DE102011120545A1 - Power providing device for vehicle, has heat engine via which working fluid vaporized by the heat from the fuel cell system is flowed such that the working fluid is partially diverted with respect to exhaust air of the fuel cell system - Google Patents

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Abstract

The power providing device (1) has fuel cell system (3) having polymer electrolyte membrane fuel cell (6), and heat engine (4) via which working fluid vaporized by the heat from fuel cell system is flowed. The working fluid is partially diverted with respect to exhaust air of fuel cell system by heat engine. The working medium is back-flowed over duct element to water reservoir (20) having drain valve. A valve device for removal of portion of working medium is arranged in the exhaust air of the fuel cell system. The fuel cell system is provided with burner (24).

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bereitstellung von Energie nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.The invention relates to a device for providing energy according to the closer defined in the preamble of claim 1.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Bereitstellen von Energie umfasst ein Brennstoffzellensystem mit wenigstens einer Brennstoffzelle und mit einer Wärmekraftmaschine, welche über ein dampfförmiges Arbeitsmedium, welches mittels Abwärme des Brennstoffzellensystems verdampft ist, angetrieben ist. Ein Brennstoffzellensystem, welches zusätzlich um eine derartige Wärmekraftmaschine beziehungsweise einen Expander als Vorrichtung zur Bereitstellung von Energie ergänzt ist, ist grundlegend aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 10 2004 063 304 A1 bekannt. Das dort beschriebene System nutzt dabei einen herkömmlichen Dampfkreislauf mit einem Arbeitsmedium, welches bei den üblichen Betriebstemperaturen einer PEM-Brennstoffzelle dampfförmig ist. Das Arbeitsmedium kann beispielsweise ein Kohlenwasserstoff, Silikonöl oder dergleichen sein. Der Dampfkreislauf kann vorzugsweise als organischer Rankineprozess ausgebildet sein. Der Einsatz von derartigen Arbeitsmitteln kann unter Umweltaspekten teilweise als bedenklich eingestuft werden, sodass eine absolute Dichtheit des Systems zu gewährleisten ist, was den Aufbau vergleichsweise aufwändig und im Falle einer Beeinträchtigung, beispielsweise beim Einsatz in einem Fahrzeug durch einen Unfall, gegebenenfalls kritisch macht.The inventive device for providing energy comprises a fuel cell system with at least one fuel cell and with a heat engine, which is driven by a vaporous working medium, which is vaporized by means of waste heat of the fuel cell system. A fuel cell system, which is supplemented in addition to such a heat engine or an expander as a device for providing energy is fundamentally from the German patent application DE 10 2004 063 304 A1 known. The system described therein uses a conventional steam cycle with a working medium, which is vaporous at the usual operating temperatures of a PEM fuel cell. The working medium may be, for example, a hydrocarbon, silicone oil or the like. The steam cycle may preferably be designed as an organic Rankine process. The use of such work equipment can be classified as hazardous under environmental aspects, so that an absolute tightness of the system is to ensure what makes the structure comparatively complex and in the event of impairment, for example when used in a vehicle by an accident, if necessary, critical.

Aus dem Bereich der Brennstoffzellensysteme ist es außerdem bekannt, dass in der Brennstoffzelle selbst Produktwasser entsteht. Dieses aus Sauerstoff und Wasserstoff entstehende Produktwasser ist typischerweise sehr rein. Es neigt daher insbesondere bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts unmittelbar zum Einfrieren. Aus diesem Grund ist die Abgabe des Produktwassers an die Umgebung in flüssiger Form unerwünscht und teilweise aufgrund von gesetzlichen Regelungen beim Einsatz in Fahrzeugen nicht gestattet. Aus diesem Grund wird versucht, das flüssige Produktwasser vor der Abgabe an die Umgebung zu zerstäuben, vgl. beispielsweise die US 2010/0279191 A1 , oder entsprechend zu verdampfen, wie es in der DE 10 2004 046 922 A1 vorgesehen ist. All dies ist energieaufwändig und je nach anfallender Menge des Produktwassers und zum Zerstäuben beziehungsweise zur Verdampfung eingesetztem Gasstrom teilweise nicht zu 100 Prozent zuverlässig, sodass die Emission von flüssigem Wasser nicht vollständig vermieden werden kann.From the field of fuel cell systems, it is also known that product water is produced in the fuel cell itself. This product water resulting from oxygen and hydrogen is typically very pure. It therefore tends to freeze, especially at temperatures below freezing. For this reason, the delivery of the product water to the environment in liquid form is undesirable and partly prohibited by law when used in vehicles. For this reason, it is attempted to atomise the liquid product water before being discharged to the environment, cf. for example the US 2010/0279191 A1 , or to evaporate accordingly, as in the DE 10 2004 046 922 A1 is provided. All of this is energy-consuming and, depending on the amount of product water used and the gas flow used for atomization or evaporation, is sometimes not 100 percent reliable, so that the emission of liquid water can not be completely avoided.

Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, eine Vorrichtung zur Bereitstellung von Energie nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art anzugeben, welche einerseits sehr energieeffizient arbeitet und andererseits sicher ist.The object of the present invention is now to provide a device for providing energy according to the closer defined in the preamble of claim 1, which on the one hand works very energy efficient and on the other hand is safe.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen hiervon ergeben sich aus den restlichen abhängigen Unteransprüchen.According to the invention this object is achieved by the features mentioned in the characterizing part of claim 1. Further advantageous embodiments thereof will become apparent from the remaining dependent subclaims.

Die erfindungsgemäße Lösung sieht es vor, dass das Arbeitsmedium vor oder nach dem Expander zumindest teilweise in die Abluft des Brennstoffzellensystems abströmt. Das Arbeitsmedium für die Wärmekraftmaschine ist zum Antrieb der Wärmekraftmaschine verdampft. Diese Verdampfung erfolgt typischerweise über die Abwärme des Brennstoffzellensystems. Das verdampfte Arbeitsmedium kann dann problemlos an die Umgebung abgegeben werden, ohne dass dieses in flüssiger Form an die Umgebung gelangt. Der Aufbau wird dadurch sehr einfach und effizient, da auf einen Kondensator entweder gänzlich verzichtet oder dieser in seiner Baugröße verkleinert werden kann. Insbesondere beim Verzicht auf einen Kondensator ist ein einfaches und effizientes Nachrüsten in bestehende Brennstoffzellensysteme problemlos möglich.The solution according to the invention provides that the working medium flows at least partially into the exhaust air of the fuel cell system before or after the expander. The working medium for the heat engine is evaporated to drive the heat engine. This evaporation typically takes place via the waste heat of the fuel cell system. The vaporized working fluid can then be easily released to the environment without this in liquid form reaches the environment. The structure is very simple and efficient because either a capacitor completely omitted or this can be reduced in size. In particular, when dispensing with a capacitor, a simple and efficient retrofitting in existing fuel cell systems is easily possible.

In einer weiteren sehr günstigen und vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems ist es dabei vorgesehen, dass das Arbeitsmedium in der Brennstoffzelle entstandenes Produktwasser ist. Insbesondere die Nutzung von Produktwasser als Arbeitsmedium ist von besonderem Vorteil, da dieses im Bereich der Brennstoffzelle ohnehin anfällt und typischerweise an die Umgebung entsorgt werden muss. Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann dieses nun verdampft werden und zumindest teilweise durch die Wärmekraftmaschine strömen. Dadurch wird ohne großen Aufwand und ohne ein zusätzliches Arbeitsmedium in dem System mitführen zu müssen eine weitere Energiegewinnung innerhalb der Vorrichtung möglich. Das verdampfte Produktwasser gelangt dann vor oder nach der Wärmekraftmaschine zumindest teilweise an die Umgebung. Dadurch ist zusätzlich sichergestellt, dass der Austritt von Flüssigwasser verhindert wird, da dieses zum Zeitpunkt der Abgabe an die Abluft des Brennstoffzellensystems bereits verdampft ist.In a further very favorable and advantageous embodiment of the fuel cell system according to the invention, it is provided that the working medium in the fuel cell is formed product water. In particular, the use of product water as a working medium is of particular advantage, since this is obtained anyway in the field of fuel cell and typically has to be disposed of to the environment. In the device according to the invention this can now be evaporated and at least partially flow through the heat engine. As a result, without much effort and without having to carry an additional working medium in the system, a further generation of energy within the device possible. The vaporized product water then passes before or after the heat engine at least partially to the environment. This additionally ensures that the leakage of liquid water is prevented, since this is already evaporated at the time of delivery to the exhaust air of the fuel cell system.

Eines der Probleme in der eingangs genannten DE 10 2004 046 922 A1 besteht auch darin, dass der Ladeluftkühler als Quelle zum Verdampfen des an die Umgebung abgegebenen Abwassers situationsabhängig unterschiedliche Wärme liefert. Insbesondere beim Start des Brennstoffzellensystems ist noch wenig Produktwasser vorhanden, sodass eine effiziente Kühlung des Zuluftstroms über den Ladeluftkühler alleine durch das Produktwasser schlecht möglich ist. In anderen Situationen ist mehr Produktwasser vorhanden als Energie zum Verdampfen im Bereich des Ladeluftkühlers zur Verfügung steht.One of the problems in the aforementioned DE 10 2004 046 922 A1 It also consists in the fact that the intercooler supplies different heat depending on the situation as a source for vaporizing the waste water discharged to the environment. In particular, at the start of the fuel cell system little product water is still present, so that an efficient cooling of the supply air flow through the intercooler alone by the product water is poorly possible. In other situations is more Product water available as energy for evaporation in the area of the intercooler is available.

In einer besonders günstigen und vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung, in der das Arbeitsmedium zur Wärmeaufnahme einen Ladeluftkühler für die zur Brennstoffzelle strömende Luft durchströmt, ist es daher vorgesehen, dass dieser Ladeluftkühler ein Phasenwechselmaterial aufweist. Ein solches Phasenwechselmaterial kann als Latentwärmespeicher in dem Ladeluftkühler dienen. Es wird auch als PCM (Phase Change Material) bezeichnet. Es kann beispielsweise technische Stearinsäure oder Ba(OH)28H2O aufweisen. Diese Materialien haben eine Umwandlungstemperatur von ca. 65°C beziehungsweise 78°C. Dies bedeutet, dass die Werkstoffe eine vergleichsweise große Wärmemenge aus der verdichteten Zuluft zur Brennstoffzelle aufnehmen und sich dadurch erwärmen. Erst bei den genannten Temperaturgrenzen ändern diese ihren Aggregatszustand beziehungsweise ihre Phase. Sie sind dadurch in der Lage, vergleichsweise viel thermische Energie aufzunehmen. Dies ist insbesondere im Startfall von Vorteil, da hier auch ohne das Vorhandensein einer ausreichenden Menge von Produktwasser bereits eine sehr gute Ladeluftkühlung ermöglicht wird. Mit zunehmend anfallender Menge an Produktwasser kann das Produktwasser dann entsprechend erwärmt und/oder verdampft werden, wobei das Phasenwechselmaterial wieder Wärme an des Produktwasser abgibt und so die Dynamik des Ladeluftkühlers ausgleicht.In a particularly favorable and advantageous development of the device according to the invention, in which the working medium for absorbing heat flows through a charge air cooler for the air flowing to the fuel cell, it is therefore provided that this charge air cooler has a phase change material. Such a phase change material can serve as latent heat storage in the intercooler. It is also referred to as PCM (Phase Change Material). It may, for example, technical stearic acid or Ba (OH) 2 8H 2 O have. These materials have a transition temperature of about 65 ° C and 78 ° C, respectively. This means that the materials absorb a comparatively large amount of heat from the compressed supply air to the fuel cell and thereby heat up. Only at the mentioned temperature limits do they change their state of aggregation or their phase. They are thus able to absorb comparatively much thermal energy. This is particularly advantageous in the start case, since even without the presence of a sufficient amount of product water a very good charge air cooling is already possible. With increasingly accumulating amount of product water, the product water can then be heated and / or vaporized accordingly, the phase change material again gives off heat to the product water and so compensates for the dynamics of the charge air cooler.

In einer weiteren sehr günstigen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es ferner vorgesehen, dass das Arbeitsmedium in einem Wasserspeicher bevorratet ist, welcher mit wenigstens einem Wasserabscheider des Brennstoffzellensystems in Verbindung steht. Ein solcher zusätzlicher Wasserspeicher kann als einfaches und effizientes Bauteil ausgebildet sein. Er kann mit einem oder mehreren Wasserabscheidern sowohl kathodenseitig als auch anodenseitig des Brennstoffzellensystems in Verbindung stehen und kann das Produktwasser des Brennstoffzellensystems sammeln, um dieses dann als Arbeitsmedium für die Wärmekraftmaschine zu verwenden.In a further very favorable embodiment of the device according to the invention, it is further provided that the working fluid is stored in a water reservoir, which communicates with at least one water separator of the fuel cell system. Such an additional water reservoir can be designed as a simple and efficient component. It can be connected to one or more water separators both on the cathode side and on the anode side of the fuel cell system and can collect the product water of the fuel cell system in order to then use this as a working medium for the heat engine.

In einer besonders günstigen und vorteilhaften Weiterbildung hiervon kann es außerdem vorgesehen sein, dass der Wasserspeicher mit einem Ablassventil versehen ist. Dieses Ablassventil ermöglicht es das Wasser abzulassen, wenn das Brennstoffzellensystem im Stillstand ist, und wenn die Temperaturen so weit fallen, dass Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts befürchtet werden müssen. In diesem Fall kann der Wasserspeicher dann einfach und effizient über das Ablassventil entleert werden, um ein Einfrieren des Wasserspeichers zu verhindern.In a particularly favorable and advantageous development thereof, it may also be provided that the water reservoir is provided with a drain valve. This drain valve allows the water to drain when the fuel cell system is at a standstill, and when temperatures drop so low that temperatures below freezing are feared. In this case, the water storage can then be easily and efficiently emptied through the drain valve to prevent freezing of the water reservoir.

In einer weiteren sehr günstigen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es außerdem vorgesehen, dass eine Ventileinrichtung, über welche ein Teil des Arbeitsmediums über einen Kondensator zu dem Wasserspeicher zurückführbar ist, vorgesehen ist. Ein solcher Aufbau kann also über eine Ventileinrichtung das Arbeitsmedium nach der Wärmekraftmaschine entsprechend aufteilen, sodass ein Teil des noch dampfförmigen Arbeitsmediums in die Abluft des Brennstoffzellensystems und damit in die Umgebung gelangt. Ein anderer Teil kann in einem Kreislauf über einen Kondensator zu dem Wasserspeicher zurückgeführt werden. Dieser Aufbau ermöglicht es immer die ideale Wassermenge beziehungsweise den idealen Volumenstrom für den Antrieb der Wärmekraftmaschine nutzen zu können, und lediglich den Teil des Produktwassers, welcher nicht weiter benötigt wird, an die Umgebung abzulassen. Die Vorrichtung kann so sehr effizient hinsichtlich der Energieerzeugung betrieben werden, und lediglich der Teil des entstandenen Produktwassers, welcher nicht weiter benötigt wird, wird in dampfförmiger Weise an die Umgebung abgelassen.In a further very favorable embodiment of the device according to the invention, provision is also made for a valve device, via which a part of the working medium can be returned to the water reservoir via a condenser, to be provided. Such a structure can therefore divide the working medium according to the heat engine accordingly via a valve device, so that a part of the still vaporous working medium enters the exhaust air of the fuel cell system and thus into the environment. Another part can be recycled in a circuit via a condenser to the water reservoir. This structure makes it possible to always use the ideal amount of water or the ideal volume flow for the drive of the heat engine, and only to release the part of the product water, which is no longer needed, to the environment. The device can thus be operated very efficiently in terms of energy production, and only the part of the resulting product water, which is no longer needed, is released in a vaporous manner to the environment.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergeben sich aus den restlichen abhängigen Ansprüchen und werden anhand der Ausführungsbeispiele deutlich, welche nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben sind.Further advantageous embodiments of the device according to the invention will become apparent from the remaining dependent claims and will be apparent from the embodiments, which are described below with reference to the figures.

Dabei zeigen:Showing:

1 eine Vorrichtung gemäß der Erfindung in einer ersten Ausführungsform; 1 a device according to the invention in a first embodiment;

2 eine Vorrichtung gemäß der Erfindung in einer zweiten Ausführungsform; 2 a device according to the invention in a second embodiment;

3 eine Vorrichtung gemäß der Erfindung in einer dritten Ausführungsform; und 3 a device according to the invention in a third embodiment; and

4 eine Vorrichtung gemäß der Erfindung in einer vierten Ausführungsform. 4 a device according to the invention in a fourth embodiment.

In der Darstellung der 1 ist eine Vorrichtung 1 zur Bereitstellung von Energie gemäß der Erfindung in einer ersten Ausführungsform zu erkennen. Diese kann beispielsweise in einem prinzipmäßig angedeuteten Fahrzeug 2 angeordnet sein, um hier elektrische Leistung für ein Bordnetz und/oder insbesondere für den Antrieb des Fahrzeugs 2 bereitzustellen. Die Vorrichtung 1 umfasst ein Brennstoffzellensystem 3 sowie eine Wärmekraftmaschine 4. Diese Wärmekraftmaschine 4 kann beispielsweise als Expander oder Turbine ausgebildet und mit einem Generator 5 zur Erzeugung von elektrischer Leistung gekoppelt sein. Das Brennstoffzellensystem 3 umfasst eine Brennstoffzelle 6, beispielsweise einen Stapel von PEM-Brennstoffzellen. Die Brennstoffzelle 6 weist einen Anodenraum 7 auf, welcher in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel aus einem Druckgasspeicher 8 über ein Druckregel- und Dosierventil 9 mit Wasserstoff als Brennstoff versorgt wird. In an sich bekannter, aber nicht zwingend notwendiger Art und Weise, wird der unverbrauchte Restwasserstoff über eine Rezirkulationsleitung 10 und eine Rezirkulationsfördereinrichtung 11 zum Eingang des Anodenraums 7 zurückgeführt und diesem mit frischem Wasserstoff vermischt erneut zugeführt. Die Rezirkulationsfördereinrichtung 11 dient dabei zum Ausgleich des Druckverlusts in der Rezirkulationsleitung 10 und in dem Anodenraum 7. Sie kann beispielsweise als Wasserstoffgebläse und/oder als Gasstrahlpumpe ausgebildet sein.In the presentation of the 1 is a device 1 to provide energy according to the invention in a first embodiment. This can, for example, in a vehicle indicated in principle 2 be arranged here to electrical power for an electrical system and / or in particular for the drive of the vehicle 2 provide. The device 1 includes a fuel cell system 3 and a heat engine 4 , This heat engine 4 For example, it can be designed as an expander or turbine and with a generator 5 be coupled to generate electrical power. The fuel cell system 3 includes a fuel cell 6 For example, a stack of PEM fuel cells. The fuel cell 6 has an anode compartment 7 on, which in the embodiment shown here from a compressed gas storage 8th via a pressure regulating and dosing valve 9 is supplied with hydrogen as fuel. In a known but not necessarily necessary manner, the unused residual hydrogen is a recirculation line 10 and a recirculation conveyor 11 to the entrance of the anode compartment 7 fed back and this mixed with fresh hydrogen fed again. The recirculation conveyor 11 serves to compensate for the pressure loss in the recirculation line 10 and in the anode compartment 7 , It can be designed, for example, as a hydrogen blower and / or as a gas jet pump.

In der Rezirkulationsleitung 10 befindet sich außerdem ein Wasserabscheider 12, über welchen Flüssigkeit aus dem rezirkulierten Abgas des Anodenraums 7 abgeschieden wird. Die Brennstoffzelle 6 umfasst ferner einen Kathodenraum 13, welcher mit Luft als Sauerstofflieferant versorgt wird. Hierfür dient eine Luftfördereinrichtung 14. Diese ist mit einer elektrischen Maschine 15 gekoppelt und wird von dieser elektrischen Maschine 15 angetrieben. Sie versorgt den Kathodenraum 13 mit einem Luftstrom als Sauerstofflieferant. Die Abluft aus dem Kathodenraum 13 gelangt über einen Wasserabscheider 16 zu einer Turbine 17. Im Bereich der Turbine 17 wird Restenergie aus dem Abluftstrom in Form von Druck und Wärme zumindest teilweise zurückgewonnen. Die Turbine 17 ist mit der Luftfördereinrichtung 14 und der elektrischen Maschine 15 gekoppelt. Dadurch lässt sich die Leistungsaufnahme der elektrischen Maschine 15 im regulären Betrieb reduzieren, da ein Teil der zurückgewonnenen Energie unmittelbar zur Luftförderung mit eingesetzt werden kann. In Situationen, in denen im Bereich der Turbine 17 ein Energieüberschuss herrscht, kann die elektrische Maschine 15 auch generatorisch betrieben werden, um so aus der in dem Abluftstrom der Brennstoffzelle 6 enthaltenen Restenergie elektrische Leistung bereitzustellen. Dieser Aufbau aus Luftfördereinrichtung 14, elektrischer Maschine 15 und Turbine 17 ist dabei aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt und wird als elektrischer Turbolader oder ETC (Electric Turbo Charger) bezeichnet. Nachdem die Abluft die Turbine 17 durchströmt hat und in dieser entspannt worden ist, strömt sie über einen Schalldämpfer 18 in die Umgebung. In dem Brennstoffzellensystem 3 entsteht aus den eingesetzten Edukten Wasserstoff und Sauerstoff Wasser als Produkt. Dieses Produktwasser sammelt sich, wie bereits erwähnt, in den beiden Wasserabscheidern 12, 16, welche in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel miteinander gekoppelt sind. Das gesammelte Wasser gelangt dann über eine Wasserleitung 19 in einen Wasserspeicher 20. Prinzipiell wäre es auch denkbar, den Wasserabscheider 16 unmittelbar als Wasserspeicher 20 zu verwenden. Zur Verdeutlichung der Darstellung wurde hier jedoch ein getrennter Aufbau dieser beiden Komponenten gezeigt.In the recirculation line 10 There is also a water separator 12 , via which liquid from the recirculated exhaust gas of the anode compartment 7 is deposited. The fuel cell 6 further includes a cathode compartment 13 , which is supplied with air as an oxygen supplier. For this purpose, an air conveyor is used 14 , This is with an electric machine 15 coupled and is powered by this electric machine 15 driven. It supplies the cathode compartment 13 with a stream of air as an oxygen supplier. The exhaust air from the cathode compartment 13 passes through a water separator 16 to a turbine 17 , In the area of the turbine 17 residual energy from the exhaust air flow in the form of pressure and heat is at least partially recovered. The turbine 17 is with the air conveyor 14 and the electric machine 15 coupled. This allows the power consumption of the electric machine 15 reduce in regular operation, since a part of the recovered energy can be used directly for the promotion of air. In situations where in the area of the turbine 17 an energy surplus prevails, the electric machine can 15 be operated as a generator, so as from the in the exhaust air flow of the fuel cell 6 contained residual energy to provide electrical power. This construction of air conveyor 14 , electric machine 15 and turbine 17 is known from the general state of the art and is referred to as an electric turbocharger or ETC (Electric Turbo Charger). After the exhaust the turbine 17 has flowed through and has been relaxed in this, it flows over a silencer 18 in the nearby areas. In the fuel cell system 3 arises from the reactants used hydrogen and oxygen water as a product. This product water collects, as already mentioned, in the two water separators 12 . 16 , which are coupled together in the embodiment shown here. The collected water then passes through a water pipe 19 in a water reservoir 20 , In principle, it would also be conceivable to use the water separator 16 directly as a water reservoir 20 to use. To illustrate the illustration, however, a separate structure of these two components has been shown here.

Das Produktwasser dient nun als Arbeitsmedium für die Wärmekraftmaschine 4, welche in der Vorrichtung 1 zusätzlich zur Brennstoffzelle 3 vorhanden ist. Über eine Pumpe 21 gelangt das Produktwasser als Arbeitsmedium in dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel der Vorrichtung 1 in einen Ladeluftkühler 22 und wird im Bereich des Ladeluftkühlers 22 erwärmt und idealerweise verdampft. Es strömt dann über die Wärmekraftmaschine 4 und gibt zumindest einen Teil seines Energieinhalts ab. Die Wärmekraftmaschine 4 ist also als Expander ausgebildet und nutzt die in dem Dampf vorhandene Wärme- und Druckenergie, um hieraus mechanische Leistung zu erzeugen, über welche der Generator 5 elektrische Leistung bereitstellt. Das nach der Wärmekraftmaschine 4 immer noch dampfförmige Arbeitsmedium strömt dann im Bereich des Schalldämpfers 18 in den Abluftstrom aus der Brennstoffzelle 6 beziehungsweise dem Kathodenraum 13 der Brennstoffzelle 6 ein und gelangt dampfförmig zusammen mit dem Abluftstrom an die Umgebung. Damit wird einerseits das Produktwasser „entsorgt”, ohne dass es zu einem Austritt von Flüssigwasser aus dem Fahrzeug 2 kommt, andererseits wird die im Bereich des Ladeluftkühlers 22 ohnehin anfallende Energie, welche nach dem Verdichten der Luft nach der Luftfördereinrichtung 14 in dieser vorhanden ist und zur Schonung der Membranen der Brennstoffzelle 6 „weggekühlt” werden muss, genutzt.The product water now serves as a working medium for the heat engine 4 which are in the device 1 in addition to the fuel cell 3 is available. About a pump 21 the product water enters as working medium in the 1 illustrated embodiment of the device 1 in a charge air cooler 22 and is in the area of the intercooler 22 heated and ideally evaporated. It then flows over the heat engine 4 and gives off at least part of its energy content. The heat engine 4 Thus, it is designed as an expander and uses the heat and pressure energy present in the steam in order to generate mechanical power from it, via which the generator 5 provides electrical power. That after the heat engine 4 still vaporous working fluid then flows in the area of the muffler 18 in the exhaust air flow from the fuel cell 6 or the cathode compartment 13 the fuel cell 6 and enters vaporous together with the exhaust air flow to the environment. Thus, on the one hand the product water is "disposed of", without causing leakage of liquid water from the vehicle 2 comes, on the other hand, in the area of the intercooler 22 Any resulting energy, which after the compression of the air after the air conveyor 14 in this is present and to protect the membranes of the fuel cell 6 "Weggekühlt" must be used.

Da das Vorhandensein beziehungsweise die Entstehung von Produktwasser und der Bedarf an Kühlleistung im Bereich des Ladeluftkühlers 22 nicht immer analog verlaufen, insbesondere da beim Start des Brennstoffzellensystems 3 sehr schnell Kühlleistung im Ladeluftkühler 22 benötigt wird und gegebenenfalls noch kein oder sehr wenig Produktwasser vorliegt, befindet sich im Bereich des Ladeluftkühlers 22 ein sogenanntes Phasenwechselmaterial 23. Dieses bildet einen Latentwärmespeicher aus, welcher vergleichsweise viel Wärme aus dem verdichteten Zuluftstrom zum Kathodenraum 13 der Brennstoffzelle 6 aufnehmen kann und diesen daher auch ohne das Vorhandensein von Produktwasser als Arbeitsmedium ideal kühlt. Wenn ausreichend Produktwasser als Arbeitsmedium vorhanden ist, dann kann diese Wärme, welche in dem Phasenwechselmaterial 23 zwischengespeichert ist, wieder an das Produktwasser abgegeben werden, um dieses zu erwärmen und/oder zu verdampfen. Ein weiterer Vorteil des Phasenwechselmaterials 23 liegt darin, dass beispielsweise beim Abstellen des Brennstoffzellensystems 3 noch vergleichsweise viel Produktwasser vorhanden ist, aber keine Ladeluftkühlung mehr benötigt wird. In dieser Situation kann dann über das Phasenwechselmaterial 23 weiterhin Produktwasser erwärmt und verdampft werden, um so einen Großteil des Wassers als Arbeitsmedium für die Wärmekraftmaschine 4 aufzubrauchen und dampfförmig an die Umgebung abzugeben. Die Nutzung der Energie über das Arbeitsmedium ist dabei als Rankineprozess ausgebildet. Letztlich stellt der in 1 dargestellte Aufbau eine Art „offenen” Rankinekreislauf dar.As the presence or the emergence of product water and the need for cooling power in the intercooler 22 not always analog, especially since the start of the fuel cell system 3 very fast cooling performance in the intercooler 22 is required and possibly still no or very little product water is present in the area of the intercooler 22 a so-called phase change material 23 , This forms a latent heat storage, which comparatively much heat from the compressed supply air flow to the cathode compartment 13 the fuel cell 6 can therefore absorb and cool this ideal even without the presence of product water as a working medium. If sufficient product water is present as the working medium, then this heat, which in the phase change material 23 cached, are returned to the product water to heat it and / or evaporate. Another advantage of the phase change material 23 is that, for example, when stopping the fuel cell system 3 still comparatively much product water is present, but no charge air cooling is needed more. In this situation can then on the phase change material 23 Product water continues to be heated and vaporized, so much of the Water as a working medium for the heat engine 4 to use up and release in vapor form to the environment. The use of energy via the working medium is designed as a Rankine process. Ultimately, the in 1 shown construction is a kind of "open" Rankinekreislauf.

Der Aufbau der Vorrichtung 1 hat dabei den entscheidenden Vorteil, dass einerseits die Energieausbeute der Vorrichtung gegenüber einem reinen Brennstoffzellensystem 3 erhöht wird, und das andererseits der Austrag von flüssigem Wasser mit der Abluft der Brennstoffzelle 6 an die Umgebung sicher und zuverlässig in allen Betriebssituationen verhindert werden kann.The construction of the device 1 has the decisive advantage that, on the one hand, the energy yield of the device compared to a pure fuel cell system 3 is increased, and on the other hand, the discharge of liquid water with the exhaust air of the fuel cell 6 to the environment safely and reliably in all operating situations can be prevented.

In der Darstellung der 2 ist eine alternative Ausführungsform der Vorrichtung 1 zu erkennen. Dabei wurde auf die Darstellung des Fahrzeugs 2 verzichtet. Dieselben Bauelemente sind ansonsten auch hier mit denselben Bezugszeichen wie in der Darstellung der 1 versehen. Der Unterschied besteht darin, dass die Turbine 17 nicht als sogenannte „kalte” Turbine ausgebildet ist, sondern als „heiße” Turbine. Dies bedeutet, dass in Strömungsrichtung des Abluftstroms vor der Turbine 17 ein Brenner 24, vorzugsweise ein katalytischer Brenner, angeordnet ist. Dieser Brenner 24 wird durch die Abluft aus dem Kathodenraum 13 der Brennstoffzelle 6 mit Restsauerstoff in dieser Abluft versorgt. Außerdem strömt ihm entweder kontinuierlich oder über eine Ventileinrichtung 25 von Zeit zu Zeit oder in Abhängigkeit einer Stoffkonzentration ein Abgas aus der Anodenrezirkulation der Brennstoffzelle 6 zu. Dieses Abgas enthält neben inerten Gasen, welche durch die Membranen der Brennstoffzelle vom Kathodenraum 13 in den Anodenraum 7 diffundieren, typischerweise außerdem eine Restmenge an Wasserstoff, welche in dem Brenner 24 dann umgesetzt werden kann. Auf den Brenner 24 folgt in Strömungsrichtung der Abluft nach dem Brenner oder gegebenenfalls auch in den Brenner 24 integriert ein Wärmetauscher 26, welcher von dem Arbeitsmedium für die Wärmekraftmaschine 4 durchströmt wird. Insbesondere kann das im Bereich des Ladeluftkühlers 22 vorgewärmte und gegebenenfalls verdampfte Arbeitsmedium in diesem Wärmetauscher 26 vollständig verdampft und/oder überhitzt werden. Die Abluft nach dem Brenner 24 ist dabei trotz des Wärmetauschers 26 typischerweise immer noch heißer als bei dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel. Die Energieausbeute im Bereich der Turbine 17 lässt sich so zusätzlich erhöhen. Ansonsten entspricht der in 2 dargestellte Aufbau der Vorrichtung 1 dem in 1 beschriebenen Aufbau mit den entsprechenden Vorteilen hinsichtlich der Energieeffizienz und der Vermeidung von flüssigem Produktwasser in der Abluft des Brennstoffzellensystems 3.In the presentation of the 2 is an alternative embodiment of the device 1 to recognize. It was on the presentation of the vehicle 2 waived. Otherwise, the same components are also here with the same reference numerals as in the illustration of 1 Mistake. The difference is that the turbine 17 is not designed as a so-called "cold" turbine, but as a "hot" turbine. This means that in the flow direction of the exhaust air flow in front of the turbine 17 a burner 24 , preferably a catalytic burner is arranged. This burner 24 is due to the exhaust air from the cathode compartment 13 the fuel cell 6 supplied with residual oxygen in this exhaust air. In addition, it flows either continuously or via a valve device 25 from time to time or depending on a substance concentration, an exhaust gas from the anode recirculation of the fuel cell 6 to. This exhaust gas contains, in addition to inert gases, which through the membranes of the fuel cell from the cathode compartment 13 in the anode compartment 7 also typically diffuse a residual amount of hydrogen present in the burner 24 then can be implemented. On the burner 24 follows in the flow direction of the exhaust air to the burner or optionally also in the burner 24 integrated a heat exchanger 26 , which of the working medium for the heat engine 4 is flowed through. In particular, this can be done in the area of the intercooler 22 preheated and optionally evaporated working fluid in this heat exchanger 26 completely evaporated and / or overheated. The exhaust air after the burner 24 is in spite of the heat exchanger 26 typically still hotter than the one in 1 illustrated embodiment. The energy yield in the area of the turbine 17 can thus be increased additionally. Otherwise corresponds to in 2 illustrated construction of the device 1 the in 1 described structure with the corresponding advantages in terms of energy efficiency and the prevention of liquid product water in the exhaust air of the fuel cell system 3 ,

In der Darstellung der 3 ist eine weitere alternative Ausführungsform dargestellt. Diese entspricht in ihrer Funktionalität im Wesentlichen der in 2 beschriebenen Ausführungsform. Der einzige Unterschied besteht darin, dass der Dampfstrom des Arbeitsmediums nach der Wärmekraftmaschine 4 über eine Ventileinrichtung 27 so aufgeteilt wird, dass ein Teil des verdampften Arbeitsmediums über den Schalldämpfer 18 mit der Abluft aus dem Brennstoffzellensystem 3 abströmt und ein anderer Teil über einen Kondensator 28 kondensiert und in den Wasserspeicher 20 zurückgeführt wird. Ein Teil des Arbeitsmediums wird hier also im Kreislauf geführt, ein anderer Teil mit der Abluft des Brennstoffzellensystems 3 in dampfförmiger Phase an die Umgebung abgelassen. In dem als Rankineprozess ausgebildeten Kreislauf kann so ein größerer Massenstrom des Arbeitsmediums eingesetzt werden. Dadurch kann die Energieausbeute im Bereich der Wärmekraftmaschine 4 erhöht werden. Über die Ventileinrichtung 27 kann dennoch dampfförmiges Produktwasser, welches überschüssig ist, an die Umgebung abgeführt werden.In the presentation of the 3 a further alternative embodiment is shown. In terms of functionality, this essentially corresponds to that in 2 described embodiment. The only difference is that the vapor flow of the working medium after the heat engine 4 via a valve device 27 is split so that part of the vaporized working fluid through the muffler 18 with the exhaust air from the fuel cell system 3 flows out and another part via a capacitor 28 condensed and into the water reservoir 20 is returned. A part of the working medium is therefore circulated here, another part with the exhaust air of the fuel cell system 3 Drained in the vapor phase to the environment. In the cycle designed as a Rankine process, a larger mass flow of the working medium can thus be used. This allows the energy yield in the area of the heat engine 4 increase. About the valve device 27 Nevertheless, vaporous product water, which is excess, can be discharged to the environment.

Die Ventileinrichtung 27 könnte, anders als in 3 dargestellt, prinzipiell auch vor der Wärmekraftmaschine 4 angeordnet sein. Dadurch würde in jedem Fall sichergestellt, dass vergleichsweise heißer Dampf an die Umgebung gelangt, und auch bei sehr niedrigen Umgebungstemperaturen keine Kondensation zu befürchten ist. Der Nachteil gegenüber dem in 3 dargestellten Aufbau besteht dann jedoch darin, dass dieser Dampf an die Umgebung abgegeben wird, bevor ein Teil der in ihm enthaltenen Energie in der Wärmekraftmaschine 4 genutzt werden kann. Dies ist je nach Menge des in die Abluft des Brennstoffzellensystems 3 abgelassenen Dampfes gegebenenfalls aufgrund des Gesamtwirkungsgrads ein mehr oder weniger großer Nachteil.The valve device 27 could, unlike in 3 illustrated, in principle, before the heat engine 4 be arranged. This would ensure in any case that comparatively hot steam reaches the environment, and even at very low ambient temperatures no condensation is to be feared. The disadvantage compared to in 3 However, the structure shown here is that this steam is released to the environment, before a part of the energy contained in it in the heat engine 4 can be used. This is depending on the amount of the exhaust air in the fuel cell system 3 possibly due to the overall efficiency of a more or less great disadvantage.

In der Darstellung der 4 ist eine weitere alternative Ausführungsform der Vorrichtung 1 zu erkennen. Diese weist ein Ablassventil 29 an dem Wasserspeicher 20 auf. Über ein solches Ablassventil 29 kann Wasser aus dem Wasserspeicher 20 abgelassen werden. Dies kann beispielsweise dann erfolgen, wenn das Brennstoffzellensystem 3 beziehungsweise die Vorrichtung 1 abgestellt wird, und wenn zum befürchten ist, dass bei einem eventuellen Wiederstart Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts vorliegen. Durch das Ablassen des Wassers aus dem Wasserspeicher 20 wird dann das Einfrieren verhindert. Ferner kann es vorgesehen sein, dass eine optionale Ventileinrichtung 30 zwischen dem Wasserabscheider 16 und der Turbine 17 angeordnet ist. Wird diese Ventileinrichtung 30 geschlossen und gleichzeitig das Ablassventil 29 geöffnet, dann kann eine Luftströmung durch den Kathodenraum 13 der Brennstoffzelle 6 den Wasserabscheider 16 und den Wasserspeicher 20 entsprechend durchspülen und über das Ablassventil 29 an die Umgebung gelangen. Mit einem solchen Aufbau kann sowohl die Brennstoffzelle 6 beziehungsweise ihr Kathodenraum 13 als auch der Wasserabscheider 16 und der Wasserspeicher 20 freigeblasen und getrocknet werden, um eine Startfähigkeit auch bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts zu gewährleisten. Prinzipiell wäre es dabei möglich, die Brennstoffzelle 6 beziehungsweise ihren Kathodenraum 13 in einem Bypass zu umgehen. Aufgrund der Übersichtlichkeit ist dieser jedoch hier nicht eingezeichnet.In the presentation of the 4 is another alternative embodiment of the device 1 to recognize. This has a drain valve 29 at the water storage 20 on. About such a drain valve 29 can water from the water storage 20 be drained. This can be done, for example, when the fuel cell system 3 or the device 1 and when it is feared that temperatures below freezing will occur in the event of a possible restart. By draining the water from the water reservoir 20 then the freezing is prevented. Furthermore, it can be provided that an optional valve device 30 between the water separator 16 and the turbine 17 is arranged. Will this valve device 30 closed and at the same time the drain valve 29 open, then can a flow of air through the cathode compartment 13 the fuel cell 6 the water separator 16 and the water storage 20 Rinse thoroughly and via the drain valve 29 get to the environment. With such a structure, both the fuel cell 6 or her cathode compartment 13 as well as the water separator 16 and the water storage 20 blown dry and dried to ensure startability even at temperatures below freezing. In principle, it would be possible, the fuel cell 6 or their cathode compartment 13 bypass in a bypass. Due to the clarity, however, this is not shown here.

Die einzelnen Ausgestaltungen und Aspekte der vier hier dargestellten Ausführungsvarianten der Vorrichtung 1 lassen sich selbstverständlich beliebig untereinander kombinieren. Neben einem Wärmetauscher 26 nach einem Brenner 24 sowie dem Ladeluftkühler 22 als Wärmetauscher ist selbstverständlich auch die Einbindung anderer Wärmequellen, beispielsweise ein Kühlkreislauf, eine Kühlung von leistungselektronischen Komponenten, Elektromotoren oder dergleichen zum Wärmeeintrag in das Arbeitsmedium denkbar und möglich. Der Energieeintrag in das Arbeitsmedium wird dadurch erhöht und die Energieausbeute im Bereich der Wärmekraftmaschine 4 lässt sich verbessern.The individual embodiments and aspects of the four embodiments of the device shown here 1 Of course, they can be combined with one another as desired. In addition to a heat exchanger 26 after a burner 24 as well as the intercooler 22 As a heat exchanger is of course the integration of other heat sources, such as a cooling circuit, cooling of power electronic components, electric motors or the like for heat input into the working fluid conceivable and possible. The energy input into the working medium is thereby increased and the energy yield in the region of the heat engine 4 can be improved.

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Claims (10)

Vorrichtung (1) zur Bereitstellung von Energie mit einem Brennstoffzellensystem (3) mit wenigstens einer Brennstoffzelle (3) und mit einer Wärmekraftmaschine (4), welche über ein dampfförmiges Arbeitsmedium, welches mittels Abwärme des Brennstoffzellensystems (3) verdampft ist, angetrieben ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsmedium vor oder nach der Wärmekraftmaschine (4) zumindest teilweise in die Abluft des Brennstoffzellensystems (1) abströmt.Contraption ( 1 ) for providing energy with a fuel cell system ( 3 ) with at least one fuel cell ( 3 ) and with a heat engine ( 4 ), which via a vaporous working medium, which by means of waste heat of the fuel cell system ( 3 ), is driven, characterized in that the working medium before or after the heat engine ( 4 ) at least partially into the exhaust air of the fuel cell system ( 1 ) flows out. Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsmedium in der Brennstoffzelle (3) entstandenes Produktwasser ist.Contraption ( 1 ) according to claim 1, characterized in that the working medium in the fuel cell ( 3 ) produced product water is. Vorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass, das Arbeitsmedium zur Wärmeaufnahme einen Ladeluftkühler (22) für die zur Brennstoffzelle (3) strömende Luft durchströmt.Contraption ( 1 ) according to claim 1 or 2, characterized in that, the working medium for heat absorption a charge air cooler ( 22 ) for the fuel cell ( 3 ) flowing air flows through. Vorrichtung (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Ladeluftkühler (22) ein Phasenwechselmaterial (23) aufweist.Contraption ( 1 ) according to claim 3, characterized in that the intercooler ( 22 ) a phase change material ( 23 ) having. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Brennstoffzellensystem (3) in der Abluft der Brennstoffzelle (6) einen Brenner (24) aufweist, wobei das Arbeitsmedium einen vom Abgas nach dem Brenner (24) durchströmten Wärmetauscher (26) durchströmt.Contraption ( 1 ) according to one of claims 1 to 4, characterized in that the fuel cell system ( 3 ) in the exhaust air of the fuel cell ( 6 ) a burner ( 24 ), wherein the working medium from the exhaust gas to the burner ( 24 ) flowed through the heat exchanger ( 26 ) flows through. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsmedium in einem Wasserspeicher (20) bevorratet ist, welcher mit wenigstens einem Wasserabscheider (12, 16) des Brennstoffzellensystems (3) zumindest mittelbar in Verbindung steht.Contraption ( 1 ) according to one of claims 1 to 5, characterized in that the working medium in a water reservoir ( 20 ) is stored, which with at least one water separator ( 12 . 16 ) of the fuel cell system ( 3 ) is at least indirectly connected. Vorrichtung (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Wasserspeicher (20) ein Ablassventil (29) aufweist.Contraption ( 1 ) according to claim 6, characterized in that the water reservoir ( 20 ) a drain valve ( 29 ) having. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsmedium nach der Wärmekraftmaschine (4) zumindest teilweise in die Abluft des Brennstoffzellensystems (3) abströmt.Contraption ( 1 ) according to one of claims 1 to 7, characterized in that the working medium after the heat engine ( 4 ) at least partially into the exhaust air of the fuel cell system ( 3 ) flows out. Vorrichtung (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Ventileinrichtung (27), über welche ein Teil des Arbeitsmediums über einen Kondensator (28) zu dem Wasserspeicher (20) zurückführbar ist, vorgesehen ist.Contraption ( 1 ) according to claim 8, characterized in that a valve device ( 27 ), over which a part of the working medium via a capacitor ( 28 ) to the water reservoir ( 20 ) is provided, is provided. Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsmedium nach der Wärmekraftmaschine (4) über ein Leitungselement mit einem Kondensator (28) zum Wasserspeicher (20) zurückströmt, wobei in Strömungsrichtung des Arbeitsmediums vor der Wärmekraftmaschine (4) eine Ventileinrichtung zur Abfuhr eines Teils des Arbeitsmediums in die Abluft des Brennstoffzellensystems (3) angeordnet ist.Contraption ( 1 ) according to one of claims 6 or 7, characterized in that the working medium after the heat engine ( 4 ) via a line element with a capacitor ( 28 ) to the water reservoir ( 20 ) flows back, wherein in the flow direction of the working medium in front of the heat engine ( 4 ) a valve device for removing a portion of the working medium in the exhaust air of the fuel cell system ( 3 ) is arranged.
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