DE102012011326A1 - Fuel cell system for producing electrical drive power in e.g. passenger car, has duct element connecting exhaust air outlet of humidifier with environment, and valve devices adjusting duct elements as flow path for exhaust air from chamber - Google Patents

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PhD Chem. Eng. Bhatia Divesh
Christian Dülk
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Abstract

The system (1) has a first duct element (19) connecting an exhaust air outlet of a cathode chamber (5) of a fuel cell (3) with an exhaust air inlet of an intercooler (13). A second duct element (21) connects an exhaust air outlet of the intercooler with an exhaust air inlet of a humidifier (14). Supply air and exhaust air pass through the intercooler and the humidifier. A third duct element (23) indirectly connects an exhaust air outlet of the humidifier with environment. Valve devices (20, 22, 24) selectively adjust the duct elements as a flow path for the exhaust air from the chamber. The valve devices are 3/2 directional valves. The humidifier is a membrane humidifier. The fuel cell is a proton exchange membrane fuel cell. An independent claim is also included for a method for operating a fuel cell system.

Description

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem mit wenigstens einer Brennstoffzelle nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art. Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzeilensystems gemäß der im Oberbegriff von Anspruch 7 näher definierten Art. Letztlich betrifft die Erfindung ferner die Verwendung eines solchen Brennstoffzeilensystems und/oder des Verfahrens.The invention further relates to a fuel cell system having at least one fuel cell according to the further defined in the preamble of claim 1. The invention also relates to a method for operating a fuel cell system according to the closer defined in the preamble of claim 7. Art Finally, the invention relates to the use of such Fuel cell system and / or the method.

Brennstoffzellensysteme sind aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. Sie können beispielsweise zur Erzeugung von elektrischer Leistung, vorzugsweise elektrischer Antriebsleistung, in Fahrzeugen eingesetzt werden. Derartige Brennstoffzellensysteme nutzen als Brennstoffzellen häufig sogenannte PEM-Brennstoffzellen, bei denen die Anode und die Kathode durch eine Protonenaustauschmembran als „Elektrolyt voneinander getrennt sind. Die Brennstoffzellen selbst werden im Allgemeinen aus einer Vielzahl von Einzelzellen aufgestapelt und werden als Brennstoffzellenstapel oder Brennstoffzellenstack bezeichnet.Fuel cell systems are known from the general state of the art. They can be used, for example, for generating electrical power, preferably electrical drive power, in vehicles. Such fuel cell systems often use so-called PEM fuel cells as fuel cells, in which the anode and the cathode are separated from one another by a proton exchange membrane as "electrolyte". The fuel cells themselves are generally stacked from a plurality of single cells and are referred to as a fuel cell stack or fuel cell stack.

Zum Betrieb der Brennstoffzelle wird dieser anodenseitig typischerweise Wasserstoff oder ein wasserstoffhaltiges Gas zugeführt. Kathodenseitig ist die Zufuhr von Luft als Sauerstofflieferant allgemein bekannt und üblich. Um eine ausreichende Leistungsdichte der Brennstoffzellen zu erreichen, wird die Luft dabei mit einem Überdruck gegenüber dem Umgebungsdruck dem sogenannten Kathodenraum der Brennstoffzelle zugeführt. Die durch die Luftfördereinrichtung auf ein höheres Druckniveau verdichtete Luft wird bei der Verdichtung aufgeheizt. Die Luft steht nach dem Verdichter somit als vergleichsweise heiße und trockene Zuluft zur Verfügung. Nun ist es jedoch so, dass die Protonenaustauschmembran in der Brennstoffzelle vergleichsweise empfindlich gegen zu hohe Temperaturen und zu trockene Betriebsmedien sind. Aus der DE 10 2007 003 144 A2 ist es daher bekannt, die heiße Zuluft nach der Luftfördereinrichtung über einen von Zuluft auf der einen Seite und Abluft auf der anderen Seite durchströmten Ladeluftkühler durch die Abluft abzukühlen und danach über einen Befeuchter, welcher beispielsweise als Hohlfaser- oder Plattenmembranbefeuchter ausgebildet sein kann, entsprechend zu befeuchten. Der Befeuchter ist dabei als Gas/Gas-Befeuchter ausgebildet. Auf der einen Seite seiner Membranen strömt die nach dem Ladeluftkühler abgekühlte aber immer noch trockene Zuluft, auf der anderen Seite strömt die Abluft aus der Brennstoffzelle, welche mit dem in der Brennstoffzelle entstehenden Produktwasser in Form von Wasserdampf sowie gegebenenfalls flüssigen Tröpfchen beladen ist. Durch die für Wasserdampf durchlässigen Membranen des Gas/Gas-Befeuchters befeuchtet die Feuchtigkeit in der Abluft die trockene Zuluft, sodass diese nach Ladeluftkühler und Befeuchter abgekühlt und befeuchtet dem Kathodenraum der Brennstoffzelle zugeführt werden kann.For operation of the fuel cell, this anode side is typically supplied with hydrogen or a hydrogen-containing gas. On the cathode side, the supply of air as an oxygen supplier is well known and commonplace. In order to achieve a sufficient power density of the fuel cell, the air is supplied to the so-called cathode space of the fuel cell with an overpressure relative to the ambient pressure. The compressed by the air conveyor to a higher pressure level air is heated in the compression. The air is thus available after the compressor as a comparatively hot and dry supply air. However, it is now the case that the proton exchange membrane in the fuel cell is comparatively sensitive to excessively high temperatures and to dry operating media. From the DE 10 2007 003 144 A2 It is therefore known to cool the hot air supply to the air conveyor via a supply of air on one side and exhaust air on the other side through the charge air cooler through the exhaust air and then via a humidifier, which may be formed, for example, as a hollow fiber or Plattenmembranbefeuchter accordingly moisturize. The humidifier is designed as a gas / gas humidifier. On one side of its membranes flows cooled after the intercooler but still dry supply air, on the other side, the exhaust air flows from the fuel cell, which is loaded with the resulting product water in the fuel cell in the form of water vapor and possibly liquid droplets. Due to the moisture vapor permeable membranes of the gas / gas humidifier, the moisture in the exhaust air humidifies the dry supply air so that it can be cooled and moistened after charge air cooler and humidifier fed to the cathode compartment of the fuel cell.

Dieser Aufbau des Brennstoffzellensystems funktioniert im herkömmlichen Betrieb bei den üblichen Betriebstemperaturen einer PEM-Brennstoffzelle von etwa 70 bis 90°C hervorragend. Bei geringeren Betriebstemperaturen, und insbesondere bei geringen Umgebungstemperaturen, wie sie beispielsweise nach dem Start eines Brennstoffzellensystems bei niedrigen Außentemperaturen, insbesondere bei Außentemperaturen unterhalb des Gefrierpunkts, vorkommen, führt der beschriebene Aufbau des Brennstoffzellensystems nun jedoch zu erheblichen Problemen. Eine niedrige Temperatur im Bereich des Befeuchters, insbesondere durch eine noch sehr niedrige Temperatur der aus dem Kathodenraum in den Befeuchter strömenden Abluft, führt zu einem starken Eintrag von Feuchtigkeit in die Zuluft, welche dort aufgrund der vergleichsweise niedrigen Temperaturen kondensiert und bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts einfrieren und Teile des Befeuchters blockieren kann. Vergleichbares gilt für die weiterströmende mit Feuchtigkeit und insbesondere mit flüssigem Wasser beladene Luft, welche in der Brennstoffzelle gasführende Kanäle blockieren und/oder überschwemmen kann. Wenn einzelne Bereiche und/oder Zellen durch Wasser blockiert und nicht mehr von Sauerstoff erreicht werden, führt dies zu erheblichen elektrischen Problemen im Bereich der Brennstoffzelle und verschlechtert deren Startperformance stark.This structure of the fuel cell system works well in conventional operation at the usual operating temperatures of a PEM fuel cell of about 70 to 90 ° C. At lower operating temperatures, and in particular at low ambient temperatures, such as occur after the start of a fuel cell system at low outdoor temperatures, especially at outdoor temperatures below freezing, occurring, however, the described structure of the fuel cell system now leads to significant problems. A low temperature in the area of the humidifier, in particular due to a still very low temperature of the exhaust air flowing out of the cathode compartment into the humidifier, leads to a strong entry of moisture into the supply air, which condenses there due to the comparatively low temperatures and at temperatures below freezing point freeze and block parts of the humidifier. The same applies to the further-flowing air laden with moisture and, in particular, liquid water, which can block and / or flood gas-carrying channels in the fuel cell. If individual areas and / or cells are blocked by water and are no longer reached by oxygen, this leads to considerable electrical problems in the area of the fuel cell and severely worsens their start-up performance.

Es ist die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung ein Brennstoffzellensystem anzugeben, welches diese Nachteile vermeidet, und welches einen einfachen effizienten und zuverlässigen Start mit einem hohen Wirkungsgrad der Gasbefeuchtung gewährleistet, ohne dass die Gefahr einer starken Auskondensation von Wasser im Bereich des Befeuchters und/oder des Kathodenraums der Brennstoffzelle besteht.It is the object of the present invention to provide a fuel cell system, which avoids these disadvantages, and which ensures a simple efficient and reliable start with a high efficiency of gas humidification, without the risk of strong condensation of water in the humidifier and / or Cathode space of the fuel cell consists.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst. Außerdem löst ein Verfahren mit den Merkmalen im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 7 diese Aufgabe. Im Anspruch 10 ist ferner eine bevorzugte Verwendung angegeben. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen des Brennstoffzellensystems und des Verfahrens ergeben sich aus den abhängigen Unteransprüchen.According to the invention this object is achieved by the features in the characterizing part of claim 1. In addition, a method with the features in the characterizing part of claim 7 solves this problem. In claim 10, a preferred use is also given. Advantageous developments and refinements of the fuel cell system and the method emerge from the dependent subclaims.

Bei dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem ist es vorgesehen, dass abluftseitig neben der üblichen Leitungsführung mit einem ersten Leitungselement, welches den Abluftausgang des Kathodenraums mit dem Ablufteingang des Befeuchters verbindet und einem zweiten Leitungselement, welches den Abluftausgang des Befeuchters mit dem Ablufteingang des Ladeluftkühlers verbindet, sowie einem dritten Leitungselement, welches den Abluftausgang des Ladeluftkühlers zumindest mittelbar mit der Umgebung verbindet, eine alternative Möglichkeit zur Strömungsführung vorgesehen ist. Diese besteht im Wesentlichen aus einem vierten Leitungselement, welches den Abluftausgang des Kathodenraums mit dem Ablufteingang des Ladeluftkühlers verbindet, einem fünften Leitungselement, welches den Abluftausgang des Ladeluftkühlers mit dem Ablufteingang des Befeuchters verbindet, sowie einem sechsten Leitungselement welches den Abluftausgang des Befeuchters zumindest mittelbar mit der Umgebung verbindet. Bei dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem sind außerdem Ventileinrichtungen vorgesehen, durch welche wahlweise das erste Leitungselement, das zweite Leitungselement und das dritte Leitungselement oder das vierte Leitungselement, das fünfte Leitungselement und das sechste Leitungselement als Strömungsweg für Abluft aus dem Kathodenraum der Brennstoffzelle einstellbar sind.In the fuel cell system according to the invention, it is provided that on the exhaust air side, in addition to the usual wiring with a first line element which connects the exhaust air outlet of the cathode chamber with the exhaust air inlet of the humidifier and a second conduit element, which connects the exhaust air outlet of the humidifier with the exhaust air inlet of the charge air cooler, and a third conduit element which connects the exhaust air outlet of the charge air cooler at least indirectly with the environment, an alternative possibility for flow guidance is provided. This consists essentially of a fourth line element which connects the exhaust air outlet of the cathode chamber with the exhaust air inlet of the charge air cooler, a fifth line element which connects the exhaust air outlet of the charge air cooler with the exhaust air inlet of the humidifier, and a sixth line element which the exhaust air outlet of the humidifier at least indirectly with the Environment connects. Valve means are also provided in the fuel cell system according to the invention, by means of which either the first line element, the second line element and the third line element or the fourth line element, the fifth line element and the sixth line element can be adjusted as a flow path for exhaust air from the cathode space of the fuel cell.

Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem schafft also einen ersten Strömungsweg für die Abluft, welcher dem aus dem Stand der Technik bekannten Strömungsweg entspricht. Über weitere Leitungselemente und Ventileinrichtungen ist ein zweiter Strömungsweg wählbar, welcher die Abluft aus dem Kathodenraum der Brennstoffzelle zuerst durch den Ladeluftkühler schickt, in dessen Bereich die Abluft deutlich erwärmt wird und hierdurch die Zuluft auf der anderen Seite des Ladeluftkühlers abkühlt. Die so vorgewärmte Abluft gelangt dann in den Befeuchter und stellt, anders als bei dem Aufbau gemäß dem Stand der Technik, vorzugsweise in Situationen mit geringer Betriebstemperatur des Brennstoffzellensystems, also insbesondere in Startsituationen des Brennstoffzellensystems, eine deutlich wärmere Abluft in dem Befeuchter zur Verfügung. Hierdurch wird die Gefahr einer Auskondensation von Wasser deutlich verringert und die Gefahr einer eventuellen Eisbildung im Bereich des Befeuchters und damit auch des Kathodenraums der Brennstoffzelle wird deutlich verringert. Es entsteht also insbesondere während eines Kaltstarts unter Gefrierbedingungen weniger flüssiges Wasser und Eis in dem Befeuchter. Hierdurch werden keine gasführenden Abschnitte in dem Befeuchter und/oder dem Kathodenraum der Brennstoffzelle verstopft. Der Druckverlust gegenüber herkömmlichen Aufbauten in der gleichen Betriebssituation wird somit deutlich verringert. Außerdem wird der Wirkungsgrad des Befeuchters durch eine höhere Temperatur verbessert, da dieser Wirkungsgrad in etwa linear von der Eingangstemperatur des feuchteliefernden Mediums abhängt. Die Befeuchtung wird somit verbessert und eine längere Lebensdauer der Protonenaustauschmembranen in der Brennstoffzelle kann erzielt werden.The fuel cell system according to the invention thus provides a first flow path for the exhaust air, which corresponds to the flow path known from the prior art. Via further line elements and valve devices, a second flow path can be selected, which first sends the exhaust air from the cathode compartment of the fuel cell through the charge air cooler, in the area of which the exhaust air is significantly heated and thereby cools the supply air on the other side of the charge air cooler. The thus preheated exhaust air then enters the humidifier and, unlike the structure according to the prior art, preferably in situations with low operating temperature of the fuel cell system, ie in particular in starting situations of the fuel cell system, a significantly warmer exhaust air in the humidifier available. As a result, the risk of condensation of water is significantly reduced and the risk of any formation of ice in the humidifier and thus also the cathode compartment of the fuel cell is significantly reduced. Thus, especially during a cold start under freezing conditions less liquid water and ice is formed in the humidifier. As a result, no gas-carrying sections are clogged in the humidifier and / or the cathode compartment of the fuel cell. The pressure loss compared to conventional structures in the same operating situation is thus significantly reduced. In addition, the efficiency of the humidifier is improved by a higher temperature, since this efficiency depends approximately linearly on the inlet temperature of the moisture-supplying medium. The humidification is thus improved and a longer life of the proton exchange membranes in the fuel cell can be achieved.

Insgesamt lässt sich das Brennstoffzellensystem daher effizienter und schneller bei niedrigen Umgebungstemperaturen starten. Die Akzeptanz des Systems bei einem Nutzer, insbesondere beim Einsatz des Brennstoffzellensystems in einem Fahrzeug, lässt sich dadurch gegenüber Systemen, welche für einen Kaltstart eine längere Zeit benötigen, steigern.Overall, the fuel cell system can therefore start more efficiently and faster at low ambient temperatures. The acceptance of the system by a user, in particular when using the fuel cell system in a vehicle, can thereby be increased compared to systems which require a longer time for a cold start.

Wenn das Brennstoffzellensystem dann seine vorgesehene Betriebstemperatur erreicht, ist eine hohe Temperatur am Ablufteingang des Befeuchters nicht mehr unbedingt erwünscht, da dies eine hohe Belastung der Membranen des typischerweise als Membranbefeuchter ausgebildeten Gas/Gas-Befeuchters verursacht. In diesen Situationen kann dann in den herkömmlichen Aufbau zurückgeschaltet werden und das Brennstoffzellensystem kann während des regulären Betriebs in an sich bekannter Art und Weise effizient und zuverlässig betrieben werden.When the fuel cell system then reaches its intended operating temperature, a high temperature at the humidifier exhaust port is no longer necessarily desirable, as this causes high stress on the diaphragms of the gas / gas humidifier, typically designed as a membrane humidifier. In these situations, then can be switched back to the conventional structure and the fuel cell system can be operated efficiently and reliably during normal operation in a conventional manner.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems sieht es nun vor, dass ein Brennstoffzellensystem in einem Aufbau, wie er oben bereits beschrieben worden ist, nun so betrieben wird, dass beim Start des Brennstoffzellensystems bis zum Erreichen einer vorgegebenen Grenztemperatur, welche typischerweise in der Größenordnung von 20 bis 50°C liegen wird, ein Betrieb in der Art erfolgt, dass die Abluft aus dem Kathodenraum zuerst den Ladeluftkühler und anschließend den Befeuchter durchströmt, und dass nach dem Überschreiten der Grenztemperatur zuerst der Befeuchter und dann der Ladeluftkühler von der Abluft durchströmt werden. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich die entsprechenden Vorteile analog zu der obigen Beschreibung des Brennstoffzellensystems erzielen.The inventive method for operating a fuel cell system, it now provides that a fuel cell system in a structure, as already described above, is now operated so that when starting the fuel cell system until reaching a predetermined limit temperature, which is typically of the order of 20 to 50 ° C, an operation takes place in the manner that the exhaust air from the cathode compartment first flows through the intercooler and then the humidifier, and that after exceeding the limit temperature first of the humidifier and then the intercooler are flowed through by the exhaust air. With the method according to the invention, the corresponding advantages can be achieved analogously to the above description of the fuel cell system.

Sowohl der erfindungsgemäße Aufbau des Brennstoffzellensystems als auch das Verfahren zum Betreiben eines derartigen Brennstoffzellensystems spielt seine besonderen Vorteile dann aus, wenn das Brennstoffzellensystem häufig gestartet werden muss. Dies gilt insbesondere dann, wenn hierbei die Temperaturen häufig sehr niedrig, beispielsweise um den oder unterhalb des Gefrierpunkts sind. Ein derartiger Einsatzzweck liegt vor allem bei Brennstoffzellensystemen in Fahrzeugen vor, da hier im normalen Betrieb ein häufiges Starten und Wiederabstellen des Brennstoffzellensystems notwendig ist. Außerdem sind Fahrzeuge in weiten Teilen der Welt unterwegs und müssen je nach Jahreszeit dabei häufig auch bei sehr kalten Umgebungstemperaturen schnell und zuverlässig gestartet werden. Die besonders bevorzugte Verwendung des Brennstoffzellensystems sowie des Verfahrens zum Betreiben eines derartigen Brennstoffzellensystems liegt deshalb in einem Brennstoffzellenfahrzeug. Ein solches Brennstoffzellenfahrzeug kann beispielsweise ein Personenkraftwagen oder ein Nutzfahrzeug sein. Ebenso ist es denkbar, dass es sich bei dem Brennstoffzellenfahrzeug im Sinne der Erfindung um ein führerloses Transportsystem, ein Logistikfahrzeug, ein Wasserfahrzeug oder ein Luftfahrzeug handelt.Both the structure according to the invention of the fuel cell system and the method for operating such a fuel cell system have their particular advantages when the fuel cell system has to be started frequently. This is especially true when the temperatures are often very low, for example, at or below freezing. Such a purpose is especially in fuel cell systems in vehicles, since a frequent starting and restarting the fuel cell system is necessary in normal operation. In addition, vehicles are traveling in many parts of the world and, depending on the season, often have to be started quickly and reliably even in very cold ambient temperatures. The particularly preferred use of the fuel cell system and the method for operating such a fuel cell system is therefore in a fuel cell vehicle. Such Fuel cell vehicle may be, for example, a passenger car or a commercial vehicle. Likewise, it is conceivable that the fuel cell vehicle in the sense of the invention is a driverless transport system, a logistics vehicle, a watercraft or an aircraft.

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

Dabei zeigen:Showing:

1 ein Brennstoffzellensystem in einer möglichen Ausführungsform gemäß der Erfindung in einem ersten Betriebszustand; 1 a fuel cell system in a possible embodiment according to the invention in a first operating state;

2 das Brennstoffzellensystem gemäß 1 in einem zweiten Betriebszustand. 2 the fuel cell system according to 1 in a second operating state.

In der Darstellung der 1 ist ein Brennstoffzellensystem 1 mit den erfindungswesentlichen Elementen prinzipmäßig dargestellt. Das Brennstoffzellensystem 1 befindet sich dabei in einem schematisch angedeuteten Fahrzeug 2 und soll dort zur Erzeugung von elektrischer Antriebsleistung eingesetzt werden. Den Kern des Brennstoffzellensystems 1 bildet eine Brennstoffzelle 3, welche als Stapel von Einzelzellen in PEM-Technologie ausgeführt ist. Dieser Brennstoffzellenstapel oder Brennstoffzellenstack 3 weist einen Anodenraum 4 und einen Kathodenraum 5 auf. Diese werden in an sich bekannter Art und Weise durch eine protonenleitende Membran 6 voneinander getrennt. Diese protonenleitende Membran dient als „Elektrolyt” und ist typischerweise Bestandteil einer sogenannten Membranelektrodenanordnung (MEA) in jeder der Einzelzellen des Brennstoffzellenstacks 3. Dem Anodenraum 4 der Brennstoffzellenstacks 3 wird Wasserstoff aus einem Druckgasspeicher 7 über ein prinzipmäßig angedeutetes Druckregel- und Dosierventil 8 zugeführt. Der unverbrauchte Wasserstoff gelangt über eine Leitung 9 aus dem Anodenraum 4 des Brennstoffzellenstacks 3. Prinzipiell ist hier eine Nachverbrennung des Restwasserstoffs oder auch eine Kreislaufführung des Wasserstoffs um den Anodenraum 4 in an sich bekannter Art und Weise möglich. Da die Anodenseite des Brennstoffzellensystems 1 für die hier vorliegende Erfindung von untergeordneter Bedeutung ist, wurde auf eine Darstellung derartiger Details jedoch verzichtet.In the presentation of the 1 is a fuel cell system 1 shown in principle with the essential elements of the invention. The fuel cell system 1 is located in a schematically indicated vehicle 2 and should be used there to generate electrical drive power. The core of the fuel cell system 1 forms a fuel cell 3 , which is designed as a stack of single cells in PEM technology. This fuel cell stack or fuel cell stack 3 has an anode compartment 4 and a cathode compartment 5 on. These are in a conventional manner by a proton-conducting membrane 6 separated from each other. This proton-conducting membrane serves as an "electrolyte" and is typically part of a so-called membrane electrode assembly (MEA) in each of the single cells of the fuel cell stack 3 , The anode compartment 4 the fuel cell stacks 3 becomes hydrogen from a compressed gas storage 7 via a principle indicated pressure regulating and metering valve 8th fed. The unused hydrogen passes through a pipe 9 from the anode compartment 4 of the fuel cell stack 3 , In principle, here is an afterburning of the residual hydrogen or a circulation of the hydrogen around the anode compartment 4 possible in a conventional manner. As the anode side of the fuel cell system 1 For the present invention of minor importance, however, has been omitted to a representation of such details.

Dem Kathodenraum 5 des Brennstoffzellenstacks 3 wird Luft als Sauerstofflieferant zugeführt. Diese wird typischerweise über einen hier nicht dargestellten Luftfilter von einer Luftfördereinrichtung 10 angesaugt und zu dem Kathodenraum 5 des Brennstoffzellenstacks 3 gefördert. Als Luftfördereinrichtung kann beispielsweise ein Kompressor, insbesondere ein Schraubenkompressor, ein Rootsgebläse oder dergleichen eingesetzt werden. Die Luftfördereinrichtung 10 kann jedoch vorzugsweise auch als Strömungsverdichter ausgebildet sein. Zum Antrieb der Luftfördereinrichtung 10 dient in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel eine elektrische Maschine 11, welche zusammen mit der Luftfördereinrichtung 10 auf einer Welle 12 angeordnet ist. Die Zuluft zu dem Kathodenraum 5 des Brennstoffzellenstacks 3 strömt nun zuerst über einen Ladeluftkühler 13, welcher von Zuluft auf der einen Seite und stofflich getrennt, aber in wärmeleitendem Kontakt hierzu, von Abluft auf der anderen Seite durchströmt wird. Der Ladeluftkühler 13 kann beispielsweise in der Art eines Plattenwärmetauschers ausgebildet sein. Nachdem die nach der Luftfördereinrichtung 10 verdichtete und hierdurch aufgeheizte Zuluft in dem Ladeluftkühler 13 abgekühlt wurde, strömt sie durch einen Befeuchter 14, welcher als Gas/Gas-Befeuchter 14 ausgebildet ist und ebenfalls auf der einen Seite von Zuluft und auf der anderen Seite von Abluft durchströmt ist. Der Zuluftstrom und der Abluftstrom sind durch Membranen voneinander getrennt, welche für die Luft nicht durchlässig sind, welche jedoch Wasserdampf von der Abluftseite auf die Zuluftseite transportieren. Die Membranen können beispielsweise flächig ausgebildet sein. Der Befeuchter 14 wäre dann vergleichbar zu einem Plattenwärmetauscher als Plattenbefeuchter ausgebildet. Ebenso ist es möglich, dass die Membranen als Hohlfasermembranen realisiert sind. Der Befeuchter 14 wäre dann so ausgebildet, dass der eine Gasstrom durch die Hohlfasern strömt und der andere Gasstrom die Hohlfasern umströmt.The cathode compartment 5 of the fuel cell stack 3 air is supplied as an oxygen supplier. This is typically via an air filter, not shown here by an air conveyor 10 aspirated and to the cathode compartment 5 of the fuel cell stack 3 promoted. As an air conveyor, for example, a compressor, in particular a screw compressor, a Roots blower or the like can be used. The air conveyor 10 However, it may also be designed as a flow compressor. To drive the air conveyor 10 is used in the embodiment shown here, an electrical machine 11 , which together with the air conveyor 10 on a wave 12 is arranged. The supply air to the cathode compartment 5 of the fuel cell stack 3 flows first over a charge air cooler 13 , which is flowed through by supply air on one side and materially separated, but in thermally conductive contact thereto, by exhaust air on the other side. The intercooler 13 may be formed, for example, in the manner of a plate heat exchanger. After the after the air conveyor 10 compressed and thereby heated supply air in the intercooler 13 cooled down, it flows through a humidifier 14 , which serves as a gas / gas humidifier 14 is formed and also flows through on one side of supply air and on the other side of exhaust air. The supply air flow and the exhaust air flow are separated by membranes, which are not permeable to the air, but which transport water vapor from the exhaust side to the supply air side. The membranes may be formed, for example, flat. The humidifier 14 would then be comparable to a plate heat exchanger designed as a plate humidifier. It is also possible that the membranes are realized as hollow fiber membranes. The humidifier 14 would then be designed so that one gas stream flows through the hollow fibers and the other gas stream flows around the hollow fibers.

Die Zuluft gelangt nachdem sie abgekühlt und befeuchtet ist in den Kathodenraum 5 des Brennstoffzellenstacks 3. Hier wird der in der Zuluft enthaltene Sauerstoff zumindest teilweise zusammen mit dem im Anodenraum 4 vorliegenden Wasserstoff in elektrische Leistung und Produktwasser umgesetzt. Aufgrund der abgekühlten und befeuchteten Zuluft ist dabei immer eine ideale Befeuchtung der Protonenaustauschmembranen 6 gewährleistet, sodass diese nicht überhitzt und ausgetrocknet werden, was ihre Lebensdauer nachteilig beeinflussen würde.The supply air passes into the cathode compartment after it has cooled and moistened 5 of the fuel cell stack 3 , Here, the oxygen contained in the supply air is at least partially together with that in the anode compartment 4 present hydrogen converted into electrical power and product water. Due to the cooled and humidified supply air is always an ideal humidification of the proton exchange membranes 6 ensures that they are not overheated and dried out, which would adversely affect their lifespan.

Die Abluftseite des Brennstoffzellensystems 1 ist nun vergleichsweise komplex aufgebaut. Bei der Darstellung des Brennstoffzellensystems 1 in 1 ist dabei der reguläre Betrieb der Abluftseite bei den üblichen Betriebstemperaturen des Brennstoffzellenstacks 3 dargestellt. Diese üblichen Temperaturen liegen bei typischerweise 70 bis 90°C. Der in 1 dargestellte Betrieb soll dabei vorzugsweise bei Temperaturen von mehr als 20 bis 50°C Grenztemperatur verwendet werden. Die dabei zum Einsatz kommenden Leitungselemente sind in der Darstellung der 1 durchgezogen dargestellt, weitere für diesen Einsatzzweck nicht benötigte Leitungselemente sind gestrichelt dargestellt.The exhaust side of the fuel cell system 1 is now comparatively complex. In the presentation of the fuel cell system 1 in 1 is the regular operation of the exhaust side at the usual operating temperatures of the fuel cell stack 3 shown. These usual temperatures are typically 70 to 90 ° C. The in 1 illustrated operation should preferably be used at temperatures of more than 20 to 50 ° C limit temperature. The case coming to use line elements are in the representation of 1 shown drawn through, more not required for this purpose line elements are shown in dashed lines.

Ein erstes Leitungselement 15 verbindet den Abluftausgang des Kathodenraums 5 mit dem Ablufteingang des Befeuchters 14. Ein zweites Leitungselement 16 verbindet den Abluftausgang des Befeuchters 14 mit dem Ablufteingang des Ladeluftkühlers 13. Schließlich verbindet ein drittes Leitungselement 17 den Abluftausgang des Ladeluftkühlers 13 mit einer Turbine 18. Im Bereich dieser Turbine 18 wird thermische Energie und Druckenergie, welche in der Abluft vorhanden ist, zumindest teilweise zurückgewonnen, bevor die Abluft an die Umgebung abgegeben wird. Die Turbine 18 ist auf derselben Welle 12 angeordnet, wie die elektrische Maschine 11 und die Luftfördereinrichtung 10. Diese drei Komponenten bilden zusammen einen sogenannten elektrischen Turbolader, welcher auch als ETC bezeichnet wird. Über die Turbine 18 kann dabei ein Teil der Energie in der Abluft zurückgewonnen werden. Diese Energie wird der Luftfördereinrichtung 10 wieder zur Verfügung gestellt. Die typischerweise benötigte Energiedifferenz zum Antrieb der Luftfördereinrichtung 10 wird durch die elektrische Maschine 11 bereitgestellt. In besonderen Betriebssituationen kann es auch dazu kommen, dass im Bereich der Turbine 18 mehr Energie anfällt, als im Bereich der Luftfördereinrichtung 10 benötigt wird. In diesem Fall kann über die elektrische Maschine 11 im generatorischen Betrieb elektrische Leistung erzeugt werden.A first conduit element 15 connects the exhaust air outlet of the cathode compartment 5 with the exhaust air inlet of the humidifier 14 , A second conduit element 16 connects the exhaust air outlet of the humidifier 14 with the exhaust air inlet of the intercooler 13 , Finally, a third line element connects 17 the exhaust air outlet of the intercooler 13 with a turbine 18 , In the area of this turbine 18 Thermal energy and pressure energy, which is present in the exhaust air, at least partially recovered before the exhaust air is discharged to the environment. The turbine 18 is on the same wave 12 arranged as the electric machine 11 and the air conveyor 10 , These three components together form a so-called electric turbocharger, which is also referred to as ETC. About the turbine 18 In this case, part of the energy in the exhaust air can be recovered. This energy is the air conveyor 10 again provided. The typically required energy difference for driving the air conveyor 10 is by the electric machine 11 provided. In special operating situations it can also happen that in the area of the turbine 18 more energy is generated than in the area of the air conveyor 10 is needed. In this case, over the electric machine 11 generate electric power in generator operation.

Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung weist das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem 1 keine Turbine auf (nicht dargestellt). In diesem Fall verbindet das drittes Leitungselement 17 den Abluftausgang des Ladeluftkühlers 13 nicht mit einer Turbine, sondern mit der Umgebung, sodass die Abluft strömungsmäßig nach dem Ladeluftkühler 13 bzw. der Ventileinrichtung 24 an die Umgebung abgegeben werden kann. Das sechstes Leitungselement 23 kann in diesem Fall weiterhin strömungsmäßig nach der Ventileinrichtung 24 in das dritte Leitungselement 17 münden.In another embodiment of the invention, the fuel cell system according to the invention 1 no turbine on (not shown). In this case, the third line element connects 17 the exhaust air outlet of the intercooler 13 not with a turbine, but with the environment, so that the exhaust air flow after the intercooler 13 or the valve device 24 can be delivered to the environment. The sixth line element 23 may continue to flow in this case after the valve device 24 in the third conduit element 17 lead.

In der Darstellung der 2 ist dasselbe Brennstoffzellensystem, ohne das angedeutete Fahrzeug 2, nochmals dargestellt. Analog zur Systematik in 1 ist hierbei der andere Betriebsfall dargestellt, welcher wiederum durch die durchgezogenen Leitungselemente angedeutet ist, während die in 1 durchgezogen Leitungselemente hier gestrichelt dargestellt sind. Der in 2 beispielhaft dargestellte Betrieb soll dabei insbesondere bei Betriebstemperaturen unterhalb der oben genannten Grenztemperatur erfolgen, typischerweise also beim Start des Brennstoffzellensystems 1, insbesondere auch bei einem Start bei niedrigen Umgebungstemperaturen, beispielsweise Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts von Wasser. Die Strömung der Zuluft entspricht dabei der bereits in 1 beschriebenen Strömung von Zuluft. Die Abluft strömt nun über ein viertes Leitungselement 19 vom Abluftausgang des Kathodenraums 5 zum Ablufteingang des Ladeluftkühlers 13. Hierfür ist im Bereich des ersten Leitungselements 15 und des vierten Leitungselements 19 eine Ventileinrichtung 20 angeordnet. Diese ist als 3/2-Wegeventil ausgebildet und erlaubt somit wahlweise eine Durchströmung des ersten Leitungselements 15 oder des vierten Leitungselements 19. Alternativ zum Einsatz eines 3/2-Wegeventils 20 wäre hier selbstverständlich auch der Einsatz von zwei getrennten Schaltventilen in dem ersten Leitungselement 15 und dem zweiten Leitungselement 19 analog denkbar.In the presentation of the 2 is the same fuel cell system without the indicated vehicle 2 , shown again. Analogous to the systematics in 1 Here, the other operating case is shown, which in turn is indicated by the solid line elements, while the in 1 solid line elements are shown here by dashed lines. The in 2 illustrated operation should be carried out in particular at operating temperatures below the above limit temperature, typically so when starting the fuel cell system 1 , Especially at a start at low ambient temperatures, for example, temperatures below the freezing point of water. The flow of the supply air corresponds to that already in 1 described flow of supply air. The exhaust air now flows through a fourth line element 19 from the exhaust air outlet of the cathode compartment 5 to the exhaust air inlet of the intercooler 13 , This is the case in the region of the first line element 15 and the fourth conduit element 19 a valve device 20 arranged. This is designed as a 3/2-way valve and thus allows either a flow through the first line element 15 or the fourth conduit element 19 , Alternatively to the use of a 3/2-way valve 20 Of course, this would also be the use of two separate switching valves in the first line element 15 and the second conduit element 19 analogous conceivable.

Nachdem die vergleichsweise feuchte und in dieser Betriebssituation relativ kühle Abluft aus dem Kathodenraum 5 des Brennstoffzellenstacks 3 den Ladeluftkühler 13 durchströmt hat, ist diese erwärmt und wird über ein fünftes Leitungselement 21 vom Abluftausgang des Ladeluftkühlers 13 zum Ablufteingang des Befeuchters 14 geleitet. Auch hier ist wieder eine Ventileinrichtung 22 zwischen dem dritten Leitungselement 17 und dem fünften Leitungselement 21 vorgesehen. Auch für diese Ventileinrichtung 22 gilt das für die Ventileinrichtung 20 bereits Gesagte analog. Nachdem der Befeuchter 14 von der nunmehr erwärmten Abluft durchströmt ist, gelangt diese Abluft vom Abluftausgang des Befeuchters 14 über ein sechstes Leitungselement 23 entweder direkt an die Umgebung (nicht dargestellt) oder wiederum über die Turbine 18 unter Rückgewinnung von thermischer Energie und Druckenergie an die Umgebung. Um zwischen der Verwendung des zweiten Leitungselements 16 und des sechsten Leitungselements 23 hin und her schalten zu können, ist wiederum eine Ventileinrichtung 24 vorgesehen, für welche dasselbe gilt, wie für die Ventileinrichtungen 20 und 22 bereits ausgeführt.After the relatively humid and relatively cool in this operating situation exhaust air from the cathode compartment 5 of the fuel cell stack 3 the intercooler 13 has flowed through, this is heated and is connected via a fifth line element 21 from the exhaust air outlet of the intercooler 13 to the exhaust entrance of the humidifier 14 directed. Again, here is a valve device 22 between the third conduit element 17 and the fifth conduit element 21 intended. Also for this valve device 22 this applies to the valve device 20 already said analog. After the humidifier 14 is flowed through by the now heated exhaust air, this exhaust air from the exhaust outlet of the humidifier 14 via a sixth line element 23 either directly to the environment (not shown) or again via the turbine 18 with recovery of thermal energy and pressure energy to the environment. To switch between using the second conduit element 16 and the sixth conduit element 23 to be able to switch back and forth is again a valve device 24 provided, for which the same applies as for the valve devices 20 and 22 already executed.

Mit dem beschriebenen Aufbau des Brennstoffzellensystems 1 ist es möglich, dieses einmal in der Verschaltung gemäß 1 und einmal in der Verschaltung gemäß 2 zu betreiben. Bei einer Verschaltung gemäß 2 für den Fall einer niedrigen Umgebungstemperatur, und insbesondere für den Kaltstartfall des Brennstoffzellensystems 1 wird dabei eine hohe Effizienz des Befeuchters 14 aufgrund der zusätzlichen Erwärmung der ihm zugeführten feuchteliefernden Abluft erreicht. Außerdem lässt sich die Menge an flüssigem Wasser und insbesondere ein Vereisen des Befeuchters 14 und damit gegebenenfalls des Kathodenraums 5 der Brennstoffzelle 3 vermeiden. Hierdurch wird ein schnellerer und effizienterer Start bei besseren Betriebsbedingungen des Brennstoffzellenstacks 3 und weniger Druckverlusten möglich.With the described construction of the fuel cell system 1 is it possible to do this once in the interconnection 1 and once in the interconnection according to 2 to operate. In an interconnection according to 2 in the case of a low ambient temperature, and in particular for the cold start case of the fuel cell system 1 will be a high efficiency of the humidifier 14 achieved due to the additional heating of him supplied moist-supplying exhaust air. In addition, the amount of liquid water and in particular an icing of the humidifier can be 14 and thus optionally the cathode compartment 5 the fuel cell 3 avoid. This will result in a faster and more efficient start with better fuel cell stack operating conditions 3 and less pressure losses possible.

Über die Ventileinrichtungen 20, 22, 24 kann zwischen den beiden Schaltungsvarianten umgeschaltet werden. Ein solches Umschalten erfolgt vorzugsweise in Abhängigkeit einer Temperatur. Diese Temperatur ist dann die für die Grenztemperatur maßgebende Temperatur. Als Temperatur kommt hierfür beispielsweise die Temperatur der Zuluft am Eingang des Brennstoffzellenstacks 3 in Frage, oder die Temperatur der Abluft am Ausgang des Brennstoffzellenstacks 3. Es ist auch denkbar, dass eine mittlere Temperatur der Luft im Brennstoffzellenstack 3 als Grundlage für die Grenztemperatur herangezogen wird. Zusätzlich oder alternativ zur Temperatur der Luft kann auch die Temperatur des Brennstoffs, d. h. des Wasserstoffs oder wasserstoffhaltigen Gases, und/oder des Kühlmittels am jeweiligen Eingang oder Ausgang des Brennstoffzellenstapels 3 oder eine entsprechende mittlere Temperatur des Brennstoffs und/oder des Kühlmittels im Brennstoffzellenstack 3 herangezogen werden. Hierbei ist die Temperatur der Luft, des Brennstoffs und/oder des Kühlmittels am jeweiligen Eingang und/oder Ausgang des Brennstoffzellenstacks 3 bevorzugt. Ferner ist es bevorzugt, wenn für die Ermittlung der Grenztemperatur nicht zusätzliche Temperatursensoren eingesetzt werden, sondern Temperatursensoren, die für die Regelung des Betriebs des Brennstoffzellensystems ohnehin schon vorhanden sind. About the valve devices 20 . 22 . 24 can be switched between the two circuit variants. Such switching preferably takes place as a function of a temperature. This temperature is then the decisive for the temperature limit temperature. As temperature comes for this example, the temperature of the supply air at the entrance of the fuel cell stack 3 in question, or the temperature of the exhaust air at the output of the fuel cell stack 3 , It is also conceivable that a mean temperature of the air in the fuel cell stack 3 is used as the basis for the limit temperature. In addition or as an alternative to the temperature of the air, the temperature of the fuel, ie of the hydrogen or hydrogen-containing gas, and / or of the coolant at the respective input or output of the fuel cell stack may also be different 3 or a corresponding average temperature of the fuel and / or the coolant in the fuel cell stack 3 be used. Here, the temperature of the air, the fuel and / or the coolant at the respective input and / or output of the fuel cell stack 3 prefers. Furthermore, it is preferred if additional temperature sensors are not used for determining the limit temperature, but rather temperature sensors which are already present anyway for the regulation of the operation of the fuel cell system.

Unterhalb der oben genannten Grenztemperatur wird dabei die Verfahrensführung gemäß der in 2 dargestellten Verschaltung eingesetzt, oberhalb der Grenztemperatur die Verschaltung gemäß 1, welche der herkömmlichen Verschaltung eines Brennstoffzellensystems entspricht.Below the abovementioned limit temperature, the process procedure according to the in 2 used interconnection, above the limit temperature, the interconnection according to 1 , which corresponds to the conventional interconnection of a fuel cell system.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 102007003144 A2 [0003] DE 102007003144 A2 [0003]

Claims (10)

Brennstoffzellensystem (1) mit wenigstens einer Brennstoffzelle (3), welche einen Kathodenraum (5) und einen Anodenraum (4) aufweist, mit einer Luftfördereinrichtung (10), mit einem von Zuluft und Abluft durchströmten Ladeluftkühler (13) und einem von Zuluft und Abluft durchströmten Befeuchter (14), mit einem ersten Leitungselement (15), welches einen Abluftausgang des Kathodenraums (5) mit einem Ablufteingang des Befeuchters (14) verbindet, mit einem zweiten Leitungselement (16), welches den Abluftausgang des Befeuchters (14) mit dem Ablufteingang des Ladeluftkühlers (13) verbindet und mit einem dritten Leitungselement (17), welches den Abluftausgang des Ladeluftkühlers (13) zumindest mittelbar mit der Umgebung verbindet, dadurch gekennzeichnet, dass ein viertes Leitungselement (19) den Abluftausgang des Kathodenraums (5) mit dem Ablufteingang des Ladeluftkühlers (13) verbindet, ein fünftes Leitungselement (21) den Abluftausgang des Ladeluftkühlers (13) mit dem Ablufteingang des Befeuchters (14) verbindet, ein sechstes Leitungselement (23) den Abluftsausgang des Befeuchters (14) zumindest mittelbar mit der Umgebung verbindet, und dass Ventileinrichtungen (20, 22, 24) vorgesehen sind, durch welche wahlweise das erste Leitungselement (15), das zweite Leitungselement (16) und das dritte Leitungselement (17) oder das vierte Leitungselement (19), das fünfte Leitungselement (21) und das sechste Leitungselement (23) als Strömungsweg für die Abluft aus dem Kathodenraum (5) einstellbar sind.Fuel cell system ( 1 ) with at least one fuel cell ( 3 ), which has a cathode space ( 5 ) and an anode compartment ( 4 ), with an air conveying device ( 10 ), with a charge air cooled by supply air and exhaust air ( 13 ) and a humidifier flowed through by supply air and exhaust air ( 14 ), with a first line element ( 15 ), which has an exhaust air exit of the cathode space ( 5 ) with an exhaust air inlet of the humidifier ( 14 ), with a second conduit element ( 16 ), which controls the exhaust air outlet of the humidifier ( 14 ) with the exhaust air inlet of the intercooler ( 13 ) and with a third line element ( 17 ), which controls the exhaust air outlet of the intercooler ( 13 ) at least indirectly connects to the environment, characterized in that a fourth line element ( 19 ) the exhaust air outlet of the cathode space ( 5 ) with the exhaust air inlet of the intercooler ( 13 ), a fifth line element ( 21 ) the exhaust air outlet of the intercooler ( 13 ) with the exhaust air inlet of the humidifier ( 14 ), a sixth line element ( 23 ) the exhaust air outlet of the humidifier ( 14 ) at least indirectly connects to the environment, and that valve means ( 20 . 22 . 24 ) are provided, through which optionally the first line element ( 15 ), the second conduit element ( 16 ) and the third conduit element ( 17 ) or the fourth line element ( 19 ), the fifth line element ( 21 ) and the sixth conduit element ( 23 ) as a flow path for the exhaust air from the cathode compartment ( 5 ) are adjustable. Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventileinrichtungen (20, 22, 24) in Form von drei 3/2-Wegeventilen ausgebildet sind, über welche der Abluftausgang des Kathodenraums (5) wahlweise mit dem ersten Leitungselement (15) oder dem vierten Leitungselement (19), der Abluftausgang des Befeuchters (14) wahlweise mit dem zweiten Leitungselement (16) oder dem sechsten Leitungselement (23) und der Abluftausgang des Ladeluftkühlers (13) wahlweise mit dem dritten Leitungselement (17) oder dem fünften Leitungselement (21) verbindbar sind.Fuel cell system ( 1 ) according to claim 1, characterized in that the valve devices ( 20 . 22 . 24 ) in the form of three 3/2-way valves, via which the exhaust air outlet of the cathode space ( 5 ) optionally with the first line element ( 15 ) or the fourth line element ( 19 ), the exhaust air outlet of the humidifier ( 14 ) optionally with the second line element ( 16 ) or the sixth line element ( 23 ) and the exhaust air outlet of the intercooler ( 13 ) optionally with the third line element ( 17 ) or the fifth line element ( 21 ) are connectable. Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das dritte Leitungselement (17) ausgangsseitig über eine Turbine (18) mit der Umgebung verbunden ist.Fuel cell system ( 1 ) according to claim 1 or 2, characterized in that the third conduit element ( 17 ) on the output side via a turbine ( 18 ) is connected to the environment. Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das sechste Leitungselement (23) ausgangsseitig über eine Turbine (18) mit der Umgebung verbunden ist.Fuel cell system ( 1 ) according to claim 1, 2 or 3, characterized in that the sixth conduit element ( 23 ) on the output side via a turbine ( 18 ) is connected to the environment. Brennstoffzellensystem (1) nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Turbine (18) und die Luftfördereinrichtung (10) zusammen mit einer elektrischen Maschine (11) einen elektrischen Turbolader ausbilden.Fuel cell system ( 1 ) according to one of claims 3 or 4, characterized in that the turbine ( 18 ) and the air conveyor ( 10 ) together with an electric machine ( 11 ) form an electric turbocharger. Brennstoffzellensystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Befeuchter (14) als Membranbefeuchter ausgebildet ist, welcher für Wasserdampf durchlässige Membranen, in Form von Hohlfasermembranen oder Flachmembranen, aufweist.Fuel cell system ( 1 ) according to one of claims 1 to 5, characterized in that the humidifier ( 14 ) is designed as a membrane humidifier, which for water vapor permeable membranes, in the form of hollow fiber membranes or flat membranes, having. Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems (1) mit wenigstens einer Brennstoffzelle (3) mit einem von Zuluft und Abluft durchströmten Ladeluftkühler (13) und einem von Zuluft und Abluft durchströmten Befeuchter (14), dadurch gekennzeichnet, dass bei Temperaturen der Brennstoffzelle (3) oberhalb einer vorgegebenen Grenztemperatur die Abluft aus der Brennstoffzelle (3) zuerst durch die Abluftseite des Befeuchters (14) und anschließend durch die Abluftseite des Ladeluftkühler (13) geleitet wird, und dass bei Temperaturen unterhalb der Grenztemperatur die Abluft aus der Brennstoffzelle (3) zuerst durch die Abluftseite des Ladeluftkühlers und anschließend durch die Abluftseite des Befeuchters geleitet wird.Method for operating a fuel cell system ( 1 ) with at least one fuel cell ( 3 ) with a charge air cooler through which supply air and exhaust air flow ( 13 ) and a humidifier flowed through by supply air and exhaust air ( 14 ), characterized in that at temperatures of the fuel cell ( 3 ) above a predetermined limit temperature, the exhaust air from the fuel cell ( 3 ) first through the exhaust side of the humidifier ( 14 ) and then through the exhaust air side of the intercooler ( 13 ), and that at temperatures below the limit temperature, the exhaust air from the fuel cell ( 3 ) first through the exhaust air side of the intercooler and then through the exhaust side of the humidifier. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Grenztemperatur bei 20 bis 50°C vorgegeben wird.A method according to claim 7, characterized in that the limit temperature is set at 20 to 50 ° C. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest bei einem Betrieb des Brennstoffzellensystems (1) oberhalb der vorgegebenen Grenztemperatur eine Rückgewinnung von Energie aus dem Abluftstrom mittels einer Turbine erfolgt.A method according to claim 7 or 8, characterized in that at least during operation of the fuel cell system ( 1 ) above the predetermined limit temperature, a recovery of energy from the exhaust air flow by means of a turbine. Verwendung des Brennstoffzellensystems (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6 und/oder des Verfahrens nach einem der Ansprüche 7 bis 9 in einem Brennstoffzellenfahrzeug.Use of the fuel cell system ( 1 ) according to one of claims 1 to 6 and / or the method according to one of claims 7 to 9 in a fuel cell vehicle.
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