DE102020205280A1 - Fuel cell system - Google Patents

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Abstract

Es wird ein Brennstoffzellensystem mit wenigstens einem Brennstoffzellenstack (10) vorgeschlagen, der eine Anodenseite (12) aufweist, der über ein Anodensystem Brennstoff zugeführt wird und der eine Kathodenseite (14) aufweist, der über ein Kathodensystem Luft zugeführt wird. Das Kathodensystem weist wenigstens einen Luftverdichter (20) auf, durch den verdichtete Luft zur Kathodenseite (14) gefördert wird. Dem wenigstens einen Luftverdichter (20) wird gasförmiges Kühlmedium, insbesondere Luft, zugeführt, das nach Durchströmung des Luftverdichters (20) aus diesem durch wenigstens einen Auslass (52) austritt. Das Brennstoffzellensystem weist wenigstens eine Komponente (42, 44) auf, in der maximal Umgebungsdruck herrscht. Der wenigstens eine Auslass (52) des wenigstens einen Luftverdichters (20) ist mit der wenigstens einen Komponente (42, 44) verbunden.A fuel cell system is proposed with at least one fuel cell stack (10) which has an anode side (12) which is supplied with fuel via an anode system and which has a cathode side (14) which is supplied with air via a cathode system. The cathode system has at least one air compressor (20) through which compressed air is conveyed to the cathode side (14). The at least one air compressor (20) is supplied with a gaseous cooling medium, in particular air, which, after flowing through the air compressor (20), exits it through at least one outlet (52). The fuel cell system has at least one component (42, 44) in which the maximum ambient pressure prevails. The at least one outlet (52) of the at least one air compressor (20) is connected to the at least one component (42, 44).

Description

Stand der TechnikState of the art

Die Erfindung geht aus von einem Brennstoffzellensystem nach der Gattung des Anspruchs 1.The invention is based on a fuel cell system according to the preamble of claim 1.

Eine solches Brennstoffzellensystem ist durch die DE 10 2014 224 774 A1 bekannt. Dieses Brennstoffzellensystem weist wenigstens einen Brennstoffzellenstack auf, dem zu dessen Anodenseite über ein Anodensystem ein Brennstoff, beispielsweise Wasserstoff, zugeführt wird. Der Kathodenseite des Brennstoffzellenstacks wird über ein Kathodensystem Luft zugeführt. Das Kathodensystem weist wenigstens einen Luftverdichter auf, durch den verdichtete Luft der Kathodenseite zugeführt wird. Dem wenigstens einen Luftverdichter wird gasförmiges Kühlmedium zugeführt, das nach Durchströmung des Luftverdichters aus diesem durch wenigstens einen Auslass austritt. Der Auslass kann dabei mit einem Bereich des Brennstoffzellensystems verbunden sein, beispielsweise dessen Abluftsystem. Um eine möglichst gute Kühlung des Luftverdichters zu erreichen ist eine effiziente Durchströmung erforderlich. Hierbei ist es vorteilhaft, wenn im Bereich des Auslasses ein möglichst geringer Druck vorhanden ist, was jedoch nicht im gesamten Abluftsystem der Fall ist.Such a fuel cell system is through the DE 10 2014 224 774 A1 known. This fuel cell system has at least one fuel cell stack, to which a fuel, for example hydrogen, is fed to the anode side thereof via an anode system. Air is supplied to the cathode side of the fuel cell stack via a cathode system. The cathode system has at least one air compressor, through which compressed air is supplied to the cathode side. The at least one air compressor is supplied with gaseous cooling medium which, after flowing through the air compressor, emerges from the latter through at least one outlet. The outlet can be connected to an area of the fuel cell system, for example its exhaust air system. In order to achieve the best possible cooling of the air compressor, an efficient flow is required. It is advantageous here if the lowest possible pressure is present in the area of the outlet, but this is not the case in the entire exhaust air system.

Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention

Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 hat demgegenüber den Vorteil, dass im Bereich des wenigstens einen Auslasses des wenigstens einen Luftverdichters ein geringer Druck, maximal Umgebungsdruck, herrscht, und somit eine effiziente Durchströmung erreicht ist.The fuel cell system according to the invention with the features according to claim 1 has the advantage that there is a low pressure, maximum ambient pressure, in the region of the at least one outlet of the at least one air compressor, and thus an efficient flow is achieved.

In den abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems angegeben. In den Ansprüchen 2 bis 4 sind vorteilhafte Komponenten des Brennstoffzellensystems angegeben, mit denen der wenigstens eine Auslass verbunden sein kann.Advantageous configurations and developments of the fuel cell system according to the invention are specified in the dependent claims. In claims 2 to 4 advantageous components of the fuel cell system are specified, with which the at least one outlet can be connected.

Zeichnungdrawing

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen 1 in vereinfachter schematischer Darstellung ein Brennstoffzellensystem mit einem Luftverdichter und weiteren Komponenten und 2 den Luftverdichter in vereinfachter Darstellung in einem Längsschnitt.An embodiment of the invention is shown in the drawing and explained in more detail in the following description. Show it 1 a simplified schematic representation of a fuel cell system with an air compressor and other components and 2 the air compressor in a simplified representation in a longitudinal section.

Beschreibung des AusführungsbeispielsDescription of the embodiment

In 1 ist ein Brennstoffzellensystem dargestellt, das beispielsweise für ein Kraftfahrzeug vorgesehen ist. Das Brennstoffzellensystem weist wenigstens einen Brennstoffzellenstack 10 auf, der eine Anodenseite 12 und eine Kathodenseite 14 aufweist. Die Anodenseite 12 und die Kathodenseite 14 sind durch eine Membran voneinander getrennt. Der Anodenseite 12 wird über ein Anodensystem Brennstoff, insbesondere Wasserstoff, zugeführt. Das Anodensystem wird nachfolgend nicht näher erläutert. Der Kathodenseite 12 wird über ein Kathodensystem Luft zugeführt, wobei das Kathodensystem nachfolgend näher erläutert wird.In 1 a fuel cell system is shown, which is provided, for example, for a motor vehicle. The fuel cell system has at least one fuel cell stack 10 on, one side of the anode 12th and a cathode side 14th having. The anode side 12th and the cathode side 14th are separated from each other by a membrane. The anode side 12th fuel, in particular hydrogen, is supplied via an anode system. The anode system is not explained in more detail below. The cathode side 12th air is supplied via a cathode system, the cathode system being explained in more detail below.

Das Kathodensystem weist wenigstens einen Luftverdichter 20 auf, durch den der Kathodenseite 12 verdichtete Luft zugeführt wird. Der Luftverdichter 20 kann einstufig oder mehrstufig ausgeführt sein. Der Luftverdichter 20 weist ein mehrteiliges Gehäuse 22 auf, in dem eine Welle 24 drehbar gelagert ist. Für die Lagerung der Welle 24 ist beispielsweise wenigstens ein Radiallager 26 und wenigstens ein Axiallager 28 vorgesehen. Mit der Welle 24 ist wenigstens ein Verdichterrad 30 verbunden, durch das Luft verdichtet und der Kathodenseite 14 zugeführt wird. Für den Antrieb des Luftverdichters 20 ist ein Elektromotor 34 vorgesehen, der im Gehäuse 22 angeordnet ist. Zusätzlich zum Elektromotor 34 kann vorgesehen sein, dass mit der Welle 24 an deren dem Verdichterrad 30 abgewandtem Ende ein Turbinenrad 32 verbunden ist. Dem Turbinenrad 32 wird dabei Luft aus dem Abluftsystem des Brennstoffzellensystems zugeführt, durch das das Turbinenrad 32 angetrieben wird, wodurch der Elektromotor 34 unterstützt wird. Alternativ kann anstelle des Turbinenrads 32 auch ein weiteres Verdichterrad 32 mit der Welle 24 verbunden sein für eine zweite Verdichterstufe.The cathode system has at least one air compressor 20th through that of the cathode side 12th compressed air is supplied. The air compressor 20th can be implemented in one or more stages. The air compressor 20th has a multi-part housing 22nd on in which a wave 24 is rotatably mounted. For the storage of the shaft 24 is for example at least one radial bearing 26th and at least one thrust bearing 28 intended. With the wave 24 is at least one compressor wheel 30th connected, compressed by the air and the cathode side 14th is fed. For driving the air compressor 20th is an electric motor 34 provided in the housing 22nd is arranged. In addition to the electric motor 34 can be provided that with the shaft 24 at the compressor wheel 30th far end a turbine wheel 32 connected is. The turbine wheel 32 air is supplied from the exhaust air system of the fuel cell system through which the turbine wheel 32 is driven, making the electric motor 34 is supported. Alternatively, instead of the turbine wheel 32 also another compressor wheel 32 with the wave 24 be connected for a second compressor stage.

Zwischen dem Luftverdichter 20 und der Kathodenseite 14 kann ein Kühler 40 angeordnet sein, durch den die verdichtete Luft gekühlt wird bevor sie zur Kathodenseite 14 gelangt. Stromabwärts nach dem Turbinenrad 32 kann ein Schalldämpfer 42 angeordnet sein, um Geräusche der vom Turbinenrad 32 abströmenden Abluft zur verringern. Stromabwärts nach dem Turbinenrad 32 kann auch ein Verdünner 44 angeordnet sein, durch den die abströmende Abluft sowie gegebenenfalls darin enthaltene Schadstoffe verdünnt werden.Between the air compressor 20th and the cathode side 14th can be a cooler 40 be arranged by which the compressed air is cooled before it to the cathode side 14th got. Downstream after the turbine wheel 32 can be a muffler 42 be arranged to avoid noise from the turbine wheel 32 to reduce the outflowing exhaust air. Downstream after the turbine wheel 32 can also use a thinner 44 be arranged, through which the outflowing exhaust air and any pollutants contained therein are diluted.

Dem Gehäuse 22 des Luftverdichters 20 wird gasförmiges Kühlmedium, insbesondere Luft, zu dessen Kühlung zugeführt. Die Zuführung 50 des Kühlmediums kann beispielsweise im Bereich des Axiallagers 28 erfolgen. Das Kühlmedium wird vorzugsweise im Kathodensystem stromabwärts nach dem Kühler 40 abgezweigt, damit dieses eine möglichst geringe Temperatur aufweist. Das Kühlmedium wird innerhalb des Gehäuses 22 durch das Axiallager 28 und entlang der Welle 24 durch die Radiallager 26 geleitet, so dass dieses durch einen möglichst großen Bereich des Gehäuses 22 geleitet wird. Das Kühlmedium tritt aus dem Gehäuse 22 durch wenigstens einen Auslass 52 aus. Es können mehrere, beispielsweise zwei Auslässe 52 vorgesehen sein, die in axialer Richtung zueinander versetzt angeordnet sind.The case 22nd of the air compressor 20th gaseous cooling medium, in particular air, is supplied to cool it. The feed 50 of the cooling medium can, for example, in the area of the axial bearing 28 take place. The cooling medium is preferably in the cathode system downstream after the cooler 40 branched off so that it has the lowest possible temperature. The cooling medium is inside the case 22nd through the thrust bearing 28 and along the shaft 24 through the radial bearings 26th guided so that this through as large an area of the housing as possible 22nd is directed. The cooling medium emerges from the housing 22nd through at least one outlet 52 the end. There can be several, for example two, outlets 52 be provided, which are arranged offset from one another in the axial direction.

Die Auslässe 52 für das Kühlmedium sind mit einer Komponente des Kathodensystems verbunden, in dem ein Druck herrscht, der maximal dem Umgebungsdruck entspricht. Diese Komponente ist beispielsweise der Schalldämpfer 42 und/oder der Verdünner 44. Da der Schalldämpfer 42 und der Verdünner 44 stromabwärts nach dem Turbinenrad 32 angeordnet sind ist die diese durchströmende Abluft des Brennstoffzellensystems bereits auf maximal Umgebungsdruck entspannt. Der statische Druck im Schalldämpfer 42 und Verdünner 44 kann infolge von deren Durchströmung durch die Abluft geringer als der Umgebungsdruck sein, so dass das Kühlmedium aus dem Luftverdichter 20 abgesaugt wird. Die Einleitung des erwärmten Kühlmediums in diese Komponenten hat außerdem den Vorteil, dass diese Komponenten und die diese durchströmende Abluft des Brennstoffzellensystems erwärmt werden. Dadurch kann die Abluft mehr Feuchtigkeit aufnehmen und die in flüssiger Form austretende Wassermenge kann verringert werden. Hierdurch kann ein Einfrieren dieser Komponenten oder ein Gefrieren von in flüssiger Form auf die Fahrbahn gelangendem Wasser vermieden oder zumindest vermindert werden.The outlets 52 for the cooling medium are connected to a component of the cathode system in which there is a pressure that corresponds at most to the ambient pressure. This component is, for example, the muffler 42 and / or the thinner 44 . Because the muffler 42 and the thinner 44 downstream after the turbine wheel 32 are arranged, the exhaust air flowing through this from the fuel cell system is already relaxed to maximum ambient pressure. The static pressure in the muffler 42 and thinner 44 can be lower than the ambient pressure as a result of their flow through the exhaust air, so that the cooling medium from the air compressor 20th is sucked off. The introduction of the heated cooling medium into these components also has the advantage that these components and the exhaust air from the fuel cell system flowing through them are heated. As a result, the exhaust air can absorb more moisture and the amount of water escaping in liquid form can be reduced. This makes it possible to avoid or at least reduce the freezing of these components or the freezing of water reaching the roadway in liquid form.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

  • DE 102014224774 A1 [0002]DE 102014224774 A1 [0002]

Claims (8)

Brennstoffzellensystem mit wenigstens einem Brennstoffzellenstack (10), der eine Anodenseite (12) aufweist, der über ein Anodensystem Brennstoff zugeführt wird und der eine Kathodenseite (14) aufweist, der über ein Kathodensystem Luft zugeführt wird, wobei das Kathodensystem wenigstens einen Luftverdichter (20) aufweist, durch den verdichtete Luft zur Kathodenseite (14) gefördert wird, wobei dem wenigstens einen Luftverdichter (20) gasförmiges Kühlmedium, insbesondere Luft, zugeführt wird, das nach Durchströmung des Luftverdichters (20) aus diesem durch wenigstens einen Auslass (52) austritt, und wobei das Brennstoffzellensystem wenigstens eine Komponente (42, 44) aufweist, in der maximal Umgebungsdruck herrscht, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Auslass (52) des wenigstens einen Luftverdichters (20) mit der wenigstens einen Komponente (42, 44) verbunden ist.Fuel cell system with at least one fuel cell stack (10) which has an anode side (12) which is supplied with fuel via an anode system and which has a cathode side (14) which is supplied with air via a cathode system, the cathode system having at least one air compressor (20) through which compressed air is conveyed to the cathode side (14), the at least one air compressor (20) being supplied with gaseous cooling medium, in particular air, which, after flowing through the air compressor (20), exits through at least one outlet (52), and wherein the fuel cell system has at least one component (42, 44) in which the maximum ambient pressure prevails, characterized in that the at least one outlet (52) of the at least one air compressor (20) is connected to the at least one component (42, 44) . Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Komponente (40, 42, 44) im Kathodensystem angeordnet ist.Fuel cell system according to Claim 1 , characterized in that the at least one component (40, 42, 44) is arranged in the cathode system. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Komponente ein Kühler (40) ist.Fuel cell system according to Claim 2 , characterized in that the component is a cooler (40). Brennstoffzellensystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Komponente ein Schalldämpfer (42) ist.Fuel cell system according to Claim 2 , characterized in that the component is a silencer (42). Brennstoffzellensystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Komponente ein Verdünner (44) ist.Fuel cell system according to Claim 2 , characterized in that the component is a thinner (44). Brennstoffzellensystem nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Luftverdichter (20) eine Turbine (32) zu dessen Antrieb aufweist, die durch Abluft aus den Brennstoffzellensystem angetrieben wird und dass der Schalldämpfer (42) und/oder der Verdünner (44) stromabwärts nach der Turbine (32) angeordnet ist.Fuel cell system according to Claim 4 or 5 , characterized in that the at least one air compressor (20) has a turbine (32) to drive it, which is driven by exhaust air from the fuel cell system and that the silencer (42) and / or the diluter (44) downstream after the turbine ( 32) is arranged. Brennstoffzellensystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Luftverdichter (20) wenigstens eine Welle (24) mit wenigstens einem Radiallager (26) und/oder wenigstens einem Axiallager (28) aufweist und dass das Kühlmedium das wenigstens eine Radiallager (26) und/oder das wenigstens eine Axiallager (28) durchströmt.Fuel cell system according to one of the preceding claims, characterized in that the at least one air compressor (20) has at least one shaft (24) with at least one radial bearing (26) and / or at least one axial bearing (28) and that the cooling medium comprises the at least one radial bearing ( 26) and / or through which at least one axial bearing (28) flows. Brennstoffzellensystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Kathodensystem zwischen dem wenigstens einen Luftverdichter (20) und der Kathodenseite (14) wenigstens ein Kühler (40) angeordnet ist und dass das Kühlmedium stromabwärts des Kühlers (40) abgezweigt wird.Fuel cell system according to one of the preceding claims, characterized in that at least one cooler (40) is arranged in the cathode system between the at least one air compressor (20) and the cathode side (14) and that the cooling medium is branched off downstream of the cooler (40).
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