DE102020110607A1

DE102020110607A1 - Conditioning device and fuel cell device

Info

Publication number: DE102020110607A1
Application number: DE102020110607.6A
Authority: DE
Inventors: Christian Lucas; Rune Staeck
Original assignee: Audi AG; Volkswagen AG
Current assignee: Audi AG; Volkswagen AG
Priority date: 2020-04-20
Filing date: 2020-04-20
Publication date: 2021-10-21

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Konditionierungseinrichtung (4) zur Konditionierung von Reaktanten einer Brennstoffzellenvorrichtung (1), mit einem Anschluss (41) für trockenes Kathodengases, mit einem Austrittsanschluss (42) für die Bereitstellung von befeuchtetem frischen Kathodengas, mit einem ersten Eintrittsanschluss (43) für feuchtes Kathodenabgas, mit einem zweiten Eintrittsanschluss (44) für unverbrauchten Brennstoff, mit einem Anschluss (45) für die Ausleitung von Abgasen, und mit mindestens einem Befeuchtermodul (10), das zwei Flussfelder (13) bereitstellt. Ein eingangsseitiger Anschluss (46) für einen aus einem Brennstofftank (5) bereitstellbaren frischen Brennstoff und ein zweiter Austrittsanschluss (47) für die Bereitstellung von Brennstoff oder von einem Brennstoffgemisch an den Brennstoffzellenstapel (2) sind vorhanden, wobei ein mit dem Befeuchtermodul (10) mechanisch verbundenes Rezirkulationsmodul (3) vorhanden ist, das aus mindestens einer Ejektorplatte (20) gebildet ist, wobei die mindestens eine Ejektorplatte (30) eine Struktur zur Bildung eines Ejektors beherbergt oder bildet. Die Erfindung betrifft außerdem eine Brennstoffzellenvorrichtung (1) mit einer solchen Konditionierungseinrichtung.The invention relates to a conditioning device (4) for conditioning reactants of a fuel cell device (1), with a connection (41) for dry cathode gas, with an outlet connection (42) for providing humidified fresh cathode gas, with a first inlet connection (43) for moist cathode exhaust gas, with a second inlet connection (44) for unused fuel, with a connection (45) for the discharge of exhaust gases, and with at least one humidifier module (10) which provides two flow fields (13). An inlet connection (46) for a fresh fuel that can be provided from a fuel tank (5) and a second outlet connection (47) for the provision of fuel or a fuel mixture to the fuel cell stack (2) are provided, whereby one connected to the humidifier module (10) mechanically connected recirculation module (3) is present, which is formed from at least one ejector plate (20), wherein the at least one ejector plate (30) houses or forms a structure for forming an ejector. The invention also relates to a fuel cell device (1) with such a conditioning device.

Description

Die Erfindung betrifft eine Konditionierungseinrichtung zur Konditionierung von Reaktanten einer Brennstoffzellenvorrichtung, mit einem eingangsseitigen Anschluss für die Zuleitung eines mittels eines Verdichters bereitstellbaren trockenen Kathodengases, mit einem ersten Austrittsanschluss für die Bereitstellung von befeuchtetem frischen Kathodengas an einen Brennstoffzellenstapel der Brennstoffzellenvorrichtungen, mit einem ersten Eintrittsanschluss für die Zuleitung eines aus dem Brennstoffzellenstapel bereitstellbaren feuchten Kathodenabgases, mit einem zweiten Eintrittsanschluss für einen mittels des Brennstoffzellenstapels bereitstellbaren unverbrauchten Brennstoff, mit einem ausgangsseitigen Anschluss für die Ausleitung von Abgasen, und mit mindestens einem Befeuchtermodul, das mindestens zwei Flussfelder bereitstellt, wobei die Flussfelder voneinander getrennt sind, wobei das eine der beiden Flussfelder strömungsmechanisch mit dem eingangsseitigen Anschluss für das trockene Kathodengas und das andere der beiden Flussfelder strömungsmechanisch mit dem ersten Eintrittsanschluss für das feuchte Kathodenabgas verbunden ist. Die Erfindung betrifft außerdem eine Brennstoffzellenvorrichtung mit einer solchen Konditionierungseinrichtung.The invention relates to a conditioning device for conditioning reactants of a fuel cell device, with an inlet connection for the supply of a dry cathode gas which can be provided by means of a compressor, with a first outlet connection for the provision of humidified fresh cathode gas to a fuel cell stack of the fuel cell devices, with a first inlet connection for the Feeding a moist cathode exhaust gas that can be provided from the fuel cell stack, with a second inlet connection for an unused fuel that can be provided by means of the fuel cell stack, with an outlet connection for the discharge of exhaust gases, and with at least one humidifier module that provides at least two flow fields, the flow fields being separated from one another , whereby one of the two flow fields is fluid-mechanically connected to the inlet-side connection for the dry cath odengas and the other of the two flow fields is fluidically connected to the first inlet connection for the moist cathode exhaust gas. The invention also relates to a fuel cell device with such a conditioning device.

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

Da die Anodenreaktion üblicherweise unter überstöchiometrischer Bemessung des Brennstoffs betrieben wird, erfolgt im Brennstoffzellenstapel keine vollständige Reaktion des gesamten zugeführten Brennstoffs. Ebenso wenig erfolgt eine vollständige Reaktion des Sauerstoffs. Zur effizienten Nutzung des Brennstoffs wird dieser daher in einem Anodenkreislauf rezirkuliert. Für die Rezirkulations wird in den Anodenkreislauf entweder ein viel Bauraum benötigendes Rezirkulationsgebläse eingesetzt oder ein weniger Bauraum verbrauchender Ejektor (Saugstrahlpumpe).Since the anode reaction is usually operated with a stoichiometric dimensioning of the fuel, there is no complete reaction of the entire fuel supplied in the fuel cell stack. Nor does a complete reaction of the oxygen take place. For efficient use of the fuel, it is therefore recirculated in an anode circuit. For the recirculation, either a recirculation fan that requires a lot of installation space or an ejector (suction jet pump) that uses less installation space is used in the anode circuit.

Brennstoffzellenvorrichtungen benötigen für eine effiziente Betriebsweise ein sorgfältiges Wassermanagement, da es zum einen erforderlich ist zu verhindern, dass zu viel Wasser sich in der Brennstoffzelle bzw. in dem Brennstoffzellenstapel befindet, was zu einer Blockade der Strömungskanäle für die Versorgung mit den Reaktanten führt. Befindet sich andererseits zu wenig Wasser in der Brennstoffzelle, ist die Protonenleitfähigkeit der Membran begrenzt, sodass auf eine ausreichende Feuchte und Wasserversorgung der Membran geachtet werden muss. Für das Wassermanagement ist es bekannt, kathodenseitig Befeuchter einzusetzen.Fuel cell devices require careful water management for efficient operation, since on the one hand it is necessary to prevent too much water from being in the fuel cell or in the fuel cell stack, which leads to a blockage of the flow channels for the supply of the reactants. On the other hand, if there is not enough water in the fuel cell, the proton conductivity of the membrane is limited, so that sufficient moisture and water supply for the membrane must be ensured. For water management it is known to use humidifiers on the cathode side.

Befeuchter werden genutzt, um bei zwei gasförmigen Medien mit einem unterschiedlichen Feuchtegehalt eine Übertragung der Feuchte auf das trockenere Medium bewirken zu können. Derartige Gas/Gas-Befeuchter finden insbesondere Anwendung in den Brennstoffzellenvorrichtungen, bei denen im Kathodenkreislauf zur Versorgung der Kathodenräume des Brennstoffzellenstapels Luft mit dem darin enthaltenen Sauerstoff verdichtet wird, so dass relativ warme und trockene komprimierte Luft vorliegt, deren Feuchte für die Verwendung in dem Brennstoffzellenstapel für die Membranelektrodeneinheit nicht ausreicht. Die durch den Verdichter bereitgestellte trockene Luft für den Brennstoffzellenstapel wird befeuchtet, indem sie an der für Wasserdampf durchlässigen Membran vorbeigeführt wird, deren andere Seite mit der feuchten Abluft aus dem Brennstoffzellenstapel bestrichen wird. Auch solche Befeuchter sind typischerweise Bauteile einer Brennstoffzellenvorrichtung, die sehr viel des vorhandenen Bauraums in Anspruch nehmen.Humidifiers are used to transfer the moisture to the drier medium in the case of two gaseous media with different moisture contents. Such gas / gas humidifiers are used in particular in fuel cell devices in which air is compressed with the oxygen contained therein in the cathode circuit to supply the cathode chambers of the fuel cell stack, so that relatively warm and dry compressed air is present, the moisture of which is suitable for use in the fuel cell stack is insufficient for the membrane electrode assembly. The dry air provided by the compressor for the fuel cell stack is humidified by being guided past the membrane that is permeable to water vapor, the other side of which is coated with the moist exhaust air from the fuel cell stack. Such humidifiers are also typically components of a fuel cell device that take up a great deal of the available space.

Um eine kompaktere Brennstoffzellenvorrichtungen zu bilden, schlägt die US 3,982,961 A vor, eine an den Brennstoffzellenstapel anbringbare Platte mit einem in die Platte integrierten Ejektor für die Rezirkulation des Brennstoffes in den Anodenkreislauf einzubinden, um Bauraum einzusparen. Auch die DE 103 10 642 A1 beschreibt einen Brennstoffzellenstapel, an dem weitere Komponenten, beispielsweise in Form eines Wärmetauschers, in Form eines Reformers, in Form eines Luftvorerwärmers und in Form eines Nachverbrenners unmittelbar angebunden werden, um Bauraum einzusparen. Eine Konditionierungseinrichtung nach dem Oberbegriff des unabhängigen Anspruchs 1 ist beispielsweise der DE 10 2011 111 742 A1 zu entnehmen, bei der ein hochintegriertes Bauteil vorliegt, das zur Vorkonditionierung des Kathodengases genutzt wird. Diese Vorrichtung vereint die Funktionsweise des Ladeluftkühlers, des Befeuchters sowie eines anodenseitigen Wasserabscheiders.To form a more compact fuel cell device, the suggests U.S. 3,982,961 A suggest integrating a plate that can be attached to the fuel cell stack with an ejector integrated into the plate for recirculating the fuel into the anode circuit in order to save installation space. Also the DE 103 10 642 A1 describes a fuel cell stack on which further components, for example in the form of a heat exchanger, in the form of a reformer, in the form of an air preheater and in the form of an afterburner are directly connected in order to save installation space. A conditioning device according to the preamble of independent claim 1 is, for example DE 10 2011 111 742 A1 which is a highly integrated component that is used for preconditioning the cathode gas. This device combines the functionality of the charge air cooler, the humidifier and a water separator on the anode side.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine außerhalb der Brennstoffzelle bzw. des Brennstoffzellenstapels einsetzbare, noch höher integrierte Konditionierungseinrichtung bereitzustellen. Es ist außerdem Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Brennstoffzellenvorrichtung anzugeben.The object of the present invention is to provide an even more highly integrated conditioning device that can be used outside the fuel cell or the fuel cell stack. It is also an object of the invention to provide an improved fuel cell device.

Diese Aufgabe wird durch eine Konditionierungseinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch eine Brennstoffzellenvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.This object is achieved by a conditioning device with the features of claim 1 and by a fuel cell device with the features of claim 10. Advantageous configurations with expedient developments of the invention are specified in the dependent claims.

Die erfindungsgemäße Konditionierungseinrichtung zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass ein eingangsseitiger Anschluss für einen aus einem Brennstofftank bereitstellbaren frischen Brennstoff und ein zweiter Austrittsanschluss für die Bereitstellung von Brennstoff oder von einem Brennstoffgemisch an den Brennstoffzellenstapel vorhanden sind, und dass ein mit dem Befeuchtermodul mechanisch verbundenes Rezirkulationsmodul vorhanden ist, das aus mindestens einer Ejektorplatte gebildet ist, wobei die mindestens eine Ejektorplatte eine Struktur zur Bildung eines Ejektors beherbergt oder bildet, die eine strömungsmechanisch mit dem eingangsseitigen Anschluss für frischen Brennstoff verbundene Treibdüse ausbildet, die eine strömungsmechanisch mit dem zweiten Eintrittsanschluss für unverbrauchten Brennstoff verbundene Saugdüse ausbildet, und die ein sich stromab an die Saugdüse anschließendes und austrittsseitig strömungsmechanisch mit dem zweiten Austrittsanschluss für Brennstoff verbundenes Mischrohr ausbildet.The conditioning device according to the invention is characterized in particular by the fact that there is an inlet connection for a fresh fuel that can be provided from a fuel tank and a second outlet connection for the provision of fuel or a fuel mixture to the fuel cell stack, and that there is a recirculation module mechanically connected to the humidifier module which is formed from at least one ejector plate, wherein the at least one ejector plate houses or forms a structure for forming an ejector, which forms a propellant nozzle that is fluidically connected to the inlet-side connection for fresh fuel and which is fluidically connected to the second inlet connection for unconsumed fuel Forms suction nozzle, and which is connected downstream to the suction nozzle and on the outlet side fluidically connected to the second outlet connection for fuel a mixing tube forms.

Mit dieser Konditionierungseinrichtung ist also der Vorteil verbunden, dass ein hochintegriertes Bauteil der Brennstoffzellenvorrichtung vorliegt, das die Funktionen eines Befeuchters auf der Kathodenseite und eines Mittels zur Rezirkulation des Brennstoffes sowie diejenige eines Wärmetauschers in sich vereint. Über die Anzahl der in der Konditionierungseinrichtung vorhandenen Befeuchtermodulen lässt sich die Konditionierungseinrichtung skalieren und somit beliebig an die Leistungsanforderungen der Brennstoffzellenvorrichtung anpassen.This conditioning device has the advantage that there is a highly integrated component of the fuel cell device which combines the functions of a humidifier on the cathode side and a means for recirculating the fuel and that of a heat exchanger. The conditioning device can be scaled via the number of humidifier modules present in the conditioning device and thus adapted as desired to the performance requirements of the fuel cell device.

Um die Effizienz der Brennstoffzellenvorrichtung ebenfalls für eine Vielzahl von Betriebspunkten maximieren zu können, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn der Ejektor des Rezirkulationsmoduls einen regelbaren Ejektor bildet. In diesem Zusammenhang hat es sich also als vorteilhaft erwiesen, wenn ein dem Rezirkulationsmodul zugeordneter Aktuator zur axialen Verstellung einer Nadel vorhanden ist, und dass die Nadel derart innerhalb der Struktur zur Bildung des Ejektors positioniert ist, dass durch die axiale Verstellung der Nadel ein nutzbarer Strömungsquerschnitt der Treibdüse einstellbar oder veränderbar ist. Dabei ist die Möglichkeit vorhanden, dass die Treibdüse von der Nadel vollständig verschlossen wird, was insbesondere beim Abstellen der Brennstoffzellenvorrichtung von Vorteil sein kann. Als Aktuator kommt beispielsweise ein Elektromotor, insbesondere ein Linearmotor infrage. Andere Aktuatoren zur axialen Verstellung der Nadel sind ebenfalls möglich.In order to also be able to maximize the efficiency of the fuel cell device for a large number of operating points, it has proven to be advantageous if the ejector of the recirculation module forms a controllable ejector. In this context, it has proven to be advantageous if there is an actuator assigned to the recirculation module for the axial adjustment of a needle, and for the needle to be positioned within the structure for forming the ejector in such a way that the axial adjustment of the needle creates a usable flow cross-section the propellant nozzle is adjustable or changeable. There is the possibility that the propellant nozzle is completely closed by the needle, which can be advantageous in particular when the fuel cell device is switched off. For example, an electric motor, in particular a linear motor, can be used as the actuator. Other actuators for axial adjustment of the needle are also possible.

Die Ejektorplatte kann beispielsweise in einem additiven Fertigungsverfahren einstückig gebildet sein. Hierbei kommt typischerweise ein 3D-Druck infrage. Es besteht aber auch die Möglichkeit, dass das Rezirkulationsmodul aus mehreren zu der Ejektorplatte zusammengesetzten Ejektorteilplatten aufgebaut ist. Eine solche Ausgestaltung kommt vor allem dann in Betracht, wenn große Stückzahlen an Ejektorplatten hergestellt werden müssen, da die Ejektorteilplatten dann beispielsweise als Gussteile hergestellt werden können.The ejector plate can be formed in one piece, for example, in an additive manufacturing process. 3D printing is typically an option here. However, there is also the possibility that the recirculation module is constructed from several ejector sub-plates assembled to form the ejector plate. Such a configuration comes into consideration above all when large numbers of ejector plates have to be produced, since the partial ejector plates can then be produced, for example, as cast parts.

Ein zuverlässiger Aufbau des Rezirkulationsmoduls ist beispielsweise dadurch gekennzeichnet, dass die Ejektorplatte aus drei Ejektorteilplatten aufgebaut ist, wovon eine erste Ejektorteilplatte mindestens einen strömungsmechanisch mit dem zweiten Austrittsanschluss verbundenen Rezirkulationsdurchtritt umfasst, wovon eine zweite Ejektorteilplatte eine strömungsmechanisch mit dem Rezirkulationsdurchtritt verbundene Struktur zur Bildung der Saugdüse sowie eine Struktur zur Bildung der Treibdüse umfasst, und wobei eine dritte Ejektorteilplatte einen strömungsmechanisch mit der Struktur zur Bildung der Treibdüse verbundenen Treibdüsendurchtritt umfasst, der strömungsmechanisch mit dem eingangsseitigen Anschluss für frischen Brennstoff verbunden ist. Dabei ist die Möglichkeit gegeben, dass jede Ejektorteilplatte einen Teilabschnitt zur Bildung des Mischrohrs sowie einen Teilabschnitt zu Bildung eines Diffusors des Ejektors umfasst.A reliable structure of the recirculation module is characterized, for example, in that the ejector plate is made up of three ejector sub-plates, of which a first ejector sub-plate comprises at least one recirculation passage fluidically connected to the second outlet connection, of which a second ejector part-plate is a structure fluidically connected to the recirculation passage and for forming the suction nozzle comprises a structure for forming the propellant nozzle, and wherein a third ejector sub-plate comprises a propellant nozzle passage which is fluidically connected to the structure for forming the propellant nozzle and which is fluidically connected to the inlet-side connection for fresh fuel. There is the possibility that each ejector sub-plate comprises a section to form the mixing tube and a section to form a diffuser of the ejector.

Zudem ist es möglich, dass die Struktur zur Bildung des Ejektors in Form eines Einsatzes vorliegt, der in eine Kavität der Ejektorplatte eingesetzt ist. Somit weist die Ejektorplatte oder beispielsweise zwei Ejektorteilplatten eine entsprechende Kavität oder einen Hohlraum auf, in den der Ejektor in Form eines Einsatzes eingesetzt werden kann.It is also possible that the structure for forming the ejector is in the form of an insert that is inserted into a cavity of the ejector plate. Thus, the ejector plate or two, for example Ejector sub-plates have a corresponding cavity or cavity in which the ejector can be inserted in the form of an insert.

Um die benötigte Dichtigkeit und um die benötigte Kompaktheit der Konditionierungseinrichtung zu gewährleisten, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Module zwischen zwei Endplatten gestapelt, insbesondere aufeinandergestapelt sind. Dazu können entsprechende Zugstangen oder Zugbänder Einsatz finden, um alle Module zwischen den beiden Endplatten zu verpressen.In order to ensure the required tightness and the required compactness of the conditioning device, it has proven to be advantageous if the modules are stacked between two end plates, in particular stacked on top of one another. For this purpose, appropriate tie rods or tie rods can be used to press all modules between the two end plates.

Um die Konditionierungseinrichtung noch integrierter zu gestalten und um damit den Bauraum noch sinnvoller auszunutzen, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn einer der Endplatten mindestens ein Bypasskanal zugeordnet oder ein solcher darin ausgebildet ist, der den eingangsseitigen Anschluss für die Zuleitung des trockenen Kathodengases mit dem ausgangsseitigen Anschluss für die Ausleitung von Abgasen strömungsmechanisch verbindet, und wenn der den Bypasskanal aufweisenden Endplatte ein Ventil zum Öffnen und Schließen des Bypasskanals zugeordnet ist. Somit wird also ein Wastegate ebenfalls in die Konditionierungseinrichtung eingebracht, sodass der Verdichter mit gleicher Leistung weiterlaufen kann und lediglich über dieses Wastegate und das darin vorhandene Ventil die Zuführung von frischem Kathodengas geregelt wird. Auf diese Weise muss der Verdichter selbst nicht geregelt werden, so dass Frequenzen des Verdichterrads vermieden werden, die zu resonanten Zuständen führen und Schädigungen herbeiführen könnten.In order to make the conditioning device even more integrated and thus to use the installation space even more sensibly, it has proven to be advantageous if one of the end plates is assigned at least one bypass channel or one is formed therein, which connects the inlet-side connection for the supply of the dry cathode gas with the the outlet-side connection for the discharge of exhaust gases connects fluidically, and when the end plate having the bypass channel is assigned a valve for opening and closing the bypass channel. Thus, a wastegate is also introduced into the conditioning device so that the compressor can continue to run with the same output and the supply of fresh cathode gas is only regulated via this wastegate and the valve present therein. In this way, the compressor itself does not have to be regulated, so that frequencies of the compressor wheel that lead to resonant states and could cause damage are avoided.

Um die Konditionierungseinrichtung noch höher zu integrieren und den Bauraum noch besser auszunutzen, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn einer der Endplatten mindestens ein Purgekanal zugeordnet oder ein solcher darin ausgebildet ist, der den zweiten Eintrittsanschluss für unverbrauchten Brennstoff mit dem ausgangsseitigen Anschluss für die Ausleitung von Abgasen strömungsmechanisch verbindet, und wenn der den Purgekanal aufweisenden Endplatte ein Ventil zum Öffnen und Schließen des Purgekanals zugeordnet ist.In order to integrate the conditioning device even more highly and to make better use of the installation space, it has proven to be advantageous if at least one purge channel is assigned to one of the end plates or a purge channel is formed therein that connects the second inlet connection for unused fuel with the outlet connection for the discharge of exhaust gases fluidically connects, and when the end plate having the purge channel is assigned a valve for opening and closing the purge channel.

Das Ventil des Purgekanals und/oder das Ventil des Bypasskanals kann in eine Öffnung der Endplatte eingesetzt sein. Es ist vorzugsweise als ein Tellerventil gebildet.The valve of the purge channel and / or the valve of the bypass channel can be inserted into an opening in the end plate. It is preferably formed as a poppet valve.

Um in die Konditionierungseinrichtung zusätzlich die Funktion eines Ladeluftkühlers und/oder die Funktion eines Brennstofferwärmers zu integrieren, ist es von Vorteil, wenn ein Anschluss für die Zuleitung und ein Anschluss für die Ausleitung eines Kühlmittels vorhanden sind, um Kühlmittel in mindestens einem oder aus dem mindestens einen Kühlmittelkanal einer integrierten Kühlungsplatte zu führen.In order to also integrate the function of a charge air cooler and / or the function of a fuel heater in the conditioning device, it is advantageous if a connection for the supply line and a connection for the discharge of a coolant are available in order to coolant in at least one or from the at least to guide a coolant channel of an integrated cooling plate.

Ein verbessertes Wärmemanagement liegt vor, wenn je zwei benachbarte Module von einer Kühlungsplatte separiert sind.Thermal management is improved when two adjacent modules are separated by a cooling plate.

Die Vorteile und Wirkungen der erfindungsgemäßen Konditionierungseinrichtung entfalten sich bei ihrem Einsatz in einer erfindungsgemäßen Brennstoffzellenvorrichtung. Die im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Konditionierungseinrichtung erwähnten Vorteile und vorteilhaften Ausgestaltungen gelten in gleicher Weise für die erfindungsgemäße Brennstoffzellenvorrichtung. Auch diese ist derart gestaltet, dass sie den vorhandenen Bauraum, insbesondere bei ihrem Einsatz in einem Kraftfahrzeug, sinnvoll ausnutzt.The advantages and effects of the conditioning device according to the invention unfold when it is used in a fuel cell device according to the invention. The advantages and advantageous configurations mentioned in connection with the conditioning device according to the invention apply in the same way to the fuel cell device according to the invention. This is also designed in such a way that it makes good use of the available installation space, in particular when it is used in a motor vehicle.

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

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:

1 eine schematische Darstellung einer Brennstoffzellenvorrichtung mit einer integrierten Konditionierungseinrichtung,
2 eine schematische Schnittansicht durch die Konditionierungseinrichtung mit einem Ejektormodul und mehreren Befeuchtermodulen, wobei die Module jeweils mittels einer Kühlungsplatte voneinander separiert sind, und wobei der Brennstofffluss strichliert dargestellt ist,
3 eine schematisch Schnittansicht durch ein mehrere Ejektorteilplatten umfassendes Ejektormodul,
4 eine schematische Draufsicht auf die erste Ejektorteilplatte, mit dem hervorgehobenen Detailschnitt,
5 eine schematische Draufsicht auf die zweite Ejektorteilplatte,
6 eine schematische Draufsicht auf die dritte Ejektorteilplatte, mit dem hervorgehobenen Detailschnitt,
7 eine weitere der 3 entsprechende schematische Schnittansicht durch ein mehrere Ejektorteilplatten umfassendes Ejektormodul mit einer Kavität für den Einsatz eines Ejektors,
8 eine weitere der 2 entsprechende schematische Schnittansicht durch die Konditionierungseinrichtung mit einem Ejektormodul, bei dem der Ejektor in Form eines Einsatzes vorliegt, und mehreren Befeuchtermodulen, wobei die Module jeweils mittels einer Kühlungsplatte voneinander separiert sind, und wobei der Brennstofffluss strichliert dargestellt ist,
9 eine schematische Draufsicht auf eine der Endplatten, in der ein Bypasskanal ausgebildet ist, und in die eine Öffnung für den Einsatz eines Ventils eingebracht ist,
10 eine schematische Draufsicht auf eine der Endplatten, in der ein Purgekanal ausgebildet ist, und in die eine Öffnung für den Einsatz eines Ventils eingebracht ist, und
11 eine Schnittansicht auf die Endplatten mit dem als Tellerventil gebildeten Ventil.

Further advantages, features and details of the invention emerge from the claims, the following description of preferred embodiments and on the basis of the drawings. Show:

1 a schematic representation of a fuel cell device with an integrated conditioning device,
2 a schematic sectional view through the conditioning device with an ejector module and several humidifier modules, the modules each being separated from one another by means of a cooling plate, and the fuel flow being shown in dashed lines,
3 a schematic sectional view through an ejector module comprising several ejector sub-plates,
4th a schematic top view of the first ejector part plate, with the highlighted detail section,
5 a schematic plan view of the second ejector sub-plate,
6th a schematic plan view of the third ejector sub-plate, with the highlighted detail section,
7th another of the 3 corresponding schematic sectional view through an ejector module comprising several ejector sub-plates with a cavity for the use of an ejector,
8th another of the 2 corresponding schematic sectional view through the conditioning device with an ejector module, in which the ejector is in the form of an insert, and several humidifier modules, the modules each being separated from one another by means of a cooling plate, and the fuel flow being shown in dashed lines,
9 a schematic top view of one of the end plates in which a bypass channel is formed and in which an opening for the use of a valve is made,
10 a schematic plan view of one of the end plates in which a purge channel is formed and in which an opening for the use of a valve is made, and
11 a sectional view of the end plates with the valve formed as a poppet valve.

In der 1 ist schematisch eine Brennstoffzellenvorrichtung 1 gezeigt, wobei diese eine Konditionierungseinrichtung 4 zur (Vor-)Konditionierung der Reaktantengase für deren Nutzung in einem eine Mehrzahl an Brennstoffzellen umfassenden Brennstoffzellenstapel 2 aufweist.In the 1 Fig. 3 is a schematic diagram of a fuel cell device 1 shown, this being a conditioning device 4th for (pre) conditioning the reactant gases for their use in a fuel cell stack comprising a plurality of fuel cells 2 having.

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

Den Anoden und/oder den Kathoden kann zusätzlich ein Katalysator beigemischt sein, wobei die Membranen vorzugsweise auf ihrer ersten Seite und/oder auf ihrer zweiten Seite mit einer Katalysatorschicht aus einem Edelmetall oder einem Gemisch umfassend Edelmetalle wie Platin, Palladium, Ruthenium oder dergleichen beschichtet sind, die als Reaktionsbeschleuniger bei der Reaktion der jeweiligen Brennstoffzelle dienen.A catalyst can 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 a mixture comprising noble metals such as platinum, palladium, ruthenium or the like that serve as a reaction accelerator in the reaction of the respective fuel cell.

Über einen Anodenraum kann der Anode Brennstoff (zum Beispiel Wasserstoff) aus einem Brennstofftank 5 zugeführt werden. In einer Polymerelektrolytmembranbrennstoffzelle (PEM-Brennstoffzelle) werden an der Anode Brennstoff oder Brennstoffmoleküle in Protonen und Elektronen aufgespaltet. Die PEM lässt die Protonen hindurch, ist aber undurchlässig für die Elektronen. An der Anode erfolgt beispielsweise die Reaktion: 2H₂ → 4H⁺ + 4e^- (Oxidation/Elektronenabgabe). Während die Protonen durch die PEM zur Kathode hindurchtreten, werden die Elektronen über einen externen Stromkreis an die Kathode oder an einen Energiespeicher geleitet.The anode can take fuel (for example hydrogen) from a fuel tank via an anode compartment 5 are fed. In a polymer electrolyte membrane fuel cell (PEM fuel cell), fuel or fuel molecules are split into protons and electrons at the anode. The PEM lets the protons through, but is impermeable to the electrons. For example, the reaction takes place at the anode: 2H ₂ → 4H ⁺ + 4e ^- (oxidation / electron donation). While the protons pass through the PEM to the cathode, the electrons are conducted to the cathode or to an energy store via an external circuit.

Über einen Kathodenraum kann der Kathode das Kathodengas (zum Beispiel Sauerstoff oder Sauerstoff enthaltende Luft) zugeführt werden, so dass kathodenseitig die folgende Reaktion stattfindet: O₂ + 4H⁺ + 4e^-→2H₂O (Reduktion/Elektronenaufnahme ).The cathode gas (for example oxygen or air containing oxygen) can be fed to the cathode via a cathode compartment, so that the following reaction takes place on the cathode side: O ₂ + 4H ⁺ + 4e ^- → 2H ₂ O (reduction / electron uptake).

Die hochintegrierte Konditionierungseinrichtung 4 vereint in sich die Funktionen eines Wärmeübertragers zur Vorkonditionierung des Brennstoffs, die Funktion eines Befeuchters zur Befeuchtung des Kathodengases, die Funktion des Ladeluftkühlers und die Funktion des Ejektors für den Anodenkreislauf. Bei geeigneter Auslegung der Konditionierungseinrichtung 4, insbesondere seiner Befeuchtermodule 10, kann diese Konditionierungseinrichtung 4 auch die Funktion eines Wasserabscheiders aufweisen.The highly integrated conditioning device 4th combines the functions of a heat exchanger for preconditioning the fuel, the function of a humidifier for humidifying the cathode gas, the function of the charge air cooler and the function of the ejector for the anode circuit. With a suitable design of the conditioning device 4th , especially its humidifier modules 10 , this conditioning device can 4th also have the function of a water separator.

Die Konditionierungseinrichtung 4 weist eine Vielzahl an Anschlüssen auf. Sie umfasst einen eingangsseitigen Anschluss 41 für die Zuleitung eines mittels des Verdichters 6 bereitgestellten trockenen Kathodengases, einen Austrittsanschluss 42 für die Bereitstellung von befeuchtetem frischen Kathodengas an den Brennstoffzellenstapel 2 der Brennstoffzellenvorrichtung 1, einen ersten Eintrittsanschluss 43 für die Zuleitung eines aus dem Brennstoffzellenstapel 2 bereitgestellten feuchten Kathodenabgas, einen zweiten Eintrittsanschluss 44 für einen mittels des Brennstoffzellenstapels 2 bereitgestellten unverbrauchten Brennstoff, einen ausgangsseitigen Anschluss 45 für die Ausleitung von Abgasen, einen eingangsseitigen Anschluss 46 für den aus dem Brennstofftank 5 bereitgestellten frischen Brennstoff, einen zweiten Austrittsanschluss 47 für die Bereitstellung von Brennstoff oder von einem Brennstoffgemisch an den Brennstoffzellenstapel 2, einen Anschluss 48 für die Zuleitung eines Kühlmittels sowie einen Anschluss 49 für die Ausleitung von Kühlmittel.The conditioning device 4th has a large number of connections. It comprises a connection on the input side 41 for the supply of a by means of the compressor 6th provided dry cathode gas, an outlet connection 42 for providing humidified fresh cathode gas to the fuel cell stack 2 the fuel cell device 1 , a first inlet port 43 for the supply of one from the fuel cell stack 2 provided moist cathode exhaust gas, a second inlet connection 44 for one by means of the fuel cell stack 2 provided unused fuel, an outlet connection 45 for the discharge of exhaust gases, an inlet-side connection 46 for the one from the fuel tank 5 fresh fuel provided, a second outlet connection 47 for providing fuel or a fuel mixture to the fuel cell stack 2 , a connection 48 for the supply of a coolant and a connection 49 for the discharge of coolant.

Die Konditionierungseinrichtung 4 und ihr Anschluss 46 für frischen Brennstoff sind mittels einer Brennstoffleitung 14 mit dem Brennstofftank 5 verbunden. Zwischen dem Verdichter 6 und dem Anschluss 41 für trockenes Kathodengas liegt eine Kathodenzufuhrleitung 19 vor. Diese setzt sich anderenends an der Konditionierungseinrichtung 4 fort und ist an den Brennstoffzellenstapel 2 angebunden. Der zweite Austrittsanschluss 47 für Brennstoff oder für Brennstoffgemisch ist über die Anodenzufuhrleitung 7 mit den Anodenräumen des Brennstoffzellenstapels 2 verbunden. Entsprechend verhält es sich mit dem zweiten Eintrittsanschluss 44 für unverbrauchten Brennstoff, der mit den Anodenräumen über eine Anodenrezirkulationsleitung 9 strömungsmechanisch verbunden ist. Kathodenseitig liegt eine Kathodenabgasleitung 20 vor, die mit dem ersten Eintrittsanschluss 43 für feuchtes Kathodenabgas verbunden ist.The conditioning device 4th and their connection 46 for fresh fuel are by means of a fuel line 14th with the fuel tank 5 tied together. Between the compressor 6th and the connection 41 there is a cathode feed line for dry cathode gas 19th before. This settles on the other end at the conditioning device 4th gone and is at the fuel cell stack 2 tied up. The second outlet port 47 for fuel or for fuel mixture is via the anode feed line 7th with the anode compartments of the fuel cell stack 2 tied together. The same applies to the second inlet connection 44 for unused fuel that goes with the anode compartments an anode recirculation line 9 is fluidically connected. A cathode exhaust line is located on the cathode side 20th before that with the first entry port 43 for wet cathode exhaust.

In der schematischen Schnittansicht nach 2 ist zu erkennen, dass die Konditionierungseinrichtung 4 eine Mehrzahl an Befeuchtermodulen 10 umfasst. Jedes Befeuchtermodul 10 ist durch zwei Flussfeldplatten 12 gebildet, wobei in jeder der Flussfeldplatten 12 mindestens ein Flussfeld 13 ausgebildet ist. Die Flussfelder 13 von benachbarten Flussfeldplatten 12 sind voneinander getrennt, wobei die eine der beiden Flussfeldplatten 12 strömungsmechanisch mit dem eingangsseitigen Anschluss 41 für das vom Verdichter 6 bereitgestellte trockene Kathodengas und die andere der beiden Flussfeldplatten 12 strömungsmechanisch mit dem ersten Eintrittsanschluss 43 für das vom Brennstoffzellenstapel bereitgestellte feuchte Kathodenabgas verbunden ist. Dabei erfolgt eine Feuchteübertragung vom feuchten Kathodenabgas auf das trockene frische Kathodengas. Für die Trennung der Flussfelder 13 und für die Feuchteübertragung ist es möglich, dass zwischen den beiden Flussfeldern 13 eine wasserdampfdurchlässige Membran angeordnet ist, die die Feuchteübertragung erlaubt.In the schematic sectional view according to 2 it can be seen that the conditioning device 4th a plurality of humidifier modules 10 includes. Any humidifier module 10 is through two river field plates 12th formed, being in each of the flow field plates 12th at least one river space 13th is trained. The river fields 13th from neighboring river field plates 12th are separated from each other, with one of the two flow field plates 12th fluid mechanically with the inlet-side connection 41 for that from the compressor 6th provided dry cathode gas and the other of the two flow field plates 12th fluidically with the first inlet connection 43 for the moist cathode exhaust gas provided by the fuel cell stack. There is a transfer of moisture from the moist cathode exhaust gas to the dry, fresh cathode gas. For the separation of the river fields 13th and for moisture transfer it is possible that between the two river fields 13th a water vapor permeable membrane is arranged, which allows the moisture transfer.

Es ist jedoch bevorzugt, die Flussfeldplatten 12 als ein Monolith vollständig aus hygroskopischen, kapillaraktivem Material, beispielsweise aus Calziumsilikat, zu bilden. In dieser Gestaltung ist lediglich eine Flussfeldplatte 12 vorhanden, in welcher zwei sich gegenüberliegende Flussfelder 13 ausgebildet sind. Diese Flussfeldplatte 12 dient als ein Speicher für Flüssigkeit, um diese homogen an den trockenen Medienstrom abzugeben. Das so gebildete Befeuchtermodul 10 ist auf diese Weise als ein Speicherbefeuchter zu verstehen und kommt ohne eine zusätzliche Membran zur Separierung der beiden Flussfelder 13 aus. Mit anderen Worten ist die Flussfeldplatte 12 mit ihren beiden Flussfeldern 13 membranfrei gestaltet.However, it is preferred to use the flow field plates 12th as a monolith made entirely of hygroscopic, capillary-active material, for example calcium silicate. In this design there is only a flow field plate 12th present, in which two opposing river fields 13th are trained. This river field plate 12th serves as a reservoir for liquid in order to dispense it homogeneously into the dry media flow. The humidifier module formed in this way 10 is to be understood in this way as a storage humidifier and comes to the separation of the two flow fields without an additional membrane 13th the end. In other words, it is the river field plate 12th with their two river fields 13th Designed without a membrane.

Es ist zu erkennen, dass jedes der Befeuchtermodule 10 von einer Kühlungsplatte 27 getrennt wird, die einen Kühlmittelkanal 25 umfasst, welcher strömungsmechanisch mit dem Anschluss 48 für die Zuleitung und dem Anschluss 49 für die Ausleitung eines Kühlmittels verbunden ist (1).It can be seen that each of the humidifier modules 10 from a cooling plate 27 is separated, which has a coolant channel 25th includes, which fluid mechanically with the connection 48 for the supply line and the connection 49 connected for the discharge of a coolant ( 1 ).

Mit den Befeuchtermodulen 10 ist ein Rezirkulationsmodul 3 mechanisch verbunden, welches aus mindestens einer Ejektorplatte 30 gebildet ist, wobei die mindestens eine Ejektorplatte 30 eine Struktur zur Bildung eines Ejektors beherbergt oder bildet, die eine strömungsmechanisch mit dem eingangsseitigen Anschluss 46 für frischen Brennstoff verbundene Treibdüse 34 ausbildet. Ferner bildet die Struktur zur Bildung des Ejektors eine strömungsmechanisch mit dem zweiten Eintrittsanschluss 44 für unverbrauchten Brennstoff verbundene Saugdüse 35 aus. Außerdem bildet die Struktur zur Bildung des Ejektors ein sich stromab an die Saugdüse 35 anschließendes und austrittsseitig strömungsmechanisch mit dem zweiten Austrittsanschluss 47 für Brennstoff verbundenes Mischrohr 36 aus. Die Struktur zur Bildung des Ejektors bildet zudem eine Struktur zur Bildung eines sich an das Mischrohr 36 anschließenden Diffusors 37 aus.With the humidifier modules 10 is a recirculation module 3 mechanically connected, which consists of at least one ejector plate 30th is formed, wherein the at least one ejector plate 30th houses or forms a structure for forming an ejector, which has a fluidic connection with the inlet-side connection 46 connected propellant nozzle for fresh fuel 34 trains. Furthermore, the structure for forming the ejector forms a fluid-mechanical connection with the second inlet connection 44 for unused fuel connected suction nozzle 35 the end. In addition, the structure for forming the ejector is formed downstream of the suction nozzle 35 adjoining and on the outlet side fluidically with the second outlet connection 47 for fuel connected mixing tube 36 the end. The structure for forming the ejector also forms a structure for forming an attached to the mixing tube 36 subsequent diffuser 37 the end.

Das Rezirkulationsmodul 3 ist ebenfalls sandwichartig zwischen zwei Kühlungsplatten 27 angeordnet, wobei sich an die im Bild links gezeigte Kühlungsplatte 27 eine Anodenplatte 28 anschließt, durch die der frische Brennstoff fließt, bevor er in das Rezirkulationsmodul 3 eintritt. Die Anodenplatte 28 und die danebenliegende Kühlungsplatte 27 bilden somit einen Wärmeübertrager für die Vorkonditionierung des Brennstoffs.The recirculation module 3 is also sandwiched between two cooling plates 27 arranged, with the cooling plate shown in the picture on the left 27 an anode plate 28 connects through which the fresh fuel flows before entering the recirculation module 3 entry. The anode plate 28 and the adjacent cooling plate 27 thus form a heat exchanger for the preconditioning of the fuel.

Alle Platten und alle Module 10, 3 sind zwischen zwei Endplatten 11 aufeinandergestapelt, die gegebenenfalls durch Zugstangen oder Zugbänder zusätzlich verspannt sind. Die Anschlüsse liegen vorliegend also unmittelbar an den Endplatten 11 vor. Im gezeigten Beispiel ist die Möglichkeit des Einsatzes einer strichliert dargestellten Druckregelklappe 26 am Anschluss 45 für Abgase gezeigt. Diese Druckregelklappe 26 kann dabei unmittelbar an die Endplatte 11 angeflanscht sein. Ebenfalls strichliert dargestellt ist die Strömung des Brennstoffes, sowohl des frischen Brennstoffes aus dem Brennstofftank 5 als auch des unverbrauchten Brennstoffes aus dem Brennstoffzellenstapel 2.All panels and all modules 10 , 3 are between two end plates 11 stacked on top of each other, which are optionally additionally braced by tie rods or tension straps. In the present case, the connections are therefore directly on the end plates 11 before. In the example shown, it is possible to use a pressure control flap shown in dashed lines 26th at the connection 45 shown for exhaust gases. This pressure control valve 26th can be attached directly to the end plate 11 be flanged. The flow of the fuel and the fresh fuel from the fuel tank is also shown in dashed lines 5 as well as the unused fuel from the fuel cell stack 2 .

Die Brennstoffströmung ist auch in der Schnittansicht nach 3 des Rezirkulationsmoduls 3 näher zu erkennen, wobei das Rezirkulationsmodul 3, insbesondere die Ejektorplatte 30 aus einer Mehrzahl von Ejektorteilplatten 31, 32, 33 zusammengesetzt ist. Auf diese Ejektorteilplatten und deren Aufbau wird nachstehend näher eingegangen. Die erste Ejektorteilplatte 31 ist im Fließschema dem Brennstoffzellenstapel 2 näher gelegen als die übrigen Ejektorteilplatten. Die dritte Ejektorteilplatte 33 ist dem Brennstofftank 5 in Strömungsrichtung näher gelegen als die übrigen Ejektorteilplatten. Die zweite Ejektorteilplatte 32 ist sandwichartig zwischen der ersten Ejektorteilplatte 31 und der zweiten Ejektorteilplatte 33 angeordnet.The fuel flow is also in the sectional view according to 3 of the recirculation module 3 to be seen in more detail, the recirculation module 3 , especially the ejector plate 30th from a plurality of ejector sub-plates 31 , 32 , 33 is composed. These ejector sub-plates and their structure will be discussed in greater detail below. The first ejector part plate 31 is in the flow diagram of the fuel cell stack 2 closer than the other ejector part plates. The third ejector sub-plate 33 is the fuel tank 5 closer in the direction of flow than the other ejector sub-plates. The second ejector sub-plate 32 is sandwiched between the first ejector sub-plate 31 and the second ejector sub-plate 33 arranged.

Der Aufbau der ersten Ejektorteilplatte 31 wird anhand von 4 ersichtlich. Die erste Ejektorteilplatte 31 weist mindestens einen strömungsmechanisch mit dem zweiten Eintrittsanschluss 44 für unverbrauchten Brennstoff verbundenen Rezirkulationsdurchtritt 50 auf, der vorliegend durch zwei parallel angeordnete Schlitze in der Platte gebildet ist. Zusätzlich weist die erste Ejektorteilplatte 31 einen Abschnitt für das Mischrohr 36 und für den Diffusor 37 auf. Ferner umfasst die erste Ejektorteilplatte 31 einen Brennstoffzufuhrheader 54, der zum Brennstoffzellenstapel 2 führt, um diesem den Brennstoff oder das Brennstoffgemisch zuführen zu können. Weil der Brennstoff vorkonditioniert oder vorerwärmt wird, sind zusätzlich auch ein Kühlmittelheader 23 für die Zuleitung des Kühlmittels und ein Kühlmittelheader 24 für die Ableitung des Kühlmittels vorhanden, um den in der Anodenplatte 28 strömenden Brennstoff vorzuerwärmen. Je nach Auslegung der Kathodengasführung oder Kathodenabgasführung können zusätzlich auch ein Header 15 für trockenes Kathodengas, ein Header 16 für Abgas, ein Header 17 für befeuchtetes Kathodengas und ein Header 18 für Kathodenabgas vorhanden sein. Es besteht aber auch die Möglichkeit, dass diese Header 15, 16, 17, 18 als verschlossene Header 22 vorliegen oder überhaupt nicht vorhanden sind.The construction of the first ejector part plate 31 is based on 4th evident. The first ejector part plate 31 has at least one fluid mechanically connected to the second inlet connection 44 for unused fuel connected recirculation passage 50 on, which is formed in the present case by two parallel slots in the plate. In addition, the first ejector sub-plate 31 a section for the mixing tube 36 and for the diffuser 37 on. Furthermore, the first ejector sub-plate comprises 31 a fuel delivery header 54 leading to the fuel cell stack 2 leads in order to be able to supply this with the fuel or the fuel mixture. Because the fuel is preconditioned or preheated, there is also a coolant header 23 for the supply of the coolant and a coolant header 24 for the discharge of the coolant present in the anode plate 28 to preheat flowing fuel. Depending on the design of the cathode gas duct or cathode exhaust gas duct, a header can also be used 15th for dry cathode gas, a header 16 for exhaust, a header 17th for humidified cathode gas and a header 18th for cathode exhaust gas. But there is also the possibility that these headers 15th , 16 , 17th , 18th as locked headers 22nd exist or do not exist at all.

Die zweite Ejektorteilplatte 32 ist in 5 in einer Draufsicht gezeigt, die ebenfalls mit den Headern 15, 16, 17, 18 sowie mit den Kühlmittelheadern 23, 24 ausgestattet ist. Auch hier können die Header 15, 16, 17, 18 als verschlossene Header 22 vorliegen oder überhaupt nicht vorhanden sein. Die zweite Ejektorteilplatte 32 umfasst eine strömungsmechanisch mit dem Rezirkulationsdurchtritt 50 der ersten Ejektorteilplatte 31 verbundene Struktur zur Bildung der Saugdüse 35 sowie eine Struktur zur Bildung der Treibdüse 34. Ferner sind Abschnitte für das Mischrohr 36 und für den Diffusor 37 in der zweiten Ejektorteilplatte 32 ausgebildet. Es ist zu erkennen, dass dem Rezirkulationsmodul 3, vorliegend also der zweiten Ejektorteilplatte 32 ein Aktuator 38 zur axialen Verstellung einer Nadel 39 zugeordnet ist, wobei die Nadel 39 derart innerhalb der Struktur zur Bildung des Ejektors positioniert ist, dass durch die axiale Verstellung der Nadel 39 ein nutzbarer Strömungsquerschnitt der Treibdüse 34 einstellbar oder veränderbar ist, insbesondere in Abhängigkeit eines gewünschten Lastpunktes der Brennstoffzellenvorrichtung 1. Dieser Aktuator 38 ist vorzugsweise als ein Elektromotor, insbesondere als ein Linearmotor ausgebildet und an einer abgeflachten Kante des Rezirkulationsmoduls 3 angebracht, insbesondere angeflanscht.The second ejector sub-plate 32 is in 5 Shown in a top view, also with the headers 15th , 16 , 17th , 18th as well as with the coolant headers 23 , 24 Is provided. Here, too, the header 15th , 16 , 17th , 18th as locked headers 22nd exist or not exist at all. The second ejector sub-plate 32 includes a fluidic with the recirculation passage 50 the first ejector sub-plate 31 connected structure to form the suction nozzle 35 and a structure for forming the propellant nozzle 34 . There are also sections for the mixing tube 36 and for the diffuser 37 in the second ejector sub-plate 32 educated. It can be seen that the recirculation module 3 , in this case the second ejector sub-plate 32 an actuator 38 for the axial adjustment of a needle 39 is assigned, with the needle 39 is positioned within the structure to form the ejector that by the axial adjustment of the needle 39 a usable flow cross-section of the motive nozzle 34 is adjustable or changeable, in particular as a function of a desired load point of the fuel cell device 1 . This actuator 38 is preferably designed as an electric motor, in particular as a linear motor, and on a flattened edge of the recirculation module 3 attached, in particular flanged.

An die zweite Ejektorteilplatte 32 schließt sich dann die dritte Ejektorteilplatte 33 an, deren Draufsicht in 6 gezeigt ist. Sie umfasst einen strömungsmechanisch mit der Struktur zur Bildung der Treibdüse 34 der zweiten Ejektorteilplatte 32 verbundenen Treibdüsendurchtritt 51, der strömungsmechanisch mit dem eingangsseitigen Anschluss 46 für frischen Brennstoff verbunden ist. Die dritte Ejektorteilplatte 33 weist im Grunde die gleichen Header auf, wie auch die erste Ejektorteilplatte 31 und die zweite Ejektorteilplatte 32. Somit sind also wieder die Header 15, 16, 17, 18 vorhanden, die gegebenenfalls als geschlossene Header 22 ausgeführt sind. Auch die Kühlmittelheader 23, 24 sind in der dritten Ejektorteilplatte 33 ausgebildet und führen zum Wärmeübertrager für die Vorkonditionierung des Brennstoffs. Die dritte Ejektorteilplatte 33 weist ebenfalls einen Abschnitt zur Bildung des Mischrohrs 36 sowie einen Abschnitt zur Bildung des Diffusors 37 des Ejektors auf. Ansonsten weisen alle drei Ejektorteilplatten 31, 32, 33 eine Abflachung an ihrer Ecke auf, um den Aktuator 48 betriebssicher an der Konditionierungseinrichtung 4 anbringen zu können.To the second ejector part plate 32 the third ejector sub-plate then closes 33 whose top view is in 6th is shown. It comprises a fluid mechanically with the structure for forming the propellant nozzle 34 the second ejector sub-plate 32 connected propulsion nozzle passage 51 , the fluid mechanically with the inlet-side connection 46 connected for fresh fuel. The third ejector sub-plate 33 basically has the same headers as the first ejector sub-plate 31 and the second ejector sub-plate 32 . So there are the headers again 15th , 16 , 17th , 18th present, possibly as a closed header 22nd are executed. Also the coolant headers 23 , 24 are in the third ejector sub-plate 33 formed and lead to the heat exchanger for the preconditioning of the fuel. The third ejector sub-plate 33 also has a section for forming the mixing tube 36 and a portion for forming the diffuser 37 of the ejector. Otherwise, all three have ejector part plates 31 , 32 , 33 a flat on its corner to attach to the actuator 48 operationally safe at the conditioning device 4th to be able to attach.

Die Schnittansicht nach 7 zeigt eine weitere Ausgestaltung des Rezirkulationsmoduls, wobei hier nur eine erste Ejektorteilplatte 31 auf eine dritte Ejektorteilplatte 33 unmittelbar aufgebracht ist und auf die zweite Ejektorteilplatte 32 verzichtet wurde. Zwischen den beiden Ejektorteilplatten 31, 33 ist eine Kavität ausgebildet, so dass der Ejektor selbst in diese Kavität eingesetzt werden kann und somit als ein von der Konditionierungseinrichtung 4 separierbarer Einsatz vorliegt.The sectional view after 7th shows a further embodiment of the recirculation module, with only a first ejector sub-plate here 31 onto a third ejector sub-plate 33 is applied directly and on the second ejector sub-plate 32 was waived. Between the two ejector part plates 31 , 33 a cavity is formed so that the ejector itself can be inserted into this cavity and thus as one of the conditioning device 4th separable insert is present.

Eine derartige Konfiguration zeigt auch die Schnittansicht nach 8, wobei der Aktuator 38 an einer der Endplatten 11 angebracht ist. Auch in dieser Darstellung ist der Brennstoffstrom strichliert dargestellt, wobei die Nadelspitze am oberen Ende des Rezirkulationsmoduls 3 endet und den Ejektor somit dort bereitstellt. Alle Figuren und damit auch 8 sind lediglich als Schema zu verstehen, wobei die tatsächlichen Abmessungen und Verhältnisse von diesem Schema abweichen können. Während im Beispiel von 2 der eigentliche Ejektor im Bild unten im Rezirkulationsmodul 3 angeordnet ist, ist also bei der Darstellung nach 8 der eigentliche Ejektor im Rezirkulationsmodul 3 oben angeordnet. Zur Strömungsführung des Kathodenabgases durch die Konditionierungseinrichtung 4 kann dabei eine geeignete Dichtung oder ein Dichtungseinsatz vorhanden sein. Im Übrigen entspricht jedoch die Darstellung der Konditionierungseinrichtung 4 nach 8 im Grunde derjenigen nach 2, wobei in der Darstellung der 8 auf die Kathodengasversorgung und die Abgasleitung in detaillierter Darstellung verzichtet wurde.Such a configuration is also shown in the sectional view 8th , the actuator 38 on one of the end plates 11 is appropriate. The fuel flow is also shown in dashed lines in this illustration, with the needle tip at the upper end of the recirculation module 3 ends and thus provides the ejector there. All figures and with them 8th are only to be understood as a scheme, whereby the actual dimensions and proportions may differ from this scheme. While in the example of 2 the actual ejector in the picture below in the recirculation module 3 is arranged, is so in the representation according to 8th the actual ejector in the recirculation module 3 arranged above. To guide the flow of the cathode exhaust gas through the conditioning device 4th a suitable seal or a sealing insert can be present. Otherwise, however, the illustration corresponds to the conditioning device 4th after 8th basically after those 2 , with the representation of the 8th the cathode gas supply and the exhaust pipe were omitted in a detailed representation.

In 9 ist eine der Endplatten 11 gezeigt, wobei diese wiederum mit den beiden Kühlmittelheadern 23, 24 ausgestattet ist. Zusätzlich ist die Endplatte 11 mit einem Brennstoffzufuhrheader 54 gebildet für die Zuleitung des Brennstoffs oder des Brennstoffgemischs an den Brennstoffzellenstapel 2. Außerdem ist ein Brennstoffabfuhrheader 55 vorhanden, in welchem der Saugmassenstrom strömt und welcher somit Bestandteil der Anodenrezirkulationsleitung sein kann. In dieser speziellen Ausgestaltung der Endplatte 11 ist ein kathodenseitiger Bypasskanal 8 vorhanden. Dieser Bypasskanal 8 verbindet den eingangsseitigen Anschluss 41 für die Zuleitung des trockenen Kathodengases und damit den Header 15 für trockenes Kathodengas mit dem ausgangsseitigen Anschluss 45 für die Ausleitung von Abgasen und damit dem Header 16 für Abgas strömungsmechanisch. In diesem Bypasskanal 8 ist ein Ventil 52 eingesetzt zum Öffnen und Verschließen des Bypasskanals 8. Hierbei weist die Endplatte 11 eine Öffnung oder einen Durchtritt, insbesondere eine Bohrung auf, in die das Ventil 52 eingesetzt wird.In 9 is one of the end plates 11 shown, this in turn with the two coolant headers 23 , 24 Is provided. In addition is the end plate 11 with a fuel feed header 54 formed for the supply of the fuel or the fuel mixture to the fuel cell stack 2 . There is also a fuel evacuation header 55 present, in which the suction mass flow flows and which can thus be part of the anode recirculation line. In this special configuration of the end plate 11 is a cathode-side bypass channel 8th available. This bypass channel 8th connects the input-side connection 41 for the supply of the dry cathode gas and thus the header 15th for dry cathode gas with the outlet connection 45 for the discharge of exhaust gases and thus the header 16 for exhaust gas flow mechanically. In this bypass channel 8th is a valve 52 used to open and close the bypass channel 8th . Here, the end plate 11 an opening or a passage, in particular a bore, into which the valve 52 is used.

Auch in 10 ist eine Endplatte 11 gezeigt, wobei diese Endplatte 11 wiederum die beiden Kühlmittelheader 23, 24, den Brennstoffzufuhrheader 54 für die Zuleitung des Brennstoffs oder des Brennstoffsgemischs sowie den Brennstoffabfuhrheader 55 der Anodenrezirkulation umfasst. Ferner sind der Header 15 für trockenes Kathodengas und der Abgasheader 16 vorhanden, wobei weitere verschlossene Header 22 vorliegen können, die aber auch als geöffnete Header vorhanden sein können; dies erfolgt in Abhängigkeit der gewählten Strömungsführung für das Kathodengas und Kathodenabgas. Die gezeigte Endplatte 11 weist die Besonderheit auf, dass sie einen Purgekanal 53 bereitstellt, der den zweiten Eintrittsanschluss 44 für unverbrauchten Brennstoff mit dem ausgangsseitigen Anschluss 45 für die Ausleitung von Abgasen strömungsmechanisch verbindet. Auch hierbei ist eine Öffnung, ein Durchtritt oder eine Bohrung vorhanden, in die ein Ventil 52 eingesetzt ist, so dass dieses Ventil 52 dazu genutzt werden kann, den Purgekanal 53 zu öffnen oder zu schließen. Auf diese Weise lässt sich der Anodenkreislauf spülen, beispielsweise wenn in diesem die Brennstoffkonzentration unter einen Schwellenwert gesunken ist oder die Konzentration an Inertgasen ein kritisches Maß überschreitet.Also in 10 is an end plate 11 shown, this endplate 11 again the two coolant headers 23 , 24 , the fuel supply header 54 for the supply of the fuel or the fuel mixture as well as the fuel discharge header 55 the anode recirculation includes. Furthermore, the header 15th for dry cathode gas and the exhaust header 16 present, with further locked headers 22nd may exist, but they can also be present as open headers; this takes place as a function of the flow guidance chosen for the cathode gas and cathode exhaust gas. The end plate shown 11 has the special feature that it has a purge channel 53 provides the second inlet port 44 for unused fuel with the outlet connection 45 fluid-mechanically connects for the discharge of exhaust gases. Here, too, there is an opening, a passage or a bore into which a valve 52 is inserted so that this valve 52 can be used for this, the purge channel 53 to open or close. In this way, the anode circuit can be flushed, for example if the fuel concentration in it has dropped below a threshold value or the concentration of inert gases exceeds a critical level.

Das Ventil 52, welches im Purgekanal 53 oder im Bypasskanal 8 Einsatz finden kann, ist beispielhaft in 11 illustriert und vorzugsweise als ein Tellerventil ausgebildet.The valve 52 , which is in the purge channel 53 or in the bypass channel 8th Can be used is exemplified in 11 illustrated and preferably designed as a poppet valve.

Die erfindungsgemäße Konditionierungseinrichtung 4 vereint eine Vielzahl an Funktionen der Brennstoffzellenvorrichtung 1, wobei viel Bauraum eingespart werden kann. Dies hat sich von Vorteil erwiesen für den Einsatz der erfindungsgemäßen Konditionierungseinrichtung 4 und der erfindungsgemäßen Brennstoffzellenvorrichtung 1 in einem Kraftfahrzeug, welches nur einen begrenzten Bauraum zur Verfügung stellt.The conditioning device according to the invention 4th combines a variety of functions of the fuel cell device 1 , whereby a lot of installation space can be saved. This has proven to be advantageous for the use of the conditioning device according to the invention 4th and the fuel cell device according to the invention 1 in a motor vehicle that provides only a limited amount of space.

BezugszeichenlisteList of reference symbols

11: BrennstoffzellenvorrichtungFuel cell device
22: BrennstoffzellenstapelFuel cell stack
33: RezirkulationsmodulRecirculation module
44th: KonditionierungseinrichtungConditioning device
55: BrennstofftankFuel tank
66th: Verdichtercompressor
77th: AnodenzufuhrleitungAnode feed line
88th: BypasskanalBypass duct
99: AnodenrezirkulationsleitungAnode recirculation line
1010: BefeuchtermodulHumidifier module
1111: EndplatteEnd plate
1212th: FlussfeldplattenRiver field plates
1313th: FlussfeldRiver field
1414th: BrennstoffleitungFuel line
1515th: Header für trockenes Kathodengas / KathodenzufuhrheaderDry cathode gas / cathode feed header
1616: Header für Abgas / AbgasheaderHeaders for exhaust / exhaust headers
1717th: Header für befeuchtetes Kathodengas / KathodenzufuhrheaderHumidified cathode gas / cathode feed header
1818th: Header für Kathodenabgas / KathodenabgasheaderHeaders for cathode exhaust / cathode exhaust headers
1919th: KathodenzufuhrleitungCathode feed line
2020th: KathodenabgasleitungCathode exhaust line
2121: AbgasleitungExhaust pipe
2222nd: verschlossener Headerlocked header
2323: Kühlmittelheader für ZuleitungCoolant header for supply line
2424: Kühlmittelheader für AbleitungCoolant header for drainage
2525th: KühlmittelkanalCoolant duct
2626th: DruckregelklappePressure control flap
2727: KühlungsplatteCooling plate
2828: AnodenplatteAnode plate
2929: Einsatzmission
3030th: EjektorplatteEjector plate
3131: erste Ejektorteilplattefirst ejector part plate
3232: zweite Ejektorteilplattesecond ejector sub-plate
3333: dritte Ejektorteilplattethird ejector sub-plate
3434: TreibdüsePropulsion nozzle
3535: SaugdüseSuction nozzle
3636: MischrohrMixing tube
3737: DiffusorDiffuser
3838: AktuatorActuator
3939: Nadelneedle
4141: Anschluss (trockenes Kathodengas)Connection (dry cathode gas)
4242: erster Austrittsanschluss (konditioniertes Kathodengas)first outlet connection (conditioned cathode gas)
4343: erster Eintrittsanschluss (Kathodenabgas)first inlet connection (cathode exhaust gas)
4444: zweiter Eintrittsanschluss (unverbrauchter Brennstoff)second inlet connection (unused fuel)
4545: Anschluss (Abgase)Connection (exhaust)
4646: Anschluss (frischer Brennstoff)Connection (fresh fuel)
4747: zweiter Austrittsanschluss (Brennstoff/Brennstoffgemisch)second outlet connection (fuel / fuel mixture)
4848: Anschluss (Zuleitung Kühlmittel)Connection (coolant supply line)
4949: Anschluss (Ausleitung Kühlmittel)Connection (coolant discharge)
5050: SaugdüsendurchtrittSuction nozzle passage
5151: TreibdüsendurchtrittMotive nozzle passage
5252: VentilValve
5353: PurgekanalPurge channel
5454: Brennstoffzufuhrheader für ZuleitungFuel feed header for feed line
5555: Brennstoffabfuhrheader (Anodenrezirkulationsleitung)Fuel discharge header (anode recirculation line)

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

US 3982961 A [0006]
DE 10310642 A1 [0006]
DE 102011111742 A1 [0006]

Claims

Conditioning device (4) for conditioning reactants of a fuel cell device (1), with an inlet connection (41) for the supply of a dry cathode gas which can be provided by means of a compressor (6), with a first outlet connection (42) for the provision of humidified fresh cathode gas a fuel cell stack (2) of the fuel cell device (1), with a first inlet connection (43) for the supply of a moist cathode exhaust gas that can be provided from the fuel cell stack (2), with a second inlet connection (44) for an unused fuel that can be provided by means of the fuel cell stack (2) , with an outlet connection (45) for the discharge of exhaust gases, and with at least one humidifier module (10) which provides at least two flow fields (13), the flow fields (13) being separated from one another, one of the two flow fields (13 ) fluid mechanically with the input The inlet connection (41) for the dry cathode gas and the other of the two flow fields (13) are fluidically connected to the first inlet connection (43) for the moist cathode exhaust gas, characterized in that an inlet connection (46) for one of a fuel tank (5 ) fresh fuel that can be provided and a second outlet connection (47) for the provision of fuel or a fuel mixture to the fuel cell stack (2) are present, and that there is a recirculation module (3) which is mechanically connected to the humidifier module (10) and consists of at least an ejector plate (30), wherein the at least one ejector plate (30) houses or forms a structure for forming an ejector, which forms a propulsion nozzle (34) which is fluidically connected to the inlet-side connection (46) for fresh fuel and which is fluidically connected to the second inlet connection (44) for unused fuel This forms a suction nozzle (35) connected to the fuel, and which forms a mixing tube (36) connected downstream to the suction nozzle (35) and fluidically connected to the second outlet connection (47) for fuel on the outlet side.

Conditioning device (4) Claim 1 , characterized in that there is an actuator (38) assigned to the recirculation module (3) for the axial adjustment of a needle (39), and that the needle (39) is positioned within the structure for forming the ejector in such a way that the axial adjustment of the needle (39), a usable flow cross section of the driving nozzle (34) can be set or changed.

Conditioning device (4) Claim 1 or 2 , characterized in that the recirculation module (3) is constructed from several ejector sub-plates assembled to form the ejector plate (30).

Conditioning device (4) Claim 3 , characterized in that the ejector plate (30) is made up of three ejector sub-plates, of which a first ejector sub-plate (31) comprises at least one recirculation passage (50) fluidically connected to the second inlet connection (44), of which a second ejector sub-plate (32) includes one fluidically comprises a structure connected to the recirculation passage (50) to form the suction nozzle (35) and a structure to form the propellant nozzle (34), and of which a third ejector sub-plate (33) comprises a propellant nozzle passage (51) fluidically connected to the structure to form the propellant nozzle (34) ), which is fluidically connected to the inlet-side connection (46) for fresh fuel.

Conditioning device (4) according to one of the Claims 1 until 3 , characterized in that the structure for forming the ejector is in the form of an insert which is inserted into a cavity of the ejector plate (30).

Conditioning device (4) according to one of the Claims 1 until 5 , characterized in that the modules (10, 3) are stacked between two end plates (11), that one of the end plates (11) is assigned at least one bypass channel (8) or one is formed therein which provides the input-side connection (41) for the supply line for the dry cathode gas is fluidically connected to the outlet connection (45) for the discharge of exhaust gases, and that the end plate (11) having the bypass channel (8) is assigned a valve (52) for opening and closing the bypass channel (8).

Conditioning device (4) according to one of the Claims 1 until 5 , characterized in that the modules (10, 3) are stacked between two end plates (11), that one of the end plates (11) is assigned at least one purge channel (53) or one is formed therein, which the second inlet connection (44) for unused fuel fluidically connects to the outlet connection (45) for the discharge of exhaust gases, and that the end plate (11) having the purge channel (53) is assigned a valve (52) for opening and closing the purge channel (53).

Conditioning device (4) Claim 6 or 7th , characterized in that the valve (53) is a poppet valve inserted into an opening in the end plate (11).

Conditioning device (4) according to one of the Claims 1 until 8th , characterized in that a connection (48) for the supply line and a connection (49) for the discharge of a coolant are provided in order to guide coolant into at least one or from the at least one coolant channel (25) of an integrated cooling plate (27).

Fuel cell device (1) with a conditioning device (4) according to one of the Claims 1 until 9 .