DE102015202089A1

DE102015202089A1 - Fuel cell system and vehicle with such

Info

Publication number: DE102015202089A1
Application number: DE102015202089.4A
Authority: DE
Inventors: Jan-Philipp Brinkmeier; Nils Brandau; Peter c/o Ballard Power Systems Bach
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Audi AG; Volkswagen AG
Priority date: 2015-02-05
Filing date: 2015-02-05
Publication date: 2016-08-11

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem (100) mit – einem Brennstoffzellenstapel (10) mit Anodenräumen (12) und Kathodenräumen (13) und – einer Kathodengasversorgung (30), umfassend – einen Kathodenversorgungspfad (31) zur Zuführung eines Kathodenbetriebsgases in die Kathodenräume (13) und einen Kathodenabgaspfad (32) zur Abführung eines Kathodenabgases aus den Kathodenräumen (13), – eine im Kathodenversorgungspfad (31) angeordnete erste Verdichterstufe (33) und eine stromab der ersten Verdichterstufe (33) im Kathodenversorgungspfad (31) angeordnete zweite Verdichterstufe (34), – einen Membranbefeuchter (41), der im Kathodenversorgungspfad (31) von dem Kathodenbetriebsgas durchströmbar zwischen der ersten und der zweiten Verdichterstufe (33, 34) sowie im Kathodenabgaspfad (32) von dem Kathodenabgas durchströmbar angeordnet ist.The invention relates to a fuel cell system (100) having - a fuel cell stack (10) with anode chambers (12) and cathode chambers (13) and - a cathode gas supply (30) comprising - a cathode supply path (31) for supplying a cathode operating gas into the cathode chambers (13) and a cathode exhaust path (32) for discharging a cathode exhaust gas from the cathode compartments (13), a first compressor stage (33) disposed in the cathode supply path (31), and a second compressor stage (34) disposed downstream of the first compressor stage (33) in the cathode supply path (31). , - a membrane humidifier (41), which in the cathode supply path (31) of the cathode operating gas can be flowed through between the first and the second compressor stage (33, 34) and in the cathode exhaust gas path (32) can be flowed through by the cathode exhaust gas.

Description

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem sowie ein Fahrzeug mit einem solchen Brennstoffzellensystem. The invention relates to a fuel cell system and a vehicle with such a fuel cell system.

Brennstoffzellen nutzen die chemische Umsetzung eines Brennstoffs mit Sauerstoff zu Wasser, um elektrische Energie zu erzeugen. Hierfür enthalten Brennstoffzellen als Kernkomponente die sogenannte Membran-Elektroden-Einheit (MEA für membrane electrode assembly), die ein Gefüge aus einer ionenleitenden (meist protonenleitenden) Membran und jeweils einer beidseitig an der Membran angeordneten Elektrode (Anode und Kathode) ist. Zudem können Gasdiffusionslagen (GDL) beidseitig der Membran-Elektroden-Einheit an den der Membran abgewandten Seiten der Elektroden angeordnet sein. In der Regel wird die Brennstoffzelle durch eine Vielzahl im Stapel (stack) angeordneter MEA gebildet, deren elektrische Leistungen sich addieren. Zwischen den einzelnen Membran-Elektroden-Einheiten sind in der Regel Bipolarplatten (auch Flussfeldplatten genannt) angeordnet, welche eine Versorgung der Einzelzellen mit den Betriebsmedien, also den Reaktanten, sicherstellen und üblicherweise auch der Kühlung dienen. Zudem sorgen die Bipolarplatten für einen elektrisch leitfähigen Kontakt zu den Membran-Elektroden-Einheiten. Fuel cells use the chemical transformation of a fuel with oxygen to water to generate electrical energy. For this purpose, fuel cells contain as a core component, the so-called membrane electrode assembly (MEA for membrane electrode assembly), which is a microstructure of an ion-conducting (usually proton-conducting) membrane and in each case on both sides of the membrane arranged electrode (anode and cathode). In addition, gas diffusion layers (GDL) can be arranged on both sides of the membrane-electrode assembly on the sides of the electrodes facing away from the membrane. As a rule, the fuel cell is formed by a multiplicity of stacked MEAs whose electrical powers add up. Between the individual membrane electrode assemblies bipolar plates (also called flow field plates) are usually arranged, which ensure a supply of the individual cells with the operating media, ie the reactants, and usually also serve the cooling. In addition, the bipolar plates provide an electrically conductive contact to the membrane-electrode assemblies.

Im Betrieb der Brennstoffzelle wird der Brennstoff, insbesondere Wasserstoff H₂ oder ein wasserstoffhaltiges Gasgemisch, über ein anodenseitiges offenes Flussfeld der Bipolarplatte der Anode zugeführt, wo eine elektrochemische Oxidation von H₂ zu H⁺ unter Abgabe von Elektronen stattfindet. Über den Elektrolyten oder die Membran, welche die Reaktionsräume gasdicht voneinander trennt und elektrisch isoliert, erfolgt ein (wassergebundener oder wasserfreier) Transport der Protonen H⁺ aus dem Anodenraum in den Kathodenraum. Die an der Anode bereitgestellten Elektronen werden über eine elektrische Leitung der Kathode zugeleitet. Der Kathode wird über ein kathodenseitiges offenes Flussfeld der Bipolarplatte Sauerstoff oder ein sauerstoffhaltiges Gasgemisch (zum Beispiel Luft) zugeführt, sodass eine Reduktion von O₂ zu O^2– unter Aufnahme der Elektronen stattfindet. Gleichzeitig reagieren im Kathodenraum die Sauerstoffanionen mit den über die Membran transportierten Protonen unter Bildung von Wasser. During operation of the fuel cell, the fuel, in particular hydrogen H ₂ or a hydrogen-containing gas mixture, is supplied to the anode via an anode-side open flow field of the bipolar plate, where an electrochemical oxidation of H ₂ to H ⁺ takes place with emission of electrons. Via the electrolyte or the membrane, which separates the reaction spaces gas-tight from each other and electrically isolated, takes place (water-bound or anhydrous) transport of protons H ⁺ from the anode compartment in the cathode compartment. The electrons provided at the anode are supplied to the cathode via an electrical line. The cathode is supplied via a cathode-side open flow field of the bipolar plate oxygen or an oxygen-containing gas mixture (for example, air), so that a reduction of O ₂ to O ² taking place taking the electrons. At the same time, the oxygen anions in the cathode compartment react with the protons transported via the membrane to form water.

Um einen Brennstoffzellenstapel mit seinen Betriebsmedien, also den Reaktanten zu versorgen, weist dieser einerseits eine Anodenversorgung und andererseits eine Kathodenversorgung auf. Die Anodenversorgung umfasst einen Anodenversorgungspfad zur Zuführung eines Anodenbetriebsgases in die Anodenräume des Stapels und einen Anodenabgaspfad zur Abführung eines Anodenabgases aus den Anodenräumen. Desgleichen umfasst die Kathodenversorgung einen Kathodenversorgungspfad zur Zuführung eines Kathodenbetriebsgases in die Kathodenräume und einen Kathodenabgaspfad zur Abführung eines Kathodenabgases aus den Kathodenräumen des Brennstoffzellenstapels. In order to supply a fuel cell stack with its operating media, so the reactants, this has on the one hand an anode supply and on the other hand, a cathode supply. The anode supply includes an anode supply path for supplying an anode operating gas into the anode chambers of the stack and an anode exhaust gas path for discharging an anode exhaust gas from the anode chambers. Similarly, the cathode supply includes a cathode supply path for supplying a cathode operating gas into the cathode compartments and a cathode exhaust path for discharging a cathode exhaust gas from the cathode compartments of the fuel cell stack.

Bei dem Betrieb der Brennstoffzelle entsteht durch die Brennstoffzellenreaktion Wärme, weswegen der Brennstoffzellenstapel gekühlt werden muss. Dies erfolgt üblicherweise über einen Kühlkreis, der die Abwärme über ein Kühlmittel abführt. Dabei steigt in Abhängigkeit von dem Wirkungsgrad der Brennstoffzelle die abzuführende Wärme mit der Leistungsabgabe des Brennstoffzellenstapels. Ist der vorhandene Bauraum für große Kühlflächen begrenzt, wie dies beispielsweise in Fahrzeugen der Fall ist, ist die elektrische Leistungsabgabe des Brennstoffzellenstapels durch die damit gekoppelte thermische Leistungsabgabe limitiert. During operation of the fuel cell, heat is generated by the fuel cell reaction, which is why the fuel cell stack must be cooled. This is usually done via a cooling circuit, which dissipates the waste heat via a coolant. In this case, depending on the efficiency of the fuel cell, the dissipated heat increases with the power output of the fuel cell stack. If the existing installation space for large cooling surfaces is limited, as is the case, for example, in vehicles, the electrical power output of the fuel cell stack is limited by the thermal power output coupled thereto.

Ein weiterer Parameter, der zu einer Limitierung der Brennstoffzellenleitung führt, ist die erforderliche Befeuchtung der Betriebsmedien. Die in den derzeit für Brennstoffzellenfahrzeuge im Fokus stehenden Polymerelektrolytmembran(PEM)-Brennstoffzellen verwenden Membranen, die für ihre erforderliche Protonenleitfähigkeit einen hohen Wassergehalt aufweisen müssen. Sinkt der Wassergehalt, so sinkt der Wirkungsgrad der Brennstoffzelle. So verursacht der Betrieb bei hohen Stromdichten oberhalb von etwa 1,5 A/cm² bei niedrigem Wassergehalt eine sehr hohe Wärmeentwicklung, welche zu einer irreversiblen Schädigung der Membran führen kann. Um dies zu vermeiden, muss die Polymerelektrolytmembran feucht gehalten werden, was beispielsweise durch eine Befeuchtung der Betriebsmedien, insbesondere der zugeführten Luft erfolgt. Another parameter that leads to a limitation of the fuel cell line is the required humidification of the operating media. The polymer electrolyte membrane (PEM) fuel cells currently in focus for fuel cell vehicles use membranes which must have a high water content for their required proton conductivity. If the water content drops, the efficiency of the fuel cell decreases. Thus, operation at high current densities above about 1.5 A / cm ² at low water content causes a very high heat generation, which can lead to irreversible damage to the membrane. To avoid this, the polymer electrolyte membrane must be kept moist, which is done for example by a humidification of the operating media, in particular the supplied air.

Der Betrieb eines Brennstoffzellenfahrzeugs mit einer hohen elektrischen Leistungsabgabe von beispielsweise über 100 kW bei unveränderter Bauweise des Kühlers des Brennstoffzellenkühlkreises erfordert eine Anhebung der Kühlmitteltemperatur. Dies führt gleichzeitig dazu, dass die zugeführte Luft aufgrund der erforderlichen Membranfeuchte zusätzlich befeuchtet werden muss. Der Aufwand der Befeuchtung der Luft steigt überproportional mit dem Anstieg der Betriebstemperatur der Brennstoffzelle, welche gleichzeitig die Kühlmitteltemperatur am Brennstoffzellenauslass darstellt. The operation of a fuel cell vehicle with a high electric power output of, for example, over 100 kW with unchanged construction of the radiator of the fuel cell cooling circuit requires an increase in the coolant temperature. This also leads to the fact that the supplied air must be additionally moistened due to the required membrane moisture. The effort of moistening the air increases disproportionately with the increase in the operating temperature of the fuel cell, which also represents the coolant temperature at the fuel cell outlet.

Kühlaufwand und Befeuchtung limitieren bei heutigen Systemen die maximal mögliche elektrische Leitungsabgabe der Brennstoffzelle. Bislang ist es nicht gelungen, hohe Leistungsdichten der Brennstoffzelle bei gleichzeitig ausreichender Membranfeuchte bei Kühlmitteltemperaturen von etwa 105 °C im Rahmen eines Brennstoffzellen-Fahrzeugaggregats kosteneffizient zu realisieren. Diese Temperatur wäre ungefähr notwendig, um 150 bis 180 kW thermische Leistung abzuführen und gleichzeitig elektrische Leistungen von etwa 110 bis 160 kW für den Fahrzeugantrieb bereitzustellen. Cooling and humidification limit in today's systems, the maximum possible electrical line output of the fuel cell. So far, it has not been possible to realize high power densities of the fuel cell with sufficient membrane moisture at coolant temperatures of about 105 ° C in a fuel cell vehicle unit cost-effectively. This temperature It would be approximately necessary to dissipate 150 to 180 kW of thermal power while providing electrical power of about 110 to 160 kW for vehicle propulsion.

DE 101 20 947 A1 , DE 10 2004 051 359 A1 und DE 10 2010 035 727 A1 beschreiben jeweils Brennstoffzellensysteme mit einer zweistufigen Verdichtung der Kathodenluft. Offenbart wird insbesondere, die erste Verdichterstufe durch elektromotorischen Antrieb zu realisieren und die zweite Stufe durch einen Abgasturbolader, bei dem der in der Kathodengasversorgungsleitung angeordnete Verdichter mit einer in der Abgasleitung angeordneten Turbine gekoppelt ist. Dabei können gemäß DE 10 2010 035 727 A1 diese Stufen auch in einer einzigen Maschine zusammengefasst werden. Zudem beschreibt DE 10 2010 035 727 A1 eine Rückeinspeisung feuchten Abgases in die Zuluft der Brennstoffzelle zwischen die beiden Verdichterstufen, um unter anderem eine Befeuchtung zu erzielen. DE 101 20 947 A1 . DE 10 2004 051 359 A1 and DE 10 2010 035 727 A1 each describe fuel cell systems with a two-stage compression of the cathode air. In particular, it is disclosed that the first compressor stage can be realized by an electromotive drive and the second stage by an exhaust gas turbocharger in which the compressor arranged in the cathode gas supply line is coupled to a turbine arranged in the exhaust gas line. It can according to DE 10 2010 035 727 A1 these stages can also be summarized in a single machine. In addition, describes DE 10 2010 035 727 A1 a feed back moist exhaust gas in the supply air of the fuel cell between the two compressor stages, inter alia, to achieve a humidification.

DE 198 56 499 C1 beschreibt ein Brennstoffzellensystem, dessen Kathodenbetriebsgas einer zweistufigen Verdichtung unterzogen wird, wobei eine erste Verdichterstufe als Abgasturbolader ausgebildet ist, der Verdichter also über eine von dem Kathoden- und/oder Anodenabgas angetriebene Abgasturbine angetrieben wird, und die zweite Verdichterstufe einen elektromotorisch angetriebenen Verdichter umfasst. Zwischen den beiden Verdichterstufen wird das Kathodenbetriebsgas durch Wassereinspritzung befeuchtet. DE 198 56 499 C1 describes a fuel cell system, the cathode operating gas is subjected to a two-stage compression, wherein a first compressor stage is designed as an exhaust gas turbocharger, the compressor is thus driven by a driven by the cathode and / or anode exhaust gas turbine exhaust, and the second compressor stage comprises an electric motor driven compressor. Between the two compressor stages, the cathode operating gas is humidified by water injection.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Brennstoffzellensystem insbesondere für ein Fahrzeug zur Verfügung zu stellen, das mit einer hohen elektrischen Leistung betrieben werden kann. The object of the invention is to provide a fuel cell system, in particular for a vehicle, which can be operated with a high electric power.

Diese Aufgabe wird durch ein Brennstoffzellensystem sowie ein Fahrzeug mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. This object is achieved by a fuel cell system and a vehicle having the features of the independent claims.

Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem umfasst

– einen Brennstoffzellenstapel mit Anodenräumen und Kathodenräumen und
– eine Kathodengasversorgung, umfassend
– einen Kathodenversorgungspfad zur Zuführung eines Kathodenbetriebsgases in die Kathodenräume und einen Kathodenabgaspfad zur Abführung eines Kathodenabgases aus den Kathodenräumen,
– eine im Kathodenversorgungspfad angeordnete erste Verdichterstufe und eine stromab der ersten Verdichterstufe im Kathodenversorgungspfad angeordnete zweite Verdichterstufe,
– einen Membranbefeuchter, der im Kathodenversorgungspfad von dem Kathodenbetriebsgas durchströmbar zwischen der ersten und der zweiten Verdichterstufe angeordnet ist sowie im Kathodenabgaspfad von dem Kathodenabgas durchströmbar angeordnet ist.

The fuel cell system according to the invention comprises

A fuel cell stack with anode spaces and cathode spaces and
A cathode gas supply comprising
A cathode supply path for supplying a cathode working gas into the cathode compartments and a cathode exhaust path for discharging a cathode exhaust gas from the cathode compartments,
A first compressor stage arranged in the cathode supply path and a second compressor stage arranged downstream of the first compressor stage in the cathode supply path,
- A membrane humidifier, which is arranged in the cathode supply path of the cathode operating gas through-flow between the first and the second compressor stage and arranged in the cathode exhaust gas flow path through the cathode exhaust gas.

Der vorliegend eingesetzte Membranbefeuchter weist eine wasserdampfpermeable Membran auf, die auf ihrer einen Seite von dem zu befeuchtenden Kathodenbetriebsgas (Trockengas) und von ihrer anderen Seite von dem vergleichsweise feuchten Kathodenabgas (Feuchtgas) überströmt wird. Aufgrund der unterschiedlichen Wasserdampfpartialdrücke auf beiden Seiten der Membran findet ein diffusionsgetriebener Übertritt von Wasserdampf von dem Feuchtgas auf das Trockengas statt, der zu einer Befeuchtung des Trockengases führt. Die wasserdampfpermeable Membran kann dabei schichtweise oder in Form von Kapillaren ausgebildet sein. Üblicherweise weisen derartige Membranbefeuchter eine Vielzahl von Membranen auf, um eine möglichst große Austauschfläche zu realisieren. Derartige Membranbefeuchter sind im Stand der Technik hinreichend bekannt. The membrane humidifier used in the present case has a water-vapor-permeable membrane which is overflowed on one side by the cathode operating gas to be humidified (drying gas) and by the other side by the comparatively moist cathode exhaust gas (moist gas). Due to the different water vapor partial pressures on both sides of the membrane, a diffusion-driven transfer of water vapor from the moist gas to the dry gas takes place, which leads to a humidification of the drying gas. The water-vapor-permeable membrane may be formed in layers or in the form of capillaries. Usually, such membrane humidifier have a plurality of membranes in order to realize the largest possible exchange surface. Such membrane humidifiers are well known in the art.

Durch die zweistufige Verdichtung liegen im Kathodenversorgungspfad des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems drei unterschiedliche Druckniveaus vor, nämlich der Umgebungsdruck stromauf der ersten Verdichterstufe, ein Zwischendruck zwischen den beiden Verdichterstufen und im Membranbefeuchter sowie der Betriebsdruck stromab der zweiten Verdichterstufe, der am Eintritt des Brennstoffzellenstapels vorliegt. Durch die Vorverdichtung des Kathodenbetriebsgases in der ersten Verdichterstufe wird zunächst erreicht, dass im Membranbefeuchter ein gegenüber dem Umgebungsdruck vergleichsweise hohes Druckniveau vorliegt. Da der Absolutdruck eines Gasgemischs die Summe aller Partialdrücke sämtlicher im Gemisch vorliegender Komponenten ist, wird durch die Erhöhung des Absolutdrucks die Partialdruckdifferenz über die wasserdampfpermeable Membran des Membranbefeuchters ebenfalls erhöht. Da die treibende Kraft für die Wasserübertragung im Membranbefeuchter die Differenz zwischen dem Partialdruck gasförmigen Wassers im Kathodenabgas und im Kathodenbetriebsgas ist, wird durch die Erhöhung der Partialdruckdifferenz im Befeuchter eine höhere Wasserübertragung auf das zu befeuchtende Kathodenbetriebsgas erzielt. Ferner führt die anschließende zweite Verdichtung der Stufe dazu, dass die relative Feuchte des aus dem Membranbefeuchter austretenden befeuchteten Kathodenbetriebsgases durch die erfolgende Verdichtung noch weiter ansteigt. Dabei nimmt die relative Feuchte – jedenfalls unter der Annahme einer isothermen Kompression – direkt proportional mit dem Verdichtungsverhältnis der zweiten Verdichterstufe zu. Ein Verdichtungsverhältnis von 2 beispielsweise führt zu einer Verdoppelung der Feuchte. Auf diese Weise ist es möglich, sehr hohe Feuchten des Kathodenbetriebsgases bis hin zur Sättigung am Eintritt des Brennstoffzellenstapels zu erreichen. Due to the two-stage compression, there are three different pressure levels in the cathode supply path of the fuel cell system according to the invention, namely the ambient pressure upstream of the first compressor stage, an intermediate pressure between the two compressor stages and in the membrane humidifier and the operating pressure downstream of the second compressor stage present at the inlet of the fuel cell stack. Due to the pre-compression of the cathode operating gas in the first compressor stage, it is initially achieved that a comparatively high pressure level is present in the membrane humidifier with respect to the ambient pressure. Since the absolute pressure of a gas mixture is the sum of all partial pressures of all the components present in the mixture, the partial pressure difference across the water-vapor-permeable membrane of the membrane humidifier is also increased by increasing the absolute pressure. Since the driving force for water transfer in the membrane humidifier is the difference between the partial pressure of gaseous water in the cathode exhaust gas and the cathode operating gas, increasing the partial pressure difference in the humidifier will result in a greater transfer of water to the cathode operating gas to be humidified. Furthermore, the subsequent second compression of the stage causes the relative humidity of the humidified cathode operating gas leaving the membrane humidifier to increase even further as a result of the compression taking place. In this case, the relative humidity - at least assuming an isothermal compression - increases in direct proportion to the compression ratio of the second compressor stage. A compression ratio of 2, for example, leads to a doubling of the humidity. That way it is possible, very much high saturation of the cathode operating gas to reach saturation at the entrance of the fuel cell stack.

Des Weiteren funktioniert der Membranbefeuchter auch als Wärmeüberträger zwischen den beiden Gasmedien Kathodenbetriebsgas und Kathodenabgas. In diesem Zusammenhang sieht eine bevorzugte Ausgestaltung des Systems vor, dass eine Temperatur des Kathodenabgases bei Eintritt in den Membranbefeuchter niedriger ist als eine Temperatur des Kathodenbetriebsgases am Eintritt des Befeuchters. Auf diese Weise wird eine Kühlung des Kathodenbetriebsgases durch das Abgas bewirkt. Durch diese Zwischenkühlung wird die Eintrittstemperatur des Kathodenbetriebsgases in die zweite Verdichterstufe verringert und damit der Wirkungsgrad der zweiten Verdichterstufe verbessert. Furthermore, the membrane humidifier also functions as a heat exchanger between the two gas media cathode operating gas and cathode exhaust gas. In this connection, a preferred embodiment of the system provides that a temperature of the cathode exhaust gas entering the membrane humidifier is lower than a temperature of the cathode operating gas at the inlet of the humidifier. In this way, a cooling of the cathode operating gas is effected by the exhaust gas. This intermediate cooling reduces the inlet temperature of the cathode operating gas into the second compressor stage and thus improves the efficiency of the second compressor stage.

Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das Brennstoffzellensystem so ausgelegt ist, dass ein Absolutdruck des Kathodenbetriebsgases im Membranbefeuchter im Bereich von 1,1 bis 3 bar liegt, insbesondere im Bereich von 1,1 bis 2 bar. Durch diesen gegenüber der Umgebung vergleichsweise hohen Druck wird, wie oben ausgeführt, auch die im Membranbefeuchter vorliegende Partialdruckdifferenz von Wasserdampf zwischen dem Kathodenbetriebsgas und dem Kathodenabgas und somit die Übertragungsrate erhöht. Alternativ oder gleichzeitig wird eine Druckdifferenz im Membranbefeuchter zwischen dem Kathodenabgas und dem Kathodenbetriebsgas von zumindest 1 bar eingestellt, wobei vorzugsweise der abgasseitige Druck der höhere ist. Hierbei gilt, dass die Wasserdampfübertragungsrate umso höher ist, je größer die Druckdifferenz. Die untere Grenze wird somit so vorbestimmt, dass eine ausreichend hohe Wasserdampfübertragungsrate erzielt wird. Gleichzeitig ist die obere Grenze durch die Festigkeit der Membran limitiert und wird so bemessen, dass die wasserdampfpermeable Membran nicht beschädigt wird und ist somit baubedingt gegeben und abhängig vom verwendeten Brennstoffzellenstapel. In derzeitigen Systemen liegt die obere Grenze der Druckdifferenz bei etwa 1,5 bar, bei zukünftigen Entwicklungen sind jedoch auch Druckdifferenzen von 2 bar oder höher denkbar. Im genannten Bereich wird somit das Brennstoffzellensystem so ausgelegt, dass die Druckdifferenz so hoch wie möglich ist, um eine hohe Wasserübertragung zu erzielen, ohne jedoch die Membran zu schädigen. A further preferred embodiment of the invention provides that the fuel cell system is designed so that an absolute pressure of the cathode operating gas in the membrane humidifier in the range of 1.1 to 3 bar, in particular in the range of 1.1 to 2 bar. As a result of this comparatively high pressure compared to the environment, the partial pressure difference between water vapor between the cathode operating gas and the cathode exhaust gas present in the membrane humidifier and thus the transfer rate are also increased. Alternatively or simultaneously, a pressure difference in the membrane humidifier between the cathode exhaust gas and the cathode operating gas of at least 1 bar is set, wherein preferably the exhaust gas pressure is the higher. In this case, the higher the pressure difference, the higher the water vapor transfer rate. The lower limit is thus predetermined so that a sufficiently high water vapor transfer rate is achieved. At the same time, the upper limit is limited by the strength of the membrane and is so dimensioned that the wasserdampfpermeable membrane is not damaged and is thus given due to the construction and depending on the fuel cell stack used. In current systems, the upper limit of the pressure difference is about 1.5 bar, but in future developments also pressure differences of 2 bar or higher are conceivable. In the said range, the fuel cell system is thus designed so that the pressure difference is as high as possible in order to achieve a high water transfer, but without damaging the membrane.

Da die Erfindung hohe Kathodenbetriebsdrücke im Brennstoffzellenstapel ermöglicht, liegen auch im Kathodenabgas vergleichsweise hohe absolute Drücke vor. Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht daher vor, in dem Kathodenabgaspfad zumindest einen Expander anzuordnen, der das Kathodenabgas expandiert und somit auf ein geringeres Druckniveau überführt. Die dem Kathodenabgas entzogene Energie wird somit als nutzbare mechanische Energie gewonnen. Diese kann auf unterschiedliche Art genutzt werden. Vorzugsweise ist der Expander als Turbine ausgebildet, welche mechanisch mit der ersten oder zweiten Verdichterstufe gekoppelt ist, und diese somit vollständig oder einen elektromotorischen Antrieb unterstützend antreibt. Ebenfalls vorteilhaft ist, den Expander mit einem Generator zu koppeln, um seine mechanische Energie in elektrische Energie umzuwandeln, die entweder in einer Sekundärbatterie gespeichert oder direkt zur Versorgung eines elektrischen Verbrauchers genutzt werden kann. Im Ergebnis wird durch einen solchen Expander somit ein parasitärer Energieverlust des Brennstoffzellen-Gesamtsystems verringert und der Gesamtwirkungsgrad des Systems erhöht. Die erhöhte Austrittstemperatur des Kathodenabgases am Austritt des Brennstoffzellenstapels bedingt zudem eine höhere Abgasenthalpie und erhöht die durch den Expander zurückgewonnene Arbeit. Since the invention enables high cathode operating pressures in the fuel cell stack, comparatively high absolute pressures are also present in the cathode exhaust gas. A preferred embodiment of the invention therefore provides for arranging in the cathode exhaust path at least one expander which expands the cathode exhaust gas and thus converts it to a lower pressure level. The energy withdrawn from the cathode exhaust gas is thus recovered as usable mechanical energy. This can be used in different ways. Preferably, the expander is designed as a turbine, which is mechanically coupled to the first or second compressor stage, and thus this completely or an electric motor drive drives supportive. It is also advantageous to couple the expander with a generator to convert its mechanical energy into electrical energy, which can either be stored in a secondary battery or used directly to supply an electrical load. As a result, such a expander thus reduces parasitic energy loss of the overall fuel cell system and increases the overall efficiency of the system. The increased outlet temperature of the cathode exhaust gas at the outlet of the fuel cell stack also causes a higher exhaust gas enthalpy and increases the work recovered by the expander.

Besonders bevorzugt ist zumindest ein Expander im Kathodenabgaspfad stromauf des Membranbefeuchters angeordnet. Auf diese Weise wird der Gasdruck im Membranbefeuchter seitens des Kathodenabgases gesenkt, um die gewünschte hohe Druckdifferenz im Membranbefeuchter einzuhalten. Particularly preferably, at least one expander is arranged in the cathode exhaust gas path upstream of the membrane humidifier. In this way, the gas pressure in the membrane humidifier is lowered by the cathode exhaust gas in order to maintain the desired high pressure difference in the membrane humidifier.

In weiterer bevorzugter Ausbildung der Erfindung ist mindestens eine der ersten und/oder zweiten Verdichterstufen und/oder einer der Expander ausgebildet, ein variables Verdichtungsverhältnis beziehungsweise variables Expansionsverhältnis einstellen zu können. Dies ermöglicht, abhängig vom Lastpunkt des Systems das Verdichtungs- beziehungsweise Expansionsverhältnis so zu beeinflussen, dass der Wirkungsgrad des Verdichters beziehungsweise Expanders erhöht wird. Beispielsweise sind Expander mit variablen Turbinengeometrien bekannt, die ein variables Expansionsverhältnis gestatten. Grundsätzlich ist die Erfindung jedoch auch mit Verdichtern und Expandern umsetzbar, die mit einem konstanten Verdichtungs- beziehungsweise Expansionsverhältnis betreibbar sind. In a further preferred embodiment of the invention, at least one of the first and / or second compressor stages and / or one of the expanders is designed to be able to set a variable compression ratio or variable expansion ratio. This makes it possible, depending on the load point of the system, to influence the compression or expansion ratio in such a way that the efficiency of the compressor or expander is increased. For example, expander with variable turbine geometries are known, which allow a variable expansion ratio. In principle, however, the invention can also be implemented with compressors and expanders which can be operated with a constant compression or expansion ratio.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Kathodengasversorgung ferner eine Kathodengasrezirkulationsleitung, welche stromauf des Membranbefeuchters vom Kathodenabgaspfad abzweigt und stromab des Membranbefeuchters in den Kathodenversorgungspfad mündet. Die Rezirkulationsleitung ermöglicht, feuchtes komprimiertes Kathodenabgas in das frische Kathodenbetriebsgas zu dosieren. Hierdurch kann insbesondere in unteren oder mittleren Lastbereichen des Systems die Feuchte des Kathodenbetriebsgases sehr hoch gehalten werden und die Größe des Membranbefeuchters reduziert werden. Des Weiteren dient die Kathodengasrezirkulation dazu, das gegenüber dem Umgebungsdruck auf einem höheren Druckniveau liegende Kathodenabgas im System zu halten, wodurch die Verdichterleistung gesenkt wird. Vorzugsweise mündet die Kathodengasrezirkulationsleitung stromab des Membranbefeuchters und stromauf der zweiten Verdichterstufe in den Kathodenversorgungspfad. In a further advantageous embodiment of the invention, the cathode gas supply further comprises a cathode gas recirculation line, which branches off from the cathode exhaust gas upstream of the membrane humidifier and opens into the cathode supply path downstream of the membrane humidifier. The recirculation line allows metered wet compressed cathode exhaust gas into the fresh cathode operating gas. As a result, in particular in the lower or middle load ranges of the system, the humidity of the cathode operating gas can be kept very high and the size of the membrane humidifier can be reduced. Furthermore, the cathode gas recirculation serves to opposite To maintain the cathode exhaust gas at a higher pressure level in the system, which reduces the compressor output. Preferably, the cathode gas recirculation line opens into the cathode supply path downstream of the membrane humidifier and upstream of the second compressor stage.

In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung weist die Kathodenversorgung ferner einen im Kathodengaszuführungspfad stromab der zweiten Verdichterstufe angeordneten Kühler zur Kühlung des verdichteten Kathodenbetriebsgases auf. Der Kühler kompensiert somit ganz oder teilweise die aufgrund der Verdichtung entstehende Temperaturerhöhung des Gases und ermöglicht somit eine weitestgehend isotherme Kompression des Kathodenbetriebsgases. Auf diese Weise wird eine weitere Erhöhung der relativen Feuchte des Kathodenbetriebsgases im Wege der isothermen Kompression erzielt. Der Kühler ist vorzugsweise ausgelegt, die in der zweiten Verdichterstufe stattfindende Temperaturerhöhung wenigstens zu 90 %, vorzugsweise wenigstens zu 95 % zu kompensieren. In a preferred embodiment of the invention, the cathode supply further comprises a cooler arranged in the cathode gas supply path downstream of the second compressor stage for cooling the compressed cathode operating gas. The cooler thus compensates in whole or in part for the increase in temperature of the gas resulting from the compression and thus allows a largely isothermal compression of the cathode operating gas. In this way, a further increase in the relative humidity of the cathode operating gas is achieved by way of isothermal compression. The cooler is preferably designed to compensate for the temperature increase taking place in the second compressor stage at least 90%, preferably at least 95%.

Wie bereits ausgeführt, ermöglicht das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem besonders hohe relative Feuchten des Kathodenbetriebsgases am Eingang des Brennstoffzellenstapels. Vorzugsweise betragen diese mindestens 90 %, insbesondere mindestens 95 % und vorzugsweise mindestens 99 %. Im Idealfall wird eine relative Feuchte von etwa 100 %, das heißt Sättigung am Brennstoffzelleneingang erzielt. Die genannten relativen Feuchten werden durch geeignete Verdichtungsverhältnisse der ersten und zweiten Verdichtungsstufe, den hierdurch erzeugten absoluten Druck zwischen den beiden Verdichtungsstufen sowie stromab der zweiten Verdichtungsstufe, die Druckdifferenz im Membranbefeuchter sowie die erzielten oder eingestellten Temperaturniveaus des Kathodenbetriebsgases zwischen den beiden Verdichtungsstufen und stromab der zweiten Verdichtungsstufe erzielt. As already stated, the fuel cell system according to the invention enables particularly high relative humidities of the cathode operating gas at the inlet of the fuel cell stack. These are preferably at least 90%, in particular at least 95% and preferably at least 99%. Ideally, a relative humidity of about 100%, that is saturation at the fuel cell input is achieved. The said relative humidities are determined by suitable compression ratios of the first and second compression stages, the absolute pressure produced thereby between the two compression stages and downstream of the second compression stage, the pressure difference in the membrane humidifier and the achieved or adjusted temperature levels of the cathode operating gas between the two compression stages and downstream of the second compression stage achieved.

Vorzugsweise ist das Brennstoffzellensystem so ausgelegt, dass ein absoluter Druck des Kathodenbetriebsgases am Eingang des Brennstoffzellenstapels im Bereich von 1,1 bis 3 bar liegt. Dabei ist der obere Grenzwert durch die aufbringbare Kühlleistung begrenzt, während die untere Grenze so vorbestimmt ist, dass eine ausreichende elektrische Leistung des Brennstoffzellenstapels vorliegt. Insgesamt ermöglicht die Erfindung einen hohen Betriebsdruck und damit eine hohe elektrische Leistung des Systems. Preferably, the fuel cell system is designed so that an absolute pressure of the cathode operating gas at the entrance of the fuel cell stack is in the range of 1.1 to 3 bar. In this case, the upper limit is limited by the applicable cooling power, while the lower limit is predetermined so that there is sufficient electrical power of the fuel cell stack. Overall, the invention allows a high operating pressure and thus a high electrical power of the system.

Ferner ist das Brennstoffzellensystem vorzugsweise so ausgelegt, dass eine Temperatur des Kathodenbetriebsgases am Eingang des Brennstoffzellenstapels mindestens 85 ºC, insbesondere mindestens 90 °C, besonders bevorzugt mindestens 95 °C beträgt. Diese hohen Betriebstemperaturen werden durch die hohe Feuchte des Kathodenbetriebsgases ermöglicht. Am Austritt des Brennstoffzellenstapels können dabei Betriebstemperaturen des Kathodenabgases von bis zu 110 °C zugelassen werden, ohne dass die Gefahr einer Austrocknung der Polymerelektrolytmembran der Brennstoffzelle entsteht. Diese hohen Betriebstemperaturen erlauben den Betrieb des Brennstoffzellenstapels mit elektrischen Leistungsabgaben von 100 kW oder mehr. Beispielsweise sind Leistungsabgaben im Bereich von etwa 110 bis 160 kW Nettoleistung möglich, nachdem etwa 150 bis 180 kW thermische Leistung über das Kühlmittelsystem des Brennstoffzellenstapels abgeführt wurden. Im Falle eines Fahrzeugs sind damit beispielsweise Fahrzeuggeschwindigkeiten im Dauerbetrieb von über 220 km/h möglich. Derartige Leistungen waren bisher aufgrund des Befeuchtungserfordernisses der Kathodenluft, welche überproportional mit der Betriebstemperatur der Brennstoffzelle sowie der Kühlmitteltemperatur steigt, nicht darstellbar. Furthermore, the fuel cell system is preferably designed so that a temperature of the cathode operating gas at the entrance of the fuel cell stack is at least 85 ° C, especially at least 90 ° C, more preferably at least 95 ° C. These high operating temperatures are made possible by the high humidity of the cathode operating gas. At the outlet of the fuel cell stack while operating temperatures of the cathode exhaust gas of up to 110 ° C can be allowed without the risk of dehydration of the polymer electrolyte membrane of the fuel cell is formed. These high operating temperatures allow operation of the fuel cell stack with electrical power outputs of 100 kW or more. For example, power outputs in the range of about 110 to 160 kW net power are possible after about 150 to 180 kW of thermal power has been dissipated through the fuel cell stack coolant system. In the case of a vehicle, for example, vehicle speeds in continuous operation of over 220 km / h are possible. Such services were previously due to the humidification requirement of the cathode air, which increases disproportionately with the operating temperature of the fuel cell and the coolant temperature, can not be displayed.

Die erste und zweite Verdichtungsstufe kann einerseits durch zwei unabhängige einstufige Verdichter realisiert sein. Alternativ ist im Rahmen der Erfindung ebenso möglich, beide Verdichtungsstufen in einem einzelnen zweistufigen Verdichter umzusetzen. The first and second compression stage can be realized on the one hand by two independent single-stage compressor. Alternatively, it is also possible within the scope of the invention to implement both compression stages in a single two-stage compressor.

Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Fahrzeug, das ein Brennstoffzellensystem gemäß der vorliegenden Erfindung aufweist. Dabei dient das Brennstoffzellensystem insbesondere der elektrischen Versorgung eines elektrischen Antriebsaggregats des Fahrzeugs beziehungsweise der Ladung einer Batterie. Another aspect of the present invention relates to a vehicle having a fuel cell system according to the present invention. In this case, the fuel cell system is used in particular for the electrical supply of an electric drive unit of the vehicle or the charge of a battery.

Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen. Further preferred embodiments of the invention will become apparent from the remaining, mentioned in the dependent claims characteristics.

Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar. The various embodiments of the invention mentioned in this application are, unless otherwise stated in the individual case, advantageously combinable with each other.

Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnung erläutert. Es zeigt: The invention will be explained below in embodiments with reference to the accompanying drawings. It shows:

1 ein Blockschaltbild eines Brennstoffzellensystems gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung. 1 a block diagram of a fuel cell system according to a preferred embodiment of the invention.

1 zeigt ein insgesamt mit 100 bezeichnetes Brennstoffzellensystem gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung. Das Brennstoffzellensystem 100 ist Teil eines nicht weiter dargestellten Fahrzeugs, insbesondere eines Elektrofahrzeugs, das einen Elektrotraktionsmotor aufweist, der durch das Brennstoffzellensystem 100 mit elektrischer Energie versorgt wird. 1 shows a total of 100 designated fuel cell system according to a preferred embodiment of the present invention. The fuel cell system 100 is part of a not further shown vehicle, in particular one An electric vehicle having an electric traction motor driven by the fuel cell system 100 is supplied with electrical energy.

Das Brennstoffzellensystem 100 umfasst als Kernkomponente einen Brennstoffzellenstapel 10, der eine Vielzahl von in Stapelform angeordneten Einzelzellen 11 aufweist. Jede Einzelzelle 10 umfasst jeweils einen Anodenraum 12 sowie einen Kathodenraum 13, welche von einer ionenleitfähigen Polymerelektrolytmembran 14 voneinander getrennt sind (siehe Detailausschnitt). Der Anoden- und Kathodenraum 12, 13 umfasst jeweils eine katalytische Elektrode, die Anode beziehungsweise die Kathode (nicht dargestellt), welche die jeweilige Teilreaktion der Brennstoffzellenumsetzung katalysiert. Zwischen zwei solchen Membran-Elektroden-Einheiten ist ferner jeweils eine mit 15 angedeutete Bipolarplatte angeordnet, welche der Zuführung der Betriebsmedien in die Anoden- und Kathodenräume 12, 13 dient und ferner die elektrische Verbindung zwischen den einzelnen Brennstoffzellen 11 herstellt. The fuel cell system 100 comprises as a core component a fuel cell stack 10 containing a plurality of stacked single cells 11 having. Every single cell 10 each includes an anode compartment 12 and a cathode compartment 13 , which of an ion-conductive polymer electrolyte membrane 14 are separated from each other (see detail). The anode and cathode compartment 12 . 13 each comprises a catalytic electrode, the anode or the cathode (not shown), which catalyzes the respective partial reaction of the fuel cell reaction. Between two such membrane-electrode assemblies is also one each with 15 indicated bipolar plate arranged, which the supply of the operating media in the anode and cathode spaces 12 . 13 serves and also the electrical connection between the individual fuel cells 11 manufactures.

Um den Brennstoffzellenstapel 10 mit den Betriebsgasen zu versorgen, weist das Brennstoffzellensystem 100 einerseits eine Anodenversorgung 20 und andererseits eine Kathodenversorgung 30 auf. To the fuel cell stack 10 to supply with the operating gases, the fuel cell system 100 on the one hand, an anode supply 20 and on the other hand, a cathode supply 30 on.

Die Anodenversorgung 20 umfasst einen Anodenversorgungspfad 21, welcher der Zuführung eines Anodenbetriebsgases (dem Brennstoff), beispielsweise Wasserstoff, in die Anodenräume 12 des Brennstoffzellenstapels 10 dient. Zu diesem Zweck verbindet der Anodenversorgungspfad 21 einen Brennstoffspeicher 23 mit einem Anodeneinlass des Brennstoffzellenstapels 10. Die Anodenversorgung 20 umfasst ferner einen Anodenabgaspfad 22, der das Anodenabgas aus den Anodenräumen 12 über einen Anodenauslass des Brennstoffzellenstapels 10 abführt. Der Anodenbetriebsdruck auf den Anodenseiten 12 des Brennstoffzellenstapels 10 ist über ein Stellmittel 24 in dem Anodenversorgungspfad 21 einstellbar. Darüber hinaus kann die Anodenversorgung 20 wie dargestellt eine Brennstoffrezirkulationsleitung 25 aufweisen, welche den Anodenabgaspfad 22 mit dem Anodenversorgungspfad 21 verbindet. Die Rezirkulation von Brennstoff ist üblich, um den zumeist überstöchiometrisch eingesetzten Brennstoff dem Stapel zurückzuführen und zu nutzen. In der Brennstoffrezirkulationsleitung 25 ist ein weiteres Stellmittel 26 angeordnet, mit welchem die Rezirkulationsrate einstellbar ist. The anode supply 20 includes an anode supply path 21 which feeds an anode operating gas (the fuel), for example hydrogen, into the anode spaces 12 of the fuel cell stack 10 serves. For this purpose, the anode supply path connects 21 a fuel storage 23 with an anode inlet of the fuel cell stack 10 , The anode supply 20 further includes an anode exhaust path 22 containing the anode exhaust gas from the anode chambers 12 via an anode outlet of the fuel cell stack 10 dissipates. The anode operating pressure on the anode sides 12 of the fuel cell stack 10 is about an actuating means 24 in the anode supply path 21 adjustable. In addition, the anode supply can 20 as shown, a fuel recirculation line 25 comprising the anode exhaust path 22 with the anode supply path 21 combines. The recirculation of fuel is common in order to return and utilize the fuel, which is mostly used in excess of stoichiometry, in the stack. In the fuel recirculation line 25 is another adjusting agent 26 arranged, with which the recirculation rate is adjustable.

Die Kathodenversorgung 30 umfasst einen Kathodenversorgungspfad 31, welcher den Kathodenräumen 13 des Brennstoffzellenstapels 10 ein sauerstoffhaltiges Kathodenbetriebsgas zuführt, insbesondere Luft, die aus der Umgebung angesaugt wird. Die Kathodenversorgung 30 umfasst ferner einen Kathodenabgaspfad 32, welcher das Kathodenabgas (insbesondere die Abluft) aus den Kathodenräumen 13 des Brennstoffzellenstapels 10 abführt und dieses gegebenenfalls einer nicht dargestellten Abgasanlage zuführt. The cathode supply 30 includes a cathode supply path 31 which is the cathode spaces 13 of the fuel cell stack 10 supplies an oxygen-containing cathode operating gas, in particular air, which is sucked from the environment. The cathode supply 30 further includes a cathode exhaust path 32 , which the cathode exhaust gas (in particular the exhaust air) from the cathode compartments 13 of the fuel cell stack 10 dissipates and optionally this feeds an exhaust system, not shown.

Zur Förderung und Verdichtung des Kathodenbetriebsgases ist in dem Kathodenversorgungspfad 31 eine erste Verdichterstufe 33 und stromab von dieser eine zweite Verdichterstufe 34 angeordnet. For conveying and compressing the cathode operating gas is in the cathode supply path 31 a first compressor stage 33 and downstream of this a second compressor stage 34 arranged.

In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist die erste Verdichtungsstufe 33 als ein rein motorisch angetriebener Verdichter ausgestaltet, dessen Antrieb über einen mit einer entsprechenden Leistungselektronik 36 ausgestatteten Elektromotor 35 angetrieben wird. Die zweite Verdichtungsstufe 34 ist hingegen als ein Abgasturbolader ausgebildet, der ganz oder teilweise durch eine im Kathodenabgaspfad 32 angeordnete erste Turbine 39 angetrieben wird. Die Turbine 39 stellt einen Expander dar, welcher eine Expansion des Kathodenabgases und somit eine Absenkung seines Drucks bewirkt. Der Verdichter 34 und die Turbine 39 sind über eine gemeinsame Welle mechanisch miteinander verbunden. Optional kann ein Elektromotor 37 an die Welle angebunden sein, welcher allein oder die Turbine 39 unterstützend den Antrieb der zweiten Verdichtungsstufe 34 bewirkt. Eine Leistungssteuerung erfolgt hierbei ebenfalls über eine Leistungselektronik 38. Stromab des ersten Expanders 39 ist im vorliegenden Beispiel ein weiterer Expander 40 im Kathodenabgaspfad 32 angeordnet, welcher eine weitere Expansion und Absenkung des Drucks des Kathodenabgases bewirkt. In the illustrated embodiment, the first compression stage 33 designed as a purely motor-driven compressor whose drive via a with a corresponding power electronics 36 equipped electric motor 35 is driven. The second compression level 34 is, however, designed as an exhaust gas turbocharger, which is wholly or partially by a in the cathode exhaust path 32 arranged first turbine 39 is driven. The turbine 39 represents an expander, which causes an expansion of the cathode exhaust gas and thus a reduction of its pressure. The compressor 34 and the turbine 39 are mechanically connected to each other via a common shaft. Optionally, an electric motor 37 be connected to the shaft, which alone or the turbine 39 supporting the drive of the second compression stage 34 causes. Power control also takes place via power electronics 38 , Downstream of the first expander 39 is another expander in this example 40 in the cathode exhaust path 32 arranged, which causes a further expansion and lowering of the pressure of the cathode exhaust gas.

Die Kathodenversorgung 30 weist ferner einen Membranbefeuchter 41 auf. Der Membranbefeuchter 41 ist einerseits so in dem Kathodenversorgungspfad 31 angeordnet, dass er von dem Kathodenbetriebsgas durchströmbar ist. Andererseits ist er so in dem Kathodenabgaspfad 32 angeordnet, dass er von dem Kathodenabgas durchströmbar ist. Der Membranbefeuchter 41 weist typischerweise eine Mehrzahl von wasserdampfpermeablen Membranen auf, die entweder flächig oder in Form von Hohlfasern ausgebildet sind. Dabei wird eine Seite der Membranen von dem vergleichsweise trockenen Kathodenbetriebsgas (Luft) überströmt und die andere Seite von dem vergleichsweise feuchten Kathodenabgas (Abgas). Getrieben durch den höheren Partialdruck an Wasserdampf in dem Kathodenabgas kommt es zu einem Übertritt von Wasserdampf über die Membran in das Kathodenbetriebsgas, das auf diese Weise befeuchtet wird. Der Membranbefeuchter 41 ist seitens des Kathodenversorgungspfads 31 stromab der ersten Verdichterstufe 33 und stromauf der zweiten Verdichterstufe 34 angeordnet. Auf der anderen Seite ist er stromab des ersten Expanders 39 und stromauf des zweiten Expanders 40 in dem Kathodenabgaspfad 32 angeordnet. The cathode supply 30 also has a membrane humidifier 41 on. The membrane humidifier 41 on the one hand is in the cathode supply path 31 arranged to be flowed through by the cathode operating gas. On the other hand, it is so in the cathode exhaust path 32 arranged so that it can be flowed through by the cathode exhaust gas. The membrane humidifier 41 typically has a plurality of water vapor permeable membranes formed either flat or in the form of hollow fibers. In this case, one side of the membranes is overflowed by the comparatively dry cathode operating gas (air) and the other side by the comparatively moist cathode exhaust gas (exhaust gas). Driven by the higher partial pressure of water vapor in the cathode exhaust gas, there is a transfer of water vapor across the membrane in the cathode operating gas, which is moistened in this way. The membrane humidifier 41 is from the cathode supply path 31 downstream of the first compressor stage 33 and upstream of the second compressor stage 34 arranged. On the other side he is downstream of the first expander 39 and upstream of the second expander 40 in the cathode exhaust path 32 arranged.

Die Kathodenversorgung 30 weist ferner einen Kühler 42 auf, der stromab der zweiten Verdichterstufe 34 im Kathodenversorgungspfad 31 installiert ist. Beispielsweise kann der Kühler 42 in einen Kühlkreis des Brennstoffzellenstapels 10 integriert sein. The cathode supply 30 also has a radiator 42 on, the downstream of the second compressor stage 34 in the cathode supply path 31 is installed. For example, the radiator 42 in a cooling circuit of the fuel cell stack 10 be integrated.

Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem 100 weist gemäß dem dargestellten Ausführungsbeispiel ferner eine Kathodengasrezirkulationsleitung 43 auf, welche den Kathodenabgaspfad 32 mit dem Kathodenversorgungspfad 31 verbindet und Kathodenabgas in das Kathodenbetriebsgas einspeist. Die Kathodengasrezirkulationsleitung 43 ist zwischen dem Befeuchter 41 und dem Brennstoffzellenstapel 10 angeordnet. Insbesondere zweigt er im dargestellten Beispiel stromab des ersten Expanders 39 und stromauf des Eingangs des Befeuchters 41 von dem Kathodenabgaspfad 32 ab und mündet in Strömungsrichtung des Kathodenbetriebsgases stromab des Befeuchters 41 und stromauf der zweiten Verdichterstufe 34 in den Kathodenversorgungspfad 31. Ein in der Rezirkulationsleitung 43 angeordnetes Stellmittel 44 erlaubt eine Variation des rezirkulierten Abgases. Sämtliche Stellmittel 24, 26, 44 des Brennstoffzellensystems 100 können als regelbare oder nicht regelbare Ventile oder Klappen ausgebildet sein. The fuel cell system according to the invention 100 also has a cathode gas recirculation line according to the illustrated embodiment 43 on which the cathode exhaust path 32 with the cathode supply path 31 connects and feeds cathode exhaust gas into the cathode operating gas. The cathode gas recirculation line 43 is between the humidifier 41 and the fuel cell stack 10 arranged. In particular, it branches in the example shown downstream of the first expander 39 and upstream of the humidifier inlet 41 from the cathode exhaust path 32 and flows in the flow direction of the cathode operating gas downstream of the humidifier 41 and upstream of the second compressor stage 34 in the cathode supply path 31 , One in the recirculation line 43 arranged adjusting means 44 allows a variation of the recirculated exhaust gas. All adjusting means 24 . 26 . 44 of the fuel cell system 100 can be designed as controllable or non-controllable valves or flaps.

Verschiedene weitere Einzelheiten der Anoden- und Kathodenversorgung 20, 30 sind in der vereinfachten 1 aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht gezeigt. So kann eine Wastegate-Leitung vorhanden sein, welche die Kathodenversorgungsleitung 31 mit der Kathodenabgasleitung 32 verbindet. Ferner kann in dem Anoden- und/oder Kathodenabgaspfad 22, 32 ein Wasserabscheider verbaut sein, um das aus der Brennstoffzellenreaktion entstehende Produktwasser zu kondensieren und abzuleiten. Schließlich kann die Anodenabgasleitung 22 in die Kathodenabgasleitung 32 münden, sodass das Anodenabgas und das Kathodenabgas über eine gemeinsame Abgasanlage abgeführt werden. Various other details of the anode and cathode supply 20 . 30 are in the simplified 1 not shown for reasons of clarity. Thus, a wastegate line may be present, which is the cathode supply line 31 with the cathode exhaust gas line 32 combines. Further, in the anode and / or cathode exhaust path 22 . 32 a water separator may be installed to condense and drain the product water resulting from the fuel cell reaction. Finally, the anode exhaust gas line 22 into the cathode exhaust gas line 32 lead, so that the anode exhaust gas and the cathode exhaust gas are discharged via a common exhaust system.

Das in 1 gezeigte Brennstoffzellensystem 100 zeigt folgende Funktionsweise. This in 1 shown fuel cell system 100 shows the following operation.

Im Betrieb des Brennstoffzellenstapels 10 wird den Anodenräumen 12 der Brennstoff, insbesondere Wasserstoff, aus dem Brennstoffspeicher 23 über die Anodengasversorgungsleitung 21 zugeführt. Der Wasserstoff reagiert an den Anoden der Anodenräume 12 zu Protonen unter Abgabe von Elektronen. Die Protonen diffundieren über die Membran 14 in die Kathodenräume 13. Unverbrauchter Wasserstoff wird über die Leitung 25 rezirkuliert oder über die Leitung 22 aus dem System abgeführt. Gleichzeitig wird an die Kathodenräume 13 des Stapels 10 das sauerstoffhaltige Kathodenbetriebsgas, insbesondere Luft, über den Kathodenversorgungspfad 31 zugeführt. Andererseits sind die Kathoden über einen äußeren Stromkreis mit den Anoden verbunden und transportieren somit die an den Anoden abgegebenen Elektronen in die Kathoden. Der in dem Kathodenbetriebsgas vorhandene Sauerstoff reagiert unter Aufnahme der Elektronen mit den über die Membran 14 diffundierten Protonen zu Wasser. Das Kathodenabgas wird über den Abgaspfad 32 aus dem Brennstoffzellenstapel 10 abgeführt. During operation of the fuel cell stack 10 becomes the anode spaces 12 the fuel, especially hydrogen, from the fuel storage 23 via the anode gas supply line 21 fed. The hydrogen reacts at the anodes of the anode spaces 12 to protons with release of electrons. The protons diffuse across the membrane 14 in the cathode rooms 13 , Unused hydrogen goes over the line 25 recirculated or over the line 22 discharged from the system. At the same time, the cathode rooms 13 of the pile 10 the oxygen-containing cathode operating gas, in particular air, via the cathode supply path 31 fed. On the other hand, the cathodes are connected to the anodes via an external circuit and thus transport the electrons released at the anodes into the cathodes. The oxygen present in the cathode operating gas reacts with that through the membrane to absorb the electrons 14 diffused protons to water. The cathode exhaust gas is via the exhaust path 32 from the fuel cell stack 10 dissipated.

Bei der Versorgung des Brennstoffzellenstapels 10 mit dem Kathodenbetriebsgas, im vorliegenden Beispiel Luft, wird dieses zunächst über den ersten Verdichter 33 angesaugt und von dem Umgebungsdruck auf einen Zwischendruck, der beispielsweise im Bereich von 1,1 bis 2 bar (absolut) liegt, komprimiert. Die so komprimierte Luft tritt in den Membranbefeuchter 41 ein und wird über dessen wasserdampfpermeable Membran durch das wasserdampfreiche Kathodenabgas befeuchtet. Die komprimierte und befeuchtete Kathodenzuluft gelangt in den zweiten Verdichter 34, der eine weitere Verdichtung vornimmt, beispielsweise auf einen Druck von 1,1 bis 3,5 bar. Weist beispielsweise der aus dem Befeuchter 41 strömende Luftmassenstrom eine relative Feuchte von 50 % und einen Druck von 1,5 bar auf und wird in der zweiten Verdichtungsstufe 34 auf 3 bar komprimiert, so erfolgt (unter der Annahme einer isothermen Kompression) eine Anhebung der relativen Feuchte auf 100 %. Tatsächlich wird bei der Verdichtung von Luft jedoch eine gewisse Erwärmung bewirkt. Um diese zumindest teilweise zu kompensieren, wird die verdichtete Luft dem Kühler 42 zugeführt, der die 90 Temperatur absenkt. Auf diese Weise wird beispielsweise eine Temperatur von °C bei Eintritt in den Brennstoffzellenstapel 10 bei einer relativen Feuchte von über 95 % erzielt. Bei einer Vorlauftemperatur des Kühlkreises des Brennstoffzellenstapels 10 von beispielsweise 90 °C strömt bei Hochlast das Kühlmittel mit einer Temperatur von etwa 105 °C aus dem Stapel 10 aus. Trotz dieser hohen Betriebs- und Kühlmitteltemperaturen können durch die hohen erreichten Luftfeuchten Membranfeuchten von über 95 % aufrechterhalten werden und somit die Gefahr der Austrocknung und Schädigung der Membran 14, welche bei Membranfeuchten unterhalb von 80 % besteht, ausgeräumt. When supplying the fuel cell stack 10 with the cathode operating gas, in the present example air, this is first on the first compressor 33 sucked and compressed from the ambient pressure to an intermediate pressure, which is for example in the range of 1.1 to 2 bar (absolute). The compressed air enters the membrane humidifier 41 and is moistened through the water vapor permeable membrane by the steam-rich cathode exhaust gas. The compressed and moistened cathode feed reaches the second compressor 34 , which performs a further compression, for example to a pressure of 1.1 to 3.5 bar. For example, rejects from the humidifier 41 flowing mass air flow has a relative humidity of 50% and a pressure of 1.5 bar and is in the second compression stage 34 compressed to 3 bar, it is (assuming an isothermal compression) an increase in the relative humidity to 100%. In fact, however, some compression is caused in the compression of air. To compensate for these at least partially, the compressed air is the radiator 42 fed, which lowers the 90 temperature. In this way, for example, a temperature of ° C when entering the fuel cell stack 10 achieved at a relative humidity of over 95%. At a flow temperature of the cooling circuit of the fuel cell stack 10 for example, 90 ° C flows at high load, the coolant at a temperature of about 105 ° C from the stack 10 out. In spite of these high operating and coolant temperatures, the high humidity levels achieved can maintain membrane humidities of more than 95% and thus the risk of dehydration and damage to the membrane 14 , which at membrane humidities below 80%, cleared out.

Das heiße und wasserdampfreiche Kathodenabgas strömt aus dem Brennstoffzellenstapel 10 aus und wird über die Turbine 39 expandiert. Über die Turbine 39 wird das Druckniveau des Kathodenabgases so eingestellt, dass im Membranbefeuchter 41 ein möglichst hoher Betriebsdruck vorliegt und gleichzeitig eine vorbestimmte maximale Druckdifferenz zwischen Trocken- und Feuchtseite nicht überschritten wird, um eine Schädigung der wasserdampfpermeablen Membran des Befeuchters 41 zu verhindern. Der abgasseitig im Membranbefeuchter 41 vorliegende Druck wird dabei so bemessen, eine Differenz der Wasserdampfpartialdrücke zwischen Frischluft und Abluft möglichst groß einzustellen, um eine hohe Übertragungsrate von Wasserdampf zu erzielen. The hot and steam-rich cathode exhaust gas flows out of the fuel cell stack 10 out and over the turbine 39 expanded. About the turbine 39 the pressure level of the cathode exhaust gas is adjusted so that in the membrane humidifier 41 the highest possible operating pressure and at the same time a predetermined maximum pressure difference between the dry and wet side is not exceeded, to damage the water vapor permeable membrane of the humidifier 41 to prevent. The exhaust side in the membrane humidifier 41 present pressure is thereby dimensioned, a Set difference between the water vapor partial pressures between fresh air and exhaust air as large as possible in order to achieve a high transfer rate of water vapor.

Die Expansion führt über die Turbine 39 nicht nur zu einer Absenkung des Drucks, sondern auch zu einer Abkühlung des Abgases. Letztere führt dazu, dass bei Eintritt des Kathodenabgases in den Befeuchter 41 die Abgastemperatur niedriger als die des einströmenden frischen Kathodenbetriebsgases ist. Auf diese Weise dient der Befeuchter 41 gleichzeitig zur Kühlung des Kathodenbetriebsgases. Stromab des Befeuchters 41 erfolgt eine weitere Expansionsstufe des Kathodenabgases über den zweiten Expander 40, der den Druck vorzugsweise auf Umgebungsdruck absenkt. The expansion leads through the turbine 39 not only to a reduction in pressure, but also to a cooling of the exhaust gas. The latter causes the cathode exhaust gas to enter the humidifier 41 the exhaust gas temperature is lower than that of the incoming fresh cathode operating gas. This is how the humidifier works 41 at the same time for cooling the cathode operating gas. Downstream of the humidifier 41 There is a further expansion stage of the cathode exhaust gas via the second expander 40 which preferably lowers the pressure to ambient pressure.

Die Expander 39 und 40 wandeln die kinetische Energie des Kathodenabgases in mechanische Energie um, welche einerseits genutzt wird, um die zweite Verdichtungsstufe 34 anzutreiben. Andererseits kann der zweite Expander 40 mit einem Generator verbunden sein, der elektrische Energie erzeugt, die innerhalb des Brennstoffzellensystems 100 oder extern genutzt werden kann. The expander 39 and 40 convert the kinetic energy of the cathode exhaust gas into mechanical energy, which is used on the one hand to the second compression stage 34 drive. On the other hand, the second expander 40 be connected to a generator that generates electrical energy within the fuel cell system 100 or can be used externally.

Durch das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem 100 ist erstmals möglich, sehr hohe elektrische Leistungen des Brennstoffzellenstapels beispielsweise von 110 bis 160 kW insbesondere für einen Fahrzeugantrieb bereitzustellen. By the fuel cell system according to the invention 100 For the first time, it is possible to provide very high electrical outputs of the fuel cell stack, for example from 110 to 160 kW, in particular for a vehicle drive.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

100 100: Brennstoffzellensystem The fuel cell system
10 10: Brennstoffzellenstapel fuel cell stack
11 11: Einzelzelle single cell
12 12: Anodenraum anode chamber
13 13: Kathodenraum cathode space
14 14: Polymerelektrolytmembran Polymer electrolyte membrane
15 15: Bipolarplatte bipolar
20 20: Anodenversorgung anode supply
21 21: Anodenversorgungspfad Anode supply path
22 22: Anodenabgaspfad Anode exhaust gas path
23 23: Brennstofftank fuel tank
24 24: Stellmittel actuating means
25 25: Brennstoffrezirkulationsleitung Brennstoffrezirkulationsleitung
26 26: Stellmittel actuating means
30 30: Kathodenversorgung cathode supply
31 31: Kathodenversorgungspfad Cathode supply path
32 32: Kathodenabgaspfad Cathode exhaust path
33 33: erste Verdichterstufe first compressor stage
34 34: zweite Verdichterstufe second compressor stage
35 35: Elektromotor electric motor
36 36: Leistungselektronik power electronics
37 37: Elektromotor electric motor
38 38: Leistungselektronik power electronics
39 39: erster Expander / Turbine first expander / turbine
40 40: zweiter Expander / Turbine second expander / turbine
41 41: Membranbefeuchter membrane humidifier
42 42: Kühler cooler
43 43: Kathodengasrezirkulationsleitung Kathodengasrezirkulationsleitung
44 44: Stellmittel actuating means

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

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DE 102004051359 A1 [0009]
DE 102010035727 A1 [0009, 0009, 0009]
DE 19856499 C1 [0010]

Claims

Fuel cell system ( 100 ) with - a fuel cell stack ( 10 ) with anode spaces ( 12 ) and cathode spaces ( 13 ) and - a cathode gas supply ( 30 ), comprising - a cathode supply path ( 31 ) for supplying a cathode operating gas into the cathode chambers ( 13 ) and a cathode exhaust path ( 32 ) for discharging a cathode exhaust gas from the cathode compartments ( 13 ), - one in the cathode supply path ( 31 ) arranged first compressor stage ( 33 ) and one downstream of the first compressor stage ( 33 ) in the cathode supply path ( 31 ) arranged second compressor stage ( 34 ), - a membrane humidifier ( 41 ) located in the cathode supply path ( 31 ) can be flowed through by the cathode operating gas between the first and the second compressor stage (US Pat. 33 . 34 ) and in the cathode exhaust path ( 32 ) is arranged through which the cathode exhaust gas can flow.

Fuel cell system ( 100 ) according to claim 1, characterized in that the fuel cell system ( 100 ) is designed so that an absolute pressure of the cathode operating gas in the membrane humidifier ( 41 ) in the range of 1.1 to 3 bar, in particular in the range of 1.1 to 2 bar, and / or a pressure difference in the membrane humidifier ( 41 ) between the cathode operating gas and the cathode exhaust gas in the range of 1 to 2 bar, in particular in the range of 1 to 1.5 bar, is located.

Fuel cell system ( 100 ) according to claim 1 or 2, characterized in that the fuel cell system ( 100 ) is designed so that an inlet temperature of the cathode exhaust gas in the membrane humidifier ( 41 ) is less than an inlet temperature of the cathode operating gas in the membrane humidifier ( 41 ).

Fuel cell system ( 100 ) according to one of the preceding claims, characterized in that in the cathode exhaust gas path ( 32 ) at least one expander ( 39 . 40 ) which expands the cathode exhaust gas and provides mechanical and / or electrical energy.

Fuel cell system ( 100 ) according to claim 4, characterized in that the expander ( 39 . 40 ) is designed as a turbine, which mechanically with the first or second compressor stage ( 33 . 34 ) is coupled.

Fuel cell system ( 100 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the cathode gas supply ( 30 ) further comprises a cathode gas recirculation line ( 43 ), which upstream of the membrane humidifier ( 41 ) from the cathode exhaust path ( 32 ) branches off and downstream of the membrane humidifier ( 42 ) in the cathode supply path ( 31 ) opens.

Fuel cell system ( 100 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the cathode supply ( 30 ) further in the cathode gas supply path ( 31 ) downstream of the second compressor stage ( 34 ) arranged cooler ( 42 ) for cooling the compressed cathode operating gas.

Fuel cell system ( 100 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the fuel cell system ( 100 ) is designed so that a relative humidity of the cathode operating gas at the entrance of the fuel cell stack ( 10 ) is at least 90%, in particular at least 95%, preferably at least 99%.

Fuel cell system ( 100 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the fuel cell system is designed so that an absolute pressure of the cathode operating gas at the input of the fuel cell stack ( 10 ) is in the range of 1.1 to 3 bar.

Fuel cell system ( 100 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the fuel cell system is designed so that a temperature of the cathode operating gas at the input of the fuel cell stack ( 10 ) is at least 85 ° C, in particular of at least 90 ° C, preferably at least 95 ° C, is.