DE102022108522B3 - Fuel cell device and method for treating and using the exhaust gas on the cathode side - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzellenvorrichtung (1) mit mindestens einer Brennstoffzelle, in deren Frischluftleitung (3) ein Verdichter (6) angeordnet ist, der über die Rotationskraft einer Turbine (12) und einen Elektromotor (7) angetrieben wird, und eine kathodenseitigen Abgasleitung (8), wobei die Turbine (12) strömungsmechanisch in die Abgasleitung (8) eingebaut ist und stromauf der Turbine ein Kühlsystem (11) mit Kühlsystem (11) umgehendem Bypass (10) und Bypassventil vorhanden ist. Stromab der Turbine (12) ist ein Wärmeübertrager in die Abgasleitung (8) eingebracht, der nach dem Prinzip der Wärmeströmung agiert. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Behandlung und Nutzung des kathodenseitigen Abgases.The invention relates to a fuel cell device (1) with at least one fuel cell, in the fresh air line (3) of which a compressor (6) is arranged, which is driven by the rotational force of a turbine (12) and an electric motor (7), and a cathode-side exhaust line ( 8), wherein the turbine (12) is fluidically installed in the exhaust pipe (8) and upstream of the turbine there is a cooling system (11) with a bypass (10) surrounding the cooling system (11) and a bypass valve. Downstream of the turbine (12), a heat exchanger is installed in the exhaust pipe (8), which acts on the principle of heat flow. The invention also relates to a method for treating and using the exhaust gas on the cathode side.

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzellenvorrichtung mit mindestens einer Brennstoffzelle, an die eine kathodenseitige Abgasleitung angeschlossen ist, wobei in die Abgasleitung strömungsmechanisch eine Turbine eingebaut ist, die eine Rotationskraft für einen in eine kathodenseitige Zufuhrleitung eingebundenen Verdichter bereitstellt. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Behandlung und Nutzung des kathodenseitigen Abgases einer Brennstoffzellenvorrichtung.The invention relates to a fuel cell device with at least one fuel cell to which an exhaust gas line on the cathode side is connected, with a turbine being installed in the exhaust gas line in terms of flow mechanics, which turbine provides rotational force for a compressor integrated into a supply line on the cathode side. The invention also relates to a method for treating and using the exhaust gas on the cathode side of a fuel cell device.

Brennstoffzellenvorrichtungen werden für die chemische Umsetzung eines Brennstoffs mit Sauerstoff zu Wasser genutzt, um elektrische Energie zu erzeugen. Hierfür enthalten Brennstoffzellen als Kernkomponente die sogenannte Membran-Elektroden-Einheit (MEA für membrane electrode assembly), die ein Verbund aus einer protonenleitenden Membran und jeweils einer, beidseitig an der Membran angeordneten Elektrode (Anode und Kathode) ist. Zudem können Gasdiffusionslagen (GDL) beidseitig der Membran-Elektroden-Einheit an den der Membran abgewandten Seiten der Elektroden angeordnet sein. Im Betrieb der Brennstoffzellenvorrichtung mit einer Mehrzahl zu einem Brennstoffzellenstapel zusammengefasster Brennstoffzellen wird der Brennstoff, insbesondere Wasserstoff H2 oder ein wasserstoffhaltiges Gasgemisch der Anode zugeführt, wo eine elektrochemische Oxidation von H2 zu H+ unter Abgabe von Elektronen stattfindet. Über die Membran, welche die Reaktionsräume gasdicht voneinander trennt und elektrisch isoliert, erfolgt ein (wassergebundener oder wasserfreier) Transport der Protonen H+ aus dem Anodenraum in den Kathodenraum. Die an der Anode bereitgestellten Elektronen werden über eine elektrische Leitung der Kathode zugeleitet. Der Kathode wird Sauerstoff oder ein sauerstoffhaltiges Gasgemisch zugeführt, so dass eine Reduktion von O2 zu O2- unter Aufnahme der Elektronen stattfindet. Gleichzeitig reagieren im Kathodenraum diese Sauerstoffanionen mit den über die Membran transportierten Protonen unter Bildung von Wasser.Fuel cell devices are used for the chemical conversion of a fuel with oxygen into water in order to generate electrical energy. For this purpose, fuel cells contain the so-called membrane electrode assembly (MEA for membrane electrode assembly) as a core component, which is a composite of a proton-conducting membrane and one electrode (anode and cathode) arranged on both sides of the membrane. In addition, gas diffusion layers (GDL) can be arranged on both sides of the membrane-electrode assembly on the sides of the electrodes facing away from the membrane. During operation of the fuel cell device with a plurality of fuel cells combined to form a fuel cell stack, the fuel, in particular hydrogen H 2 or a hydrogen-containing gas mixture, is supplied to the anode, where electrochemical oxidation of H 2 to H + takes place with the release of electrons. The protons H + are transported (with or without water) from the anode compartment to the cathode compartment via the membrane, which separates the reaction compartments from one another in a gas-tight manner and isolates them electrically. The electrons provided at the anode are fed to the cathode via an electrical line. Oxygen or an oxygen-containing gas mixture is supplied to the cathode, so that a reduction of O 2 to O 2- takes place, taking up the electrons. At the same time, in the cathode compartment, these oxygen anions react with the protons transported across the membrane to form water.

Um für die Vielzahl der in einem Brennstoffzellenstapel zusammengefasster Brennstoffzellen ausreichend Sauerstoff aus der Luft zur Verfügung zu stellen, wird im Kathodenkreislauf zur Versorgung der Kathodenräume des Brennstoffzellenstapels Luft mit dem darin enthaltenen Sauerstoff mittels eines Verdichters verdichtet, der in der Regel als elektrischer Verdichter ausgestaltet ist. Die in dem in der Abluftleitung geführten Abgasstrom enthaltene Energie kann dabei genutzt werden, um den Verdichter anzutreiben, indem eine Abluftturbine fluidmechanisch in die Abluftleitung eingebunden ist, die den Antrieb des Verdichters unterstützt oder sogar zur Einsparung elektrischer Energie übernimmt. Um die Abluftturbine zu schützen, wird ein passiver Wasserabscheider verwendet, der Flüssigwasser aus der Abluft abscheidet. Gute Wirkungsgrade hinsichtlich des Abscheidens sind mit hohen Differenzdrücken, also Druckverlusten verbunden, die die Leistung der Abluftturbine reduzieren.In order to provide sufficient oxygen from the air for the large number of fuel cells combined in a fuel cell stack, air with the oxygen contained therein is compressed in the cathode circuit to supply the cathode chambers of the fuel cell stack by means of a compressor, which is usually designed as an electric compressor. The energy contained in the exhaust gas stream guided in the exhaust air line can be used to drive the compressor, in that an exhaust air turbine is fluid-mechanically integrated into the exhaust air line, which supports the drive of the compressor or even takes over to save electrical energy. To protect the exhaust turbine, a passive water separator is used, which separates liquid water from the exhaust air. Good efficiencies in terms of separation are associated with high differential pressures, i.e. pressure losses, which reduce the output of the exhaust air turbine.

Die DE 10 2019 133 091 A1 beschreibt eine Brennstoffzellenvorrichtung mit einer Abluftleitung und einer fluidmechanisch in diese eingebundenen Abluftturbine, wobei stromauf der Abluftturbine ein Wasserabscheider angeordnet ist, welcher sich in thermischer Kopplung mit einer Kühleinrichtung befindet. Der Wasserabscheider schützt die Abluftturbine vor in der Abluft enthaltener Feuchte. Durch das Kühlen des Wasserabscheiders mit einer thermisch gekoppelten Kühleinrichtung wird die Wasserkondensation im Wasserabscheider verbessert, sodass mehr Wasser abgeschieden werden kann. Die DE 10 2014 017 806 A1 beschreibt ein Brennstoffzellensystem, bei dem eine Abzweigung der Kathodenzuluftleitung zu einer Kaltluftprozess-Klimaanlage führt, um Fahrzeugbauteile oder einen Fahrzeuginnenraum zu klimatisieren. Die DE 10 2012 014 110 A1 beschreibt ein Brennstoffzellensystem, bei dem sowohl im Bereich der Zuluft als auch im Bereich der Abluft ein Luft/ Flüssigkeits - Wärmetauscher vorhanden ist, wobei diese Anordnung der Entlastung eines Ladeluftkühlers der kathodenseitigen Zuleitung und gleichzeitiger Vermeidung von unerwünschten Betriebssituationen dient. Die DE 10 2020 208 833 A1 offenbart eine Brennstoffzellenvorrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1, die auch in Kraftfahrzeugen eingesetzt werden kann. Aus der US 2003 / 0 157 386 A1, ist es bekannt, eine Turbine in der kathodenseitigen Abgasleitung anzuordnen, der ein Wärmeübertrager nachgeschaltet ist.The DE 10 2019 133 091 A1 describes a fuel cell device with an exhaust air line and an exhaust air turbine fluid-mechanically integrated into it, with a water separator being arranged upstream of the exhaust air turbine, which water separator is thermally coupled to a cooling device. The water separator protects the exhaust air turbine from moisture contained in the exhaust air. By cooling the water separator with a thermally coupled cooling device, the water condensation in the water separator is improved so that more water can be separated. The DE 10 2014 017 806 A1 describes a fuel cell system in which a branch of the cathode supply air line leads to a cold-air process air-conditioning system in order to air-condition vehicle components or a vehicle interior. The DE 10 2012 014 110 A1 describes a fuel cell system in which an air/liquid heat exchanger is present both in the area of the supply air and in the area of the exhaust air, this arrangement serving to relieve a charge air cooler of the cathode-side supply line and at the same time to avoid undesirable operating situations. The DE 10 2020 208 833 A1 discloses a fuel cell device having the features of the preamble of claim 1, which can also be used in motor vehicles. It is known from US 2003/0 157 386 A1 to arrange a turbine in the exhaust gas line on the cathode side, which is followed by a heat exchanger.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Brennstoffzellenvorrichtung so weiterzubilden, dass deren Effizienz verbessert ist. Aufgabe ist weiterhin, ein Verfahren anzugeben, mit dem bei gegebenen konstruktiven Aufbau die Effizienz einer Brennstoffzellenvorrichtung weiter gesteigert werden kann.The object of the present invention is to develop a fuel cell device in such a way that its efficiency is improved. The object is also to specify a method with which the efficiency of a fuel cell device can be further increased for a given structural design.

Diese Aufgabe wird durch eine Brennstoffzellenvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 7 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.This object is achieved by a fuel cell device having the features of claim 1 and by a method having the features of claim 7 . Advantageous configurations with expedient developments of the invention are specified in the dependent claims.

Die erfindungsgemäße Brennstoffzellenvorrichtung zeichnet sich dabei insbesondere dadurch aus, dass in die Abgasleitung stromabwärts der Turbine ein Wärmeübertrager eingebracht ist, der nach dem Prinzip der Wärmeströmung agiert, also das abgekühlte Kathodenabgas nach dem Prinzip der Konvektion (Wärmeströmung) an eine zu kühlende Komponente der Brennstoffzellenvorrichtung oder an einen Fahrzeuginnenraum befördert wird.The fuel cell device according to the invention is characterized in particular by the fact that a heat exchanger is introduced into the exhaust pipe downstream of the turbine, which acts on the principle of heat flow, ie the cooled cathode exhaust gas on the principle of Convection (heat flow) is conveyed to a component to be cooled of the fuel cell device or to a vehicle interior.

Durch diese Brennstoffzellenvorrichtung wird erreicht, dass mittels der Turbine das Kathodenabgas heruntergekühlt wird, um es zur Temperaturregelung einer Komponente der Brennstoffzelle oder eines Fahrzeuginnenraums über einen Wärmeübertrager zu verteilen.What is achieved by this fuel cell device is that the cathode exhaust gas is cooled down by means of the turbine in order to distribute it via a heat exchanger to regulate the temperature of a component of the fuel cell or a vehicle interior.

Der Wärmeübertrager muss dabei nicht zwangsläufig als Rekuperator gebildet sein, sondern es kann auch ein Stoffstrom des durch die Turbine gekühlten Kathodenabgases an eine zu kühlende Komponente oder in den Fahrzeuginnenraum geleitet werden.The heat exchanger does not necessarily have to be in the form of a recuperator, but a material flow of the cathode exhaust gas cooled by the turbine can also be routed to a component to be cooled or into the vehicle interior.

In einer Weiterbildung ist dabei der strömungsmechanische Einbau eines Kühlsystems in die kathodenseitige Abgasleitung stromauf der Turbine vorgesehen. Dieses Kühlsystem dient der Kühlung in einer ersten Stufe vor der Kühlung durch die Turbine, um dementsprechend tiefere Abgastemperaturen nach der Turbine bereitstellen zu können. Das Kühlsystem ist dabei bevorzugt als Wärmepumpe, kann aber auch als Luftkühler gebildet sein.In a further development, the flow-mechanical installation of a cooling system in the exhaust gas line on the cathode side upstream of the turbine is provided. This cooling system is used for cooling in a first stage before the cooling by the turbine in order to be able to provide correspondingly lower exhaust gas temperatures after the turbine. The cooling system is preferably in the form of a heat pump, but can also be in the form of an air cooler.

Um eine Möglichkeit der Temperatureinstellung zu bieten kann ein das Kühlsystem umgehender Bypass mit einem Bypassventil vorhanden sein. Die Strömung des Kathodenabgases wird mit Hilfe des Bypassventils durch das Kühlsystem, durch den Bypass oder anteilig durch das Kühlsystem und den Bypass geleitet. Die Strömungsanteile sind durch das Bypassventil regelbar.A bypass with a bypass valve bypassing the cooling system can be provided in order to offer the possibility of temperature adjustment. The flow of the cathode exhaust gas is guided through the cooling system, through the bypass or partly through the cooling system and the bypass with the aid of the bypass valve. The flow components can be regulated by the bypass valve.

Das Bypassventil kann auch als ein Mehrwegeventil gebildet sein, welches an einer Abzweigung aus der Abgasleitung in die Bypassleitung eingebunden ist, um die Regelung des Strömungsflusses zu bewirken. Des Weiteren können auch zwei separate Ventile nach der Abzweigung der Leitungen jeweils in der Bypassleitung und in die Leitung zum Kühlsystem eingebracht sein.The bypass valve can also be formed as a multi-way valve which is integrated into the bypass line at a branch from the exhaust gas line in order to effect regulation of the flow flow. Furthermore, two separate valves can also be installed after the lines branch off, each in the bypass line and in the line to the cooling system.

Die in Verbindung mit der erfindungsgemäßen Brennstoffzellenvorrichtung beschriebenen Vorteile, vorteilhaften Ausgestaltungen und Wirkungen gelten in gleichem Maße für das erfindungsgemäße Verfahren.The advantages, advantageous configurations and effects described in connection with the fuel cell device according to the invention apply to the same extent to the method according to the invention.

Die Brennstoffzellenvorrichtung wie bis zu diesem Punkt beschrieben arbeitet mit einem Verfahren zur Behandlung und Nutzung des kathodenseitigen Abgases zur Steigerung der Effizienz des Gesamtsystems. Dabei wird das Kathodenabgas durch die Turbine entspannt und erfährt folglich eine Wärmereduktion. Das wärmereduzierte Kathodenabgas wird dann zur Kühlung des Fahrzeug-innenraums eines Kraftfahrzeugs verwendet.The fuel cell device as described up to this point employs a method of treating and utilizing the cathode-side exhaust gas to increase the efficiency of the entire system. The cathode exhaust gas is expanded through the turbine and consequently undergoes a heat reduction. The heat-reduced cathode exhaust gas is then used to cool the passenger compartment of a motor vehicle.

Dieses Verfahren kann ferner durch die Vorkonditionierung des Kathodenabgases, wobei ein stromauf der Turbine in die Abgasleitung eingebundenes Kühlsystem eingebracht wird, erweitert werden.This method can also be expanded by preconditioning the cathode exhaust gas, with a cooling system integrated into the exhaust gas line upstream of the turbine.

Die Temperatur des Kathodenabgases nach einem Befeuchter liegt zwischen 80°C und 95°C. Mit einem Kühlsystem, das in der Lage ist das Kathodenabgas auf 20°C abzukühlen, können auch nach der Turbine Tieftemperaturen von unter -30°C erreicht werden.The temperature of the cathode exhaust gas after a humidifier is between 80°C and 95°C. With a cooling system that is able to cool down the cathode exhaust gas to 20°C, low temperatures of below -30°C can also be achieved after the turbine.

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

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

  • 1 eine schematische Darstellung einer Brennstoffzellenvorrichtung.
Further advantages, features and details of the invention result from the claims, the following description of preferred embodiments and from the drawing. It shows:
  • 1 a schematic representation of a fuel cell device.

In der 1 ist schematisch eine Brennstoffzellenvorrichtung 1 gezeigt, wobei diese eine Mehrzahl von in einem Brennstoffzellenstapel 2 zusammengefasster Brennstoffzellen umfasst.In the 1 a fuel cell device 1 is shown schematically, this comprising a plurality of fuel cells combined in a fuel cell stack 2 .

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

Den Anoden und/oder den Kathoden kann zusätzlich ein Katalysator beigemischt sein, wobei die Membranen vorzugsweise auf ihrer ersten Seite und/oder auf ihrer zweiten Seite mit einer Katalysatorschicht aus einem Edelmetall oder einem Gemisch umfassend Edelmetalle wie Platin, Palladium, Ruthenium oder dergleichen beschichtet sind, die als Reaktionsbeschleuniger bei der Reaktion der jeweiligen Brennstoffzelle dienen.A catalyst can also be added to the anodes and/or the cathodes, the membranes preferably being coated on their first side and/or on their second side with a catalyst layer made of a noble metal or a mixture comprising noble metals such as platinum, palladium, ruthenium or the like , which serve as a reaction accelerator in the reaction of the respective fuel cell.

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

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

Da in dem Brennstoffzellenstapel 2 mehrere Brennstoffzellen zusammengefasst sind, muss durch eine Frischluftleitung eine ausreichend große Menge an Kathodengas zur Verfügung gestellt werden, so dass durch einen Verdichter 6 ein großer Kathodengasmassenstrom oder Frischgasstrom bereitgestellt wird, wobei infolge der Komprimierung des Kathodengases sich dessen Temperatur stark erhöht. Die Konditionierung des Kathodengases oder des Frischluftgasstroms, also dessen Einstellung hinsichtlich der im Brennstoffzellenstapel 2 gewünschten Temperatur und Feuchte, erfolgt in einem dem Verdichter 6 nachgelagerten Befeuchter 4, der eine Feuchtesättigung der Membranen der Brennstoffzellen zur Steigerung von deren Effizienz bewirkt, da dies den Protonentransport begünstigt, wobei die Feuchte der Abluft des Brennstoffzellenstapels 2 entnommen wird.Since several fuel cells are combined in the fuel cell stack 2, a sufficiently large quantity of cathode gas must be made available through a fresh air line, so that a large cathode gas mass flow or fresh gas flow is made available by a compressor 6, with the temperature of the cathode gas increasing sharply as a result of the compression of the cathode gas . The conditioning of the cathode gas or the fresh air gas flow, i.e. its adjustment with regard to the temperature and humidity desired in the fuel cell stack 2, takes place in a humidifier 4 downstream of the compressor 6, which causes moisture saturation of the membranes of the fuel cells to increase their efficiency, since this promotes proton transport , wherein the humidity of the exhaust air of the fuel cell stack 2 is removed.

Für die Übertragung einer Rotationskraft auf den Verdichter 6 ist eine Turbine 12 strömungsmechanisch in die kathodenseitige Abgasleitung 8 eingebunden. Die Rotationskraft wird zusätzlich von einem Elektromotor 7 verstärkt. Stromab der Turbine 12 ist in die Abgasleitung 8 ein Wärmeübertrager 13 eingebunden, der das durch die Turbine 12 kraft Entspannung gekühlte Abgas nutzt, um eine Komponente der Brennstoffzellenvorrichtung 1 oder einen Fahrzeuginnen-raum zu kühlen, wodurch sich externe Kühlsysteme ersetzen lassen. Der Wärmeübertrager 13 agiert dabei wahlweise nach dem Prinzip der Wärme-strömung oder nach dem Prinzip der Wärmeleitung.A turbine 12 is flow-mechanically integrated into the exhaust gas line 8 on the cathode side for the transmission of a rotational force to the compressor 6 . The rotational force is additionally reinforced by an electric motor 7 . Downstream of the turbine 12, a heat exchanger 13 is integrated into the exhaust line 8, which uses the exhaust gas cooled by the turbine 12 by expansion to cool a component of the fuel cell device 1 or a vehicle interior, whereby external cooling systems can be replaced. The heat exchanger 13 acts either according to the principle of heat flow or according to the principle of heat conduction.

In der kathodenseitigen Abgasleitung 8 ist stromauf der Turbine 12 außerdem ein Kühlsystem 11 eingebaut, um nach der Turbine 12 das kathodenseitige Abgas auf nochmals tiefere Temperaturen zu senken, als dies ohne das Kühlsystem 11 der Fall wäre. Dabei ist das Kühlsystem 11 vorzugsweise als Wärmepumpe oder aber als ein Luftkühler eingebracht.A cooling system 11 is also installed in the exhaust gas line 8 on the cathode side upstream of the turbine 12 in order to reduce the exhaust gas on the cathode side to even lower temperatures downstream of the turbine 12 than would be the case without the cooling system 11 . The cooling system 11 is preferably introduced as a heat pump or as an air cooler.

Um den Strömungsfluss und damit die Temperatur des kathodenseitigen Abgases regeln zu können, ist ein Kühlsystem 11 umgehender Bypass 10 mit einem Bypassventil 9 vorhanden. Das Bypassventil 9 kann dabei insbesondere als Mehrwegeventil gebildet sein welches an einer Abzweigung aus der Abgasleitung 8 in die Bypassleitung 10 angeordnet ist. Es ist nicht ausgeschlossen, dass anstatt eines Mehrwegeventils zwei separate Ventile jeweils in der Zuleitung des Kühlsystems 11 und im Bypass 10 zur Regelung des Strömungs-flusses des kathodenseitigen Abgases vorhanden sind.In order to be able to regulate the flow and thus the temperature of the exhaust gas on the cathode side, a cooling system 11 surrounding a bypass 10 with a bypass valve 9 is present. The bypass valve 9 can be formed in particular as a multi-way valve which is arranged at a branch from the exhaust gas line 8 into the bypass line 10 . It cannot be ruled out that instead of a multi-way valve, two separate valves are present in the feed line of the cooling system 11 and in the bypass 10 for regulating the flow of the exhaust gas on the cathode side.

Mit einer derartigen Brennstoffzellenvorrichtung 1 lässt sich ein Verfahren durchführen, bei dem das kathodenseitige Abgas so behandelt wird, dass es sich zur Kühlung einer Komponente der Brennstoffzellenvorrichtung 1 oder eines Fahrzeuginnenraumes eignet. Dabei wird das Kathodenabgas durch die Turbine 12 entspannt und die durch die Entspannung entstandene Wärme-reduktion des Abgases zur Kühlung genutzt, indem der Wärmeübertrager 13 das gekühlte Kathodenabgas zu der zu kühlenden Einheit transportiert. Das Kathodenabgas kann bei diesem Verfahren durch ein stromauf der Turbine 12 und in die kathodenseitige Abgasleitung 9 eingebundenes Kühlsystem 11 vorkonditioniert werden, um das Kathodenabgas nach der Turbine 12 auf noch tiefere Temperaturen als ohne das Kühlsystem 11 zu senken.A method can be carried out with such a fuel cell device 1 in which the exhaust gas on the cathode side is treated in such a way that it is suitable for cooling a component of the fuel cell device 1 or a vehicle interior. In this case, the cathode exhaust gas is expanded by the turbine 12 and the heat reduction in the exhaust gas caused by the expansion is used for cooling, in that the heat exchanger 13 transports the cooled cathode exhaust gas to the unit to be cooled. In this method, the cathode exhaust gas can be preconditioned by a cooling system 11 integrated upstream of the turbine 12 and in the exhaust gas line 9 on the cathode side, in order to reduce the cathode exhaust gas downstream of the turbine 12 to even lower temperatures than without the cooling system 11 .

BezugszeichenlisteReference List

11
Brennstoffzellenvorrichtungfuel cell device
22
Brennstoffzellenstapelfuel cell stack
33
kathodenseitige Zufuhrleitungcathode-side supply line
44
Befeuchterhumidifier
55
Brennstofftankfuel tank
66
Verdichtercompressor
77
Elektromotorelectric motor
88th
kathodenseitige Abgasleitungcathode-side exhaust line
99
Bypassventilbypass valve
1010
Bypassbypass
1111
Kühlsystemcooling system
1212
Turbineturbine
1313
Wärmeübertragerheat exchanger

Claims (8)

Brennstoffzellenvorrichtung (1) mit mindestens einer Brennstoffzelle, an die eine kathodenseitige Abgasleitung (8) angeschlossen ist, wobei in die Abgasleitung (8) strömungsmechanisch eine Turbine (12) eingebunden ist, die eine Rotationskraft für einen in eine kathodenseitige Zufuhrleitung (3) eingebundenen Verdichter (6) bereitstellt, wobei in die Abgasleitung (8) ein Wärmeübertrager (13) stromabwärts der Turbine (12) eingebracht ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeübertrager (13) nach dem Prinzip der Wärmeströmung agiert.Fuel cell device (1) with at least one fuel cell to which an exhaust gas line (8) on the cathode side is connected, with a turbine (12) being fluidically integrated into the exhaust gas line (8) which generates a rotational force for a compressor integrated into a supply line (3) on the cathode side (6), a heat exchanger (13) being installed in the exhaust pipe (8) downstream of the turbine (12), characterized in that the heat exchanger (13) operates according to the principle of heat flow. Brennstoffzellenvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in die kathodenseitige Abgasleitung (8) stromauf der Turbine (12) ein Kühlsystem (11) strömungsmechanisch eingebaut ist.Fuel cell device according to claim 1 , characterized in that in the cathode-side exhaust line (8) upstream of the turbine (12) a cooling system (11) is fluidically installed. Brennstoffzellenvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlsystem (11) als eine Wärmepumpe gebildet ist.Fuel cell device according to claim 2 , characterized in that the cooling system (11) is formed as a heat pump. Brennstoffzellenvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlsystem (11) als ein Luftkühler gebildet ist.Fuel cell device according to claim 2 , characterized in that the cooling system (11) is formed as an air cooler. Brennstoffzellenvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein das Kühlsystem (11) umgehender Bypass (10) mit einem Bypassventil (9) vorhanden ist.Fuel cell device according to one of claims 2 until 4 , characterized in that a bypass (10) bypassing the cooling system (11) and having a bypass valve (9) is present. Brennstoffzellenvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass an einer Abzweigung aus der Abgasleitung (8) in die Bypassleitung (10) ein als Mehrwegeventil gebildetes Bypassventil (9) eingebunden ist.Fuel cell device according to claim 5 , characterized in that at a branch from the exhaust pipe (8) in the bypass line (10) formed as a multi-way valve bypass valve (9) is integrated. Verfahren zur Behandlung und Nutzung des kathodenseitigen Abgases einer Brennstoffzellenvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, umfassend die Schritte: Entspannen des Kathodenabgases mit der Turbine (12) und Nutzung der durch die Entspannung entstandenen Wärmereduktion zur Kühlung des Fahrzeuginnenraums eines Kraftfahrzeugs.Method for treating and using the exhaust gas on the cathode side of a fuel cell device (1) according to one of Claims 1 until 6 , comprising the steps: expanding the cathode exhaust gas with the turbine (12) and using the heat reduction caused by the expansion to cool the vehicle interior of a motor vehicle. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Kathodenabgas mit einem stromauf der Turbine (12) in die Abgasleitung (8) eingebundenen Kühlsystem (11) vorkonditioniert wird.procedure after claim 7 , characterized in that the cathode exhaust gas is preconditioned with a cooling system (11) integrated into the exhaust pipe (8) upstream of the turbine (12).
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