DE102019200509A1 - Method for operating a fuel cell system and fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems (2), insbesondere eines Kraftfahrzeugs (4), wobei Luft (L) aus der Umgebung zur Erhöhung deren Sauerstoffanteils einem Separator (8) zugeführt und anschließend die Luft (L) mit erhöhtem Sauerstoffanteil verdichtet wird, oder wobei Luft (L) aus der Umgebung verdichtet und anschließend die verdichtete Luft (L) zur Erhöhung deren Sauerstoffanteils dem Separator (8) zugeführt wird, und wobei die verdichtete Luft (L) mit erhöhtem Sauerstoffanteil einem Brennstoffzellenstapel (18) zur Bereitstellung elektrischer Energie zugeführt wird. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein solches Brennstoffzellensystem (2) und ein Kraftfahrzeug (4) mit einem Solchen.The invention relates to a method for operating a fuel cell system (2), in particular a motor vehicle (4), air (L) from the environment being fed to a separator (8) to increase its oxygen content and the air (L) is then compressed with an increased oxygen content , or wherein air (L) compresses from the environment and then the compressed air (L) is fed to the separator (8) to increase its oxygen content, and wherein the compressed air (L) with increased oxygen content is supplied to a fuel cell stack (18) for providing electrical Energy is supplied. The invention further relates to such a fuel cell system (2) and a motor vehicle (4) with such a system.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems, wobei das Brennstoffzellensystem einen Brennstoffzellenstapel zur Bereitstellung elektrischer Energie aufweist. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein solches Brennstoffzellensystem sowie ein Kraftfahrzeug mit einem Solchen.The invention relates to a method for operating a fuel cell system, the fuel cell system having a fuel cell stack for providing electrical energy. Furthermore, the invention relates to such a fuel cell system and a motor vehicle with such.
Ein Brennstoffzellensystem weist eine Anzahl von auch als Stack bezeichneten Brennstoffzellenstapeln auf, mittels welchen bei Betrieb chemische Energie in elektrische Energie umgewandelt wird. Hierzu werden dem Brennstoffzellenstapel ein Brennstoff sowie ein Oxidationsmittel (Oxidans) zugeführt, wobei der Brennstoff oxidiert und das Oxidationsmittel reduziert wird. Dabei laufen die Oxidationsreaktion und die Reduktionsreaktion räumlich getrennt voneinander an den Elektroden des jeweiligen Brennstoffzellenstapels ab. Die Elektroden sind dabei typischerweise mittels eines Elektrolyts voneinander getrennt, wobei für ein Brennstoffzellensystem eines Kraftfahrzeugs beispielsweise eine Polymerelektrolytmembran (PEM) herangezogen wird.A fuel cell system has a number of fuel cell stacks, also called a stack, by means of which chemical energy is converted into electrical energy during operation. For this purpose, a fuel and an oxidizing agent (oxidant) are fed to the fuel cell stack, the fuel being oxidized and the oxidizing agent being reduced. The oxidation reaction and the reduction reaction take place spatially separated from one another on the electrodes of the respective fuel cell stack. The electrodes are typically separated from one another by means of an electrolyte, a polymer electrolyte membrane (PEM), for example, being used for a fuel cell system of a motor vehicle.
Geeigneter Weise wird gasförmiger Wasserstoff als Brennstoff und gasförmiger Sauerstoff als Oxidationsmittel verwendet. Beispielsweise wird hierzu Luft, welche den für die chemische Reaktion notwendigen Sauerstoff enthält, dem Brennstoffzellenstapel zugeführt.Gaseous hydrogen is suitably used as fuel and gaseous oxygen as oxidizing agent. For example, air containing the oxygen required for the chemical reaction is fed to the fuel cell stack.
Die von einem Brennstoffzellenstapel bereitgestellte elektrische Energie und entsprechend die von dieser bereitgestellte elektrische Leistung kann durch eine Erhöhung des Druckes des Brenngases und des Oxidationsmittels erhöht werden.The electrical energy provided by a fuel cell stack and accordingly the electrical power provided by it can be increased by increasing the pressure of the fuel gas and the oxidizing agent.
Geeigneterweise wird die Luft hierzu zunächst mittels eines, beispielsweise als Schraubenmaschine ausgebildeten, Verdichters verdichtet und anschließend dem Brennstoffzellenstapel zugeführt. Entsprechend der im Betrieb auftretenden Leistungsanforderungen an den Brennstoffzellenstapel und eine damit einhergehende Luftmenge, welche verdichtet wird, ist der Verdichter vergleichsweise groß dimensioniert. Der Verdichter ist also vergleichsweise kostenintensiv und benötigt einen vergleichsweise großen Bauraum.For this purpose, the air is first of all compressed by means of a compressor, for example in the form of a screw machine, and then fed to the fuel cell stack. The compressor has a comparatively large dimension in accordance with the performance requirements for the fuel cell stack that occur during operation and an associated amount of air that is compressed. The compressor is therefore comparatively expensive and requires a comparatively large installation space.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein geeignetes Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems mit einem Brennstoffzellenstapel anzugeben, wobei insbesondere der Wirkungsgrad des Brennstoffzellensystems möglichst hoch ist. Des Weiteren sollen ein solches Brennstoffzellensystem sowie ein Kraftfahrzeug mit einem Solchen angegeben werden.The invention is based on the object of specifying a suitable method for operating a fuel cell system with a fuel cell stack, the efficiency of the fuel cell system in particular being as high as possible. Furthermore, such a fuel cell system and a motor vehicle with such a are to be specified.
Hinsichtlich des Verfahrens wird die Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1. Hinsichtlich des Brennstoffzellensystems und des Kraftfahrzeugs wird die Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 5 bzw. 9. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche. Dabei gelten die Ausführungen im Zusammenhang mit dem Verfahren sinngemäß auch für das Brennstoffzellensystem sowie für das Kraftfahrzeug und umgekehrt.With regard to the method, the object is achieved according to the invention by the features of claim 1. With regard to the fuel cell system and the motor vehicle, the object is achieved according to the invention by the features of claims 5 and 9, respectively. Advantageous refinements and developments are the subject of the dependent claims. The explanations in connection with the method also apply mutatis mutandis to the fuel cell system and to the motor vehicle and vice versa.
Bei dem Verfahren zum Betrieb eines Brennstoffzellensystems, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, wird in einem ersten Schritt einem Separator Luft aus der Umgebung des Brennstoffzellensystems, insbesondere des Brennstoffzellenstapels, bzw. aus der Umgebung des Kraftfahrzeugs zugeführt, um dessen Sauerstoffanteil zu erhöhen. In einem zweiten, daran anschließenden Schritt wird die Luft, deren Sauerstoffanteil mittels Separator erhöht wurde, verdichtet.In the method for operating a fuel cell system, in particular a motor vehicle, air is supplied in a first step to a separator from the surroundings of the fuel cell system, in particular the fuel cell stack, or from the surroundings of the motor vehicle in order to increase its oxygen content. In a second, subsequent step, the air, the oxygen content of which has been increased by means of a separator, is compressed.
Gemäß einer alternativen Ausgestaltung des Verfahrens wird die Luft aus der Umgebung im ersten Schritt verdichtet. Im daran anschließenden zweiten Schritt wird die verdichtete Luft zur Erhöhung deren Sauerstoffanteils dem Separator zugeführt.According to an alternative embodiment of the method, the air from the environment is compressed in the first step. In the subsequent second step, the compressed air is fed to the separator to increase its oxygen content.
Allenfalls, also gemäß beider Varianten, wird in einem dritten Schritt die verdichtete Luft mit erhöhtem Sauerstoffanteil einem Brennstoffzellenstapel des Brennstoffzellensystems zugeführt. Bei Betrieb des Brennstoffzellenstapels wird, insbesondere an Elektroden des Brennstoffzellenstapels, der Sauerstoff der verdichteten und angereicherten Luft in einer Reduktionsreaktion (chemisch) reduziert und ein Brennstoff, insbesondere Wasserstoff, in einer Oxidationsreaktion oxidiert. Dabei wird chemische Energie in elektrische Energie umgewandelt und die elektrische Energie bzw. eine entsprechende elektrische Leistung für eine Last (Verbraucher) bereitgestellt.At most, ie according to both variants, in a third step the compressed air with an increased oxygen content is fed to a fuel cell stack of the fuel cell system. When the fuel cell stack is in operation, in particular on electrodes of the fuel cell stack, the oxygen of the compressed and enriched air is (chemically) reduced in a reduction reaction and a fuel, in particular hydrogen, is oxidized in an oxidation reaction. Chemical energy is converted into electrical energy and the electrical energy or a corresponding electrical power is made available to a load (consumer).
Als angereicherte Luft wird hier und im Folgenden kurz Luft mit einem erhöhten Sauerstoffanteil gegenüber der Luft aus der Umgebung bezeichnet.Enriched air is here and in the following briefly referred to as air with an increased proportion of oxygen compared to the air from the environment.
Im Brennstoffzellenstapel wird lediglich der Sauerstoff aus der Luft für die chemische Reaktion verwendet. Die übrigen Bestandteile der Luft, insbesondere Stickstoff, nehmen nicht an der chemischen Reaktion für die Bereitstellung der elektrischen Energie teil. Gemäß der ersten Variante des Verfahrens, bei welcher Luft mit bereits erhöhtem Sauerstoffanteil verdichtet wird, werden also vergleichsweise wenige solcher Bestandteile, insbesondere Stickstoff, verdichtet. Infolgedessen muss diejenige Energie, welche zum Verdichten dieser Bestandteile notwendig wäre, nicht aufgewendet werden. Folglich ist ein Wirkungsgrad des Brennstoffzellensystems vorteilhafterweise erhöht.In the fuel cell stack, only the oxygen from the air is used for the chemical reaction. The remaining components of the air, especially nitrogen, do not take part in the chemical reaction for the supply of electrical energy. According to the first variant of the method, in which air is compressed with an already increased oxygen content, comparatively few such constituents, in particular nitrogen, are compressed. As a result, the energy that would be required to compress these components does not have to be used. As a result, an efficiency of the fuel cell system is advantageously increased.
Gemäß der zweiten Variante, bei welcher die Luft zunächst verdichtet und anschließend dem Separator zugeführt wird, wird ein zum Verdichten verwendeter Verdichter insbesondere dazu herangezogen, dem Separator die Luft mit erhöhtem Druck und/oder mit einer erhöhten Durchflussrate, also Menge an Luft je Zeiteinheit, zuzuführen. Der Verdichter erfüllt hier also eine Doppelfunktion. According to the second variant, in which the air is first compressed and then fed to the separator, a compressor used for the compression is used in particular to deliver the air to the separator with increased pressure and / or with an increased flow rate, that is to say the amount of air per unit time. feed. The compressor therefore fulfills a double function here.
Vorteilhafterweise wird bei beiden Varianten des Verfahrens dem Brennstoffzellenstapel aufgrund des erhöhten Sauerstoffanteils der Luft vergleichsweise viel Sauerstoff, also vergleichsweise viel Oxidationsmittel, für die die elektrische Energie erzeugende chemische Reaktion zugeführt. Für eine vorgegebene Leistung muss dem Brennstoffzellenstapel somit eine kleinere Menge an Luft zur Verfügung gestellt werden. Infolgedessen ist es möglich, den Verdichter für eine vorgegebene Leistung kleiner, also bauraum- und gewichtssparend, und/oder mit einem vergleichsweise geringem Leistungs-vermögen auszuführen oder alternativ bei gleicher zugeführter Menge an Luft ein Leistungsvermögen des Brennstoffzellensystems zu erhöhen.In both variants of the method, the fuel cell stack is advantageously supplied with a comparatively large amount of oxygen, that is to say a comparatively large amount of oxidizing agent, for the chemical reaction generating the electrical energy due to the increased oxygen content of the air. A smaller amount of air must therefore be made available to the fuel cell stack for a given output. As a result, it is possible to make the compressor smaller for a predetermined output, that is to say space-saving and weight-saving, and / or with a comparatively low output, or alternatively to increase the output of the fuel cell system with the same amount of air supplied.
Beispielsweise wird bei der ersten Variante des Verfahrens, bei welcher zunächst der Sauerstoffanteil der Luft aus der Umgebung mittels des Separators erhöht wird, die Luft nach dem Verdichten nochmals dem oder einem weiteren Separator zugeführt, um den Sauerstoffanteil weiter zu erhöhen.For example, in the first variant of the method, in which the oxygen portion of the air from the environment is first increased by means of the separator, the air is again fed to the or another separator after compression in order to further increase the oxygen portion.
Gemäß einer geeigneten Weiterbildung wird ein solcher Separator herangezogen, welcher passiv zumindest einen Teil des Stickstoffs aus der diesem zugeführten Luft abtrennt (separiert). In Folge des Abtrennens des Stickstoffs wird der Anteil des Sauerstoffs in der Luft erhöht. Unter passiv ist hierbei zu verstehen, dass der Separator keine angetriebenen oder ansteuerbaren Mechanismen, beispielsweise Klappen aufweist. Geeigneterweise wird als Separator als eine Gasseparationsmembran, insbesondere eine Hohlfasermembranen herangezogen, welcher die anzureichernde Luft lediglich zugeführt und von dieser durchströmt wird. Dabei wird der Stickstoff aufgrund selektiver Permeation von der Luft zumindest teilweise abgetrennt. Der, insbesondere die Gasseparationsmembran aufweisende, Separator wird also nicht aktiv angetrieben, weshalb für diesen vom Brennstoffzellensystem oder von einer externen Energiequelle wie beispielsweise einer Batterie keine zusätzliche Energie bereitgestellt werden muss. Infolge dessen ist vorteilhafterweise ein Brennstoffzellensystem mit einem vergleichsweise hohem Wirkungsgrad realisiert ist. Der abgetrennte Stickstoff wird beispielsweise der Umgebung des Brennstoffzellensystems zugeführt. Sofern ein Kraftfahrzeug das Brennstoffzellensystem aufweist, wird der abgetrennte Stickstoff der Umgebung des Kraftfahrzeugs direkt zugeführt oder in eine Abgasvorrichtung des Kraftfahrzeugs eingeleitet.According to a suitable development, such a separator is used, which passively separates (separates) at least part of the nitrogen from the air supplied to it. As a result of the separation of the nitrogen, the proportion of oxygen in the air is increased. Passive is to be understood here to mean that the separator has no driven or controllable mechanisms, for example flaps. The separator is suitably used as a gas separation membrane, in particular a hollow fiber membrane, to which the air to be enriched is merely supplied and through which it flows. The nitrogen is at least partially separated from the air due to selective permeation. The separator, which has in particular the gas separation membrane, is therefore not actively driven, which is why no additional energy has to be provided for it by the fuel cell system or by an external energy source such as a battery. As a result, a fuel cell system with a comparatively high efficiency is advantageously implemented. The separated nitrogen is supplied to the environment of the fuel cell system, for example. If a motor vehicle has the fuel cell system, the separated nitrogen is fed directly to the surroundings of the motor vehicle or introduced into an exhaust device of the motor vehicle.
Gemäß einer geeigneten Weiterbildung wird der Sauerstoffanteil der dem Brennstoffzellenstapel zugeführten Luft in Abhängigkeit einer von der Last (Verbraucher) geforderten Leistung erhöht, welche Last vom Brennstoffzellenstapel versorgt wird. Also wird der Betrag des Sauerstoffanteils in Abhängigkeit der von der Last geforderten Leistung eingestellt. Beispielsweise wird einem Leistungsbereich des Brennstoffzellensystems jeweils ein Sauerstoffanteil der Luft zugeordnet. So wird beispielsweise dem Leerlauf, einer Teillast und einer Volllast des Brennstoffzellensystems jeweils ein Sauerstoffanteil zugeordnet. Die den Leistungsbereichen zugeordneten Sauerstoffanteile sind somit diskret, also nicht kontinuierlich einstellbar und eingestellt. Auf diese Weise wird je nach Leistungsbereich eine Durchflussmenge an Luft je Zeiteinheit, welche verdichtet und gefördert wird, entsprechend eingestellt. So ist es ermöglicht, den Verdichter auch bei unterschiedlichen Leistungsbereichen in dessen effizientesten (optimalen) Betriebsbereich zu verwenden.According to a suitable development, the oxygen content of the air supplied to the fuel cell stack is increased depending on the power required by the load (consumer), which load is supplied by the fuel cell stack. So the amount of oxygen content is set depending on the power required by the load. For example, an oxygen fraction of the air is assigned to a power range of the fuel cell system. For example, an oxygen fraction is assigned to idling, a partial load and a full load of the fuel cell system. The oxygen fractions assigned to the power ranges are therefore discrete, that is, they cannot be continuously set and adjusted. In this way, depending on the performance range, a flow rate of air per unit time that is compressed and conveyed is set accordingly. This makes it possible to use the compressor in its most efficient (optimal) operating range even with different performance ranges.
Ein Brennstoffzellensystem, welches insbesondere zur Durchführung des Verfahrens in einer der oben dargestellten Varianten geeignet ist, weist eine Anzahl an Separatoren auf, welche zur Erhöhung des Sauerstoffanteils von den Separatoren zugeführter Luft vorgesehen und eingerichtet sind. Unter einer Anzahl an Separatoren ist hierbei ein einziger Separator oder mehr als ein Separator zu verstehen. Dabei ist das Brennstoffzellensystem insbesondere für ein Kraftfahrzeug vorgesehen und eingerichtet.A fuel cell system, which is particularly suitable for carrying out the method in one of the variants shown above, has a number of separators which are provided and set up to increase the oxygen content of air supplied by the separators. A number of separators is understood to mean a single separator or more than one separator. The fuel cell system is provided and set up in particular for a motor vehicle.
Des Weiteren weist das Brennstoffzellensystem einen Verdichter zum Verdichten von Luft sowie einen Brennstoffzellenstapel zur Bereitstellung elektrischer Energie anhand der diesem zugeführten verdichteten und angereicherten Luft auf. Dabei ist der Separator bzw. sind die Separatoren strömungstechnisch vor dem Verdichter geschaltet. Zusätzlich oder alternativ sind die Separatoren zwischen dem Verdichter und dem Brennstoffzellenstapel geschaltet. Sofern der Separator strömungstechnisch vor dem Verdichter geschaltet ist, wird insbesondere das Verfahren gemäß der ersten Variante ausgeführt, gemäß welcher zunächst dem Separator Luft aus der Umgebung des Brennstoffzellensystems, insbesondere des Brennstoffzellenstapels, bzw. aus der Umgebung des Kraftfahrzeugs zugeführt und anschließend verdichtet wird. Sofern der Separator bzw. die Separatoren zwischen dem Verdichter und dem Brennstoffzellenstapel geschaltet ist bzw. sind, ist das Brennstoffzellensystem insbesondere dazu geeignet, das Verfahren gemäß der zweiten Variante auszuführen.Furthermore, the fuel cell system has a compressor for compressing air and a fuel cell stack for providing electrical energy based on the compressed and enriched air supplied to it. The separator or the separators are connected upstream of the compressor in terms of flow technology. Additionally or alternatively, the separators are connected between the compressor and the fuel cell stack. If the separator is connected upstream of the compressor in terms of flow technology, in particular the method according to the first variant is carried out, according to which air is first fed to the separator from the surroundings of the fuel cell system, in particular the fuel cell stack, or from the surroundings of the motor vehicle and is subsequently compressed. If the separator or the separators is or are connected between the compressor and the fuel cell stack, the fuel cell system is particularly suitable for carrying out the method according to the second variant.
Die Separatoren weisen jeweils eine Gasseparationsmembran oder mehrere Gasseparationsmembranen auf. Gemäß einer geeigneten Ausgestaltung weisen die Separatoren jeweils eine Anzahl an Hohlfasermembranen, vorzugsweise eine Vielzahl an Hohlfasermembranen auf, mittels welcher ein Teil des Stickstoffs aus der diesen zugeführten Luft abgetrennt wird. Dabei permeiert die dem Separator zugeführte Luft aufgrund einer Partialdruckdifferenz zwischen der Retentatseite, also der Innenseite der Hohlfaser, und der Permeatseite, also der Außenseite der Hohlfaser. Dabei ist die Permeabilität für unterschiedlich Gase der Luft unterschiedlich groß. Insbesondere ist die Permeabilität des Stickstoffs vergleichsweise klein, so dass dieser in vergleichsweise geringer Menge zur Permeatseite gelangt. Infolgedessen ist der Stickstoff zumindest teilweise von der zugeführten Luft abgetrennt. Die Hohlfasermembran ist dabei insbesondere mittels eines Polymers, beispielsweise mittels Polysulfon, Polyacrylnitril, Polyamid, Polyphenylensulfid oder mittels eines Polyphthalamid gebildet. Alternativ hierzu ist die Hohlfasermembran mittels einer Keramik oder mittels eines Sintermetalls gebildet. The separators each have a gas separation membrane or a plurality of gas separation membranes. According to a suitable embodiment, the separators each have a number of hollow fiber membranes, preferably a plurality of hollow fiber membranes, by means of which part of the nitrogen is separated from the air supplied to them. The air supplied to the separator permeates due to a partial pressure difference between the retentate side, that is, the inside of the hollow fiber, and the permeate side, that is, the outside of the hollow fiber. The permeability for different gases in the air is different. In particular, the permeability of the nitrogen is comparatively small, so that it reaches the permeate side in a comparatively small amount. As a result, the nitrogen is at least partially separated from the supplied air. The hollow fiber membrane is formed in particular by means of a polymer, for example by means of polysulfone, polyacrylonitrile, polyamide, polyphenylene sulfide or by means of a polyphthalamide. As an alternative to this, the hollow fiber membrane is formed by means of a ceramic or by means of a sintered metal.
Gemäß einer geeigneten Ausgestaltung weisen die Separatoren jeweils einen Ausgang für die Luft mit erhöhtem Sauerstoffanteil auf, wobei jeweils zwei der Ausgänge parallel oder in Serie zueinander geschaltet sind. Mit anderen Worten ist der Ausgang für die Luft mit erhöhtem Sauerstoffanteil an den Eingang eines anderen Separators angeschlossen, sofern diese in Serie geschaltet sind. Bei der Parallelschaltung der Separatoren sind deren Ausgänge direkt mit einem gemeinsamen Luftkanal verbunden.According to a suitable embodiment, the separators each have an outlet for the air with an increased proportion of oxygen, two of the outlets being connected in parallel or in series with one another. In other words, the output for the air with increased oxygen content is connected to the input of another separator, provided that they are connected in series. When the separators are connected in parallel, their outputs are connected directly to a common air duct.
Sofern die Separatoren in Serie geschaltet sind, wird der Sauerstoffanteil der diesen zugeführten Luft mittels jedem der Separatoren aufeinanderfolgend erhöht. Somit ist der Sauerstoffanteil vergleichsweise stark erhöht. Sofern die Separatoren parallel geschaltet sind, ist es ermöglicht eine vergleichsweise große Durchflussmenge an Luft je Zeiteinheit, also eine vergleichsweise große Durchflussrate zu ermöglichen. Weist das Brennstoffzellensystem mehr als zwei Separatoren auf, können diese zueinander parallel, zueinander in Serie, oder in einer Kombination aus Serien und Parallelschaltung miteinander verschaltet sein.If the separators are connected in series, the oxygen content of the air supplied to them is successively increased by means of each of the separators. The proportion of oxygen is therefore increased comparatively strongly. If the separators are connected in parallel, it is possible to enable a comparatively large flow rate of air per time unit, that is to say a comparatively large flow rate. If the fuel cell system has more than two separators, these can be connected to one another in parallel, to one another in series, or to one another in a combination of series and parallel connection.
Zweckmäßigerweise ist dabei die Verschaltung der Separatoren änderbar. Beispielsweise werden hierzu ein Ventil und eine Bypassleitung herangezogen, mittels welcher eine Serienschaltung in eine Parallelschaltung und umgekehrt gewandelt werden kann. Auf diese Weise ist der Sauerstoffanteil der dem Brennstoffzellenstapel zugeführten Luft, sowie dessen Durchflussrate einstellbar. Insbesondere ist es auf diese Weise ermöglicht, den Sauerstoffanteil in Abhängigkeit einer von der Last (Verbraucher) geforderten Leistung zu erhöhen.The interconnection of the separators can expediently be changed. For example, a valve and a bypass line are used for this purpose, by means of which a series connection can be converted into a parallel connection and vice versa. In this way, the oxygen content of the air supplied to the fuel cell stack and its flow rate can be set. In particular, it is possible in this way to increase the oxygen content as a function of the power required by the load (consumer).
Vorzugsweise ist der Brennstoffzellenstapel als ein Niedertemperaturbrennstoffzellenstapel ausgebildet, beispielsweise als ein sog. PEM-Brennstoffzellenstapel. Bei Betrieb des Brennstoffzellensystems weist der Brennstoffzellenstapel dabei beispielsweise eine Temperatur zwischen 80 °C und 95 °C auf. Das anhand des Wasserstoffs und des Sauerstoffs im Brennstoffzellenstapel erzeugte Wasser ist entsprechend sowohl flüssig als auch gasförmig. Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist der Verdichter als ein, insbesondere elektrischer, Turbolader ausgebildet. Diesem wird das erzeugte gasförmige Wasser turbinenseitig zugeführt. Auf diese Weise wird das gasförmige Wasser zum Betreiben des Verdichters herangezogen. Der Wirkungsgrad des Brennstoffzellensystems ist somit vorteilhafterweise weiter erhöht.The fuel cell stack is preferably designed as a low-temperature fuel cell stack, for example as a so-called PEM fuel cell stack. When the fuel cell system is in operation, the fuel cell stack has, for example, a temperature between 80 ° C. and 95 ° C. The water generated from the hydrogen and oxygen in the fuel cell stack is accordingly both liquid and gaseous. According to an advantageous embodiment, the compressor is designed as an, in particular electrical, turbocharger. The generated gaseous water is fed to the turbine. In this way, the gaseous water is used to operate the compressor. The efficiency of the fuel cell system is thus advantageously further increased.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung weist ein Kraftfahrzeug ein Brennstoffzellensystem in einer der oben dargestellten Varianten auf, wobei das Brennstoffzellensystem vorzugsweise gemäß einer der Varianten des oben dargestellten Verfahrens betrieben wird. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung ist der Separator oder sind die Separatoren in einem mittels der Karosserie des Kraftfahrzeugs gebildeten Durchströmungsraum angeordnet.According to an advantageous embodiment, a motor vehicle has a fuel cell system in one of the variants shown above, the fuel cell system preferably being operated according to one of the variants of the method shown above. According to an advantageous development, the separator or the separators are arranged in a flow-through space formed by means of the body of the motor vehicle.
Ein solcher Durchströmungsraum ist beispielsweise ein Motorraum, welcher mittels der Karosserie gebildet ist. Alternativ ist der Durchströmungsraum zwischen einem Türaußenblech einer Tür der Karosserie und einer Innenverkleidung der Tür angeordnet. Sofern der Separator oder die Separatoren strömungstechnisch vor dem Verdichter geschaltet ist bzw. sind, ist der Durchströmungsraum zweckmäßigerweise von der Luft der Umgebung des Kraftfahrzeugs durchströmbar. Mit anderen Worten ist der Durchströmungsraum strömungstechnisch mit der Umgebung des Kraftfahrzeugs verbunden.Such a flow space is, for example, an engine compartment, which is formed by means of the body. Alternatively, the flow-through space is arranged between an outer door panel of a door of the body and an inner lining of the door. If the separator or the separators is or are connected upstream of the compressor in terms of flow technology, the flow area can expediently be flowed through by the air from the surroundings of the motor vehicle. In other words, the flow-through space is fluidly connected to the surroundings of the motor vehicle.
Vorzugsweise wird dabei als Durchströmungsraum ein nicht weiter verwendeter Bauraum im Kraftfahrzeug genutzt. Infolge dessen ist kein zusätzlicher Bauraum für den bzw. die Separatoren notwendig. Insbesondere sofern der Separator zwischen der Innenverkleidung und einem der Umgebung des Kraftfahrzeugs zugewandten Außenhülle, beispielsweise einem Außenblech, der Karosserie angeordnet ist, werden aufgrund des Separators Geräusche gedämpft, also eine akustische Dämmung des Kraftfahrzeugs verbessert.In this case, an installation space in the motor vehicle that is no longer used is preferably used as the throughflow space. As a result, no additional space is required for the separator (s). In particular, if the separator is arranged between the inner lining and an outer shell facing the surroundings of the motor vehicle, for example an outer panel, the body, noise is damped due to the separator, that is, acoustic insulation of the motor vehicle is improved.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
-
1a,b schematisch ein Brennstoffzellensystem mit einem Separator, mit einem Verdichter und mit einem Brennstoffzellenstapel, wobei der Sauerstoffanteil von Luft der Umgebung mittels des Separators erhöht und anschließend die Luft mittels des Verdichters verdichtet wird bzw. wobei Luft der Umgebung zunächst verdichtet und anschließend deren Sauerstoffanteil erhöht wird, -
2a schematisch eine perspektivische Schnittdarstellung des Separators, welcher eine Anzahl an Hohlfasermembranen aufweist, -
2b in einer perspektivischen Ansicht einen Längsschnitt einer der Hohlfasermembranen, wobei Stickstoff durch selektive Permeation aus der dieser zugeführten Luft abgetrennt wird, -
3 schematisch vier Separatoren, wobei jeweils zwei der Separatoren strömungstechnisch in Serie geschaltet sind, und wobei die in Serie geschalteten Separatoren strömungstechnisch parallel zueinander geschaltet sind, und -
4 schematisch in einer perspektivischen Ansicht ein Kraftfahrzeug mit dem Brennstoffzellensystem, wobei die Separatoren in mittels der Karosserie des Kraftfahrzeugs gebildeten Durchströmungsräumen angeordnet sind.
-
1a, b schematically shows a fuel cell system with a separator, with a compressor and with a fuel cell stack, wherein the oxygen content of air in the environment is increased by means of the separator and then the air is compressed by the compressor or air is initially compressed in the environment and then its oxygen content is increased, -
2a schematically a perspective sectional view of the separator, which has a number of hollow fiber membranes, -
2 3 shows a perspective view of a longitudinal section of one of the hollow fiber membranes, nitrogen being separated from the air supplied to it by selective permeation,B -
3rd schematically four separators, wherein two of the separators are connected in series in terms of flow technology, and wherein the separators connected in series are connected in parallel with one another in terms of flow technology, and -
4th schematically in a perspective view of a motor vehicle with the fuel cell system, the separators being arranged in flow-through spaces formed by means of the body of the motor vehicle.
Einander entsprechende Teile und Größen sind in allen Figuren stets mit gleichen Bezugszeichen versehen.Corresponding parts and sizes are always provided with the same reference symbols in all figures.
In der
Das Brennstoffzellensystem
Der abgetrennte Stickstoff wird einer Abgasvorrichtung
Dem Brennstoffzellenstapel
Das gasförmige Wasser H2O wird dem als Turbolader ausgebildeten Verdichter
Das gasförmige Wasser H2O wird anschließend der Abgasvorrichtung
Gemäß einer nicht weiter dargestellten Variante ist der Verdichter turbinenlos. Beispielsweise ist dieser als ein Kompressor, ein Schrauben- oder Scrollverdichter ausgebildet. Entsprechend wird das gasförmige Wasser direkt der Abgasvorrichtung zugeführt.According to a variant not shown, the compressor has no turbines. For example, this is designed as a compressor, a screw or scroll compressor. Accordingly, the gaseous water is fed directly to the exhaust device.
Die
Gemäß einer nicht weiter dargestellten weiteren Ausgestaltung des Brennstoffzellensystems
In der
Zudem weist der Separator
In der
Die Verschaltung der Separatoren
In der
Die Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr können auch andere Varianten der Erfindung vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen. Insbesondere sind ferner alle im Zusammenhang mit den Ausführungsbeispielen beschriebenen Einzelmerkmale auch auf andere Weise miteinander kombinierbar, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen.The invention is not restricted to the exemplary embodiments described above. Rather, other variants of the invention can also be derived therefrom by a person skilled in the art without departing from the subject matter of the invention. In particular, all of the individual features described in connection with the exemplary embodiments can also be combined with one another in other ways without departing from the subject matter of the invention.
BezugszeichenlisteReference list
- 22nd
- BrennstoffzellensystemFuel cell system
- 44th
- KraftfahrzeugMotor vehicle
- 66
- LuftfilterAir filter
- 8, 8a bis 8d8, 8a to 8d
- Separatorseparator
- 1010th
- GasseparationsmembranGas separation membrane
- 1212th
- AbgasvorrichtungExhaust device
- 1414
- Verdichtercompressor
- 1616
- ElektromotorElectric motor
- 1818th
- BrennstoffzellenstapelFuel cell stack
- 2020
- Anschluss für einen VerbraucherConnection for one consumer
- 2222
- Eingang des SeparatorsSeparator input
- 2424th
- Ausgang des Separators für Luft mit erhöhtem SauerstoffanteilOutput of the separator for air with increased oxygen content
- 2626
- zweiter Ausgang des Separatorssecond output of the separator
- 2828
- LuftkanalAir duct
- 3030th
- BypassleitungBypass line
- 3232
- VentilValve
- 3434
- Karosseriebody
- 3636
- DurchströmungsraumFlow space
- 3838
- TüraußenblechDoor outer panel
- 4040
- Innenverkleidung interior panelling
- H2 H 2
- Wasserstoffhydrogen
- LA L A
- Luft mit erhöhtem SauerstoffanteilAir with increased oxygen content
- LAV L AV
- verdichtete Luft mit erhöhtem Sauerstoffanteilcompressed air with increased oxygen content
- LR L R
- Bestandteile der LuftComponents of the air
- LU L U
- Luft aus der Umgebung des KraftfahrzeugsAir from the surroundings of the motor vehicle
- LV L V
- verdichtete Luftcompressed air
- PP
- geforderte elektrische Leistungrequired electrical power
Claims (10)
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DE102019200509.8A DE102019200509A1 (en) | 2019-01-16 | 2019-01-16 | Method for operating a fuel cell system and fuel cell system |
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DE102019200509.8A DE102019200509A1 (en) | 2019-01-16 | 2019-01-16 | Method for operating a fuel cell system and fuel cell system |
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ID=71132036
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DE102019200509.8A Pending DE102019200509A1 (en) | 2019-01-16 | 2019-01-16 | Method for operating a fuel cell system and fuel cell system |
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DE (1) | DE102019200509A1 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE102021117966A1 (en) | 2021-07-12 | 2023-01-12 | AE Driven Solutions GmbH | fuel cell |
Citations (2)
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---|---|---|---|---|
US20150333347A1 (en) * | 2012-03-19 | 2015-11-19 | Zodiac Aerotechinics | Fuel cell devices for fire and/or explosion prevention |
DE102016009932A1 (en) * | 2016-08-16 | 2018-03-08 | Daimler Ag | Device for supplying air to a fuel cell |
-
2019
- 2019-01-16 DE DE102019200509.8A patent/DE102019200509A1/en active Pending
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DE102021117966A1 (en) | 2021-07-12 | 2023-01-12 | AE Driven Solutions GmbH | fuel cell |
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