DE102015011275A1 - Fuel cell system and vehicle with a fuel cell system - Google Patents

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Michael Bader
Matthias Maisch
Ralf Nüßle
Volker Schempp
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Cellcentric GmbH and Co KG
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem (10), insbesondere für ein Fahrzeug, mit einem Brennstoffzellenstapel (12), welcher eine Anode (18) und eine Kathode (28) umfasst, wobei in einem Abluftstrang (52) der Kathode (28) eine Absperreinrichtung (54) angeordnet ist. Die Absperreinrichtung (54) ist mit einem Kühlmittel eines Kühlmittelkreises (16) beaufschlagbar, mittels welchem im Betrieb des Brennstoffzellensystems (10) Wärme von dem Brennstoffzellenstapel (12) abführbar ist. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Fahrzeug mit einem solchen Brennstoffzellensystem (10).The invention relates to a fuel cell system (10), in particular for a vehicle, having a fuel cell stack (12) which comprises an anode (18) and a cathode (28), wherein in an exhaust air strand (52) the cathode (28) has a shut-off device (12). 54) is arranged. The shut-off device (54) can be acted upon by a coolant of a coolant circuit (16) by means of which heat can be dissipated from the fuel cell stack (12) during operation of the fuel cell system (10). Furthermore, the invention relates to a vehicle with such a fuel cell system (10).

Description

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem mit einem Brennstoffzellenstapel, welcher eine Anode und eine Kathode umfasst. In einem Abluftstrang der Kathode ist eine Absperreinrichtung angeordnet. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Fahrzeug mit einem Brennstoffzellensystem.The invention relates to a fuel cell system with a fuel cell stack, which comprises an anode and a cathode. In a Abluftstrang the cathode a shut-off device is arranged. Furthermore, the invention relates to a vehicle with a fuel cell system.

Die DE 10 2014 215 828 A1 beschreibt ein Antriebssteuerverfahren für ein Brennstoffzellensystem, bei welchem in einem Abluftstrang einer Kathode eines Brennstoffzellenstapels ein Luft-Absperrventil angeordnet ist. In bestimmten Situationen kann das Luft-Absperrventil geschlossen werden, während Wasserstoff der Kathodenseite des Brennstoffzellenstapels zugeführt wird. So wird verhindert, dass der Wasserstoff in die Atmosphäre austreten kann. Das Brennstoffzellensystem der DE 10 2014 215 828 A1 kann in einem Fahrzeug zum Einsatz kommen, welches eine Plug-In-Funktionalität aufweist, bei welcher also das Brennstoffzellensystem während der Fahrt häufig gestoppt und dann wieder neu gestartet wird. Das Luft-Absperrventil wird bei einem Stopp des Brennstoffzellensystems geschlossen.The DE 10 2014 215 828 A1 describes a drive control method for a fuel cell system in which in an exhaust air strand of a cathode of a fuel cell stack, an air shut-off valve is arranged. In certain situations, the air shut-off valve may be closed while supplying hydrogen to the cathode side of the fuel cell stack. This prevents the hydrogen from escaping into the atmosphere. The fuel cell system of DE 10 2014 215 828 A1 can be used in a vehicle which has a plug-in functionality, in which therefore the fuel cell system is frequently stopped while driving and then restarted again. The air shut-off valve is closed at a stop of the fuel cell system.

Des Weiteren beschreibt die DE 102 14 727 B4 ein Brennstoffzellensystem, bei welchem in einer Gaspassage zum Abführen von Brennstoff von einer Anode der Brennstoffzelle Steuerventile angeordnet sind. Einer Steuerventilheizvorrichtung zum Heizen der Steuerventile wird Wärme von einem Oxidationsgas zugeführt, welches einer Kathode der Brennstoffzelle zugeführt wird. Auf diese Weise lassen sich die Steuerventile auftauen.Furthermore, the describes DE 102 14 727 B4 a fuel cell system in which control valves are arranged in a gas passage for discharging fuel from an anode of the fuel cell. A control valve heater for heating the control valves is supplied with heat from an oxidizing gas supplied to a cathode of the fuel cell. In this way, the control valves can thaw.

Brennstoffzellenfahrzeuge und Brennstoffzellensysteme sind sehr komplex und dadurch entsprechend teuer. Des Weiteren weisen die aktuell am Markt verfügbaren Brennstoffzellenfahrzeuge zwar gute, aber dennoch noch keine sehr hohen Fahrleistungen auf, was dazu führt, dass sich mit Brennstoffzellenfahrzeugen am Markt derzeit noch keine besonders hohen Preise erzielen lassen.Fuel cell vehicles and fuel cell systems are very complex and therefore expensive. Furthermore, the currently available on the market fuel cell vehicles, although good, but still not very high performance, which means that fuel cell vehicles on the market currently can not achieve very high prices.

Eine weitere Herausforderung bei Brennstoffzellensystemen ist das Erreichen einer hohen Lebensdauer. Ein bekannter Fehlermechanismus beziehungsweise ein bekannter Auslöser für eine vergleichsweise rasche Degradation sind die so genannten Luft-Luft-Starts. Hierbei liegt beim Starten des Brennstoffzellensystems sowohl auf der Anodenseite des Brennstoffzellenstapels als auch auf der Kathodenseite Luft vor. Eine hohe Anzahl von Luft-Luft-Starts führt entsprechend zu einer hohen Degradation.Another challenge with fuel cell systems is achieving a long service life. A known error mechanism or a known trigger for a comparatively rapid degradation are the so-called air-air starts. In this case, air is present when starting the fuel cell system both on the anode side of the fuel cell stack and on the cathode side. A high number of air-air starts correspondingly leads to a high degradation.

Das Problem der Luft-Luft-Starts verschärft sich, wenn in einem Fahrzeug mit einem Brennstoffzellenstapel Fahrmodi vorgesehen sind, bei denen das Brennstoffzellensystem während der Fahrt nicht genutzt beziehungsweise nicht eingeschaltet wird. In einem solchen Fahrmodus wird also rein batterieelektrisch gefahren. Aufgrund der Fahrgeschwindigkeit treten dann hohe Windgeschwindigkeiten im Bereich eines Ansaugstutzens und einer Mündung des Abluftstrangs des Brennstoffzellensystems auf.The problem of air-to-air starts is exacerbated when driving modes are provided in a vehicle having a fuel cell stack in which the fuel cell system is not used while driving or is not turned on. In such a driving mode is therefore driven purely battery electric. Due to the driving speed then occur high wind speeds in the region of an intake and an outlet of the exhaust air line of the fuel cell system.

Durch diese Luftströmungen wird die Kathode mit Luft beziehungsweise Sauerstoff aus der Umgebungsluft gespült. In der Folge kommt es zwischen dem auf der Anode befindlichen, eingesperrten Wasserstoff und dem durch die oben erwähnten Luftströmungen zugeführten Sauerstoff zu einer Reaktion. Dies führt zu einer deutlichen Verkürzung der so genannten „Hydrogen Protection Time” (also der Zeit, bis Luft-Luft-Verhältnisse im Brennstoffzellenstapel herrschen).These air currents flush the cathode with air or oxygen from the ambient air. As a result, there is a reaction between the hydrogen occluded on the anode and the oxygen supplied by the above-mentioned air currents. This leads to a significant reduction in the so-called "Hydrogen Protection Time" (ie the time until air-to-air conditions prevail in the fuel cell stack).

Dies bedeutet letztendlich, dass bei Brennstoffzellensystemen die in einer Plug-In oder Range-Extender-Anwendung konfiguriert sind (oder eventuell auch nur mit einer ausgedehnten Start-Stopp-Strategie betrieben werden), mit einer deutlich verkürzten ”Hydrogen Protection Time” zu rechnen ist. Dies führt zu einer erhöhten Degradationsrate. Um dies zu verhindern, sind entsprechende Maßnahmen zu treffen.This ultimately means that in fuel cell systems that are configured in a plug-in or range-extender application (or possibly even operated only with a lengthy start-stop strategy), a significantly reduced "Hydrogen Protection Time" is to be expected , This leads to an increased degradation rate. To prevent this, appropriate measures must be taken.

Bekannt sind als Maßnahmen (etwa aus der California Fuel Cell Partnership, CFCP) Ventile, welche im Luftpfad vor dem Brennstoffzellenstack oder Brennstoffzellenstapel angeordnet sind und verschlossen werden, wenn das Brennstoffzellensystem ausgeschaltet ist. Nachteilig daran ist, dass über die Abluftanlage oder den Abluftstrang aufgrund entsprechender Luftströmungen (welche durch den Fahrtwind hervorgerufen werden) frische Luft beziehungsweise frischer Sauerstoff auf die Seite der Kathode des Brennstoffzellenstapels gelangen kann. Dies verkürzt die „Hydrogen Protection Time”.Are known as measures (such as the California Fuel Cell Partnership, CFCP) valves, which are arranged in the air path in front of the fuel cell stack or fuel cell stack and closed when the fuel cell system is turned off. The disadvantage of this is that fresh air or fresh oxygen can reach the side of the cathode of the fuel cell stack via the exhaust air system or the exhaust air line due to corresponding air flows (which are caused by the wind). This shortens the "Hydrogen Protection Time".

Die Anordnung eines Ventils im Abluftpfad oder Abluftstrang ist deshalb kritisch, weil in der Abluft Produktwasser enthalten ist, welches dann bei kalten Umgebungstemperaturen das Ventil oder die Klappe zufrieren lassen kann. Um dies zu verhindern, sind elektrisch beheizbare Klappen beziehungsweise Absperrventile erforderlich, welche entsprechend teuer sind und auch noch elektrische Energie (meist auf 12 V Niveau) benötigen. Bei kalten Umgebungstemperaturen ist zudem die Leistungsfähigkeit einer 12 V-Batterie eingeschränkt. Unter diesen Bedingungen ist daher keine zuverlässige Aufheizung der Klappe gewährleistet, beziehungsweise führt das Aufheizen zu einer ungünstigen Belastung des 12 V-Bordnetzes.The arrangement of a valve in the exhaust path or exhaust air line is critical because product air is contained in the exhaust air, which can then freeze at cold ambient temperatures, the valve or the valve. In order to prevent this, electrically heatable flaps or shut-off valves are required, which are correspondingly expensive and also require electrical energy (usually at 12 V level). In cold ambient temperatures, the performance of a 12 V battery is also limited. Under these conditions, therefore, no reliable heating of the flap is guaranteed, or the heating leads to an unfavorable load of the 12 V electrical system.

Der Effekt des Zufrierens verstärkt sich entsprechend, wenn viel Produktwasser in flüssiger Form anfällt, wie dies bei Brennstoffzellensystemen aus dem Stand der Technik der Fall ist.The effect of freezing increases accordingly, if much product water in liquid Form is obtained, as is the case with fuel cell systems of the prior art.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Brennstoffzellensystem der eingangs genannten Art sowie ein Fahrzeug mit einem solchen Brennstoffzellensystem zu schaffen, bei welchem eine Funktionstüchtigkeit der Absperreinrichtung auf besonders einfache Art und Weise erreichbar ist.Object of the present invention is therefore to provide a fuel cell system of the type mentioned and a vehicle with such a fuel cell system, in which a functionality of the shut-off device is achieved in a particularly simple manner.

Diese Aufgabe wird durch ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und durch ein Fahrzeug mit den Merkmalen des Patentanspruchs 8 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.This object is achieved by a fuel cell system having the features of patent claim 1 and by a vehicle having the features of patent claim 8. Advantageous embodiments with expedient developments of the invention are specified in the dependent claims.

Bei dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem, welches insbesondere für ein Fahrzeug vorgesehen ist, ist die Absperreinrichtung mit einem Kühlmittel eines Kühlmittelkreises beaufschlagbar. Mittels des durch den Kühlmittelkreis strömenden Kühlmittels kann im Betrieb des Brennstoffzellensystems Wärme von dem Brennstoffzellenstapel abgeführt werden. Mit anderen Worten ist die Absperreinrichtung thermisch mit dem Kühlmittelkreis des Brennstoffzellenstapels gekoppelt. Die Absperreinrichtung kann also mittels der von dem Kühlmittel abgegebenen Wärme aufgetaut werden.In the fuel cell system according to the invention, which is provided in particular for a vehicle, the shut-off device can be acted upon by a coolant of a coolant circuit. By means of the coolant flowing through the coolant circuit, heat can be removed from the fuel cell stack during operation of the fuel cell system. In other words, the shut-off device is thermally coupled to the coolant circuit of the fuel cell stack. The shut-off device can therefore be thawed by means of the heat released by the coolant.

Dadurch kann auf ein direktes elektrisches Beheizen der Absperreinrichtung verzichtet werden. So kann insbesondere als Absperreinrichtung eine vergleichsweise günstige Absperrklappe verwendet werden, welche nicht elektrisch beheizbar zu sein braucht. Dies schlägt sich in entsprechenden Kostenvorteilen nieder. Durch das Zuführen von Wärme zu der Absperreinrichtung über das Kühlmittel lässt sich die Funktionsfähigkeit der Absperreinrichtung auf besonders einfache Art und Weise erreichen. Es lässt sich insbesondere verhindern, dass über den Abluftstrang Sauerstoff aus der Umgebungsluft in die Kathode des Brennstoffzellenstapels eintritt und dort mit dem auf Seiten der Anode eingesperrten Wasserstoff reagiert. Auf diese Weise wird insbesondere ermöglicht, eine besonders lange Hydrogen Protection Time zu erreichen.This can be dispensed with a direct electrical heating of the shut-off device. Thus, in particular as a shut-off device, a comparatively favorable butterfly valve can be used, which need not be electrically heated. This is reflected in corresponding cost advantages. By supplying heat to the shut-off device via the coolant, the functionality of the shut-off device can be achieved in a particularly simple manner. In particular, it is possible to prevent oxygen from the ambient air from entering the cathode of the fuel cell stack via the exhaust air line, where it reacts with the hydrogen trapped on the anode side. In this way it is possible, in particular, to achieve a particularly long Hydrogen Protection Time.

Aufgrund der vergleichsweise langen Hydrogen Protection Time lässt sich insbesondere eine verbesserte Haltbarkeit und somit längere Lebensdauer des Brennstoffzellenstapels sowie des Brennstoffzellensystems erreichen.Due to the comparatively long Hydrogen Protection Time can be achieved in particular an improved durability and thus longer life of the fuel cell stack and the fuel cell system.

Dadurch, dass die Absperreinrichtung, welche auch als Cathode Blocking Valve (CBV) oder Kathodenblockierventil bezeichnet wird, im Abluftpfad des Brennstoffzellenstapels thermisch mit dem Kühlmittelkreis des Brennstoffzellensystems gekoppelt ist, wird durch die in das Kühlmittel eingebrachte Wärme auch die Absperreinrichtung aufgetaut.Because the shut-off device, which is also referred to as cathode blocking valve (CBV) or cathode blocking valve, is thermally coupled to the coolant circuit of the fuel cell system in the exhaust path of the fuel cell stack, the shut-off device is also thawed by the heat introduced into the coolant.

Dies ist insbesondere vorteilhaft, wenn das Brennstoffzellensystem in einem Plug-In-Fahrzeug zum Einsatz kommt, bei welchem wahlweise die von dem Brennstoffzellensystem bereitgestellte elektrische Energie oder die elektrische Energie einer Traktionsbatterie zum Fortbewegen des Fahrzeugs genutzt werden kann. Hierbei kann die Traktionsbatterie durch Anschließen an eine Ladestation aufgeladen werden. Bei derartigen Fahrzeugen kann es nämlich dazu kommen, dass zum Fortbewegen des Fahrzeugs lediglich die Traktionsbatterie eingesetzt wird und das Brennstoffzellensystem abgeschaltet bleibt. In derartigen Situationen ist dann das Absperren des Abluftstrangs der Kathode mittels der Absperreinrichtung besonders sinnvoll, um ein Eintreten von Luftsauerstoff in die Kathode des Brennstoffzellenstapels zu verhindern.This is particularly advantageous when the fuel cell system is used in a plug-in vehicle, in which either the electric energy supplied by the fuel cell system or the electric energy of a traction battery can be used to move the vehicle. Here, the traction battery can be charged by connecting to a charging station. In fact, in such vehicles, it may happen that only the traction battery is used to move the vehicle and the fuel cell system remains switched off. In such situations, the shut-off of the exhaust air strand of the cathode by means of the shut-off device is then particularly useful to prevent the entry of atmospheric oxygen into the cathode of the fuel cell stack.

Analoges gilt für ein Brennstoffzellensystem, welches in einem Fahrzeug zum Verlängern der Reichweite zum Einsatz kommt, bei welchem das Brennstoffzellensystem also als Range Extender (Reichweitenverlängerer) fungiert. Auch kann vorgesehen sein, dass das Fahrzeug grundsätzlich unter Einsatz der von der Batterie bereitgestellten elektrischen Energie fortbewegt wird. Zum Zurücklegen weiterer Fahrstrecken wird hingegen mittels des Brennstoffzellensystems elektrische Energie bereitgestellt, welche zum Fortbewegen des Fahrzeugs genutzt wird.The same applies to a fuel cell system, which is used in a vehicle to extend the range used, in which the fuel cell system thus acts as a range extender (Range Extender). It can also be provided that the vehicle is basically moved using the electrical energy provided by the battery. To cover other routes, however, electrical energy is provided by means of the fuel cell system, which is used for moving the vehicle.

Bei derartigen Fahrzeugen kann es nämlich dazu kommen, dass für längere Zeit mit hohen Fahrgeschwindigkeiten gefahren wird, ohne dass das Brennstoffzellensystem eingeschaltet ist. Insbesondere in diesen Situationen ist mittels der Absperreinrichtung ein durch den Fahrtwind bedingtes Eintreten von Umgebungsluft in die Kathode des Brennstoffzellenstapels vermeidbar.In fact, in such vehicles, it can happen that is driven at high speeds for a long time without the fuel cell system is turned on. In particular, in these situations, by means of the shut-off device, it is possible to prevent the entry of ambient air into the cathode of the fuel cell stack due to the travel wind.

Bevorzugt ist in dem Kühlmittelkreis eine elektrische Heizeinrichtung angeordnet, mittels welcher der Brennstoffzellenstapel auf eine vorbestimmte Temperatur erwärmbar ist. Es kann also mittels der elektrischen Heizeinrichtung dafür gesorgt werden, dass das Brennstoffzellensystem beziehungsweise der Brennstoffzellenstapel so weit vorgewärmt wird, dass das Brennstoffzellensystem keinen Gefrierstart mehr absolvieren muss.Preferably, an electrical heating device is arranged in the coolant circuit, by means of which the fuel cell stack can be heated to a predetermined temperature. It can therefore be ensured by means of the electric heater that the fuel cell system or the fuel cell stack is preheated so far that the fuel cell system does not have to complete a freeze start more.

Insbesondere wird also mittels der elektrischen Heizeinrichtung der Brennstoffzellenstapel vor einem Hochfahren des Brennstoffzellensystems auf die vorbestimmte Temperatur erwärmt. Bevorzugt wird das Brennstoffzellensystem erst dann gestartet, wenn der Brennstoffzellenstapel und die abluftseitige Absperreinrichtung auf einer entsprechenden Temperatur, beispielsweise auf einer Temperatur von +5 Grad Celsius ist.In particular, the fuel cell stack is therefore heated to the predetermined temperature by means of the electrical heating device before the fuel cell system is started up. Preferably, the fuel cell system is only started when the fuel cell stack and the exhaust-side shut-off device on a corresponding Temperature, for example, at a temperature of +5 degrees Celsius.

In dem Kühlmittelkreis kann des Weiteren ein Wärmeübertrager angeordnet sein, mittels welchem Wärme in einen Fahrgastraum des Fahrzeugs einbringbar ist. Hierbei kann insbesondere vorgesehen sein, dass mittels der elektrischen Heizeinrichtung das dem Wärmeübertrager zugeführte Kühlmittel beheizt wird. So sorgt die elektrische Heizeinrichtung oder der elektrische Heizer nicht nur dafür, dass mittels des Kühlmittels die Absperreinrichtung aufgetaut wird. Vielmehr wird auch der Fahrgastraum oder Innenraum beheizt.In the coolant circuit may further be arranged a heat exchanger, by means of which heat can be introduced into a passenger compartment of the vehicle. In this case, provision can be made, in particular, for the coolant supplied to the heat exchanger to be heated by means of the electric heating device. Thus, the electric heater or the electric heater not only ensures that the shut-off device is thawed by means of the coolant. Rather, the passenger compartment or interior is heated.

So kann nicht nur das Hochfahren des Brennstoffzellensystems bei besonders tiefen Temperaturen, also ein Gefrierstart oder Kaltstart vermieden werden. Vielmehr hat die elektrische Heizeinrichtung einen zusätzlichen Zweck, nämlich das Auftauen oder Enteisen der Absperreinrichtung in dem Abluftstrang der Kathode.So not only the startup of the fuel cell system at particularly low temperatures, ie a freeze start or cold start can be avoided. Rather, the electric heater has an additional purpose, namely the thawing or defrosting of the shut-off device in the exhaust air strand of the cathode.

Von Vorteil ist es weiterhin, wenn in dem Abluftstrang der Kathode ein Ladeluftkühler angeordnet ist, mittels welchem Abwärme der Ladeluft auf die Abluft übertragbar ist. Hierbei ist der Ladeluftkühler bevorzugt stromaufwärts der Absperreinrichtung in dem Abluftstrang angeordnet. Dies führt zu einem besonders raschen Erwärmen oder Auftauen der Absperreinrichtung, da der Ladeluftkühler entsprechend viel Abwärme an die Abluft abgeben kann.It is also advantageous if a charge air cooler is arranged in the exhaust air strand of the cathode, by means of which waste heat of the charge air can be transferred to the exhaust air. Here, the charge air cooler is preferably arranged upstream of the shut-off device in the exhaust air line. This leads to a particularly rapid heating or thawing of the shut-off device, since the intercooler can deliver a corresponding amount of waste heat to the exhaust air.

Bei dieser Ausgestaltung, bei welcher die (abluftseitige) Absperreinrichtung stromabwärts oder hinter der Sekundärseite des Ladeluftkühlers angeordnet ist, werden die Abluft und das mitgeführte Produktwasser erhitzt. Dies liegt daran, dass die Verdichtungswärme, welche auf der Primärseite des Ladeluftkühlers entsteht, zur Sekundärseite hin übertragen wird. Werden jedoch die Abluft und das mitgeführte Produktwasser erhitzt und verdampft, so ist auch der Flüssigwasseranteil relativ gering, welcher auf die Absperreinrichtung trifft. Dies führt zu einer verminderten Eisbildung im Bereich der Absperreinrichtung bei tiefen Umgebungstemperaturen oder Außentemperaturen.In this embodiment, in which the (exhaust-side) shut-off device is arranged downstream or behind the secondary side of the charge air cooler, the exhaust air and the entrained product water are heated. This is due to the fact that the heat of compression that arises on the primary side of the intercooler is transferred to the secondary side. However, if the exhaust air and the entrained product water heated and evaporated, so is the liquid water content is relatively low, which meets the shut-off device. This leads to a reduced formation of ice in the area of the shut-off device at low ambient temperatures or outside temperatures.

Auf diese Weise ist ein besonders leichtes und schnelles Öffnen der Absperreinrichtung nach dem Auftauen ermöglicht. Dies ist ein deutlicher Vorteil gegenüber Brennstoffzellensystemen aus dem Stand der Technik, welche nicht über die Möglichkeit verfügen, die Abluft und das darin mitgeführte Produktwasser so zu erhitzen, dass ein niedriger Anteil an Flüssigwasser in der Abluft enthalten ist.In this way, a particularly easy and quick opening of the shut-off after thawing is possible. This is a distinct advantage over prior art fuel cell systems which do not have the ability to heat the exhaust air and the product water entrained therein to contain a low level of liquid water in the exhaust air.

Schließlich hat es sich als vorteilhaft gezeigt, wenn in einem Zuluftstrang der Kathode eine weitere Absperreinrichtung angeordnet ist. So ist es möglich, die Kathode von beiden Seiten her abzusperren und so besonders sicher ein Eintreten von Umgebungsluft in die Kathode zu unterbinden.Finally, it has proven to be advantageous if a further shut-off device is arranged in a supply air strand of the cathode. Thus, it is possible to shut off the cathode from both sides and so particularly safe to prevent entry of ambient air into the cathode.

Das erfindungsgemäße Fahrzeug weist ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem auf. Die für das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem beschriebenen Vorteile und bevorzugten Ausführungsformen gelten auch für das erfindungsgemäße Fahrzeug.The vehicle according to the invention has a fuel cell system according to the invention. The advantages and preferred embodiments described for the fuel cell system according to the invention also apply to the vehicle according to the invention.

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

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

1 schematisch ein besonders einfach aufgebautes Brennstoffzellensystem, bei welchem auf einen Befeuchter zum Befeuchten der Zuluft verzichtet ist, und bei welchem das Abgas einer Kathode durch Wärmeaufnahme von der durch einen Ladeluftkühler strömenden Zuluft erwärmt wird, wobei stromabwärts des Ladeluftkühlers im Abluftstrang eine Absperreinrichtung angeordnet ist; 1 schematically a particularly simple constructed fuel cell system in which is dispensed with a humidifier for humidifying the supply air, and in which the exhaust gas of a cathode is heated by heat from the air flowing through a charge air supply air, wherein downstream of the charge air cooler in the exhaust air line a shut-off is arranged;

2 das Brennstoffzellensystem gemäß 1, wobei zusätzlich ein Kühlmittelkreis zum Kühlen des Brennstoffzellenstapels des Brennstoffzellensystems dargestellt ist; und 2 the fuel cell system according to 1 wherein additionally a coolant circuit for cooling the fuel cell stack of the fuel cell system is shown; and

3 das Brennstoffzellensystem gemäß 2, wobei der Kühlmittelkreis eine Umgehungsleitung aufweist, mittels welcher Kühlmittel unter Umgehung der Absperreinrichtung wenigstens einer weiteren Komponente des Kühlmittelkreises zugeführt werden kann. 3 the fuel cell system according to 2 , Wherein the coolant circuit has a bypass line, by means of which coolant, bypassing the shut-off device can be supplied to at least one further component of the coolant circuit.

In 1 ist ein Brennstoffzellensystem 10 mit einem besonders einfachen Aufbau gezeigt. Es ist bevorzugt vorgesehen, das Brennstoffzellensystem 10 so zu betreiben, dass es im wesentlich die Aufgabe hat, Energie für ein batterieelektrisches Fahrzeug zu liefern und damit die Reichweite des Fahrzeugs zu erhöhen. Prinzipiell ist das Brennstoffzellensystem 10 auch für eine Plug-In Anwendung geeignet. Für das Brennstoffzellenfahrzeug kann also anstelle einer (nicht gezeigten) Batterie mit einem großen Energieinhalt (beispielsweise von etwa 30 kWh) eine Batterie 74 mit kleinerem Energieinhalt vorgesehen sein (vergleiche 2), wie sie typischerweise in einem Plug-In-Hybridfahrzeug oder Plug-In-Brennstoffzellenfahrzeug Anwendung findet.In 1 is a fuel cell system 10 shown with a particularly simple structure. It is preferably provided, the fuel cell system 10 operate so that it has essentially the task of supplying energy for a battery electric vehicle and thus to increase the range of the vehicle. In principle this is The fuel cell system 10 Also suitable for a plug-in application. For the fuel cell vehicle, therefore, instead of a (not shown) battery with a large energy content (for example, about 30 kWh), a battery 74 be provided with a smaller energy content (cf. 2 ) typically used in a plug-in hybrid vehicle or plug-in fuel cell vehicle.

Des Weiteren ist das Brennstoffzellensystem 10 insbesondere für stationäre Anwendungen und/oder als Notstromversorgungssystem im Zusammenspiel mit der Batterie 74 geeignet.Furthermore, the fuel cell system 10 in particular for stationary applications and / or as an emergency power supply system in interaction with the battery 74 suitable.

Die Auslegung des Brennstoffzellensystems 10 ist hierbei bevorzugt derart, dass das Brennstoffzellensystems 10 eine geringe Dynamik aufweist. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass es etwa 3 Sekunden bis 5 Sekunden braucht, um die Leistung eines Brennstoffzellenstapels 12 des Brennstoffzellensystems 10 von einer Leerlaufleistung (Idle) auf Volllast zu erhöhen. Auch Werte für die Dynamik des Brennstoffzellensystems 10 von bis zu 30 Sekunden sind denkbar, je nachdem, wie leistungsfähig die Batterie 74 ist, welche bevorzugt als Hochspannungsbatterie ausgebildet ist.The design of the fuel cell system 10 is hereby preferred such that the fuel cell system 10 has a low dynamics. For example, it may be provided that it takes about 3 seconds to 5 seconds to complete the performance of a fuel cell stack 12 of the fuel cell system 10 from an idle power (idle) to increase full load. Also values for the dynamics of the fuel cell system 10 Up to 30 seconds are possible, depending on how powerful the battery is 74 is, which is preferably designed as a high voltage battery.

Die Betriebstemperatur des Brennstoffzellensystems 10 liegt bevorzugt bei etwa 50 Grad Celsius bis etwa 60 Grad Celsius. Eine sogenannte „HOT Operation” bei Temperaturen im Bereich von 80 Grad Celsius bis 90 Grad Celsius (oder darüber hinaus) ist also insbesondere nicht vorgesehen, um keinen Materialstress hervorzurufen und einen hohen Befeuchtungsaufwand zu vermeiden, welcher mit einer großen Befeuchterfläche einhergeht.The operating temperature of the fuel cell system 10 is preferably about 50 degrees Celsius to about 60 degrees Celsius. A so-called "HOT operation" at temperatures in the range of 80 degrees Celsius to 90 degrees Celsius (or beyond) is therefore not provided, in particular, to cause no material stress and to avoid a high Befeuchtungsaufwand, which is associated with a large humidifier.

Des Weiteren wird das Brennstoffzellensystem 10 bevorzugt nicht aus negativen beziehungsweise sehr niedrigen Temperaturen heraus gestartet. Vielmehr ist durch eine entsprechende Betriebsführung vorgesehen, dass das Brennstoffzellensystem 10 erst dann elektrische Energie zum Fortbewegen des Fahrzeugs bereitstellt, wenn der Brennstoffzellenstapel 12 über einen elektrischen Heizer 14 (vergleiche 2) oder ein derartiges Heizelement auf eine vorbestimmte Temperatur erwärmt wurde.Furthermore, the fuel cell system 10 preferably not started from negative or very low temperatures out. Rather, it is provided by an appropriate management that the fuel cell system 10 only then provides electrical energy to propel the vehicle when the fuel cell stack 12 via an electric heater 14 (see 2 ) or such a heating element has been heated to a predetermined temperature.

Der elektrischen Heizer 14, der in einem zum Kühlen des Brennstoffzellenstapels 12 vorgesehenen Kühlmittelkreis 16 angeordnet ist (vergleiche 2), übernimmt bevorzugt gleichzeitig die Beheizung beziehungsweise zusätzliche Heizung eines Innenraums oder Fahrgastraums des Fahrzeugs. Aufgrund der relativ großen Kapazität der Batterie 74 wird vorliegend praktisch immer aus der Batterie 74 losgefahren.The electric heater 14 which is in for cooling the fuel cell stack 12 provided coolant circuit 16 is arranged (see 2 ), preferably simultaneously takes over the heating or additional heating of an interior or passenger compartment of the vehicle. Due to the relatively large capacity of the battery 74 In the present case, it is practically always out of the battery 74 drove off.

Weiterhin kann diese elektrische Aufheizung des Brennstoffzellensystems 10 aufgrund des (im Vergleich zu für eine große Dynamik ausgelegten Brennstoffzellensystemen) besonders kleinen und einfachen Aufbaus und infolgedessen einer geringeren Wärmekapazität besonders schnell und mit wenig Energieaufwand erfolgen. Bei kalten Außentemperaturen hat ein Nutzer des Brennstoffzellenfahrzeugs den Wunsch, den Fahrgastraum möglichst schnell aufzuheizen. Diese Aufheizung erfolgt vorliegend über den elektrischen Heizer 14, welcher in einem Zweig des Kühlmittelkreises 16 des Brennstoffzellensystems 10. Hierdurch wird aber gleichzeitig auch das Brennstoffzellensystem 10 aufgeheizt. Hat der Brennstoffzellenstapel 12 des Brennstoffzellensystems 10 die vorbestimmte Temperatur (von beispielsweise +5 Grad Celsius) erreicht, wird vorliegend das Brennstoffzellensystem 10 gestartet.Furthermore, this electrical heating of the fuel cell system 10 due to the particularly small and simple structure (and compared to fuel cell systems designed for a high degree of dynamics) and consequently a lower heat capacity, particularly fast and with little expenditure of energy. In cold outside temperatures, a user of the fuel cell vehicle desires to heat the passenger compartment as quickly as possible. This heating takes place here via the electric heater 14 which is in a branch of the coolant circuit 16 of the fuel cell system 10 , At the same time, however, this also makes the fuel cell system 10 heated. Has the fuel cell stack 12 of the fuel cell system 10 reaches the predetermined temperature (of, for example, +5 degrees Celsius), in the present case, the fuel cell system 10 started.

Dadurch, dass der Vortrieb des Brennstoffzellenfahrzeugs in dieser Phase des Aufheizens ausschließlich aus der Batterie 74 erfolgt, kann das Brennstoffzellensystem 10 sehr moderat auf den Startvorgang vorbereitet werden, beispielsweise durch ein mehrfaches Vorbefüllen einer Anode 18 des Brennstoffzellenstapels 12. Sobald das Brennstoffzellensystem 10 gestartet ist, kann eine Leistung des Heizers 14 reduziert beziehungsweise der Heizer 14 ausgeschaltet werden. Dann kann nämlich das Brennstoffzellensystem 10 mit der entstehenden Abwärme den Innenraum oder Fahrgastraum des Fahrzeuges heizen. Dies wirkt sich den Verbrauch reduzierend und die Reichweite erhöhend aus.Characterized in that the propulsion of the fuel cell vehicle in this phase of heating exclusively from the battery 74 done, the fuel cell system can 10 be prepared very moderately on the starting process, for example, by a multiple pre-filling an anode 18 of the fuel cell stack 12 , Once the fuel cell system 10 started, can be a power of the heater 14 reduced or the heater 14 turned off. Then that is the fuel cell system 10 with the resulting waste heat the interior or passenger compartment of the vehicle heat. This reduces consumption and increases range.

Gemäß 1 strömt ein Oxidationsmittel wie etwa Luft über einen (nicht dargestellten) Luftfilter und einen Luftmassenmesser 20 hin zu einem Verdichter 22, welcher über einen elektrischen Motor 24 angetrieben wird. Der Verdichter 22 kann hierbei als ein Turboverdichter, Scroll-Verdichter, Schraubenverdichter oder dergleichen ausgebildet sein. Prinzipiell kommt aber auch ein Gebläse in Betracht. Die verdichtete und durch die Verdichtung erwärmte Luft wird dann einem Ladeluftkühler 26 zugeführt, wo die verdichtete Luft vor Eintritt in den Brennstoffzellenstapel 12 abgekühlt wird. Anschließend wird die Luft ohne vorherige (zusätzliche) Befeuchtung einer Kathode 28 des Brennstoffzellenstapels 12 zugeführt.According to 1 An oxidant such as air flows over an air filter (not shown) and an air mass meter 20 towards a compressor 22 , which has an electric motor 24 is driven. The compressor 22 can be designed as a turbo compressor, scroll compressor, screw compressor or the like. In principle, however, a blower is also considered. The compressed and heated by the compression air is then a charge air cooler 26 fed, where the compressed air before entering the fuel cell stack 12 is cooled. Subsequently, the air without previous (additional) humidification of a cathode 28 of the fuel cell stack 12 fed.

Nach dem Austritt aus dem Brennstoffzellenstapel 12 wird die Abluft (also das Abgas der Kathode 28 des Brennstoffzellenstapels 12) und das mitgeführte Produktwasser einer Sekundärseite 30 des Ladeluftkühlers 26 zugeführt. Hierdurch wird die an der Primärseite des Ladeluftkühlers 26 vorliegende Verdichtungswärme aufgenommen wird, wodurch der Abluftstrom beziehungsweise das im Abluftstrom enthaltene Produktwasser verdampft wird. In der Folge kommt es zu keinem beziehungsweise nur noch einem geringen Austrag an flüssigem Produktwasser in die Umgebung des Brennstoffzellenfahrzeugs.After exiting the fuel cell stack 12 is the exhaust air (ie the exhaust gas of the cathode 28 of the fuel cell stack 12 ) and the entrained product water of a secondary side 30 of the intercooler 26 fed. As a result, the on the primary side of the intercooler 26 present compression heat is absorbed, whereby the exhaust air stream or the product water contained in the exhaust air stream is evaporated. As a result, there is no or only a small discharge of liquid product water in the environment of the fuel cell vehicle.

Diese Medienführung der Luft ist besonders vorteilhaft, da die Verdichtungswärme nicht in den Kühlmittelkreis 16 des Brennstoffzellensystems 10 eingetragen wird, sondern über die Abluft abgeführt werden kann. Dies reduziert somit die über einen im Kühlmittelkreis 16 angeordneten Kühler 32 abzuführende Abwärme (vergleiche 2). Prinzipiell kann noch ein Schalldämpfer verwendet werden, der aber vorliegend nicht dargestellt ist. This media management of the air is particularly advantageous because the heat of compression is not in the coolant circuit 16 of the fuel cell system 10 is entered, but can be dissipated via the exhaust air. This reduces the over one in the coolant circuit 16 arranged radiator 32 waste heat to be removed (cf. 2 ). In principle, a silencer can still be used, but this is not shown here.

Brennstoff in Form von Wasserstoff wird aus einem Tank 34 über eine (nicht dargestellte) Druckreduziereinheit zu einem Dosierventil 36 geführt. Über das Dosierventil 36 wird die Wasserstoffmenge dosiert beziehungsweise einer Strahlpumpe 38 zugeführt. Der frische Wasserstoff aus dem Tank 34 bildet dabei einen so genannten Treibstrahl aus, der über die entsprechende Saugwirkung Wasserstoff von einem Ausgang 40 der Anode 18 zurück an einen Eintritt 42 der Anode 18 saugt und dort den Wasserstoff in entsprechend gewünschter Stöchiometrie zur Verfügung stellt.Fuel in the form of hydrogen is taken from a tank 34 via a (not shown) pressure reduction unit to a metering valve 36 guided. About the metering valve 36 the amount of hydrogen is metered or a jet pump 38 fed. The fresh hydrogen from the tank 34 In this case, it forms a so-called propulsion jet which, via the corresponding suction effect, extracts hydrogen from an outlet 40 the anode 18 back to an entrance 42 the anode 18 sucks and there provides the hydrogen in accordance with desired stoichiometry.

Ein Purgeventil 44 (Spülventil) am Ausgang 40 der Anode 18 dient dazu, Stickstoff und Wasser, welches sich im Anodenkreislauf angesammelt hat, vor beziehungsweise in den Ladeluftkühler 26 zu führen und der Abluft beizumischen.A purge valve 44 (Flushing valve) at the outlet 40 the anode 18 serves to nitrogen and water, which has accumulated in the anode circuit before or in the intercooler 26 to guide and to mix the exhaust air.

Die Befeuchtung der Brennstoffzellen in dem Brennstoffzellenstapel 12 erfolgt nicht wie bei aus dem Stand der Technik bekannten Brennstoffzellensystemen über ein zusätzliches Bauteil in Form eines Befeuchters. Vielmehr erfolgt die Befeuchtung praktisch intern, also innerhalb des Brennstoffzellenstapels 12. Hierzu ist vorgesehen, dass die Medien Luft und Wasserstoff im Gegenstrom geführt werden.The humidification of the fuel cells in the fuel cell stack 12 does not take place as in known from the prior art fuel cell systems via an additional component in the form of a humidifier. Rather, the humidification takes place practically internally, ie within the fuel cell stack 12 , For this purpose, it is provided that the media air and hydrogen are passed in countercurrent.

Des Weiteren ist es von Vorteil, das den Kühlmittelkreis 16 durchströmende Kühlmittel in gleicher Strömungsrichtung wie die Luft durch den Brennstoffzellenstapel 12 zu führen. Die trockene und erwärmte Luft tritt also in einem vergleichsweise kalten Endbereich des Brennstoffzellenstapels 12 in die Kathode 28 ein. Die trockene Luft nimmt dann über die Lauflänge das aufgrund der elektrochemischen Reaktion anfallende Produktwasser auf und transportiert es an einen Luftaustritt 46. Der Luftaustritt 46 befindet sich am vergleichsweise warmen Ende des Brennstoffzellenstapels 12.Furthermore, it is advantageous that the coolant circuit 16 flowing coolant in the same flow direction as the air through the fuel cell stack 12 respectively. The dry and heated air thus occurs in a comparatively cold end region of the fuel cell stack 12 into the cathode 28 one. The dry air then absorbs over the run length of the product due to the electrochemical reaction product water and transports it to an air outlet 46 , The air outlet 46 is located at the comparatively warm end of the fuel cell stack 12 ,

An diesem Ende befindet sich auch der Eintritt 42 für den Wasserstoff. An diesem Ende besteht dementsprechend über eine Membran 48 hinweg, welche in der jeweiligen Brennstoffzelle die Anode 18 von der Kathode 28 trennt, ein hohes Feuchtigkeitsgefälle. Es ist also auf der Seite der Kathode 28 viel Produktwasser vorhanden und auf der Seite der Anode 18 wenig. Dieses Feuchtigkeitsgefälle führt dazu, dass Wasser von der Kathode 28 zur Anode 18 hin übertritt. Es wird also vom trockenen und erwärmten Wasserstoff, welcher am warmen Ende in den Brennstoffzellenstapel 12 eintritt, Wasser aufgenommen. Das Wasser wird dann mit dem Wasserstoff entlang der Anodenseite des Brennstoffzellenstapels 12 zum Ausgang 40 der Anode 18 beziehungsweise zu der Seite eines Lufteintritts 50 transportiert.At this end is also the entrance 42 for the hydrogen. Accordingly, there is a membrane at this end 48 which in the respective fuel cell, the anode 18 from the cathode 28 separates, a high moisture gradient. So it's on the side of the cathode 28 a lot of product water is present and on the side of the anode 18 little. This moisture gradient causes water from the cathode 28 to the anode 18 overpasses. It is so from the dry and heated hydrogen, which at the warm end in the fuel cell stack 12 enters, water absorbed. The water is then mixed with the hydrogen along the anode side of the fuel cell stack 12 to the exit 40 the anode 18 or to the side of an air intake 50 transported.

Am Lufteintritt 50 auf der Luftseite oder Seite der Kathode 28 herrschen somit relativ trockene Zustände, so dass nunmehr wiederum ein Flüssigkeitsgefälle oder Feuchtigkeitsgefälle besteht, jedoch in die umgekehrte Richtung. Am Lufteintritt 50 (und in an den Lufteintritt 50 angrenzenden Bereichen der Kathode 28) ist es nämlich auf Seiten der Anode 18 relativ feucht und auf Seiten der Kathode 28 relativ trocken. Aufgrund der Tatsache, dass der Wasserstoff und das mitgeführte Wasser (zumindest teilweise in Form von Dampf) hin zur Seite des Lufteintritts 50 transportiert wird, tritt das Wasser über die Membran 48 hinweg auf die Luftseite oder Seite der Kathode 28 über. Dort wird wiederum das Wasser von der trockenen und warmen Luft aufgenommen, welche durch die Kathode 28 hin zum Luftaustritt 46 strömt.At the air inlet 50 on the air side or side of the cathode 28 Thus, relatively dry conditions prevail, so that again there is a liquid gradient or gradient, but in the opposite direction. At the air inlet 50 (and in to the air intake 50 adjacent areas of the cathode 28 ) it is on the anode side 18 relatively humid and on the side of the cathode 28 relatively dry. Due to the fact that the hydrogen and the entrained water (at least partially in the form of steam) towards the side of the air inlet 50 is transported, the water passes over the membrane 48 on the air side or side of the cathode 28 above. There, in turn, the water is taken up by the dry and warm air passing through the cathode 28 towards the air outlet 46 flows.

Durch diesen Transportmechanismus wird praktisch ein Befeuchtungskreislauf dargestellt, so dass auf eine externe Befeuchtungseinrichtung verzichtet werden kann. Das überschüssige Wasser wird über die Kathode 28 ausgetragen, beziehungsweise über das Purgeventil 44 aus dem Anodenkreislauf entfernt.By this transport mechanism practically a humidification circuit is shown, so that can be dispensed with an external humidifier. The excess water gets over the cathode 28 discharged, or via the purge valve 44 removed from the anode circuit.

Sowohl das Purgegas (Spülgas) als auch weiteres Abgas in Form der Abluft von der Kathode 28 werden dann dem Ladeluftkühler 26 zugeführt. Dort wird die Abluft erwärmt und das darin enthaltene Wasser zumindest teilweise verdampft. Dadurch erfolgt kein beziehungsweise nur noch ein stark verminderter Austrag an Flüssigwasser in die Umgebung.Both the purge gas (purge gas) and further exhaust gas in the form of the exhaust air from the cathode 28 will then be the intercooler 26 fed. There, the exhaust air is heated and the water contained therein at least partially evaporated. As a result, there is no or only a greatly reduced discharge of liquid water into the environment.

Die Abluft wird über einen Abluftstrang 52 zunächst der Sekundärseite 30 des Ladeluftkühlers 26 zugeführt. In dem Abluftstrang 52 ist des Weiteren eine Absperreinrichtung 54 angeordnet, welche bevorzugt als einfache Absperrklappe ausgebildet ist. Die von dem Ladeluftkühler 26 auf die Abluft übertragene Abwärme wird also vorliegend zum Beheizen der Absperreinrichtung 54 genutzt. Zudem kann die Absperreinrichtung 54 jedoch mit dem Kühlmittel des Kühlmittelkreises 16 beaufschlagt werden, wie insbesondere mit Bezug auf 2 erläutert werden wird.The exhaust air is via an exhaust air line 52 initially the secondary side 30 of the intercooler 26 fed. In the exhaust air line 52 is also a shut-off device 54 arranged, which is preferably designed as a simple butterfly valve. The of the intercooler 26 Waste heat transferred to the exhaust air is thus present for heating the shut-off device 54 used. In addition, the shut-off device 54 However, with the coolant of the coolant circuit 16 be charged, in particular with respect to 2 will be explained.

1 ist des Weiteren entnehmbar, dass in einem Zuluftstrang 56 des Brennstoffzellensystems 10 eine weitere Absperreinrichtung 58 angeordnet ist, welche stromaufwärts des Lufteintritts 50 angeordnet ist. Auch diese Absperreinrichtung 58 ist bevorzugt als Absperrklappe ausgebildet und ermöglicht es, einen Eintritt von Umgebungsluft in die Kathode 28 des Brennstoffzellenstapels 12 zu unterbinden. 1 is further removable that in a Zuluftstrang 56 of the fuel cell system 10 another shut-off device 58 is arranged, which upstream of the air inlet 50 is arranged. Also this shut-off device 58 is preferably designed as a butterfly valve and makes it possible an entry of ambient air into the cathode 28 of the fuel cell stack 12 to prevent.

Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn das Brennstoffzellensystem 10 zwar außer Betrieb ist, aber das Fahrzeug fährt, welches das Brennstoffzellensystem 10 aufweist. Denn dann verhindern die Absperreinrichtungen 54, 58, dass über den Fahrtwind Umgebungsluft in die Kathode 28 gelangt.This is particularly advantageous when the fuel cell system 10 Although out of service, but the vehicle is driving, which is the fuel cell system 10 having. Because then prevent the shut-off devices 54 . 58 that over the airstream ambient air into the cathode 28 arrives.

Vorliegend sorgt der Heizer 14, welcher in dem Kühlmittelkreis 16 angeordnet ist, für das Vorwärmen des Brennstoffzellenstapels 12, bevor das Brennstoffzellensystem 10 in Betrieb genommen oder hochgefahren wird. Hierbei wird zugleich die im Abluftstrang 52 angeordnete Absperreinrichtung 54 aufgetaut. Die Absperreinrichtung 54 kann nämlich mit dem Kühlmittel des Kühlmittelkreises 16 über eine Zuleitung 60 beaufschlagt werden, welche vom Brennstoffzellenstapel 12 zu der Absperreinrichtung 54 führt.In the presence of the heater 14 which is in the coolant circuit 16 is arranged, for preheating the fuel cell stack 12 before the fuel cell system 10 put into operation or started up. This is at the same time in the exhaust air line 52 arranged shut-off device 54 thawed. The shut-off device 54 namely, with the coolant of the coolant circuit 16 via a supply line 60 which are from the fuel cell stack 12 to the shut-off device 54 leads.

In dem Kühlmittelkreis 16 ist des Weiteren ein Wärmeübertrager 62 angeordnet, mittels welchem Wärme in den Fahrgastraum des Fahrzeugs eingebracht werden kann. Des Weiteren sorgt eine Kühlmittelpumpe 64 für das Fördern des Kühlmittels durch den Kühlmittelkreis 16. Über ein in dem Kühlmittelkreis 16 angeordnetes Ventil 66, welches insbesondere als Thermostatventil ausgebildet sein kann, kann dafür gesorgt werden, dass das Kühlmittel dem Kühler 32 zugeführt wird, wenn der Brennstoffzellenstapel 12 gekühlt werden soll. Bei dem Kühler 32 handelt es sich bevorzugt um den Hauptkühler, welcher üblicherweise im Bereich der Fahrzeugfront des Brennstoffzellenfahrzeugs angeordnet ist. Über das Ventil 66 kann dafür gesorgt werden, dass das Kühlmittel unter Umgehung des Heizers 14 zu dem Brennstoffzellenstapel 12 gefördert wird.In the coolant circuit 16 is also a heat exchanger 62 arranged, by means of which heat can be introduced into the passenger compartment of the vehicle. Furthermore, a coolant pump provides 64 for conveying the coolant through the coolant circuit 16 , About one in the coolant circuit 16 arranged valve 66 , which can be designed in particular as a thermostatic valve, it can be ensured that the coolant to the radiator 32 is supplied when the fuel cell stack 12 to be cooled. At the radiator 32 it is preferably the main radiator, which is usually arranged in the region of the vehicle front of the fuel cell vehicle. About the valve 66 can be ensured that the coolant bypassing the heater 14 to the fuel cell stack 12 is encouraged.

Des Weiteren ist in dem Kühlmittelkreis 16 ein weiterer Wärmeübertrager 68 angeordnet, über welchen Wärme von einem oder auf einen Batteriekühlkreislauf 70 übertragen werden kann. In dem Batteriekühlkreislauf 70 ist eine weitere Kühlmittelpumpe 72 angeordnet, welche das Kühlmittel des Batteriekühlkreislaufs 70 hin zu dem Wärmeübertrager 68 fördert. Von dem Wärmeübertrager 68 aus kann das Kühlmittel der Batterie 74 zugeführt werden.Furthermore, in the coolant circuit 16 another heat exchanger 68 arranged over which heat from or to a battery cooling circuit 70 can be transferred. In the battery cooling circuit 70 is another coolant pump 72 arranged, which the coolant of the battery cooling circuit 70 towards the heat exchanger 68 promotes. From the heat exchanger 68 off can be the coolant of the battery 74 be supplied.

Von der Batterie 74 aus kann das Kühlmittel wahlweise einem Batteriekühler 76 oder einem Chiller 78 zugeführt werden. Hierfür ist stromaufwärts des Batteriekühlers 76 und des Chillers 78 ein weiteres Ventil 80 vorgesehen. Mittels des Chillers 78 kann Wärme auf einen (nicht gezeigten) Kältemittelkreis des Fahrzeugs übertragen werden, wenn bei hohen Umgebungstemperaturen ein besonders hoher Kühlbedarf der Batterie 74 gegeben ist.From the battery 74 from the coolant can optionally be a battery cooler 76 or a chiller 78 be supplied. This is upstream of the battery cooler 76 and the chiller 78 another valve 80 intended. By means of the chiller 78 Heat may be transmitted to a (not shown) refrigerant circuit of the vehicle when at high ambient temperatures, a particularly high cooling demand of the battery 74 given is.

Durch Ansteuern eines stromaufwärts des Wärmeübertragers 68 angeordneten Ventils 82 kann des Weiteren dafür gesorgt werden, dass das von der Kühlmittelpumpe 72 geförderte Kühlmittel weiteren Hochvoltkomponenten 84 zugeführt wird, beispielsweise einem Ladegerät oder On-Board-Loader. Stromabwärts der Hochvoltkomponente 84 und der Batterie 74 ist in dem Batteriekühlkreislauf 70 ein weiteres Ventil 86 angeordnet.By driving one upstream of the heat exchanger 68 arranged valve 82 Furthermore, it can be ensured that that of the coolant pump 72 subsidized coolant further high-voltage components 84 is supplied, for example, a charger or on-board loader. Downstream of the high-voltage component 84 and the battery 74 is in the battery cooling circuit 70 another valve 86 arranged.

Der Wärmeübertrager 68 ist prinzipiell als Wärmepumpe einsetzbar, da aufgrund des in dem Batteriekühlkreislauf 70 angeordneten Chillers 78 auch bei sehr hoher Außentemperatur die Batterie 74 und der Brennstoffzellenstapel 12 gekühlt werden können.The heat exchanger 68 is in principle usable as a heat pump, since due to the in the battery cooling circuit 70 arranged chillers 78 even at very high outside temperature the battery 74 and the fuel cell stack 12 can be cooled.

Das in 3 gezeigte Brennstoffzellensystem 10 entspricht im Wesentlichen dem in 2 gezeigten Brennstoffzellensystem 10. Hierbei ist jedoch die abluftseitige Absperreinrichtung 54 nicht in einem Hauptzweig des Kühlmittelkreises 16 angeordnet, sondern in einem Teilzweig 86. Entsprechend weist der Kühlmittelkreis 16 eine Umgehungsleitung 88 auf, mittels welcher das Kühlmittel unter Umgehung der Absperreinrichtung 54 dem Wärmeübertrager 68 zugeführt werden kann.This in 3 shown fuel cell system 10 is essentially the same as in 2 shown fuel cell system 10 , Here, however, the exhaust-side shut-off device 54 not in a main branch of the coolant circuit 16 arranged but in a sub-branch 86 , Accordingly, the coolant circuit 16 a bypass line 88 on, by means of which the coolant, bypassing the shut-off device 54 the heat exchanger 68 can be supplied.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

1010
BrennstoffzellensystemThe fuel cell system
1212
Brennstoffzellenstapelfuel cell stack
1414
Heizerstoker
1616
KühlmittelkreisCoolant circuit
1818
Anodeanode
2020
LuftmassenmesserAir flow sensor
2222
Verdichtercompressor
2424
Motorengine
2626
LadeluftkühlerIntercooler
2828
Kathodecathode
3030
Sekundärseitesecondary side
3232
Kühlercooler
3434
Tanktank
3636
Dosierventilmetering valve
3838
Strahlpumpejet pump
4040
Ausgangoutput
4242
Eintrittentry
4444
Purgeventilpurge valve
4646
Luftaustrittair outlet
4848
Membranmembrane
5050
Lufteintrittair inlet
5252
Abluftstrangexhaust train
5454
Absperreinrichtungshut-off
5656
ZuluftstrangZuluftstrang
5858
Absperreinrichtungshut-off
6060
Zuleitungsupply
6262
WärmeübertragerHeat exchanger
6464
KühlmittelpumpeCoolant pump
6666
VentilValve
6868
WärmeübertragerHeat exchanger
70 70
BatteriekühlkreislaufBattery cooling circuit
7272
KühlmittelpumpeCoolant pump
7474
Batteriebattery
7676
Batteriekühlerbattery cooler
7878
ChillerChiller
8080
VentilValve
8282
VentilValve
8484
HochvoltkomponenteHigh-voltage component
8686
Teilzweigsubbranch
8888
Umgehungsleitungbypass line

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 102014215828 A1 [0002] DE 102014215828 A1 [0002]
  • DE 10214727 B4 [0003] DE 10214727 B4 [0003]

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Brennstoffzellensystem, insbesondere für ein Fahrzeug, mit einem Brennstoffzellenstapel (12), welcher eine Anode (18) und eine Kathode (28) umfasst, wobei in einem Abluftstrang (52) der Kathode (28) eine Absperreinrichtung (54) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Absperreinrichtung (54) mit einem Kühlmittel eines Kühlmittelkreises (16) beaufschlagbar ist, mittels welchem im Betrieb des Brennstoffzellensystems (10) Wärme von dem Brennstoffzellenstapel (12) abführbar ist.Fuel cell system, in particular for a vehicle, with a fuel cell stack ( 12 ), which is an anode ( 18 ) and a cathode ( 28 ), wherein in an exhaust air line ( 52 ) the cathode ( 28 ) a shut-off device ( 54 ), characterized in that the shut-off device ( 54 ) with a coolant of a coolant circuit ( 16 ) is acted upon, by means of which in the operation of the fuel cell system ( 10 ) Heat from the fuel cell stack ( 12 ) is dissipatable. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Kühlmittelkreis (16) eine elektrische Heizeinrichtung (14) angeordnet ist, mittels welcher der Brennstoffzellenstapel (12), insbesondere vor einem Hochfahren des Brennstoffzellensystems (10), auf eine vorbestimmte Temperatur erwärmbar ist.Fuel cell system according to claim 1, characterized in that in the coolant circuit ( 16 ) an electric heater ( 14 ) is arranged, by means of which the fuel cell stack ( 12 ), in particular before a startup of the fuel cell system ( 10 ), is heatable to a predetermined temperature. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Kühlmittelkreis (16) ein Wärmeübertrager (62) angeordnet ist, mittels welchem Wärme in einen Fahrgastraum des Fahrzeugs einbringbar ist.Fuel cell system according to claim 1 or 2, characterized in that in the coolant circuit ( 16 ) a heat exchanger ( 62 ) is arranged, by means of which heat in a passenger compartment of the vehicle can be introduced. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Abluftstrang (52) der Kathode (28) ein Ladeluftkühler (26) angeordnet ist, mittels welchem Abwärme der Ladeluft auf die Abluft übertragbar ist.Fuel cell system according to one of claims 1 to 3, characterized in that in the exhaust air strand ( 52 ) the cathode ( 28 ) a charge air cooler ( 26 ) is arranged, by means of which waste heat of the charge air is transferable to the exhaust air. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlmittelkreis (16) eine Umgehungsleitung (88) aufweist, mittels welcher Kühlmittel unter Umgehung der Absperreinrichtung (54) wenigstens einer weiteren Komponente des Kühlmittelkreises (16) zuführbar ist.Fuel cell system according to one of claims 1 to 4, characterized in that the coolant circuit ( 16 ) a bypass ( 88 ), by means of which coolant, bypassing the shut-off device ( 54 ) at least one further component of the coolant circuit ( 16 ) can be fed. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Zuluftstrang (56) der Kathode (28) eine weitere Absperreinrichtung (58) angeordnet ist.Fuel cell system according to one of claims 1 to 5, characterized in that in a Zuluftstrang ( 56 ) the cathode ( 28 ) a further shut-off device ( 58 ) is arranged. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Absperreinrichtung (54, 58) als Absperrklappe ausgebildet ist.Fuel cell system according to one of claims 1 to 6, characterized in that the shut-off device ( 54 . 58 ) is designed as a butterfly valve. Fahrzeug mit einem Brennstoffzellensystem (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7.Vehicle with a fuel cell system ( 10 ) according to one of claims 1 to 7.
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