DE102013109426A1

DE102013109426A1 - The fuel cell system

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Publication number: DE102013109426A1
Application number: DE201310109426
Authority: DE
Inventors: Martin Saballus; Robin Auffermann
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2013-08-30
Filing date: 2013-08-30
Publication date: 2015-03-19

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem (1) zur Versorgung zumindest eines Verbrauchers (2) mit elektrischem Strom, das eine Leistungseinrichtung (3) mit zumindest einem Brennstoffzellenstack (5) und wenigstens eine Puffereinrichtung (4) umfasst, wobei die Puffereinrichtung (4) zumindest einen Brennstoffzellenstack (6) aufweist, der bezogen auf eine Brennstoffversorgung parallel zu dem zumindest einen Brennstoffzellenstack (5) der Leistungseinrichtung (3) und bezogen auf eine Oxidationsmittelversorgung (8) in Reihe mit dem zumindest einen Brennstoffzellenstack (5) der Leistungseinrichtung (3) angeordnet ist.The present invention relates to a fuel cell system (1) for supplying at least one consumer (2) with electric current, comprising a power device (3) with at least one fuel cell stack (5) and at least one buffer device (4), wherein the buffer device (4) at least a fuel cell stack (6) arranged in relation to a fuel supply parallel to the at least one fuel cell stack (5) of the power device (3) and related to an oxidant supply (8) in series with the at least one fuel cell stack (5) of the power device (3) is.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem zur Versorgung zumindest eines Verbrauchers mit elektrischem Strom, das eine Leistungseinrichtung mit zumindest einem Brennstoffzellenstack und wenigstens eine Puffereinrichtung umfasst. Die Leistungseinrichtung bildet den primären Energieerzeuger. Die Puffereinrichtung dient dazu, hohe Lastanforderungen schnell zu beantworten und die Leistungseinrichtung zu entlasten. The present invention relates to a fuel cell system for supplying at least one consumer with electric current, which comprises a power device with at least one fuel cell stack and at least one buffer device. The power device forms the primary energy generator. The buffer device serves to quickly respond to high load requirements and to relieve the power device.

1 zeigt schematisch ein bekanntes Brennstoffzellensystem 100 der eingangs genannten Art, das zur Versorgung eines Verbrauchers 101 mit elektrischem Strom dient. Das Brennstoffzellensystem 100 umfasst eine Leistungseinrichtung 102, die zumindest einen Brennstoffzellenstack umfasst. Die Leistungseinrichtung 102 wird in bekannter Weise mit Brennstoff und mit Oxidationsmittel versorgt. Bei dem Brennstoff kann es sich beispielsweise um Wasserstoff handeln. Als Oxidationsmittel kann z. B. Luft zum Einsatz kommen. In dem zumindest einen Brennstoffzellenstack der Leistungseinrichtung 102 wird die chemische Reaktionsenergie des Brennstoffes und des Oxidationsmittels mit einem Wirkungsgrad von etwa 60% in elektrische Energie umgewandelt. Mit dieser elektrischen Energie wird einerseits der elektrische Verbraucher 101 versorgt. Andererseits wird eine in Form eines elektrischen Speichers vorgesehene Puffereinrichtung 103 geladen, die bei hohen Lastanforderungen unter Entladung ebenfalls den Verbraucher 101 speist. Das Laden und das Entladen der Puffereinrichtung 103 erfolgen bei einem Wirkungsgrad von jeweils etwa 90%. Insgesamt liefert die Puffereinrichtung 103 damit elektrische Energie mit einem Wirkungsgrad von 48,6%. Die Berechnung des Wirkungsgrades erfolgt über folgende Formeln: Laden: η_{Brennstoffzellen-Leistungsstack} × η_Laden = 0,6 × 0,9 = 0,54 Entladen: η_{Brennstoffzellen-Leistungsstack} × η_Laden × η_Entladen = 0,6 × 0,9 × 0,9 = 0,486. 1 schematically shows a known fuel cell system 100 of the type mentioned, the supply of a consumer 101 used with electric current. The fuel cell system 100 includes a power device 102 comprising at least one fuel cell stack. The power device 102 is supplied in a known manner with fuel and oxidizing agent. The fuel may be, for example, hydrogen. As the oxidant z. B. air are used. In the at least one fuel cell stack of the power device 102 The chemical reaction energy of the fuel and the oxidizing agent is converted into electrical energy with an efficiency of about 60%. With this electrical energy, on the one hand, the electrical consumer 101 provided. On the other hand, a buffer means provided in the form of an electric memory is provided 103 loaded, which under high load requirements under discharge also the consumer 101 fed. Loading and unloading the buffer device 103 take place at an efficiency of about 90%. Overall, the buffer device provides 103 thus electrical energy with an efficiency of 48.6%. The calculation of the efficiency takes place via the following formulas: Charging: η _{fuel cell power stack} × η _charge = 0.6 × 0.9 = 0.54 Discharge: η _{fuel cell power stack} × η _charge × η _discharge = 0.6 × 0.9 × 0.9 = 0.486.

Die energetische Ausbeute bezogen auf ein Kilogramm Wasserstoff stellt sich damit wie folgt dar:

The energy yield based on one kilogram of hydrogen is thus as follows:

Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Brennstoffzellensystem der eingangs genannten Art zu schaffen, das hohe Lastanforderungen bei optimierter energetischer Ausbeute schnell beantworten kann.Based on this prior art, it is an object of the present invention to provide a fuel cell system of the type mentioned, which can quickly answer high load requirements with optimized energy yield.

Zur Lösung dieser Aufgabe schafft die vorliegende Erfindung ein Brennstoffzellensystem der eingangs genannten Art, das dadurch gekennzeichnet ist, dass die Puffereinrichtung zumindest einen Brennstoffzellenstack aufweist, der bezogen auf eine Brennstoffversorgung parallel zu dem zumindest einen Brennstoffzellenstack der Leistungseinrichtung und bezogen auf eine Oxidationsmittelversorgung in Reihe mit dem zumindest einen Brennstoffzellenstack der Leistungseinrichtung angeordnet ist. Aufgrund der Tatsache, dass die erfindungsgemäße Puffereinrichtung zumindest einen Brennstoffzellenstack aufweist und entsprechend als elektrochemischer Speicher ausgebildet ist, durch den die Versorgungsmedien geführt werden, ist die Puffereinrichtung stets geladen, weshalb auf sich ändernde Lastanforderungen schnell reagiert werden kann. Darüber hinaus entfallen bei einer erfindungsgemäßen elektrochemischen Puffereinrichtung die bei einer elektrischen Puffereinrichtung (Akkumulator) zum Laden und Entladen erforderlichen Umwandlungsschritte, weshalb dem zumindest einen Verbraucher von der Puffereinrichtung elektrische Energie bei einem Wirkungsgrad von etwa 60% zur Verfügung gestellt werden kann. Entsprechend verbessert sich auch die energetische Ausbeute gegenüber dem in 1 dargestellten bekannten Brennstoffzellensystem, was nachfolgend noch näher beschrieben wird.To achieve this object, the present invention provides a fuel cell system of the type mentioned, which is characterized in that the buffer means comprises at least one fuel cell stack, based on a fuel supply parallel to the at least one fuel cell stack of the power device and based on an oxidant supply in series with the at least one fuel cell stack of the power device is arranged. Due to the fact that the buffer device according to the invention has at least one fuel cell stack and is accordingly designed as an electrochemical storage through which the supply media are guided, the buffer device is always charged, which is why it can respond quickly to changing load requirements. Moreover, with an electrochemical buffer device according to the invention, the conversion steps required for charging and discharging in an electrical buffer device (accumulator) are eliminated, which means that electrical energy can be made available to the at least one consumer from the buffer device at an efficiency of about 60%. Correspondingly, the energy yield compared to in 1 shown known fuel cell system, which will be described in more detail below.

Gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist der zumindest eine Brennstoffzellenstack der Puffereinrichtung bezogen auf eine Strömungsrichtung der Oxidationsmittelversorgung stromaufwärts des zumindest einen Brennstoffzellenstacks der Leistungseinrichtung angeordnet. Mit anderen Worten ist die Puffereinrichtung der Leistungseinrichtung als so genannter Vorläufer vorgelagert.According to one embodiment of the present invention, the at least one fuel cell stack of the buffer device is arranged upstream of the at least one fuel cell stack of the power device with respect to a flow direction of the oxidant supply. In other words, the buffer device of the power device is preceded by a so-called precursor.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist der zumindest eine Brennstoffzellenstack der Puffereinrichtung bezogen auf eine Strömungsrichtung der Oxidationsmittelversorgung stromabwärts des zumindest einen Brennstoffzellenstacks der Leistungseinrichtung angeordnet. Bei dieser Ausgestaltung ist die Puffereinrichtung also als so genannter Nachläufer der Leistungseinrichtung nachgelagert.According to a further embodiment of the present invention, the at least one fuel cell stack of the buffer device is arranged downstream of the at least one fuel cell stack of the power device with respect to a flow direction of the oxidant supply. In this embodiment, the buffer device is therefore downstream as a so-called trailer of the power device.

Vorteilhaft weist die Leistungseinrichtung mehrere Brennstoffzellenstacks auf, die bezogen auf die Brennstoffversorgung parallel zueinander angeordnet sind. Mit steigender Anzahl von Brennstoffzellenstacks nimmt die Gesamtleistung der Leistungseinrichtung zu. Advantageously, the power device has a plurality of fuel cell stacks, which are arranged parallel to one another in relation to the fuel supply. As the number of fuel cell stacks increases, the overall performance of the power device increases.

Gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung weist das Brennstoffzellensystem als weitere Komponente(n) alleine oder in Kombination als weitere Komponente(n) alleine oder in Kombination ein Gebläse, eine Befeuchtungseinrichtung, eine Kondensationseinrichtung, eine Kühleinrichtung, einen Wärmetauscher und/oder einen oder mehrere Wasserabscheider auf.According to one embodiment of the present invention, the fuel cell system alone or in combination as a further component (s) alone or in combination, a fan, a humidifier, a condensation device, a cooling device, a heat exchanger and / or one or more water separators as further component (s) on.

Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden anhand der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsformen erfindungsgemäßer Brennstoffzellensysteme unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung deutlich. Darin ist/sindFurther features and advantages of the present invention will become apparent from the following description of embodiments of fuel cell systems according to the invention with reference to the accompanying drawings. This is / are

1 eine schematische Ansicht, die ein bekanntes Brennstoffzellensystem zeigt; 1 a schematic view showing a known fuel cell system;

2 eine schematische Ansicht, die ein Brennstoffzellensystem gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt; 2 a schematic view showing a fuel cell system according to an embodiment of the present invention;

3 eine schematische Ansicht, welche eine Anordnung einer Puffereinrichtung des in 2 dargestellten Brennstoffzellensystems als Vorläufer-Konzept zeigt; 3 a schematic view showing an arrangement of a buffer device of in 2 shown fuel cell system as a precursor concept;

4 eine schematische Ansicht, welche eine Anordnung einer Puffereinrichtung des in 2 dargestellten Brennstoffzellensystems als Nachläufer-Konzept zeigt; 4 a schematic view showing an arrangement of a buffer device of in 2 shown fuel cell system as a follower concept;

5 ein Diagramm, das die Veränderung der Luftstöchiometrie bezogen auf die Leistung einer Vorläufer-Anordnung zeigt; 5 a graph showing the change in air stoichiometry relative to the performance of a precursor array;

6 ein Diagramm, das die Veränderung der Luftstöchiometrie in Abhängigkeit von der Leistung einer Nachläufer-Anordnung zeigt; 6 a diagram showing the change in the air stoichiometry as a function of the performance of a post-rotor arrangement;

7 eine schematische Ansicht, die einen möglichen Aufbau der in 3 dargestellten Vorläufer-Anordnung zeigt; 7 a schematic view showing a possible structure of in 3 shown precursor arrangement shows;

8 ein Diagramm, das Leistungsänderungen einer Leistungseinrichtung als Reaktion auf einen Lastsprung einer Puffereinrichtung des in 7 dargestellten Aufbaus zeigt; und 8th FIG. 4 is a diagram illustrating power changes of a power device in response to a load hop of a buffer device of the in 7 shown construction shows; and

9 und 10 Diagramme, welche die jeweiligen Abweichungen von den in 8 dargestellten geradlinigen Verläufen zeigen. 9 and 10 Diagrams showing the respective deviations from the in 8th show illustrated straight lines.

Gleiche Bezugsziffern repräsentieren nachfolgend gleiche oder gleichartige Komponenten.Like reference numerals below represent the same or similar components.

2 zeigt schematisch ein Brennstoffzellensystem 1 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, das zur Versorgung zumindest eines Verbrauchers 2 mit elektrischem Strom dient. Das Brennstoffzellensystem 1 umfasst eine Leistungseinrichtung 3 und eine Puffereinrichtung 4, bei denen es sich um elektrochemische Einrichtungen mit jeweils zumindest einem Brennstoffzellenstack handelt, wobei die Brennstoffzellenstacks in 2 nicht dargestellt sind. Die Brennstoffzellenstacks der Leistungseinrichtung 3 werden nachfolgend der Einfachheit halber als Leistungsstacks 5 und die der Puffereinrichtung 4 als Pufferstacks 6 bezeichnet. Die Leistungseinrichtung 3 und die Puffereinrichtung 4 werden über einen Brennstofftank 7 mit dem erforderlichen Brennstoff versorgt, bei dem es sich beispielsweise um Wasserstoff handeln kann. Dabei ist die Leistungseinrichtung 3 bezogen auf die Brennstoffversorgung parallel zur Puffereinrichtung 4 angeordnet. Ferner werden die Leistungseinrichtung 3 und die Puffereinrichtung 4 über eine in 2 nicht näher dargestellte Oxidationsmittelversorgung 8 mit dem erforderlichen Oxidationsmittel versorgt, bei dem es sich zum Beispiel um Luft handelt. Bezogen auf die Oxidationsmittelversorgung 8 sind die Leistungseinrichtung 3 und die Puffereinrichtung 4 in Reihe angeordnet, was unter Bezugnahme auf die 3 bis 5 noch näher erläutert wird. In den Leistungsstacks 5 sowie in dem Pufferstack 6 wird die chemische Reaktionsenergie des Brennstoffes und des Oxidationsmittels in elektrische Energie mit einem Wirkungsgrad von jeweils etwa 60% umgewandelt. Mit der gewonnen elektrischen Energie wird dann der Verbraucher 2 versorgt. Sowohl die Leistungseinrichtung 3 als auch die Puffereinrichtung 4 liefern damit elektrische Energie mit einem Wirkungsgrad von etwa 60%. Die energetische Ausbeute bezogen auf ein Kilogramm Wasserstoff stellt sich entsprechend wie folgt dar:

2 schematically shows a fuel cell system 1 according to an embodiment of the present invention, for supplying at least one consumer 2 used with electric current. The fuel cell system 1 includes a power device 3 and a buffer device 4 which are electrochemical devices, each with at least one fuel cell stack, wherein the fuel cell stacks in 2 are not shown. The fuel cell stacks of the power device 3 are hereinafter referred to as performance stacks for the sake of simplicity 5 and the buffer device 4 as buffer stacks 6 designated. The power device 3 and the buffer device 4 be through a fuel tank 7 supplied with the required fuel, which may be, for example, hydrogen. Here is the power device 3 based on the fuel supply parallel to the buffer device 4 arranged. Furthermore, the power device 3 and the buffer device 4 about one in 2 Not shown oxidant supply 8th supplied with the required oxidizing agent, which is, for example, air. Based on the oxidant supply 8th are the power device 3 and the buffer device 4 arranged in series, with reference to the 3 to 5 will be explained in more detail. In the power stacks 5 as well as in the buffer stack 6 For example, the chemical reaction energy of the fuel and the oxidant is converted into electrical energy with an efficiency of about 60% each. With the gained electrical energy then becomes the consumer 2 provided. Both the power device 3 as well as the buffer device 4 provide electrical energy with an efficiency of about 60%. The energy yield based on one kilogram of hydrogen is correspondingly as follows:

3 zeigt eine Variante des in 2 dargestellten Brennstoffzellensystems 1, bei welcher die Puffereinrichtung 4 bezogen auf eine Strömungsrichtung der Oxidationsmittelversorgung 8 stromaufwärts der Leistungseinrichtung 3 angeordnet ist, was nachfolgend als Vorläufer-Konzept bezeichnet wird. Bei diesem Vorläufer-Konzept durchströmt das Oxidationsmittel also zuerst den einzelnen Pufferstack 6 der Puffereinrichtung 4 und anschließend die beiden Leistungsstacks 5 der Leistungseinrichtung 3. Die Leistungsstacks 5 sind parallel zueinander angeordnet. Entsprechend wird der von der Puffereinrichtung 4 kommende Oxidationsmittelstrom an einem Verteiler 9 in zwei Teilströme aufgeteilt und durchströmt anschließend die beiden Leistungsstacks 5. Es sollte klar sein, dass sowohl die Anzahl der Leistungsstacks 5 als auch die Anzahl der Pufferstacks 6 in Abhängigkeit von den an das Brennstoffzellensystems 1 gestellten Anforderungen variieren kann. Optional kann zusätzlich eine Bypassleitung 10 vorgesehen sein, die in den Verteiler 9 mündet und durch die zusätzliches Oxidationsmittel zugeführt wird. 3 shows a variant of in 2 illustrated fuel cell system 1 in which the buffer device 4 based on a flow direction of the oxidant supply 8th upstream of the power device 3 is arranged, which is hereinafter referred to as a precursor concept. In this precursor concept, the oxidant thus first flows through the individual buffer stack 6 the buffer device 4 and then the two power stacks 5 the power device 3 , The power stacks 5 are arranged parallel to each other. Accordingly, that of the buffer device 4 incoming oxidant stream at a distributor 9 divided into two streams and then flows through the two power stacks 5 , It should be clear that both the number of power stacks 5 as well as the number of buffer stacks 6 depending on the fuel cell system 1 requirements may vary. Optionally, in addition, a bypass line 10 be provided in the distributor 9 opens and is supplied by the additional oxidizing agent.

4 zeigt eine Variante des in 2 dargestellten Brennstoffzellensystems 1, bei welcher die Puffereinrichtung 4 bezogen auf eine Strömungsrichtung der Oxidationsmittelversorgung 8 stromabwärts der Leistungseinrichtung 3 angeordnet ist, was nachfolgend als Nachläufer-Konzept bezeichnet wird. Bei diesem Nachläufer-Konzept durchströmt das Oxidationsmittel also zuerst die Leistungsstacks 5 und anschließend den Pufferstack 6. Die Leistungsstacks 5 sind parallel zueinander angeordnet und werden von dem von der Oxidationsmittelversorgung 8 kommenden Oxidationsmittelstrom gleichermaßen mit Oxidationsmittel versorgt, wobei das Oxidationsmittel entsprechend der Leistungsanforderung verbraucht wird. Die sauerstoffabgereicherten Teilluftströme, welche die Leistungseinrichtung 3 verlassen, strömen in einen Verteiler 9. Optional kann ferner eine Bypassleitung 10 in den Verteiler 9 münden, um zusätzliches Oxidationsmittel zuzuführen. Von dem Verteiler 9 strömt der sauerstoffabgereicherte Luftstrom dann in die Puffereinrichtung 4 und wird dort im Pufferstack 6 weiter verbraucht. Es sollte klar sein, dass ebenso wie beim Vorläufer-Konzept sowohl die Anzahl der Leistungsstacks 5 als auch die Anzahl der Pufferstacks 6 in Abhängigkeit von den an das Brennstoffzellensystems 1 gestellten Anforderungen variieren kann. 4 shows a variant of in 2 illustrated fuel cell system 1 in which the buffer device 4 based on a flow direction of the oxidant supply 8th downstream of the power device 3 is arranged, which is hereinafter referred to as a follower concept. In this follower concept, the oxidant thus first flows through the power stacks 5 and then the buffer stack 6 , The power stacks 5 are arranged parallel to each other and are from that of the oxidant supply 8th supplied oxidizing agent stream equally with oxidizing agent, wherein the oxidizing agent is consumed according to the power requirement. The oxygen-depleted partial air streams, which the power device 3 leave, pour into a distributor 9 , Optionally, further may be a bypass line 10 in the distributor 9 lead to supply additional oxidizing agent. From the distributor 9 The oxygen-depleted air stream then flows into the buffer device 4 and is there in the buffer stack 6 consumed further. It should be clear that as with the precursor concept, both the number of power stacks 5 as well as the number of buffer stacks 6 depending on the fuel cell system 1 requirements may vary.

Um das Vorläufer-Konzept und das Nachläufer-Konzept in ihrem unterschiedlichen Einfluss auf das Gesamtsystem anschaulicher darzustellen, sind in den 5 und 6 die Veränderungen der Luftstöchiometrie (Lambda) bezogen auf die Leistung dargestellt, wobei die gestrichelten Linien die Luftstöchiometrie der Leistungseinrichtung 3 und die durchgezogenen Linien die der Puffereinrichtung 4 repräsentieren. Die Leistungseinrichtung 3 und die Puffereinrichtung 4 haben in dem in den 5 und 6 dargestellten Beispiel die gleiche Leistungsgröße. Die Leistung der Leistungseinrichtung 3 beträgt immer 100%, und die Stoffmenge an Luft ist über die Leistungseinrichtungen ermittelt worden. Eine Stöchiometrie von 2,5 wurde für die Leistungseinrichtung 3 festgelegt. Die Abszisse stellt nur den Leistungssprung der Puffereinrichtung 4 dar und welchen Einfluss dieser auf die Leistungseinrichtung 3 hat. Diesen Einfluss zeigt die nachfolgende Tabelle: Leistung der Puffereinrichtung P [%] Vorläufer-Konzept, Puffereinrichtung λ[–] Vorläufer-Konzept, Leistungseinrichtung λ[–] Nachläufer-Konzept, Leistungseinrichtung λ[–] Nachläufer-Konzept, Puffereinrichtung λ[–] 10 25,0 2,4 2,5 15,0 20 12,5 2,3 2,5 7,5 30 8,3 2,2 2,5 5,0 40 6,3 2,1 2,5 3,8 50 5,0 2,0 2,5 3,0 60 4,2 1,9 2,5 2,5 70 3,6 1,8 2,5 2,1 80 3,1 1,7 2,5 1,9 90 2,8 1,6 2,5 1,7 100 2,5 1,5 2,5 1,5 To illustrate the precursor concept and the follower concept in their different influence on the overall system more vividly, are in the 5 and 6 the changes in the air stoichiometry (lambda) relative to the power shown, wherein the dashed lines the air stoichiometry of the power device 3 and the solid lines that of the buffer device 4 represent. The power device 3 and the buffer device 4 have in the in the 5 and 6 example shown the same power size. The performance of the power device 3 is always 100%, and the amount of air in the air has been determined by the power equipment. A stoichiometry of 2.5 was used for the power device 3 established. The abscissa represents only the power jump of the buffer device 4 and what influence this has on the power device 3 Has. This influence is shown in the following table: Performance of the buffer device P [%] Precursor concept, buffer device λ [-] Precursor concept, power device λ [-] Follower concept, power device λ [-] Follower concept, buffer device λ [-] 10 25.0 2,4 2.5 15.0 20 12.5 2.3 2.5 7.5 30 8.3 2.2 2.5 5.0 40 6.3 2.1 2.5 3.8 50 5.0 2.0 2.5 3.0 60 4.2 1.9 2.5 2.5 70 3.6 1.8 2.5 2.1 80 3.1 1.7 2.5 1.9 90 2.8 1.6 2.5 1.7 100 2.5 1.5 2.5 1.5

Die Berechnung der jeweiligen Lambda-Werte ergibt sich aus den nachfolgenden Formeln. Der Stoffmengenstrom wird nur über den Strom Der Leistungseinrichtung (LS) berechnet.

The calculation of the respective lambda values results from the following formulas. The mass flow rate is calculated only via the power of the power device (LS).

Daraus ermitteln sich die Lambdawerte für das Konzept des Vorläufers wie folgt:
Puffereinrichtung Vorläufer-Konzept (PSV):

Leistungseinrichtung Vorläufer-Konzept (LSV):

From this, the lambda values for the concept of the precursor are determined as follows:
Buffering device precursor concept (PSV):

Performance Facility Precursor Concept (LSV):

Und die Lambdawerte für das Konzept des Nachläufers ergeben sich wie folgt:
Puffereinrichtung Nachläufer-Konzept (PSN):

Leistungseinrichtung Nachläufer-Konzept (LSN):

And the lambda values for the concept of the Nachläufers arise as follows:
Buffer Setup Follower Concept (PSN):

Performance Equipment Follower Concept (LSN):

Der erfindungsgemäße Aufbau des Brennstoffzellensystems 1 ist zum einen dahingehend von Vorteil, dass die Puffereinrichtung 4 keine Laderegelung benötigt, da sie nicht elektrisch nachgeladen werden muss. Dies führt zu einem wenig komplexen Aufbau und damit zu geringen Kosten. Darüber hinaus ist die Puffereinrichtung 4 stets geladen, weshalb sie immer verfügbar ist und ein schnelles Antwortverhalten zeigt. Das Brennstoffzellensystem 1 kann während des Betriebs vom Vorläufer- in das Nachläufer-Konzept überführt werden und umgekehrt. Dank der hohen Stöchiometrie ist eine Reduzierung der Systemkomplexität realisierbar. Beispielsweise können die Leistungseinrichtung 3 und die Puffereinrichtung 4 mit einer gemeinsamen Kühleinrichtung gekühlt werden. Darüber hinaus kann die Puffereinrichtung 4 dazu genutzt werden, eine Konditionierung des Luftstromes zum Inertgas zu realisieren, was in vielen Anwendungsfällen wünschenswert ist.The structure of the fuel cell system according to the invention 1 on the one hand to the advantage that the buffer device 4 No charge control needed, as it does not need to be recharged electrically. This leads to a less complex structure and thus to low costs. In addition, the buffer device 4 always loaded, which is why it is always available and shows a fast response. The fuel cell system 1 can be transferred during operation from the precursor to the post-cursor concept and vice versa. Thanks to the high stoichiometry, a reduction in system complexity is possible. For example, the power device 3 and the buffer device 4 be cooled with a common cooling device. In addition, the buffer device 4 be used to realize a conditioning of the air flow to the inert gas, which is desirable in many applications.

7 zeigt einen möglichen Aufbau des in 3 dargestellten Vorläufer-Konzeptes bezogen auf Oxidationsmittelversorgung, Brennstoffversorgung und Kühlkreislauf. Das Brennstoffzellensystem 1 umfasst zusätzlich zur Leistungseinrichtung 3, zur Puffereinrichtung 4, zum Brennstofftank 7 und zur Oxidationsmittelversorgung 8, die vorliegend durch ein Gebläse gebildet ist, eine Befeuchtungseinrichtung 11, eine Kondensationseinrichtung 12, eine Kühleinrichtung 13, einen Wärmetauscher 14 und mehrere Wasserabscheider 15, 16 und 17. 7 shows a possible structure of in 3 illustrated precursor concept based on oxidant supply, fuel supply and cooling circuit. The fuel cell system 1 includes in addition to the power device 3 , to the buffer device 4 , to the fuel tank 7 and to Oxidant supply 8th , which is in the present case formed by a fan, a humidifier 11 , a condensation device 12 , a cooling device 13 , a heat exchanger 14 and several water separators 15 . 16 and 17 ,

Die Oxidationsmittelversorgung fördert als Oxidationsmittel Luft durch die Leitung 18 zur Puffereinrichtung 4. Vor dem Eintritt in die Puffereinrichtung 4 wird der Luftstrom in der Befeuchtungseinrichtung 11 befeuchtet und temperiert. Der befeuchtete und temperierte Luftstrom passiert dann den Pufferstack 6 der Puffereinrichtung 4. Anschließend tritt die feuchte und sauerstoffabgereicherte Luft durch die Leitung 19 aus der Puffereinrichtung 4 aus, wobei anfallendes Kondensat über den Wasserabscheider 15 abgeschieden wird, und strömt dann in die Leistungseinrichtung 3, um dort entsprechend der Leistungsanforderung verbraucht zu werden. Daraufhin tritt der nur noch einen Restsauerstoffgehalt aufweisende Luftstrom durch die Leitung 20 aus der Leistungseinrichtung 3 aus, passiert die Befeuchtungseinrichtung 11, in der ihm Feuchtigkeit entzogen wird, wird anschließend in der Kondensationseinrichtung 12 kondensiert und verlässt dann das Brennstoffzellensystem 1. Das in der Kondensationseinrichtung 12 kondensierte Wasser wird über den Wasserabscheider 16 abgeschieden. The oxidant supply promotes air as an oxidant through the line 18 to the buffer device 4 , Before entering the buffer device 4 the air flow in the humidifier 11 moistened and tempered. The humidified and tempered air stream then passes through the buffer stack 6 the buffer device 4 , Subsequently, the humid and oxygen-depleted air passes through the pipe 19 from the buffer device 4 from, with accumulating condensate on the water 15 is deposited, and then flows into the power device 3 to be consumed there according to the power requirement. Thereupon, the air flow containing only a residual oxygen content passes through the line 20 from the power facility 3 out, passes the humidifier 11 in which it is deprived of moisture, then in the condenser 12 condenses and then leaves the fuel cell system 1 , That in the condensation device 12 condensed water gets over the water separator 16 deposited.

Der Brennstoff wird ausgehend von dem Brennstofftank 7 durch die Leitung 21 zur Leistungseinrichtung 3 und zur Puffereinrichtung 4 gefördert. Der nach den chemischen Reaktionen innerhalb der Leistungsstacks 5 und des Pufferstacks 6 verbleibende Restbrennstoffstrom verlässt die Leistungseinrichtung 3 und die Puffereinrichtung 4 über die Leitung 22 und wird daraufhin nach Passieren des Wasserabscheiders 17 aus dem Brennstoffzellensystem 1 ausgelassen.The fuel is starting from the fuel tank 7 through the pipe 21 to the power device 3 and to the buffer device 4 promoted. The one after the chemical reactions within the power stacks 5 and the buffer stack 6 remaining residual fuel flow leaves the power device 3 and the buffer device 4 over the line 22 and is then after passing the water separator 17 from the fuel cell system 1 omitted.

Die Kühlung des Brennstoffzellensystems 1 umfasst zwei Kühlkreisläufe 23 und 24, die über den Wärmetauscher 14 thermisch miteinander verbunden sind. Im ersten Kühlkreislauf 23 wird Kühlmittel in der Kühleinrichtung 13 gekühlt und mittels einer integrierten Pumpe zur Kondensationseinrichtung 12 gefördert. Von dort aus gelangt es über den Wärmetauscher 14 zurück zur Kühleinrichtung 13. Der zweite Kühlkreislauf 24, der im Wärmetauscher 14 Wärme an den ersten Kühlkreislauf 23 abgibt, kühlt sowohl die Leistungseinrichtung 3 als auch die Puffereinrichtung 4.The cooling of the fuel cell system 1 includes two cooling circuits 23 and 24 passing over the heat exchanger 14 thermally connected to each other. In the first cooling circuit 23 becomes coolant in the cooler 13 cooled and by means of an integrated pump to the condensation device 12 promoted. From there it passes through the heat exchanger 14 back to the cooling device 13 , The second cooling circuit 24 that in the heat exchanger 14 Heat to the first cooling circuit 23 gives off, cools both the power device 3 as well as the buffer device 4 ,

Während des Betriebs des in 7 dargestellten Brennstoffzellensystems 1 wird die Puffereinrichtung 4 mit einer Grundlast kontinuierlich belastet, von der aus die Lastsprünge vollzogen werden. Die Grundlast ist erforderlich, um innerhalb des Pufferstacks 6 einen Übertritt von Brennstoff (Anode) auf die Seite der Luftführung (Kathode) zu verhindern. Kommt es nun zu einem Lastsprung, so wird die Puffereinrichtung 4 entsprechend der Lastspitzenanforderung zusätzlich belastet. Zur Umsetzung solcher Lastsprünge ist eine überstöchiometrische Luftversorgung gefordert. Diese kann über die Oxidationsmittelversorgung 8 mittels eines entsprechend hohen Lambda-Wertes oder zur Gewährleistung eines geringeren Lambda-Wertes konstruktiv über einen Ansatz realisiert werden, bei dem bei dem Vorläufer-Konzept ein einzelner Pufferstack 6 auf mehrere Leistungsstacks 5 eingesetzt wird. Beim Nachläufer-Konzept werden mehrere Leistungsstacks 5 auf einen einzelnen Pufferstack 6 eingesetzt. Bei Versuchen wurde die Versorgung über die Luftführung realisiert. Diese wurde mit einem Faktor von 33,3 (bei Grundlast) bis 4,9 (bei maximalem Lastsprung) für den Pufferstack 6 und von 4,7 (bei Grundlast des Pufferstacks 6) bis 3,9 (bei gleichem Lastniveau des Leistungsstacks 5 und des Pufferstacks 6) betrieben. Die Stöchiometrie des gesamten Systems (d. h. beide Stacls 5 und 6 zusammen) bewegte sich bei diesen Versuchen zwischen 4,3 (Pufferstack 6 bei Grundlast und Leistungsstack 5 bei ¾ der Volllast) bis 2,45 (Pufferstack 6 und Leistungsstack 5 bei ¾ der Volllast). Die Leistungsänderungen des Leistungsstacks 5 durch die Lastsprünge des Pufferstacks 6 sind in 8 gezeigt, wobei auf der Abszisse (x-Achse) die negativen wie positiven Lastsprünge und auf der Ordinate (y-Achse) daraus resultierende Leistungsänderungen der beiden Stacks 5 und 6 dargestellt sind. Die Punkte stellen die Veränderungen vom Pufferstack 6 dar, sowie die Quadrate die Änderungen an dem Leistungsstack 5 zeigen. Hierdurch zeigt sich die Abhängigkeit und Einflussgröße durch das Vorläufer-Konzept. Die positiven Lastsprünge zeigen die Veränderung beider Stacks 5 und 6 bei einem Sprung vom Pufferstack 6 aus der Grundlast auf das entsprechende Leistungsniveau (Belastung) und die negativen Sprünge vom entsprechenden Lastbereich auf die Grundlast (Entlastung).During operation of the in 7 illustrated fuel cell system 1 becomes the buffer device 4 continuously loaded with a base load, from which the load jumps are completed. The base load is required to be within the buffer stack 6 to prevent a transfer of fuel (anode) to the side of the air duct (cathode). If there is now a load jump, then the buffer device 4 additionally loaded in accordance with the load peak requirement. To implement such load jumps, a superstoichiometric air supply is required. This can be done via the oxidant supply 8th be implemented by means of a correspondingly high lambda value or to ensure a lower lambda value constructively via an approach in which in the precursor concept a single buffer stack 6 on multiple power stacks 5 is used. The Nachläufer concept will have multiple performance stacks 5 to a single buffer stack 6 used. In experiments, the supply was realized via the air duct. This was calculated with a factor of 33.3 (at base load) to 4.9 (at maximum load jump) for the buffer stack 6 and 4.7 (at base load of the buffer stack 6 ) to 3.9 (at the same load level of the power stack 5 and the buffer stack 6 ) operated. The stoichiometry of the entire system (ie both stacl 5 and 6 together) moved between 4.3 (buffer stack 6 at base load and power stack 5 at ¾ full load) to 2 , 45 (buffer stack 6 and performance stack 5 at ¾ full load). The performance changes of the power stack 5 by the load jumps of the buffer stack 6 are in 8th shown, where on the abscissa (x-axis), the negative as positive load jumps and on the ordinate (y-axis) resulting power changes of the two stacks 5 and 6 are shown. The dots represent the changes from the buffer stack 6 as well as the squares the changes to the power stack 5 demonstrate. This shows the dependence and influence by the precursor concept. The positive load jumps show the change of both stacks 5 and 6 on a jump from the buffer stack 6 from the base load to the corresponding power level (load) and the negative jumps from the corresponding load range to the base load (load).

Die 9 und 10 zeigen die jeweiligen Abweichungen von den in 8 dargestellten geradlinigen Verläufen.The 9 and 10 show the respective deviations from the in 8th illustrated rectilinear courses.

Ein wesentlicher Vorteil des Brennstoffzellensystems 1 besteht darin, dass die Leistungseinrichtung 3 für einen konstanten Lastbetrieb optimal ausgelegt werden kann, so dass Degradationsprozesse minimiert werden können. Das Spannungsniveau kann über die Anzahl der Brennstoffzellen und die Stromstärke über die aktive Flächengröße eingestellt werden, so dass das Brennstoffzellensystem 1 der Anwendung entsprechend ausgelegt werden kann. Mit dem Brennstoffzellensystem 1 sind große und schnelle Lastwechsel der Puffereinrichtung bei geringem Einfluss auf die Leistungseinrichtung 3 realisierbar.An essential advantage of the fuel cell system 1 is that the power device 3 can be optimally designed for a constant load operation, so that degradation processes can be minimized. The voltage level can be adjusted via the number of fuel cells and the amperage across the active area size, allowing the fuel cell system 1 the application can be designed accordingly. With the fuel cell system 1 are large and fast load changes of the buffer device with little influence on the power device 3 realizable.

Claims

Fuel cell system ( 1 ) for supplying at least one consumer ( 2 ) with electric power which is a power device ( 3 ) with at least one fuel cell stack ( 5 ) and at least one buffer device ( 4 ), characterized in that the buffer device ( 4 ) at least one fuel cell stack ( 6 ), which in relation to a fuel supply parallel to the at least one fuel cell stack ( 5 ) of the service facility ( 3 ) and based on an oxidant supply ( 8th ) in series with the at least one fuel cell stack ( 5 ) of the service facility ( 3 ) is arranged.

Fuel cell system ( 1 ) according to claim 1, characterized in that the at least one fuel cell stack ( 6 ) of the buffer device ( 4 ) relative to a flow direction of the oxidant supply ( 8th ) upstream of the at least one fuel cell stack ( 5 ) of the service facility ( 3 ) is arranged.

Fuel cell system ( 1 ) according to claim 1, characterized in that the at least one fuel cell stack ( 6 ) of the buffer device ( 4 ) relative to a flow direction of the oxidant supply ( 8th ) downstream of the at least one fuel cell stack ( 5 ) of the service facility ( 3 ) is arranged.

Fuel cell system ( 1 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the power device ( 3 ) several fuel cell stacks ( 5 ), which are arranged parallel to each other with respect to the fuel supply.

Fuel cell system ( 1 ) according to any one of the preceding claims, characterized in that this as a further component (s) alone or in combination a moistening device ( 11 ), a condensation device ( 12 ), a cooling device ( 13 ), a heat exchanger ( 14 ) and / or one or more water separators ( 15 . 16 . 17 ) having.