DE102013020785A1 - Vehicle with at least one fuel cell module and method for producing a vehicle - Google Patents

Vehicle with at least one fuel cell module and method for producing a vehicle Download PDF

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Markus Schudy
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Fahrzeug (1), aufweisend mindestens ein Brennstoffzellenmodul (2) mit einer Anzahl von Brennstoffzellen, wobei das Brennstoffzellenmodul (2) mittels zumindest einer Zuluftleitung (3) und mittels zumindest einer Abgasleitung (4) mit einer äußeren Fahrzeugumgebung gekoppelt ist. Dabei ist vorgesehen, dass die zumindest eine Zuluftleitung (3) und die zumindest eine Abgasleitung (4) derart ausgeführt und angeordnet sind, dass zwischen diesen im Betrieb ein Druckausgleich erfolgt.The invention relates to a vehicle (1), comprising at least one fuel cell module (2) with a number of fuel cells, the fuel cell module (2) being coupled to an external vehicle environment by means of at least one supply air line (3) and by means of at least one exhaust line (4). It is provided that the at least one supply air line (3) and the at least one exhaust gas line (4) are designed and arranged such that a pressure equalization takes place between them during operation.

Description

Die Erfindung betrifft ein Fahrzeug mit mindestens einem Brennstoffzellenmodul gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Fahrzeugs gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 7.The invention relates to a vehicle having at least one fuel cell module according to the preamble of claim 1. Furthermore, the invention relates to a method for producing a vehicle according to the preamble of claim 7.

In der US 2010/0143766 A1 ist ein Brennstoffzellenstapel mit einer Vielzahl von horizontal gestapelten Brennstoffzellen offenbart. Die Brennstoffzellen sind jeweils aus einer Elektrolyt-Elektroden-Einheit gebildet, die zwischen Separatoren angeordnet ist. Die Elektrolyt-Elektroden-Einheit umfasst zwei Elektroden und einen zwischen diesen angeordneten Elektrolyten. Der Brennstoffzellenstapel ist in einem Gehäuse angeordnet, welches an einer Unterseite eine Vertiefung zur Aufnahme einer Last des Brennstoffzellenstapels und ein separates Verstärkungselement zur Überbrückung einer an einer Rückseite der Vertiefung angeordneten Aussparung aufweist.In the US 2010/0143766 A1 discloses a fuel cell stack having a plurality of horizontally stacked fuel cells. The fuel cells are each formed of an electrolyte-electrode unit which is arranged between separators. The electrolyte-electrode unit comprises two electrodes and an electrolyte arranged between them. The fuel cell stack is arranged in a housing which has on a lower side a recess for receiving a load of the fuel cell stack and a separate reinforcing element for bridging a recess arranged on a rear side of the recess.

Weiterhin ist in der US 2011/0244350 A1 ein Brennstoffzellensystem offenbart, welches ein Brennstoffzellenmodul aus einer Vielzahl einzelner Brennstoffzellen umfasst. Die Brennstoffzellen sind jeweils aus einer Anodenelektrode, einer Kathodenelektrode und einer Elektrolytmembran gebildet, die zwischen den Elektroden angeordnet ist. Weiterhin weisen die Brennstoffzellen jeweils eine Brennstoffzufuhr für die Anodenelektrode und eine Oxidationsmittelzufuhr für die Kathodenelektrode auf. Das Brennstoffzellensystem umfasst weiter eine Kalkulierungseinheit zur Kalkulation einer Verteilung einer verbleibenden Wassermenge in einer Brennstoffzufuhrleitung und einer Oxidationsmittelzufuhrleitung sowie zur Kalkulation einer Verteilung einer Feuchtigkeitsmenge in der Elektrolytmembran für jede Brennstoffzelle unter Beachtung eines zwischen der Anodenelektrode und Kathodenelektrode über die Elektrolytmembran stattfindenden Wassertransfers. Dabei kalkuliert die Kalkulierungseinheit, basierend auf Temperaturinformationen der Brennstoffzellen während eines Stillstands des Brennstoffzellensystems, eine verbleibende Wassermenge der Brennstoffzufuhrleitung während des Stillstands ausgehend vom Abschalten bis zum Neustart des Brennstoffzellensystems.Furthermore, in the US 2011/0244350 A1 discloses a fuel cell system comprising a fuel cell module of a plurality of individual fuel cells. The fuel cells are each formed of an anode electrode, a cathode electrode and an electrolyte membrane disposed between the electrodes. Furthermore, the fuel cells each have a fuel supply for the anode electrode and an oxidant supply for the cathode electrode. The fuel cell system further includes a calculator for calculating a distribution of a remaining amount of water in a fuel supply line and an oxidant supply line and for calculating a distribution of a moisture amount in the electrolyte membrane for each fuel cell, taking into account a water transfer taking place between the anode electrode and the cathode electrode via the electrolyte membrane. The Kalkulierungseinheit calculated based on temperature information of the fuel cell during a standstill of the fuel cell system, a remaining amount of water of the fuel supply line during standstill from switching off until the restart of the fuel cell system.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein gegenüber dem Stand der Technik verbessertes Fahrzeug mit mindestens einem Brennstoffzellenmodul sowie ein verbessertes Verfahren zur Herstellung eines Fahrzeugs mit mindestens einem Brennstoffzellenmodul anzugeben.The invention is based on the object of specifying an improved vehicle with at least one fuel cell module compared with the prior art and an improved method for producing a vehicle with at least one fuel cell module.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß hinsichtlich des Fahrzeugs mit den in Anspruch 1 und hinsichtlich des Verfahrens mit den in Anspruch 7 angegebenen Merkmalen gelöst.The object is achieved according to the invention with respect to the vehicle with the features specified in claim 1 and in terms of the method with the features specified in claim 7.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.Advantageous embodiments of the invention are the subject of the dependent claims.

Ein Fahrzeug weist mindestens ein Brennstoffzellenmodul mit einer Anzahl von Brennstoffzellen auf, wobei das mindestens eine Brennstoffzellenmodul mittels zumindest einer Zuluftleitung und mittels zumindest einer Abgasleitung mit einer äußeren Fahrzeugumgebung gekoppelt ist. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die zumindest eine Zuluftleitung und die zumindest eine Abgasleitung derart ausgeführt und angeordnet sind, dass zwischen diesen im Betrieb ein Druckausgleich erfolgt.A vehicle has at least one fuel cell module with a number of fuel cells, wherein the at least one fuel cell module is coupled by means of at least one supply air line and by means of at least one exhaust pipe to an external vehicle environment. According to the invention, it is provided that the at least one supply air line and the at least one exhaust gas line are designed and arranged in such a way that pressure equalization takes place between them during operation.

Durch den Druckausgleich zwischen der zumindest einen Zuluftleitung und der zumindest einen Abgasleitung kann eine Verringerung einer Ansammlung von Luft in der Zuluftleitung während eines Stillstands des Fahrzeugs und damit während eines Nichtbetriebs des Brennstoffzellenmoduls erfolgen. Die Ansammlung von Luft ist u. a. durch einen Druckunterschied zwischen der Zuluftleitung und der Abgasleitung begründet, wodurch ein sogenannter Kamineffekt entsteht, bei welchem die Zuluftleitung Luft aus der Fahrzeugumgebung ansaugt. Diese kann sich an Kathoden und Anoden der Brennstoffzellen sammeln und zu einer Korrosion einer Katalysatorschicht der Anode führen, wodurch eine Lebensdauer der Brennstoffzelle stark verringert wird. Der Druckausgleich bewirkt somit eine Verbesserung einer Lebensdauer der Brennstoffzellen.As a result of the pressure equalization between the at least one supply air line and the at least one exhaust gas line, it is possible to reduce the accumulation of air in the supply air line during a standstill of the vehicle and thus during a non-operation of the fuel cell module. The accumulation of air is u. a. justified by a pressure difference between the supply air line and the exhaust pipe, whereby a so-called chimney effect arises, wherein the supply air line sucks air from the vehicle environment. This can collect on cathodes and anodes of the fuel cells and lead to corrosion of a catalyst layer of the anode, whereby a lifetime of the fuel cell is greatly reduced. The pressure compensation thus causes an improvement in the life of the fuel cell.

Gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel sind zum Druckausgleich eine der äußeren Fahrzeugumgebung zugewandte Öffnung der zumindest einen Zuluftleitung und eine der äußeren Fahrzeugumgebung zugewandte Öffnung der zumindest einen Abgasleitung in Fahrzeughochrichtung auf einer annähernd gleichen Höhe angeordnet. Damit ist ein Druckausgleich zwischen der Zuluftleitung und der Abgasleitung ohne die Anordnung oder Verwendung eines weiteren Bauteils und damit kosteneffizient möglich. Beispielsweise sind dazu die Öffnungen in einem vorderen, unteren Fahrzeugbereich angeordnet, so dass insbesondere bei in der äußeren Fahrzeugumgebung herrschenden Windverhältnissen ein Druckausgleich weiterhin sichergestellt ist. Vorzugsweise sind die Öffnungen dabei in Fahrzeughochrichtung unterhalb des Brennstoffzellenmoduls angeordnet, so dass eine weitere Verringerung des Kamineffekts möglich ist.According to a first exemplary embodiment, an opening of the at least one supply air line facing the outer vehicle environment and an opening of the at least one exhaust pipe facing the outer vehicle environment are arranged at approximately the same height in the vehicle vertical direction for pressure equalization. This pressure equalization between the supply air and the exhaust pipe without the arrangement or use of another component and thus cost-effectively possible. For example, for this purpose, the openings are arranged in a front, lower vehicle area, so that pressure equalization is still ensured, in particular in the case of prevailing in the external vehicle environment wind conditions. Preferably, the openings are arranged in the vehicle vertical direction below the fuel cell module, so that a further reduction of the chimney effect is possible.

Gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel ist zum Druckausgleich eine Druckausgleichleitung zwischen der zumindest einen Zuluftleitung und der zumindest einen Abgasleitung angeordnet, mittels welcher in der Zuluftleitung und in der Abgasleitung ein annähernd gleicher Druck herrscht. Dazu kann eine Anordnung der Öffnungen der Zuluftleitung und der Abgasleitung variabel gestaltet werden.According to a second exemplary embodiment, a pressure compensation line is arranged between the at least one supply air line and the at least one exhaust line for pressure equalization, by means of which in the supply air line and in the exhaust line an approximately equal pressure prevails. For this purpose, an arrangement of the openings of the supply air line and the exhaust pipe can be made variable.

Zur Verringerung einer Ansaugung von Falschluft durch die Zuluftleitung, insbesondere während eines Stillstands des Fahrzeugs, ist in der Druckausgleichsleitung eine beweglich gelagerte Klappe angeordnet, welche die Druckausgleichsleitung bei Luftansaugung verschließt. Damit ist eine Falschluftströmung durch die Schließstellung der Druckausgleichsleitung zumindest verringerbar.To reduce intake of false air through the supply air line, in particular during a stoppage of the vehicle, a movably mounted flap is arranged in the pressure equalization line, which closes the pressure equalization line with air intake. For a false air flow through the closed position of the pressure equalization line is at least reduced.

Bei einem Verfahren zur Herstellung eines Fahrzeugs wird in das Fahrzeug mindestens ein Brennstoffzellenmodul mit einer Anzahl von Brennstoffzellen angeordnet und dieses mittels zumindest einer Zuluftleitung und mittels zumindest einer Abgasleitung mit einer äußeren Fahrzeugumgebung gekoppelt. Erfindungsgemäß werden die zumindest eine Zuluftleitung und die zumindest eine Abgasleitung derart ausgeführt und angeordnet, dass zwischen diesen im Betrieb ein Druckausgleich erfolgt.In a method for producing a vehicle, at least one fuel cell module having a number of fuel cells is arranged in the vehicle and coupled to an external vehicle environment by means of at least one supply air line and by means of at least one exhaust line. According to the invention, the at least one supply air line and the at least one exhaust gas line are designed and arranged such that a pressure equalization takes place between them during operation.

Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es möglich eine Lebensdauer der Brennstoffzellen zu erhöhen, in dem mittels des Druckausgleichs der Kamineffekt verringert wird.By means of the method according to the invention, it is possible to increase the life of the fuel cells, in which the chimney effect is reduced by means of the pressure compensation.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.Embodiments of the invention are explained in more detail below with reference to drawings.

Dabei zeigen:Showing:

1 schematisch ein Fahrzeug mit einem Brennstoffzellenmodul gemäß dem Stand der Technik in Seitenansicht, 1 schematically a vehicle with a fuel cell module according to the prior art in side view,

2 schematisch ein Fahrzeug mit einem Brennstoffzellenmodul gemäß einer ersten Ausgestaltung der Erfindung in Seitenansicht und 2 schematically a vehicle with a fuel cell module according to a first embodiment of the invention in side view and

3 schematisch ein Fahrzeug mit einem Brennstoffzellenmodul gemäß einer zweiten Ausgestaltung der Erfindung in Seitenansicht. 3 schematically a vehicle with a fuel cell module according to a second embodiment of the invention in side view.

Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.Corresponding parts are provided in all figures with the same reference numerals.

Die 1 zeigt ein Fahrzeug 1 mit einem Brennstoffzellenmodul 2 zur Bereitstellung elektrischer Energie für ein nicht näher dargestelltes Antriebssystem des Fahrzeugs 1. Alternativ oder zusätzlich kann das Brennstoffzellenmodul 2 auch zum Beheizen und/oder Kühlen des Fahrzeugs 1 verwendet werden, beispielsweise wenn das Fahrzeug 1 eine Temperiervorrichtung mit einem elektrisch betreibbaren Kompressor aufweist. Weiterhin kann das Fahrzeug 1 eine Mehrzahl von Brennstoffzellenmodulen 2 aufweisen.The 1 shows a vehicle 1 with a fuel cell module 2 for providing electrical energy for a non-illustrated drive system of the vehicle 1 , Alternatively or additionally, the fuel cell module 2 also for heating and / or cooling the vehicle 1 used, for example, when the vehicle 1 having a temperature control device with an electrically operable compressor. Furthermore, the vehicle 1 a plurality of fuel cell modules 2 exhibit.

Das Brennstoffzellenmodul 2 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel in schematisch vereinfachter Form dargestellt und in einem in Bezug auf eine Fahrzeuglängsrichtung vorderen Bereich des Fahrzeugs 1 angeordnet, z. B. in einem Motorraum. Alternativ kann das Brennstoffzellenmodul 2 auch in einem anderen zur Verfügung stehenden Bauraum des Fahrzeugs 1, z. B. in einem Laderaum, angeordnet sein.The fuel cell module 2 is shown in the present embodiment in a schematically simplified form and in a front with respect to a vehicle longitudinal direction of the vehicle 1 arranged, z. B. in an engine compartment. Alternatively, the fuel cell module 2 also in another available installation space of the vehicle 1 , z. B. in a hold, be arranged.

Das Brennstoffzellenmodul 2 ist aus einer Vielzahl nebeneinander angeordneter Brennstoffzellen gebildet, die vorzugsweise elektrisch seriell miteinander verschaltet sind. Alternativ oder zusätzlich sind die Brennstoffzellen parallel miteinander verschaltet.The fuel cell module 2 is formed from a plurality of juxtaposed fuel cells, which are preferably connected electrically in series with each other. Alternatively or additionally, the fuel cells are connected in parallel with each other.

Brennstoffzellen werden vor allem nach ihren Betriebstemperaturen unterschieden, wobei beispielsweise zwischen Hochtemperaturbrennstoffzellen und Niedertemperaturbrennstoffzellen unterschieden wird.Fuel cells are mainly distinguished according to their operating temperatures, for example, a distinction between high-temperature fuel cells and low-temperature fuel cells.

Als Hochtemperaturbrennstoffzelle ist die sogenannte SOFC-Brennstoffzelle bekannt, wobei SOFC für „Solid Oxide Fuel Cell” steht. Als Niedertemperaturbrennstoffzellen ist die sogenannte PEM-Brennstoffzelle bekannt. PEM steht hierbei für „Polymerelektrolytmembran”.As a high-temperature fuel cell, the so-called SOFC fuel cell is known, wherein SOFC stands for "Solid Oxide Fuel Cell". As low-temperature fuel cells, the so-called PEM fuel cell is known. PEM stands for "polymer electrolyte membrane".

Der Aufbau einer Brennstoffzelle wird im Folgenden am Beispiel einer PEM-Brennstoffzelle erläutert. Die Brennstoffzelle besteht aus einer Membran-Elektroden-Einheit, welche insbesondere eine protonenleitfähige Membran und zwei Elektroden in Form von Gasdiffusionselektroden, insbesondere eine Anode und eine Kathode, aufweist, wobei die Membran zwischen der Anode und der Kathode angeordnet ist.The structure of a fuel cell is explained below using the example of a PEM fuel cell. The fuel cell consists of a membrane-electrode unit, which in particular has a proton-conductive membrane and two electrodes in the form of gas diffusion electrodes, in particular an anode and a cathode, wherein the membrane is arranged between the anode and the cathode.

Die Kathode und die Anode sind beispielsweise jeweils aus Graphit gebildet, wobei die Kathode mit einer Katalysatorschicht aus Platin und die Anode mit einer Katalysatorschicht aus einer Platin-Rutheniumlegierung versehen sind.The cathode and the anode, for example, each formed of graphite, wherein the cathode with a catalyst layer of platinum and the anode are provided with a catalyst layer of a platinum-ruthenium alloy.

Die Membran-Elektroden-Einheit ist zwischen zwei Bipolarplatten angeordnet, die beispielsweise jeweils aus Graphit oder Stahl gebildet sind. Die Bipolarplatten dienen dabei dem Verteilen von Reaktionsstoffen für die Brennstoffzelle über die Membran-Elektroden-Einheit und dem Abführen der Reaktionsstoffe in hierfür vorgesehenen, jeweils zu der Membran-Elektroden-Einheit hin offenen Kanälen, der Abfuhr der Reaktionswärme sowie der Herstellung einer elektrischen Verbindung zwischen der Anode und Kathode.The membrane-electrode unit is arranged between two bipolar plates, which are each formed, for example, from graphite or steel. The bipolar plates serve to distribute reactants for the fuel cell via the membrane-electrode assembly and the removal of the reactants in each provided to the membrane-electrode unit open channels, the removal of the heat of reaction and the production of an electrical connection between the anode and cathode.

Als Reaktionsstoffe werden ein Brennstoff und ein Oxidationsmittel eingesetzt. Üblicherweise werden gasförmige Reaktionsstoffe, kurz Reaktionsgase eingesetzt, z. B. werden der Anode über die Bipolarplatte Wasserstoff oder ein Wasserstoff enthaltenes Gas als Brennstoff zugeführt. The reactants used are a fuel and an oxidizing agent. Usually gaseous reactants, short reaction gases are used, for. For example, the anode is supplied with hydrogen or a gas containing hydrogen as fuel via the bipolar plate.

Da insbesondere Wasserstoffgas eine vergleichsweise geringe, volumenbezogene Energiedichte aufweist, ist es vorteilhaft, wenn der Wasserstoff als Brennstoff entweder stark komprimiert oder verflüssigt wird. Zur Zuführung des Brennstoffes zu den Brennstoffzellen ist daher beispielsweise ein nicht näher dargestellter Reformer zum Erzeugen eines wasserstoffreichen Reformats, z. B. aus einem Kraftstoff und Luftsauerstoff, vorgesehen.Since, in particular, hydrogen gas has a comparatively low, volume-related energy density, it is advantageous if the hydrogen as fuel is either strongly compressed or liquefied. For supplying the fuel to the fuel cells, therefore, for example, a not-shown reformer for generating a hydrogen-rich reformate, z. B. from a fuel and atmospheric oxygen provided.

An der Anode wird der Wasserstoff katalytisch oxidiert: H2 → 2H+ + 2e– At the anode, the hydrogen is catalytically oxidized: H 2 → 2H + + 2e -

Die freiwerdenden Elektronen werden dabei über einen elektrischen Verbraucher abgeführt und die Protonen wandern über die Membran zur Kathode.The released electrons are dissipated via an electrical consumer and the protons migrate across the membrane to the cathode.

Der Kathode wird über die Bipolarplatte Sauerstoff oder ein Sauerstoff enthaltenes Gas, z. B. Luft, als Oxidationsmittel, beispielsweise mittels eines Kompressors zugeführt, wobei eine Zuluftleitung 3 vorgesehen ist, über die dem Kompressor, z. B. Außenluft, zugeführt wird. Die Zuluftleitung 3 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel mit einem in Bezug auf eine Fahrzeughochrichtung oberen und in Bezug auf die Fahrzeuglängsrichtung vorderen Bereich des Brennstoffzellenmoduls 2 verbunden und führt ausgehend von dem vorderen Bereich des Fahrzeugs 1 zum Brennstoffzellenmodul 2. Alternativ kann das Fahrzeug 1 auch mehrere Zuluftleitungen 3 aufweisen.The cathode is oxygen via the bipolar plate or an oxygen-containing gas, eg. As air, as an oxidizing agent, for example, supplied by means of a compressor, wherein an air supply line 3 is provided, via which the compressor, z. B. outside air, is supplied. The supply air line 3 is in the present embodiment with a front in relation to a vehicle vertical direction and with respect to the vehicle longitudinal direction front portion of the fuel cell module 2 connected and leads starting from the front of the vehicle 1 to the fuel cell module 2 , Alternatively, the vehicle 1 also several air supply lines 3 exhibit.

Das zugeführte Oxidationsmittel wird anschließend mittels der Protonen, die über die Membran zur Kathode gewandert sind, zu Wasser umgesetzt. Die dafür notwendigen Elektronen werden über den Verbraucher gemäß folgender Gleichung zugeführt: ½O2 + 2H+ + 2e–* → H2O. (1) The supplied oxidant is then converted to water by means of the protons that have migrated across the membrane to the cathode. The necessary electrons are supplied via the consumer according to the following equation: ½O 2 + 2H + + 2e - * → H 2 O. (1)

Das an der Kathode entstehende Wasser muss zweckmäßigerweise ausgetragen werden, um ein Kondensieren und/oder Benetzen der Oberfläche möglichst zu vermeiden.The water formed at the cathode must be expediently discharged in order to avoid condensing and / or wetting the surface as far as possible.

Unter Reaktionsstoffen werden alle an der elektrochemischen Reaktion beteiligten Stoffe verstanden, einschließlich der Reaktionsprodukte wie z. B. Wasser oder Restbrenngas.Reactants are all substances involved in the electrochemical reaction understood, including the reaction products such. As water or residual fuel gas.

Der Transport der Reaktionsstoffe von den Bipolarplatten zu der Anode und der Kathode der Membran-Elektroden-Einheit erfolgt über Gasdiffusionsschichten, welche poröse und elektrisch leitende Strukturen aufweisen. Im Allgemeinen sind dazu eine Gasdiffusionsschicht an der Anode und eine Gasdiffusionsschicht an der Kathode an der jeweils der Bipolarplatte zugewandten Seite angeordnet.The transport of the reactants from the bipolar plates to the anode and the cathode of the membrane-electrode assembly via gas diffusion layers having porous and electrically conductive structures. In general, a gas diffusion layer is arranged on the anode and a gas diffusion layer on the cathode on the side facing the bipolar plate.

Bei der Umsetzung der Brennstoffzellen von chemischer Energie in elektrische Energie entstehen Abgase, die u. a. aus reinem Wasserdampf und Stickoxiden bestehen, wobei Letztere bei hohen Temperaturen in der Brennstoffzelle durch den dort angeordneten Stickstoff aus der Luft gebildet werden. Zum Abführen dieser Abgase aus den Brennstoffzellen des Brennstoffzellenmoduls 2 ist dieses mit einer Abgasleitung 4 verbunden, die im vorliegenden Ausführungsbeispiel die Abgase in eine äußere Fahrzeugumgebung abführt. Die Abgasleitung 4 ist mit einem unteren, hinteren Bereich des Brennstoffzellenmoduls 2 verbunden und führt die Abgase des Brennstoffzellenmodul 2 in Bezug auf die Fahrzeuglängsrichtung in Richtung eines hinteren Bereich des Fahrzeugs 1 an die äußere Fahrzeugumgebung ab. Alternativ kann das Fahrzeug 1 auch mehrere Abgasleitungen 4 aufweisen.In the implementation of the fuel cell from chemical energy into electrical energy produced exhaust gases, which include, inter alia, of pure water vapor and nitrogen oxides, the latter being formed at high temperatures in the fuel cell by the nitrogen arranged there from the air. For discharging these exhaust gases from the fuel cells of the fuel cell module 2 is this with an exhaust pipe 4 connected, which dissipates the exhaust gases in an external vehicle environment in the present embodiment. The exhaust pipe 4 is with a lower, rear portion of the fuel cell module 2 connected and leads the exhaust gases of the fuel cell module 2 with respect to the vehicle longitudinal direction toward a rear portion of the vehicle 1 to the outside vehicle environment. Alternatively, the vehicle 1 also several exhaust pipes 4 exhibit.

Das Brennstoffzellenmodul 2 benötigt zum Betrieb, insbesondere bei einem Starvorgang des Fahrzeugs 1, eine externe Energiequelle, die beispielsweise mittels einer Energiespeichervorrichtung des Fahrzeugs 1 zur Verfügung gestellt wird.The fuel cell module 2 needed for operation, especially in a starter of the vehicle 1 , an external power source, for example by means of an energy storage device of the vehicle 1 is made available.

Bei einem Abschalten des Fahrzeugs 1 und damit einem Herunterfahren des Brennstoffzellenmoduls 2 entsteht ein Unterdruck im Bereich der Anode gegenüber einem Umgebungsdruck. Dies ist insbesondere durch eine Reaktion eines in der Brennstoffzelle verbleibenden Restwasserstoffs mit dem kathodischen Oxidationsmittel begründet. Durch den Unterdruck entsteht ein sogenannter Kamineffekt, in dem Luft über die Zuluftleitung 3 angesaugt wird.When the vehicle is switched off 1 and thus a shutdown of the fuel cell module 2 creates a negative pressure in the region of the anode relative to an ambient pressure. This is due in particular to a reaction of residual hydrogen remaining in the fuel cell with the cathodic oxidizing agent. The negative pressure creates a so-called chimney effect, in the air via the supply air line 3 is sucked.

Dieser Effekt wird durch die in 1 dargestellte Anordnung der Zuluftleitung 3 und der Abgasleitung 4 verstärkt, in welcher die der äußeren Fahrzeugumgebung zugewandten Öffnungen der Zuluft- und Abgasleitung 3, 4 an entgegensetzten Seiten und unterschiedlichen Höhen des Fahrzeugs 1 angeordnet sind und Druckunterschiede zwischen der Zuluftleitung 3 und der Abgasleitung 4 von beispielsweise 3 bis 6 Pascal herrschen können. Auch Windkräfte können den zuvor beschriebenen Kamineffekt weiter verstärken.This effect is due to the in 1 illustrated arrangement of the supply air line 3 and the exhaust pipe 4 amplified, in which the outer vehicle environment facing openings of the supply air and exhaust pipe 3 . 4 on opposite sides and different heights of the vehicle 1 are arranged and pressure differences between the supply air line 3 and the exhaust pipe 4 from 3 to 6 Pascals, for example. Wind forces can also further increase the chimney effect described above.

Durch die derart angesaugte Luft gelangt infolge von Diffusion ausgehend von der Kathodenseite durch die Membran und/oder durch undichte Ventile oder anderer Bauteile Sauerstoff in den Bereich der Anode.As a result of diffusion, the air sucked in in this way passes through the membrane and / or due to diffusion starting from the cathode side Valves or other components oxygen in the area of the anode.

Wird das Brennstoffzellensystem anschließend wieder in Betrieb genommen und der Bereich der Anode mit Wasserstoff versorgt, kann sich eine Wasserstoff-Luft-Front ausbilden, welche sich innerhalb des Brennstoffzellenmoduls 2 über die Katalysatorschicht der Anode einer jeden Brennstoffzelle des Brennstoffzellenmoduls 2 fortbewegt.If the fuel cell system is subsequently put back into operation and the area of the anode supplied with hydrogen, a hydrogen-air front can form, which is located inside the fuel cell module 2 via the catalyst layer of the anode of each fuel cell of the fuel cell module 2 moves.

An dieser Wasserstoff-Luft-Front können Kurzschlussreaktionen der Protonen mit dem Sauerstoff der Luft erfolgen. Eine derart erzeugte Potentialdifferenz führt zu einer Reaktion des Kohlenstoffs der Kathode mit Wasser unter Entstehung von Kohlendioxid, das aus dem Brennstoffzellenmodul 2 ausgetragen wird. Dieser Vorgang ist als Kohlenstoff- oder Kathodenkorrosion bekannt. Da der Kohlenstoff als Trägermaterial für die Katalysatorschicht und zur elektrischen Leitung dient, führt der Abbau dessen zur Verringerung der Katalysatorschicht und damit zur Verringerung des Wirkungsgrades und der Leistung der Brennstoffzellen.Short-circuit reactions of the protons with the oxygen in the air can take place at this hydrogen-air front. A potential difference generated in this way leads to a reaction of the carbon of the cathode with water with formation of carbon dioxide, which from the fuel cell module 2 is discharged. This process is known as carbon or cathode corrosion. Since the carbon serves as a carrier material for the catalyst layer and for electrical conduction, the degradation of which leads to the reduction of the catalyst layer and thus to the reduction of the efficiency and the performance of the fuel cells.

Zur Lösung des Problems wird erfindungsgemäß ein Druckausgleich zwischen der Zuluftleitung 3 und Abgasleitung 4 vorgeschlagen, wobei dazu 2 ein erstes Ausführungsbeispiel und 3 ein zweites Ausführungsbeispiel zeigt.To solve the problem, a pressure equalization between the supply air according to the invention 3 and exhaust pipe 4 suggested, in addition 2 a first embodiment and 3 a second embodiment shows.

In 2 ist ein Fahrzeug 1 mit einem Brennstoffzellenmodul 2 dargestellt, welches in seinem Aufbau gemäß der Beschreibung der 1 ausgebildet ist. Die Zuluftleitung 3 ist hier mit dem oberen, vorderen Bereich des Brennstoffzellenmoduls 2 verbunden. Die der äußeren Fahrzeugumgebung zugewandte Öffnung der Zuluftleitung 3 ist in einem vorderen, unteren Bereich des Fahrzeugs 1 angeordnet, so dass die Zuluftleitung 3 im Wesentlichen in Fahrzeughochrichtung und im oberen Bereich des Brennstoffzellenmoduls 2 zu diesem in Fahrzeuglängsrichtung verläuft.In 2 is a vehicle 1 with a fuel cell module 2 shown in its structure according to the description of 1 is trained. The supply air line 3 is here with the upper, front area of the fuel cell module 2 connected. The outer vehicle environment facing opening of the supply air line 3 is in a front, lower area of the vehicle 1 arranged so that the supply air line 3 essentially in the vehicle vertical direction and in the upper region of the fuel cell module 2 extends to this in the vehicle longitudinal direction.

Die Abgasleitung 4 ist mit einem unteren, vorderen Bereich des Brennstoffzellenmoduls 2 verbunden und verläuft in Fahrzeuglängsrichtung und in Fahrzeughochrichtung im Wesentlichen parallel zur Zuluftleitung 3. Die der äußeren Fahrzeugumgebung zugewandte Öffnung der Abgasleitung 4 ist dabei in Fahrzeughochrichtung annähernd auf gleicher Höhe mit der der äußeren Fahrzeugumgebung zugewandten Öffnung der Zuluftleitung 3 angeordnet, wobei diese in Fahrzeuglängsrichtung in einem zum Stand der Technik signifikant geringeren Abstand zueinander aufweisen.The exhaust pipe 4 is with a lower, front portion of the fuel cell module 2 connected and extends in the vehicle longitudinal direction and in the vehicle vertical direction substantially parallel to the supply air line 3 , The outer vehicle environment facing opening of the exhaust pipe 4 is in vehicle vertical direction approximately at the same height with the outer vehicle environment facing opening of the supply air line 3 arranged, which have in the vehicle longitudinal direction in a prior art significantly lower distance from each other.

Die zuvor beschriebene Anordnung der Zuluft- und Abgasleitung 3, 4 ermöglicht eine Verringerung des Kamineffekts sowie eine Verringerung von insbesondere bei Einwirkung von Windkräften herrschenden Druckunterschieden zwischen der Zuluftleitung 3 und Abgasleitung 4. Damit ist eine Verringerung einer Ansammlung von Luft im Bereich der Kathode und Anode der Brennstoffzellen möglich, wobei eine Anordnung oder Verwendung eines weiteren Bauteils nicht notwendig ist. Damit kann auf sehr kostengünstige Art und Weise eine Lebensdauer der Brennstoffzellen erhöht werden.The previously described arrangement of the supply and exhaust pipe 3 . 4 allows a reduction of the chimney effect and a reduction of prevailing in particular under the influence of wind forces pressure differences between the supply air line 3 and exhaust pipe 4 , Thus, a reduction of accumulation of air in the region of the cathode and anode of the fuel cell is possible, with an arrangement or use of another component is not necessary. This can be increased in a very cost-effective manner, a lifetime of the fuel cell.

Um eine weitere Verringerung des Kamineffekts zu erreichen sind die Öffnungen der Zuluft- und Abgasleitung 3, 4 vorzugsweise in Fahrzeughochrichtung unterhalb des Brennstoffzellenmoduls 2 angeordnet.To achieve a further reduction of the chimney effect, the openings of the supply air and exhaust pipe 3 . 4 preferably in the vehicle vertical direction below the fuel cell module 2 arranged.

Ein zweites, alternatives Ausführungsbeispiel zeigt die 3. Hier ist zwischen der Zuluftleitung 3 und Abgasleitung 4 eine Druckausgleichsleitung 5 angeordnet, welche dafür sorgt, dass in der Zuluftleitung 3 und in der Abgasleitung 4 ein annähernd gleicher Druck herrscht.A second, alternative embodiment shows the 3 , Here is between the supply air line 3 and exhaust pipe 4 a pressure equalization line 5 arranged, which ensures that in the supply air line 3 and in the exhaust pipe 4 an approximately equal pressure prevails.

Die Anordnung der Zuluft- und Abgasleitung 3, 4 kann dabei ähnlich wie der in 2 dargestellten Anordnung erfolgen, wobei die Öffnungen der Zuluft- und Abgasleitung 3, 4 in Fahrzeughochrichtung auf verschiedenen Höhen angeordnet sein können.The arrangement of the supply and exhaust pipes 3 . 4 can be similar to the one in 2 arrangement shown, wherein the openings of the supply air and exhaust pipe 3 . 4 can be arranged in the vehicle vertical direction at different heights.

Zur Verringerung einer Ansaugung von Falschluft durch die Zuluftleitung 3, insbesondere während eines Stillstands des Fahrzeugs 1, ist in der Druckausgleichsleitung 5 eine nicht näher dargestellte, beweglich gelagerte Klappe angeordnet, welche die Druckausgleichsleitung 5 bei Luftansaugung verschließt. Damit ist eine Falschluftströmung durch die Schließstellung der Druckausgleichsleitung 5 zumindest verringerbar.To reduce the intake of false air through the supply air line 3 , in particular during a standstill of the vehicle 1 , is in the pressure equalization line 5 arranged a non-illustrated, movably mounted flap, which the pressure equalization line 5 closes with air intake. This is a false air flow through the closed position of the pressure equalization line 5 at least reducible.

Denkbar ist auch, die Druckausgleichsleitung 5 zusätzlich zu dem in 2 beschriebenen Ausführungsbeispiel zwischen der Zuluftleitung 3 und der Abgasleitung 4 anzuordnen.It is also conceivable, the pressure equalization line 5 in addition to the in 2 described embodiment between the supply air line 3 and the exhaust pipe 4 to arrange.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
Fahrzeugvehicle
22
Brennstoffzellenmodulfuel cell module
33
Zuluftleitungair supply
44
Abgasleitungexhaust pipe
55
DruckausgleichsleitungPressure equalizing line

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • US 2010/0143766 A1 [0002] US 2010/0143766 A1 [0002]
  • US 2011/0244350 A1 [0003] US 2011/0244350 A1 [0003]

Claims (7)

Fahrzeug (1), aufweisend mindestens ein Brennstoffzellenmodul (2) mit einer Anzahl von Brennstoffzellen, wobei das mindestens eine Brennstoffzellenmodul (2) mittels zumindest einer Zuluftleitung (3) und mittels zumindest einer Abgasleitung (4) mit einer äußeren Fahrzeugumgebung gekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Zuluftleitung (3) und die zumindest eine Abgasleitung (4) derart ausgeführt und angeordnet sind, dass zwischen diesen im Betrieb ein Druckausgleich erfolgt.Vehicle ( 1 ), comprising at least one fuel cell module ( 2 ) with a number of fuel cells, wherein the at least one fuel cell module ( 2 ) by means of at least one supply air line ( 3 ) and by means of at least one exhaust pipe ( 4 ) is coupled to an external vehicle environment, characterized in that the at least one supply air line ( 3 ) and the at least one exhaust pipe ( 4 ) are designed and arranged such that a pressure equalization takes place between them during operation. Fahrzeug (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zum Druckausgleich eine der äußeren Fahrzeugumgebung zugewandte Öffnung der zumindest einen Zuluftleitung (3) und eine der äußeren Fahrzeugumgebung zugewandte Öffnung der zumindest einen Abgasleitung (4) in Fahrzeughochrichtung auf einer zumindest annähernd gleichen Höhe angeordnet sind.Vehicle ( 1 ) according to claim 1, characterized in that for pressure equalization of the outer vehicle environment facing opening of the at least one air supply line ( 3 ) and an outer vehicle environment facing opening of the at least one exhaust pipe ( 4 ) are arranged in the vehicle vertical direction on an at least approximately the same height. Fahrzeug (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnungen in einem vorderen, unteren Fahrzeugbereich angeordnet sind.Vehicle ( 1 ) according to claim 2, characterized in that the openings are arranged in a front, lower vehicle area. Fahrzeug (1) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnungen in Fahrzeughochrichtung unterhalb des mindestens einen Brennstoffzellenmoduls (2) angeordnet sind.Vehicle ( 1 ) according to claim 2 or 3, characterized in that the openings in the vehicle vertical direction below the at least one fuel cell module ( 2 ) are arranged. Fahrzeug (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum Druckausgleich eine Druckausgleichleitung (5) zwischen der zumindest einen Zuluftleitung (3) und der zumindest einen Abgasleitung (4) angeordnet ist.Vehicle ( 1 ) according to one of the preceding claims, characterized in that for pressure equalization a pressure compensation line ( 5 ) between the at least one supply air line ( 3 ) and the at least one exhaust pipe ( 4 ) is arranged. Fahrzeug (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass in der Druckausgleichsleitung (5) mindestens eine beweglich gelagerte Klappe angeordnet ist, mittels welcher die Druckausgleichsleitung (5) verschließbar ist.Vehicle ( 1 ) according to claim 5, characterized in that in the pressure equalization line ( 5 ) at least one movably mounted flap is arranged, by means of which the pressure equalization line ( 5 ) is closable. Verfahren zur Herstellung eines Fahrzeugs (1), bei welchem in das Fahrzeug (1) mindestens ein Brennstoffzellenmodul (2) mit einer Anzahl von Brennstoffzellen angeordnet und dieses mittels zumindest einer Zuluftleitung (3) und mittels zumindest einer Abgasleitung (4) mit einer äußeren Fahrzeugumgebung gekoppelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Zuluftleitung (3) und die zumindest eine Abgasleitung (4) derart ausgeführt und angeordnet werden, dass zwischen diesen im Betrieb ein Druckausgleich erfolgt.Method for producing a vehicle ( 1 ), in which in the vehicle ( 1 ) at least one fuel cell module ( 2 ) arranged with a number of fuel cells and this by means of at least one air supply line ( 3 ) and by means of at least one exhaust pipe ( 4 ) is coupled to an external vehicle environment, characterized in that the at least one supply air line ( 3 ) and the at least one exhaust pipe ( 4 ) are designed and arranged such that a pressure equalization takes place between them during operation.
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