DE102019128431A1 - Method for operating a fuel cell device, fuel cell device and motor vehicle with a fuel cell device - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenvorrichtung (1) mit einer Mehrzahl in einem Brennstoffzellenstapel (3) zusammengefasster Brennstoffzellen, für deren kathodenseitige Reaktantenversorgung ein Verdichterschaufeln aufweisender Verdichter (4) vorgesehen ist, umfassend den Schritt des Kühlens der dem Verdichter (4) lufteintrittsseitig zugeführten Luft mittels einer Kühleinrichtung (5). Die Erfindung betrifft weiterhin eine Brennstoffzellenvorrichtung (1) sowie ein Kraftfahrzeug (2) mit einer Brennstoffzellenvorrichtung (1).The invention relates to a method for operating a fuel cell device (1) with a plurality of fuel cells combined in a fuel cell stack (3), for whose cathode-side reactant supply a compressor (4) with compressor blades is provided, comprising the step of cooling the air inlet side of the compressor (4) supplied air by means of a cooling device (5). The invention also relates to a fuel cell device (1) and a motor vehicle (2) with a fuel cell device (1).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenvorrichtung mit einer Mehrzahl in einem Brennstoffzellenstapel zusammengefasster Brennstoffzellen, für deren kathodenseitige Reaktantenversorgung ein Verdichterschaufeln aufweisender Verdichter vorgesehen ist, umfassend den Schritt des Kühlens der dem Verdichter lufteintrittsseitig zugeführten Luft mittels einer Kühleinrichtung. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Brennstoffzellenvorrichtung sowie ein Kraftfahrzeug mit einer Brennstoffzellenvorrichtung.The invention relates to a method for operating a fuel cell device with a plurality of fuel cells combined in a fuel cell stack, for the cathode-side reactant supply of which a compressor with compressor blades is provided, comprising the step of cooling the air supplied to the compressor on the air inlet side by means of a cooling device. The invention further relates to a fuel cell device and a motor vehicle with a fuel cell device.

Brennstoffzellen dienen der Bereitstellung elektrischer Energie aus einer elektrochemischen Reaktion, mit der ein Brennstoff, in der Regel Wasserstoff, mit einem Oxidationsmittel, in der Regel aus Luft entnommener Sauerstoff, reagiert. Zur Leistungssteigerung ist es dabei möglich, eine Mehrzahl von Brennstoffzellen zu einem Brennstoffzellenstapel zusammenzufassen, um insbesondere den Leistungsanforderungen zu genügen, die in Kraftfahrzeugen bestehen, so dass auch entsprechend vergrößerte Mengen der Reaktanten bereit gestellt werden müssen und die Luft zur Erzielung des erforderlichen Luftmassenstromes mit einem Verdichter verdichtet werden muss. Infolge der Komprimierung der Luft erhöht sich deren Temperatur stark. Da der Verdichter in der Regel über Verdichterschaufeln für die Komprimierung verfügt, muss die Austrittstemperatur für die Luft im Verdichter begrenzt werden, um eine übermäßige Wärmeausdehnung der Verdichterschaufeln zu vermeiden, wobei dies dazu führt, dass der Verdichter nicht immer in seinem Leistungsmaximum betrieben werden kann, insbesondere wenn bei hohen Außentemperaturen bereits eine hohe Wärmebeladung der Luft oder der Verdichterbauteile vorliegt. Diese Leistungsreduktion des Verdichters führt dann aber auch dazu, dass nicht der gewünschte Luftmassenstrom zur Verfügung steht und der Brennstoffzellenstapel nicht mit der erforderlichen Menge an Sauerstoff versorgt werden kann. Dies führt zu einer Leistungsbegrenzung auch für den Brennstoffzellenstapel.Fuel cells are used to provide electrical energy from an electrochemical reaction with which a fuel, usually hydrogen, reacts with an oxidizing agent, usually oxygen taken from air. To increase performance, it is possible to combine a plurality of fuel cells into a fuel cell stack, in particular to meet the performance requirements that exist in motor vehicles, so that correspondingly larger quantities of the reactants must be made available and the air to achieve the required air mass flow with a Compressor needs to be compressed. As the air is compressed, its temperature increases significantly. Since the compressor usually has compressor blades for compression, the outlet temperature for the air in the compressor must be limited in order to avoid excessive thermal expansion of the compressor blades, which means that the compressor cannot always be operated at its maximum output, especially if there is already a high level of heat in the air or the compressor components at high outside temperatures. This reduction in performance of the compressor then also leads to the fact that the desired air mass flow is not available and the fuel cell stack cannot be supplied with the required amount of oxygen. This also leads to a power limitation for the fuel cell stack.

In der DE 10 2008 011 466 A1 wird beschrieben, wie bei einem Batteriemodul mit einer in einem Gehäuse angeordneten Batterie ein Kühlfluid zur Kühlung genutzt wird, das mittels einer Kühleinrichtung kühlbar ist. Auch die DE 10 2012 016 801 B3 beschäftigt sich mit dem Kühlen eines Batteriemoduls, wobei eine Kühlvorrichtung mit einem Druckspeicher für komprimiertes Gas genutzt wird, das dem Batteriemodul zur Kühlung zuführbar ist. In der US 2005/0028542 A1 wird die Nutzung der Klimaanlage eines Kraftfahrzeuges in dessen Batteriekühlungssystem vorgeschlagen.In the DE 10 2008 011 466 A1 describes how, in the case of a battery module with a battery arranged in a housing, a cooling fluid that can be cooled by means of a cooling device is used for cooling. Also the DE 10 2012 016 801 B3 deals with the cooling of a battery module, whereby a cooling device with a pressure accumulator for compressed gas is used, which can be fed to the battery module for cooling. In the US 2005/0028542 A1 the use of the air conditioning system of a motor vehicle in its battery cooling system is proposed.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren anzugeben, mit dem auch bei hohen Außentemperaturen die Brennstoffzellenvorrichtung mit hoher Leistung betrieben werden kann, sowie eine verbesserte Brennstoffzellenvorrichtung und ein verbessertes Kraftfahrzeug bereit zu stellen.The object of the present invention is to specify a method with which the fuel cell device can be operated with high power even at high outside temperatures, and to provide an improved fuel cell device and an improved motor vehicle.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1, durch eine Brennstoffzellenvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 2 und durch ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 5 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.This object is achieved by a method with the features of claim 1, by a fuel cell device with the features of claim 2 and by a motor vehicle with the features of claim 5. Advantageous configurations with expedient developments of the invention are specified in the dependent claims.

Durch das eingangs genannte Verfahren wird vermieden, dass durch die Zuführung erwärmter Luft zu dem Verdichter dessen Maximaltemperatur erreicht oder überschritten wird, so dass auch verhindert ist, dass der Verdichter unterhalb seiner Leistungsgrenze betrieben muss. Leistungseinbußen für die Brennstoffzellenvorrichtung aufgrund eines Mangels an Sauerstoff als ein Reaktant werden so wirksam vermieden.The method mentioned at the beginning prevents the compressor from reaching or exceeding its maximum temperature as a result of the supply of heated air, so that it is also prevented that the compressor has to be operated below its performance limit. Performance degradation for the fuel cell device due to lack of oxygen as a reactant is thus effectively avoided.

Eine Brennstoffzellenvorrichtung zur Durchführung des Verfahrens umfasst eine Mehrzahl in einem Brennstoffzellenstapel zusammengefasster Brennstoffzellen, für deren kathodenseitige Reaktantenversorgung ein Verdichterschaufeln aufweisender Verdichter vorgesehen ist, bei dem stromauf seiner Lufteintrittsseite ein Wärmeübertrager angeordnet ist, der auf seiner Sekundärseite mit der Kühleinrichtung thermisch verbunden ist, wobei der Verdichter als Rootverdichter oder Schraubenverdichter ausgeführt ist mit den in einem Verdichtergehäuse angeordneten Verdichterschaufeln und der Abstand der Enden der Verdichterschaufeln von einer Innenfläche des Verdichtergehäuses von deren Wärmeausdehnung am Temperaturmaximum des Verdichters bestimmt ist.A fuel cell device for carrying out the method comprises a plurality of fuel cells combined in a fuel cell stack, for the cathode-side reactant supply of which a compressor having compressor blades is provided, in which a heat exchanger is arranged upstream of its air inlet side, which is thermally connected on its secondary side to the cooling device, the compressor is designed as a root compressor or screw compressor with the compressor blades arranged in a compressor housing and the distance between the ends of the compressor blades and an inner surface of the compressor housing is determined by their thermal expansion at the maximum temperature of the compressor.

Sofern die Brennstoffzellenvorrichtung einem Kraftfahrzeug zugeordnet ist, besteht die Möglichkeit, dass die Kühleinrichtung durch eine Klimaanlage zur Klimatisierung eines Innenraumes gebildet ist, so dass kein weiterer apparativer Aufwand für die Bereitstellung einer Kühleinrichtung erforderlich ist. Dabei besteht die Möglichkeit, dass der Wärmeübertrager stromab der Klimaanlage und stromauf des Innenraums angeordnet ist, so dass die Klimaanlage zunächst den Verdichter kühlt und verbleibende Kühlkapazität für die Temperierung des Innenraumes genutzt werden kann.If the fuel cell device is assigned to a motor vehicle, there is the possibility that the cooling device is formed by an air conditioning system for air conditioning an interior space, so that no further expenditure on equipment is required for the provision of a cooling device. There is the possibility that the heat exchanger is arranged downstream of the air conditioning system and upstream of the interior space, so that the air conditioning system first cools the compressor and the remaining cooling capacity can be used for temperature control of the interior space.

Da allerdings die Klimaanlage bestimmungsgemäß für das Wohlbefinden der Insassen bei hohen Außentemperaturen vorgesehen ist, besteht auch die bevorzugte Möglichkeit, dass der Wärmeübertrager sowohl stromab der Klimaanlage als auch des Innenraumes angeordnet ist. Dadurch wird die Möglichkeit der Temperierung des Innenraumes nicht eingeschränkt und die überschüssig gegebene Kühlkapazität zur Steigerung des Leistungsvermögens des Verdichters und damit der Brennstoffzellenvorrichtung genutzt.However, since the air conditioning system is intended as intended for the well-being of the occupants at high outside temperatures, there is also the preferred option that the heat exchanger is arranged both downstream of the air conditioning system and the interior. As a result, the possibility of temperature control of the interior is not restricted and the excess cooling capacity is used to increase the performance of the compressor and thus of the fuel cell device.

Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Es sind somit auch Ausführungen als von der Erfindung umfasst und offenbart anzusehen, die in den Figuren nicht explizit gezeigt oder erläutert sind, jedoch durch separierte Merkmalskombinationen aus den erläuterten Ausführungen hervorgehen und erzeugbar sind.The features and combinations of features mentioned above in the description as well as the features and combinations of features mentioned below in the description of the figures and / or shown alone in the figures can be used not only in the combination specified, but also in other combinations or on their own, without the scope of the Invention to leave. Thus, embodiments are also to be regarded as encompassed and disclosed by the invention, which are not explicitly shown or explained in the figures, but which emerge and can be generated from the explained embodiments by means of separate combinations of features.

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 schematische Darstellung einer Brennstoffzellenvorrichtung mit einem zugeordneten Verdichter und einem diesen zugeordneten Wärmeübertrager, der stromab eines Innenraumes eines Kraftfahrzeuges angeordnet ist, und
  • 2 eine schematische Darstellung einer Brennstoffzellenvorrichtung mit einem zugeordneten Verdichter und einem diesen zugeordneten Wärmeübertrager, der stromauf eines Innenraumes eines Kraftfahrzeuges angeordnet ist.
Further advantages, features and details of the invention emerge from the claims, the following description of preferred embodiments and on the basis of the drawings. Show:
  • 1 a schematic representation of a fuel cell device with an associated compressor and a heat exchanger associated therewith, which is arranged downstream of an interior of a motor vehicle, and
  • 2 a schematic representation of a fuel cell device with an associated compressor and a heat exchanger associated therewith, which is arranged upstream of an interior of a motor vehicle.

In der 1 ist schematisch eine Brennstoffzellenvorrichtung 1 gezeigt, bei der eine Mehrzahl von Brennstoffzellen in einem Brennstoffzellenstapel 3 zusammengefasst sind.In the 1 Fig. 13 is a schematic of a fuel cell device 1 shown in which a plurality of fuel cells in a fuel cell stack 3 are summarized.

Jede der Brennstoffzellen umfasst eine Anode, eine Kathode sowie eine die Anode von der Kathode trennende, protonenleitfähige Membran. Über einen Anodenraum kann der Anode Brennstoff (zum Beispiel 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.Each of the fuel cells comprises an anode, a cathode and a proton-conductive membrane separating the anode from the cathode. The anode can be supplied with fuel (for example hydrogen) 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). While 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 (zum Beispiel Sauerstoff oder Sauerstoff enthaltende Luft) zugeführt werden, so dass kathodenseitig die folgende Reaktion stattfindet: O2 + 4H+ + 4e- → 2H2O (Reduktion/Elektronenaufnahme).The cathode gas (for example oxygen or air containing oxygen) can be fed to the cathode via a cathode compartment, so that the following reaction takes place on the cathode side: O 2 + 4H + + 4e - → 2H 2 O (reduction / electron uptake).

Da in dem Brennstoffzellenstapel 3 mehrere Brennstoffzellen zusammengefasst sind, muss eine ausreichend große Menge an Kathodengas zur Verfügung gestellt werden, so dass durch einen Verdichter 4 ein großer Kathodengasmassenstrom oder Frischgasstrom bereitgestellt wird, wobei infolge der Komprimierung des Kathodengases sich dessen Temperatur stark erhöht. Die Temperaturerhöhung kann insbesondere bei hohen Außentemperaturen so groß sein, dass in dem Verdichter 4 eingesetzte Verdichterschaufeln über ihre Wärmeausdehnung an der Innenseite eines Verdichtergehäuses anschlagen. Da dies zu Beschädigungen führt, muss dies verhindert werden, vorzugsweise, ohne dass die Leistung des Verdichters 4 begrenzt wird. Dies wird erreicht mit einem Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenvorrichtung 1 mit einer Mehrzahl in einem Brennstoffzellenstapel 3 zusammengefasster Brennstoffzellen, für deren kathodenseitige Reaktantenversorgung der Verdichterschaufeln aufweisende Verdichter 4 vorgesehen ist, bei dem ein Schritt des Kühlens der dem Verdichter 4 lufteintrittsseitig zugeführten Luft mittels einer Kühleinrichtung 5 erfolgt, wozu stromauf der Lufteintrittsseite des Verdichters 4 ein Wärmeübertrager 6 angeordnet ist, der auf seiner Sekundärseite 7 mit der Kühleinrichtung 5 thermisch verbunden ist. Bei einem Kraftfahrzeug 2 kann die Kühleinrichtung 5 durch eine Klimaanlage 8 zur Klimatisierung eines Innenraumes 9 gebildet sein. Dabei besteht die Möglichkeit, die eine verbesserte Klimatisierung des Innenraumes 9 sicherstellt, dass der Wärmeübertrager 6 stromab der Klimaanlage 8 und des Innenraumes 9 angeordnet ist, wie dies in 1 dargestellt ist. Alternativ besteht die Möglichkeit, dass der Wärmeübertrager 6 stromab der Klimaanlage 8 und stromauf des Innenraums 9 angeordnet ist, wie dies 2 zeigt.Because in the fuel cell stack 3 If several fuel cells are grouped together, a sufficiently large amount of cathode gas must be made available so that it can be used by a compressor 4th a large cathode gas mass flow or fresh gas flow is provided, the temperature of which increases significantly as a result of the compression of the cathode gas. In particular at high outside temperatures, the temperature increase can be so great that in the compressor 4th Used compressor blades strike against the inside of a compressor housing via their thermal expansion. Since this leads to damage, this must be prevented, preferably without affecting the performance of the compressor 4th is limited. This is achieved with a method for operating a fuel cell device 1 with a plurality in a fuel cell stack 3 combined fuel cells, for their cathode-side reactant supply of the compressor blades having compressors 4th is provided in which a step of cooling the compressor 4th Air supplied on the air inlet side by means of a cooling device 5 takes place, including upstream of the air inlet side of the compressor 4th a heat exchanger 6th is arranged on its secondary side 7th with the cooling device 5 is thermally connected. In a motor vehicle 2 can the cooling device 5 by air conditioning 8th for air conditioning an interior 9 be educated. There is the possibility of an improved air conditioning of the interior 9 ensures that the heat exchanger 6th downstream of the air conditioning 8th and the interior 9 arranged as this in 1 is shown. Alternatively, there is the possibility that the heat exchanger 6th downstream of the air conditioning 8th and upstream of the interior 9 arranged like this 2 shows.

Der Verdichter 4 kann als Rootverdichter oder Schraubenverdichter ausgeführt sein mit den in einem Verdichtergehäuse angeordneten Verdichterschaufeln, wobei der Abstand der Enden der Verdichterschaufeln von einer Innenfläche des Verdichtergehäuses von deren Wärmeausdehnung am Temperaturmaximum des Verdichters 4 bestimmt ist.The compressor 4th can be designed as a root compressor or screw compressor with the compressor blades arranged in a compressor housing, wherein the distance between the ends of the compressor blades and an inner surface of the compressor housing depends on their thermal expansion at the temperature maximum of the compressor 4th is determined.

BezugszeichenlisteList of reference symbols

11
BrennstoffzellenvorrichtungFuel cell device
22
KraftfahrzeugMotor vehicle
33
BrennstoffzellenstapelFuel cell stack
44th
Verdichtercompressor
55
KühleinrichtungCooling device
66th
WärmeübertragerHeat exchanger
77th
SekundärseiteSecondary side
88th
Klimaanlageair conditioning
99
Innenrauminner space

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

  • DE 102008011466 A1 [0003]DE 102008011466 A1 [0003]
  • DE 102012016801 B3 [0003]DE 102012016801 B3 [0003]
  • US 2005/0028542 A1 [0003]US 2005/0028542 A1 [0003]

Claims (7)

Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenvorrichtung (1) mit einer Mehrzahl in einem Brennstoffzellenstapel (3) zusammengefasster Brennstoffzellen, für deren kathodenseitige Reaktantenversorgung ein Verdichterschaufeln aufweisender Verdichter (4) vorgesehen ist, umfassend den Schritt des Kühlens der dem Verdichter (4) lufteintrittsseitig zugeführten Luft mittels einer Kühleinrichtung (5).A method for operating a fuel cell device (1) with a plurality of fuel cells combined in a fuel cell stack (3), for whose cathode-side reactant supply a compressor (4) having compressor blades is provided, comprising the step of cooling the air supplied to the compressor (4) on the air inlet side by means of a Cooling device (5). Brennstoffzellenvorrichtung (1) zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, mit einer Mehrzahl in einem Brennstoffzellenstapel (3) zusammengefasster Brennstoffzellen, für deren kathodenseitige Reaktantenversorgung ein Verdichterschaufeln aufweisender Verdichter (4) vorgesehen ist, bei dem stromauf seiner Lufteintrittsseite ein Wärmeübertrager (6) angeordnet ist, der auf seiner Sekundärseite mit der Kühleinrichtung (5) thermisch verbunden ist.Fuel cell device (1) for performing the method according to Claim 1 , with a plurality of fuel cells combined in a fuel cell stack (3), for whose cathode-side reactant supply a compressor (4) is provided with compressor blades, in which a heat exchanger (6) is arranged upstream of its air inlet side, which is connected to the cooling device (5) on its secondary side is thermally connected. Brennstoffzellenvorrichtung (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdichter (4) als Rootverdichter oder Schraubenverdichter ausgeführt ist mit den in einem Verdichtergehäuse angeordneten Verdichterschaufeln.Fuel cell device (1) according to Claim 2 , characterized in that the compressor (4) is designed as a root compressor or screw compressor with the compressor blades arranged in a compressor housing. Brennstoffzellenvorrichtung (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand der Enden der Verdichterschaufeln von einer Innenfläche des Verdichtergehäuses von deren Wärmeausdehnung am Temperaturmaximum des Verdichters (4) bestimmt ist.Fuel cell device (1) according to Claim 3 , characterized in that the distance between the ends of the compressor blades and an inner surface of the compressor housing is determined by their thermal expansion at the temperature maximum of the compressor (4). Kraftfahrzeug mit einer Brennstoffzellenvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühleinrichtung (5) durch eine Klimaanlage (8) zur Klimatisierung eines Innenraumes (9) gebildet ist.Motor vehicle with a fuel cell device (1) according to one of the Claims 2 to 4th , characterized in that the cooling device (5) is formed by an air conditioning system (8) for air conditioning an interior (9). Kraftfahrzeug nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeübertrager (6) stromab der Klimaanlage (8) und stromauf des Innenraums (9) angeordnet ist.Motor vehicle after Claim 5 , characterized in that the heat exchanger (6) is arranged downstream of the air conditioning system (8) and upstream of the interior space (9). Kraftfahrzeug nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeübertrager (6) stromab der Klimaanlage (8) und des Innenraumes (9) angeordnet ist.Motor vehicle after Claim 5 , characterized in that the heat exchanger (6) is arranged downstream of the air conditioning system (8) and the interior (9).
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Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002056865A (en) * 2000-08-11 2002-02-22 Honda Motor Co Ltd Compressed air supply device for fuel cell
DE102008006742A1 (en) * 2008-01-30 2009-08-06 Airbus Deutschland Gmbh Aircraft fuel cell system

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