DE102013015509A1 - Fuel cell system and method for operating a fuel cell system - Google Patents

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Simon Hollnaicher
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem mit einem Brennstoffzellenstapel (12), einem Befeuchter (20) zum Befeuchten eines in den Brennstoffzellenstapel (12) einbringbaren Reaktanden und einer Umgehungsleitung (30) zum Umgehen des Befeuchters (20). Die Umgehungsleitung (30) ist an eine Zuführleitung (22) angeschlossen, über welche der Befeuchter (20) mit einem Befeuchtungsmedium beaufschlagbar ist. Eine Turbine (26) eines Turboladers (16) ist über eine Abgasleitung (24) mit Abgas des Brennstoffzellenstapels (12) beaufschlagbar. Die Umgehungsleitung (30) mündet stromabwärts der Turbine (26) in die Abgasleitung (24) ein. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems (10).The invention relates to a fuel cell system comprising a fuel cell stack (12), a humidifier (20) for humidifying a reactant which can be introduced into the fuel cell stack (12) and a bypass line (30) for bypassing the humidifier (20). The bypass line (30) is connected to a supply line (22), via which the humidifier (20) can be acted upon by a humidifying medium. A turbine (26) of a turbocharger (16) can be acted upon by exhaust gas of the fuel cell stack (12) via an exhaust gas line (24). The bypass line (30) opens into the exhaust pipe (24) downstream of the turbine (26). Furthermore, the invention relates to a method for operating a fuel cell system (10).

Description

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem mit einem Brennstoffzellenstapel und einem Befeuchter zum Befeuchten eines in den Brennstoffzellenstapel einbringbaren Reaktanden. Eine Umgehungsleitung zum Umgehen des Befeuchters ist an eine Zuführleitung angeschlossen, über welche der Befeuchter mit einem Befeuchtungsmedium beaufschlagbar ist. Des Weiteren umfasst das Brennstoffzellensystem einen Turbolader, dessen Turbine über eine Abgasleitung mit Abgas des Brennstoffzellenstapels beaufschlagbar ist. Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems.The invention relates to a fuel cell system having a fuel cell stack and a humidifier for humidifying a reactant which can be introduced into the fuel cell stack. A bypass line for bypassing the humidifier is connected to a supply line, via which the humidifier can be acted upon by a humidifying medium. Furthermore, the fuel cell system comprises a turbocharger whose turbine can be acted upon via an exhaust pipe with exhaust gas of the fuel cell stack. The invention further relates to a method for operating a fuel cell system.

Die DE 10 2007 015 955 A1 beschreibt ein Brennstoffzellensystem, bei welchem einem Brennstoffzellenstapel ein Befeuchter vorgeschaltet ist, mittels welchem einer Kathode des Brennstoffzellenstapels zuführbare Zuluft befeuchtet werden kann. Die Zuluft wird hierbei mittels eines Verdichters eines Turboladers verdichtet, welcher die verdichtete Zuluft zum Befeuchter fördert. Als Befeuchtungsmedium, welches in den Befeuchter eingebracht wird, dient das Abgas der Kathode des Brennstoffzellenstapels. An eine Zuführleitung, über welche das Kathodenabgas dem Befeuchter zugeführt wird, ist eine Umgehungsleitung angeschlossen, welche stromabwärts des Befeuchters in eine Abgasleitung einmündet, über welche das vom Brennstoffzellenstapel kommende Abgas nach dem Durchströmen des Befeuchters einer Turbine des Turboladers zugeführt wird. In der Umgehungsleitung oder Bypassleitung ist ein elektrisch betätigbares Bypassventil angeordnet, welches es ermöglicht, eine Befeuchtungsleistung des Befeuchters zu verändern. Zusätzlich oder alternativ ist in einer weiteren Umgehungsleitung ein Bypassventil angeordnet, welches stromaufwärts des Befeuchters von einer Einlassleitung abzweigt und stromabwärts des Befeuchters wieder in die Einlassleitung einmündet, über welche die Kathode des Brennstoffzellenstapels mit der verdichteten Zuluft beaufschlagbar ist.The DE 10 2007 015 955 A1 describes a fuel cell system in which a fuel cell stack is preceded by a humidifier, by means of which a supply air can be humidified supplied to a cathode of the fuel cell stack. The supply air is compressed by means of a compressor of a turbocharger, which promotes the compressed supply air to the humidifier. As a humidifying medium, which is introduced into the humidifier, the exhaust gas is the cathode of the fuel cell stack. To a supply line, via which the cathode exhaust gas is supplied to the humidifier, a bypass line is connected, which opens downstream of the humidifier in an exhaust pipe through which the coming of the fuel cell stack exhaust gas is supplied after flowing through the humidifier of a turbine of the turbocharger. In the bypass line or bypass line, an electrically actuated bypass valve is arranged, which makes it possible to change a humidifying capacity of the humidifier. Additionally or alternatively, in a further bypass line, a bypass valve is arranged, which branches off upstream of the humidifier from an inlet line and downstream of the humidifier re-opens into the inlet line, via which the cathode of the fuel cell stack is acted upon with the compressed supply air.

Des Weiteren ist in der DE 10 2007 003 240 B3 ein Brennstoffzellensystem mit einer auf der Kathodenzuluftseite um den Befeuchter herumgeführten Bypassleitung beschrieben.Furthermore, in the DE 10 2007 003 240 B3 a fuel cell system with a described on the Kathodenzuluftseite around the humidifier bypass line described.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Brennstoffzellensystem der eingangs genannten Art sowie ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Brennstoffzellensystems zu schaffen, welches besonders funktionssicher ist.Object of the present invention is to provide a fuel cell system of the type mentioned above and a method for operating such a fuel cell system, which is particularly reliable.

Diese Aufgabe wird durch ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und durch ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.This object is achieved by a fuel cell system having the features of patent claim 1 and by a method for operating a fuel cell system having the features of patent claim 10. Advantageous embodiments with expedient developments of the invention are specified in the dependent claims.

Bei dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem mündet die Umgehungsleitung stromabwärts der Turbine des Turboladers in die Abgasleitung ein. Dadurch kann eine Beaufschlagung der Turbine mit dem stromaufwärts des Befeuchters in die Umgehungsleitung abgezweigten Befeuchtungsmedium verhindert werden. Das der Turbine zugeführte Abgas ist dann trockener als bei einem Brennstoffzellensystem, bei welchem die Umgehungsleitung stromaufwärts der Turbine in die Abgasleitung einmündet. Die Möglichkeit, die Turbine mit trockenerem Abgas zu beaufschlagen, wirkt sich positiv auf die Beständigkeit und Funktionssicherheit der Turbine aus. Es kann also eine besonders hohe Langlebigkeit der Turbine sichergestellt werden.In the fuel cell system according to the invention, the bypass line opens into the exhaust pipe downstream of the turbine of the turbocharger. As a result, an admission of the turbine with the humidifying medium branched off into the bypass line upstream of the humidifier can be prevented. The exhaust gas supplied to the turbine is then drier than in a fuel cell system in which the bypass line opens into the exhaust pipe upstream of the turbine. The ability to apply dry exhaust gas to the turbine has a positive effect on the durability and reliability of the turbine. So it can be ensured a particularly high longevity of the turbine.

Bevorzugt ist in der Umgehungsleitung wenigstens eine Absperreinrichtung zum zumindest partiellen Versperren oder Freigeben der Umgehungsleitung angeordnet. Dies ermöglicht es, den Befeuchtungsgrad des Reaktanden, bei welchem es sich insbesondere um die dem Brennstoffzellenstapel zugeführte Zuluft handeln kann, entsprechend den Anforderungen des Brennstoffzellenstapels und abhängig von Umweltbedingungen genau einzustellen. Als Anforderung des Brennstoffzellenstapels kann insbesondere eine Last desselben beziehungsweise ein Lastpunkt berücksichtigt werden.Preferably, at least one shut-off device for at least partially closing or releasing the bypass line is arranged in the bypass line. This makes it possible to precisely set the degree of humidification of the reactant, which may be, in particular, the supply air supplied to the fuel cell stack, in accordance with the requirements of the fuel cell stack and depending on environmental conditions. As a requirement of the fuel cell stack, in particular a load thereof or a load point can be taken into account.

Dem liegt die Erkenntnis zugrunde, dass insbesondere in einem Brennstoffzellensystem für mobile Anwendungen, also beispielsweise bei Einsatz desselben in einem Fahrzeug, die Zuluft, welche der Brennstoffzelle zugeführt wird, im Hinblick auf den erforderlichen Massenstrom, den Druck, die Temperatur und die Feuchtigkeit zu konditionieren ist. Vorliegend ist eine Befeuchtung und eine Regelung der Feuchtigkeit unabhängig vom Massenstrom und auch unabhängig vom eingangsseitig des Brennstoffzellenstapels vorliegenden Druck möglich. Es kann nämlich durch Ansteuern der Absperreinrichtung der Befeuchtungsgrad eingestellt werden.This is based on the knowledge that, in particular in a fuel cell system for mobile applications, that is, for example when using the same in a vehicle, the supply air, which is supplied to the fuel cell, to be conditioned with respect to the required mass flow, pressure, temperature and humidity is. In the present case, it is possible to humidify and regulate the humidity independently of the mass flow and also independently of the pressure present on the input side of the fuel cell stack. It can namely be adjusted by controlling the shut-off the degree of humidification.

Ohne eine solche Regelungsmöglichkeit ergäbe sich die relative Feuchte des dem Brennstoffzellenstapel zuzuführenden Reaktanden in Abhängigkeit von der Temperatur, dem Druck und dem Massenstrom desselben sowie einer Kühlmitteltemperatur des Brennstoffzellenstapels. Durch die Umgehungsleitung mit der wenigstens einen Absperreinrichtung ist jedoch ein Stellglied vorhanden, mittels welchem sich die Massenströme des Befeuchtungsmediums in dem zur Regelung der Feuchtigkeit günstigen Bereich einstellen beziehungsweise regeln lassen. Hierbei sind die Umgehungsleitung und die wenigstens eine Absperreinrichtung passend zu den weiteren Komponenten des Brennstoffzellensystems ausgelegt.Without such a control option, the relative humidity of the reactant to be supplied to the fuel cell stack would be a function of the temperature, the pressure and the mass flow thereof and a coolant temperature of the fuel cell stack. By the bypass line with the at least one shut-off device, however, there is an actuator by means of which the mass flows of the humidifying medium can be adjusted or regulated in the region which is favorable for regulating the humidity. Here are the bypass line and the at least one shut-off designed to match the other components of the fuel cell system.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die wenigstens eine Absperreinrichtung als regelbares Ventil oder als regelbare Klappe ausgebildet. Mittels eines solchen regelbaren Ventils oder Proportionalventils beziehungsweise einer solchen regelbaren Klappe lässt sich die Feuchte des Reaktanden besonders genau einstellen, da der Strom des Befeuchtungsmediums durch die Umgehungsleitung stufenlos variiert werden kann. Zudem kann mit derartigen regelbaren Absperreinrichtungen ein besonders großer Betriebsbereich abgedeckt werden.In an advantageous embodiment of the invention, the at least one shut-off device is designed as a controllable valve or as a controllable flap. By means of such a controllable valve or proportional valve or such a controllable flap, the humidity of the reactant can be adjusted particularly accurately, since the flow of the humidifying medium can be varied continuously through the bypass line. In addition, with such adjustable shut-off devices, a particularly large operating range can be covered.

Als regelbare Ventile oder Klappen können insbesondere standardisierte Komponenten verwendet werden, wie sie beispielsweise in der Fahrzeugtechnik in Form von Zuluft-Drosselklappen, Abgas-Rückführventilen und Abgasklappen eingesetzt werden. Derartige Standardkomponenten aus dem Automotive-Bereich haben nämlich ihre Eignung unter entsprechenden Betriebsbedingungen unter Beweis gestellt und können daher mit besonders geringem Aufwand auch in dem Brennstoffzellensystem zum Einsatz kommen.As controllable valves or flaps in particular standardized components can be used, as used for example in vehicle technology in the form of supply air throttle valves, exhaust gas recirculation valves and exhaust flaps. Such standard components from the automotive sector have proven their suitability under appropriate operating conditions and can therefore be used with very little effort in the fuel cell system.

Eine besonders kostengünstige Auslegung ist erreichbar, wenn gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung die wenigstens eine Absperreinrichtung als Schaltventil ausgebildet ist. Um hier einen besonders großen Betriebsbereich abzudecken, kann ein solches Schaltventil getaktet betrieben werden, also abwechselnd aus einer Geschlossenstellung in eine Offenstellung verbracht werden.A particularly cost-effective design can be achieved if, according to a further advantageous embodiment, the at least one shut-off device is designed as a switching valve. In order to cover a particularly large operating range here, such a switching valve can be operated clocked, so be spent alternately from a closed position to an open position.

Vorteilhaft ist es, wenn das Schaltventil durch Beaufschlagen mit einem Druck in eine Offenstellung oder in eine Geschlossenstellung verbringbar ist. Derartige druckbetätigte Ventile werden auch als Schubumluftventile bezeichnet und sind besonders einfach und kostengünstig. Solche Schaltventile werden bevorzugt durch Beaufschlagen mit einem Unterdruck in die Offenstellung verbracht und ohne Druckbeaufschlagung durch Federkraft in ihrer Geschlossenstellung gehalten.It is advantageous if the switching valve can be moved by applying a pressure in an open position or in a closed position. Such pressure actuated valves are also referred to as diverter valves and are particularly simple and inexpensive. Such switching valves are preferably spent by applying a negative pressure in the open position and held without pressure by spring force in its closed position.

Wenn die wenigstens eine Absperreinrichtung im Leitungsstrang der Umgehungsleitung selber angeordnet ist, so kann die Absperreinrichtung als 2/2-Wege-Proportionalventil oder als 2/2-Schaltventil ausgebildet sein. Dies kann aus Kostengründen sowie in Bezug auf die Zugänglichkeit zu der Absperreinrichtung günstig sein.If the at least one shut-off device is arranged in the wiring harness of the bypass line itself, then the shut-off device can be designed as a 2/2-way proportional valve or as a 2/2-way switching valve. This can be favorable for cost reasons as well as with regard to the accessibility to the shut-off device.

Die wenigstens eine Absperreinrichtung kann jedoch auch an einer Anschlussstelle der Umgehungsleitung an die Zuführleitung und/oder an einer Einmündungsstelle der Umgehungsleitung in die Abgasleitung angeordnet sein. Entsprechend kann dann als Absperreinrichtung ein 3/2-Wege-Proportionalventil oder ein 3/2-Wege-Schaltventil zum Einsatz kommen. Dies kann im Hinblick auf den Bauraum und die Unterbringung der Absperreinrichtung vorteilhaft sein.However, the at least one shut-off device can also be arranged at a connection point of the bypass line to the supply line and / or at a junction of the bypass line in the exhaust pipe. Accordingly, then can be used as shut-off a 3/2-way proportional valve or a 3/2-way switching valve. This may be advantageous in view of the space and the accommodation of the shut-off device.

Zum Ansteuern der wenigstens einen Absperreinrichtung ist bevorzugt eine Steuerungseinrichtung vorgesehen, welche dazu ausgelegt ist, wenigstens einen Parameter zu berücksichtigen. Der wenigstens eine Parameter kann insbesondere eine Last des Brennstoffzellenstapels, eine Temperatur des Reaktanden oder einen Druck des Reaktanden umfassen. Beispielsweise kann bei hoher Last, hoher Temperatur oder hohem Druck eine entsprechende Erhöhung der Feuchte des Reaktanden eingestellt werden, indem die Steuerungseinrichtung die wenigstens eine Absperreinrichtung entsprechend ansteuert. Entsprechende Kennfelder können in einem Speicher der Steuerungseinrichtung abgelegt sein.For controlling the at least one shut-off device, a control device is preferably provided, which is designed to take into account at least one parameter. The at least one parameter may in particular comprise a load of the fuel cell stack, a temperature of the reactant or a pressure of the reactant. For example, at high load, high temperature or high pressure, a corresponding increase in the humidity of the reactant can be set by the control device correspondingly activating the at least one shut-off device. Corresponding maps can be stored in a memory of the control device.

Von Vorteil ist es weiterhin, wenn das Brennstoffzellensystem einen Feuchtigkeitssensor umfasst, welcher zum Übermitteln von eine Feuchte des Reaktanden angebenden Signalen an die Steuerungseinrichtung ausgebildet ist. Dann lässt sich die Feuchtigkeit auf entsprechende Sollwerte einregeln. Eine entsprechende Regelstrategie kann in der Steuerungseinrichtung hinterlegt sein.It is furthermore advantageous if the fuel cell system comprises a moisture sensor which is designed to transmit signals indicative of a moisture of the reactant to the control device. Then the humidity can be adjusted to corresponding setpoints. A corresponding control strategy can be stored in the control device.

Der Feuchtigkeitssensor ist bevorzugt an einer vom Befeuchter zum Brennstoffzellenstapel führenden Einlassleitung angeordnet, über welche der befeuchtete Reaktand in den Brennstoffzellenstapel einbringbar ist. So kann besonders gut das Einregeln der Feuchte des Reaktanden auf jeweilige Sollwerte sichergestellt werden.The moisture sensor is preferably arranged on an inlet line leading from the humidifier to the fuel cell stack, via which the humidified reactant can be introduced into the fuel cell stack. In this way it is particularly easy to ensure the regulation of the moisture content of the reactant to the respective nominal values.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems wird in einen Brennstoffzellenstapel ein mittels eines Befeuchters befeuchtbarer Reaktand eingebracht. Der Befeuchter ist über eine Zuführleitung mit einem Befeuchtungsmedium beaufschlagbar. Zumindest ein Teil des Befeuchtungsmediums wird über eine an die Zuführleitung angeschlossene Umgehungsleitung um den Befeuchter herumgeführt. Eine Turbine eines Turboladers wird über eine Abgasleitung mit Abgas des Brennstoffzellenstapels beaufschlagt. Hierbei wird das um den Befeuchter herumgeführte Befeuchtungsmedium über die Umgehungsleitung stromabwärts der Turbine in die Abgasleitung eingebracht. So lässt sich eine Beaufschlagung der Turbine mit dem Befeuchtungsmedium vermeiden und die Turbine ist besonders weitgehend vor einer Korrosion oder dergleichen ungünstigen Beeinflussung beziehungsweise Funktionsbeeinträchtigung geschützt. Das Verfahren ist daher besonders funktionssicher.In the method according to the invention for operating a fuel cell system, a reactant moistenable by means of a humidifier is introduced into a fuel cell stack. The humidifier can be acted upon via a supply line with a humidifying medium. At least a portion of the humidifying medium is routed around the humidifier via a bypass line connected to the supply line. A turbine of a turbocharger is acted upon via an exhaust pipe with exhaust gas from the fuel cell stack. In this case, the moistening medium guided around the moistener is introduced into the exhaust pipe via the bypass line downstream of the turbine. Thus, it is possible to avoid exposure of the turbine to the moistening medium and the turbine is particularly largely protected against corrosion or the like unfavorable influence or functional impairment. The method is therefore particularly reliable.

Die für das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem beschriebenen Vorteile und bevorzugten Ausführungsformen gelten auch für das erfindungsgemäße Verfahren und umgekehrt. The advantages and preferred embodiments described for the fuel cell system according to the invention also apply to the method according to the invention and vice versa.

Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in der Figur alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Es sind somit auch Ausführungen als von der Erfindung umfasst und offenbart anzusehen, die in der Figur nicht explizit gezeigt und erläutert sind, jedoch durch separierte Merkmalskombinationen aus den erläuterten Ausführungen hervorgehen und erzeugbar sind.The features and feature combinations mentioned above in the description as well as the features and feature combinations mentioned below in the figure description and / or shown alone in the figure can be used not only in the respectively specified combination, but also in other combinations or in isolation, without the scope of To leave invention. Thus, embodiments are also included and disclosed by the invention, which are not explicitly shown and explained in the figure, however, emerge and can be generated by separated combinations of features from the embodiments explained.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnung.Further advantages, features and details of the invention will become apparent from the claims, the following description of preferred embodiments and from the drawing.

Diese zeigt schematisiert Komponenten eines Brennstoffzellensystems, bei welchem eine Umgehungsleitung oder Bypassleitung vorgesehen ist, welche sowohl einen Befeuchter des Brennstoffzellensystems als auch eine Turbine eines Turboladers des Brennstoffzellensystems umgeht.This shows schematically components of a fuel cell system, in which a bypass line or bypass line is provided, which bypasses both a humidifier of the fuel cell system and a turbine of a turbocharger of the fuel cell system.

Ein in der Figur gezeigtes Brennstoffzellensystem 10 umfasst einen Brennstoffzellenstapel 12 mit einer Mehrzahl von (nicht gezeigten) Brennstoffzellen mit jeweiligen Kathoden und Anoden. Den Kathoden der Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels 12 wird ein Oxidationsmittel, beispielsweise Luft oder Sauerstoff, als Reaktand zugeführt. Diese Zuluft wird hierbei mittels eines Verdichters 14 eines Turboladers 16 verdichtet. Die verdichtete Zuluft kann mittels eines Ladeluftkühlers 18 gekühlt werden, bevor sie in einen Befeuchter 20 eintritt. Der Ladeluftkühler 18 kann insbesondere als mit einer Kühlflüssigkeit beaufschlagbarer Wärmeübertrager ausgebildet sein.A fuel cell system shown in the figure 10 includes a fuel cell stack 12 with a plurality of (not shown) fuel cells with respective cathodes and anodes. The cathodes of the fuel cells of the fuel cell stack 12 an oxidizing agent, for example air or oxygen, is fed as reactant. This supply air is here by means of a compressor 14 a turbocharger 16 compacted. The compressed supply air can by means of a charge air cooler 18 Be refrigerated before putting in a humidifier 20 entry. The intercooler 18 can be designed in particular as acted upon by a cooling fluid heat exchanger.

Der Befeuchter 20 ist vorliegend als sogenannter Gas-zu-Gas-Befeuchter ausgebildet, bei welchem die zu befeuchtende Zuluft die Feuchtigkeit aus einem Gas als Befeuchtungsmedium aufnimmt. Als Befeuchtungsmedium wird vorliegend das Abgas oder die Abluft der Kathoden des Brennstoffzellenstapels 12 eingesetzt, welches dem Befeuchter 20 über eine Zuführleitung 22 zugeführt wird. Das Kathodenabgas enthält nämlich aufgrund des bei der Brennstoffzellenreaktion im Brennstoffzellenstapel 12 gebildeten Produktwassers Wasserdampf, welcher im Befeuchter 20 durch Membrane hindurch in die zu befeuchtende Zuluft eintreten kann.The humidifier 20 is presently designed as a so-called gas-to-gas humidifier, in which the supply air to be humidified receives the moisture from a gas as moistening medium. As Befeuchtungsmedium in the present case, the exhaust gas or the exhaust air of the cathode of the fuel cell stack 12 used, which is the humidifier 20 via a supply line 22 is supplied. Namely, the cathode exhaust gas contains due to the fuel cell stack in the fuel cell stack 12 Product water formed water vapor, which in the humidifier 20 through membrane can enter into the supply air to be humidified.

Nach dem Durchströmen des Befeuchters 20 wird das Abgas des Brennstoffzellenstapels 12 über eine an einen Ausgang des Befeuchters 20 angeschlossene Abgasleitung 24 einer Turbine 26 des Turboladers 16 zugeführt. An der Turbine 26 wird das Abgas entspannt und so mechanische Energie zum Antreiben des Verdichters 14 des Turboladers 16 rückgewonnen. Vorliegend ist zum Antreiben des Verdichters 14 zusätzlich ein Motor 28 vorgesehen. Der Turbolader 16 kann jedoch auch in einem Brennstoffzellensystem 10 zum Einsatz kommen, bei welchem ein separater Kompressor vorgesehen ist und der Turbolader 16 lediglich zum zusätzlichen Verdichten der Zuluft und zum Rückgewinnen der mechanischen Energie aus dem Abgas vorgesehen ist.After flowing through the humidifier 20 becomes the exhaust gas of the fuel cell stack 12 via one to an outlet of the humidifier 20 connected exhaust pipe 24 a turbine 26 of the turbocharger 16 fed. At the turbine 26 the exhaust gas is released and thus mechanical energy for driving the compressor 14 of the turbocharger 16 recovered. Present is for driving the compressor 14 in addition an engine 28 intended. The turbocharger 16 However, it can also be used in a fuel cell system 10 be used, in which a separate compressor is provided and the turbocharger 16 is provided only for additional compression of the supply air and for recovering the mechanical energy from the exhaust gas.

Um den Befeuchtungsgrad der dem Brennstoffzellenstapel 12 zugeführten Zuluft einzustellen, ist vorliegend eine Umgehungsleitung oder Bypassleitung 30 vorgesehen, welche an einer Anschlussstelle 32 an die Zuführleitung 22 angeschlossen ist. An der Anschlussstelle 32 kann somit feuchtes Kathodenabgas abgezweigt werden, wenn eine geringere Befeuchtung der Zuluft erwünscht ist. Vorliegend mündet die Umgehungsleitung 30 stromabwärts der Turbine 26 in die Abgasleitung 24 ein, und zwar an einer Einmündungsstelle 34, an welcher die Bypassleitung 30 an die Abgasleitung 24 angeschlossen ist.To the degree of humidification of the fuel cell stack 12 To adjust the supply air supplied, in this case, a bypass line or bypass line 30 provided, which at a junction 32 to the supply line 22 connected. At the junction 32 can thus be diverted damp cathode exhaust, if a lower humidification of the supply air is desired. In the present case, the bypass line opens 30 downstream of the turbine 26 in the exhaust pipe 24 one, at a junction 34 at which the bypass line 30 to the exhaust pipe 24 connected.

Durch Nutzung dieser Bypassleitung 30 lässt sich verhindern, dass das über die Bypassleitung 30 um den Befeuchter 20 herum geführte feuchte Kathodenabgas in die Turbine 26 eintritt. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn das Kathodenabgas Wasser in Tröpfchenform enthält, welches bei einem Auftreffen auf die Turbine 26 diese beschädigen könnte. Jedoch auch im Hinblick auf eine mögliche Korrosion der Turbine 26 ist das Herumführen der Bypassleitung 30 um den Befeuchter 20 und die Turbine 26 vorteilhaft. Es ist so eine Schädigung oder Funktionsbeeinträchtigung der Turbine 26 besonders weitgehend vermieden.By using this bypass line 30 This can be prevented over the bypass line 30 around the humidifier 20 Wet cathode exhaust gas guided around the turbine 26 entry. This is particularly advantageous when the cathode exhaust gas contains water in droplet form, which when hitting the turbine 26 could damage them. However, also with regard to possible corrosion of the turbine 26 is the passing of the bypass line 30 around the humidifier 20 and the turbine 26 advantageous. It is such a damage or malfunction of the turbine 26 especially largely avoided.

In der Bypassleitung 30 ist eine Absperreinrichtung angeordnet, welche bei dem in der Figur gezeigten Brennstoffzellensystem 10 als Schaltventil 36 ausgebildet ist. Bei dem Schaltventil 36 handelt es sich vorliegend um ein 2/2-Wege-Schaltventil. Dieses wird von einem Steuergerät 38 angesteuert, um die Bypassleitung 30 freizugeben oder zu versperren. Das Schaltventil 36 kann mittels des Steuergeräts 38 getaktet betrieben werden, um einen entsprechend geringen Durchfluss des an der Zuführleitung 22 abgezweigten Kathodenabgases durch die Bypassleitung 30 sicherzustellen.In the bypass line 30 a shut-off device is arranged, which in the fuel cell system shown in the figure 10 as a switching valve 36 is trained. At the switching valve 36 this is a 2/2-way switching valve. This is from a control unit 38 driven to the bypass line 30 to release or block. The switching valve 36 can by means of the control unit 38 be operated clocked to a correspondingly low flow of the feed line 22 branched cathode exhaust gas through the bypass line 30 sure.

Eine besonders genaue Regelung der Feuchte der Zuluft ist erreichbar, wenn ein Feuchtigkeitssensor 40 vorgesehen ist, welcher die Feuchte der dem Brennstoffzellenstapel 12 zugeführten Zuluft misst. Der Feuchtigkeitssensor 40 ist hierfür vorliegend an einer Einlassleitung 42 angeordnet, welche vom Befeuchter 20 zum Brennstoffzellenstapel 12 führt. Aufgrund der vom Feuchtigkeitssensor 40 an das Steuergerät 38 übermittelten Signale kann die Feuchte der Zuluft auf entsprechende Sollwerte eingeregelt werden.A particularly accurate control of the humidity of the supply air is achievable if a humidity sensor 40 is provided, which the humidity of the the fuel cell stack 12 measured supply air measures. The moisture sensor 40 is present for this purpose on an inlet line 42 arranged, which from the humidifier 20 to the fuel cell stack 12 leads. Due to the humidity sensor 40 to the control unit 38 transmitted signals, the humidity of the supply air can be adjusted to appropriate setpoints.

In dem Steuergerät 38 sind für alle Betriebszustände des Brennstoffzellensystems 10 geeignete Regelstrategien und Kennfelder hinterlegt, über welche der Befeuchtungsgrad der Zuluft entsprechend den Anforderungen des Brennstoffzellenstapels 12 und abhängig von den Umweltbedingungen und dem Lastpunkt genau einstellbar ist.In the control unit 38 are for all operating states of the fuel cell system 10 appropriate control strategies and maps deposited, over which the degree of humidification of the supply air according to the requirements of the fuel cell stack 12 and is precisely adjustable depending on the environmental conditions and the load point.

Anstelle des vorliegend beispielhaft gezeigten Schaltventils 36 kann auch ein Abgasrückführungsventil oder eine Abgasklappe oder eine Drosselklappe zum Einsatz kommen. Auch kann anstelle des Schaltventils 36 ein Proportionalventil eingesetzt werden.Instead of the switching valve shown here by way of example 36 It is also possible to use an exhaust gas recirculation valve or an exhaust gas flap or a throttle valve. Also, instead of the switching valve 36 a proportional valve can be used.

Des Weiteren ist es möglich, anstelle des 2/2-Wegeventils ein 3/2-Wegeventil einzusetzen. Ein solches 3/2-Wegeventil kann beispielsweise an der Anschlussstelle 32 oder an der Einmündungsstelle 34 angeordnet sein. Auch hier kann entsprechend eine 3/2-Wege-Klappe, ein Abgasrückführungsventil oder dergleichen zum Einsatz kommen. Des Weiteren können sowohl an der Anschlussstelle 32 als auch an der Einmündungsstelle 42 Proportionalventile oder Schaltventile eingesetzt werden.Furthermore, it is possible to use a 3/2-way valve instead of the 2/2-way valve. Such a 3/2-way valve, for example, at the junction 32 or at the point of confluence 34 be arranged. Again, a 3/2-way flap, an exhaust gas recirculation valve or the like can be used accordingly. Furthermore, both at the junction 32 as well as at the confluence point 42 Proportional valves or switching valves are used.

Es kann zudem eine weitere (nicht gezeigte) Umgehungsleitung vorgesehen sein, welche den Befeuchter 20 auf der Zuluftseite umgeht, also zwischen dem Verdichter 14 und Befeuchter 20 von einer Zuluftleitung abzweigt und in die Einlassleitung 42 einmündet. Auch so lässt sich die Feuchte der Zuluft besonders genau einstellen, und es ist eine alternative Bypassleitung für den Fall einer Funktionsstörung der jeweils anderen Bypassleitung 30 bereitgestellt.It may also be provided a further (not shown) bypass line, which the humidifier 20 on the supply side bypasses, ie between the compressor 14 and humidifiers 20 branches off from a supply air line and into the inlet line 42 opens. Even so, the humidity of the supply air can be set very precisely, and it is an alternative bypass line in the event of malfunction of the other bypass line 30 provided.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

1010
BrennstoffzellensystemThe fuel cell system
1212
Brennstoffzellenstapelfuel cell stack
1414
Verdichtercompressor
1616
Turboladerturbocharger
1818
LadeluftkühlerIntercooler
2020
Befeuchterhumidifier
2222
Zuführleitungfeed
2424
Abgasleitungexhaust pipe
2626
Turbineturbine
2828
Motorengine
3030
Bypassleitungbypass line
3232
Anschlussstellejunction
3434
Einmündungsstellejunction point
3636
Schaltventilswitching valve
3838
Steuergerätcontrol unit
4040
Feuchtigkeitssensorhumidity sensor
4242
Einlassleitunginlet line

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 102007015955 A1 [0002] DE 102007015955 A1 [0002]
  • DE 102007003240 B3 [0003] DE 102007003240 B3 [0003]

Claims (10)

Brennstoffzellensystem, insbesondere für ein Fahrzeug, mit einem Brennstoffzellenstapel (12), einem Befeuchter (20) zum Befeuchten eines in den Brennstoffzellenstapel (12) einbringbaren Reaktanden, einer Umgehungsleitung (30) zum Umgehen des Befeuchters (20), welche an eine Zuführleitung (22) angeschlossen ist, über welche der Befeuchter (20) mit einem Befeuchtungsmedium beaufschlagbar ist, und mit einem Turbolader (16), dessen Turbine (26) über eine Abgasleitung (24) mit Abgas des Brennstoffzellenstapels (12) beaufschlagbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Umgehungsleitung (30) stromabwärts der Turbine (26) in die Abgasleitung (24) einmündet.Fuel cell system, in particular for a vehicle, with a fuel cell stack ( 12 ), a humidifier ( 20 ) for moistening a fuel cell stack ( 12 ) introduceable reactants, a bypass ( 30 ) to bypass the humidifier ( 20 ) which are connected to a supply line ( 22 ) via which the humidifier ( 20 ) can be acted upon by a humidifying medium, and with a turbocharger ( 16 ), whose turbine ( 26 ) via an exhaust pipe ( 24 ) with exhaust gas of the fuel cell stack ( 12 ) is acted upon, characterized in that the bypass line ( 30 ) downstream of the turbine ( 26 ) in the exhaust pipe ( 24 ). Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der Umgehungsleitung (30) wenigstens eine Absperreinrichtung (36) zum zumindest partiellen Versperren oder Freigeben der Umgehungsleitung (30) angeordnet ist.Fuel cell system according to claim 1, characterized in that in the bypass line ( 30 ) at least one shut-off device ( 36 ) for at least partially blocking or releasing the bypass ( 30 ) is arranged. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Absperreinrichtung (36) als regelbares Ventil und/oder als regelbare Klappe ausgebildet ist.Fuel cell system according to claim 2, characterized in that the at least one shut-off device ( 36 ) is designed as a controllable valve and / or as an adjustable flap. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Absperreinrichtung als Schaltventil (36) ausgebildet ist.Fuel cell system according to claim 2 or 3, characterized in that the at least one shut-off device as a switching valve ( 36 ) is trained. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltventil (36) durch Beaufschlagen mit einem Druck, insbesondere mit einem Unterdruck, in eine Offenstellung oder in eine Geschlossenstellung verbringbar ist.Fuel cell system according to claim 4, characterized in that the switching valve ( 36 ) can be brought into an open position or in a closed position by applying a pressure, in particular with a negative pressure. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Absperreinrichtung an einer Anschlussstelle (32) der Umgehungsleitung (30) an die Zuführleitung (22) und/oder an einer Einmündungsstelle (34) der Umgehungsleitung (30) in die Abgasleitung (24) angeordnet ist.Fuel cell system according to one of claims 2 to 5, characterized in that the at least one shut-off device at a connection point ( 32 ) of the bypass ( 30 ) to the supply line ( 22 ) and / or at a point of confluence ( 34 ) of the bypass ( 30 ) in the exhaust pipe ( 24 ) is arranged. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 2 bis 6, gekennzeichnet durch eine Steuerungseinrichtung (38) zum Ansteuern der wenigstens einen Absperreinrichtung (36) in Abhängigkeit von wenigstens einem, insbesondere eine Last des Brennstoffzellenstapels und/oder eine Temperatur und/oder einen Druck des Reaktanden umfassenden, Parameter.Fuel cell system according to one of Claims 2 to 6, characterized by a control device ( 38 ) for driving the at least one shut-off device ( 36 ) in dependence on at least one, in particular a load of the fuel cell stack and / or a temperature and / or a pressure of the reactant comprising parameters. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch einen Feuchtigkeitssensor (40), welcher zum Übermitteln von eine Feuchte des Reaktanden angebenden Signalen an die Steuerungseinrichtung (38) ausgebildet ist.Fuel cell system according to claim 7, characterized by a moisture sensor ( 40 ), which is used to transmit signals indicating a moisture of the reactant to the control device ( 38 ) is trained. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Feuchtigkeitssensor (40) an einer vom Befeuchter (20) zum Brennstoffzellenstapel (12) führenden Einlassleitung (42) angeordnet ist, über welche der befeuchtete Reaktand in den Brennstoffzellenstapel (12) einbringbar ist.Fuel cell system according to claim 7, characterized in that the humidity sensor ( 40 ) on one of the humidifier ( 20 ) to the fuel cell stack ( 12 ) leading inlet line ( 42 ) is arranged, via which the humidified reactant into the fuel cell stack ( 12 ) can be introduced. Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems (10), insbesondere für ein Fahrzeug, bei welchem in einen Brennstoffzellenstapel (12) ein mittels eines Befeuchters (20) befeuchtbarer Reaktand eingebracht wird, wobei der Befeuchter (20) über eine Zuführleitung (22) mit einem Befeuchtungsmedium beaufschlagbar ist, wobei das Befeuchtungsmedium über eine an die Zuführleitung (22) angeschlossene Umgehungsleitung (30) zumindest teilweise um den Befeuchter (20) herumgeführt wird, und wobei eine Turbine (26) eines Turboladers (16) über eine Abgasleitung (24) mit Abgas des Brennstoffzellenstapels (12) beaufschlagt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das um den Befeuchter (20) herumgeführte Befeuchtungsmedium über die Umgehungsleitung (30) stromabwärts der Turbine (26) in die Abgasleitung (24) eingebracht wird.Method for operating a fuel cell system ( 10 ), in particular for a vehicle, in which in a fuel cell stack ( 12 ) by means of a humidifier ( 20 ) humidifying reactant is introduced, the humidifier ( 20 ) via a supply line ( 22 ) can be acted upon with a moistening medium, wherein the moistening medium via a to the supply line ( 22 ) bypass line ( 30 ) at least partially around the humidifier ( 20 ), and wherein a turbine ( 26 ) of a turbocharger ( 16 ) via an exhaust pipe ( 24 ) with exhaust gas of the fuel cell stack ( 12 ), characterized in that the around the humidifier ( 20 ) guided humidifying medium via the bypass line ( 30 ) downstream of the turbine ( 26 ) in the exhaust pipe ( 24 ) is introduced.
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