DE102015220950A1 - Cathode supply for a multiple fuel cell and method for supplying partial fuel cells with a cathode operating medium - Google Patents

Cathode supply for a multiple fuel cell and method for supplying partial fuel cells with a cathode operating medium Download PDF

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Hannes Scholz
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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Kathodenversorgung (30) für eine Mehrfach-Brennstoffzelle (10; 101, 102) eines Brennstoffzellensystems (1) mit wenigstens zwei in einer Fluidflussrichtung eines Kathoden-Betriebsmediums (5) in Reihe geschalteten Teilbrennstoffzellen (101, 102), wobei eine stromaufwärtige Teilbrennstoffzelle (101) mit einem befeuchteten Kathoden-Betriebsmedium (5) versorgbar ist und eine stromabwärtige Teilbrennstoffzelle (102) mit einem unbefeuchteten Kathoden-Betriebsmedium (5) versorgbar ist, wobei dem unbefeuchteten Kathoden-Betriebsmedium (5) ein Kathoden-Abgas (6) wenigstens einer oder der stromaufwärtigen Teilbrennstoffzelle (101) zumischbar ist. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Versorgen der Kathoden von Teilbrennstoffzellen (101, 102) einer Mehrfach-Brennstoffzelle (10; 101, 102) eines Brennstoffzellensystems (1) mit einem Kathoden-Betriebsmedium (5), wobei in einer Fluidflussrichtung des Kathoden-Betriebsmediums (5) durch die Mehrfach-Brennstoffzelle (10; 101, 102) hindurch eine stromaufwärtige Teilbrennstoffzelle (101) mit einem befeuchteten Kathoden-Betriebsmedium (5) versorgt wird und (in Bezug auf die Fluidflussrichtung des Kathoden-Betriebsmediums (5)) eine stromabwärtige Teilbrennstoffzelle (102) mit einem unbefeuchteten Kathoden-Betriebsmedium (5) und einem Kathoden-Abgas (6) wenigstens einer oder der stromaufwärtigen Teilbrennstoffzelle (101) versorgt wird.The invention relates to a cathode supply (30) for a multiple fuel cell (10; 101, 102) of a fuel cell system (1) having at least two partial fuel cells (101, 102) connected in series in a fluid flow direction of a cathode operating medium (5), one upstream partial fuel cell (101) can be supplied with a moistened cathode operating medium (5) and a downstream partial fuel cell (102) can be supplied with a non-moistened cathode operating medium (5), wherein a cathode exhaust gas (6) is supplied to the unhumidified cathode operating medium (5) ) is admixable with at least one or the upstream partial fuel cell (101). The invention further relates to a method for supplying the cathodes of partial fuel cells (101, 102) of a multiple fuel cell (10, 101, 102) of a fuel cell system (1) with a cathode operating medium (5), wherein in a fluid flow direction of the cathode operating medium (5) supplying through the multiple fuel cell (10, 101, 102) an upstream partial fuel cell (101) with a humidified cathode operation medium (5) and a downstream one (with respect to the fluid flow direction of the cathode operation medium (5)) Partial fuel cell (102) is supplied with a non-humidified cathode operating medium (5) and a cathode exhaust gas (6) of at least one or the upstream part of the fuel cell (101).

Description

Die Erfindung betrifft eine Kathodenversorgung für eine Mehrfach-Brennstoffzelle eines Brennstoffzellensystems. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Versorgen der Kathoden von Teilbrennstoffzellen einer Mehrfach-Brennstoffzelle eines Brennstoffzellensystems mit einem Kathoden-Betriebsmedium. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Brennstoffzellensystem oder ein Fahrzeug mit einem solchen.The invention relates to a cathode supply for a multiple fuel cell of a fuel cell system. Furthermore, the invention relates to a method for supplying the cathodes of partial fuel cells of a multiple fuel cell of a fuel cell system with a cathode operating medium. Furthermore, the invention relates to a fuel cell system or a vehicle with such.

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 eine Versorgung der Einzelzellen der Brennstoffzelle, mit den Betriebsmedien, den sogenannten Reaktanten, sicherstellen und üblicherweise auch einer Kühlung dienen. Zudem sorgen die Bipolarplatten für eine jeweilige elektrische Verbindung zu den jeweilig benachbarten 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 for a respective electrical connection to the respective adjacent membrane-electrode units.

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 der gebildeten Protonen (H+) von den Anodenelektroden (zusammengesetzte Anode der Brennstoffzelle) in den Anodenräumen der Einzelzellen zu den Kathodenelektroden (zusammengesetzte Kathode der Brennstoffzelle) in den Kathodenräumen der Einzelzellen. Die an der Anode bereitgestellten Elektronen werden über eine elektrische Leitung und einen elektrischen Verbraucher (Elektrotraktionsmotor, Klimaanlage et ceterea) der Kathode 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 formed (H + ) of the anode electrodes (composite anode of the fuel cell) takes place in the anode chambers of the individual cells to the cathode electrodes (compound cathode of the fuel cell) in the cathode spaces of the single cells. The electrons provided at the anode are fed via an electrical line and an electrical load (electric traction motor, air conditioning et ceterea) of the cathode.

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 die 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, the 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).

Das in die Kathode der Brennstoffzelle eintretende Kathoden-Betriebsmedium muss eine bestimmte relative Feuchte besitzen, um ein Austrocken der Membranen zu verhindern. Hierzu wird im Brennstoffzellensystem ein Befeuchter angewendet, welcher einen Teil einer Feuchte aus dem Kathoden-Abgas in das Kathoden-Betriebsmedium, das der Brennstoffzelle zugeführt wird, überträgt. Ein solcher Befeuchter benötigt einen vergleichsweise großen Bauraum, welcher ein Problem für eine Einheit eines Brennstoffzellenaggregats (Brennstoffzelle plus deren Vorrichtungen und Einrichtungen (Anodenversorgung, Kathodenversorgung et cetera)) sowie das Fahrzeug darstellt, welches das Brennstoffzellenaggregat aufweist.The cathode operating medium entering the cathode of the fuel cell must have a certain relative humidity in order to prevent the membranes from drying out. For this purpose, a humidifier is used in the fuel cell system, which transmits a part of a moisture from the cathode exhaust gas in the cathode operating medium, which is supplied to the fuel cell. Such a humidifier needs a comparatively large space, which is a problem for a unit of a fuel cell assembly (fuel cell plus their devices and facilities (anode supply, cathode supply et cetera)) and the vehicle having the fuel cell assembly.

Es ist eine Aufgabe der Erfindung, einen Bauraum in einem Fahrzeug mit einem Brennstoffzellenaggregat, insbesondere einem Doppel-Brennstoffzellenaggregat gut ausnutzen zu können. Hierbei soll ein vergleichsweise großer Befeuchter des Doppel-Brennstoffzellenaggregats verkleinert sein, sodass Bauraum eingespart werden kann. Dies soll mit einfachen und kostengünstigen Mitteln realisierbar und durchführbar sein.It is an object of the invention to be able to make good use of a space in a vehicle with a fuel cell unit, in particular a double fuel cell unit. In this case, a comparatively large humidifier of the dual fuel cell unit is to be reduced, so that space can be saved. This should be feasible and feasible with simple and inexpensive means.

Die Aufgabe der Erfindung ist mittels einer Kathodenversorgung für eine Mehrfach-Brennstoffzelle eines Brennstoffzellensystems; durch ein Verfahren zum Versorgen der Kathoden von Teilbrennstoffzellen einer Mehrfach-Brennstoffzelle eines Brennstoffzellensystems mit einem Kathoden-Betriebsmedium; mittels eines Brennstoffzellensystems und 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 by means of a cathode supply for a multiple fuel cell of a fuel cell system; by a method of supplying the cathodes of partial fuel cells of a multiple fuel cell of a fuel cell system with a cathode operating medium; by means of a fuel cell system and 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.

Die erfindungsgemäße Kathodenversorgung umfasst wenigstens zwei in einer Fluidflussrichtung eines feuchten Kathoden-Betriebsmediums in Reihe geschaltete Teilbrennstoffzellen, wobei eine stromaufwärtige Teilbrennstoffzelle stromaufwärts mit einem befeuchteten Kathoden-Betriebsmedium versorgbar ist und eine stromabwärtige Teilbrennstoffzelle stromaufwärts mit einem unbefeuchteten Kathoden-Betriebsmedium versorgbar ist, wobei dem unbefeuchteten Kathoden-Betriebsmedium ein Kathoden-Abgas wenigstens einer oder der stromaufwärtigen Teilbrennstoffzelle zumischbar ist.The cathode supply according to the invention comprises at least two in a fluid flow direction a wet cathode operating medium serially connected to sub-fuel cells, wherein an upstream sub-fuel cell is supplyable upstream with a humidified cathode operating medium and a downstream sub-fuel cell upstream with a non-moistened cathode operating medium is supplied, wherein the un-moistened cathode operating medium, a cathode exhaust at least one or the upstream part of the fuel cell is immiscible.

Bevorzugt ist die mit dem Kathoden-Betriebsmedium versorgbare stromaufwärtige Teilbrennstoffzelle eine erste stromaufwärtige Teilbrennstoffzelle. Es ist jedoch auch möglich, dass eine Mehrzahl von solchen stromaufwärtigen Teilbrennstoffzellen angewendet wird.The upstream partial fuel cell which can be supplied with the cathode operating medium is preferably a first upstream partial fuel cell. However, it is also possible that a plurality of such upstream partial fuel cells are applied.

In Ausführungsbeispielen ist das vollständige Kathoden-Abgas von der stromaufwärtigen Teilbrennstoffzelle oder auch nur ein Teil davon dem Kathoden-Betriebsmedium für die stromabwärtige Teilbrennstoffzelle zumischbar. Die wenigstens zwei Teilbrennstoffzellen können dabei getrennt (externe Kaskadierung), zum Beispiel in wenigstens zwei Gehäusen, oder auch zusammen (interne Kaskadierung) in einem einzigen Gehäuse vorgesehen sein.In embodiments, the entire cathode off-gas from the upstream sub-fuel cell, or even a portion thereof, is admixable with the cathode operating medium for the downstream sub-fuel cell. The at least two partial fuel cells can be provided separately (external cascading), for example in at least two housings, or also together (internal cascading) in a single housing.

Gemäß der Erfindung wird, unter der Annahme zweier Teilbrennstoffzellen, lediglich ein erster Massenstrom eines gesamten für die Mehrfach-Brennstoffzelle vorgesehenen Kathoden-Betriebsmediums mittels des Befeuchters befeuchtet und versorgt die erste, das heißt stromaufwärtige Teilbrennstoffzelle. Ein zweiter, unbefeuchteter Massenstrom des gesamten Kathoden-Betriebsmediums wird einem strömenden sich vom befeuchteten Kathoden-Betriebsmedium immer mehr zum einem Kathoden-Abgas wandelnden Fluid zwischen den Teilbrennstoffzellen zugemischt. Eine notwendige Befeuchtung des zweiten, unbefeuchteten Massenstroms erfolgt über das vorliegende Kathoden-Abgas, in welchem sich neu gebildeter Wasserdampf beziehungsweise neu gebildetes flüssiges Wasser befindet. Somit muss nur ein Anteil des gesamten Kathoden-Betriebsmediums befeuchtet werden, was eine deutliche Verkleinerung des Befeuchters ermöglicht.According to the invention, assuming two partial fuel cells, only a first mass flow of an entire multi-fuel cell cathode operating medium is humidified by means of the humidifier and supplies the first, that is, upstream, partial fuel cell. A second, unaerated mass flow of the entire cathode operating medium is admixed with a flowing fluid from the moistened cathode operating medium more and more to the cathode exhaust gas flowing fluid between the sub-fuel cells. A necessary moistening of the second, unaerated mass flow takes place via the present cathode waste gas, in which newly formed water vapor or newly formed liquid water is located. Thus, only a portion of the entire cathode operating medium must be moistened, allowing a significant reduction of the humidifier.

Hierdurch ist eine geringe Befeuchtergröße realisierbar, was Bauraum für andere Komponenten im Fahrzeug schafft. Ferner ist trotz der geringen Befeuchtergröße eine gute Leistungsskalierung der Mehrfach-Brennstoffzelle realisierbar. Darüber hinaus ergeben sich vergleichsweise geringe Druckverluste in einem Kathoden-Versorgungspfad beziehungsweise den Kathoden-Versorgungspfaden (siehe unten) und dadurch eine geringere Leistungsaufnahme des Kathodenverdichters oder der Kathodenverdichter (siehe unten). Alternativ ergibt sich eine kleinere Dimensionierung des Kathoden-Versorgungspfads beziehungsweise der Kathoden-Versorgungspfade.As a result, a small humidifier size is feasible, which creates space for other components in the vehicle. Furthermore, despite the small humidifier size, a good power scaling of the multiple fuel cell can be realized. In addition, comparatively low pressure losses in a cathode supply path or the cathode supply paths (see below) and thus lower power consumption of the cathode compressor or the cathode compressor (see below). Alternatively, a smaller dimensioning of the cathode supply path or the cathode supply paths results.

In Ausführungsbeispielen weist die Kathodenversorgung einen Befeuchter auf, wobei durch den Befeuchter einerseits ein zu befeuchtendes Kathoden-Betriebsmedium für die stromaufwärtige Teilbrennstoffzelle hindurchströmbar vorgesehen ist und durch den Befeuchter andererseits ein zu entfeuchtendes Kathoden-Abgas wenigstens einer oder der stromabwärtigen Teilbrennstoffzelle hindurchströmbar vorgesehen ist.In embodiments, the cathode supply to a humidifier, being provided by the humidifier on the one hand to be humidified cathode operating medium for upstream Teilbrennstoffzelle hindurchströmbar and by the humidifier on the other hand to be dehumidified cathode exhaust gas at least one or the downstream partial fuel cell is provided hindurchströmbar.

In Ausführungsbeispielen strömt ein erster Anteil des gesamten (unbefeuchteten) Kathoden-Betriebsmediums für die Mehrfach-Brennstoffzelle als unbefeuchtetes Fluid zum Befeuchten durch den Befeuchter und gelangt zeitlich anschließend, stromaufwärtig als befeuchtetes Kathoden-Betriebsmedium in die stromaufwärtige Teilbrennstoffzelle und passiert diese. In dieser Teilbrennstoffzelle wird an einer Kathode dieser Teilbrennstoffzelle ein Teil des Sauerstoffs im Kathoden-Betriebsmedium mit Protonen von einer Anode dieser Teilbrennstoffzelle zu Wasser umgewandelt und passiert als mit Sauerstoff abgereichertes und mit Wasserdampf beziehungsweise Wasser angereichertes Kathoden-Abgas (Fluid) einen stromabwärtigen Fluidausgang dieser Teilbrennstoffzelle. In der zeitlichen Folge wird dieses Fluid der stromabwärtigen Teilbrennstoffzelle wenigstens teilweise, bevorzugt jedoch vollständig zugeführt.In embodiments, a first portion of the total (unswept) cathode operating medium for the multiple fuel cell flows as an unhumidified fluid for humidification by the humidifier and then passes upstream and upstream of the humidified cathode operating medium into the upstream particulate fuel cell and passes therethrough. In this partial fuel cell, a portion of the oxygen in the cathode operating medium is converted to water with protons from an anode of this partial fuel cell at a cathode of this partial fuel cell and passes through a downstream fluid outlet of this partial fuel cell as oxygen depleted and water vapor enriched cathode exhaust gas (fluid) , In time, this fluid is at least partially, but preferably completely, supplied to the downstream partial fuel cell.

Vor dem oder beim (zeitlich wie räumlich) Zuführen des Kathoden-Abgases zur stromabwärtigen Teilbrennstoffzelle wird diesem ein weiterer Anteil des gesamten unbefeuchteten Kathoden-Betriebsmediums zugemischt, wobei dieses Kathoden-Betriebsmedium den Befeuchter nicht passiert hat. Dieses Fluid, also eine Mischung aus dem Kathoden-Abgas (von der stromaufwärtigen Teilbrennstoffzelle) und dem weiteren (unbefeuchteten) Kathoden-Betriebsmedium (für die stromabwärtigen Teilbrennstoffzelle), wird der betreffenden stromabwärtigen Teilbrennstoffzelle stromaufwärts zugeführt, wobei dieses Fluid als mit Sauerstoff abgereichertes und mit Wasserdampf beziehungsweise Wasser angereichertes Kathoden-Abgas einen stromabwärtigen Fluidausgang dieser Teilbrennstoffzelle verlässt. In der Folge kann, je nach einer Anzahl der Teilbrennstoffzellen in der Mehrfach-Brennstoffzelle, sich das Gesagte wiederhohlen, wobei unbefeuchtetes, aber gegebenenfalls auch befeuchtetes Kathoden-Betriebsmedium einer stromabwärtigen Teilbrennstoffzelle zumischbar ist.Before or during the (temporally and spatially) feeding of the cathode exhaust gas to the downstream partial fuel cell, a further portion of the total unhumidified cathode operating medium is admixed to it, this cathode operating medium not having passed the humidifier. This fluid, that is, a mixture of the cathode off-gas (from the upstream sub-fuel cell) and the further (unhumidified) cathode operating medium (for the downstream sub-fuel cell), is fed upstream of the respective downstream sub-fuel cell, which fluid is depleted as oxygen and with Water vapor or water-enriched cathode exhaust leaves a downstream fluid outlet of this sub-fuel cell. As a result, depending on a number of the partial fuel cells in the multiple fuel cell, what has been said can be repeated, while unhumidified, but possibly also moistened cathode operating medium of a downstream partial fuel cell can be mixed.

Bei insgesamt zwei Teilbrennstoffzellen verlässt das Kathoden-Abgas der zweiten, also der in Fluidflussrichtung des feuchten Kathoden-Betriebsmediums hinteren Teilbrennstoffzelle, die Mehrfach-Brennstoffzelle und tritt in der Folge in den Befeuchter zum Befeuchten des unverbrauchten Kathoden-Betriebsmediums für die erste Teilbrennstoffzelle ein. Sind mehr als zwei Teilbrennstoffzellen vorgesehen, so kann es sich bei der ersten Teilbrennstoffzelle sowohl um die erste und/oder auch um eine stromaufwärtige Teilbrennstoffzelle handeln. Nach dem Passieren des Befeuchters kann das Kathoden-Abgas, gegebenenfalls zusammen mit einem Anoden-Abgas, einer Abgaseinrichtung des Fahrzeugs zugeführt werden.In a total of two partial fuel cells leaves the cathode exhaust gas of the second, so in the fluid flow direction of the wet cathode operating medium rear partial fuel cell, the multi-fuel cell and occurs in the sequence in the Humidifier for humidifying the unused cathode operating medium for the first partial fuel cell. If more than two partial fuel cells are provided, then the first partial fuel cell may be both the first and / or an upstream partial fuel cell. After passing the humidifier, the cathode exhaust, optionally together with an anode exhaust gas, can be supplied to an exhaust device of the vehicle.

In Ausführungsbeispielen ist das unbefeuchtete Kathoden-Betriebsmedium stromabwärts an der stromaufwärtigen Teilbrennstoffzelle, an einer Verbindungsleitung zwischen den Teilbrennstoffzellen oder stromaufwärts an der stromabwärtigen Teilbrennstoffzelle dem Kathoden-Abgas von der stromaufwärtigen Teilbrennstoffzelle zumischbar.In embodiments, the undimmed cathode operating medium is downstream of the upstream sub-fuel cell, on a connection line between the sub-fuel cells or upstream of the downstream sub-fuel cell, the cathode exhaust from the upstream sub-fuel cell immiscible.

In Ausführungsbeispielen weist die Kathodenversorgung für das Zumischen des unbefeuchteten Kathoden-Betriebsmediums einen zusätzlichen Kathoden-Versorgungspfad auf, mittels welchem das unbefeuchtete Kathoden-Betriebsmedium dem Kathoden-Abgas von der stromaufwärtigen Teilbrennstoffzelle fluidmechanisch beigebbar beziehungsweise zumischbar ist. Hierbei kann an/in dem zusätzlichen Kathoden-Versorgungspfad ein Stellmittel vorgesehen sein. Das heißt, dass wenigstens ein weiterer oder der weitere Anteil des gesamten unbefeuchteten Kathoden-Betriebsmediums durch wenigstens einen oder den zusätzlichen Kathoden-Versorgungspfad dem Kathoden-Abgas von der stromaufwärtigen Teilbrennstoffzelle für die stromabwärtige Teilbrennstoffzelle zumischbar ist.In exemplary embodiments, the cathode supply for admixing the unhumidified cathode operating medium has an additional cathode supply path, by means of which the unhumidated cathode operating medium can be added or mixed fluid-mechanically to the cathode waste gas from the upstream partial fuel cell. In this case, an adjusting means can be provided on / in the additional cathode supply path. That is, at least one or more of the total unhumidified cathode operating medium is at least one or the additional cathode supply path admixable with the cathode off-gas from the upstream sub-fuel cell for the downstream particulate fuel cell.

Existieren zum Beispiel zwei Teilbrennstoffzellen in der Mehrfach-Brennstoffzelle, so addieren sich der erste Anteil und der weitere Anteil des gesamten (befeuchteten und unbefeuchteten) Kathoden-Betriebsmediums zu 100%. Sind mehr Teilbrennstoffzellen vorgesehen, so existieren zum Beispiel zwei weitere Anteile des gesamten (befeuchteten und unbefeuchteten) Kathoden-Betriebsmediums, welche sich dann mit dem ersten Anteil des gesamten (befeuchteten und unbefeuchteten) Kathoden-Betriebsmediums zu 100% addieren.For example, if there are two partial fuel cells in the multiple fuel cell, the first portion and the further portion of the total (humidified and unhumidified) cathode operating medium add up to 100%. If more partial fuel cells are provided, there are, for example, two further parts of the entire (humidified and unhumidified) cathode operating medium, which then add up to 100% with the first portion of the total (humidified and unhumidified) cathode operating medium.

Mittels des Stellmittels am/im zusätzlichen Kathoden-Versorgungspfad ist ein fluidmechanischer Parameter (Massenstrom, Volumenstrom, Fluiddruck etc.) des unbefeuchteten Kathoden-Betriebsmediums im zusätzlichen Kathoden-Versorgungspfad wählbar, einstellbar oder einregelbar. In Ausführungsbeispielen mündet der zusätzliche Kathoden-Versorgungspfad stromabwärts an der stromaufwärtigen Teilbrennstoffzelle an/in der Verbindungsleitung zwischen den Teilbrennstoffzellen oder stromaufwärts an der stromabwärtigen Teilbrennstoffzelle.By means of the actuating means on / in the additional cathode supply path, a fluid-mechanical parameter (mass flow, volume flow, fluid pressure, etc.) of the unhumidified cathode operating medium in the additional cathode supply path is selectable, adjustable or adjustable. In embodiments, the additional cathode supply path opens downstream of the upstream sub-fuel cell on / in the connection line between the sub-fuel cells or upstream of the downstream sub-fuel cell.

In Ausführungsbeispielen ist mittels einer Skalierung der Teilbrennstoffzellen zueinander eine Feuchte des mit dem Kathoden-Abgas von der stromaufwärtigen Teilbrennstoffzelle gemischten unbefeuchteten Kathoden-Betriebsmediums stromaufwärts an der stromabwärtigen Teilbrennstoffzelle und/oder eine Größe des Befeuchters einstellbar.In embodiments, by means of scaling the sub-fuel cells relative to each other, a humidity of the unhumidified cathode operating medium mixed with the cathode off-gas from the upstream sub-fuel cell upstream of the downstream sub-fuel cell and / or a size of the humidifier is adjustable.

Das heißt zum Beispiel, dass eine Größe der jeweiligen Teilbrennstoffzelle und eine Ausgestaltung der Kathodenversorgung aufeinander eingestellt sind. Hierbei kann iterativ vorgegangen werden, also zunächst eine Skalierung der Teilbrennstoffzellen wählen und dann ein Bestimmen der Feuchte des gemischten Fluids (Kathoden-Abgas von der stromaufwärtigen Teilbrennstoffzelle plus unbefeuchtetes Kathoden-Betriebsmedium für die stromabwärtige Teilbrennstoffzelle) sowie eine Größe des Befeuchters. In der Folge wird bestimmt, was dies für Auswirkungen auf die Skalierung hat, wodurch die Skalierung angepasst werden kann. Dies kann natürlich auch umgekehrt ausgeführt werden.That is, for example, that a size of the respective partial fuel cell and a configuration of the cathode supply are set to each other. It can be iterated, that is, first select a scaling of the partial fuel cells and then determining the humidity of the mixed fluid (cathode exhaust from the upstream part of the fuel cell plus unsmoked cathode operating medium for the downstream part of the fuel cell) and a size of the humidifier. Subsequently it is determined what this has to do with scaling, which allows the scaling to be adjusted. Of course, this can also be done the other way round.

Unter einer Skalierung der Teilbrennstoffzellen zueinander ist zum Beispiel eine jeweilige Größe der Teilbrennstoffzellen und somit eine Gesamtgröße der Mehrfach-Brennstoffzelle zu verstehen, also wie sich eine Größe der jeweiligen Teilbrennstoffzelle zur Gesamtgröße der Mehrfach-Brennstoffzelle verhält beziehungsweise wie sich die Größen der jeweiligen Teilbrennstoffzellen zueinander verhalten. Das heißt zum Beispiel: eine jeweilige Anzahl von Einzelzellen, eine Größe einer oder der Einzelzellen, eine Fläche der Einzelzellen et cetera in der jeweiligen Teilbrennstoffzelle. In die Größe des Befeuchters gehen natürlich Parameter wie eine Ausgestaltung des Befeuchters, ein Befeuchtertyp et cetera ein.A scaling of the partial fuel cells relative to one another is understood to mean, for example, a respective size of the partial fuel cells and thus a total size of the multiple fuel cell, ie how a size of the respective partial fuel cell relates to the overall size of the multiple fuel cell or how the sizes of the respective partial fuel cells relate to one another , This means, for example: a respective number of individual cells, a size of one or the individual cells, an area of the individual cells et cetera in the respective partial fuel cell. The size of the humidifier naturally includes parameters such as a humidifier, a type of humidifier and so on.

In Ausführungsbeispielen weist die Kathodenversorgung einen Kathodenverdichter auf, mittels welchem sowohl die stromaufwärtige Teilbrennstoffzelle mit dem befeuchteten Kathoden-Betriebsmedium als auch die stromabwärtige Teilbrennstoffzelle mit dem unbefeuchteten Kathoden-Betriebsmedium versorgbar sind. Hierfür zweigt zum Beispiel der zusätzliche Kathoden-Versorgungspfad für die stromabwärtige Teilbrennstoffzelle stromabwärts hinter dem Kathodenverdichter und stromaufwärts vor dem Befeuchter am/im Kathoden-Versorgungspfad für die stromaufwärtige Teilbrennstoffzelle ab. Es ist natürlich möglich, dies umzukehren, das heißt, der Kathoden-Versorgungspfad für die stromaufwärtige Teilbrennstoffzelle zweigt vom zusätzlichen Kathoden-Versorgungspfad für die stromabwärtige Teilbrennstoffzelle stromabwärts hinter dem Kathodenverdichter und stromaufwärts vor dem Befeuchter am/im zusätzlichen Kathoden-Versorgungspfad ab.In exemplary embodiments, the cathode supply has a cathode compressor, by means of which both the upstream partial fuel cell with the humidified cathode operating medium and the downstream partial fuel cell with the unhumidified cathode operating medium can be supplied. For this, for example, the additional cathode supply path for the downstream particulate fuel cell branches off downstream of the cathode compressor and upstream of the humidifier on the cathode supply path for the upstream particulate fuel cell. It is of course possible to reverse this, that is, the cathode supply path for the upstream particulate fuel cell branches off the additional cathode supply path for the downstream particulate fuel cell downstream of the cathode compressor and upstream of the humidifier on the additional cathode supply path.

Hierbei ist der Kathodenverdichter teilweise oder ausschließlich mittels eines Elektromotors antreibbar; das heißt, es ist gegebenenfalls eine Kathodenturbine (zum Beispiel von einem Abgasturbolader) zusätzlich für einen Antrieb des Kathodenverdichters anwendbar. Bei zwei Teilbrennstoffzellen ergibt sich dementsprechend ein einziger Kathodenverdichter. Bei mehr als zwei Teilbrennstoffzellen sind dabei auch zwei oder mehr Kathodenverdichter und/oder zwei oder mehr Elektromotoren anwendbar.Here, the cathode compressor is partially or exclusively by means of an electric motor driven; that is, it is optionally a cathode turbine (for example, by an exhaust gas turbocharger) additionally applicable for driving the cathode compressor. In the case of two partial fuel cells, a single cathode compressor accordingly results. In the case of more than two partial fuel cells, it is also possible to use two or more cathode compressors and / or two or more electric motors.

In Ausführungsbeispielen weist die Kathodenversorgung für einen Transport des befeuchtbaren Kathoden-Betriebsmediums am/im Kathoden-Versorgungspfad einen Kathodenverdichter auf, wobei die Kathodenversorgung für einen Transport des unbefeuchteten Kathoden-Betriebsmediums am/im zusätzlichen Kathoden-Versorgungspfad einen zusätzlichen Kathodenverdichter aufweist.In embodiments, the cathode supply for transporting the humidifying cathode operating medium on / in the cathode supply path to a cathode compressor, wherein the cathode supply for transporting the unhumidated cathode operating medium on / in the additional cathode supply path has an additional cathode compressor.

In Ausführungsbeispielen sind sowohl der Kathodenverdichter als auch der zusätzliche Kathodenverdichter zusammen mittels eines Elektromotors antreibbar. Bevorzugt sitzen dabei der Kathodenverdichter, der zusätzliche Kathodenverdichter und der Elektromotor auf einer gemeinsamen Welle. Ein Getriebe ist gegebenenfalls anwendbar, welches zwischen dem Elektromotor und einem der beiden Kathodenverdichter sitzen kann. Es ist auch möglich, ein oder das Getriebe zusätzlich oder alternativ zwischen den Kathodenverdichtern vorzusehen. Hierbei sind die Kathodenverdichter teilweise oder ausschließlich mittels des Elektromotors antreibbar; das heißt, es ist gegebenenfalls eine Kathodenturbine (zum Beispiel von einem Abgasturbolader) und optional zusätzlich mit einem Elektromotor zusätzlich für einen Antrieb des Kathodenverdichters anwendbar. Natürlich sind auch zwei Elektromotoren für den Kathodenverdichter und den zusätzlichen Kathodenverdichter anwendbar.In embodiments, both the cathode compressor and the additional cathode compressor can be driven together by means of an electric motor. Preferably sit the cathode compressor, the additional cathode compressor and the electric motor on a common shaft. A transmission is optionally applicable, which can sit between the electric motor and one of the two cathode compressor. It is also possible to additionally or alternatively provide one or the transmission between the cathode compressors. Here, the cathode compressor can be driven partially or exclusively by means of the electric motor; that is, it is optionally a cathode turbine (for example, by an exhaust gas turbocharger) and optionally additionally applicable with an electric motor for driving the cathode compressor. Of course, two electric motors for the cathode compressor and the additional cathode compressor are applicable.

In Ausführungsbeispielen sind der Kathodenverdichter mittels einer Kathodenturbine (Abgasturbolader) und der zusätzliche Kathodenverdichter mittels eines Elektromotors antreibbar. Hierbei ist der zusätzliche Kathodenverdichter wiederum teilweise oder ausschließlich mittels des Elektromotors antreibbar; das heißt, es ist gegebenenfalls eine Kathodenturbine (zum Beispiel von einem Abgasturbolader) zusätzlich für einen Antrieb des Kathodenverdichters anwendbar.In embodiments, the cathode compressor by means of a cathode turbine (exhaust gas turbocharger) and the additional cathode compressor by means of an electric motor can be driven. Here, the additional cathode compressor is in turn partially or exclusively driven by means of the electric motor; that is, it is optionally a cathode turbine (for example, by an exhaust gas turbocharger) additionally applicable for driving the cathode compressor.

In Ausführungsbeispielen sind der Kathodenverdichter mittels eines Elektromotors und der zusätzliche Kathodenverdichter mittels einer Kathodenturbine (Abgasturbolader) und optional zusätzlich mit einem Elektromotor antreibbar. Hierbei ist der Kathodenverdichter wiederum teilweise oder ausschließlich mittels des Elektromotors antreibbar; das heißt, es ist gegebenenfalls wiederum eine Kathodenturbine (zum Beispiel von einem Abgasturbolader) zusätzlich für einen Antrieb des zusätzlichen Kathodenverdichters anwendbar.In embodiments, the cathode compressor by means of an electric motor and the additional cathode compressor by means of a cathode turbine (exhaust gas turbocharger) and optionally additionally driven by an electric motor. Here, the cathode compressor is in turn partially or exclusively driven by means of the electric motor; That is, it is optionally in turn a cathode turbine (for example, by an exhaust gas turbocharger) additionally applicable for driving the additional cathode compressor.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Versorgen der Kathoden von Teilbrennstoffzellen mit einem Kathoden-Betriebsmedium wird in einer Fluidflussrichtung eines feuchten Kathoden-Betriebsmediums durch die Mehrfach-Brennstoffzelle hindurch eine erste stromaufwärtige Teilbrennstoffzelle mit einem befeuchteten Kathoden-Betriebsmedium versorgt, wobei in Bezug auf die Fluidflussrichtung des feuchten Kathoden-Betriebsmediums eine stromabwärtige Teilbrennstoffzelle mit einem unbefeuchteten Kathoden-Betriebsmedium und einem Kathoden-Abgas wenigstens einer oder der stromaufwärtigen Teilbrennstoffzelle versorgt wird. In Ausführungsbeispielen weist die Mehrfach-Brennstoffzelle beziehungsweise weisen die Teilbrennstoffzellen eine Kathodenversorgung auf, welche als eine erfindungsgemäße Kathodenversorgung ausgebildet ist.In the method according to the invention for supplying the cathodes of partial fuel cells with a cathode operating medium, in a fluid flow direction of a wet cathode operating medium through the multiple fuel cell, a first upstream sub-fuel cell is supplied with a moistened cathode operating medium, with respect to the fluid flow direction of the wet Cathode operating medium, a downstream partial fuel cell is supplied with a non-humidified cathode operating medium and a cathode exhaust gas at least one or the upstream partial fuel cell. In exemplary embodiments, the multiple fuel cell or the partial fuel cells have a cathode supply, which is designed as a cathode supply 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, mit einer Doppel-Brennstoffzelle; 1 a simplified block diagram of a preferred embodiment of a fuel cell system according to the invention, with a dual fuel cell;

2 ein vereinfachtes Blockschaltbild einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kathodenversorgung für eine Doppel-Brennstoffzelle; 2 a simplified block diagram of a first embodiment of a cathode supply for a dual fuel cell according to the invention;

3 ein vereinfachtes Blockschaltbild einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kathodenversorgung für die Doppel-Brennstoffzelle; 3 a simplified block diagram of a second embodiment of the cathode supply according to the invention for the dual fuel cell;

4 ein vereinfachtes Blockschaltbild einer dritten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kathodenversorgung für die Doppel-Brennstoffzelle; und 4 a simplified block diagram of a third embodiment of the cathode supply according to the invention for the dual fuel cell; and

5 ein vereinfachtes Blockschaltbild einer vierten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kathodenversorgung für die Doppel-Brennstoffzelle. 5 a simplified block diagram of a fourth embodiment of the cathode supply according to the invention for the dual fuel cell.

Die Erfindung ist anhand von vier Ausführungsformen einer Kathodenversorgung 30 für eine Doppel-Brennstoffzelle 10; 101, 102 eines Fahrzeugs sowie anhand eines Verfahrens (implizit) zum Versorgen der Kathoden von Teilbrennstoffzellen 101, 102 einer Doppel-Brennstoffzelle 10; 101, 102 näher erläutert. Die Erfindung ist jedoch nicht auf die nachfolgend erläuterten Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern ist von grundlegenderer Natur, sodass sie auf sämtliche Kathodenversorgungen von Mehrfach-Brennstoffzellen, zum Beispiel mit drei oder mehr Teilbrennstoffzellen, oder auch auf 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 four embodiments of a cathode supply 30 for a double fuel cell 10 ; 101 . 102 of a vehicle and by a method (implicitly) for supplying the cathodes of partial fuel cells 101 . 102 a double fuel cell 10 ; 101 . 102 explained in more detail. However, the invention is not limited to the embodiments explained below, but is of a more fundamental nature, so that it can be applied to all cathode supplies of multiple fuel cells, for example with three or more partial fuel cells, or even to 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 Doppel-Brennstoffzelle 10; 101, 102 mit zwei Teilbrennstoffzellen 101, 102 beziehungsweise zwei Teilbrennstoffzellenstapeln 10; 101, 102, welche jeweils bevorzugt eine Vielzahl von in Stapelform angeordneten Einzel-Brennstoffzellen 11 – nachfolgend als Einzelzellen 11 bezeichnet – aufweisen und bevorzugt in einem fluiddichten Stapelgehäuse 16 (nur 1) oder in zwei separaten fluiddichten Stapelgehäusen 16, 16 (vergleiche die 2 bis 5) untergebracht sind. 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 den Detailausschnitt in der 1). Ein Teilbrennstoffzellenstapel 101, 102 wird auch einfach als Teilbrennstoffzelle 101, 102 bezeichnet.The fuel cell system 1 includes as a core component a dual fuel cell 10 ; 101 . 102 with two partial fuel cells 101 . 102 or two partial fuel cell stacks 10 ; 101 . 102 , which are each preferably a plurality of stacked individual fuel cells 11 - below as single cells 11 designated - and preferably in a fluid-tight stack housing 16 (just 1 ) or in two separate fluid-tight stack housings 16 . 16 (compare the 2 to 5 ) are housed. 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-conductive polymer electrolyte membrane, spatially and electrically separated from each other (see the detail in the 1 ). A partial fuel cell stack 101 . 102 also becomes easy as a partial fuel cell 101 . 102 designated.

Die Anodenräume 12 und die Kathodenräume 13 der Doppel-Brennstoffzelle 10; 101, 102 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 double fuel cell 10 ; 101 . 102 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 den zwei dazugehörigen Elektroden wird auch als Membran-Elektroden-Einheit 14 bezeichnet. Zwischen zwei solchen Membran-Elektroden-Einheiten 14 (in der 1 ist lediglich eine einzelne Membran-Elektroden-Einheit 14 angedeutet) ist in der 1 ferner eine Bipolarplatte 15 angedeutet, 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 the two associated electrodes is also called a membrane-electrode unit 14 designated. Between two such membrane-electrode units 14 (in the 1 is only a single membrane electrode assembly 14 indicated) is in the 1 also a bipolar plate 15 indicated, 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 direkt dazu benachbarten Anodenelektrode einer Membran-Elektroden-Einheit 14 ist ein Anodenraum 12 und zwischen einer Kathodenelektrode derselben Membran-Elektroden-Einheit 14 und einer direkt dazu benachbarten zweiten Bipolarplatte 15 ist ein Kathodenraum 13 ausgebildet (Einzelzelle 11). Optional können Gasdiffusionslagen zwischen den Membran-Elektroden-Einheiten 14 und den Bipolarplatten 15 angeordnet sein. In der Doppel-Brennstoffzelle 10; 101, 102 sind also Membran-Elektroden-Einheiten 14 und Bipolarplatten 15 abwechselnd angeordnet beziehungsweise gestapelt (Teilbrennstoffzellenstapel 101, 102).Between a bipolar plate 15 and a directly adjacent anode electrode of a membrane-electrode assembly 14 is an anode room 12 and between a cathode electrode of the same membrane-electrode assembly 14 and a second bipolar plate directly adjacent thereto 15 is a cathode compartment 13 formed (single cell 11 ). Optionally, gas diffusion layers between the membrane-electrode assemblies 14 and the bipolar plates 15 be arranged. In the double fuel cell 10 ; 101 . 102 So are membrane electrode units 14 and bipolar plates 15 alternately arranged or stacked (partial fuel cell stack 101 . 102 ).

Zur Versorgung der Doppel-Brennstoffzelle 10; 101, 102 beziehungsweise der Teilbrennstoffzellenstapel 101, 102 mit den Betriebsmedien 3, 5 weist das Brennstoffzellensystem 1 einerseits eine Anodenversorgung 20 und andererseits eine Kathodenversorgung 30 auf.To supply the double fuel cell 10 ; 101 . 102 or the partial fuel cell stack 101 . 102 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 Doppel-Brennstoffzelle 10; 101, 102 dient. Zu diesem Zweck verbindet der Anoden-Versorgungspfad 21 einen Brennstoffspeicher 23 oder Brennstofftank 23 mit einem Anodeneingang der Doppel-Brennstoffzelle 10; 101, 102. Die Anodenversorgung 20 umfasst ferner einen Anoden-Abgaspfad 22, welcher ein Anoden-Abgas 4 aus den Anodenräumen 12 durch einen Anodenausgang der Doppel-Brennstoffzelle 10; 101, 102 hindurch abführt. Ein aufgebauter Anoden-Betriebsdruck auf einer Anodenseite der Doppel-Brennstoffzelle 10; 101, 102 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 double fuel cell 10 ; 101 . 102 serves. For this purpose, the anode supply path connects 21 a fuel storage 23 or fuel tank 23 with an anode input of the dual fuel cell 10 ; 101 . 102 , 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 dual fuel cell 10 ; 101 . 102 through. A built-up anode operating pressure on an anode side of the dual fuel cell 10 ; 101 . 102 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 Doppel-Brennstoffzelle 10; 101, 102 zurückzuführen und zu nutzen. Ferner kann an/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 double fuel cell 10 ; 101 . 102 to be returned and used. Further, on / 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 Doppel-Brennstoffzelle 10; 101, 102 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 Doppel-Brennstoffzelle 10; 101, 102 abführt und dieses einer gegebenenfalls vorgesehenen Abgaseinrichtung (nicht dargestellt) zuführt.The cathode supply 30 includes a cathode supply path 31 which is the cathode spaces 13 the double fuel cell 10 ; 101 . 102 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 double fuel cell 10 ; 101 . 102 dissipates and this provides an optionally provided exhaust device (not shown).

Für eine Förderung und Verdichtung des Kathoden-Betriebsmediums 5 ist am/im Kathoden-Versorgungspfad 31 bevorzugt ein Kathodenverdichter 33 angeordnet. In Ausführungsbeispielen ist der Kathodenverdichter 33 als ein ausschließlich oder ein auch elektromotorisch angetriebener Kathodenverdichter 33 ausgestaltet, dessen Antrieb (auch) mittels eines Elektromotors 34 oder eines Antriebs 34 erfolgt, welcher bevorzugt mit einer entsprechenden Leistungselektronik 35 ausgestattet ist.For a promotion and compression of the cathode operating medium 5 is at / in the cathode supply path 31 preferably a cathode compressor 33 arranged. In embodiments, the cathode compressor 33 as a cathode compressor driven exclusively or also by an electric motor 33 designed, the drive (also) by means of an electric motor 34 or a drive 34 takes place, which preferably with a corresponding power electronics 35 Is provided.

Bevorzugt ist der Kathodenverdichter 33 als ein wenigstens elektrisch angetriebener Turbolader 33 (englisch ETC für Electric Turbo Charger) ausgebildet. Der Kathodenverdichter 33 kann ferner durch eine im Kathoden-Abgaspfad 32 angeordnete Kathodenturbine 36 mit gegebenenfalls variabler Turbinengeometrie, unterstützend mittels einer gemeinsamen Welle oder einem Getriebe (nicht dargestellt) antreibbar sein. Die Kathodenturbine 36 stellt einen Expander dar, welcher eine Expansion des Kathoden-Abgases 6 und somit eine Absenkung dessen Fluiddrucks bewirkt (Steigerung eines Wirkungsgrads der Doppel-Brennstoffzelle 10; 101, 102).The cathode compressor is preferred 33 as an at least electrically driven turbocharger 33 (English ETC for Electric Turbo Charger) trained. The cathode compressor 33 can also be characterized by a in the cathode exhaust path 32 arranged cathode turbine 36 optionally with variable turbine geometry, supportive by means of a common shaft or a gear (not shown) to be drivable. The cathode turbine 36 represents an expander, which is an expansion of the cathode exhaust gas 6 and thus a lowering of the fluid pressure causes (increase in efficiency of the dual fuel cell 10 ; 101 . 102 ).

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 Kathode darstellt. Das Wastegate 37 erlaubt es, einen Betriebsdruck des Kathoden-Betriebsmediums 5 kurzfristig in der Doppel-Brennstoffzelle 10; 101, 102 zu reduzieren, ohne den Kathodenverdichter 33 herunterzufahren. Ein im Wastegate 37 angeordnetes Stellmittel 38 erlaubt eine Einstellung eines Volumenstroms des die Doppel-Brennstoffzelle 10; 101, 102 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 represents a bypass for the cathode. The wastegate 37 allows an operating pressure of the cathode operating medium 5 short term in the double fuel cell 10 ; 101 . 102 reduce without the cathode compressor 33 shut down. One in the wastegate 37 arranged adjusting means 38 allows adjustment of a volume flow of the double fuel cell 10 ; 101 . 102 optionally immediate cathode operating medium 5 ,

Sämtliche Stellmittel 24, 26, 38, 132 (siehe auch unten) des Brennstoffzellensystems 1 können als regelbare, steuerbare oder nicht regelbare Ventile, Klappen, Drosseln, Blenden et cetera ausgebildet sein. Zur weiteren Isolierung der Doppel-Brennstoffzelle 10; 101, 102 von der Umgebung 2 kann wenigstens ein weiteres entsprechendes Stellmittel (nicht dargestellt) an/in einem Anoden-Pfad 21, 22 und/oder einem Kathoden-Pfad 31, 32 beziehungsweise an/in einer Leitung des Anoden-Pfads 21, 22 und/oder einer Leitung des Kathoden-Pfads 31, 32 angeordnet sein.All adjusting means 24 . 26 . 38 . 132 (see also below) of the fuel cell system 1 can be designed as controllable, controllable or non-controllable valves, flaps, throttles, apertures et cetera. For further isolation of the double fuel cell 10 ; 101 . 102 from the surroundings 2 at least one further corresponding adjusting means (not shown) on / in an anode path 21 . 22 and / or a cathode path 31 . 32 or on / in a line of the anode path 21 . 22 and / or a line of the cathode path 31 . 32 be arranged.

Das bevorzugte Brennstoffzellensystem 1 weist ferner einen Befeuchter 110 auf. Der Befeuchter 110 ist einerseits derart im Kathoden-Versorgungspfad 31 angeordnet, dass er vom Kathoden-Betriebsmedium 5 durchströmbar ist. Andererseits ist der Befeuchter derart im Kathoden-Abgaspfad 32 angeordnet, dass er vom Kathoden-Abgas 6 durchströmbar ist. Der Befeuchter 110 ist einerseits im Kathoden-Versorgungspfad 31 bevorzugt zwischen dem Kathodenverdichter 33 und einem Kathodeneingang der Doppel-Brennstoffzelle 10; 101, 102 und andererseits im Kathoden-Abgaspfad 32 zwischen einem Kathodenausgang der Doppel-Brennstoffzelle 10; 101, 102 und der gegebenenfalls vorgesehenen Kathodenturbine 36 angeordnet. Ein Feuchteüberträger (nicht dargestellt) des Befeuchters 110 weist bevorzugt eine Mehrzahl von Membranen auf, die oft entweder flächig oder in Form von Hohlfasern ausgebildet sind.The preferred fuel cell system 1 also has a humidifier 110 on. The humidifier 110 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 humidifier is in the cathode exhaust path 32 arranged it from the cathode exhaust 6 can be flowed through. The humidifier 110 is on the one hand in the cathode supply path 31 preferably between the cathode compressor 33 and a cathode input of the dual fuel cell 10 ; 101 . 102 and on the other hand in the cathode exhaust path 32 between a cathode output of the dual fuel cell 10 ; 101 . 102 and the optionally provided cathode turbine 36 arranged. A moisture transmitter (not shown) of the humidifier 110 preferably has a plurality of membranes, which are often formed either flat or in the form of hollow fibers.

Verschiedene weitere Einzelheiten des Brennstoffzellensystems 1 beziehungsweise der Doppel-Brennstoffzelle 10; 101, 102/der Teilbrennstoffzellenstapel 101, 102, der Anodenversorgung 20 und der Kathodenversorgung 30 sind in der 1 aus Gründen einer Übersichtlichkeit nicht dargestellt. So kann der Befeuchter 110 seitens des Kathoden-Versorgungspfads 31 und/oder seitens des Kathoden-Abgaspfads 32 mittels einer Bypassleitung umgangen werden. Es kann ferner eine Kathodenturbinen-Bypassleitung seitens des Kathoden-Abgaspfads 32 vorgesehen sein, welche die Kathodenturbine 36 umgeht. Various other details of the fuel cell system 1 or the double fuel cell 10 ; 101 . 102 / the partial fuel cell stack 101 . 102 , the anode supply 20 and the cathode supply 30 are in the 1 not shown for reasons of clarity. So can the humidifier 110 from the cathode supply path 31 and / or the cathode exhaust path 32 be bypassed by means of a bypass line. There may also be a cathode turbine bypass line from the cathode exhaust path 32 be provided, which is the cathode turbine 36 bypasses.

Des Weiteren kann im Anoden-Abgaspfad 22 und/oder im Kathoden-Abgaspfad 32 ein Wasserabscheider verbaut sein, mittels welchem ein aus der betreffenden Teilreaktion der Doppel-Brennstoffzelle 10; 101, 102 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 Befeuchter aufweisen. Ferner kann der Anoden-Abgaspfad 22 in den Kathoden-Abgaspfad 32 münden, wobei das Anoden-Abgas 4 und das Kathoden-Abgas 6 gegebenenfalls über die gemeinsame Abgaseinrichtung abgeführt werden können. Darüber hinaus kann in Ausführungsbeispielen das Kathoden-Betriebsmedium 5 einen am/im Kathoden-Versorgungspfad 31 vorgesehenen Ladeluftkühler durchströmen.Furthermore, in the anode exhaust path 22 and / or in the cathode exhaust path 32 a water separator be installed, by means of which one from the respective partial reaction of the double fuel cell 10 ; 101 . 102 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 have analog humidifier. Furthermore, the anode exhaust path 22 in the cathode exhaust path 32 lead, wherein the anode exhaust gas 4 and the cathode off-gas 6 optionally can be removed via the common exhaust device. Moreover, in embodiments, the cathode operating medium 5 a on / in the cathode supply path 31 flow through the provided intercooler.

Die Erfindung offenbart eine Befeuchtung der Doppel-Brennstoffzelle 10; 101, 102 beziehungsweise des Doppel-Brennstoffzellenstapels 10; 101, 102 eines Brennstoffzellenaggregats 1 des Brennstoffzellensystems 1. Es ist natürlich möglich, die Erfindung auch auf eine andere Anzahl von Einzel-Brennstoffzellen 101, 102, ... beziehungsweise Einzel-Brennstoffzellenstapel 101, 102, ... in einer Mehrfach-Brennstoffzelle 10 beziehungsweise eines Mehrfach-Brennstoffzellenstapels 10 mit zum Beispiel drei oder mehr Einzel-Brennstoffzellen 101, 102, ... beziehungsweise Einzel-Brennstoffzellenstapel 101, 102, ... zu übertragen.The invention discloses humidification of the dual fuel cell 10 ; 101 . 102 or the double fuel cell stack 10 ; 101 . 102 a fuel cell unit 1 of the fuel cell system 1 , It is of course possible, the invention also to a different number of single fuel cells 101 . 102 , ... or single fuel cell stacks 101 . 102 , ... in a multiple fuel cell 10 or a multiple fuel cell stack 10 with, for example, three or more single fuel cells 101 . 102 , ... or single fuel cell stacks 101 . 102 , ... transferred to.

Die 2 zeigt stark vereinfacht die erste Ausführungsform der Kathodenversorgung 30 für die Doppel-Brennstoffzelle 10; 101, 102. Das mittels des Kathodenverdichters 33 verdichtbare Kathoden-Betriebsmedium 5 ist vor dem Befeuchter 110 in zwei Teilströme beziehungsweise Massenströme aufteilbar. Ein erster Massenstrom ist mittels des Befeuchters 110 befeuchtbar und versorgt in einem Betrieb der Doppel-Brennstoffzelle 10; 101, 102 durch den Kathoden-Versorgungspfad 31 hindurch die erste Teilbrennstoffzelle 101 (siehe Pfeile in den 1 bis 5). Hierbei ist nur der erste Massenstrom befeuchtbar, was eine Verkleinerung des Befeuchters 110 ermöglicht.The 2 shows very simplified the first embodiment of the cathode supply 30 for the double fuel cell 10 ; 101 . 102 , The means of the cathode compressor 33 compressible cathode operating medium 5 is in front of the humidifier 110 can be divided into two partial flows or mass flows. A first mass flow is by means of the humidifier 110 humidified and supplied in a dual fuel cell operation 10 ; 101 . 102 through the cathode supply path 31 through the first partial fuel cell 101 (see arrows in the 1 to 5 ). Here, only the first mass flow is humidified, which is a reduction of the humidifier 110 allows.

Das Kathoden-Abgas 6 der ersten Teilbrennstoffzelle 101 ist anschließend mit dem zweiten, unbefeuchteten (trockenen) Massenstrom des Kathodenverdichters 33 mischbar, welcher im Betrieb durch einen zusätzlichen Kathoden-Versorgungspfad 130 hindurchströmt. Dieser gemischte und durch das Kathoden-Abgas 6 feuchte Massenstrom versorgt anschließend die zweite Teilbrennstoffzelle 102. Hierbei zweigt der zusätzliche Kathoden-Versorgungspfad 130 stromabwärts des Kathodenverdichters 33 vom Kathoden-Versorgungspfad 31 ab. Für eine Steuerung oder Regelung des Brennstoffzellensystems 1 ist darüber hinaus bevorzugt ein Stellmittel 132, zum Beispiel eine Klappe 132, im zusätzlichen Kathoden-Versorgungspfad 130 für den zweiten Massenstrom vorgesehen, mittels welchem Druckverluste in der ersten Teilbrennstoffzelle 101 kompensierbar sind.The cathode exhaust 6 the first partial fuel cell 101 is then with the second, un-moistened (dry) mass flow of the cathode compressor 33 miscible, which in operation by an additional cathode supply path 130 flowing. This mixed and through the cathode exhaust 6 moist mass flow then supplies the second partial fuel cell 102 , Here, the additional cathode supply path branches 130 downstream of the cathode compressor 33 from the cathode supply path 31 from. For a control or regulation of the fuel cell system 1 is also preferred an adjusting agent 132 , for example, a flap 132 in the additional cathode supply path 130 provided for the second mass flow, by means of which pressure losses in the first partial fuel cell 101 can be compensated.

Der Kathodenverdichter 33 ist dabei analog zur 1 mittels des Elektromotors 34 oder mittels des Antriebs 34 antreibbar. Hierbei kann der Elektromotor 34 ebenfalls analog zur 1 mittels der Kathodenturbine 36 unterstützend angetrieben werden. Das Zumischen des unbefeuchteten Massenstroms (zweiter Massenstrom) zum Kathoden-Abgas 6 der ersten Teilbrennstoffzelle 101 kann dabei stromabwärts der ersten Teilbrennstoffzelle 101, an einer Verbindungsleitung 120 zwischen den Teilbrennstoffzellen 101, 102 oder stromaufwärts der zweiten Teilbrennstoffzelle 102 erfolgen. Ferner ist mittels einer Skalierung der beiden Teilbrennstoffzellen 101, 102 zueinander eine Feuchte an einem Eintritt der zweiten Teilbrennstoffzelle 102 und/oder eine Größe des Befeuchters 110 einstellbar.The cathode compressor 33 is analogous to 1 by means of the electric motor 34 or by means of the drive 34 drivable. Here, the electric motor 34 also analogous to 1 by means of the cathode turbine 36 be supported supportive. The admixing of the unhumidified mass flow (second mass flow) to the cathode exhaust gas 6 the first partial fuel cell 101 can be downstream of the first partial fuel cell 101 , on a connecting line 120 between the partial fuel cells 101 . 102 or upstream of the second partial fuel cell 102 respectively. Furthermore, by means of a scaling of the two partial fuel cells 101 . 102 to each other a humidity at an inlet of the second partial fuel cell 102 and / or a size of the humidifier 110 adjustable.

Die 3 zeigt stark vereinfacht die zweite Ausführungsform der Kathodenversorgung 30. Diese Ausführungsform baut auf der ersten Ausführungsform der Kathodenversorgung 30 auf, wobei ein zusätzlicher Kathodenverdichter 133 am/im zusätzlichen Kathoden-Versorgungspfad 130 angewendet ist, um eine Zufuhr des Kathoden-Betriebsmediums 5 an die zweite Teilbrennstoffzelle 102 zu gewährleisten. Hierbei fällt eine Zweigleitung vom Kathoden-Versorgungspfad 31 weg. Im Betrieb saugt der zusätzliche Kathodenverdichter 133 das Kathoden-Betriebsmedium 5 durch den zusätzlichen Kathoden-Versorgungspfad 130 bevorzugt an einem Luftfilterkasten (nicht dargestellt) an, welcher in einer Fluidkommunikation mit der Umgebung 2 steht. Dies betrifft bevorzugt auch den Kathodenverdichter 33 des Kathoden-Versorgungspfads 31.The 3 shows greatly simplified the second embodiment of the cathode supply 30 , This embodiment is based on the first embodiment of the cathode supply 30 on, with an additional cathode compressor 133 on / in the additional cathode supply path 130 is applied to a supply of the cathode operating medium 5 to the second partial fuel cell 102 to ensure. In this case, a branch line from the cathode supply path 31 path. During operation, the additional cathode compressor sucks 133 the cathode operating medium 5 through the additional cathode supply path 130 preferably on an air filter box (not shown) which is in fluid communication with the environment 2 stands. This preferably also applies to the cathode compressor 33 the cathode supply path 31 ,

Da das Druckniveau in der zweiten Teilbrennstoffzelle 102 aufgrund von Druckverlusten in der ersten Teilbrennstoffzelle 101 geringer ist, als ein Druckniveau in der ersten Teilbrennstoffzelle 101, kann eine Leistung des zusätzlichen Kathodenverdichters 133 gegenüber dem Kathodenverdichter 33 reduziert sein. Ein Stellmittel 132 im zusätzlichen Kathoden-Versorgungspfad 130 ist gegebenenfalls anwendbar. Die beiden Kathodenverdichter 33, 133 können zum Beispiel über eine gemeinsame Welle beispielsweise mit einer Back-to-Back-Anordnung angeordnet sein, welche Lagerkräfte reduziert. Hierbei kann der Elektromotor 34 wiederum analog zur 1 mittels der Kathodenturbine 36 unterstützend angetrieben werden. Ferner kann ein Getriebe zwischen dem Elektromotor 34 und wenigstens einem der Kathodenverdichter 33, 133 und/oder zwischen den Kathodenverdichtern 33, 133 angewendet sein.As the pressure level in the second partial fuel cell 102 due to pressure losses in the first partial fuel cell 101 is less than one Pressure level in the first partial fuel cell 101 , may be a power of the additional cathode compressor 133 opposite the cathode compressor 33 be reduced. An adjusting agent 132 in the additional cathode supply path 130 may be applicable. The two cathodic compressors 33 . 133 For example, they may be arranged over a common shaft, for example with a back-to-back arrangement, which reduces bearing forces. Here, the electric motor 34 again analogous to 1 by means of the cathode turbine 36 be supported supportive. Furthermore, a transmission between the electric motor 34 and at least one of the cathode compressors 33 . 133 and / or between the cathode compressors 33 . 133 be applied.

Die 4 zeigt stark vereinfacht die dritte Ausführungsform der Kathodenversorgung 30. Diese Ausführungsform entspricht der zweiten Ausführungsform, wobei jedoch die beiden Kathodenverdichter 33, 133 nicht mehr über die gemeinsame Welle verbunden sind. Stattdessen ist der Kathodenverdichter 33 am/im Kathoden-Versorgungspfad 31 über die Kathodenturbine 36 am/im Kathoden-Abgaspfad 32, durch welche bevorzugt das gesamte Kathoden-Abgas 6 beider Teilbrennstoffzellen 101, 102 strömt, antreibbar.The 4 shows very simplified the third embodiment of the cathode supply 30 , This embodiment corresponds to the second embodiment, but wherein the two cathode compressors 33 . 133 no longer connected via the common wave. Instead, the cathode compressor 33 at the cathode supply path 31 over the cathode turbine 36 on / in the cathode exhaust path 32 , by which preferably the entire cathode exhaust gas 6 both partial fuel cells 101 . 102 flows, drivable.

Hierbei kann eine Kathodenverdichter-Kathodenturbinen-Kombination 33, 36, wie bei einem Abgasturbolader, ohne einen zusätzlichen Elektromotor ausgebildet sein; optional ist natürlich ein Elektromotor (34) anwendbar. Der zusätzliche Kathodenverdichter 133 am/im zusätzlichen Kathoden-Versorgungspfad 130 ist dabei analog zur 3 mittels des Elektromotors 34 antreibbar, wobei gegebenenfalls der zusätzliche Kathodenverdichter 133 wiederum analog zur 1 mittels einer Kathodenturbine (36) unterstützend angetrieben werden kann. Hierbei sollte die Mehrfach-Brennstoffzelle 10; 101, 102 derart ausgelegt sein, dass immer eine ausreichende Versorgung der Teilbrennstoffzellen 101, 102 sichergestellt ist. Beide Teilbrennstoffzellen 101, 102 haben dabei bevorzugt nicht eine gleiche Größe.Here, a cathode compressor-cathode turbine combination 33 . 36 as in an exhaust gas turbocharger, be formed without an additional electric motor; optional is of course an electric motor ( 34 ) applicable. The additional cathode compressor 133 on / in the additional cathode supply path 130 is analogous to 3 by means of the electric motor 34 driven, where appropriate, the additional cathode compressor 133 again analogous to 1 by means of a cathode turbine ( 36 ) can be supported supportive. Here, the multiple fuel cell should 10 ; 101 . 102 be designed so that always a sufficient supply of the partial fuel cells 101 . 102 is ensured. Both partial fuel cells 101 . 102 preferably do not have the same size.

Die 5 zeigt stark vereinfacht die bevorzugte vierte Ausführungsform der Kathodenversorgung 30. Diese Ausführungsform entspricht der dritten Ausführungsform, wobei jedoch in Bezug auf die 4 der Elektromotor 34 und die Kathodenturbine 36 ihre Plätze tauschen, wobei ein oben jeweilig damit offenbartes Merkmal aus den Ausführungsformen eins bis drei natürlich ebenfalls anwendbar ist. Das heißt der Kathodenverdichter 33 am/im Kathoden-Versorgungspfad 31 ist vom Elektromotor 34 und der zusätzliche Kathodenverdichter 133 am/im zusätzlichen Kathoden-Versorgungspfad 130 ist von der Kathodenturbine 36 am/im Kathoden-Abgaspfad 32 antreibbar.The 5 shows very simplified the preferred fourth embodiment of the cathode supply 30 , This embodiment corresponds to the third embodiment, but with respect to the 4 the electric motor 34 and the cathode turbine 36 their places swap, with an above respectively disclosed thereby feature of the embodiments one to three course also applicable. That is the cathode compressor 33 at the cathode supply path 31 is from the electric motor 34 and the additional cathode compressor 133 on / in the additional cathode supply path 130 is from the cathode turbine 36 on / in the cathode exhaust path 32 drivable.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
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
22
UmgebungSurroundings
33
Fluid, Betriebsmedium, Reaktant, insbesondere Anoden-Betriebsmedium, eigentlicher Brennstoff, bevorzugt Wasserstoff oder wasserstoffhaltiges GasgemischFluid, operating medium, reactant, in particular anode operating medium, actual fuel, preferably hydrogen or hydrogen-containing gas mixture
44
Fluid, Abgas gegebenenfalls inklusive flüssiges Wasser, insbesondere Anoden-AbgasFluid, exhaust gas optionally including liquid water, in particular anode exhaust gas
55
Fluid, Betriebsmedium, Reaktant, insbesondere Kathoden-Betriebsmedium, bevorzugt LuftFluid, operating medium, reactant, in particular cathode operating medium, preferably air
66
Fluid, Abgas inklusive gegebenenfalls flüssiges Wasser, insbesondere Kathoden-Abgas, bevorzugt AbluftFluid, exhaust gas including, if appropriate, liquid water, in particular cathode exhaust gas, preferably exhaust air
1010
(Doppel-/Mehrfach-)Brennstoffzelle, (Doppel-/Mehrfach-)Brennstoffzellenstapel des Brennstoffzellensystems 1 mit wenigstens zwei Teilbrennstoffzellen, Teilbrennstoffzellenstapeln(Double / Multiple) fuel cell, (dual / multiple) fuel cell stack of the fuel cell system 1 with at least two partial fuel cells, partial fuel cell stacks
1111
Einzelzelle mit einer Anodenelektrode der Anode der Brennstoffzelle 10 und einer Kathodenelektrode der Kathode der Brennstoffzelle 10, Einzel-BrennstoffzelleSingle cell with an anode electrode of the anode of the fuel cell 10 and a cathode electrode of the cathode of the fuel cell 10 , Single fuel cell
1212
Anodenraum einer Einzelzelle 11 Anode compartment of a single cell 11
1313
Kathodenraum der Einzelzelle 11 Cathode space of the single cell 11
1414
Membran-Elektroden-Einheit, mit bevorzugt einer Polymerelektrolyt-Membran sowie einer Anodenelektrode und einer KathodenelektrodeMembrane electrode unit, preferably with a polymer electrolyte membrane and an anode electrode and a cathode electrode
1515
Bipolarplatte, Flussfeldplatte, SeparatorplatteBipolar plate, flow field plate, separator plate
1616
Stapelgehäuse der Brennstoffzelle 10 Stack housing of the fuel cell 10
2020
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
2121
Pfad, Versorgungspfad, Strömungspfad, Anoden-VersorgungspfadPath, supply path, flow path, anode supply path
2222
Pfad, Abgaspfad, Strömungspfad, Anoden-AbgaspfadPath, exhaust path, flow path, anode exhaust path
2323
Brennstoffspeicher, Brennstofftank mit Anoden-Betriebsmedium 3 Fuel storage, fuel tank with anode operating medium 3
2424
Stellmittel, (ein)regelbar, (an)steuerbar, nicht regelbar, insbesondere Ventil, Klappe, Drossel, Blende et ceteraAdjusting means, (on) controllable, (controllable), not controllable, in particular valve, flap, throttle, aperture et cetera
2525
Brennstoff-RezirkulationsleitungFuel recirculation line
2626
Stellmittel, (ein)regelbar, (an)steuerbar, nicht regelbar, insbesondere Ventil, Klappe, Drossel, Blende et ceteraAdjusting means, (on) controllable, (controllable), not controllable, in particular valve, flap, throttle, aperture et cetera
3030
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
3131
Pfad, Versorgungspfad, Strömungspfad, Kathoden-VersorgungspfadPath, supply path, flow path, cathode supply path
3232
Pfad, Abgaspfad, Strömungspfad, Kathoden-AbgaspfadPath, exhaust path, flow path, cathode exhaust path
3333
Verdichter, Kathodenverdichter, Kompressor, gegebenenfalls eines AbgasturboladersCompressor, cathode compressor, compressor, optionally an exhaust gas turbocharger
3434
Motor, insbesondere Elektromotor oder Antrieb (gegebenenfalls inklusive Getriebe)Motor, in particular electric motor or drive (if necessary including gear)
3535
Elektronik, insbesondere Leistungselektronik für den Motor 34 Electronics, in particular power electronics for the motor 34
3636
Turbine mit gegebenenfalls variabler Turbinengeometrie, Kathodenturbine, Expander, gegebenenfalls eines AbgasturboladersTurbine with optionally variable turbine geometry, cathode turbine, expander, possibly an exhaust gas turbocharger
3737
Wastegate, Wastegate-LeitungWastegate, Wastegate pipe
3838
Stellmittel, (ein)regelbar, (an)steuerbar, nicht regelbar, insbesondere Ventil, Klappe, Drossel, Blende et ceteraAdjusting means, (on) controllable, (controllable), not controllable, in particular valve, flap, throttle, aperture et cetera
101101
stromaufwärtige Teilbrennstoffzelle, Teilbrennstoffzellenstapelupstream partial fuel cell, partial fuel cell stack
102102
stromabwärtige Teilbrennstoffzelle, Teilbrennstoffzellenstapeldownstream partial fuel cell, partial fuel cell stack
110110
Befeuchter, FeuchteübertragerHumidifier, moisture transmitter
120120
Verbindungsleitung zwischen den Teilbrennstoffzellen 101, 102 Connecting line between the partial fuel cells 101 . 102
130130
zusätzlicher Pfad, Versorgungspfad, Strömungspfad, Kathoden-Versorgungspfadadditional path, supply path, flow path, cathode supply path
132132
Stellmittel, (ein)regelbar, (an)steuerbar, nicht regelbar, insbesondere Ventil, Klappe, Drossel, Blende et ceteraAdjusting means, (on) controllable, (controllable), not controllable, in particular valve, flap, throttle, aperture et cetera
133133
zusätzlicher Verdichter, Kathodenverdichter, Kompressor, gegebenenfalls eines Abgasturboladersadditional compressor, cathode compressor, compressor, possibly an exhaust gas turbocharger

Claims (10)

Kathodenversorgung (30) für eine Mehrfach-Brennstoffzelle (10; 101, 102) eines Brennstoffzellensystems (1) mit wenigstens zwei in einer Fluidflussrichtung eines Kathoden-Betriebsmediums (5) in Reihe geschalteten Teilbrennstoffzellen (101, 102), wobei eine stromaufwärtige Teilbrennstoffzelle (101) mit einem befeuchteten Kathoden-Betriebsmedium (5) versorgbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine stromabwärtige Teilbrennstoffzelle (102) mit einem unbefeuchteten Kathoden-Betriebsmedium (5) versorgbar ist, wobei dem unbefeuchteten Kathoden-Betriebsmedium (5) ein Kathoden-Abgas (6) wenigstens einer oder der stromaufwärtigen Teilbrennstoffzelle (101) zumischbar ist.Cathode supply ( 30 ) for a multiple fuel cell ( 10 ; 101 . 102 ) of a fuel cell system ( 1 ) with at least two in a fluid flow direction of a cathode operating medium ( 5 ) series-connected partial fuel cells ( 101 . 102 ), wherein an upstream partial fuel cell ( 101 ) with a moistened cathode operating medium ( 5 ), characterized in that a downstream partial fuel cell ( 102 ) with a non-moistened cathode operating medium ( 5 ), wherein the non-moistened cathode operating medium ( 5 ) a cathode exhaust gas ( 6 ) at least one or the upstream partial fuel cell ( 101 ) is immiscible. Kathodenversorgung (30) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathodenversorgung (30) einen Befeuchter (110) aufweist, wobei durch den Befeuchter (110) einerseits ein zu befeuchtendes Kathoden-Betriebsmedium (5) für die stromaufwärtige Teilbrennstoffzelle (101) hindurchströmbar vorgesehen ist und durch den Befeuchter (110) andererseits ein zu entfeuchtendes Kathoden-Abgas (5) wenigstens einer oder der stromabwärtigen Teilbrennstoffzelle (102) hindurchströmbar vorgesehen ist.Cathode supply ( 30 ) according to claim 1, characterized in that the cathode supply ( 30 ) a humidifier ( 110 ), whereby through the humidifier ( 110 ) on the one hand a to be humidified cathode operating medium ( 5 ) for the upstream partial fuel cell ( 101 ) is provided and through the humidifier ( 110 On the other hand, a cathode exhaust to be dehumidified ( 5 ) at least one or the downstream partial fuel cell ( 102 ) is provided hindurchströmbar. Kathodenversorgung (30) gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das unbefeuchtete Kathoden-Betriebsmedium (5) stromabwärts an der stromaufwärtigen Teilbrennstoffzelle (101) an einer Verbindungsleitung (120) zwischen den Teilbrennstoffzellen (101, 102) oder stromaufwärts an der stromabwärtigen Teilbrennstoffzelle (102) dem Kathoden-Abgas (6) von der stromaufwärtigen Teilbrennstoffzelle (101) zumischbar ist.Cathode supply ( 30 ) according to claim 1 or 2, characterized in that the unhumidated cathode operating medium ( 5 ) downstream of the upstream partial fuel cell ( 101 ) on a connecting line ( 120 ) between the partial fuel cells ( 101 . 102 ) or upstream of the downstream partial fuel cell ( 102 ) the cathode exhaust ( 6 ) from the upstream partial fuel cell ( 101 ) is immiscible. Kathodenversorgung (30) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathodenversorgung (30) für das Zumischen des unbefeuchteten Kathoden-Betriebsmediums (5) einen zusätzlichen Kathoden-Versorgungspfad (130) aufweist, mittels welchem das unbefeuchtete Kathoden-Betriebsmedium (5) dem Kathoden-Abgas (6) von der stromaufwärtigen Teilbrennstoffzelle (101) fluidmechanisch beigebbar ist, wobei an/in dem zusätzlichen Kathoden-Versorgungspfad (130) bevorzugt ein Stellmittel (132) vorgesehen ist.Cathode supply ( 30 ) according to one of claims 1 to 3, characterized in that the cathode supply ( 30 ) for admixing the unhumidified cathode operating medium ( 5 ) an additional cathode supply path ( 130 ) by means of which the unhumidated cathode operating medium ( 5 ) the cathode exhaust ( 6 ) from the upstream partial fuel cell ( 101 ) is fluidmechanisch available, wherein at / in the additional cathode supply path ( 130 ) preferably a setting agent ( 132 ) is provided. Kathodenversorgung (30) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass mittels einer Skalierung der Teilbrennstoffzellen (101, 102) zueinander eine Feuchte des mit dem Kathoden-Abgas (6) von der stromaufwärtigen Teilbrennstoffzelle (101) gemischten unbefeuchteten Kathoden-Betriebsmediums (5) an der stromabwärtigen Teilbrennstoffzelle (101) und/oder eine Größe des Befeuchters (110) einstellbar sind.Cathode supply ( 30 ) according to one of claims 1 to 4, characterized in that by means of a scaling of the partial fuel cells ( 101 . 102 ) to each other a humidity of the with the cathode exhaust ( 6 ) from the upstream partial fuel cell ( 101 ) mixed unhumidated cathode operating medium ( 5 ) at the downstream partial fuel cell ( 101 ) and / or a size of the humidifier ( 110 ) are adjustable. Kathodenversorgung (30) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathodenversorgung (30) einen Kathodenverdichter (33) aufweist, mittels welchem sowohl die stromaufwärtige Teilbrennstoffzelle (101) mit dem befeuchteten Kathoden-Betriebsmedium (5) als auch die stromabwärtige Teilbrennstoffzelle (101) mit dem unbefeuchteten Kathoden-Betriebsmedium (5) versorgbar sind.Cathode supply ( 30 ) according to one of claims 1 to 5, characterized in that the cathode supply ( 30 ) a cathode compressor ( 33 ), by means of which both the upstream partial fuel cell ( 101 ) with the moistened cathode operating medium ( 5 ) as well as the downstream partial fuel cell ( 101 ) with the unhumidated cathode operating medium ( 5 ) are available. Kathodenversorgung (30) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathodenversorgung (30) für einen Transport des befeuchtbaren Kathoden-Betriebsmediums (5) an/in einem Kathoden-Versorgungspfad (31) einen Kathodenverdichter (33) aufweist und die Kathodenversorgung (30) für einen Transport des unbefeuchteten Kathoden-Betriebsmediums (5) am/im zusätzlichen Kathoden-Versorgungspfad (130) einen zusätzlichen Kathodenverdichter (133) aufweist.Cathode supply ( 30 ) according to one of claims 1 to 5, characterized in that the cathode supply ( 30 ) for transporting the humidifying cathode operating medium ( 5 ) on / in a cathode supply path ( 31 ) a cathode compressor ( 33 ) and the cathode supply ( 30 ) for transporting the unhumidified cathode operating medium ( 5 ) on / in the additional cathode supply path ( 130 ) an additional cathode compressor ( 133 ) having. Kathodenversorgung (30) gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass: • sowohl der Kathodenverdichter (33) als auch der zusätzliche Kathodenverdichter (133) zusammen mittels eines Elektromotors (34) antreibbar sind; • der Kathodenverdichter (33) mittels einer Kathodenturbine (36) und der zusätzliche Kathodenverdichter (133) mittels eines Elektromotors (34) antreibbar ist; oder • der Kathodenverdichter (33) mittels eines Elektromotors (34) und der zusätzliche Kathodenverdichter (133) mittels einer Kathodenturbine (36) antreibbar ist.Cathode supply ( 30 ) according to claim 7, characterized in that: Both the cathode compressor ( 33 ) as well as the additional cathode compressor ( 133 ) together by means of an electric motor ( 34 ) are drivable; The cathode compressor ( 33 ) by means of a cathode turbine ( 36 ) and the additional cathode compressor ( 133 ) by means of an electric motor ( 34 ) is drivable; or • the cathode compressor ( 33 ) by means of an electric motor ( 34 ) and the additional cathode compressor ( 133 ) by means of a cathode turbine ( 36 ) is drivable. Verfahren zum Versorgen der Kathoden von Teilbrennstoffzellen (101, 102) einer Mehrfach-Brennstoffzelle (10; 101, 102) eines Brennstoffzellensystems (1), insbesondere eines Fahrzeugs, mit einem Kathoden-Betriebsmedium (5), wobei in einer Fluidflussrichtung des Kathoden-Betriebsmediums (5) durch die Mehrfach-Brennstoffzelle (10; 101, 102) hindurch, eine stromaufwärtige Teilbrennstoffzelle (101) mit einem befeuchteten Kathoden-Betriebsmedium (5) versorgt wird, dadurch gekennzeichnet, dass in Bezug auf die Fluidflussrichtung des Kathoden-Betriebsmediums (5), eine stromabwärtige Teilbrennstoffzelle (102) mit einem unbefeuchteten Kathoden-Betriebsmedium (5) und einem Kathoden-Abgas (6) wenigstens einer oder der stromaufwärtigen Teilbrennstoffzelle (101) versorgt wird.Method for supplying the cathodes of partial fuel cells ( 101 . 102 ) of a multiple fuel cell ( 10 ; 101 . 102 ) of a fuel cell system ( 1 ), in particular a vehicle, with a cathode operating medium ( 5 ), wherein in a fluid flow direction of the cathode operating medium ( 5 ) through the multiple fuel cell ( 10 ; 101 . 102 ), an upstream partial fuel cell ( 101 ) with a moistened cathode operating medium ( 5 ), characterized in that with respect to the fluid flow direction of the cathode operating medium ( 5 ), a downstream partial fuel cell ( 102 ) with a non-moistened cathode operating medium ( 5 ) and a cathode exhaust ( 6 ) at least one or the upstream partial fuel cell ( 101 ) is supplied. Brennstoffzellensystem (1) oder Fahrzeug, insbesondere Elektrofahrzeug, mit einem Brennstoffzellensystem (1), dadurch gekennzeichnet, dass das Brennstoffzellensystem (1) eine Kathodenversorgung (30) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8 aufweist und/oder das Brennstoffzellensystem (1) eingerichtet ist, ein Verfahren zum Versorgen von Teilbrennstoffzellen (101, 102) mit einem Kathoden-Betriebsmedium (5) gemäß Anspruch 9 durchzuführen.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 cathode supply ( 30 ) according to one of claims 1 to 8 and / or the fuel cell system ( 1 ), a method for supplying partial fuel cells ( 101 . 102 ) with a cathode operating medium ( 5 ) according to claim 9.
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