WO2011050916A1 - Fuel cell system comprising at least one fuel cell - Google Patents

Fuel cell system comprising at least one fuel cell Download PDF

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WO2011050916A1
WO2011050916A1 PCT/EP2010/006377 EP2010006377W WO2011050916A1 WO 2011050916 A1 WO2011050916 A1 WO 2011050916A1 EP 2010006377 W EP2010006377 W EP 2010006377W WO 2011050916 A1 WO2011050916 A1 WO 2011050916A1
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fuel cell
cell system
exhaust air
burner
air
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PCT/EP2010/006377
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Andreas Knoop
Dietmar Mirsch
Hans-Jörg SCHABEL
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Daimler Ag
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    • Y02T90/40—Application of hydrogen technology to transportation, e.g. using fuel cells

Definitions

  • Fuel cell system with at least one fuel cell
  • the invention relates to a fuel cell system with at least one fuel cell, according to the closer defined in the preamble of claim 1.
  • fuel cell systems are known in which at least one fuel cell, which is designed, for example, as a PEM fuel cell stack, is supplied with air via an air conveying device in order to utilize the oxygen contained therein in the fuel cell. It is also known that the air flowing out of the cathode space can be expanded by means of a turbine so as to recover pressure energy and / or thermal energy from the exhaust gas of the cathode space.
  • ETC Electric Turbo Charger
  • German Patent Application No. DE 10 2009 009 673.6 which is not prepublished, that a burner for heating the exhaust air flow upstream of the turbine is arranged in the flow direction of the exhaust gas from the cathode space.
  • this burner in which, for example, exhaust gas from a
  • Anode space of the fuel cell and / or additional fuel can be implemented, the thermal energy content of the exhaust air flow can be increased, so that it can be implemented in the turbine in kinetic energy for the air conveyor and / or the electric machine in the generator mode.
  • Fuel cell system with the features defined in detail in the preamble of claim 1 to improve the effect that a better utilization of the energy used can be done.
  • a heat exchanger or recuperator is provided, which is flowed through by the exhaust air of the turbine on the one hand and by the exhaust air flow in the flow direction in front of the burner on the other hand.
  • the still warm exhaust air of the turbine is thus used to the exhaust air flow of
  • Fuel cell which flows into the burner, preheat accordingly.
  • a higher entry of energy is possible, so that waste heat, which otherwise unused with the exhaust air of the turbine from the
  • Fuel cell system escapes profitably to increase performance in the field of turbine and for driving a component through the turbine, for example, an air conveyor, an electric machine in generator mode or the like, can be used.
  • the interconnection according to the invention thus provides the best possible utilization of the energy present in the fuel cell system.
  • this also has a charge air cooler, which of the supply air for
  • Fuel cell system it is also provided that the heat exchanger and the intercooler are designed in an integrated component.
  • This integrated component then makes it possible to combine the functionality of both heat exchangers, so as to create an extremely compact fuel cell system, and to be able to plan the integrated component as simply as possible in the packaging of the fuel cell system.
  • Fuel cell system is integrated into the integrated component further comprises a water separator at the inlet for the exhaust air flow.
  • a water separator can separate liquid water from the exhaust air flow of the cathode chamber of the fuel cell and thus prevent liquid droplets from reaching the region of the heat exchanger.
  • the water separator can be emptied into the region of the exhaust air of the turbine. This emptying into the exhaust air flow can be done both before and after the heat exchanger. For energetic reasons, it makes special sense, the water in the exhaust air of Turbine after the heat exchanger to bring. Then withdraws the water, which optionally evaporates in the exhaust air, this no energy, which through the
  • the water from the water is introduced via a nozzle in the exhaust air.
  • a nozzle such as a two-fluid nozzle, this could be atomized accordingly.
  • the leakage of "liquid" water can be prevented from the fuel cell system, since this is now at least finely distributed and so a example of a with the
  • a valve device for connecting the supply air side is integrated with the exhaust side.
  • a valve device which is also referred to as a system bypass valve, may be provided to connect the supply air side after the air conveyor with the exhaust side in front of the turbine.
  • the system bypass valve can be used, for example, to provide a path for penetrating air at standstill of the system, which leads with relatively low pressure loss to the environment. This can be a flow through the cathode compartment of the fuel cell itself prevent
  • Fuel cell system be beneficial.
  • the integration of such a valve device in the integrated component in turn has the advantage that space is saved, and at a point at which the gas streams are anyway very close together, a comparatively simple connection between them can be created.
  • Fuel cell system it may also be provided that in the integrated component, a humidifier is integrated, which flows through the supply air flow to the cathode compartment of the fuel cell by permeable to water vapor membranes from the exhaust air flow upstream of the heat exchanger.
  • a humidifier is integrated, which flows through the supply air flow to the cathode compartment of the fuel cell by permeable to water vapor membranes from the exhaust air flow upstream of the heat exchanger.
  • any necessary humidification of the supply air can likewise be included in the integrated component.
  • the known humidifier is structurally integrated into the integrated component, so as to create a very compact and in terms of packaging favorable structure in a single integrated component.
  • the fuel cell system according to the invention can therefore be constructed very energy efficient and compact. It is thus predestined to be integrated as a fuel cell system in a means of transport. A particularly preferred embodiment of this inventive use of the fuel cell system in one
  • Fig. 1 shows a first possible embodiment of the invention
  • Fig. 2 shows a second possible embodiment of the invention
  • Fig. 3 shows a third possible embodiment of the invention
  • Fig. 4 shows a fourth possible embodiment of the invention
  • Fig. 5 shows a first possible embodiment of an integrated component according to the
  • FIG. 6 shows a second possible embodiment of an integrated component according to the invention
  • Fig. 7 shows a third possible embodiment of an integrated component according to the
  • FIG. 8 shows a fourth possible embodiment of an integrated component according to FIG.
  • FIG. 9 shows a vehicle with a fuel cell system according to the invention.
  • a fuel cell system 1 is shown. It essentially comprises a fuel cell 2, which is to be constructed by way of example as a stack of PEM fuel cells.
  • a cathode compartment 3 is then separated by proton-conducting membranes 4 from an anode compartment 5.
  • Cathode space 3 of the fuel cell 2 is via an air conveyor 6,
  • a flow compressor air supplied, so that the oxygen contained in the air in the cathode compartment can be used.
  • This oxygen will now come into contact with hydrogen through the membranes 4, which hydrogen is supplied to the anode space 5 of the fuel cell 2 from a hydrogen storage device.
  • the hydrogen from the hydrogen storage device 7 passes through a hydrogen valve 8 in the desired amount and with the desired pressure in the region of the anode chamber 5 of the fuel cell 2.
  • From the anode chamber 5 then flows from an exhaust gas. This still contains a certain amount of hydrogen, if only because the anode chamber 5 more hydrogen is available, as can be implemented in this, in order to make optimum use of the available surface of the membranes 4.
  • This anode exhaust gas is now over a
  • the recirculation of the gas stream into the anode chamber 5 accumulates in this water which forms over time in the anode chamber 5.
  • nitrogen accumulates over time, which diffuses through the membranes 4 and through the Recirculation conveyor 10 is circulated around the anode. The longer the operation of the fuel cell 2, the larger the amount of oxygen in the recirculated gas stream. This reduces the concentration of hydrogen and the
  • Air conveyor 6 supplied air. The air passes from the
  • Air conveying device 6 via a provided only in partial sections with reference numeral supply air line 14, which is divided in the illustration of Figure 1 in two sections 14.1 and 14.2, in the cathode compartment 3. Between the sections 14.1 and 14.2 of the supply air line sits a component which a charge air cooler 15 and a humidifier 16 in itself. The functionality of the component is now that the supply air in the section 14.1 of the supply air to the air conveyor 6 is comparatively hot, since this is heated by the compression in the air conveyor 6 accordingly. This hot and dry supply air then passes into the intercooler 15 and the humidifier 16. It is cooled in this component accordingly and provided with moisture, so that through the second section 14.2 of the
  • Exhaust air flow line 17 in turn in the area of the intercooler 15 and humidifier 16. It serves to cool the hot and dry coming from the sub-line 14.1 of the air supply air accordingly, including a part of the component as intercooler
  • the moisture passes from the over the first section 17.1 of the exhaust air flow line in the humidifier as well
  • the turbine 21 is connected to the use of the recovered energy via a shaft 23 with the air conveyor 6 as well as with an electric machine 24.
  • This Construction is often referred to as electric turbocharger 25 or ETC. It serves, in a manner known per se, to utilize power which is obtained via the turbine 21 for operating the air conveying device 6. Falls on the turbine 21 more power than the air conveyor 6 needed, so the electric machine 24 as
  • Fuel cell system 1 according to FIG. 2 differs from the illustration just described at the points described in more detail below, wherein the components and reference numbers which remain unchanged are not discussed again.
  • the intercooler 15 and the humidifier 16 are designed as two discrete components.
  • the heat exchanger 18 is structurally integrated into the intercooler 15, so that here an integrated component 26 is formed.
  • this integrated component 26 the heat transfers then take place both from the supply air flow to the exhaust air flow and from the exhaust air to the exhaust air flow.
  • the supply of hydrogen either from the anode compartment 5 or the
  • Hydrogen storage device 7 via the hydrogen line 13 here designed so that the hydrogen line 13 opens in section 17.3 of the exhaust air flow line into the exhaust air stream.
  • the hydrogen is thus mixed with the exhaust air flow in the burner 19 and can here - especially catalytically - be converted into thermal energy.
  • the construction offers the advantage that the heat exchanging functionality of
  • Heat exchanger 18 and the intercooler 15 is integrated into a single component, so less effort in the manufacture and assembly of the
  • Fuel cell system 1 is created.
  • the system can be built so compact.
  • FIG. 3 a similar structure of a fuel cell system 1 can now be seen again. As in the description of FIG. 2, only the elements and components which are opposite to those above are discussed here
  • the structure of the fuel cell system 1 according to FIG. 3 now again provides an integrated component 26, which is to contain the humidifier 16 in addition to the intercooler 15.
  • an integrated component 26 of the fuel cell system 1 is to contain the humidifier 16 in addition to the intercooler 15.
  • the integrated component 26 of the fuel cell system 1 is to contain the humidifier 16 in addition to the intercooler 15.
  • Integrated heat exchanger 18 in the manner described in Figure 2.
  • the burner 19 can optionally also be integrated into the integrated component 26, an alternative embodiment with a burner 19 not integrated in the integrated component 26 would also be conceivable.
  • the hydrogen line 13 is now guided in front of this integrated component in the first section 17.1 of the exhaust air flow line 17. Unlike the previously shown
  • the hydrogen pipe 13 is not merged with the drain line 12, but this also opens independently in the first section 17.1 of the exhaust air flow line 17.
  • the structure thus provides that a mixture of
  • Anodenraums 5 flows into the integrated component and is then implemented accordingly in the also integrated burner 19.
  • Detect fuel cell system 1 This corresponds essentially to the illustration discussed in connection with FIG. As in the description of the two preceding figures, again only the elements and components are described here, which differ from the already explained embodiments of the fuel cell system 1.
  • drain line 12 does not enter the exhaust air flow line 17 or one of its outlets
  • a water separator 27 and a valve device 28 are integrated into the integrated component 26 here.
  • the water separator 27 is preferably arranged in the region of the exhaust air flow flowing into the integrated component 26 from the cathode space 3. It serves to separate liquid droplets to prevent clogging of the channels of the heat exchanger of the integrated component 26.
  • the water, which collects in the water separator 27, then passes through a water pipe 29 into the region 22.2 of the exhaust air line. It is then discharged together with the exhaust air from the fuel cell system 1. For example, when used in vehicles or other means of transport, the discharge of liquid water from the fuel cell system 1 may be undesirable.
  • Exhaust line 22 may be arranged. About this nozzle 30, the liquid water can then be atomized in the exhaust air, for example, in such a way that the water of a
  • Atomizing the water then creates a fine distribution of the same in the exhaust air, so that no liquid immediately leaking water from the fuel cell system 1, but this is finely dispersed in the exhaust air. This prevents wetting of a surface arranged below the fuel cell system 1, for example, with liquid.
  • the integrated component 26 has the already mentioned valve device 28.
  • This serves to connect the supply air line 14 with the exhaust air flow line 17. It is also referred to as system bypass valve 28. It can be embodied integrated into the integrated component 26, since here the two streams, that is to say the supply air stream and the exhaust air stream, are guided comparatively close to one another. By opening the valve device 28 can be prevented that air or too much air in the
  • Cathode space 3 of the fuel cell 3 occurs. This can in particular when switching off the fuel cell system 1 when changing to a bypass state of
  • Plate heat exchanger can be realized.
  • the exhaust air flow from the cathode chamber 3 flows, as shown by the line elements 17.1 and 17.4 of the exhaust air flow line, as in a standard plate heat exchanger in one of the two gas chambers and there through the respective channels or levels. He is first of the guided in countercurrent supply air flow from the line 14.1 after the
  • Air conveyor 6 heated accordingly and then by the exhaust air to the turbine in the exhaust duct 22 and their sections 22.1 and 22.2.
  • Zu Kunststoffstromraums occurs over the exhaust air flow space is shown in the illustrations of Figures 5 to 8 each by a dashed line.
  • the structure and the manufacturing process of the integrated component 26 can be based on the known production of plate heat exchangers in countercurrent or cross flow method.
  • a connection of the individual gas chambers can be realized for example in different sections or on different sides of such a stack of plates.
  • the different variants illustrated in FIGS. 5 to 8 are conceivable by way of example. Of course, other structural configurations of the integrated component 26 are also possible and conceivable.
  • a motor vehicle 31 Such a motor vehicle 31 can be seen by way of example in the illustration of FIG. It comprises a fuel cell system 1, which is realized according to one of the exemplary embodiments presented above. It is shown in the illustration of Figure 9 only as a box.
  • the fuel cell system 1 outputs electric power to an electronic unit 32, which distributes this electrical power to drive the vehicle to an electric machine 33.
  • an electrical energy storage 34 may be provided which, for example, as a battery or in the form of
  • High performance capacitors is formed. A combination of these components in the electrical energy storage 34 is conceivable.
  • the electrical energy store 34 can then excess energy, which, for example, for the fuel cell system
  • energy can be temporarily stored in the electrical energy store 34, which is then generated by the electric machine 24 when more power is generated at the turbine 21 than is required by the air conveying device 6.
  • electrical energy can also be stored in the energy storage device 34, which occurs when the vehicle 31 is decelerated when, for this purpose, the electric drive motor 33 is operated in generator mode in order to brake the vehicle 31 with its drag torque.
  • the structure according to the invention now also has the advantage that in case of failure of the fuel cell system 1 via the burner 19 and hydrogen from the hydrogen storage device 7 and the air conveyor 6 supplied air electrical energy through the turbine 21 and the electric machine 24 in the generator Operation can be generated.
  • This electrical energy could then be used via the electronic unit 32 to drive the traction motor 33, so that a further advantage of the inventive design of the fuel cell system 1 is that an emergency operation of the vehicle even in case of failure of the fuel cell

Abstract

The invention relates to a fuel cell system (1) comprising at least one fuel cell (2). An air delivery device (6) delivers feed air to a cathode chamber (3) of the fuel cell (2). The fuel cell system (1) is provided with a turbine (21) for expanding a waste air stream (17.4) from the region of the cathode chamber (3), and a burner (19) for heating the waste air stream (17.3, 17.4) before the turbine (21). A heat exchanger (18) is provided, through which both the waste air (22.1, 22.2) from the turbine (21) and the waste stream (17.1, 17.2, 17.3) flow before the burner (19) in the flow direction.

Description

Brennstoffzellensystem mit wenigstens einer Brennstoffzelle  Fuel cell system with at least one fuel cell
Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem mit wenigstens einer Brennstoffzelle, nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art. The invention relates to a fuel cell system with at least one fuel cell, according to the closer defined in the preamble of claim 1.
Aus dem allgemeinen Stand der Technik sind Brennstoffzellensysteme bekannt, bei welchen wenigstens eine Brennstoffzelle, welche beispielsweise als PEM- Brennstoffzellenstapel ausgebildet ist, über eine Luftfördereinrichtung mit Luft versorgt wird, um den darin enthaltenen Sauerstoff in der Brennstoffzelle zu nutzen. Dabei ist es außerdem bekannt, dass die aus dem Kathodenraum abströmende Luft über eine Turbine entspannt werden kann, um so Druckenergie und/oder thermische Energie aus dem Abgas des Kathodenraums zurückzugewinnen. From the general state of the art, fuel cell systems are known in which at least one fuel cell, which is designed, for example, as a PEM fuel cell stack, is supplied with air via an air conveying device in order to utilize the oxygen contained therein in the fuel cell. It is also known that the air flowing out of the cathode space can be expanded by means of a turbine so as to recover pressure energy and / or thermal energy from the exhaust gas of the cathode space.
Ferner ist es bekannt, den Aufbau aus Luftfördereinrichtung und Turbine zusammen mit einer elektrischen Maschine zu einem sogenannten elektrischen Turbolader (ETC = Electric Turbo Charger) zu kombinieren. Ein solcher ETC fördert typischerweise über einen Strömungsverdichter die Luft zu einem Kathodenraum der Brennstoffzelle, während die aus dem Kathodenraum abströmende Abluft in der Turbine des ETC entspannt wird. Die Turbine ist dann in der Lage, die anfallende Leistung Energie entweder der Furthermore, it is known to combine the assembly of air conveyor and turbine together with an electric machine to a so-called electric turbocharger (ETC = Electric Turbo Charger). Such an ETC typically conveys the air to a cathode compartment of the fuel cell via a flow compressor, while the exhaust air flowing out of the cathode compartment is expanded in the turbine of the ETC. The turbine will then be able to recover the resulting power from either of the energy
Luftfördereinrichtung direkt zur Verfügung zu stellen, oder falls mehr Leistung anfällt, als die Luftfördereinrichtung benötigt, diese in der elektrischen Maschine, in einem generatorischen Betrieb, in elektrische Leistung umzusetzen. Diese elektrische Leistung kann dann anderweitig genutzt oder in einer Batterie und/oder To provide air delivery directly available, or if more power is required than the air conveyor required to implement them in the electric machine, in a regenerative operation, into electrical power. This electrical power can then be used elsewhere or in a battery and / or
Hochleistungskondensatoren zwischengespeichert werden. In Betriebssituationen, in denen die an der Turbine anfallende Leistung nicht ausreicht, um die High performance capacitors are cached. In operating situations where the turbine power is insufficient to handle the
Luftfördereinrichtung zu betreiben, kann diese außerdem über die elektrische Maschine, dann im motorischen Betrieb, angetrieben werden. Fällt dabei zusätzlich Leistung an der Turbine an, so kann durch diese anfallende Leistung die elektrische Antriebsleistung, welche durch die elektrische Maschine aufgebracht werden muss, entsprechend reduziert werden. To operate air conveyor, it can also be powered by the electric machine, then in the engine operation. If this is additional performance on the Turbine, so by this accumulating power, the electric drive power, which must be applied by the electric machine, be reduced accordingly.
Ferner ist es aus der nicht vorveröffentlichten deutschen Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen DE 10 2009 009 673.6 bekannt, dass in Strömungsrichtung des Abgases aus dem Kathodenraum ein Brenner zur Erwärmung des Abluftstroms vor der Turbine angeordnet wird. In diesem Brenner, in welchem beispielsweise Abgas aus einem Furthermore, it is known from German Patent Application No. DE 10 2009 009 673.6, which is not prepublished, that a burner for heating the exhaust air flow upstream of the turbine is arranged in the flow direction of the exhaust gas from the cathode space. In this burner, in which, for example, exhaust gas from a
Anodenraum der Brennstoffzelle und/oder zusätzlicher Brennstoff umgesetzt werden kann, kann der thermische Energieinhalt des Abluftstroms erhöht werden, sodass dieser in der Turbine in Bewegungsenergie für die Luftfördereinrichtung und/oder die elektrische Maschine im Generatorbetrieb umgesetzt werden kann. Anode space of the fuel cell and / or additional fuel can be implemented, the thermal energy content of the exhaust air flow can be increased, so that it can be implemented in the turbine in kinetic energy for the air conveyor and / or the electric machine in the generator mode.
Es ist nun die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung, den Betrieb eines It is now the object of the present invention, the operation of a
Brennstoffzellensystems mit den im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Merkmalen dahingehend zu verbessern, dass eine bessere Ausnutzung der eingesetzten Energie erfolgen kann. Fuel cell system with the features defined in detail in the preamble of claim 1 to improve the effect that a better utilization of the energy used can be done.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Unteransprüchen. According to the invention this object is achieved by the features mentioned in the characterizing part of claim 1. Further advantageous embodiments of the invention will become apparent from the dependent claims.
Erfindungsgemäß ist es nun vorgesehen, dass ein Wärmetauscher beziehungsweise Rekuperator vorgesehen ist, welcher von der Abluft der Turbine einerseits und von dem Abluftstrom in Strömungsrichtung vor dem Brenner andererseits durchströmt ist. Die immer noch warme Abluft der Turbine wird also genutzt, um den Abluftstrom der According to the invention, it is now provided that a heat exchanger or recuperator is provided, which is flowed through by the exhaust air of the turbine on the one hand and by the exhaust air flow in the flow direction in front of the burner on the other hand. The still warm exhaust air of the turbine is thus used to the exhaust air flow of
Brennstoffzelle, welcher in den Brenner strömt, entsprechend vorzuwärmen. Durch diese Vorwärmung wird in dem Brenner ein höherer Eintrag an Energie ermöglicht, sodass Abwärme, welche ansonsten ungenutzt mit der Abluft der Turbine aus dem Fuel cell, which flows into the burner, preheat accordingly. By this preheating in the burner, a higher entry of energy is possible, so that waste heat, which otherwise unused with the exhaust air of the turbine from the
Brennstoffzellensystem entweicht, gewinnbringend zur Leistungssteigerung im Bereich der Turbine und zum Antrieb eines Bauteils durch die Turbine, beispielsweise einer Luftfördereinrichtung, einer elektrischen Maschine im generatorischen Betrieb oder Ähnlichem, eingesetzt werden kann. Die erfindungsgemäße Verschaltung schafft also eine bestmögliche Ausnutzung der in dem Brennstoffzellensystem vorhandenen Energie. In einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems weist dieses außerdem einen Ladeluftkühler auf, welcher von der Zuluft zum Fuel cell system escapes profitably to increase performance in the field of turbine and for driving a component through the turbine, for example, an air conveyor, an electric machine in generator mode or the like, can be used. The interconnection according to the invention thus provides the best possible utilization of the energy present in the fuel cell system. In an advantageous development of the fuel cell system according to the invention, this also has a charge air cooler, which of the supply air for
Kathodenraum in Strömungsrichtung nach der Luftfördereinrichtung einerseits und von dem Abluftstrom in Strömungsrichtung vor dem Brenner andererseits durchströmt ist. Dieser besonders einfache und kompakte Aufbau erlaubt es damit, mit einem Gas-Gas- Wärmetauscher die Zuluft zu dem Brennstoffzellensystem, welche sich in der Cathode space in the flow direction after the air conveyor on the one hand and on the other hand flows through the exhaust air flow in the flow direction in front of the burner. This particularly simple and compact construction thus makes it possible, with a gas-gas heat exchanger, the supply air to the fuel cell system, which in the
Luftfördereinrichtung erhitzt hat, zu kühlen, um so die Brennstoffzelle selbst, Heated air conveyor to cool, so as the fuel cell itself,
insbesondere wenn diese PEM-Brennstoffzellenstapel ausgebildet ist, vor zu heißer Zuluft zu schützen. Die der Zuluft entnommene Wärme, welche durch die Luftfördereinrichtung in die Zuluft eingebracht wurde, wird dann auf den Abluftstrom übertragen, bevor dieser in den Brenner strömt. Auch dies erhöht die Temperatur des Abluftstroms zusätzlich, sodass zumindest ein Teil der thermischen Energie durch die Turbine wieder genutzt werden kann. especially when this PEM fuel cell stack is designed to protect against too hot supply air. The heat taken from the supply air, which was introduced by the air conveyor into the supply air, is then transferred to the exhaust air stream, before it flows into the burner. This also increases the temperature of the exhaust air flow in addition, so that at least a part of the thermal energy can be reused by the turbine.
In einer weiteren sehr vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen In a further very advantageous embodiment of the invention
Brennstoffzellensystems ist es außerdem vorgesehen, dass der Wärmetauscher und der Ladeluftkühler in einem integrierten Bauteil ausgeführt sind. Dieses integrierte Bauteil erlaubt es dann, die Funktionalität beider Wärmetauscher zu vereinen, um so ein außerordentlich kompaktes Brennstoffzellensystem zu schaffen, und das integrierte Bauteil möglichst einfach in das Packaging des Brennstoffzellensystems einplanen zu können. Fuel cell system, it is also provided that the heat exchanger and the intercooler are designed in an integrated component. This integrated component then makes it possible to combine the functionality of both heat exchangers, so as to create an extremely compact fuel cell system, and to be able to plan the integrated component as simply as possible in the packaging of the fuel cell system.
Gemäß einer sehr günstigen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen According to a very favorable embodiment of the invention
Brennstoffzellensystems ist in das integrierte Bauteil ferner ein Wasserabscheider am Einlass für den Abluftstrom integriert. Ein solcher Wasserabscheider kann flüssiges Wasser aus dem Abluftstrom des Kathodenraums der Brennstoffzelle abscheiden und so verhindern, dass flüssige Tröpfchen in den Bereich des Wärmetauschers gelangen. Fuel cell system is integrated into the integrated component further comprises a water separator at the inlet for the exhaust air flow. Such a water separator can separate liquid water from the exhaust air flow of the cathode chamber of the fuel cell and thus prevent liquid droplets from reaching the region of the heat exchanger.
Damit lässt sich durch den Wasserabscheider das Verstopfen der Kanäle des This can be blocked by the water trap, the clogging of the channels
Wärmetauschers vermeiden und es ist eine gleichmäßige Durchströmung und ein guter Wärmeübertrag gesichert. Avoid heat exchanger and it is ensured a uniform flow and a good heat transfer.
In einer sehr vorteilhaften Weiterbildung hiervon ist es außerdem vorgesehen, dass der Wasserabscheider in den Bereich der Abluft der Turbine entleerbar ist. Diese Entleerung in den Abluftstrom kann dabei sowohl vor als auch nach dem Wärmetauscher erfolgen. Aus energetischen Gründen ist es besonders sinnvoll, das Wasser in die Abluft der Turbine nach dem Wärmetauscher einzubringen. Dann entzieht das Wasser, welches gegebenenfalls in der Abluft verdampft, dieser keine Energie, welche durch den In a very advantageous development thereof, it is also provided that the water separator can be emptied into the region of the exhaust air of the turbine. This emptying into the exhaust air flow can be done both before and after the heat exchanger. For energetic reasons, it makes special sense, the water in the exhaust air of Turbine after the heat exchanger to bring. Then withdraws the water, which optionally evaporates in the exhaust air, this no energy, which through the
Wärmetauscher auf den Abluftstrom zum Brenner übertragen und damit noch Transfer heat exchanger to the exhaust air flow to the burner and thus still
nutzbringend verwendet werden könnte. Andererseits kann sinnvoll sein, zumindest ein Teil des abgelassenen Wassers zu verdampfen, um das Austreten von flüssigem Wasser aus dem Brennstoffzellensystem zu verhindern. Dies ist insbesondere bei Einsatz des Brennstoffzellensystems in Fahrzeugen von entscheidendem Vorteil, da hier keine Benetzung der Straßen mit flüssigem Wasser erfolgen sollte, da dieses bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts gefrieren könnte. could be used profitably. On the other hand, it may be useful to evaporate at least a portion of the discharged water to prevent the leakage of liquid water from the fuel cell system. This is particularly advantageous when using the fuel cell system in vehicles, since there should be no wetting of the streets with liquid water, as this could freeze at temperatures below freezing.
In einer weiteren sehr vorteilhaften Ausgestaltung hiervon kann es daher vorgesehen sein, dass das Wasser aus dem Wasserabscheider über eine Düse in die Abluft einbringbar ist. Über eine solche Düse, beispielsweise eine Zweistoffdüse, könnte dieses entsprechend zerstäubt werden. Auch dadurch kann das Austreten von„flüssigem" Wasser aus dem Brennstoffzellensystem verhindert werden, da dieses nun zumindest fein verteilt vorliegt und so eine beispielsweise von einem mit dem In a further very advantageous embodiment of this it can therefore be provided that the water from the water is introduced via a nozzle in the exhaust air. About such a nozzle, such as a two-fluid nozzle, this could be atomized accordingly. Also, the leakage of "liquid" water can be prevented from the fuel cell system, since this is now at least finely distributed and so a example of a with the
Brennstoffzellensystem ausgerüsteten Fahrzeug befahrene Straße nicht benetzt. Fuel cell system equipped vehicle driven road not wetted.
In einer weiteren sehr günstigen Weiterbildung des erfindungsgemäßen In a further very favorable development of the invention
Brennstoffzellensystems ist es ferner vorgesehen, dass in das integrierte Bauteil eine Ventileinrichtung zur Verbindung der Zuluftseite mit der Abluftseite integriert ist. Eine solche Ventileinrichtung, welche auch als Systembypassventil bezeichnet wird, kann vorgesehen sein, um die Zuluftseite nach der Luftfördereinrichtung mit der Abluftseite vor der Turbine zu verbinden. Das Systembypassventil kann beispielsweise genutzt werden, um im Stillstand des Systems einen Weg für eindringende Luft zu schaffen, welcher mit vergleichsweise geringem Druckverlust an die Umgebung führt. Damit lässt sich ein Durchströmen des Kathodenraums der Brennstoffzelle selbst verhindern Fuel cell system, it is further provided that in the integrated component, a valve device for connecting the supply air side is integrated with the exhaust side. Such a valve device, which is also referred to as a system bypass valve, may be provided to connect the supply air side after the air conveyor with the exhaust side in front of the turbine. The system bypass valve can be used, for example, to provide a path for penetrating air at standstill of the system, which leads with relatively low pressure loss to the environment. This can be a flow through the cathode compartment of the fuel cell itself prevent
beziehungsweise der durch den Kathodenraum strömende Volumenstrom wird stark verringert. Dies kann beispielsweise beim (vorübergehenden) Abschalten eines or the volume flow flowing through the cathode space is greatly reduced. This can, for example, when (temporarily) switching off a
Brennstoffzellensystems von Vorteil sein. Die Integration einer solchen Ventileinrichtung in das integrierte Bauteil weist dann wiederum den Vorteil auf, dass Bauraum eingespart wird, und an einer Stelle, an der die Gasströme ohnehin sehr dicht beieinander geführt werden, eine vergleichsweise einfache Verbindung zwischen diesen geschaffen werden kann. In einer weiteren sehr vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Fuel cell system be beneficial. The integration of such a valve device in the integrated component in turn has the advantage that space is saved, and at a point at which the gas streams are anyway very close together, a comparatively simple connection between them can be created. In a further very advantageous embodiment of the invention
Brennstoffzellensystems kann es außerdem vorgesehen sein, dass in das integrierte Bauteil ein Befeuchter integriert ist, welchen der Zuluftstrom zum Kathodenraum der Brennstoffzelle durch für Wasserdampf durchlässige Membranen vom Abluftstrom vor dem Wärmetauscher getrennt, durchströmt. Somit lässt sich bei Brennstoffzellen, welche beispielsweise als PEM-Brennstoffzellenstapel ausgeführt sind, eine gegebenenfalls notwendige Befeuchtung der Zuluft ebenfalls in das integrierte Bauteil mit aufnehmen. Der an sich bekannte Befeuchter wird dabei baulich in das integrierte Bauteil integriert, um so einen sehr kompakten und hinsichtlich des Packagings günstigen Aufbau in einem einzigen integrierten Bauteil zu schaffen. Fuel cell system, it may also be provided that in the integrated component, a humidifier is integrated, which flows through the supply air flow to the cathode compartment of the fuel cell by permeable to water vapor membranes from the exhaust air flow upstream of the heat exchanger. Thus, in the case of fuel cells which are designed, for example, as PEM fuel cell stacks, any necessary humidification of the supply air can likewise be included in the integrated component. The known humidifier is structurally integrated into the integrated component, so as to create a very compact and in terms of packaging favorable structure in a single integrated component.
Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem kann also ausgesprochen energieeffizient und kompakt aufgebaut werden. Es ist damit prädestiniert, um als Brennstoffzellensystem in ein Transportmittel integriert zu werden. Eine besonders bevorzugte Ausgestaltung dieser erfindungsgemäßen Verwendung des Brennstoffzellensystems in einem The fuel cell system according to the invention can therefore be constructed very energy efficient and compact. It is thus predestined to be integrated as a fuel cell system in a means of transport. A particularly preferred embodiment of this inventive use of the fuel cell system in one
Transportmittel sieht nun außerdem vor, dass dieses als Kraftfahrzeug ausgebildet ist, und dass das Brennstoffzellensystem zum Antrieb des Kraftfahrzeugs dient. Means now also provides that this is designed as a motor vehicle, and that the fuel cell system is used to drive the motor vehicle.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems sowie seiner Verwendung ergeben sich aus den restlichen abhängigen Unteransprüchen und werden anhand des Ausführungsbeispiels deutlich, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben ist. Further advantageous embodiments of the fuel cell system according to the invention and its use will become apparent from the remaining dependent subclaims and will be apparent from the embodiment, which is described below with reference to the figures.
Dabei zeigen: Showing:
Fig. 1 eine erste mögliche Ausführungsform des erfindungsgemäßen  Fig. 1 shows a first possible embodiment of the invention
Brennstoffzellensystems;  Fuel cell system;
Fig. 2 eine zweite mögliche Ausführungsform des erfindungsgemäßen Fig. 2 shows a second possible embodiment of the invention
Brennstoffzellensystems;  Fuel cell system;
Fig. 3 eine dritte mögliche Ausführungsform des erfindungsgemäßen Fig. 3 shows a third possible embodiment of the invention
Brennstoffzellensystems;  Fuel cell system;
Fig. 4 eine vierte mögliche Ausführungsform des erfindungsgemäßen Fig. 4 shows a fourth possible embodiment of the invention
Brennstoffzellensystems;  Fuel cell system;
Fig. 5 eine erste mögliche Ausführungsform eines integrierten Bauteils gemäß der Fig. 5 shows a first possible embodiment of an integrated component according to the
Erfindung; Fig. 6 eine zweite mögliche Ausführungsform eines integrierten Bauteils gemäß der Erfindung; Invention; Fig. 6 shows a second possible embodiment of an integrated component according to the invention;
Fig. 7 eine dritte mögliche Ausführungsform eines integrierten Bauteils gemäß der  Fig. 7 shows a third possible embodiment of an integrated component according to the
Erfindung;  Invention;
Fig. 8 eine vierte mögliche Ausführungsform eines integrierten Bauteils gemäß der  8 shows a fourth possible embodiment of an integrated component according to FIG
Erfindung; und  Invention; and
Fig. 9 ein Fahrzeug mit einem Brennstoffzellensystem gemäß der Erfindung.  9 shows a vehicle with a fuel cell system according to the invention.
In der Darstellung der Figur 1 ist ein Brennstoffzellensystem 1 dargestellt. Es umfasst im Wesentlichen eine Brennstoffzelle 2, welche beispielhaft als Stapel von PEM- Brennstoffzellen aufgebaut sein soll. In der Brennstoffzelle 2 ist ein Kathodenraum 3 dann durch protonenleitende Membranen 4 von einem Anodenraum 5 getrennt. Dem In the illustration of Figure 1, a fuel cell system 1 is shown. It essentially comprises a fuel cell 2, which is to be constructed by way of example as a stack of PEM fuel cells. In the fuel cell 2, a cathode compartment 3 is then separated by proton-conducting membranes 4 from an anode compartment 5. the
Kathodenraum 3 der Brennstoffzelle 2 wird über eine Luftfördereinrichtung 6, Cathode space 3 of the fuel cell 2 is via an air conveyor 6,
beispielsweise einen Strömungsverdichter, Luft zugeführt, sodass der in der Luft enthaltene Sauerstoff im Kathodenraum genutzt werden kann. Dieser Sauerstoff wird nun durch die Membranen 4 hindurch mit Wasserstoff in Berührung kommen, welcher dem Anodenraum 5 der Brennstoffzelle 2 aus einer Wasserstoffspeichereinrichtung zugeführt wird. Der Wasserstoff aus der Wasserstoffspeichereinrichtung 7 gelangt dabei über ein Wasserstoffventil 8 in der gewünschten Menge und mit dem gewünschten Druck in den Bereich des Anodenraums 5 der Brennstoffzelle 2. Aus dem Anodenraum 5 strömt dann ein Abgas ab. Dieses enthält immer noch eine gewisse Menge an Wasserstoff, alleine schon deshalb, da dem Anodenraum 5 mehr Wasserstoff zur Verfügung gestellt wird, als in diesem umgesetzt werden kann, um die zur Verfügung stehende Oberfläche der Membranen 4 ideal auszunutzen. Dieses Anodenabgas wird nun über eine For example, a flow compressor, air supplied, so that the oxygen contained in the air in the cathode compartment can be used. This oxygen will now come into contact with hydrogen through the membranes 4, which hydrogen is supplied to the anode space 5 of the fuel cell 2 from a hydrogen storage device. The hydrogen from the hydrogen storage device 7 passes through a hydrogen valve 8 in the desired amount and with the desired pressure in the region of the anode chamber 5 of the fuel cell 2. From the anode chamber 5 then flows from an exhaust gas. This still contains a certain amount of hydrogen, if only because the anode chamber 5 more hydrogen is available, as can be implemented in this, in order to make optimum use of the available surface of the membranes 4. This anode exhaust gas is now over a
Rezirkulationsleitung 9 und eine Rezirkulationsfördereinrichtung 10, welche Recirculation line 9 and a recirculation conveyor 10, which
typischerweise als Wasserstoffrezirkulationsgebläse ausgebildet sein kann, in den Anodenraum 5 zurückgeführt und gelangt zusammen mit frischem Wasserstoff aus dem Wasserstoffventil 8 in den Bereich des Anodenraums 5. Neben der can typically be designed as a hydrogen circulation blower, fed back into the anode chamber 5 and passes together with fresh hydrogen from the hydrogen valve 8 in the region of the anode compartment 5. In addition to
Rezirkulationsfördereinrichtung 10 in Form eines Wasserstoffrezirkulationsgebläses wäre alternativ oder ergänzend hierzu beispielsweise eine Gasstrahlpumpe oder dergleichen ebenso denkbar. Rezirkulationsfördereinrichtung 10 in the form of a hydrogen circulation fan would alternatively or additionally to this example, a gas jet pump or the like also conceivable.
Durch die Rezirkulation des Gasstroms in den Anodenraum 5 reichert sich in diesem mit der Zeit im Anodenraum 5 entstehendes Wasser an. Außerdem reichert sich mit der Zeit Stickstoff an, welcher durch die Membranen 4 hindurch diffundiert und durch die Rezirkulationsfördereinrichtung 10 im Kreislauf um die Anode geführt wird. Je länger der Betrieb der Brennstoffzelle 2 ist, desto größer ist die Menge an Sauerstoff in dem rezirkulierten Gasstrom. Damit sinkt die Konzentration an Wasserstoff und die The recirculation of the gas stream into the anode chamber 5 accumulates in this water which forms over time in the anode chamber 5. In addition, nitrogen accumulates over time, which diffuses through the membranes 4 and through the Recirculation conveyor 10 is circulated around the anode. The longer the operation of the fuel cell 2, the larger the amount of oxygen in the recirculated gas stream. This reduces the concentration of hydrogen and the
Leistungsfähigkeit der Brennstoffzelle 2 lässt nach. Von Zeit zu Zeit wird daher dieses überwiegend inerte Gas, welches neben dem Stickstoff außerdem Reste an Wasserstoff enthält, über ein Ablassventil 11 abgelassen. Im hier dargestellten Ausführungsbeispiel gelangt es nach dem Ablassventil 11 über eine Ablassleitung 12 im Bereich einer später noch näher beschriebenen Wasserstoffleitung 13. Performance of the fuel cell 2 decreases. From time to time, therefore, this predominantly inert gas, which in addition to the nitrogen also contains radicals of hydrogen, is discharged via a drain valve 11. In the exemplary embodiment illustrated here, after the discharge valve 11, it passes via a discharge line 12 in the region of a hydrogen line 13, which will be described in more detail later.
Wie bereits erwähnt, wird dem Anodenraum 3 der Brennstoffzelle 2 über die As already mentioned, the anode chamber 3 of the fuel cell 2 via the
Luftfördereinrichtung 6 Luft zugeführt. Die Luft gelangt dabei von der Air conveyor 6 supplied air. The air passes from the
Luftfördereinrichtung 6 über eine nur in Teilabschnitten mit Bezugszeichen versehene Zuluftleitung 14, welche in der Darstellung der Figur 1 in zwei Teilabschnitte 14.1 und 14.2 aufgeteilt ist, in den Kathodenraum 3. Zwischen den Teilabschnitten 14.1 und 14.2 der Zuluftleitung sitzt dabei ein Bauteil, welches einen Ladeluftkühler 15 und einen Befeuchter 16 in sich vereint. Die Funktionalität des Bauteils ist nun die, dass die Zuluft in dem Teilabschnitt 14.1 der Zuluftleitung nach der Luftfördereinrichtung 6 vergleichsweise heiß ist, da diese durch die Verdichtung in der Luftfördereinrichtung 6 entsprechend aufgeheizt ist. Diese heiße und trockene Zuluft gelangt dann in den Ladeluftkühler 15 beziehungsweise den Befeuchter 16. Sie wird in diesem Bauteil entsprechend abgekühlt und mit Feuchtigkeit versehen, sodass durch den zweiten Teilabschnitt 14.2 der Air conveying device 6 via a provided only in partial sections with reference numeral supply air line 14, which is divided in the illustration of Figure 1 in two sections 14.1 and 14.2, in the cathode compartment 3. Between the sections 14.1 and 14.2 of the supply air line sits a component which a charge air cooler 15 and a humidifier 16 in itself. The functionality of the component is now that the supply air in the section 14.1 of the supply air to the air conveyor 6 is comparatively hot, since this is heated by the compression in the air conveyor 6 accordingly. This hot and dry supply air then passes into the intercooler 15 and the humidifier 16. It is cooled in this component accordingly and provided with moisture, so that through the second section 14.2 of the
Zuluftleitung vergleichsweise kühle und feuchte Luft in den Kathodenraum 3 strömt, und dort, ohne die Membranen 4 zu schädigen, entsprechend umgesetzt werden kann. Die an Sauerstoff abgereicherte und mit Produktwasser beladene und wieder sehr feuchte Luft gelangt dann über eine nur in Teilabschnitten mit Bezugszeichen versehene Supply air line relatively cool and moist air flows into the cathode compartment 3, and there, without damaging the membranes 4, can be implemented accordingly. The depleted in oxygen and laden with product water and again very humid air then passes through a provided only in partial sections with reference numerals
Abluftstromleitung 17 wiederum in den Bereich des Ladeluftkühlers 15 und Befeuchters 16. Sie dient dabei dazu, die heiße und trockene aus der Teilleitung 14.1 der Zuluftleitung stammende Luft entsprechend abzukühlen, wozu ein Teil des Bauteils als LadeluftkühlerExhaust air flow line 17 in turn in the area of the intercooler 15 and humidifier 16. It serves to cool the hot and dry coming from the sub-line 14.1 of the air supply air accordingly, including a part of the component as intercooler
15 in Form eines Wärmetauschers ausgebildet ist. Außerdem gelangt die Feuchtigkeit aus der über den ersten Abschnitt 17.1 der Abluftstromleitung in das auch als Befeuchter15 is formed in the form of a heat exchanger. In addition, the moisture passes from the over the first section 17.1 of the exhaust air flow line in the humidifier as well
16 genutzte Bauteil. Hierin befinden sich für Wasserdampf durchlässige Membranen, durch welche hindurch das in dem Abluftstrom gasförmig vorliegende Wasser die zum Kathodenraum 3 strömende Zuluft befeuchtet. Der Abluftstrom aus der Teilleitung 17.1 der Abluftstromleitung wird dabei getrocknet und erwärmt. Er strömt dann durch einen zweiten Abschnitt 17.2 der Abluftstromleitung in den Bereich eines Wärmetauschers 18, auf welchen später noch näher eingegangen werden wird. Nach dem Durchströmen des Wärmetauschers 18 gelangt der Abluftstrom über einen dritten Teilabschnitt 17.3 der Abluftstromleitung in den Bereich eines Brenners 19. Dieser Brenner 19 kann 16 used component. Herein are for water vapor permeable membranes, through which the gaseous in the exhaust air water present humidifies the air flowing to the cathode chamber 3 supply air. The exhaust air flow from the partial line 17.1 of the exhaust air flow line is dried and heated. It then flows through a second section 17.2 of the exhaust air flow line into the region of a heat exchanger 18, which will be discussed in more detail later. After flowing through the heat exchanger 18, the exhaust air stream passes through a third section 17.3 of the exhaust air flow line in the region of a burner 19. This burner 19 can
beispielsweise als Porenbrenner oder Flammenbrenner ausgebildet sein. In einer besonders günstigen und vorteilhaften Ausgestaltung ist er jedoch als katalytischer Brenner ausgebildet. For example, be designed as a pore burner or flame burner. In a particularly favorable and advantageous embodiment, however, it is designed as a catalytic burner.
Der in dem Bauteil mit dem Ladluftkühler 15 und dem Befeuchter 16 entfeuchtete und aufgewärmte Abluftstrom gelangt also über den Wärmetauscher 18 in den Bereich des Brenners 19. In diesem Bereich des Brenners 19 reagiert der in ihm enthaltene The dehumidified and heated in the component with the charging air cooler 15 and the humidifier 16 exhaust air flow thus passes through the heat exchanger 18 in the region of the burner 19. In this region of the burner 19 of the contained in it
Restsauerstoff mit Wasserstoff, welcher über die Wasserstoffleitung 13 entweder aus der Ablassleitung 12 und dem Ablassventil 11 in den Bereich des Brenners 19 einströmt und/oder ergänzt durch Wasserstoff, welcher über ein Dosierventil 20 aus dem Bereich der Wasserstoffspeichereinrichtung 7 in die Wasserstoffleitung 13 einströmt. Dieser Wasserstoff beziehungsweise das wasserstoffhaltige Abgas aus dem Bereich des Anodenraums 5 reagieren dann in dem Brenner mit dem restlichen in dem Abluftstrom enthaltenen Sauerstoff und erwärmen dadurch den Abluftstrom weiter. Dieser gelangt dann über einen weiteren Teilabschnitt 17.4 der Abluftstromleitung 17 in den Bereich einer Turbine 21. Im Bereich dieser Turbine 21 wird der mittlerweile aufgeheizte Residual oxygen with hydrogen, which flows via the hydrogen line 13 either from the drain line 12 and the drain valve 11 in the region of the burner 19 and / or supplemented by hydrogen, which flows via a metering valve 20 from the region of the hydrogen storage device 7 in the hydrogen line 13. This hydrogen or the hydrogen-containing exhaust gas from the region of the anode chamber 5 then react in the burner with the remaining oxygen contained in the exhaust air stream and thereby further heat the exhaust air flow. This then passes through a further section 17.4 of the exhaust air flow line 17 in the region of a turbine 21. In the area of this turbine 21 is now heated
Abluftstrom in der Abluftstromleitung 17 dann entspannt, sodass sowohl thermische Energie als auch Druckenergie, welche in dem Abluftstrom 17 vorhanden ist, über die Turbine 21 in mechanische Leistung umgewandelt werden kann. Exhaust air flow in the exhaust air flow line 17 then relaxed, so that both thermal energy and pressure energy, which is present in the exhaust air flow 17, can be converted via the turbine 21 into mechanical power.
Nachdem der Abluftstrom in der Turbine entspannt ist, gelangt er über eine nur in After the exhaust air flow in the turbine is relaxed, it passes through a only in
Teilabschnitten mit einem Bezugszeichen versehene Abiuftleitung 22 an die Umgebung des Brennstoffzellensystems 1. Die Abiuftleitung 22 ist dabei in einen ersten Teilabschnitt 22.1 und einen zweiten Teilabschnitt 22.2 aufgeteilt. Zwischen diesen Teilabschnitten 22.1 und 22.2 sitzt der bereits erwähnte Wärmetauscher 18. Dieser ist als Gas-Gas- Wärmetauscher ausgebildet und dient nun dazu, über die restliche thermische Energie in der Abluft der Turbine 21 den Abluftstrom auf dem Weg zum Brenner 19 vorzuwärmen. Damit wird eine maximale Nutzung der in dem Brennstoffzellensystem 1 anfallenden thermischen Energie durch die Turbine 21 gewährleistet. Subsections provided with a reference numeral Abiuftleitung 22 to the environment of the fuel cell system 1. The Abiuftleitung 22 is divided into a first section 22.1 and a second section 22.2. Between these sections 22.1 and 22.2 sits the already mentioned heat exchanger 18. This is designed as a gas-gas heat exchanger and now serves to preheat the remaining thermal energy in the exhaust air of the turbine 21, the exhaust air flow on the way to the burner 19. This ensures maximum utilization of the thermal energy generated in the fuel cell system 1 by the turbine 21.
Die Turbine 21 ist zur Nutzung der zurückgewonnen Energie über eine Welle 23 mit der Luftfördereinrichtung 6 ebenso verbunden, wie mit einer elektrischen Maschine 24. Dieser Aufbau wird häufig auch als elektrischer Turbolader 25 oder ETC bezeichnet. Er dient in an sich bekannter Art und Weise dazu, Leistung, welche über die Turbine 21 anfällt, zum Betrieb der Luftfördereinrichtung 6 zu nutzen. Fällt an der Turbine 21 mehr Leistung an, als die Luftfördereinrichtung 6 benötigt, so kann die elektrische Maschine 24 als The turbine 21 is connected to the use of the recovered energy via a shaft 23 with the air conveyor 6 as well as with an electric machine 24. This Construction is often referred to as electric turbocharger 25 or ETC. It serves, in a manner known per se, to utilize power which is obtained via the turbine 21 for operating the air conveying device 6. Falls on the turbine 21 more power than the air conveyor 6 needed, so the electric machine 24 as
Generator betrieben werden. Die so erzeugte elektrische Leistung kann dann anderweitig genutzt oder eingespeichert werden. In Situationen, in denen die Turbine 21 nicht genügend Leistung liefert, um die Luftfördereinrichtung 6 alleine anzutreiben, kann über die elektrische Maschine 24, dann im motorischen Betrieb, Leistung zum Antrieb der Luftfördereinrichtung 6 zugeführt werden. Generator operated. The electrical power generated in this way can then be used or stored elsewhere. In situations in which the turbine 21 does not provide enough power to drive the air conveyor 6 alone, power can be supplied to the air conveyor 6 via the electric machine 24, then in the engine mode.
In der Darstellung der Figur 2 ist ein vergleichbares Brennstoffzellensystem in einer alternativen Ausführungsform nochmals dargestellt. Die Darstellung des In the illustration of Figure 2, a comparable fuel cell system is shown again in an alternative embodiment. The representation of the
Brennstoffzellensystems 1 gemäß Figur 2 unterscheidet sich dabei von der soeben beschriebenen Darstellung an den nachfolgend näher beschriebenen Stellen, wobei auf die Bauteile und Bezugszeichen, welche unverändert bleiben, nicht nochmals näher eingegangen wird. Fuel cell system 1 according to FIG. 2 differs from the illustration just described at the points described in more detail below, wherein the components and reference numbers which remain unchanged are not discussed again.
In der Darstellung des Brennstoffzellensystems 1 gemäß Figur 2 ist es nun so, dass der Ladeluftkühler 15 und der Befeuchter 16 als zwei diskrete Bauteile ausgeführt sind. Dafür ist der Wärmetauscher 18 baulich in den Ladeluftkühler 15 mit integriert, sodass hier ein integriertes Bauteil 26 entsteht. Im Bereich dieses integrierten Bauteils 26 finden dann die Wärmeübergänge sowohl von dem Zuluftstrom auf den Abluftstrom als auch von der Abluft auf den Abluftstrom statt. Anders als in der Darstellung der Figur 1 ist die Zufuhr des Wasserstoffs, entweder aus dem Anodenraum 5 oder der In the illustration of the fuel cell system 1 according to FIG. 2, it is now the case that the intercooler 15 and the humidifier 16 are designed as two discrete components. For the heat exchanger 18 is structurally integrated into the intercooler 15, so that here an integrated component 26 is formed. In the area of this integrated component 26, the heat transfers then take place both from the supply air flow to the exhaust air flow and from the exhaust air to the exhaust air flow. Unlike in the illustration of Figure 1, the supply of hydrogen, either from the anode compartment 5 or the
Wasserstoffspeichereinrichtung 7 über die Wasserstoffleitung 13 hier so gestaltet, dass die Wasserstoffleitung 13 im Teilabschnitt 17.3 der Abluftstromleitung in den Abluftstrom mündet. Der Wasserstoff gelangt also vermischt mit dem Abluftstrom in den Brenner 19 und kann hier - insbesondere katalytisch - in thermische Energie umgesetzt werden. Der Aufbau bietet dabei den Vorteil, dass die wärmetauschende Funktionalität des  Hydrogen storage device 7 via the hydrogen line 13 here designed so that the hydrogen line 13 opens in section 17.3 of the exhaust air flow line into the exhaust air stream. The hydrogen is thus mixed with the exhaust air flow in the burner 19 and can here - especially catalytically - be converted into thermal energy. The construction offers the advantage that the heat exchanging functionality of
Wärmetauschers 18 und des Ladeluftkühlers 15 in ein einziges Bauteil integriert ist, sodass weniger Aufwand bei der Herstellung und der Montage des Heat exchanger 18 and the intercooler 15 is integrated into a single component, so less effort in the manufacture and assembly of the
Brennstoffzellensystems 1 entsteht. Außerdem lässt sich das System so kompakter aufbauen. In der Darstellung der Figur 3 ist nun ein ähnlicher Aufbau eines Brennstoffzellensystems 1 nochmals zu erkennen. Wie bereits bei der Beschreibung zur Figur 2 wird auch hier nur auf die Elemente und Bauteile eingegangen, welche sich gegenüber den oben Fuel cell system 1 is created. In addition, the system can be built so compact. In the illustration of FIG. 3, a similar structure of a fuel cell system 1 can now be seen again. As in the description of FIG. 2, only the elements and components which are opposite to those above are discussed here
dargestellten Figuren unterscheiden. distinguish figures shown.
Der Aufbau des Brennstoffzellensystems 1 gemäß Figur 3 sieht nun wieder ein integriertes Bauteil 26 vor, welches hier neben dem Ladeluftkühler 15 auch wieder den Befeuchter 16 enthalten soll. Außerdem ist in das integrierte Bauteil 26 der The structure of the fuel cell system 1 according to FIG. 3 now again provides an integrated component 26, which is to contain the humidifier 16 in addition to the intercooler 15. In addition, in the integrated component 26 of the
Wärmetauscher 18 in der in Figur 2 beschriebenen Art integriert. Zusätzlich zu diesen Bauteilen kann hier optional auch der Brenner 19 mit in das integrierte Bauteil 26 integriert werden, eine alternative Ausgestaltung mit einem nicht in das integrierte Bauteil 26 integrierten Brenner 19 wäre ebenso denkbar. Als weiterer Unterschied ist nun die Wasserstoffleitung 13 vor diesem integrierten Bauteil in den ersten Teilabschnitt 17.1 der Abluftstromleitung 17 geführt. Anders als bei den bisher dargestellten Integrated heat exchanger 18 in the manner described in Figure 2. In addition to these components, the burner 19 can optionally also be integrated into the integrated component 26, an alternative embodiment with a burner 19 not integrated in the integrated component 26 would also be conceivable. As a further difference, the hydrogen line 13 is now guided in front of this integrated component in the first section 17.1 of the exhaust air flow line 17. Unlike the previously shown
Ausführungsbeispielen ist die Wasserstoffleitung 13 dabei nicht mit der Ablassleitung 12 zusammengeführt, sondern diese mündet eigenständig ebenfalls in den ersten Abschnitt 17.1 der Abluftstromleitung 17. Der Aufbau sieht also vor, dass ein Gemisch aus Embodiments, the hydrogen pipe 13 is not merged with the drain line 12, but this also opens independently in the first section 17.1 of the exhaust air flow line 17. The structure thus provides that a mixture of
Abluftstrom und Wasserstoff beziehungsweise wasserstoffhaltigem Abgas des Exhaust air flow and hydrogen or hydrogen-containing exhaust gas of the
Anodenraums 5 in das integrierte Bauteil einströmt und in dem ebenfalls integrierten Brenner 19 dann entsprechend umgesetzt wird. Anodenraums 5 flows into the integrated component and is then implemented accordingly in the also integrated burner 19.
In der Darstellung der Figur 4 ist eine weitere mögliche Ausführungsform des In the illustration of Figure 4 is another possible embodiment of the
Brennstoffzellensystems 1 zu erkennen. Dieses entspricht im Wesentlichen der im Rahmen der Figur 3 besprochenen Darstellung. Wie bereits bei der Beschreibung der beiden vorhergehenden Figuren sind auch hier wieder nur die Elemente und Bauteile näher beschrieben, welche sich gegenüber den bereits erläuterten Ausführungsformen des Brennstoffzellensystems 1 unterscheiden. Detect fuel cell system 1. This corresponds essentially to the illustration discussed in connection with FIG. As in the description of the two preceding figures, again only the elements and components are described here, which differ from the already explained embodiments of the fuel cell system 1.
So ist in dem Brennstoffzellensystem 1 der Figur 4 beispielsweise zu erkennen, dass die Ablassleitung 12 nicht in die Abluftstromleitung 17 beziehungsweise einen ihrer For example, it can be seen in the fuel cell system 1 of FIG. 4 that the drain line 12 does not enter the exhaust air flow line 17 or one of its outlets
Teilabschnitte mündet. Vielmehr ist die Ablassleitung 12 mit dem Ablassventil 11 so ausgebildet, dass diese in den Zuluftstrom, und hier in den Teilabschnitt 14.2 der Zuluftleitung mündet. Der in dem abgelassenen Gasstrom enthaltene Restwasserstoff wird dann an den Elektrokatalysatoren des Kathodenraums 3 der Brennstoffzelle 2 umgesetzt, ohne direkt in den Abluftstrom zu gelangen. Auch ein derartiger Aufbau ist bei Brennstoffzellensystemen 1 an sich bekannt und üblich. Subsections opens. Rather, the drain line 12 is formed with the drain valve 11 so that it opens into the supply air flow, and here in the section 14.2 of the supply air. The residual hydrogen contained in the discharged gas stream is then applied to the electrocatalysts of the cathode compartment 3 of the fuel cell 2 implemented without directly entering the exhaust air flow. Such a construction is also known and customary in fuel cell systems 1.
Außerdem sind in das integrierte Bauteil 26 hier noch ein Wasserabscheider 27 sowie eine Ventileinrichtung 28 mit integriert. Der Wasserabscheider 27 ist dabei bevorzugt im Bereich des aus dem Kathodenraum 3 in das integrierte Bauteil 26 einströmenden Abluftstroms angeordnet. Er dient dazu, flüssige Tröpfchen abzuscheiden, um ein Verstopfen der Kanäle der Wärmetauscher des integrierten Bauteils 26 zu verhindern. Das Wasser, welches sich in dem Wasserabscheider 27 sammelt, gelangt dann über eine Wasserleitung 29 in den Bereich 22.2 der Abluftleitung. Es wird dann zusammen mit der Abluft aus dem Brennstoffzellensystem 1 ausgetragen. Beispielsweise beim Einsatz in Fahrzeugen oder auch anderen Transportmitteln kann der Austrag von flüssigem Wasser aus dem Brennstoffzellensystem 1 unerwünscht sein. In diesem Fall kann, wie in der Darstellung der Figur 4 vorgesehen, eine Düse 30 im Teilabschnitt 22.2 der In addition, a water separator 27 and a valve device 28 are integrated into the integrated component 26 here. The water separator 27 is preferably arranged in the region of the exhaust air flow flowing into the integrated component 26 from the cathode space 3. It serves to separate liquid droplets to prevent clogging of the channels of the heat exchanger of the integrated component 26. The water, which collects in the water separator 27, then passes through a water pipe 29 into the region 22.2 of the exhaust air line. It is then discharged together with the exhaust air from the fuel cell system 1. For example, when used in vehicles or other means of transport, the discharge of liquid water from the fuel cell system 1 may be undesirable. In this case, as provided in the illustration of Figure 4, a nozzle 30 in the section 22.2 of
Abluftleitung 22 angeordnet sein. Über diese Düse 30 kann das flüssige Wasser dann in der Abluft zerstäubt werden, beispielsweise in der Art, dass das Wasser einer Exhaust line 22 may be arranged. About this nozzle 30, the liquid water can then be atomized in the exhaust air, for example, in such a way that the water of a
Zweistoffdüse zugeführt wird, welche von der Abluft durchströmt wird. Durch das Zweistoffdüse is supplied, which is traversed by the exhaust air. By the
Zerstäuben des Wassers entsteht dann eine feine Verteilung desselben in der Abluft, sodass kein unmittelbar flüssiges Wasser aus dem Brennstoffzellensystem 1 austritt, sondern dieses fein verteilt in der Abluft vorliegt. Damit wird ein Benetzen einer beispielsweise unterhalb des Brennstoffzellensystems 1 angeordneten Oberfläche mit Flüssigkeit verhindert. Atomizing the water then creates a fine distribution of the same in the exhaust air, so that no liquid immediately leaking water from the fuel cell system 1, but this is finely dispersed in the exhaust air. This prevents wetting of a surface arranged below the fuel cell system 1, for example, with liquid.
Außerdem weist das integrierte Bauteil 26 die bereits erwähnte Ventileinrichtung 28 auf. Diese dient dazu, die Zuluftleitung 14 mit der Abluftstromleitung 17 zu verbinden. Sie wird auch als Systembypassventil 28 bezeichnet. Sie kann in das integrierte Bauteil 26 integriert ausgeführt sein, da hier die beiden Ströme, also der Zuluftstrom und der Abluftstrom, vergleichsweise dicht beieinander geführt werden. Durch ein Öffnen der Ventileinrichtung 28 kann verhindert werden, dass Luft oder zu viel Luft in den In addition, the integrated component 26 has the already mentioned valve device 28. This serves to connect the supply air line 14 with the exhaust air flow line 17. It is also referred to as system bypass valve 28. It can be embodied integrated into the integrated component 26, since here the two streams, that is to say the supply air stream and the exhaust air stream, are guided comparatively close to one another. By opening the valve device 28 can be prevented that air or too much air in the
Kathodenraum 3 der Brennstoffzelle 3 eintritt. Dies kann insbesondere beim Abstellen des Brennstoffzellensystems 1 beim Wechsel in einen Bypasszustand des Cathode space 3 of the fuel cell 3 occurs. This can in particular when switching off the fuel cell system 1 when changing to a bypass state of
Brennstoffzellensystemsl , zur schnellen Regelung der Zuluftmenge oder dergleichen sinnvoll sein. In den Darstellungen der Figuren 5 bis 8 sind nun verschiedene Möglichkeiten zur Ausführung des integrierten Bauteils 26 dargestellt. Dieses soll in den bevorzugten Ausführungsformen dabei jeweils als dreigängiger Gegenstromwärmetauscher ausgebildet sein. Die Ausführung kann dabei insbesondere in der Art eines Brennstoffzellensystemsl, be useful for rapid control of the supply air or the like. In the illustrations of FIGS. 5 to 8, various possibilities for the execution of the integrated component 26 are shown. In the preferred embodiments, this should in each case be designed as a three-pass countercurrent heat exchanger. The execution may in particular in the manner of a
Plattenwärmetauschers realisiert werden. Der Abluftstrom aus dem Kathodenraum 3 strömt dabei, wie durch die Leitungselemente 17.1 und 17.4 der Abluftstromleitung dargestellt, wie bei einem Standard-Plattenwärmetauscher in einen der beiden Gasräume und dort durch die jeweiligen Kanäle beziehungsweise Ebenen. Er wird zunächst von dem im Gegenstrom dazu geführten Zuluftstrom aus der Leitung 14.1 nach der Plate heat exchanger can be realized. The exhaust air flow from the cathode chamber 3 flows, as shown by the line elements 17.1 and 17.4 of the exhaust air flow line, as in a standard plate heat exchanger in one of the two gas chambers and there through the respective channels or levels. He is first of the guided in countercurrent supply air flow from the line 14.1 after the
Luftfördereinrichtung 6 entsprechend erwärmt und anschließend durch die Abluft nach der Turbine in der Abluftleitung 22 beziehungsweise ihren Abschnitten 22.1 und 22.2. Die Trennung der jeweils dazwischenliegende Ebene, zu denen eine Abdichtung des Air conveyor 6 heated accordingly and then by the exhaust air to the turbine in the exhaust duct 22 and their sections 22.1 and 22.2. The separation of each intervening plane to which a seal of the
Zuluftstromraums gegenüber dem Abluftstromraum erfolgt, ist in den Darstellungen der Figuren 5 bis 8 jeweils durch eine gestrichelte Linie eingezeichnet. Der Aufbau und der Fertigungsprozess des integrierten Bauteils 26 kann sich dabei an der an sich bekannten Herstellung von Plattenwärmetauschern im Gegenstrom- oder Kreuzstromverfahren orientieren. Ein Anschluss der einzelnen Gasräume kann beispielsweise in verschiedenen Abschnitten oder auf verschiedenen Seiten eines solchen Stapels aus Platten realisiert werden. Dabei sind je nach gewünschter Baugröße und vorgegebenen für das Packaging des integrierten Bauteils 26 verfügbaren Bauvolumen die in den Figuren 5 bis 8 dargestellten verschiedenen Varianten beispielhaft denkbar. Selbstverständlich sind andere konstruktive Ausgestaltungen des integrierten Bauteils 26 ebenso möglich und denkbar. Zuluftstromraums occurs over the exhaust air flow space is shown in the illustrations of Figures 5 to 8 each by a dashed line. The structure and the manufacturing process of the integrated component 26 can be based on the known production of plate heat exchangers in countercurrent or cross flow method. A connection of the individual gas chambers can be realized for example in different sections or on different sides of such a stack of plates. Depending on the desired size and predetermined construction volume available for the packaging of the integrated component 26, the different variants illustrated in FIGS. 5 to 8 are conceivable by way of example. Of course, other structural configurations of the integrated component 26 are also possible and conceivable.
Da das Brennstoffzellensystem 1 in den oben aufgeführten Ausführungsformen nun entsprechend kompakt baut und energieeffizient betrieben werden kann, bietet es sich an, um in einem Transportmittel, beispielsweise einem Kraftfahrzeug 31 , eingesetzt zu werden. Ein solches Kraftfahrzeug 31 ist beispielhaft in der Darstellung der Figur 9 zu erkennen. Es umfasst ein Brennstoffzellensystem 1 , welches gemäß einem der oben dargestellten Ausführungsbeispiele realisiert ist. Es ist in der Darstellung der Figur 9 lediglich als Box dargestellt. Das Brennstoffzellensystem 1 gibt dabei elektrische Leistung an eine Elektronikeinheit 32 ab, welche diese elektrische Leistung zum Antrieb des Fahrzeugs an eine elektrische Maschine 33 verteilt. Außerdem können andere elektromotorische Verbraucher, insbesondere die elektrische Maschine 24 mit der Elektronikeinheit 32 gekoppelt sein, wobei auf eine explizite Darstellung hier verzichtet wurde. Außerdem kann in dem Fahrzeug 31 ein elektrischer Energiespeicher 34 vorgesehen sein, welcher beispielsweise als Batterie oder in Form von Since the fuel cell system 1 in the embodiments listed above is now correspondingly compact and can be operated in an energy-efficient manner, it makes sense to be used in a means of transport, for example a motor vehicle 31. Such a motor vehicle 31 can be seen by way of example in the illustration of FIG. It comprises a fuel cell system 1, which is realized according to one of the exemplary embodiments presented above. It is shown in the illustration of Figure 9 only as a box. The fuel cell system 1 outputs electric power to an electronic unit 32, which distributes this electrical power to drive the vehicle to an electric machine 33. In addition, other electromotive consumers, in particular the electric machine 24 may be coupled to the electronic unit 32, wherein dispensed with an explicit representation here has been. In addition, in the vehicle 31, an electrical energy storage 34 may be provided which, for example, as a battery or in the form of
Hochleistungskondensatoren ausgebildet ist. Auch eine Kombination dieser Bauteile in dem elektrischen Energiespeicher 34 ist denkbar. Der elektrische Energiespeicher 34 kann dann überschüssige Energie, welche beispielsweise für das BrennstoffzellensystemHigh performance capacitors is formed. A combination of these components in the electrical energy storage 34 is conceivable. The electrical energy store 34 can then excess energy, which, for example, for the fuel cell system
1 produziert und von dem Fahrmotor 33 nicht abgenommen werden kann, 1 and can not be removed by the traction motor 33,
Zwischenspeichern. Außerdem kann in dem elektrischen Energiespeicher 34 Energie zwischengespeichert werden, welche durch die elektrische Maschine 24 dann erzeugt wird, wenn an der Turbine 21 mehr Leistung anfällt, als von der Luftfördereinrichtung 6 benötigt wird. Ferner kann auch elektrische Energie in der Energiespeichereinrichtung 34 gespeichert werden, welche beim Abbremsen des Fahrzeugs 31 anfällt, wenn hierzu der elektrische Fahrmotor 33 im generatorischen Betrieb betrieben wird, um mit seinem Schleppmoment das Fahrzeug 31 zu bremsen. Caching. In addition, energy can be temporarily stored in the electrical energy store 34, which is then generated by the electric machine 24 when more power is generated at the turbine 21 than is required by the air conveying device 6. Furthermore, electrical energy can also be stored in the energy storage device 34, which occurs when the vehicle 31 is decelerated when, for this purpose, the electric drive motor 33 is operated in generator mode in order to brake the vehicle 31 with its drag torque.
Der Aufbau gemäß der Erfindung weist nun außerdem den Vorteil auf, dass bei einem eventuellen Ausfall des Brennstoffzellensystems 1 über den Brenner 19 und Wasserstoff aus der Wasserstoffspeichereinrichtung 7 sowie über die Luftfördereinrichtung 6 zugeführter Luft elektrische Energie über die Turbine 21 und die elektrische Maschine 24 im generatorischen Betrieb erzeugt werden kann. Diese elektrische Energie könnte dann über die Elektronikeinheit 32 zum Antrieb des Fahrmotors 33 genutzt werden, sodass ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Ausgestaltung des Brennstoffzellensystems 1 darin liegt, dass ein Notbetrieb des Fahrzeugs auch bei einem Ausfall der BrennstoffzelleThe structure according to the invention now also has the advantage that in case of failure of the fuel cell system 1 via the burner 19 and hydrogen from the hydrogen storage device 7 and the air conveyor 6 supplied air electrical energy through the turbine 21 and the electric machine 24 in the generator Operation can be generated. This electrical energy could then be used via the electronic unit 32 to drive the traction motor 33, so that a further advantage of the inventive design of the fuel cell system 1 is that an emergency operation of the vehicle even in case of failure of the fuel cell
2 möglich wird. 2 becomes possible.

Claims

Patentansprüche claims
1. Ein Brennstoffzellensystem mit wenigstens einer Brennstoffzelle, mit einer 1. A fuel cell system with at least one fuel cell, with a
Luftfördereinrichtung zur Zufuhr von Luft zu einem Kathodenraum der  Air conveying device for supplying air to a cathode compartment of the
Brennstoffzelle, mit einer Turbine zum Entspannen eines Abluftstroms aus dem Bereich des Kathodenraums, und mit einem Brenner zum Erwärmen des  A fuel cell, with a turbine for relaxing an exhaust air stream from the region of the cathode space, and with a burner for heating the
Abluftstroms vor der Turbine,  Exhaust air flow in front of the turbine,
dadurch gekennzeichnet, dass  characterized in that
ein Wärmetauscher (18) vorgesehen ist, welcher von der Abluft (22.1 , 22.2) der Turbine (21) einerseits und dem Abluftstrom (17.1 , 17.2, 17.3) in Strömungsrichtung vor dem Brenner (19) andererseits durchströmt ist.  a heat exchanger (18) is provided, which of the exhaust air (22.1, 22.2) of the turbine (21) on the one hand and the exhaust air flow (17.1, 17.2, 17.3) in the flow direction in front of the burner (19) flows through the other.
2. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1 , 2. Fuel cell system according to claim 1,
dadurch gekennzeichnet, dass  characterized in that
ein Ladeluftkühler (15) vorgesehen ist, welcher von der Zuluft (14.1 , 14.2) zum Kathodenraum (3) in Strömungsrichtung nach der Luftfördereinrichtung (6) einerseits und dem Abluftstrom (17.1 , 17.2, 17.3) in Strömungsrichtung vor dem Brenner (19) andererseits durchströmt ist.  a charge air cooler (15) is provided, which from the supply air (14.1, 14.2) to the cathode compartment (3) in the flow direction after the air conveyor (6) on the one hand and the exhaust air flow (17.1, 17.2, 17.3) in the flow direction in front of the burner (19) on the other is flowed through.
3. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 2, 3. Fuel cell system according to claim 2,
dadurch gekennzeichnet, dass  characterized in that
der Abluftstrom (17.1 , 17.2, 17.3) so geführt ist, dass er in Strömungsrichtung vor dem Brenner (19) zuerst den Ladeluftkühler (15) und dann den Wärmetauscher (18) durchströmt.  the exhaust air stream (17.1, 17.2, 17.3) is guided so that it flows through the charge air cooler (15) and then the heat exchanger (18) in the flow direction in front of the burner (19) first.
4. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 2 oder 3, 4. Fuel cell system according to claim 2 or 3,
dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (18) und der Ladeluftkühler (15) in einem integrierten Bauteil (26) ausgeführt sind. characterized in that the heat exchanger (18) and the intercooler (15) in an integrated component (26) are executed.
5. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 4, 5. Fuel cell system according to claim 4,
dadurch gekennzeichnet, dass  characterized in that
das integrierte Bauteil (26) als dreigängiger Gegenstrom-Wärmetauscher ausgebildet ist.  the integrated component (26) is designed as a three-pass countercurrent heat exchanger.
6. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, 6. Fuel cell system according to one of claims 1 to 5,
dadurch gekennzeichnet, dass  characterized in that
der Brenner (19) in den Wärmetauscher (18) integriert ausgeführt ist.  the burner (19) in the heat exchanger (18) is designed integrated.
7. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, 7. Fuel cell system according to one of claims 1 to 6,
dadurch gekennzeichnet, dass  characterized in that
der Brenner (19) als katalytischer Brenner ausgebildet ist.  the burner (19) is designed as a catalytic burner.
8. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, 8. Fuel cell system according to one of claims 1 to 7,
dadurch gekennzeichnet, dass  characterized in that
der Brenner und/oder der Abluftstrom (17.1 , 17.2, 17.3) mit einer Ablassleitung (12) aus dem Bereich eines Anodenraums (5) der Brennstoffzelle (2) und/oder einer Brenngasleitung (13) verbunden ist.  the burner and / or the exhaust air stream (17.1, 17.2, 17.3) is connected to a discharge line (12) from the region of an anode space (5) of the fuel cell (2) and / or a fuel gas line (13).
9. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 4 bis 8, 9. Fuel cell system according to one of claims 4 to 8,
dadurch gekennzeichnet, dass  characterized in that
das integrierte Bauteil (26) ferner einen Wasserabscheider (27) am Einlass für den Abluftstrom (17.1 , 17.2) aufweist.  the integrated component (26) further comprises a water separator (27) at the inlet for the exhaust air flow (17.1, 17.2).
10. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 9, 10. Fuel cell system according to claim 9,
dadurch gekennzeichnet, dass  characterized in that
der Wasserabscheider (27) in den Bereich der Abluft (22.1 , 22.2) der Turbine (21) entleerbar ist.  the water separator (27) in the region of the exhaust air (22.1, 22.2) of the turbine (21) can be emptied.
11. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 10, 11. Fuel cell system according to claim 10,
dadurch gekennzeichnet, dass das Wasser aus dem Wasserabscheider (27) über eine Düse (30) in die Abluft (22.1 , 22.2) einbringbar ist. characterized in that the water from the water separator (27) via a nozzle (30) in the exhaust air (22.1, 22.2) can be introduced.
Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 4 bis 11 , Fuel cell system according to one of claims 4 to 11,
dadurch gekennzeichnet, dass  characterized in that
das integrierte Bauteil (26) eine Ventileinrichtung (28) zur Verbindung der Zuluftseite mit der Abluftseite integriert ist.  the integrated component (26) is integrated with a valve device (28) for connecting the supply air side to the exhaust side.
13. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 4 bis 12, 13. Fuel cell system according to one of claims 4 to 12,
dadurch gekennzeichnet, dass  characterized in that
in das integrierte Bauteil (26) ein Befeuchter (16) integriert ist, welchen der Zuluftstrom (14.1 , 14.2) zum Kathodenraum (3) der Brennstoffzelle (2) durch für Wasserdampf durchlässige Membranen vom Abluftstrom (17.1 , 17.2) von dem Wärmetauscher (18) getrennt, durchströmt.  in the integrated component (26) a humidifier (16) is integrated, which the supply air (14.1, 14.2) to the cathode compartment (3) of the fuel cell (2) by permeable to water vapor membranes from the exhaust air stream (17.1, 17.2) of the heat exchanger (18 ) separated, flows through.
14. Verwendung des Brennstoffzellensystems nach einem der Ansprüche 1 bis 13, in einem Transportmittel (31). 14. Use of the fuel cell system according to one of claims 1 to 13, in a means of transport (31).
15. Verwendung nach Anspruch 14, 15. Use according to claim 14,
dadurch gekennzeichnet, dass  characterized in that
das Transportmittel als Kraftfahrzeug (31) ausgebildet ist, und dass das Brennstoffzellensystem (1) zum Antrieb des Kraftfahrzeugs (31) dient.  the means of transport is designed as a motor vehicle (31), and that the fuel cell system (1) serves to drive the motor vehicle (31).
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Families Citing this family (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102013007207A1 (en) 2013-04-25 2014-10-30 Daimler Ag Apparatus for the treatment of air
DE102014003310A1 (en) 2014-03-08 2015-09-10 Daimler Ag air conditioning
DE102015001862A1 (en) 2014-12-19 2015-08-20 Daimler Ag vehicle
DE202015106976U1 (en) * 2015-12-21 2017-03-22 Reinz-Dichtungs-Gmbh Gas supply and removal system
DE102016204474B4 (en) * 2016-03-17 2023-05-11 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Heat exchanger and fuel cell system
DE102016122103A1 (en) 2016-11-17 2018-05-17 Audi Ag Conditioning unit for conditioning an operating medium and fuel cell assembly with such
DK180638B1 (en) * 2020-01-20 2021-11-04 Blue World Technologies Holding ApS Fuel cell system with wire mesh for water condensation in exhaust
DE102020128127A1 (en) 2020-10-26 2022-04-28 Audi Aktiengesellschaft Method for operating a fuel cell system and fuel cell system
DE102021202370A1 (en) 2021-03-11 2022-09-15 Robert Bosch Gesellschaft mit beschränkter Haftung Method for operating a fuel cell system, fuel cell system

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20030170518A1 (en) * 2000-05-31 2003-09-11 Nuvera Fuel Cells, Inc. High-efficiency fuel cell power system with power generating expander
DE10306234A1 (en) * 2003-02-04 2004-08-12 Daimlerchrysler Ag Arrangement for supplying air to fuel cell passes at least some of the thermal energy of exhaust gases remaining after passing through expander to at least one of flows of material fed to combustion
FR2887077A1 (en) * 2005-06-08 2006-12-15 Renault Sas Electric energy producing installation for motor vehicle, has heat exchanger to transmit part of heat of mixture of cold cathodic used combustive fuel and hot exhaust gas to cold cathodic used combustive fuel or cold anodic used fuel
DE102007003144A1 (en) * 2007-01-22 2008-07-24 Daimler Ag Device for the treatment of reaction gases in fuel cells
DE102007061959A1 (en) * 2007-12-21 2009-06-25 Daimler Ag Fuel cell system with improved thermal management

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102009009673A1 (en) 2009-02-19 2010-08-26 Daimler Ag Fuel cell system with at least one fuel cell

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20030170518A1 (en) * 2000-05-31 2003-09-11 Nuvera Fuel Cells, Inc. High-efficiency fuel cell power system with power generating expander
DE10306234A1 (en) * 2003-02-04 2004-08-12 Daimlerchrysler Ag Arrangement for supplying air to fuel cell passes at least some of the thermal energy of exhaust gases remaining after passing through expander to at least one of flows of material fed to combustion
FR2887077A1 (en) * 2005-06-08 2006-12-15 Renault Sas Electric energy producing installation for motor vehicle, has heat exchanger to transmit part of heat of mixture of cold cathodic used combustive fuel and hot exhaust gas to cold cathodic used combustive fuel or cold anodic used fuel
DE102007003144A1 (en) * 2007-01-22 2008-07-24 Daimler Ag Device for the treatment of reaction gases in fuel cells
DE102007061959A1 (en) * 2007-12-21 2009-06-25 Daimler Ag Fuel cell system with improved thermal management

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