from the compressor 6 provided. The burner 13 thus always provides a comparatively hot and dry supply air to the compressor 6 available, which does not first the intercooler 16 , the gas / gas humidifier 17 and the cathode compartment 3 the fuel cell 2 flowed through. This comparatively hot and dry supply air has the total oxygen content of the air, without that in the cathode area 3 the fuel cell 2 a turnover of oxygen would be made from this air. It is therefore for combustion in the burner 13 ideally suited and can be due to the after the compressor 6 to provide additional energy at a comparatively high temperature. This energy and the relatively high oxygen content of the air allow the burner to operate 13 Under very easy to control and easy to control conditions and with a comparatively small amount of air, since the required amount of oxygen only the necessary air must be promoted and not, as in the use of exhaust air from the cathode area 3 , a significantly larger amount of air, since these in the cathode area 3 already depleted of oxygen.

In dem Brenner 13 wird dann entweder mit den Gasen aus dem Bereich des Purge-Ventils 11 und der Purge-Leitung 12 und/oder mit optionalem Gas aus dem Leitungselement 14 und der Ventileinrichtung 15 eine entsprechende Verbrennung stattfinden. Die heißen Abgase dieser Verbrennung gelangen in den Abgasstrom aus dem Kathodenbereich 3, nach dem dieser den Gas/Gas-Befeuchter 17 und den Ladeluftkühler 16 durchströmt hat. Sie mischen sich mit diesem Abgas und gelangen dann gemeinsam zur Rückgewinnung einer maximal möglichen Menge an Energie in den Bereich der Turbine 20. Wasserstoffemissionen werden so sicher und zuverlässig vermieden und aufgrund des hohen Sauerstoffanteils in der trockenen und heißen Luft lässt sich der Kat-Brenner 13 ideal betreiben und erlaubt eine maximale Energieausbeute, ohne unverbrannte Restemissionen zu verursachen.In the burner 13 is then either with the gases from the area of the purge valve 11 and the purge line 12 and / or with optional gas from the conduit element 14 and the valve device 15 a corresponding combustion take place. The hot exhaust gases of this combustion enter the exhaust stream from the cathode area 3 after which this the gas / gas humidifier 17 and the intercooler 16 flowed through. They mix with this exhaust and then get together to recover a maximum amount of energy in the area of the turbine 20 , Hydrogen emissions are thus safely and reliably avoided and due to the high oxygen content in the dry and hot air can be the cat burner 13 ideally operate and allow maximum energy yield without causing unburned residual emissions.

In der Darstellung der 2 ist ein vergleichbarer Aufbau nochmals zu erkennen, wobei gleiche Bauteile mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind und nicht noch mal näher erläutert werden. Im Nachfolgenden soll daher lediglich auf die Unterschiede des Brennstoffzellensystems 1 gemäß 2 im Vergleich zum Brennstoffzellensystem 1 gemäß 1 eingegangen werden. Das Brennstoffzellensystem 1 gemäß 2 weist im Gegensatz zu dem oben beschriebenen Brennstoffzellensystem 1 keinen Befeuchter 17 auf. Dies kann bei bestimmten Aufbauten und temperaturbeständigen und widerstandsfähigen Membranen 5 möglich sein. Der Ladeluftkühler 16 in der Darstellung der 2 weist zusätzlich zur Möglichkeit der Abkühlung über den Abluftstrom aus dem Kathodenbereich 3 einen zusätzlichen Wärmetauscher 23 auf, welcher von einem Kühlmedium, beispielsweise dem Kühlmedium eines für die Brennstoffzelle 2 ohnehin benötigten Kühlkreislaufs, durchströmt wird. Dies dient einer verbesserten Regelbarkeit der Abkühlung des Zuluftstroms und ermöglicht in bestimmten Betriebssituationen eine Erwärmung des Zuluftstroms und/oder des Abluftstroms über das Kühlmedium, sodass, beispielsweise bei sehr niedrigen Umgebungstemperaturen, kein Austrag an flüssigen Tröpfchen in den Bereich der Turbine 16 erfolgt. Der Brenner 13 beziehungsweise Kat-Brenner 13 ist in dem Aufbau des Brennstoffzellensystems 1 gemäß 2 analog dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel ausgestaltet. Die Zuluftleitung 22 enthält zusätzlich zur Darstellung gemäß 1 eine Ventileinrichtung 24, welche eine Regelbarkeit des Zuluftstroms zu dem Kat-Brenner 13 ermöglicht, und welche gleichzeitig als System-Bypassventil 24 genutzt werden kann. Der Aufbau beschreibt also letztlich einen in den System-Bypass integrierten Kat-Brenner 13 mit den oben genannten Vorteil und dem zusätzlichen Vorteil, dass das System-Bypassventil zusätzlich vorhanden ist und neben der reinen Regelung der Zuluft zum Kat-Brenner 13 auch ein schnelles Abblasen von Zuluft aus dem Brennstoffzellensystem 1 ermöglicht, ohne dass diese durch den Ladeluftkühler 16 den Kathodenraum 3 und gegebenenfalls einen optionalen Befeuchter 17 geleitet werden muss.In the presentation of the 2 is a comparable structure to recognize again, wherein the same components are provided with the same reference numerals and will not be explained again. The following is therefore only on the differences of the fuel cell system 1 according to 2 in comparison to the fuel cell system 1 according to 1 To be received. The fuel cell system 1 according to 2 in contrast to the fuel cell system described above 1 no humidifier 17 on. This can be done with certain structures and temperature-resistant and resistant membranes 5 to be possible. The intercooler 16 in the presentation of the 2 In addition to the possibility of cooling via the exhaust air flow from the cathode region 3 an additional heat exchanger 23 on, which of a cooling medium, for example, the cooling medium one for the fuel cell 2 anyway required cooling circuit is flowed through. This serves to improve the controllability of the cooling of the supply air flow and, in certain operating situations, allows the supply air flow and / or the exhaust air flow to be heated via the cooling medium, so that, for example, at very low ambient temperatures, no discharge of liquid droplets into the region of the turbine 16 he follows. The burner 13 or cat burner 13 is in the structure of the fuel cell system 1 according to 2 configured analogously to the embodiment described above. The supply air line 22 contains in addition to the presentation in accordance with 1 a valve device 24 which regulates the supply air flow to the cat burner 13 allows, and which at the same time as a system bypass valve 24 can be used. The structure So ultimately describes a built-in system bypass cat burner 13 with the above advantage and the additional advantage that the system bypass valve is additionally present and in addition to the pure regulation of the supply air to the catalytic converter 13 also a quick blow off supply air from the fuel cell system 1 allows, without this through the intercooler 16 the cathode compartment 3 and optionally an optional humidifier 17 must be directed.

Ein weiterer Unterschied des Brennstoffzellensystems 1 in der Darstellung gemäß 2 liegt darin, dass die heißen Abgase aus dem Kat-Brenner 13 nicht vor der Turbine 20 mit dem Abgas aus dem Kathodenbereich 3 gemischt werden, sondern dass diese voneinander getrennt in den Bereich der Turbine 20 eingebracht werden. Dies kann insbesondere an unterschiedlichen Stellen eines Turbinengehäuses so erfolgen, dass die beiden Gasströme an den Stellen in die Turbine 20 eingeleitet werden, an denen ein zur Nutzung ihrer Druckenergie und thermischen Energie idealer Einströmpunkt liegt. Dies ist in der Darstellung der 2 lediglich angedeutet.Another difference of the fuel cell system 1 in the illustration according to 2 lies in the fact that the hot exhaust gases from the cat burner 13 not in front of the turbine 20 with the exhaust gas from the cathode area 3 but these are separated from each other in the area of the turbine 20 be introduced. This can be done in particular at different points of a turbine housing so that the two gas streams at the points in the turbine 20 be initiated, where an ideal inflow point for the use of their pressure energy and thermal energy. This is in the presentation of 2 merely hinted.

In 3 ist eine weitere Ausführungsform des Brennstoffzellensystems 1 zu erkennen. Auch hier sind wieder die bereits beschriebenen Bauteile mit denselben Bezugszeichen versehen, sodass nachfolgend lediglich auf Unterschiede zwischen den Komponenten eingegangen werden soll. Zuerst fällt auf, dass hier anstelle des Gas-Gas/Befeuchters 17 aus 1 eine Gasenthalpieaustauscheinrichtung 25 vorhanden sein soll, welche in einer Baueinheit Feuchtigkeit und Wärme zwischen den Stoffströmen austauscht. Auch dieser Aufbau ist ähnlich wie der Befeuchter 17 der 1 mit einer Bypassleitung 18 und Ventileinrichtung 19 versehen, um gegebenenfalls in bestimmten Betriebssituationen umgangen werden zu können.In 3 is another embodiment of the fuel cell system 1 to recognize. Again, the components already described are again provided with the same reference numerals, so that only differences between the components will be discussed below. First, it stands out that here instead of the gas-gas / humidifier 17 out 1 a gas enthalpy exchanger 25 should be present, which exchanges moisture and heat between the streams in a unit. This structure is similar to the humidifier 17 of the 1 with a bypass line 18 and valve means 19 provided that they may be bypassed in certain operating situations.

Ein weiterer Unterschied liegt im Aufbau des Kat-Brenners 13 selbst. Dieser ist in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel so aufgebaut, dass dieser im inneren Rohr eines an sich als Doppelrohr ausgebildeten Bauteils angeordnet ist. Damit ergibt sich im Inneren der Kat-Brenner 13 in der an sich bekannten Art und Weise. Zwischen den beiden Rohren entsteht ein Wärmetauscher 26, welcher in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel von der Abluft aus dem Gasenthalpieaustauscher 25 und damit der Abluft aus dem Kathodenbereich 3 durchströmt wird. Die Abluft erwärmt sich dadurch, sodass eventuell als Flüssigkeit vorliegende Tropfen entsprechend verdampft werden. Außerdem wird der Kat-Brenner 13 nach außen abgekühlt, sodass dieser sehr dicht an anderen Bauteilen angeordnet werden kann, was hinsichtlich eines kompakten Systems, wie es beispielsweise bei Fahrzeuganwendungen notwendig ist, von besonderem Vorteil ist. Die Gasströme mischen sich dann wieder vor der Turbine 20, sodass die gesamte Druckenergie und thermische Energie in der Turbine 20 genutzt werden kann.Another difference lies in the structure of the catalytic converter 13 itself. This is constructed in the embodiment shown here, that it is arranged in the inner tube of a designed as a double tube component. This results in the interior of the cat burner 13 in the manner known per se. Between the two tubes, a heat exchanger is created 26 , which in the embodiment shown here of the exhaust air from the Gasenthalpieaustauscher 25 and thus the exhaust air from the cathode area 3 is flowed through. The exhaust air heats up so that any drops present as liquid are vaporized accordingly. In addition, the cat burner 13 cooled to the outside, so that it can be placed very close to other components, which is particularly advantageous in terms of a compact system, as is necessary for example in vehicle applications. The gas streams then mix again in front of the turbine 20 So that the total pressure energy and thermal energy in the turbine 20 can be used.

Eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems 1 ist in 4 zu erkennen. Der Grundaufbau des Brennstoffzellensystems 1 entspricht dem, welcher auch im Rahmen der 1 dargestellt ist und bereits erläutert wurde. Anders als in der Darstellung der 1 zweigt die Zuluftleitung 22 in dem in 4 dargestellten Aufbau jedoch nicht direkt nach dem Verdichter 6 ab, sondern mittelbar nach dem Verdichter 6, in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel nach dem Ladeluftkühler 16. Anders als in der Darstellung der 2 weist die Zuluftleitung 22 außerdem die Ventileinrichtung 24 als Systembypassventil auf. Der Aufbau, wie er in 4 dargestellt ist, hat dabei den Vorteil, dass durch die Anbindung der Zuluftleitung 22 mittelbar nach dem Verdichter 6 bereits eine entsprechende Abkühlung der verdichteten Zuluft erreicht worden ist. Dies ermöglicht es bei den Ventileinrichtung 24 eine entsprechend einfachere und kostengünstigere Ventileinrichtung einzusetzen, als dies bei den Ausführungsformen gemäß der 2 und 3 möglich ist, da hier eine deutlich abgekühltere Frischluft über die Zuluftleitung 22 zu dem Brenner 13 transportiert wird, die Ventileinrichtung 24 also keine so hohe Temperatur aushalten muss. Die Tatsache, dass die Frischluft in der Zuluftleitung 22 eine geringfügig niedrigere Temperatur hat, führt zwar zu einer geringfügigen Einbuße im Wirkungsgrad des Brenners 13 im regulären Betrieb. Unter Kaltstartbedingungen bei sehr niedrigen Umgebungstemperaturen, insbesondere Umgebungstemperaturen deutlich unter dem Gefrierpunkt, ermöglich der in 4 dargestellte Aufbau des Brennstoffzellensystems 1 jedoch entsprechende Vorteile, da hier die Abgase aus dem Katodenbereich 3 der Brennstoffzelle 2 deutlich wärmer sind als die nach dem Verdichter 6 vorliegende Zuluft. In diesen Fällen erfolgt über den Ladeluftkühler 16 eine Erwärmung der Zuluft, sodass diese vor-konditioniert in den Brenner einströmt und die Gefahr von Tröpfchenbildung und gegebenenfalls einem Festfrieren dieser Tröpfchen im Bereich der Zuluftleitung 22 verringert wird.Another embodiment of the fuel cell system according to the invention 1 is in 4 to recognize. The basic structure of the fuel cell system 1 corresponds to that, which also under the 1 is shown and has already been explained. Unlike in the presentation of the 1 branches the supply air line 22 in the 4 but not directly after the compressor 6 but indirectly after the compressor 6 in the embodiment shown here after the intercooler 16 , Unlike in the presentation of the 2 indicates the supply air line 22 also the valve device 24 as a system bypass valve. The construction, as in 4 is shown, has the advantage that by connecting the supply air 22 indirectly after the compressor 6 already a corresponding cooling of the compressed supply air has been achieved. This makes it possible with the valve device 24 to use a correspondingly simpler and cheaper valve device, as in the embodiments according to the 2 and 3 is possible, since here a much cooler fresh air over the supply air line 22 to the burner 13 is transported, the valve device 24 So do not have to withstand such a high temperature. The fact that the fresh air in the supply air line 22 has a slightly lower temperature, although leads to a slight loss in the efficiency of the burner 13 in regular operation. Under cold start conditions at very low ambient temperatures, in particular ambient temperatures well below freezing, the in 4 illustrated construction of the fuel cell system 1 however, corresponding advantages, since here the exhaust gases from the cathode area 3 the fuel cell 2 significantly warmer than those after the compressor 6 present supply air. In these cases, via the intercooler 16 Heating the supply air so that it flows preconditioned into the burner and the risk of droplet formation and possibly freezing of these droplets in the supply air line 22 is reduced.

In der Darstellung der 5 ist eine weitere alternative Ausführungsform des Brennstoffzellensystems 1 zu erkennen. Diese Ausführungsform entspricht im Wesentlichen wieder dem in 1 dargestellten Aufbau. Zusätzlich weist dieser Aufbau eine System-Bypassleitung 27 auf, welche unabhängig von der Zuluftleitung 22 ausgeführt ist. Die Bypassleitung 27 zweigt nach der Zuluftleitung 22 und vor der auf die Abzweigung der Zuluftleitung 22 folgenden Komponente, hier dem Ladeluftkühler 16, ab. Sie verläuft im Wesentlichen parallel zur Zuluftleitung 22 und verbindet den Bereich nach dem Verdichter 6 mit der Abluftleitung des Kathodenbereichs 3 der Brennstoffzelle 2 vor der Turbine 20. Sie weist eine Ventileinrichtung 24' als System-Bypassventil auf. Dieser Aufbau kann insbesondere dann von Vorteil sein, wenn zum Beispiel aus regelungstechnischen Gründen zwei separate Fade vorteilhaft sind. Der Aufbau ermöglich es beispielsweise das System-Bypassventil 24' in der System-Bypassleitung 27 unabhängig von der Zuleitung der Luft zu dem Brenner 13 zu verwenden.In the presentation of the 5 is another alternative embodiment of the fuel cell system 1 to recognize. This embodiment corresponds essentially to that in FIG 1 shown construction. In addition, this structure has a system bypass line 27 on, which is independent of the supply air line 22 is executed. The bypass line 27 branches after the supply air line 22 and before the on the branch of the supply air line 22 following component, here the intercooler 16 , from. It runs essentially parallel to the supply air line 22 and connects the area after the compressor 6 with the exhaust duct of the cathode area 3 of the fuel cell 2 in front of the turbine 20 , It has a valve device 24 ' as a system bypass valve. This structure can be particularly advantageous if, for example, for control technical reasons, two separate fade are advantageous. The structure makes it possible, for example, the system bypass valve 24 ' in the system bypass line 27 regardless of the supply of air to the burner 13 to use.

Selbstverständlich könnte auch hier eine Ventileinrichtung 24 im Bereich der Zuluftleitung 22 optional angeordnet sein, wie es in den 2, 3 und 4 entsprechend beschrieben ist. Die Verwendung von zwei derartigen Ventileinrichtungen 24 und 24' würde dann die Flexibilität und Regelbarkeit des Systems weiter erhöhen.Of course, here too could be a valve device 24 in the area of the supply air line 22 be arranged as it is in the optional 2 . 3 and 4 is described accordingly. The use of two such valve devices 24 and 24 ' would then further increase the flexibility and controllability of the system.

Die beschriebenen Ausführungsbeispiele zeigen dabei jeweils unterschiedliche Varianten des Aufbaus, welches so beliebig untereinander kombinierbar sind und auch gegeneinander ausgetauscht werden können. So könnte beispielsweise auch bei der Ausgestaltung gemäß 3 der Eintrag der Abgase in die Turbine 20 oder das Turbinengehäuse an getrennten Stellen erfolgen oder es könnte auch hier ein Ladeluftkühler 16 und ein Befeuchter 17 zusätzlich vorgesehen sein. Ebenso können die Ausgestaltungen mit einem Ladeluftkühler 16 mit zusätzlichem Wärmetauscher 23 in das Ausführungsbeispiel der Variante 1 integriert werden oder der gemäß 2 beschriebene Aufbau könnte so gegen den Gasenthalpieaustauscher 25 der 3 ersetzt werden. Ebenso wäre es denkbar, einen Ladeluftkühler 16 so auszubilden, dass dieser lediglich über ein Kühlmedium und den Wärmetauscher 23 gekühlt wird und nicht vom Abgasstrom aus dem Kathodenbereich 3 durchströmt werden würde. Auch alle anderen Kombinationen dieser Ideen sind möglich und denkbar, soweit die erfindungsgemäße Ausgestaltung mit Zuluftleitung 12 und Kat-Brenner 13, dessen heiße Abgase erst nach dem Kat-Brenner mit dem Abgas aus dem Kathodenbereich 3 vereinigt werden, entsprechend erhalten bleibt.The described embodiments show different variants of the construction, which can be combined with each other as desired and can also be exchanged for one another. For example, in the embodiment according to 3 the entry of the exhaust gases into the turbine 20 or the turbine housing made at separate locations or it could also be a charge air cooler 16 and a humidifier 17 be provided in addition. Likewise, the embodiments with a charge air cooler 16 with additional heat exchanger 23 in the embodiment of the variant 1 be integrated or according to 2 so described construction could be against the gas enthalpy exchanger 25 of the 3 be replaced. It would also be conceivable to have a charge air cooler 16 form so that this only via a cooling medium and the heat exchanger 23 is cooled and not from the exhaust stream from the cathode area 3 would be flowed through. All other combinations of these ideas are possible and conceivable, as far as the inventive design with supply air 12 and cat burner 13 , whose hot exhaust gases only after the cat burner with the exhaust gas from the cathode area 3 be united, is maintained accordingly.

Derartige Brennstoffzellensysteme 1 lassen sich sehr effizient betreiben und können mit minimalem Energieaufwand ein Maximum an elektrischer Leistung über die Brennstoffzelle 2 und gegebenenfalls über die elektrische Maschine 21 bereitstellen. Sie sind sehr gut regelbar und können auch unter widrigen Bedingungen – wie Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts – betrieben, abgestellt und wieder gestartet werden. Sie sind daher insbesondere für den Einsatz in Kraftfahrzeugen, beispielsweise in Personenkraftwagen, in Nutzkraftwagen oder auch in Schiffen oder dergleichen besonders geeignet. Sie können dort zum Zwecke des Antriebs, aber gegebenenfalls auch als Hilfsenergieerzeuger beispielsweise zum Betreiben von Unterhaltungselektronik oder Ähnlichem eingesetzt werden.Such fuel cell systems 1 can be operated very efficiently and can with minimal energy consumption a maximum of electrical power through the fuel cell 2 and optionally via the electric machine 21 provide. They are very easy to control and can also be operated, shut down and restarted under adverse conditions such as temperatures below freezing. They are therefore particularly suitable for use in motor vehicles, for example in passenger cars, in commercial vehicles or in ships or the like. They can be used there for the purpose of propulsion, but possibly also as an auxiliary power generator, for example for the operation of consumer electronics or the like.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 10306234 B4 [0002]

Claims

Fuel cell system with at least one fuel cell ( 2 ) and a compressor ( 6 ) for supply air to a cathode area ( 3 ) of the fuel cell ( 2 ), and a burner ( 13 ) for burning exhaust gas from an anode region ( 4 ) of the fuel cell ( 2 ) and / or fuel, and a turbine ( 20 ), which at least indirectly for driving the compressor ( 6 ), characterized in that an air supply line ( 22 ) for the burner ( 13 ) between the compressor ( 6 ) and a downstream in the flow direction directly or indirectly to the compressor component ( 16 . 17 . 25 . 3 ) and that the hot exhaust gases of the burner ( 13 ) into the turbine ( 20 ) and the exhaust gases from the cathode area ( 3 ) of the fuel cell ( 2 ) - without the burner ( 13 ) to flow through - into the turbine ( 20 ).

Fuel cell system according to claim 1, characterized in that the component following the compressor ( 16 . 17 . 25 ) in the flow direction in front of the cathode region ( 3 ) of the fuel cell ( 2 ) is arranged.

Fuel cell system according to claim 1 or 2, characterized in that the burner ( 13 ) as a catalytic burner ( 13 ) is trained.

Fuel cell system according to claim 1, 2 or 2, characterized in that in the supply air line ( 22 ) in front of the burner ( 13 ) a valve device ( 24 ) is provided.

Fuel cell system according to one of claims 1 to 4, characterized in that the hot exhaust gases of the burner ( 13 ) and the exhaust gases of the cathode region ( 3 ) between Brenner ( 13 ) and turbine ( 20 ) Mix.

Fuel cell system according to one of claims 1 to 4, characterized in that the hot exhaust gases of the burner ( 13 ) and the exhaust gases of the cathode region ( 3 ) in the turbine ( 20 ) or in a housing of the turbine ( 20 ) Mix.

Fuel cell system according to one of claims 1 to 6, characterized in that the exhaust gases from the cathode region ( 3 ) in front of the turbine ( 20 ) at least one in heat-conductive contact with the burner ( 13 ) flow through the standing area.

Fuel cell system according to one of claims 1 to 7, characterized in that the turbine ( 20 ) and the compressor ( 6 ) together with an electric machine ( 21 ) are arranged on a common shaft.

Fuel cell system according to one of claims 1 to 8, characterized in that the supply air to the cathode region ( 3 ) after branching off the supply air line ( 22 ) for the burner ( 13 ) an intercooler ( 16 ) flows through which of the exhaust gas from the cathode region ( 3 ) and / or a cooling medium is cooled.

Fuel cell system according to one of claims 1 to 9, characterized in that the supply air to the cathode area ( 3 ) after branching off the supply air line ( 22 ) for the burner ( 13 ) a gas / gas humidifier ( 17 ) which also flows from the exhaust gas of the cathode region ( 3 ) is flowed through as a moisture supplier.

Fuel cell system according to one of claims 1 to 10, characterized in that the exhaust gas from the anode region ( 4 ) of the fuel cell ( 2 ) in the circulation around the anode region ( 4 ), wherein a continuous or discontinuous outflow of water and / or exhaust gas into the region of the burner ( 13 ) is provided.