DE102011087912A1

DE102011087912A1 - Fuel cell system e.g. mobile fuel cell system, for use in commercial vehicle, has compression device for compressing cathode gas, provided in cathode gas guide, and selectively bypassed from cathode gas by bypass guide

Info

Publication number: DE102011087912A1
Application number: DE102011087912A
Authority: DE
Inventors: Helerson Kemmer; Thomas Steidten; Mark Hellmann
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2011-12-07
Filing date: 2011-12-07
Publication date: 2013-06-13

Abstract

The system has a fuel cell with an electrolyte arranged between an anode and a cathode (4). A cathode path (6) includes a cathode gas guide (7) for supplying cathode gas to the cathode, and a cathode exhaust gas guide (8) for discharging cathode exhaust gas. An anode path includes an anode gas guide for supplying anode gas to the anode, and an anode exhaust gas guide for discharging anode exhaust gas from the anode. A compression device (25) for compressing the cathode gas is provided in the cathode gas guide, and selectively bypassed from the cathode gas by a bypass guide (28). The fuel cell is a solid oxide fuel cell. The anode gas is hydrogen. The cathode gas is air. An independent claim is also included for a method for operating a fuel cell system.

Description

Stand der TechnikState of the art

Herkömmliche Brennstoffzellensysteme, wie etwa rein auf Wasserstoff basierende Systeme, umfassen eine oder eine Mehrzahl an Brennstoffzellen, die mit Anodengas und mit Kathodengas versorgt werden. Ähnlich zu einem Verbrennungsmotor kann sich auch hier die Leistungsdichte vergrößern lassen, wenn eine Anwendung der Reaktionsgase unter Druck betrieben wird. Dabei kann sich ferner eine signifikante Verbesserung im Wärme- und Wassermanagement einstellen.Conventional fuel cell systems, such as all hydrogen-based systems, include one or a plurality of fuel cells that are supplied with anode gas and cathode gas. Similar to an internal combustion engine, the power density can be increased here as well, if an application of the reaction gases is operated under pressure. In addition, a significant improvement in heat and water management can occur.

Ein an sich bekanntes Brennstoffzellensystem kann dabei einen Anodenpfad und einen Kathodenpfad umfassen, in denen die entsprechenden Reaktionsgase von einer entsprechenden Quelle zu der Anode beziehungsweise zu der Kathode geleitet werden können. Für eine Drucksteuerung insbesondere des Kathodenpfades kann eine am Austritt der Kathode angeordnete Druckregel-/Steuereinheit, wie etwa ein Druckhalteventil, vorgesehen sein. A per se known fuel cell system may comprise an anode path and a cathode path, in which the corresponding reaction gases can be conducted from a corresponding source to the anode or to the cathode. For pressure control, in particular of the cathode path, a pressure regulating / control unit arranged at the outlet of the cathode, such as a pressure-maintaining valve, may be provided.

Zur Bereitstellung beispielsweise von Druckluft in dem Kathodenpfad können als Aufladungsaggregat beispielsweise Verdrängermaschinen, wie Rootsgebläse oder Schraubenverdichter sowie Turbomaschinen, wie Radialverdichter, eingesetzt werden. Dabei können die Anforderungen an das Aufladeaggregat je nach Anwendung beziehungsweise Ausgestaltung der Brennstoffzelle grundverschieden sein. To provide, for example, compressed air in the cathode path can be used as a charging unit, for example positive displacement machines, such as Roots blower or screw compressor and turbomachinery, such as centrifugal compressors. The requirements for the supercharger can be fundamentally different depending on the application or design of the fuel cell.

Aus dem Dokument US 7,700,207 ist ein Brennstoffzellensystem mit einem Turbokompressor bekannt, wobei der Turbokompressor in dem Kathodenpfad angeordnet ist und eine Turbine, die über eine Welle mit einem Kompressor verbunden ist, umfasst.From the document US 7,700,207 For example, a turbocompressor fuel cell system is known wherein the turbocompressor is disposed in the cathode path and includes a turbine connected to a compressor via a shaft.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Brennstoffzellensystem, umfassend

– eine Brennstoffzelle mit einer Anode und einer Kathode, wobei zwischen der Anode und der Kathode ein Elektrolyt angeordnet ist,
– einen Kathodenpfad mit einer Kathodengasführung zum Zuführen von Kathodengas zu der Kathode und einer Kathodenabgasführung zum Ableiten von Kathodenabgas von der Kathode,
– einen Anodenpfad mit einer Anodengasführung zum Zuführen von Anodengas zu der Anode und einer Anodenabgasführung zum Ableiten von Anodenabgas von der Anode,

wobei in der Kathodengasführung wenigstens eine erste Kompressionsvorrichtung zum Komprimieren von Kathodengas vorgesehen ist; und wobei die wenigstens eine erste Kompressionsvorrichtung von dem Kathodengas durch eine Bypassführung selektiv überbrückbar ist.The subject matter of the present invention is a fuel cell system comprising

A fuel cell having an anode and a cathode, wherein an electrolyte is arranged between the anode and the cathode,
A cathode path having a cathode gas guide for supplying cathode gas to the cathode and a cathode exhaust passage for discharging cathode off gas from the cathode,
An anode path having an anode gas passage for supplying anode gas to the anode and an anode exhaust passage for discharging anode exhaust gas from the anode;

wherein in the cathode gas guide at least a first compression device for compressing cathode gas is provided; and wherein the at least one first compression device is selectively bridgeable by the cathode gas through a bypass guide.

Ein derartiges Brennstoffzellensystem kann als zentrale Einheit somit eine Brennstoffzelle umfassen. Diese ist in ihrer Ausführung nicht beschränkt und kann beispielsweise bezüglich Art und Material der Anode beziehungsweise Kathode, bezüglich Art und Material des Elektrolyten sowie bezüglich des Anoden- und Kathodengases frei wählbar sein. Beispielsweise kann die Brennstoffzelle eine Festoxidbrennstoffzelle sein. Dabei kann zwischen der Anode und der Kathode in an sich bekannter Weise ein Elektrolyt angeordnet sein. Such a fuel cell system may thus comprise a fuel cell as a central unit. This is not limited in their execution and may be freely selectable, for example, with respect to the type and material of the anode or cathode, with respect to the type and material of the electrolyte and with respect to the anode and cathode gas. For example, the fuel cell may be a solid oxide fuel cell. In this case, an electrolyte can be arranged between the anode and the cathode in a manner known per se.

Weiterhin kann das Brennstoffzellensystem zweckmäßigerweise eine Anodengasquelle und eine Kathodengasquelle umfassen. Die Art der jeweiligen Gasquelle ist nicht beschränkend. Beispielsweise kann die Anodengasquelle eine Quelle für Wasserstoff oder ein wasserstoffhaltiges Gas sein wohingegen die Kathodengasquelle beispielsweise eine Quelle für ein sauerstoffhaltiges Gas, wie etwa Luft, sein kann. Die Anodengasquelle und die Kathodengasquelle sind dabei mit der Anode beziehungsweise mit der Kathode über eine geeignete Anodengasführung beziehungsweise Kathodengasführung verbunden, um Kathodengas zu der Kathode und Anodengas zu der Anode zu führen. Ferner ist eine Kathodenabgasführung zum Ableiten von Kathodenabgas von der Kathode sowie eine Anodenabgasführung zum Ableiten von Anodenabgas von der Anode vorgesehen. Dabei kann ein Kathodenpfad etwa die Kathodengasführung, die Kathodenabgasführung und etwa einen Kathodenraum der Brennstoffzelle umfassen, wohingegen ein Anodenpfad etwa die Anodengasführung, die Anodenabgasführung und etwa einen Anodenraum der Brennstoffzelle umfassen kann.Furthermore, the fuel cell system may suitably comprise an anode gas source and a cathode gas source. The type of gas source is not limiting. For example, the anode gas source may be a source of hydrogen or a hydrogen-containing gas, whereas, for example, the cathode gas source may be a source of an oxygen-containing gas, such as air. The anode gas source and the cathode gas source are connected to the anode or to the cathode via a suitable anode gas guide or cathode gas guide to lead cathode gas to the cathode and anode gas to the anode. Further, a cathode exhaust gas guide for discharging cathode exhaust gas from the cathode, and an anode exhaust gas guide for discharging anode exhaust gas from the anode are provided. In this case, a cathode path may comprise, for example, the cathode gas guide, the cathode exhaust gas guide and approximately a cathode space of the fuel cell, whereas an anode path may comprise, for example, the anode gas guide, the anode exhaust gas guide and approximately an anode space of the fuel cell.

In der Kathodengasführung kann weiterhin wenigstens eine erste Kompressionsvorrichtung vorgesehen sein, mit der Kathodengas komprimierbar ist. Dadurch kann die Brennstoffzelle mit einem Druck arbeiten, welcher gegenüber dem Atmosphärendruck erhöht ist. In the cathode gas guide at least a first compression device may further be provided, with the cathode gas is compressible. As a result, the fuel cell can operate at a pressure which is increased in relation to the atmospheric pressure.

Die wenigstens eine erste Kompressionsvorrichtung kann dabei selektiv von dem Kathodengas überbrückbar sein. Für eine Überbrückung kann insbesondere eine mit der Kathodengasführung stromaufwärts und stromabwärts der Kompressionsvorrichtung verbundene Bypassführung vorgesehen sein, durch welche das Kathodengas an der Kompressionsvorrichtung vorbeiführbar ist. Beispielsweise kann zum Steuern des Kathodengasstroms in der Kathodengasführung und/oder in der Bypassführung ein Drosselelement, wie beispielsweise ein Ventil, angeordnet sein.The at least one first compression device can be selectively bridged by the cathode gas. For bridging, in particular, a bypass guide connected to the cathode gas guide upstream and downstream of the compression device can be provided, through which the cathode gas can be guided past the compression device. For example, for controlling the cathode gas flow in the cathode gas guide and / or in the bypass guide, a throttle element, such as a valve, may be arranged.

Durch ein derartiges Brennstoffzellensystem kann es möglich werden, stets eine an die entsprechenden Anforderungen angepasste Druckerhöhung des Kathodengases zu erreichen. Im Detail kann bei einem Durchlaufen des Kathodengases durch die Kompressionsvorrichtung eine Druckerhöhung durch die Stärke des Arbeitens dieser Kompressionsvorrichtung erreicht werden. Darüber hinaus kann die Stärke der Druckerhöhung erreicht werden durch ein selektives Führen des Kathodengases entlang der Bypassführung und/oder durch die Kompressionsvorrichtung. Bei einem vollständigen Entlangführen des Kathodengases an der Kompressionsvorrichtung durch ein Leiten des Kathodengases durch die Bypassführung kann dabei ein Druckniveau in der Brennstoffzelle erzielt werden, das dem Atmosphärendruck entspricht. Dabei kann die Kompressionsvorrichtung zumindest teilweise überbrückt werden, so dass diese nicht dem Strom an Kathodengas oder nur einem Teil desselben ausgesetzt sein kann, was den Verschleiß verringern und dadurch die Wartungsintervalle deutlich verlängern kann. Dabei kann der Kathodengasstrom erzeugt werden durch die Kathodengasquelle beziehungsweise eine Gasfördervorrichtung. Dadurch ist ein besonders kostengünstiges Betreiben des Brennstoffzellensystems möglich. By means of such a fuel cell system, it may be possible to always achieve a pressure increase of the cathode gas adapted to the corresponding requirements. In detail, when the cathode gas is passed through the compression device, an increase in pressure can be achieved by the strength of the working of this compression device. In addition, the strength of the pressure increase can be achieved by selectively guiding the cathode gas along the bypass guide and / or by the compression device. In the case of complete passage of the cathode gas to the compression device by passing the cathode gas through the bypass guide, it is possible to achieve a pressure level in the fuel cell which corresponds to the atmospheric pressure. In this case, the compression device can be bridged at least partially, so that it can not be exposed to the flow of cathode gas or only a part thereof, which can reduce wear and thereby significantly extend the maintenance intervals. In this case, the cathode gas flow can be generated by the cathode gas source or a gas delivery device. As a result, a particularly cost-effective operation of the fuel cell system is possible.

Erfindungsgemäß kann es ferner möglich werden, auf eine Änderung des benötigten Druckniveaus schnell und effektiv antworten zu können, was das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem insbesondere für Kraftfahrzeuge geeignet machen kann. Dabei ist durch eine gezielte Ansteuerung der ersten und/oder einer weiteren Kompressionsvorrichtung beziehungsweise durch einen definiert geführten Kathodengasstrom durch die entsprechende Kompressionsvorrichtung beziehungsweise Kompressionsvorrichtungen und/oder durch den oder die entsprechenden Bypässe eine besonders große Varianz des Druckniveaus möglich.According to the invention, it may also be possible to be able to respond quickly and effectively to a change in the required pressure level, which may make the fuel cell system according to the invention particularly suitable for motor vehicles. In this case, a particularly large variance of the pressure level is possible by a targeted control of the first and / or a further compression device or by a defined guided cathode gas flow through the corresponding compression device or compression devices and / or by the or the corresponding bypasses.

Durch eine weiter verbesserte Anpassung des Druckniveaus kann dabei ein höherer Wirkungsgrad des gesamten Systems und damit ein substantiell höherer Kundennutzen erzielt werden.By a further improved adjustment of the pressure level, a higher efficiency of the entire system and thus a substantially higher customer benefit can be achieved.

Ferner kann ein derartiges Brennstoffzellensystem auf einfache Weise in bereits bestehenden Brennstoffzellensystemen realisiert werden, indem wenige kostengünstige Bauteile in bereits bestehende Brennstoffzellensysteme implementiert werden. Im Detail sind nur geringe Entwicklungs- beziehungsweise Ausführungskosten erforderlich, da das Brennstoffzellensystem im Wesentlichen durch Implementierung bekannter Bauteile beziehungsweise bekannter Technologien möglich ist. Es besteht daher ein geringer Applikationsaufwand beziehungsweise geringe Applikationskosten, da mit wenigen Standardkomponenten ein breites Spektrum an verschiedenen Anwendungen bedient werden kann. Als unterschiedliche Parameter, die es bei der Übertragung zu beachten gilt, sind insbesondere der durchzusetzende Luftmassenstrom, der etwa bei Rangeextendern sehr gering sein kann, und verglichen dazu bei leichten Nutzfahrzeuganwendungen bis zu 2 Größenordnungen höher sein kann, sowie das darzustellende Druckverhältnis zu nennen, das abhängig sein kann von dem eingesetzten Brennstoffzellenkonzept. Furthermore, such a fuel cell system can be realized in a simple manner in already existing fuel cell systems by implementing a few inexpensive components in already existing fuel cell systems. In detail, only small development or execution costs are required because the fuel cell system is essentially possible by implementing known components or known technologies. There is therefore a low application cost or low application costs, since with a few standard components a wide range of different applications can be served. As different parameters to be considered in the transmission, in particular the durchzusetzende air mass flow, which may be very low about Rangeextendern, and compared to light commercial vehicle applications may be up to 2 orders of magnitude higher, as well as to call the pressure ratio to be mentioned, the can be dependent on the fuel cell concept used.

Insgesamt wird dabei ein einheitlicher Stand bei den Kathodengasversorgungssystemen für beispielsweise mobile Brennstoffzellenantriebe möglich, wobei sowohl Niederdrucksysteme, als auch Hochdrucksysteme möglich sind. Es ist dagegen nicht mehr notwendig, für jede Applikation in Abhängigkeit von dem benötigten Druckniveau und Massenstrom ein spezialisiertes System vorzuschlagen, was das Erreichen eines hohen Marktanteils bei hoher Kosteneffizienz erfindungsgemäß substantiell erleichtern kann. Folglich kann auf ein großes Portfolio an marktreifen Aufladeaggregaten in verschiedenen Ausführungen verzichtet werden. Overall, while a uniform state in the cathode gas supply systems for example mobile fuel cell drives is possible, both low-pressure systems, and high-pressure systems are possible. On the other hand, it is no longer necessary to propose a specialized system for each application depending on the required pressure level and mass flow, which according to the invention can substantially facilitate the achievement of a high market share with high cost efficiency. Consequently, it is possible to dispense with a large portfolio of marketable supercharger units in various designs.

Im Rahmen einer Ausgestaltung kann in der Kathodengasführung eine zu der ersten Kompressionsvorrichtung seriell geschaltete und stromabwärts der ersten Kompressionsvorrichtung angeordnete zweite Kompressionsvorrichtung zum Komprimieren von Kathodengas angeordnet sein, wobei die zweite Kompressionsvorrichtung durch eine Bypassführung selektiv überbrückbar sein kann. In dieser Ausgestaltung kann eine besonders große Anwendungsvielfalt erzielt werden insbesondere bezüglich des zu verwendenden Drucks in der Brennstoffzelle. Dabei kann zusätzlich zu der ersten Kompressionsvorrichtung eine weitere, zweite Kompressionsvorrichtung selektiv für eine Kompression Verwendung finden, was den zu erzielenden Druckgewinn durch eine selektive, mehrstufige Kompression beziehungsweise Verdichtung auch bei kostengünstigen Kompressionsvorrichtungen besonders variabel gestalten kann. Durch eine weiter verbesserte Anpassung des Druckniveaus kann dabei ein besonders hoher Wirkungsgrad erzielt werden. Darüber hinaus können die Anforderungen an jede der einzelnen Kompressionsvorrichtungen gesenkt werden, da die Kompressionsvorrichtungen sich gegenseitig unterstützen. Dadurch kann jede der beiden Kompressionsvorrichtungen kleiner dimensioniert werden und ferner einem geringeren Verschleiß unterliegen. Dadurch können die Kompressionsvorrichtungen weiterhin preisgünstige und kommerziell bekannte Kompressionsvorrichtungen umfassen. Durch die Möglichkeit des Bypassens beider Kompressionsvorrichtungen von dem Kathodengas kann dabei eine Druckerhöhung beziehungsweise Druckeinstellung wiederum nicht ausschließlich durch die Stärke des Arbeitens der Kompressionsvorrichtung sondern zusätzlich durch ein selektives Führen des Kathodengases realisiert werden.Within the scope of an embodiment, a second compression device for compressing cathode gas arranged in series with the first compression device and disposed downstream of the first compression device may be arranged in the cathode gas guide, wherein the second compression device may be selectively bridgeable by a bypass guide. In this embodiment, a particularly wide variety of applications can be achieved, in particular with regard to the pressure to be used in the fuel cell. In this case, in addition to the first compression device, a further, second compression device can be used selectively for compression, which can make the pressure gain to be achieved by a selective, multi-stage compression or compression even with cost-effective compression devices particularly variable. By a further improved adjustment of the pressure level, a particularly high efficiency can be achieved. In addition, the requirements for each of the individual compression devices can be lowered because the compression devices support each other. As a result, each of the two compression devices can be made smaller and also subject to less wear. As a result, the compression devices may further comprise inexpensive and commercially known compression devices. Due to the possibility of bypassing both compression devices of the cathode gas while a pressure increase or pressure adjustment can be realized again not only by the strength of the operation of the compression device but additionally by selectively guiding the cathode gas.

Somit kann im Vergleich zum heutigen Stand der Technik mit deutlich einfacheren und für verschiedenste Applikationen gleichen Bauteilen ein besonders breites Spektrum an Systemen bedienbar sein. Thus, compared to the current state of the art with much simpler and same for different applications components a particularly wide range of systems can be operated.

Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung kann die erste Kompressionsvorrichtung einen elektrisch angetriebenen Verdichter, wie etwa einen Turboverdichter, umfassen oder sein und/oder kann die zweite Kompressionsvorrichtung einen mit einer in der Kathodenabgasleitung angeordneten Turbine verbundenen Verdichter umfassen oder sein. Letzterer kann somit im Wesentlichen einem Abgasturbolader entsprechen. Dadurch kann die erste Kompressionsvorrichtung durch eine Kompressionsvorrichtung mit vergleichsweise geringer Leistung beziehungsweise mit vergleichsweise geringem Kompressionsvermögen gebildet sein, und dabei beispielsweise für moderate Drehzahlen (~60.000U/min) ausgelegt sein. Dahingegen kann die zweite Kompressionsvorrichtung ein verhältnismäßig großes Kompressionsvermögen aufweisen und für etwa hohe Druckverhältnisse, wie etwa bei für 100kW Brennstoffzellensystemleistung üblichen Massenströmen von ungefähr 10g/s eine vergleichsweise hohe Drehzahl von etwa 100.000U/min anwenden können. Ferner kann beispielsweise die erste Kompressionsvorrichtung mit einem Verdichter-Druckverhältnis π, also dem Quotienten aus (Verdichter-)Austrittsdruck zu Eintrittsdruck von ≤ 2,5 realisiert werden. Die zweite Kompressionsvorrichtung kann dann insbesondere mit einem (Verdichter-)Austrittsdruck Π von > 2,5, wie etwa in einem Bereich von ≥ 3 bis ≤ 4 arbeiten beziehungsweise für dieses ausgelegt sein. Insbesondere diese Ausgestaltung kann für eine mehrstufige Aufladung bevorzugt sein, wobei jedoch auch eine entgegengesetzte Anordnung von elektrisch angetriebenem Verdichter und Abgasturbolader möglich und nicht ausgeschlossen ist.In another embodiment, the first compression device may include or may be an electrically driven compressor, such as a turbocompressor, and / or the second compression device may include or be a compressor connected to a turbine disposed in the cathode exhaust line. The latter can thus essentially correspond to an exhaust gas turbocharger. As a result, the first compression device can be formed by a comparatively low-power compression device or with a comparatively low compressibility, and can be designed, for example, for moderate speeds (~ 60,000 rpm). On the other hand, the second compression device can have a relatively large compression capacity and can apply a comparatively high rotational speed of approximately 100,000 rpm for approximately high pressure ratios, such as at mass flow rates of approximately 10 g / s usual for 100 kW of fuel cell system power. Furthermore, for example, the first compression device with a compressor pressure ratio π, ie the quotient of (compressor) outlet pressure to inlet pressure of ≤ 2.5 can be realized. The second compression device may then in particular operate with or be designed for a (compressor) discharge pressure Π of> 2.5, such as in a range of ≥ 3 to ≦ 4. In particular, this embodiment may be preferred for a multi-stage charging, but also an opposite arrangement of electrically driven compressor and turbocharger is possible and not excluded.

Selbst bei der Verwendung eines elektrischen Verdichters kann dabei durch die Kombination mit einer weiteren Kompressionsvorrichtung die Brennstoffzellengröße beziehungsweise die Batteriekapazität verringert werden, was die gesamten Systemkosten verringert, wobei durch die gute Applikationsfähigkeit auch beliebige zukünftige Systeme bedient werden können. Even with the use of an electric compressor can be reduced by the combination with another compression device, the fuel cell size or the battery capacity, which reduces the total system cost, which can be served by the good application ability and any future systems.

Für den Betrieb des elektrisch angetriebenen Verdichters braucht dabei keine erhebliche Brennstoffzellenleistung vorgehalten werden, da durch die Unterstützung durch die Turbine dieser Vorhalt reduzierbar ist. Im Detail kann der Leistungsbedarf der elektrischen Kompressionsvorrichtung gegenüber einem für den gesamten Betriebsbereich ausgelegten, rein elektrisch angetriebenen Verdichter deutlich geringer sein, wie etwa um einen Faktor 3 bis 5. Dadurch können die erforderliche Leistungselektronik und der Antrieb deutlich kleiner dimensioniert werden. Ferner braucht die benötigte elektrische Leistung zu keinem Leistungsvorhalt der Brennstoffzelle führen, da sie im Teillastbereich nicht ausgeschöpft wird.For the operation of the electrically driven compressor while no significant fuel cell power needs to be kept, as can be reduced by the support of the turbine this lead. In detail, the power requirement of the electric compression device compared to a designed for the entire operating range, purely electrically driven compressor can be significantly lower, such as by a factor of 3 to 5. Thus, the required power electronics and the drive can be significantly smaller dimensions. Furthermore, the required electrical power does not lead to a power reserve of the fuel cell, since it is not exhausted in the partial load range.

Darüber hinaus können die vorgenannten Kompressionsvorrichtungen in einem begrenzten Bauraum realisierbar sein, was das Brennstoffzellensystem auch für kompakte Anwendungen einsetzbar macht.In addition, the aforementioned compression devices can be realized in a limited space, which makes the fuel cell system also suitable for compact applications.

Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung kann in der Kathodenabgasführung stromaufwärts der Turbine eine Brennkammer angeordnet sein. In dieser Ausgestaltung kann bedingt durch einen Brennvorgang die Leistung der Turbine und damit des mit der Turbine verbundenen Verdichters erhöht werden, was den zu erreichenden Druckbereich weiter verbessert. Beispielsweise kann in der Brennkammer Anodengas oder Anodenabgas verbrannt werden, wobei hierzu entsprechende Verbindungen zwischen beispielsweise der Anodengasquelle, der Anodengasführung und/oder der Anodenabgasführung und dem Brennraum und/oder der Kathodenabgasführung vorgesehen sein können.In the context of a further embodiment, a combustion chamber can be arranged upstream of the turbine in the cathode exhaust gas guide. In this embodiment, due to a combustion process, the power of the turbine and thus of the compressor connected to the turbine can be increased, which further improves the pressure range to be achieved. For example, anode gas or anode exhaust gas can be burned in the combustion chamber, for which purpose appropriate connections between, for example, the anode gas source, the anode gas guide and / or the anode exhaust gas guide and the combustion chamber and / or the cathode exhaust gas guide can be provided.

Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung kann verbunden mit der Kathodenabgasleitung eine Bypassführung zum Überbrücken der Turbine und/oder der Brennkammer vorgesehen sein. Dadurch kann für den Fall, dass die mit der Turbine verbundene Kompressionsvorrichtung nicht verwendet wird beziehungsweise das Kathodengas an dieser in der Bypassführung vorbei geführt wird, das Kathodenabgas an der Turbine vorbeigeführt werden. Dadurch kann ein Einfluss der Turbine auf den Druck des Kathodenabgases verhindert werden, was eine Einstellung des Drucks in der Brennstoffzelle erleichtern kann. Darüber hinaus kann der Verschleiß der Turbine verringert werden, was die Betriebskosten senken kann. Dazu kann beispielsweise in der Kathodenabgasführung und/oder in der Bypassführung ein Drosselelement, wie etwa ein Ventil, angeordnet sein, um den Kathodenabgasstrom in einem gewünschten Mengenverhältnis durch die Turbine und/oder die Brennkammer und/oder durch den Bypass zu führen.In a further embodiment, a bypass guide for bridging the turbine and / or the combustion chamber can be provided connected to the cathode exhaust gas line. As a result, in the event that the compression device connected to the turbine is not used or the cathode gas is guided past it in the bypass guide, the cathode exhaust gas can be guided past the turbine. Thereby, influence of the turbine on the pressure of the cathode exhaust gas can be prevented, which can facilitate adjustment of the pressure in the fuel cell. In addition, the wear of the turbine can be reduced, which can reduce the operating costs. For this purpose, for example, in the cathode exhaust gas guide and / or in the bypass guide a throttle element, such as a valve, be arranged to guide the cathode exhaust gas in a desired amount ratio through the turbine and / or the combustion chamber and / or through the bypass.

Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung kann eine Steuereinheit zum Steuern eines selektiven und lastabhängigen Überbrückens der ersten Kompressionsvorrichtung und/oder der zweiten Kompressionsvorrichtung und/oder der Turbine und/oder der Brennkammer und/oder zum Steuern des Brennprozesses in der Brennkammer vorgesehen sein. In dieser Ausgestaltung kann eine Steuerung des Drucks abhängig von der Last der Brennstoffzelle und damit von der tatsächlich benötigten Energie gesteuert werden. Auf diese Weise kann in besonders dynamischer und sicherer Art und Weise ein besonders großes Leistungsspektrum des Brennstoffzellensystems realisiert werden. Darüber hinaus kann durch eine besondere variable und präzise Drucksteuerung stets ein ausreichender Druck bereitgestellt werden, wobei jedoch ein Drucküberschuss und damit ein unnötiges Verbrauchen von Reaktionsgasen verhindert werden, was den Betrieb des Brennstoffzellensystems besonders kostengünstig gestalten kann.In a further embodiment, a control unit for controlling a selective and load-dependent bridging of the first compression device and / or the second compression device and / or the turbine and / or the combustion chamber and / or for controlling the combustion process may be provided in the combustion chamber. In this embodiment, a control of the pressure depending on the load of the fuel cell and thus be controlled by the actual required energy. In this way, one can be particularly special in a particularly dynamic and secure manner large power spectrum of the fuel cell system can be realized. In addition, a sufficient pressure can always be provided by a special variable and precise pressure control, but a pressure surplus and thus an unnecessary consumption of reaction gases are prevented, which can make the operation of the fuel cell system particularly cost-effective.

Die Kompressionsvorrichtungen können dabei durch einen kleineren, elektrisch angetriebenen Verdichter etwa für den unteren Lastbereich, und eine Gasturbine beziehungsweise einen Turbolader etwa für den oberen Lastbereich gebildet werden. Dadurch bedarf die Realisierung von hohen Lasten keine elektrische Leistung, und die Brennstoffzellenleistung muss für die Luftversorgung nicht mehr vorgehalten werden. The compression devices can be formed by a smaller, electrically driven compressor approximately for the lower load range, and a gas turbine or a turbocharger for about the upper load range. As a result, the realization of high loads requires no electrical power, and the fuel cell power must not be kept for the air supply.

Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung kann in der Kathodengasführung stromaufwärts der Kathode eine Befeuchtungsvorrichtung angeordnet sein. Dadurch kann auf besonders einfache Weise die etwa für die zwischen der Anode und Kathode angeordnete Membran benötigte Feuchtigkeit in die Brennstoffzelle eingetragen werden. Als Befeuchtungseinrichtung kann hier beispielsweise ein Verdampfer verwendet werden.In the context of a further embodiment, a moistening device can be arranged in the cathode gas guide upstream of the cathode. As a result, the moisture required for the membrane arranged between the anode and cathode can be introduced into the fuel cell in a particularly simple manner. As moistening device, for example, an evaporator can be used here.

Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung kann eine Anodenabgasrezirkulationsführung zum Führen von Anodenabgas in die Anodengasführung vorgesehen sein. In dieser Ausgestaltung kann die Effizienz des Brennstoffzellensystems weiter gesteigert werden. Darüber hinaus kann das sich in dem Anodenabgas befindliche Reaktionswasser weiterverwendet werden, wodurch eine Befeuchtungseinrichtung sparsamer arbeiten kann oder gegebenenfalls auf diese ganz verzichtet werden kann.In a further embodiment, an anode exhaust gas recirculation guide for guiding anode exhaust gas may be provided in the anode gas guide. In this embodiment, the efficiency of the fuel cell system can be further increased. In addition, the water of reaction located in the anode exhaust gas can continue to be used, whereby a humidifier can work more economically or optionally can be dispensed with entirely.

Im Rahmen einer weiteren Ausgestaltung kann eine Spülleitung zum selektiven Führen von Anodenabgas in die Kathodengasführung und/oder in die Kathodenabgasführung vorgesehen sein. In dieser Ausgestaltung kann somit Anodenabgas in die Kathodengasführung und/oder in die Kathodenabgasführung geleitet werden. Dadurch kann die Effizienz der Brennstoffzelle beibehalten werden. Im Detail kann darauf reagiert werden, dass unter Umständen während des Arbeitsprozesses der Brennstoffzelle Stickstoff von der Kathodenseite auf die Anodenseite der Brennstoffzelle gelangen kann, welcher den Wasserstoffpartialdruck auf der Anodenseite insbesondere bei einer Rezirkulation verringern und somit die Effizienz der Brennstoffzelle negativ beeinflussen kann. Ein auch als purgen bezeichneter Spülvorgang gemäß dieser Ausgestaltung, bei dem das Gasgemisch beispielsweise umfassend Wasserstoff, Stickstoff und Wasser über ein Ventil vor die Kathode oder über ein Ventil hinter die Kathode geleitet werden kann, so dass auf der Anodenseite bestenfalls wieder reiner Wasserstoff beziehungsweise nur eine geringe Stickstoffmenge vorliegen kann, kann ab einer bestimmten Stickstoffkonzentration in dem Anodengas in Gang gesetzt werden. Dazu können beispielsweise in der Anodenrezirkulationsführung und/oder in der Anodengasführung und/oder in der Anodenkammer entsprechende Gassensoren vorgesehen sein. Diese können beispielsweise mit einer Steuereinheit zum Einleiten des Spülvorgangs verbunden sein. Ferner kann die Spülleitung oder können die Spülleitungen beispielsweise von der Anodenabgasführung und/oder der Anodenabgasrezirkulationsführung abzweigen und zu der Kathodengasleitung und/oder Kathodenabgasführung verlaufen.In a further embodiment, a purge line may be provided for selectively guiding anode exhaust gas into the cathode gas guide and / or into the cathode exhaust gas guide. In this embodiment, anode exhaust gas can thus be passed into the cathode gas guide and / or in the cathode exhaust gas guide. Thereby, the efficiency of the fuel cell can be maintained. In detail, it can be reacted to the fact that, under certain circumstances, nitrogen can pass from the cathode side to the anode side of the fuel cell during the working process, which can reduce the hydrogen partial pressure on the anode side, in particular during recirculation, and thus adversely affect the efficiency of the fuel cell. A flushing process, also referred to as purgen, according to this embodiment, in which the gas mixture, for example comprising hydrogen, nitrogen and water can be passed via a valve in front of the cathode or via a valve behind the cathode, so that pure hydrogen or only one again on the anode side at best small amount of nitrogen may be, can be set in motion above a certain concentration of nitrogen in the anode gas. For this purpose, for example, corresponding gas sensors may be provided in the anode recirculation guide and / or in the anode gas guide and / or in the anode chamber. These may, for example, be connected to a control unit for initiating the flushing process. Further, the purge line or the purge lines may, for example, branch off from the anode exhaust gas guide and / or the anode exhaust gas recirculation guide and extend to the cathode gas line and / or cathode exhaust gas guide.

Darüber hinaus können noch in dem Anodenabgas enthaltene Brennstoffe, wie etwa Wasserstoff, in einer potentiell vorhandenen Brennkammer, die zur Leistungssteigerung der Turbine beziehungsweise einer Kompressionsvorrichtung dienen kann, verbrannt werden, wodurch auf einen weiteren Nachbrenner verzichtet werden kann, was das Brennstoffzellensystem besonders kostengünstig macht.In addition, fuels still contained in the anode exhaust gas, such as hydrogen, can be burned in a potentially existing combustion chamber which can serve to increase the performance of the turbine or a compression device, whereby a further afterburner can be dispensed with, which makes the fuel cell system particularly cost-effective.

Gegenstand der Erfindung ist ferner ein Verfahren zum Betreiben eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems, umfassend die Verfahrensschritte:

a) Führen von Kathodengas von einer Kathodengasquelle zu einer Kathode einer Brennstoffzelle; und
b) Führen von Anodengas von einer Anodengasquelle zu einer Anode der Brennstoffzelle; wobei
c) das Kathodengas stromaufwärts der Brennstoffzelle selektiv und lastabhängig an wenigstens einer Kompressionsvorrichtung zum Komprimieren von Kathodengas vorbeigeführt wird.

The invention further provides a method for operating a fuel cell system according to the invention, comprising the method steps:

a) passing cathode gas from a cathode gas source to a cathode of a fuel cell; and
b) passing anode gas from an anode gas source to an anode of the fuel cell; in which
c) the cathode gas upstream of the fuel cell selectively and load dependent on at least one compression device for compressing cathode gas is passed.

Gemäß dem vorbeschriebenen Verfahren werden die Reaktionsgase, das Anodengas und das Kathodengas in die Brennstoffzelle geleitet. Dabei kann, um die Effizienz und Leistung der Brennstoffzellensystems zu steigern, das Kathodengas, wie etwa Luft, unter einem gegenüber dem Atmosphärendruck erhöhten Druck in die Brennstoffzelle geleitet werden.According to the method described above, the reaction gases, the anode gas and the cathode gas are passed into the fuel cell. In doing so, to increase the efficiency and performance of the fuel cell system, the cathode gas, such as air, may be directed into the fuel cell at a pressure greater than atmospheric pressure.

Ferner kann das Kathodengas stromaufwärts der Brennstoffzelle selektiv und lastabhängig an wenigstens einer Kompressionsvorrichtung vorbeigeführt werden. Dadurch kann auf besonders einfache, präzise und dynamische Weise der Druck in der Brennstoffzelle gesteuert werden, wobei der Verschleiß reduzierbar ist. Darüber hinaus können bei der Anwendung oder Entwicklung von Brennstoffzellensystemen bekannte Technologien und Komponenten verwendet werden.Furthermore, the cathode gas upstream of the fuel cell can be guided selectively and load-dependent past at least one compression device. As a result, the pressure in the fuel cell can be controlled in a particularly simple, precise and dynamic manner, whereby the wear can be reduced. In addition, known technologies and components can be used in the application or development of fuel cell systems.

Bezüglich weiterer Vorteile des Verfahrens wird auf die vorstehenden Ausführungen bezüglich des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems verwiesen. With regard to further advantages of the method, reference is made to the above statements regarding the fuel cell system according to the invention.

Zeichnungen und BeispieleDrawings and examples

Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Gegenstände werden durch die Zeichnungen veranschaulicht und in der nachfolgenden Beschreibung erläutert. Dabei ist zu beachten, dass die Zeichnungen nur beschreibenden Charakter haben und nicht dazu gedacht sind, die Erfindung in irgendeiner Form einzuschränken. Es zeigenFurther advantages and advantageous embodiments of the subject invention are illustrated by the drawings and explained in the following description. It should be noted that the drawings have only descriptive character and are not intended to limit the invention in any way. Show it

1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems; 1 a schematic representation of an embodiment of a fuel cell system according to the invention;

2 eine schematische Teilansicht einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems; 2 a schematic partial view of an embodiment of a fuel cell system according to the invention;

3 eine schematische Darstellung der Abhängigkeit des in der Brennstoffzelle vorzugsweise herrschenden Drucks von der Last des Brennstoffzellensystems; 3 a schematic representation of the dependence of the pressure prevailing in the fuel cell preferably pressure from the load of the fuel cell system;

4 eine schematische Teilansicht einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems; und 4 a schematic partial view of another embodiment of a fuel cell system according to the invention; and

5 eine schematische Teilansicht einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems. 5 a schematic partial view of another embodiment of a fuel cell system according to the invention.

1 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems 1. Derartige Brennstoffzellensysteme 1 können beispielsweise Verwendung finden als stationäre oder mobile Brennstoffzellensysteme. Beispielsweise können erfindungsgemäße Brennstoffzellensysteme 1 in Kraftfahrzeugen eingesetzt werden. 1 shows a schematic representation of an embodiment of a fuel cell system according to the invention 1 , Such fuel cell systems 1 For example, they can be used as stationary or mobile fuel cell systems. For example, fuel cell systems according to the invention 1 used in motor vehicles.

Das Brennstoffzellensystem 1 umfasst eine Brennstoffzelle 2 mit einer Anode 3 und einer Kathode 4, die nur schematisch angedeutet sind. Zwischen der Anode 3 und der Kathode 4 ist ein Elektrolyt 5 angeordnet. Es ist ferner ein Kathodenpfad 6 mit einer Kathodengasführung 7 zum Zuführen von Kathodengas zu der Kathode 4 und eine Kathodenabgasführung 8 zum Ableiten von Kathodenabgas von der Kathode 4 vorgesehen. Ferner kann das Brennstoffzellensystem 1 ein Kathodengasversorgungssystem 9, wie etwa einen Verdichter, aufweisen, mit dem Kathodengas von einer Kathodengasquelle 10 zu der Kathode 4 geleitet werden kann. Dabei kann in der Kathodenabgasführung 8 ein Drosselelement 20, wie etwa ein Druckhalteventil angeordnet sein, um den Druck in der Brennstoffzelle 2 einstellen zu können etwa ohne Energierückgewinnung am Kathodenauslass. Entsprechend kann ein Anodenpfad 11 mit einer Anodengasführung 12 zum Zuführen von Anodengas zu der Anode 3 und eine Anodenabgasführung 13 zum Ableiten von Anodenabgas von der Anode 3 vorgesehen sein. In der Anodengasführung 12 kann dabei ein Drosselelement 21, wie etwa ein Ventil, angeordnet sein, wobei in der Anodenabgasführung 13 ebenfalls ein Drosselelement 44, wie etwa ein Ventil, angeordnet sein kann. Durch das Drosselelement 21 kann etwa das Anodengas, wie beispielsweise Wasserstoff, welches beispielsweise von einem Hochdruckbehälter unter einem Druck von 350–700 bar geliefert werden kann, auf einen geeigneten Druck, wie etwa 10 bar eingestellt und ferner zu der Brennstoffzelle 2 dosiert werden.The fuel cell system 1 includes a fuel cell 2 with an anode 3 and a cathode 4 , which are indicated only schematically. Between the anode 3 and the cathode 4 is an electrolyte 5 arranged. It is also a cathode path 6 with a cathode gas guide 7 for supplying cathode gas to the cathode 4 and a cathode exhaust gas guide 8th for diverting cathode exhaust gas from the cathode 4 intended. Furthermore, the fuel cell system 1 a cathode gas supply system nine , such as a compressor, with the cathode gas from a cathode gas source 10 to the cathode 4 can be directed. It can in the cathode exhaust gas guide 8th a throttle element 20 , such as a pressure-holding valve, to regulate the pressure in the fuel cell 2 to adjust about without energy recovery at the cathode outlet. Accordingly, an anode path 11 with an anode gas guide 12 for supplying anode gas to the anode 3 and an anode exhaust gas guide 13 for draining anode exhaust gas from the anode 3 be provided. In the anode gas guide 12 can be a throttle element 21 such as a valve, wherein in the anode exhaust duct 13 also a throttle element 44 , such as a valve, can be arranged. Through the throttle element 21 For example, the anode gas such as hydrogen, which may be supplied from, for example, a high-pressure vessel under a pressure of 350-700 bar, may be adjusted to a suitable pressure, such as 10 bar, and further to the fuel cell 2 be dosed.

Das Brennstoffzellensystem 1 kann ferner eine Anodenabgasrezirkulationsführung 16 zum Führen von Anodenabgas in die Anodengasführung 12 aufweisen. Die Anodenabgasrezirkulationsführung 16 kann dabei mit der Anodenabgasführung 13 und der Anodengasführung 12 verbunden sein. Dabei kann zum Fördern des zu rezirkulierenden Anodenabgases eine geeignete Fördervorrichtung 17, wie etwa eine Pumpe, in der Anodenabgasrezirkulationsführung 16 vorgesehen sein. Ferner können in der Anodenabgasführung 13 und/oder in der Anodenabgasrezirkulationsführung 16 entsprechende Drosselelemente, wie etwa Ventile, für ein selektives Führen des Anodenabgases in die Anodenabgasrezirkulationsführung 16 und/oder zu einem Ausgang oder einem Nachbrenner zusammen mit dem Drosselelement 44 vorgesehen sein.The fuel cell system 1 may further include an anode exhaust gas recirculation guide 16 for guiding anode exhaust gas into the anode gas guide 12 exhibit. The anode exhaust recirculation guide 16 can do this with the anode exhaust gas guide 13 and the anode gas guide 12 be connected. In this case, for conveying the anode exhaust to be recirculated a suitable conveyor 17 , such as a pump, in the anode exhaust gas recirculation guide 16 be provided. Further, in the anode exhaust gas guide 13 and / or in the anode exhaust gas recirculation guide 16 corresponding throttle elements, such as valves, for selectively guiding the anode exhaust gas into the anode exhaust gas recirculation guide 16 and / or to an outlet or an afterburner together with the throttle element 44 be provided.

Es kann ferner eine Spülleitung zum selektiven Führen von Anodenabgas in die Kathodengasführung 7 und/oder in die Kathodenabgasführung 8 vorgesehen sein. Beispielsweise kann eine Spülleitung 18 mit der Anodenabgasrezirkulationsführung 16 und der Kathodengasführung 7 verbunden sein, und/oder es kann eine Spülleitung 19 mit der Anodenabgasrezirkulationsführung 16 und der Kathodenabgasführung 8 verbunden sein. In den Spülleitungen 18, 19 können dabei entsprechende Drosselelemente, wie etwa Ventileinrichtungen 23, 24 vorgesehen sein, um einen Anodenabgasfluss durch die Spülleitungen zu erlauben oder zu verhindern. Selbiges gilt für die Anodenabgasrezirkulationsführung 16, insbesondere stromabwärts der Spülleitungen 18, 19.It may further include a purge line for selectively conducting anode exhaust gas into the cathode gas guide 7 and / or in the cathode exhaust gas guide 8th be provided. For example, a purge line 18 with the anode exhaust gas recirculation guide 16 and the cathode gas guide 7 be connected, and / or it may be a purge line 19 with the anode exhaust gas recirculation guide 16 and the cathode exhaust gas guide 8th be connected. In the rinse lines 18 . 19 In this case, corresponding throttle elements, such as valve devices 23 . 24 be provided to allow or prevent an anode exhaust gas flow through the purge lines. The same applies to the anode exhaust gas recirculation guide 16 , in particular downstream of the purge lines 18 . 19 ,

In 2 ist ein eine Ausführungsform eines Kathodenpfades 6 im Detail gezeigt. Es ist für den Fachmann dabei verständlich, dass der nicht gezeigte Anodenpfad 11 gemäß 1 ausgestaltet sein kann, also beispielsweise eine Anodenabgasrezirkulationsführung 16 und/oder eine Spülleitung 18, 19 aufweisen kann.In 2 is an embodiment of a cathode path 6 shown in detail. It is understood by those skilled in the art that the anode path, not shown 11 according to 1 may be configured, so for example, an anode exhaust gas recirculation guide 16 and / or a purge line 18 . 19 can have.

In der Kathodengasführung 7 kann wenigstens eine erste Kompressionsvorrichtung 25 zum Komprimieren von Kathodengas vorgesehen sein. Diese Kompressionsvorrichtung 25 kann beispielsweise dem Kathodengasversorgungssystem 9 entsprechen. Beispielsweise kann die erste Kompressionsvorrichtung 25 einen durch einen Elektromotor 26 angetriebenen Verdichter 27 aufweisen. Die wenigstens eine erste Kompressionsvorrichtung 25 kann ferner durch eine Bypassführung 28 selektiv überbrückbar sein. In der Bypassführung 28 kann dabei ein Drosselelement, wie etwa eine Ventileinrichtung 29 angeordnet sein. In the cathode gas guide 7 can at least a first compression device 25 be provided for compressing cathode gas. This compression device 25 For example, the cathode gas supply system nine correspond. For example, the first compression device 25 one by an electric motor 26 driven compressor 27 exhibit. The at least one first compression device 25 can also by a bypass guide 28 be selectively bridged. In the bypass guide 28 can be a throttle element, such as a valve device 29 be arranged.

Das Brennstoffzellensystem 1 kann ferner eine zu der ersten Kompressionsvorrichtung 25 seriell geschaltete und stromabwärts der ersten Kompressionsvorrichtung 25 angeordnete zweite Kompressionsvorrichtung 43 zum Komprimieren von Kathodengas aufweisen, wobei die zweite Kompressionsvorrichtung 43 durch eine Bypassführung 30 selektiv überbrückbar ist. In der Bypassführung 30 kann wiederum ein Drosselelement, wie etwa eine Ventileinrichtung 31 angeordnet sein. Die zweite Kompressionsvorrichtung 43 kann dabei einen mit einer in der Kathodenabgasleitung 8 angeordneten Turbine 32 verbundenen Verdichter 33 umfassen. Beispielsweise können Turbine 32 und Verdichter 33 über eine Welle 38 miteinander verbunden sein. Die Kompressionsvorrichtung 43 kann beispielsweise als klassischer Abgasturbolader ausgestaltet sein.The fuel cell system 1 may further be to the first compression device 25 serially connected and downstream of the first compression device 25 arranged second compression device 43 for compressing cathode gas, wherein the second compression device 43 through a bypass guide 30 is selectively bridged. In the bypass guide 30 may in turn a throttle element, such as a valve device 31 be arranged. The second compression device 43 can one with a in the cathode exhaust gas line 8th arranged turbine 32 connected compressor 33 include. For example, turbine 32 and compressors 33 over a wave 38 be connected to each other. The compression device 43 can be configured for example as a classic exhaust gas turbocharger.

Weiterhin kann in der Kathodenabgasführung 8 stromaufwärts der Turbine 32 eine Brennkammer 34 angeordnet sein. Verbunden mit der Kathodenabgasführung 8 kann ferner eine Bypassführung 35 zum Überbrücken der Turbine 32 und/oder der Brennkammer 34 vorgesehen sein. In der Bypassführung 35 kann wiederum ein Drosselelement, wie etwa eine Ventileinrichtung 36 angeordnet sein.Furthermore, in the cathode exhaust gas guide 8th upstream of the turbine 32 a combustion chamber 34 be arranged. Connected to the cathode exhaust gas guide 8th may further include a bypass guide 35 for bridging the turbine 32 and / or the combustion chamber 34 be provided. In the bypass guide 35 may in turn a throttle element, such as a valve device 36 be arranged.

In der Kathodengasführung 7 kann weiterhin stromaufwärts der Kathode 4 eine Befeuchtungsvorrichtung 37 angeordnet sein. Durch diese kann Wasser in die Brennstoffzelle 2 geführt werden, welches etwa für eine zwischen Anode 3 und Kathode 4 angeordnete Membran benötigt werden kann. Als Befeuchtungsvorrichtung 37 kann beispielsweise ein Verdampfer dienen.In the cathode gas guide 7 may continue upstream of the cathode 4 a moistening device 37 be arranged. Through this, water can enter the fuel cell 2 be guided, which is about an anode between 3 and cathode 4 arranged membrane can be needed. As moistening device 37 For example, an evaporator can be used.

Darüber hinaus kann das Brennstoffzellensystem 1 eine Steuereinheit zum Steuern eines selektiven und lastabhängigen Überbrückens der ersten Kompressionsvorrichtung 25 und/oder der zweiten Kompressionsvorrichtung 43 und/oder der Turbine 32 und/oder der Brennkammer 34 und/oder zum Steuern des Brennprozesses in der Brennkammer 34 vorgesehen sein.In addition, the fuel cell system 1 a control unit for controlling a selective and load-dependent bridging of the first compression device 25 and / or the second compression device 43 and / or the turbine 32 and / or the combustion chamber 34 and / or for controlling the burning process in the combustion chamber 34 be provided.

3 zeigt dabei das qualitative Verhältnis von in der Brennstoffzelle 2 beziehungsweise in dem Kathodenraum der Brennstoffzelle 2 vorherrschendem Druck und der Last der Brennstoffzelle 2, wobei auf der x-Achse der Lastbereich und auf der Y-Achse der vorherrschende Druck beziehungsweise das Verdichter-Druckverhältnis π, also der Quotienten aus (Verdichter-)Austrittsdruck zu Eintrittsdruck, qualitativ aufgetragen sind. Es sind drei unterschiedliche Betriebsmodi A, B und C gezeigt. Dabei kann etwa A einem Betriebsmodus unter geringer Last, wie etwa dem Stadtverkehr eines Fahrzeugs entsprechen, B einer Autobahnfahrt mit einem Fahrzeug und C einer Maximallast. 3 zeigt dabei, dass mit steigender Last auch der in dem Kathodenraum vorherrschende bevorzugte Druck steigt. 3 shows the qualitative ratio of in the fuel cell 2 or in the cathode compartment of the fuel cell 2 prevailing pressure and the load of the fuel cell 2 , wherein on the x-axis of the load area and on the Y-axis of the prevailing pressure or the compressor pressure ratio π, ie the quotient of (compressor) outlet pressure to inlet pressure, are applied qualitatively. Three different operating modes A, B and C are shown. Here, for example, A may correspond to a low-load operation mode such as the city traffic of a vehicle, B to a highway drive with a vehicle, and C to a maximum load. 3 shows that with increasing load and the prevailing in the cathode chamber preferred pressure increases.

In 4 ist eine weitere Ausführungsform eines Kathodenpfades 6 eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems 1 gezeigt. Die Ausführungsform gemäß 4 kann in weiten Teilen der Ausführungsform gemäß 2 entsprechen, wobei entsprechende Bauteile mit entsprechenden Bezugszeichen versehen sind. Gemäß 4 ist jedoch im Turbinenabgas verbliebene Restwärme über einen in der Kathodenabgasführung 8 stromabwärts der Turbine 32 angeordneten Wärmetauscher 39 vor die Brennkammer 34, insbesondere zu einem in der Kathodenabgasführung 8 stromaufwärts der Brennkammer 34 angeordneten Wärmetauscher 40 zurückführbar. Dadurch lässt sich die in der Brennkammer 34 benötigte Brenngasmenge, wie etwa Wasserstoffmenge, reduzieren, wobei der Betrieb durch eine Erhitzung des Kathodenabgases energiesparender möglich sein kann.In 4 is another embodiment of a cathode path 6 a fuel cell system according to the invention 1 shown. The embodiment according to 4 can be found in much of the embodiment according to 2 correspond, with corresponding components are provided with corresponding reference numerals. According to 4 However, residual heat remaining in the turbine exhaust is via one in the cathode exhaust gas guide 8th downstream of the turbine 32 arranged heat exchanger 39 in front of the combustion chamber 34 , in particular to one in the cathode exhaust gas guide 8th upstream of the combustion chamber 34 arranged heat exchanger 40 recyclable. This can be done in the combustion chamber 34 required amount of fuel gas, such as reducing the amount of hydrogen, the operation by heating the cathode exhaust gas can be possible energy-saving.

In 5 ist eine weitere Ausführungsform eines Kathodenpfades 6 eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems 1 gezeigt. Die Ausführungsform gemäß 5 kann in weiten Teilen der Ausführungsform gemäß 2 beziehungsweise 4 entsprechen, wobei entsprechende Bauteile mit entsprechenden Bezugszeichen versehen sind. In 5 ist dabei weiterhin der Anodenpfad 11 teilweise gezeigt. Im Detail ist die Anodengasquelle 15, Anodengasführung 12 mit Ventileinrichtung 21, die Anode 3 und eine Anodenabgasführung 41 gezeigt, die mit der Anodenabgasführung 13 oder mit der Spülleitung 18, 19 identisch sein kann oder beispielsweise von einer oder mehrere dieser abzweigen kann. Der bei einem Spülvorgang freigesetzte Brennstoff, wie etwa Wasserstoff, kann zu der Brennkammer 34 geleitet werden und somit zum Antrieb der Turbine 32 und damit zu einer Wirkungsgraderhöhung beitragen. Alternativ oder zusätzlich kann die Brennkammer 34 mit einer eigenständigen Brennstoffquelle 42 versorgt werden.In 5 is another embodiment of a cathode path 6 a fuel cell system according to the invention 1 shown. The embodiment according to 5 can be found in much of the embodiment according to 2 respectively 4 correspond, with corresponding components are provided with corresponding reference numerals. In 5 is still the anode path 11 partially shown. In detail is the anode gas source 15 , Anode gas guide 12 with valve device 21 , the anode 3 and an anode exhaust gas guide 41 shown with the anode exhaust gas guide 13 or with the flushing line 18 . 19 may be identical or branch off, for example, one or more of these. The fuel released during a purge, such as hydrogen, may go to the combustor 34 be routed and thus to drive the turbine 32 and thereby contribute to an increase in efficiency. Alternatively or additionally, the combustion chamber 34 with a stand-alone fuel source 42 be supplied.

Ein Verfahren zum Betreiben des vorbeschriebenen Brennstoffzellensystems 1 kann die folgenden Verfahrensschritte umfassen:

a) Führen von Kathodengas von einer Kathodengasquelle 10 zu einer Kathode 4 einer Brennstoffzelle 2;
b) Führen von Anodengas von einer Anodengasquelle 15 zu einer Anode 3 der Brennstoffzelle 2; wobei
c) das Kathodengas stromaufwärts der Brennstoffzelle 2 selektiv und lastabhängig an wenigstens einer Kompressionsvorrichtung 25, 43 vorbeigeführt wird.

A method of operating the above-described fuel cell system 1 may include the following steps:

a) Passing cathode gas from a cathode gas source 10 to a cathode 4 a fuel cell 2 ;
b) passing anode gas from an anode gas source 15 to an anode 3 the fuel cell 2 ; in which
c) the cathode gas upstream of the fuel cell 2 selectively and load dependent on at least one compression device 25 . 43 is passed.

Im Folgenden soll der Betrieb des Brennstoffzellensystems 1 anhand von verschiedenen Betriebsmodi beschrieben werden.The following is the operation of the fuel cell system 1 described by different operating modes.

Bei geringen Drücken und Massenströmen des Kathodengases, wie beispielsweise in einem Teillastbetrieb, wird beispielsweise nur mit der ersten Kompressionsvorrichtung 25, wie etwa dem elektrisch angetriebenen Verdichter, gearbeitet. Dabei kann das Drosselelement 29 insbesondere vollständig geschlossen bleiben. Die zweite Kompressionsvorrichtung 43, wie etwa der Hochdruckverdichter samt Turbine 32 wird gebypasst, indem die Drosselelemente 31 und 36 insbesondere vollständig geöffnet sein können. Der Systemdruck kann dabei über die Drossel 20 geregelt werden. At low pressures and mass flows of the cathode gas, such as in a partial load operation, for example, only with the first compression device 25 , such as the electrically driven compressor worked. In this case, the throttle element 29 especially completely closed. The second compression device 43 , such as the high-pressure compressor and turbine 32 is bypassed by the throttle elements 31 and 36 especially fully open. The system pressure can be via the throttle 20 be managed.

Für einen Hochlastbetrieb bei hohen Systemdrücken und Massenströmen des Kathodengases kann die erste Kompressionsvorrichtung 25, etwa der elektrische Verdichter, ausgeschaltet beziehungsweise gebypasst werden, indem etwa das Drosselelement 29 vollständig geöffnet sein kann und die Kathodengasversorgung beziehungsweise Luftversorgung über die zweite Kompressionsvorrichtung 43 beziehungsweise den Turbolader, etwa mit vorgeschalteter Brennkammer 34 gewährleistet sein kann, indem etwa die Drosselelemente 31 und 36 insbesondere vollständig geschlossen sein können. Die gesamte Leistung der Brennstoffzelle 2 beziehungsweise des Brennstoffzellenstacks kann hierbei der gewünschten Anwendung, wie etwa dem Fahrantrieb eines Fahrzeugs, zur Verfügung gestellt werden. Als Folge kann die Brennstoffzelle 2 deutlich kleiner dimensioniert werden, wodurch eine erhebliche Absenkung der Systemkosten möglich sein kann. Als Alternative kann die Nutzleistung erhöht werden.For a high load operation at high system pressures and mass flows of the cathode gas, the first compression device 25 , such as the electric compressor, are turned off or bypassed by, for example, the throttle element 29 can be completely open and the cathode gas supply or air supply via the second compression device 43 or the turbocharger, for example with an upstream combustion chamber 34 can be ensured by about the throttle elements 31 and 36 especially completely closed. The entire performance of the fuel cell 2 or the fuel cell stack can be made available here the desired application, such as the drive of a vehicle. As a result, the fuel cell 2 be dimensioned significantly smaller, which may be a significant reduction in system costs may be possible. As an alternative, the net power can be increased.

Die Umschaltung zwischen den obengenannten Modi kann durch entsprechende Ansteuerung der Drosselelemente 29, 31, 20, 36 realisiert werden. Bei einem Übergang von Teillast in Hochlast kann zunächst das Drosselelement 36 allmählich geschlossen werden, so dass gegebenenfalls die Brennkammer 34 in Betrieb genommen und die Turbine 32 angetrieben werden kann. Da ein erhöhter Staudruck entsteht, wird durch Öffnung des Drosselelementes 20 der Systemdruck konstant gehalten. Da die Turbine 32 den Verdichter 33 antreibt, wird das Drosselelement 31 ebenfalls allmählich geschlossen. Beim Erreichen einer ausreichenden Drehzahl für den selbsttätigen Betrieb des Verdichters 33 durch die Turbine 32, kann der Verdichter 27 durch die Öffnung des Drosselelementes 29 und die Einstellung der Beströmung des Motors 26 ausgeschaltet werden. Der Übergang von Hochlast auf Teillast erfolgt in ähnlicher Form.The switching between the above modes can be achieved by appropriate control of the throttle elements 29 . 31 . 20 . 36 will be realized. At a transition from part load to high load can first throttle element 36 be gradually closed so that, if necessary, the combustion chamber 34 put into operation and the turbine 32 can be driven. Since an increased back pressure is created by opening the throttle element 20 the system pressure kept constant. Because the turbine 32 the compressor 33 drives, becomes the throttle element 31 also gradually closed. When reaching a sufficient speed for the automatic operation of the compressor 33 through the turbine 32 , the compressor can 27 through the opening of the throttle element 29 and the adjustment of the flow of the motor 26 turned off. The transition from high load to partial load takes place in a similar form.

Bei Fahrzeugen, welche auf maximale Leistungsdichte ausgelegt sind, steht optional ein weiterer Betriebsmodus zur Verfügung. Hierbei kann durch eine zweistufige Aufladung der Systemdruck weiter gesteigert werden. dabei können sämtliche Drosselelemente 29, 31, 36 insbesondere vollständig geschlossen sein. Falls ein elektrischer Verdichter zum Einsatz kommt, wird elektrische Leistung benötigt. Dafür kann Brennstoffzellenleistung vorgehalten werden. Der Antrieb und die Leistungselektronik können auf Grund des erhöhten Massenstroms durch die Kompressionsvorrichtung 25 wieder leicht größer dimensioniert werden. For vehicles designed for maximum power density, another operating mode is optionally available. In this case, the system pressure can be further increased by a two-stage charging. while all throttle elements can 29 . 31 . 36 in particular, be completely closed. If an electric compressor is used, electrical power is required. For fuel cell performance can be kept. The drive and the power electronics can due to the increased mass flow through the compression device 25 again slightly larger dimensions.

Für low-cost Fahrzeuge sowie Systeme, welche nur ein geringes Druckniveau benötigen, kann auf eine der Kompressionsvorrichtungen 25, 43 und die Drosselelemente 29, 31 und 36 verzichtet werden. Der elektrisch angetriebene Verdichter dagegen kann nahezu unverändert übernommen werden, die Leistungselektronik und der Antrieb können ferner für den erhöhten Massenstrom angepasst werden.For low-cost vehicles as well as systems that only need a low pressure level, one of the compression devices can 25 . 43 and the throttle elements 29 . 31 and 36 be waived. The electrically driven compressor, however, can be taken almost unchanged, the power electronics and the drive can also be adapted for the increased mass flow.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.This list of the documents listed by the applicant has been generated automatically and is included solely for the better information of the reader. The list is not part of the German patent or utility model application. The DPMA assumes no liability for any errors or omissions.

Zitierte PatentliteraturCited patent literature

US 7700207 [0004]

Claims

Fuel cell system, comprising - a fuel cell ( 2 ) with an anode ( 3 ) and a cathode ( 4 ), wherein between the anode ( 3 ) and the cathode ( 4 ) an electrolyte ( 5 ), - a cathode path ( 6 ) with a cathode gas guide ( 7 ) for supplying cathode gas to the cathode ( 4 ) and a cathode exhaust gas guide ( 8th ) for discharging cathode exhaust gas from the cathode ( 4 ), - an anode path ( 11 ) with an anode gas guide ( 12 ) for supplying anode gas to the anode ( 3 ) and an anode exhaust gas guide ( 13 ) for discharging anode exhaust gas from the anode ( 3 ), wherein in the cathode gas guide ( 7 ) at least one first compression device ( 25 ) is provided for compressing cathode gas; and wherein the at least one first compression device ( 25 ) from the cathode gas through a bypass guide ( 28 ) is selectively bridged.

Fuel cell system according to claim 1, wherein in the cathode gas guide ( 7 ) one to the first compression device ( 25 ) in series and downstream of the first compression device ( 25 ) arranged second compression device ( 43 ) is arranged for compressing cathode gas, wherein the second compression device ( 43 ) by a bypass guide ( 30 ) is selectively bridged.

Fuel cell system according to claim 2, wherein the first compression device ( 25 ) comprises an electrically driven compressor and / or wherein the second compression device ( 43 ) one with a in the cathode exhaust line ( 8th ) arranged turbine ( 32 ) connected compressors ( 33 ).

Fuel cell system according to claim 3, wherein in the cathode exhaust gas guide ( 8th ) upstream of the turbine ( 32 ) a combustion chamber ( 34 ) is arranged.

Fuel cell system according to claim 3 or 4, wherein connected to the cathode exhaust gas line ( 8th ) a bypass guide ( 35 ) for bridging the turbine ( 32 ) and / or the combustion chamber ( 34 ) is provided.

Fuel cell system according to one of claims 1 to 5, wherein a control unit for controlling a selective and load-dependent bridging of the first compression device ( 25 ) and / or the second compression device ( 43 ) and / or the turbine ( 32 ) and / or the combustion chamber ( 34 ) and / or for controlling the firing process in the combustion chamber ( 34 ) is provided.

Fuel cell system according to one of claims 1 to 6, wherein in the cathode gas guide ( 7 ) upstream of the cathode ( 4 ) a humidifying device ( 37 ) is arranged.

A fuel cell system according to any one of claims 1 to 7, wherein an anode exhaust gas recirculation guide (10) 16 ) for passing anode exhaust gas into the anode gas guide ( 12 ) is provided.

Fuel cell system according to one of claims 1 to 8, wherein a purge line ( 18 . 19 ) for selectively conducting anode exhaust gas into the cathode gas guide ( 7 ) and / or into the cathode exhaust gas duct ( 8th ) is provided.

Method for operating a fuel cell system ( 1 ) according to one of claims 1 to 9, comprising the method steps: a) passing cathode gas from a cathode gas source ( 10 ) to a cathode ( 4 ) a fuel cell ( 2 ); and b) passing anode gas from an anode gas source ( 15 ) to an anode ( 3 ) of the fuel cell ( 2 ); wherein c) the cathode gas upstream of the fuel cell ( 2 ) selectively and load-dependent on at least one compression device ( 25 . 43 ) is passed to compress cathode gas.