DE102021204461A1 - Fuel cell system and method for thermal conditioning - Google Patents

Fuel cell system and method for thermal conditioning Download PDF

Info

Publication number
DE102021204461A1
DE102021204461A1 DE102021204461.1A DE102021204461A DE102021204461A1 DE 102021204461 A1 DE102021204461 A1 DE 102021204461A1 DE 102021204461 A DE102021204461 A DE 102021204461A DE 102021204461 A1 DE102021204461 A1 DE 102021204461A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
line
fuel cell
anode
air
cell system
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
DE102021204461.1A
Other languages
German (de)
Inventor
Helerson Kemmer
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Priority to DE102021204461.1A priority Critical patent/DE102021204461A1/en
Publication of DE102021204461A1 publication Critical patent/DE102021204461A1/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04007—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids related to heat exchange
    • H01M8/04014—Heat exchange using gaseous fluids; Heat exchange by combustion of reactants
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H01M8/04097—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with recycling of the reactants
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04701—Temperature
    • H01M8/04708—Temperature of fuel cell reactants

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

Brennstoffzellensystem mit mindestens einem Brennstoffzellenstack (101), einem Luftpfad (10), wobei über den Luftpfad (10) Luft aus der Umgebung zur Brennstoffzelle gelangt, einem Abgaspfad (12) und einem Anodensystem (20), wobei das Anodensystem eine Anodenleitung (20) und eine Rezirkulationsleitung (50) umfasst, und über die Anodenleitung (20) Wasserstoff zum Brennstoffzellenstack (101) transportiert wird. Über eine erste Leitung (31) ist eine Fluidmenge aus dem Luftpfad (10) oder dem Abgaspfad (12) entnehmbar, um eine Komponente im Anodensystem thermisch zu konditionieren.Fuel cell system with at least one fuel cell stack (101), an air path (10), air from the environment reaching the fuel cell via the air path (10), an exhaust gas path (12) and an anode system (20), the anode system having an anode line (20) and a recirculation line (50), and hydrogen is transported to the fuel cell stack (101) via the anode line (20). A quantity of fluid can be removed from the air path (10) or the exhaust gas path (12) via a first line (31) in order to thermally condition a component in the anode system.

Description

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Patentanspruches 1. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur thermischen Konditionieren einer Komponente eines Brennstoffzellensystems mit den Merkmalen des Patentanspruches 9.The invention relates to a fuel cell system with the features of the preamble of patent claim 1. The invention also relates to a method for thermal conditioning of a component of a fuel cell system with the features of patent claim 9.

Stand der TechnikState of the art

Mit Hilfe einer Brennstoffzelle eines Brennstoffzellensystems der eingangs genannten Art wird unter Verwendung von Wasserstoff und Sauerstoff chemische in elektrische Energie umgewandelt. Dabei kann eine Polymermembran als Elektrolyt dienen. Ist dies der Fall, handelt es sich um eine PEM („Proton Exchange Membran“) -Brennstoffzelle. Brennstoffzellensysteme mit derartigen Brennstoffzellen werden als PEM-Brennstoffzellensysteme bezeichnet.With the aid of a fuel cell of a fuel cell system of the type mentioned at the outset, chemical energy is converted into electrical energy using hydrogen and oxygen. A polymer membrane can serve as the electrolyte. If this is the case, it is a PEM (“Proton Exchange Membrane”) fuel cell. Fuel cell systems with such fuel cells are referred to as PEM fuel cell systems.

Die mit Hilfe eines Brennstoffzellensystems im Wege der elektrochemischen Wandlung gewonnene elektrische Energie kann als Antriebsenergie, beispielsweise zum Antrieb eines Fahrzeugs, genutzt werden. Der hierzu benötigte Wasserstoff wird an Bord des Fahrzeugs in einem geeigneten Tank mitgeführt. Der ferner benötigte Sauerstoff kann der Umgebungsluft entnommen werden.The electrical energy obtained with the aid of a fuel cell system by way of electrochemical conversion can be used as drive energy, for example to drive a vehicle. The hydrogen required for this is carried on board the vehicle in a suitable tank. The oxygen that is also required can be taken from the ambient air.

Wasserstoff basierte Brennstoffzellensysteme gelten als Mobilitätskonzept der Zukunft, da nur Wasser bzw. Wasserdampf emittiert wird. Darüber hinaus sind schnelle Betankungszeiten realisierbar. Als problematisch erweist sich jedoch, dass ein im Wasserstoff enthaltener gasförmiger Wasseranteil auskondensieren und bei entsprechend tiefen Umgebungstemperaturen gefrieren kann. Wird das System bei entsprechend tiefen Umgebungstemperaturen gestartet, besteht demnach die Gefahr einer Vereisung eines wasserstoffführenden Anodenpfads des Brennstoffzellensystems.Hydrogen-based fuel cell systems are considered the mobility concept of the future, since only water or water vapor is emitted. In addition, fast refueling times can be achieved. However, it has proven to be problematic that a gaseous water content contained in the hydrogen can condense out and freeze at correspondingly low ambient temperatures. If the system is started at correspondingly low ambient temperatures, there is therefore a risk of a hydrogen-carrying anode path of the fuel cell system icing up.

Um dies zu vermeiden, sind aus dem Stand der Technik Systemtopologien bekannt bei denen mit Hilfe von elektrischen Heizern thermische Energie in das Anodensystem eingebracht wird.In order to avoid this, system topologies are known from the prior art in which thermal energy is introduced into the anode system with the aid of electrical heaters.

Ausgehend von dem vorstehend genannten Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Möglichkeit zur thermischen Konditionierung des Anodensystems bereitzustellen, welche unabhängig von elektrischen Heizern ist.Proceeding from the prior art mentioned above, the object of the present invention is to provide a possibility for thermal conditioning of the anode system which is independent of electrical heaters.

Zur Lösung der Aufgabe wird das Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1, sowie das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 9 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den jeweiligen Unteransprüchen zu entnehmen.To solve the problem, the fuel cell system with the features of claim 1 and the method with the features of claim 9 are proposed. Advantageous developments of the invention can be found in the respective dependent claims.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of Invention

Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruches 1 und das Verfahren zur thermischen Konditionierung haben den Vorteil, dass zum Erwärmen von Komponenten im Anodensystem oder zum Erwärmen des Fluides im Anodensystem kein elektrischer Heizer genutzt werden muss. Durch den Wegfall des Heizers können Kosten gespart werden, des Weiteren findet eine Einsparung der elektrischen Leistung statt. Insgesamt lässt sich auf diese Weise der H2-Verbrauch senken.The fuel cell system according to the invention with the features of independent claim 1 and the method for thermal conditioning have the advantage that no electric heater has to be used to heat components in the anode system or to heat the fluid in the anode system. By eliminating the heater, costs can be saved, and there is also a saving in electrical power. Overall, the H2 consumption can be reduced in this way.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist kostengünstig, da auf bereits im System verbaute Komponenten, wie den Verdichter zurückgegriffen werden kann, um das Fluid, welches das Anodensystem erwärmen soll, auf die notwendige Temperatur zu bringen, welche sich meist oberhalb von 160 °C befindet.The method according to the invention is inexpensive because components already installed in the system, such as the compressor, can be used to bring the fluid, which is intended to heat the anode system, to the required temperature, which is usually above 160°C.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann auch zum Kühlen von Komponenten genutzt werden, indem weniger stark erwärmte Luft über die erste Leitung zu den Komponenten des Anodensystems geleitet wird.The device according to the invention can also be used to cool components, in that air that has been heated to a lesser extent is conducted to the components of the anode system via the first line.

In den abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems angegeben.Advantageous refinements and developments of the fuel cell system according to the invention are specified in the dependent claims.

Es ist von Vorteil, wenn über eine erste Leitung eine Fluidmenge aus dem Luftpfad entnommen wird, um eine Komponente im Anodensystem thermisch zu konditionieren, da auf diese Weise keine zusätzliche Luftquelle oder ein zusätzlicher Luftkreislauf zur Verfügung gestellt werden muss, um die Komponente thermisch zu konditionieren bzw. aufzuwärmen oder zu kühlen.It is advantageous if a quantity of fluid is taken from the air path via a first line in order to thermally condition a component in the anode system, since in this way no additional air source or an additional air circuit has to be made available in order to thermally condition the component or to warm up or cool down.

Die Anordnung eines Ventils, insbesondere eines Proportionalventil, in der ersten Leitung ist vorteilhaft, da auf diese Weise, die Menge der Luft, die zum thermischen Konditionieren benötigt wird, je nach Bedarf eingestellt werden kann.The arrangement of a valve, in particular a proportional valve, in the first line is advantageous since in this way the amount of air required for thermal conditioning can be adjusted as required.

Wenn die Komponente ein Wärmetauscher oder ein Durchströmungsheizer ist, welcher in der Anodenleitung oder der Rezirkulationsleitung angeordnet ist, kann thermische Energie an das Fluid in der Rezirkulationsleitung oder Anodenleitung abgegeben werden und dieses auf die benötigte Betriebstemperatur gebracht werden.If the component is a heat exchanger or a flow-through heater, which is arranged in the anode line or the recirculation line, thermal energy can be transferred to the fluid in the recirculation line or the anode line and brought to the required operating temperature.

Es ist von Vorteil, wenn der Wärmetauscher mit einer Rückführleitung verbunden ist, wobei über die Rückführleitung Luft aus der ersten Leitung zurück in die Luftleitung oder Abgasleitung abführbar ist, da auf diese Weise die Luft kontrolliert in die Umgebung entlassen wird.It is advantageous if the heat exchanger is connected to a return line, air from the first line being able to be discharged back into the air line or exhaust gas line via the return line, since in this way the air is discharged into the environment in a controlled manner.

Auf vorteilhafte Weise kann die Komponente ein Ventil, eine Rezirkulationspumpe oder eine Saugstrahlpumpe sein, welche im Anodensystem angeordnet ist, und mit Hilfe der Luft aus dem Luftpfad gekühlt oder erwärmt wird.The component can advantageously be a valve, a recirculation pump or an ejector pump, which is arranged in the anode system and is cooled or heated with the aid of the air from the air path.

Hierbei kann die erste Leitung so angeordnet sein, dass das Fluid einen Bereich des Gehäuses der Komponente anströmt und/oder umströmt, in dem ein Problem aufgrund einer zu hohen oder zu niedrigen Temperatur auftreten ist. Durch das Fluides kann ein thermischer Ausgleich geschaffen werden und die Komponente auf die benötigte Temperatur gebracht werden.In this case, the first line can be arranged in such a way that the fluid flows against and/or around an area of the housing of the component in which a problem has occurred due to a temperature that is too high or too low. The fluid can create a thermal balance and the component can be brought to the required temperature.

Es ist von Vorteil, wenn das Ventil in der ersten Leitung so lange geöffnet wird, bis die mindestens eine Komponente im Anodensystem die gewünschte Temperatur erreicht hat.It is advantageous if the valve in the first line is opened until the at least one component in the anode system has reached the desired temperature.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann insbesondere in brennstoffzellenbetriebenen Kraftfahrzeugen eingesetzt werden. Ebenso ist jedoch auch ein Einsatz in anderen brennstoffzellenbetriebenen Fortbewegungsmitteln, wie Kränen, Schiffen, Schienenfahrzeugen, Flugobjekten oder auch in stationären brennstoffzellenbetriebenen Objekten denkbar.The method according to the invention can be used in particular in fuel cell-powered motor vehicles. However, use in other fuel cell-powered means of transportation, such as cranes, ships, rail vehicles, flying objects or in stationary fuel cell-powered objects is also conceivable.

Es zeigen:

  • 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,
  • 2 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel,
  • 3 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel und
  • 4 ein Flussablaufdiagramm der einzelnen Schritte eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
Show it:
  • 1 a schematic representation of a fuel cell system according to the invention according to a first embodiment,
  • 2 a schematic representation of a fuel cell system according to the invention according to a second embodiment,
  • 3 a schematic representation of a fuel cell system according to the invention according to a third embodiment and
  • 4 a flow chart of the individual steps of a method according to the invention.

In der 1 ist eine schematische Topologie eines Brennstoffzellensystems gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt mit mindestens einem Brennstoffzellenstack 101. Das mindestens eine Brennstoffzellensystem weist einen Luftpfad 10, eine Abgasleitung 12 und eine Anodenleitung 20 auf. Der mindestens eine Brennstoffzellenstack 101 kann für mobile Anwendungen mit hohem Leistungsbedarf, bspw. in LKW's, oder für stationäre Anwendungen, bspw. in Generatoren, eingesetzt werden.In the 1 is a schematic topology of a fuel cell system according to a first embodiment of the invention is shown with at least one fuel cell stack 101. The at least one fuel cell system has an air path 10, an exhaust gas line 12 and an anode line 20 on. The at least one fuel cell stack 101 can be used for mobile applications with a high power requirement, for example in trucks, or for stationary applications, for example in generators.

Der Luftpfad 10 dient als Zuluftleitung, um einer Kathode 105 des Brennstoffzellenstacks 101 über einen Einlass 16 Luft aus der Umgebung zuzuführen. In dem Luftpfad 10 sind Komponenten angeordnet, welche für den Betrieb des Brennstoffzellenstacks 101 benötigt werden. Im Luftpfad 10 ist ein Luftverdichter 11 und/oder Kompressor 11 angeordnet, welcher die Luft entsprechend der jeweiligen Betriebsbedingungen des Brennstoffzellenstacks 101 verdichtet bzw. ansaugt. Stromabwärts vom Luftverdichter 11 und/oder Kompressor 11 kann sich ein Wärmetauscher befinden, welcher die Luft im Luftpfad 10 vor der Einströmung in den Brennstoffzellenstack 101 abkühlt, und diesen somit vor thermisch bedingten Schäden schützt.The air path 10 serves as an air supply line in order to supply air from the environment to a cathode 105 of the fuel cell stack 101 via an inlet 16 . Components which are required for the operation of the fuel cell stack 101 are arranged in the air path 10 . An air compressor 11 and/or a compressor 11 is arranged in the air path 10 and compresses or draws in the air according to the respective operating conditions of the fuel cell stack 101 . A heat exchanger can be located downstream of the air compressor 11 and/or compressor 11, which cools the air in the air path 10 before it flows into the fuel cell stack 101 and thus protects it from thermally induced damage.

Innerhalb des Luftpfades 10 können noch weitere Komponenten wie beispielsweise ein Filter und/oder ein Befeuchter und/oder Ventile vorgesehen sein. Über den Luftpfad 10 wird dem Brennstoffzellenstack 101 sauerstoffhaltige Luft bereitgestellt.Additional components such as a filter and/or a humidifier and/or valves can also be provided within the air path 10 . Air containing oxygen is made available to the fuel cell stack 101 via the air path 10 .

Im Eingang der Anodenleitung 20 befinden sich ein Hochdrucktank 21 und ein Absperrventil 22. Es können weitere Komponenten in der Anodenleitung 20 angeordnet sein, um eine Anode 103 des Brennstoffzellenstack 101 nach Bedarf mit Brennstoff zu versorgen.A high-pressure tank 21 and a shut-off valve 22 are located at the inlet of the anode line 20. Further components can be arranged in the anode line 20 in order to supply an anode 103 of the fuel cell stack 101 with fuel as required.

Um den Brennstoffzellenstack 101 immer ausreichend mit Brennstoff zu versorgen, besteht die Notwendigkeit einer überstöchiometrischen Dosierung von Brennstoff über die Brennstoffleitung 20. Der überschüssige Brennstoff, sowie gewisse Mengen von Wasser und Stickstoff, die durch die Zellmembranen auf die Anodenseite diffundieren, werden in einen Rezirkulationskreis 50 zurückgeführt und mit dem zudosierten Brennstoff aus der Brennstoffleitung 20 vermischt.In order to always supply the fuel cell stack 101 with sufficient fuel, there is a need for over-stoichiometric dosing of fuel via the fuel line 20. The excess fuel, as well as certain amounts of water and nitrogen, which diffuse through the cell membranes to the anode side, are fed into a recirculation circuit 50 recycled and mixed with the metered fuel from the fuel line 20.

Zum Antrieb der Strömung im Rezirkulationskreis 50 können verschiedene Komponenten, wie beispielsweise eine mit dem zudosierten Brennstoff betriebene Strahlpumpe 51 oder eine Rezirkulationspumpe 52 verbaut sein. Auch eine Kombination von Strahlpumpe 51 und Rezirkulationspumpe 52 sind möglich.To drive the flow in the recirculation circuit 50, various components such as a jet pump 51 operated with the metered fuel or a recirculation pump 52 can be installed. A combination of jet pump 51 and recirculation pump 52 is also possible.

Im Folgenden wird mit Anodensystem die Kombination aus Anodenleitung 20 und die Rezirkulationsleitung 50 bezeichnet.The combination of anode line 20 and the recirculation line 50 is referred to below as the anode system.

Eine erste Leitung 31 ist mit dem Luftpfad 10 verbunden, so dass eine Fluidmenge aus dem Luftpfad 10 entnehmbar ist, um eine Komponente im Anodensystem thermisch zu konditionieren.A first line 31 is connected to the air path 10 so that a quantity of fluid can be drawn from the air path 10 in order to thermally condition a component in the anode system.

Unter der thermischen Konditionierung einer Komponente, wird das Zuführen oder Abführen von Wärmeenergie bzw. das Erwärmen oder das Kühlen der jeweiligen Komponente verstanden.The thermal conditioning of a component is understood as meaning the supply or removal of thermal energy or the heating or cooling of the respective component.

In der ersten Leitung 31 ist ein Ventil 32, insbesondere ein Proportionalventil, angeordnet. Mit Hilfe des Ventils 32, lässt sich die Fluidmenge, welche aus dem Luftpfad 10 entnommen wird, regeln. Das Ventil 32 kann vollständig geschlossen werden.A valve 32 , in particular a proportional valve, is arranged in the first line 31 . The amount of fluid that is removed from the air path 10 can be regulated with the aid of the valve 32 . The valve 32 can be completely closed.

Gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Komponente ein Wärmetauscher 30 oder ein Durchströmungsheizer 30, welcher in der Rezirkulationsleitung 50 angeordnet ist.According to a first exemplary embodiment of the invention, the component is a heat exchanger 30 or a flow heater 30 which is arranged in the recirculation line 50 .

Die erste Leitung 31 ist mit dem Wärmetauscher 30 oder dem Durchströmungsheizer 30 verbunden, so dass über den Wärmetauscher 30 oder dem Durchströmungserhitzer 30 thermische Energie an das Fluid in der Rezirkulationsleitung 50 abgegeben oder aufgenommen werden kann.The first line 31 is connected to the heat exchanger 30 or the through-flow heater 30 so that thermal energy can be released or absorbed by the fluid in the recirculation line 50 via the heat exchanger 30 or the through-flow heater 30 .

Der Wärmetauscher 30 kann mit einer Rückführleitung 33 verbunden sein, so dass über die Rückführleitung 33 Luft aus der ersten Leitung 31, welche den Wärmetauscher 30 durchströmt hat, zurück in die Luftleitung 10 oder die Abgasleitung 12 abführbar ist. Die Rückführleitung 33 ist als optionales Merkmal ist in der 1 als gestrichelte Linie eingezeichnet.The heat exchanger 30 can be connected to a return line 33 so that air from the first line 31 which has flowed through the heat exchanger 30 can be discharged back into the air line 10 or the exhaust gas line 12 via the return line 33 . The return line 33 is an optional feature in the 1 drawn as a dashed line.

Die Rückführleitung 33 ist mit der Luftleitung 10 oder der Abgasleitung 12 verbunden.The return line 33 is connected to the air line 10 or the exhaust line 12 .

Eine Verbindung der Rückführleitung 33 mit der Luftleitung 10 ist stromabwärts der ersten Leitung 35 angeordnet.A connection of the return line 33 to the air line 10 is arranged downstream of the first line 35 .

Alternativ kann die Luft aus der ersten Leitung 31 nach dem Durchströmen des Wärmetauschers 30 oder des Durchströmungsheizers 30 in die Umgebung strömen.Alternatively, the air from the first line 31 can flow into the environment after flowing through the heat exchanger 30 or the flow-through heater 30 .

In 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt. Das Ausführungsbeispiel entspricht bis auf die Anordnung des Wärmetauschers 30 oder Durchströmerhitzer 30 dem ersten Ausführungsbeispiel. Der Wärmetauscher 30 oder Durchströmungsheizer 30 ist in der Anodenleitung 20 angeordnet.In 2 another embodiment of the invention is shown. The embodiment corresponds to the first embodiment except for the arrangement of the heat exchanger 30 or flow heater 30 . The heat exchanger 30 or through-flow heater 30 is arranged in the anode line 20 .

In 3 ist ein drittes Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt. In diesem Ausführungsbeispiel wird über die erste Leitung 31 eine Fluidmenge aus dem Luftpfad 10 entnommen, um ein Ventil 22, eine Rezirkulationspumpe 52 oder eine Saugstrahlpumpe 51, welche im Anodensystem angeordnet ist, thermisch zu konditionieren.In 3 a third embodiment of the invention is shown. In this exemplary embodiment, a quantity of fluid is removed from the air path 10 via the first line 31 in order to thermally condition a valve 22, a recirculation pump 52 or an ejector pump 51 which is arranged in the anode system.

Das Fluid aus der ersten Leitung 31 wird dazu genutzt, das Ventil 22 und /oder die Rezirkulationspumpe 52 und/oder die Saugstrahlpumpe 51 direkt anzuströmen und auf diese Weise zu kühlen oder zu erwärmen. Die alternativen Verbindungen wurden durch eine gestrichelte Linie dargestellt.The fluid from the first line 31 is used to flow directly against the valve 22 and/or the recirculation pump 52 and/or the ejector pump 51 and in this way to cool or heat it. The alternative connections have been represented by a dashed line.

In einer alternativen Ausführungsform ist die erste Leitung 31 so angeordnet, dass das Fluid einen Bereich des Gehäuses der oben genannten Komponenten anströmt und/oder umströmt.In an alternative embodiment, the first line 31 is arranged in such a way that the fluid flows against and/or around an area of the housing of the above-mentioned components.

Nachdem das Fluid aus der ersten Leitung das Ventil 22, die Rezirkulationspumpe 52 oder die Saugstrahlpumpe 51 oder einen Bereich des Gehäuses dieser Komponenten angeströmt hat, strömt es in die Umgebung.After the fluid from the first line has flowed against the valve 22, the recirculation pump 52 or the ejector pump 51 or an area of the housing of these components, it flows into the environment.

4 zeigt ein Flussablaufdiagramm der Schritte eines Verfahrens zum thermischen Konditionieren einer Komponente eines Brennstoffzellensystems, wobei das Brennstoffzellensystem einen Brennstoffzellenstack 101, einen Luftpfad 10, eine Abgasleitung 12 und ein Anodensystem mit einer Anodenleitung 20 und einer Rezirkulationsleitung 50 aufweist, wobei zur thermischen Konditionierung erwärmte Luft aus dem Luftpfad 10 oder abgekühlte Luft aus der Abgasleitung 12 genutzt wird. 4 shows a flow chart of the steps of a method for thermally conditioning a component of a fuel cell system, the fuel cell system having a fuel cell stack 101, an air path 10, an exhaust gas line 12 and an anode system with an anode line 20 and a recirculation line 50, wherein for thermal conditioning heated air from the Air path 10 or cooled air from the exhaust pipe 12 is used.

In einem Verfahrensschritt 100 wird ein Betriebspunkt des mindestens einen Verdichters 11 ausgewählt, welcher die gewünschte Temperatur der Luft im Luftpfad 10 sicherstellt. Dies ist beispielsweise bei einer gewünschten Erwärmung in bevorzugter Weise ein Hochlastpunkt, da dieser sicherstellt, dass sowohl der Luftmassenstrom, als auch der Luftdruck angehoben werden. Der Verdichter 11 kann im oberen Drehzahlbereich angetrieben werden, so dass die Luft auf Temperaturen von oberhalb 200°C aufgeheizt wird.In a method step 100, an operating point of the at least one compressor 11 is selected, which ensures the desired temperature of the air in the air path 10. This is preferably a high-load point, for example, when heating is desired, since this ensures that both the air mass flow and the air pressure are increased. The compressor 11 can be driven in the upper speed range, so that the air is heated to temperatures above 200°C.

Im Verfahrensschritt 200 wird das Absperrventil 32 in der ersten Leitung 31 geöffnet, so dass die durch den mindestens einen Verdichter 11 erwärmte Luft in Richtung der mindestens einen Komponente strömen kann.In method step 200, the shut-off valve 32 in the first line 31 is opened, so that the air heated by the at least one compressor 11 can flow in the direction of the at least one component.

In einem Verfahrensschritt 300 wird überprüft, ob die gewünschte Temperatur der mindestens einen Komponente im Anodensystem erreicht wurde.In a method step 300 it is checked whether the desired temperature of the at least one component in the anode system has been reached.

Ist die gewünschte Temperatur erreicht wird in einem Verfahrensschritt 400 das Ventil 32 geschlossen, ansonsten wird der Schritt 300 nach einem vorgegebenen Zeitintervall wiederholt.If the desired temperature is reached, the valve 32 is closed in a method step 400, otherwise the step 300 is repeated after a predetermined time interval.

Claims (10)

Brennstoffzellensystem mit mindestens einem Brennstoffzellenstack (101), einem Luftpfad (10), wobei über den Luftpfad (10) Luft aus der Umgebung zur Brennstoffzelle gelangt, einem Abgaspfad (12) und einem Anodensystem (20), wobei das Anodensystem eine Anodenleitung (20) und eine Rezirkulationsleitung (50) umfasst, und über die Anodenleitung (20) Wasserstoff zum Brennstoffzellenstack (101) transportiert wird, dadurch gekennzeichnet, dass über eine erste Leitung (31) eine Fluidmenge aus dem Luftpfad (10) entnehmbar ist, um mindestens eine Komponente im Anodensystem thermisch zu konditionieren.Fuel cell system with at least one fuel cell stack (101), an air path (10), air from the environment reaching the fuel cell via the air path (10), an exhaust gas path (12) and an anode system (20), the anode system having an anode line (20) and a recirculation line (50), and hydrogen is transported to the fuel cell stack (101) via the anode line (20), characterized in that a quantity of fluid can be removed from the air path (10) via a first line (31) in order to at least one component to be thermally conditioned in the anode system. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der ersten Leitung (31) ein Ventil (32), insbesondere ein Proportionalventil, angeordnet ist.fuel cell system claim 1 , characterized in that in the first line (31) a valve (32), in particular a proportional valve, is arranged. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Komponente ein Wärmetauscher (30) oder ein Durchströmungsheizer (30) ist, welcher in der Anodenleitung (20) oder der Rezirkulationsleitung (50) angeordnet ist.fuel cell system claim 1 , characterized in that the at least one component is a heat exchanger (30) or a flow heater (30) which is arranged in the anode line (20) or the recirculation line (50). Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Leitung (31) mit dem Wärmetauscher (30) oder dem Durchströmungsheizer (30) verbunden ist, so dass über den Wärmetauscher (30) oder dem Durchströmungsheizer (30) thermische Energie an das Fluid in der Anodenleitung (20) oder in der Rezirkulationsleitung (50) abgegeben wird.fuel cell system claim 1 , characterized in that the first line (31) is connected to the heat exchanger (30) or the flow heater (30), so that thermal energy is transferred to the fluid in the anode line (20 ) or in the recirculation line (50). Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (30) mit einer Rückführleitung (33) verbunden ist, wobei über die Rückführleitung (33) Luft aus der ersten Leitung (31) zurück in die Luftleitung (10) oder Abgasleitung (12) abführbar ist.fuel cell system claim 1 , characterized in that the heat exchanger (30) is connected to a return line (33), it being possible to discharge air from the first line (31) back into the air line (10) or exhaust gas line (12) via the return line (33). Brennstoffzellensystem nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Verbindung der Rückführleitung (33) mit der Luftleitung (10) stromabwärts der ersten Leitung (31) angeordnet ist.fuel cell system claim 2 or 3 , characterized in that a connection of the return line (33) to the air line (10) is arranged downstream of the first line (31). Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Komponente ein Ventil (22) und/oder eine Rezirkulationspumpe (52) und/oder eine Saugstrahlpumpe (51) ist, welche im Anodensystem angeordnet ist.fuel cell system claim 1 , characterized in that the at least one component is a valve (22) and/or a recirculation pump (52) and/or an ejector pump (51), which is arranged in the anode system. Brennstoffzellensystem nach Ansprüche 3, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Leitung (31) so angeordnet ist, dass das Fluid einen Bereich des Gehäuses der Komponente anströmt und/oder umströmt.fuel cell system claims 3 , characterized in that the first line (31) is arranged in such a way that the fluid flows against and/or around a region of the housing of the component. Verfahren zum thermischen Konditionieren mindestens einer Komponente eines Brennstoffzellensystems, wobei das Brennstoffzellensystem einen Brennstoffzellenstack (101), einen Luftpfad (10), eine Abgasleitung (12) und ein Anodensystem mit einer Anodenleitung (20) und einer Rezirkulationsleitung (50) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass zur thermischen Konditionierung erwärmte Luft aus dem Luftpfad (10) oder abgekühlte Luft aus der Abgasleitung (12) genutzt wird.Method for thermally conditioning at least one component of a fuel cell system, the fuel cell system having a fuel cell stack (101), an air path (10), an exhaust gas line (12) and an anode system with an anode line (20) and a recirculation line (50), characterized in that that for thermal conditioning heated air from the air path (10) or cooled air from the exhaust pipe (12) is used. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ventil (32) in einer ersten Leitung (31) so lange geöffnet wird, bis die mindestens eine Komponente im Anodensystem die gewünschte Temperatur erreicht hat.procedure after claim 9 , characterized in that a valve (32) in a first line (31) is opened until the at least one component in the anode system has reached the desired temperature.
DE102021204461.1A 2021-05-04 2021-05-04 Fuel cell system and method for thermal conditioning Pending DE102021204461A1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102021204461.1A DE102021204461A1 (en) 2021-05-04 2021-05-04 Fuel cell system and method for thermal conditioning

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102021204461.1A DE102021204461A1 (en) 2021-05-04 2021-05-04 Fuel cell system and method for thermal conditioning

Publications (1)

Publication Number Publication Date
DE102021204461A1 true DE102021204461A1 (en) 2022-11-10

Family

ID=83692166

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE102021204461.1A Pending DE102021204461A1 (en) 2021-05-04 2021-05-04 Fuel cell system and method for thermal conditioning

Country Status (1)

Country Link
DE (1) DE102021204461A1 (en)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE102007050415B4 (en) fuel cell stack module
EP1702842B1 (en) Aircraft comprising a fuel cell
DE102005049252B4 (en) Heatable hydrogen pressure regulator
DE102013225368B4 (en) FUEL CELL SYSTEM AND METHOD FOR HUMIDIFYING AND COOLING THE SAME
DE102005053698A1 (en) System and method for drying a fuel cell stack at system shutdown
DE102011114797A1 (en) Method for operating fuel cell system utilized in passenger car to generate electrical driving power, involves recirculating unreacted fuel into fuel, and heating nozzle of fuel jet pump only when fuel is not made to flow through jet pump
DE112008000821T5 (en) The fuel cell system
EP0850494A1 (en) Process for operating a fuel cell installation and fuel cell installation for implementing it
DE112018006273T5 (en) FUEL CELL SYSTEM AND CONTROL PROCESS FOR FUEL CELL SYSTEM
DE102015222635A1 (en) Fuel cell system and method for recycling water in a fuel cell system
EP1906108A2 (en) Hydrogen heating
DE102014220534A1 (en) FUEL CELL COOLING DEVICE AND FUEL CELL COOLING METHOD USING THE SAME
DE102007006963A1 (en) Fuel cell system for a vehicle
DE112007001075T5 (en) Fuel cell system and method for calculating the circulation rate therein
DE102021209207A1 (en) Method of starting a fuel cell system
DE102018124717A1 (en) The fuel cell system
DE102020101292A1 (en) Fuel cell system, method for operating a fuel cell system and motor vehicle
DE102021204461A1 (en) Fuel cell system and method for thermal conditioning
DE102008009130B4 (en) A method for reducing liquid water droplets in an anode inlet to a fuel cell stack and a correspondingly designed fuel cell system
DE102012001947B4 (en) Method for optimising the operating strategy of a low-temperature fuel cell system in a vehicle and vehicle adapted therefor
DE102021201398A1 (en) Fuel cell system and method for regenerating a drying device
DE102015218751A1 (en) Heat-moisture transmission device for fuel cell, and fuel cell system and vehicle with such
DE102021202938A1 (en) Fuel cell system and method for regenerating or preconditioning a desiccant or zeolite container
DE102014225589A1 (en) Method for operating a fuel cell system and fuel cell system
WO2022161723A1 (en) Method for preventing condensing and/or freezing of water in a supply stream of anode gas, and fuel-cell system