DE102014002323A1

DE102014002323A1 - The fuel cell system

Info

Publication number: DE102014002323A1
Application number: DE102014002323.0A
Authority: DE
Inventors: Hans-Jörg Heidrich
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2014-02-19
Filing date: 2014-02-19
Publication date: 2015-08-20

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem (1) mit wenigstens einer Brennstoffzelle (2), welche einen Kathodenraum (3) und einen Anodenraum (4) aufweist, mit einer Abluftleitung (9) zur Abfuhr von Abluft aus dem Kathodenraum (3), mit einer Rezirkulationsleitung (10), welche Abluft vom Ausgang des Kathodenraums (3) zum Eingang des Kathodenraums (3) führt, mit einer Rezirkulationsfördereinrichtung (11) in der Kathodenrezirkulationsleitung (10), und mit einer Abluftturbine (12) in der Abluftleitung (9). Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Kathodenrezirkulationsleitung (10) in Strömungsrichtung der Abluft vor der Abluftturbine (12) aus der Abluftleitung (9) abzweigt, wobei die Abluftturbine (12) und die Rezirkulationsfördereinrichtung (11) in mechanischer Antriebsverbindung stehen.The invention relates to a fuel cell system (1) having at least one fuel cell (2), which has a cathode space (3) and an anode space (4), with an exhaust air line (9) for removing exhaust air from the cathode space (3), with a recirculation line (10), which exhaust air from the outlet of the cathode chamber (3) leads to the input of the cathode chamber (3), with a recirculation conveyor (11) in the cathode recirculation line (10), and with an exhaust air turbine (12) in the exhaust duct (9). The invention is characterized in that the cathode recirculation line (10) branches off from the exhaust air line (9) upstream of the exhaust air turbine (12) in the flow direction of the exhaust air, wherein the exhaust air turbine (12) and the recirculation conveyor (11) are in mechanical drive connection.

Description

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art. Außerdem betrifft die Erfindung die Verwendung eines derartigen Brennstoffzellensystems.The invention relates to a fuel cell system according to the closer defined in the preamble of claim 1. Art Furthermore, the invention relates to the use of such a fuel cell system.

Brennstoffzellensysteme, beispielsweise zum Bereitstellen von elektrischer Antriebsleistung für ein Fahrzeug, sind aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. Sie bestehen typischerweise aus einer Brennstoffzelle, welche in Form eines Stapels, eines sogenannten Stacks von Einzelzellen, aufgebaut ist. Diese Brennstoffzelle bzw. ein gemeinsamer Kathodenraum der Einzelzellen wird mit Luft als Sauerstofflieferant versorgt.Fuel cell systems, for example for providing electrical propulsion power to a vehicle, are well known in the art. They typically consist of a fuel cell, which is constructed in the form of a stack, a so-called stack of single cells. This fuel cell or a common cathode space of the individual cells is supplied with air as an oxygen supplier.

Aus der deutschen Patentschrift DE 102 16 953 B4 ist eine Vorrichtung zur Luftversorgung einer Brennstoffzelle mit Prozessluft bekannt. Diese nutzt eine Luftfördereinrichtung zuluftseitig und abluftseitig des Kathodenraums der Brennstoffzelle eine Abluftturbine, über welche zumindest ein Teil der Antriebsleistung für die Luftfördereinrichtung zurückgewonnen werden kann. Um zusätzliche Leistung eintragen zu können, ist in der dort dargestellten Vorrichtung zur Luftversorgung ein Verdichter in Strömungsrichtung nach der Abluftturbine abluftseitig angeordnet. Über diesen Verdichter kann auch in bestimmten Betriebszuständen Abgas bzw. Abluft zu der Luftfördereinrichtung und damit letztlich zum Kathodenraum zurückgeführt werden. Der Aufbau ist außerordentlich komplex in der Anwendung und benötigt in Strömungsrichtung nach der Abluftturbine eine ausreichend große Drucksenke, um die gesamte benötigte Antriebsleistung für die Luftfördereinrichtung bereitstellen zu können. Dies muss aufwändig durch das Verdichten der Luft in Strömungsrichtung nach der Turbine, letztlich also ein Ansaugen der Abluft durch die Turbine, realisiert werden. Dies ist aufwändig und komplex, insbesondere da die Leistungsanforderungen der Luftfördereinrichtung typischerweise hochdynamisch sind, insbesondere in Fahrzeuganwendungen.From the German patent DE 102 16 953 B4 a device for supplying air to a fuel cell with process air is known. This uses an air conveyor on the supply air side and the exhaust air side of the cathode compartment of the fuel cell an exhaust air turbine, via which at least part of the drive power for the air conveyor can be recovered. In order to register additional power, a compressor in the direction of the exhaust air turbine is arranged on the exhaust side in the device for air supply shown there. In certain operating states, exhaust gas or exhaust air can also be returned to the air delivery device and thus ultimately to the cathode compartment via this compressor. The structure is extremely complex in application and requires in the flow direction downstream of the exhaust air turbine, a sufficiently large pressure sink to provide all the required drive power for the air conveyor can. This has to be realized in a complex manner by compressing the air in the direction of flow downstream of the turbine, ie ultimately by drawing in the exhaust air through the turbine. This is complex and complex, especially since the power requirements of the air conveyor are typically highly dynamic, especially in vehicle applications.

Aus dem weiteren Stand der Technik ist eine zweistufige Verdichtung bekannt, welche beispielsweise in der DE 10 2010 035 727 A1 beschrieben wird. In diesem Aufbau ist ebenfalls eine Rezirkulation von Kathodenabgas vorgesehen. Die Rezirkulation erfolgt dabei zwischen die beiden Verdichterstufen, sodass die zweite Verdichterstufe gleichzeitig als Rezirkulationsfördereinrichtung Verwendung findet.From the further prior art, a two-stage compaction is known which, for example, in the DE 10 2010 035 727 A1 is described. In this structure, a recirculation of cathode exhaust gas is also provided. The recirculation takes place between the two compressor stages, so that the second compressor stage is used simultaneously as a recirculation conveyor.

Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung ist es nun, ein Brennstoffzellensystem anzugeben, welches weiter verbessert ist, und welches insbesondere die beim Stand der Technik genannten Nachteile vermeidet.The object of the present invention is now to provide a fuel cell system, which is further improved, and which avoids in particular the disadvantages mentioned in the prior art.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen. Im Anspruch 10 ist eine besonders bevorzugte Verwendung des Brennstoffzellensystems angegeben.This object is achieved by a fuel cell system having the features in the characterizing part of claim 1. Advantageous embodiments and further developments emerge from the subclaims dependent thereon. In claim 10, a particularly preferred use of the fuel cell system is given.

Bei dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem ist es so, dass die Kathodenrezirkulationsleitung in Strömungsrichtung der Abluft vor der Abluftturbine aus der Abluftleitung abzweigt. Außerdem wird die Abluftturbine genutzt, um die Rezirkulationsfördereinrichtung anzutreiben, indem diese beiden Bauteile in mechanischer Antriebsverbindung stehen. Der Aufbau ermöglicht den Verzicht auf einen Luftbefeuchter, da durch die Rezirkulation eines Teils der Abluft aus dem Kathodenraum feuchte Abluft dem Kathodenraum erneut zugeführt wird, wodurch sich die Eingangsfeuchte entsprechend erhöht und auf eine Befeuchtung verzichtet werden kann. Gleichzeitig sinkt am Eingang des Kathodenraums die Sauerstoffkonzentration ab. Sie erhöht sich dafür jedoch am Ausgang des Kathodenraums. Die Konzentration an Sauerstoff wird also über die gesamte Zellfläche der Brennstoffzelle vergleichmäßigt. Untersuchungen und Messungen haben ergeben, dass sich eine solche möglichst gleichmäßige Sauerstoffkonzentration über die gesamte aktive Fläche des Kathodenraums sehr positiv auf die Lebensdauer der Brennstoffzelle auswirkt, da eine weitaus geringere Degradation durch eventuelle Potenzialunterschiede an den Katalysatoren des Kathodenraums auftritt.In the case of the fuel cell system according to the invention, it is the case that the cathode recirculation line branches off from the exhaust air line upstream of the exhaust air turbine in the flow direction of the exhaust air. In addition, the exhaust air turbine is used to drive the recirculation conveyor by these two components are in mechanical drive connection. The structure makes it possible to dispense with a humidifier, since moist exhaust air is supplied to the cathode space again by the recirculation of a portion of the exhaust air from the cathode space, whereby the input moisture increased accordingly and can be dispensed with a moistening. At the same time, the oxygen concentration decreases at the entrance to the cathode compartment. However, it increases at the output of the cathode compartment. The concentration of oxygen is thus equalized over the entire cell area of the fuel cell. Investigations and measurements have shown that such a very uniform oxygen concentration over the entire active surface of the cathode space has a very positive effect on the life of the fuel cell, since a much lower degradation occurs due to potential differences in the potential of the catalyst compartment of the cathode space.

Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass, insbesondere im niedrigen Lastbereich, und dieser ist insbesondere bei Fahrzeuganwendungen ein sehr häufig auftretender Lastbereich, eine hohe Gleichverteilung der Luftversorgung innerhalb der einzelnen Zellen der Brennstoffzelle erzielt werden kann. Da bei der Rezirkulation lediglich der Druckverlust der Brennstoffzelle selbst über die Rezirkulationsfördereinrichtung ausgeglichen werden muss, kann dies mit weitaus geringerem Energieaufwand erfolgen, als bei einer durchgängigen Versorgung mit frischer Luft.Another advantage is that, especially in the low load range, and this is a very common load range, in particular in vehicle applications, a high uniform distribution of the air supply can be achieved within the individual cells of the fuel cell. Since during recirculation only the pressure loss of the fuel cell itself must be compensated via the recirculation conveyor, this can be done with far less energy than with a continuous supply of fresh air.

Ein weiterer Vorteil, welcher sich durch die Rezirkulationsfördereinrichtung in der Kathodenrezirkulation ergibt ist der, dass die Brennstoffzelle beim Abstellen und Starten sehr viel leichter in der gewünschten Art und Weise konditioniert werden kann, beispielsweise um eine Sauerstoffabreicherung, eine Sauerstoffkonzentrationserhöhung oder das Einstellen einer bestimmten Feuchte zu erzielen. Durch die Möglichkeit einer Rezirkulation der Kathodenluft werden hier Möglichkeiten geschaffen, welche ohne Rezirkulation so nicht oder nur sehr begrenzt zu erreichen wären.Another advantage provided by the recirculation conveyor in the cathode recirculation is that the fuel cell can be much more easily conditioned in shutdown and start in the desired manner, for example oxygen depletion, oxygen concentration increase, or setting of a particular humidity achieve. The possibility of recirculation of the cathode air here possibilities are created, which would not or only very limited to achieve without recirculation.

Durch den Antrieb der Rezirkulationsfördereinrchtung über die Abluftturbine, durch welche der nicht rezirkulierte Teil der Abluft strömt, ist ein sehr energieeffizienter Aufbau möglich. By driving the recirculation conveying device via the exhaust air turbine, through which the non-recirculated part of the exhaust air flows, a very energy-efficient construction is possible.

In einer sehr günstigen und vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems kann es nun ferner vorgesehen sein, dass die Abluftleitung in Strömungsrichtung vor der Abluftturbine über einen Systembypass mit einem Systembypassventil mit einer Zuluftleitung zu dem Kathodenraum, in Strömungsrichtung nach einer Luftfördereinrichtung verbunden ist. Ein solcher Systembypass mit Systembypassventil, welcher die über die Luftfördereinrchtung geförderte Luft unmittelbar vor der Abluftturbine in den Abluftstrang fördern kann, kann bei dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem nun sehr geschickt verwendet werden, um die rezirkulierte Abluftmenge in der Kathodenrezirkulationsleitung zu beeinflussen. Wird zum Beispiel bei kleinen Lasten oder im Leerlaufbetrieb, wenn eine hohe Rezirkulationsrate erwünscht ist, das Systembypassventil geöffnet und die Luftfördereinrichtung bei einer etwas höheren Leistung betrieben als notwendig, dann kann die höhere Luftmenge durch den Systembypass unmittelbar in die Abgasturbine strömen und treibt dann die Rezirkulationsfördereinrichtung mit entsprechend höheren Drehzahlen an. Hierdurch wird eine größere Rezirkulationsrate erzielt.In a very favorable and advantageous development of the fuel cell system according to the invention, it can now also be provided that the exhaust air line is connected in the flow direction upstream of the exhaust air turbine via a system bypass with a system bypass valve with a supply air to the cathode compartment, in the flow direction to an air conveyor. Such a system bypass with system bypass valve, which can promote the conveyed via the Luftfördererung air directly in front of the exhaust turbine in the exhaust air duct, can now be used very cleverly in the fuel cell system according to the invention to influence the recirculated exhaust air amount in the cathode recirculation. For example, at low loads or in idle mode, when a high recirculation rate is desired, the system bypass valve is opened and the air conveyor is operated at a slightly higher power than necessary, then the higher amount of air through the system bypass can flow directly into the exhaust turbine and then drive the recirculation conveyor with correspondingly higher speeds. As a result, a larger recirculation rate is achieved.

Gemäß einer günstigen Weiterbildung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems kann es nun vorgesehen sein, dass die Abluftturbine und die Rezirkulationsfördereinrichtung als Freiläufer mit einer gemeinsamen Welle ausgebildet sind. Ein solcher Freiläufer mit gemeinsamer Welle, bei dem also die Abluftturbine und die Rezirkulationsfördereinrichtung in der Art eines Turboladers, wie er aus Verbrennungsmotoren bekannt ist, ausgebildet sind, ist besonders einfach und effizient im Aufbau, er kann sich insbesondere an der sehr gut ausentwickelten Technologie der Abgasturbolader bei Brennkraftmaschinen orientieren. Er ist einfach in der Herstellung und kann sehr wartungsarm und energieeffizient betrieben werden.According to a favorable development of the fuel cell system according to the invention, it can now be provided that the exhaust air turbine and the recirculation conveyor are designed as free-runners with a common shaft. Such a freewheeler with a common shaft, in which therefore the exhaust air turbine and the recirculation conveyor in the manner of a turbocharger, as it is known from internal combustion engines are formed, is particularly simple and efficient in construction, it can be particularly due to the very well developed technology of Orient exhaust gas turbocharger on internal combustion engines. It is easy to manufacture and can be operated very low maintenance and energy efficient.

In einer weiteren sehr günstigen Ausgestaltung kann es außerdem möglich sein, dass ein Umblasventil in einem Bypass um die Abluftturbine angeordnet ist. Ein solches Umblasventil, welches auch als Waste-Gate-Ventil bezeichnet werden kann, ermöglicht eine optionale Regelung der Abgasturbine, insbesondere wenn bei hohen Leistungen eine geringe Rezirkulationsrate gewünscht ist und entsprechend viel Abluft ansteht. Durch das Öffnen des Umblasventils kann dann die Leistung im Bereich der Abluftturbine und damit auch im Bereich der Rezirkulationsfördereinrichtung entsprechend angepasst werden. Ergänzend oder alternativ dazu wäre es auch möglich, ein entsprechendes Umblasventil in einem Bypass um die Rezirkulationsfördereinrichtung anzuordnen, was letztlich zu einem vergleichbaren Effekt führt.In a further very favorable embodiment, it may also be possible for a blow-over valve to be arranged in a bypass around the exhaust air turbine. Such a blow-over valve, which can also be referred to as a wastegate valve, allows optional regulation of the exhaust gas turbine, in particular if a low recirculation rate is desired at high powers and correspondingly a great deal of exhaust air is present. By opening the Umblasventils then the power in the exhaust air turbine and thus also in the recirculation conveyor can be adjusted accordingly. Additionally or alternatively, it would also be possible to arrange a corresponding blow-in valve in a bypass around the recirculation conveyor, which ultimately leads to a comparable effect.

Gemäß einer weiteren sehr günstigen und vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems kann es auch vorgesehen sein, dass die Abluftturbine und die Rezirkulationsfördereinrichtung mit einer elektrischen Maschine gekoppelt sind. Eine solche Kopplung mit einer elektrischen Maschine ermöglicht das Bereitstellen von zusätzlicher Antriebsleistung für die Rezirkulationsfördereinrichtung durch die elektrische Maschine. Genauso gut kann im Falle, dass eine verringerte Rezirkulationsrate gewünscht ist, die Abluftturbine elektrisch abgebremst und hierdurch generatorisch Leistung in der elektrischen Maschine erzeugt werden.According to a further very favorable and advantageous embodiment of the fuel cell system according to the invention, it can also be provided that the exhaust air turbine and the recirculation conveyor are coupled to an electric machine. Such a coupling with an electric machine enables the provision of additional drive power for the recirculation conveyor by the electric machine. Just as well, in the case that a reduced recirculation rate is desired, the exhaust air turbine can be electrically decelerated and as a result generate power in the electric machine.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung hiervon kann es auch vorgesehen sein, dass die Abluftturbine die Rezirkulationsfördereinrichtung, die Luftfördereinrichtung und eine elektrische Maschine in mechanischer Antriebsverbindung stehen. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn ein Umblasventil in einem Bypass um die Rezirkulationsfördereinrichtung angeordnet ist, da dann immer möglichst viel Abluft über die Abluftturbine strömen kann und die Leistung bedarfsweise entweder der Rezirkulationsfördereinrichtung und/oder der Luftfördereinrichtung zugute kommt.According to an advantageous development thereof, it may also be provided that the exhaust air turbine, the recirculation conveyor, the air conveyor and an electric machine are in mechanical drive connection. This is particularly advantageous if a blow-in valve is arranged in a bypass around the recirculation conveyor, since then as much as possible exhaust air can flow through the exhaust turbine and the power if necessary, either the recirculation conveyor and / or the air conveyor benefits.

Unter dem Begriff in „mechanischer Antriebsverbindung stehen” im Sinne der Erfindung ist dabei jede Art von mechanischer Antriebsverbindung zu verstehen, beispielsweise über Getriebeelemente wie Riemen, Wellen, Zahnräder, insbesondere jedoch auch durch eine direkte Antriebsverbindung über eine gemeinsame Welle.The term in "mechanical drive connection" in the context of the invention is to be understood as any type of mechanical drive connection, for example via transmission elements such as belts, shafts, gears, but in particular also by a direct drive connection via a common shaft.

Der Aufbau ist entsprechend einfach und effizient und kann insbesondere bei sich dynamisch ändernden Anforderungen einen sehr zuverlässigen Betrieb der Brennstoffzelle gewährleisten. Er eignet sich daher insbesondere in einem Brennstoffzellensystem, welches zur Bereitstellung von elektrischer Antriebsleistung in einem Fahrzeug eingesetzt wird, da derartige Brennstoffzellensysteme typischerweise hochdynamisch betrieben werden.The structure is correspondingly simple and efficient and can ensure a very reliable operation of the fuel cell, especially in dynamically changing requirements. It is therefore particularly suitable in a fuel cell system, which is used to provide electrical drive power in a vehicle, since such fuel cell systems are typically operated highly dynamically.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems ergeben sich aus den Ausführungsbeispielen, welche nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben sind.Further advantageous embodiments of the fuel cell system according to the invention will become apparent from the embodiments, which are described in more detail below with reference to the figures.

Dabei zeigen:Showing:

1 eine Kathodenseite eines prinzipmäßig angedeuteten Brennstoffzellensystems in einer ersten möglichen Ausführungsform gemäß der Erfindung; 1 a cathode side of a fuel cell system indicated in principle in one first possible embodiment according to the invention;

2 eine Kathodenseite eines prinzipmäßig angedeuteten Brennstoffzellensystems in einer zweiten möglichen Ausführungsform gemäß der Erfindung; 2 a cathode side of a fuel cell system indicated in principle in a second possible embodiment according to the invention;

3 eine Kathodenseite eines prinzipmäßig angedeuteten Brennstoffzellensystems in einer dritten möglichen Ausführungsform gemäß der Erfindung; und 3 a cathode side of a fuel cell system indicated in principle in a third possible embodiment according to the invention; and

4 eine Kathodenseite eines prinzipmäßig angedeuteten Brennstoffzellensystems in einer vierten möglichen Ausführungsform gemäß der Erfindung. 4 a cathode side of a fuel cell system indicated in principle in a fourth possible embodiment according to the invention.

In der Darstellung der 1 ist ein Brennstoffzellensystem 1 in einem Ausschnitt sehr stark schematisiert angedeutet. Der Ausschnitt des Brennstoffzellensystems 1, welches zur Bereitstellung von elektrischer Antriebsleistung für ein nicht dargestelltes Fahrzeug dienen soll, zeigt dabei im Wesentlichen die Kathodenseite des Brennstoffzellensystems 1. Den Kern des Brennstoffzellensystems 1 bildet eine Brennstoffzelle 2, welche insbesondere als Stapel von PEM-Einzelzellen aufgebaut sein soll. Jede der Einzelzellen weist dabei einen Kathodenbereich und einen Anodenbereich auf. Rein beispielhaft sind in der schematischen Darstellung der 1 ein gemeinsamer Kathodenraum 3 und ein gemeinsamer Anodenraum 4 dargestellt. Dem Anodenraum 4 wird in an sich bekannter Art und Weise Wasserstoff zugeführt. Dies ist für die Erfindung nicht weiter relevant, sodass hierauf nicht näher eingegangen wird und dies in der Darstellung der Figuren auch nicht näher dargestellt ist.In the presentation of the 1 is a fuel cell system 1 in a section very strongly schematized indicated. The section of the fuel cell system 1 , which is to serve for the provision of electrical drive power for a vehicle, not shown, shows essentially the cathode side of the fuel cell system 1 , The core of the fuel cell system 1 forms a fuel cell 2 , which should be constructed in particular as a stack of PEM single cells. Each of the individual cells has a cathode region and an anode region. Purely by way of example are in the schematic representation of 1 a common cathode compartment 3 and a common anode compartment 4 shown. The anode compartment 4 Hydrogen is supplied in a manner known per se. This is not relevant to the invention, so that will not be discussed in more detail and this is not shown in detail in the representation of the figures.

Dem Kathodenraum 3 der Brennstoffzelle 2 wird Luft als Sauerstofflieferant über eine Luftfördereinrichtung 5 zugeführt. Die Luftfördereinrichtung 5 ist in den hier dargestellten Ausführungsbeispielen jeweils als Strömungsverdichter dargestellt. Dies ist rein beispielhaft zu verstehen. Die Luftfördereinrichtung 5 könnte genauso gut als Roots-Gebläse oder Verdichter bzw. Kompressor jeder beliebigen anderen Bauart realisiert sein. Die Luftfördereinrichtung 5 wird von einer elektrischen Maschine 6 in der Darstellung der 1 angetrieben. Die von ihr angesaugte und typischerweise über einen Luftfilter in Strömungsrichtung vor der Luftfördereinrichtung 5 vorgereinigte Luft strömt dann durch einen optionalen Wärmetauscher 7 als Ladeluftkühler und gelangt über eine Zuluftleitung 8 in den Kathodenraum 3 der Brennstoffzelle 2. Über eine Abluftleitung 9 strömt die Luft dann wieder aus dem Kathodenraum 3 der Brennstoffzelle 2 ab. Sie teilt sich in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel dann auf, wobei ein Teil der Abluft über eine Kathodenrezirkulationsleitung 10 mit einer Rezirkulationsfördereinrichtung 11 zurückgeführt und zusammen mit der frischen Luft dem Kathodenraum 3 erneut zugeführt wird. Der andere Teil der Abluft strömt über eine Abluftturbine 12 in die Umgebung. In Strömungsrichtung vor der Abluftturbine 12 kann insbesondere ein Wasserabscheider angeordnet sein, um das Einströmen von flüssigen Tröpfchen in die Abluftturbine 12 zu verhindern. Dieser ist aus dem allgemeinen Stand der Technik in Strömungsrichtung vor Abluftturbinen bei Brennstoffzellensystemen allgemein bekannt und üblich, sodass hierauf nicht näher eingegangen wird und dieser auch nicht in den Figuren dargestellt ist.The cathode compartment 3 the fuel cell 2 Air becomes an oxygen supplier via an air conveyor 5 fed. The air conveyor 5 is shown in the illustrated embodiments, each as a flow compressor. This is to be understood as an example only. The air conveyor 5 could just as well be realized as Roots blower or compressor or compressor of any other type. The air conveyor 5 is from an electric machine 6 in the presentation of the 1 driven. The sucked from her and typically via an air filter in the flow direction in front of the air conveyor 5 pre-cleaned air then flows through an optional heat exchanger 7 as intercooler and passes through a supply air line 8th in the cathode compartment 3 the fuel cell 2 , Via an exhaust air line 9 the air then flows out of the cathode compartment again 3 the fuel cell 2 from. It is then divided in the embodiment shown here, wherein a portion of the exhaust air via a cathode recirculation line 10 with a recirculation conveyor 11 returned and together with the fresh air the cathode room 3 is fed again. The other part of the exhaust air flows through an exhaust air turbine 12 in the nearby areas. In the flow direction in front of the exhaust air turbine 12 In particular, a water separator may be arranged to prevent the inflow of liquid droplets into the exhaust air turbine 12 to prevent. This is generally known and customary from the general state of the art in the flow direction in front of exhaust air turbines in fuel cell systems, so that this is not discussed in more detail and this is not shown in the figures.

Die Abluftturbine 12 und die Rezirkulationsfördereinrichtung 11 sitzen auf einer gemeinsamen Welle 13, sodass die Rezirkulationsfördereinrichtung 11 von der Abluftturbine 12 angetrieben wird. Zusätzlich weist das Brennstoffzellensystem 1 einen Systembypass mit einem Systembypassventil 15 auf. Dieser Systembypass verbindet die Zuluftleitung 8 in Strömungsrichtung nach der Luftfördereinrichtung 5 mit der Abluftleitung 9 in Strömungsrichtung vor der Abluftturbine 12. Er kann beispielsweise dazu eingesetzt werden beim Abschalten des Brennstoffzellensystem 1, oder wenn dieses sich in einem vorübergehenden Stillstand befindet, geförderte Luft, welche beispielsweise aufgrund des nachlaufenden Strömungsverdichters als Luftfördereinrichtung 5 noch gefördert wird, unmittelbar wieder abzublasen, ohne dass Sauerstoff in die Brennstoffzelle 2 bzw. ihren Kathodenraum 3 eingetragen wird. Er kann nun außerdem dazu verwendet werden, die Luftmenge, welche über die Abluftturbine 12 strömt, entsprechend zu beeinflussen. Insbesondere lässt sich die rezirkulierte Luftmenge in der Kathodenrezirkulationsleitung 10 in geschickter Weise durch das Systembypassventil 15 einstellen, indem beispielsweise bei kleineren Lasten oder im Leerlaufbetrieb, wenn eine hohe Rezirkulationsrate erwünscht ist, das Systembypassventil 15 geöffnet und die Luftfördereinrichtung 5 mit etwas höherer Leistung betrieben wird. Hierdurch erhöht sich die Luftmenge, welche über den Systembypass 14 zur Abluftturbine 12 strömt. Die von der Abluftturbine 12 erzeugte Leistung wird erhöht und die Rezirkulationsfördereinrichtung 11 wird mit höherer Leistung angetrieben, rezirkuliert also eine größere Menge an Abluft, die Rezirkulationsrate wird somit erhöht.The exhaust air turbine 12 and the recirculation conveyor 11 sit on a common wave 13 so that the recirculation conveyor 11 from the exhaust air turbine 12 is driven. In addition, the fuel cell system has 1 a system bypass with a system bypass valve 15 on. This system bypass connects the supply air line 8th in the flow direction after the air conveyor 5 with the exhaust pipe 9 in the flow direction in front of the exhaust air turbine 12 , For example, it can be used when switching off the fuel cell system 1 , Or, if this is in a temporary standstill, conveyed air, which, for example, due to the trailing flow compressor as an air conveyor 5 is still promoted, immediately again blow off without oxygen in the fuel cell 2 or their cathode compartment 3 is registered. It can now also be used to control the amount of air passing through the exhaust air turbine 12 flows to influence accordingly. In particular, the recirculated air quantity in the cathode recirculation line can be 10 in a clever way through the system bypass valve 15 For example, at lower loads or in idle mode, when a high recirculation rate is desired, the system bypass valve 15 opened and the air conveyor 5 operated with slightly higher power. This increases the amount of air that passes through the system bypass 14 to the exhaust air turbine 12 flows. The of the exhaust air turbine 12 generated power is increased and the recirculation conveyor 11 is driven with higher power, so recirculates a larger amount of exhaust air, the recirculation rate is thus increased.

In der Darstellung der 2 ist ein sehr ähnlicher Aufbau des Brennstoffzellensystems 1 nochmals zu erkennen. Der einzige Unterschied des gezeigten Brennstoffzellensystems 1 in der Darstellung der 2 besteht darin, dass um die Abluftturbine 12 herum ein Bypass 16 mit einem Umblasventil 17, welches auch als Waste-Gate-Ventil 17 bezeichnet werden kann, angeordnet ist. Hierdurch kann Luft an der Abluftturbine 12 vorbeigeleitet werden, insbesondere um die Rezirkulationsrate durch eine Absenkung der Antriebsleistung der Rezirkulationsfördereinrichtung 11 abzusenken. Dies kann insbesondere bei hohen Leistungen der Brennstoffzellen 2 der Fall sein, wenn eine geringere Rezirkulationsrate gewünscht wird.In the presentation of the 2 is a very similar structure of the fuel cell system 1 to recognize again. The only difference of the shown fuel cell system 1 in the presentation of the 2 is that around the exhaust air turbine 12 around a bypass 16 with a blow-up valve 17 which also acts as a wastegate valve 17 can be designated, is arranged. This allows air to the exhaust air turbine 12 be bypassed, in particular the recirculation rate by lowering the Drive power of the recirculation conveyor 11 lower. This can especially at high power of the fuel cell 2 be the case if a lower recirculation rate is desired.

In der Darstellung der 3 ist eine weitere Alternative des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems 1 dargestellt. Das Brennstoffzellensystem 1 in dieser Alternative weist zusammen mit der Abluftturbine 12 und der Rezirkulationsfördereinrichtung 11 auf der gemeinsamen Welle 13 außerdem eine elektrische Maschine 18 auf. Diese elektrische Maschine ist in der Lage, bei Bedarf beispielsweise bei kleinen Lasten und im Leerlauf, wenn eine hohe Rezirkulationsrate gewünscht ist, zusätzliche Antriebsleistung für die Rezirkulationsfördereinrichtung 11 zur Verfügung zu stellen und deren Drehzahl zu erhöhen. Außerdem kann bei hohen Lasten der Antriebsmotor als Generator Leistung von der Abluftturbine 12 abnehmen, sodass sehr leistungseffizient eine Regelung der Rezirkulationsrate über die elektrische Maschine 12 möglich wird, welche anders als bei den bisher beschriebenen Ausführungsformen, insbesondere anders als das Waste-Gate-Ventil 17 keine unter Druck stehende Luft ungenutzt aus dem Brennstoffzellensystem 1 lässt.In the presentation of the 3 is another alternative of the fuel cell system according to the invention 1 shown. The fuel cell system 1 in this alternative points together with the exhaust air turbine 12 and the recirculation conveyor 11 on the common wave 13 also an electric machine 18 on. This electric machine is capable of providing additional drive power to the recirculation conveyor, as needed, for example, at low loads and at idle when a high recirculation rate is desired 11 to make available and to increase their speed. In addition, at high loads, the drive motor as a generator power from the exhaust air turbine 12 decrease, so that a very efficient power regulation of the recirculation rate on the electric machine 12 is possible, which unlike the previously described embodiments, in particular different than the waste gate valve 17 no pressurized air unused from the fuel cell system 1 leaves.

In der Darstellung der 4 ist dies nochmals weitergebildet, indem auf der gemeinsamen Welle 13 nun zusätzlich zur Rezirkulationsfördereinrichtung 11 und der Abluftturbine 12 die Luftfördereinrichtung 5 mit ihrer elektrischen Maschine 6, anstelle der elektrischen Maschine 18, angeordnet ist. Dieser Aufbau ermöglicht also die Nutzung der elektrischen Maschine 6 sowohl für die Luftfördereinrichtung 5 als auch für die Rezirkulationsfördereinrichtung 11 und kann dementsprechend so ausgestaltet werden, dass auch im Bereich der Abluftturbine 12 anfallende Leistung sowohl für die Rezirkulation als auch für die Luftförderung eingesetzt werden kann.In the presentation of the 4 this is further developed by being on the common shaft 13 now in addition to the recirculation conveyor 11 and the exhaust air turbine 12 the air conveyor 5 with her electric machine 6 , instead of the electric machine 18 , is arranged. This structure thus allows the use of the electrical machine 6 both for the air conveyor 5 as well as for the recirculation conveyor 11 and can accordingly be designed so that also in the exhaust air turbine 12 incurred power can be used for both the recirculation and for the promotion of air.

Im Falle, dass eine hohe Antriebsleistung im Bereich der Luftfördereinrichtung 5 notwendig ist, beispielsweise bei hohen Lasten der Brennstoffzelle 2, ist in diesem Ausführungsbeispiel ein Bypass 19 mit einem Umblasventil 20, welches ebenfalls als Waste-Gate-Ventil 20 bezeichnet werden könnte, um die Rezirkulationsfördereinrichtung 11 vorgesehen. Hierdurch kann Abluft an der Rezirkulationsfördereinrichtung 11 vorbei bzw. von der Rezirkulationsfördereinrichtung 11 zurück zu ihrer Saugseite geblasen werden, wodurch die Rezirkulationsrate sich ebenfalls sehr gut einstellen lässt. Dies gilt insbesondere für den hohen Lastbereich. Für den niedrigen Lastbereich kann die elektrische Maschine 6 der Luftfördereinrichtung 5 dann zusammen mit der Abluftturbine 12 das Rezirkulationsgebläse 4 auf eine höhere Drehzahl bringen, um eine hohe Rezirkulation durch die Brennstoffzelle 2 zu erreichen. Damit lässt sich eine sehr gute Gleichverteilung der Luft auf die Einzelzellen der Brennstoffzelle 2 erzielen. Um die Luftmenge an sich zu begrenzen, kann wiederum das Systembypassventil 5 entsprechend geöffnet werden, wobei durch die Abluftturbine 12 zumindest ein Teil der Druckenergie aus der Abluft wieder zurückgewonnen und dem Antrieb zugeführt werden kann.In the case of a high drive power in the air conveyor 5 is necessary, for example, at high loads of the fuel cell 2 , is a bypass in this embodiment 19 with a blow-up valve 20 which also acts as a wastegate valve 20 could be referred to the recirculation conveyor 11 intended. This allows exhaust air to the recirculation conveyor 11 past or from the recirculation conveyor 11 blown back to its suction side, whereby the recirculation rate can also be set very well. This is especially true for the high load range. For the low load range, the electric machine 6 the air conveyor 5 then together with the exhaust air turbine 12 the recirculation fan 4 bring to a higher speed to high recirculation through the fuel cell 2 to reach. This allows a very good uniform distribution of the air to the individual cells of the fuel cell 2 achieve. In turn, to limit the amount of air, the system bypass valve 5 be opened accordingly, with the exhaust air turbine 12 at least a part of the pressure energy from the exhaust air recovered and can be supplied to the drive.

Über die erfindungsgemäßen Brennstoffzellensysteme 1 lässt sich also ein sehr guter und gleichmäßiger Betrieb mit den eingangs genannten Vorteilen erzielen. Insbesondere beim Abschalten des Brennstoffzellensystems 1 kann dadurch, dass die Rezirkulationsfördereinrichtung 11 weiterbetrieben und eine Rezirkulation der Luft aufrechterhalten werden kann, bei abgestellter Luftfördereinrichtung 5 ein sehr gutes Aufbrauchen des Sauerstoffs in dem rezirkulierten Gasstrom erzielt werden. Dadurch, dass im Kathodenraum 3 dann kein oder kaum noch Sauerstoff vorhanden ist, wird eine sehr schonende Wiederinbetriebnahme der Brennstoffzelle 2 gewährleistet. Bei dieser wird dann langsam die Sauerstoffkonzentration erhöht, indem bei erfolgender Rezirkulation der Luft das Systembypassventil 15 geöffnet ist.About the fuel cell systems of the invention 1 So you can achieve a very good and consistent operation with the advantages mentioned above. In particular, when switching off the fuel cell system 1 can be characterized in that the recirculation conveyor 11 continue operating and a recirculation of the air can be maintained, with the air conveyor off 5 a very good use of the oxygen in the recirculated gas stream can be achieved. Because of that in the cathode compartment 3 then little or no oxygen is present, a very gentle restart of the fuel cell 2 guaranteed. In this case, the oxygen concentration is then slowly increased by the system by-pass valve when air recirculates 15 is open.

Ferner kann durch die Kathodenrezirkulation die Feuchte im Bereich der Brennstoffzelle ideal eingestellt werden, insbesondere beim Abschalten oder Wiederstarten des Brennstoffzellensystems 1, da die Feuchte in der gewünschten Art, durch eine entsprechende Wahl der Rezirkulationsrate, im Kreislauf geführt wird, bis sich der gewünschte Feuchtegehalt einstellt.Furthermore, the humidity in the area of the fuel cell can be ideally adjusted by the cathode recirculation, in particular when switching off or restarting the fuel cell system 1 because the moisture is circulated in the desired manner, by a suitable choice of the recirculation rate, until the desired moisture content is reached.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 10216953 B4 [0003]
DE 102010035727 A1 [0004]

Claims

Fuel cell system ( 1 ) with at least one fuel cell ( 2 ), which has a cathode space ( 3 ) and an anode compartment ( 4 ), with an exhaust duct ( 9 ) for the removal of exhaust air from the cathode compartment ( 3 ), with a recirculation line ( 10 ), which exhaust air from the output of the cathode compartment ( 3 ) to the entrance of the cathode compartment ( 3 ), with a recirculation conveyor ( 11 ) in the cathode recirculation line ( 10 ), and with an exhaust air turbine ( 12 ) in the exhaust duct ( 9 ), characterized in that the cathode recirculation line ( 10 ) in the flow direction of the exhaust air before the exhaust air turbine ( 12 ) from the exhaust air duct ( 9 ), wherein the exhaust air turbine ( 12 ) and the recirculation conveyor ( 11 ) are in mechanical drive connection.

Fuel cell system ( 1 ) according to claim 1, characterized in that the exhaust duct ( 9 ) in the flow direction in front of the exhaust air turbine ( 12 ) via a system bypass ( 14 ) with a system bypass valve ( 15 ) with an air supply line ( 8th ) to the cathode compartment ( 3 ), in the flow direction to an air conveyor ( 5 ) connected is.

Fuel cell system ( 1 ) according to claim 1 or 2, characterized in that the exhaust air turbine ( 12 ) and the recirculation conveyor ( 11 ) as a free-runner with a common wave ( 13 ) are formed.

Fuel cell system ( 1 ) according to claim 1, 2 or 3, characterized in that a blow-up valve ( 17 ) in a bypass ( 16 ) around the exhaust air turbine ( 12 ) is arranged.

Fuel cell system ( 1 ) according to one of claims 1 to 4, characterized in that a blow-up valve ( 20 ) in a bypass ( 19 ) around the recirculation conveyor ( 11 ) is arranged.

Fuel cell system ( 1 ) according to one of claims 1 to 5, characterized in that the exhaust air turbine ( 12 ) and the recirculation conveyor ( 11 ) with an electric machine ( 18 . 6 ) are coupled.

Fuel cell system ( 1 ) according to one of claims 2 to 6, characterized in that the exhaust air turbine ( 12 ), the recirculation conveyor ( 11 ), the air conveyor ( 5 ) and an electric machine ( 6 ) are in mechanical drive connection with each other.

Fuel cell system ( 1 ) according to claim 1 and / or 7, characterized in that the mechanical drive connection as a common shaft ( 13 ) is trained.

Fuel cell system ( 1 ) according to one of claims 1 to 8, characterized in that the supply air line ( 8th ) is free from a humidifier.

Use of the fuel cell system ( 1 ) according to one of claims 1 to 9, for providing electrical drive power in a vehicle.