DE102018215217A1 - Fuel cell device and motor vehicle with a fuel cell device - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzellenvorrichtung (1) mit einem mindestens eine Brennstoffzelle aufweisenden Brennstoffzellenstapel (2), in dessen Kathodenräume eine Kathodenzuluftleitung (19) mündet, der ein Verdichter (3), ein Wärmetauscher (4) sowie ein Befeuchter (5) zugeordnet ist, in den durch einen Ablufteinlass (15) eine Kathodenabluftleitung (12) geführt ist, und dessen Anodenkreislauf einen Wasserabscheider (11) aufweist. Eine Einrichtung zur Konditionierung der Kathodenabluft ist hinsichtlich von deren Temperatur und deren Feuchte vorgesehen. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Kraftfahrzeug mit einer Brennstoffzellenvorrichtung.

Figure DE102018215217A1_0000
The invention relates to a fuel cell device (1) with a fuel cell stack (2) having at least one fuel cell, into the cathode spaces of which a cathode supply line (19) opens, to which a compressor (3), a heat exchanger (4) and a humidifier (5) are assigned, in which a cathode exhaust line (12) is guided through an exhaust air inlet (15) and the anode circuit of which has a water separator (11). A device for conditioning the cathode exhaust air is provided with regard to its temperature and its moisture. The invention further relates to a motor vehicle with a fuel cell device.
Figure DE102018215217A1_0000

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzellenvorrichtung mit einem mindestens eine Brennstoffzelle aufweisenden Brennstoffzellenstapel, in dessen Kathodenräume eine Kathodenzuluftleitung mündet, der ein Verdichter, ein Wärmetauscher sowie ein Befeuchter zugeordnet ist, in den durch einen Ablufteinlass eine Kathodenabluftleitung geführt ist, und dessen Anodenkreislauf einen Wasserabscheider aufweist. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Kraftfahrzeug mit einer Brennstoffzellenvorrichtung.The invention relates to a fuel cell device with a fuel cell stack having at least one fuel cell, in the cathode spaces of which a cathode supply line opens, to which a compressor, a heat exchanger and a humidifier are assigned, into which a cathode exhaust line is guided through an exhaust air inlet and whose anode circuit has a water separator. The invention further relates to a motor vehicle with a fuel cell device.

Brennstoffzellen dienen dazu, in einer chemischen Reaktion zwischen einem Brennstoff, in der Regel Wasserstoff, und einem sauerstoffhaltigen Oxidationsmittel, in der Regel Luft, elektrische Energie bereitzustellen. Sofern der Leistungsbedarf dabei die durch eine Brennstoffzelle bereitgestellte Leistung übersteigt, besteht die Möglichkeit, mehrere Brennstoffzellen in Serie zu einem Brennstoffzellenstapel zusammenzufassen, wobei sich allerdings der Bedarf an den an der chemischen Reaktion beteiligten Reaktanten erhöht und kathodenseitig die Notwendigkeit besteht, die Luft in einem Verdichter zu komprimieren. Durch diese Kompression liegt in der Kathodenzuluftleitung nach dem Verdichten stark erwärmte, trockene Luft vor, die zur unmittelbaren Verwendung in dem Brennstoffzellenstapel nicht geeignet ist, da bei der in der Brennstoffzelle gegebenen Protonenaustauschmembran ausreichend Feuchtigkeit erforderlich ist. In der Kathodenzuluftleitung ist daher in der Regel stromab des Verdichters ein Wärmetauscher und wiederum stromab von diesem oder mit diesem zusammengefasst ein Befeuchter angeordnet, in dem die Kathodenzuluft befeuchtet wird, indem das bei der chemischen Reaktion anfallende Produktwasser über die Kathodenabluftleitung dem Befeuchter zugeführt wird.Fuel cells serve to provide electrical energy in a chemical reaction between a fuel, usually hydrogen, and an oxygen-containing oxidizing agent, usually air. If the power requirement exceeds the power provided by a fuel cell, there is the possibility of combining several fuel cells in series to form a fuel cell stack, although the demand for the reactants involved in the chemical reaction increases and there is a need on the cathode side for the air in a compressor to compress. As a result of this compression, there is strongly heated, dry air in the cathode supply air line after compression, which is not suitable for direct use in the fuel cell stack, since sufficient moisture is required in the proton exchange membrane given in the fuel cell. A heat exchanger is therefore usually arranged in the cathode supply air line downstream of the compressor and, in turn, a humidifier is arranged downstream of this or together with this, in which the cathode supply air is humidified by the product water resulting from the chemical reaction being fed to the humidifier via the cathode exhaust air line.

Um eine ausreichende Befeuchtung bei allen Betriebsbedingungen gewährleisten zu können, vor allem bei hohen Temperaturen oder bei hohen Stromstärken, muss ein hoher Wasserübertrag durch den Befeuchter gewährleistet werden, so dass dies eine große Bauform erfordert mit erheblichem Platzbedarf, was sich insbesondere nachteilig auswirkt, wenn die Brennstoffzellenvorrichtung in einem Kraftfahrzeug Verwendung finden soll.In order to be able to guarantee adequate humidification in all operating conditions, especially at high temperatures or at high currents, a high water transfer through the humidifier must be ensured, so that this requires a large design with considerable space requirements, which is particularly disadvantageous if the Fuel cell device is to be used in a motor vehicle.

In der KR 101795224 ist eine Brennstoffzellenvorrichtung beschrieben, bei der ein Befeuchter genutzt wird, um die durch den Verdichter verdichtete und dem Kühler zugeleitete Zuluft an die Brennstoffzelle abzugeben, wobei ein Haupt-Flusspfad bereitgestellt ist und ein Bypass-Flusspfad, der von dem Haupt-Flusspfad abzweigt, um die Oberfläche des Befeuchters zu erwärmen.In the KR 101795224 describes a fuel cell device in which a humidifier is used to deliver the supply air compressed by the compressor and supplied to the cooler to the fuel cell, a main flow path being provided and a bypass flow path branching from the main flow path to warm the surface of the humidifier.

In der EP 1 835 559 A2 ist eine Brennstoffzellenvorrichtung mit einem Befeuchtungskontrollsystem beschrieben, bei dem die Feuchte und die Temperatur der Kathodenzuluft vor dem Eintritt in den Befeuchter kontrolliert wird und bei dem in der Kathodenabluftleitung ein Wasserabscheider angeordnet ist, um Flüssigwasser aus der Kathodenabluft vor deren Eintritt in den Befeuchter abzuscheiden.In the EP 1 835 559 A2 describes a fuel cell device with a humidification control system in which the humidity and the temperature of the cathode supply air is checked before entering the humidifier and in which a water separator is arranged in the cathode exhaust air line in order to separate liquid water from the cathode exhaust air before it enters the humidifier.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Brennstoffzellenvorrichtung der eingangs genannten Art so weiterzubilden, dass die Effizienz der Wasserübertragung in dem Befeuchter verbessert wird. Aufgabe ist es weiterhin, ein verbessertes Kraftfahrzeug bereitzustellen.The invention has for its object to develop a fuel cell device of the type mentioned in such a way that the efficiency of water transfer in the humidifier is improved. Another object is to provide an improved motor vehicle.

Diese Aufgabe wird durch eine Brennstoffzellenvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. This object is achieved by a fuel cell device with the features of claim 1 and by a motor vehicle with the features of claim 10. Advantageous refinements with expedient developments of the invention are specified in the dependent claims.

Bei der erfindungsgemäßen Brennstoffzellenvorrichtung ist eine Einrichtung zur Konditionierung der Kathodenabluft hinsichtlich von deren Temperatur und deren Feuchte vorgesehen, um so eine bessere Kontrolle über den Befeuchtungsvorgang zu erzielen, da bei bisher vorliegenden Brennstoffzellenvorrichtungen zwar die Kathodenzuluft vor deren Einleitung in den Brennstoffzellenstapel gezielt konditioniert und möglichst hinsichtlich der optimalen Parameter eingestellt wird, jedoch die Kathodenabluft mit großer Variation hinsichtlich ihrer wichtigen Parameter Temperatur und Feuchte, abhängig von den Betriebsbedingungen und dem Betriebszustand des Brennstoffzellenstapels, dem Befeuchter zugeführt worden ist. Durch die Erfindung wird das Augenmerk darauf gelegt, auch die Kathodenabluft gezielt zu konditionieren, da bei einer weiter erwärmten Kathodenabluft die Möglichkeit einer größeren Feuchteaufnahme besteht, also die relative Feuchte erhöht werden kann, wenn dafür zusätzlich ausreichend Wasser zur Verfügung gestellt wird.In the fuel cell device according to the invention, a device is provided for conditioning the cathode exhaust air with regard to its temperature and its moisture so as to achieve better control over the humidification process, since in the fuel cell devices available hitherto, the cathode supply air has been specifically conditioned and, if possible, with regard to its introduction into the fuel cell stack the optimum parameter is set, but the cathode exhaust air has been supplied to the humidifier with great variation with regard to its important parameters, temperature and humidity, depending on the operating conditions and the operating state of the fuel cell stack. The invention focuses on also conditioning the cathode exhaust air in a targeted manner, since if the cathode exhaust air is heated further, there is the possibility of greater moisture absorption, that is to say the relative humidity can be increased if sufficient water is additionally made available for this.

Bevorzugt ist dabei, dass die Einrichtung umfasst eine thermische Kontaktbrücke zwischen der Kathodenabluftleitung und dem Wärmetauscher, und eine Versorgungsleitung, die von dem Wasserabscheider kommend stromauf vor dem Ablufteinlass in die Kathodenabluftleitung mündet. Bei dieser Ausführungsform wird ausgenutzt, dass die dem Wärmetauscher von der komprimierten Kathodenzuluft nach dem Verdichter zugeführte Wärme nicht an die Umgebung abgegeben werden muss, sondern auch genutzt werden kann, um die Kathodenabluft zu erwärmen, so dass dadurch die Voraussetzung geschaffen ist, dass diese in verstärktem Maße Feuchtigkeit aufnimmt. Das dafür erforderliche Wasser wird dem Anodenkreislauf, und zwar dem darin angeordneten Wasserabscheider entnommen, so dass mit der Einrichtung zur Konditionierung der Kathodenabluft angestrebt werden kann, diese auf 373 K zu erwärmen und deren Feuchte soweit zu steigern, dass die Kathodenzuluft den Befeuchter mit 100 %, oder nahezu 100 % Luftfeuchtigkeit verlässt. Durch die konditionierte Kathodenabluft wird damit eine höhere Triebkraft für den Wasserübertrag im Befeuchter bereitgestellt. Beispielhaft kann diesbezüglich darauf verwiesen werden, dass bei einer Temperaturerhöhung von 355 K auf 360 K bei einer gegebenen relativen Feuchte von 69 % der Wasserübertrag um 6 % gesteigert werden kann, während bei einer Erhöhung der relativen Feuchte auf 79 % der Wasserübertrag sogar um 20 % ansteigt. Wird die Temperatur der Abluft auf 370 K bei einer gegebenen relativen Feuchte von 69 % gesteigert, erhöht sich der Wasserübertrag sogar um 30 %, so dass im Ergebnis durch die gesteigerte Effizienz des Befeuchters, dessen Bauform deutlich kleiner ausfallen kann und damit die Brennstoffzellenvorrichtung insgesamt weniger Platz beansprucht. Es ist auch ein besseres dynamisches Betriebsverhalten erreichbar und die Systemmasse wird reduziert.It is preferred that the device comprises a thermal contact bridge between the cathode exhaust air line and the heat exchanger, and a supply line which, coming from the water separator, opens into the cathode exhaust air line upstream of the exhaust air inlet. In this embodiment, use is made of the fact that the heat supplied to the heat exchanger from the compressed cathode supply air after the compressor does not have to be released to the environment, but can also be used to heat the cathode exhaust air, so that the prerequisite is created that it is in absorbs more moisture. The water required for this is the Anode circuit, specifically from the water separator arranged in it, so that the device for conditioning the cathode exhaust air can be used to heat it up to 373 K and to increase its humidity to such an extent that the cathode supply air humidifies the humidifier with 100% or almost 100% humidity leaves. The conditioned cathode exhaust air provides a higher driving force for the water transfer in the humidifier. As an example, reference can be made to the fact that with a temperature increase from 355 K to 360 K at a given relative humidity of 69%, the water transfer can be increased by 6%, while when the relative humidity is increased to 79%, the water transfer can be increased by as much as 20%. increases. If the temperature of the exhaust air is increased to 370 K at a given relative humidity of 69%, the water transfer increases by as much as 30%, so that as a result of the increased efficiency of the humidifier, the design of the humidifier can be significantly smaller and thus the fuel cell device overall less Takes up space. Better dynamic operating behavior can also be achieved and the system mass is reduced.

Als zweckmäßig hat sich erwiesen, dass die Versorgungsleitung stromab des Wärmetauschers in die Kathodenabluftleitung mündet, da so die zusätzliche Feuchte erst dann für die Kathodenabluft bereitgestellt ist, wenn deren Aufnahmekapazität durch die im Wärmetauscher erfolgende Temperaturerhöhung gleichfalls erhöht ist.It has proven to be expedient for the supply line to flow into the cathode exhaust air line downstream of the heat exchanger, since the additional moisture is only then provided for the cathode exhaust air when its absorption capacity is also increased by the temperature increase taking place in the heat exchanger.

Weiterhin bevorzugt ist es, wenn die Kathodenabluftleitung durch den Wärmetauscher geführt ist, und wenn der Kathodenabluftleitung eine Bypass-Leitung mit einem Abluftregelventil zur Umgehung des Wärmetauschers zugeordnet ist. Durch diese Gestaltung wird in einfacher konstruktiver Weise die erforderliche thermische Kontaktbrücke bereitgestellt, wobei durch die Bypass-Leitung im Zusammenwirken mit dem Abluftregelventil sichergestellt ist, dass die Temperaturerhöhung der Kathodenabluft auf das gewünschte Maß beschränkt werden kann, einfach indem ein gewisser Anteil der Kathodenabluft durch die Bypass-Leitung geführt wird und sich nach dem erneuten Zusammenmischen der durch den Wärmetauscher geführten Kathodenabluft und der durch den Bypass-Leitung geführten Kathodenabluft die gewünschte Temperatur der Kathodenabluft vor dem Befeuchter ergibt.It is further preferred if the cathode exhaust air line is led through the heat exchanger and if the cathode exhaust air line is assigned a bypass line with an exhaust air control valve to bypass the heat exchanger. This design provides the required thermal contact bridge in a simple constructive manner, whereby the bypass line in cooperation with the exhaust air control valve ensures that the temperature increase of the cathode exhaust air can be limited to the desired level, simply by a certain proportion of the cathode exhaust air through the Bypass line is guided and after mixing the cathode exhaust air passed through the heat exchanger and the cathode exhaust air passed through the bypass line again, the desired temperature of the cathode exhaust air before the humidifier results.

Vorteilhaft ist weiterhin, dass der Versorgungsleitung ein Ventil zugeordnet ist. Durch dieses Ventil kann die Menge des dem Wasserabscheider entnommenen Wassers für die Zugabe zu der erwärmten Kathodenabluft dosiert werden.It is also advantageous that a valve is assigned to the supply line. This valve allows the amount of water removed from the water separator to be metered for addition to the heated cathode exhaust air.

Um eine bessere Kontrolle hinsichtlich der Konditionierung der Kathodenabluft zu erzielen, ist ein Steuergerät zur Einstellung der Zielgrößen der Konditionierung der Kathodenabluft in Abhängigkeit der verfügbaren Wärme des verfügbaren Wassers vorgesehen. Dabei besteht die Möglichkeit, dass das Steuergerät zur modellbasierten Einstellung der Zielgrößen ausgelegt ist. Alternativ oder auch ergänzend besteht die Möglichkeit, dass das Steuergerät zur Beeinflussung eines oder mehrerer Parameter ausgelegt ist, die einer Gruppe entstammen, die den Volumenstrom in der Kathodenzuluftleitung, den Volumenstrom in der Kathodenabluftleitung, den Volumenstrom in der Bypass-Leitung, den Wassergehalt des Wasserabscheiders, die Ventilstellung des Ventils, die Ventilstellung des Abluftregelventils, die Temperatur mindestens eines der Fluide in den Leitungen umfasst.In order to achieve better control with regard to the conditioning of the cathode exhaust air, a control device is provided for setting the target values for the conditioning of the cathode exhaust air depending on the available heat of the available water. It is possible that the control unit is designed for the model-based setting of the target values. Alternatively or additionally, there is the possibility that the control device is designed to influence one or more parameters that originate from a group that includes the volume flow in the cathode supply line, the volume flow in the cathode exhaust line, the volume flow in the bypass line, and the water content of the water separator , The valve position of the valve, the valve position of the exhaust air control valve, the temperature of at least one of the fluids in the lines.

Dabei ist es dann zweckmäßig, dass mindestens ein Sensor zur Bestimmung mindestens eines der Parameter als Datenwert für das Steuergerät vorgesehen ist, wobei selbstverständlich auch für eine Mehrzahl der Parameter oder für alle Parameter jeweils ein Sensor vorgesehen sein kann.It is then expedient that at least one sensor for determining at least one of the parameters is provided as a data value for the control device, it also being possible for one sensor to be provided for a plurality of the parameters or for all parameters.

Wird eine derartig verbesserte Brennstoffzellenvorrichtung in einem Kraftfahrzeug bereitgestellt, ist ein besseres dynamisches Betriebsverhalten ermöglicht, da eine reduzierte Systemmasse und ein kleinerer Bauraumbedarf ermöglicht ist und entsprechend mildere Rahmenbedingungen bei der Auslegung des Kraftfahrzeuges vorliegen.If such an improved fuel cell device is provided in a motor vehicle, better dynamic operating behavior is made possible, since a reduced system mass and a smaller space requirement are made possible and correspondingly milder framework conditions are present in the design of the motor vehicle.

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

  • 1 eine stark vereinfachte schematische Darstellung des zur Erläuterung der Erfindung erforderlichen Teils einer Brennstoffzellenvorrichtung, und
  • 2 eine der 1 entsprechende Darstellung einer aus dem Stand der Technik bekannten Brennstoffzellenvorrichtung.
Further advantages, features and details of the invention result from the claims, the following description of preferred embodiments and with reference to the drawings. Show:
  • 1 a highly simplified schematic representation of the part of a fuel cell device required to explain the invention, and
  • 2nd one of the 1 corresponding representation of a fuel cell device known from the prior art.

In der 1 ist von einer Brennstoffzellenvorrichtung 1 der zur Erläuterung der Erfindung erforderliche Teil gezeigt, wobei die Brennstoffzellenvorrichtung 1 eine Mehrzahl zu einem Brennstoffzellenstapel 2 zusammengefasster Brennstoffzellen aufweist.In the 1 is from a fuel cell device 1 the part required to explain the invention is shown, the fuel cell device 1 a plurality to a fuel cell stack 2nd has summarized fuel cells.

Jede der Brennstoffzellen umfasst eine Anode, eine Kathode sowie eine die Anode von der Kathode trennende, protonenleitfähige Membran. Die Membran ist aus einem lonomer, vorzugsweise einem sulfonierten Tetrafluorethylen-Polymer (PTFE) oder einem Polymer der perfluorierten Sulfonsäure (PFSA) gebildet. Alternativ kann die Membran als eine Hydrocarbon-Membran gebildet sein.Each of the fuel cells comprises an anode, a cathode and a proton-conductive membrane separating the anode from the cathode. The membrane is formed from an ionomer, preferably a sulfonated tetrafluoroethylene polymer (PTFE) or a polymer of perfluorinated sulfonic acid (PFSA). Alternatively, the membrane can be formed as a hydrocarbon membrane.

Den Anoden und/oder den Kathoden kann zusätzlich ein Katalysator beigemischt sein, wobei die Membran vorzugsweise auf ihrer ersten Seite und/oder auf ihrer zweiten Seite mit einer Katalysatorschicht aus einem Edelmetall oder einem Gemisch umfassend Edelmetalle wie Platin, Palladium, Ruthenium oder dergleichen beschichtet sind, die als Reaktionsbeschleuniger bei der Reaktion der jeweiligen Brennstoffzelle dienen. A catalyst can additionally be added to the anodes and / or the cathodes, the membrane being preferably coated on its first side and / or on its second side with a catalyst layer made of a noble metal or a mixture comprising noble metals such as platinum, palladium, ruthenium or the like , which serve as reaction accelerators in the reaction of the respective fuel cell.

Über einen Anodenraum kann der Anode Brennstoff (z.B. Wasserstoff) zugeführt werden. In einer Polymerelektrolytmembranbrennstoffzelle (PEM-Brennstoffzelle) werden an der Anode Brennstoff oder Brennstoffmoleküle in Protonen und Elektronen aufgespaltet. Die PEM lässt die Protonen hindurch, ist aber undurchlässig für die Elektronen. An der Anode erfolgt beispielsweise die Reaktion: 2H2 → 4H+ + 4e- (Oxidation/Elektronenabgabe). Während die Protonen durch die PEM zur Kathode hindurchtreten, werden die Elektronen über einen externen Stromkreis an die Kathode oder an einen Energiespeicher geleitet.Fuel (eg hydrogen) can be supplied to the anode via an anode compartment. In a polymer electrolyte membrane fuel cell (PEM fuel cell), fuel or fuel molecules are split into protons and electrons at the anode. The PEM lets the protons through, but is impermeable to the electrons. For example, the reaction takes place at the anode: 2H 2 → 4H + + 4e - (oxidation / electron donation). As the protons pass through the PEM to the cathode, the electrons are conducted to the cathode or to an energy store via an external circuit.

Über einen Kathodenraum kann der Kathode das Kathodengas (z.B. Sauerstoff oder Sauerstoff enthaltene Luft) zugeführt werden, so dass kathodenseitig die folgende Reaktion stattfindet: O2 + 4H+ + 4e- → 2H2O (Reduktion/Elektronenaufnahme).The cathode gas (for example air or oxygen-containing air) can be fed to the cathode via a cathode chamber, so that the following reaction takes place on the cathode side: O 2 + 4H + + 4e - → 2H 2 O (reduction / electron absorption).

Um eine Ionenleitfähigkeit für Wasserstoffprotonen durch die PEM zu gewährleisten, ist das Vorhandensein von Wassermolekülen in der PEM erforderlich. Deshalb wird insbesondere das Kathodengas befeuchtet, bevor es der Brennstoffzelle zugeführt wird, um eine Feuchtigkeitssättigung der PEM herbeizuführen.In order to ensure ion conductivity for hydrogen protons by the PEM, the presence of water molecules in the PEM is necessary. Therefore, in particular, the cathode gas is humidified before it is fed to the fuel cell in order to bring about moisture saturation of the PEM.

Da in dem Brennstoffzellenstapel 2 mehrere Brennstoffzellen zusammengefasst sind, muss eine ausreichend große Menge an Kathodengas zur Verfügung gestellt werden, so dass durch einen Verdichter 3 ein großer Kathodengasmassenstrom bereitgestellt wird, wobei infolge der Komprimierung des Kathodengases sich dessen Temperatur stark erhöht. Die Konditionierung des Kathodengases, also dessen Einstellung hinsichtlich der im Brennstoffzellenstapel 2 gewünschten Parameter, erfolgt in einem Ladeluftkühler 4 als Wärmetauscher sowie in einem Befeuchter 5.Because in the fuel cell stack 2nd several fuel cells are combined, a sufficiently large amount of cathode gas must be made available, so that by a compressor 3rd a large cathode gas mass flow is provided, the temperature of the cathode gas increasing considerably as a result of the compression. The conditioning of the cathode gas, i.e. its setting with respect to that in the fuel cell stack 2nd desired parameters, takes place in an intercooler 4th as a heat exchanger and in a humidifier 5 .

Die Anodenräume sind über eine Anodenzufuhrleitung 6 mit einem den Brennstoff bereitstellenden Brennstoffspeicher 7 verbunden. Über eine Anodenrezirkulationsleitung 8 (2) kann an den Anoden nicht abreagierter Brennstoff den Anodenräumen erneut zugeführt werden. Hierbei wird der Anodenrezirkulation vorzugsweise ein nicht näher dargestelltes Rezirkulationsgebläse zugeordnet bzw. fluidmechanisch in die Anodenrezirkulationsleitung 8 eingekoppelt. Zur Regelung der Zufuhr des Brennstoffes in der Anodenzufuhrleitung 6 ist der Anodenzufuhrleitung 6 ein Brennstoffstellglied 9 zugeordnet bzw. in der Anodenzufuhrleitung 6 angeordnet. Dieses Brennstoffstellglied 9 ist vorzugsweise als ein Druckregelventil gebildet. Stromaufwärts des Druckregelventils ist ein Wärmeübertrager 10, vorzugsweise in Form eines Rekuperators zur (Vor-) Erwärmung des Brennstoffes vorgesehen.The anode compartments are via an anode feed line 6 with a fuel reservoir providing the fuel 7 connected. Via an anode recirculation line 8th ( 2nd ) fuel that has not reacted at the anodes can be fed back into the anode compartments. In this case, the anode recirculation is preferably assigned a recirculation blower (not shown in more detail) or fluid mechanically into the anode recirculation line 8th coupled. To regulate the supply of fuel in the anode supply line 6 is the anode feed line 6 a fuel actuator 9 assigned or in the anode supply line 6 arranged. This fuel actuator 9 is preferably formed as a pressure control valve. Upstream of the pressure control valve is a heat exchanger 10th , preferably provided in the form of a recuperator for (pre) heating the fuel.

Bei der in der 1 dargestellten Brennstoffzellenvorrichtung 1 liegt die Besonderheit vor, dass eine Einrichtung zur Konditionierung der Kathodenabluft hinsichtlich von deren Temperatur und deren Feuchte vorgesehen ist, um so die Kathodenabluft vor deren Zuleitung in den Befeuchter 5 zu optimieren und damit die Effizienz des Befeuchters 5 zu steigern, so dass insgesamt dessen Bauform kleiner ausfallen kann. Diese Einrichtung zur Konditionierung der Kathodenabluft umfasst eine thermische Kontaktbrücke 13 zwischen der Kathodenabluftleitung 12 und dem Wärmetauscher 4, wobei dies in dem gezeigten Ausführungsbeispiel dadurch realisiert ist, dass die Kathodenabluftleitung 12 durch den Wärmetauscher 4 geführt ist. Alternativ oder auch ergänzend kann der Wärmetauscher 4 in den Kreislauf des Wärmeübertragers 10 eingebunden sein. Des Weiteren umfasst die Einrichtung eine Versorgungsleitung 14, die von dem Wasserabscheider 11 kommend stromauf vor dem Ablufteinlass 15 in den Befeuchter 5 und stromab des Wärmetauschers 4 in die Kathodenabluftleitung 12 mündet. Der Versorgungsleitung 14 ist dabei auch ein Ventil 16 zugeordnet, um die Menge des dem Wasserabscheider 11 entnommenen Wassers für die Dosierung in die Kathodenabluftleitung 12 beeinflussen zu können.At the in the 1 shown fuel cell device 1 there is the peculiarity that a device for conditioning the cathode exhaust air with regard to its temperature and its humidity is provided, so that the cathode exhaust air is fed into the humidifier 5 to optimize and thus the efficiency of the humidifier 5 to increase, so that overall its design can be smaller. This device for conditioning the cathode exhaust air comprises a thermal contact bridge 13 between the cathode exhaust line 12th and the heat exchanger 4th , which is realized in the exemplary embodiment shown in that the cathode exhaust line 12th through the heat exchanger 4th is led. Alternatively or in addition, the heat exchanger can 4th in the circuit of the heat exchanger 10th to be involved. The facility also includes a supply line 14 by the water separator 11 coming upstream in front of the exhaust air inlet 15 in the humidifier 5 and downstream of the heat exchanger 4th into the cathode exhaust line 12th flows. The supply line 14 is also a valve 16 assigned to the amount of the water separator 11 withdrawn water for dosing into the cathode exhaust line 12th to be able to influence.

Der 1 ist weiterhin zu entnehmen, dass der Kathodenabluftleitung 12 eine Bypass-Leitung 17 mit einem Abluftregelventil 18 zur Umgehung des Wärmetauschers 4 zugeordnet ist. Damit besteht dann die Möglichkeit, die dem Brennstoffzellenstapel 2 entstammende Kathodenabluft zu unterschiedlichen Anteilen durch den Wärmetauscher 4 und die Bypass-Leitung 17 strömen zu lassen, wobei die Anteile so gewählt werden können, dass die gewünschte Zieltemperatur nach deren Zusammenströmen stromab des Wärmetauschers 4 in der Kathodenabluftleitung 12 erreicht wird.The 1 it can also be seen that the cathode exhaust line 12th a bypass line 17th with an exhaust air control valve 18th to bypass the heat exchanger 4th assigned. There is then the possibility that the fuel cell stack 2nd originating cathode exhaust air in different proportions through the heat exchanger 4th and the bypass line 17th to flow, the proportions can be selected so that the desired target temperature after their confluence downstream of the heat exchanger 4th in the cathode exhaust line 12th is achieved.

Für eine verbesserte Kontrolle der Konditionierung der Kathodenabluft ist ein selber nicht dargestelltes Steuergerät zur Einstellung der Zielgrößen der Konditionierung in Abhängigkeit der verfügbaren Wärme und des verfügbaren Wassers vorgesehen, wobei das Steuergerät vorzugsweise modellbasiert arbeitet, also bei gegebenen Rahmenbedingungen gemäß dem Modell vorgegebene Werte für die Temperaturerhöhung und die relative Feuchte der Kathodenabluft vorsieht.To improve the control of the conditioning of the cathode exhaust air, a control device (not shown) is provided for setting the target values of the conditioning depending on the available heat and the available water, the control device preferably working model-based, i.e. given values for the temperature increase given the general conditions and provides the relative humidity of the cathode exhaust air.

Es besteht auch die Möglichkeit, dass das Steuergerät zur Beeinflussung eines oder mehrerer Parameter ausgelegt ist, deren Istwerte durch Sensoren bestimmt werden können, wobei die Parameter einer Gruppe entstammen, die den Volumenstrom in der Kathodenzuluftleitung 19, den Volumenstrom in der Kathodenabluftleitung 12, den Volumenstrom in der Bypass-Leitung 17, den Wassergehalt des Wasserabscheiders 11, die Ventilstellung des Ventils 16, die Ventilstellung des Abluftregelventils 18, die Temperatur mindestens eines der Fluide in den Leitungen umfasst. There is also the possibility that the control device is designed to influence one or more parameters, the actual values of which can be determined by sensors, the parameters originating from a group that determines the volume flow in the cathode supply line 19th , the volume flow in the cathode exhaust line 12th , the volume flow in the bypass line 17th , the water content of the water separator 11 , the valve position of the valve 16 , the valve position of the exhaust air control valve 18th , The temperature includes at least one of the fluids in the lines.

BezugszeichenlisteReference list

11
BrennstoffzellenvorrichtungFuel cell device
22nd
BrennstoffzellenstapelFuel cell stack
33rd
Verdichtercompressor
44th
Ladeluftkühler/ WärmetauscherCharge air cooler / heat exchanger
55
BefeuchterHumidifier
66
AnodenzufuhrleitungAnode feed line
77
BrennstoffspeicherFuel storage
88th
AnodenrezirkulationsleitungAnode recirculation line
99
BrennstoffstellgliedFuel actuator
1010th
WärmeübertragerHeat exchanger
1111
WasserabscheiderWater separator
1212th
KathodenabluftleitungCathode exhaust line
1313
thermische Kontaktbrückethermal contact bridge
1414
Versorgungsleitungsupply line
1515
AblufteinlassExhaust air inlet
1616
VentilValve
1717th
Bypass-LeitungBypass line
1818th
AbluftregelventilExhaust air control valve
1919th
KathodenzuluftleitungCathode supply line

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

  • KR 101795224 [0004]KR 101795224 [0004]
  • EP 1835559 A2 [0005]EP 1835559 A2 [0005]

Claims (10)

Brennstoffzellenvorrichtung (1) mit einem mindestens eine Brennstoffzelle aufweisenden Brennstoffzellenstapel (2), in dessen Kathodenräume eine Kathodenzuluftleitung (19) mündet, der ein Verdichter (3), ein Wärmetauscher (4) sowie ein Befeuchter (5) zugeordnet ist, in den durch einen Ablufteinlass (15) eine Kathodenabluftleitung (12) geführt ist, und dessen Anodenkreislauf einen Wasserabscheider (11) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Einrichtung zur Konditionierung der Kathodenabluft hinsichtlich von deren Temperatur und deren Feuchte vorgesehen ist.Fuel cell device (1) with a fuel cell stack (2) having at least one fuel cell, into the cathode spaces of which a cathode supply line (19) opens, to which a compressor (3), a heat exchanger (4) and a humidifier (5) are assigned, in which a Exhaust air inlet (15) is guided through a cathode exhaust air line (12), and the anode circuit of which has a water separator (11), characterized in that a device is provided for conditioning the cathode exhaust air with regard to its temperature and its moisture. Brennstoffzellenvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung umfasst eine thermische Kontaktbrücke (13) zwischen der Kathodenabluftleitung (12) und dem Wärmetauscher (4), und eine Versorgungsleitung (14), die von dem Wasserabscheider (11) kommend stromauf vor dem Ablufteinlass (15) in die Kathodenabluftleitung (12) mündet.Fuel cell device after Claim 1 , characterized in that the device comprises a thermal contact bridge (13) between the cathode exhaust air line (12) and the heat exchanger (4), and a supply line (14) coming from the water separator (11) upstream of the exhaust air inlet (15) in the cathode exhaust line (12) opens. Brennstoffzellenvorrichtung (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Versorgungsleitung (14) stromab des Wärmetauschers (4) in die Kathodenabluftleitung (12) mündet.Fuel cell device (1) after Claim 2 , characterized in that the supply line (14) opens downstream of the heat exchanger (4) into the cathode exhaust line (12). Brennstoffzellenvorrichtung (1) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathodenabluftleitung (12) durch den Wärmetauscher (4) geführt ist, und dass der Kathodenabluftleitung (12) eine Bypass-Leitung (17) mit einem Abluftregelventil (18) zur Umgehung des Wärmetauschers (4) zugeordnet ist.Fuel cell device (1) after Claim 2 or 3rd , characterized in that the cathode exhaust air line (12) is guided through the heat exchanger (4) and that the cathode exhaust air line (12) is assigned a bypass line (17) with an exhaust air control valve (18) to bypass the heat exchanger (4). Brennstoffzellenvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Versorgungsleitung (14) ein Ventil (16) zugeordnet ist.Fuel cell device (1) according to one of the Claims 2 to 4th , characterized in that the supply line (14) is assigned a valve (16). Brennstoffzellenvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Steuergerät zur Einstellung der Zielgrößen der Konditionierung der Kathodenabluft in Abhängigkeit der verfügbaren Wärme und des verfügbaren Wassers vorgesehen ist.Fuel cell device (1) according to one of the Claims 2 to 5 , characterized in that a control device is provided for setting the target values for conditioning the cathode exhaust air depending on the available heat and the available water. Brennstoffzellenvorrichtung (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät zur modellbasierten Einstellung der Zielgrößen ausgelegt ist.Fuel cell device (1) after Claim 6 , characterized in that the control device is designed for model-based setting of the target variables. Brennstoffzellenvorrichtung (1) nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät zur Beeinflussung eines oder mehrerer Parameter ausgelegt ist, die einer Gruppe entstammen, die den Volumenstrom in der Kathodenzuluftleitung, den Volumenstrom in der Kathodenabluftleitung (12), den Volumenstrom in der Bypass-Leitung (17), den Wassergehalt des Wasserabscheiders (11), die Ventilstellung des Ventils, die Ventilstellung des Abluftregelventils (18), die Temperatur mindestens eines der Fluide in den Leitungen umfasst.Fuel cell device (1) after Claim 6 or 7 , characterized in that the control device is designed to influence one or more parameters which originate from a group which comprises the volume flow in the cathode supply line, the volume flow in the cathode exhaust line (12), the volume flow in the bypass line (17), the water content of the water separator (11), the valve position of the valve, the valve position of the exhaust air control valve (18), the temperature of at least one of the fluids in the lines. Brennstoffzellenvorrichtung (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Sensor zur Bestimmung mindestens eines der Parameter als Datenwert für das Steuergerät vorgesehen ist.Fuel cell device (1) after Claim 8 , characterized in that at least one sensor for determining at least one of the parameters is provided as a data value for the control device. Kraftfahrzeug mit einer Brennstoffzellenvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9.Motor vehicle with a fuel cell device (1) according to one of the Claims 1 to 9 .
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