DE102020210671A1 - Fuel cell system and method for operating a fuel cell system - Google Patents

Fuel cell system and method for operating a fuel cell system Download PDF

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Jochen Wessner
Martin Katz
Benedikt Leibssle
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem (1), mit einem Kathodenpfad (3) zum Transportieren von sauerstoffhaltigen Gasgemischen in Form einer Zuluft und einer Abluft, und mit einem Anodenpfad (11) zum Transportieren von Brennstoff, der über ein Dosierventil (12) einer Brennstoffzelle (2) zugeführt wird, wobei in dem Kathodenpfad (3) ein Verdichter (5) angeordnet ist, der antriebsmäßig mit einer Turbine (9) verbunden ist und mit dem die Zuluft verdichtet wird, bevor die verdichtete Luft der Brennstoffzelle (2) zugeführt wird, in welcher die verdichtete Luft mit dem Brennstoff reagiert, wobei auf einer Anodenseite (22) der Brennstoffzelle (2) im Anodenpfad (11) ein Brennstoffzellenabgas und Wasser entsteht, das in einem Wasserabscheider (15) abgeschieden wird, wobei die Turbine (9) durch einen Wasserstoffantrieb (8) mit einer Brennkammer (7) angetrieben ist, die mit Wasserstoff betrieben wird.
Um die Effizienz im Betrieb des Brennstoffzellensystems (1) zu erhöhen, ist der Brennkammer (7) eine Zumesseinrichtung (28) vorgeschaltet, an die eine von dem Wasserabscheider (15) im Anodenpfad (11) ausgehende Brennstoffzellenabgasleitung (27) und eine vor dem Dosierventil (12) abgezweigte Brennstoffleitung (29) angeschlossen ist.

Figure DE102020210671A1_0000
The invention relates to a fuel cell system (1), with a cathode path (3) for transporting oxygen-containing gas mixtures in the form of supply air and exhaust air, and with an anode path (11) for transporting fuel, which is fed via a metering valve (12) of a fuel cell ( 2) is supplied, a compressor (5) being arranged in the cathode path (3), which is drivingly connected to a turbine (9) and with which the supply air is compressed before the compressed air is supplied to the fuel cell (2), in which the compressed air reacts with the fuel, a fuel cell waste gas and water being produced on an anode side (22) of the fuel cell (2) in the anode path (11), which is separated in a water separator (15), the turbine (9) being a hydrogen drive (8) with a combustion chamber (7) which is operated with hydrogen.
In order to increase the efficiency in the operation of the fuel cell system (1), the combustion chamber (7) is preceded by a metering device (28), to which a fuel cell exhaust gas line (27) emanating from the water separator (15) in the anode path (11) and one before the metering valve (12) branched fuel line (29) is connected.
Figure DE102020210671A1_0000

Description

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem, mit einem Kathodenpfad zum Transportieren von sauerstoffhaltigen Gasgemischen in Form einer Zuluft und einer Abluft, und mit einem Anodenpfad zum Transportieren von Brennstoff, der über ein Dosierventil einer Brennstoffzelle zugeführt wird, wobei in dem Kathodenpfad ein Verdichter angeordnet ist, der antriebsmäßig mit einer Turbine verbunden ist und mit dem die Zuluft verdichtet wird, bevor die verdichtete Luft der Brennstoffzelle zugeführt wird, in welcher die verdichtete Luft mit dem Brennstoff reagiert, wobei auf einer Anodenseite der Brennstoffzelle im Anodenpfad ein Brennstoffzellenabgas und Wasser entsteht, das in einem Wasserabscheider abgeschieden wird, wobei die Turbine durch einen Wasserstoffantrieb mit einer Brennkammer angetrieben ist, die mit Wasserstoff betrieben wird. Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Verfahren zum Betreiben eines derartigen Brennstoffzellensystems.The invention relates to a fuel cell system, with a cathode path for transporting oxygen-containing gas mixtures in the form of supply air and exhaust air, and with an anode path for transporting fuel, which is supplied to a fuel cell via a metering valve, with a compressor being arranged in the cathode path is drivingly connected to a turbine and with which the supply air is compressed before the compressed air is fed to the fuel cell, in which the compressed air reacts with the fuel, with a fuel cell exhaust gas and water being produced on an anode side of the fuel cell in the anode path, which in a Water separator is separated, wherein the turbine is driven by a hydrogen engine with a combustor that is fueled with hydrogen. The invention also relates to a method for operating such a fuel cell system.

Stand der TechnikState of the art

Aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 10 2018 209 393 A1 ist eine Brennstoffzellenanordnung für ein Kraftfahrzeug bekannt, mit: Einer Brennstoffzelle als Energiequelle für eine Traktionseinheit des Kraftfahrzeugs; einem Wasserstofftank für frischen Wasserstoff; einem Turbolader, welcher eingerichtet ist, Zuluft der Brennstoffzelle zu komprimieren und mit einer Luftzuführleitung mit der Brennstoffzelle verbunden ist; und einem Brenner, welcher eingerichtet ist, mit dem frischen Wasserstoff betrieben zu werden und durch eine Wasserstoffzuleitung mit dem Wasserstofftank verbunden ist, wobei der Brenner energieübertragend mit dem Turbolader verbunden ist. Aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 10 2018 209 480 A1 ist eine Brennstoffzellenvorrichtung bekannt, umfassend: Eine oder mehrere Brennstoffzellen, insbesondere einen Brennstoffzellenstapel, welcher mehrere Brennstoffzellen umfasst; einen Speicherbehälter zur Speicherung eines gasförmigen Brennstoffs, wobei der gasförmige Brennstoff zur Umsetzung desselben mit einem Oxidationsmittelgas der einen oder den mehreren Brennstoffzellen, insbesondere dem Brennstoffzellenstapel, zugeführt ist; eine oder mehrere mit gasförmigem Brennstoff aus dem Speicherbehälter durchströmbare Turbinenvorrichtungen zur Bereitstellung mechanischer Leistung; wobei die Brennstoffzellenvorrichtung eine Brennkammervorrichtung zum Verbrennen von in Brennstoffzellengas der einen oder der mehreren Brennstoffzellen, insbesondere des Brennstoffzellenstapels, enthaltenem gasförmigem Brennstoff umfasst, wobei die Brennstoffzellenvorrichtung insbesondere eine Zusatzturbinenvorrichtung umfasst, welche zur Bereitstellung mechanischer Leistung mittels Abgas aus der Brennkammervorrichtung durchströmbar ist.From the German Offenlegungsschrift DE 10 2018 209 393 A1 a fuel cell arrangement for a motor vehicle is known, comprising: a fuel cell as a power source for a traction unit of the motor vehicle; a hydrogen tank for fresh hydrogen; a turbocharger which is set up to compress air supplied to the fuel cell and is connected to the fuel cell by an air supply line; and a burner which is set up to be operated with the fresh hydrogen and is connected to the hydrogen tank by a hydrogen supply line, the burner being connected to the turbocharger in an energy-transmitting manner. From the German Offenlegungsschrift DE 10 2018 209 480 A1 a fuel cell device is known, comprising: one or more fuel cells, in particular a fuel cell stack, which comprises several fuel cells; a storage tank for storing a gaseous fuel, the gaseous fuel being supplied to the one or more fuel cells, in particular the fuel cell stack, for the conversion of the same with an oxidant gas; one or more turbine devices, through which gaseous fuel from the storage container can flow, for providing mechanical power; wherein the fuel cell device comprises a combustion chamber device for burning gaseous fuel contained in the fuel cell gas of the one or more fuel cells, in particular the fuel cell stack, wherein the fuel cell device comprises in particular an auxiliary turbine device through which exhaust gas from the combustion chamber device can flow to provide mechanical power.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of Invention

Aufgabe der Erfindung ist es, die Effizienz im Betrieb eines Brennstoffzellensystems gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zu erhöhen.The object of the invention is to increase the efficiency in the operation of a fuel cell system according to the preamble of claim 1.

Die Aufgabe ist bei einem Brennstoffzellensystem gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 dadurch gelöst, dass der Brennkammer eine Zumesseinrichtung vorgeschaltet ist, an die eine von dem Wasserabscheider im Anodenpfad ausgehende Brennstoffzellenabgasleitung und eine vor dem Dosierventil abgezweigte Brennstoffleitung angeschlossen ist. Bei der Brennstoffzellenabgasleitung und der Brennstoffleitung kann es sich um tatsächliche Leitungen handeln. Dabei kann es sich aber auch um Kanäle oder Führungen für Brennstoffzellenabgas beziehungsweise Brennstoff handeln, die in gehäuseartigen Strukturen oder Tragstrukturen vorgesehen sind. Die Turbine wird vorzugsweise nur durch den Wasserstoffantrieb angetrieben. Der antriebsmäßig mit der Turbine verbundene Verdichter wird auch als Turbokompressor bezeichnet. Bei dem Brennstoff handelt es sich vorzugsweise um Wasserstoff, der auf einer Anodenseite der Brennstoffzelle zugeführt wird.The object is achieved in a fuel cell system according to the preamble of claim 1 in that the combustion chamber is preceded by a metering device to which a fuel cell exhaust gas line emanating from the water separator in the anode path and a fuel line branched off in front of the metering valve are connected. The fuel cell exhaust line and the fuel line may be actual lines. However, these can also be channels or guides for fuel cell waste gas or fuel, which are provided in housing-like structures or support structures. The turbine is preferably driven solely by the hydrogen engine. The compressor, which is drivingly connected to the turbine, is also referred to as a turbo compressor. The fuel is preferably hydrogen, which is supplied on an anode side of the fuel cell.

Über das Dosierventil kann bedarfsabhängig ausreichend Wasserstoff aus dem Anodenpfad abgezweigt werden. Je nach Bedarf kann das Dosierventil in dem Zusatzpfad auch geschlossen werden, wenn kein Wasserstoff zum Antrieb des Verdichters benötigt wird, oder wenn der Wasserstoff zum Antrieb des Verdichters anderweitig in dem Brennstoffzellensystem bereitgestellt wird. Vor dem Dosierventil herrscht ein sogenannter Mitteldruck. Der Mitteldruck wird in dem Anodenpfad zum Beispiel durch einen Druckminderer erreicht, durch den en relativ hoher Tankdruck eines Wasserstofftanks, in dem der als Brennstoff verwendete Wasserstoff bereitgestellt wird, auf den Mitteldruck abgesenkt wird. Durch das Absenken des Tankdrucks auf den Mitteldruck wird die regelungstechnische Handhabung des Wasserstoffs in dem Brennstoffzellensystem vereinfacht. Mit dem frischen Brennstoff aus der Brennstoffleitung kann der Druck des Brennstoffzellenabgases aus der Brennstoffzellenabgasleitung angehoben werden. Die Brennstoffzellenabgasleitung führt über die Zumesseinrichtung nur zur Brennkammer. So kann die Brennkammer mit Brennstoffzellenabgas aus der Brennstoffzellenabgasleitung und/oder mit frischem Brennstoff aus der Brennstoffleitung betrieben werden. Das beanspruchte Brennstoffzellensystem umfasst insbesondere keine Rezirkulation des Brennstoffs auf der Anodenseite. Das heißt, das Brennstoffzellenabgas wird nicht im Kreis durch die Brennstoffzelle geführt, wie es bei herkömmlichen Brennstoffzellensystemen zum Teil üblich ist. Das beanspruchte Brennstoffzellensystem umfasst darüber hinaus kein Purge-Ventil. Das gesamte Anodengas wird der Brennkammer zugeführt.Depending on requirements, sufficient hydrogen can be diverted from the anode path via the dosing valve. Depending on requirements, the metering valve in the additional path can also be closed when no hydrogen is required to drive the compressor, or when the hydrogen to drive the compressor is provided elsewhere in the fuel cell system. A so-called medium pressure prevails in front of the dosing valve. The medium pressure is achieved in the anode path, for example, by a pressure reducer, by which the relatively high tank pressure of a hydrogen tank, in which the hydrogen used as fuel is provided, is lowered to the medium pressure. By lowering the tank pressure to the medium pressure, the control engineering handling of the hydrogen in the fuel cell system is simplified. With the fresh fuel from the fuel line, the pressure of the fuel cell exhaust gas from the fuel cell exhaust line can be increased. The fuel cell exhaust line only leads to the combustion chamber via the metering device. The combustion chamber can be operated with fuel cell exhaust gas from the fuel cell exhaust gas line and/or with fresh fuel from the fuel line. In particular, the claimed fuel cell system does not include any recirculation of the fuel on the anode side. This means that the fuel cell exhaust gas is not circulated through the fuel cell, as is the case with fro conventional fuel cell systems is common in part. Furthermore, the claimed fuel cell system does not include a purge valve. All of the anode gas is fed to the combustion chamber.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Brennstoffzellensystems ist dadurch gekennzeichnet, dass die Zumesseinrichtung eine Saugstrahlpumpe umfasst, der als Treibmedium über die Brennstoffleitung frischer Brennstoff zugeführt wird, mit dem das Brennstoffzellenabgas aus der Brennstoffzellenabgasleitung verdichtet und in die Brennkammer gefördert wird. Über die Saugstrahlpumpe kann mit Hilfe des frischen Brennstoffs, der vorzugsweise mit dem vorab beschriebenen Mitteldruck beaufschlagt ist, der geringere Druck des Brennstoffzellenabgases aus der Brennstoffzellenabgasleitung wirksam angehoben werden. Dadurch kann die Brennkammer zum Antreiben der Turbine effizienter betrieben werden.A preferred exemplary embodiment of the fuel cell system is characterized in that the metering device comprises a suction jet pump, which is supplied with fresh fuel as a driving medium via the fuel line, with which the fuel cell exhaust gas from the fuel cell exhaust gas line is compressed and conveyed into the combustion chamber. The lower pressure of the fuel cell exhaust gas from the fuel cell exhaust gas line can be effectively increased via the ejector pump with the aid of the fresh fuel, which is preferably subjected to the medium pressure described above. This allows the combustor to operate the turbine more efficiently.

Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Brennstoffzellensystems ist dadurch gekennzeichnet, dass der Zumesseinrichtung ein zusätzliches Dosierventil vorgeschaltet ist. Über das zusätzliche Dosierventil kann vorteilhaft eingestellt werden, wieviel frischer Brennstoff der Brennkammer zugeführt wird. Das zusätzliche Dosierventil ist vorteilhaft genauso oder zumindest so ähnlich ausgeführt wie das Dosierventil, über welches der Brennstoffzelle Brennstoff zugeführt wird. Dadurch können die Herstellkosten reduziert werden.Another preferred exemplary embodiment of the fuel cell system is characterized in that an additional metering valve is connected upstream of the metering device. The additional metering valve can advantageously be used to set how much fresh fuel is fed to the combustion chamber. The additional metering valve is advantageously designed in exactly the same way or at least as similar to the metering valve via which fuel is supplied to the fuel cell. As a result, the manufacturing costs can be reduced.

Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Brennstoffzellensystems ist dadurch gekennzeichnet, dass im Anodenpfad ein zusätzliches Absperrventil angeordnet ist, um ein unerwünschtes Entweichen von Wasserstoff aus der Brennstoffzelle über die Brennkammer zu verhindern. Das zusätzliche Absperrventil wird benötigt, wenn das Brennstoffzellensystem nicht im Betrieb ist. Dann können mit dem zusätzlichen Absperrventil unerwünschte Brennstoffverluste verhindert werden.A further preferred exemplary embodiment of the fuel cell system is characterized in that an additional shut-off valve is arranged in the anode path in order to prevent hydrogen from escaping undesirably from the fuel cell via the combustion chamber. The additional shut-off valve is required when the fuel cell system is not in operation. The additional shut-off valve can then be used to prevent unwanted fuel losses.

Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Brennstoffzellensystems ist dadurch gekennzeichnet, dass das zusätzliche Absperrventil in der Brennstoffzellenabgasleitung zwischen dem Wasserabscheider und der Zumesseinrichtung angeordnet ist. Das zusätzliche Absperrventil ist kostengünstig zum Beispiel als 2/2-Wegeventil ausgeführt. Das 2/2-Wegeventil ist zum Beispiel elektromagnetisch angesteuert. Die Ansteuerung des 2/2-Wegeventils erfolgt vorteilhaft über eine Steuerung des Brennstoffzellensystems.A further preferred exemplary embodiment of the fuel cell system is characterized in that the additional shut-off valve is arranged in the fuel cell waste gas line between the water separator and the metering device. The additional shut-off valve is designed cost-effectively, for example as a 2/2-way valve. The 2/2-way valve is controlled electromagnetically, for example. The 2/2-way valve is advantageously activated via a controller of the fuel cell system.

Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Brennstoffzellensystems ist dadurch gekennzeichnet, dass das zusätzliche Absperrventil zwischen der Zumesseinrichtung und der Brennkammer angeordnet ist. Das zusätzliche Absperrventil ist kostengünstig zum Beispiel als 2/2-Wegeventil ausgeführt. Das 2/2-Wegeventil ist zum Beispiel elektromagnetisch angesteuert. Die Ansteuerung des 2/2-Wegeventils erfolgt vorteilhaft über eine Steuerung des Brennstoffzellensystems.Another preferred exemplary embodiment of the fuel cell system is characterized in that the additional shut-off valve is arranged between the metering device and the combustion chamber. The additional shut-off valve is designed cost-effectively, for example as a 2/2-way valve. The 2/2-way valve is controlled electromagnetically, for example. The 2/2-way valve is advantageously activated via a controller of the fuel cell system.

Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Brennstoffzellensystems ist dadurch gekennzeichnet, dass der Kathodenpad nach der Brennstoffzelle durch die Brennkammer der Turbine verläuft. Die Luft am Kathodenaustritt wird als Verbrennungsluft der Wasserstoffbrennkammer zugeführt. Dadurch wird ein sehr effizienter Betrieb des Wasserstoffantriebs für die Turbine ermöglicht.Another preferred exemplary embodiment of the fuel cell system is characterized in that the cathode pad runs through the combustion chamber of the turbine after the fuel cell. The air at the cathode outlet is fed to the hydrogen combustion chamber as combustion air. This enables very efficient operation of the hydrogen drive for the turbine.

Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Brennstoffzellensystems ist dadurch gekennzeichnet, dass in dem Kathodenpfad nach der Brennstoffzelle und vor der Wasserstoffbrennkammer der Turbine ein Wasserabscheider angeordnet ist, der mit der Turbine verbunden ist. Über den Wasserabscheider kann flüssiges Wasser der Kathode abgesondert werden. Das abgesonderte Wasser wird vorteilhaft einem Abgasstrahl nach der Turbine zugeführt. Das restliche in der Kathodenabluft noch enthaltene Wasser wird in der Wasserstoffbrennkammer genutzt, um die Emissionen bei der Verbrennung gering zu halten.Another preferred exemplary embodiment of the fuel cell system is characterized in that a water separator, which is connected to the turbine, is arranged in the cathode path after the fuel cell and before the hydrogen combustion chamber of the turbine. Liquid water can be separated from the cathode via the water separator. The separated water is advantageously supplied to an exhaust jet after the turbine. The remaining water contained in the cathode exhaust air is used in the hydrogen combustion chamber to keep emissions during combustion low.

Bei einem Verfahren zum Betreiben eines vorab beschriebenen Brennstoffzellensystems ist die oben angegebene Aufgabe alternativ oder zusätzlich dadurch gelöst, dass das Brennstoffzellenabgas über die Brennstoffzellenabgasleitung und die Zumesseinrichtung der Brennkammer zugeführt wird. Die Zumesseinrichtung umfasst vorteilhaft eine Saugstrahlpumpe und ein Dosierventil. So kann die Brennkammer zum Antreiben der Turbine effizient mit frischem Wasserstoff und/oder Brennstoffzellenabgas betrieben werden.In a method for operating a fuel cell system as described above, the object specified above is alternatively or additionally achieved in that the fuel cell exhaust gas is supplied to the combustion chamber via the fuel cell exhaust gas line and the metering device. The metering device advantageously includes a suction jet pump and a metering valve. In this way, the combustor for driving the turbine can be efficiently operated with fresh hydrogen and/or fuel cell exhaust gas.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkammer nur mit dem Brennstoffzellenabgas aus der Brennstoffzellenabgasleitung betrieben wird, solange der Anodendruck hoch genug ist. Das liefert den Vorteil, dass in diesem Zustand kein frischer Brennstoff benötigt wird.A preferred exemplary embodiment of the method is characterized in that the combustion chamber is only operated with the fuel cell exhaust gas from the fuel cell exhaust gas line as long as the anode pressure is high enough. This provides the advantage that no fresh fuel is required in this state.

Die Erfindung betrifft des Weiteren eine Zumesseinrichtung, insbesondere eine Saugstrahlpumpe, ein Absperrventil und/oder ein zusätzliches Dosierventil für ein vorab beschriebenes Brennstoffzellensystem. Die genannten Teile sind separat handelbar.The invention also relates to a metering device, in particular a suction jet pump, a shut-off valve and/or an additional metering valve for a fuel cell system as described above. The parts mentioned can be traded separately.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnung verschiedene Ausführungsbeispiele im Einzelnen beschrieben sind.Further advantages, features and details of the invention result from the following Description in which various exemplary embodiments are described in detail with reference to the drawing.

Figurenlistecharacter list

  • Die einzige beiliegende Figur zeigt eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems mit einem Wasserstoffantrieb für eine Turbine, die einen Verdichter in einem Kathodenpfad antreibt.The sole accompanying figure shows a schematic representation of a fuel cell system with a hydrogen engine for a turbine driving a compressor in a cathode path.

Beschreibung der AusführungsbeispieleDescription of the exemplary embodiments

1 zeigt eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems 1 mit mindestens einer Brennstoffzelle 2. Der Brennstoffzelle 2 wird über einen Kathodenpfad 3 Luft 4 aus einer Umgebung zugeführt. Die Luft 4 wird in einem Verdichter 5 verdichtet, bevor sie der Brennstoffzelle 2 zugeführt wird. 1 shows a schematic representation of a fuel cell system 1 with at least one fuel cell 2. The fuel cell 2 is fed via a cathode path 3 air 4 from an environment. The air 4 is compressed in a compressor 5 before it is fed to the fuel cell 2 .

Die Luft 4 aus der Umgebung wird auch als Zuluft bezeichnet. Die Luft, die aus der Brennstoffzelle 2 austritt, wird auch als Abluft bezeichnet. Die Abluft wird über einen Wasserabscheider 6 einer Wasserstoffbrennkammer 7 zugeführt, die verkürzt als Brennkammer 7 bezeichnet wird.The air 4 from the environment is also referred to as supply air. The air that exits the fuel cell 2 is also referred to as exhaust air. The exhaust air is fed via a water separator 6 to a hydrogen combustion chamber 7 , which is referred to as the combustion chamber 7 for short.

Die Wasserstoffbrennkammer 7 dient zur Darstellung eines Wasserstoffantriebs 8 für eine Turbine 9. Die Turbine 9 ist antriebsmäßig mit dem Verdichter 5 verbunden. In der Wasserstoffbrennkammer 7 wird Wasserstoff in einem Brennstoffgasgemisch mit der Abluft der Brennstoffzelle 2 verbrannt, um die Turbine 9 anzutreiben.The hydrogen combustion chamber 7 serves to represent a hydrogen drive 8 for a turbine 9. The turbine 9 is drivingly connected to the compressor 5. In the hydrogen combustor 7 , hydrogen in a fuel gas mixture with the exhaust air from the fuel cell 2 is combusted to drive the turbine 9 .

Durch einen Pfeil 10 ist das aus der Turbine 9 austretende Abgas angedeutet. Über den Wasserabscheider 6 wird aus der Abluft der Brennstoffzelle 2 abgeschiedenes flüssiges Wasser in der Turbine 9 oder nach der Turbine 9 dem Abgas 10 zugeführt. Das restliche Wasser wird zusammen mit der Abluft der Brennstoffzelle 2 in der Wasserstoffbrennkammer 7 der Turbine 9 zur Verbesserung des Brennverfahrens genutzt, insbesondere zur Stickoxidreduktion.The exhaust gas emerging from the turbine 9 is indicated by an arrow 10 . Liquid water separated from the exhaust air of the fuel cell 2 is fed to the exhaust gas 10 in the turbine 9 or after the turbine 9 via the water separator 6 . The remaining water is used together with the exhaust air from the fuel cell 2 in the hydrogen combustion chamber 7 of the turbine 9 to improve the combustion process, in particular to reduce nitrogen oxides.

Dem Brennstoffzellensystem 1 wird über einen Anodenpfad 11 Wasserstoff als Brennstoff zugeführt. Der Wasserstoff wird zum Beispiel einem Wasserstofftank entnommen, wobei über einen Druckminderer der Druck des zugeführten Wasserstoffs reduziert wird. Der reduzierte Druck wird auch als Mitteldruck bezeichnet.Hydrogen as fuel is supplied to the fuel cell system 1 via an anode path 11 . The hydrogen is taken from a hydrogen tank, for example, with the pressure of the supplied hydrogen being reduced via a pressure reducer. The reduced pressure is also referred to as medium pressure.

Über ein Dosierventil 12 wird die der Brennstoffzelle 2 zuzuführende Wasserstoffmenge dosiert. Der zugeführte Wasserstoff wird nur einmal durch die Brennstoffzelle 2 geführt. Der Brennstoffzelle 2 ist im Anodenpfad 11 ein Wasserabscheider 15 nachgeschaltet. Der Wasserabscheider 15 ist mit einem Ablassventil 17 ausgestattet. Über das Ablassventil 17 kann im Wasserabscheider 15 abgeschiedenes Wasser abgelassen werden.The amount of hydrogen to be supplied to the fuel cell 2 is metered via a metering valve 12 . The supplied hydrogen is passed through the fuel cell 2 only once. A water separator 15 is connected downstream of the fuel cell 2 in the anode path 11 . The water separator 15 is equipped with a drain valve 17. Water that has separated out in the water separator 15 can be drained off via the drain valve 17 .

Von dem Wasserabscheider 15 geht eine Brennstoffzellenabgasleitung 27 aus. Die Brennstoffzellenabgasleitung 27 verbindet den Wasserabscheider 15 mit einer Zumesseinrichtung 28. Die Zumesseinrichtung 28 umfasst eine Saugstrahlpumpe 30.A fuel cell exhaust gas line 27 extends from the water separator 15 . The fuel cell exhaust line 27 connects the water separator 15 to a metering device 28. The metering device 28 includes a suction jet pump 30.

Als Saugmedium der Saugstrahlpumpe 30 dient das über die Brennstoffzellenabgasleitung 27 zugeführte Brennstoffzellenabgas. Als Treibmedium der Saugstrahlpumpe 30 dient frischer Wasserstoff, der über eine Brennstoffleitung 29 vor dem Dosierventil 12 aus dem Anodenpfad 11 abgezweigt wird.The fuel cell exhaust gas supplied via the fuel cell exhaust gas line 27 serves as the suction medium of the suction jet pump 30 . The driving medium of the ejector pump 30 is fresh hydrogen, which is branched off from the anode path 11 via a fuel line 29 upstream of the metering valve 12 .

In der Brennstoffleitung 29 ist der Zumesseinrichtung 28 mit der Saugstrahlpumpe 30 ein zusätzliches Dosierventil 21 vorgeschaltet. Über das zusätzliche Dosierventil 21 kann der über die Brennstoffleitung 29 der Zumesseinrichtung 28 zugeführte Brennstoff dosiert werden.An additional metering valve 21 is connected upstream of the metering device 28 with the ejector pump 30 in the fuel line 29 . The fuel supplied to the metering device 28 via the fuel line 29 can be metered via the additional metering valve 21 .

Die in 1 linke Seite der Brennstoffzelle 2 wird auch als Anodenseite 22 bezeichnet. Analog wird die in 1 rechte Seite der Brennstoffzelle 2 auch als Kathodenseite 23 bezeichnet. In der Brennstoffzelle 2 ist durch Pfeile und Linien angedeutet, dass in der Brennstoffzelle 2 zwischen der Anodenseite 22 und der Kathodenseite 23 eine chemische Reaktion stattfindet, um elektrische Energie zu gewinnen.In the 1 The left side of the fuel cell 2 is also referred to as the anode side 22 . Analogously, the in 1 right side of the fuel cell 2 is also referred to as the cathode side 23 . Arrows and lines in the fuel cell 2 indicate that a chemical reaction takes place in the fuel cell 2 between the anode side 22 and the cathode side 23 in order to generate electrical energy.

Im Betrieb des Brennstoffzellensystems 1 wird auf der Kathodenseite 23 die Luft 4 über den Verdichter 5 komprimiert und der Brennstoffzelle 2 beziehungsweise einem Brennstoffzellenstack zugeführt. Der Antrieb des Verdichters 5 erfolgt über die Turbine 9.During operation of the fuel cell system 1, the air 4 is compressed via the compressor 5 on the cathode side 23 and fed to the fuel cell 2 or a fuel cell stack. The compressor 5 is driven by the turbine 9.

Die Turbine 9 wird über Heißgas aus der Wasserstoffbrennkammer 7 angetrieben. Der Brennstoff in der Wasserstoffbrennkammer 7 ist Wasserstoff. Es gibt in dem dargestellten Brennstoffzellensystem 1 keine Wasserstoff-Rezirkulation. Über die Leitung 27 wird das gesamte Anodenabgas der Brennkammer 7 zugeführt. Überschüssiger Wasserstoff wird mit dem darin enthaltenen Stickstoff über den Wasserabscheider 15 und die Brennstoffzellenabgasleitung 27 durch die Zumesseinrichtung 28 dem Wasserstoffantrieb 8 der Turbine 9 zugeführt.The turbine 9 is driven by hot gas from the hydrogen combustion chamber 7 . The fuel in the hydrogen combustor 7 is hydrogen. There is no hydrogen recirculation in the fuel cell system 1 shown. All of the anode waste gas is fed to the combustion chamber 7 via the line 27 . Excess hydrogen is supplied with the nitrogen it contains via the water separator 15 and the fuel cell exhaust gas line 27 through the metering device 28 to the hydrogen drive 8 of the turbine 9 .

Durch Rechtecke 25; 26 sind in 1 mögliche Positionen für ein zusätzliches Absperrventil angedeutet. Das zusätzliche Absperrventil 25; 26 dient bei ausgeschaltetem Brennstoffzellensystem 1 dazu, ein unerwünschtes Entweichen von Brennstoff aus der Brennstoffzelle 2 über die Brennstoffzellenabgasleitung 27 und die Brennkammer 7 zu verhindern.By rectangles 25; 26 are in 1 possible positions for an additional shut-off valve indicated. The additional check valve 25; 26 is used when fuel cell system 1 is switched off to prevent an undesired escape of fuel from the fuel cell 2 via the fuel cell exhaust pipe 27 and the combustor 7 .

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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited

  • DE 102018209393 A1 [0002]DE 102018209393 A1 [0002]
  • DE 102018209480 A1 [0002]DE 102018209480 A1 [0002]

Claims (10)

Brennstoffzellensystem (1), mit einem Kathodenpfad (3) zum Transportieren von sauerstoffhaltigen Gasgemischen in Form einer Zuluft und einer Abluft, und mit einem Anodenpfad (11) zum Transportieren von Brennstoff, der über ein Dosierventil (12) einer Brennstoffzelle (2) zugeführt wird, wobei in dem Kathodenpfad (3) ein Verdichter (5) angeordnet ist, der antriebsmäßig mit einer Turbine (9) verbunden ist und mit dem die Zuluft verdichtet wird, bevor die verdichtete Luft der Brennstoffzelle (2) zugeführt wird, in welcher die verdichtete Luft mit dem Brennstoff reagiert, wobei auf einer Anodenseite (22) der Brennstoffzelle (2) im Anodenpfad (11) ein Brennstoffzellenabgas und Wasser entsteht, das in einem Wasserabscheider (15) abgeschieden wird, wobei die Turbine (9) durch einen Wasserstoffantrieb (8) mit einer Brennkammer (7) angetrieben ist, die mit Wasserstoff betrieben wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennkammer (7) eine Zumesseinrichtung (28) vorgeschaltet ist, an die eine von dem Wasserabscheider (15) im Anodenpfad (11) ausgehende Brennstoffzellenabgasleitung (27) und eine vor dem Dosierventil (12) abgezweigte Brennstoffleitung (29) angeschlossen ist.Fuel cell system (1), with a cathode path (3) for transporting oxygen-containing gas mixtures in the form of supply air and exhaust air, and with an anode path (11) for transporting fuel, which is supplied to a fuel cell (2) via a metering valve (12). , wherein a compressor (5) is arranged in the cathode path (3), which is drivingly connected to a turbine (9) and with which the supply air is compressed before the compressed air is fed to the fuel cell (2), in which the compressed Air reacts with the fuel, fuel cell exhaust gas and water being produced on an anode side (22) of the fuel cell (2) in the anode path (11), which is separated in a water separator (15), the turbine (9) being powered by a hydrogen drive (8th ) is driven with a combustion chamber (7) which is operated with hydrogen, characterized in that the combustion chamber (7) is preceded by a metering device (28) to which one of the water separator (15) in the anode path (11) outgoing fuel cell exhaust gas line (27) and a fuel line (29) branched off in front of the metering valve (12). Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zumesseinrichtung (28) eine Saugstrahlpumpe (30) umfasst, der als Treibmedium über die Brennstoffleitung (29) frischer Brennstoff zugeführt wird, mit dem das Brennstoffzellenabgas aus der Brennstoffzellenabgasleitung (27) verdichtet und in die Brennkammer (7) gefördert wird.fuel cell system claim 1 , characterized in that the metering device (28) comprises a suction jet pump (30) to which fresh fuel is supplied as a driving medium via the fuel line (29), with which the fuel cell exhaust gas from the fuel cell exhaust gas line (27) is compressed and conveyed into the combustion chamber (7). will. Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Zumesseinrichtung (28) ein zusätzliches Dosierventil (21) vorgeschaltet ist.Fuel cell system according to one of the preceding claims, characterized in that the metering device (28) is preceded by an additional metering valve (21). Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Anodenpfad (11) ein zusätzliches Absperrventil (25;26) angeordnet ist, um ein unerwünschtes Entweichen von Wasserstoff aus der Brennstoffzelle (2) über die Brennkammer (7) zu verhindern.Fuel cell system according to one of the preceding claims, characterized in that an additional shut-off valve (25; 26) is arranged in the anode path (11) in order to prevent undesired escape of hydrogen from the fuel cell (2) via the combustion chamber (7). Brennstoffzellensystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das zusätzliche Absperrventil (25) in der Brennstoffzellenabgasleitung (27) zwischen dem Wasserabscheider (15) und der Zumesseinrichtung (28) angeordnet ist.fuel cell system claim 4 , characterized in that the additional shut-off valve (25) is arranged in the fuel cell exhaust pipe (27) between the water separator (15) and the metering device (28). Brennstoffzellensystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das zusätzliche Absperrventil (26) zwischen der Zumesseinrichtung (28) und der Brennkammer (7) angeordnet ist.fuel cell system claim 4 , characterized in that the additional shut-off valve (26) is arranged between the metering device (28) and the combustion chamber (7). Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kathodenpfad (3) nach der Brennstoffzelle (2) durch die Brennkammer (7) der Turbine (9) verläuft.Fuel cell system according to one of the preceding claims, characterized in that the cathode path (3) runs after the fuel cell (2) through the combustion chamber (7) of the turbine (9). Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Brennstoffzellenabgas über die Brennstoffzellenabgasleitung (27) und die Zumesseinrichtung (28) der Brennkammer (7) zugeführt wird.Method for operating a fuel cell system (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the fuel cell exhaust gas is supplied to the combustion chamber (7) via the fuel cell exhaust gas line (27) and the metering device (28). Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennkammer (7) nur mit dem Brennstoffzellenabgas aus der Brennstoffzellenabgasleitung (27) betrieben wird, solange der Anodendruck hoch genug ist.procedure after claim 8 , characterized in that the combustion chamber (7) is operated only with the fuel cell exhaust gas from the fuel cell exhaust gas line (27) as long as the anode pressure is high enough. Zumesseinrichtung (28), insbesondere Saugstrahlpumpe (30), Absperrventil (25,26) und/oder zusätzliches Dosierventil (12) für ein Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7.Metering device (28), in particular ejector pump (30), shut-off valve (25,26) and/or additional metering valve (12) for a fuel cell system according to one of Claims 1 until 7 .
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