DE102020101292A1 - Fuel cell system, method for operating a fuel cell system and motor vehicle - Google Patents

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

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem (1) mit einer Brennstoffzelle (2), die eine Anode, eine Kathode sowie eine die Anode von der Kathode trennende ionenleitfähige Membran umfasst, mit einem Anodenkreislauf (3), der aus einem Teil einer Anodenzufuhrleitung (12) zur Versorgung der Anode mit frischem Anodengas und einer Anodenrezirkulationsleitung (14) gebildet ist, wobei die Anodenrezirkulationsleitung (14) stromab mit der Brennstoffzelle (2) verbunden und stromauf der Brennstoffzelle (2) an einer Mündung (10) in die Anodenzufuhrleitung (12) mündet zur Durchmischung des frischen Anodengases mit dem rezirkulierten Anodengas. Die Anodenrezirkulationsleitung (14) steht in stofflich getrennter, wärmeübertragender Verbindung mit einem stromauf der Mündung (10) gelegenen Teil der Anodenzufuhrleitung (12). Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems (1) sowie ein Kraftfahrzeug mit einem solchen.

Figure DE102020101292A1_0000
The invention relates to a fuel cell system (1) with a fuel cell (2) which comprises an anode, a cathode and an ion-conductive membrane separating the anode from the cathode, with an anode circuit (3) which consists of part of an anode supply line (12) Supply of the anode with fresh anode gas and an anode recirculation line (14) is formed, the anode recirculation line (14) connected downstream with the fuel cell (2) and upstream of the fuel cell (2) at an opening (10) opening into the anode supply line (12) Mixing of the fresh anode gas with the recirculated anode gas. The anode recirculation line (14) is in a materially separate, heat-transferring connection with a part of the anode supply line (12) located upstream of the mouth (10). The invention also relates to a method for operating a fuel cell system (1) and a motor vehicle with such a system.
Figure DE102020101292A1_0000

Description

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem mit einer Brennstoffzelle, die eine Anode, eine Kathode sowie eine die Anode von der Kathode trennende ionenleitfähige Membran umfasst. Das Brennstoffzellensystem ist mit einem Anodenkreislauf ausgestattet, der aus einem Teil einer Anodenzufuhrleitung zur Versorgung der Anode mit frischem Anodengas und einer Anodenrezirkulationsleitung gebildet ist, wobei die Anodenrezirkulationsleitung stromab mit der Brennstoffzelle verbunden und stromauf der Brennstoffzelle an einer Mündung in die Anodenzufuhrleitung mündet zur Durchmischung des frischen Anodengases mit dem rezirkulierten Anodengas. Die Erfindung betrifft darüber hinaus ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems sowie ein Kraftfahrzeug mit einem Brennstoffzellensystem.The invention relates to a fuel cell system with a fuel cell which comprises an anode, a cathode and an ion-conductive membrane separating the anode from the cathode. The fuel cell system is equipped with an anode circuit, which is formed from part of an anode supply line for supplying the anode with fresh anode gas and an anode recirculation line, the anode recirculation line being connected to the fuel cell downstream and opening into the anode supply line at an opening upstream of the fuel cell for mixing the fresh Anode gas with the recirculated anode gas. The invention also relates to a method for operating a fuel cell system and a motor vehicle with a fuel cell system.

Brennstoffzellensysteme 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, 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 des Brennstoffzellensystems mit einer Mehrzahl zu einem Brennstoffzellenstapel zusammengefasster Brennstoffzellen wird das Anodengas, insbesondere Wasserstoff oder ein wasserstoffhaltiges Gasgemisch der Anode zugeführt, wobei eine elektrochemische Oxidation von H2 zu H+ und Abgabe von Elektronen stattfindet.Fuel cell systems are used for the chemical conversion of a fuel with oxygen into water in order to generate electrical energy. For this purpose, fuel cells contain the so-called membrane-electrode unit 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 system with a plurality of fuel cells combined to form a fuel cell stack, the anode gas, in particular hydrogen or a hydrogen-containing gas mixture, is fed to the anode, with an electrochemical oxidation of H 2 to H + and the release of electrons.

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, sodass 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. Dieses Wasser muss aus der Brennstoffzelle und dem Brennstoffzellenstapel herausgeführt werden, bis ein Feuchteniveau erreicht ist, das zum Betrieb des Brennstoffzellensystems erforderlich ist. 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 gastight 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. This water must be led out of the fuel cell and the fuel cell stack until a moisture level is reached that is necessary for the operation of the fuel cell system.

Brennstoffzellensysteme werden in sehr unterschiedlichen Umgebungen eingesetzt, sodass auch die äußeren Rahmenbedingungen für das Brennstoffzellensystem deutlich variieren können. Ist das Brennstoffzellensystem beispielsweise einem Kraftfahrzeug zugeordnet, so kann das Brennstoffzellensystem tiefen Temperaturen unter dem Gefrierpunkt von Wasser ausgesetzt sein, sodass die Gefahr besteht, dass dieses Wasser gefriert. Auch auf der Anodenseite kann sich aufgrund von Diffusionseffekten und der lediglich technischen Dichtheit des Systems Wasser ansammeln, das zu gefrieren droht.Fuel cell systems are used in very different environments, so that the external framework conditions for the fuel cell system can vary significantly. If the fuel cell system is assigned to a motor vehicle, for example, the fuel cell system can be exposed to low temperatures below the freezing point of water, so that there is a risk that this water will freeze. Due to diffusion effects and the purely technical impermeability of the system, water can also collect on the anode side, which threatens to freeze.

Das Anodengas oder der Brennstoff wird in einem Hochdruckspeicher gespeichert, sodass beim Zuführen des Anodengases an die Brennstoffzelle dieses Gas zunächst expandiert wird, was zu einer Senkung der Temperatur des Anodengases führt. Um die Brennstoffzelle aber in einem effizienten Bereich betreiben zu können, ist es erforderlich, dass das Anodengas zunächst vorerwärmt wird, bevor es der Brennstoffzelle zugeleitet wird.The anode gas or the fuel is stored in a high-pressure storage device, so that when the anode gas is supplied to the fuel cell, this gas is initially expanded, which leads to a lowering of the temperature of the anode gas. In order to be able to operate the fuel cell in an efficient range, however, it is necessary that the anode gas is first preheated before it is fed to the fuel cell.

Aus den Druckschriften US 2016/0 372 765 A1 , DE 10 2008 058 960 A1 und DE 10 2014 105 995 A1 sind Brennstoffzellensysteme bekannt, die sich mit der Vorkonditionierung oder Vorerwärmung des Anodengases vor dessen Zuführen an den Brennstoffzellenstapel befassen.From the pamphlets US 2016/0 372 765 A1 , DE 10 2008 058 960 A1 and DE 10 2014 105 995 A1 fuel cell systems are known which deal with the preconditioning or preheating of the anode gas before it is supplied to the fuel cell stack.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Brennstoffzellensystem, ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems und ein Kraftfahrzeug mit einem Brennstoffzellensystem anzugeben, die einen vereinfachten und komprimierteren Aufbau zur Vorkonditionierung des Anodengases bereitstellen.It is therefore the object of the present invention to specify a fuel cell system, a method for operating a fuel cell system and a motor vehicle with a fuel cell system, which provide a simplified and more compressed structure for preconditioning the anode gas.

Diese Aufgabe wird gelöst mit einem Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1, mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 8 und mit einem Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 10. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.This object is achieved with a fuel cell system with the features of claim 1, with a method with the features of claim 8 and with a motor vehicle with the features of claim 10. Advantageous configurations with expedient developments of the invention are specified in the dependent claims.

Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass die Anodenrezirkulationsleitung in stofflich getrennter, wärmeübertragender Verbindung mit einem stromauf der Mündung gelegenen Teil der Anodenzufuhrleitung steht. Damit ist also eine Integration der Wärmeübertragungsfunktion in den Anodenkreislauf des Brennstoffzellensystems geschaffen. Auf diese Weise wird also die vom Brennstoffspeicher führende Anodenzufuhrleitung noch vor dem Durchmischen des frischen Anodengases mit dem rezirkulierten Gases in wärmeübertragender Weise mit dem rezirkulierten Anodengas derart in Kontakt gebracht, dass das rezirkulierte Anodengas seine Wärme an das in der Anodenzufuhrleitung strömende frische Anodengas abgeben kann. Erst anschließend erfolgt dann die Durchmischung der beiden Gase bzw. Gasgemische.The fuel cell system according to the invention is particularly characterized in that the anode recirculation line is in a materially separate, heat-transferring connection with a part of the anode supply line located upstream of the opening. This creates an integration of the heat transfer function in the anode circuit of the fuel cell system. In this way, the anode supply line leading from the fuel reservoir is brought into contact with the recirculated anode gas in a heat-transferring manner before the fresh anode gas is mixed with the recirculated gas in such a way that the recirculated anode gas can give off its heat to the fresh anode gas flowing in the anode supply line. Only then then takes place the mixing of the two gases or gas mixtures.

Es ist von Vorteil, wenn in die Anodenrezirkulationsleitung ein Wasserabscheider strömungsmechanisch eingebunden ist um Flüssigkeit aus dem der Brennstoffzelle austretenden Gasgemisch abzuscheiden. Der stromauf der Mündung gelegene Teil der Anodenzufuhrleitung ist dann durch den Wasserabscheider geführt. Der Wasserabscheider stellt ein großes Volumen für das rezirkulierte Anodengas bzw. Anodengasgemisch bereit, sodass innerhalb des Reservoirs des Wasserabscheiders das rezirkulierte Anodengas bzw. Gasgemisch die Anodenzufuhrleitung umströmen kann, um somit Wärme an den frischen Brennstoff abzugeben.It is advantageous if a water separator is fluidically integrated into the anode recirculation line in order to separate liquid from the gas mixture exiting the fuel cell. The part of the anode supply line located upstream of the mouth is then passed through the water separator. The water separator provides a large volume for the recirculated anode gas or anode gas mixture, so that the recirculated anode gas or gas mixture can flow around the anode supply line within the reservoir of the water separator in order to give off heat to the fresh fuel.

Es ist von Vorteil, wenn an der Mündung eine Strahlpumpe angeordnet ist. Eine solche Strahlpumpe kann genutzt werden, um Gase in dem Anodenkreislauf zu zirkulieren, wobei der frische Brennstoff oder das frische Anodengas über eine Treibdüse der Strahlpumpe in den Anodenkreislauf gelangt. Dieses einströmende frische Anodengas nimmt dabei an der Saugdüse das rezirkulierte Anodenabgas oder Anodengasgemisch mit, sodass eine entsprechende Strömung im Anodenkreislauf entstehen kann. Da stomauf der Strahlpumpe in der Mitteldruckstrecke des Brennstoffzellensystems zumeist sehr kühles Gas aufgrund der Expansion aus dem Druckgasspeicher vorherrscht, wird dieses auch stromauf der an der Mündung liegenden Strahlpumpe durch das rezirkulierte Anodengas vorerwärmt, bevor es in die Strahlpumpe eintritt. Gerade bei tiefen Temperaturen ist diese Anordnung also von Vorteil, da eine Expansion des ohnehin bei tiefen Umgebungstemperaturen noch weiter abgekühlte Anodenfrischgases zu einer Vereisung der Strahlpumpe führen könnte. Eine solche Vereisung ist durch die Vorerwärmung das Frischgases stromauf der Strahlpumpe vermieden.It is advantageous if a jet pump is arranged at the mouth. Such a jet pump can be used to circulate gases in the anode circuit, the fresh fuel or the fresh anode gas entering the anode circuit via a drive nozzle of the jet pump. This fresh anode gas flowing in takes the recirculated anode exhaust gas or anode gas mixture with it at the suction nozzle, so that a corresponding flow can arise in the anode circuit. Since upstream of the jet pump in the medium-pressure section of the fuel cell system there is mostly very cool gas due to the expansion from the compressed gas reservoir, this is also preheated upstream of the jet pump located at the mouth by the recirculated anode gas before it enters the jet pump. This arrangement is therefore particularly advantageous at low temperatures, since expansion of the fresh anode gas, which is cooled even further at low ambient temperatures, could lead to the jet pump icing up. Such icing is avoided by preheating the fresh gas upstream of the jet pump.

Um den Bauraumbedarf für das Brennstoffzellensystem zu verringern, um mögliche Leckagestellen zum Kühlmittelsystem zu vermeiden und um insgesamt die Kosten zu reduzieren hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn der stromauf der Mündung gelegene Teil der Anodenzufuhrleitung wärmetauscherfrei ausgeführt ist.In order to reduce the installation space requirement for the fuel cell system, to avoid possible leakage points to the coolant system and to reduce costs overall, it has proven to be advantageous if the part of the anode supply line located upstream of the opening is designed without heat exchangers.

Es besteht zusätzlich die Möglichkeit, eine integrierte Lösung bereitzustellen, die außerdem das Druckregelventil umfasst, um den aus dem Brennstoffspeicher bereitgestellten Brennstoff dosiert in den Anodenkreislauf bzw. die Anodenzufuhrleitung zu geben.There is also the possibility of providing an integrated solution, which also includes the pressure control valve, in order to feed the fuel provided from the fuel reservoir in a metered manner into the anode circuit or the anode supply line.

Eine integrierte Lösung ist auch dadurch gegeben, dass der Bereich der wärmeübertragenden Verbindung, vorzugsweise auch das Druckregelventil, in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht sind, welches Anschlüsse aufweist, die ausgebildet sind, mit einem Brennstoffeinlass und einem Brennstoffauslass strömungsmechanisch verbunden zu werden. Durch die Ausgestaltung mit einem solchen Gehäuse wird die Anzahl an erforderlichen Dichtstellen im Anodenkreislauf reduziert.An integrated solution is also given that the area of the heat transferring connection, preferably also the pressure control valve, are accommodated in a common housing which has connections that are designed to be fluidically connected to a fuel inlet and a fuel outlet. The design with such a housing reduces the number of required sealing points in the anode circuit.

Eine bauraumsparende und noch weiter integrierte Ausgestaltung des Brennstoffzellensystems sieht vor, dass der Bereich der wärmeübertragenden Verbindung, vorzugsweise auch das Druckregelventil, in einer Endplatte eines eine Mehrzahl der Brennstoffzellen umfassenden Brennstoffzellenstapels untergebracht sind. Beim Einsatz eines Wasserabscheiders ist dieser typischerweise sehr nah am Stapelausgang angeordnet, sodass dort das Anodenabgasgemisch eine entsprechend hohe Temperatur aufweist. Das Ende der Anodenrezirkulationsleitung stellt dabei direkt die Einleitstelle des frischen Anodengases in den Anodenkreislauf dar, welches sehr nah am Stapelaustritt gelegen ist. Als Düse zur Vermischung oder zur Zirkulation innerhalb des Anodenkreislaufs kann dort auch eine Saugstrahlpumpe vorhanden sein.A construction space-saving and even more integrated embodiment of the fuel cell system provides that the area of the heat-transferring connection, preferably also the pressure regulating valve, are accommodated in an end plate of a fuel cell stack comprising a plurality of fuel cells. When using a water separator, it is typically arranged very close to the stack outlet so that the anode exhaust gas mixture has a correspondingly high temperature there. The end of the anode recirculation line directly represents the point of introduction of the fresh anode gas into the anode circuit, which is located very close to the stack outlet. A suction jet pump can also be present there as a nozzle for mixing or for circulation within the anode circuit.

Die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem beschriebenen Vorteile und vorteilhaften Ausgestaltungen gelten in gleicher Weise auch für das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems. Bei diesem Verfahren wird das aus der Brennstoffzelle austretende Anodengas bzw. Anodengasgemisch stofflich getrennt vom frischen Anodengas geführt. Die Wärme des austretenden Anodengases oder Anodengasgemisches gibt Wärme an das in der Anodenzufuhrleitung strömende Frische Anodengas ab, bevor das rezirkulierte Anodengas an der Mündung mit dem frischen Anodengas durchmischt wird. Stromauf der Mündung wird das frische Anodengas typischerweise expandiert, sodass es abkühlt.The advantages and advantageous configurations described in connection with the fuel cell system according to the invention also apply in the same way to the method according to the invention for operating a fuel cell system. In this method, the anode gas or anode gas mixture emerging from the fuel cell is routed separately from the fresh anode gas. The heat of the exiting anode gas or anode gas mixture gives off heat to the fresh anode gas flowing in the anode supply line before the recirculated anode gas is mixed with the fresh anode gas at the outlet. Upstream of the mouth, the fresh anode gas is typically expanded so that it cools.

Um an der Mündung Eisbildung zu vermeiden, ist es von Vorteil, dass das frische Anodengas schon vor der eigentlichen Durchmischung mit dem aus der Brennstoffzelle austretenden Gasgemisch erwärmt wird.In order to avoid ice formation at the mouth, it is advantageous that the fresh anode gas is heated before it is actually mixed with the gas mixture emerging from the fuel cell.

In diesem Zusammenhang hat es sich als sinnvoll erwiesen, wenn AbgasWärme stofflich getrennt innerhalb eines Wasserabscheiders an das Frischgas abgegeben wird, welcher strömungsmechanisch in die Anodenrezirkulationsleitung eingebunden ist. Dieser Wasserabscheier stellt typischerweise ein sehr großes Volumen zur Verfügung, das ausgebildet ist, um eine Anodenzufuhrleitung aufzunehmen, die vom Anodenabgas umströmt wird.In this context, it has proven to be useful if exhaust gas heat is released to the fresh gas in a materially separated manner within a water separator, which is fluidically integrated into the anode recirculation line. This water separator typically provides a very large volume which is designed to accommodate an anode feed line around which the anode exhaust gas flows.

Die in Verbindung mit dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem und dem erfindungsgemäßen Verfahren beschriebenen Vorteile und vorteilhaften Wirkungen gelten gleichermaßen für das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug. Auch dieses weist eine Verringerung des von der Brennstoffzelle benötigten Bauraums auf, sodass sich Gewichts- und Kostenersparnisse ergeben.The in connection with the fuel cell system according to the invention and the The advantages and advantageous effects described in the method according to the invention apply equally to the motor vehicle according to the invention. This also has a reduction in the installation space required by the fuel cell, so that weight and cost savings result.

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 alone, 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 eines Brennstoffzellensystems, und
  • 2 eine Detailansicht einer, insbesondere stapelintegrierten, Vorrichtung zur Vorerwärmung des frischen Anodengases bevor es mit dem rezirkulierten Anodengas durchmischt und an den die Brennstoffzelle gegeben wird.
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 system, and
  • 2 a detailed view of a device, in particular a stack-integrated device, for preheating the fresh anode gas before it is mixed with the recirculated anode gas and to which the fuel cell is fed.

In 1 ist ein schematisch ein Brennstoffzellensystem 1 gezeigt. Das Brennstoffzellensystem 1 umfasst einen Brennstoffzellenstapel 11, der eine Mehrzahl von in Reihe geschalteten Brennstoffzellen 2 aufweist. Die Reihenschaltung der Brennstoffzellen 2 ist in der 1 nur schematisch angedeutet. Das Brennstoffzellensystem 1 ist Teil eines nicht näher dargestellten Kraftfahrzeugs.In 1 Fig. 3 is a schematic of a fuel cell system 1 shown. The fuel cell system 1 includes a fuel cell stack 11 , comprising a plurality of fuel cells connected in series 2 having. The series connection of the fuel cells 2 is in the 1 only indicated schematically. The fuel cell system 1 is part of a motor vehicle not shown in detail.

Jede der Brennstoffzellen 2 umfasst eine Anode und eine Kathode sowie eine die Anode von der Kathode trennende ionenleitfähige, insbesondere protonenleitfähige Membran. Die Membran ist aus einem lonomer, vorzugsweise einem sulfonierten Tetrafluorethylen-Polymer (PTFE) oder einem Polymer der perfluorierten Sulfonsäure (PFSA) gebildet. Alternativ kann die Membran als eine Hydrocarbon-Membran gebildet sein.Each of the fuel cells 2 comprises an anode and a cathode as well as an ion-conductive, in particular proton-conductive, membrane separating the anode from the cathode. The membrane is formed from an ionomer, preferably a sulfonated tetrafluoroethylene polymer (PTFE) or a polymer of perfluorinated sulfonic acid (PFSA). Alternatively, the membrane can be formed as a hydrocarbon membrane.

Den Anoden und/oder den Kathoden kann zusätzlich ein Katalysator beigemischt sein, wobei die 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 2 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 from a noble metal or from mixtures comprising noble metals such as platinum, palladium, ruthenium or the like that act as a reaction accelerator in the reaction of the respective fuel cell 2 serve.

Zur Versorgung der Anoden mit Anodengas oder Brennstoff ist eine Anodenversorgung vorhanden. Über Anodenräume innerhalb des Brennstoffzellenstapels 11 wird den Anoden Brennstoff (z.B. Wasserstoff) zugeführt. In einer Polymerelektrolytmembranbrennstoffzelle (PEM-Brennstoffzelle) werden an der Anode Brennstoff oder Brennstoffmoleküle in Protonen und Elektronen aufgespaltet. Die Membran lässt die Protonen (z.B. 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.An anode supply is available to supply the anodes with anode gas or fuel. Via anode compartments within the fuel cell stack 11 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 (eg H + ) through, but is impermeable to the electrons (e - ). The following reaction takes place at the anode: 2H 2 → 4H + + 4e - (oxidation / electron donation). 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.

Zur Versorgung der Kathoden mit Kathodengas ist eine Kathodenversorgung vorhanden. Über Kathodenräume innerhalb des Brennstoffzellenstapels 11 kann den Kathoden Kathodengas (z.B. Sauerstoff oder Sauerstoff enthaltende Luft) zugeführt werden, so dass kathodenseitig die folgende Reaktion stattfindet: O2 + 4H+ + 4e- → 2H2O (Reduktion/Elektronenaufnahme).A cathode supply is available to supply the cathodes with cathode gas. Via cathode compartments within the fuel cell stack 11 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).

Luft- oder kathodenseitig ist ein Verdichter 17 vorhanden, der Kathodengas, insbesondere Umgebungsluft ansaugt und verdichtet. Aufgrund dieser Verdichtung erhöht sich die Temperatur des angesaugten Kathodengases, so dass es über eine Verdichterleitung 18 zunächst an einen Ladeluftkühler 19 geleitet wird, um es wieder auf eine gewünschte Temperatur herunter zu kühlen. Ausgehend vom Ladeluftkühler 19 wird das angesaugte, komprimierte Kathodengas einem Befeuchter 20 zugeleitet. Im Befeuchter 20 wird das trockene Kathodengas mit der Feuchtigkeit des Kathodenabgases, welches über eine Kathodenabgasleitung 21 dem Befeuchter 20 zugeführt wird, vermischt und damit ebenfalls befeuchtet, bevor es über die Kathodenzufuhrleitung 9 den Kathodenräumen des Brennstoffzellenstapels 11 zugeführt wird. Außerdem ist der Befeuchter 20 mit einer Abgasleitung 22 verbunden, über welche das verbleibende Kathodenabgas aus dem Brennstoffzellensystem 1 ausgeleitet wird.There is a compressor on the air or cathode side 17th present, the cathode gas, in particular ambient air, sucks in and compresses it. As a result of this compression, the temperature of the cathode gas that is drawn in increases, so that it passes through a compressor line 18th initially to a charge air cooler 19th is directed to cool it down to a desired temperature. Starting from the intercooler 19th the sucked in, compressed cathode gas is fed to a humidifier 20th forwarded. In the humidifier 20th the dry cathode gas with the moisture of the cathode exhaust gas, which is via a cathode exhaust gas line 21 the humidifier 20th is supplied, mixed and thus also moistened before it is via the cathode supply line 9 the cathode compartments of the fuel cell stack 11 is fed. Also is the humidifier 20th with an exhaust pipe 22nd connected, via which the remaining cathode exhaust gas from the fuel cell system 1 is diverted.

Die Anodenräume sind vorliegend über eine Anodenzufuhrleitung 12 mit einem den Brennstoff bereitstellenden Brennstoffspeicher 13 verbunden. Über eine Anodenrezirkulationsleitung 14 kann an den Anoden nicht abreagiertes Anodengas den Anodenräumen erneut zugeführt werden. Dazu mündet die stromab des Brennstoffzellenstapels 11 angeschlossene Anodenrezirkulationsleitung 14 in die Anodenzufuhrleitung 12 an einer Mündung 10 stromauf des Brennstoffzellenstapels 11. Vorliegend ist zur Förderung des Anodengasgemisches im Anodenkreislauf 3 eine Strahlpumpe 6 vorhanden. Die Strahlpumpe 6 ist mit ihrer Treibdüse strömungsmechanisch mit dem Brennstoffspeicher 13 verbunden, um das an ihrer Saugdüse über die Anodenrezirkulationsleitung 14 bereitgestellte Gasgemisch anzusaugen und mit dem frischen Anodengas durchmischt dem Brennstoffzellenstapel 11 zuzuleiten. Vorliegend ist außerdem rein beispielhaft in die Anodenrezirkulationsleitung 14 ein kombinierter Wasserabscheider 4 eingebunden, der insbesondere als kombinierter Purge-Wasserabscheider gebildet sein kann, und in welchem anodenseitig anfallendes Wasser im Anodenkreislauf 3 gesammelt wird. Über ein Spülventil 5 lässt sich das gesammelte Wasser aus dem Anodenkreislauf 3 ablassen, wobei nach dem Ablassen des Wassers ein Spülen („purge“) des Anodenkreislaufs 3 möglich ist, um die Brennstoffkonzentration wieder auf ein erforderliches Maß anzuheben.In the present case, the anode spaces are via an anode supply line 12th with a fuel storage device providing the fuel 13th connected. Via an anode recirculation line 14th anode gas that has not reacted at the anodes can be fed back into the anode chambers. For this purpose, the opens downstream of the fuel cell stack 11 connected anode recirculation line 14th in the Anode feed line 12th at one mouth 10 upstream of the fuel cell stack 11 . The present is for conveying the anode gas mixture in the anode circuit 3 a jet pump 6th available. The jet pump 6th is fluid mechanically with the fuel reservoir with its propellant nozzle 13th connected to the at their suction nozzle via the anode recirculation line 14th to suck in provided gas mixture and mixed with the fresh anode gas the fuel cell stack 11 forward. In the present case, the anode recirculation line is also purely exemplary 14th a combined water separator 4th integrated, which can in particular be formed as a combined purge water separator, and in which water occurring on the anode side in the anode circuit 3 is collected. Via a flush valve 5 the collected water can be removed from the anode circuit 3 drain, whereby after draining the water, the anode circuit is "purged" 3 is possible to raise the fuel concentration back to a required level.

Zur Regelung der Zufuhr des frischen Anodengases ist der Anodenzufuhrleitung 12 ein Druckregelventil 15 zugeordnet bzw. in der Anodenzufuhrleitung 12 angeordnet. Bei konventionellen Brennstoffzellensystemen 1 wäre stromaufwärts des Druckregelventils 15 ein Wärmetauscher zur Erwärmung oder Konditionierung des frischen Anodengases angeordnet. Das vorliegende Brennstoffzellensystem 1 ist aber vorliegend stromauf des Druckregelventils 15 wärmetauscherfrei gebildet.The anode supply line is used to regulate the supply of fresh anode gas 12th a pressure control valve 15th assigned or in the anode supply line 12th arranged. With conventional fuel cell systems 1 would be upstream of the pressure regulating valve 15th a heat exchanger is arranged for heating or conditioning the fresh anode gas. The present fuel cell system 1 but is presently upstream of the pressure control valve 15th formed without heat exchangers.

Der stromab des Druckregelventils und stromauf der Strahlpumpe 6 gelegene Teil (Mitteldruckstrecke) der Anodenzufuhrleitung 12 ist vorliegend durch das Reservoir des Wasserabscheiders 4 geführt, sodass die Anodenzufuhrleitung 12 in diesem Bereich vom Anodenabgas, bzw. vom aus der Brennstoffzelle 2 austretenden Abgasgemisch umströmt wird. Dieses warme, die Anodenzufuhrleitung 12 umströmende Anodengas gibt Wärme an das frische Anodengas innerhalb der Anodenzufuhrleitung 12 ab noch bevor das Frischgas mit dem Abgas bei der Strahlpumpe 6 durchmischt wird. Somit wird also das bei der Expansion beim Druckregelventil 15 heruntergekühlte frische Anodengas durch das Abgas wieder erwärmt, noch bevor es mit diesem stofflich durchmischt wird. Gerade bei tiefen Temperaturen kann diese Konfiguration sinnvoll sein, da auf diese Weise vermieden wird, dass eine Vereisung innerhalb der Stahlpumpe 6 auftritt.The downstream of the pressure control valve and upstream of the jet pump 6th located part (medium pressure section) of the anode feed line 12th is present through the reservoir of the water separator 4th out so that the anode supply line 12th in this area from the anode exhaust gas or from the fuel cell 2 escaping exhaust gas mixture is flowed around. That warm, the anode feed line 12th Anode gas flowing around it gives heat to the fresh anode gas within the anode supply line 12th from before the fresh gas with the exhaust gas at the jet pump 6th is mixed. So this is the case with the expansion of the pressure regulating valve 15th cooled down fresh anode gas is reheated by the exhaust gas, even before it is mixed with it. This configuration can be useful, especially at low temperatures, as it avoids icing up inside the steel pump 6th occurs.

Es ist zu erkennen, dass das Druckregelventil 15, der Anodenkreislauf 3 selbst, der Wasserabscheider 4 und die Strahlpumpe 6 innerhalb eines gemeinsamen schematisch angedeuteten Gehäuses 7 angeordnet ist. Dieses Gehäuse 7 kann zugleich aber auch eine Endplatte 8 des Brennstoffzellenstapels 11 bilden.It can be seen that the pressure control valve 15th , the anode circuit 3 itself, the water separator 4th and the jet pump 6th within a common, schematically indicated housing 7th is arranged. This case 7th but can also be an end plate at the same time 8th of the fuel cell stack 11 form.

Eine entsprechende Darstellung des Gehäuses 7 bzw. der Endplatte 8 ist (schematisch) in 2 näher gezeigt. Das integral mit dem Brennstoffzellenstapel 11 gebildete Gehäuse 7 bzw. die Endplatte 8 des Brennstoffzellenstapels 11 weist einen ersten Anschluss 16 auf, der mit dem Brennstoffzellenauslass des Brennstoffzellenstapels 11 strömungsmechanisch verbunden ist. Außerdem weist das Gehäuse 7 oder die Endplatte 8 einen zweiten Anschluss 23 auf, der strömungsmechanisch mit dem Brennstoffzelleneinlass des Brennstoffzellenstapels 11 verbunden ist. Es ist zu erkennen, dass der erste Anschluss 16 des Brennstoffzellenauslasses mit der Anodenrezirkulationsleitung 14 verbunden ist, die den Wasserabscheider 4 aufweist, durch welchen außerdem die Anodenzufuhrleitung 12 geführt wird. Das Abgasgemisch tritt also in das Reservoir des Wasserabscheiders 4 ein umströmt - stofflich getrennt - die Anodenzufuhrleitung 12 und erwärmt somit das darin strömende frische Anodengas noch bevor es in der Strahlpumpe 6 stofflich vermischt wieder an den zweiten Anschluss 23 und damit an den Brennstoffzelleneinlass des Brennstoffzellenstapels 11 gegeben wird. Zusätzlich ist zu erkennen, dass das Druckregelventil 15, welches typischerweise die Expansion und damit die Abkühlung des Anodengases bewirkt, stromauf des Wasserabscheiders 4 angeordnet aber ebenfalls innerhalb des Gehäuses 7 oder innerhalb der Endplatte 8 des Brennstoffzellenstapels 11 positioniert ist.A corresponding representation of the housing 7th or the end plate 8th is (schematically) in 2 shown in more detail. That integral with the fuel cell stack 11 formed housing 7th or the end plate 8th of the fuel cell stack 11 has a first port 16 on, the one with the fuel cell outlet of the fuel cell stack 11 is fluidically connected. In addition, the housing 7th or the end plate 8th a second port 23 on, which is fluidically connected to the fuel cell inlet of the fuel cell stack 11 connected is. It can be seen that the first connection 16 the fuel cell outlet with the anode recirculation line 14th connected to the water separator 4th has, through which also the anode supply line 12th to be led. The exhaust gas mixture thus enters the reservoir of the water separator 4th one flows around - materially separated - the anode supply line 12th and thus heats the fresh anode gas flowing in it before it enters the jet pump 6th materially mixed back to the second connection 23 and thus to the fuel cell inlet of the fuel cell stack 11 is given. It can also be seen that the pressure control valve 15th , which typically causes the expansion and thus the cooling of the anode gas, upstream of the water separator 4th but also arranged within the housing 7th or inside the end plate 8th of the fuel cell stack 11 is positioned.

Mit der in Zusammenhang mit 2 erläuterten Konfiguration des Brennstoffzellensystems 1 lässt sich die Anzahl der Dichtstellen im Anodenkreislauf 3 reduzieren. Außerdem wird der Bauraumbedarf verringert aufgrund der Integration der Wärmeübertragungsfunktion in den Anodenkreislauf 3 des Brennstoffzellensystems 1. Damit ergibt sich eine kompaktere und integriertere Bauweise für das Brennstoffzellensystem 1. Zusätzlich lassen sich mögliche Leckagestellen zum Kühlmittelsystem vermeiden und die Kosten für das Brennstoffzellensystem 1 sind insgesamt gesenkt.With the in connection with 2 explained configuration of the fuel cell system 1 the number of sealing points in the anode circuit can be determined 3 to reduce. In addition, the space requirement is reduced due to the integration of the heat transfer function in the anode circuit 3 of the fuel cell system 1 . This results in a more compact and integrated design for the fuel cell system 1 . In addition, possible leakage points to the coolant system can be avoided and the costs for the fuel cell system can be avoided 1 are reduced overall.

BezugszeichenlisteList of reference symbols

11
BrennstoffzellensystemFuel cell system
22
BrennstoffzelleFuel cell
33
AnodenkreislaufAnode circuit
44th
WasserabscheiderWater separator
55
SpülventilFlush valve
66th
StrahlpumpeJet pump
77th
Gehäusecasing
88th
EndplatteEnd plate
99
KathodenzufuhrleitungCathode feed line
1010
Mündungmouth
1111
BrennstoffzellenstapelFuel cell stack
1212th
AnodenzufuhrleitungAnode feed line
1313th
BrennstoffspeicherFuel storage
1414th
AnodenrezirkulationsleitungAnode recirculation line
1515th
DruckregelventilPressure control valve
1616
Anschlussconnection
1717th
Verdichtercompressor
1818th
VerdichterleitungCompressor line
1919th
LadeluftkühlerIntercooler
2020th
BefeuchterHumidifier
2121
KathodenabgasleitungCathode exhaust line
2222nd
AbgasleitungExhaust pipe
2323
Anschlussconnection

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

  • US 2016/0372765 A1 [0006]US 2016/0372765 A1 [0006]
  • DE 102008058960 A1 [0006]DE 102008058960 A1 [0006]
  • DE 102014105995 A1 [0006]DE 102014105995 A1 [0006]

Claims (10)

Brennstoffzellensystem (1) mit einer Brennstoffzelle (2), die eine Anode, eine Kathode sowie eine die Anode von der Kathode trennende ionenleitfähige Membran umfasst, mit einem Anodenkreislauf (3), der aus einem Teil einer Anodenzufuhrleitung (12) zur Versorgung der Anode mit frischem Anodengas und einer Anodenrezirkulationsleitung (14) gebildet ist, wobei die Anodenrezirkulationsleitung (14) stromab mit der Brennstoffzelle (2) verbunden und stromauf der Brennstoffzelle (2) an einer Mündung (10) in die Anodenzufuhrleitung (12) mündet zur Durchmischung des frischen Anodengases mit dem rezirkulierten Anodengas, dadurch gekennzeichnet, dass die Anodenrezirkulationsleitung (14) in stofflich getrennter, wärmeübertragender Verbindung mit einem stromauf der Mündung (10) gelegenen Teil der Anodenzufuhrleitung (12) steht.Fuel cell system (1) with a fuel cell (2) which comprises an anode, a cathode and an ion-conductive membrane separating the anode from the cathode, with an anode circuit (3) consisting of part of an anode supply line (12) for supplying the anode fresh anode gas and an anode recirculation line (14) is formed, wherein the anode recirculation line (14) is connected downstream to the fuel cell (2) and upstream of the fuel cell (2) at an opening (10) opens into the anode supply line (12) for mixing the fresh anode gas with the recirculated anode gas, characterized in that the anode recirculation line (14) is in a materially separate, heat-transferring connection with a part of the anode supply line (12) located upstream of the mouth (10). Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in die Anodenrezirkulationsleitung (14) ein Wasserabscheider (4) strömungmechanisch eingebunden ist um Flüssigkeit aus dem aus der Brennstoffzelle (2) austretenden Gasgemisch abzuscheiden, und dass der stromauf der Mündung (10) gelegene Teil der Anodenzufuhrleitung (12) durch den Wasserabscheider (4) geführt ist.Fuel cell system (1) according to Claim 1 , characterized in that a water separator (4) is fluidically integrated into the anode recirculation line (14) in order to separate liquid from the gas mixture emerging from the fuel cell (2), and that the part of the anode supply line (12) located upstream of the mouth (10) through the water separator (4) is performed. Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass an der Mündung (10) eine Strahlpumpe (16) angeordnet ist.Fuel cell system (1) according to Claim 1 or 2 , characterized in that a jet pump (16) is arranged at the mouth (10). Brennstoffzellensystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der stromauf der Mündung (10) gelegene Teil der Anodenzufuhrleitung (12) wärmetauscherfrei ausgeführt ist.Fuel cell system (1) according to one of the Claims 1 until 3 , characterized in that the part of the anode supply line (12) located upstream of the mouth (10) is designed to be free of heat exchangers. Brennstoffzellensystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass in die Anodenzufuhrleitung (12) stromauf eines Bereichs der wärmeübertragenden Verbindung ein Druckregelventil (15) eingebunden ist.Fuel cell system (1) according to one of the Claims 1 until 4th , characterized in that a pressure control valve (15) is integrated into the anode supply line (12) upstream of a region of the heat-transferring connection. Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Bereich der wärmeübertragenden Verbindung in einem gemeinsamen Gehäuse (7) untergebracht sind, das Anschlüsse (16, 23) aufweist, die ausgebildet sind, mit einem Brennstoffzelleneinlass und einem Brennstoffzellenauslass strömungsmechanisch verbunden zu werden.Fuel cell system (1) according to Claim 5 , characterized in that the area of the heat-transferring connection is accommodated in a common housing (7) which has connections (16, 23) which are designed to be fluidically connected to a fuel cell inlet and a fuel cell outlet. Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Bereich der wärmeübertragenden Verbindung in einer Endplatte (8) eines eine Mehrzahl der Brennstoffzellen (2) umfassenden Brennstoffzellenstapels (11) untergebracht sind.Fuel cell system (1) according to Claim 5 , characterized in that the region of the heat-transferring connection is accommodated in an end plate (8) of a fuel cell stack (11) comprising a plurality of the fuel cells (2). Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das aus der Brennstoffzelle (2) austretende Anodengas stofflich getrennt, Wärme an das in der Anodenzufuhrleitung (12) strömende frische Anodengas abgibt, bevor das rezirkulierte Anodengas an der Mündung (10) mit dem frischen Anodengas durchmischt wird.Method for operating a fuel cell system (1) according to one of the Claims 1 until 7th , characterized in that the anode gas emerging from the fuel cell (2) is materially separated and gives off heat to the fresh anode gas flowing in the anode supply line (12) before the recirculated anode gas is mixed with the fresh anode gas at the mouth (10). Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die stofflich getrennte Wärme innerhalb eines Wasserabscheiders (4) abgegeben wird, welcher strömungsmechanisch in die Anodenrezirkulationsleitung (14) eingebunden ist.Procedure according to Claim 8 , characterized in that the materially separated heat is given off within a water separator (4) which is fluidically integrated into the anode recirculation line (14). Kraftfahrzeug mit einem Brennstoffzellensystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7.Motor vehicle with a fuel cell system (1) according to one of the Claims 1 until 7th .
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