DE102019211593A1 - Fuel cell device, method for operating such and motor vehicle - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzellenvorrichtung (1), umfassend einen Kathodenräume und Anodenräume aufweisenden Brennstoffzellenstapel (4), eine Brennstoffversorgung, die zumindest zeitweise mit den Anodenräumen strömungsmechanisch verbunden ist, eine Kathodengasversorgung, welche eine mit den Kathodenräumen stapeleintrittsseitig verbundene Kathodenzufuhrleitung (3) umfasst, die mit einem Verdichter (12) zur Förderung des Kathodengases strömungsverbunden ist, und welche eine mit den Kathodenräumen stapelaustrittseitig strömungsmechanisch verbundene Kathodenabgasleitung (6) zur Ausbringung eines Kathodenabgases um-fasst, sowie eine Wärmepumpe (13), dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmepumpe(13) ausgebildet ist, dem Kathodengas stromab des Verdichters (12) Wärme zu entziehen und dem Kathodenabgas strom-ab des Brennstoffzellenstapels (4) zuzuführen.

Figure DE102019211593A1_0000
The invention relates to a fuel cell device (1), comprising a fuel cell stack (4) having cathode compartments and anode compartments, a fuel supply which is fluidically connected to the anode compartments at least at times, a cathode gas supply which comprises a cathode supply line (3) connected to the cathode compartments on the stack inlet side, which is flow-connected to a compressor (12) for conveying the cathode gas, and which comprises a cathode exhaust gas line (6) fluidically connected to the cathode chambers on the stack outlet side for discharging a cathode exhaust gas, and a heat pump (13), characterized in that the heat pump (13) is designed to extract heat from the cathode gas downstream of the compressor (12) and to supply it to the cathode exhaust gas downstream of the fuel cell stack (4).
Figure DE102019211593A1_0000

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzellenvorrichtung, die einen Kathodenräume und Anodenräume aufweisenden Brennstoffzellenstapel, die eine Brennstoffversorgung, die zumindest zeitweise mit den Anodenräumen strömungsmechanisch verbunden ist, die eine Kathodengasversorgung, welche eine mit den Kathodenräumen stapeleintrittsseitig verbundene Kathodenzufuhrleitung umfasst, die mit einem Verdichter zur Förderung des Kathodengases strömungsverbunden ist, und welche eine mit den Kathodenräumen stapelaustrittsseitig strömungsmechanisch verbundene Kathodenabgasleitung zur Ausbringung eines Kathodenabgases umfasst, und die eine Wärmepumpe umfasst. Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Brennstoffzellenvorrichtung sowie ein Kraftfahrzeug.The invention relates to a fuel cell device, the fuel cell stack having cathode compartments and anode compartments, the fuel supply that is at least temporarily connected to the anode compartments fluidically, the cathode gas supply that comprises a cathode supply line connected to the cathode compartments on the stack inlet side, which is connected to a compressor to convey the cathode gas is flow-connected, and which comprises a cathode exhaust line fluidically connected to the stack outlet side for discharging a cathode exhaust gas, and which comprises a heat pump. The invention also relates to a method for operating such a fuel cell device and a motor vehicle.

Brennstoffzellenvorrichtungen dienen dazu, durch eine elektrochemische Reaktion elektrische Energie bereitzustellen, wobei in der elektrochemischen Reaktion ein Brennstoff, in der Regel Wasserstoff, mit Sauerstoff oder einem sauerstoffhaltigen Gasgemisch, in der Regel Luft, der der Brennstoffzellenstapel bildenden Brennstoffzellen als Reaktanten zugeführt werden. Der Wirkungsgrad der einzelnen Brennstoffzellen hängt dabei von verschiedenen Faktoren ab, beispielsweise der Feuchtigkeit der die Kathoden von den Anoden trennenden Membranen, welche für den Protonentransport verantwortlich sind, oder auch die im Brennstoffzellenstapel vorherrschende Temperatur. Zur Regulierung der Temperatur ist es bekannt, den Brennstoffzellenstapel in einen Kühlkreislauf einzubinden, um bei der Brennstoffzellenreaktion entstandene Wärme abzuleiten. Im Zuge des Kühlens der Brennstoffzellenvorrichtung können daher Situationen eintreten, die die Kühlbarkeitsgrenze derart verändern, dass die Höchstgeschwindigkeit eines eine Brennstoffzellenvorrichtung nutzenden Kraftfahrzeuges nicht mehr erreicht werden kann, ohne Schädigungen an der Brennstoffzellenvorrichtung hervorzurufen.Fuel cell devices are used to provide electrical energy through an electrochemical reaction, with a fuel, usually hydrogen, with oxygen or an oxygen-containing gas mixture, usually air, being supplied as reactants to the fuel cells forming the fuel cell stack in the electrochemical reaction. The efficiency of the individual fuel cells depends on various factors, for example the humidity of the membranes separating the cathodes from the anodes, which are responsible for the transport of protons, or the temperature prevailing in the fuel cell stack. To regulate the temperature, it is known to integrate the fuel cell stack into a cooling circuit in order to dissipate the heat generated during the fuel cell reaction. In the course of cooling the fuel cell device, situations can therefore arise which change the coolability limit in such a way that the maximum speed of a motor vehicle using a fuel cell device can no longer be reached without causing damage to the fuel cell device.

Aus den Druckschriften JP 2018 195 468 A , JP 2002 081 792 A und KR 2014 0142 420 A ist es bekannt, Wärmepumpen zu verwenden, um entweder das Kühlmittel oder auch die Prozessgase der Brennstoffzellenvorrichtung herunter zu kühlen, bevor sie die Brennstoffzellenvorrichtung verlassen oder auch umgekehrt dem Brennstoffzellenstapel zugeführt werden.From the pamphlets JP 2018 195 468 A , JP 2002 081 792 A and KR 2014 0142 420 A It is known to use heat pumps in order to cool down either the coolant or the process gases of the fuel cell device before they leave the fuel cell device or, conversely, are fed to the fuel cell stack.

Kraftfahrzeuge, die mit einer in den vorstehend erwähnten Druckschriften entsprechenden Brennstoffzellenvorrichtung ausgestattet sind, können dabei eine deutlich geringere Höchstgeschwindigkeit aufweisen gegenüber konventionellen Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor, da dabei der gesamte Wirkungsgradverlust in das Kühlmittel eingetragen wird. Typischerweise wird dabei die Abwärme eines kathodenseitig vorhandenen Ladeluftkühlers in das Kühlmittel über einen indirekten Ladeluftkühler eingetragen.Motor vehicles that are equipped with a fuel cell device corresponding to the above-mentioned documents can have a significantly lower maximum speed than conventional vehicles with an internal combustion engine, since the entire loss of efficiency is entered into the coolant. Typically, the waste heat from a charge air cooler present on the cathode side is introduced into the coolant via an indirect charge air cooler.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Brennstoffzellenvorrichtung, ein Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenvorrichtung und ein Kraftfahrzeug anzugeben, die zumindest einem der vorstehend erwähnten Nachteile Rechnung tragen.It is therefore the object of the present invention to specify a fuel cell device, a method for operating a fuel cell device and a motor vehicle that take into account at least one of the disadvantages mentioned above.

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Brennstoffzellenvorrichtung mit dem Merkmalsbestand des Anspruchs 1, durch ein Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 8 und durch ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 10. 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 method for operating a fuel cell device with the features of claim 8 and by a motor vehicle with the features of claim 10. Advantageous configurations with expedient developments of the invention are set out in the dependent claims specified.

Die Brennstoffzellenvorrichtung zeichnet sich dabei insbesondere dadurch aus, dass die Wärmepumpe ausgebildet ist, dem Kathodengas stromab des Verdichters Wärme zu entziehen und dem Kathodenabgas stromab des Brennstoffzellenstapels zuzuführen. Da die Wärme über eine Wärmepumpe in das Kathodenabgas übertragen wird, muss diese beispielsweise nicht mehr über einen Fahrzeugkühler abgeführt werden.The fuel cell device is distinguished in particular by the fact that the heat pump is designed to extract heat from the cathode gas downstream of the compressor and to supply it to the cathode exhaust gas downstream of the fuel cell stack. Since the heat is transferred to the cathode exhaust gas via a heat pump, it no longer has to be dissipated via a vehicle radiator, for example.

Eine besonders kompakte Brennstoffzellenvorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass die Wärmepumpe einen Verdampfer, einen Kompressor, einen Kondensator und eine Drossel umfasst, wobei der Verdampfer der Wärmepumpe stromab des Verdichters in wärmeübertragender Verbindung mit der Kathodenzufuhrleitung der Brennstoffzellenvorrichtung steht, und wobei der Kondensator der Wärmepumpe in wärmeübertragender Verbindung mit der Kathodenabgasleitung steht. Somit kann also die Wärmepumpe selbst dazu genutzt werden, um das Kathodengas vorzukonditionieren, bevor es dem Brennstoffzellenstapel oder einem dem Brennstoffzellenstapel vorgeschalteten Befeuchter zugeleitet wird.A particularly compact fuel cell device is characterized in that the heat pump comprises an evaporator, a compressor, a condenser and a throttle, the evaporator of the heat pump being in heat-transferring connection with the cathode supply line of the fuel cell device downstream of the compressor, and the condenser of the heat pump in heat-transferring connection with the cathode exhaust line is. The heat pump itself can thus be used to precondition the cathode gas before it is fed to the fuel cell stack or to a humidifier connected upstream of the fuel cell stack.

Es besteht allerdings auch eine indirekte Einsatzmöglichkeit einer Wärmepumpe, nämlich dann, wenn zwischen den Brennstoffzellenstapel und den Verdichter ein Ladeluftkühler geschaltet ist, der seinerseits in einen eine Kühlmittelleitung umfassenden Kühlkreislauf mit einem Kühler eingebunden ist. Dabei ist dann die Wärmepumpe mit ihrem Verdampfer in dem Kühlkreislauf stromab des Ladeluftkühlers in wärmeübertragender Verbindung mit der Kühlmittelleitung, wobei der Kondensator der Wärmepumpe in wärmeübertragender Verbindung mit der Kathodengasabgasleitung steht. Somit wird also mittels des Ladeluftkühlers die Wärme des vom Verdichter erhitzten Kathodengases in den Kühlkreislauf gefördert, wobei die Wärmepumpe dann die Wärme des Kühlkreislaufs in die Kathodenabgasleitung fördert.However, there is also an indirect use of a heat pump, namely when a charge air cooler is connected between the fuel cell stack and the compressor, which in turn is integrated into a cooling circuit with a cooler comprising a coolant line. The heat pump with its evaporator is then in the cooling circuit downstream of the charge air cooler in heat-transferring connection with the coolant line, the condenser of the heat pump in heat-transferring connection with the Cathode gas exhaust line is standing. Thus, the heat of the cathode gas heated by the compressor is conveyed into the cooling circuit by means of the charge air cooler, the heat pump then conveying the heat from the cooling circuit into the cathode exhaust line.

In diesem Zusammenhang ist es möglich, dass der Verdampfer der Wärmepumpe stromauf eines in den Kühlkreislauf eingebundenen Kühlers in die Kühlmittelleitung integriert ist. Der Kühler kann dabei beispielsweise der Kühler eines Kraftfahrzeuges sein, wobei die Anordnung des Verdampfers stromauf des Kühlers dazu führt, dass der Kühler als solcher eine geringere Kühlleistung erbringen muss und somit insgesamt kleiner ausfallen kann. Durch die Reduktion der notwendigen Kühlleistung des Kühlers lassen sich Einsparpotenziale von bis zu 10 % erzielen. Es besteht zudem die Möglichkeit, dass der Brennstoffzellenstapel stromab des Kühlers ebenfalls in den Kühlkreislauf eingebunden ist, was zu einer sehr kompakten Gestaltung der Brennstoffzellenvorrichtung beiträgt.In this context, it is possible for the evaporator of the heat pump to be integrated in the coolant line upstream of a cooler integrated into the cooling circuit. The radiator can be, for example, the radiator of a motor vehicle, the arrangement of the evaporator upstream of the radiator means that the radiator as such has to provide a lower cooling capacity and can therefore be smaller overall. By reducing the necessary cooling capacity of the cooler, potential savings of up to 10% can be achieved. There is also the possibility that the fuel cell stack is also integrated into the cooling circuit downstream of the cooler, which contributes to a very compact design of the fuel cell device.

Es besteht allerdings alternativ oder ergänzend auch die Möglichkeit, dass kathodenseitig in die Kathodenzufuhrleitung stromab des Verdichters ein Ladeluftkühler eingebunden ist, und dass die Wärmepumpe stromab dem Ladeluftkühler nachgeschaltet ist. Hierdurch kann beispielsweise der Ladeluftkühler ebenfalls kleiner ausgeführt werden, sodass hierdurch Effizienz- und Bauraumgewinne erzielt werden.However, as an alternative or in addition, there is also the possibility that a charge air cooler is integrated into the cathode supply line downstream of the compressor on the cathode side, and that the heat pump is connected downstream of the charge air cooler. In this way, for example, the charge air cooler can also be made smaller, so that efficiency and installation space gains can be achieved.

Der Kompressor der Wärmepumpe nimmt typischerweise eine Leistung auf. Um die aufgenommene Leistung des Kompressors der Wärmepumpe zumindest teilweise zu kompensieren, ist es daher möglich, dass in die Kathodenabgasleitung stromab des der Wärmepumpe zugehörigen Teils eine Turbine zur Energierückgewinnung integriert oder der Kathodenabgasleitung nachgeschaltet ist. Die Antriebsleistung des Kompressors kann beispielsweise höchstens 5 kW betragen, wobei der Kompressor in einer Ausgestaltung auf 12 Volt-Basis betreibbar ist. Etwaig aufgewendete Leistung des Kompressors lässt sich dann durch die Turbine teilweise rückgewinnen.The heat pump's compressor typically consumes power. In order to at least partially compensate for the power consumed by the compressor of the heat pump, it is therefore possible for a turbine for energy recovery to be integrated in the cathode exhaust gas line downstream of the part belonging to the heat pump or for the cathode exhaust gas line to be connected downstream. The drive power of the compressor can be at most 5 kW, for example, the compressor being operable on a 12 volt basis in one embodiment. Any power used by the compressor can then be partially recovered by the turbine.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenvorrichtung umfasst insbesondere den Schritt des Überprüfens, ob ein thermisches Derating der Brennstoffzellenvorrichtung vorliegt, wobei die Wärmepumpe bei Vorliegen des thermischen Derating aktiviert und derart betrieben wird, dass sie dem in der Kathodenzufuhrleitung strömenden Kathodengas stromab des Verdichters Wärme entzieht und diese, zumindest anteilig, dem in der Kathodenabgasleitung strömenden Kathodenabgas zuführt.The method according to the invention for operating a fuel cell device includes in particular the step of checking whether there is thermal derating of the fuel cell device, the heat pump being activated when the thermal derating is present and operated in such a way that it withdraws heat from the cathode gas flowing in the cathode supply line downstream of the compressor this feeds, at least in part, to the cathode exhaust gas flowing in the cathode exhaust line.

Unter einem thermischen Derating ist ein durch thermische Einflüsse bedingter Einbruch des Wirkungsgrads der Brennstoffzellen im Brennstoffzellenstapel zu verstehen, da das durch den Brennstoffzellenstapel geführte Kühlmittel nicht mehr die Wärmemenge aufnehmen kann, die für einen effizienzoptimierten Betrieb der Brennstoffzellen aufgenommen werden müsste. Ein solches thermisches Derating kommt beispielsweise zustande, wenn um das Brennstoffzellensystem eine sehr hohe Umgebungstemperatur vorliegt. Alternativ oder ergänzend kann auch eine Volllastanforderung an das Brennstoffzellensystem zu einem thermischen Derating führen. Alternativ oder ergänzend kann auch eine Bergfahrt mit reduzierter Kühlung zu einem thermischen Derating beitragen. Um diesem thermischen Derating entgegenzuwirken und damit den Wirkungsgrad der Brennstoffzellenvorrichtung wieder auf ein Optimum oder ein nahe dem Optimum gelegenes Niveau anzuheben, wird dabei die Wärmepumpe betrieben und Wärme aus dem stromab des Verdichters vorhandenen frischen Kathodengas in das Kathodenabgas stromab des Befeuchters übertragen.Thermal derating is understood to mean a drop in the efficiency of the fuel cells in the fuel cell stack caused by thermal influences, since the coolant passed through the fuel cell stack can no longer absorb the amount of heat that would have to be absorbed for an efficiency-optimized operation of the fuel cells. Such a thermal derating occurs, for example, when there is a very high ambient temperature around the fuel cell system. Alternatively or in addition, a full load requirement on the fuel cell system can also lead to thermal derating. As an alternative or in addition, driving uphill with reduced cooling can also contribute to thermal derating. In order to counteract this thermal derating and thus raise the efficiency of the fuel cell device to an optimum or a level close to the optimum, the heat pump is operated and heat is transferred from the fresh cathode gas present downstream of the compressor into the cathode exhaust gas downstream of the humidifier.

Im Rahmen der Erfindung ist es möglich, dass die Wärmepumpe deaktiviert wird und damit keine Wärme mehr aus dem Kathodengas in das Kathodenabgas pumpt, sobald das thermische Derating nicht mehr vorliegt. Mit anderen Worten erfolgt also die Ansteuerung der Wärmepumpe nicht dauerhaft, sondern nur dann, wenn die Brennstoffzellenvorrichtung in ein thermisches Derating gerät. Liegt kein thermisches Derating vor, wird die Brennstoffzellenvorrichtung konventionell ohne eine Transferierung von Wärme ins Kathodenabgas betrieben, da dann der reine energetische Nutzen gegenüber einem Betrieb mit Wärmepumpe verbessert ist.In the context of the invention it is possible that the heat pump is deactivated and thus no longer pumps heat from the cathode gas into the cathode exhaust gas as soon as the thermal derating is no longer present. In other words, the control of the heat pump does not take place continuously, but only when the fuel cell device goes into thermal derating. If there is no thermal derating, the fuel cell device is operated conventionally without transferring heat into the cathode exhaust gas, since the pure energetic benefit is then improved compared to operation with a heat pump.

Rein beispielhaft sei nachstehend ein Beispiel zur Ausführung angegeben. Beispielsweise beträgt die Temperatur des Kathodenabgases zunächst 70 °C. Die Temperatur des mittels des Verdichters komprimierten Kathodengases beträgt beispielsweise 170 °C mit einem Luftmassenstrom von beispielsweise 60 g/s. Die notwendige Leistung einer Wärmepumpe beträgt hierzu beispielsweise ca. 2 kW, was einer Übertragung von beispielsweise ca. 6 kW an Wärme entspricht. Bei Einsatz einer Turbine kann dann aber ein Betrag von beispielsweise ungefähr 0,8 kW zurückgenommen werden, womit eine zusätzliche Nettoleistung von beispielsweise ungefähr 1 kW zu erwarten ist. Insgesamt lässt sich damit der Kühlbedarf im Hochtemperaturkreislauf eines Kraftfahrzeugs um ungefähr 10 % reduzieren. Für sehr sportliche Kraftfahrzeuge sind aber Wärmepumpen mit einem größeren Leistungsbereich einsetzbar.A purely exemplary embodiment is given below. For example, the temperature of the cathode exhaust gas is initially 70 ° C. The temperature of the cathode gas compressed by means of the compressor is, for example, 170 ° C. with an air mass flow of, for example, 60 g / s. The required output of a heat pump for this is, for example, approx. 2 kW, which corresponds to a transfer of approx. 6 kW of heat, for example. When using a turbine, however, an amount of, for example, approximately 0.8 kW can then be withdrawn, so that an additional net power of approximately 1 kW, for example, can be expected. Overall, the cooling requirement in the high-temperature circuit of a motor vehicle can thus be reduced by approximately 10%. For very sporty motor vehicles, however, heat pumps with a larger output range can be used.

Für alle Ausgestaltungen besteht die zusätzliche vorteilhafte Möglichkeit, dass der Brennstoffzellenstapel in den Kühlkreislauf, insbesondere stromab des Kühlers, strömungsmechanisch eingebunden ist. Somit bleibt die Brennstoffzellenvorrichtung insgesamt sehr kompakt und bauraumarm.For all configurations there is the additional advantageous possibility that the fuel cell stack is in the cooling circuit, in particular downstream of the cooler, is fluidically integrated. The fuel cell device thus remains very compact and space-saving overall.

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 respectively specified combination, but also in other combinations or on their own, without the scope of the Invention to leave. There are thus also embodiments to be regarded as encompassed and disclosed by the invention, which are not explicitly shown or explained in the figures, but emerge from the explained embodiments and can be generated by 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 erste Brennstoffzellenvorrichtung, und
  • 2 eine zweite Brennstoffzellenvorrichtung.
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 first fuel cell device, and
  • 2 a second fuel cell device.

In den Figuren ist eine Brennstoffzellenvorrichtung 1 gezeigt, die einen Kathodenräume und Anodenräume aufweisenden Brennstoffzellenstapel 4 umfasst. Der Brennstoffzellenstapel 4 weist dabei eine Mehrzahl von in Reihe geschalteten Brennstoffzellen auf.In the figures is a fuel cell device 1 shown, the fuel cell stack having a cathode compartments and anode compartments 4th includes. The fuel cell stack 4th has a plurality of fuel cells connected in series.

Jede der Brennstoffzellen umfasst eine Anode und eine Kathode sowie eine die Anode von der Kathode trennende protonenleitfähige Membran. Die Membran ist aus einem lonomer, vorzugsweise einem sulfonierten Tetrafluorethylen-Polymer (PTFE) oder einem Polymer der perfluorierten Sulfonsäure (PFSA) gebildet. Alternativ kann die Membran als eine sulfonierte Hydrocarbon-Membran gebildet sein.Each of the fuel cells includes an anode and a cathode and a proton-conductive membrane separating the anode from the cathode. The membrane is formed from an ionomer, preferably a sulfonated tetrafluoroethylene polymer (PTFE) or a polymer of perfluorinated sulfonic acid (PFSA). Alternatively, the membrane can be formed as a 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 aus Gemischen umfassend Edelmetalle wie Platin, Palladium, Ruthenium oder dergleichen beschichtet sind, die als Reaktionsbeschleuniger bei der Reaktion der jeweiligen Brennstoffzelle dienen.A catalyst can also be added to the anodes and / or the cathodes, the membranes preferably being coated on their first side and / or on their second side with a catalyst layer made of a noble metal or of mixtures comprising noble metals such as platinum, palladium, ruthenium or the like , which serve as a reaction accelerator in the reaction of the respective fuel cell.

Über die Anodenräume innerhalb des Brennstoffzellenstapels 4 wird den Anoden Brennstoff (zum Beispiel Wasserstoff) zugeführt. In einer Polymerelektrolytmembranbrennstoffzelle (PEM-Brennstoffzelle) werden an der Anode Brennstoff oder Brennstoffmoleküle in Protonen und Elektronen aufgespaltet. Die Membran lässt die Protonen (zum Beispiel H+) hindurch, ist aber undurchlässig für die Elektronen (e-). An der Anode erfolgt dabei die folgende Reaktion: 2H2 → 4H+ + 4e- (Oxidation/Elektronenabgabe). Während die Protonen durch die Membran zur Kathode hindurchtreten, werden die Elektronen über einen externen Stromkreis an die Kathode oder an einen Energiespeicher geleitet. Über die Kathodenräume innerhalb des Brennstoffzellenstapels 4 kann den Kathoden Kathodengas (zum Beispiel Sauerstoff oder Sauerstoff enthaltende Luft) zugeführt werden, so dass kathodenseitig die folgende Reaktion stattfindet: O2 + 4H+ + 4e- → 2H2O (Reduktion/E lektronenaufnahme).Via the anode compartments within the fuel cell stack 4th fuel (e.g. hydrogen) is fed to the anodes. In a polymer electrolyte membrane fuel cell (PEM fuel cell), fuel or fuel molecules are split into protons and electrons at the anode. The membrane lets the protons (for example H + ) through, but is impermeable to the electrons (e - ). The following reaction takes place at the anode: 2H 2 → 4H + + 4e - (oxidation / electron release). While the protons pass through the membrane to the cathode, the electrons are conducted to the cathode or to an energy store via an external circuit. Via the cathode compartments within the fuel cell stack 4th Cathode gas (for example oxygen or air containing oxygen) can be fed to the cathodes, so that the following reaction takes place on the cathode side: O 2 + 4H + + 4e - → 2H 2 O (reduction / electron uptake).

Dem Brennstoffzellenstapel 4 ist kathodenseitig eine Kathodengasversorgung zugeordnet, welche eine mit den Kathodenräumen stapeleintrittseitig strömungsmechanisch verbundene Kathodenzufuhrleitung 3 zur Zufuhr des Kathodengases an die Kathoden der Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels 4 aufweist. In die Kathodenzufuhrleitung 3 ist vorliegend zur Vorkonditionierung des Kathodengases ein Befeuchter 2 integriert. Der Befeuchter 2 ist mit seinem kathodenseitigen Auslass mit den Kathodenräumen des Brennstoffzellenstapels 4 verbunden. Stromauf des Befeuchters 2 ist ein Verdichter 12 vorhanden, der das Kathodengas ansaugt, um es anschließend über die Kathodenzufuhrleitung 3 an einem Frischgaseinlass des Befeuchters 2 bereitzustellen. Da das Kathodengas beim Verdichten sehr stark erhitzt, ist es zudem bekannt, dieses bereits vor einem Eintritt in den Befeuchter 2 herunterzukühlen, um Schädigungen zu vermeiden. Die Kathodengasversorgung umfasst außerdem eine Kathodenabgasleitung 6 zur Ausbringung von Kathodenabgas aus dem Brennstoffzellenstapel 4, wobei die Kathodenabgasleitung 6 ebenfalls strömungsmechanisch mit den Kathodenräumen des Brennstoffzellenstapels 4 verbunden ist. Der Befeuchter 2 ist vorliegend zusätzlich in die Kathodenabgasleitung 6 eingebunden, so dass er mit anderen Worten mit seinem kathodenseitigen Einlass ebenfalls mit den Kathodenräumen über die Kathodenabgasleitung 6 verbunden ist, über die nicht abreagiertes Kathodengas bzw. feuchtes Kathodenabgas zum Befeuchter 2 rückgeführt wird. Der Befeuchter 2 ist aus einer Mehrzahl an wasserdampfpermeablen Membranen gebildet, die ausgestaltet sind, um dem Kathodenabgas Feuchtigkeit zu entziehen und diese dem frischen Kathodengas zuzuführen. Die Kathodenabgasleitung 6 setzt sich nach dem Befeuchter 2 fort, so dass das (teil-)getrocknete Kathodenabgas einer weiteren Verwertung zugeführt oder an die Umwelt abgegeben werden kann.The fuel cell stack 4th a cathode gas supply is assigned on the cathode side, which is a cathode supply line fluidically connected to the cathode spaces on the stack inlet side 3 for supplying the cathode gas to the cathodes of the fuel cells of the fuel cell stack 4th having. In the cathode supply line 3 In the present case, a humidifier is used to precondition the cathode gas 2 integrated. The humidifier 2 is with its cathode-side outlet with the cathode spaces of the fuel cell stack 4th connected. Upstream of the humidifier 2 is a compressor 12 present, which draws in the cathode gas in order to then feed it through the cathode supply line 3 at a fresh gas inlet of the humidifier 2 to provide. Since the cathode gas heats up very strongly during compression, it is also known to do this before it enters the humidifier 2 to cool down to avoid damage. The cathode gas supply also includes a cathode exhaust line 6 for discharging cathode exhaust gas from the fuel cell stack 4th , the cathode exhaust line 6 also fluidically with the cathode spaces of the fuel cell stack 4th connected is. The humidifier 2 is also present in the cathode exhaust line 6 integrated so that, in other words, with its inlet on the cathode side, it also connects to the cathode spaces via the cathode exhaust line 6 is connected, via the unreacted cathode gas or moist cathode exhaust gas to the humidifier 2 is returned. The humidifier 2 is formed from a plurality of water vapor-permeable membranes which are designed to remove moisture from the cathode exhaust gas and to supply this to the fresh cathode gas. The cathode exhaust line 6 settles after the humidifier 2 away, so that the (partially) dried cathode exhaust gas can be recycled or released into the environment.

Der Brennstoffzellenvorrichtung 1 ist anodenseitig eine Brennstoffversorgung zugeordnet, um den Anodenräume und damit den Anoden der im Brennstoffzellenstapel 4 vorhandenen Brennstoffzellen den Brennstoff zuzuleiten. Die Anodenräume sind über eine Anodenzufuhrleitung 7 mit einem den Brennstoff bereitstellenden Brennstoffspeicher 8 verbunden. Über eine Anodenrezirkulationsleitung 9 kann an den Anoden nicht abreagierter Brennstoff den Anodenräumen erneut zugeführt werden. Vorzugsweise ist hierbei der Anodenrezirkulation ein nicht näher dargestelltes Rezirkulationsgebläse zugeordnet bzw. fluidmechanisch in die Anodenrezirkulationsleitung 9 eingekoppelt. Zur Regelung der Zufuhr des Brennstoffes ist der Anodenzufuhrleitung 7 ein Brennstoffstellglied 10 zugeordnet bzw. in der Anodenzufuhrleitung 7 angeordnet. Dieses Brennstoffstellglied 10 ist vorzugsweise als ein Druckregelventil gebildet. Stromaufwärts des Druckregelventils ist ein Wärmeübertrager 11 in Form eines Rekuperators zur Erwärmung des Brennstoffes vorgesehen.The fuel cell device 1 a fuel supply is assigned on the anode side to the anode spaces and thus the anodes of the fuel cell stack 4th existing fuel cells To feed fuel. The anode compartments are via an anode feed line 7th with a fuel store providing the fuel 8th connected. Via an anode recirculation line 9 fuel that has not reacted at the anodes can be returned to the anode spaces. A recirculation fan (not shown in greater detail) is preferably assigned to the anode recirculation or fluid-mechanically into the anode recirculation line 9 coupled. The anode supply line is used to regulate the supply of fuel 7th a fuel actuator 10 assigned or in the anode supply line 7th arranged. This fuel actuator 10 is preferably formed as a pressure control valve. A heat exchanger is located upstream of the pressure regulating valve 11 provided in the form of a recuperator for heating the fuel.

Die in den Figuren gezeigten Brennstoffzellenvorrichtungen 1 weisen kathodenseitig jeweils eine Wärmepumpe 13 auf, die einen Verdampfer 14, einen Kompressor 15, einen Kondensator 16 und eine Drossel 17 umfasst. Die Wärmepumpe 13 ist ausgebildet, dem Kathodengas stromab des Verdichters 12 Wärme zu entziehen und dem Kathodenabgas stromab des Brennstoffzellenstapels 4 zuzuführen. Die Arbeitsweise einer solchen Maschine, die unter Aufwendung von technischer Arbeit thermische Energie aus einem Reservoir mit niedriger Temperatur aufnimmt und - zusammen mit der Antriebsenergie - als Nutzwärme auf ein anderes System mit höherer Temperatur überträgt, wird als bekannt vorausgesetzt und deshalb nicht nochmals näher erläutert. Zur Ansteuerung der Wärmepumpe 13 ist eine nicht näher dargestellte Steuereinheit vorhanden, wobei die Ansteuerung der Wärmepumpe 13 vorzugsweise nicht dauerhaft erfolgt, sondern nur dann, wenn die Brennstoffzellenvorrichtung 1 in ein thermisches Derating gerät, bei der die Kühlleistung des durch den Brennstoffzellenstapel 4 geförderten Kühlmittels nicht mehr ausreicht, um ihm in einem effizienzoptimierten Temperaturbereich zu betreiben. Die Wärmepumpe 13 ist vorliegend in der Kathodenzufuhrleitung 3 zwischen den Verdichter 12 und den Befeuchter 2 geschaltet und in der Kathodenabgasleitung 6 stromab des Befeuchters 2 angeordnet.The fuel cell devices shown in the figures 1 each have a heat pump on the cathode side 13 on having a vaporizer 14th , a compressor 15th , a capacitor 16 and a throttle 17th includes. The heat pump 13 is formed, the cathode gas downstream of the compressor 12 To extract heat and the cathode exhaust gas downstream of the fuel cell stack 4th feed. The mode of operation of such a machine, which uses technical work to absorb thermal energy from a reservoir at a low temperature and - together with the drive energy - transfers it as useful heat to another system at a higher temperature, is assumed to be known and therefore not explained again in detail. For controlling the heat pump 13 there is a control unit (not shown in detail), which controls the heat pump 13 preferably does not take place permanently, but only when the fuel cell device 1 in a thermal derating device in which the cooling capacity of the fuel cell stack 4th The pumped coolant is no longer sufficient to operate it in an efficiency-optimized temperature range. The heat pump 13 is present in the cathode supply line 3 between the compressors 12 and the humidifier 2 switched and in the cathode exhaust line 6 downstream of the humidifier 2 arranged.

In der Ausgestaltung nach 1 steht der Verdampfer 14 der Wärmepumpe 13 stromab des Verdichters 12 in wärmeübertragender Verbindung mit der Kathodenzufuhrleitung 3, wobei der Kondensator 16 der Wärmepumpe 13 in wärmeübertragender Verbindung mit der Kathodenabgasleitung 6 steht. Mit einer derartigen Konfiguration ist es folglich möglich, die verdichtete Luft in der Kathodenzufuhrleitung 3 mittels der Wärmepumpe 13 herunter zu kühlen und die aufgenommene Wärme in die Kathodenabgasleitung 6, mithin in das Kathodenabgas zu geben. Der Kompressor 15 kann dabei eine Antriebsleistung von höchstens 6 kW umfassen, wobei er beispielsweise auf einer 12 Volt-Basis gebildet ist. Durch diese Ausgestaltung reduziert sich die Kühlungsanforderung, da eine größere Wärmemenge im Kathodenabgas vorhanden ist. Wenn der Brennstoffzellenstapel 4 in einen Kühlmittelkreislauf eingebunden ist, so kann auch hierbei die Kühlleistung entsprechend reduziert werden und auch ein gegebenenfalls kleinerer Hauptwasserkühler Einsatz finden.In the design according to 1 is the evaporator 14th the heat pump 13 downstream of the compressor 12 in heat-transferring connection with the cathode supply line 3 , the capacitor 16 the heat pump 13 in heat-transferring connection with the cathode exhaust line 6 stands. With such a configuration, it is therefore possible to discharge the compressed air in the cathode supply pipe 3 by means of the heat pump 13 to cool down and the absorbed heat into the cathode exhaust line 6 , therefore to be added to the cathode exhaust gas. The compressor 15th can include a drive power of at most 6 kW, for example, it is formed on a 12 volt basis. This configuration reduces the cooling requirement, since a greater amount of heat is present in the cathode exhaust gas. When the fuel cell stack 4th is integrated into a coolant circuit, the cooling capacity can also be reduced accordingly and a smaller main water cooler can also be used if necessary.

Eine etwas indirektere Möglichkeit zur Kühlung sieht die Ausgestaltung nach 2 vor, bei der stromab des Verdichters 12 in die Kathodenzufuhrleitung 3 ein Ladeluftkühler 5 integriert ist. Dieser Ladeluftkühler 5 ist in einen eine Kühlmittelleitung 18 umfassenden Kühlkreislauf 19 eingebunden, in welchem vorliegend außerdem ein Kühler 20 vorliegt. Der Kühler 20 kann dabei beispielsweise der Hauptwasserkühler sein, wobei zudem die vorteilhafte Möglichkeit eröffnet, ist, dass auch der Brennstoffzellenstapel 4 in den Kühlkreislauf 19 strömungsmechanisch eingebunden ist (nicht näher dargestellt). Es ist der 2 zu entnehmen, dass der Verdampfer 14 der Wärmepumpe 13 in dem Kühlkreislauf 19 stromab des Ladeluftkühlers 5 in wärmeübertragender Verbindung mit der Kühlmittelleitung 18 steht. Der Kondensator 16 der Wärmepumpe 13 steht wiederum in wärmeübertragender Verbindung mit der Kathodenabgasleitung 6, sodass also die im Kühlkreislauf 19 enthaltene Wärme teilweise in die Kathodenabgasleitung 6 mittels der Wärmepumpe 13 übertragen wird. Da sich der Verdampfer 14 der Wärmepumpe 13 stromauf des Kühlers 20 im Kühlkreislauf 19 befindet, kann der Kühler 20 selbst auch kleiner ausgelegt werden, wobei sich Einsparungen von bis zu 10 % gegenüber Kühlkreisläufen 19 ohne eine solche Wärmepumpe 13 erzielen lassen.The design looks for a more indirect possibility of cooling 2 before, at the downstream of the compressor 12 into the cathode supply line 3 a charge air cooler 5 is integrated. This intercooler 5 is in a coolant line 18th comprehensive cooling circuit 19th integrated, in which present also a cooler 20th present. The cooler 20th can be, for example, the main water cooler, the advantageous possibility also opening up of the fuel cell stack 4th in the cooling circuit 19th Is fluid mechanically involved (not shown). It's the 2 it can be seen that the evaporator 14th the heat pump 13 in the cooling circuit 19th downstream of the intercooler 5 in heat-transferring connection with the coolant line 18th stands. The condenser 16 the heat pump 13 is in turn in a heat-transferring connection with the cathode exhaust line 6 so that in the cooling circuit 19th Part of the heat contained in the cathode exhaust line 6 by means of the heat pump 13 is transmitted. Since the vaporizer 14th the heat pump 13 upstream of the cooler 20th in the cooling circuit 19th can be the cooler 20th can even be designed smaller, with savings of up to 10% compared to cooling circuits 19th without such a heat pump 13 can be achieved.

Der Kompressor 15 der Wärmepumpe 13 nimmt elektrische Leistung auf. Daher ist es sowohl beim Beispiel nach 1 als auch beim Beispiel nach 2 möglich, eine Turbine in die Abgasleitung 6 zu integrieren, um Energie rückzugewinnen. Diese rückgewonnene Energie durch die Turbine kompensiert dabei teilweise die vom Kompressor 15 aufgewendete Leistung.The compressor 15th the heat pump 13 consumes electrical power. Therefore it is according to both the example 1 as well as in the example after 2 possible to put a turbine in the exhaust pipe 6 to integrate to recover energy. The energy recovered by the turbine partially compensates for that from the compressor 15th expended power.

Um zusätzlich Energie einzusparen, ist es sinnvoll, wenn die Wärmepumpe 13 nur in denjenigen Fällen betrieben wird, in denen sich die Brennstoffzellenvorrichtung 1 tatsächlich in einem thermischen Derating befindet. Während des thermischen Deratings wird die Wärmepumpe 13 also derart betrieben, dass sie dem in der Kathodenzufuhrleitung 3 strömenden Kathodengas stromab des Verdichters 12 Wärme entzieht und diese, zumindest anteilig dem in der Kathodenabgasleitung 6 strömenden Kathodenabgas zuführt. Sobald ein thermisches Derating nicht mehr vorliegt, wird die Wärmepumpe 13 deaktiviert, womit sie keine Wärme aus dem Kathodengas in das Kathodenabgas mehr pumpt und somit auch der Kompressor 15 der Wärmepumpe 13 keine Leistung mehr aufnimmt.In order to save additional energy, it makes sense if the heat pump 13 is operated only in those cases in which the fuel cell device 1 is actually in thermal derating. During the thermal derating, the heat pump 13 so operated in such a way that they match the one in the cathode feed line 3 flowing cathode gas downstream of the compressor 12 Removes heat and this, at least in part, that in the cathode exhaust line 6 supplies flowing cathode exhaust gas. As soon as thermal derating is no longer present, the heat pump will 13 deactivated, which means that it no longer pumps heat from the cathode gas into the cathode exhaust gas, and thus also the compressor 15th the heat pump 13 no longer consumes power.

Die Brennstoffzellenvorrichtung 1 und das vorstehend erwähnte Verfahren entfalten ihre vollen Vorteile beim Einsatz in einem erfindungsgemäßen Kraftfahrzeug, wobei die Steuereinheit beispielsweise das Steuergerät der Brennstoffzellenvorrichtung 1 oder auch das Fahrzeugsteuergerät sein kann. Zur Prüfung des Vorliegens eines thermischen Deratings können entsprechende Temperatursensoren und/oder Drucksensoren und/oder Lagesensoren Einsatz finden.The fuel cell device 1 and the above-mentioned method develop their full advantages when used in a motor vehicle according to the invention, the control unit being, for example, the control unit of the fuel cell device 1 or can be the vehicle control unit. Appropriate temperature sensors and / or pressure sensors and / or position sensors can be used to check the presence of thermal derating.

Insgesamt weist die Erfindung die Vorteile, einer Reduktion des Kühlbedarfs, einer gesteigerten Effizienz bei Integration der Turbine und durch Verbrauchsvorteile insbesondere bei hohen Geschwindigkeiten des Kraftfahrzeugs auf.Overall, the invention has the advantages of a reduction in the need for cooling, increased efficiency when integrating the turbine, and consumption advantages, particularly at high speeds of the motor vehicle.

BezugszeichenlisteList of reference symbols

11
BrennstoffzellenvorrichtungFuel cell device
22
BefeuchterHumidifier
33
KathodenzufuhrleitungCathode feed line
44th
BrennstoffzellenstapelFuel cell stack
55
LadeluftkühlerIntercooler
66th
KathodenabgasleitungCathode exhaust line
77th
AnodenzufuhrleitungAnode feed line
88th
BrennstoffspeicherFuel storage
99
AnodenrezirkulationsleitungAnode recirculation line
1010
BrennstoffstellgliedFuel actuator
1111
WärmeübertragerHeat exchanger
1212
Verdichtercompressor
1313
WärmepumpeHeat pump
1414th
VerdampferEvaporator
1515th
Kompressorcompressor
1616
Kondensatorcapacitor
1717th
Drosselthrottle
1818th
KühlmittelleitungCoolant line
1919th
KühlkreislaufCooling circuit
2020th
Kühlercooler

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

  • JP 2018195468 A [0003]JP 2018195468 A [0003]
  • JP 2002081792 A [0003]JP 2002081792 A [0003]
  • KR 20140142420 A [0003]KR 20140142420 A [0003]

Claims (10)

Brennstoffzellenvorrichtung (1), umfassend einen Kathodenräume und Anodenräume aufweisenden Brennstoffzellenstapel (4), eine Brennstoffversorgung, die zumindest zeitweise mit den Anodenräumen strömungsmechanisch verbunden ist, eine Kathodengasversorgung, welche eine mit den Kathodenräumen stapeleintrittsseitig verbundene Kathodenzufuhrleitung (3) umfasst, die mit einem Verdichter (12) zur Förderung des Kathodengases strömungsverbunden ist, und welche eine mit den Kathodenräumen stapelaustrittseitig strömungsmechanisch verbundene Kathodenabgasleitung (6) zur Ausbringung eines Kathodenabgases umfasst, sowie eine Wärmepumpe (13), dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmepumpe(13) ausgebildet ist, dem Kathodengas stromab des Verdichters (12) Wärme zu entziehen und dem Kathodenabgas stromab des Brennstoffzellenstapels (4) zuzuführen.Fuel cell device (1), comprising a fuel cell stack (4) having cathode compartments and anode compartments, a fuel supply which is fluidically connected to the anode compartments at least at times, a cathode gas supply which comprises a cathode supply line (3) connected to the cathode compartments on the stack inlet side, which is connected to a compressor ( 12) is flow-connected for conveying the cathode gas, and which comprises a cathode exhaust gas line (6) fluidically connected to the stack outlet side for the discharge of a cathode exhaust gas, as well as a heat pump (13), characterized in that the heat pump (13) is designed downstream of the cathode gas of the compressor (12) to extract heat and to supply it to the cathode exhaust gas downstream of the fuel cell stack (4). Brennstoffzellenvorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmepumpe (13) einen Verdampfer (14), einen Kompressor (15), einen Kondensator (16) und eine Drossel (17) umfasst, dass der Verdampfer (14) der Wärmepumpe (13) stromab des Verdichters (12) in wärmeübertragender Verbindung mit der Kathodenzufuhrleitung (3) steht, und dass der Kondensator (16) der Wärmepumpe (13) in wärmeübertragender Verbindung mit der Kathodenabgasleitung (6) steht.Fuel cell device (1) according to Claim 1 , characterized in that the heat pump (13) comprises an evaporator (14), a compressor (15), a condenser (16) and a throttle (17), that the evaporator (14) of the heat pump (13) is downstream of the compressor ( 12) is in heat-transferring connection with the cathode supply line (3), and that the condenser (16) of the heat pump (13) is in heat-transferring connection with the cathode exhaust gas line (6). Brennstoffzellenvorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Brennstoffzellenstapel (4) und den Verdichter (12) ein Ladeluftkühler (5) geschaltet ist, der seinerseits in einen eine Kühlmittelleitung (18) umfassenden Kühlkreislauf (19) mit einem Kühler (20) eingebunden ist, dass die Wärmepumpe (13) einen Verdampfer (14), einen Kompressor (15), einen Kondensator (16) und eine Drossel (17) umfasst, dass der Verdampfer (14) der Wärmepumpe (13) in dem Kühlkreislauf (19) stromab des Ladeluftkühlers (5) in wärmeübertragender Verbindung mit der Kühlmittelleitung (18) steht, und dass der Kondensator (16) der Wärmepumpe (13) in wärmeübertragender Verbindung mit der Kathodenabgasleitung (6) steht.Fuel cell device (1) according to Claim 1 , characterized in that a charge air cooler (5) is connected between the fuel cell stack (4) and the compressor (12), which in turn is integrated into a cooling circuit (19) comprising a coolant line (18) with a cooler (20) that the Heat pump (13) comprises an evaporator (14), a compressor (15), a condenser (16) and a throttle (17), that the evaporator (14) of the heat pump (13) in the cooling circuit (19) downstream of the charge air cooler ( 5) is in heat-transferring connection with the coolant line (18), and that the condenser (16) of the heat pump (13) is in heat-transferring connection with the cathode exhaust gas line (6). Brennstoffzellenvorrichtung (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdampfer (14) der Wärmepumpe (13) stromauf des Kühlers (20) in den Kühlkreislauf (19) eingebunden ist.Fuel cell device (1) according to Claim 3 , characterized in that the evaporator (14) of the heat pump (13) is integrated into the cooling circuit (19) upstream of the cooler (20). Brennstoffzellenvorrichtung (1) nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoffzellenstapel (4) in den Kühlkreislauf (19), strömungsmechanisch eingebunden ist.Fuel cell device (1) according to Claim 3 or 4th , characterized in that the fuel cell stack (4) is fluid-mechanically integrated into the cooling circuit (19). Brennstoffzellenvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass in der Kathodenzufuhrleitung (3) stromab des Verdichters (12) ein Ladeluftkühler (5) vorhanden ist, und dass die Wärmepumpe (13) dem Ladeluftkühler (5) nachgeschaltet ist.Fuel cell device (1) according to one of the Claims 1 to 5 , characterized in that a charge air cooler (5) is present in the cathode supply line (3) downstream of the compressor (12), and that the heat pump (13) is connected downstream of the charge air cooler (5). Brennstoffzellenvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass in die Kathodenabgasleitung (6) stromab des der Wärmepumpe (13) zugehörigen Teils eine Turbine zur Energierückgewinnung integriert oder der Kathodenabgasleitung (6) nachgeschaltet ist.Fuel cell device (1) according to one of the Claims 1 to 6 , characterized in that a turbine for energy recovery is integrated into the cathode exhaust gas line (6) downstream of the part belonging to the heat pump (13) or the cathode exhaust gas line (6) is connected downstream. Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, umfassend den Schritt des Überprüfens, ob ein thermisches Derating der Brennstoffzellenvorrichtung (1) vorliegt, wobei die Wärmepumpe (13) bei Vorliegen des thermischen Deratings aktiviert und derart betrieben wird, dass sie dem in der Kathodenzufuhrleitung (3) strömenden Kathodengas stromab des Verdichters (12) Wärme entzieht und diese, zumindest anteilig, dem in der Kathodenabgasleitung (6) strömenden Kathodenabgas zuführt.Method for operating a fuel cell device (1) according to one of the Claims 1 to 7th , comprising the step of checking whether there is a thermal derating of the fuel cell device (1), wherein the heat pump (13) is activated when the thermal derating is present and operated in such a way that it follows the cathode gas flowing in the cathode supply line (3) downstream of the compressor ( 12) withdraws heat and feeds it, at least in part, to the cathode exhaust gas flowing in the cathode exhaust line (6). Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmepumpe (13) deaktiviert wird und damit keine Wärme aus dem Kathodengas in das Kathodenabgas pumpt, sobald das thermische Derating nicht mehr vorliegt.Procedure according to Claim 8 , characterized in that the heat pump (13) is deactivated and thus no heat is pumped from the cathode gas into the cathode exhaust gas as soon as the thermal derating is no longer present. 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 .
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