DE102019133091A1 - Fuel cell device, motor vehicle with a fuel cell device and method for operating a fuel cell device - Google Patents

Fuel cell device, motor vehicle with a fuel cell device and method for operating a fuel cell device Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzellenvorrichtung (1) mit mindestens einer Brennstoffzelle, in deren Frischluftleitung (3) ein Verdichter (6) mit einer Verdichterwelle (8) angeordnet ist, die mit einer fluidmechanisch in eine Abluftleitung (9) eingebundene Abluftturbine gekoppelt ist, und mit einem stromauf der Abluftturbine in der Abluftleitung (9) angeordneten Wasserabscheider (10), der mit einer Kühleinrichtung thermisch gekoppelt ist. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Kraftfahrzeug und ein Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenvorrichtung.The invention relates to a fuel cell device (1) with at least one fuel cell, in the fresh air line (3) of which a compressor (6) with a compressor shaft (8) is arranged, which is coupled to an exhaust air turbine which is fluidically integrated into an exhaust air line (9) and with a water separator (10) which is arranged upstream of the exhaust air turbine in the exhaust air line (9) and which is thermally coupled to a cooling device. The invention also relates to a motor vehicle and a method for operating a fuel cell device.

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzellenvorrichtung mit mindestens einer Brennstoffzelle, in deren Luftversorgungspfad ein Verdichter mit einer Verdichterwelle angeordnet ist, die mit einer fluidmechanisch in eine Abluftleitung eingebundene Abluftturbine gekoppelt ist, und mit einem stromauf der Abluftturbine in der Abluftleitung angeordneten Wasserabscheider, der mit einer Kühleinrichtung thermisch gekoppelt ist. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Kraftfahrzeug mit einer Brennstoffzellenvorrichtung sowie eine Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenvorrichtung.The invention relates to a fuel cell device with at least one fuel cell, in the air supply path of which a compressor with a compressor shaft is arranged, which is coupled to an exhaust air turbine fluid-mechanically integrated into an exhaust air line, and with a water separator arranged upstream of the exhaust air turbine in the exhaust air line, which is thermally connected to a cooling device is coupled. The invention further relates to a motor vehicle with a fuel cell device and a method for operating a fuel cell device.

Brennstoffzellenvorrichtungen werden für die chemische Umsetzung eines Brennstoffs mit Sauerstoff zu Wasser genutzt, um elektrische Energie zu erzeugen. Hierfür enthalten Brennstoffzellen als Kernkomponente die sogenannte Membran-Elektroden-Einheit (MEA für membrane electrode assembly), die ein Verbund aus einer protonenleitenden Membran und jeweils einer, beidseitig an der Membran angeordneten Elektrode (Anode und Kathode) ist. Zudem können Gasdiffusionslagen (GDL) beidseitig der Membran-Elektroden-Einheit an den der Membran abgewandten Seiten der Elektroden angeordnet sein. Im Betrieb der Brennstoffzellenvorrichtung mit einer Mehrzahl zu einem Brennstoffzellenstapel zusammengefasster Brennstoffzellen wird der Brennstoff, insbesondere Wasserstoff H2 oder ein wasserstoffhaltiges Gasgemisch der Anode zugeführt, wo eine elektrochemische Oxidation von H2 zu H+ unter Abgabe von Elektronen stattfindet. Über die Membran, welche die Reaktionsräume gasdicht voneinander trennt und elektrisch isoliert, erfolgt ein (wassergebundener oder wasserfreier) Transport der Protonen H+ aus dem Anodenraum in den Kathodenraum. Die an der Anode bereitgestellten Elektronen werden über eine elektrische Leitung der Kathode zugeleitet. Der Kathode wird Sauerstoff oder ein sauerstoffhaltiges Gasgemisch zugeführt, so dass eine Reduktion von O2 zu O2- unter Aufnahme der Elektronen stattfindet. Gleichzeitig reagieren im Kathodenraum diese Sauerstoffanionen mit den über die Membran transportierten Protonen unter Bildung von Wasser.Fuel cell devices are used to chemically convert a fuel with oxygen into water to generate electrical energy. For this purpose, fuel cells contain the so-called membrane electrode assembly (MEA) as a core component, which is a composite of a proton-conducting membrane and an electrode (anode and cathode) arranged on both sides of the membrane. In addition, gas diffusion layers (GDL) can be arranged on both sides of the membrane-electrode unit on the sides of the electrodes facing away from the membrane. During operation of the fuel cell device with a plurality of fuel cells combined to form a fuel cell stack, the fuel, in particular hydrogen H 2 or a hydrogen-containing gas mixture, is fed to the anode, where an electrochemical oxidation of H 2 to H + takes place with the release of electrons. A (water-bound or water-free) transport of the protons H + from the anode space into the cathode space takes place via the membrane, which separates the reaction spaces from one another in a gas-tight manner and insulates them electrically. The electrons provided at the anode are fed to the cathode via an electrical line. Oxygen or an oxygen-containing gas mixture is fed to the cathode, so that a reduction of O 2 to O 2- takes place while absorbing the electrons. At the same time, these oxygen anions react in the cathode compartment with the protons transported across the membrane to form water.

Um für die Vielzahl der in einem Brennstoffzellenstapel zusammengefasster Brennstoffzellen ausreichend Sauerstoff aus der Luft zur Verfügung zu stellen, wird im Kathodenkreislauf zur Versorgung der Kathodenräume des Brennstoffzellenstapels Luft mit dem darin enthaltenen Sauerstoff mittels eines Verdichters verdichtet, er in der Regel als elektrischer Verdichter ausgestaltet ist. Die in dem in der Abluftleitung geführten Abgasstrom enthaltene Energie kann dabei genutzt werden, um den Verdichter anzutreiben, indem eine Abluftturbine fluidmechanisch in die Abluftleitung eingebunden ist, die den Antrieb des Verdichters unterstützt oder sogar zur Einsparung elektrischer Energie übernimmt. Um die Abluftturbine zu schützen, wird ein passiver Wasserabscheider verwendet, der Flüssigwasser aus der Abluft abscheidet. Gute Wirkungsgrade hinsichtlich des Abscheidens sind mit hohen Differenzdrücken, also Druckverlusten verbunden, die die Leistung der Abluftturbine reduzieren.In order to provide sufficient oxygen from the air for the large number of fuel cells combined in a fuel cell stack, air with the oxygen contained therein is compressed in the cathode circuit to supply the cathode chambers of the fuel cell stack by means of a compressor, which is usually designed as an electric compressor. The energy contained in the exhaust gas flow routed in the exhaust air line can be used to drive the compressor by integrating an exhaust air turbine fluid-mechanically into the exhaust air line, which supports the drive of the compressor or even takes over to save electrical energy. To protect the exhaust air turbine, a passive water separator is used that separates liquid water from the exhaust air. Good degrees of efficiency with regard to separation are associated with high differential pressures, i.e. pressure losses, which reduce the output of the exhaust air turbine.

In der DE 101 51 520 A1 wird beschrieben, dass für den Betrieb einer Brennstoffzellenvorrichtung Wasser benötigt wird, wobei bei der Umsetzung des wasserstoffhaltigen Gases mit dem sauerstoffhaltigen Medium anfallendes Wasser genutzt wird. Dazu wird die Umgebungstemperatur erfasst und der Druck in der Brennstoffzellenvorrichtung in Abhängigkeit der Umgebungstemperatur variiert, um den Taupunkt der Brennstoffzellenabgase an die erreichbare Kondensationstemperatur anzupassen und das in einem Kondensator anfallende Kondensat in einem Wassertank zu speichern. Die US 2006/0204817 A1 offenbart Änderungen im Druck des Abgasstromes, um Wasser aus dem Abgasstrom zu separieren, nämlich eine Druckabsenkung, um Wasserdampf kondensieren zu lassen.In the DE 101 51 520 A1 it is described that water is required for the operation of a fuel cell device, the water occurring during the reaction of the hydrogen-containing gas with the oxygen-containing medium being used. For this purpose, the ambient temperature is recorded and the pressure in the fuel cell device is varied as a function of the ambient temperature in order to adapt the dew point of the fuel cell exhaust gases to the attainable condensation temperature and to store the condensate occurring in a capacitor in a water tank. The US 2006/0204817 A1 discloses changes in the pressure of the exhaust gas flow in order to separate water from the exhaust gas flow, namely a pressure reduction in order to allow water vapor to condense.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Brennstoffzellenvorrichtung so weiterzubilden, dass deren Effizienz verbessert ist. Aufgabe ist weiterhin, ein verbessertes Kraftfahrzeug bereitzustellen sowie ein Verfahren anzugeben, mit dem bei gegebenen konstruktiven Aufbau die Effizienz einer Brennstoffzellenvorrichtung weiter gesteigert werden kann.The object of the present invention is to develop a fuel cell device in such a way that its efficiency is improved. A further object is to provide an improved motor vehicle and to specify a method with which the efficiency of a fuel cell device can be further increased with a given structural design.

Diese Aufgabe wird durch eine Brennstoffzellenvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1, durch ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 8 und durch ein Verfahren 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, by a motor vehicle with the features of claim 8 and by a method with the features of claim 10. Advantageous configurations with expedient developments of the invention are specified in the dependent claims.

Durch die eingangs genannte Brennstoffzellenvorrichtung wird erreicht, dass mittels der Kühleinrichtung der Wasserabscheider gekühlt werden kann, so dass sich eine gesteigerte Kondensation ergibt, ohne dass dazu ein hoher Druckverlust in der Abluftleitung erforderlich ist. Die Wasserabscheidung beeinträchtigt also weniger stark die Eignung der Abluft zum Antreiben der Abluftturbine, so dass ein größerer Anteil der in der Abluft vorliegenden Energie für den Betrieb des Verdichters eingesetzt werden kann.The fuel cell device mentioned at the beginning ensures that the water separator can be cooled by means of the cooling device, so that increased condensation results without a high pressure loss in the exhaust air line being necessary for this. The water separation therefore has less of an effect on the suitability of the exhaust air for driving the exhaust air turbine, so that a larger proportion of the energy present in the exhaust air can be used for operating the compressor.

Bevorzugt ist dabei, wenn der Wasserabscheider eine eine Leitfläche für die Abluft bildende Abscheidestruktur aufweist, die die thermische Kopplung mit der Kühleinrichtung bewirkt. Durch die Abscheidegeometrie lässt sich der Wirkungsgrad des Abscheiders beeinflussen, wobei bei jeder gegebenen Abscheidestruktur deren Wirkung verbessert wird, wenn dort die Kühlung erfolgt und zusätzliches Wasser kondensiert wird. Dazu ist in der Abscheidestruktur mindestens ein Kühlmittelkanal ausgebildet ist.It is preferred here if the water separator has a separating structure which forms a guide surface for the exhaust air and which effects the thermal coupling with the cooling device. The separator geometry can be used to influence the efficiency of the separator, with each given separator structure improving its effectiveness when cooling takes place there and additional water is condensed. For this purpose, at least one coolant channel is formed in the separator structure.

Dieser Kühlmittelkanal kann in einen Kühlmittelkreislauf eingebunden sein, wobei dies auch ein in der Brennstoffzellenvorrichtung präsenter Kühlmittelkreislauf sein kann für die Kühlung des Brennstoffzellenstapels oder eines Befeuchters. Alternativ oder auch ergänzend besteht die Möglichkeit, dass ein Ansauggebläse zur Durchströmung des Kühlmittelkanals mit Umgebungsluft vorgesehen ist, also das Kältereservoir für die Kühlung der Umgebung entnommen wird, ohne dafür über das Ansauggebläse hinaus Energie einsetzen zu müssen oder die Kühlkapazität der Brennstoffzellenvorrichtung in dem Kühlmittelkreislauf für die Kühlung des Abscheiders einsetzen zu müssen.This coolant channel can be integrated into a coolant circuit, which can also be a coolant circuit present in the fuel cell device for cooling the fuel cell stack or a humidifier. Alternatively or additionally, there is the possibility that an intake fan is provided for the flow of ambient air through the coolant channel, i.e. the cold reservoir is removed for cooling the environment without having to use energy beyond the intake fan or the cooling capacity of the fuel cell device in the coolant circuit for having to use the cooling of the separator.

Die Wirkung und Effizienz des Wasserabscheiders lässt sich in einfacher Weise steigern, indem in dem Wasserabscheider die Abscheidestruktur mehrfach vorgesehen ist und die Abscheidestrukturen in einer Reihung benachbart angeordnet sind. Es besteht also die Möglichkeit einer Skalierung zum Zwecke einer gesteigerten Kondensation und Abscheidung.The effect and efficiency of the water separator can be increased in a simple manner in that the separation structure is provided several times in the water separator and the separation structures are arranged adjacent in a row. There is therefore the possibility of scaling for the purpose of increased condensation and separation.

Als zweckmäßig hat sich erwiesen, wenn die Abscheidestruktur im Querschnitt fischförmig gebildet ist mit alternierender Orientierung der Abscheidestrukturen in der Reihung, und dass der Kühlmittelkanal im Inneren der Abscheidestruktur verläuft. Die Kontur eines Fisches bewirkt im Zusammenwirkung mit der benachbarten, um 180° gedrehten Kontur eine wirkungsvolle Abscheidegeometrie, bei der die Kühlung der Kontur die Kondensation bei dem Entlangstreichen der Abluft in dem durch die benachbarten Konturen gebildeten Kanal fördert.It has proven to be expedient if the separator structure has a fish-shaped cross section with alternating orientation of the separator structures in the row, and that the coolant channel runs inside the separator structure. The contour of a fish, in cooperation with the neighboring contour rotated by 180 °, creates an effective separation geometry, in which the cooling of the contour promotes condensation when the exhaust air sweeps along the channel formed by the neighboring contours.

Die vorstehend genannten Wirkungen und Vorteile gelten sinngemäß auch bei einem Kraftfahrzeug mit einer Brennstoffzellenvorrichtung der vorstehend genannten Art, wobei in dem Kraftfahrzeug auch ein Kältekreislauf der Klimaanlage mit dem Wasserabscheider thermisch gekoppelt sein kann.The above-mentioned effects and advantages also apply analogously to a motor vehicle with a fuel cell device of the type mentioned above, it also being possible for a cooling circuit of the air conditioning system to be thermally coupled to the water separator in the motor vehicle.

Die angestrebte Steigerung der Effizienz lässt sich weiter vergrößern, wenn bei einem Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenvorrichtung der eingangs erläuterten Art eine Optimierung erfolgt, indem die Verfahrensschritte durchgeführt werden des Detektierens des Flüssigwasseranteils in der Abluft stromauf des Wasserabscheiders und Bestimmung, ob Flüssigwasser vorliegt und der ungekühlte Wasserabscheider dessen Abscheidung bewirken kann. Ist dies der Fall, ist kein weiterer Energieeinsatz für das Ansauggebläse oder eine aktive Kühlung in einem Kühlkreislauf erforderlich, die folglich unterbleibt. Nur für den Fall, dass die Abscheidekapazität des Wasserabscheiders ungenügend ist, erfolgt der Beginn der Kühlung des Wasserabscheiders.The desired increase in efficiency can be further increased if an optimization is carried out in a method for operating a fuel cell device of the type explained at the beginning by performing the method steps of detecting the liquid water content in the exhaust air upstream of the water separator and determining whether liquid water is present and the uncooled water Water separator which can cause separation. If this is the case, no further energy input is required for the intake fan or active cooling in a cooling circuit, which is consequently omitted. Only in the event that the separation capacity of the water separator is insufficient does the cooling of the water separator begin.

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,
  • 2 eine schematische Darstellung eines Wasserabscheiders mit mehrfach vorgesehener Abscheidestruktur ist, wobei die Abscheidestrukturen in einer Reihung benachbart angeordnet sind mit alternierender Orientierung,
  • 3 eine isolierte Darstellung einer Abscheidestruktur mit dem im Inneren angeordneten Kühlmittelkanal und der schematisierten Darstellung der Kondensation von Wasser aus der Abluft, und
  • 4 eine schematisierte Darstellung der Strömung der Abluft zwischen zwei Abscheidestrukturen.
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,
  • 2 is a schematic representation of a water separator with a multiple provided separation structure, wherein the separation structures are arranged adjacent in a row with alternating orientation,
  • 3rd an isolated representation of a separation structure with the coolant channel arranged in the interior and the schematic representation of the condensation of water from the exhaust air, and
  • 4th a schematic representation of the flow of exhaust air between two separation structures.

In der 1 ist schematisch eine Brennstoffzellenvorrichtung 1 gezeigt, wobei diese eine Mehrzahl von in einem Brennstoffzellenstapel 2 zusammengefasster Brennstoffzellen umfasst.In the 1 Fig. 3 is a schematic of a fuel cell device 1 shown, these being a plurality of in a fuel cell stack 2 summarized fuel cells includes.

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 Polytetrafluorethylen-Polymer (PTFE) oder einem Polymer der perfluorierten Sulfonsäure (PFSA) gebildet. Alternativ kann die Membran auch als eine sulfonierte 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 polytetrafluoroethylene polymer (PTFE) or a polymer of perfluorinated sulfonic acid (PFSA). Alternatively, the membrane can also be formed as a sulfonated hydrocarbon membrane.

Den Anoden und/oder den Kathoden kann zusätzlich ein Katalysator beigemischt sein, wobei die Membranen 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 admixed with the anodes and / or the cathodes, the membranes preferably on their first side and / or are coated on their 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 (zum Beispiel Wasserstoff) aus einem Brennstofftank 5 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.The anode can take fuel (for example hydrogen) from a fuel tank via an anode compartment 5 are fed. 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 2 mehrere Brennstoffzellen zusammengefasst sind, muss durch eine Frischluftleitung eine ausreichend große Menge an Kathodengas zur Verfügung gestellt werden, so dass durch einen Verdichter 6 ein großer Kathodengasmassenstrom oder Frischgasstrom bereitgestellt wird, wobei infolge der Komprimierung des Kathodengases sich dessen Temperatur stark erhöht. Die Konditionierung des Kathodengases oder des Frischluftgasstroms, also dessen Einstellung hinsichtlich der im Brennstoffzellenstapel 2 gewünschten Temperatur und Feuchte, erfolgt in einem dem Verdichter 6 nachgelagerten Befeuchter 4, der eine Feuchtesättigung der Membranen der Brennstoffzellen zur Steigerung von deren Effizienz bewirkt, da dies den Protonentransport begünstigt, wobei die Feuchte der Abluft des Brennstoffzellenstapels 2 entnommen wird.Because in the fuel cell stack 2 If several fuel cells are combined, a sufficiently large amount of cathode gas must be made available through a fresh air line, so that through a compressor 6th 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. The conditioning of the cathode gas or the fresh air gas flow, i.e. its setting with regard to that in the fuel cell stack 2 desired temperature and humidity, takes place in one of the compressor 6th downstream humidifier 4th , which causes a moisture saturation of the membranes of the fuel cells to increase their efficiency, since this promotes the proton transport, whereby the moisture of the exhaust air of the fuel cell stack 2 is removed.

Der Verdichter 6 wird durch einen Elektromotor 7 angetrieben, der dafür Energie benötigt. Um die im Strom der Abluft enthaltene Energie auszunutzen, ist eine Verdichterwelle 8 des Verdichters 6 fluidmechanisch an eine in die Abluftleitung 9 eingebundene Abluftturbine gekoppelt ist, so dass die Bereitstellung elektrische Energie entsprechend reduziert werden kann. Da allerdings die Abluftturbine vor der in der Abluft enthaltenen Feuchte geschützt werden muss, ist ein stromauf der Abluftturbine in der Abluftleitung 9 angeordneter Wasserabscheider 10 vorhanden, der das Abscheiden von Flüssigwasser bewirkt.The compressor 6th is by an electric motor 7th driven, which requires energy for it. A compressor shaft is used to utilize the energy contained in the flow of exhaust air 8th of the compressor 6th fluid mechanically to one in the exhaust air line 9 integrated exhaust air turbine is coupled, so that the provision of electrical energy can be reduced accordingly. However, since the exhaust air turbine must be protected from the moisture contained in the exhaust air, there is an upstream of the exhaust air turbine in the exhaust air line 9 arranged water separator 10 present, which causes the separation of liquid water.

Der Wasserabscheider 10 ist mit einer Kühleinrichtung thermisch gekoppelt, die die Kondensation von Wasser verbessert, das entsprechend dann abgeschieden werden kann. Es ist also das Abscheiden von mehr Wasser ermöglicht respektive das Abscheiden einer gegebenen Wassermenge mit einem bauraumarmeren Wasserabscheider 10.The water separator 10 is thermally coupled to a cooling device that improves the condensation of water, which can then be separated out accordingly. It is therefore possible to separate more water or to separate a given amount of water with a water separator that requires little space 10 .

Der Wasserabscheider 10 weist eine Leitflächen 12 für die Abluft bildenden Abscheidestruktur 11 auf, die die thermische Kopplung mit der Kühleinrichtung bewirkt, wobei in der Abscheidestruktur 11 im Inneren mindestens ein Kühlmittelkanal 13 ausgebildet ist (2). Der Kühlmittelkanal 13 ist in dem gezeigten Ausführungsbeispiel in einen Kühlmittelkreislauf eingebunden, der durch den Kühlkreislauf für die Brennstoffzellenvorrichtung 1 oder durch den Kältekreislauf einer Klimaanlage gebildet sein kann, wenn die Brennstoffzellenvorrichtung 1 beispielsweise in einem Kraftfahrzeug eingesetzt ist.The water separator 10 has a baffle 12th for the separation structure that forms the exhaust air 11 on, which causes the thermal coupling with the cooling device, wherein in the separation structure 11 at least one coolant channel inside 13th is trained ( 2 ). The coolant duct 13th is integrated in the embodiment shown in a coolant circuit that passes through the cooling circuit for the fuel cell device 1 or may be formed by the refrigeration cycle of an air conditioner when the fuel cell device 1 is used for example in a motor vehicle.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann auch ein Ansauggebläse zur Durchströmung des Kühlmittelkanals mit Umgebungsluft vorgesehen sein.According to a further embodiment, an intake fan can also be provided for ambient air to flow through the coolant channel.

1 zeigt, dass in dem Wasserabscheider 10 die Abscheidestruktur 11 mehrfach vorgesehen ist und die Abscheidestrukturen 11 in einer Reihung benachbart angeordnet sind, wobei die Abscheidestruktur 11 im Querschnitt fischförmig gebildet ist mit alternierender Orientierung der Abscheidestrukturen 11 in der Reihung. 1 shows that in the water separator 10 the separation structure 11 is provided several times and the separation structures 11 are arranged adjacently in a row, the separation structure 11 is fish-shaped in cross-section with alternating orientation of the separation structures 11 in the order.

Mi einer derartigen Brennstoffzellenvorrichtung 1 lässt sich auch ein Verfahren durchführen, bei dem zunächst die Notwendigkeit einer zusätzlichen Kühlung überprüft wird, um bei ausreichender Abscheidekapazität, also im Kaltbetrieb oder bei hohen Lastpunkten, auf die Kühlung zu verzichten. Nur wenn die Schritte des Detektierens des Flüssigwasseranteils in der Abluft stromauf des Wasserabscheiders 10 und Bestimmung, ob Flüssigwasser vorliegt und der ungekühlte Wasserabscheider 10 dessen Abscheidung bewirken kann, ergeben, dass die Abscheidekapazität des Wasserabscheiders 10 ungenügend ist, erfolgt eine Kühlung des Wasserabscheiders 10.Mi such a fuel cell device 1 a method can also be carried out in which the need for additional cooling is first checked in order to dispense with cooling when there is sufficient separation capacity, i.e. in cold operation or at high load points. Only if the steps of detecting the liquid water content in the exhaust air upstream of the water separator 10 and determining whether liquid water is present and the uncooled water separator 10 the separation of which can result in the separation capacity of the water separator 10 is insufficient, the water separator is cooled 10 .

BezugszeichenlisteList of reference symbols

11
BrennstoffzellenvorrichtungFuel cell device
22
BrennstoffzellenstapelFuel cell stack
33
FrischluftleitungFresh air duct
44th
BefeuchterHumidifier
55
BrennstofftankFuel tank
66th
Verdichtercompressor
77th
ElektromotorElectric motor
88th
VerdichterwelleCompressor shaft
99
AbluftleitungExhaust duct
1010
WasserabscheiderWater separator
1111
AbscheidestrukturSeparation structure
1212th
LeitflächeGuide surface
1313th
KühlmittelkanalCoolant duct

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

  • DE 10151520 A1 [0004]DE 10151520 A1 [0004]
  • US 2006/0204817 A1 [0004]US 2006/0204817 A1 [0004]

Claims (10)

Brennstoffzellenvorrichtung (1) mit mindestens einer Brennstoffzelle, in deren Frischluftleitung (3) ein Verdichter (6) mit einer Verdichterwelle (8) angeordnet ist, die mit einer fluidmechanisch in eine Abluftleitung (9) eingebundene Abluftturbine gekoppelt ist, und mit einem stromauf der Abluftturbine in der Abluftleitung (9) angeordneten Wasserabscheider (10), der mit einer Kühleinrichtung thermisch gekoppelt ist.Fuel cell device (1) with at least one fuel cell, in the fresh air line (3) of which a compressor (6) with a compressor shaft (8) is arranged, which is coupled to an exhaust air turbine fluid-mechanically integrated into an exhaust air line (9), and with an exhaust air turbine upstream of the exhaust air turbine in the exhaust air line (9) arranged water separator (10) which is thermally coupled to a cooling device. Brennstoffzellenvorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wasserabscheider (10) eine Leitfläche (12) für die Abluft bildenden Abscheidestruktur (11) aufweist, die die thermische Kopplung mit der Kühleinrichtung bewirkt.Fuel cell device (1) according to Claim 1 , characterized in that the water separator (10) has a guide surface (12) for the separating structure (11) which forms the exhaust air and which effects the thermal coupling with the cooling device. Brennstoffzellenvorrichtung (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass in der Abscheidestruktur (11) mindestens ein Kühlmittelkanal (13) ausgebildet ist.Fuel cell device (1) according to Claim 2 , characterized in that at least one coolant channel (13) is formed in the separator structure (11). Brennstoffzellenvorrichtung (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlmittelkanal (13) in einen Kühlmittelkreislauf eingebunden ist.Fuel cell device (1) according to Claim 3 , characterized in that the coolant channel (13) is integrated into a coolant circuit. Brennstoffzellenvorrichtung (1) nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ansauggebläse zur Durchströmung des Kühlmittelkanals (13) mit Umgebungsluft vorgesehen ist.Fuel cell device (1) according to Claim 3 or 4th , characterized in that an intake fan is provided for ambient air to flow through the coolant channel (13). Brennstoffzellenvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Wasserabscheider (10) die Abscheidestruktur (11) mehrfach vorgesehen ist und mehrere der Abscheidestrukturen (11) in einer Reihung benachbart angeordnet sind.Fuel cell device (1) according to one of the Claims 1 to 5 , characterized in that the separation structure (11) is provided several times in the water separator (10) and several of the separation structures (11) are arranged adjacent in a row. Brennstoffzellenvorrichtung (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Abscheidestruktur (11) im Querschnitt fischförmig gebildet ist mit alternierender Orientierung der Abscheidestrukturen (11) in der Reihung, und dass der Kühlmittelkanal (13) im Inneren der Abscheidestruktur (11) verläuft.Fuel cell device (1) according to Claim 6 , characterized in that the separator structure (11) is fish-shaped in cross section with alternating orientation of the separator structures (11) in the row, and that the coolant channel (13) runs inside the separator structure (11). Kraftfahrzeug mit einer Brennstoffzellenvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7.Motor vehicle with a fuel cell device (1) according to one of the Claims 1 to 7th . Kraftfahrzeug nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kältekreislauf der Klimaanlage mit dem Wasserabscheider (10) thermisch gekoppelt ist.Motor vehicle after Claim 8 , characterized in that a cooling circuit of the air conditioning system is thermally coupled to the water separator (10). Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenvorrichtung (1) mit mindestens einer Brennstoffzelle, in deren Frischluftleitung (3) ein Verdichter (6) mit einer Verdichterwelle (8) angeordnet ist, die mit einer fluidmechanisch in eine Abluftleitung (9) eingebundene Abluftturbine gekoppelt ist, und mit einem stromauf der Abluftturbine in der Abluftleitung (9) angeordneten Wasserabscheider (10), der mit einer Kühleinrichtung thermisch gekoppelt ist, umfassend die Schritte des Detektierens des Flüssigwasseranteils in der Abluft stromauf des Wasserabscheiders und Bestimmung, ob Flüssigwasser vorliegt und der ungekühlte Wasserabscheider (10) dessen Abscheidung bewirken kann, und für den Fall, dass die Abscheidekapazität des Wasserabscheiders (10) ungenügend ist, Beginn der Kühlung des Wasserabscheiders (10).Method for operating a fuel cell device (1) with at least one fuel cell, in the fresh air line (3) of which a compressor (6) is arranged with a compressor shaft (8) which is coupled to an exhaust air turbine which is fluidically integrated into an exhaust air line (9), and with a water separator (10) which is arranged upstream of the exhaust air turbine in the exhaust air line (9) and is thermally coupled to a cooling device, comprising the steps of detecting the liquid water content in the exhaust air upstream of the water separator and determining whether liquid water is present and the uncooled water separator (10) can cause its separation, and in the event that the separation capacity of the water separator (10) is insufficient, the beginning of the cooling of the water separator (10).
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