DE102015218769A1 - Moisture transmitter and fuel cell system and vehicle with such - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Feuchteübertrager (100), insbesondere einen Platten-Feuchteübertrager (100), für eine Brennstoffzelle (10) eines Brennstoffzellensystems (1) mit einer Betriebsmedium-Verteilstruktur (110) für eine Passage eines Betriebsmediums (5) durch den Feuchteübertrager (100) hindurch und einer Abgas-Verteilstruktur (120) für eine Passage eines Abgases (6) durch den Feuchteübertrager (100) hindurch, wobei durch das Abgas (6) Feuchte an das Betriebsmedium (5) übertragbar ist, und der Feuchteübertrager (100) für einen Froststart ein elektrisches Heizelement (130; 132, 134), insbesondere ein elektrisches PTC-Heizelement (130; 132, 134), zum Erwärmen des Feuchteübertragers (100) aufweist. Ferner betrifft die Erfindung ein Brennstoffzellensystem (1) oder ein Fahrzeug, insbesondere ein Elektrofahrzeug, mit einem Brennstoffzellensystem (1), wobei das Brennstoffzellensystem (1) einen erfindungsgemäßen Feuchteübertrager (100) aufweist.The invention relates to a moisture transfer device (100), in particular a plate moisture transfer device (100), for a fuel cell (10) of a fuel cell system (1) having an operating medium distribution structure (110) for passage of an operating medium (5) through the moisture transfer device (100) ) and an exhaust gas distribution structure (120) for a passage of an exhaust gas (6) through the moisture transfer (100), wherein by the exhaust (6) moisture to the operating medium (5) is transferable, and the moisture transfer (100) for a frost start, an electrical heating element (130, 132, 134), in particular an electric PTC heating element (130, 132, 134), for heating the humidity transmitter (100). Furthermore, the invention relates to a fuel cell system (1) or a vehicle, in particular an electric vehicle, with a fuel cell system (1), wherein the fuel cell system (1) has a moisture transmitter (100) according to the invention.

Description

Die Erfindung betrifft einen Feuchteübertrager, insbesondere einen Platten-Feuchteübertrager, für eine Brennstoffzelle eines Brennstoffzellensystems. Ferner betrifft die Erfindung ein Brennstoffzellensystem oder ein Fahrzeug, insbesondere ein Elektrofahrzeug, mit einem solchen Brennstoffzellensystem. The invention relates to a moisture transmitter, in particular a plate-moisture exchanger, for a fuel cell of a fuel cell system. Furthermore, the invention relates to a fuel cell system or a vehicle, in particular an electric vehicle, with such a fuel cell system.

Eine Brennstoffzelle nutzt eine elektrochemische Umsetzung eines Brennstoffs mit Sauerstoff zu Wasser zur Erzeugung elektrischer Energie. Hierfür enthält die Brennstoffzelle als eine Kernkomponente wenigstens eine sogenannte Membran-Elektroden-Einheit (englisch MEA für Membrane Electrode Assembly), welche ein Gefüge aus einer ionenleitenden, oft protonenleitenden, Membran und beidseitig an der Membran angeordneten Elektroden, einer Anodenelektrode und einer Kathodenelektrode, ist. Zudem können Gasdiffusionslagen (GDL) beidseitig der Membran-Elektroden-Einheit an den der Membran abgewandten Seiten der Elektroden angeordnet sein. A fuel cell uses an electrochemical conversion of a fuel with oxygen to water to generate electrical energy. For this purpose, the fuel cell contains as a core component at least one so-called membrane electrode assembly (MEA for Membrane Electrode Assembly), which is a structure of an ion-conducting, often proton-conducting, membrane and on both sides of the membrane arranged electrodes, an anode electrode and a cathode electrode , 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.

In der Regel ist die Brennstoffzelle mittels einer Vielzahl von in einem Stapel (englisch Stack) angeordneter Membran-Elektroden-Einheiten ausgebildet, wobei sich deren elektrische Leistungen in einem Betrieb der Brennstoffzelle addieren. Zwischen den einzelnen Membran-Elektroden-Einheiten sind meist Bipolarplatten, auch Flussfeldplatten oder Separatorplatten genannt, angeordnet, welche eine Versorgung der Membran-Elektroden-Einheiten, also einer Versorgung der Einzelzellen der Brennstoffzelle, mit den Betriebsmedien, den sogenannten Reaktanten, sicherstellen und üblicherweise auch einer Kühlung dienen. Zudem sorgen die Bipolarplatten für einen elektrisch leitfähigen Kontakt zu den Membran-Elektroden-Einheiten. In general, the fuel cell is formed by means of a plurality of arranged in a stack (English stack) membrane electrode assemblies, wherein add their electrical power in an operation of the fuel cell. Bipolar plates, also called flux field plates or separator plates, are usually arranged between the individual membrane electrode units, which supply and usually also supply the membrane electrode units, ie a supply of the individual cells of the fuel cell, with the operating media, the so-called reactants to serve a cooling. In addition, the bipolar plates provide an electrically conductive contact to the membrane-electrode assemblies.

In einem Betrieb der Einzelzellen der Brennstoffzelle wird der Brennstoff, ein sogenanntes Anoden-Betriebsmedium, insbesondere Wasserstoff (H2) oder ein wasserstoffhaltiges Gasgemisch, über ein anodenseitig offenes Flussfeld der Bipolarplatten den Anodenelektroden zugeführt, wo eine elektrochemische Oxidation von H2 zu H+ unter einer Abgabe von Elektronen (e–) stattfindet (H2 → 2H+ + 2e–). Durch die Membranen beziehungsweise Elektrolyten der Membran-Elektroden-Einheiten hindurch, welche die Reaktionsräume gasdicht voneinander trennen und elektrisch isolieren, erfolgt ein wassergebundener oder wasserfreier Transport von Protonen (H+) von den Anodenelektroden (zusammengesetzte Anode) in den Anodenräumen der Einzelzellen zu den Kathodenelektroden (zusammengesetzte Kathode) in den Kathodenräumen der Einzelzellen. Die an der Anode der Brennstoffzelle bereitgestellten Elektronen werden über eine elektrische Leitung und einen elektrischen Verbraucher (Elektromotor) der Kathode der Brennstoffzelle zugeleitet. In an operation of the individual cells of the fuel cell, the fuel, a so-called anode operating medium, in particular hydrogen (H 2 ) or a hydrogen-containing gas mixture, fed to the anode electrodes via an anode side open flow field of the bipolar plates, where an electrochemical oxidation of H 2 to H + under a release of electrons (e - ) takes place (H 2 → 2H + + 2e - ). Through the membranes or electrolytes of the membrane-electrode units, which gas-tightly separate and electrically isolate the reaction spaces from one another, a water-bound or anhydrous transport of protons (H + ) from the anode electrodes (composite anode) in the anode spaces of the individual cells to the cathode electrodes (composite cathode) in the cathode compartments of the single cells. The electrons provided at the anode of the fuel cell are supplied to the cathode of the fuel cell via an electrical line and an electrical load (electric motor).

Den Kathodenelektroden wird über ein kathodenseitig offenes Flussfeld der Bipolarplatten, ein sogenanntes Kathoden-Betriebsmedium, insbesondere Sauerstoff (O2) oder ein sauerstoffhaltiges Gasgemisch, zum Beispiel Luft, zugeführt, wobei eine Reduktion von O2 zu O2– unter einer Aufnahme von Elektronen stattfindet (½O2 + 2e– → O2–). Gleichzeitig reagieren an den Kathodenelektroden gebildete Sauerstoffanionen (O2–) mit den durch die Membranen beziehungsweise Elektrolyten hindurch transportierten Protonen unter einer Bildung von Wasser (O2– + 2H+ → H2O). The cathode electrodes are supplied via a cathode field open flow field of the bipolar plates, a so-called cathode operating medium, in particular oxygen (O 2 ) or an oxygen-containing gas mixture, for example air, with a reduction of O 2 to O 2- takes place under a recording of electrons (½O 2 + 2e - → O 2- ). At the same time, oxygen anions (O 2- ) formed on the cathode electrodes react with the protons transported through the membranes or electrolytes to form water (O 2- + 2H + → H 2 O).

Um einen Brennstoffzellenstapel, nachfolgend hauptsächlich als Brennstoffzelle bezeichnet, mit den Betriebsmedien zu versorgen, weist dieser beziehungsweise diese einerseits eine Anodenversorgung und andererseits eine Kathodenversorgung auf. Die Anodenversorgung weist einen Anoden-Versorgungspfad für ein Zuführen des Anoden-Betriebsmediums in die Anodenräume der Brennstoffzelle hinein und einen Anoden-Abgaspfad für ein Abführen eines Anoden-Abgases aus den Anodenräumen heraus auf. Analog weist die Kathodenversorgung einen Kathoden-Versorgungspfad für ein Zuführen des Kathoden-Betriebsmediums in die Kathodenräume der Brennstoffzelle hinein und einen Kathoden-Abgaspfad für ein Abführen eines Kathoden-Abgases aus den Kathodenräumen heraus auf. In order to supply a fuel cell stack, hereinafter referred to mainly as a fuel cell, with the operating media, this or these on the one hand on an anode supply and on the other hand, a cathode supply. The anode supply includes an anode supply path for supplying the anode operating medium into the anode spaces of the fuel cell and an anode exhaust path for discharging an anode off-gas from the anode spaces. Similarly, the cathode supply includes a cathode supply path for supplying the cathode operating medium into the cathode chambers of the fuel cell and a cathode exhaust path for discharging a cathode exhaust gas out of the cathode compartments.

Das Brennstoffzellensystem besitzt für eine Befeuchtung eines trockenen Betriebsmediums (Zuluft) an die Brennstoffzelle einen Feuchteübertrager (Befeuchter), welcher einen Teil einer Feuchte aus einem aus der Brennstoffzelle stammenden feuchten Abgas (Abluft) an das Betriebsmedium überträgt, um eine Leistungsdichte und eine Lebensdauer der Brennstoffzelle in einem Betrieb der Brennstoffzelle bei hohen Temperaturen zu steigern. Bei Temperaturen am/im Feuchteübertrager von unter 0°C kann flüssiges Wasser im Feuchteübertrager gefrieren und den Feuchteübertrager teilweise oder gar vollständig blockieren, was insbesondere im Bereich von Betriebsmedium-Kanälen des Feuchteübertragers problematisch ist. Bei einem Froststart des Brennstoffzellensystems wird der Feuchteübertrager daher in einem Betriebsmediumbereich (Zuluftbereich) mittels eines Bypasses umgangen. Ferner wird der Befeuchter im Zuluftbereich an einem Beginn eines Froststarts umgangen, um anfänglich trockene Zuluft in die Brennstoffzelle zu leiten, damit keine feuchte Zuluft in die Brennstoffzelle gelangen kann. In einem Abgasbereich (Abluftbereich) wird der Feuchteübertrager jedoch bevorzugt vom Abgas durchströmt. The fuel cell system has for humidification of a dry operating medium (supply air) to the fuel cell, a moisture transmitter (humidifier), which transmits a part of a moisture from a fuel cell derived from the humid exhaust gas (exhaust air) to the operating medium to a power density and a lifetime of the fuel cell to increase in an operation of the fuel cell at high temperatures. At temperatures at / in the moisture exchanger of below 0 ° C, liquid water in the moisture exchanger can freeze and block the moisture transmitter partially or even completely, which is particularly problematic in the range of operating medium channels of the moisture. In a frost start of the fuel cell system, the moisture transmitter is therefore bypassed in a medium operating range (supply air) by means of a bypass. Furthermore, the humidifier is bypassed in the supply air area at the beginning of a frost start to initially supply dry supply air into the fuel cell, so that no moist supply air can get into the fuel cell. In an exhaust gas region (exhaust air region), however, the moisture transfer device preferably flows through the exhaust gas.

Durch Eis im Feuchteübertrager kann es abgasseitig zu einem erhöhten Druckverlust kommen. Ein Erwärmen des Abgasbereichs findet primär durch das hindurchströmende Abgas statt, wobei das Erwärmen von einem Wärmeinhalt des Abgases und einem Temperaturgradienten zwischen dem Abgas und dem Feuchteübertrager abhängig ist. Zum Erwärmen von Feuchteübertragern kommen im Stand der Technik Kühlmittelkanäle in den Feuchteübertragern zum Einsatz. Ein Auftauen und Erwärmen des betreffenden Feuchteübertragers ist unter anderem abhängig von einer Temperatur eines Kühlmittels (kalt bei Froststart) und von einem Wärmeeintrag des Kühlmittels in den betreffenden Feuchteübertrager (indirekt (thermische Trägheit), zusätzliche Heizquelle im Kühlmittelkreis notwendig). Ferner benötigen die Kühlmittelkanäle Bauraum im betreffenden Feuchteübertrager, weshalb ein solcher Feuchteübertrager bei gleicher Befeuchtungsleistung größer baut. Darüber hinaus kommen im Stand der Technik Ladeluftkühler und stromabwärts nachgeschaltete Feuchteübertrager zum Einsatz, wobei kein direktes Auftauen von Eis in den Feuchteübertragern möglich ist. Due to ice in the moisture exchanger, there may be an increased pressure loss on the exhaust side. Heating of the exhaust region takes place primarily through the exhaust gas flowing through, the heating depending on a heat content of the exhaust gas and a temperature gradient between the exhaust gas and the moisture transfer device. For the heating of moisture exchangers, coolant channels are used in the moisture exchangers in the prior art. Thawing and heating of the respective humidity transmitter is dependent, inter alia, on a temperature of a coolant (cold at frost start) and a heat input of the coolant in the relevant moisture transmitter (indirect (thermal inertia), additional heat source in the coolant circuit). Furthermore, the coolant channels require space in the respective moisture transmitter, which is why builds such a moisture transmitter at the same humidification performance larger. In addition, intercoolers and downstream downstream moisture transfer are used in the prior art, with no direct thawing of ice in the moisture transfer is possible.

Die DE 100 28 133 B4 offenbart einen Befeuchter für ein Brennstoffzellensystem, mit einem Sprühkammer-Bereich, in welchen eine Mehrzahl von Wasser-Zuleitungen mit Düsen für flüssiges Wasser endet. In den Sprühkammer-Bereich ist ein mit dem Wasser zu befeuchtendes Prozessgas einleitbar, welches die Sprühkammer in Richtung eines Wärmetauscher-Bereichs des Befeuchters verlassen kann. Im Wärmetauscher-Bereich sind Rippen zum Heizen des zugeführten Wassers vorgesehen, wobei ein Wärmeträgermedium über eine Wärmeträgermedium-Zuführung dem Wärmetauscher-Bereich zugeführt und über einen Wärmeträgermedium-Auslass aus dem Wärmetauscher-Bereich wieder abführbar ist. Im Wärmetauscher-Bereich wird das flüssige Wasser zumindest teilweise verdampft und das Prozessgas befeuchtet. Abseits des Sprühkammer-Bereichs weist der Befeuchter am Wärmetauscher-Bereich einen Wasserabscheider-Bereich auf. The DE 100 28 133 B4 discloses a humidifier for a fuel cell system having a spray chamber area into which a plurality of water supply lines terminate with liquid water nozzles. In the spray chamber area, a process gas to be humidified with the water can be introduced, which can leave the spray chamber in the direction of a heat exchanger area of the humidifier. In the heat exchanger area ribs are provided for heating the supplied water, wherein a heat transfer medium via a heat transfer medium supply to the heat exchanger area and is discharged via a heat transfer medium outlet from the heat exchanger area again. In the heat exchanger area, the liquid water is at least partially evaporated and the process gas moistened. Away from the spray chamber area, the humidifier has a water separator area at the heat exchanger area.

Es ist eine Aufgabe der Erfindung, bei Außentemperaturen von etwa 0°C und darunter einerseits einen schnellen Start eines Brennstoffzellensystems zu gewährleisten und eine Brennstoffzelle des Brennstoffzellensystems schnell in einen herkömmlichen Betriebsmodus bei herkömmlichen Betriebstemperaturen zu bringen. Insbesondere soll das Brennstoffzellensystem gemäß der Erfindung derart ausgerüstet sein, dass ein schnelles Erwärmen eines Feuchteübertragers erfolgen kann, damit ein Bypass des Feuchteübertragers lediglich vergleichsweise kurz eingerichtet sein muss oder ganz auf den Bypass des Feuchteübertragers verzichtet werden kann. Ferner soll durch ein schnelles Erwärmen des Feuchteübertragers ein eventuell durch Eis erzeugter höherer Druckverlust in einem Zuluftbereich und/oder Abluftbereich des Feuchteübertragers schnell reduzierbar sein. Dies soll mit einfachen und kostengünstigen Mitteln durchführbar sein, wobei der Feuchteübertrager weiterhin vergleichsweise kleine Abmessungen besitzen soll. It is an object of the invention, at outside temperatures of about 0 ° C and below on the one hand to ensure a quick start of a fuel cell system and to bring a fuel cell of the fuel cell system quickly in a conventional operating mode at conventional operating temperatures. In particular, the fuel cell system according to the invention should be equipped in such a way that a rapid heating of a moisture transfer can take place, so that a bypass of the moisture transfer only needs to be relatively short or can be completely dispensed with the bypass of Feuchteübertragers. Furthermore, by a rapid heating of the moisture transfer to a possibly caused by ice higher pressure loss in a supply air and / or exhaust air of the moisture transfer be quickly reduced. This should be feasible with simple and inexpensive means, the moisture exchanger should continue to have comparatively small dimensions.

Die Aufgabe der Erfindung ist mittels eines Feuchteübertragers, insbesondere eines Platten-Feuchteübertragers, für eine Brennstoffzelle eines Brennstoffzellensystems, mittels eines Brennstoffzellensystems und/oder mittels eines Fahrzeugs, insbesondere eines Elektrofahrzeugs, gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen, zusätzliche Merkmale und/oder Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen und der folgenden Beschreibung. The object of the invention is achieved by means of a moisture transmitter, in particular a plate moisture transmitter, for a fuel cell of a fuel cell system, by means of a fuel cell system and / or by means of a vehicle, in particular an electric vehicle, according to the independent claims. Advantageous developments, additional features and / or advantages of the invention will become apparent from the dependent claims and the following description.

Der erfindungsgemäße Feuchteübertrager, umfasst eine Betriebsmedium-Verteilstruktur für eine Passage eines Betriebsmediums durch den Feuchteübertrager hindurch und eine Abgas-Verteilstruktur für eine Passage eines Abgases durch den Feuchteübertrager hindurch, wobei durch das Abgas Feuchte an das Betriebsmedium übertragbar ist, und der Feuchteübertrager für einen Froststart ein elektrisches Heizelement, insbesondere ein elektrisches PTC-Heizelement, zum Erwärmen des Feuchteübertragers aufweist. The moisture transfer device according to the invention comprises an operating medium distribution structure for passage of an operating medium through the moisture transmitter and an exhaust gas distribution structure for passage of an exhaust gas through the moisture transfer, wherein moisture is transferable to the operating medium by the exhaust gas, and the moisture transfer for a frost start an electrical heating element, in particular an electric PTC heating element, for heating the humidity transmitter has.

Gemäß der Erfindung erfolgt ein direkter Wärmeeintrag in den Feuchteübertrager, bevorzugt in die für Eis anfälligen Bereiche des Feuchteübertragers. Hierdurch ist der Feuchteübertrager zumindest stellenweise schnell erwärmbar. Ein solches Heizelement, insbesondere ein PTC-Heizelement, kann einfach ausgestaltet und angepasst werden. Insbesondere PTC-Heizelemente sind in vielen unterschiedlichen Größen, Formen, Heizleistungen et cetera auf dem Markt erhältlich. PTC steht im Englischen für Positive Temperature Coefficient, das heißt ein PTC-Heizelement weist einen elektrischen Leiter mit einem positiven Temperaturkoeffizienten auf. Ein PTC-Leiter wird oft auch als ein elektrischer Kaltleiter bezeichnet. According to the invention, a direct heat input into the moisture transfer, preferably in the susceptible to ice areas of the moisture. As a result, the moisture transfer is at least in places quickly heated. Such a heating element, in particular a PTC heating element, can be easily configured and adapted. In particular, PTC heating elements are available in many different sizes, shapes, heating capacities et cetera on the market. PTC stands for Positive Temperature Coefficient, ie a PTC heating element has an electrical conductor with a positive temperature coefficient. A PTC conductor is often referred to as an electrical PTC thermistor.

In Ausführungsbeispielen weist der Feuchteübertrager eine Vielzahl von Heizelementen, insbesondere eine Vielzahl von PTC-Heizelementen, innerhalb des Feuchteübertragers auf. Ferner ist in Ausführungsbeispielen eine Schnittebene des Feuchteübertragers mittels eines Heizelements oder einer Mehrzahl von Heizelementen partiell oder in Bezug auf die Schnittebene großflächig oder im Wesentlichen vollflächig erwärmbar. Insbesondere mittels PTC-Heizelementen lässt sich Eis im Feuchteübertrager beim Froststart wenigstens stellenweise gezielt und im Wesentlichen direkt auftauen. Ferner wird ein Erwärmen des Feuchteübertragers und anderer betreffender Einrichtungen, insbesondere eines Betriebsmediumbereiches, des Brennstoffzellensystems über ein Betriebsmedium durch eine erfindungsgemäß mögliche zusätzliche Wärmeeinbringung der PTC-Heizelemente unterstützt. In embodiments, the moisture transmitter has a plurality of heating elements, in particular a plurality of PTC heating elements, within the humidity transmitter. Further, in embodiments, a sectional plane of the moisture transfer by means of a heating element or a plurality of heating elements partially or in relation to the sectional plane over a large area or substantially over the entire surface heated. In particular, by means of PTC heating elements, ice in the moisture transmitter can be thawed selectively and essentially directly, at least in places, during the start of frost. Further, a heating of the humidity transmitter and other relevant devices, in particular an operating medium region, the fuel cell system via a working medium by a according to the invention possible additional heat input of the PTC heating elements supported.

Unter einem partiellen Erwärmen der Schnittebene des Feuchteübertragers ist eine Teilfläche einer Schnittfläche der Schnittebene des Feuchteübertragers zu verstehen, welche bevorzugt mittels eines einzigen Heizelements erwärmbar ist. Unter einem großflächigen Erwärmen einer Schnittebene des Feuchteübertragers sind zum Beispiel Teilflächen der Schnittfläche der Schnittebene des Feuchteübertragers zu verstehen, welche bevorzugt mittels einer Mehrzahl von Heizelementen erwärmbar sind, wobei die Heizelemente auf der Schnittfläche verteilt, insbesondere hauptsächlich oder im Wesentlichen symmetrisch und/oder homogen (Muster) verteilt, angeordnet sind. Unter einem vollflächigen Erwärmen der Schnittebene des Feuchteübertragers ist hauptsächlich oder im Wesentlichen die gesamte Schnittfläche der Schnittebene des Feuchteübertragers zu verstehen, welche bevorzugt mittels eines einzigen Heizelements erwärmbar ist. Partial heating of the sectional plane of the moisture transfer device is to be understood as meaning a partial surface of a sectional surface of the sectional plane of the moisture transfer device, which can preferably be heated by means of a single heating element. A large-area heating of a sectional plane of the moisture transfer means, for example, to understand partial surfaces of the sectional surface of the cutting plane of the moisture transfer, which are preferably heated by a plurality of heating elements, wherein the heating elements distributed on the cut surface, in particular mainly or substantially symmetrical and / or homogeneous ( Pattern) are distributed. Under a full-surface heating of the cutting plane of the moisture transfer is mainly or substantially the entire sectional area of the sectional plane of the moisture transfer to understand, which is preferably heated by means of a single heating element.

In Ausführungsbeispielen ist das Heizelement zwischen einer Betriebsmedium-Verteilstruktur und einer Abgas-Verteilstruktur im Feuchteübertrager eingerichtet. Hierbei liegt beziehungsweise sitzt das Heizelement insbesondere mechanisch unmittelbar kontaktierend an der Betriebsmedium-Verteilstruktur und/oder insbesondere mechanisch unmittelbar kontaktierend an der Abgas-Verteilstruktur an. Das heißt in Ausführungsbeispielen ist der Feuchteübertrager mit in den Feuchteübertrager integrierten Heizelementen ausgebildet. In exemplary embodiments, the heating element is set up between an operating medium distribution structure and an exhaust gas distribution structure in the moisture transfer device. In this case, the heating element is located or seated, in particular mechanically, directly in contact with the operating medium distribution structure and / or in particular mechanically directly contacting the exhaust gas distribution structure. That is, in embodiments, the moisture transfer is formed with integrated in the moisture transfer heating elements.

Unter einer mechanisch unmittelbar kontaktierenden Anlage soll beispielsweise auch eine Anlage (ein Ansitzen) verstanden sein, bei welcher zwischen der Betriebsmedium-Verteilstruktur und dem Heizelement und/oder der Abgas-Verteilstruktur und dem Heizelement eine Wärmeleitpaste oder Ähnliches vorgesehen ist. Hierdurch sind sowohl Kanäle in der Betriebsmedium-Verteilstruktur für das Betriebsmedium (Betriebsmedium-Kanäle) als auch Kanäle in der Abgas-Verteilstruktur für das Abgas (Abgas-Kanäle) erwärmbar beziehungsweise im Vereisungsfall auftaubar. A mechanically directly contacting system should also be understood to mean, for example, a system in which a thermal paste or the like is provided between the operating medium distribution structure and the heating element and / or the exhaust gas distribution structure and the heating element. As a result, both channels in the operating medium distribution structure for the operating medium (operating medium channels) and channels in the exhaust gas distribution structure for the exhaust gas (exhaust gas channels) can be heated or defrosted in the event of icing.

In Ausführungsbeispielen ist das Heizelement als eine elektrische Heizplatte oder ein Heizplättchen ausgebildet, wobei die Heizplatte oder das Heizplättchen bevorzugt an einem Flächenabschnitt der Betriebsmedium-Verteilstruktur und/oder der Abgas-Verteilstruktur vorgesehen ist. Hierdurch kann der Feuchteübertrager in einer Dickenrichtung der Heizelemente vergleichsweise schmal bauen, wobei ferner ein guter Wärmeeintrag in den Feuchteübertrager realisierbar ist. Bevorzugt sind für eine betreffende Betriebsmedium-Verteilstruktur beziehungsweise eine betreffende Abgas-Verteilstruktur eine Mehrzahl von Heizelementen vorgesehen, welche zum Beispiel symmetrisch verteilt an/auf der Betriebsmedium-Verteilstruktur beziehungsweise der Abgas-Verteilstruktur vorgesehen sind. Ferner sind in Ausführungsbeispielen die Heizelemente im Feuchteübertrager an Positionen unterbringbar, an/in welchen Eis vorrangig entsteht beziehungsweise entstandenes Eis zu einer Erhöhung eines Druckverlusts im Feuchteübertrager führt. In embodiments, the heating element is designed as an electrical heating plate or a heating plate, wherein the heating plate or the heating plate is preferably provided on a surface portion of the operating medium distribution structure and / or the exhaust gas distribution structure. As a result, the moisture transmitter can build comparatively narrow in a thickness direction of the heating elements, wherein furthermore a good heat input into the moisture transmitter can be realized. Preferably, a plurality of heating elements are provided for a respective operating medium distribution structure or a respective exhaust gas distribution structure, which for example are provided symmetrically distributed on / on the operating medium distribution structure or the exhaust gas distribution structure. Further, in embodiments, the heating elements in the moisture transfer can be accommodated at positions on / in which ice is primarily produced or resulting ice leads to an increase in pressure loss in the moisture transfer.

In Ausführungsbeispielen können alle oder lediglich ein Teil der Betriebsmedium-Verteilstrukturen und/oder der Abgas-Verteilstrukturen einen oder eine Mehrzahl von Heizelementen aufweisen. Natürlich ist auch ein großflächiges oder ein vollflächiges Vorsehen eines Heizelements an der Betriebsmedium-Verteilstruktur und/oder der Abgas-Verteilstruktur möglich. In Ausführungsbeispielen ist das Heizelement abseits einer Membran des Feuchteübertragers im Feuchteübertrager, insbesondere zwischen einer Betriebsmedium-Verteilstruktur und einer Abgas-Verteilstruktur, eingerichtet. Hierdurch ist ein guter Wärmeintrag in die Betriebsmedium-Verteilstruktur und/oder die Abgas-Verteilstruktur möglich. In embodiments, all or part of the operating medium distribution structures and / or the exhaust gas distribution structures may comprise one or a plurality of heating elements. Of course, a large-area or full-surface provision of a heating element on the operating medium distribution structure and / or the exhaust gas distribution structure is possible. In exemplary embodiments, the heating element is arranged away from a membrane of the moisture transmitter in the moisture transmitter, in particular between an operating medium distribution structure and an exhaust gas distribution structure. As a result, a good heat input into the operating medium distribution structure and / or the exhaust gas distribution structure is possible.

Gemäß der Erfindung kann das Heizelement in einer Ausnehmung der Betriebsmedium-Verteilstruktur und/oder der Abgas-Verteilstruktur platziert sein. Hierdurch wird innerhalb des Feuchteübertragers ein für die Heizelemente notwendiger Bauraum geschaffen, sodass der Feuchteübertrager selbst nicht größer baut, als ohne Heizelemente. According to the invention, the heating element may be placed in a recess of the operating medium distribution structure and / or the exhaust gas distribution structure. As a result, a necessary space for the heating elements space is created within the moisture exchanger, so that the moisture exchanger itself does not build larger than without heating elements.

In Ausführungsbeispielen ist die Betriebsmedium-Verteilstruktur selbst und/oder die Abgas-Verteilstruktur selbst wenigstens teilweise als ein Heizelement ausgebildet. Das heißt, die Betriebsmedium-Verteilstruktur und/oder die Abgas-Verteilstruktur ist (sind) wenigstens abschnittsweise als Heizelement(e) konstituiert. Hierdurch lässt sich wiederum ein guter Wärmeeintrag in die Betriebsmedium-Verteilstruktur und/oder die Abgas-Verteilstruktur realisieren und somit Wärme rasch in die Betriebsmedium-Kanäle und/oder die Abgas-Kanäle transportieren, wobei ferner der gesamte Feuchteübertrager vergleichsweise klein bauen kann, da kein zusätzlicher Bauraum für Heizelemente benötigt wird. In exemplary embodiments, the operating medium distribution structure itself and / or the exhaust gas distribution structure itself is at least partially designed as a heating element. That is, the operating medium distribution structure and / or the exhaust gas distribution structure is at least partially constituted as a heating element (s). In this way, in turn, a good heat input into the operating medium distribution structure and / or the exhaust gas distribution structure can be realized and thus heat can be transported rapidly into the operating medium channels and / or the exhaust gas channels, wherein furthermore the entire moisture transfer device can build comparatively small, since no additional space for heating elements is needed.

Bevorzugt ist das Heizelement stofflich/adhäsiv einstückig mit der Betriebsmedium-Verteilstruktur und/oder bevorzugt ist das Heizelement stofflich/adhäsiv einstückig mit der Abgas-Verteilstruktur verbunden. Ferner kann das Heizelement integral als Betriebsmedium-Verteilstruktur und/oder das Heizelement integral als Abgas-Verteilstruktur ausgebildet sein. In Ausführungsbeispielen ist eine sich wiederholende Struktur, sind insbesondere Stege, der Betriebsmedium-Verteilstruktur und/oder ist eine sich wiederholende Struktur, sind insbesondere Stege, der Abgas-Verteilstruktur als Heizelement(e) ausgebildet. Preferably, the heating element is materially / adhesively integral with the operating medium distribution structure and / or preferably the heating element is materially / adhesively connected in one piece with the exhaust gas distribution structure. Further, the heating element may be integrally formed as a working medium distribution structure and / or the heating element may be integrally formed as an exhaust gas distribution structure. In exemplary embodiments, a repeating structure, in particular webs, the operating medium distribution structure and / or a repeating structure, are in particular webs, the exhaust gas distribution structure formed as a heating element (s).

Hierdurch ergibt sich ein guter Wärmeeintrag in die Betriebsmedium-Kanäle und/oder die Abgas-Kanäle und das darin gegebenenfalls vorliegende gefrorene Wasser. Bevorzugt ist es, dass wenigstens eine Begrenzung eines Betriebsmedium-Kanals und/oder eines Abgas-Kanals mittels des Heizelements konstituiert ist. Hierbei können eine bis vier, insbesondere eine, zwei oder drei, Seiten (runder Querschnitt: eine Seite entspricht einem 90°-Abschnitt) eines Betriebsmedium-Kanals und/oder eines Abgas-Kanals mittels eines Heizelements konstituiert sein. This results in a good heat input into the operating medium channels and / or the exhaust gas channels and the optionally present therein frozen water. It is preferred that at least one boundary of an operating medium channel and / or an exhaust gas channel is constituted by means of the heating element. In this case, one to four, in particular one, two or three, sides (round cross section: one side corresponds to a 90 ° section) of an operating medium channel and / or an exhaust gas channel may be constituted by means of a heating element.

In Ausführungsbeispielen sind die Heizelemente derart im Feuchteübertrager eingerichtet, dass mittels der Heizelemente Betriebsmedium-Kanäle der Betriebsmedium-Verteilstrukturen wenigstens gleich gut erwärmbar sind, wie Abgas-Kanäle der Abgas-Verteilstrukturen. Ferner sind in Ausführungsbeispielen die Heizelemente derart im Feuchteübertrager eingerichtet, dass mittels der Heizelemente Abgas-Kanäle der Abgas-Verteilstrukturen wenigstens gleich gut erwärmbar sind, wie Betriebsmedium-Kanäle der Betriebsmedium-Verteilstrukturen. Bevorzugt ist es, dass Betriebsmedium-Kanäle besser erwärmbar sind, als Abgas-Kanäle. Hierbei wärmen die Heizelemente den Befeuchter und die Brennstoffzelle, was eine Betriebsstabilität sicherstellt. Ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem beziehungsweise ein erfindungsgemäßes Fahrzeug weist einen erfindungsgemäßen Feuchteübertrager auf. In exemplary embodiments, the heating elements are set up in the moisture transmitter such that by means of the heating elements operating medium channels of the operating medium distribution structures can be heated at least as well as exhaust gas channels of the exhaust gas distribution structures. Furthermore, in embodiments, the heating elements are arranged in the moisture transfer device such that exhaust gas channels of the exhaust gas distribution structures can be heated at least as well as the operating medium channels of the operating medium distribution structures by means of the heating elements. It is preferred that operating medium channels can be heated better than exhaust gas channels. In this case, the heating elements warm the humidifier and the fuel cell, which ensures operational stability. An inventive fuel cell system or a vehicle according to the invention has a moisture transmitter according to the invention.

Die Erfindung ist im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügte schematische Zeichnung näher erläutert. Elemente, Bauteile oder Komponenten, welche eine identische, univoke oder analoge Ausbildung und/oder Funktion besitzen, sind in der Figurenbeschreibung, der Bezugszeichenliste und den Patentansprüchen mit denselben Bezugszeichen versehen und/oder in den Figuren der Zeichnung mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet. Mögliche, in der Beschreibung nicht erläuterte, in der Zeichnung nicht dargestellte und/oder nicht abschließende Alternativen, statische und/oder kinematische Umkehrungen, Kombinationen et cetera zu den erläuterten Ausführungsbeispielen der Erfindung beziehungsweise einzelnen Baugruppen, Teilen oder Abschnitten davon, können der Bezugszeichenliste entnommen werden. The invention is explained in more detail below with reference to exemplary embodiments with reference to the accompanying schematic drawing. Elements, components or components which have an identical, univocal or analogous design and / or function are provided with the same reference symbols in the description of the figures, the list of reference numerals and the claims and / or are identified by the same reference symbols in the figures of the drawing. Possible, not explained in the description, not shown in the drawing and / or non-exhaustive alternatives, static and / or kinematic reversals, combinations et cetera to the illustrated embodiments of the invention or individual modules, parts or portions thereof, the list of reference numerals can be found ,

Sämtliche erläuterten Merkmale, auch die der Bezugszeichenliste, sind nicht nur in der angegebenen Kombination beziehungsweise den angegebenen Kombinationen, sondern auch in einer anderen Kombination beziehungsweise anderen Kombinationen oder in Alleinstellung anwendbar. Insbesondere ist es möglich, anhand der Bezugszeichen und den diesen zugeordneten Merkmalen in der Beschreibung der Erfindung, der Figurenbeschreibung und/oder der Bezugszeichenliste, ein Merkmal oder eine Mehrzahl von Merkmalen in der Beschreibung der Erfindung und/oder der Figurenbeschreibung zu ersetzen. Ferner kann dadurch ein Merkmal oder können eine Mehrzahl von Merkmalen in den Patentansprüchen ausgelegt, näher spezifiziert und/oder substituiert werden. In den Figuren der Zeichnung zeigen: All explained features, including those of the list of reference numerals, are applicable not only in the specified combination or the specified combinations, but also in a different combination or other combinations or in isolation. In particular, it is possible on the basis of the reference symbols and their associated features in the description of the invention, the description of the figures and / or the list of reference numerals, to replace a feature or a plurality of features in the description of the invention and / or the description of the figures. Furthermore, a feature or a plurality of features in the patent claims can thereby be designed, specified and / or substituted. In the figures of the drawing show:

1 ein vereinfachtes Blockschaltbild einer bevorzugten Ausführungsform eines Brennstoffzellensystems gemäß der Erfindung; 1 a simplified block diagram of a preferred embodiment of a fuel cell system according to the invention;

2 eine Perspektivansicht auf ein Prinzip einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Platten-Feuchteübertragers mit PTC-Heizelementen; 2 a perspective view of a principle of a first embodiment of a plate moisture exchanger according to the invention with PTC heating elements;

3 eine Perspektivansicht auf einen erfindungsgemäßen Platten-Feuchteübertrager gemäß der ersten Ausführungsform; 3 a perspective view of a plate-moisture exchanger according to the invention according to the first embodiment;

4 eine Perspektivansicht auf ein Prinzip einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Platten-Feuchteübertragers mit PTC-Heizelementen; und 4 a perspective view of a principle of a second embodiment of the plate moisture exchanger according to the invention with PTC heating elements; and

5 ein vereinfachtes Blockschaltbild einer Ausführungsform einer Kathodenversorgung für das Brennstoffzellensystem der 1 mit einem erfindungsgemäßen Feuchteübertrager. 5 a simplified block diagram of an embodiment of a cathode supply for the fuel cell system of 1 with a moisture transfer device according to the invention.

Die Erfindung ist anhand von zwei Ausführungsformen eines Feuchteübertragers 100 und anhand einer Ausführungsform einer Kathodenversorgung 30 (Brennstoffzellen-Versorgung) für eine Brennstoffzelle 10 eines Brennstoffzellensystems 1 für ein Fahrzeug näher erläutert. Die Erfindung ist jedoch nicht auf solche Ausführungsformen und/oder die nachfolgend erläuterten Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern ist von grundlegenderer Natur, sodass sie auf sämtliche Feuchteübertrager sowie Anoden-Versorgungen, zum Beispiel für stationäre Brennstoffzellensysteme, angewendet werden kann. Obwohl die Erfindung im Detail durch bevorzugte Ausführungsbeispiele näher beschrieben und illustriert ist, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Ausführungsbeispiele eingeschränkt. Andere Variationen können hieraus abgeleitet werden ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen. The invention is based on two embodiments of a moisture transfer 100 and based on an embodiment of a cathode supply 30 (Fuel cell supply) for a fuel cell 10 a fuel cell system 1 explained in more detail for a vehicle. However, the invention is not limited to such embodiments and / or the embodiments explained below, but is of a more fundamental nature, so that it can be applied to all moisture exchangers and anode supplies, for example for stationary fuel cell systems. Although the invention has been described and illustrated in detail by preferred embodiments, the invention is not limited by the disclosed embodiments. Other variations can be deduced therefrom without departing from the scope of the invention.

Die 1 zeigt ein Brennstoffzellensystem 1 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung. Das Brennstoffzellensystem 1 ist bevorzugt Teil eines nicht weiter dargestellten Fahrzeugs, insbesondere eines Kraftfahrzeugs oder eines Elektrofahrzeugs, welches bevorzugt einen Elektrotraktionsmotor aufweist, das beziehungsweise welcher durch das Brennstoffzellensystem 1 mit elektrischer Energie versorgbar ist. The 1 shows a fuel cell system 1 according to a preferred embodiment of the invention. The fuel cell system 1 is preferably part of a vehicle not shown in detail, in particular a motor vehicle or an electric vehicle, which preferably has an electric traction motor, which or by the fuel cell system 1 can be supplied with electrical energy.

Das Brennstoffzellensystem 1 umfasst als eine Kernkomponente eine Brennstoffzelle 10 beziehungsweise einen Brennstoffzellenstapel 10, welche beziehungsweise welcher bevorzugt eine Vielzahl von in Stapelform angeordneten Brennstoffzellen – nachfolgend als Einzelzellen 11 bezeichnet – aufweist. Jede Einzelzelle 11 umfasst einen Anodenraum 12 und einen Kathodenraum 13, wobei der Anodenraum 12 und der Kathodenraum 13 von einer Membran (Teil einer Membran-Elektroden-Einheit 14 siehe unten), bevorzugt einer ionenleitfähigen Polymerelektrolyt-Membran, räumlich und elektrisch voneinander getrennt sind (siehe Detailausschnitt). Der Brennstoffzellenstapel 10 wird auch einfach als Brennstoffzelle 10 bezeichnet. The fuel cell system 1 includes as a core component a fuel cell 10 or a fuel cell stack 10 , Which or which preferably a plurality of stacked fuel cells - hereinafter as single cells 11 designated - has. Every single cell 11 includes an anode compartment 12 and a cathode compartment 13 , wherein the anode compartment 12 and the cathode compartment 13 from a membrane (part of a membrane-electrode assembly 14 see below), preferably an ion-conducting polymer electrolyte membrane, spatially and electrically separated from each other (see detail). The fuel cell stack 10 is also easy as a fuel cell 10 designated.

Die Anodenräume 12 und die Kathodenräume 13 der Brennstoffzelle 10 weisen begrenzend jeweils eine katalytische Elektrode (Teil der Membran-Elektroden-Einheit 14 siehe im Folgenden), das heißt eine Anodenelektrode und eine Kathodenelektrode, auf, welche jeweils eine Teilreaktion einer Brennstoffzellen-Umsetzung katalysieren. Die Anodenelektrode und die Kathodenelektrode weisen jeweils ein katalytisches Material, beispielsweise Platin, auf, welches auf einem elektrisch leitfähigen Trägermaterial mit einer großen spezifischen Oberfläche, beispielsweise einem kohlenstoffbasierten Material, geträgert vorliegt. The anode rooms 12 and the cathode rooms 13 the fuel cell 10 each have a limiting catalytic electrode (part of the membrane-electrode unit 14 see below), that is, an anode electrode and a cathode electrode, each of which catalyzes a partial reaction of a fuel cell reaction. The anode electrode and the cathode electrode each comprise a catalytic material, such as platinum, supported on an electrically conductive substrate having a large surface area, such as a carbon based material.

Ein Gefüge aus einer Membran und dazugehörigen Elektroden wird auch als Membran-Elektroden-Einheit 14 bezeichnet. Zwischen zwei solchen angedeuteten Membran-Elektroden-Einheiten 14 ist ferner eine angedeutete Bipolarplatte 15 angeordnet, welche einer Zuführung von Betriebsmedien 3, 5 in einen betreffenden Anodenraum 12 einer ersten Einzelzelle 11 und einen betreffenden Kathodenraum 13 einer direkt dazu benachbarten zweiten Einzelzelle 11 dient und darüber hinaus eine elektrische Verbindung zwischen den zwei direkt zueinander benachbarten Einzelzellen 11 realisiert. A structure of a membrane and associated electrodes is also called a membrane-electrode unit 14 designated. Between two such indicated membrane-electrode units 14 is also an indicated bipolar plate 15 arranged, which a supply of operating media 3 . 5 into a relevant anode compartment 12 a first single cell 11 and a respective cathode compartment 13 a directly adjacent second single cell 11 serves and beyond an electrical connection between the two directly adjacent individual cells 11 realized.

Zwischen einer Bipolarplatte 15 und einer Anodenelektrode ist somit ein Anodenraum 12 und zwischen einer Kathodenelektrode und einer direkt dazu benachbarten zweiten Bipolarplatte 15 ein Kathodenraum 13 ausgebildet. Optional können Gasdiffusionslagen zwischen den Membran-Elektroden-Einheiten 14 und den Bipolarplatten 15 angeordnet sein. Im Brennstoffzellenstapel 10 beziehungsweise in der Brennstoffzelle 10 sind also Membran-Elektroden-Einheiten 14 und Bipolarplatten 15 abwechselnd gestapelt. Between a bipolar plate 15 and an anode electrode is thus an anode space 12 and between a cathode electrode and a second bipolar plate directly adjacent thereto 15 a cathode compartment 13 educated. Optionally, gas diffusion layers between the membrane-electrode assemblies 14 and the bipolar plates 15 be arranged. In the fuel cell stack 10 or in the fuel cell 10 So are membrane electrode units 14 and bipolar plates 15 alternately stacked.

Zur Versorgung des Brennstoffzellenstapels 10 beziehungsweise der Brennstoffzelle 10 mit den Betriebsmedien 3, 5 weist das Brennstoffzellensystem 1 einerseits eine Anodenversorgung 20 und andererseits eine Kathodenversorgung 30 auf. To supply the fuel cell stack 10 or the fuel cell 10 with the operating media 3 . 5 has the fuel cell system 1 on the one hand, an anode supply 20 and on the other hand, a cathode supply 30 on.

Die Anodenversorgung 20 umfasst einen Anoden-Versorgungspfad 21, welcher einer Zuführung eines Anoden-Betriebsmediums 3, einem Brennstoff 3, beispielsweise Wasserstoff 3 oder einem wasserstoffhaltigen Gasgemisch 3, in die Anodenräume 12 der Brennstoffzelle 10 dient. Zu diesem Zweck verbindet der Anoden-Versorgungspfad 21 einen Brennstoffspeicher 23 oder Brennstofftank 23 mit einem Anodeneingang der Brennstoffzelle 10. Die Anodenversorgung 20 umfasst ferner einen Anoden-Abgaspfad 22, welcher ein Anoden-Abgas 4 aus den Anodenräumen 12 durch einen Anodenausgang der Brennstoffzelle 10 hindurch abführt. Ein aufgebauter Anoden-Betriebsdruck auf einer Anodenseite der Brennstoffzelle 10 ist bevorzugt mittels eines Stellmittels 24 im Anoden-Versorgungspfad 21 einstellbar. The anode supply 20 includes an anode supply path 21 , which is a supply of an anode operating medium 3 , a fuel 3 , for example hydrogen 3 or a hydrogen-containing gas mixture 3 , in the anode rooms 12 the fuel cell 10 serves. For this purpose, the anode supply path connects 21 a fuel storage 23 or fuel tank 23 with an anode input of the fuel cell 10 , The anode supply 20 further includes an anode exhaust path 22 , which is an anode exhaust 4 from the anode chambers 12 through an anode output of the fuel cell 10 through. An established anode operating pressure on an anode side of the fuel cell 10 is preferably by means of an actuating means 24 in the anode supply path 21 adjustable.

Darüber hinaus weist die Anodenversorgung 20 bevorzugt eine Brennstoff-Rezirkulationsleitung 25 auf, welche den Anoden-Abgaspfad 22 mit dem Anoden-Versorgungspfad 21 fluidmechanisch verbindet. Eine Rezirkulation des Anoden-Betriebsmediums 3, also dem eigentlich bevorzugt zu tankenden Brennstoff 3, ist oft eingerichtet, um das zumeist überstöchiometrisch eingesetzte Anoden-Betriebsmedium 3 der Brennstoffzelle 10 zurückzuführen und zu nutzen. In der Brennstoff-Rezirkulationsleitung 25 ist bevorzugt ein weiteres Stellmittel 26 angeordnet, mittels welchem eine Rezirkulationsrate einstellbar ist. Ferner kann zusätzlich oder alternativ in der Brennstoff-Rezirkulationsleitung 25 ein Verdichter vorgesehen sein (nicht dargestellt). In addition, the anode supply points 20 preferably a fuel recirculation line 25 on which the anode exhaust path 22 with the anode supply path 21 fluid mechanically connects. A recirculation of the anode operating medium 3 , that is, the actually preferred to be fueled fuel 3 , is often set up, the most over-stoichiometric anode operating medium 3 the fuel cell 10 to be returned and used. In the fuel recirculation line 25 is preferably a further adjusting agent 26 arranged, by means of which a recirculation rate is adjustable. Further, additionally or alternatively, in the fuel recirculation line 25 a compressor may be provided (not shown).

Die Kathodenversorgung 30 umfasst einen Kathoden-Versorgungspfad 31, welcher den Kathodenräumen 13 der Brennstoffzelle 10 ein sauerstoffhaltiges Kathoden-Betriebsmedium 5, bevorzugt Luft 5, zuführt, welche insbesondere aus der Umgebung 2 angesaugt wird. Die Kathodenversorgung 30 umfasst ferner einen Kathoden-Abgaspfad 32, welcher ein Kathoden-Abgas 6, insbesondere eine Abluft 6, aus den Kathodenräumen 13 der Brennstoffzelle 10 abführt und dieses einer gegebenenfalls vorgesehenen Abgasanlage (nicht dargestellt) zuführt. The cathode supply 30 includes a cathode supply path 31 which is the cathode spaces 13 the fuel cell 10 an oxygen-containing cathode operating medium 5 , preferably air 5 , feeds, which in particular from the environment 2 is sucked. The cathode supply 30 further includes a cathode exhaust path 32 , which is a cathode exhaust 6 , in particular an exhaust air 6 , from the cathode rooms 13 the fuel cell 10 dissipates and feeds this optionally provided exhaust system (not shown).

Für eine Förderung und Verdichtung des Kathoden-Betriebsmediums 5 ist/am im Kathoden-Versorgungspfad 31 bevorzugt ein Verdichter 33 angeordnet. In der dargestellten Ausführungsform ist der Verdichter 33 als ein ausschließlich oder auch elektromotorisch angetriebener Verdichter 33 ausgestaltet, dessen Antrieb mittels eines Elektromotors 34 oder eines Antriebs 34 erfolgt, welcher bevorzugt mit einer entsprechenden Leistungselektronik 35 ausgestattet ist. Bevorzugt ist der Verdichter 33 als ein elektrischer Turbolader (englisch ETC für Electric Turbo Charger) ausgebildet. Der Verdichter 33 kann ferner durch eine im Kathoden-Abgaspfad 32 angeordnete Turbine 36 mit gegebenenfalls variabler Turbinengeometrie, unterstützend mittels einer gemeinsamen Welle (nicht dargestellt) antreibbar sein. Die Turbine 36 stellt einen Expander dar, welcher eine Expansion des Kathoden-Abgases 6 und somit eine Absenkung dessen Fluiddrucks bewirkt (Steigerung eines Wirkungsgrads der Brennstoffzelle 10). For a promotion and compression of the cathode operating medium 5 is / am in the cathode supply path 31 preferably a compressor 33 arranged. In the illustrated embodiment, the compressor 33 as an exclusively or even electric motor driven compressor 33 designed, the drive by means of an electric motor 34 or a drive 34 takes place, which preferably with a corresponding power electronics 35 Is provided. The compressor is preferred 33 as an electric turbocharger (English ETC for Electric Turbo Charger) formed. The compressor 33 can also be characterized by a in the cathode exhaust path 32 arranged turbine 36 optionally with variable turbine geometry, supported by a common Shaft (not shown) to be drivable. The turbine 36 represents an expander, which is an expansion of the cathode exhaust gas 6 and thus causes a reduction in the fluid pressure (increase in the efficiency of the fuel cell 10 ).

Die Kathodenversorgung 30 kann gemäß der dargestellten Ausführungsform ferner ein Wastegate 37 beziehungsweise eine Wastegate-Leitung 37 aufweisen, welches beziehungsweise welche den Kathoden-Versorgungspfad 31 beziehungsweise eine Kathoden-Versorgungsleitung mit dem Kathoden-Abgaspfad 32 beziehungsweise einer Kathoden-Abgasleitung verbindet, also einen Bypass für die Brennstoffzelle 10 darstellt. Das Wastegate 37 erlaubt es, einen Betriebsdruck des Kathoden-Betriebsmediums 5 kurzfristig in der Brennstoffzelle 10 zu reduzieren, ohne den Verdichter 33 herunterzufahren. Ein im Wastegate 37 angeordnetes Stellmittel 38 erlaubt eine Einstellung eines Volumenstroms des die Brennstoffzelle 10 gegebenenfalls umgehenden Kathoden-Betriebsmediums 5. The cathode supply 30 may also according to the illustrated embodiment, a wastegate 37 or a wastegate line 37 which or which the cathode supply path 31 or a cathode supply line with the cathode exhaust path 32 or a cathode exhaust pipe connects, so a bypass for the fuel cell 10 represents. The wastegate 37 allows an operating pressure of the cathode operating medium 5 short term in the fuel cell 10 reduce without the compressor 33 shut down. One in the wastegate 37 arranged adjusting means 38 allows adjustment of a volume flow of the fuel cell 10 optionally immediate cathode operating medium 5 ,

Sämtliche Stellmittel 24, 26, 38, 312, 314 (siehe auch unten) des Brennstoffzellensystems 1 können als regelbare, steuerbare oder nicht regelbare Ventile, Klappen, Drosseln et cetera ausgebildet sein. Zur weiteren Isolierung der Brennstoffzelle 10 von der Umgebung 2 kann wenigstens ein weiteres entsprechendes Stellmittel in einem Anoden-Pfad (21), (22) und/oder einem Kathoden-Pfad 31, (32) beziehungsweise einer Leitung des Anoden-Pfads (21), (22) und/oder des Kathoden-Pfads 31, (32) angeordnet sein. All adjusting means 24 . 26 . 38 . 312 . 314 (see also below) of the fuel cell system 1 can be designed as controllable, controllable or non-controllable valves, flaps, throttles et cetera. For further insulation of the fuel cell 10 from the surroundings 2 can at least one further corresponding actuating agent in an anode path ( 21 ) 22 ) and / or a cathode path 31 , ( 32 ) or a line of the anode path ( 21 ) 22 ) and / or the cathode path 31 , ( 32 ) can be arranged.

Das bevorzugte Brennstoffzellensystem 1 weist ferner einen erfindungsgemäßen Feuchteübertrager 100 auf (siehe insbesondere auch die 2 bis 5). Der Feuchteübertrager 100 ist einerseits derart im Kathoden-Versorgungspfad 31 angeordnet, dass er vom Kathoden-Betriebsmedium 5 durchströmbar ist. Andererseits ist der Feuchteübertrager 100 derart im Kathoden-Abgaspfad 32 angeordnet, dass er vom Kathoden-Abgas 6 durchströmbar ist. The preferred fuel cell system 1 also has a moisture transmitter according to the invention 100 on (see in particular the 2 to 5 ). The moisture transmitter 100 On the one hand, this is the case in the cathode supply path 31 arranged it from the cathode operating medium 5 can be flowed through. On the other hand, the moisture transmitter 100 such in the cathode exhaust path 32 arranged it from the cathode exhaust 6 can be flowed through.

Der Feuchteübertrager 100 ist einerseits im Kathoden-Versorgungspfad 31 bevorzugt zwischen dem Verdichter 33 und einem Kathodeneingang der Brennstoffzelle 10 und andererseits im Kathoden-Abgaspfad 32 zwischen einem Kathodenausgang der Brennstoffzelle 10 und der gegebenenfalls vorgesehenen Turbine 36 angeordnet. Ein Feuchteüberträger des Feuchteübertragers 100 weist bevorzugt eine Mehrzahl von Membranen auf, die oft entweder flächig (siehe 3) oder in Form von Hohlfasern (nicht dargestellt) ausgebildet sind. The moisture transmitter 100 is on the one hand in the cathode supply path 31 preferably between the compressor 33 and a cathode input of the fuel cell 10 and on the other hand in the cathode exhaust path 32 between a cathode output of the fuel cell 10 and the optionally provided turbine 36 arranged. A moisture transmitter of the humidity transmitter 100 preferably has a plurality of membranes which often either surface (see 3 ) or in the form of hollow fibers (not shown) are formed.

In einem Betrieb des Brennstoffzellensystems 1 wird eine Seite der Membranen von einem zunächst vergleichsweise trockenen Kathoden-Betriebsmedium 5 durch- oder überströmt, und eine andere Seite der Membran wird von einem zunächst vergleichsweise feuchten Kathoden-Abgas 6 über- oder durchströmt, beziehungsweise vice versa (siehe die 2 und 4). Hierbei wird ein Teil eines gasförmigen Wassers (Wasserdampf) von dem vergleichsweise feuchten Kathoden-Abgas 6 des Kathodenausgangs auf das vergleichsweise trockene Kathoden-Betriebsmedium 5 des Kathodeneingangs im Feuchteübertrager 100 aufgrund eines höheren Partialdrucks an Wasserdampf im Kathoden-Abgas 6 überführt und das Kathoden-Betriebsmedium 5 derart befeuchtet. In an operation of the fuel cell system 1 becomes one side of the membranes of a first comparatively dry cathode operating medium 5 through or overflowed, and another side of the membrane is from a first relatively humid cathode exhaust gas 6 flows over or through, or vice versa (see the 2 and 4 ). Here, a part of a gaseous water (water vapor) from the relatively humid cathode exhaust gas 6 the cathode output to the relatively dry cathode operating medium 5 of the cathode input in the moisture transmitter 100 due to a higher partial pressure of water vapor in the cathode off-gas 6 transferred and the cathode operating medium 5 so moistened.

Verschiedene weitere Einzelheiten des Brennstoffzellensystems 1 beziehungsweise der Brennstoffzelle 10 / des Brennstoffzellenstapels 10, der Anodenversorgung 20 und der Kathodenversorgung 30 sind in der vereinfachten 1 aus Gründen einer Übersichtlichkeit nicht dargestellt. So kann der Feuchteübertrager 100 seitens des Kathoden-Versorgungspfads 31 (siehe 5) und/oder seitens des Kathoden-Abgaspfads 32 mittels einer Bypassleitung 310 umgangen werden. Es kann ferner eine Turbinen-Bypassleitung seitens des Kathoden-Abgaspfads 32 vorgesehen sein, welche die Turbine 36 umgeht. Various other details of the fuel cell system 1 or the fuel cell 10 / of the fuel cell stack 10 , the anode supply 20 and the cathode supply 30 are in the simplified 1 not shown for reasons of clarity. So can the moisture transmitter 100 from the cathode supply path 31 (please refer 5 ) and / or the cathode exhaust path 32 by means of a bypass line 310 to be bypassed. There may also be a turbine bypass line from the cathode exhaust path 32 be provided, which is the turbine 36 bypasses.

Ferner kann im Anoden-Abgaspfad 22 und/oder im Kathoden-Abgaspfad 32 ein Wasserabscheider verbaut sein, mittels welchem ein aus der betreffenden Teilreaktion der Brennstoffzelle 10 entstehendes Produktwasser kondensierbar und/oder abscheidebar und gegebenenfalls in einen Wassersammler ableitbar ist. Des Weiteren kann die Anodenversorgung 20 alternativ oder zusätzlich einen zur Kathodenversorgung 30 analogen Feuchteübertrager 100 aufweisen. Ferner kann der Anoden-Abgaspfad 22 in den Kathoden-Abgaspfad 32 beziehungsweise vice versa münden, wobei das Anoden-Abgas 4 und das Kathoden-Abgas 6 gegebenenfalls über eine gemeinsame Abgasanlage abgeführt werden können. Further, in the anode exhaust path 22 and / or in the cathode exhaust path 32 a water separator be installed, by means of which a from the relevant partial reaction of the fuel cell 10 resulting product water is condensable and / or separable and optionally derivable into a water collector. Furthermore, the anode supply 20 alternatively or additionally to the cathode supply 30 analog humidity transmitter 100 exhibit. Furthermore, the anode exhaust path 22 in the cathode exhaust path 32 or vice versa, the anode exhaust gas 4 and the cathode off-gas 6 optionally can be removed via a common exhaust system.

Die folgenden Ausführungen beziehen sich auf einen zum Beispiel in der 3 dargestellten Platten-Feuchteübertrager 100 mit insbesondere flächig ausgebildeten Membranen, wobei der Platten-Feuchteübertrager 100 ohne ein Gehäuse und Fluidanschlüsse dargestellt ist. Der Platten-Feuchteübertrager 100 weist eine Vielzahl von plattenförmig ausgebildeten Betriebsmedium-Verteilstrukturen 110 und eine Vielzahl von plattenförmig ausgebildeten Abgas-Verteilstrukturen 120 auf, wobei die Betriebsmedium-Verteilstrukturen 110 und die Abgas-Verteilstrukturen 120 einander abwechselnd im Platten-Feuchteübertrager 100 eingerichtet sind. The following remarks relate to one example in the 3 illustrated plate-moisture exchanger 100 with in particular flat-shaped membranes, wherein the plate-moisture exchanger 100 is shown without a housing and fluid connections. The plate moisture transmitter 100 has a plurality of plate-shaped operating medium distribution structures 110 and a plurality of plate-shaped exhaust gas distribution structures 120 on, wherein the operating medium distribution structures 110 and the exhaust gas distribution structures 120 alternately in the plate-moisture exchanger 100 are set up.

Eine einzelne Betriebsmedium-Verteilstruktur 110 weist eine Vielzahl von sich in eine Längsrichtung erstreckenden Betriebsmedium-Kanäle 114 für eine Passage des Betriebsmediums 5 durch den Platten-Feuchteübertrager 100 hindurch auf. Eine einzelne Abgas-Verteilstruktur 120 weist ebenfalls eine Vielzahl von sich in eine Längsrichtung erstreckenden Abgas-Kanäle 124 für eine Passage des Abgases 6 durch den Platten-Feuchteübertrager 100 hindurch auf. Die Betriebsmedium-Verteilstruktur 110 und die Abgas-Verteilstruktur 120 sind derart ausgebildet, dass die Betriebsmedium-Kanäle 114 und die Abgas-Kanäle 124 an den einander zugewandten Seiten offen sind. Das heißt ein betreffender jeweiliger Kanal 114, 124 ist im Wesentlichen als eine Nut 114, 124 in der Betriebsmedium-Verteilstruktur 110 beziehungsweise der Abgas-Verteilstruktur 120 eingerichtet. A single operating medium distribution structure 110 has a plurality of operating medium channels extending in a longitudinal direction 114 for a passage of the operating medium 5 through the Plate moisture exchanger 100 through. A single exhaust distribution structure 120 also has a plurality of exhaust passageways extending in a longitudinal direction 124 for a passage of the exhaust gas 6 through the plate moisture transmitter 100 through. The operating medium distribution structure 110 and the exhaust gas distribution structure 120 are designed such that the operating medium channels 114 and the exhaust ducts 124 are open on the sides facing each other. That is, a respective respective channel 114 . 124 is essentially as a groove 114 . 124 in the operating medium distribution structure 110 or the exhaust gas distribution structure 120 set up.

Zwischen den einander zugewandten Seiten der Betriebsmedium-Verteilstrukturen 110 und der Abgas-Verteilstrukturen 120 ist jeweils eine wasserdampfpermeable Membran 140 des Platten-Feuchteübertragers 100 eingerichtet. Eine einzelne betreffende Betriebsmedium-Verteilstruktur 110, eine einzelne betreffende Membran 140 und eine einzelne betreffende Abgas-Verteilstruktur 120 bilden dabei eine jeweilige Feuchteüberträger-Einheit 110/140/120 des Platten-Feuchteübertragers 100, wobei eine Vielzahl solcher Feuchteüberträger-Einheiten 110/140/120 in Stapelform den Feuchteüberträger des Platten-Feuchteübertragers 100 konstituieren. Between the facing sides of the operating medium distribution structures 110 and the exhaust distribution structures 120 each is a water vapor permeable membrane 140 of the plate humidity transmitter 100 set up. A single relevant operating medium distribution structure 110 , a single membrane in question 140 and a single exhaust gas distribution structure concerned 120 form a respective moisture carrier unit 110 / 140 / 120 of the plate humidity transmitter 100 , wherein a plurality of such moisture transfer units 110 / 140 / 120 in stack form, the moisture carrier of the plate humidity transmitter 100 constitute.

Hierbei können eine Betriebsmedium-Verteilstruktur 110 einer ersten Feuchteüberträger-Einheit 110/140/120 und eine Abgas-Verteilstruktur 120 einer zweiten Feuchteüberträger-Einheit 110/140/120, abgesehen von einem weiter unter erläuterten Heizelement 130, direkt aneinander anliegen (siehe die 2). Gegebenenfalls außen liegende Betriebsmedium-Kanäle 114 (nicht dargestellt) beziehungsweise gegebenenfalls außen liegende Abgas-Kanäle 124 einer einzelnen Feuchteüberträger-Einheit 110/140/120 sind dabei in Umfangsrichtung vollständig geschlossen. In this case, an operating medium distribution structure 110 a first moisture transfer unit 110 / 140 / 120 and an exhaust distribution structure 120 a second moisture transfer unit 110 / 140 / 120 , except for a further explained below heating element 130 , lie directly against each other (see the 2 ). Optionally, external operating medium channels 114 (Not shown) or optionally external exhaust gas channels 124 a single moisture transfer unit 110 / 140 / 120 are completely closed in the circumferential direction.

Ferner ist es möglich, zwischen einer Betriebsmedium-Verteilstruktur 110 einer ersten Feuchteüberträger-Einheit 110/140/120 und einer Abgas-Verteilstruktur 120 einer zweiten Feuchteüberträger-Einheit 110/140/120 ebenfalls eine Membran 140 vorzusehen (nicht dargestellt). Hierbei weisen die einander betreffenden Seiten der Betriebsmedium-Verteilstruktur 110 der ersten Feuchteüberträger-Einheit 110/140/120 und der Abgas-Verteilstruktur 120 der zweiten Feuchteüberträger-Einheit 110/140/120 offene Betriebsmedium-Kanäle 114 (Nuten 114) und offene Abgas-Kanäle 124 (Nuten 124) auf. Furthermore, it is possible to distinguish between an operating medium distribution structure 110 a first moisture transfer unit 110 / 140 / 120 and an exhaust distribution structure 120 a second moisture transfer unit 110 / 140 / 120 also a membrane 140 to be provided (not shown). Here, the mutually relevant sides of the operating medium distribution structure 110 the first moisture transfer unit 110 / 140 / 120 and the exhaust gas distribution structure 120 the second moisture transfer unit 110 / 140 / 120 open operating medium channels 114 (grooves 114 ) and open exhaust ducts 124 (grooves 124 ) on.

Gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung ist zwischen zwei einander direkt benachbarten Feuchteüberträger-Einheiten 110/140/120 ein bevorzugt als eine Heizplatte 132 ausgebildetes elektrisches Heizelement 130, 132, insbesondere ein elektrisches PTC-Heizelement 130, 132, vorgesehen. Das PTC-Heizelement 130, 132 liegt dabei bevorzugt flächig sowohl an der Betriebsmedium-Verteilstruktur 110 als auch an der Abgas-Verteilstruktur 120 an. Hierbei kann das PTC-Heizelement 130, 132 eine Seitenfläche der betreffenden Betriebsmedium-Verteilstruktur 110 und/oder der betreffenden Abgas-Verteilstruktur 120 partiell oder im Wesentlichen vollständig bedecken. Hierbei können eine oder eine Mehrzahl von PTC-Heizelementen 130, 132 zwischen der betreffenden Betriebsmedium-Verteilstruktur 110 und der betreffenden Abgas-Verteilstruktur 120 vorgesehen sein. According to the first embodiment of the invention is between two directly adjacent moisture transfer units 110 / 140 / 120 a preferred as a heating plate 132 trained electrical heating element 130 . 132 , in particular an electric PTC heating element 130 . 132 , intended. The PTC heating element 130 . 132 lies preferably flat both on the operating medium distribution structure 110 as well as on the exhaust gas distribution structure 120 at. Here, the PTC heating element 130 . 132 a side surface of the relevant operating medium distribution structure 110 and / or the respective exhaust gas distribution structure 120 partially or substantially completely cover. Here, one or a plurality of PTC heating elements 130 . 132 between the relevant operating medium distribution structure 110 and the relevant exhaust gas distribution structure 120 be provided.

So ist beispielsweise, siehe 3, in den vier Eckbereichen zwischen zwei einander direkt benachbarten Feuchteüberträger-Einheiten 110/140/120 jeweils ein PTC-Heizelement 130, 132 vorgesehen. Eine andere Anzahl und/oder andere Positionen sind natürlich anwendbar. Gemäß der Erfindung kann zwischen sämtlichen einander direkt benachbarten Feuchteüberträger-Einheiten 110/140/120 wenigstens ein PTC-Heizelement 130, 132 vorgesehen sein (siehe 2). In anderen Ausführungsbeispielen kann dies anders ausgebildet sein, wobei zum Beispiel zwischen zwei einander direkt benachbarten Feuchteüberträger-Einheiten 110/140/120 wenigstens ein PTC-Heizelement 130, 132 und einer sich, zum Beispiel in eine oder beide Richtungen einer Längserstreckung des Platten-Feuchteübertragers 100, direkt anschließenden Feuchteüberträger-Einheit 110/140/120 kein oder mehr als ein PTC-Heizelement 130, 132 eingerichtet ist et cetera. For example, see 3 , in the four corners between two directly adjacent moisture transfer units 110 / 140 / 120 one PTC heating element each 130 . 132 intended. A different number and / or other positions are of course applicable. According to the invention, it is possible to distinguish between all the directly adjacent moisture transfer units 110 / 140 / 120 at least one PTC heating element 130 . 132 be provided (see 2 ). In other embodiments, this may be designed differently, for example, between two directly adjacent moisture carrier units 110 / 140 / 120 at least one PTC heating element 130 . 132 and one, for example, in one or both directions of a longitudinal extension of the plate humidity transmitter 100 , directly adjacent humidity transmitter unit 110 / 140 / 120 no or more than one PTC heating element 130 . 132 is furnished et cetera.

Die 4 zeigt zwei Ausführungsbeispiele (links und rechts neben der Membran 140) der zweiten Ausführungsform der Erfindung. Hierbei ist im rechten Ausführungsbeispiel der 4 die Betriebsmedium-Verteilstruktur 110 und/oder die Abgas-Verteilstruktur 120 teilweise als ein elektrisches Heizelement 130, 134, insbesondere ein PTC-Heizelement 130, 134, ausgebildet. Bei dem in der 4 linken Ausführungsbeispiel ist im Wesentlichen die gesamte Betriebsmedium-Verteilstruktur 110 und/oder die gesamte Abgas-Verteilstruktur 120 als ein elektrisches Heizelement 130, 134, insbesondere ein PTC-Heizelement 130, 134, integral ausgebildet. Eine Verteilung der PTC-Heizelemente 130, 134 kann analog zu obig Gesamtem erfolgen. The 4 shows two embodiments (left and right of the membrane 140 ) of the second embodiment of the invention. Here, in the right embodiment of the 4 the operating medium distribution structure 110 and / or the exhaust gas distribution structure 120 partly as an electric heating element 130 . 134 , in particular a PTC heating element 130 . 134 , educated. In the in the 4 The left embodiment is essentially the entire operating medium distribution structure 110 and / or the entire exhaust gas distribution structure 120 as an electric heating element 130 . 134 , in particular a PTC heating element 130 . 134 , integrally formed. A distribution of PTC heating elements 130 . 134 can be done analogous to the above total.

Bei dem in der 4 rechten Ausführungsbeispiel ist das PTC-Heizelement 130 mit der Betriebsmedium-Verteilstruktur 110 und/oder der Abgas-Verteilstruktur 120 einstückig, stofflich einstückig oder adhäsiv einstückig verbunden. Das heißt, das Heizelement 130, ist als eine elektrische Struktur 134, insbesondere eine elektrische PTC-Struktur 134, der Betriebsmedium-Verteilstruktur 110 und/oder der Abgas-Verteilstruktur 120 ausgebildet. Hierbei ist es bevorzugt, dass die Stege der Betriebsmedium-Verteilstruktur 110 und/oder der Abgas-Verteilstruktur 120 zwischen den Betriebsmedium-Kanälen 114 beziehungsweise den Abgas-Kanälen 124 als PTC-Heizelement(e) 130, 134 ausgebildet sind. In the in the 4 right embodiment is the PTC heating element 130 with the operating medium distribution structure 110 and / or the exhaust gas distribution structure 120 in one piece, materially integral or adhesively connected in one piece. That is, the heating element 130 , is considered an electrical structure 134 , in particular an electrical PTC structure 134 , the operating medium distribution structure 110 and / or the exhaust gas distribution structure 120 educated. Here it is preferred that the webs of the operating medium distribution structure 110 and / or the exhaust gas distribution structure 120 between the operating medium channels 114 or the exhaust gas channels 124 as PTC heating element (s) 130 . 134 are formed.

In Ausführungsbeispielen der Erfindung ist der Feuchteübertrager 100 derart ausgebildet, dass ein Gleichstrom (bevorzugt), ein Gegenstrom oder ein Kreuzstrom zwischen dem Kathoden-Betriebsmedium 5 und dem Kathoden-Abgas 6 einrichtbar ist. Mischformen davon sind für den Feuchteübertrager 100 natürlich anwendbar. Hierbei kann für einen Betrieb der Brennstoffzelle 10 das Kathoden-Betriebsmedium 5 und/oder das Kathoden-Abgas 6 horizontal, vertikal oder sowohl horizontal als auch vertikal durch den Feuchteübertrager 100 hindurchströmbar vorgesehen sein. Eine in der 5 dargestellte erfindungsgemäße Kathodenversorgung 30 für eine Brennstoffzelle 10 eines Brennstoffzellensystems 1 weist einen erfindungsgemäßen Feuchteübertrager 100 auf. Hierbei besitzt die Kathodenversorgung 30 die eingangs genannten Vorteile. In embodiments of the invention is the moisture transfer 100 designed such that a direct current (preferred), a countercurrent or a cross flow between the cathode operating medium 5 and the cathode exhaust 6 can be set up. Mixed forms thereof are for the moisture transfer 100 of course applicable. Here, for operation of the fuel cell 10 the cathode operating medium 5 and / or the cathode exhaust 6 horizontally, vertically or both horizontally and vertically through the moisture transmitter 100 be provided hindurchströmbar. One in the 5 illustrated cathode supply according to the invention 30 for a fuel cell 10 a fuel cell system 1 has a moisture transmitter according to the invention 100 on. Here has the cathode supply 30 the advantages mentioned above.

In Ausführungsbeispielen der Kathodenversorgung 30 ist der Kathoden-Versorgungspfad 31 durch den Feuchteübertrager 100 hindurch mittels eines Versorgungspfad-Bypasses 310 umgehbar. Hierbei ist für ein Öffnen/Schließen des Versorgungspfad-Bypasses 310, am/im Versorgungspfad-Bypass 310 ein Stellmittel 314, insbesondere ein Versorgungspfad-Bypassventil 314, vorgesehen. Ferner ist in Ausführungsbeispielen der Kathodenversorgung 30 der Abgaspfad 32 der Kathodenversorgung 30 durch den Feuchteübertrager 100 hindurch mittels eines Abgaspfad-Bypasses umgehbar (nicht dargestellt). Hierbei ist für ein Öffnen/Schließen des Abgaspfad-Bypasses, am/im Abgaspfad-Bypass ein Stellmittel, insbesondere ein Abgaspfad-Bypassventil, vorgesehen (ebenfalls nicht dargestellt). In embodiments of the cathode supply 30 is the cathode supply path 31 through the moisture transmitter 100 through a supply path bypass 310 bypassed. This is for opening / closing the supply path bypass 310 , on / in the supply path bypass 310 an actuating agent 314 , in particular a supply path bypass valve 314 , intended. Furthermore, in embodiments of the cathode supply 30 the exhaust path 32 the cathode supply 30 through the moisture transmitter 100 through by means of an exhaust path bypass bypassed (not shown). Here, for an opening / closing of the exhaust path bypass, on / in the exhaust path bypass an adjusting means, in particular an exhaust gas path bypass valve is provided (also not shown).

Wenigstens ein Ende des Versorgungspfad-Bypasses 310 mündet in einem fluidmechanisch absperrbaren Teil der Brennstoffzellen-Versorgung 30. Das heißt für den Kathoden-Versorgungspfad 31 mündet der Versorgungspfad-Bypass 310 stromabwärts eines Stellmittels 312, insbesondere eines Absperrventils 312, am/im Kathoden-Versorgungspfad 31. Ein anderes Ende des Versorgungspfad-Bypasses 310 kann dabei ebenfalls im fluidmechanisch absperrbaren Teil der Kathodenversorgung 30 oder stromaufwärts des Stellmittels 312 (gestrichelt in der 5) münden. Dies kann gegebenenfalls auf den Abgaspfad-Bypass angewendet werden. At least one end of the supply path bypass 310 opens into a fluid-mechanically shut-off part of the fuel cell supply 30 , That is, for the cathode supply path 31 opens the supply path bypass 310 downstream of an actuating means 312 , in particular a shut-off valve 312 , on / in the cathode supply path 31 , Another end of the supply path bypass 310 can also be in the fluid-mechanically shut-off part of the cathode supply 30 or upstream of the actuator 312 (dashed in the 5 ). This may optionally be applied to the exhaust path bypass.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

1 1
Brennstoffzellensystem, Brennstoffzellenaggregat, bevorzugt für ein Fahrzeug mit einem Elektromotor, insbesondere einem ElektrotraktionsmotorFuel cell system, fuel cell assembly, preferably for a vehicle with an electric motor, in particular an electric traction motor
2 2
Umgebung Surroundings
3 3
Betriebsmedium, Reaktant, insbesondere Anoden-Betriebsmedium, eigentlicher Brennstoff, bevorzugt Wasserstoff oder wasserstoffhaltiges GasgemischOperating medium, reactant, in particular anode operating medium, actual fuel, preferably hydrogen or hydrogen-containing gas mixture
4 4
Abgas inklusive flüssiges Wasser, insbesondere Anoden-Abgas Exhaust gas including liquid water, in particular anode exhaust gas
5 5
Betriebsmedium, Reaktant, insbesondere Kathoden-Betriebsmedium, bevorzugt Luft Operating medium, reactant, in particular cathode operating medium, preferably air
6 6
Abgas inklusive flüssiges Wasser, insbesondere Kathoden-Abgas, bevorzugt Abluft Exhaust gas including liquid water, in particular cathode exhaust gas, preferably exhaust air
10 10
Brennstoffzelle, Brennstoffzellenstapel Fuel cell, fuel cell stack
11 11
Einzelzelle mit Anodenelektrode der Anode der Brennstoffzelle 10 und Kathodenelektrode der Kathode der Brennstoffzelle 10, einzelne BrennstoffzelleSingle cell with anode electrode of the anode of the fuel cell 10 and cathode electrode of the cathode of the fuel cell 10 , single fuel cell
12 12
Anodenraum der Einzelzelle 11 Anode compartment of the single cell 11
13 13
Kathodenraum der Einzelzelle 11 Cathode space of the single cell 11
14 14
Membran-Elektroden-Einheit, mit bevorzugt Polymerelektrolyt-Membran sowie einer Anodenelektrode und einer KathodenelektrodeMembrane electrode unit, preferably with a polymer electrolyte membrane and an anode electrode and a cathode electrode
15 15
Bipolarplatte, Flussfeldplatte, Separatorplatte Bipolar plate, flow field plate, separator plate
20 20
Brennstoffzellen-Versorgung, Anodenversorgung, Anodenkreislauf der Brennstoffzelle 10 beziehungsweise des Brennstoffzellenstapels 10 Fuel cell supply, anode supply, anode circuit of the fuel cell 10 or the fuel cell stack 10
21 21
Pfad, Versorgungspfad, Strömungspfad, Anoden-Versorgungspfad Path, supply path, flow path, anode supply path
22 22
Pfad, Abgaspfad, Strömungspfad, Anoden-Abgaspfad Path, exhaust path, flow path, anode exhaust path
23 23
Brennstoffspeicher, Brennstofftank mit Anoden-Betriebsmedium 3 Fuel storage, fuel tank with anode operating medium 3
24 24
Stellmittel, regelbar, (an)steuerbar, nicht regelbar, insbesondere Ventil, Klappe, Drossel et cetera Adjusting means, controllable, (controllable), not adjustable, in particular valve, flap, throttle et cetera
25 25
Brennstoff-Rezirkulationsleitung Fuel recirculation line
26 26
Stellmittel, regelbar, (an)steuerbar, nicht regelbar, insbesondere Ventil, Klappe, Drossel et ceteraAdjusting means, controllable, (controllable), not adjustable, in particular valve, flap, throttle et cetera
30 30
Brennstoffzellen-Versorgung, Kathodenversorgung, Kathodenkreislauf der Brennstoffzelle 10 beziehungsweise des Brennstoffzellenstapels 10 Fuel cell supply, cathode supply, cathode circuit of the fuel cell 10 or the fuel cell stack 10
31 31
Pfad, Versorgungspfad, Strömungspfad, Kathoden-Versorgungspfad Path, supply path, flow path, cathode supply path
32 32
Pfad, Abgaspfad, Strömungspfad, Kathoden-Abgaspfad Path, exhaust path, flow path, cathode exhaust path
33 33
Verdichter, Kompressor, Turbolader Compressor, compressor, turbocharger
34 34
Motor, insbesondere Elektromotor oder Antrieb (gegebenenfalls inklusive Getriebe) Motor, in particular electric motor or drive (if necessary including gear)
35 35
Elektronik, insbesondere Leistungselektronik für den Motor 34 Electronics, in particular power electronics for the motor 34
36 36
Turbine mit gegebenenfalls variabler Turbinengeometrie, Expander Turbine with possibly variable turbine geometry, expander
37 37
Wastegate, Wastegate-Leitung Wastegate, Wastegate pipe
38 38
Stellmittel, regelbar, (an)steuerbar, nicht regelbar, insbesondere Ventil, Klappe, Drossel et ceteraAdjusting means, controllable, (controllable), not adjustable, in particular valve, flap, throttle et cetera
100 100
(Platten-)Feuchteübertrager, Befeuchter, Stoffübertrager mit insbesondere flächig ausgebildeten Membranen (Darstellung ohne Gehäuse und Fluidanschlüsse)(Plate) moisture transmitter, humidifier, substance carrier with in particular two-dimensionally formed membranes (illustration without housing and fluid connections)
110 110
Betriebsmedium-Verteilstruktur gegebenenfalls der Feuchteüberträger-Einheit 110/120/140 Operating medium distribution structure optionally the moisture transfer unit 110 / 120 / 140
114 114
Betriebsmedium-Kanal Operating medium channel
120 120
Abgas-Verteilstruktur gegebenenfalls der Feuchteüberträger-Einheit 110/120/140 Exhaust gas distribution structure optionally the moisture transfer unit 110 / 120 / 140
124 124
Abgas-Kanal Exhaust duct
130 130
elektrisches (PTC-)Heizelement electric (PTC) heating element
132 132
elektrische (PTC-)Heizplatte electric (PTC) heating plate
134 134
einstückige, stofflich einstückige, adhäsiv einstückige, integrale elektrische (PTC-)Struktur one-piece, one-piece, adhesive one-piece, integral electrical (PTC) structure
140 140
Membran gegebenenfalls der Einheit 110/120/140 Membrane optionally of the unit 110 / 120 / 140
310 310
Versorgungspfad-Bypass Supply path bypass
312 312
Stellmittel, regelbar, (an)steuerbar, nicht regelbar, insbesondere Absperrventil für den Kathoden-Versorgungspfad 31 Adjusting means, controllable, (controllable), not adjustable, in particular shut-off valve for the cathode supply path 31
314 314
Stellmittel, regelbar, (an)steuerbar, nicht regelbar, insbesondere Versorgungspfad-BypassventilAdjusting means, controllable, (controllable), not adjustable, in particular supply path bypass valve

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 10028133 B4 [0009] DE 10028133 B4 [0009]

Claims (10)

Feuchteübertrager (100), insbesondere Platten-Feuchteübertrager (100), für eine Brennstoffzelle (10) eines Brennstoffzellensystems (1) mit einer Betriebsmedium-Verteilstruktur (110) für eine Passage eines Betriebsmediums (5) durch den Feuchteübertrager (100) hindurch und einer Abgas-Verteilstruktur (120) für eine Passage eines Abgases (6) durch den Feuchteübertrager (100) hindurch, wobei durch das Abgas (6) Feuchte an das Betriebsmedium (5) übertragbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Feuchteübertrager (100) für einen Froststart ein elektrisches Heizelement (130; 132, 134), insbesondere ein elektrisches PTC-Heizelement (130; 132, 134), zum Erwärmen des Feuchteübertragers (100) aufweist. Moisture transmitter ( 100 ), in particular plate moisture transfer ( 100 ), for a fuel cell ( 10 ) of a fuel cell system ( 1 ) with an operating medium distribution structure ( 110 ) for a passage of a working medium ( 5 ) through the moisture transfer ( 100 ) and an exhaust gas distribution structure ( 120 ) for a passage of an exhaust gas ( 6 ) through the moisture transfer ( 100 ), whereby through the exhaust gas ( 6 ) Humidity to the operating medium ( 5 ) is transferable, characterized in that the moisture transfer ( 100 ) for a frost start an electric heating element ( 130 ; 132 . 134 ), in particular an electric PTC heating element ( 130 ; 132 . 134 ), for heating the moisture transfer ( 100 ) having. Feuchteübertrager (100) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Feuchteübertrager (100) eine Vielzahl von elektrischen Heizelementen (130; 132, 134), insbesondere eine Vielzahl von elektrischen PTC-Heizelementen (130; 132, 134), innerhalb des Feuchteübertragers (100) aufweist; und/oder eine Schnittebene des Feuchteübertragers (100) mittels eines elektrischen Heizelements (130; 132, 134) oder einer Mehrzahl von elektrischen Heizelementen (130; 132, 134) partiell oder in Bezug auf die Schnittebene großflächig oder im Wesentlichen vollflächig erwärmbar ist. Moisture transmitter ( 100 ) according to claim 1, characterized in that the moisture transfer ( 100 ) a plurality of electrical heating elements ( 130 ; 132 . 134 ), in particular a plurality of electrical PTC heating elements ( 130 ; 132 . 134 ), within the humidity transmitter ( 100 ) having; and / or a sectional plane of the moisture transfer ( 100 ) by means of an electric heating element ( 130 ; 132 . 134 ) or a plurality of electrical heating elements ( 130 ; 132 . 134 ) is partially or in relation to the sectional plane over a large area or heated substantially over the entire surface. Feuchteübertrager (100) gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Heizelement (130, 132) zwischen einer Betriebsmedium-Verteilstruktur (110) und einer Abgas-Verteilstruktur (120) im Feuchteübertrager (100) eingerichtet ist, wobei das elektrische Heizelement (130, 132) insbesondere mechanisch unmittelbar kontaktierend an der Betriebsmedium-Verteilstruktur (110) und/oder insbesondere mechanisch unmittelbar kontaktierend an der Abgas-Verteilstruktur (120) anliegt. Moisture transmitter ( 100 ) according to claim 1 or 2, characterized in that the electrical heating element ( 130 . 132 ) between an operating medium distribution structure ( 110 ) and an exhaust gas distribution structure ( 120 ) in the moisture transfer ( 100 ), wherein the electrical heating element ( 130 . 132 ) in particular mechanically directly contacting the operating medium distribution structure ( 110 ) and / or in particular mechanically directly contacting the exhaust gas distribution structure ( 120 ) is present. Feuchteübertrager (100) gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Heizelement (130, 132) als eine elektrische Heizplatte (132) ausgebildet ist, wobei die elektrische Heizplatte (132) bevorzugt an einem Flächenabschnitt der Betriebsmedium-Verteilstruktur (110) und/oder der Abgas-Verteilstruktur (120) vorgesehen ist. Moisture transmitter ( 100 ) according to claim 3, characterized in that the electrical heating element ( 130 . 132 ) as an electric heating plate ( 132 ), wherein the electric heating plate ( 132 ) preferably at a surface portion of the operating medium distribution structure ( 110 ) and / or the exhaust gas distribution structure ( 120 ) is provided. Feuchteübertrager (100) gemäß Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Heizelement (130, 132) in einer Ausnehmung der Betriebsmedium-Verteilstruktur (110) und/oder der Abgas-Verteilstruktur (120) platziert ist. Moisture transmitter ( 100 ) according to claim 3 or 4, characterized in that the electrical heating element ( 130 . 132 ) in a recess of the operating medium distribution structure ( 110 ) and / or the exhaust gas distribution structure ( 120 ) is placed. Feuchteübertrager (100) gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Betriebsmedium-Verteilstruktur (110) selbst und/oder die Abgas-Verteilstruktur (120) selbst wenigstens teilweise als ein elektrisches Heizelement (130, 134) ausgebildet ist. Moisture transmitter ( 100 ) According to claim 1 or 2, characterized in that the operating medium distribution structure ( 110 ) itself and / or the exhaust gas distribution structure ( 120 ) itself at least partially as an electrical heating element ( 130 . 134 ) is trained. Feuchteübertrager (100) gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrische Heizelement (130, 134) stofflich/adhäsiv einstückig mit der Betriebsmedium-Verteilstruktur (110) und/oder das elektrische Heizelement (130, 134) stofflich/adhäsiv einstückig mit der Abgas-Verteilstruktur (120) verbunden ist; oder das elektrische Heizelement (130, 134) integral als Betriebsmedium-Verteilstruktur (110) und/oder das elektrische Heizelement (130, 134) integral als Abgas-Verteilstruktur (120) ausgebildet ist. Moisture transmitter ( 100 ) according to claim 6, characterized in that the electrical heating element ( 130 . 134 ) materially / adhesively in one piece with the operating medium distribution structure ( 110 ) and / or the electric heating element ( 130 . 134 ) materially / adhesively in one piece with the exhaust gas distribution structure ( 120 ) connected is; or the electric heating element ( 130 . 134 ) integrally as the operating medium distribution structure ( 110 ) and / or the electric heating element ( 130 . 134 ) integral as an exhaust gas distribution structure ( 120 ) is trained. Feuchteübertrager (100) gemäß Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine sich wiederholende Struktur der Betriebsmedium-Verteilstruktur (110) und/oder eine sich wiederholende Struktur der Abgas-Verteilstruktur (120) als ein elektrisches Heizelement (130, 134) ausgebildet ist. Moisture transmitter ( 100 ) according to claim 6 or 7, characterized in that a repeating structure of the operating medium distribution structure ( 110 ) and / or a repeating structure of the exhaust gas distribution structure ( 120 ) as an electrical heating element ( 130 . 134 ) is trained. Feuchteübertrager (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrischen Heizelemente (130; 132, 134) derart im Feuchteübertrager (100) eingerichtet sind, dass mittels der elektrischen Heizelemente (130; 132, 134) Betriebsmedium-Kanäle (114) der Betriebsmedium-Verteilstrukturen (110) wenigstens gleich gut erwärmbar sind, wie Abgas-Kanäle (124) der Abgas-Verteilstrukturen (120), oder vice versa. Moisture transmitter ( 100 ) according to one of claims 1 to 8, characterized in that the electrical heating elements ( 130 ; 132 . 134 ) in the moisture exchanger ( 100 ) are arranged that by means of the electrical heating elements ( 130 ; 132 . 134 ) Operating medium channels ( 114 ) of the operating medium distribution structures ( 110 ) can be heated at least as well as exhaust gas ducts ( 124 ) of the exhaust gas distribution structures ( 120 ), or vice versa. Brennstoffzellensystem (1) oder Fahrzeug, insbesondere Elektrofahrzeug, mit einem Brennstoffzellensystem (1), dadurch gekennzeichnet, dass das Brennstoffzellensystem (1) einen Feuchteübertrager (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9 aufweist. Fuel cell system ( 1 ) or vehicle, in particular electric vehicle, with a fuel cell system ( 1 ), characterized in that the fuel cell system ( 1 ) a moisture transmitter ( 100 ) according to one of claims 1 to 9.
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