DE102013003599A1 - Fuel cell system used for providing drive power to propelled vehicle, has protection element that is arranged between mouth and water vapor permeable membrane of humidifier by opening line element on downstream side of humidifier - Google Patents

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Simon Hollnaicher
Simon Steinhübl
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Abstract

The system (1) has anode circuit is provided for connecting output of anode compartment to input of anode compartment (5) of fuel cell (3). A water separator is provided in anode circuit. A line element (13) is provided for connecting water separator (11) to air supply line (14) connected to cathode compartment (4) of cell. A humidifier (16) with water vapor permeable membrane (17) is arranged in air supply line. The line element on downstream side of humidifier is opened out, so that impact protection element (22) is arranged between mouth and membrane of humidifier.

Description

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

Brennstoffzellensysteme sind aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. Sie können beispielsweise Brennstoffzellen nutzen, welche als Brennstoffzellenstapel bzw. Brennstoffzellenstack aus einer Vielzahl von Einzelzellen aufgebaut sind. Die Einzelzellen können dabei vorzugsweise in PEM-Technologie realisiert werden. Derartige Brennstoffzellensysteme sind allgemein bekannt und üblich und werden beispielsweise zur Bereitstellung von elektrischer Antriebsleistung in Fahrzeugen eingesetzt. Aus dem gattungsgemäßen Stand der Technik in Form der WO 2008/052578 A1 ist es nun bekannt, dass Anodenabgas in einem sogenannten Anodenkreislauf bzw. Brennstoffkreislauf, wie er in der erwähnten WO-Schrift genannt wird, um den Anodenraum geführt wird. In diesem Anodenkreislauf reichert sich mit der Zeit Wasser und inertes Gas, welches durch die Membranen vom Kathodenraum in den Anodenraum der Brennstoffzelle diffundiert, an. Um dieses Wasser und das inerte Gas von Zeit zu Zeit oder in Abhängigkeit eines Füllstands des Wasserabscheiders abzulassen, schlägt die gattungsgemäße Schrift vor, dass Wasser und Gas beispielsweise in die Zuluftleitung zu dem Kathodenraum der Brennstoffzelle eingedüst werden. Hier ist typischerweise ohnehin eine Befeuchtung notwendig und am Katalysator des Kathodenraums kann mit austretender Restwasserstoff mit dem dort vorhandenen Sauerstoff zu Wasser abreagieren. Hierdurch werden Wasserstoffemissionen an die Umgebung sicher und zuverlässig verhindert.Fuel cell systems are known from the general state of the art. You can for example use fuel cells, which are constructed as a fuel cell stack or fuel cell stack of a plurality of single cells. The individual cells can be realized preferably in PEM technology. Such fuel cell systems are well known and common and are used, for example, to provide electric drive power in vehicles. From the generic state of the art in the form of WO 2008/052578 A1 It is now known that anode exhaust gas in a so-called anode circuit or fuel cycle, as it is mentioned in the aforementioned WO-document, is guided around the anode compartment. Over time, water and inert gas, which diffuses through the membranes from the cathode space into the anode space of the fuel cell, accumulate in this anode circuit. In order to discharge this water and the inert gas from time to time or as a function of a fill level of the water separator, the generic document proposes that water and gas be injected, for example, into the supply air line to the cathode space of the fuel cell. In this case, moistening is typically necessary in any case, and it is possible for the catalyzer of the cathode compartment to react with water leaving the residual hydrogen with the oxygen present there. As a result, hydrogen emissions to the environment safely and reliably prevented.

Die Problematik liegt nun insbesondere darin, dass bei diesem Aufbau je nach Lastfall des Brennstoffzellensystems gegebenenfalls zu einem ungünstigen Zeitpunkt so viel Wasser in den Zuluftstrom zu dem Kathodenraum eingedüst wird, dass Wasser wichtige Gasführungskanäle in dem Kathodenraum benetzt und damit dafür sorgt, dass einzelne Zellen nicht mehr ausreichend mit Luft bzw. Sauerstoff versorgt werden. In diesen Zellen fällt dann die Spannung stark ab, man spricht von sogenannten „Low-Cells”. Dies ist für die Performance der Brennstoffzelle überaus schädlich und kann insbesondere zu einem bleibenden Schaden im Bereich der Einzelzellen, welche in der Spannung abgefallen sind, führen, da dies beispielsweise bis zu einer Umpolung der Einzelzellen führen kann, welche dann „zerstört” wären.The problem now lies in the fact that in this structure, depending on the load of the fuel cell system optionally at an unfavorable time so much water is injected into the supply air to the cathode compartment that water wets important gas guide channels in the cathode compartment and thus ensures that individual cells not be sufficiently supplied with air or oxygen. In these cells, then the voltage drops sharply, one speaks of so-called "low-cells". This is extremely detrimental to the performance of the fuel cell and can in particular lead to a permanent damage in the area of the individual cells which have dropped in voltage, as this can lead, for example, to a reversal of the polarity of the individual cells, which would then be "destroyed".

Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, ein Brennstoffzellensystem gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 anzugeben, welches diesen Nachteil mindert oder gänzlich vermeidet.The object of the present invention is now to provide a fuel cell system according to the preamble of claim 1, which reduces this disadvantage or completely avoids.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den restlichen abhängigen Unteransprüchen.This object is achieved by a fuel cell system having the features in the characterizing part of claim 1. Advantageous embodiments and further developments emerge from the remaining dependent subclaims.

Bei dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem ist es nun vorgesehen, dass in der üblichen Art und Weise ein Befeuchter, welcher insbesondere als Gas/Gas-Befeuchter ausgebildet ist, in der Zuluftleitung zu dem Kathodenraum der Brennstoffzelle angeordnet ist. Ein Leitungselement, welches einen Wasserabscheider mit der Zuluftleitung verbindet, mündet nun erfindungsgemäß auf der stromabwärts angeordneten Seite des Befeuchters in diesen, wobei zwischen der Mündung und den für Wasserdampf durchlässigen Membranen des Befeuchters ein Prallschutz angeordnet ist. Eine solche Eindüsung in den stromabwärtsseitigen Teil des Befeuchters ermöglicht eine sehr gute und gleichmäßige Verteilung der eingebrachten Gase und des in dampfförmiger Form eingebrachten Wassers in den Zuluftstrom zur Kathode, weil durch den Befeuchter ein vergleichsweise breiter Strömungsquerschnitt vorliegt, welcher nach dem Durchströmen der Membranen des Befeuchters eine vergleichsweise langsame und gleichmäßig über den Querschnitt verteilte Strömung aufweist. Durch das Einbringen der gasförmigen Stoffe in diesen Stoffstrom wird daher eine besonders gute Verteilung erreicht, was letztlich zu einer Verminderung der Gefahr des Eintrags von flüssigem Wasser in vergleichsweise hoher Menge an einzelnen punktuellen Stellen des Brennstoffzellenstapels führt.In the fuel cell system according to the invention, it is now provided that in the usual manner a humidifier, which is designed in particular as a gas / gas humidifier, is arranged in the supply air line to the cathode space of the fuel cell. A line element, which connects a water separator with the supply air, now opens according to the invention on the downstream side of the humidifier in this, wherein between the mouth and the water vapor permeable membranes of the humidifier an impact protection is arranged. Such an injection into the downstream part of the humidifier allows a very good and uniform distribution of the introduced gases and introduced in vapor form water in the supply air to the cathode, because through the humidifier a comparatively wide flow cross section is present, which after flowing through the membranes of the humidifier has a comparatively slow and evenly distributed over the cross-section flow. By introducing the gaseous substances into this stream therefore a particularly good distribution is achieved, which ultimately leads to a reduction in the risk of entry of liquid water in a relatively large amount of individual points of the fuel cell stack.

Über den Prallschutz wird außerdem dafür gesorgt, dass flüssiges Wasser nicht unmittelbar in den Bereich der Membranen des Befeuchters gelangt und diese zusetzt, da hierdurch das Problem der mit Wasser zugesetzten Membranen lediglich von der Brennstoffzelle auf den Befeuchter verlagert würde, was in der Praxis nicht erwünscht ist, da eine nicht ausreichende Befeuchtung für die Brennstoffzelle selbst ebenfalls schnell zu einem gravierenden Problem führen kann.The impact protection is also ensured that liquid water does not reach directly into the area of the membranes of the humidifier and this adds, as this would be the problem of water-added membranes only shifted from the fuel cell to the humidifier, which is not desirable in practice is because insufficient humidification for the fuel cell itself can also quickly lead to a serious problem.

In einer besonders günstigen Weiterbildung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems ist es darüber hinaus vorgesehen, dass zwischen der Mündung des Leitungselements und dem Gasaustritt aus dem Befeuchter ein Wasserablauf angeordnet ist. Ein solcher zusätzlicher Wasserablauf aus dem Befeuchter, und zwar zwischen der Mündung des Leitungselements und dem Gasaustritt aus dem Befeuchter, kann nun dafür sorgen, dass mitgerissenes Wasser durch den Wasserablauf ablaufen kann. Hierdurch wird die Gefahr, dass dieses Wasser inhomogen verteilt punktuell in den Brennstoffzellenstapel gelangt, noch weiter verringert, wodurch eine weitere Verbesserung hinsichtlich der eingangs geschilderten Problematik erzielt wird. In einer weiteren sehr günstigen Ausgestaltung hiervon kann es dabei vorgesehen sein, dass der Wasserablauf im bestimmungsgemäßen Einsatz in Richtung der Schwerkraft unten angeordnet ist. Eine solche Anordnung des Wasserablaufs unten sorgt dafür, dass durch die Schwerkraft das Wasser über den Wasserablauf abfließen kann. Dieser kann dann beispielsweise direkt mit der Kathodenabluft oder beispielsweise auch mit einem in der Kathodenabluft angeordneten Wasserabscheider in Verbindung stehen.In a particularly favorable development of the fuel cell system according to the invention, it is additionally provided that a water outlet is arranged between the mouth of the line element and the gas outlet from the humidifier. Such additional water drainage from the humidifier, between the mouth of the duct element and the gas outlet from the humidifier, can now ensure that entrained water can drain through the water drainage. As a result, the risk that this water inhomogeneously distributed reaches the fuel cell stack, even further reduced, whereby a further improvement in terms of the above-described problem is achieved. In a further very favorable embodiment of this, it can be provided that the water drain is arranged in the intended use in the direction of gravity below. Such an arrangement of the water drain below ensures that gravity can drain the water over the water drain. This can then be, for example, directly with the cathode exhaust air or, for example, with a arranged in the cathode exhaust water in combination.

In einer weiteren sehr günstigen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems kann es nun außerdem vorgesehen sein, dass das Leitungselement so in den Befeuchter mündet, dass die Strömung aus dem Leitungselement mit einer im bestimmungsgemäßen Einsatz in Richtung der Schwerkraft nach oben weisenden Richtungskomponente in den Befeuchter strömt. Ein solches Einströmen des Leitungselements, durch welchen der Wasser und/oder Gas in den Befeuchter gelangt, schräg nach oben unterstützt eine möglichst gleichmäßige Verteilung der gasförmigen Bestandteile in dem nach dem Durchströmen der Membranen des Befeuchters aufgefächerten Zuluftstrom zu dem Kathodenraum und erlaubt es im Gegenzug, das Wasser sich im unteren Bereich sammeln und beispielsweise durch den Wasserablauf, sofern dieser vorhanden ist, nach unten ablaufen kann.In a further very favorable embodiment of the fuel cell system according to the invention, it can now also be provided that the line element flows into the humidifier so that the flow from the line element flows into the humidifier with a directional component pointing upwards in the intended use. Such an inflow of the line element, through which the water and / or gas enters the humidifier, obliquely upward supports a uniform distribution of the gaseous components in the fanned after flowing through the membranes of the humidifier supply air flow to the cathode space and allows in return, the water can collect in the lower area and, for example through the water drain, if it is present, can run down.

In einer weiteren sehr günstigen Ausgestaltung kann es nun außerdem vorgesehen sein, dass das Leitungselement so in den Befeuchter mündet, dass die Strömung aus dem Leitungselement in Richtung der Strömungsrichtung der aus dem Befeuchter abströmenden Zuluft in den Befeuchter strömt. Eine solche Einströmung mit einer Komponente in Strömungsrichtung zur Zuluftströmung aus dem Befeuchter ermöglicht ein Einbringen, welches einen geringen Druckverlust und wenig Störungen der Strömung in der Zuluftleitung bewirkt. Dies ist insbesondere für eine gleichmäßige Strömung, welche beispielsweise von einem Luftmassenstromsensor erfasst werden soll, von entscheidendem Vorteil. Außerdem sorgt es dafür, dass keine unnötig hohen Druckverluste auftreten, was im Hinblick auf die zur Förderung der Zuluft benötigte Leistung einen Vorteil darstellt. Es kann dabei insbesondere vorgesehen sein, dass die beiden zuletzt beschriebenen Varianten so miteinander kombiniert sind, dass das Leitungselement schräg nach oben mit einer Schräge in Strömungsrichtung in den Befeuchter mündet, sodass die beschriebenen Vorteile beide erzielt werden können.In a further very favorable configuration, it can now also be provided that the line element opens into the humidifier so that the flow from the line element flows in the direction of the flow direction of the incoming air flowing out of the humidifier into the humidifier. Such inflow with a component in the flow direction to the supply air flow from the humidifier allows an introduction, which causes a low pressure drop and little disruption of the flow in the supply air line. This is especially for a uniform flow, which is to be detected for example by an air mass flow sensor, a decisive advantage. In addition, it ensures that no unnecessarily high pressure losses occur, which is an advantage in terms of the power required to promote the supply air. It may be provided in particular that the two last-described variants are combined with one another such that the line element opens obliquely upward with a slope in the flow direction in the humidifier, so that the described advantages can both be achieved.

Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem erlaubt dabei einen dynamischen Betrieb, welcher immer bestmöglichst sicherstellt, dass eine Beeinträchtigung der Brennstoffzelle durch flüssiges Wasser, welches über das Leitungselement zum Kathodenraum gelangt, unterbunden wird. Hierdurch ist es insbesondere für ein Brennstoffzellensystem geeignet, welches hinsichtlich seiner Lastanforderungen hochdynamisch betrieben wird. Dies ist typischerweise bei Brennstoffzellensystemen der Fall, welche in Fahrzeugen zur Bereitstellung von elektrischer Antriebsleistung eingesetzt werden, da Fahrzeuge typischerweise mit einem hochdynamischen Leistungsbedarf betrieben werden. Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem kann also besonders bevorzugt in einem Fahrzeug zur Bereitstellung von elektrischer Antriebsleistung verwendet werden.The fuel cell system according to the invention allows a dynamic operation, which always optimally ensures that an impairment of the fuel cell by liquid water, which passes through the line element to the cathode compartment, is prevented. This makes it particularly suitable for a fuel cell system, which is operated highly dynamically with respect to its load requirements. This is typically the case with fuel cell systems used in vehicles to provide electric propulsion power because vehicles are typically operated with a high dynamic power demand. The fuel cell system according to the invention can therefore be used particularly preferably in a vehicle for the provision of electrical drive power.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems sowie seiner Verwendung 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 and its use 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 prinzipmäßig angedeutetes Fahrzeug mit einem Brennstoffzellensystem; und 1 a principle indicated vehicle with a fuel cell system; and

2 eine mögliche Ausführungsform einer Mündung eines Leitungselements in einen Befeuchter in einem Brennstoffzellensystem gemäß der Erfindung. 2 a possible embodiment of a mouth of a conduit element in a humidifier in a fuel cell system according to the invention.

In der Darstellung der 1 ist ein Brennstoffzellensystem 1 prinzipmäßig angedeutet, welches in einem Fahrzeug 2 zur Bereitstellung von elektrischer Antriebsleistung eingesetzt sein soll. Das Brennstoffzellensystem 1 ist dabei lediglich mit den für die Erfindung relevanten Komponenten in der Darstellung der 1 angedeutet. Es kann weitere Komponenten und Ausgestaltungen aufweisen, welche dem Fachmann geläufig sind, und welche auch hier zum Einsatz kommen könnten.In the presentation of the 1 is a fuel cell system 1 indicated in principle, which in a vehicle 2 should be used to provide electrical drive power. The fuel cell system 1 is only with the relevant components of the invention in the representation of 1 indicated. It may have other components and configurations which are familiar to the person skilled in the art and which could also be used here.

Den Kern des Brennstoffzellensystems 1 bildet eine Brennstoffzelle 3, welche als Stapel von Einzelzellen, als sogenannter Brennstoffzellenstack, aufgebaut ist. Jede der Einzelzellen umfasst dabei einen Anodenbereich, einen Kathodenbereich sowie eine Membran und einen Bereich für Kühlmittel. Rein beispielhaft sind in der Darstellung der 1 ein Kathodenraum 4, ein Anodenraum 5 sowie eine dazwischen angeordnete Membran 6 prinzipmäßig angedeutet. Dem Anodenraum 5 der Brennstoffzelle 3 wird Wasserstoff aus einem Druckgasspeicher 7 über ein Druckregel- und Dosierventil 8 zugeführt. Nicht verbrauchter Wasserstoff gelangt zusammen mit Inertgasen, welche durch die Membranen 6 vom Kathodenraum 4 in den Anodenraum 5 diffundiert sind und mit im Anodenraum 5 entstandenem Produktwasser, über eine Rezirkulationsleitung 9 eines sogenannten Anodenkreislaufs zurück zum Eingang des Anodenraums 5 und wird diesem vermischt mit frischem Wasserstoff erneut zugeführt. Um die Druckverluste in der Brennstoffzelle 3 bzw. dem Anodenraum 5 und der Rezirkulationsleitung 9 auszugleichen, ist in der Rezirkulationsleitung 9 eine Rezirkulationsfördereinrichtung 10 vorgesehen. Diese ist hier rein beispielhaft als Gebläse dargestellt. Neben einem solchen Wasserstoffrezirkulationsgebläse könnte die Rezirkulationsfördereinrichtung 10 auch als Gasstrahlpumpe ausgebildet sein, welche durch den frischen Wasserstoff nach dem Druckregel- und Dosierventil 8 angetrieben wird, um durch Unterdruck und Impulsaustausch den Gasstrom aus der Rezirkulationsleitung 9 entsprechend anzusaugen und in Richtung des Anodenraums 5 der Brennstoffzelle 3 zu fördern. Auch eine Kombination aus Gasstrahlpumpe und Gebläse als Rezirkulationsfördereinrichtung 10 ist bekannt und wäre hier möglich.The core of the fuel cell system 1 forms a fuel cell 3 , which is constructed as a stack of individual cells, as a so-called fuel cell stack. Each of the individual cells comprises an anode region, a cathode region and a membrane and a region for coolant. By way of example, in the illustration of the 1 a cathode compartment 4 , an anode room 5 and a diaphragm disposed therebetween 6 indicated in principle. The anode compartment 5 the fuel cell 3 becomes hydrogen from a compressed gas storage 7 via a pressure regulating and dosing valve 8th fed. Unconsumed hydrogen gets along with it Inert gases passing through the membranes 6 from the cathode compartment 4 in the anode compartment 5 are diffused and with in the anode compartment 5 produced product water, via a recirculation line 9 a so-called Anodenkreislaufs back to the entrance of the anode compartment 5 and is added to this mixed with fresh hydrogen again. To the pressure losses in the fuel cell 3 or the anode space 5 and the recirculation line 9 is in the recirculation line 9 a recirculation conveyor 10 intended. This is shown here purely as a blower. In addition to such a hydrogen circulation blower, the recirculation conveyor 10 Also be designed as a gas jet pump, which by the fresh hydrogen after the pressure control and metering valve 8th is driven to by vacuum and momentum exchange the gas flow from the recirculation line 9 suck in and in the direction of the anode compartment 5 the fuel cell 3 to promote. Also a combination of gas jet pump and blower as recirculation conveyor 10 is known and would be possible here.

Wie bereits erwähnt, werden durch die Rezirkulationsleitung 9 Wasser und inerte Gase transportiert. Das Wasser wird dabei in einem Wasserabscheider 11 in der Rezirkulationsleitung 9 abgeschieden, um zu verhindern, dass es in flüssiger Form in großer Menge zurück in den Anodenraum gelangt und dort die gasführenden Kanäle flutet, was zu einer erheblichen Beeinträchtigung der elektrochemischen Performance der Brennstoffzelle 3 führen könnte. Dieses Wasser wird, wie es aus dem Stand der Technik bekannt ist, zusammen mit Gas beispielsweise in Abhängigkeit des Füllstands des Wasserabscheiders 11 oder von Zeit zu Zeit aus dem Anodenkreislauf abgelassen, einerseits um das Wasser zu entfernen (der sogenannte Drain) und andererseits um Inertgase abzublasen (sogenannter Purge), um eine ausreichend hohe Wasserstoffkonzentration in dem Anodenkreislauf über die Dauer des Betriebs hinweg zu gewährleisten. Die abgelassenen Gase und das abgelassene Wasser, welche in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel über ein kombiniertes Purge/Drain-Ventil 12 abgelassen werden, gelangen über ein Leitungselement 13 in an sich bekannter Art und Weise in eine Zuluftleitung 14 zu dem Kathodenraum 4 der Brennstoffzelle 3. In den Gasen unvermeidlich immer enthaltener Wasserstoff wird dann am Katalysator des Kathodenraums 4 zusammen mit dem Sauerstoff aus der Luft umgesetzt, sodass Wasserstoffemissionen an die Umgebung sicher und zuverlässig verhindert werden können.As already mentioned, through the recirculation line 9 Transported water and inert gases. The water is in a water separator 11 in the recirculation line 9 deposited to prevent it in liquid form in large amount back into the anode compartment and there flooding the gas-carrying channels, resulting in a significant impairment of the electrochemical performance of the fuel cell 3 could lead. This water is, as known from the prior art, together with gas, for example, depending on the level of the water separator 11 or from time to time discharged from the anode circuit, on the one hand to remove the water (the so-called drain) and on the other hand to blow off inert gases (so-called purge) to ensure a sufficiently high concentration of hydrogen in the anode cycle over the duration of the operation away. The vented gases and the drained water, which in the embodiment shown here via a combined purge / drain valve 12 be drained, get over a pipe element 13 in a conventional manner in a supply air line 14 to the cathode compartment 4 the fuel cell 3 , In the gases inevitably always contained hydrogen is then at the catalyst of the cathode compartment 4 reacted with the oxygen from the air, so that hydrogen emissions to the environment can be safely and reliably prevented.

Dem Kathodenraum 4 der Brennstoffzelle 3 wird nun wie bereits erwähnt Luft über die Zuluftleitung 14 als Sauerstofflieferant zugeführt. Hierfür dient eine Luftfördereinrichtung 15, welche beispielsweise als Strömungsverdichter ausgebildet sein kann. Die Luftfördereinrichtung 15 fördert einen Luftstrom durch die Zuluftleitung 14 und einen Befeuchter 16 zu dem Kathodenraum 4 der Brennstoffzelle 3. Im Befeuchter 16 wird die Luft dabei durch für Wasserdampf durchlässige Membranen 17 hindurch befeuchtet. Von den Membranen 17 ist dabei in der Darstellung der 1 lediglich eine beispielhaft angedeutet, analog zur prinzipmäßigen Darstellung der Brennstoffzelle 3. Die Abluft aus dem Kathodenraum 4 der Brennstoffzelle 3 strömt wiederum durch den Befeuchter 16 und dient in diesem auf der anderen Seite der Membranen 17 als Feuchtelieferant. Die in der Brennstoffzelle entstehende Feuchte in Form des Produktwassers wird so genutzt, um die über die Zuluftleitung 14 zu dem Kathodenraum 4 der Brennstoffzelle 3 strömende Zuluft zu befeuchten.The cathode compartment 4 the fuel cell 3 is now as already mentioned air over the supply air line 14 supplied as an oxygen supplier. For this purpose, an air conveyor is used 15 , which may be formed for example as a flow compressor. The air conveyor 15 promotes an air flow through the supply air line 14 and a humidifier 16 to the cathode compartment 4 the fuel cell 3 , In the humidifier 16 The air is thereby permeable to water vapor membranes 17 through moistened. From the membranes 17 is in the presentation of the 1 merely an example indicated, analogous to the basic representation of the fuel cell 3 , The exhaust air from the cathode compartment 4 the fuel cell 3 flows in turn through the humidifier 16 and serves in this on the other side of the membranes 17 as a moisture supplier. The moisture produced in the fuel cell in the form of the product water is thus used to supply the air via the supply air line 14 to the cathode compartment 4 the fuel cell 3 humidifying incoming supply air.

In dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel ist außerdem in einer Abluftleitung 18 in Strömungsrichtung nach dem Befeuchter 16 ein Wasserabscheider 19 angeordnet, um Flüssigkeit aus der Abluft zu entfernen. Danach strömt die von flüssigen Tröpfchen befreite Abluft über eine Abluftturbine 20, welche zusammen mit einer elektrischen Maschine 21 auf derselben Welle wie die Luftfördereinrichtung 15 angeordnet ist. Dieser Aufbau dient dazu, dass die im Bereich der Abluftturbine 20 zurückgewonnene Energie in Form von Druck und Wärme aus der Abluft genutzt werden kann, um die Luftfördereinrichtung 15 mitanzutreiben. Der Aufbau ist aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt und wird als elektrischer Turbolader oder ETC (Electric Turbo Charger) bezeichnet.In the embodiment shown here is also in an exhaust duct 18 in the direction of flow after the humidifier 16 a water separator 19 arranged to remove liquid from the exhaust air. Thereafter, the exhaust air freed of liquid droplets flows through an exhaust air turbine 20 , which together with an electric machine 21 on the same shaft as the air conveyor 15 is arranged. This structure serves to ensure that in the area of the exhaust air turbine 20 recovered energy in the form of pressure and heat from the exhaust air can be used to the air conveyor 15 mitanzutreiben. The structure is known from the general state of the art and is referred to as an electric turbocharger or ETC (Electric Turbo Charger).

Nun ist es so, dass das Einbringen von Wasser und Gas über die Leitungselement 13 in die Zuluftleitung 14 gelegentlich zu Problemen führen kann, wenn es zu einer ungleichmäßigen Verteilung kommt und beispielsweise bei niedriger Last der Brennstoffzelle 3 und damit einhergehenden niedrigen Massenstrom der Luft in der Zuluftleitung 14 eine vergleichsweise hohe Menge an Wasser in die Zuluft eingebracht wird. Es kann dann zu einem Fluten einzelner Bereiche des Kathodenraums 4 mit dem Wasser kommen, was letztlich zu einem Abfall der Spannung in einzelnen Zellen des Brennstoffzellenstapels führt, sodass dieser die gewünschte Performance nicht liefern kann.Now it is such that the introduction of water and gas through the conduit element 13 in the supply air line 14 occasionally can cause problems when it comes to an uneven distribution and, for example, at low load of the fuel cell 3 and concomitant low mass flow of air in the supply air line 14 a relatively high amount of water is introduced into the supply air. It can then lead to flooding of individual areas of the cathode space 4 come with the water, which ultimately leads to a drop in voltage in individual cells of the fuel cell stack, so that it can not deliver the desired performance.

Bei dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem ist es deshalb vorgesehen, dass das Leitungselement 13 auf der stromabwärts angeordneten Seite des Befeuchters 16 in diesen mündet. Dies ist in der Darstellung der 2 in einem möglichen Ausführungsbeispiel zu erkennen. Dabei sind in der Darstellung der 2 ein Teil der Membranen 17 des Befeuchters 16 sowie sein stromabwärts gewandtes Ende zu erkennen. Der Befeuchter 16 weist dabei einen größeren Querschnitt auf, als die Zuluftleitung 14 in Strömungsrichtung vor und, wie aus der 2 zu erkennen ist, nach dem Befeuchter. In das stromabwärts gewandte Ende des Befeuchters 16 mündet nun schräg von unten im bestimmungsgemäßen Einsatz das Leitungselement 13, über welches Wasser und Gas in den Zuluftstrom eingebracht wird. Über einen Prallschutz 22 wird verhindert, dass flüssige Tröpfchen unmittelbar in den Bereich der Membranen 17 des Befeuchters 16 gelangen. Das eingebrachte Gas und das eingebrachte Wasser kann sich so relativ gleichmäßig auf die nach der Durchströmung der Membranen 17 gleichmäßige und einen großen Strömungsquerschnitt und damit eine langsame Strömungsgeschwindigkeit aufweisende Gasströmung des Zuluftstroms aufteilen und wird gleichmäßig mit dieser vermischt in Richtung des Kathodenraums 14 strömen.In the fuel cell system according to the invention, it is therefore provided that the conduit element 13 on the downstream side of the humidifier 16 in this opens. This is in the presentation of 2 to recognize in a possible embodiment. Here are in the presentation of the 2 a part of the membranes 17 of the humidifier 16 and to recognize its downstream end. The humidifier 16 has a larger cross-section than the supply air line 14 in the flow direction before and, as from 2 it can be seen after the humidifier. Into the downstream end of the humidifier 16 opens now obliquely from below in the intended use, the conduit element 13 , via which water and gas is introduced into the supply air stream. About an impact protection 22 prevents liquid droplets directly in the area of the membranes 17 of the humidifier 16 reach. The introduced gas and the introduced water can be so relatively even after the flow through the membranes 17 uniform and a large flow cross section and thus a slow flow velocity having gas flow of the supply air flow split and is evenly mixed with this in the direction of the cathode space 14 stream.

Außerdem ist in dem hier dargestellten Aufbau in Richtung der Schwerkraft g unten ein Wasserablass 23 vorgesehen, welcher flüssiges Wasser, welches sich im Abströmbereich des Befeuchters 16 sammelt, aufnimmt und ableitet. Der Wasserablass 23 kann beispielsweise in die Abluftleitung 18 münden, insbesondere vor dem Wasserabscheider 19 oder in diesen, um die Abluftturbine 20 nicht mit flüssigen Tröpfchen zu belasten. Ist keine Abluftturbine 20 vorhanden, was bei alternativen Aufbauten des Brennstoffzellensystems 1 selbstverständlich auch denkbar ist, dann kann der Wasserablass 23 auch unmittelbar in die Abluft geleitet werden. Ebenso wäre es denkbar, den Wasserablass 23 beispielsweise direkt in die Umgebung abzuleiten, um so das Wasser in die Umgebung abzuführen.In addition, in the structure shown here in the direction of gravity g down a drainage 23 provided, which liquid water, which is in the outflow of the humidifier 16 collects, absorbs and deduces. The drainage 23 For example, in the exhaust duct 18 lead, in particular in front of the water separator 19 or in these, to the exhaust air turbine 20 not to be burdened with liquid droplets. Is not an exhaust air turbine 20 present, which in alternative constructions of the fuel cell system 1 Of course, also conceivable, then the water drainage 23 be routed directly into the exhaust air. It would also be possible to drain the water 23 For example, to divert directly into the environment, so as to dissipate the water into the environment.

Der beschriebene Aufbau ermöglicht sehr einfach und effizient ein Einströmen von Wasser und Gas über das Leitungselement 13 in die Zuluftleitung 14 bzw. in die stromabwärts liegende Seite des Befeuchters 16 und erlaubt so ein Einbringen von Wasser und Gas in den Zuluftstrom, ohne dass die Gefahr besteht, dass Teile des Kathodenraums 4 mit dem Wasser geflutet und in ihrer Leistungsfähigkeit beeinträchtigt werden. Hierdurch wird es möglich, mit einer einzigen Leitung Wasser und Gas aus dem Anodenkreislauf abzulassen, ohne die Performance der Brennstoffzelle 3 zu gefährden. Der entscheidende Vorteil gegenüber einem Ablassen in die Abluft liegt dabei darin, dass durch das Ablassen in die Zuluftleitung 14 sichergestellt wird, dass keine Wasserstoffemissionen an die Umgebung entstehen, weil Wasserstoff, welcher unweigerlich immer auch über das Leitungselement 13 mit abströmt, an dem Katalysator des Kathodenraums 4 mit Sauerstoff zu Wasser oxidiert und damit nicht als schädliche Emission in die Umgebung gelangt.The construction described allows a very simple and efficient inflow of water and gas through the conduit element 13 in the supply air line 14 or in the downstream side of the humidifier 16 and thus allows an introduction of water and gas into the supply air flow without the risk that parts of the cathode compartment 4 flooded with water and impaired in their performance. This makes it possible to drain water and gas from the anode circuit with a single line, without the performance of the fuel cell 3 to endanger. The decisive advantage over a discharge into the exhaust air is that by the discharge into the supply air 14 it is ensured that no hydrogen emissions to the environment arise, because hydrogen, which inevitably always also via the conduit element 13 flows with, on the catalyst of the cathode compartment 4 oxidized to water with oxygen and thus does not enter the environment as a harmful emission.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • WO 2008/052578 A1 [0002] WO 2008/052578 A1 [0002]

Claims (8)

Brennstoffzellensystem (1) mit wenigstens einer Brennstoffzelle (3), welche einen Anodenraum (5) und einen Kathodenraum (4) aufweist, mit einem Anodenkreislauf, welcher den Ausgang des Anodenraums (5) mit dem Eingang des Anodenraums (5) verbindet, sowie einem Wasserabscheider (11) in dem Anodenkreislauf und einem Leitungselement (13), welches den Wasserabscheider mit einer Zuluftleitung (14) zu dem Kathodenraum (4) der Brennstoffzelle (3) verbindet, dadurch gekennzeichnet, dass in der Zuluftleitung (14) ein Befeuchter (16) mit für Wasserdampf durchlässigen Membranen (17) angeordnet ist, wobei das Leitungselement (13) auf der stromabwärts angeordneten Seite des Befeuchters (16) in diesen mündet, und wobei zwischen der Mündung und den Membranen (17) ein Prallschutz (22) angeordnet ist.Fuel cell system ( 1 ) with at least one fuel cell ( 3 ) containing an anode space ( 5 ) and a cathode compartment ( 4 ), having an anode circuit which blocks the output of the anode compartment ( 5 ) with the entrance of the anode compartment ( 5 ) and a water separator ( 11 ) in the anode circuit and a line element ( 13 ), which the water separator with an air supply line ( 14 ) to the cathode compartment ( 4 ) of the fuel cell ( 3 ), characterized in that in the supply air line ( 14 ) a humidifier ( 16 ) with membranes permeable to water vapor ( 17 ) is arranged, wherein the line element ( 13 ) on the downstream side of the humidifier ( 16 ) flows into it, and wherein between the mouth and the membranes ( 17 ) an impact protection ( 22 ) is arranged. Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Mündung des Leitungselements (13) und dem Gasaustritt aus dem Befeuchter (16) ein Wasserablauf (23) angeordnet ist.Fuel cell system ( 1 ) according to claim 1, characterized in that between the mouth of the conduit element ( 13 ) and the gas outlet from the humidifier ( 16 ) a water drain ( 23 ) is arranged. Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Wasserablauf (23) im bestimmungsgemäßen Einsatz in Richtung der Schwerkraft (g) unten angeordnet ist.Fuel cell system ( 1 ) according to claim 2, characterized in that the water outlet ( 23 ) is arranged in the intended use in the direction of gravity (g) below. Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Leitungselement (13) so in den Befeuchter (16) mündet, dass die Strömung aus dem Leitungselement (13) mit einer im bestimmungsgemäßen Einsatz in Richtung der Schwerkraft (g) nach oben weisenden Richtungskomponente in den Befeuchter (16) strömt.Fuel cell system ( 1 ) according to claim 1, 2 or 3, characterized in that the conduit element ( 13 ) so in the humidifier ( 16 ) opens, that the flow from the line element ( 13 ) with a directional component in the direction of gravity (g) pointing upwards into the humidifier ( 16 ) flows. Brennstoffzellensystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Leitungselement (13) so in den Befeuchter (16) mündet, dass die Strömung aus dem Leitungselement (13) in Richtung der Strömungsrichtung der aus dem Befeuchter abströmenden Zuluft in den Befeuchter (13) strömt.Fuel cell system ( 1 ) according to one of claims 1 to 4, characterized in that the conduit element ( 13 ) so in the humidifier ( 16 ) opens, that the flow from the line element ( 13 ) in the direction of the flow direction of the outgoing from the humidifier supply air into the humidifier ( 13 ) flows. Brennstoffzellensystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Wasserablauf (23) mit einer Abluftleitung (18) für die Abluft aus der Kathode verbunden ist.Fuel cell system ( 1 ) according to one of claims 1 to 5, characterized in that the water outlet ( 23 ) with an exhaust duct ( 18 ) is connected to the exhaust air from the cathode. Brennstoffzellensystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Wasserablauf (23) mit einem kathodenseitig in der Abluftleitung (18) angeordneten Wasserabscheider (19) verbunden ist.Fuel cell system ( 1 ) according to one of claims 1 to 6, characterized in that the water outlet ( 23 ) with a cathode side in the exhaust duct ( 18 ) arranged water separator ( 19 ) connected is. Verwendung eines Brennstoffzellensystems nach einem der Ansprüche 1 bis 7, zur Bereitstellung von elektrischer Antriebsleistung in einem zumindest teilweise elektrisch angetriebenen Fahrzeug (2).Use of a fuel cell system according to one of claims 1 to 7, for the provision of electrical drive power in an at least partially electrically driven vehicle ( 2 ).
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