WO2010028664A1 - Fuel cell arrangement - Google Patents

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WO2010028664A1
WO2010028664A1 PCT/EP2008/007396 EP2008007396W WO2010028664A1 WO 2010028664 A1 WO2010028664 A1 WO 2010028664A1 EP 2008007396 W EP2008007396 W EP 2008007396W WO 2010028664 A1 WO2010028664 A1 WO 2010028664A1
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cathode
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Thomas Diedrich
Martin Heumos
Gert Hinsenkamp
Patrick Mangold
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Daimler Ag
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Definitions

  • the invention relates to a fuel cell assembly comprising a plurality of fuel cells assembled into a fuel cell stack and first components supplying the fuel cells with reactants and second components of the reaction products of the fuel cell processing components.
  • Fuel cell arrangements with a plurality of fuel cells or individual fuel cells serve to generate low-emission electricity.
  • each of an anode and cathode having fuel cells are acted upon on the one hand with a hydrogen-containing reactant as fuel and on the other hand with an oxygen-containing reactant as the oxidant.
  • a reaction product of the oxidation processes in the fuel cell a stream of air emerging from the fuel cell is laden with water vapor and condensed water.
  • the cathode fresh air In the gas supply of the cathode fresh air is first compressed as an oxidizing agent in a compressor and then cooled in a charge air cooler. In addition, the air flows into a humidifier module, in which it absorbs water vapor from a cathode exhaust gas effluent cathode fuel cell or a fuel cell stack. Thereafter, the humidified fresh air in the fuel cell or passed the fuel cell stack and participates there in the electrochemical reaction. The cathode side flowing out ⁇ cathode exhaust gas is then supplied to the humidifier module, where the air feeding the cathode emits water vapor. Subsequently, the cathode exhaust gas is fed to an exhaust gas turbine.
  • the anode of the fuel cell arrangement is supplied with superstoichiometric hydrogen as fuel from a hydrogen storage unit via a metering valve.
  • Unreacted hydrogen and nitrogen and water vapor at the cathode are re-compressed to the pressure level of the fresh gas by means of a blower (also called a recirculation blower) and fed back into the hydrogen feed via a return.
  • a blower also called a recirculation blower
  • the required components are correspondingly positioned in the available installation space and connected to one another via flow lines, in particular pipelines.
  • the flow lines are both rectilinear and curved, in particular with 90 ° deflections.
  • the respective component ie the charge air Radiator, the humidifier, the separator, a heating element, the fuel cell stack and / or the fuel cell, flow input and output side so-called expansion ⁇ and constriction areas (also called ports, input port and output port), which the flow lines with the respective functional unit connect the component.
  • expansion ⁇ and constriction areas also called ports, input port and output port
  • a fuel cell arrangement according to the invention for a motor vehicle having a plurality of fuel cells assembled into a fuel cell stack and with first components supplying the fuel cells with reactants and second components of the reaction products of the fuel cell one or more of the components and / or the fuel cell stack are integrated into one unit.
  • expensive piping connections are avoided, whereby lower pressure losses occur at transition areas between the components.
  • the functional units of the components are better flowed, thereby increasing the efficiency of the fuel cell assembly.
  • the space required is clear by the integrated and thus compact design of the assembly with multiple components over conventional individual components reduced. Since no piping is required between the components, the assembly effort is significantly reduced.
  • adjoining components and / or the fuel cell stack are fluidly connected to one another by input regions and output regions merging into one another.
  • the A ⁇ gangs- and output areas for a homogeneous flow and low pressure loss are respectively formed as a constricting and / or expansion ranges. Pipelines and thus additional installation effort are safely avoided.
  • the assembly is surrounded by a plurality of integrated components of a single housing, so that the number of connection points is reduced to support frame, in particular to the vehicle frame.
  • FIG. 2 schematically shows an exemplary embodiment of an integrated structural unit formed from a plurality of components of the fuel cell arrangement
  • FIG. 3 shows a plan view of an exemplary embodiment of the structure of the integrated structural unit according to FIG. 2.
  • FIG. 1 shows a fuel cell assembly 1 with a fuel cell 2.
  • the voltage Brennstoffzellenanord- 1 in a non-illustrated manner comprise a fuel cell stack ⁇ material or a fuel cell stack.
  • the fuel cell 2 consists of an anode 3 and a cathode 4.
  • the fuel cell 2 is supplied with an air supply unit 5, in particular an air compressor, a charge air cooler 6 and a humidifier 7, for supply with oxidizing agent into a cathode supply line Z 1.
  • a first control element Vl in particular a control valve, is arranged in the cathode feed line Z1.
  • the cathode 4 is connected downstream via an exhaust gas line Al of the humidifier 7 and an exhaust gas turbine 8.
  • the air supply unit 5 and the exhaust gas turbine 8 are motor-driven.
  • a drive motor 9 for driving both the air supply unit 5 and the exhaust gas turbine 8 is provided.
  • the fuel cell 2 On the anode side, the fuel cell 2 is preceded by a memory 10 for supplying fuel BS, in particular hydrogen, from which an anode feed line Z2 discharges into the anode 3. About a metering valve V2, the fuel supply is controlled.
  • Anode exhaust side a recirculation fan 11 is disposed in a return line Rl, wherein the return line Rl opens into the anode feed line Z2.
  • a blow-off valve V3 for blowing off anode exhaust gas AG is arranged in the return line R1.
  • the cathode 4 is supplied as an oxidizing agent air L, in particular fresh air or another oxygen-containing medium.
  • air L is conveyed and compressed by the air supply unit 5.
  • the compressed air vL is then in the intercooler. 6 cooled and humidified in the humidifier 7, by absorbing water vapor from the cathode side effluent and the humidifier 7 e- flowing through the cathode exhaust gas KG.
  • the BE ⁇ moistened air bL flows through the cathode 4 for carrying out the electrochemical reaction and exits as Katho ⁇ denabgas KG, water or water vapor, the or supplied for humidification of the incoming compressed air vL the humidifier 7 and from there via Exhaust gas turbine 8 is discharged.
  • the anode 3 is supplied from the memory 10 as fuel BS, for example, hydrogen or a hydrogen-containing medium, the anode exhaust side as the anode exhaust gas AG flows into the return Rl and is flowed over the recirculation blower 11 in the anode feed line Z2.
  • fuel BS for example, hydrogen or a hydrogen-containing medium
  • one or more of the components and / or the fuel cell or the fuel cell stack 2 of the fuel cell arrangement 1 can be integrated into a compact unit 13.
  • Figures 2 and 3 show a possible embodiment of such a compact unit 13, in which the intercooler 6, the humidifier 7 and a cathode-side separator 12 are integrated into a compact unit 13.
  • the components are positioned in such a streamlined manner that lines and line deflections and associated flow resistances as well as line length pressure losses are reliably reduced or avoided.
  • the adjoining components such as charge air cooler 6 and humidifier 7 or humidifier 7 and separator 12 are connected by merging into input areas E and output areas A.
  • Pipelines between the grain components within the assembly 13 are omitted.
  • the ineinan ⁇ the transitional input areas E and output areas A of the components integrated in the unit 13 have to set a homogeneous flow and to reduce pressure losses to a largely same flow cross-section and replace the usually formed as constriction and / or expansion areas and on Rohrleitun ⁇ conditions 14 connected inputs and outputs.
  • the assembly work is reduced, since only the outer interfaces of the assembly 13 are formed as external inputs Ea and outputs Aa of the relevant components and must be connected to pipes 14.
  • FIG. 3 the input and output regions E, A, which have the same cross-section between the components, and the outer inlets and outlets Ea, Aa designed as widening or narrowing regions can be clearly seen.
  • the components integrated in the assembly 13 may be surrounded by a single housing 15 or a housing formed of several parts.
  • the humidifier 7 can be bypassed via a bypass line designed as a pipeline 14 with a throttle valve 16 arranged therein. The bypass line is not integrated into the assembly 13.
  • FIGS. 2 and 3 show a possible example of a number of components of the fuel cell arrangement integrated into a structural unit 13.
  • other components of the fuel cell assembly 1 can be integrated into a structural unit.
  • the fuel cell stack and a cathode-side separator For example, not further Darge ⁇ imputed manner, the fuel cell stack and a cathode-side separator, the fuel cell stack and an anode-side separator, the fuel cell stack and a humidifier, the fuel cell stack and a heating element, the charge air cooler and the humidifier, the humidifier and a cathode side in Separator and / or an exhaust gas turbine and a separator or any other combination of components to be integrated into a separate unit.

Abstract

The invention relates to a fuel cell arrangement (1), comprising a plurality of fuel cells assembled into a fuel cell stack (2) and having first components supplying the fuel cells with reaction substances and second components processing reaction products exiting the fuel cell, wherein one or more of the components and/or the fuel cell or the fuel cell stack (2) are integrated to form a unit (13).

Description

BrennstoffZellenanordnung A fuel cell assembly
Die Erfindung betrifft eine BrennstoffZellenanordnung mit mehreren, zu einem Brennstoffzellenstapel zusammengesetzten Brennstoffzellen und mit ersten, die Brennstoffzellen mit Reaktionsstoffen versorgenden Komponenten und zweiten, Reaktionsprodukte der Brennstoffzellen verarbeitenden Komponenten.The invention relates to a fuel cell assembly comprising a plurality of fuel cells assembled into a fuel cell stack and first components supplying the fuel cells with reactants and second components of the reaction products of the fuel cell processing components.
BrennstoffZellenanordnungen mit mehreren Brennstoffzellen o- der einzelne Brennstoffzellen dienen einer schadstoffarmen Erzeugung von Elektrizität. Hierbei werden die jeweils eine Anode und Kathode aufweisenden Brennstoffzellen einerseits mit einem Wasserstoff enthaltenen Reaktionsstoff als Brennstoff und andererseits mit einem Sauerstoff enthaltenen Reaktionsstoff als Oxidationsmittel beaufschlagt. Als Reaktionsprodukt der Oxidationsvorgänge in der Brennstoffzelle ist ein aus der Brennstoffzelle austretender Luftstrom mit Wasserdampf und auskondensiertem Wasser befrachtet.Fuel cell arrangements with a plurality of fuel cells or individual fuel cells serve to generate low-emission electricity. Here, each of an anode and cathode having fuel cells are acted upon on the one hand with a hydrogen-containing reactant as fuel and on the other hand with an oxygen-containing reactant as the oxidant. As a reaction product of the oxidation processes in the fuel cell, a stream of air emerging from the fuel cell is laden with water vapor and condensed water.
Dabei wird bei der Gasversorgung der Kathode Frischluft als Oxidationsmittel zunächst in einem Verdichter komprimiert und dann in einem Ladeluftkühler abgekühlt. Im Weiteren strömt die Luft in ein Befeuchtermodul, in welchem sie Wasserdampf aus einem kathodenseitig ausströmenden Kathodenabgas der Brennstoffzelle oder eines Brennstoffzellenstapels aufnimmt. Danach wird die befeuchtete Frischluft in die Brennstoffzelle oder den Brennstoffzellenstapel geleitet und nimmt dort an der elektrochemischen Reaktion teil. Das kathodenseitig aus¬ strömende Kathodenabgas wird dann dem Befeuchtermodul zugeführt, wo es Wasserdampf an die der Kathode zuführende Luft abgibt. Anschließend wird das Kathodenabgas einer Abgasturbi- ne zugeführt. Der Anode der BrennstoffZellenanordnung wird beispielsweise über ein Dosierventil überstöchiometrischer Wasserstoff als Brennstoff aus einem WasserstoffSpeicher zugeführt. Nicht umgesetzter Wasserstoff und an der Kathode ü- bergetretener Stickstoff und Wasserdampf werden mittels eines Gebläses (auch Rezirkulationsgebläse genannt) wieder auf das Druckniveau des Frischgases verdichtet und über eine Rückführung erneut in den WasserstoffZustrom eingespeist.In the gas supply of the cathode fresh air is first compressed as an oxidizing agent in a compressor and then cooled in a charge air cooler. In addition, the air flows into a humidifier module, in which it absorbs water vapor from a cathode exhaust gas effluent cathode fuel cell or a fuel cell stack. Thereafter, the humidified fresh air in the fuel cell or passed the fuel cell stack and participates there in the electrochemical reaction. The cathode side flowing out ¬ cathode exhaust gas is then supplied to the humidifier module, where the air feeding the cathode emits water vapor. Subsequently, the cathode exhaust gas is fed to an exhaust gas turbine. For example, the anode of the fuel cell arrangement is supplied with superstoichiometric hydrogen as fuel from a hydrogen storage unit via a metering valve. Unreacted hydrogen and nitrogen and water vapor at the cathode are re-compressed to the pressure level of the fresh gas by means of a blower (also called a recirculation blower) and fed back into the hydrogen feed via a return.
Üblicherweise sind einzelne oder mehrere der Komponenten - Wasserspeicher, einzelne Brennstoffzellen, zu einem Stapel zusammengeschaltete Brennstoffzellen, Befeuchter, Ladeluftkühler, BrennstoffSpeicher, Kühlmittelspeicher und/oder e- lektronische Steuerungen - von einem gemeinsamen oder jeweils von einem separaten Gehäuse zum Schutz vor mechanischen Beschädigungen und/oder Umwelteinflüssen wie beispielsweise Spritzwasser oder Schutz umgeben.Typically, one or more of the components - water reservoir, individual fuel cells, stacked fuel cells, humidifier, intercooler, fuel storage, coolant storage and / or electronic controls - from a common or each of a separate housing for protection against mechanical damage and / or environmental factors such as splash water or protection.
Je nach Aufbau und Art der BrennstoffZeilenanordnung werden die erforderlichen Komponenten im zur Verfügung stehenden Bauraum entsprechend positioniert und über Strömungsleitungen, insbesondere Rohrleitungen miteinander verbunden. Dabei verlaufen die Strömungsleitungen sowohl geradlinig als auch gekrümmt, insbesondere mit 90° Umlenkungen.Depending on the structure and nature of the fuel cell arrangement, the required components are correspondingly positioned in the available installation space and connected to one another via flow lines, in particular pipelines. The flow lines are both rectilinear and curved, in particular with 90 ° deflections.
Entlang der Strömungsleitungen kommt es zu Druckverlusten und im Bereich von Umlenkungen zu Strömungswiderständen. Zum Ausgleich der Druckverluste und/oder Reduzieren der Strömungswiderstände weist die jeweilige Komponente, d. h. der Ladeluft- kühler, der Befeuchter, der Abscheider, ein Heizelement, der Brennstoffzellenstapel und/oder die Brennstoffzellen, strö- mungseingangs- und -ausgangsseitig so genannte Aufweitungs¬ und Verengungsbereiche (auch Ports, Eingangsport und Ausgangsport genannt) auf, welche die Strömungsleitungen mit der jeweiligen Funktionseinheit der Komponente verbinden. Hierdurch bedarf die Brennstoffzellenanordnung eines großen Bauraums. Darüber hinaus kommt es zu ungleichmäßiger Anströmung der jeweiligen Komponente und zu höheren Druckverlusten.Along the flow lines there are pressure losses and in the region of deflections to flow resistance. To compensate for the pressure losses and / or reducing the flow resistance, the respective component, ie the charge air Radiator, the humidifier, the separator, a heating element, the fuel cell stack and / or the fuel cell, flow input and output side so-called expansion ¬ and constriction areas (also called ports, input port and output port), which the flow lines with the respective functional unit connect the component. As a result, the fuel cell arrangement requires a large installation space. In addition, there is an uneven flow of the respective component and higher pressure losses.
Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Brennstoffzellenanordnung anzugeben.It is therefore an object of the invention to provide an improved fuel cell assembly.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst mit einer Brennstoffzellenanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1.The object is achieved with a fuel cell assembly having the features of claim 1.
Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.Advantageous developments are the subject of the dependent claims.
Bei einer erfindungsgemäßen Brennstoffzellenanordnung für ein Kraftfahrzeug mit mehreren, zu einem Brennstoffzellenstapel zusammengesetzten Brennstoffzellen und mit ersten, die Brennstoffzellen mit Reaktionsstoffen versorgenden Komponenten und zweiten, Reaktionsprodukte der Brennstoffzellen verarbeitenden Komponenten sind ein oder mehrere der Komponenten und/oder der Brennstoffzellenstapel zu einer Baueinheit integriert. Auf diese Weise sind aufwändige Rohrleitungsverbindungen vermieden, wodurch geringere Druckverluste an Übergangsbereichen zwischen den Komponenten auftreten. Auch werden die Funktionseinheiten der Komponenten besser angeströmt, wodurch sich der Wirkungsgrad der Brennstoffzellenanordnung erhöht. Der benötigte Bauraum ist durch die integrierte und somit kompakte Ausführung der Baueinheit mit mehreren Komponenten gegenüber herkömmlichen einzelnen Komponenten deutlich reduziert. Da zwischen den Komponenten keine Rohrleitungen benötigt werden, ist der Montageaufwand deutlich reduziert.In a fuel cell arrangement according to the invention for a motor vehicle having a plurality of fuel cells assembled into a fuel cell stack and with first components supplying the fuel cells with reactants and second components of the reaction products of the fuel cell, one or more of the components and / or the fuel cell stack are integrated into one unit. In this way, expensive piping connections are avoided, whereby lower pressure losses occur at transition areas between the components. Also, the functional units of the components are better flowed, thereby increasing the efficiency of the fuel cell assembly. The space required is clear by the integrated and thus compact design of the assembly with multiple components over conventional individual components reduced. Since no piping is required between the components, the assembly effort is significantly reduced.
Anstelle von aufwändigen Rohrleitungen sind aneinander angrenzende Komponenten und/oder der Brennstoffzellenstapel durch ineinander übergehende Eingangsbereiche und Ausgangsbe¬ reiche miteinander fluidisch verbunden. Dabei sind die Ein¬ gangs- und Ausgangsbereiche für eine homogene Anströmung und geringe Druckverluste entsprechend als Verengungs- und/oder AufWeitungsbereiche ausgebildet. Rohrleitungen und somit zusätzlicher Montageaufwand sind sicher vermieden. Ferner ist die Baueinheit mit mehreren integrierten Komponenten von einem einzelnen Gehäuse umgeben, so dass die Anzahl von Anbin- dungspunkten an Tragrahmen, insbesondere an den Fahrzeugrahmen reduziert ist.Instead of complex pipelines, adjoining components and / or the fuel cell stack are fluidly connected to one another by input regions and output regions merging into one another. The A ¬ gangs- and output areas for a homogeneous flow and low pressure loss are respectively formed as a constricting and / or expansion ranges. Pipelines and thus additional installation effort are safely avoided. Furthermore, the assembly is surrounded by a plurality of integrated components of a single housing, so that the number of connection points is reduced to support frame, in particular to the vehicle frame.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand von Zeichnungen näher erläutert.Embodiments of the invention will be explained in more detail with reference to drawings.
Dabei zeigen:Showing:
Fig. 1 schematisch eine BrennstoffZeilenanordnung mit den fluidisch miteinander verbundenen Komponenten,1 shows schematically a fuel cell arrangement with the fluidically interconnected components,
Fig. 2 schematisch ein Ausführungsbeispiel für eine aus mehreren Komponenten der Brennstoffzellenanordnung gebildete, integrierte Baueinheit, undFIG. 2 schematically shows an exemplary embodiment of an integrated structural unit formed from a plurality of components of the fuel cell arrangement, and FIG
Fig. 3 in Draufsicht ein Ausführungsbeispiel für den Aufbau der integrierten Baueinheit gemäß Figur 2.3 shows a plan view of an exemplary embodiment of the structure of the integrated structural unit according to FIG. 2.
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Figur 1 zeigt eine BrennstoffZellenanordnung 1 mit einer Brennstoffzelle 2. Alternativ kann die Brennstoffzellenanord- nung 1 in nicht näher dargestellter Art und Weise ein Brenn¬ stoffzellenpaket oder einen Brennstoffzellenstapel umfassen. Die Brennstoffzelle 2 besteht aus einer Anode 3 und einer Kathode 4.Corresponding parts are provided in all figures with the same reference numerals. 1 shows a fuel cell assembly 1 with a fuel cell 2. Alternatively, the voltage Brennstoffzellenanord- 1 in a non-illustrated manner comprise a fuel cell stack ¬ material or a fuel cell stack. The fuel cell 2 consists of an anode 3 and a cathode 4.
Der Brennstoffzelle 2 sind kathodenseitig zur Versorgung mit Oxidationsmittel in eine Kathodenzuleitung Zl eine Luftversorgungseinheit 5, insbesondere ein Luftverdichter, ein Lade- luftkühler 6 und ein Befeuchter 7 vorgeschaltet. Dabei kann der Befeuchter 7 über eine Umgehungsleitung Ll (= Bypass) umgangen werden. Hierzu ist in der Kathodenzuleitung Zl ein erstes Steuerelement Vl, insbesondere ein Steuerventil, angeordnet. Kathodenabgasseitig ist der Kathode 4 über eine Ab- gasleitung Al der Befeuchter 7 und eine Abgasturbine 8 nachgeschaltet. Die Luftversorgungseinheit 5 und die Abgasturbine 8 sind motorgetrieben. Hierzu ist ein Antriebsmotor 9 zum Antrieb sowohl der Luftversorgungseinheit 5 als auch der Abgasturbine 8 vorgesehen. Anodenseitig ist der Brennstoffzelle 2 zur Versorgung mit Brennstoff BS, insbesondere Wasserstoff ein Speicher 10 vorgeschaltet, von dem eine Anodenzuleitung Z2 in die Anode 3 mündet. Über ein Dosierventil V2 ist die Brennstoffzufuhr steuerbar. Anodenabgasseitig ist in eine Rückführleitung Rl ein Rezirkulationsgebläse 11 angeordnet, wobei die Rückführleitung Rl in die Anodenzuleitung Z2 mündet. In der Rückführung Rl ist darüber hinaus ein Abblasventil V3 zum Abblasen von Anodenabgas AG angeordnet.On the cathode side, the fuel cell 2 is supplied with an air supply unit 5, in particular an air compressor, a charge air cooler 6 and a humidifier 7, for supply with oxidizing agent into a cathode supply line Z 1. In this case, the humidifier 7 can be bypassed via a bypass line Ll (= bypass). For this purpose, a first control element Vl, in particular a control valve, is arranged in the cathode feed line Z1. On the cathode exhaust side, the cathode 4 is connected downstream via an exhaust gas line Al of the humidifier 7 and an exhaust gas turbine 8. The air supply unit 5 and the exhaust gas turbine 8 are motor-driven. For this purpose, a drive motor 9 for driving both the air supply unit 5 and the exhaust gas turbine 8 is provided. On the anode side, the fuel cell 2 is preceded by a memory 10 for supplying fuel BS, in particular hydrogen, from which an anode feed line Z2 discharges into the anode 3. About a metering valve V2, the fuel supply is controlled. Anode exhaust side, a recirculation fan 11 is disposed in a return line Rl, wherein the return line Rl opens into the anode feed line Z2. In addition, a blow-off valve V3 for blowing off anode exhaust gas AG is arranged in the return line R1.
Im Betrieb der Vorrichtung wird der Kathode 4 als Oxidationsmittel Luft L, insbesondere Frischluft oder ein anderes sauerstoffhaltiges Medium zugeführt. Dabei wird die Luft L von der Luftversorgungseinheit 5 gefördert und verdichtet. Die verdichtete Luft vL wird anschließend in dem Ladeluftkühler 6 gekühlt und im Befeuchter 7 befeuchtet, indem sie Wasserdampf aus dem kathodenseitig ausströmenden und den Befeuchter 7 e- benfalls durchströmenden Kathodenabgas KG aufnimmt. Die be¬ feuchtete Luft bL strömt durch die Kathode 4 zur Durchführung der elektrochemischen Reaktion und verlässt diese als Katho¬ denabgas KG, Wasser oder Wasserdampf, das bzw. der zur Befeuchtung der einströmenden verdichteten Luft vL dem Befeuchter 7 zugeführt wird und von diesem über die Abgasturbine 8 abgeführt wird.During operation of the device, the cathode 4 is supplied as an oxidizing agent air L, in particular fresh air or another oxygen-containing medium. In this case, the air L is conveyed and compressed by the air supply unit 5. The compressed air vL is then in the intercooler. 6 cooled and humidified in the humidifier 7, by absorbing water vapor from the cathode side effluent and the humidifier 7 e- flowing through the cathode exhaust gas KG. The BE ¬ moistened air bL flows through the cathode 4 for carrying out the electrochemical reaction and exits as Katho ¬ denabgas KG, water or water vapor, the or supplied for humidification of the incoming compressed air vL the humidifier 7 and from there via Exhaust gas turbine 8 is discharged.
Parallel dazu wird der Anode 3 vom Speicher 10 als Brennstoff BS beispielsweise Wasserstoff oder ein Wasserstoff enthaltenes Medium zugeführt, das anodenabgasseitig als Anodenabgas AG in die Rückführung Rl strömt und über das Rezirkula- tionsgebläse 11 in die Anodenzuleitung Z2 eingeströmt wird.In parallel, the anode 3 is supplied from the memory 10 as fuel BS, for example, hydrogen or a hydrogen-containing medium, the anode exhaust side as the anode exhaust gas AG flows into the return Rl and is flowed over the recirculation blower 11 in the anode feed line Z2.
Zur Bauraumoptimierung der BrennstoffZellenanordnung 1 bei einer Verwendung beispielsweise in einem Fahrzeug können ein oder mehrere der Komponenten und/oder die Brennstoffzelle o- der der Brennstoffzellenstapel 2 der Brennstoffzellenanord- nung 1 zu einer kompakten Baueinheit 13 integriert sein. Figuren 2 und 3 zeigen ein mögliches Ausführungsbeispiel für eine derartige kompakte Baueinheit 13, in welche der Ladeluftkühler 6, der Befeuchter 7 und ein kathodenseitiger Abscheider 12 zu einer kompakten Baueinheit 13 integriert sind. Dabei sind die Komponenten derart stoffstromgünstig positioniert, dass Leitungen und Leitungsumlenkungen und damit verbundene Strömungswiderstände sowie Leitungslängendruckverlus- te sicher reduziert oder vermieden sind.In order to optimize the space of the fuel cell arrangement 1 when used, for example, in a vehicle, one or more of the components and / or the fuel cell or the fuel cell stack 2 of the fuel cell arrangement 1 can be integrated into a compact unit 13. Figures 2 and 3 show a possible embodiment of such a compact unit 13, in which the intercooler 6, the humidifier 7 and a cathode-side separator 12 are integrated into a compact unit 13. In this case, the components are positioned in such a streamlined manner that lines and line deflections and associated flow resistances as well as line length pressure losses are reliably reduced or avoided.
Hierzu sind die aneinander angrenzenden Komponenten wie Ladeluftkühler 6 und Befeuchter 7 oder Befeuchter 7 und Abscheider 12 durch ineinander übergehende Eingangsbereiche E und Ausgangsbereiche A verbunden. Rohrleitungen zwischen den Korn- ponenten innerhalb der Baueinheit 13 entfallen. Die ineinan¬ der übergehenden Eingangsbereiche E und Ausgangsbereiche A der in der Baueinheit 13 integrierten Komponenten weisen zur Einstellung einer homogenen Anströmung und zur Reduzierung von Druckverlusten einen weitgehend gleichen Strömungsquerschnitt auf und ersetzen die üblicherweise als Verengungs- und/oder Aufweitungsbereiche ausgebildeten und an Rohrleitun¬ gen 14 angebundenen Ein- und Ausgänge. Hierdurch ist der Mon- tageaufwand reduziert, da lediglich die äußeren Schnittstellen der Baueinheit 13 als äußere Eingänge Ea und Ausgänge Aa der betreffenden Komponenten ausgebildet sind und mit Rohrleitungen 14 verbunden werden müssen. Gegenüber einer herkömmlichen BrennstoffZeilenanordnung mit einzelnen, rohrlei- tungsverbundenen Komponenten reduziert sich die Anzahl von benötigten Rohrleitungen bei der hier dargestellten integrierten Baueinheit 13 mit drei integrierten Komponenten dem Ladeluftkühler, dem Befeuchter 7 und dem Abscheider 12 von sechs auf vier. Die üblicherweise erforderlichen Umlenkungen sind in die ineinander übergehenden Ein- und Ausgangsbereiche E, A integriert. Zudem ist durch die ineinander übergehenden Ein- und Ausgangsbereiche E, A ein im Stand der Technik erforderlicher Verengungsbereich vermieden.For this purpose, the adjoining components such as charge air cooler 6 and humidifier 7 or humidifier 7 and separator 12 are connected by merging into input areas E and output areas A. Pipelines between the grain components within the assembly 13 are omitted. The ineinan ¬ the transitional input areas E and output areas A of the components integrated in the unit 13 have to set a homogeneous flow and to reduce pressure losses to a largely same flow cross-section and replace the usually formed as constriction and / or expansion areas and on Rohrleitun ¬ conditions 14 connected inputs and outputs. As a result, the assembly work is reduced, since only the outer interfaces of the assembly 13 are formed as external inputs Ea and outputs Aa of the relevant components and must be connected to pipes 14. Compared to a conventional fuel cell arrangement with individual, pipeline-connected components reduces the number of required piping in the illustrated here integrated assembly 13 with three integrated components the intercooler, the humidifier 7 and the separator 12 from six to four. The usually required deflections are integrated into the merging input and output areas E, A. In addition, a constriction area required in the prior art is avoided by the merging input and output areas E, A.
In Figur 3 sind die zwischen den Komponenten ineinander übergehenden Ein- und Ausgangsbereiche E, A mit gleich bleibendem Querschnitt und die äußeren, als Aufweitungs- oder Verengungsbereiche ausgebildeten Ein- und Ausgänge Ea, Aa deutlich zu erkennen. Darüber hinaus können die in der Baueinheit 13 integrierten Komponenten von einem einzelnen Gehäuse 15 oder einem aus mehreren Teilen gebildeten Gehäuse umgeben sein. Ferner ist der Befeuchter 7 über eine als Rohrleitung 14 ausgebildete Bypass-Leitung mit darin angeordneter Drosselklappe 16 umgehbar. Die Bypass-Leitung ist dabei nicht in die Baueinheit 13 integriert. Die Figuren 2 und 3 zeigen ein mögliches Beispiel für eine Anzahl von in eine Baueinheit 13 integrierten Komponenten der Brennstoffzellenanordnung. Alternativ können andere Komponenten der Brennstoffzellenanordnung 1 zu einer Baueinheit integriert werden. Beispielsweise können in nicht näher darge¬ stellter Art und Weise der Brennstoffzellenstapel und ein ka- thodenseitiger Abscheider, der Brennstoffzellenstapel und ein anodenseitiger Abscheider, der Brennstoffzellenstapel und ein Befeuchter, der Brennstoffzellenstapel und ein Heizelement, der Ladeluftkühler und der Befeuchter, der Befeuchter und ein kathodenseitiger Abscheider und/oder eine Abgasturbine und ein Abscheider oder eine andere beliebige Kombination von Komponenten jeweils zu einer separaten Baueinheit integriert sein.In FIG. 3, the input and output regions E, A, which have the same cross-section between the components, and the outer inlets and outlets Ea, Aa designed as widening or narrowing regions can be clearly seen. In addition, the components integrated in the assembly 13 may be surrounded by a single housing 15 or a housing formed of several parts. Furthermore, the humidifier 7 can be bypassed via a bypass line designed as a pipeline 14 with a throttle valve 16 arranged therein. The bypass line is not integrated into the assembly 13. FIGS. 2 and 3 show a possible example of a number of components of the fuel cell arrangement integrated into a structural unit 13. Alternatively, other components of the fuel cell assembly 1 can be integrated into a structural unit. For example, not further Darge ¬ imputed manner, the fuel cell stack and a cathode-side separator, the fuel cell stack and an anode-side separator, the fuel cell stack and a humidifier, the fuel cell stack and a heating element, the charge air cooler and the humidifier, the humidifier and a cathode side in Separator and / or an exhaust gas turbine and a separator or any other combination of components to be integrated into a separate unit.
Durch die Integration mehrerer Komponenten in eine Baueinheit 13 kommt es zu einer verbesserten Abkühlkurve, da die Gesamtwärmekapazität steigt. Zudem kann der durch Leitungsverlegung erforderliche Montageaufwand durch Reduzierung der Anzahl von Rohrleitungen und/oder der Anzahl von Rohrumlenkungen vermindert werden. Auch wird der Bauraum optimiert, da die Anzahl von große Bauräume benötigenden Aufweitungs- und Verengungsbereichen deutlich reduziert ist. Durch die nicht erforderlichen Aufweitungs- und Verengungsbereiche entstehen weniger Strömungsquerschnittssprünge und somit geringere Druckverluste. Hierdurch und durch daraus resultierendes geringeres Medienvolumen auf der Kathoden- und Anodenseite verbessern sich unter anderem die Kathodenrezirkulation und der Wirkungsgrad der Brennstoffzellenanordnung. Insbesondere beim Abschalten wird weniger Wasserstoff benötigt. Darüber hinaus wird die Kaltstartproblematik bei Temperaturen kleiner 0°C deutlich verbessert. Daimler AGThe integration of several components in a structural unit 13 results in an improved cooling curve, since the total heat capacity increases. In addition, the assembly effort required by piping can be reduced by reducing the number of piping and / or the number of pipe bends. The space is also optimized, since the number of large installation spaces requiring expansion and constriction areas is significantly reduced. Due to the unnecessary expansion and constriction areas less flow cross-section jumps and thus lower pressure losses. This and the resulting lower volume of media on the cathode and anode sides improve, inter alia, the cathode recirculation and the efficiency of the fuel cell arrangement. In particular, when switching off less hydrogen is needed. In addition, the cold start problem at temperatures below 0 ° C is significantly improved. Daimler AG
Bezugs zeichenlisteReference sign list
1 Brennstoffzellenanordnung1 fuel cell assembly
2 Brennstoffzelle2 fuel cell
3 Anode3 anode
4 Kathode4 cathode
5 Luftversorgungseinheit5 air supply unit
6 Ladeluftkühler6 intercooler
7 Befeuchter7 humidifiers
8 Abgasturbine8 exhaust gas turbine
9 Antriebsmotor9 drive motor
10 Speicher10 memory
11 Rezirkulationsgebläse11 recirculation fan
12 kathodenseitiger Abscheider12 cathode-side separator
13 integrierte Baueinheit13 integrated unit
14 Rohrleitung14 pipeline
AG AnodenabgasAG anode exhaust gas
AZl AbzweigleitungAZl branch line
Al Abgasleitung bL befeuchtete LuftAl exhaust pipe bL humidified air
BS BrennstoffBS fuel
KG KathodenabgasKG cathode exhaust gas
L Luft vL verdichtete LuftL air vL compressed air
Vl erstes SteuerelementFirst control
V2 DosierventilV2 metering valve
V3 AbblasventilV3 blow-off valve
V4 zweites SteuerelementV4 second control
Zl KathodenzuleitungZl cathode feed
Z2 Anodenzuleitung Z2 anode feed

Claims

Patentansprüche claims
1. BrennstoffZeilenanordnung (1) mit mehreren, zu einem Brennstoffzellenstapel (2) zusammengesetzten Brennstoffzellen und mit ersten, die Brennstoffzellen mit Reaktionsstoffen versorgenden Komponenten und zweiten, von der Brennstoffzelle austretende Reaktionsprodukte verarbeitenden Komponenten, dadurch gekennzeichnet, dass ein oder mehrere der Komponenten und/oder die Brennstoffzelle oder der Brennstoffzellenstapel (2) zu einer Baueinheit (13) integriert sind.Anspruch [en] A fuel cell assembly (1) comprising a plurality of fuel cells assembled into a fuel cell stack (2) and first components supplying fuel cells with reactants and second components processing fuel cell exiting from the fuel cell, characterized in that one or more of the components and / or the fuel cell or the fuel cell stack (2) are integrated into a structural unit (13).
2. BrennstoffZeilenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass aneinander angrenzende Komponenten und/oder die Brennstoffzelle oder der Brennstoffzellenstapel (2) ineinander übergehende Eingangsbereiche (E) und Ausgangsbereiche (A) aufweisen.2. Fuel cell assembly according to claim 1, characterized in that adjoining components and / or the fuel cell or the fuel cell stack (2) have merging into each other input areas (E) and output areas (A).
3. BrennstoffZeilenanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Baueinheit (13) von einem Gehäuse (14) umgeben ist. 3. fuel cell assembly according to claim 1 or 2, characterized in that the structural unit (13) by a housing (14) is surrounded.
4. BrennstoffZeilenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis4. Fuel cell assembly according to one of claims 1 to
3, dadurch gekennzeichnet, dass der Brennstoffzellenstapel (2) und ein kathodenseitiger Abscheider (12) oder der Brennstoffzellenstapel (2) und ein anodenseitiger Abscheider oder der Brennstoffzellenstapel (2) und ein Befeuchter (7) oder der Brennstoffzel¬ lenstapel (2) und ein Heizelement oder ein Ladeluftkühler (6) und ein Befeuchter (7) oder ein Befeuchter (7) und ein kathodenseitiger Abscheider (12) oder eine Abgas- turbine (8) und ein Abscheider (12) jeweils zu einer separaten Baueinheit (13) integriert sind.3, characterized in that the fuel cell stack (2) and a cathode-side separator (12) or the fuel cell stack (2) and an anode-side separator or the fuel cell stack (2) and a humidifier (7) or the Brennstoffzel ¬ lenstapel (2) and a Heating element or a charge air cooler (6) and a humidifier (7) or a humidifier (7) and a cathode-side separator (12) or an exhaust turbine (8) and a separator (12) are each integrated into a separate unit (13) ,
5. Brennstoffzellenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Befeuchter (7) und eine Ladelüftkühler (6) oder der Ladeluftkühler und der kathodenseitiger Abscheider (12) oder der Ladeluftkühler und der kathodenseitige Abscheider oder der kathodenseitige Abscheider (12) und der ano- denseitige Abscheider oder der Brennstoffzellenstapel (2) und ein Startheizer/-Brenner oder der Befeuchter (7) und der anodenseitige Abscheider oder der anodenseitige Abscheider und ein Rezirkulationsgebläse oder der Starthei- zer/-Brenner und der Ladeluftkühler oder der Starthei- zer/-Brenner und der Befeuchter (7) der der Startheizer/- Brenner und der anodenseitige Abscheider oder der Start- heizer/-Brenner und der kathodenseitige Abscheider (12) oder Brennstoffzellenstapel (2) und eine Wasserstoffbe- feuchter oder der Wasserstoffbefeuchter und der anodenseitige Abscheider oder der Wasserstoffbefeuchter und der Befeuchter (7) oder der Brennstoffzellenstapel (2) und der Ladeluftkühler (6) jeweils zu einer separaten Baueinheit (13) integriert sind. 5. Fuel cell arrangement according to one of claims 1 to 4, characterized in that the humidifier (7) and a charge-air cooler (6) or the intercooler and the cathode-side separator (12) or the intercooler and the cathode-side separator or the cathode-side separator (12) and the anode-side separator or the fuel cell stack (2) and a start heater / burner or the humidifier (7) and the anode-side separator or the anode-side separator and a recirculation fan or the starter / burner and the intercooler or the starter and the humidifier (7) of the start heater / - burner and the anode-side separator or the starting heater / burner and the cathode-side separator (12) or fuel cell stack (2) and a hydrogen humidifier or the hydrogen humidifier and anode-side separator or the hydrogen humidifier and the humidifier (7) or the fuel cell stack (2) and the intercooler (6) are each integrated into a separate unit (13).
6. Brennstoffzellenanordnung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere separate Baueinheiten (13) und/oder eine Kompo¬ nente mit einer separaten Baueinheit (13) zu einer Baugruppe integriert ist. 6. Fuel cell arrangement according to claim 4 or 5, characterized in that a plurality of separate structural units (13) and / or a compo ¬ nent with a separate structural unit (13) is integrated into an assembly.
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