DE102012014110A1 - The fuel cell system - Google Patents

The fuel cell system Download PDF

Info

Publication number
DE102012014110A1
DE102012014110A1 DE102012014110.6A DE102012014110A DE102012014110A1 DE 102012014110 A1 DE102012014110 A1 DE 102012014110A1 DE 102012014110 A DE102012014110 A DE 102012014110A DE 102012014110 A1 DE102012014110 A1 DE 102012014110A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
fuel cell
air
cell system
heat exchanger
cooling
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
DE102012014110.6A
Other languages
German (de)
Inventor
Gert Hinsenkamp
Gerhard Konrad
Benjamin Steinhauser
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mercedes Benz Group AG
Original Assignee
Daimler AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Daimler AG filed Critical Daimler AG
Priority to DE102012014110.6A priority Critical patent/DE102012014110A1/en
Priority to PCT/EP2013/001778 priority patent/WO2014012615A1/en
Publication of DE102012014110A1 publication Critical patent/DE102012014110A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04007—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids related to heat exchange
    • H01M8/04029—Heat exchange using liquids
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04007—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids related to heat exchange
    • H01M8/04067—Heat exchange or temperature measuring elements, thermal insulation, e.g. heat pipes, heat pumps, fins
    • H01M8/04074—Heat exchange unit structures specially adapted for fuel cell
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H01M8/04111—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants using a compressor turbine assembly
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M2008/1095—Fuel cells with polymeric electrolytes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2250/00—Fuel cells for particular applications; Specific features of fuel cell system
    • H01M2250/20—Fuel cells in motive systems, e.g. vehicle, ship, plane
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H01M8/04119—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying
    • H01M8/04126—Humidifying
    • H01M8/04141—Humidifying by water containing exhaust gases
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T90/00—Enabling technologies or technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02T90/40—Application of hydrogen technology to transportation, e.g. using fuel cells

Landscapes

  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)
  • Electric Propulsion And Braking For Vehicles (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem (1) mit einer Luftfördereinrichtung (12) zum Verdichten von Zuluft für eine Brennstoffzelle (3), mit einem als Luft/Flüssigkeits-Wärmetauscher ausgebildeten Ladeluftkühler (13), welcher von der verdichteten Zuluft einerseits und von einem flüssigen Kühlmedium eines Kühlkreislaufs andererseits durchströmt ist. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass ein weiterer Luft/Flüssigkeits-Wärmetauscher (15) im Bereich der Abluft aus der Brennstoffzelle (3) vorgesehen ist, welcher von der Abluft auf der einen Seite und von dem Kühlmedium auf der anderen Seite durchströmt ist.The invention relates to a fuel cell system (1) with an air delivery device (12) for compressing supply air for a fuel cell (3), with a charge air cooler (13) in the form of an air / liquid heat exchanger, which uses the compressed supply air on the one hand and a liquid cooling medium a cooling circuit is flowed through on the other hand. The invention is characterized in that a further air / liquid heat exchanger (15) is provided in the area of the exhaust air from the fuel cell (3) through which the exhaust air flows on one side and the cooling medium on the other.

Description

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem mit einer Luftfördereinrichtung zum Verdichten von Zuluft für eine Brennstoffzelle nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.The invention relates to a fuel cell system with an air conveyor for compressing supply air for a fuel cell according to the closer defined in the preamble of claim 1.

Brennstoffzellensysteme sind aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. Sie umfassen typischerweise eine Brennstoffzelle, welche als Stapel von Einzelzellen, als sogenannter Brennstoffzellenstapel bzw. Brennstoffzellenstack, ausgebildet ist. Dieser Brennstoffzelle wird üblicherweise Wasserstoff oder ein wasserstoffhaltiges Gas auf der Anodenseite als Brennstoff und Luft als Sauerstofflieferant auf der Kathodenseite zugeführt. Nun ist es so, dass die der Brennstoffzelle zugeführte Luft typischerweise verdichtet wird, beispielsweise über einen Strömungsverdichter, einen Kolbenkompressor, ein Rootsgebläse oder dergleichen. Die verdichtete Zuluft ist nach dem Verdichter in den meisten Betriebssituationen dann durch die Verdichtung aufgeheizt und weist eine vergleichsweise hohe Temperatur auf. Zumindest beim Einsatz von PEM-Brennstoffzellen stellt dies einen gravierenden Nachteil dar, da die in der Brennstoffzelle vorhandenen Membranen durch die heiße Zuluft ausgetrocknet und geschädigt werden. Ähnlich nachteilig wirkt sich die vergleichsweise hohe Temperatur der verdichteten Luft auf weitere Komponenten des Brennstoffzellensystems aus, welche in der luftführenden Leitung zwischen Verdichteraustritt und Stackeintritt angeordnet sind, wie z. B. Befeuchter, Ventile oder Klappen. Hier bestehen die möglichen Nachteile vor allem in Form von kosteninstensiven Aufwänden in Konstruktion und Werkstoffen zur Beherrschung der vergleichsweise hohen Temperaturen.Fuel cell systems are known from the general state of the art. They typically include a fuel cell, which is designed as a stack of individual cells, as a so-called fuel cell stack or fuel cell stack. This fuel cell is usually supplied with hydrogen or a hydrogen-containing gas on the anode side as fuel and air as an oxygen supplier on the cathode side. It is then the case that the air supplied to the fuel cell is typically compressed, for example via a flow compressor, a piston compressor, a Roots blower or the like. The compressed supply air is then heated after the compressor in most operating situations by the compression and has a relatively high temperature. At least when using PEM fuel cells, this represents a serious disadvantage, since the membranes present in the fuel cell are dried out and damaged by the hot supply air. Similarly disadvantageous affects the relatively high temperature of the compressed air to other components of the fuel cell system, which are arranged in the air-conducting line between the compressor outlet and stack entry, such. As humidifiers, valves or flaps. Here are the possible disadvantages, especially in the form of kosteninstensive expenses in construction and materials to control the relatively high temperatures.

Aus dem allgemeinen Stand der Technik ist es daher bekannt, einen Ladeluftkühler vorzusehen, um die Zuluft zu der Brennstoffzelle entsprechend abzukühlen. Nun ist es so, dass ein Ladeluftkühler, wie er beispielsweise aus der DE 10 2009 014 743 A1 bekannt ist, zur Abkühlung der Zuluft das Kühlmedium eines Kühlkreislaufs nutzt, insbesondere des Kühlkreislaufs, in dem auch die Brennstoffzelle zur Abfuhr von Abwärme angeordnet ist. Die Problematik bei dem dort beschriebenen Aufbau ist nun die, dass das Kühlsystem entsprechend belastet wird und insbesondere bei Anwendung in einem Fahrzeug entsprechend große Flächen von Kühlwärmetauschern zur Abfuhr der Wärme aus dem Kühlsystem an die Umgebung notwendig sind.From the general state of the art it is therefore known to provide a charge air cooler in order to cool the supply air to the fuel cell accordingly. Now it is so that a charge air cooler, as he, for example, from the DE 10 2009 014 743 A1 is known, for cooling the supply air, the cooling medium of a cooling circuit uses, in particular the cooling circuit, in which the fuel cell is arranged to dissipate heat. The problem with the construction described therein is that the cooling system is loaded accordingly and, in particular when used in a vehicle, correspondingly large areas of cooling heat exchangers are necessary for removing the heat from the cooling system to the environment.

Um dieser Problematik entgegenzuwirken sind aus dem Stand der Technik außerdem Gas/Gas-Wärmetauscher anstelle des Gas/Flüssigkeits-Wärmetauschers, wie er oben als Ladeluftkühler eingesetzt worden ist, bekannt. Ein solcher Gas/Gas-Wärmetauscher als Ladeluftkühler ist beispielsweise in der DE 10 2009 043 569 A1 beschrieben. Der dort gezeigte Aufbau entlastet das Kühlsystem des Brennstoffzellensystems und damit eines eventuellen mit dem Brennstoffzellensystem ausgestatteten Fahrzeugs erheblich. Außerdem ermöglicht er bei Verwendung einer Turbine in Strömungsrichtung der Abluft nach dem Ladeluftkühler das Zurückgewinnen eines Teils der Wärme durch die Turbine in Form von mechanischer Energie.To counteract this problem are also known from the prior art gas / gas heat exchanger instead of the gas / liquid heat exchanger, as has been used above as a charge air cooler known. Such a gas / gas heat exchanger as intercooler is for example in the DE 10 2009 043 569 A1 described. The construction shown there relieves the cooling system of the fuel cell system and thus a possible equipped with the fuel cell system vehicle considerably. In addition, when using a turbine in the flow direction of the exhaust air to the intercooler, it allows the recovery of a part of the heat through the turbine in the form of mechanical energy.

In der Praxis zeigen sich jedoch beim Einsatz eines Gas/Gas-Wärmetauschers als Ladeluftkühler in einigen Betriebszuständen gravierende Probleme, da es zu unerwünschten Kondensationseffekten und damit gegebenenfalls einem Einfrieren bei einem Start bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts kommen kann. Bei sehr kalter Zuluft kann es außerdem zu einer unerwünschten und sehr ungünstigen Wirkrichtungsumkehr in dem Gas/Gas-Wärmetauscher kommen. In diesem Fall entsteht ein Wärmefluss von der warmen Abluft in die in dieser Betriebsituation kältere Zuluft. Hierdurch werden die Membranen der Brennstoffzelle unnötig erwärmt und hierdurch belastet.In practice, however, show serious problems when using a gas / gas heat exchanger as a charge air cooler in some operating conditions, as it can lead to undesirable condensation effects and thus possibly a freeze at a start at temperatures below freezing. In the case of very cold supply air, an undesired and very unfavorable effective direction reversal in the gas / gas heat exchanger can also occur. In this case, there is a heat flow from the warm exhaust air into the colder supply air in this operating situation. As a result, the membranes of the fuel cell are heated unnecessarily and thereby burdened.

Eine weitere Problematik bei dem Gas/Gas-Wärmetauscher als Ladeluftkühler besteht darin, dass dieser vergleichsweise groß aufgebaut werden muss, um die erforderliche Kühlleistung für die verdichtete Zuluft in allen Betriebssituationen, insbesondere also auch unter Volllastbetrieb, zu gewährleisten. Der Aufbau benötigt hierdurch sehr viel Bauraum.Another problem with the gas / gas heat exchanger as intercooler is that it must be constructed comparatively large in order to ensure the required cooling capacity for the compressed supply air in all operating situations, especially under full load operation. The structure thus requires a lot of space.

Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen im Oberbegriff des Anspruchs 1 anzugeben, welches diesen Problemen entgegenwirkt und einen einfachen, sicheren und zuverlässigen Aufbau gewährleistet, welcher das Kühlsystem entlastet und außerdem kritische und nachteilige Betriebssituationen verhindert. Der Aufbau soll darüber hinaus einfach und kompakt realisierbar sein.The object of the present invention is now to provide a fuel cell system with the features in the preamble of claim 1, which counteracts these problems and ensures a simple, safe and reliable construction, which relieves the cooling system and also prevents critical and adverse operating situations. The structure should also be simple and compact feasible.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems ergeben sich aus den restlichen abhängigen Ansprüchen. Eine besonders bevorzugte Verwendung eines derartigen Brennstoffzellensystems ist in Anspruch 10 angegeben.This object is achieved by a fuel cell system having the features in the characterizing part of claim 1. Advantageous developments of the fuel cell system according to the invention will become apparent from the remaining dependent claims. A particularly preferred use of such a fuel cell system is specified in claim 10.

Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem nutzt vergleichbar zu dem eingangs genannten Stand der Technik einen Luft/Flüssigkeits-Wärmetauscher als Ladeluftkühler, welcher von der verdichteten Zuluft und von einem flüssigen Kühlmedium eines Kühlkreislaufs durchströmt ist. Außerdem nutzt das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem einen Luft/Flüssigkeits-Wärmetauscher im Bereich der Abluft aus der Brennstoffzelle, welcher von der Abluft und von dem Kühlmedium durchströmt ist. Hierdurch wird eine einfache und kompakte Realisierung des eigentlichen Ladeluftkühlers als Luft/Flüssigkeits-Wärmetauscher ermöglicht. Der Aufbau kann so sehr kompakt ausgeführt werden und garantiert eine effiziente, sichere und zuverlässige Kühlung der verdichteten Zuluft nach der Luftfördereinrichtung. Zusätzlich strömt das Kühlmedium dann durch einen Wärmetauscher, welcher von dem Kühlmedium einerseits und von der Abluft andererseits durchströmt wird. Die Abluft kann so Wärme aus dem Kühlmedium aufnehmen und beispielsweise mit der Abluft direkt an die Umgebung abgeben, wodurch das Kühlmedium wieder abgekühlt wird. Auch dieser Aufbau lässt sich entsprechend einfach und kompakt realisieren.Comparable to the prior art mentioned at the beginning, the fuel cell system according to the invention uses an air / liquid heat exchanger as a charge air cooler, through which the compressed supply air and a liquid cooling medium of a cooling circuit flow. In addition, the fuel cell system according to the invention uses an air / liquid heat exchanger in the region of the exhaust air from the fuel cell, which is traversed by the exhaust air and by the cooling medium. As a result, a simple and compact realization of the actual charge air cooler is made possible as an air / liquid heat exchanger. The structure can be made very compact and guarantees an efficient, safe and reliable cooling of the compressed supply air after the air conveyor. In addition, the cooling medium then flows through a heat exchanger, which is flowed through by the cooling medium on the one hand and by the exhaust air on the other hand. The exhaust air can absorb heat from the cooling medium and, for example, with the exhaust air directly to the environment, whereby the cooling medium is cooled again. Also, this structure can be realized according to simple and compact.

In einer bevorzugten Ausbildungsform können zur weiteren Kostenreduzierung zumindestens weitgehend baugleiche Luft/Flüssigkeits-Wärmetauscher auf der Zuluftseite und der Abluftseite zum Einsatz kommen.In a preferred embodiment, at least substantially identical air / liquid heat exchangers on the supply side and the exhaust side can be used for further cost reduction.

In einer sehr günstigen Weiterbildung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems ist es dabei vorgesehen, dass eine Turbine in Strömungsrichtung der Abluft nach dem Luft/Flüssigkeits-Wärmetauscher angeordnet ist. Über eine solche Turbine, welche insbesondere Teil eines elektrischen Turboladers sein kann, um so die an der Turbine anfallende Leistung unmittelbar der Luftfördereinrichtung zur Verfügung zu stellen, ermöglicht eine Rückgewinnung von Druck- und Wärmeenergie aus der Abluft der Brennstoffzelle. Wird in Strömungsrichtung der Abluft vor der Turbine über das Kühlmedium und den Luft/Flüssigkeits-Wärmetauscher des erfindungsgemäßen Aufbaus zusätzliche Wärme in die Abluft eingetragen, so kann die Ausbeute an mechanischer Leistung entsprechend gesteigert werden, wodurch sich eine Verbesserung des Gesamtwirkungsgrads des Brennstoffzellensystems durch eine erhöhte Energierückgewinnung ergibt. Weiterhin verringert sich durch die erfindungsgemäße Erhöhung der Ablufttemperatur der aus dem Brennstoffzellensystem ausgetragene Flüssigwasseranteil.In a very favorable development of the fuel cell system according to the invention, it is provided that a turbine is arranged downstream of the air / liquid heat exchanger in the flow direction of the exhaust air. About such a turbine, which may be part of an electric turbocharger in particular, so as to provide the turbine resulting power directly to the air conveyor available, allows recovery of pressure and heat energy from the exhaust air of the fuel cell. If additional heat is introduced into the exhaust air in the flow direction of the exhaust air before the turbine via the cooling medium and the air / liquid heat exchanger of the structure according to the invention, the yield of mechanical power can be correspondingly increased, thereby improving the overall efficiency of the fuel cell system by an increased Energy recovery results. Furthermore, due to the inventive increase in the exhaust air temperature, the proportion of liquid water discharged from the fuel cell system is reduced.

Gemäß einer besonders günstigen Weiterbildung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems kann es darüber hinaus vorgesehen sein, dass der Kühlkreislauf als eigenständiger Kühlkreislauf zwischen dem Ladeluftkühler und dem Wärmetauscher ausgebildet ist, welcher eine Kühlmittelfördereinrichtung aufweist. Ein solcher Aufbau nutzt einen eigenen Kühlkreislauf, welcher lediglich zwischen den beiden genannten Wärmetauschern, also dem Ladeluftkühler und dem Wärmetauscher, welcher die aufgenommene Wärme in die Abluft des Brennstoffzellensystems abgibt, ausgebildet ist. Eine Belastung des Kühlsystems zur Kühlung der Brennstoffzelle wird dadurch gänzlich vermieden und das Brennstoffzellensystem in dieser Ausgestaltung lässt sich weiterhin sehr kompakt aufbauen. Über eine Kühlmittelfördereinrichtung wird das Kühlmedium in dem Kühlkreislauf zwischen dem Ladeluftkühler und dem Wärmetauscher entsprechend umgewälzt, wobei durch den beispielsweise über eine Drehzahl der Kühlmittelfördereinrichtung einstellbaren Volumenstrom des Kühlmediums die Abkühlung gezielt gesteuert werden kann. Somit ist es auch möglich in den Betriebssituationen, in denen kein Wärmetransfer gewünscht ist, diesen durch ein Abstellen der Kühlmittelfördereinrichtung entsprechend zu unterbinden, wodurch ein sehr sicherer und zuverlässiger Betrieb gewährleistet ist, welcher eine gute Funktionalität des Brennstoffzellensystems in allen Betriebssituationen gewährleistet.According to a particularly advantageous development of the fuel cell system according to the invention, it can also be provided that the cooling circuit is formed as an independent cooling circuit between the charge air cooler and the heat exchanger, which has a coolant conveyor. Such a structure uses its own cooling circuit, which is formed only between the two mentioned heat exchangers, ie the charge air cooler and the heat exchanger, which emits the heat absorbed into the exhaust air of the fuel cell system. A burden on the cooling system for cooling the fuel cell is thereby completely avoided and the fuel cell system in this embodiment can continue to build very compact. About a coolant conveyor, the cooling medium is circulated in the cooling circuit between the charge air cooler and the heat exchanger accordingly, with the cooling can be selectively controlled by the example via a speed of the coolant conveyor flow rate of the cooling medium. Thus, it is also possible in the operating situations in which no heat transfer is desired to prevent this by stopping the coolant conveyor accordingly, whereby a very safe and reliable operation is ensured, which ensures good functionality of the fuel cell system in all operating situations.

In einer alternativen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems kann es dagegen vorgesehen sein, dass der Kühlkreislauf Teil eines Kühlsystems ist, dessen Kühlmedium neben dem Ladeluftkühler auch die Brennstoffzelle durchströmt, und welches eine Kühlmittelfördereinrichtung und einen Kühlwärmetauscher zur Abkühlung des Kühlmediums aufweist. Ein solcher Aufbau, bei dem sowohl der Ladeluftkühler als auch der Wärmetauscher zwischen dem Kühlmedium und der Abluft in den eigentlichen Kühlkreislauf eingebunden sind, ermöglicht nach wie vor eine Entlastung des Kühlkreislaufs durch einen Wärmeübertrag auf die Abluft und gewährleistet dennoch einen einfachen und effizienten Aufbau, da eine einzige Kühlmittelfördereinrichtung in diesem Fall ausreicht.In an alternative embodiment of the fuel cell system according to the invention, however, it may be provided that the cooling circuit is part of a cooling system, the cooling medium flows through the fuel cell in addition to the charge air cooler, and which has a coolant conveyor and a cooling heat exchanger for cooling the cooling medium. Such a structure, in which both the intercooler and the heat exchanger between the cooling medium and the exhaust air are integrated into the actual cooling circuit, still allows a relief of the cooling circuit by a heat transfer to the exhaust air and yet ensures a simple and efficient design, as a single coolant delivery device is sufficient in this case.

Gemäß einer besonders günstigen Weiterbildung kann es dabei vorgesehen sein, dass die Durchströmung des Ladeluftkühlers und des Wärmetauschers durch eine Ventileinrichtung steuerbar ist. Hierdurch wird weiterhin sichergestellt, dass in den Betriebssituationen, in denen eine Abkühlung nicht erwünscht ist oder die Gefahr einer Umkehr der Wirkrichtung besteht, auf eine Durchströmung der entsprechenden Wärmetauscher verzichtet wird. In einer besonders günstigen Weiterbildung kann die Ventileinrichtung dabei als Thermostatventil ausgebildet sein, sodass selbsttätig in Abhängigkeit der Temperatur des Kühlmediums eine Durchströmung des Ladeluftkühlers und des Kühlwärmetauschers stattfindet oder nicht.According to a particularly favorable development, it can be provided that the flow through the charge air cooler and the heat exchanger can be controlled by a valve device. In this way it is further ensured that in the operating situations in which a cooling is not desirable or there is a risk of reversal of the direction of action, a flow through the corresponding heat exchanger is dispensed with. In a particularly favorable development, the valve device can be designed as a thermostatic valve, so that automatically takes place as a function of the temperature of the cooling medium, a flow through the charge air cooler and the cooling heat exchanger or not.

Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem kann entsprechend kompakt aufgebaut werden und ermöglicht einen sicheren und zuverlässigen Betrieb in allen Betriebssituationen, insbesondere auch beim Start des Brennstoffzellensystems bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts. Zusammen mit der Tatsache, dass das Kühlsystem selbst in dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem durch den Aufbau von der über den Ladeluftkühler eingetragenen Wärme weitgehend entlastet wird, ergibt sich hierdurch die besondere Eignung für die Anwendung in einem Brennstoffzellensystem in einem Fahrzeug. Hier sind einerseits schwierige Betriebsbedingungen, wie beispielsweise ein Start unter schwierigen Umgebungsbedingungen – z. B. Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts – häufig anzutreffen, sodass eine Anpassung des Brennstoffzellensystems auf derartige schwierige Betriebsbedingungen von entscheidender Bedeutung ist. Ferner muss der Aufbau entsprechend kompakt realisiert werden, da in einem Fahrzeug typischerweise nur sehr wenig Bauraum zur Verfügung steht. Letztlich ist es vor allem bei Fahrzeugsystemen auch entscheidend, dass das Kühlsystem des Fahrzeugs entsprechend entlastet wird, da die zur Verfügung stehende Kühlerfläche bei Fahrzeuganwendungen von Brennstoffzellensystemen im Allgemeinen ohnehin schon ein kritischer Punkt bei der Auslegung des Brennstoffzellensystems ist, da die Temperaturdifferenz zwischen der Brennstoffzelle und der Umgebung typischerweise sehr viel niedriger ist als zwischen einem Verbrennungsmotor und der Umgebung und die zur Verfügung stehende Fläche des Kühlwärmetauschers damit einen begrenzenden Einfluss auf die Leistung des Brennstoffzellensystems hat.The fuel cell system according to the invention can be constructed correspondingly compact and enables safe and reliable operation in all operating situations, especially at start of the fuel cell system at temperatures below freezing. Together with the fact that the cooling system itself in the fuel cell system according to the invention by the Structure is largely relieved of the registered via the intercooler heat, this results in the particular suitability for use in a fuel cell system in a vehicle. Here are on the one hand difficult operating conditions, such as a start under difficult environmental conditions -. As temperatures below freezing - often encountered, so that an adjustment of the fuel cell system to such difficult operating conditions is crucial. Furthermore, the structure must be implemented in accordance compact, since in a vehicle typically only very little space is available. Ultimately, it is also crucial, especially in vehicle systems, that the cooling system of the vehicle is correspondingly relieved, since the available radiator surface in vehicle applications of fuel cell systems in general already a critical point in the design of the fuel cell system, since the temperature difference between the fuel cell and the environment is typically much lower than between an internal combustion engine and the environment and the available area of the cooling heat exchanger so that has a limiting effect on the performance of the fuel cell system.

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

Dabei zeigen:Showing:

1 ein Fahrzeug mit einem Brennstoffzellensystem gemäß der Erfindung; 1 a vehicle with a fuel cell system according to the invention;

2 eine alternative Ausführungsform eines Brennstoffzellensystems gemäß der Erfindung; und 2 an alternative embodiment of a fuel cell system according to the invention; and

3 eine weitere alternative Ausführungsform des Brennstoffzellensystems gemäß der Erfindung. 3 a further alternative embodiment of the fuel cell system according to the invention.

In der Darstellung der 1 ist ein Brennstoffzellensystem 1 zu erkennen, welches in einem angedeuteten Fahrzeug 2 angeordnet ist, und welches in diesem Fahrzeug 2 zur Bereitstellung von elektrischer Antriebsleistung dienen soll. Bei dem Fahrzeug 2 kann es sich dabei vorzugsweise um ein Kraftfahrzeug, beispielsweise ein schienengebundenes oder ein schienenloses Landfahrzeug, ein Logistiktransporter, ein Wasserfahrzeug oder dergleichen handeln.In the presentation of the 1 is a fuel cell system 1 to recognize which in an indicated vehicle 2 is arranged, and which in this vehicle 2 intended to provide electrical drive power. In the vehicle 2 this may preferably be a motor vehicle, for example a rail-bound or a railless land vehicle, a logistics transporter, a watercraft or the like.

Kern des Brennstoffzellensystems 1 ist eine Brennstoffzelle 3 bzw. ein Brennstoffzellenstapel 3, welcher als Stapel von Einzelzellen in PEM-Technologie aufgebaut ist. Die Einzelzellen sind dabei in der Darstellung der Figur nicht zu erkennen. Jede der Einzelzellen weist einen Kathodenraum und einen Anodenraum auf, wobei in der Darstellung der 1 symbolisch ein gemeinsamer Anodenraum 4 und ein gemeinsamer Kathodenraum 5 dargestellt sind. Zwischen dem Anodenraum 4 und dem Kathodenraum 5 ist dabei ein Wärmetauscher 6 zur Abfuhr von Abwärme aus der Brennstoffzelle 3 über ein flüssiges Kühlmedium angedeutet. Dieses flüssige Kühlmedium strömt von einer Kühlmittelfördereinrichtung 7 gefördert im Kreislauf zwischen der Brennstoffzelle 3 bzw. dem Wärmetauscher 6 der Brennstoffzelle 3 und einem Kühlwärmetauscher 8 zur Abfuhr der Abwärme an die Umgebung des Fahrzeugs 2. Die Kühlleistung kann beispielsweise durch eine Beeinflussung der Drehzahl der Kühlmittelfördereinrichtung 7 eingestellt werden oder lässt sich über einen hier nicht dargestellten Bypass parallel zum Kühlwärmetauscher 8 mit einem geeigneten Ventil einstellen.Core of the fuel cell system 1 is a fuel cell 3 or a fuel cell stack 3 , which is constructed as a stack of single cells in PEM technology. The individual cells are not visible in the representation of the figure. Each of the single cells has a cathode space and an anode space, wherein in the illustration of 1 symbolically a common anode space 4 and a common cathode compartment 5 are shown. Between the anode room 4 and the cathode compartment 5 is a heat exchanger 6 for the removal of waste heat from the fuel cell 3 indicated by a liquid cooling medium. This liquid cooling medium flows from a coolant delivery device 7 promoted in the cycle between the fuel cell 3 or the heat exchanger 6 the fuel cell 3 and a cooling heat exchanger 8th to dissipate the waste heat to the environment of the vehicle 2 , The cooling capacity can, for example, by influencing the speed of the coolant conveyor 7 can be set or can be connected via a bypass, not shown here parallel to the cooling heat exchanger 8th adjust with a suitable valve.

Dem Anodenraum 4 der Brennstoffzelle 3 wird Wasserstoff aus einem Druckgasspeicher 9 über ein Druckregel- und Dosierventil 10 zugeführt. Unverbrauchter Wasserstoff gelangt aus der Brennstoffzelle über eine Abgasleitung 11 beispielsweise an die Umgebung oder in den Bereich eines Brenners, in dem der Restwasserstoff nachverbrannt wird. Alternative Aufbauten mit einer Anodenrezirkulation zur Rückführung des unverbrauchten Wasserstoffs oder ähnliches sind hier denkbar und aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. Für die Erfindung ist die Anodenseite dabei nicht weiter relevant, sodass auf diesen allgemein bekannten Aufbau hier nicht näher eingegangen wird.The anode compartment 4 the fuel cell 3 becomes hydrogen from a compressed gas storage 9 via a pressure regulating and dosing valve 10 fed. Unconsumed hydrogen passes from the fuel cell via an exhaust pipe 11 for example, to the environment or in the area of a burner in which the residual hydrogen is post-combusted. Alternative constructions with an anode recirculation for recycling the unused hydrogen or the like are conceivable here and known from the general state of the art. For the invention, the anode side is not relevant, so that this generally known structure is not discussed here.

Dem Kathodenraum 5 der Brennstoffzelle 3 wird Luft über eine Luftfördereinrichtung 12, einen Ladeluftkühler 13 sowie einen Befeuchter 14 zugeführt. Abluft aus dem Kathodenraum 5 gelangt wiederum über den Befeuchter 14 sowie einen Luft/Flüssigkeits-Wärmetauscher 15 und eine Turbine 16 an die Umgebung. Die Turbine 16 dient dabei zur Nutzung von Druckenergie und thermischer Energie in der Abluft und wandelt diese zumindest teilweise in mechanische Energie um. Die Turbine 16 sitzt zusammen mit der Luftfördereinrichtung 12 auf einer gemeinsamen Welle 17, sodass die im Bereich der Turbine 16 zurückgewonnene Energie zum Antrieb der Luftfördereinrichtung 12 unmittelbar genutzt werden kann. Im Normalfall wird die im Bereich der Turbine 16 anfallende Leistung zum Antreiben der Luftfördereinrichtung 12 nicht ausreichen. Deshalb ist eine elektrische Maschine 18 vorgesehen, welche die benötigte Leistungsdifferenz zum Antrieb der Luftfördereinrichtung 12 bereitstellt. Sollte es in einzelnen Betriebssituationen dazu kommen, dass im Bereich der Turbine 16 mehr Leistung anfällt, als von der Luftfördereinrichtung 12 benötigt wird, dann kann der Aufbau auch so genutzt werden, dass die elektrische Maschine 18 generatorisch betrieben wird, um elektrische Energie zurückzugewinnen. Dieser Aufbau aus Luftfördereinrichtung 12, Turbine 16 und elektrischer Maschine 12 wird auch als ETC oder elektrischer Turbolader bezeichnet. Neben der Turbine 16 wäre selbstverständlich auch die Anwendung eines andersartigen Expanders in diesem Aufbau denkbar und möglich.The cathode compartment 5 the fuel cell 3 Air is transferred via an air conveyor 12 , a charge air cooler 13 and a humidifier 14 fed. Exhaust air from the cathode compartment 5 in turn passes over the humidifier 14 and an air / liquid heat exchanger 15 and a turbine 16 to the environment. The turbine 16 serves for the use of pressure energy and thermal energy in the exhaust air and converts them at least partially into mechanical energy. The turbine 16 sits together with the air conveyor 12 on a common wave 17 so that in the area of the turbine 16 recovered energy to drive the air conveyor 12 can be used immediately. Usually this will be in the area of the turbine 16 resulting power for driving the air conveyor 12 not suffice. That's why an electric machine 18 provided, which the required power difference to drive the air conveyor 12 provides. Should it happen in individual operating situations that in the area of the turbine 16 more power is generated than from the air conveyor 12 is needed, then the construction can also be used so that the electric machine 18 is operated as a generator to recover electrical energy. This construction of air conveyor 12 , Turbine 16 and electric machine 12 is also referred to as ETC or electric turbocharger. Next to the turbine 16 Of course, the application of a different expander in this structure would be conceivable and possible.

Die Zuluft zu der Brennstoffzelle 3 ist nach der Luftfördereinrichtung 12 entsprechend heiß und trocken. Dies ist für die in der Brennstoffzelle 3 angeordneten Protonenaustauschmembranen sehr ungünstig, da diese leicht austrocknen und hierdurch beschädigt werden können. Um der Problematik entgegenzuwirken, durchströmt die durch das Verdichten in der Luftfördereinrichtung 12 aufgeheizte Zuluft daher zuerst den Ladeluftkühler 13, in dessen Bereich die Zuluft abgekühlt wird, wozu in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel ein flüssiges Kühlmedium dient, welches in einem Kühlkreislauf 19 von einer Kühlmittelfördereinrichtung 20 umgewälzt wird. Die so abgekühlte aber immer noch trockene Zuluft gelangt dann in den Befeuchter 14, welcher insbesondere als Gas/Gas-Befeuchter ausgebildet sein kann. Ein typischer Aufbau wäre es beispielsweise, dass hierin für Wasserdampf durchlässige Membranen angeordnet sind, welche auf der einen Seite von der trockenen Zuluft zu dem Kathodenraum 5 überströmt werden. Auf der anderen Seite werden die Membranen von der mit dem größten Teil des in der Brennstoffzelle 3 entstandenen Produktwassers beladenen Abluft überströmt, sodass Wasserdampf durch die Membranen hindurch aus der feuchten Abluft in die trockene Zuluft gelangt und diese befeuchtet. Die dann vergleichsweise trockene Abluft strömt danach über den Wärmetauscher 15 zu der Turbine 16. Der Wärmetauscher 15 ist nun so ausgebildet, dass er ebenfalls Teil des Kühlkreislaufs 19 ist und damit für eine Erwärmung der Abluft durch das in dem Kühlkreislauf 19 umgewälzte Kühlmedium geeignet ist. Dieses Kühlmedium hat Wärme aus der erwärmten Zuluft im Bereich des Ladeluftkühlers 13 aufgenommen und erwärmt somit nun die Abluft der Brennstoffzelle 3. Durch eine entsprechende Beeinflussung beispielsweise des Volumenstroms der Kühlmittelfördereinrichtung 20 lässt sich der Wärmeübertrag entsprechend einstellen. So kann in bestimmten Betriebssituationen, in denen eine Wärmeübertragung nicht gewünscht ist, der Kühlmittelstrom abgestellt oder entsprechend verringert werden, wodurch eine sehr gute Regelbarkeit und eine sehr gute Anpassbarkeit des Brennstoffzellensystems 1 an verschiedene Betriebssituationen entsteht. Die in die Abluft eingetragene Abwärme kann dann zumindest teilweise in der Turbine 16 in mechanische Leistung umgewandelt und zur Verbesserung des Wirkungsgrads des gesamten Brennstoffzellensystems 1 genutzt werden.The supply air to the fuel cell 3 is after the air conveyor 12 accordingly hot and dry. This is for those in the fuel cell 3 arranged proton exchange membranes very unfavorable because they dry out easily and thus can be damaged. To counteract the problem, flows through the compression in the air conveyor 12 heated supply air therefore first the intercooler 13 , in the region of which the supply air is cooled, for which purpose a liquid cooling medium is used in the exemplary embodiment shown here, which is in a cooling circuit 19 from a coolant conveyor 20 is circulated. The cooled but still dry supply air then enters the humidifier 14 which can be designed in particular as a gas / gas humidifier. For example, a typical design would be for water vapor permeable membranes disposed on one side of the dry supply air to the cathode compartment 5 be overflowed. On the other hand, the membranes of the most part of the in the fuel cell 3 Overflowed laden product water laden exhaust air, so that water vapor passes through the membranes from the humid exhaust air into the dry supply air and moisten it. The then relatively dry exhaust air then flows through the heat exchanger 15 to the turbine 16 , The heat exchanger 15 is now designed so that it is also part of the cooling circuit 19 is and thus for heating the exhaust air through the in the cooling circuit 19 recirculated cooling medium is suitable. This cooling medium has heat from the heated supply air in the area of the intercooler 13 recorded and thus now heats the exhaust air of the fuel cell 3 , By a corresponding influence, for example, the volume flow of the coolant conveyor 20 the heat transfer can be adjusted accordingly. Thus, in certain operating situations in which heat transfer is not desired, the coolant flow can be turned off or reduced accordingly, resulting in a very good controllability and a very good adaptability of the fuel cell system 1 arises in different operating situations. The waste heat introduced into the exhaust air can then be at least partially in the turbine 16 converted into mechanical power and improve the efficiency of the entire fuel cell system 1 be used.

In der Darstellung der 2 ist ein vergleichbarer Aufbau des Brennstoffzellensystems 1 nochmals ohne das Fahrzeug 2 dargestellt. Auch dieser Aufbau ist insbesondere zur Anwendung in einem Fahrzeug 2 geeignet.In the presentation of the 2 is a comparable structure of the fuel cell system 1 again without the vehicle 2 shown. This structure is also particularly suitable for use in a vehicle 2 suitable.

Anders als bei dem in 1 gezeigten Aufbau ist der Kühlkreislauf 19 hier nicht als eigener Kühlkreislauf mit eigener Kühlmittelfördereinrichtung 20 ausgebildet, sondern der Ladeluftkühler 13 und der Wärmetauscher 15 sind Teil des Kühlsystems des Brennstoffzellensystems 1. Das vom Kühlwärmetauscher 8 kommende Kühlmedium strömt in dem dargestellten Ausführungsbeispiel parallel durch den Wärmetauscher 6 der Brennstoffzelle 3 einerseits und durch den Ladeluftkühler 13 und anschließend durch den Wärmetauscher 15 anderseits. Zur Beeinflussung der Abkühlung der verdichteten Zuluft ist dabei eine Ventileinrichtung 21 vorgesehen. Über diese Ventileinrichtung 21 kann beispielsweise aktiv in den Betriebssituationen, in denen keine Kühlung der Zuluft erwünscht ist, die Durchströmung dieses Zweigs mit Kühlmedium verhindert werden. Dies sind insbesondere Situationen beim Start des Brennstoffzellensystems 1, vor allem dann, wenn die Umgebungstemperatur sehr niedrig ist und die Zuluft nach der Luftfördereinrichtung damit nur minimal erwärmt ist. Um den Steuerungsaufwand für die Ventileinrichtung 21 weiter zu minimieren kann es ferner vorgesehen sein, dass diese Ventileinrichtung 21 als Thermostatventil ausgebildet ist. Sie öffnet dann selbsttätig ab einer bestimmten voreingestellten Temperatur des Kühlmediums in dem Kühlsystem und ermöglicht so ohne aktive Ansteuerung die beschriebene Funktionalität.Unlike the one in 1 The structure shown is the cooling circuit 19 not here as a separate cooling circuit with its own coolant conveyor 20 trained, but the intercooler 13 and the heat exchanger 15 are part of the cooling system of the fuel cell system 1 , That of the cooling heat exchanger 8th incoming cooling medium flows in the illustrated embodiment in parallel through the heat exchanger 6 the fuel cell 3 on the one hand and through the intercooler 13 and then through the heat exchanger 15 on the other hand. To influence the cooling of the compressed supply air is a valve device 21 intended. About this valve device 21 For example, active in the operating situations in which no cooling of the supply air is desired, the flow of this branch can be prevented with cooling medium. These are in particular situations when starting the fuel cell system 1 , especially if the ambient temperature is very low and the supply air to the air conveyor is thus only minimally heated. To the control effort for the valve device 21 Further, it may further be provided that this valve device 21 is designed as a thermostatic valve. It then opens automatically from a certain preset temperature of the cooling medium in the cooling system and allows so without active activation of the described functionality.

In der Darstellung der 3 ist eine weitere mögliche Ausführungsform des Brennstoffzellensystems 1 dargestellt. Bei dieser Ausführungsform des Brennstoffzellensystems 1 wird auf die Turbine 16 gänzlich verzichtet und es wird in Strömungsrichtung nach dem Wärmtauscher 15 lediglich ein Druckhalteventil 22 angeordnet. Eine Energierückgewinnung über die Turbine lässt sich so zwar nicht erzielen, durch die Abfuhr der Wärme über die Abluft an die Umgebung wird jedoch in jedem Fall eine Entlastung des Kühlsystems insgesamt erreicht. Weiterhin verringert sich durch die erfindungsgemäße Erhöhung der Ablufttemperatur auch in dieser Verschlatungsvariante der aus dem Brennstoffzellensystem ausgetragene Flüssigwasseranteil. Ein weiteres Detail ist in der Ausführungsform der 3 im Bereich des Ladeluftkühlers 13, des Befeuchters 14 und des Wärmetauschers 15 zu erkennen. Diese sind zu einer gemeinsamen Baueinheit integriert ausgebildet. Dies kann von entscheidendem Vorteil sein, da der Gasstrom sowohl für den Ladeluftkühler 13 als auch für den Befeuchter 14 ebenso wie für den Wärmetauscher 15 auf einen entsprechend verteilten Strömungsquerschnitt beispielsweise durch eine Vielzahl von Hohlfasermembranen, Kanälen oder dergleichen aufgeteilt werden muss. Durch die bauliche Integration des Ladeluftkühlers 13 und des Wärmetauschers 15 in den Befeuchter 14 lässt sich somit der Druckverlust für die Zuluft und die Abluft senken und es lässt sich insgesamt ein sehr kompakter Aufbau erzielen, was insbesondere beim Einsatz in dem Fahrzeug 2 von entscheidender Bedeutung ist, da hier typischerweise ohnehin nur wenig Bauraum zur Verfügung steht.In the presentation of the 3 is another possible embodiment of the fuel cell system 1 shown. In this embodiment of the fuel cell system 1 gets on the turbine 16 dispensed entirely and it is in the flow direction after the heat exchanger 15 only a pressure-holding valve 22 arranged. Although energy recovery via the turbine can not be achieved in this way, by dissipating the heat via the exhaust air to the environment, a relief of the overall cooling system is achieved in any case. Furthermore, reduced by the inventive increase in the exhaust air temperature in this Verschlatungsvariante discharged from the fuel cell system liquid water content. Another detail is in the embodiment of 3 in the area of the intercooler 13 , the humidifier 14 and the heat exchanger 15 to recognize. These are integrated to form a common unit. This can be of decisive advantage, since the gas flow for both the intercooler 13 as well as for the humidifier 14 as well as for the heat exchanger 15 to a correspondingly distributed flow cross section, for example, by a plurality of hollow fiber membranes, channels or the like must be split. Due to the structural integration of the intercooler 13 and the heat exchanger 15 in the humidifier 14 can thus reduce the pressure loss for the supply air and the exhaust air and it can be a total of a very compact design achieve, especially when used in the vehicle 2 is crucial because typically there is little space available anyway.

Die beschriebenen Varianten des Brennstoffzellensystems und ihre Ausgestaltungen lassen sich dabei beliebig untereinander kombinieren. So ist es selbstverständlich möglich, bei einem Aufbau des Brennstoffzellensystems 1 analog dem in 1 beispielsweise auf die Turbine 16 zu verzichten und/oder eine Integration des Ladeluftkühlers 13 und/oder des Wärmetauschers 15 in den Befeuchter 14 vorzunehmen. Vergleichbares gilt auch für eine Kombination der Brennstoffzellensysteme 1 aus den 2 und 3. Zahlreiche Varianten und Aufbauten sind damit im Rahmen der hier vorliegenden Erfindung möglich.The variants of the fuel cell system described and their embodiments can be combined with each other arbitrarily. So it is of course possible in a structure of the fuel cell system 1 analogous to the one in 1 for example, on the turbine 16 to dispense with and / or an integration of the intercooler 13 and / or the heat exchanger 15 in the humidifier 14 make. The same applies to a combination of the fuel cell systems 1 from the 2 and 3 , Numerous variants and structures are thus possible within the scope of the present invention.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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

Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 102009014743 A1 [0003] DE 102009014743 A1 [0003]
  • DE 102009043569 A1 [0004] DE 102009043569 A1 [0004]

Claims (10)

Brennstoffzellensystem (1) mit einer Luftfördereinrichtung (12) zum Verdichten von Zuluft für eine Brennstoffzelle (3), mit einem als Luft/Flüssigkeits-Wärmetauscher ausgebildeten Ladeluftkühler (13), welcher von der verdichteten Zuluft einerseits und von einem flüssigen Kühlmedium eines Kühlkreislaufs andererseits durchströmt ist, dadurch gekennzeichnet, dass ein weiterer Luft/Flüssigkeits-Wärmetauscher (15) im Bereich der Abluft aus der Brennstoffzelle (3) vorgesehen ist, welcher von der Abluft auf der einen Seite und von dem Kühlmedium auf der anderen Seite durchströmt ist.Fuel cell system ( 1 ) with an air conveyor ( 12 ) for compressing supply air for a fuel cell ( 3 ), designed as an air / liquid heat exchanger intercooler ( 13 ), which is flowed through by the compressed supply air on the one hand and by a liquid cooling medium of a cooling circuit on the other hand, characterized in that a further air / liquid heat exchanger ( 15 ) in the region of the exhaust air from the fuel cell ( 3 ) is provided, which is flowed through by the exhaust air on one side and the cooling medium on the other side. Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Turbine (16) in Strömungsrichtung der Abluft nach dem Luft/Flüssigkeits-Wärmetauscher angeordnet ist.Fuel cell system ( 1 ) according to claim 1, characterized in that a turbine ( 16 ) is arranged in the flow direction of the exhaust air after the air / liquid heat exchanger. Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkreislauf als eigenständiger Kühlkreislauf (19) zwischen dem Ladeluftkühler (13) und dem Wärmetauscher (15) ausgebildet ist, welcher eine Kühlmittelfördereinrichtung (20) aufweist.Fuel cell system ( 1 ) according to claim 1 or 2, characterized in that the cooling circuit as an independent cooling circuit ( 19 ) between the intercooler ( 13 ) and the heat exchanger ( 15 ) is formed, which a coolant conveyor ( 20 ) having. Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkreislauf Teil eines Kühlsystems ist, dessen Kühlmedium neben dem Ladeluftkühler (13) auch die Brennstoffzelle (3) durchströmt, und welches eine Kühlmittelfördereinrichtung (7) und/einen Kühlwärmetauscher (8) zur Abkühlung des Kühlmediums aufweist.Fuel cell system ( 1 ) according to claim 1 or 2, characterized in that the cooling circuit is part of a cooling system, the cooling medium next to the intercooler ( 13 ) also the fuel cell ( 3 ) flows through, and which a coolant conveyor ( 7 ) and / or a cooling heat exchanger ( 8th ) for cooling the cooling medium. Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Ladeluftkühler (13) in Strömungsrichtung des Kühlmediums vor dem Wärmetauscher (15) angeordnet ist.Fuel cell system ( 1 ) according to claim 4, characterized in that the intercooler ( 13 ) in the flow direction of the cooling medium in front of the heat exchanger ( 15 ) is arranged. Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Ladeluftkühler (13) und der Wärmetauscher (15) parallel zur Brennstoffzelle (3) von Kühlmedium durchströmt sind.Fuel cell system ( 1 ) according to claim 4 or 5, characterized in that the intercooler ( 13 ) and the heat exchanger ( 15 ) parallel to the fuel cell ( 3 ) are flowed through by cooling medium. Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchströmung von Ladeluftkühler (13) und Wärmetauscher (15) durch eine Ventileinrichtung (21) steuerbar ist.Fuel cell system ( 1 ) according to claim 6, characterized in that the flow through the intercooler ( 13 ) and heat exchangers ( 15 ) by a valve device ( 21 ) is controllable. Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventileinrichtung (21) als Thermostatventil ausgebildet ist.Fuel cell system ( 1 ) according to claim 7, characterized in that the valve device ( 21 ) is designed as a thermostatic valve. Brennstoffzellensystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Ladeluftkühler (13) und/oder der Wärmetauscher (15) in einen Gas/Gas-Befeuchter (14) integriert ausgebildet sind.Fuel cell system ( 1 ) according to one of claims 1 to 8, characterized in that the intercooler ( 13 ) and / or the heat exchanger ( 15 ) into a gas / gas humidifier ( 14 ) are integrated. Verwendung des Brennstoffzellensystems (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 zur Erzeugung von elektrischer Antriebsleistung in einem Fahrzeug (2).Use of the fuel cell system ( 1 ) according to one of claims 1 to 9 for generating electrical drive power in a vehicle ( 2 ).
DE102012014110.6A 2012-07-17 2012-07-17 The fuel cell system Withdrawn DE102012014110A1 (en)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102012014110.6A DE102012014110A1 (en) 2012-07-17 2012-07-17 The fuel cell system
PCT/EP2013/001778 WO2014012615A1 (en) 2012-07-17 2013-06-15 Fuel cell system

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102012014110.6A DE102012014110A1 (en) 2012-07-17 2012-07-17 The fuel cell system

Publications (1)

Publication Number Publication Date
DE102012014110A1 true DE102012014110A1 (en) 2014-01-23

Family

ID=48656018

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE102012014110.6A Withdrawn DE102012014110A1 (en) 2012-07-17 2012-07-17 The fuel cell system

Country Status (2)

Country Link
DE (1) DE102012014110A1 (en)
WO (1) WO2014012615A1 (en)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2019166122A1 (en) * 2018-02-27 2019-09-06 Robert Bosch Gmbh Fuel cell system
DE102019212398A1 (en) * 2019-08-20 2021-02-25 Audi Ag Charge air cooler and fuel cell system
WO2021259768A1 (en) * 2020-06-23 2021-12-30 Robert Bosch Gmbh Thermal transfer in the cathode path of a fuel cell system by means of the evaporation/condensation of product water
DE102022108522B3 (en) 2022-04-08 2023-05-04 Audi Aktiengesellschaft Fuel cell device and method for treating and using the exhaust gas on the cathode side

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102014224380A1 (en) * 2014-11-28 2016-06-02 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Method for the predictive operation of a motor vehicle with a fuel cell system

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102009014743A1 (en) 2009-03-25 2010-09-30 Daimler Ag Fuel cell system has low-temperature fuel cell, which is operated with compressed air on cathode side, and liquid is partially supplied to side of heat exchanger from liquid separators, where compressed air flows on other side
DE102009043569A1 (en) 2009-09-30 2011-04-07 Daimler Ag Method for operating a fuel cell system

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
AT502353B1 (en) * 2006-06-29 2007-07-15 Avl List Gmbh Combined humidifier and heat exchanger unit for e.g. proton exchange membrane-fuel cell, has feed line with branch lines that are conducted across heat exchanger integrated into coolant circuit of low-temperature fuel cell
DE102006043573A1 (en) * 2006-09-16 2008-03-27 Daimler Ag Liquid water discharge decreasing method for fuel cell system, involves cooling fuel cell by using cooling agent in cooling circuit, and heating damp exhaust gas before discharging from fuel cell system by cooling agent
DE102010033772A1 (en) * 2010-08-09 2012-02-09 Daimler Ag Fuel cell i.e. polymer electrolyte membrane fuel cell, system for generating electrical drive energy in e.g. car, has heat exchanger with three regions, where supply air stream, exhaust air stream and coolant flow through respective regions

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102009014743A1 (en) 2009-03-25 2010-09-30 Daimler Ag Fuel cell system has low-temperature fuel cell, which is operated with compressed air on cathode side, and liquid is partially supplied to side of heat exchanger from liquid separators, where compressed air flows on other side
DE102009043569A1 (en) 2009-09-30 2011-04-07 Daimler Ag Method for operating a fuel cell system

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2019166122A1 (en) * 2018-02-27 2019-09-06 Robert Bosch Gmbh Fuel cell system
DE102019212398A1 (en) * 2019-08-20 2021-02-25 Audi Ag Charge air cooler and fuel cell system
WO2021259768A1 (en) * 2020-06-23 2021-12-30 Robert Bosch Gmbh Thermal transfer in the cathode path of a fuel cell system by means of the evaporation/condensation of product water
DE102022108522B3 (en) 2022-04-08 2023-05-04 Audi Aktiengesellschaft Fuel cell device and method for treating and using the exhaust gas on the cathode side

Also Published As

Publication number Publication date
WO2014012615A1 (en) 2014-01-23

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP3269002B1 (en) Cooling assembly for cooling a fuel cell
DE102011111742A1 (en) The fuel cell system
DE102010011556A1 (en) Device for supplying e.g. natural gas to proton exchange membrane fuel cell for driving of e.g. land vehicle, has heat exchanger arranged between releasing device and drive unit such that relaxed gaseous fuel contacts medium to be cooled
DE102004016375A1 (en) Fuel cell system used in powering vehicle, such as bus, has T connection provided between first branch and second branch and main cycle
DE102009009675A1 (en) Fuel cell system with at least one fuel cell
WO2019166122A1 (en) Fuel cell system
DE102012014110A1 (en) The fuel cell system
DE102009051476A1 (en) Fuel cell system with at least one fuel cell
DE102012018874A1 (en) The fuel cell system
DE102011122306A1 (en) Fuel cell system i.e. proton exchange membrane fuel cell system, for vehicle, has bypass valve arranged in exhaust pipe after fuel cell for bypassing components, where valve acts immediately up on or integrated in cathode chamber
DE102012008494A1 (en) Fuel cell system for vehicle e.g. bus, has cooler for delivering heat to environment through heating pipeline, and valve that is arranged in heating pipeline to control heat flow through heating pipe
DE102015001352A1 (en) The fuel cell system
DE102012003922A1 (en) Fuel cell system used for e.g. motor car, has fuel cell stack which is provided with terminals and ports for supply and discharge of reactants
DE102010008205A1 (en) Fuel cell system with at least one fuel cell
DE102008045170A1 (en) Electrical energy generating device for propulsion of e.g. fuel cell vehicle, has heat exchanger for cooling electrical and/or electronic power component, electrical drive unit and fuel recirculation blower of fuel cell system
DE102012018712A1 (en) Air conveying device for supplying air to fuel cell system in vehicle, has compressor propelled with electric machine and intercooler, where electric machine is cooled by cooling medium in cooling circuit at intercooler
DE102015005978A1 (en) Method for operating a fuel cell system
DE102012023828A1 (en) Fuel cell system for fuel cell vehicle i.e. omni bus, has fuel cell and system components that are enclosed by system housing, and cooling heat exchanger, where air flow passing through system housing is produced by air conveying device
DE102013007207A1 (en) Apparatus for the treatment of air
EP2399314B1 (en) Fuel cell system comprising at least one fuel cell
DE102017011715A1 (en) Process for the regeneration of a fuel cell
DE102014209506A1 (en) Fuel cell device with heat transfer device and motor vehicle with fuel cell device
DE102012007382A1 (en) Fuel cell system used in fuel cell vehicle, has expansion unit that is provided between primary fuel cell stack and secondary fuel cell stack so that exhaust gas is passed through expansion unit
DE102012020648A1 (en) Rotary valve
DE102010047523A1 (en) Fuel cell system for use in e.g. ships, has air inlet pipe placed between burner and compressor in flow direction subsequent to compressor components, where hot exhaust gases of burner flow from cathode region of fuel cell

Legal Events

Date Code Title Description
R119 Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee
R079 Amendment of ipc main class

Free format text: PREVIOUS MAIN CLASS: H01M0008040000

Ipc: H01M0008040070