DE102017217075A1

DE102017217075A1 - The fuel cell system

Info

Publication number: DE102017217075A1
Application number: DE102017217075.1A
Authority: DE
Inventors: Vadim Kuzovich
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2017-09-26
Filing date: 2017-09-26
Publication date: 2019-03-28

Abstract

Brennstoffzellensystem (1) mit einer Brennstoffzelle (2) und einer Turbomaschine (10). Die Turbomaschine (10) weist einen Verdichter (11) und eine Antriebsvorrichtung (15) auf, wobei der Verdichter (11) mittels der Antriebsvorrichtung (15) antreibbar ist. Die Brennstoffzelle (2) weist eine Anode (2a) und eine Kathode (2b) auf. Der Anode (2a) ist ein Anodengas über einen Anodenpfad (40) zuführbar, und der Kathode (2b) ist mittels des Verdichters (11) ein Kathodengas über einen Kathodenpfad (20) zuführbar. Der Anodenpfad (40) führt zumindest teilweise durch die Turbomaschine (10).Fuel cell system (1) with a fuel cell (2) and a turbomachine (10). The turbomachine (10) has a compressor (11) and a drive device (15), wherein the compressor (11) can be driven by means of the drive device (15). The fuel cell (2) has an anode (2a) and a cathode (2b). The anode (2a) is an anode gas via an anode path (40) can be supplied, and the cathode (2b) by means of the compressor (11), a cathode gas via a cathode path (20) can be supplied. The anode path (40) leads at least partially through the turbomachine (10).

Description

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem, insbesondere zur Verwendung in einem Fahrzeug.The invention relates to a fuel cell system, in particular for use in a vehicle.

Stand der TechnikState of the art

Brennstoffzellensysteme sind aus dem Stand der Technik bekannt, beispielsweise aus der Offenlegungsschrift DE 10 2012 224 052 A1 . Das bekannte Brennstoffzellensystem weist eine Brennstoffzelle und eine Turbomaschine auf. Die Turbomaschine umfasst einen Verdichter und eine Antriebsvorrichtung, wobei der Verdichter mittels der Antriebsvorrichtung antreibbar ist. Die Brennstoffzelle weist eine Anode und eine Kathode auf. Der Kathode wird mittels des Verdichters ein Kathodengas bzw. Oxidationsmittel über einen Kathodenpfad zugeführt.Fuel cell systems are known from the prior art, for example from the published patent application DE 10 2012 224 052 A1 , The known fuel cell system has a fuel cell and a turbomachine. The turbomachine comprises a compressor and a drive device, wherein the compressor can be driven by means of the drive device. The fuel cell has an anode and a cathode. The cathode is fed by means of the compressor, a cathode gas or oxidant via a cathode path.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem weist eine verbesserte Kühlung der Antriebsvorrichtung auf.The fuel cell system according to the invention has improved cooling of the drive device.

Dazu umfasst das Brennstoffzellensystem eine Brennstoffzelle und eine Turbomaschine. Die Turbomaschine weist einen Verdichter und eine Antriebsvorrichtung auf, wobei der Verdichter mittels der Antriebsvorrichtung antreibbar ist. Die Brennstoffzelle weist eine Anode und eine Kathode auf. Der Anode ist ein Anodengas über einen Anodenpfad zuführbar, und der Kathode ist mittels des Verdichters ein Kathodengas über einen Kathodenpfad zuführbar. Der Anodenpfad führt zumindest teilweise durch die Turbomaschine.For this purpose, the fuel cell system comprises a fuel cell and a turbomachine. The turbomachine has a compressor and a drive device, wherein the compressor can be driven by means of the drive device. The fuel cell has an anode and a cathode. The anode is an anode gas supplied via an anode path, and the cathode is fed by means of the compressor, a cathode gas via a cathode path. The anode path leads at least partially through the turbomachine.

Dadurch wird die Turbomaschine, insbesondere die Antriebsvorrichtung, durch das Anodengas gekühlt. Vorzugsweise wird als Anodengas Wasserstoff verwendet. Durch die Kühlung mittels Wasserstoff ist die Kühlung der Turbomaschine effizienter als durch eine Kühlung mit Umgebungsluft, da durch die Kühlung mit Wasserstoff Wärmeübergangskoeffizient und Wärmeleitung gesteigert sind und gleichzeitig die Dichte verringert ist. Weiterhin erhöht das aufgeheizte Anodengas gleichzeitig den Wirkungsgrad der Brennstoffzelle.As a result, the turbomachine, in particular the drive device, is cooled by the anode gas. Preferably, hydrogen is used as the anode gas. By cooling by means of hydrogen, the cooling of the turbomachine is more efficient than cooling with ambient air, since the cooling with hydrogen heat transfer coefficient and heat conduction are increased while the density is reduced. Furthermore, the heated anode gas simultaneously increases the efficiency of the fuel cell.

Vorteilhafterweise ist der Verdichter als Radialkompressor ausgeführt, so dass möglichst effizient ein ausreichender Massenstrom des Kathodengases der Brennstoffzelle zugeführt wird.Advantageously, the compressor is designed as a radial compressor, so that as efficiently as possible a sufficient mass flow of the cathode gas of the fuel cell is supplied.

In vorteilhaften Weiterbildungen ist in der Turbomaschine ein Kühlungsraum ausgebildet. Der Kühlungsraum liegt in dem Anodenpfad. Die Antriebsvorrichtung ist in dem Kühlungsraum angeordnet, und der Verdichter ist außerhalb des Kühlungsraums angeordnet. Vorzugsweise wird der Kühlungsraum von einem Gehäuse begrenzt; das Anodengas strömt dann durch das komplette Gehäuse und kühlt die darin angeordneten Komponenten, beispielsweise die Antriebsvorrichtung. Der von dem Kathodengas durchströmte Verdichter ist außerhalb des Kühlungsraums angeordnet, um das Vermischen von Anodengas und Kathodengas zu vermeiden.In advantageous developments, a cooling space is formed in the turbomachine. The cooling space is located in the anode path. The drive device is arranged in the cooling space, and the compressor is arranged outside the cooling space. Preferably, the cooling space is bounded by a housing; the anode gas then flows through the complete housing and cools the components arranged therein, for example the drive device. The compressor through which the cathode gas flows is arranged outside the cooling space in order to avoid the mixing of anode gas and cathode gas.

Vorteilhafterweise ist der Verdichter dabei mittels einer Dichtung mediendicht von dem Kühlungsraum getrennt. Dadurch wird eine unerwünschte Reaktion des Kathodengases mit dem Anodengas vermieden.Advantageously, the compressor is separated by a seal media-tight from the cooling space. As a result, an undesirable reaction of the cathode gas is avoided with the anode gas.

In bevorzugten Ausführungen ist der Kühlungsraum in dem Anodenpfad stromaufwärts der Anode angeordnet. Das Anodengas kühlt Komponenten der Turbomaschine, dadurch wird es selbst erhitzt. Für einen optimierten Betrieb der Brennstoffzelle ist ein Aufheizen des Anodengases notwendig. Dieses Aufheizen erfolgt durch das Durchströmen der Turbomaschine. Vorteilhafterweise ist dadurch kein weiteres Heizelement im Anodenpfad mehr notwendig.In preferred embodiments, the cooling space is located in the anode path upstream of the anode. The anode gas cools components of the turbomachine, thereby heating it itself. For optimized operation of the fuel cell, heating of the anode gas is necessary. This heating takes place by flowing through the turbomachine. Advantageously, this no longer requires a further heating element in the anode path.

In vorteilhaften Ausführungen umfasst die Antriebsvorrichtung eine Welle, auf welcher der Verdichter angeordnet ist. Die Welle ist mittels eines Radiallagers gelagert, wobei das Radiallager als gasgeschmiertes Lager ausgeführt ist und in dem Anodenpfad liegt. Dadurch wird das Radiallager von dem Anodengas durchströmt und somit wirkungsvoll gekühlt und geschmiert. Der Verschleiß des Radiallagers wird dementsprechend verringert. Analog kann das Anodengas auch gegebenenfalls ein weiteres Radiallager und ein Axiallager durchströmen bzw. umströmen.In advantageous embodiments, the drive device comprises a shaft on which the compressor is arranged. The shaft is supported by means of a radial bearing, wherein the radial bearing is designed as a gas-lubricated bearing and is located in the anode path. As a result, the radial bearing is flowed through by the anode gas and thus effectively cooled and lubricated. The wear of the radial bearing is reduced accordingly. Analogously, the anode gas may also optionally flow through or flow around another radial bearing and an axial bearing.

In vorteilhaften Ausführungen ist die Antriebsvorrichtung als Elektromotor mit einem Stator und einem Rotor ausgebildet. Der Elektromotor liegt in dem Anodenpfad. Insbesondere bei einem Elektromotor ist die Kühlung sehr wichtig, da andernfalls der Wirkungsgrad sinkt. Durch die Umspülung des Elektromotors mit dem Anodengas, vorzugsweise Wasserstoff, ist in weiterbildenden Ausführungen eine Isolierung des Stators gegenüber dem Anodengas nicht erforderlich, da das Risiko der Oxidation nicht besteht. Weiterhin muss für den Elektromotor keine Drehzahlbegrenzung (wegen der Entmagnetisierung bei hohen Temperaturen) verwendet werden, da die Kühlung durch das Anodengas sehr wirkungsvoll ist; dementsprechend steigt der Wirkungsgrad des Elektromotors und mit ihm der der Turbomaschine.In advantageous embodiments, the drive device is designed as an electric motor with a stator and a rotor. The electric motor is located in the anode path. In particular, in an electric motor, the cooling is very important, otherwise the efficiency decreases. By flushing the electric motor with the anode gas, preferably hydrogen, insulation of the stator with respect to the anode gas is not required in further embodiments, since the risk of oxidation does not exist. Furthermore, no speed limit (because of the demagnetization at high temperatures) must be used for the electric motor, since the cooling by the anode gas is very effective; Accordingly, the efficiency of the electric motor increases and with it that of the turbomachine.

In Weiterbildung der Erfindung weist das Brennstoffzellensystem Sicherheitsvorkehrungen auf, um eine Reaktion des Kathodengases bzw. der Umgebungsluft mit dem Anodengas - beispielsweise durch Diffundieren nach längerem Stillstand des Brennstoffzellensystems - zu vermeiden. Dazu weist das Brennstoffzellensystem einen Spülpfad auf, wobei der Spülpfad zumindest teilweise durch die Turbomaschine führt. Damit ist der Spülpfad im Bereich der Turbomaschine identisch zu dem Anodenpfad. Der Spülpfad ist mit einem dritten Gas, mit einem Inertgas - insbesondere Stickstoff - durchspülbar, so dass das Inertgas etwaiges in die Turbomaschine diffundiertes Oxidationsmittel - insbesondere Umgebungsluft - aus der Turbomaschine spült, bevor das Anodengas eingeleitet wird.In a development of the invention, the fuel cell system has safety precautions in order to react the cathode gas or the ambient air with the anode gas, for example by diffusing after a prolonged standstill of the fuel cell system - to avoid. For this purpose, the fuel cell system has a purge path, wherein the purge path leads at least partially through the turbomachine. Thus, the purge path in the area of the turbomachine is identical to the anode path. The purge path is flushed with a third gas, with an inert gas, in particular nitrogen, so that the inert gas purges any oxidant that has diffused into the turbomachine-in particular ambient air-from the turbomachine before the anode gas is introduced.

In bevorzugten Ausführungen ist dabei in der Turbomaschine der Kühlungsraum ausgebildet. Der Kühlungsraum liegt dann dementsprechend sowohl in dem Anodenpfad als auch in dem Spülpfad. Vorzugsweise ist die Antriebsvorrichtung in dem Kühlungsraum angeordnet und der Verdichter außerhalb des Kühlungsraums. Die Antriebsvorrichtung wird somit wirkungsvoll gekühlt. Der gesamte Kühlungsraum kann von dem Anodengas zur Kühlung und von dem Inertgas zur Spülung durchströmt werden.In preferred embodiments, the cooling space is formed in the turbomachine. The cooling space is then correspondingly both in the anode path and in the rinse path. Preferably, the drive device is arranged in the cooling space and the compressor outside the cooling space. The drive device is thus effectively cooled. The entire cooling space can be flowed through by the anode gas for cooling and by the inert gas for flushing.

In bevorzugten Ausführungen ist in dem Spülpfad ein Spültank stromaufwärts des Kühlungsraums angeordnet. In dem Spültank ist Inertgas gespeichert, dass dann bei Bedarf zur Spülung des Kühlungsraums verwendet werden kann. Vorzugsweise steht das Inertgas dabei unter Druck. In vorteilhaften Ausgestaltungen wird das Inertgas durch eine chemische Reaktion in der Brennstoffzelle gewonnen, der Spültank ist dann stromabwärts der Brennstoffzelle angeordnet.In preferred embodiments, a rinse tank is located upstream of the cooling space in the rinse path. In the rinsing tank inert gas is stored, which can then be used if necessary for flushing the cooling space. Preferably, the inert gas is under pressure. In advantageous embodiments, the inert gas is obtained by a chemical reaction in the fuel cell, the rinsing tank is then arranged downstream of the fuel cell.

Vorteilhafterweise ist der Spülpfad zwischen dem Spültank und dem Kühlungsraum mittels eines Ventils verschließbar. Dadurch kann das Inertgas je nach Bedarf in den Kühlungsraum eindosiert werden.Advantageously, the flushing path between the flushing tank and the cooling space can be closed by means of a valve. As a result, the inert gas can be metered into the cooling space as needed.

In vorteilhaften Ausführungen ist der Anodenpfad zwischen der Brennstoffzelle und dem Kühlungsraum mittels eines weiteren Ventils verschließbar. Dadurch kann sichergestellt werden, dass entweder nur Inertgas oder nur Anodengas in den Kühlungsraum eingeleitet wird.In advantageous embodiments, the anode path between the fuel cell and the cooling space can be closed by means of a further valve. This can ensure that either only inert gas or only anode gas is introduced into the cooling space.

Das Brennstoffzellensystem kann vorzugsweise dazu eingerichtet sein, einen Antrieb eines Kraftfahrzeugs anzutreiben.The fuel cell system may preferably be configured to drive a drive of a motor vehicle.

Figurenlistelist of figures

Weitere optionale Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele, welche in den Figuren schematisch dargestellt sind.Further optional details and features of the invention will become apparent from the following description of preferred embodiments, which are shown schematically in the figures.

Es zeigen:

1 schematisch ein Brennstoffzellensystem, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind.
2 schematisch eine Turbomaschine eines Brennstoffzellensystems im Schnitt, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind.
3 schematisch noch ein Brennstoffzellensystem, wobei nur die wesentlichen Bereiche dargestellt sind.

Show it:

1 schematically a fuel cell system, with only the essential areas are shown.
2 schematically a turbomachine of a fuel cell system in section, with only the essential areas are shown.
3 schematically a fuel cell system, with only the essential areas are shown.

Ausführliche Beschreibung der ErfindungDetailed description of the invention

1 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems 1. Derartige Brennstoffzellensysteme 1 können beispielsweise Verwendung finden als stationäre oder mobile Brennstoffzellensysteme. Beispielsweise können erfindungsgemäße Brennstoffzellensysteme 1 in Kraftfahrzeugen eingesetzt werden. 1 shows a schematic representation of an embodiment of a fuel cell system according to the invention 1 , Such fuel cell systems 1 For example, they can be used as stationary or mobile fuel cell systems. For example, fuel cell systems according to the invention 1 used in motor vehicles.

Das Brennstoffzellensystem 1 umfasst eine Brennstoffzelle 2 mit einer Anode 2a und einer Kathode 2b, die nur schematisch angedeutet sind. Zwischen der Anode 2a und der Kathode 2b ist ein Elektrolyt angeordnet. Es ist ferner ein Kathodenpfad 20 mit einer Kathodengaszuführung 21 zum Zuführen von Kathodengas zu der Kathode 2b und eine Kathodenabgasführung 22 zum Ableiten von Kathodenabgas von der Kathode 2b vorgesehen. Weiterhin weist das Brennstoffzellensystem 1 einen Verdichter 11 auf, mit dem Kathodengas von einer nicht dargestellten Kathodengasquelle zu der Kathode 2b geleitet werden kann. Als Kathodengas bzw. Oxidationsmittel dient dabei vorzugsweise Umgebungsluft. Der Verdichter 11 ist vorzugsweise als Radiallaufrad bzw. Radialkompressor oder Kreiselpumpe ausgeführt.The fuel cell system 1 includes a fuel cell 2 with an anode 2a and a cathode 2 B , which are indicated only schematically. Between the anode 2a and the cathode 2 B an electrolyte is arranged. It is also a cathode path 20 with a cathode gas supply 21 for supplying cathode gas to the cathode 2 B and a cathode exhaust gas guide 22 for diverting cathode exhaust gas from the cathode 2 B intended. Furthermore, the fuel cell system 1 a compressor 11 on, with the cathode gas from a cathode gas source, not shown, to the cathode 2 B can be directed. Ambient air is preferably used as cathode gas or oxidizing agent. The compressor 11 is preferably designed as a radial impeller or radial compressor or centrifugal pump.

In der Kathodenabgasführung 22 ist in bevorzugten Weiterbildungen eine Abgasturbine 13 angeordnet, welche von dem die Kathodenabgasführung 22 durchströmenden Abgas angetrieben wird. Ein Bypassventil 5 verbindet die Kathodengaszuführung 21 mit der Kathodenabgasführung 22 parallel zu der Kathode 2b und kann dadurch den Druck in der Kathode 2b absenken. Der Verdichter 11 und die Abgasturbine 13 sind über eine Welle 14 mechanisch verbunden. Die Welle 14 ist von einer Antriebsvorrichtung 15 elektrisch antreibbar. Die Abgasturbine 13 dient der Unterstützung der Antriebsvorrichtung 15 zum Antreiben der Welle 14 bzw. des Verdichters 11. Der Verdichter 11, die Welle 14, die Abgasturbine 13 und die Antriebsvorrichtung 15 bilden zusammen eine Turbomaschine 10.In the cathode exhaust gas guide 22 is in preferred developments an exhaust gas turbine 13 arranged, which of which the cathode exhaust gas guide 22 flowing exhaust gas is driven. A bypass valve 5 connects the cathode gas supply 21 with the cathode exhaust gas guide 22 parallel to the cathode 2 B and thereby can reduce the pressure in the cathode 2 B Lower. The compressor 11 and the exhaust gas turbine 13 are about a wave 14 mechanically connected. The wave 14 is from a drive device 15 electrically driven. The exhaust gas turbine 13 serves to support the drive device 15 to power the shaft 14 or of the compressor 11 , The compressor 11 , the wave 14 , the exhaust gas turbine 13 and the drive device 15 Together they form a turbomachine 10 ,

Das Brennstoffzellensystem 1 weist weiterhin einen Anodenpfad 40 mit einer Anodengaszuführung 41 zum Zuführen von Anodengas zu der Anode 2a und eine Anodenabgasführung 42 zum Ableiten von Anodenabgas von der Anode 2a auf. In weiterbildenden Ausführungen kann die Anodenabgasführung 42 dabei wieder in die Anodengaszuführung 41 münden, um so nicht reagiertes Anodengas der Brennstoffzelle 2 wiederholt zuzuführen. Das Anodengas ist bevorzugt ein Brennstoff wie Wasserstoff, welcher beispielsweise von einem Behälter 30 unter einem Druck von 350-700 bar geliefert werden kann. Alternativ kann das Anodengas auch in der Anodengaszuführung 41 verdichtet werden bzw. durch eine geeignete Fördereinrichtung auf den benötigten Massenstrom beschleunigt werden.The fuel cell system 1 also has an anode path 40 with an anode gas supply 41 for supplying anode gas to the anode 2a and an anode exhaust gas guide 42 for deriving from Anode exhaust gas from the anode 2a on. In further developments, the anode exhaust gas guide 42 while again in the anode gas supply 41 lead to unreacted anode gas of the fuel cell 2 repeatedly feed. The anode gas is preferably a fuel such as hydrogen, which for example from a container 30 can be supplied under a pressure of 350-700 bar. Alternatively, the anode gas may also be in the anode gas supply 41 be compressed or accelerated by a suitable conveyor to the required mass flow.

Das Anodengas durchströmt die Turbomaschine 10, um diese zu kühlen, insbesondere um die Antriebsvorrichtung 15 zu kühlen. Dazu führt die Anodengaszuführung 41 durch die Turbomaschine 10. Dadurch wird einerseits das Anodengas gekühlt, bevor es in die Brennstoffzelle 2 gelangt, was die Effizienz der Brennstoffzelle 2 erhöht. Andererseits wird die Antriebsvorrichtung 15, vorzugsweise ein Elektromotor, gekühlt, was wiederum die Effizienz der Antriebsvorrichtung 15 erhöht.The anode gas flows through the turbomachine 10 to cool them, especially around the drive device 15 to cool. This leads to the anode gas supply 41 through the turbomachine 10 , As a result, on the one hand, the anode gas is cooled before it enters the fuel cell 2 what the efficiency of the fuel cell 2 elevated. On the other hand, the drive device 15 , preferably an electric motor, cooled, which in turn improves the efficiency of the drive device 15 elevated.

In der Darstellung der 1 werden Anode 2a und Kathode 2b gegenorientiert durchströmt; sie können alternativ aber auch gleichorientiert durchströmt werden.In the presentation of the 1 become anodes 2a and cathode 2 B flows through counter-oriented; Alternatively, they can also be flowed through with equal orientation.

2 zeigt eine schematische Darstellung einer Turbomaschine 10 eines Brennstoffzellensystems 1, welche mit dem Anodengas der Brennstoffzelle 2 gekühlt wird. Die Antriebsvorrichtung 15 der Turbomaschine 10 ist als Elektromotor mit einem Stator 151 und einem Rotor 152 ausgebildet. Die Welle 14 ist mittels zweier Radiallager 17 und eines Axiallagers 18 gelagert. Zu beiden Enden der Welle 14 sind der Verdichter 11 bzw. die Abgasturbine 13 angeordnet, wobei die Abgasturbine 13 optional ist. 2 shows a schematic representation of a turbomachine 10 a fuel cell system 1 , which with the anode gas of the fuel cell 2 is cooled. The drive device 15 the turbo machine 10 is as an electric motor with a stator 151 and a rotor 152 educated. The wave 14 is by means of two radial bearings 17 and a thrust bearing 18 stored. To both ends of the shaft 14 are the compressor 11 or the exhaust gas turbine 13 arranged, the exhaust gas turbine 13 is optional.

In der Turbomaschine 10 ist ein Kühlungsraum 16 ausgebildet, welcher in der Anodengaszuführung 41 liegt und von dem Anodengas durchströmt wird. Vorzugsweise sind die Antriebsvorrichtung 15, die Radiallager 17 und das Axiallager 18 in dem Kühlungsraum 16 angeordnet, so dass sie durch das Anodengas gekühlt werden können. Der Verdichter 11 und die Abgasturbine 13, welche beide von dem Kathodengas durchströmt werden, sind außerhalb des Kühlungsraums 16 angeordnet, und mittels Dichtungen 19 von diesem getrennt, um eine Reaktion von Anodengas mit Kathodengas in der Turbomaschine 10 zu vermeiden.In the turbomachine 10 is a cooling room 16 formed, which in the anode gas supply 41 is located and flows through the anode gas. Preferably, the drive device 15 , the radial bearings 17 and the thrust bearing 18 in the cooling room 16 arranged so that they can be cooled by the anode gas. The compressor 11 and the exhaust gas turbine 13 , which are both flowed through by the cathode gas, are outside the cooling space 16 arranged, and by means of seals 19 separated from this to a reaction of anode gas with cathode gas in the turbomachine 10 to avoid.

Insbesondere bei der Verwendung von Wasserstoff als Anodengas ergeben sich durch die Kühlung der Turbomaschine 10 mit dem Anodengas folgende Vorteile:

- Die Kühlung mit Wasserstoff ist effizienter als die Kühlung mit Umgebungsluft, da damit der Wärmeübergangskoeffizient in den Kühlstrom und die Wärmeleitfähigkeit des Kühlstroms erhöht werden, was zu einer besseren Wärmeabfuhr aus der Turbomaschine 10 führt.
- Die Kühlung mit Wasserstoff führt aufgrund seiner geringen Dichte zu geringeren Strömungsverlusten als eine Kühlung mit Umgebungsluft. Auch dadurch wird die Effizienz der Antriebsvorrichtung 15 gesteigert.
- Insbesondere für die Ausführung der Radiallager 17 bzw. Axiallager 18 als gasgeschmierte Lager, bringt eine Durchströmung mit Wasserstoff weniger Energieverlust mit sich als eine Durchströmung mit Umgebungsluft. Gleichzeitig ist die Kühlwirkung größer.
- Die Umströmung des Stators 151 mit Wasserstoff anstelle von Umgebungsluft erfordert keine Isolierung des Stators 151 zur Vermeidung von Oxidation. Die Zuverlässigkeit und Lebensdauer des Stators 151 wird dadurch erhöht.
- Eine Kühlung mit Wasserstoff benötigt keine Löschvorrichtung, da Wasserstoff einen Verbrennungsvorgang nicht unterstützt.
- Die Turbomaschine 10 mit Elektromotor hat üblicherweise eine Drehzahlbegrenzung, weil der Magnet des Elektromotors bei hohen Temperaturen entmagnetisiert. Mit einer effizienten Wasserstoffkühlung kann die Drehzahl jedoch weiter erhöht werden.

In particular, when using hydrogen as the anode gas resulting from the cooling of the turbomachine 10 with the anode gas the following advantages:

- The cooling with hydrogen is more efficient than cooling with ambient air, since it increases the heat transfer coefficient in the cooling flow and the thermal conductivity of the cooling flow, resulting in a better heat dissipation from the turbomachine 10 leads.
- Due to its low density, cooling with hydrogen results in lower flow losses than cooling with ambient air. Also, this will increase the efficiency of the drive device 15 increased.
- Especially for the execution of radial bearings 17 or thrust bearing 18 As gas-lubricated bearings, a flow of hydrogen with less energy loss than a flow of ambient air. At the same time, the cooling effect is greater.
- The flow around the stator 151 using hydrogen instead of ambient air does not require isolation of the stator 151 to avoid oxidation. The reliability and life of the stator 151 is increased by this.
- Hydrogen cooling does not require an extinguishing device, as hydrogen does not support a combustion process.
- The turbomachine 10 with electric motor usually has a speed limit, because the magnet of the electric motor demagnetizes at high temperatures. However, with efficient hydrogen cooling, the speed can be further increased.

3 zeigt eine weitere Ausführung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems 1 in einer schematischen Darstellung. In dieser Ausführung ist der Kühlungsraum 16 mit einem Inertgas, vorzugsweise Stickstoff, spülbar. Dazu weist das Brennstoffzellensystem 1 einen Spülpfad 50 auf. Der Spülpfad 50 führt von der Brennstoffzelle 2 über eine Spülausgangsleitung 52 zu einem Spültank 59, von dem Spültank 59 weiter über einen Spülkanal 53 zu dem Kühlungsraum 16 und von dem Kühlungsraum 16 über eine Spülabfuhrleitung 54 zu der Umgebung 60. Dabei sind die Spülausgangsleitung 52, der Spülkanal 53 und die Spülabfuhrleitung 54 jeweils mittels eines Ventils 55, 56, 57 verschließbar. 3 shows a further embodiment of the fuel cell system according to the invention 1 in a schematic representation. In this version is the cooling room 16 with an inert gas, preferably nitrogen, rinsed. For this purpose, the fuel cell system 1 a rinse path 50 on. The rinse path 50 leads from the fuel cell 2 via a flushing outlet line 52 to a rinsing tank 59 , from the rinsing tank 59 continue via a flushing channel 53 to the cooling room 16 and from the cooling room 16 via a Spülabfuhrleitung 54 to the environment 60 , Here are the flushing outlet line 52 , the flushing channel 53 and the purge drain line 54 each by means of a valve 55 . 56 . 57 closable.

Vorzugsweise entsteht das Inertgas bei der Reaktion des Anodengases mit dem Kathodengas in der Brennstoffzelle 2. So entsteht bei der Verwendung von Wasserstoff als Anodengas und Umgebungsluft als Kathodengas als Inertgas Stickstoff, welcher über die Spülausgangsleitung 52 dem Spültank 59 zugeführt und dort gesammelt wird. Bei Bedarf werden dann die beiden Ventile 56, 57 in dem Spülkanal 53 und in der Spülabfuhrleitung 54 geöffnet, so dass der Kühlungsraum 16 mit Stickstoff gespült werden kann, um Umgebungsluft, insbesondere Sauerstoff, aus dem Kühlungsraum 16 zu entfernen.Preferably, the inert gas is formed in the reaction of the anode gas with the cathode gas in the fuel cell 2 , Thus, when using hydrogen as the anode gas and ambient air as the cathode gas as an inert gas nitrogen, which via the purge output line 52 the rinsing tank 59 fed and collected there. If necessary, then the two valves 56 . 57 in the flushing channel 53 and in the scavenging duct 54 opened, leaving the cooling room 16 with nitrogen can be flushed to ambient air, especially oxygen, from the cooling space 16 to remove.

Auch der Anodenpfad 40 weist Ventile 47, 48, 49 auf, welche die Zufuhr des Anodengases, vorzugsweise Wasserstoff, in die Brennstoffzelle 2 und in den Kühlungsraum 16 steuern bzw. das entsprechende Druckniveau steuern. In der Ausführung der 3 ist der Kühlungsraum 16 stromabwärts der Brennstoffzelle 2 angeordnet, kann in alternativen Ausführungen jedoch auch stromaufwärts der Brennstoffzelle 2 angeordnet sein.Also the anode path 40 has valves 47 . 48 . 49 on which the supply of the anode gas, preferably hydrogen, in the fuel cell 2 and in the cooling room 16 control or control the corresponding pressure level. In the execution of 3 is the cooling room 16 downstream of the fuel cell 2 However, in alternative embodiments, but also upstream of the fuel cell 2 be arranged.

Vorzugsweise weist der Anodenpfad 40 eine Rückführleitung 43 auf, welche von dem Kühlungsraum 16 zurück in die Brennstoffzelle 2 führt. Somit weist der Anodenpfad 40 einen Kreislauf aus Brennstoffzelle 2, Anodenabgasführung 42, Kühlungsraum 16 und Rückführleitung 43 auf. Über die Anodengaszuführung 41 kann der Brennstoffzelle 2 weiteres Anodengas - vorzugsweise Wasserstoff - zugeführt werden. Die Anodengaszuführung 41, die Anodenabgasführung 42 und die Rückführleitung 43 können jeweils von einem Ventil 47, 48, 49 verschlossen werden.Preferably, the anode path 40 a return line 43 on which of the cooling room 16 back to the fuel cell 2 leads. Thus, the anode path 40 a circuit of fuel cell 2 , Anode exhaust gas guide 42 , Cooling room 16 and return line 43 on. About the anode gas supply 41 can the fuel cell 2 another anode gas - preferably hydrogen - are supplied. The anode gas supply 41 , the anode exhaust gas guide 42 and the return line 43 can each be from a valve 47 . 48 . 49 be closed.

In der Ausführung der 3 weist die Turbomaschine 10 keine Abgasturbine 13 auf; alternativ kann die Turbomaschine 10 jedoch auch eine Abgasturbine 13 in dem Kathodenpfad 20 umfassen. Der Kathodenpfad 20 ist in der Darstellung der 3 aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht gezeigt.In the execution of 3 has the turbomachine 10 no exhaust gas turbine 13 on; Alternatively, the turbomachine 10 but also an exhaust gas turbine 13 in the cathode path 20 include. The cathode path 20 is in the representation of 3 not shown for reasons of clarity.

Die Funktionsweise des Brennstoffzellensystems 1 nach Ausführung der 3 ist wie folgt:The functioning of the fuel cell system 1 after execution of the 3 is as follows:

Der Stickstoff als Inertgas entsteht in der Brennstoffzelle 2 nach der Chemischen Elektrolyse als Reaktion des Wasserstoffs (Anodengas) mit dem Sauerstoff der Umgebungsluft (Kathodengas). In dem Brennstoffzellensystem 1 wird der Stickstoff in dem Kühlungsraum 16 als Puffergas zum Explosionsschutz - vor der Reaktion von Wasserstoff und Sauerstoff - verwendet. Wenn die Turbomaschine 10 eine längere Zeit nicht in Betrieb gewesen ist bzw. vor dem ersten Lauf, kann Umgebungsluft bzw. Sauerstoff in den Kühlungsraum 16 gelangen bzw. diffundieren. Bevor der Kühlungsraum 16 dann zur Kühlung der Turbomaschine 10 mit Wasserstoff durchströmt wird, wird der Sauerstoff aus dem Kühlungsraum 16 verdrängt, indem dieser mit Stickstoff aus dem Spültank 59 gespült wird. Dazu werden die Ventile 48, 49 in der Anodenabgasführung 42 und in der Rückführleitung 43 geschlossen und die Ventile 56, 57 in dem Spülkanal 53 und in der Spülabfuhrleitung 54 geöffnet. Im regulären Betrieb der Brennstoffzelle 2 werden dann die Ventile 56, 57 in dem Spülkanal 53 und in der Spülabfuhrleitung 54 geschlossen und die Ventile 48, 49 in der Anodenabgasführung 42 und in der Rückführleitung 43 geöffnet. Das Ventil 48 in der Anodenabgasführung 42 sollte jedoch erst geöffnet werden, wenn der Wasserstoff vollständig aus dem Kühlungsraum 16 verdrängt ist.The nitrogen as an inert gas is produced in the fuel cell 2 after the chemical electrolysis as reaction of the hydrogen (anode gas) with the oxygen of the ambient air (cathode gas). In the fuel cell system 1 the nitrogen is in the cooling room 16 as a buffer gas for explosion protection - before the reaction of hydrogen and oxygen - used. When the turbomachine 10 has not been in operation for a long time or before the first run, ambient air or oxygen in the cooling space 16 arrive or diffuse. Before the cooling room 16 then for cooling the turbomachine 10 With hydrogen flows through, the oxygen from the cooling space 16 displaced by adding this with nitrogen from the rinse tank 59 is rinsed. These are the valves 48 . 49 in the anode exhaust gas duct 42 and in the return line 43 closed and the valves 56 . 57 in the flushing channel 53 and in the scavenging duct 54 open. In regular operation of the fuel cell 2 then the valves 56 . 57 in the flushing channel 53 and in the scavenging duct 54 closed and the valves 48 . 49 in the anode exhaust gas duct 42 and in the return line 43 open. The valve 48 in the anode exhaust gas duct 42 however, should only be opened when the hydrogen is completely out of the cooling room 16 is displaced.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 102012224052 A1 [0002]

Claims

Fuel cell system (1) with a fuel cell (2) and a turbomachine (10), wherein the turbomachine (10) comprises a compressor (11) and a drive device (15), wherein the compressor (11) by means of the drive device (15) is drivable wherein the fuel cell (2) has an anode (2a) and a cathode (2b), wherein the anode (2a) an anode gas via an anode path (40) can be fed, wherein the cathode (2b) by means of the compressor (11) a Cathode gas via a cathode path (20) can be supplied, characterized in that the anode path (40) at least partially through the turbomachine (10) leads.

Fuel cell system (1) after Claim 1 characterized in that in the turbomachine (10) a cooling space (16) is formed, wherein the cooling space (16) lies in the anode path (40), wherein the drive device (15) is arranged in the cooling space (16) and wherein the Compressor (11) outside the cooling space (16) is arranged.

Fuel cell system (1) after Claim 2 , characterized in that the compressor (11) by means of a seal (19) media-tight from the cooling space (16) is separated.

Fuel cell system (1) according to one of Claims 2 or 3 characterized in that the cooling space (16) is located in the anode path upstream of the anode (2a).

Fuel cell system (1) according to one of Claims 1 to 4 , characterized in that the drive device (15) comprises a shaft (14) on which the compressor (11) is arranged, wherein the shaft (14) by means of a radial bearing (17) is mounted, wherein the radial bearing (17) as a gas-lubricated Bearing is executed and in the anode path (40).

Fuel cell system (1) according to one of Claims 1 to 5 , characterized in that the drive device (15) as an electric motor with a stator (151) and a rotor (152) is formed, wherein the electric motor in the anode path (40).

Fuel cell system (1) according to one of Claims 1 to 6 , characterized in that the fuel cell system (1) has a rinse path (50), wherein the rinse path (50) at least partially through the turbomachine (10) leads.

Fuel cell system (1) after Claim 7 characterized in that a cooling space (16) is formed in the turbomachine (10), wherein the cooling space (16) lies in the anode path (40) and in the flushing path (50), the drive device (15) being located in the cooling space ( 16) is arranged and wherein the compressor (11) outside the cooling space (16) is arranged.

Fuel cell system (1) after Claim 8 , characterized in that in the rinsing path (50) a rinsing tank (59) upstream of the cooling space (16) is arranged.

Fuel cell system (1) after Claim 9 , characterized in that the rinsing tank (59) is arranged downstream of the fuel cell (2).

Fuel cell system (1) after Claim 9 or 10 , characterized in that the flushing path (50) between the flushing tank (59) and the cooling space (16) by means of a valve (56) is closable.

Fuel cell system (1) after Claim 11 , characterized in that the anode path (40) between the fuel cell (2) and the cooling space (16) by means of a further valve (48, 49) is closable.