DE102018201259A1 - Fuel cell system and throttle - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem (1) mit einem Brennstoffzellenstapel (5), dessen Kathodenräume mittels einer Kathodenabgasleitung (7) mit einem Einlass (6) eines Befeuchters (2) und mittels einer Kathodenzufuhrleitung (4) mit einem Auslass (3) des Befeuchters (2) strömungsverbunden sind, sowie mit einem Verdichter (13), der zumindest mittelbar mittels einer Zufuhrleitung (14) mit einem Kathodengaseinlass (15) des Befeuchters (2) strömungsverbunden ist. Eine Befeuchterbypassleitung (18) ist vorhanden, die einenends mit der Zufuhrleitung (14) und anderenends an einem Bypassverbindungspunkt (19) mit der Kathodenzufuhrleitung (4) strömungsverbunden ist, und die Kathodenzufuhrleitung (4) weist stromabwärts des Bypassverbindungspunktes (19) eine Drosselklappe (20) auf. Außerdem umfasst die Erfindung eine Drosselklappe (20) für ein solches Brennstoffzellensystem (1).

Figure DE102018201259A1_0000
The invention relates to a fuel cell system (1) having a fuel cell stack (5) whose cathode chambers are connected to an inlet (6) of a humidifier (2) by means of a cathode exhaust gas line (7) and an outlet (3) of the humidifier (3) by means of a cathode feed line (4). 2) are fluidically connected, and with a compressor (13) which is at least indirectly flow-connected by means of a supply line (14) with a cathode gas inlet (15) of the humidifier (2). A humidifier bypass line (18) is provided which is in fluid communication with the supply line (14) at one end and a bypass connection point (19) at the other end, and the cathode supply line (4) has a throttle valve (20) downstream of the bypass connection point (19) ) on. In addition, the invention comprises a throttle valve (20) for such a fuel cell system (1).
Figure DE102018201259A1_0000

Description

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem mit einem Brennstoffzellenstapel, dessen Kathodenräume mittels einer Kathodenabgasleitung mit einem Einlass eines Befeuchters und mittels einer Kathodenzufuhrleitung mit einem Auslass des Befeuchters strömungsverbunden sind. Außerdem umfasst das Brennstoffzellensystem einen Verdichter, der zumindest mittelbar mittels einer Zufuhrleitung mit einem Kathodengaseinlass des Befeuchters strömungsverbunden ist. Es ist außerdem eine Befeuchterbypassleitung vorhanden, die einenends mit der Zufuhrleitung und anderenends an einem Bypassver-bindungspunkt mit der Kathodenzufuhrleitung strömungsverbunden ist. Die Erfindung betrifft außerdem eine Drosselklappe zur Verwendung in einem solchen Brennstoffzellensystem.The invention relates to a fuel cell system with a fuel cell stack whose cathode chambers are flow-connected to an inlet of a humidifier by means of a cathode exhaust gas line and to an outlet of the humidifier by means of a cathode feed line. In addition, the fuel cell system includes a compressor that is at least indirectly flow connected to a cathode gas inlet of the humidifier by means of a supply line. There is also a humidifier bypass line connected at one end to the supply line and at the other end at a bypass connection point to the cathode supply line. The invention also relates to a throttle valve for use in such a fuel cell system.

Um die Leitfähigkeit der die Kathoden von der Anoden trennenden Membranen innerhalb des Brennstoffzellenstapels sicherzustellen, werden die einzelnen Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels mit befeuchtetem Gas betrieben. Für die Befeuchtung des den Kathoden zugeführten Kathodengases wird der Befeuchter verwendet, in welchem üblicherweise eine wasserdampfpermeable Membran das zu befeuchtende Kathodengas von dem die Feuchtigkeit enthaltenden Kathodenabgas trennt.To ensure the conductivity of the cathodes separating the cathodes from the anodes within the fuel cell stack, the individual fuel cells of the fuel cell stack are operated with humidified gas. For moistening the cathode gas supplied to the cathode, the humidifier is used, in which usually a water vapor permeable membrane separates the humidified cathode gas from the moisture containing cathode exhaust gas.

In der DE 10 2016 201 611 A1 ist ein Brennstoffzellensystem gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 beschrieben. Hierbei wird das mittels des Verdichters angesaugte Kathodengas in einem Befeuchter konditioniert oder befeuchtet, bevor es in den Brennstoffzellenstapel eingebracht wird. Bei diesem Brennstoffzellensystem wird die relative Feuchte des dem Brennstoffzellenstapel zugeführten Kathodengases durch Betätigung eines in der Befeuchterbypassleitung angeordneten Stellglied eingestellt. Mit diesem System ist es allerdings nicht möglich, die Kathodengaszufuhr zum Brennstoffzellenstapel teilweise oder gänzlich zu unterbinden.In the DE 10 2016 201 611 A1 a fuel cell system according to the preamble of claim 1 is described. Here, the sucked by the compressor cathode gas is conditioned or moistened in a humidifier before it is introduced into the fuel cell stack. In this fuel cell system, the relative humidity of the cathode gas supplied to the fuel cell stack is adjusted by operating an actuator disposed in the humidifier bypass passage. With this system, however, it is not possible to partially or completely prevent the cathode gas supply to the fuel cell stack.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Brennstoffzellensystem der eingangs genannten Art derart weiterzubilden, dass die vorstehend genannten Nachteile überwunden werden. Außerdem ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Drosselklappe für ein Brennstoffzellensystem bereitzustellen, die ebenfalls den vorstehend genannten Nachteilen Rechnung trägt.It is therefore the object of the present invention, a fuel cell system of the type mentioned in such a way that the above-mentioned disadvantages are overcome. In addition, it is an object of the present invention to provide a throttle valve for a fuel cell system, which also takes into account the aforementioned disadvantages.

Die das Brennstoffzellensystem betreffende Aufgabe wird durch ein Brennstoffzellensystem mit dem Merkmalsbestand des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Insbesondere weist bei der Erfindung die Kathodenzufuhrleitung stromabwärts des Bypassverbindungspunktes eine Drosselklappe auf.The object concerning the fuel cell system is achieved by a fuel cell system having the feature set of claim 1. Advantageous embodiments with expedient developments of the invention are specified in the dependent claims. In particular, in the invention, the cathode supply line has a throttle valve downstream of the bypass connection point.

Mit diesem Brennstoffzellensystem ist der Vorteil verbunden, dass eine Mischung aus einem befeuchteten Kathodengasanteils und einem unbefeuchteten Kathodengasanteil dem Brennstoffzellenstapel zugeführt werden kann. Der befeuchtete Kathodengasanteil ist derjenige Anteil des vom Verdichter angesaugten Kathodengases, der im Befeuchter befeuchtet wurde. Der unbefeuchtete Kathodengasanteil ist derjenige Anteil des vom Verdichter angesaugten Kathodengases, der über die Befeuchterbypassleitung in die Kathodenzufuhrleitung strömt. Weiterhin lässt sich die Kathodengaszufuhr zum Brennstoffzellenstapel mittels der Drosselklappe regulieren.The advantage associated with this fuel cell system is that a mixture of a moistened cathode gas fraction and an unhumidified cathode gas fraction can be supplied to the fuel cell stack. The moistened cathode gas fraction is that fraction of the cathode gas aspirated by the compressor which has been moistened in the humidifier. The unhumidified cathode gas fraction is that portion of the cathode gas sucked by the compressor, which flows via the humidifier bypass line into the cathode feed line. Furthermore, the cathode gas supply to the fuel cell stack can be regulated by means of the throttle valve.

Vorzugsweise ist die Drosselklappe hierzu zwischen einer Durchlasskonfiguration und einer Sperrkonfiguration verstellbar. In der Durchlasskonfiguration ist ein Zufluss des Kathodengases zum Brennstoffzellenstapel ermöglicht, wobei auch Stellungen der Drosselklappe zur Durchlasskonfiguration gezählt werden können, in denen ein geringer oder nur teilweiser Zufluss des Kathodengases in den Brennstoffzellenstapel vorliegt. In der Sperrkonfiguration ist die Drosselklappe innerhalb der Kathodenzufuhrleitung derart angeordnet, dass ein Zufluss des Kathodengases zum Brennstoffzellenstapel im Wesentlichen unterbunden ist. Die Drosselklappe kann zwischen den beiden Konfigrationen mittels einer Steuerung oder eines Controllers verstellt werden. Vorzugsweise lässt sich zusätzlich auch ihr Öffnungsgrad in der Durchlasskonfiguration mittels einer Steuerung oder mittels eines Controllers regeln. Die Drosselklappe könnte deshalb in einer alternativen Ausgestaltung auch als ein Ventil oder als ein Druckregelventil ausgebildet sein.For this purpose, the throttle valve is preferably adjustable between a passage configuration and a blocking configuration. In the passage configuration, an inflow of the cathode gas to the fuel cell stack is made possible, wherein also positions of the throttle valve can be counted to Durchlasskonfiguration in which there is little or only partial inflow of the cathode gas into the fuel cell stack. In the blocking configuration, the throttle valve is arranged within the cathode feed line such that an inflow of the cathode gas to the fuel cell stack is substantially prevented. The throttle valve can be adjusted between the two configurations by means of a controller or a controller. In addition, its degree of opening in the passage configuration can also be regulated by means of a controller or by means of a controller. The throttle valve could therefore be formed in an alternative embodiment as a valve or as a pressure control valve.

In einer bevorzugten Ausführungsform des Brennstoffzellensystems ist die Drosselklappe ausgestaltet, in der Durchlasskonfiguration Verwirbelungen in einem in der Kathodenzufuhrleitung strömenden Kathodengas zu erzeugen. Damit ist der Vorteil verbunden, dass keine geschichtete Strömung in den Brennstoffzellenstapel oder in dessen Stapelheader gelangt, was dazu führen würde, dass verschiedene Brennstoffzellen innerhalb des Brennstoffzellenstapels unterschiedlich gut konditioniert werden. Manche Brennstoffzellen könnten dabei zu trocken, andere zu feucht sein. Durch die mittels der Drosselklappe entstehenden Verwirbelungen wird ein feuchter Kathodengasanteil mit einem trockenen Kathodengasanteil durchmischt.In a preferred embodiment of the fuel cell system, the throttle valve is configured to generate turbulence in a cathode gas flowing in the cathode feed line in the passage configuration. This has the advantage that no stratified flow reaches the fuel cell stack or its stack header, which would result in different fuel cells being differently well conditioned within the fuel cell stack. Some fuel cells may be too dry, others too humid. Due to the turbulence created by means of the throttle flap, a moist cathode gas fraction is mixed with a dry cathode gas fraction.

In diesem Zusammenhang hat es sich deshalb als vorteilhaft erwiesen, wenn die Drosselklappe eine (ggfs. zusätzliche) Verwirbelungsstruktur aufweist zur Durchmischung eines im Befeuchter befeuchteten Kathodengasanteils und eines über die Befeuchterbypassleitung strömenden unbefeuchteten Kathodengasantei ls.In this context, it has proven to be advantageous if the throttle valve has a (possibly additional) swirling structure for mixing a in the humidifier moistened cathode gas portion and a flowing over the humidifier bypass line unbeamed Kathodengasantei ls.

Um die Durchmischung der beiden Kathodengasanteile weiter zu verbessern, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Drosselklappe in der Kathodenzufuhrleitung um eine Achse verschwenkbar gelagert ist, und wenn die Drosselklappe eine oder mehrere Leitschaufeln zur Durchmischung des befeuchteten Kathodengasanteils mit dem trockenen Kathodengasanteil aufweist.In order to further improve the mixing of the two cathode gas fractions, it has proved to be advantageous if the throttle valve is pivotably mounted in the cathode supply line about an axis, and if the throttle valve has one or more vanes for mixing the humidified cathode gas fraction with the dry cathode gas fraction.

Vorzugsweise weist die Drosselklappe einen Klappenrücken und eine diesem gegenüberliegende Klappenbrust auf, wobei die Verwirbelungsstruktur an dem Klappenrücken und/oder an der Klappenbrust angeordnet ist. Die Verwirbelungsstruktur ist damit nur in denjenigen Fällen wirksam, in denen sich die Drosselklappe in der Durchlasskonfiguration befindet. Dabei erzeugt die Verwirbelungsstruktur die stärksten Verwirbelungen, wenn sich die Drosselklappe in ihrer am weitest geöffneten Stellung befindet. Diese Stellung entspricht der Lagerung der Drosselklappe im Strömungsquerschnitt der Kathodenzufuhrleitung derart, dass die vom Kathodengas angeströmte Fläche der Drosselklappe minimal ist.Preferably, the throttle valve has a valve back and a valve breast opposite thereto, wherein the swirling structure is arranged on the valve back and / or on the valve breast. The swirling structure is thus effective only in those cases where the throttle valve is in the passage configuration. The turbulence structure generates the strongest turbulences when the throttle valve is in its most open position. This position corresponds to the storage of the throttle valve in the flow cross section of the cathode supply line such that the area of the throttle flap flowed through by the cathode gas is minimal.

Um das Verhältnis aus befeuchtetem Kathodengasanteil und unbefeuchtetem Kathodengasanteil einstellen oder regeln zu können, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn der Kathodenzufuhrleitung stromaufwärts des Bypassverbindungspunktes ein Feuchtkathodengasstellglied zugeordnet ist, und wenn der Zufuhrleitung oder der Befeuchterbypassleitung stromaufwärts des Bypassverbindungspunktes ein Trockenkathodengasstellglied zugeordnet ist.In order to adjust or regulate the ratio of moistened cathode gas fraction and unhumidified cathode gas fraction, it has proved advantageous if a wet cathode gas actuator is assigned to the cathode supply line upstream of the bypass connection point, and if a dry cathode gas actuator is assigned to the supply line or the humidifier bypass line upstream of the bypass connection point.

Die die Drosselklappe betreffende Aufgabe wird mit einer Drosselklappe gemäß Anspruch 7 gelöst. Hierbei weist die Drosselklappe einen Klappenrücken und eine Klappenbrust auf, wobei an dem Klappenrücken und/oder an der Klappenbrust eine Verwirbelungsstruktur zur Durchmischung eines feuchten Kathodengasanteils mit einem trockenen Kathodengasanteil angeordnet ist.The problem relating to the throttle valve is achieved with a throttle valve according to claim 7. In this case, the throttle valve has a valve back and a valve breast, wherein on the valve back and / or on the valve breast, a swirling structure for mixing a wet cathode gas portion is arranged with a dry cathode gas content.

Die Verwirbelungsstruktur kann dabei aus einer oder aus mehreren Leitschaufeln gebildet sein, was die Durchmischung der Kathodengasanteile verbessert.The turbulence structure can be formed from one or more vanes, which improves the mixing of the cathode gas components.

Zudem ist es sinnvoll, wenn die Verwirbelungsstruktur innerhalb eines fiktiven Rotationskörpers angeordnet ist, der aus um die Achse rotierendem Klappenrücken und/oder aus um die Achse rotierender Klappenbrust gebildet ist. Damit ist gewährleistet, dass die Verwirbelungsstruktur, insbesondere deren Leitschaufeln nicht an der Kathodenzufuhrleitung oder an einem Drosselklappengehäuse streift oder sich sogar bei der Verstellung zwischen den Konfigurationen verkantet.In addition, it makes sense if the swirling structure is arranged within a fictitious rotating body, which is formed from flap back that rotates about the axis and / or from the flap breast rotating about the axis. This ensures that the Verwirbelungsstruktur, in particular their vanes does not touch the cathode feed line or on a throttle body or even tilted during the adjustment between the configurations.

Um die Drosselklappe auch bei bestehenden oder bekannten Brennstoffzellensystemen nachrüsten zu können, hat es sich als sinnvoll erwiesen, wenn ein in die Kathodenzufuhrleitung, vorzugsweise stoffschlüssig, formschlüssig oder reibschlüssig einbringbares oder einstückig mit dieser geformtes Drosselklappengehäuse vorhanden ist. In diesem Drosselklappengehäuse ist vorzugsweise dann die Achse der Drosselklappe gelagert.In order to be able to retrofit the throttle valve even with existing or known fuel cell systems, it has proven to be expedient if a throttle valve housing is provided in the cathode supply line, preferably in a materially positive, positive or frictionally engageable or integrally formed with the latter. In this throttle body, the axis of the throttle valve is preferably then stored.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:

  • 1 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems,
  • 2 eine Darstellung einer erfindungsgemäßen Drosselklappe in der Kathodenzufuhrleitung, und
  • 3 eine Ansicht auf den Klappenrücken der Drosselklappe aus 2.
Further advantages, features and details of the invention will become apparent from the claims, the following description and the drawings. Showing:
  • 1 a schematic representation of the fuel cell system according to the invention,
  • 2 an illustration of a throttle valve according to the invention in the cathode supply line, and
  • 3 a view of the damper back of the throttle 2 ,

In 1 ist ein Brennstoffzellensystem 1 gezeigt, welches kathodenseitig einen Befeuchter 2 aufweist. Der Befeuchter 2 ist mit seinem kathodenseitigen Auslass 3 über eine Kathodenzufuhrleitung 4 mit Kathodenräumen eines Brennstoffzellenstapels 5 verbunden. Außerdem ist der Befeuchter 2 mit seinem kathodenseitigen Einlass 6 mit den Kathodenräumen über eine Kathodenabgasleitung 7 verbunden, über die nicht abreagiertes Kathodengas bzw. feuchtes Kathodenabgas zum Befeuchter 2 rückgeführt wird. Durch die Kathodenräume lässt sich das Kathodengas (z.B. Luft oder Sauerstoff) den Kathoden der Mehrzahl an im Brennstoffzellenstapel 5 angeordneten Brennstoffzellen zuführen. Das Kathodengas wird mittels eines Verdichters 13 angesaugt und dann in eine Zufuhrleitung 14 eingebracht. Das einströmende, verdichtete Kathodengas wird im gezeigten Beispiel mittels eines (Rekuperativ-)Wärmetauschers 16 abgekühlt, bevor es zur Befeuchtung einem Kathodengaseinlass 15 des Befeuchters 2 zugeleitet wird. Der Befeuchter 2 ist aus einer Mehrzahl an wasserdampfpermeablen Membranen gebildet, die ausgestaltet sind, um dem Kathodenabgas Feuchtigkeit zu entziehen. Die Feuchtigkeit wird dabei dem verdichterseitig in den Befeuchter 2 strömenden Kathodengas zugeführt. Das verbleibende Abgas kann dann mittels einer Abgasleitung 17 aus dem Befeuchter 2 abgegeben werden. Protonenleitfähige Membranen trennen die Kathoden von den Anoden der Brennstoffzellen, wobei den Anoden über Anodenräume Brennstoff (z.B. Wasserstoff) zugeführt werden kann. Die Anodenräume sind hierfür über eine Anodenzufuhrleitung 8 mit einem Brennstoffspeicher 9 verbunden. Über eine Anodenrezirkulationsleitung 10 kann an den Anoden nicht abreagierter Brennstoff den Anodenräumen erneut zugeführt werden. Vorzugsweise ist hierbei der Anodenrezirkulation ein nicht näher dargestelltes Rezirkulationsgebläse zugeordnet bzw. fluidmechanisch in die Anodenrezirkulationsleitung 10 eingekoppelt. Zur Regelung der Zufuhr des Brennstoffes ist der Anodenzufuhrleitung 8 ein Brennstoffstellglied 11 zugeordnet bzw. in der Anodenzufuhrleitung 18 angeordnet. Dieses Brennstoffstellglied 11 ist vorzugsweise als ein Druckregelventil gebildet. Stromaufwärts des Druckregelventils ist im gezeigten Beispiel ein Wärmeübertrager 12 in Form eines Rekuperators zur Erwärmung oder Temperierung des Brennstoffes vorgesehen.In 1 is a fuel cell system 1 shown, which has a humidifier on the cathode side 2 having. The humidifier 2 is with its cathode-side outlet 3 via a cathode feed line 4 with cathode spaces of a fuel cell stack 5 connected. Besides, the humidifier is 2 with its cathode-side inlet 6 with the cathode chambers via a cathode exhaust gas line 7 connected via the unreacted cathode gas or humid cathode exhaust gas to the humidifier 2 is returned. Through the cathode chambers, the cathode gas (eg, air or oxygen) can be the cathode of the plurality in the fuel cell stack 5 supply arranged fuel cells. The cathode gas is produced by means of a compressor 13 sucked and then into a supply line 14 brought in. The inflowing, compressed cathode gas is cooled in the example shown by means of a (recuperative) heat exchanger 16 before it for humidification a cathode gas inlet 15 of the humidifier 2 is forwarded. The humidifier 2 is formed from a plurality of water vapor permeable membranes configured to extract moisture from the cathode exhaust gas. The moisture is thereby the compressor side in the humidifier 2 supplied to flowing cathode gas. The remaining exhaust gas can then by means of an exhaust pipe 17 from the humidifier 2 be delivered. Proton-conductive membranes separate the cathodes from the anodes of the fuel cells, wherein the anodes can be supplied with fuel (eg hydrogen) via anode chambers. The anode chambers are for this purpose via an anode feed line 8th with a fuel storage 9 connected. Over a Anodenrezirkulationsleitung 10 At the anodes unreacted fuel can be fed again to the anode compartments. Preferably, in this case, the anode recirculation is associated with a recirculation fan (not shown in more detail) or fluid-mechanically into the anode recirculation line 10 coupled. To control the supply of fuel is the anode feed line 8th a fuel actuator 11 assigned or in the anode feed line 18 arranged. This fuel actuator 11 is preferably formed as a pressure regulating valve. Upstream of the pressure control valve is a heat exchanger in the example shown 12 provided in the form of a recuperator for heating or temperature control of the fuel.

Das Brennstoffzellensystem 1 weist vorliegend eine Befeuchterbypassleitung 18 auf, die einenends mit der Zufuhrleitung 14 und anderenends an einem Bypassverbindungspunkt 19 mit der Kathodenzufuhrleitung 4 strömungsverbunden ist. Somit lässt sich also das vom Verdichter 13 angesaugte und mittels des Wärmetauschers 16 abgekühlte Kathodengas auf zwei unterschiedlichen Wegen den Kathodenräumen des Brennstoffzellenstapels 5 zuführen. Einerseits strömt ein Kathodengasanteil durch den Befeuchter 2 in die Kathodenzufuhrleitung 4. Andererseits strömt ein unbefeuchteter Kathodengasanteil über die Befeuchterbypassleitung 18 in die Kathodenzufuhrleitung 4. In den Brennstoffzellenstapel 5 gelangt also ein mittels des Befeuchters 2 befeuchteter Kathodengasanteil und ein über die Befeuchterbypassleitung 18 strömender, unbefeuchteter Kathodengasanteil. Um den Zufluss des Kathodengases in die Kathodenräume regulieren zu können, ist stromabwärts des Bypassverbindungspunktes 19 in der Kathodenzufuhrleitung 4 eine Drosselklappe 20 eingebracht oder fluidmechanisch in diese eingekoppelt.The fuel cell system 1 in this case has a humidifier bypass line 18 on the one end with the feed line 14 and at the other end at a bypass connection point 19 with the cathode supply line 4 fluidly connected. Thus, so can the compressor 13 sucked in and by means of the heat exchanger 16 Cooled cathode gas in two different ways the cathode chambers of the fuel cell stack 5 respectively. On the one hand, a portion of cathode gas flows through the humidifier 2 into the cathode feed line 4 , On the other hand, a non-humidified cathode gas stream flows through the humidifier bypass line 18 into the cathode feed line 4 , In the fuel cell stack 5 so gets a by means of the humidifier 2 moistened cathode gas and a through the humidifier bypass line 18 flowing, unhumidified cathode gas fraction. To be able to regulate the inflow of the cathode gas into the cathode compartments is downstream of the bypass connection point 19 in the cathode supply line 4 a throttle 20 introduced or fluid-mechanically coupled into this.

Die Drosselklappe 20 ist zwischen einer Durchlasskonfiguration und einer Sperrkonfiguration verstellbar. Um eine gleichmäßige Konditionierung der Brennstoffzellen innerhalb des Brennstoffzellenstapels 5 erzielen zu können, ist die Drosselklappe 20 vorliegend ausgestaltet, in der Durchlasskonfiguration Verwirbelungen in einem in der Kathodenzufuhrleitung 4 strömenden Kathodengas zu erzeugen.The throttle 20 is adjustable between a passage configuration and a locking configuration. To ensure uniform conditioning of the fuel cells within the fuel cell stack 5 to be able to achieve, is the throttle 20 in the present embodiment, turbulences in one in the cathode supply line in the passage configuration 4 to produce flowing cathode gas.

Im gezeigten Brennstoffzellensystem 1 ist außerdem stromaufwärts des Bypassverbindungspunktes 19 ein Feuchtkathodengasstellglied 26 in die Kathodenzufuhrleitung 4 eingebracht bzw. fluidmechanisch in die Kathodenzufuhrleitung 4 eingekoppelt. Dieses Feuchtkathodengasstellglied 26 kann als ein Ventil, vorzugsweise als ein Druckregelventil ausgebildet sein, das - analog zur Drosselklappe 20 - mittels einer Steuerung oder mittels eines Controllers geregelt werden kann. Mit dem Feuchtkathodengasstellglied 26 kann der Durchfluss des feuchten Kathodengasanteils durch die Kathodenzufuhrleitung 4 variiert werden.In the fuel cell system shown 1 is also upstream of the bypass connection point 19 a wet cathode gas actuator 26 into the cathode feed line 4 introduced or fluid mechanical in the cathode supply line 4 coupled. This wet cathode gas actuator 26 can be designed as a valve, preferably as a pressure control valve, which - analogous to the throttle valve 20 - Can be controlled by a controller or by a controller. With the damp cathode gas actuator 26 For example, the flow of the wet cathode gas fraction through the cathode feed line 4 be varied.

Im gezeigten Brennstoffzellensystem 1 ist außerdem stromaufwärts des Bypassverbindungspunktes 19 ein Trockenkathodengasstellglied 27 in die Befeuchterbypassleitung 18 eingebracht bzw. fluidmechanisch in diese eingekoppelt. Auch das Trockenkathodengasstellglied 27 kann dabei als ein Ventil, vorzugsweise als ein Druckregelventil ausgestaltet sein, das mittels einer Steuerung oder mittels eines Controllers geregelt werden kann. Mit dem Trockenkathodengasstellglied 27 lässt sich der Durchfluss des durch die Befeuchterbypassleitung 18 strömenden, unbefeuchteten Kathodengasanteils regeln.In the fuel cell system shown 1 is also upstream of the bypass connection point 19 a dry cathode gas actuator 27 into the humidifier bypass line 18 introduced or coupled fluid mechanically in this. Also the dry cathode gas actuator 27 can be configured as a valve, preferably as a pressure control valve, which can be controlled by means of a controller or by means of a controller. With the dry cathode gas actuator 27 can be the flow through the humidifier bypass line 18 regulate flowing, non-moistened cathode gas.

In 2 ist die in der Kathodenzufuhrleitung 4 angeordnete Drosselklappe 20 näher gezeigt. Sie weist ein Drosselklappengehäuse 28 auf, das vorliegend einteilig oder einstückig mit der Kathodenzufuhrleitung 4 gebildet ist. Die Drosselklappe 20 ist um eine Achse 22 verschwenkbar im Drosselklappengehäuse 28 bzw. in der Kathodenzufuhrleitung 4 gelagert. In 2 befindet sich die Drosselklappe 20 in der Durchlasskonfiguration, so dass der befeuchtete Kathodengasanteil und der unbefeuchtete Kathodengasanteil in die Kathodenräume des Brennstoffzellenstapels 5 gelangen können. Die Drosselklappe 20 befindet sich hierbei in einer Stellung, die üblicherweise während des Betriebs des Brennstoffzellensystems 1 eingenommen wird; hierbei ist die Drosselklappe 20 also vollständig oder komplett geöffnet.In 2 is the one in the cathode feed line 4 arranged throttle 20 shown closer. It has a throttle body 28 in the present case in one piece or in one piece with the cathode feed line 4 is formed. The throttle 20 is about an axis 22 swiveling in the throttle body 28 or in the cathode supply line 4 stored. In 2 is the throttle 20 in the passage configuration, such that the humidified cathode gas portion and the unhumidified cathode gas portion into the cathode spaces of the fuel cell stack 5 can reach. The throttle 20 This is in a position that usually during operation of the fuel cell system 1 is taken; Here is the throttle 20 So completely or completely open.

Die Drosselklappe 20 weist einen Klappenrücken 24 und eine dem Klappenrücken 24 gegenüberliegende Klappenbrust 25 auf. In der Sperrkonfiguration ist die Klappenbrust 25 von den Kathodenräumen abgewendet angeordnet, während der Klappenrücken 24 in der Sperrkonfiguration den Kathodenräumen zugewendet ist. Vorliegend ist am Klappenrücken 24 eine Verwirbelungsstruktur 21 vorgesehen, durch die der unbefeuchtete Kathodengasanteils und der im Befeuchter 2 befeuchtete Kathodengasanteil durchmischt werden.The throttle 20 has a flap back 24 and one the flap back 24 opposite flap breast 25 on. In the blocking configuration is the valve breast 25 arranged away from the cathode compartments, while the flap back 24 in the blocking configuration facing the cathode compartments. The present is at the flap back 24 a turbulence structure 21 provided by the non-moistened cathode gas and in the humidifier 2 moistened Kathodengasanteil be mixed.

Vorliegend ist es möglich, die eine oder die mehreren Verwirbelungsstrukturen 21 mit Abmessungen oder mit Formgebungen zu versehen, die innerhalb eines in der Figur punktiert dargestellten fiktiven Rotationskörpers 29 angeordnet sind. Dieser Rotationskörper 29 ist vorliegend als eine Kugel geformt, da die Kathodenzufuhrleitung 4 im Querschnitt rund gebildet ist. Im Falle einer im Querschnitt rechteckig gebildeten Kathodenzufuhrleitung 4 kann der fiktive Rotationskörper 29 auch als ein Zylinder gebildet sein.In the present case it is possible, the one or more Verwirbelungsstrukturen 21 to be provided with dimensions or with shapes that within a fictitious rotational body dotted in the figure 29 are arranged. This rotation body 29 is presently shaped as a sphere, since the cathode supply line 4 is formed round in cross-section. In the case of a rectangular cross-section cathode feed line 4 can the fictional rotation body 29 also be formed as a cylinder.

In 3 ist eine Ansicht des Klappenrückens 24 der Drosselklappe 20 zu erkennen. An diesem Klappenrücken 24 ist die Verwirbelungsstruktur 21 angeordnet, die sich diagonal über die vollständige Drosselklappe 20 erstreckt. Die Verwirbelungsstruktur 21 umfasst dabei eine Leitschaufel 23, die ein an ihr vorbeiströmendes Kathodengas ablenkt oder verwirbelt. In der Durchlasskonfiguration der Drosselklappe 20 ist diese Leitschaufel 23 vorzugsweise den Kathodenräumen des Brennstoffzellenstapels 5 zugewendet. Es ist auch möglich, dass an dem Klappenrücken 24 und/oder an der Klappenbrust 25 mehrere solcher Verwirbelungsstrukturen 21 mit einer oder mit mehreren Leitschaufeln 23 angeordnet sind. Durch die Anzahl der Verwirbelungsstrukturen 21 lässt sich dabei der Grad der Verwirbelung im Kathodengas skalieren. Dadurch lässt sich auch der Grad der Durchmischung des befeuchteten Kathodengasanteils und des unbefeuchteten Kathodengasanteils skalieren.In 3 is a view of the flap back 24 the throttle 20 to recognize. At this flap back 24 is the swirling structure 21 arranged diagonally across the full throttle 20 extends. The swirling structure 21 includes a guide vane 23 which deflects or swirls a cathode gas flowing past it. In the passage configuration of the throttle 20 is this vane 23 preferably the cathode spaces of the fuel cell stack 5 turned. It is also possible that on the flap back 24 and / or on the valve breast 25 several such Verwirbelungsstrukturen 21 with one or more vanes 23 are arranged. By the number of turbulence structures 21 In this case, the degree of turbulence in the cathode gas can be scaled. As a result, the degree of mixing of the moistened cathode gas fraction and the non-moistened cathode gas fraction can also be scaled.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
BrennstoffzellensystemThe fuel cell system
22
Befeuchterhumidifier
33
Auslassoutlet
44
KathodenzufuhrleitungCathode supply line
55
Brennstoffzellenstapelfuel cell stack
66
Einlassinlet
77
KathodenabgasleitungCathode exhaust gas line
88th
AnodenzufuhrleitungAnode supply line
99
Brennstoffspeicherfuel storage
1010
AnodenrezirkulationsleitungAnodenrezirkulationsleitung
1111
BrennstoffstellgliedFuel actuator
1212
WärmeübertragerHeat exchanger
1313
Verdichtercompressor
1414
Zufuhrleitungsupply line
1515
KathodengaseinlassCathode gas inlet
1616
Wärmetauscherheat exchangers
1717
Abgasleitungexhaust pipe
1818
BefeuchterbypassleitungBefeuchterbypassleitung
1919
BypassverbindungspunktBypass junction
2020
Drosselklappethrottle
2121
Verwirbelungsstrukturmixing structure
2222
Achseaxis
2323
Leitschaufelvane
2424
Klappenrückenfold back
2525
Klappenbrustflap breast
2626
FeuchtkathodengasstellgliedMoist cathode gas actuator
2727
TrockenkathodengasstellgliedDry cathode gas actuator
2828
Drosselklappengehäusethrottle body
2929
Rotationskörperbody of revolution

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 102016201611 A1 [0003]DE 102016201611 A1 [0003]

Claims (10)

Brennstoffzellensystem (1) mit einem Brennstoffzellenstapel (5), dessen Kathodenräume mittels einer Kathodenabgasleitung (7) mit einem Einlass (6) eines Befeuchters (2) und mittels einer Kathodenzufuhrleitung (4) mit einem Auslass (3) des Befeuchters (2) strömungsverbunden sind, mit einem Verdichter (13), der zumindest mittelbar mittels einer Zufuhrleitung (14) mit einem Kathodengaseinlass (15) des Befeuchters (2) strömungsverbunden ist, sowie mit einer Befeuchterbypassleitung (18), die einenends mit der Zufuhrleitung (14) und anderenends an einem Bypassverbindungspunkt (19) mit der Kathodenzufuhrleitung (4) strömungsverbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathodenzufuhrleitung (4) stromabwärts des Bypassverbindungspunktes (19) eine Drosselklappe (20) aufweist.Fuel cell system (1) with a fuel cell stack (5), the cathode chambers by means of a cathode exhaust gas line (7) with an inlet (6) of a humidifier (2) and by means of a cathode supply line (4) with an outlet (3) of the humidifier (2) are flow connected with a compressor (13) at least indirectly connected to a cathode gas inlet (15) of the humidifier (2) via a supply line (14) and with a humidifier bypass line (18) at one end to the supply line (14) and at the other end a bypass connection point (19) to the cathode supply line (4) is fluidly connected, characterized in that the cathode supply line (4) downstream of the bypass connection point (19) has a throttle valve (20). Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Drosselklappe (20) verstellbar ist zwischen einer Durchlasskonfiguration und einer Sperrkonfiguration, und dass die Drosselklappe (20) ausgestaltet ist, in der Durchlasskonfiguration Verwirbelungen in einem in der Kathodenzufuhrleitung (4) strömenden Kathodengas zu erzeugen.Fuel cell system (1) after Claim 1 characterized in that the throttle valve (20) is adjustable between a passage configuration and a locking configuration, and that the throttle valve (20) is configured to generate turbulence in a cathode gas flowing in the cathode feed line (4) in the passage configuration. Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Drosselklappe (20) eine Verwirbelungsstruktur (21) aufweist zur Durchmischung eines im Befeuchter (2) befeuchteten Kathodengasanteils und eines über die Befeuchterbypassleitung (18) strömenden unbefeuchteten Kathodengasanteils.Fuel cell system (1) after Claim 2 , characterized in that the throttle valve (20) has a swirling structure (21) for mixing a in the humidifier (2) moistened cathode gas and an over the Befeuchterbypassleitung (18) flowing unhumidated cathode gas. Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Drosselklappe (20) in der Kathodenzufuhrleitung (4) um eine Achse (22) verschwenkbar gelagert ist, und dass die Drosselklappe (20) eine oder mehrere Leitschaufeln (23) zur Durchmischung des befeuchteten Kathodengasanteils mit dem trockenen Kathodengasanteil aufweist.Fuel cell system (1) after Claim 3 , characterized in that the throttle valve (20) in the cathode feed line (4) about an axis (22) is pivotably mounted, and that the throttle valve (20) has one or more vanes (23) for mixing the humidified cathode gas fraction with the dry cathode gas fraction , Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Drosselklappe (20) einen Klappenrücken (24) und eine diesem gegenüberliegende Klappenbrust (25) aufweist, und dass die Verwirbelungsstruktur (21) an dem Klappenrücken (24) und/oder an der Klappenbrust (25) angeordnet ist.Fuel cell system (1) after Claim 3 or 4 , characterized in that the throttle flap (20) has a flap back (24) and a flap breast (25) opposite thereto, and that the swirling structure (21) is arranged on the flap back (24) and / or on the flap breast (25). Brennstoffzellensystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Kathodenzufuhrleitung (4) stromaufwärts des Bypassverbindungspunktes (19) ein Feuchtkathodengasstellglied (26) zugeordnet ist, und dass der Zufuhrleitung (14) oder der Befeuchterbypassleitung (18) stromaufwärts des Bypassverbindungspunktes (19) ein Trockenkathodengasstellglied (27) zugeordnet ist.Fuel cell system (1) according to one of Claims 1 to 5 characterized in that the cathode supply line (4) is associated with a wet cathode gas actuator (26) upstream of the bypass connection point (19), and a dry cathode gas actuator (27) is associated with the supply line (14) or the humidifier bypass line (18) upstream of the bypass connection point (19) , Drosselklappe (20) mit einer Achse (22), die ausgestaltet ist, innerhalb einer Kathodenzufuhrleitung (4) eines Brennstoffzellenstapels (5) verschwenkbar zwischen einer Durchlasskonfiguration und einer Sperrkonfiguration gelagert zu sein, mit einem Klappenrücken (24) und einer Klappenbrust (25), und mit einer an dem Klappenrücken (24) und/oder an der Klappenbrust (25) angeordneten Verwirbelungsstruktur (21) zur Durchmischung eines feuchten Kathodengasanteils mit einem trockenen Kathodengasanteil.A throttle flap (20) having an axis (22) adapted to be pivotably supported within a cathode feed line (4) of a fuel cell stack (5) between a passage configuration and a blocking configuration, having a valve spine (24) and a valve breast (25), and with a vortex structure (21) arranged on the flap back (24) and / or on the flap breast (25) for mixing a moist cathode gas fraction with a dry cathode gas fraction. Drosselklappe (20) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Verwirbelungsstruktur (21) aus einer oder aus mehreren Leitschaufeln (23) gebildet sind.Throttle valve (20) after Claim 7 , characterized in that the swirling structure (21) are formed from one or more vanes (23). Drosselklappe (20) nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Verwirbelungsstruktur (23) innerhalb eines fiktiven Rotationskörpers (29) angeordnet ist, der aus um die Achse (22) rotierendem Klappenrücken (24) und/oder aus um die Achse (22) rotierender Klappenbrust (25) gebildet ist.Throttle valve (20) after Claim 7 or 8th , characterized in that the swirling structure (23) is arranged within a fictitious rotating body (29) which is formed around the axis (22) rotating flap back (24) and / or about the axis (22) rotating flap breast (25) , Drosselklappe (20) nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein in die Kathodenzufuhrleitung (4) einbringbares oder einstückig mit dieser geformtes Drosselklappengehäuse (28) vorhanden ist.Throttle valve (20) according to one of Claims 7 to 9 , characterized in that in the cathode supply line (4) can be introduced or integrally formed with this throttle body (28) is present.
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