DE102016113740A1 - Conditioning module for a working medium of a fuel cell stack and fuel cell system and vehicle with this conditioning module - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Konditionierungsmodul (40) für ein Betriebsmedium, insbesondere ein Anodenbetriebsmedium oder Kathodenbetriebsmedium, eines Brennstoffzellenstapels (10). Das Konditionierungsmodul (40) ist eine Kombination von Wärmeübertrager, insbesondere Kühler, und Befeuchter mit besonders geringem Bauraumbedarf bei gleichzeitig hohem möglichen Durchsatz. Hierzu ist der Wärmeübertrager in einem ersten Volumen (42) und der Befeuchter in einem zweiten Volumen (43) angeordnet, wobei diese Volumen (42, 43) räumlich ineinander liegen. Mit anderen Worten ist in einem Querschnitt des Konditionierungsmoduls (40) eine erste Querschnittfläche (45) von einem von dem ersten und dem zweiten Volumen innerhalb einer zweiten Querschnittfläche (46) von dem anderen von dem ersten und dem zweiten Volumen angeordnet. Bevorzugt sind das erste (42) und zweite Volumen (43) konzentrische Zylinder. The invention relates to a conditioning module (40) for an operating medium, in particular an anode operating medium or cathode operating medium, of a fuel cell stack (10). The conditioning module (40) is a combination of heat exchangers, in particular radiator, and humidifier with very little space requirement with high possible throughput. For this purpose, the heat exchanger is arranged in a first volume (42) and the humidifier in a second volume (43), wherein these volumes (42, 43) are spatially in one another. In other words, in a cross-section of the conditioning module (40), a first cross-sectional area (45) of one of the first and second volumes is disposed within a second cross-sectional area (46) of the other of the first and second volumes. Preferably, the first (42) and second volumes (43) are concentric cylinders.

Figure DE102016113740A1_0001
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Description

Die Erfindung betrifft ein Konditionierungsmodul für ein Betriebsmedium, insbesondere für das Kathodenbetriebsmedium, eines Brennstoffzellenstapels sowie ein Brennstoffzellensystem mit einem solchen Konditionierungsmodul. Ferner betrifft die Erfindung ein Fahrzeug mit einem solchen Konditionierungsmodul beziehungsweise einem solchen Brennstoffzellensystem. The invention relates to a conditioning module for an operating medium, in particular for the cathode operating medium, a fuel cell stack and a fuel cell system with such a conditioning module. Furthermore, the invention relates to a vehicle with such a conditioning module or such a fuel cell system.

Brennstoffzellen nutzen die chemische Umsetzung eines Brennstoffs mit Sauerstoff zu Wasser zum Erzeugen elektrischer Energie. Hierfür weisen Brennstoffzellen als Kernkomponente eine Membran-Elektroden-Anordnung (MEA – membrane electrode assembly) auf. Diese wird durch eine protonenleitende Membran gebildet, an der beidseitig katalytische Elektroden angeordnet sind. Dabei trennt die Membran den der Anode zugeordneten Anodenraum und den der Kathode zugeordneten Kathodenraum gasdicht voneinander und isoliert diese elektrisch. Auf den nicht der Membran zugewandten Seiten der Elektroden können zudem Gasdiffusionslagen angeordnet sein. Fuel cells use the chemical conversion of a fuel with oxygen to water to generate electrical energy. For this purpose, fuel cells as a core component to a membrane-electrode assembly (MEA - membrane electrode assembly) on. This is formed by a proton-conducting membrane, on both sides of which catalytic electrodes are arranged. In this case, the membrane separates the anode chamber associated with the anode and the cathode chamber associated with the cathode gas-tight from each other and electrically isolated. In addition, gas diffusion layers can be arranged on the non-membrane-facing sides of the electrodes.

Im Betrieb der Brennstoffzelle wird ein wasserstoffhaltiger Brennstoff der Anode zugeführt, an der eine elektrochemische Oxidation von H2 zu H+ unter Abgabe von Elektronen erfolgt. Über die elektrolytische Membran erfolgt ein wassergebundener oder wasserfreier Transport der Protonen H+ aus dem Anodenraum in den Kathodenraum. Die an der Anode bereitgestellten Elektronen werden über eine elektrische Leitung der Kathode zugeleitet. Der Kathode wird ein sauerstoffhaltiges Betriebsmedium zugeführt, sodass dort eine Reduktion von O2 zu O2 unter Aufnahme der Elektronen erfolgt. Diese Sauerstoffanionen reagieren im Kathodenraum mit den über die Membran transportierten Protonen unter Bildung von Wasser. Die direkte Umsetzung von chemischer in elektrische Energie ist nicht durch den Carnot-Faktor limitiert und weist daher gegenüber anderen Wärmekraftmaschinen einen verbesserten Wirkungsgrad auf. During operation of the fuel cell, a hydrogen-containing fuel is supplied to the anode, at which an electrochemical oxidation of H 2 to H + takes place with release of electrons. Via the electrolytic membrane, a water-bound or water-free transport of the protons H + from the anode space into the cathode space takes place. The electrons provided at the anode are supplied to the cathode via an electrical line. The cathode is supplied with an oxygen-containing operating medium, so that there is a reduction of O 2 to O 2 - taking the electrons. These oxygen anions react in the cathode compartment with the protons transported across the membrane to form water. The direct conversion of chemical into electrical energy is not limited by the Carnot factor and therefore has improved efficiency over other heat engines.

Eine Brennstoffzelle ist in der Regel durch eine Vielzahl in einem Brennstoffzellenstapel (stack) angeordneter MEA gebildet, deren elektrische Leistungen sich addieren. Zwischen den Membran-Elektroden-Anordnungen sind üblicherweise Bipolarplatten angeordnet, die eine Versorgung der einzelnen MEA mit den Reaktanten und einer Kühlflüssigkeit sicherstellen sowie als elektrisch leitfähiger Kontakt zu den Membran-Elektroden-Anordnungen fungieren. An beiden Enden des Brennstoffzellenstapels sind Abschlussplatten oder Monopolarplatten angeordnet, um ihn zusammenzuhalten und die Stapelkomponenten zusammenzupressen. Der Pressdruck trägt zur Abdichtung des Stapels bei und stellt einen adäquaten elektrischen Kontakt zwischen den Stapelkomponenten sicher. As a rule, a fuel cell is formed by a multiplicity of MEAs arranged in a fuel cell stack (stack), the electrical powers of which accumulate. Bipolar plates are usually arranged between the membrane-electrode assemblies, which ensure a supply of the individual MEA with the reactants and a cooling liquid and act as an electrically conductive contact to the membrane-electrode assemblies. At both ends of the fuel cell stack, end plates or monopolar plates are arranged to hold it together and compress the stack components. The pressing pressure contributes to the sealing of the stack and ensures adequate electrical contact between the stack components.

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, sodass eine Reduktion von O2 zu O2– unter einer Aufnahme von Elektronen stattfindet (1/2O2 + 2e → O2–). Gleichzeitig reagieren an den Kathodenelektroden gebildete Sauerstoffanionen (O2–) mit den durch die Membranen beziehungsweise Elektrolyten hindurch transportierten Protonen unter einer Bildung von Wasser (2H+ + O2– → 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, so that a reduction of O 2 to O 2- takes place under a recording of electrons (1 / 2O 2 + 2e - → O 2- ). At the same time, oxygen anions (O 2- ) formed on the cathode electrodes react with the protons transported through the membranes or electrolytes to form water (2H + + O 2- > H 2 O).

Um einen Brennstoffzellenstapel mit den Betriebsmedien zu versorgen, weist dieser einerseits eine Anodenversorgung und andererseits eine Kathodenversorgung auf. Die Anodenversorgung weist einen Anodenversorgungspfad für ein Zuführen des Anodenbetriebsmediums in die Anodenräume der Brennstoffzelle hinein und einen Anodenabgaspfad für ein Abführen eines Anodenabgases aus den Anodenräumen heraus auf. Analog weist die Kathodenversorgung einen Kathodenversorgungspfad für ein Zuführen des Kathodenbetriebsmediums in die Kathodenräume der Brennstoffzelle hinein und einen Kathodenabgaspfad für ein Abführen eines Kathodenabgases aus den Kathodenräumen heraus auf. In order to supply a fuel cell stack with the operating media, this has on the one hand an anode supply and on the other hand, a cathode supply. The anode supply includes an anode supply path for supplying the anode operating medium into the anode chambers of the fuel cell and an anode exhaust gas path for discharging an anode exhaust gas out of the anode chambers. Similarly, the cathode supply includes a cathode supply path for supplying the cathode operating medium into the cathode chambers of the fuel cell and a cathode exhaust path for discharging a cathode exhaust gas out of the cathode compartments.

Das Brennstoffzellensystem weist einen Befeuchter zum Befeuchten eines trockenen Kathodenbetriebsmediums (Zuluft) auf, mittels dem Feuchtigkeit aus dem Kathodenabgas (Abluft) an das Kathodenbetriebsmedium übertragen wird. Das Befeuchten ist notwendig, um eine hohe Leistungsdichte und Lebensdauer der Brennstoffzelle, insbesondere deren Membran-Elektroden-Anordnung, zu gewährleisten. Ferner wird das trockene Kathoden-Betriebsmedium zur Steigerung der Leistungsdichte stromaufwärts des Befeuchters auf einen Druck von ca. 3 Bar komprimiert. Hierdurch steigt dessen Temperatur auf ca. 200°C an. The fuel cell system includes a humidifier for humidifying a dry cathode operation medium (supply air) by which moisture is transferred from the cathode exhaust gas (exhaust air) to the cathode operation medium. The moistening is necessary to ensure a high power density and lifetime of the fuel cell, in particular its membrane-electrode assembly. Further, the dry cathode operating medium is compressed to a pressure of about 3 bar to increase the power density upstream of the humidifier. As a result, its temperature rises to about 200 ° C.

Die in üblichen Befeuchtern zur Feuchtigkeitsübertragung eingesetzten Polymer-Membranen sind nur bis zu einer Temperatur von etwa 100°C einsetzbar. Daher muss das Kathodenbetriebsmedium gekühlt werden, bevor es dem Befeuchter zugeführt wird. Hierfür werden in der Regel Ladeluftkühler eingesetzt, welche mittels eines Kühlmittels Wärme aus dem Kathodenbetriebsmedium aufnehmen und über einen Kühler an die Umgebung abgeben. Somit ergibt sich ein hoher Bauraumbedarf, der insbesondere für mobile Anwendungen nachteilig ist. The polymer membranes used in conventional humidification humidifiers can only be used up to a temperature of about 100.degree. Therefore, the cathode operating medium must be cooled before it is fed to the humidifier. For this purpose, intercoolers are usually used, which absorb heat from the cathode operating medium by means of a coolant and deliver it to the environment via a cooler. This results in a high space requirement, which is particularly disadvantageous for mobile applications.

Es sind daher bereits Versuche unternommen worden, die Anordnung von Befeuchter und Ladeluftkühler zu optimieren oder beide Bauteile in ein gemeinsames Gehäuse zu integrieren. Bislang konnten jedoch lediglich geringe Einsparungen beim Bauraum erzielt werden bei gleichzeitig deutlich erhöhter Komplexität der kombinierten Bauteile. Die kombinierten Bauteile weisen zudem hohe thermische Massen auf, was sich nachteilig auf die Dynamik des Brennstoffzellensystems auswirkt. Attempts have therefore already been made to optimize the arrangement of humidifier and intercooler or both components in a integrate common housing. So far, however, only small savings in space could be achieved while significantly increased complexity of the combined components. The combined components also have high thermal mass, which adversely affects the dynamics of the fuel cell system.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, einen kombinierten Befeuchter und Ladeluftkühler für ein Brennstoffzellensystem bereitzustellen, um eine ausreichende Befeuchtung und Kühlung eines Betriebsmediums eines Brennstoffzellenstapels zu gewährleisten. Gleichzeitig sollen der Bauraumbedarf, die Komplexität und die Fertigungskosten des kombinierten Bauteils möglichst gering sein. The invention is based on the object to provide a combined humidifier and intercooler for a fuel cell system to ensure adequate humidification and cooling of an operating medium of a fuel cell stack. At the same time, the space requirement, the complexity and the manufacturing costs of the combined component should be as low as possible.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Konditionierungsmodul, ein Brennstoffzellensystem sowie ein Fahrzeug mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der jeweils rückbezogenen Unteransprüche. This object is achieved by a conditioning module, a fuel cell system and a vehicle having the features of the independent claims. Advantageous developments of the invention are the subject of the respective dependent claims.

Die erfindungsgemäße Aufgabe wird gelöst durch ein Konditionierungsmodul für ein Betriebsmedium eines Brennstoffzellenstapels mit einem Gaseinlass für das Betriebsmedium und einem durchströmbaren, als Wärmeübertrager ausgebildeten und stromabwärts des Gaseinlasses angeordneten ersten Volumen. Stromabwärts des ersten Volumens, das heißt stromabwärts in Strömungsrichtung des Betriebsmedium, ist ein durchströmbares, als Befeuchter ausgebildetes zweites Volumen angeordnet. Stromabwärts des zweiten Volumens ist ein Gasauslass für das konditionierte Betriebsmedium vorgesehen. In einem Querschnitt des Konditionierungsmoduls ist eine erste Querschnittfläche, das heißt eine Querschnittfläche von dem ersten Volumen oder dem zweiten Volumen, innerhalb einer zweiten Querschnittfläche, das heißt innerhalb der Querschnittfläche von dem anderen Volumen, von dem ersten Volumen und dem zweiten Volumen, angeordnet. Bevorzugt ist die erste Querschnittfläche vollständig innerhalb der zweiten Querschnittfläche angeordnet. Bei dem Betriebsmedium handelt es sich insbesondere um ein Anodenbetriebsmedium oder um ein Kathodenbetriebsmedium. The object according to the invention is achieved by a conditioning module for an operating medium of a fuel cell stack with a gas inlet for the operating medium and a flow-through, designed as a heat exchanger and arranged downstream of the gas inlet first volume. Downstream of the first volume, that is to say downstream in the direction of flow of the operating medium, a flow-through volume designed as a humidifier is arranged. Downstream of the second volume, a gas outlet for the conditioned operating medium is provided. In a cross section of the conditioning module, a first cross-sectional area, that is, a cross-sectional area of the first volume or the second volume, is disposed within a second cross-sectional area, that is within the cross-sectional area of the other volume, of the first volume and the second volume. Preferably, the first cross-sectional area is arranged completely within the second cross-sectional area. The operating medium is in particular an anode operating medium or a cathode operating medium.

Das erfindungsgemäße Konditionierungsmodul ist mit anderen Worten eine Kombination von Wärmeübertrager und Befeuchter, wobei eine dieser beiden Komponenten räumlich innerhalb der anderen Komponente angeordnet ist. Die Komponenten sind dabei derart angeordnet, dass ein in das Konditionierungsmodul eingeleitetes Betriebsmedium stets zuerst das als Wärmeübertrager ausgebildete erste Volumen durchströmt, bevor es in das als Befeuchter ausgebildete zweite Volumen gelangt. In einem gemeinsamen Querschnitt des Konditionierungsmoduls weist eines von dem ersten und dem zweiten Volumen eine erste Querschnittfläche und das jeweils andere eine zweite Querschnittfläche auf. Mit anderen Worten ist die Querschnittfläche des innenliegenden Volumens, beispielsweise des ersten Volumens, im Querschnitt des Konditionierungsmoduls allseitig von der Querschnittfläche des außenliegenden Volumens, beispielsweise des zweiten Volumens, umgeben. Somit werden eine besonders kompakte Bauform und eine besonders geringe thermische Masse des Konditionierungsmoduls realisiert. Der Umfang der zweiten Querschnittsfläche kann identisch zu einer Oberfläche, beispielsweise einer Gehäuseoberfläche, des Konditionierungsmoduls sein. Alternativ sind das erste und das zweite Volumen in einem separaten Gehäuse des Konditionierungsmoduls angeordnet. In other words, the conditioning module according to the invention is a combination of heat exchanger and humidifier, one of these two components being arranged spatially within the other component. The components are arranged such that an operating medium introduced into the conditioning module always first flows through the first volume designed as a heat exchanger before it reaches the second volume designed as a humidifier. In a common cross-section of the conditioning module, one of the first and second volumes has a first cross-sectional area and the other has a second cross-sectional area. In other words, the cross-sectional area of the inner volume, for example of the first volume, in the cross section of the conditioning module is surrounded on all sides by the cross-sectional area of the outer volume, for example of the second volume. Thus, a particularly compact design and a particularly low thermal mass of the conditioning module can be realized. The circumference of the second cross-sectional area may be identical to a surface, for example a housing surface, of the conditioning module. Alternatively, the first and second volumes are arranged in a separate housing of the conditioning module.

Das erfindungsgemäße Konditionierungsmodul ist vorteilhaft modular aufgebaut. Beispielsweise kann das innenliegende Volumen, beispielsweise das zweite Volumen, in eine entsprechende Öffnung des außenliegenden Volumens, beispielsweise des ersten Volumens, eingeschoben werden. Das erfindungsgemäße Konditionierungsmodul ist daher besonders einfach zu fertigen. Ferner weist ein erfindungsgemäßes Konditionierungsmodul mit einem bestimmten Gesamtvolumen eine besonders große Grenzfläche zwischen dem ersten und dem zweiten Volumen, das heißt zwischen Wärmeübertrager und Befeuchter, auf. Das Konditionierungsmodul kann daher selbst bei geringer Baugröße für einen hohen Durchsatz an Betriebsmedium ausgelegt werden. The conditioning module according to the invention is advantageously modular. For example, the internal volume, for example, the second volume, in a corresponding opening of the outer volume, for example, the first volume, are inserted. The conditioning module according to the invention is therefore particularly easy to manufacture. Furthermore, a conditioning module according to the invention with a certain total volume has a particularly large interface between the first and the second volume, that is to say between the heat exchanger and the humidifier. The conditioning module can therefore be designed for a high throughput of operating medium even with a small size.

Das erste Volumen des Konditionierungsmoduls ist bevorzugt als Wärmeübertrager ausgebildet, indem es zumindest eine, besonders bevorzugt eine Vielzahl von darin angeordneten Wärmeübertragerflächen aufweist. Über diese erfolgt bevorzugt ein Wärmeübergang von dem Betriebsmedium auf ein anderes Medium. Das zweite Volumen ist bevorzugt als Befeuchter ausgebildet, indem es zumindest eine, bevorzugt eine Vielzahl darin angeordneter Feuchteübertragerflächen aufweist. Über diese wird Feuchtigkeit, insbesondere Wasser, in das Betriebsmedium eingebracht. Zwischen dem ersten und zweiten Volumen können eine oder mehrere Begrenzungsflächen angeordnet sein, die für das Betriebsmedium durchlässig sind, beispielsweise indem sie eine oder mehrere Durchgangsöffnungen für das Betriebsmedium aufweisen. Alternativ gehen erstes und zweites Volumen ohne physische Grenzfläche ineinander über. The first volume of the conditioning module is preferably formed as a heat exchanger by having at least one, more preferably a plurality of heat transfer surfaces arranged therein. This is preferably a heat transfer from the operating medium to another medium. The second volume is preferably designed as a humidifier in that it has at least one, preferably a plurality of moisture transfer surfaces arranged therein. About this moisture, especially water, introduced into the operating medium. Between the first and second volumes, one or more boundary surfaces may be arranged, which are permeable to the operating medium, for example by having one or more passage openings for the operating medium. Alternatively, first and second volumes merge without a physical interface.

Die in dem ersten Volumen angeordneten Wärmeübertragerelemente sind bevorzugt dafür ausgebildet, von einem Kühlmittel durchflossen zu werden und weisen hierfür insbesondere einen Kühlmitteleinlass und einen Kühlmittelauslass auf. Die dem ersten Volumen zugewandten Oberflächen der Wärmeübertragerelemente bilden Wärmeübertragerflächen, über die Wärme von dem Betriebsmedium auf das Kühlmittel übergeht. Bei den Wärmeübertragerelementen handelt es sich besonders bevorzugt um Rohre eines Rohrbündelwärmeübertragers oder um Platten eines Plattenwärmeübertragers. Ein Konditionierungsmodul gemäß dieser Ausgestaltung ist einfach in bestehende Kühlmittelkreisläufe des Brennstoffzellensystems oder eines Fahrzeugs integrierbar, indem Kühlmitteleinlass und -auslass mit einem bestehenden Kühlmittelkreislauf verbunden werden. The arranged in the first volume heat transfer elements are preferably designed to be traversed by a coolant and for this purpose have in particular a coolant inlet and a coolant outlet. Form the surfaces of the heat exchanger elements facing the first volume Heat transfer surfaces over which heat transfers from the operating medium to the coolant. The heat exchanger elements are particularly preferably tubes of a tube bundle heat exchanger or plates of a plate heat exchanger. A conditioning module according to this embodiment can be easily integrated into existing coolant circuits of the fuel cell system or a vehicle by connecting the coolant inlet and outlet to an existing coolant circuit.

Die in dem zweiten Volumen angeordneten Befeuchterelemente sind bevorzugt dafür ausgelegt, Wasser oder Wasserdampf zu führen, also ein Fluid zu führen, das Wasser oder Wasserdampf enthält. Die Befeuchterelemente sind zumindest mit einem Fluideinlass verbunden, über welchem den Befeuchterelementen das wasser- oder wasserdampfhaltige Fluid zugeführt wird. Besonders bevorzugt sind die Befeuchterelemente zudem mit einem Fluidauslass verbunden, über den das wasser- oder wasserdampfhaltige Fluid nach dem Feuchtigkeitsübergang auf das Betriebsmedium aus dem zweiten Volumen abgeführt wird. Die dem zweiten Volumen zugewandten Oberflächen der Befeuchterelemente bilden bevorzugt Feuchteübertragerflächen, über die Feuchtigkeit in das Betriebsmedium eingebracht wird. The humidifier elements arranged in the second volume are preferably designed to carry water or steam, that is to say to conduct a fluid which contains water or steam. The humidifier elements are connected at least to a fluid inlet, via which the humidifier elements are supplied with the fluid containing water or water vapor. Particularly preferably, the humidifier elements are also connected to a fluid outlet, via which the water or water vapor-containing fluid is removed after the moisture transfer to the operating medium from the second volume. The surfaces of the humidifier elements facing the second volume preferably form moisture transfer surfaces via which moisture is introduced into the operating medium.

Bei den Befeuchterelementen handelt es sich besonders bevorzugt um wasserdurchlässige und/oder wasserdampfdurchlässige Membranen, insbesondere in Form von Hohlfasermembranen. Das zweite Volumen ist somit bevorzugt als Hohlfaserbefeuchter, wie aus der US 7624971 B2 bekannt, ausgebildet. Die Grenzfläche zwischen dem ersten und zweiten Volumen beziehungsweise Durchgangsöffnungen in einer diese Volumen trennenden Begrenzungsfläche bilden dabei die Zuleitung für das zu befeuchtende Betriebsmedium. Der Gasauslass des Konditionierungsmoduls bildet die Ableitung für das befeuchtete Betriebsmedium. Prinzipiell können auch andere Befeuchtungselemente zum Einsatz kommen, beispielsweise in dem zweiten Volumen angeordnete Sprühdüsen, Tropfleitungen oder mit einem Feuchtigkeitsreservoir in Verbindung stehende Dochtelemente mit Kapillarwirkung. The humidifier elements are particularly preferably water-permeable and / or water-vapor-permeable membranes, in particular in the form of hollow-fiber membranes. The second volume is thus preferred as Hohlfaserbefeuchter, as from US 7624971 B2 known, trained. The boundary surface between the first and second volumes or passage openings in a boundary surface separating these volumes form the supply line for the operating medium to be humidified. The gas outlet of the conditioning module forms the outlet for the humidified operating medium. In principle, other moistening elements can also be used, for example, spray nozzles arranged in the second volume, drip lines or wick elements connected to a moisture reservoir with capillary action.

In einer ferner bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Konditionierungsmoduls weist dieses eine Zylinderform, besonders bevorzugt eine längserstreckte Zylinderform, auf. Unter einer Zylinderform wird im Rahmen dieser Anmeldung ein Körper verstanden, der durch das Verschieben einer ebenen geschlossenen Kurve entlang einer nicht in der Ebene dieser Kurve enthaltenen Geraden (Höhe) erhalten wird. Die ebene Kurve kann dabei den Umfang eines Kreises, einer Ellipse, eines Rechtecks, eines Quadrats, eines Dreiecks, eines Vielecks, eines Prismas und/oder eines Trapez beschreiben. Diese Form bildet dann die Grundfläche der Zylinderform. Die durch Verschieben der Grundfläche überstrichene Fläche ist die Mantelfläche der Zylinderform. Besonders bevorzugt sind auch das erste Volumen und das zweite Volumen Zylindervolumen. Vorteilhaft ist ein so geformtes Konditionierungsmodul einfach in der Herstellung und gut in bestehende Bauraumaufteilungen integrierbar. Zudem kann bei kurzem Strömungsweg des Betriebsmediums von Gaseinlass zu Gasauslass eine vergleichsweise große Kontaktfläche zu den Befeuchterelementen und/oder Wärmeübertragerelementen realisiert sein. In a further preferred embodiment of the conditioning module according to the invention, this has a cylindrical shape, particularly preferably an elongated cylindrical shape. For the purposes of this application, a cylindrical shape is understood to be a body which is obtained by shifting a plane closed curve along a straight line (height) not contained in the plane of this curve. The plane curve may describe the circumference of a circle, an ellipse, a rectangle, a square, a triangle, a polygon, a prism and / or a trapezoid. This shape then forms the base of the cylindrical shape. The swept over by moving the base surface area is the lateral surface of the cylindrical shape. Particularly preferred are also the first volume and the second volume cylinder volume. Advantageously, such a conditioned conditioning module is easy to manufacture and can be easily integrated into existing space distributions. In addition, with a short flow path of the operating medium from the gas inlet to the gas outlet, a comparatively large contact surface with the humidifier elements and / or heat exchanger elements can be realized.

Besonders bevorzugt sind die erste Querschnittfläche und die zweite Querschnittfläche des Konditionierungsmoduls konzentrisch zueinander. Eine Querschnittfläche eines Gehäuses des Konditionierungsmoduls ist bevorzugt identisch oder ebenfalls konzentrisch zur zweiten Querschnittfläche. Die Konzentrizität der ersten und zweiten Querschnittfläche erlaubt vorteilhaft ein gleichmäßiges Abkühlen und Befeuchten des Betriebsmediums im gesamten Volumen des Konditionierungsmoduls. Ferner bevorzugt ist der Gaseinlass oder der Gasauslass an einem Mittelpunkt oder nahe eines Mittelpunkts einer der konzentrischen Querschnittflächen angeordnet, was ebenfalls zu einer gleichmäßigen Befeuchtung und Abkühlung des Betriebsmediums beiträgt. Particularly preferably, the first cross-sectional area and the second cross-sectional area of the conditioning module are concentric with each other. A cross-sectional area of a housing of the conditioning module is preferably identical or likewise concentric to the second cross-sectional area. The concentricity of the first and second cross-sectional area advantageously permits even cooling and humidifying of the working medium in the entire volume of the conditioning module. Further preferably, the gas inlet or gas outlet is located at or near a midpoint of one of the concentric cross-sectional areas, which also contributes to uniform humidification and cooling of the operating medium.

Ferner bevorzugt weist das Konditionierungsmodul ein als Gasverteiler ausgebildetes und stromaufwärts des ersten Volumens angeordnetes, durchströmbares drittes Volumen auf. In einem Querschnitt des Konditionierungsmoduls ist eine dritte Querschnittfläche von dem dritten Volumen innerhalb der ersten Querschnittfläche und innerhalb der zweiten Querschnittfläche angeordnet. Das Konditionierungsmodul weist somit ein innenliegendes Volumen ohne darin angeordnete Wärmeübertrager- oder Befeuchterelemente zum Verteilen des Betriebsmediums über die gesamte Höhe eines, insbesondere zylinderförmigen, Konditionierungsmoduls auf. Besonders bevorzugt ist der Gasverteiler als ein innenliegendes Zylindervolumen ausgebildet, das durch eine Mantelfläche vom stromabwärts angeordneten ersten Volumen getrennt ist, wobei die Mantelfläche eine Vielzahl von Öffnungen und bevorzugt eine zu der ersten und zweiten Querschnittfläche konzentrische Querschnittfläche aufweist. Bevorzugt vergrößern sich die Öffnungen in Strömungsrichtung des Betriebsmediums, um einen Druckabfall auszugleichen. Furthermore, the conditioning module preferably has a third volume, which is designed as a gas distributor and is arranged upstream of the first volume. In a cross-section of the conditioning module, a third cross-sectional area of the third volume is disposed within the first cross-sectional area and within the second cross-sectional area. The conditioning module thus has an internal volume without heat exchanger or humidifier elements arranged therein for distributing the operating medium over the entire height of a, in particular cylindrical, conditioning module. Particularly preferably, the gas distributor is formed as an internal cylinder volume which is separated by a lateral surface from the first volume arranged downstream, the lateral surface having a multiplicity of openings and preferably a cross-sectional area concentric with the first and second cross-sectional areas. Preferably, the openings in the flow direction of the operating medium increase in order to compensate for a pressure drop.

Alternativ bevorzugt ist das dritte Volumen als Gassammler ausgebildet, stromabwärts des zweiten Volumens angeordnet und zum Sammeln des aus dem zweiten Volumen austretenden konditionierten Betriebsmediums und für dessen Weiterleitung zu dem Gasauslass ausgebildet. Bevorzugt ist der Gaseinlass des Konditionierungsmoduls in dem Bereich des Gasverteilers oder der Gasauslass des Konditionierungsmoduls im Bereich des Gassammlers angeordnet. Alternatively preferably, the third volume is designed as a gas collector, arranged downstream of the second volume and designed to collect the conditioned operating medium exiting from the second volume and to forward it to the gas outlet. Preferably, the gas inlet of the conditioning module is in the range the gas distributor or the gas outlet of the conditioning module arranged in the region of the gas collector.

Das erfindungsgemäße Konditionierungsmodul weist ebenfalls bevorzugt eine Vielzahl von auf einer Oberfläche des Konditionierungsmoduls angeordneten Gaseinlässen oder Gasauslässen auf. Auch hiermit kann die Regelmäßigkeit von Abkühlung und Befeuchtung des Betriebsmediums sowie dessen Durchsatz durch das Konditionierungsmodul erhöht werden. Insbesondere in Kombination mit einem korrespondierenden, an oder nahe eines Mittelpunkts der konzentrischen ersten und zweiten Querschnittsfläche angeordneten Gaseinlass oder Gasauslass kann eine allseitig gleichmäßige Strömung des Betriebsmediums eingestellt werden. The conditioning module according to the invention also preferably has a plurality of gas inlets or gas outlets arranged on a surface of the conditioning module. Again, the regularity of cooling and humidifying the operating medium and its throughput can be increased by the conditioning module. In particular, in combination with a corresponding, arranged at or near a center of the concentric first and second cross-sectional area gas inlet or gas outlet can be adjusted on all sides uniform flow of the operating medium.

Besonders bevorzugt sind das erste Volumen und das zweite Volumen des erfindungsgemäßen Konditionierungsmoduls durch zueinander konzentrische Kreiszylinder gebildet. In dieser Ausführungsform als tubulares Konditionierungsmodul wird ein optimales Verhältnis von Oberfläche und Volumen des Moduls und somit ein besonders geringer Bauraumbedarf erzielt. Ein Gaseinlass oder Gasauslass ist in dieser Ausführungsform nahe oder am Mittelpunkt einer Stirn- oder Grundfläche der konzentrischen Zylinder angeordnet. Der korrespondierende Gasauslass oder Gaseinlass ist auf der Mantelfläche des bevorzugt ebenfalls kreiszylinderförmigen Konditionierungsmoduls angeordnet, die identisch oder konzentrisch zur Mantelfläche des außenliegenden Volumens ist. Bevorzugt weist das Konditionierungsmodul in dieser Ausführungsform ein drittes Volumen auf, das durch einen zu dem ersten und zweiten Volumen konzentrischen Kreiszylinder gebildet ist. Beispielsweise kann durch die Kombination eines als Gasverteiler ausgebildeten dritten Volumens, wie obenstehend beschrieben, und einer Vielzahl auf der Mantelfläche des außenliegenden Volumens angeordneten Gasauslässen eine besonders gleichmäßige in alle radialen Richtungen erfolgende Durchströmung des Konditionierungsmoduls erzielt werden. Die kreisförmige erste und zweite Querschnittfläche des tubularen Konditionierungsmoduls erlauben zudem eine ganzflächig gleichmäßige und somit optimale Packungsdichte von kreiszylinderförmigen Hohlfasern beziehungsweise rohrförmigen Wärmeübertragerelementen. Das Volumen des Konditionierungsmoduls ist so optimal genutzt. Particularly preferably, the first volume and the second volume of the conditioning module according to the invention are formed by concentric circular cylinders. In this embodiment, as a tubular conditioning module, an optimum ratio of surface area and volume of the module and thus a particularly small space requirement is achieved. A gas inlet or outlet is located in this embodiment near or at the midpoint of a face or face of the concentric cylinders. The corresponding gas outlet or gas inlet is arranged on the lateral surface of the preferably also circular-cylindrical conditioning module, which is identical or concentric to the lateral surface of the outer volume. Preferably, in this embodiment, the conditioning module has a third volume formed by a circular cylinder concentric with the first and second volumes. For example, by the combination of a third volume designed as a gas distributor, as described above, and a plurality of gas outlets arranged on the outer surface of the outer volume, a particularly uniform flow in all the radial directions of the conditioning module can be achieved. The circular first and second cross-sectional area of the tubular conditioning module also allow an entire area uniform and thus optimal packing density of circular cylindrical hollow fibers or tubular heat exchanger elements. The volume of the conditioning module is used optimally.

Ebenfalls Gegenstand der Erfindung ist ein Brennstoffzellensystem mit einem Brennstoffzellenstapel, aufweisend eine Anodenversorgung mit einem Anodenversorgungspfad und einem Anodenabgaspfad und eine Kathodenversorgung mit einem Kathodenversorgungspfad und einem Kathodenabgaspfad und zumindest ein in der Anodenversorgung beziehungsweise der Kathodenversorgung angeordnetes Konditionierungsmodul, wie vorstehend beschrieben. In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems ist das Konditionierungsmodul in der Kathodenversorgung angeordnet und weist einen Gaseinlass für ein Kathodenbetriebsmedium und einen Gasauslass für das konditionierte Kathodenbetriebsmedium auf. The invention likewise provides a fuel cell system with a fuel cell stack, comprising an anode supply with an anode supply path and an anode exhaust gas path and a cathode supply with a cathode supply path and a cathode exhaust gas path and at least one conditioning module arranged in the anode supply or the cathode supply, as described above. In a preferred embodiment of the fuel cell system according to the invention, the conditioning module is arranged in the cathode supply and has a gas inlet for a cathode operating medium and a gas outlet for the conditioned cathode operating medium.

In einer ferner bevorzugten Ausführungsform des Brennstoffzellensystems weist das Konditionierungsmodul in dem ersten Volumen angeordnete Wärmeübertragerelemente auf, die mit einem Kühlmitteleinlass für ein Kathodenabgas fluidführend verbunden sind. Mit anderen Worten ist der Kühlmitteleinlass mit der Kathodenabgasleitung des Brennstoffzellensystems verbunden, sodass die Wärmeübertragerelemente von dem Kathodenabgas als Kühlmittel durchströmt werden. Bei den Wärmeübertragerelementen handelt es sich bevorzugt um Wärmeübertragerplatten oder Wärmeübertragerrohre. Ebenfalls bevorzugt weist das Konditionierungsmodul in dem zweiten Volumen angeordnete Befeuchterelemente auf, die mit einem Fluideinlass für das Kathodenabgas fluidführend verbunden sind. Mit anderen Worten werden die Befeuchterelemente von dem Kathodenabgas als wasser- oder wasserdampfbeladenes Fluid und Feuchtigkeitslieferant durchströmt. Bei den Befeuchterelementen handelt es sich bevorzugt um Hohlfasermembranen eines Hohlfaserbefeuchters. In dieser Ausführungsform ist das Konditionierungsmodul besonders einfach in bestehende Brennstoffzellensysteme integrierbar, wobei das Kathodenabgas des Brennstoffzellenstapels vorteilhaft in räumlich voneinander getrennten Bereichen zunächst zum Kühlen und anschließend zum Befeuchten des Betriebsmediums genutzt wird. In a further preferred embodiment of the fuel cell system, the conditioning module has heat transfer elements arranged in the first volume, which are connected fluid-carryingly with a coolant inlet for a cathode exhaust gas. In other words, the coolant inlet is connected to the cathode exhaust gas line of the fuel cell system, so that the heat transferring elements are flowed through by the cathode exhaust gas as coolant. The heat exchanger elements are preferably heat exchanger plates or heat exchanger tubes. Also preferably, the conditioning module comprises in the second volume arranged humidifier elements, which are fluidly connected to a fluid inlet for the cathode exhaust gas. In other words, the humidifier elements are flowed through by the cathode exhaust gas as a water or water vapor laden fluid and moisture supplier. The humidifier elements are preferably hollow-fiber membranes of a hollow-fiber humidifier. In this embodiment, the conditioning module is particularly easy to integrate into existing fuel cell systems, the cathode exhaust gas of the fuel cell stack is advantageously used in spatially separate areas, first for cooling and then for humidifying the operating medium.

Ebenfalls Gegenstand der Erfindung ist ein Fahrzeug mit einem Konditionierungsmodul, wie vorstehend beschrieben, beziehungsweise mit einem Brennstoffzellensystem, wie vorstehend beschrieben. Likewise provided by the invention is a vehicle having a conditioning module as described above or with a fuel cell system as described above.

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

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

Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen: The invention will be explained below in embodiments with reference to the accompanying drawings. Show it:

1 ein Blockschaltbild eines Brennstoffzellensystems gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung; 1 a block diagram of a fuel cell system according to a preferred embodiment;

2 eine schematische Darstellung eines Konditionierungsmoduls gemäß einer ersten Ausführungsform; 2 a schematic representation of a conditioning module according to a first embodiment;

3 eine schematische Darstellung eines Konditionierungsmoduls gemäß einer zweiten Ausführungsform; 3 a schematic representation of a conditioning module according to a second embodiment;

4 eine schematische Darstellung eines Konditionierungsmoduls gemäß einer dritten Ausführungsform; und 4 a schematic representation of a conditioning module according to a third embodiment; and

5 eine schematische Darstellung eines Konditionierungsmoduls gemäß einer vierten Ausführungsform. 5 a schematic representation of a conditioning module according to a fourth embodiment.

1 zeigt eine schematische Darstellung eines insgesamt mit 100 bezeichneten Brennstoffzellensystems gemäß dem Stand der Technik. Dieses ist Teil eines nicht weiter dargestellten Elektro- oder Hybridfahrzeugs, das einen Elektrotraktionsmotor aufweist, der durch das Brennstoffzellensystem 100 mit elektrischer Energie versorgt wird. 1 shows a schematic representation of a total with 100 designated fuel cell system according to the prior art. This is part of an electric or hybrid vehicle, not shown, having an electric traction motor driven by the fuel cell system 100 is supplied with electrical energy.

Das Brennstoffzellensystem 100 umfasst als Kernkomponente einen Brennstoffzellenstapel 10, der eine Vielzahl von in Stapelform angeordneten Einzelzellen 11 aufweist, die durch abwechselnd gestapelte Membran-Elektroden-Anordnungen (MEA) 14 und Bipolarplatten 15 ausgebildet werden (siehe Detailausschnitt). Jede Einzelzelle 11 umfasst somit jeweils eine MEA 14, die eine hier nicht näher dargestellte ionenleitfähige Polymerelektrolytmembran aufweist, sowie beidseits daran angeordnete katalytische Elektroden, nämlich eine Anode und eine Kathode, welche die jeweilige Teilreaktion der Brennstoffzellenumsetzung katalysieren und insbesondere als Beschichtungen auf der Membran ausgebildet sein können. The fuel cell system 100 comprises as a core component a fuel cell stack 10 containing a plurality of stacked single cells 11 having alternately stacked membrane-electrode assemblies (MEAs) 14 and bipolar plates 15 be formed (see detail). Every single cell 11 thus includes one MEA each 14 , which has an ion-conducting polymer electrolyte membrane, not shown here, as well as on both sides arranged thereon catalytic electrodes, namely an anode and a cathode, which catalyze the respective partial reaction of the fuel cell reaction and in particular can be formed as coatings on the membrane.

Die Anoden- und Kathodenelektrode weisen ein katalytisches Material auf, beispielsweise Platin, das auf einem elektrisch leitfähigen Trägermaterial großer spezifischer Oberfläche, beispielsweise einem kohlenstoffbasierten Material, geträgert vorliegt. Zwischen einer Bipolarplatte 15 und der Anode wird somit ein Anodenraum 12 ausgebildet und zwischen der Kathode und der nächsten Bipolarplatte 15 der Kathodenraum 13. Die Bipolarplatten 15 dienen der Zuführung der Betriebsmedien in die Anoden- und Kathodenräume 12, 13 und stellen ferner die elektrische Verbindung zwischen den einzelnen Brennstoffzellen 11 her. Optional sind Gasdiffusionslagen zwischen den MEA 14 und den Bipolarplatten 15 angeordnet. The anode and cathode electrodes comprise a catalytic material, such as platinum, supported on an electrically conductive high surface area support material, such as a carbon based material. Between a bipolar plate 15 and the anode thus becomes an anode compartment 12 formed and between the cathode and the next bipolar plate 15 the cathode compartment 13 , The bipolar plates 15 serve to supply the operating media in the anode and cathode rooms 12 . 13 and further provide the electrical connection between the individual fuel cells 11 ago. Optionally, gas diffusion layers are between the MEAs 14 and the bipolar plates 15 arranged.

Um den Brennstoffzellenstapel 10 mit den Betriebsmedien zu versorgen, weisen die Brennstoffzellensysteme 100 einerseits eine Anodenversorgung 20 und andererseits eine Kathodenversorgung 30 auf. To the fuel cell stack 10 to supply the operating media, have the fuel cell systems 100 on the one hand, an anode supply 20 and on the other hand, a cathode supply 30 on.

Die Anodenversorgung 20 des in 1 gezeigten Brennstoffzellensystems 100 umfasst einen Anodenversorgungspfad 21, welcher der Zuführung eines Anodenbetriebsmediums (dem Brennstoff), beispielsweise Wasserstoff, in die Anodenräume 12 des Brennstoffzellenstapels 10 dient. Zu diesem Zweck verbinden die Anodenversorgungspfade 21 einen Brennstoffspeicher 23 mit einem Anodeneinlass des Brennstoffzellenstapels 10. Die Anodenversorgung 20 umfasst ferner einen Anodenabgaspfad 22, der das Anodenabgas aus den Anodenräumen 12 über einen Anodenauslass des Brennstoffzellenstapels 10 abführt. The anode supply 20 of in 1 shown fuel cell system 100 includes an anode supply path 21 which feeds an anode operating medium (the fuel), for example hydrogen, into the anode spaces 12 of the fuel cell stack 10 serves. For this purpose, connect the anode supply paths 21 a fuel storage 23 with an anode inlet of the fuel cell stack 10 , The anode supply 20 further includes an anode exhaust path 22 containing the anode exhaust gas from the anode chambers 12 via an anode outlet of the fuel cell stack 10 dissipates.

Der Anodenbetriebsdruck auf den Anodenseiten 12 des Brennstoffzellenstapels 10 ist über ein erstes Stellmittel 24 in dem Anodenversorgungspfad 21 einstellbar. Darüber hinaus weist die Anodenversorgung 20 des in 1 gezeigten Brennstoffzellensystems wie dargestellt eine Rezirkulationsleitung 25 auf, welche den Anodenabgaspfad 22 mit dem Anodenversorgungspfad 21 verbindet. Die Rezirkulation von Brennstoff ist üblich, um den zumeist überstöchiometrisch eingesetzten Brennstoff dem Stapel zurückzuführen und zu nutzen. In der Rezirkulationsleitung ist eine Rezirkulationsfördereinrichtung 27, vorzugsweise ein Rezirkulationsgebläse, angeordnet. Ferner ist in dem Anodenabgaspfad 22 stromabwärts des Brennstoffzellenstapels 10 ein Wasserabscheider 28 innerhalb des Rezirkulationskreislaufs verbaut, um aus dem Brennstoffzellenstapel 10 ausgetragenes Flüssigwasser abzuleiten. The anode operating pressure on the anode sides 12 of the fuel cell stack 10 is about a first actuating means 24 in the anode supply path 21 adjustable. In addition, the anode supply points 20 of in 1 shown fuel cell system as shown, a recirculation line 25 on which the anode exhaust path 22 with the anode supply path 21 combines. The recirculation of fuel is common in order to return and utilize the fuel, which is mostly used in excess of stoichiometry, in the stack. In the recirculation line is a recirculation conveyor 27 , preferably a recirculation blower, arranged. Further, in the anode exhaust path 22 downstream of the fuel cell stack 10 a water separator 28 Installed inside the recirculation circuit to get out of the fuel cell stack 10 discharge discharged liquid water.

In der Anodenabgasleitung 22 des in 1 gezeigten Brennstoffzellensystems 100 ist stromabwärts der Rezirkulationsleitung 25 ein zweites Stellmittel 26 angeordnet. Mit dem zweiten Stellmittel 26 kann ein Rezirkulationskreislauf von der Umgebung isoliert werden. Das erste und zweite Stellmittel 24, 26 können gemeinsam dazu genutzt werden, ein Ausströmen des Anodenbetriebsmediums aus den Anodenräumen 12 weitgehend zu unterbinden. In the anode exhaust gas line 22 of in 1 shown fuel cell system 100 is downstream of the recirculation line 25 a second actuating means 26 arranged. With the second actuating means 26 a recirculation circuit can be isolated from the environment. The first and second actuating means 24 . 26 can be used in common, an outflow of the anode operating medium from the anode chambers 12 largely to prevent.

Die Kathodenversorgung 30 des in 1 gezeigten Brennstoffzellensystems 100 umfasst einen Kathodenversorgungspfad 31, welcher den Kathodenräumen 13 des Brennstoffzellenstapels 10 ein sauerstoffhaltiges Kathodenbetriebsmedium zuführt, insbesondere Luft, die aus der Umgebung angesaugt wird. Die Kathodenversorgung 30 umfasst ferner einen Kathodenabgaspfad 32, welcher das Kathodenabgas (insbesondere die Abluft) aus den Kathodenräumen 13 des Brennstoffzellenstapels 10 abführt und dieses gegebenenfalls einer nicht dargestellten Abgasanlage zuführt. Zur Förderung und Verdichtung des Kathodenbetriebsmediums ist in dem Kathodenversorgungspfad 31 ein Verdichter 33 angeordnet. The cathode supply 30 of in 1 shown fuel cell system 100 includes a cathode supply path 31 which is the cathode spaces 13 of the fuel cell stack 10 supplying an oxygen-containing cathode operating medium, in particular air which is drawn in from the environment. The cathode supply 30 further includes a cathode exhaust path 32 , which the cathode exhaust gas (in particular the exhaust air) from the cathode compartments 13 of the fuel cell stack 10 dissipates and optionally this feeds an exhaust system, not shown. For the promotion and compression of the cathode operating medium is in the Cathode supply path 31 a compressor 33 arranged.

In den dargestellten Ausführungsbeispielen ist der Verdichter 33 als ein hauptsächlich elektromotorisch angetriebener Verdichter 33 ausgestaltet, dessen Antrieb über einen mit einer entsprechenden Leistungselektronik 35 ausgestatteten Elektromotor 34 erfolgt. Der Verdichter 33 kann ferner durch eine im Kathodenabgaspfad 32 angeordnete Turbine 36 (gegebenenfalls mit variabler Turbinengeometrie) unterstützend über eine gemeinsame Welle (nicht dargestellt) angetrieben werden. In the illustrated embodiments, the compressor 33 as a mainly electric motor driven compressor 33 designed, the drive via a with a corresponding power electronics 35 equipped electric motor 34 he follows. The compressor 33 may also be through a in the cathode exhaust path 32 arranged turbine 36 (optionally with variable turbine geometry) are supported by a common shaft (not shown) driven.

Das in 1 gezeigte Brennstoffzellensystem 100 weist ferner ein Konditionierungsmodul 40 auf. Das Konditionierungsmodul 40 ist einerseits so in dem Kathodenversorgungspfad 31 angeordnet, dass es von dem Kathodenbetriebsgas durchströmbar ist. Hierfür weist das Konditionierungsmodul einen Gaseinlass und einen Gasauslass auf. Andererseits ist es so in dem Kathodenabgaspfad 32 angeordnet, dass es von dem Kathodenabgas durchströmbar ist. This in 1 shown fuel cell system 100 also has a conditioning module 40 on. The conditioning module 40 on the one hand is in the cathode supply path 31 arranged so that it can be flowed through by the cathode operating gas. For this purpose, the conditioning module has a gas inlet and a gas outlet. On the other hand, it is so in the cathode exhaust path 32 arranged so that it can be flowed through by the cathode exhaust gas.

Die Kathodenversorgung 30 weist ferner ein in einer Bypass-Leitung angeordnetes Bypass-Ventil 37 auf, welches das Konditionierungsmodul 40 mit der Kathodenversorgungsleitung 31 so verbindet, dass das Konditionierungsmodul 40 stromaufwärts des Brennstoffzellenstapels 10 nicht durchströmt wird. Das Bypass-Ventil 37 dient der Steuerung der Menge des das Konditionierungsmodul 40 umgehenden Kathodenbetriebsmediums. The cathode supply 30 further includes a bypass valve disposed in a bypass line 37 on which the conditioning module 40 with the cathode supply line 31 so connects that conditioning module 40 upstream of the fuel cell stack 10 is not flowed through. The bypass valve 37 serves to control the amount of the conditioning module 40 immediate cathode operating medium.

Sämtliche Stellmittel 24, 26, 38 des Brennstoffzellensystems 100 können als regelbare oder nicht regelbare Ventile oder Klappen ausgebildet sein. Entsprechende weitere Stellmittel können in den Leitungen 21, 22, 31 und 32 angeordnet sein, um den Brennstoffzellenstapel 10 von der Umgebung isolieren zu können. All adjusting means 24 . 26 . 38 of the fuel cell system 100 can be designed as controllable or non-controllable valves or flaps. Corresponding further actuating means can be in the lines 21 . 22 . 31 and 32 be arranged to the fuel cell stack 10 isolate from the environment.

2 zeigt eine schematische Darstellung eines Konditionierungsmoduls 40 gemäß einer ersten Ausführungsform. Das Konditionierungsmodul 40 weist ein kreiszylinderförmiges innenliegendes erstes Volumen 42 auf, das umfänglich von einem kreiszylinderförmigen außenliegenden zweiten Volumen 43 umgeben ist. Das erste Volumen 42 weist somit eine erste Querschnittfläche 45 auf, die vollständig innerhalb einer zweiten Querschnittfläche 46 des zweiten Volumens 43 angeordnet ist. Das Konditionierungsmodul 40 weist ferner ein zentrales kreiszylinderförmiges drittes Volumen 49 auf, dessen dritte Querschnittfläche 50 innerhalb der ersten Querschnittfläche 45 und der zweiten Querschnittfläche 46 angeordnet ist. Das erste 42, zweite 43 und dritte Volumen 44 sind konzentrische Kreiszylindervolumen. 2 shows a schematic representation of a conditioning module 40 according to a first embodiment. The conditioning module 40 has a circular cylindrical inner first volume 42 on, the circumference of a circular cylindrical outer second volume 43 is surrounded. The first volume 42 thus has a first cross-sectional area 45 which are completely within a second cross-sectional area 46 of the second volume 43 is arranged. The conditioning module 40 also has a central circular cylindrical third volume 49 on, whose third cross-sectional area 50 within the first cross-sectional area 45 and the second cross-sectional area 46 is arranged. The first 42 , second 43 and third volume 44 are concentric circular cylinder volumes.

Ein Betriebsmedium eines Brennstoffzellenstapels, gemäß dem in 1 dargestellten Brennstoffzellensystem 100 insbesondere ein durch den Verdichter 33 komprimiertes und erhitztes Kathodenbetriebsmedium, wird über einen Gaseinlass 41 in das Konditionierungsmodul 40 eingeleitet. Der Gaseinlass 41 entspricht der Stirnfläche des als Gasverteiler ausgebildeten dritten Volumens 49. Das dritte Volumen 49 erstreckt sich als kreiszylinderförmiges Rohr durch die gesamte Höhe des Konditionierungsmoduls 40 und weist an seiner Mantelfläche eine Vielzahl von nicht dargestellten Durchgangsöffnungen für das Betriebsmedium auf. Durch diesen Gasverteiler strömt das Betriebsmedium entlang der gesamten Höhe des Konditionierungsmoduls 40 gleichmäßig in radialer Richtung in das an das dritte Volumen 49 stromabwärts angrenzende erste Volumen 42 ein. An operating medium of a fuel cell stack, according to the in 1 illustrated fuel cell system 100 in particular a through the compressor 33 compressed and heated cathode operating medium is via a gas inlet 41 into the conditioning module 40 initiated. The gas inlet 41 corresponds to the end face of the third volume formed as a gas distributor 49 , The third volume 49 extends as a circular cylindrical tube through the entire height of the conditioning module 40 and has on its lateral surface on a plurality of through holes, not shown, for the operating medium. Through this gas distributor, the operating medium flows along the entire height of the conditioning module 40 evenly in the radial direction into the third volume 49 downstream adjacent first volume 42 one.

Das erste Volumen 42 ist als Wärmeübertrager, insbesondere als Kühler, ausgebildet und weist eine Vielzahl von in dem ersten Volumen 42 angeordneten Wärmeübertragerelementen 47 auf. Dabei handelt es sich um in axialer Richtung erstreckte und in radialer Richtung orientierte, umfänglich gleichmäßig in dem ersten Volumen verteilte Wärmeübertragerplatten 47. Die Wärmeübertragerplatten 47 werden von einem Kühlmittel, gemäß dem in 1 dargestellten Brennstoffzellensystem 100 insbesondere von einem Kathodenabgas, durchströmt. Hierzu weist das Konditionierungsmodul 40 einen Kühlmitteleinlass und einen stromabwärts davon angeordneten nicht dargestellten ersten Kühlmittelverteilerbereich auf, der sich an die in 2 dargestellte Stirnseite des ersten Volumens 42 anschließt und das Kathodenabgas den Wärmeübertragerelementen 47 zuführt. Ferner weist das Konditionierungsmodul 40 einen nicht dargestellten zweiten Kühlmittelverteilerbereich auf, der sich an die in 2 nicht dargestellte Stirnseite des ersten Volumen 42 anschließt und das Kathodenabgas über den stromabwärts folgenden Kühlmittelauslass aus den Wärmeübertragerelementen 47 und dem Konditionierungsmodul 40 abführt. The first volume 42 is designed as a heat exchanger, in particular as a cooler, and has a plurality of in the first volume 42 arranged heat transfer elements 47 on. It is in the axial direction and oriented in the radial direction, circumferentially evenly distributed in the first volume heat transfer plates 47 , The heat exchanger plates 47 be from a coolant, according to the in 1 illustrated fuel cell system 100 in particular from a cathode exhaust gas flows through. For this purpose, the conditioning module 40 a coolant inlet and a downstream, not shown, first coolant distributor region which adjoins the in 2 illustrated end face of the first volume 42 connects and the cathode exhaust the heat transfer elements 47 supplies. Furthermore, the conditioning module 40 a second coolant distributor region, not shown, which adjoins the in 2 not shown end face of the first volume 42 connects and the cathode exhaust gas via the downstream coolant outlet from the heat transfer elements 47 and the conditioning module 40 dissipates.

Das über den Gasverteiler 49 in das erste Volumen 42 radial eingeströmte Betriebsmedium strömt entlang der Wärmeübertragerelemente 47 radial nach außen. Dabei gibt das Betriebsmedium an den zwei Wärmeübertragerflächen jeder Wärmeübertragerplatte 47 Wärme an das Kathodenabgas als Kühlmittel ab. Die Wärmeübertragerplatten 47 sind an einer Mantelfläche des ersten Volumens 42 befestigt, welche zudem eine Vielzahl von Durchgangsöffnungen für das Betriebsmedium aufweist. Durch diese nicht dargestellten Öffnungen strömt das Betriebsmedium in radialer Richtung in das zweite Volumen 43 ein. The over the gas distributor 49 in the first volume 42 radially inflowing operating medium flows along the heat transfer elements 47 radially outward. The operating medium is at the two heat exchanger surfaces each heat exchanger plate 47 Heat to the cathode exhaust gas as a coolant. The heat exchanger plates 47 are on a lateral surface of the first volume 42 attached, which also has a plurality of through holes for the operating medium. Through these openings, not shown, the operating medium flows in the radial direction in the second volume 43 one.

Das zweite Volumen 43 ist als Befeuchter ausgebildet und weist eine Vielzahl darin angeordneter Befeuchterelemente 48 auf. Dabei handelt es sich um axial erstreckte Hohlfasermembranen 48. Die Hohlfasermembranen werden von einem wasser- und/oder wasserdampfführenden Fluid, gemäß dem in 1 dargestellten Brennstoffzellensystem 100 insbesondere von einem Kathodenabgas, durchströmt. Hierzu weist das Konditionierungsmodul 40 einen Fluideinlass und einen stromabwärts davon angeordneten nicht dargestellten ersten Fluidverteilerbereich auf, der sich an die in 2 dargestellte Stirnseite des zweiten Volumens 43 anschließt und das Kathodenabgas den Hohlfasermembranen 48 zuführt. Ferner weist das Konditionierungsmodul 40 einen nicht dargestellten zweiten Fluidverteilerbereich auf, der sich an die in 2 nicht dargestellte Stirnseite des zweiten Volumens 43 anschließt und das Kathodenabgas über den stromabwärts folgenden Fluidauslass aus den Hohlfasermembranen 48 und dem Konditionierungsmodul 40 abführt. The second volume 43 is designed as a humidifier and has a plurality of humidifier elements arranged therein 48 on. These are axially extended hollow fiber membranes 48 , The hollow fiber membranes are made of a water and / or water vapor-carrying fluid, according to the in 1 illustrated fuel cell system 100 in particular from a cathode exhaust gas flows through. For this purpose, the conditioning module 40 a fluid inlet and a downstream, not shown, first fluid distribution region which conforms to the in 2 illustrated end face of the second volume 43 connects and the cathode exhaust gas to the hollow fiber membranes 48 supplies. Furthermore, the conditioning module 40 a second fluid distribution region, not shown, which adjoins the in 2 not shown end side of the second volume 43 connects and the cathode exhaust gas via the downstream fluid outlet from the hollow fiber membranes 48 and the conditioning module 40 dissipates.

Das über die Mantelfläche des ersten Volumens 42 in das zweite Volumen 43 eingeströmte Betriebsmedium umströmt die Hohlfasermembranen 48 und strömt radial nach außen. Dabei nimmt das Betriebsmedium an den als Feuchteübertragerflächen ausgebildeten Mantelflächen der Hohlfasermembranen 48 Feuchtigkeit aus dem diese durchströmenden Fluid auf. Insbesondere werden die Mantelflächen der Membranen 48 von dem vergleichsweise trockenen Kathodenbetriebsmedium (Luft) überströmt, während die Innenseiten der Hohlfasermembrane 48 von dem vergleichsweise feuchten Kathodenabgas (Abgas) überströmt werden. Getrieben durch den höheren Partialdruck des Wasserdampfs in dem Kathodenabgas kommt es zu einem Übertritt von Wasserdampf über die Membrane 48 in das Kathodenbetriebsgas, das somit befeuchtet wird. Die Hohlfasermembranen 48 sind an oder in den nicht dargestellten Fluidverteilerbereichen befestigt. That over the lateral surface of the first volume 42 in the second volume 43 incoming operating medium flows around the hollow-fiber membranes 48 and flows radially outward. In this case, the operating medium takes on the trained as a moisture transfer surfaces lateral surfaces of the hollow fiber membranes 48 Moisture from the fluid flowing through this. In particular, the lateral surfaces of the membranes 48 from the comparatively dry cathode operating medium (air) flows over, while the insides of the hollow fiber membrane 48 be overflowed by the relatively humid cathode exhaust gas (exhaust gas). Driven by the higher partial pressure of the water vapor in the cathode exhaust gas, there is a transfer of water vapor across the membrane 48 into the cathode working gas which is thus humidified. The hollow fiber membranes 48 are attached to or in the fluid distribution areas, not shown.

Das in dem ersten Volumen 42 gekühlte und in dem zweiten Volumen 43 befeuchtete und somit konditionierte Betriebsmedium tritt schließlich über einen in der Mantelfläche des zweiten Volumens 43, die gleich der Oberfläche 51 des Konditionierungsmoduls 40 ist, angeordneten Gasauslass 44 aus dem Konditionierungsmodul 40 aus. Wie der 1 zu entnehmen, wird das derart konditionierte Kathodenbetriebsmedium dem stromabwärts des Konditionierungsmoduls 40 angeordneten Brennstoffzellenstapel 10 zugeführt. Die Strömung des Betriebsmediums in das, in dem und aus dem Konditionierungsmodul 40 ist durch Pfeile angedeutet. That in the first volume 42 cooled and in the second volume 43 moistened and thus conditioned operating medium finally enters via a in the lateral surface of the second volume 43 that are equal to the surface 51 of the conditioning module 40 is, arranged gas outlet 44 from the conditioning module 40 out. Again 1 As can be seen, the thus conditioned cathode operating medium is downstream of the conditioning module 40 arranged fuel cell stack 10 fed. The flow of the working fluid into, into and out of the conditioning module 40 is indicated by arrows.

3 zeigt eine schematische Darstellung eines Konditionierungsmoduls 40 gemäß einer zweiten Ausführungsform. Das Konditionierungsmodul 40 weist ein kreiszylinderförmiges innenliegendes zweites Volumen 43 auf, das umfänglich von einem kreiszylinderförmigen außenliegenden ersten Volumen 42 umgeben ist. Das zweite Volumen 43 weist somit eine erste Querschnittfläche 45 auf, die vollständig innerhalb einer zweiten Querschnittfläche 46 des ersten Volumens 42 angeordnet ist. Das Konditionierungsmodul 40 weist ferner ein zentrales kreiszylinderförmiges drittes Volumen 49 auf, dessen dritte Querschnittfläche 50 innerhalb der ersten Querschnittfläche 45 und der zweiten Querschnittfläche 46 angeordnet ist. Das erste 42, zweite 43 und dritte 49 Volumen sind konzentrische Kreiszylindervolumen. Zu der in 2 dargestellten Ausführungsform identische Komponenten des in 3 dargestellten Konditionierungsmoduls 40 weisen identische Bezugszeichen wie diese auf und sind nicht erneut beschrieben. 3 shows a schematic representation of a conditioning module 40 according to a second embodiment. The conditioning module 40 has a circular cylindrical inner second volume 43 on, the circumference of a circular cylindrical outer first volume 42 is surrounded. The second volume 43 thus has a first cross-sectional area 45 which are completely within a second cross-sectional area 46 of the first volume 42 is arranged. The conditioning module 40 also has a central circular cylindrical third volume 49 on, whose third cross-sectional area 50 within the first cross-sectional area 45 and the second cross-sectional area 46 is arranged. The first 42 , second 43 and third 49 Volumes are concentric circular cylinder volumes. To the in 2 illustrated embodiment, identical components of in 3 presented conditioning module 40 have identical reference numerals like these and are not described again.

Im Gegensatz zu der in 2 dargestellten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Konditionierungsmoduls 40 strömt das Betriebsmedium über einen in der Mantelfläche des ersten Volumens 42, die gleichzeitig die Oberfläche 51 des Konditionierungsmoduls 40 ist, angeordneten Gaseinlass 41 radial nach innen in das erste Volumen 42 ein. Dieses weist wiederum in axialer Richtung längserstreckte, in radialer Richtung orientierte und wie oben beschrieben kühlmitteldurchflossene Wärmeübertragerplatten 47 auf, entlang derer das Betriebsmedium radial nach innen strömt und dabei abgekühlt wird. Unlike the in 2 illustrated embodiment of the conditioning module according to the invention 40 the operating medium flows over a in the lateral surface of the first volume 42 that simultaneously cover the surface 51 of the conditioning module 40 is, arranged gas inlet 41 radially inward into the first volume 42 one. This again has longitudinally oriented in the axial direction, oriented in the radial direction and as described above coolant flowing through heat transfer plates 47 along, along which the operating medium flows radially inward and is thereby cooled.

Das in dem ersten Volumen 42 gekühlte Betriebsmedium strömt anschließend über eine Vielzahl von Durchgangsöffnungen in einer Mantelfläche des zweiten Volumens 43 radial nach innen in dieses ein. In dem zweiten Volumen 43 sind wiederum Hohlfasermembranen 48 angeordnet, die das bereits gekühlte Betriebsmedium umströmt und dabei Feuchtigkeit aufnimmt. Das konditionierte Betriebsmedium strömt anschließend radial nach innen und über eine Vielzahl von Durchgangsöffnungen in einer Mantelfläche des dritten Volumens 49 in dieses ein. Das dritte Volumen 49 ist dabei als Gassammler ausgelegt und leitet das konditionierte Betriebsmedium über einen stromabwärts gelegenen Gasauslass 44 aus dem Konditionierungsmodul 40 ab. That in the first volume 42 cooled operating medium then flows through a plurality of passage openings in a lateral surface of the second volume 43 radially inward in this one. In the second volume 43 are in turn hollow-fiber membranes 48 arranged, which flows around the already cooled operating medium while absorbing moisture. The conditioned operating medium then flows radially inward and over a plurality of passage openings in a lateral surface of the third volume 49 into this one. The third volume 49 is designed as a gas collector and directs the conditioned operating medium via a downstream gas outlet 44 from the conditioning module 40 from.

4 zeigt eine schematische Darstellung eines Konditionierungsmoduls 40 gemäß einer dritten Ausführungsform. In Hinblick auf die relative Anordnung von erstem Volumen 42 und zweitem Volumen 43 entspricht das dargestellte Konditionierungsmodul 40 dem in 2 gezeigten. Zu diesem identische Komponenten des in 4 dargestellten Konditionierungsmoduls 40 weisen identische Bezugszeichen wie in 2 auf. 4 shows a schematic representation of a conditioning module 40 according to a third embodiment. With regard to the relative arrangement of the first volume 42 and second volume 43 corresponds to the illustrated conditioning module 40 the in 2 shown. To this identical components of in 4 presented conditioning module 40 have identical reference numerals as in FIG 2 on.

Im Gegensatz zu dem in 2 gezeigten Konditionierungsmodul 40 weist das in 4 dargestellte eine Vielzahl von in dem ersten Volumen 42 angeordneten Wärmeübertragerelementen 47 in Form von Wärmeübertragerrohren 47 eines Rohrbündelwärmeübertragers auf. Das erste Volumen 42 ist mittels der Wärmeübertragerflächen dieser Wärmeübertragerrohre 47 als Wärmeübertrager ausgebildet. Anders als bei dem in 2 gezeigten Konditionierungsmodul 40 ist in dem in 4 dargestellten Konditionierungsmodul 40 kein zentral innenliegendes drittes Volumen 49 als Gasverteiler angeordnet. Unlike the in 2 shown conditioning module 40 has the in 4 illustrated a variety of in the first volume 42 arranged heat transfer elements 47 in Form of heat exchanger tubes 47 a Rohrbündelwärmeübertragers on. The first volume 42 is by means of the heat exchanger surfaces of these heat exchanger tubes 47 designed as a heat exchanger. Unlike the one in 2 shown conditioning module 40 is in the in 4 illustrated conditioning module 40 no centrally located third volume 49 arranged as a gas distributor.

Stattdessen weist das Konditionierungsmodul 40 einen nicht dargestellten ersten Verteilerbereich auf, der sich an die dargestellte Stirnseite des ersten Volumens 42 anschließt. Dieser erste Verteilerbereich dient dabei sowohl der Zuführung des Betriebsmediums zu dem ersten Gaseinlass 41 und dem ersten Volumen 42 als auch der Zuführung des Kühlmittels zu den Wärmeübertragerrohren 47. Hierfür weist der erste Verteilerbereich bevorzugt getrennte Unterbereiche auf, die beispielsweise in Längsrichtung des zylinderförmigen Konditionierungsmoduls 40 hintereinander angeordnet sind. Hierfür können die Wärmeübertragerrohre 47 in Längsrichtung des Konditionierungsmoduls 40 über die dargestellte Stirnfläche des ersten Volumens 42 hinaus und in einen dieser Unterbereiche hineinragen. Instead, the conditioning module points 40 a first distributor region, not shown, which adjoins the illustrated end face of the first volume 42 followed. This first distributor region serves both to supply the operating medium to the first gas inlet 41 and the first volume 42 as well as the supply of the coolant to the heat exchanger tubes 47 , For this purpose, the first distributor region preferably has separate subregions which, for example, extend in the longitudinal direction of the cylindrical conditioning module 40 arranged one behind the other. For this purpose, the heat exchanger tubes 47 in the longitudinal direction of the conditioning module 40 over the illustrated end face of the first volume 42 out and into one of these sub-areas protrude.

Das zugeführte Betriebsmedium strömt von dem Gaseinlass 41 in das erste Volumen 42 und breitet sich darin in axialer und radialer Richtung aus. Das im ersten Volumen 42 gekühlte Betriebsmedium tritt schließlich über die Mantelfläche des ersten Volumens 42 in das zweite Volumen 43 ein, in dem es mittels der darin angeordneten Befeuchterelemente 47 befeuchtet wird. Schließlich tritt das konditionierte Betriebsmedium nahe der in 4 nicht dargestellten Stirnfläche des Konditionierungsmoduls 40 über den in der Mantelfläche des zweiten Volumens beziehungsweise in der Oberfläche 51 des Konditionierungsmoduls 40 angeordneten Gasauslass 44 aus diesem aus. The supplied operating medium flows from the gas inlet 41 in the first volume 42 and spreads in it in the axial and radial directions. That in the first volume 42 cooled operating medium finally passes over the lateral surface of the first volume 42 in the second volume 43 in which it by means of the humidifier elements arranged therein 47 is moistened. Finally, the conditioned operating medium occurs close to that in 4 not shown end face of the conditioning module 40 over the in the lateral surface of the second volume or in the surface 51 of the conditioning module 40 arranged gas outlet 44 out of this.

5 zeigt eine schematische Darstellung eines Konditionierungsmoduls 40 gemäß einer vierten Ausführungsform. In Hinblick auf die relative Anordnung von erstem Volumen 42 und zweitem Volumen 43 entspricht das dargestellte Konditionierungsmodul 40 dem in 3 gezeigten. Zu diesem identische Komponenten des in 5 dargestellten Konditionierungsmoduls 40 weisen identische Bezugszeichen wie in 2 auf und werden nicht erneut erläutert. 5 shows a schematic representation of a conditioning module 40 according to a fourth embodiment. With regard to the relative arrangement of the first volume 42 and second volume 43 corresponds to the illustrated conditioning module 40 the in 3 shown. To this identical components of in 5 presented conditioning module 40 have identical reference numerals as in FIG 2 and will not be explained again.

Auch gemäß dieser Ausführungsform weist das erste Volumen 42 Wärmeübertragerelemente 47 in Form von Wärmeübertragerrohren 47 eines Rohrbündelwärmeübertragers auf. Diesen wird ein Kühlmittel, beispielsweise Kathodenabgas, über einen nicht dargestellten ersten Verteilerbereich zugeführt, der sich an die in 5 dargestellte Stirnfläche des ersten Volumens 42 anschließt. Das Betriebsmedium wird dem Konditionierungsmodul 40 über den in dessen Mantelfläche 51 angeordneten Gaseinlass 41 eingeleitet, durchströmt darin in axialer und entgegen der radialen Richtung das erste Volumen 42 und das zweite Volumen 43 und tritt über ein als Gassammler ausgebildetes drittes Volumen 49 und den Gasauslass 44 aus dem Konditionierungsmodul 40 aus. Dem zweiten Volumen wird ein wasser- oder wasserdampfbeladenes Fluid über einen zweiten Verteilerbereich zugeordnet, der sich an die dargestellte Stirnfläche des zweiten Volumens 43 anschließt. Also according to this embodiment, the first volume 42 heat-transfer elements 47 in the form of heat exchanger tubes 47 a Rohrbündelwärmeübertragers on. These are supplied with a coolant, for example cathode exhaust gas, via a first distributor region, not shown, which adjoins the in 5 illustrated end face of the first volume 42 followed. The operating medium is the conditioning module 40 over the in the lateral surface 51 arranged gas inlet 41 introduced, flows through it in the axial and counter to the radial direction, the first volume 42 and the second volume 43 and enters via a third volume designed as a gas collector 49 and the gas outlet 44 from the conditioning module 40 out. The second volume is associated with a water- or water-vapor-loaded fluid via a second distributor region, which adjoins the illustrated end face of the second volume 43 followed.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

100 100
Brennstoffzellensystem The fuel cell system
10 10
Brennstoffzellenstapel fuel cell stack
11 11
Einzelzelle single cell
12 12
Anodenraum anode chamber
13 13
Kathodenraum cathode space
14 14
Membran-Elektroden-Anordnung (MEA) Membrane electrode assembly (MEA)
15 15
Bipolarplatte (Separatorplatte, Flussfeldplatte) Bipolar plate (separator plate, flow field plate)
20 20
Anodenversorgung anode supply
21 21
Anodenversorgungsleitung Anode supply line
22 22
Anodenabgasleitung Anode exhaust gas line
23 23
Brennstofftank fuel tank
24 24
Erstes Stellmittel First actuating means
25 25
Rezirkulationsleitung recirculation
26 26
Zweites Stellmittel Second actuating means
27 27
Rezirkulationsfördereinrichtung recirculation conveyor
28 28
Wasserabscheider water
30 30
Kathodenversorgung cathode supply
31 31
Kathodenversorgungsleitung Cathode supply line
32 32
Kathodenabgasleitung Cathode exhaust gas line
33 33
Verdichter compressor
34 34
Elektromotor electric motor
35 35
Leistungselektronik power electronics
36 36
Expansionsvorrichtung/Turbine/Regelklappe Expander / turbine / control flap
37 37
Bypassleitung bypass line
38 38
Bypassventil bypass valve
40 40
Konditionierungsmodul conditioning module
41 41
Gaseinlass gas inlet
42 42
erstes Volumen first volume
43 43
zweites Volumen second volume
44 44
Gasauslass gas outlet
45 45
erste Querschnittfläche first cross-sectional area
46 46
zweite Querschnittfläche second cross-sectional area
47 47
Wärmeübertragerelemente heat-transfer elements
48 48
Befeuchterelemente moistener
49 49
drittes Volumen third volume
50 50
dritte Querschnittfläche third cross-sectional area
51 51
Oberfläche des Konditionierungsmoduls Surface of the conditioning module

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • US 7624971 B2 [0018] US 7624971 B2 [0018]

Claims (10)

Konditionierungsmodul (40) für ein Betriebsmedium eines Brennstoffzellenstapels (10), aufweisend: einen Gaseinlass (41) für das Betriebsmedium; ein durchströmbares, als Wärmeübertrager ausgebildetes und stromabwärts des Gaseinlasses (41) angeordnetes erstes Volumen (42); ein durchströmbares, als Befeuchter ausgebildetes und stromabwärts des ersten Volumens (42) angeordnetes zweites Volumen (43); und einen stromabwärts des zweiten durchströmbaren Volumens (43) angeordneten Gasauslass (44) für das konditionierte Betriebsmedium, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Querschnitt des Konditionierungsmoduls (40) eine erste Querschnittfläche (45) von einem von dem ersten Volumen (42) und dem zweiten Volumen (43) innerhalb einer zweiten Querschnittfläche (46) von dem anderen von dem ersten Volumen (42) und dem zweiten Volumen (43) angeordnet ist. Conditioning module ( 40 ) for a working medium of a fuel cell stack ( 10 ), comprising: a gas inlet ( 41 ) for the operating medium; a flow-through, designed as a heat exchanger and downstream of the gas inlet ( 41 ) arranged first volume ( 42 ); a flow-through, designed as a humidifier and downstream of the first volume ( 42 ) arranged second volume ( 43 ); and a downstream of the second permeable volume ( 43 ) arranged gas outlet ( 44 ) for the conditioned operating medium, characterized in that in a cross-section of the conditioning module ( 40 ) a first cross-sectional area ( 45 ) of one of the first volume ( 42 ) and the second volume ( 43 ) within a second cross-sectional area ( 46 ) from the other of the first volume ( 42 ) and the second volume ( 43 ) is arranged. Konditionierungsmodul (40) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in dem ersten Volumen (42) kühlmitteldurchflossene und mit einem Kühlmitteleinlass und einem Kühlmittelauslass verbundene Wärmeübertragerelemente (47) angeordnet sind und in dem zweiten Volumen (43) wasser- oder wasserdampfführende und zumindest mit einem Fluideinlass verbundene Befeuchterelemente (48) angeordnet sind. Conditioning module ( 40 ) according to claim 1, characterized in that in the first volume ( 42 ) coolant-flowing and connected to a coolant inlet and a coolant outlet heat transfer elements ( 47 ) and in the second volume ( 43 ) water or steam-carrying and at least with a fluid inlet connected humidifying elements ( 48 ) are arranged. Konditionierungsmodul (40) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Volumen (42) und das zweite Volumen (43) Zylindervolumen sind. Conditioning module ( 40 ) according to claim 1 or 2, characterized in that the first volume ( 42 ) and the second volume ( 43 ) Cylinder volume are. Konditionierungsmodul (40) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Querschnittfläche (45) und die zweite Querschnittfläche (46) konzentrisch zueinander sind und einer von dem Gaseinlass (41) und dem Gasauslass (44) nahe eines Mittelpunkts der konzentrischen Querschnittflächen (45, 46) angeordnet ist. Conditioning module ( 40 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the first cross-sectional area ( 45 ) and the second cross-sectional area ( 46 ) are concentric with each other and one of the gas inlet ( 41 ) and the gas outlet ( 44 ) near a center of the concentric cross-sectional areas ( 45 . 46 ) is arranged. Konditionierungsmodul (40) nach einem der vorangehenden Ansprüche, ferner aufweisend ein als Gasverteiler ausgebildetes und stromaufwärts des ersten Volumens (42) angeordnetes oder als Gassammler ausgebildetes und stromabwärts des zweiten Volumens (43) angeordnetes, durchströmbares drittes Volumen (49), wobei in einem Querschnitt des Konditionierungsmoduls (40) eine dritte Querschnittfläche (50) von dem dritten Volumen (49) innerhalb der ersten Querschnittfläche (45) und innerhalb der zweiten Querschnittfläche (46) angeordnet ist. Conditioning module ( 40 ) according to one of the preceding claims, further comprising a gas distributor and upstream of the first volume ( 42 ) or formed as a gas collector and downstream of the second volume ( 43 ) arranged, through-flowable third volume ( 49 ), wherein in a cross-section of the conditioning module ( 40 ) a third cross-sectional area ( 50 ) of the third volume ( 49 ) within the first cross-sectional area ( 45 ) and within the second cross-sectional area ( 46 ) is arranged. Konditionierungsmodul (40) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vielzahl von Gaseinlässen (41) oder Gasauslässen (44) auf einer Oberfläche (51) des Konditionierungsmoduls (40) angeordnet ist. Conditioning module ( 40 ) according to one of the preceding claims, characterized in that a plurality of gas inlets ( 41 ) or gas outlets ( 44 ) on a surface ( 51 ) of the conditioning module ( 40 ) is arranged. Konditionierungsmodul (40) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Volumen (42) und das zweite Volumen (43) durch zueinander konzentrische Kreiszylinder gebildet sind. Conditioning module ( 40 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the first volume ( 42 ) and the second volume ( 43 ) are formed by mutually concentric circular cylinder. Brennstoffzellensystem (100) mit einem Brennstoffzellenstapel (10), aufweisend eine Anodenversorgung (20) mit einem Anodenversorgungspfad (21) und einem Anodenabgaspfad (22) und eine Kathodenversorgung (30) mit einem Kathodenversorgungspfad (31) und einem Kathodenabgaspfad (32) und zumindest ein in der Anoden- und/oder Kathodenversorgung (20, 30) angeordnetes Konditionierungsmodul (40) nach einem der Ansprüche 1 bis 7. Fuel cell system ( 100 ) with a fuel cell stack ( 10 ), comprising an anode supply ( 20 ) with an anode supply path ( 21 ) and an anode exhaust path ( 22 ) and a cathode supply ( 30 ) with a cathode supply path ( 31 ) and a cathode exhaust path ( 32 ) and at least one in the anode and / or cathode supply ( 20 . 30 ) conditioning module ( 40 ) according to one of claims 1 to 7. Brennstoffzellensystem (100) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein in der Kathodenversorgung (30) angeordnetes Konditionierungsmodul (40) nach einem der Ansprüche 2 bis 7 einen Gaseinlass (41) für ein Kathodenbetriebsmedium und einen Gasauslass (44) für das konditionierte Kathodenbetriebsmedium und einen Kühlmitteleinlass und einen Fluideinlass für ein Kathodenabgas aufweist. Fuel cell system ( 100 ) according to claim 8, characterized in that a in the cathode supply ( 30 ) conditioning module ( 40 ) according to one of claims 2 to 7, a gas inlet ( 41 ) for a cathode operating medium and a gas outlet ( 44 ) for the conditioned cathode operating medium and a coolant inlet and a fluid inlet for a cathode exhaust gas. Fahrzeug mit einem Konditionierungsmodul (40) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 und/oder einem Brennstoffzellensystem (100) nach einem der Ansprüche 8 und 9. Vehicle with a conditioning module ( 40 ) according to one of claims 1 to 7 and / or a fuel cell system ( 100 ) according to one of claims 8 and 9.
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