DE102016009932A1 - Device for supplying air to a fuel cell - Google Patents

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Pranav Satheesh
Vaikunth Shanbhag
Christian Dülk
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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Luftversorgung einer Brennstoffzelle (3) mit einem Verdichter (9) und einer Sauerstoffanreicherungsvorrichtung (17), welche von der verdichteten Zuluft nach dem Verdichter (9) ganz oder teilweise durchströmt ist, und mit einer Ableitung (18) für aus der Luft abgetrenntes inertes Gas. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Verdichter (9) für ihre wenigstens eine Welle (19) wenigstens ein Gaslager (20) aufweist, welches mit der Ableitung (18) verbunden ist.The invention relates to a device for supplying air to a fuel cell (3) with a compressor (9) and an oxygen enrichment device (17), which is completely or partially flowed through by the compressed supply air to the compressor (9), and with a derivative (18) for inert gas separated from the air. The device according to the invention is characterized in that the compressor (9) for its at least one shaft (19) has at least one gas bearing (20) which is connected to the discharge line (18).

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Luftversorgung einer Brennstoffzelle nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art. Außerdem betrifft sie die Verwendung einer derartigen Luftversorgungsvorrichtung.The invention relates to a device for supplying air to a fuel cell according to the closer defined in the preamble of claim 1. Art also relates to the use of such an air supply device.

Als gattungsgemäßer Stand der Technik kann die DE 196 29 265 A1 angesehen werden. Hierin wird ein Verfahren und eine Anlage zur Leistungsanpassung einer Brennstoffzelle beschrieben, in welcher über eine Sauerstoffanreicherungsvorrichtung, welche im Wesentlichen Stickstoff aus der verdichteten Luft entfernt, der Sauerstoffgehalt der der Brennstoffzelle zuströmenden Luft erhöht wird. Der Aufbau ist dabei seriell zur Brennstoffzelle angeordnet. Die Sauerstoffanreicherungsvorrichtung kann beispielsweise eine Membrantrenneinheit, eine Druckwechsel-Adsorptions- oder Absorptionseinheit, eine Gaszentrifugeneinheit, eine Kryoanlage oder ähnliches sein. Der Nachteil bei diesem Aufbau liegt insbesondere darin, dass der Stickstoff einen großen Anteil an der verdichteten Luft ausmacht, welcher dann nicht für die Brennstoffzelle genutzt werden kann, sodass ein vergleichsweise hoher Energiebedarf zum Verdichten des nicht benötigten Anteils aus der Luft entsteht.As a generic state of the art, the DE 196 29 265 A1 be considered. Herein, a method and a plant for power adjustment of a fuel cell is described in which an oxygen enrichment device, which substantially removes nitrogen from the compressed air, the oxygen content of the air flowing into the fuel cell is increased. The structure is arranged serially to the fuel cell. The oxygenating device may be, for example, a membrane separation unit, a pressure swing adsorption or absorption unit, a gas centrifuge unit, a cryogenic apparatus or the like. The disadvantage of this design is, in particular, that the nitrogen accounts for a large proportion of the compressed air, which then can not be used for the fuel cell, so that a comparatively high energy requirement for compressing the unused portion from the air.

Ein vergleichbarer Aufbau ist außerdem aus der JP 2006-066204 A bekannt. Hierbei ist der Aufbau nicht seriell in der Zuluftleitung angeordnet, sondern ist parallel zu einem weiteren Teil der Zuluftleitung, welche einen Befeuchter aufweist, angeordnet. Hierdurch lässt sich durch eine Mischung von an Sauerstoff angereicherter Luft und hinsichtlich des Sauerstoffgehalts unbehandelter Luft der Sauerstoffgehalt beim Eintritt in die Brennstoffzelle einstellen.A comparable structure is also from the JP 2006-066204 A known. In this case, the structure is not arranged serially in the supply air line, but is arranged parallel to a further part of the supply air line, which has a humidifier. This makes it possible to adjust the oxygen content on entering the fuel cell by a mixture of oxygen-enriched air and the oxygen content of untreated air.

Eine weitere Schrift, welche die Sauerstoffanreicherung über eine Druckwechseladsorption bewerkstelligt, und welche den bereits verdichteten aber nicht in der Brennstoffzelle benötigten Stickstoff über eine Turbine zum Antrieb des Verdichters abströmen lässt, ist ferner aus der US 2008/0160387 A1 bekannt.A further document, which accomplishes the oxygen enrichment via a pressure swing adsorption, and which allows the nitrogen already compressed but not required in the fuel cell via a turbine to drive the compressor, is further from the US 2008/0160387 A1 known.

Letztlich kann außerdem auf einen Aufbau hingewiesen werden, welcher eine Sauerstoffanreicherung in einer Rezirkulation um den Verdichter zeigt. Dies ist in der DE 10 2011 100 839 A1 offenbart.Finally, reference may also be made to a design which shows oxygen enrichment in a recirculation around the compressor. This is in the DE 10 2011 100 839 A1 disclosed.

Zum weiteren Stand der Technik existiert außerdem die DE 10 2013 203 313 A1 , welche eine Stickstoffabreicherung in der Rezirkulationsleitung auf der Anodenseite einer Brennstoffzelle beschreibt.For further prior art also exists the DE 10 2013 203 313 A1 which describes a nitrogen depletion in the recirculation line on the anode side of a fuel cell.

Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Luftversorgung einer Brennstoffzelle zu schaffen, welche energetische Verbesserungen gegenüber den Aufbauten aus dem Stand der Technik ermöglicht.The object of the present invention is to provide a device for supplying air to a fuel cell, which allows energy improvements over the structures of the prior art.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen im Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen. Eine besonders bevorzugte Verwendung ist im Anspruch 9 angegeben.According to the invention this object is achieved by a device having the features in claim 1. Advantageous embodiments and further developments emerge from the subclaims dependent thereon. A particularly preferred use is specified in claim 9.

Beider erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es so, dass auch diese eine Sauerstoffanreicherungsvorrichtung aufweist, welche von der verdichteten Luft nach dem Verdichter ganz oder teilweise durchströmt ist, und welche eine Ableitung für den aus der Luft abgetrennten Stickstoff aufweist. Erfindungsgemäß ist der Verdichter zur Bereitstellung der verdichteten Zuluft so ausgebildet, dass er für die wenigstens eine Welle ein Gaslager aufweist, welches mit der Ableitung verbunden ist. Der bereits verdichtete Anteil der Luft, welcher in der Sauerstoffanreicherungsvorrichtung abgetrennt wird, also im Wesentlichen der Stickstoff, wird bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung genutzt, um ein Gaslager des Verdichters zu betreiben bzw. zu kühlen. Hierdurch entsteht eine ideale Nutzanwendung, da ansonsten Luft für diesen Zweck hätte verwendet werden müssen, welche ebenfalls entsprechend verdichtet wird. Diese Luft enthält jedoch Sauerstoff, der in der Brennstoffzelle noch umgesetzt werden kann. Wird das Gaslager nun dagegen mit dem zur Umsetzung in der Brennstoffzelle nicht geeigneten Stickstoff betrieben, ergibt sich dadurch ein weiterer energetischer Vorteil. Darüber hinaus ist durch die Sauerstoffanreicherung, welche auf die allgemein bekannte Art und Weise erfolgen kann, eine Verbesserung des stöchiometrischen Verhältnisses zwischen Wasserstoff und Sauerstoff in der Brennstoffzelle und damit eine Verbesserung der Leistung der Brennstoffzelle möglich.The device according to the invention is such that it also has an oxygen enrichment device, which is flowed through by the compressed air after the compressor in whole or in part, and which has a discharge for the separated nitrogen from the air. According to the invention, the compressor for providing the compressed supply air is designed such that it has a gas bearing for the at least one shaft, which is connected to the discharge line. The already compressed portion of the air, which is separated in the oxygenating device, that is essentially nitrogen, is used in the device according to the invention to operate or cool a gas bearing of the compressor. This creates an ideal utility application, since otherwise air would have to be used for this purpose, which is also compressed accordingly. However, this air contains oxygen, which can still be implemented in the fuel cell. On the other hand, if the gas bearing is operated with the nitrogen which is not suitable for the reaction in the fuel cell, this results in a further energy advantage. In addition, by the oxygen enrichment, which can be done in the well-known manner, an improvement of the stoichiometric ratio between hydrogen and oxygen in the fuel cell and thus an improvement in the performance of the fuel cell possible.

Gemäß einer weiteren sehr günstigen Ausgestaltung der Idee ist der Verdichter zusammen mit einer elektrischen Maschine und einer Abluftturbine als elektrischer bzw. motorunterstützter Turbolader ausgebildet. Dieser Aufbau sieht es vor, dass der Verdichter, vorzugsweise ein Strömungsverdichter und eine Abluftturbine, zusammen mit einer elektrischen Maschine zu einer Baueinheit zusammengefasst sind. In diesem Fall kann über die Abluftturbine Energie aus der Abluft der Brennstoffzelle zurückgewonnen werden. Dies ermöglicht einen weiteren energetischen Vorteil.According to a further very favorable embodiment of the idea, the compressor is designed together with an electric machine and an exhaust air turbine as an electric or motor-assisted turbocharger. This structure provides that the compressor, preferably a flow compressor and an exhaust air turbine, are combined together with an electric machine to form a structural unit. In this case, energy can be recovered from the exhaust air of the fuel cell via the exhaust air turbine. This allows a further energetic advantage.

Gemäß einer weiteren sehr günstigen Ausgestaltung dieser Idee ist es dabei nun so, dass die Ableitung seriell nach oder parallel zu dem Gaslager mit dem Eingang der Abluftturbine verbunden ist. Verdichteter Stickstoff, welcher über die Ableitung aus dem Bereich der Sauerstoffanreicherungsvorrichtung abgeleitet wird, kann also beispielsweise zwischen der Abluftturbine und dem Gaslager aufgeteilt werden, oder kann seriell nach dem Gaslager über die Abluftturbine in die Umgebung abströmen. Damit kann hierin verbliebene Restenergie über die Abluftturbine zurückgewonnen werden.According to a further very favorable embodiment of this idea, it is now so that the derivative is connected in series to or parallel to the gas bearing with the input of the exhaust air turbine. Compressed nitrogen, which is derived via the discharge from the region of the oxygenating device, so can for example, be divided between the exhaust turbine and the gas bearing, or can flow out in series to the gas bearing via the exhaust air turbine into the environment. This residual energy remaining here can be recovered via the exhaust air turbine.

Die Sauerstoffanreicherungsvorrichtung kann wie im eingangs genannten Stand der Technik beschrieben in beliebiger Art und Weise ausgebildet sein. Gemäß einer besonders günstigen Weiterbildung der Idee soll diese jedoch Membranen zur Trennung von Sauerstoff und Stickstoff aufweisen. Eine Sauerstoffanreicherungsvorrichtung, welche über Membranen verfügt, ist typischerweise klein und einfach in ihrem Aufbau. Sie kann entsprechend kostengünstig zur Verfügung gestellt werden. Dies stellt einen erheblichen Vorteil dar, insbesondere bei mobilen Anwendungen, wie dem Einsatz in einem Kraftfahrzeug. Zwar lassen sich hierdurch keine so hohen Stickstoffmengen aus der Luft entfernen, wie beispielsweise bei einer Anlage zur Druckwechseladsorption. Für die gewünschte Anreicherung der Luft mit Sauerstoff für die Brennstoffzelle ist dies jedoch in jedem Fall ausreichend, sodass hier eindeutig die Vorteile hinsichtlich des einfachen, leichten, kompakten und kostengünstigen Aufbaus überwiegen.The oxygenating device may be designed in any manner as described in the aforementioned prior art. According to a particularly favorable development of the idea, however, it should have membranes for the separation of oxygen and nitrogen. An oxygenating device having membranes is typically small and simple in construction. It can be made available at low cost. This represents a significant advantage, especially in mobile applications, such as use in a motor vehicle. Admittedly, it is not possible to remove such high amounts of nitrogen from the air as, for example, in a pressure swing adsorption plant. For the desired enrichment of the air with oxygen for the fuel cell, however, this is sufficient in any case, so clearly outweigh the advantages in terms of simple, lightweight, compact and inexpensive construction.

Vergleichbar wie in den beiden eingangs genannten Schriften zum Stand der Technik kann die Sauerstoffanreicherungsvorrichtung dabei in der Zuluftleitung angeordnet sein, oder sie kann gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Idee auch parallel zu der Zuluftleitung angeordnet sein, wobei wenigstens eine Ventileinrichtung vorgesehen ist, über welche der Anteil der durch die Sauerstoffanreicherungsvorrichtung strömenden Zuluft einstellbar ist. Insbesondere dieser zweite Aufbau ermöglicht eine Verringerung der Druckverluste. Die Menge an Sauerstoff in der Zuluftleitung lässt sich durch die Ventileinrichtung beeinflussen, sodass die höheren Druckverluste, welche in der Sauerstoffanreicherungsvorrichtung gegenüber der parallel dazu verlaufenden Zuluftleitung auftreten nur dann in Kauf genommen werden müssen, wenn eine entsprechende Anreicherung an Sauerstoff aufgrund des Betriebspunkts der Brennstoffzelle notwendig und sinnvoll ist.Comparable as in the two prior art documents mentioned above, the oxygenating device can be arranged in the supply air line, or it can also be arranged parallel to the supply air line according to an advantageous development of the idea, wherein at least one valve device is provided, via which the proportion the supply air flowing through the oxygenating device is adjustable. In particular, this second structure allows a reduction in pressure losses. The amount of oxygen in the supply air line can be influenced by the valve device, so that the higher pressure losses which occur in the oxygenating device compared to the parallel running Zuluftleitung must be accepted only if a corresponding enrichment in oxygen due to the operating point of the fuel cell necessary and makes sense.

Gemäß einer weiteren sehr günstigen Ausgestaltung der Idee kann es ferner vorgesehen sein, dass die Sauerstoffanreicherungsvorrichtung in oder parallel zur Zuluftleitung in Strömungsrichtung der verdichteten Zuluft vor einem Befeuchter angeordnet ist. Dieser Aufbau hat dabei den entscheidenden Vorteil, dass nur die Menge des Gases, welche auch tatsächlich zur Brennstoffzelle strömt, befeuchtet wird. Der abgetrennte Stickstoff, welcher in das Gaslager strömt, wird also nicht befeuchtet, was einerseits dem Gaslager zu Gute kommt, und was andererseits die Befeuchtung des tatsächlich zu der Brennstoffzelle strömenden an Sauerstoff angereicherten Zuluftstroms verbessert, bzw. die Baugröße des Befeuchters reduzieren kann, um die gewünschte/benötigte Feuchte am Eingang der Brennstoffzelle einstellen zu können.According to a further very favorable embodiment of the idea, it can further be provided that the oxygenating device is arranged in or parallel to the supply air line in the flow direction of the compressed supply air in front of a humidifier. This design has the decisive advantage that only the amount of gas that actually flows to the fuel cell is moistened. The separated nitrogen flowing into the gas bearing is thus not moistened, which on the one hand benefits the gas bearing, and on the other hand improves the humidification of the actually enriched to the fuel cell oxygen enriched supply air flow, or reduce the size of the humidifier to be able to set the desired / required humidity at the input of the fuel cell.

Der Aufbau eignet sich insbesondere zum Einsatz in einem Brennstoffzellensystem, bei welchem eine Brennstoffzelle mit Luft versorgt wird, und bei welcher das Brennstoffzellensystem zur Bereitstellung von Antriebsleistung in einem Fahrzeug dient. insbesondere bei solchen Systemen ist der Vorteil der Sauerstoffanreicherung erheblich. Hierdurch lässt sich eine Verbesserung der Leistung bei vergleichsweise kleiner Brennstoffzelle erzielen. Vor allem durch den Einsatz einer Sauerstoffanreicherungsvorrichtung auf der Basis vom Membranen, wie oben beschrieben, entsteht darüber hinaus der Vorteil, dass dieser Aufbau nicht übermäßig groß, schwer und teuer ist, und sich somit ideal für den Einsatz im Fahrzeug eignet. Insbesondere in der Kombination mit der Ausgestaltung, bei welcher der Befeuchter in Strömungsrichtung nach der Sauerstoffanreicherungsvorrichtung vorgesehen ist, lässt sich darüber hinaus Bauraum beim Befeuchter einsparen, sodass insgesamt nur mit minimal mehr Bauraum gerechnet werden muss. Dafür lassen sich jedoch erhebliche Vorteile hinsichtlich der Leistungsfähigkeit des Brennstoffzellensystems und damit des mit ihm ausgestatteten Fahrzeugs erreichen.The structure is particularly suitable for use in a fuel cell system in which a fuel cell is supplied with air, and in which the fuel cell system is used to provide drive power in a vehicle. especially in such systems, the advantage of oxygenation is significant. This makes it possible to achieve an improvement in performance with a comparatively small fuel cell. Above all, the use of an oxygen enrichment device based on the membrane, as described above, moreover has the advantage that this structure is not excessively large, heavy and expensive, and thus ideally suited for use in the vehicle. In particular, in combination with the embodiment in which the humidifier is provided in the flow direction after the oxygenating device, can also save space in the humidifier, so that in total only a minimal amount of space must be expected. However, considerable advantages can be achieved in terms of the performance of the fuel cell system and thus of the vehicle equipped with it.

Darüber hinaus ist es selbstverständlich auch möglich, die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Luftversorgung einer Brennstoffzelle in einem stationären System zu verwenden.Moreover, it is of course also possible to use the device according to the invention for supplying air to a fuel cell in a stationary system.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich außerdem aus dem Ausführungsbeispiel, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben ist.Further advantageous embodiments also emerge from the exemplary embodiment, which is described in more detail below with reference to the figures.

Dabei zeigen:Showing:

1 eine Ausführungsform eines Brennstoffzellensystems gemäß der Erfindung in einer ersten Ausführungsvariante; 1 an embodiment of a fuel cell system according to the invention in a first embodiment;

2 eine Ausführungsform eines Brennstoffzellensystems gemäß der Erfindung in einer zweiten Ausführungsvariante; 2 an embodiment of a fuel cell system according to the invention in a second embodiment;

3 eine mögliche Ausführungsform einer Sauerstoffanreicherungsvorrichtung; und 3 a possible embodiment of an oxygenating device; and

4 eine alternative mögliche Ausführungsform einer Sauerstoffanreicherungsvorrichtung. 4 an alternative possible embodiment of an oxygenating device.

In der Darstellung der 1 ist sehr stark schematisiert ein Fahrzeug 1 angedeutet, welches durch ein Brennstoffzellensystem 2 mit elektrischer Antriebsleistung versorgt werden soll. Den Kern des Brennstoffzellensystems 2 bildet dabei eine mit 3 bezeichnete PEM-Brennstoffzelle, welche einen Anodenbereich 4 und einen Kathodenbereich 5 aufweist. Der Anodenbereich 4 wird mit Wasserstoff (H2) versorgt, beispielsweise aus einem Druckgasspeicher. Über eine Rezirkulationsleitung 6 und eine Rezirkulationsfördereinrichtung in Form einer Gasstrahlpumpe 7 wird unverbrauchter Wasserstoff zurückgeführt. Über eine mit 8 bezeichnete Abblasleitung wird beispielsweise von Zeit zu Zeit oder in Abhängigkeit der Wasserstoffkonzentration in der Rezirkulationsleitung 6 Wasser und Gas aus der Rezirkulationsleitung 6 abgeblasen. Dieser Aufbau ist soweit bekannt, sodass auf die Anodenseite nicht weiter eingegangen werden muss.In the presentation of the 1 is very heavily schematized a vehicle 1 indicated by a fuel cell system 2 to be supplied with electrical drive power. The core of fuel cell system 2 forms one with 3 designated PEM fuel cell, which is an anode region 4 and a cathode region 5 having. The anode area 4 is supplied with hydrogen (H 2 ), for example from a compressed gas storage. Via a recirculation line 6 and a recirculation conveyor in the form of a gas jet pump 7 Unused hydrogen is recycled. About one with 8th designated discharge line, for example, from time to time or as a function of the hydrogen concentration in the recirculation line 6 Water and gas from the recirculation line 6 blown off. This structure is known so far, so on the anode side does not need to be discussed further.

Der Kathodenbereich 5 der Brennstoffzelle 3 wird mit Luft über eine Luftfördereinrichtung, insbesondere einen Verdichter 9, bevorzugt einen Strömungsverdichter, versorgt. Die Luft gelangt über eine Zuluftleitung 10 über einen beispielsweise durch eine Flüssigkeit gekühlten Ladeluftkühler 11 sowie einen Gas/Gas-Befeuchter 12 in den Kathodenbereich 5 der Brennstoffzelle 3. Abluft gelangt über eine Abluftleitung 13 wiederum in den Gas/Gas-Befeuchter 12 und gibt ihre Feuchte an die Zuluft in der Zuluftleitung 10 ab. Anschließend gelangt die Abluft, beispielsweise zusammen mit dem Abgas aus der Abblasleitung 8, in eine gemeinsame Abgasleitung 14. Über eine Abluftturbine 15 wird das darin befindliche Abgas in die Umgebung entspannt. Die Abluftturbine 15 ist insbesondere zusammen mit dem Verdichter 9 und einer elektrischen Maschine 16 als Baueinheit, als sogenannter elektrischer Turbolader oder motorunterstützter Turbolader, ausgebildet. So kann die in der Abluftturbine 15 anfallende Energie unmittelbar zum Antrieb des. Verdichters 9 genutzt werden. Zusätzlich erforderliche Antriebsleistung wird durch die elektrische Maschine 16 im motorischen Betrieb bereitgestellt. Sollte in bestimmten Situationen mehr Energie im Bereich der Abluftturbine 15 anfallen, als von dem Verdichter 9 benötigt wird, dann kann die elektrische Maschine 16 auch generatorisch betrieben werden, um die in der Abluftturbine 15 anfallende Energie in elektrische Energie umzuwandeln.The cathode area 5 the fuel cell 3 is supplied with air via an air conveyor, in particular a compressor 9 , preferably a flow compressor, supplied. The air passes through an air supply line 10 via a charge air cooler cooled by a liquid, for example 11 and a gas / gas humidifier 12 in the cathode area 5 the fuel cell 3 , Exhaust air passes through an exhaust air line 13 turn into the gas / gas humidifier 12 and gives its moisture to the supply air in the supply air line 10 from. Subsequently, the exhaust air passes, for example, together with the exhaust gas from the discharge line 8th , in a common exhaust pipe 14 , Via an exhaust air turbine 15 the exhaust gas is released into the environment. The exhaust air turbine 15 is in particular together with the compressor 9 and an electric machine 16 as a structural unit, as a so-called electric turbocharger or engine-assisted turbocharger formed. So can the exhaust air turbine 15 accumulating energy directly to drive the. Compressor 9 be used. Additionally required drive power is provided by the electric machine 16 provided in motor operation. Should in certain situations more energy in the exhaust air turbine 15 incurred as from the compressor 9 is needed, then the electric machine 16 also be operated as a generator, in the exhaust air turbine 15 convert accumulating energy into electrical energy.

Soweit ist dieser Aufbau aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. ergänzend ist es nun vorgesehen, dass in der Zuluftleitung 10, und dies ist in der Darstellung der 1 zwischen dem Verdichter 9 und dem Ladeluftkühler 11 dargestellt, eine Sauerstoffanreicherungsvorrichtung 17 vorgesehen ist. Diese Sauerstoffanreicherungsvorrichtung 17 ist dabei so ausgestaltet, dass in ihr Sauerstoff und Stickstoff in der Luft getrennt werden. Der Stickstoff gelangt dann über eine mit 18 bezeichnete Ableitung aus der Sauerstoffanreicherungsvorrichtung 17, während die an Stickstoff reduzierte und damit an Sauerstoff angereicherte Luft in dem Ausführungsbeispiel der 1 weiter zu dem Ladeluftkühler 11 und von dort über den Befeuchter 12 in den Kathodenbereich 5 der Brennstoffzelle 3 strömt. Durch die Anreicherung an Sauerstoff ergeben sich erhebliche Vorteile hinsichtlich der Leistungsfähigkeit der Brennstoffzelle, wie es aus dem Stand der Technik bekannt ist.As far as this structure is known from the general state of the art. In addition, it is now envisaged that in the supply air line 10 , and this is in the presentation of 1 between the compressor 9 and the intercooler 11 shown, an oxygenating device 17 is provided. This oxygenating device 17 It is designed to separate oxygen and nitrogen in the air. The nitrogen then passes over one 18 designated derivative from the oxygenating device 17 , while the reduced nitrogen and thus oxygen-enriched air in the embodiment of the 1 continue to the intercooler 11 and from there via the humidifier 12 in the cathode area 5 the fuel cell 3 flows. The accumulation of oxygen results in considerable advantages in terms of the performance of the fuel cell, as known from the prior art.

Eine Welle des Verdichters 9, hier eine gemeinsame Welle 19 des Verdichters 9, der Abluftturbine 15 und der elektrischen Maschine 16, weist dabei wenigstens ein Gaslager 20 auf, wie es in der Darstellung der 1 angedeutet ist. Insbesondere ist die Welle 19 über mehrere Gaslager 20 entsprechend gelagert. Die Ableitung 18 führt nun in den Bereich des Gaslagers 20 und mündet, wie es in der Darstellung der 1 schematisch angedeutet ist, im Bereich des Gaslagers 20. Die Gasversorgung und Kühlung des Gaslagers 20 wird also über den in der Sauerstoffanreicherungsvorrichtung 17 abgeschiedenen Stickstoff bewerkstelligt. Der nach dem Verdichter 9 verdichtete Stickstoff wird also nicht einfach in die Umgebung abgeblasen, sondern kann hier einer Nutzanwendung in der Gaslagerung des Verdichters 9 bzw. des elektrischen Turboladers zugeführt werden. Die zur Verdichtung des Stickstoffanteils der Luft aufgebrachte Energie ist also nicht verschwendet, sondern wird sinnvoll weitergenutzt. Ist der Volumenstrom an Stickstoff dabei so groß, dass nur ein Teil des abgetrennten Stickstoffs für die Gaslager 20 benötigt wird, dann kann ein weiterer Teil, wie es in der Darstellung der 1 angedeutet ist, über eine Zweigleitung 21 der Ableitung 18 zum Eingang der Abluftturbine 15 strömen, um so in der Abluftturbine die darin noch enthaltene thermische Energie und Druckenergie zurückzugewinnen. Prinzipiell wäre es auch denkbar, das Gas nach dem Durchströmen des Gaslagers 20 dem Eingang der Abluftturbine 15 zuzuführen.A wave of the compressor 9 , here is a common wave 19 of the compressor 9 , the exhaust air turbine 15 and the electric machine 16 , has at least one gas bearing 20 on, as it in the representation of the 1 is indicated. In particular, the wave 19 over several gas bearings 20 stored accordingly. The derivative 18 now leads to the area of the gas storage 20 and flows, as in the presentation of the 1 is indicated schematically in the region of the gas bearing 20 , The gas supply and cooling of the gas warehouse 20 So is about the in the oxygenating device 17 deposited nitrogen accomplished. The one after the compressor 9 compressed nitrogen is therefore not simply blown off into the environment, but can here a Nutzanwendung in the gas storage of the compressor 9 or the electric turbocharger are supplied. The energy applied to compress the nitrogen content of the air is thus not wasted, but is meaningfully used. If the volume flow of nitrogen is so large that only a portion of the separated nitrogen for the gas bearings 20 is needed, then another part, as shown in the illustration of 1 is indicated via a branch line 21 the derivative 18 to the entrance of the exhaust air turbine 15 flow, so as to recover the contained therein thermal energy and pressure energy in the exhaust turbine. In principle, it would also be conceivable for the gas to flow through the gas bearing 20 the entrance of the exhaust air turbine 15 supply.

Der Aufbau in der Darstellung 2 unterscheidet sich von dem in der Darstellung 1 nur geringfügig, wobei für dieselben Bauteile dieselben Bezugszeichen verwendet worden sind, sodass hier nicht nochmal alles im Detail erläutert werden muss. Die Unterschiede bestehen im Wesentlichen darin, dass die Sauerstoffanreicherungsvorrichtung 17 nunmehr in Strömungsrichtung der verdichteten Zuluft nach dem Ladeluftkühler 11 in der Zuluftleitung 10 vorgesehen ist. Außerdem ist diese nicht unmittelbar in der Zuluftleitung angeordnet, sondern in einer mit 22 bezeichneten Zweigleitung, welche über eine Ventileinrichtung 23 von der Zuluftleitung abzweigt und nach der Sauerstoffanreicherungsvorrichtung 17 wieder in diese mündet. Hierdurch kann über die Ventileinrichtung 23 der Anteil der durch die Sauerstoffanreicherungsvorrichtung 17 strömenden Zuluft und der an dieser vorbeiströmenden Zuluft entsprechend eingestellt werden. Hierdurch lässt sich eine Einstellung des Sauerstoffgehalts je nach Betriebspunkt der Brennstoffzelle 3 realisieren. Dieser Aufbau wäre dabei selbstverständlich auch an der in 1 dargestellten Stelle zwischen der Luftfördereinrichtung 9 und dem Ladeluftkühler 11 denkbar. Genauso gut könnte in der Darstellung der 2 auch eine direkt seriell zum Ladeluftkühler 11 und dem Befeuchter 12 durchströmte Sauerstoffanreicherungsvorrichtung 17 zwischen dem Ladeluftkühler 11 und dem Befeuchter 12 vorgesehen sein.The construction in the presentation 2 is different from the one in the presentation 1 only slightly, the same reference numerals have been used for the same components, so that not everything has to be explained in detail again here. The differences are essentially that the oxygenating device 17 now in the flow direction of the compressed supply air after the intercooler 11 in the supply air line 10 is provided. In addition, this is not located directly in the supply air line, but in a with 22 designated branch line, which via a valve device 23 branches off from the supply air line and after the oxygenating device 17 again flows into this. This can be done via the valve device 23 the proportion of the oxygenating device 17 flowing supply air and the incoming air flowing past this are adjusted accordingly. This allows an adjustment of the oxygen content depending on the operating point of the fuel cell 3 realize. This structure would of course also be at the in 1 shown Place between the air conveyor 9 and the intercooler 11 conceivable. Just as well could in the representation of the 2 also a direct serial to the intercooler 11 and the humidifier 12 perfused oxygenating device 17 between the intercooler 11 and the humidifier 12 be provided.

Auch bei der Ausführung gemäß 2 führt die Ableitung 18 wiederum zum Gaslager 20 des Verdichters 9 und eine Zweigleitung 21 hiervon kann weiteres Gas in den Bereich der Abluftturbine 15 leiten.Also in the execution according to 2 leads the derivative 18 turn to the gas warehouse 20 of the compressor 9 and a branch line 21 This can be further gas in the field of exhaust air turbine 15 conduct.

Die Sauerstoffanreicherungsvorrichtung 17 kann dabei einen annähernd beliebigen Aufbau aufweisen, welcher zur Anreicherung von Sauerstoff, insbesondere zur Abscheidung von Stickstoff, geeignet ist. In der Darstellung der 3 ist rein beispielhaft ein Aufbau gezeigt, bei welchem zum Beispiel über Membranen eine Aufteilung eines mit A bezeichneten Luftstroms in der Vorrichtung 17 in der Art erfolgt, dass ein hier beispielhaft mit O2 bezeichneter sauerstoffhaltiger Gasstrom weiter zum Kathodenbereich 5 strömt, während ein beispielhaft mit N2 bezeichneter Gasstrom zu dem Gaslager 20 und gegebenenfalls der Turbine 15 strömen kann. Dieser Aufbau ist dabei mit einem einzigen Bett ausgebildet. Genauso gut wäre es denkbar, und ist so in der Darstellung der 4 angedeutet, dass zwei getrennte Betten 17.1 und 17.2 der Sauerstoffanreicherungsvorrichtungen 17 vorgesehen sind. Über mehrere in ihrer Gesamtheit mit 24 bezeichnete Ventile können so die beiden Betten 17.1, 17.2 der Sauerstoffanreicherungsvorrichtung 17 beispielsweise abwechselnd oder parallel zueinander betrieben werden.The oxygenating device 17 In this case, it can have an almost arbitrary structure which is suitable for the enrichment of oxygen, in particular for the separation of nitrogen. In the presentation of the 3 a construction is shown purely by way of example, in which, for example, via membranes, a distribution of an air stream designated A in the device 17 takes place in such a way that an oxygen-containing gas stream denoted herein by way of example with O 2 continues to the cathode region 5 flows during a gas flow denoted by way of example by N 2 to the gas bearing 20 and optionally the turbine 15 can flow. This structure is formed with a single bed. Just as well it would be conceivable, and is so in the representation of the 4 indicated that two separate beds 17.1 and 17.2 the oxygenating devices 17 are provided. Over several in their entirety with 24 designated valves can so the two beds 17.1 . 17.2 the oxygenating device 17 for example, be operated alternately or parallel to each other.

Der Aufbau kann insbesondere dann eingesetzt werden, wenn eines der Betten 17.1, 17.2 von Zeit zu Zeit regeneriert werden muss. Außerdem ist es möglich, den Aufbau dann einzusetzen, wenn unterschiedliche Sauerstoffanreicherungen je nach benötigter Leistung aus der Brennstoffzelle 3 benötigt werden. Dann kann beispielsweise nur eines der Betten 17.1 durchströmt werden, wenn eine geringere Anreicherung des Sauerstoffgehalts notwendig ist. Werden höhere Sauerstoffanteile benötigt, werden beide Betten 17.1 und 17.2 parallel durchströmt. Der Aufbau gemäß 4 hat dann den Vorteil, dass er für den Fall, dass nur eines der Betten 17.1 durchströmt wird, geringere Druckverluste aufweist bzw. die Druckverluste dem dann jeweils strömenden Volumenstrom durch die Parallelschaltung der durchströmten, Betten 17.1, 17.2 entsprechend angepasst werden kann.The structure can be used in particular if one of the beds 17.1 . 17.2 must be regenerated from time to time. In addition, it is possible to use the structure when different oxygen enrichments depending on the required power from the fuel cell 3 needed. Then, for example, only one of the beds 17.1 be flowed through, if a lower enrichment of the oxygen content is necessary. If higher oxygen levels are needed, both beds will be used 17.1 and 17.2 flows through in parallel. The structure according to 4 then has the advantage of being in the event that only one of the beds 17.1 is flowed through, has lower pressure losses or the pressure losses then each flowing volume flow through the parallel circuit of the flowed through, beds 17.1 . 17.2 can be adjusted accordingly.

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Claims (9)

Vorrichtung zur Luftversorgung einer Brennstoffzelle (3) mit einem Verdichter (9) und einer Sauerstoffanreicherungsvorrichtung (17), welche von der verdichteten Zuluft nach dem Verdichter (9) ganz oder teilweise durchströmt ist, und mit einer Ableitung (18) für aus der Luft abgetrenntes inertes Gas, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdichter (9) für ihre wenigstens eine Welle (19) wenigstens ein Gaslager (20) aufweist, welches mit der Ableitung (18) verbunden ist.Device for supplying air to a fuel cell ( 3 ) with a compressor ( 9 ) and an oxygenating device ( 17 ), which depends on the compressed supply air after the compressor ( 9 ) is completely or partially flowed through, and with a derivative ( 18 ) for inert gas separated from the air, characterized in that the compressor ( 9 ) for her at least one wave ( 19 ) at least one gas bearing ( 20 ), which with the derivative ( 18 ) connected is. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdichter (9) zusammen mit einer elektrischen Maschine (16) und einer Abluftturbine (15) als elektrischer Turbolader ausgebildet ist.Device according to claim 1, characterized in that the compressor ( 9 ) together with an electric machine ( 16 ) and an exhaust air turbine ( 15 ) is designed as an electric turbocharger. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ableitung (18) seriell nach oder parallel zu dem Gaslager (20) mit dem Eingang der Abluftturbine (15) verbunden ist.Device according to claim 2, characterized in that the derivative ( 18 ) serially to or parallel to the gas bearing ( 20 ) with the input of the exhaust air turbine ( 15 ) connected is. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Sauerstoffanreicherungsvorrichtung (17) Membranen zur Trennung von Sauerstoff und Stickstoff aufweist.Device according to claim 1, 2 or 3, characterized in that the oxygenating device ( 17 ) Has membranes for the separation of oxygen and nitrogen. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Sauerstoffanreicherungsvorrichtung (17) in der Zuluftleitung (10) angeordnet ist.Device according to one of claims 1 to 4, characterized in that the oxygenating device ( 17 ) in the supply air line ( 10 ) is arranged. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Sauerstoffanreicherungsvorrichtung (17) parallel zu der Zuluftleitung (10) angeordnet ist, wobei wenigstens eine Ventileinrichtung (23) vorgesehen ist, über welche der Anteil der durch die Sauerstoffanreicherungsvorrichtung (17) strömenden Zuluft einstellbar ist.Device according to one of claims 1 to 4, characterized in that the oxygenating device ( 17 ) parallel to the supply air line ( 10 ), wherein at least one valve device ( 23 ) is provided, via which the proportion of the by the oxygenating device ( 17 ) flowing supply air is adjustable. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Sauerstoffanreicherungsvorrichtung (17) in oder parallel zur Zuluftleitung (10) in Strömungsrichtung der verdichteten Zuluft vor einem Befeuchter (12) angeordnet ist.Device according to one of claims 1 to 6, characterized in that the oxygenating device ( 17 ) in or parallel to the supply air line ( 10 ) in the flow direction of the compressed supply air in front of a humidifier ( 12 ) is arranged. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Sauerstoffanreicherungsvorrichtung (17) zwei parallele Betten (17.1, 17.2) aufweist, welche über Ventile (24) so verschaltbar sind, dass jeweils eines der Betten (17.1, 17.2) oder beide Betten (17.1, 17.2) gemeinsam durchströmt sind.Device according to one of claims 1 to 7, characterized in that the oxygenating device ( 17 ) two parallel beds ( 17.1 . 17.2 ), which via valves ( 24 ) are interconnectable so that in each case one of the beds ( 17.1 . 17.2 ) or both beds ( 17.1 . 17.2 ) are flowed through together. Verwendung der Vorrichtung zur Luftversorgung einer Brennstoffzelle (3) in einem Brennstoffzellensystem (2), welches elektrische Antriebsleistung für ein Fahrzeug (1) bereitstellt.Use of the device for supplying air to a fuel cell ( 3 ) in a fuel cell system ( 2 ), which electrical drive power for a vehicle ( 1 ).
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