WO2013107492A1 - Fuel cell system - Google Patents

Fuel cell system Download PDF

Info

Publication number
WO2013107492A1
WO2013107492A1 PCT/EP2012/005370 EP2012005370W WO2013107492A1 WO 2013107492 A1 WO2013107492 A1 WO 2013107492A1 EP 2012005370 W EP2012005370 W EP 2012005370W WO 2013107492 A1 WO2013107492 A1 WO 2013107492A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
fuel cell
flow
cell system
branches
cathode
Prior art date
Application number
PCT/EP2012/005370
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Cosimo Mazzota
Original Assignee
Daimler Ag
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Daimler Ag filed Critical Daimler Ag
Publication of WO2013107492A1 publication Critical patent/WO2013107492A1/en

Links

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H01M8/04104Regulation of differential pressures
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H01M8/04097Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with recycling of the reactants
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H01M8/04119Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying
    • H01M8/04156Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying with product water removal
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04746Pressure; Flow
    • H01M8/04761Pressure; Flow of fuel cell exhausts
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04694Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by variables to be controlled
    • H01M8/04746Pressure; Flow
    • H01M8/04783Pressure differences, e.g. between anode and cathode
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M2008/1095Fuel cells with polymeric electrolytes
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2250/00Fuel cells for particular applications; Specific features of fuel cell system
    • H01M2250/20Fuel cells in motive systems, e.g. vehicle, ship, plane
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02TCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T90/00Enabling technologies or technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02T90/40Application of hydrogen technology to transportation, e.g. using fuel cells

Definitions

  • the fuel cell system The fuel cell system
  • the invention relates to a fuel cell system with at least one fuel cell according to the manner defined in greater detail in the preamble of claim 1.
  • a preferred use of the invention is given. '
  • Fuel cell systems are known from the general state of the art. They use fuel cells, such as fuel cells in PEM fuel cell technology, to provide electrical power from oxygen and hydrogen.
  • fuel cells such as fuel cells in PEM fuel cell technology
  • One of the problems with fuel cells is the removal of unconsumed hydrogen from the area of the anode compartment. This one will be described
  • the exhaust gas is returned to the anode compartment.
  • water and inert gas which has diffused through the membranes of the fuel cell into the anode space, also accumulate over time.
  • This gas also contains a certain amount of residual hydrogen.
  • WO 2008/052578 A1 a structure is known in which a combined discharge of water and gas from an anode recirculation is described.
  • a water separator which has a valve device with a
  • Drain line is connected.
  • the valve device is opened until first the water and then the desired amount of gas has flowed through the discharge line.
  • the discharge line preferably opens into the cathode inlet, that is to say the supply air flow flowing to a cathode space of the fuel cell.
  • it can also be in the cathode output, so one flowing from the fuel cell
  • Cathode space effluent exhaust has the advantage that it is very easy.
  • Hydrogen emissions may occur in the exhaust gas, since the exhaust gas from the anode compartment will always contain at least a certain residual amount of hydrogen.
  • the delivery of water and / or gas to the cathode inlet has the decisive advantage that any residual hydrogen is reacted at the cathode catalyst. As a result, no hydrogen emissions can occur.
  • the disadvantage is that an additional degradation of the.
  • Electrocatalyst in the cathode compartment results.
  • the catalyst is loaded with it and the fuel cell ages faster.
  • heat is generated in this process, which is not desirable in regular operation of the fuel cell. Rather, this additional heat stresses the cooling system of the fuel cell and must be expensively dissipated.
  • each one or the other valve is opened, so that the exhaust gas is discharged once in the cathode input and once in the cathode output, depending on which situation exists and in which situation outweigh the benefits or the disadvantages are more tolerable.
  • the structure is comparatively complex, needed for each individual
  • the object of the present invention is now to prevent the aforementioned disadvantages of the prior art and to provide a fuel cell system, which is simple and efficient.
  • the solution according to the invention provides, in a simple and very efficient design, for diverting the discharge for exhaust gas and / or water from the anode compartment into two flow branches as in the prior art.
  • One of the flow branches is connected to the inlet of the cathode compartment and one to the outlet of the cathode compartment.
  • both flow branches have a constantly open flow-through cross-section.
  • the inventor has in fact recognized that it is sufficient to reduce the aforementioned disadvantages when the volume flow is reduced. An elaborate switching of the volume flow via corresponding valves once on the input of the cathode compartment and once on the output of the cathode compartment is therefore not necessary.
  • Flow branches have different pressure losses. Such an embodiment of the two flow branches so that they have different pressure losses, for example due to different pipe diameters and / or
  • Line lengths can very easily and efficiently accomplish a fixed predetermined by the construction division of the volume flows on the output of the cathode compartment on the one hand and on the input of the cathode compartment on the other.
  • Flow branches may be provided a flow aperture or throttle.
  • the pressure losses of the two flow branches are designed so that adjusts a distribution of the volume flow, so that 40 to 60%, preferably about 50%, of the total volume flow through the with the input connected to the cathode compartment
  • This division has the particular advantage that the hydrogen emission values in the exhaust gas thus always below the legal
  • the fuel cell system according to the invention can be designed as a fuel cell system, which is equipped with a so-called near-dead-end fuel cell.
  • a fuel cell typically has a cascaded area distribution within the anode space, so as to implement a maximum of the supplied hydrogen in the anode space.
  • a certain excess of hydrogen is necessary in the operation of such a near-dead-end fuel cell. This excess then passes to the environment together with the product water produced in the anode compartment. He can in the sense of Invention are divided into the air flow to the inlet of the cathode compartment and the exhaust air flow from the cathode compartment.
  • exhaust gas and / or water are recirculated via a recirculation line from an output of the anode compartment to an input of the anode compartment, wherein the derivative branches off from the recirculation line.
  • the fuel cell system according to the invention can thus be constructed not only with a near-dead-end fuel cell, but in particular also with the very common design with an anode recirculation. In such an anode recirculation, a continuous or a discontinuous outflow of water and / or gas is necessary. Since this gas can also contain hydrogen, essentially the same apply here
  • the fuel cell system according to the invention can be constructed very simply. It may dispense with additional valves and a complex and trouble-prone control electronics with appropriate sensors for detecting, for example, the power state of the fuel cell system. It can therefore be implemented robust accordingly. It is therefore particularly suitable for use in a vehicle where electrical drive power is provided by the fuel cell system.
  • Fig. 1 is a principle indicated fuel cell system in a first
  • Embodiment according to the invention in a vehicle
  • Fig. 2 is a principle indicated fuel cell system in a second
  • Embodiment according to the invention in a vehicle.
  • a fuel cell system 1 in an indicated vehicle 2 can be seen purely by way of example and in a very highly schematic manner.
  • the Fuel cell system 1 essentially has a fuel cell 3, which in turn has an anode compartment 4 and a cathode compartment 5.
  • the fuel cell 3 should be designed as a stack of PEM fuel cells.
  • the cathode compartment 5 of the fuel cell 3 is supplied via an air conveyor 6 with air as an oxygen supplier.
  • the air passes through an air supply line 7 to the input of the cathode compartment 5.
  • the exhaust air from the cathode compartment 5 passes through an exhaust duct 8 in the embodiment shown here directly into the environment.
  • a post-processing such as an afterburner, a turbine and / or the like could be arranged.
  • the anode chamber 4 of the fuel cell 3, hydrogen is supplied from a compressed gas storage 9. This passes through a pressure control device 10 and a recirculation conveyor 11 explained in more detail later to the entrance of the anode compartment 4. Exhaust gas from the anode compartment 4 arrives in the recirculation conveyor shown in FIG.
  • This structure of a so-called anode recirculation is known from the general state of the art.
  • a water separator 13 is now arranged in the area of the recirculation line 12. This is connected via a drain valve 14 with a discharge line 15. In the area of the anode recirculation, water and inert gas, which has diffused through the membranes of the fuel cell 3, accumulate over time. To the
  • the water separator 13 with the valve device 14 is formed for this purpose.
  • This construction makes it possible to simultaneously realize the discharge of water and gas via the water separator 13 as set forth in the prior art described in the introduction. Comparable structures, which dissipate water and gas separately, are known from the general state of the art. These too would be analogously conceivable for the structure of the fuel cell system 1 described here.
  • the core of the construction shown here is now that the discharge line 15 is divided into two flow branches 16, 17.
  • the first flow branch 16 opens into the exhaust air line 8
  • the second flow branch 17 opens into the supply air line 7.
  • the first flow branch 16 is thus connected to the output of the cathode chamber 5 and allows a portion of the discharged via the exhaust duct 15 volume flow in the exhaust air flow Inject fuel cell 3.
  • Another part passes via the second flow branch 17 into the supply air flowing to the fuel cell 3. Since there is always also a quantity of residual hydrogen in the gas located in the discharge line 15, at least part of the residual hydrogen, namely the part which flows via the second flow branch 17, can be correspondingly reacted together with oxygen in the region of the cathode space 5 on the local catalyst become.
  • the hydrogen emissions to the environment are thus reduced.
  • the discharged in the region of the exhaust duct 8 residual hydrogen is then typically diluted so much that even here no danger from the hydrogen more.
  • Flow branch 17, and here in particular in the immediate vicinity of its confluence with the supply air line 7 a backflow 21 may be provided.
  • Another such greedström Anlagen 21 may also in the region of the first
  • Flow branch 16 here also preferably be provided as close to its confluence with the exhaust duct 8. The one, or if available both,
  • the pressure losses in the two flow branches 16, 17 can be adjusted for example by the line lengths and line cross sections so that a desired structurally fixed division of the present in the derivative 15
  • volumetric flow to the two flow branches 16, 17 takes place. It's the same possible to make this adjustment of the partial volume flows via appropriate fixed orifices or throttling points 18, 19.
  • Flow branch 17 branches off from the discharge line 15 as vertically as possible and upwards.
  • Flow branch 17 branches off from the discharge line 15 as vertically as possible and upwards.
  • the water largely enters the exhaust air line 8 and not into the supply air line 7.
  • a dilution chamber 20 is provided in the region of the connection of the flow branch 16 to the exhaust air line 8. This consists for example of an increase in volume in the region of the exhaust duct 8 or in the region of
  • Flow branch 16 which is connected to the exhaust duct 8. In this area then flows in addition to the exhaust air from the exhaust duct 8, the gas from the drain line 15 a. This is diluted accordingly.
  • a dilution chamber 20 has the decisive advantage that it prevents the occurrence of high
  • the area present in the anode space 4 is formed in a cascade, so that the hydrogen introduced into the anode space 4 is largely converted. Only a small amount of residual hydrogen, typically about 3 - 5%, leave the anode compartment 4 together with resulting product water.
  • Flow branches is divided.
  • the drain valve 14 and the water separator 13 can be dispensed with here, otherwise the functionality of the fuel cell system 1 shown in FIG. 2 is essentially the same as that of the one already described above

Abstract

The invention relates to a fuel cell system (1) comprising at least one fuel cell (3), which has a cathode space (5) and an anode space (4), wherein an outgoing line (15) for waste gas and/or water out of the anode space (4) of the fuel cell (3) is divided into two flow branches (16, 17), wherein one of the flow branches (16) is connected to the output of the cathode space (5) and one of the flow branches (17) is connected to the input of the cathode space (5). The invention is characterized in that both flow branches (16, 17) have a continuously open cross section through which a flow can pass.

Description

Brennstoffzellensystem  The fuel cell system
Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem mit wenigstens einer Brennstoffzelle nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art. Außerdem ist eine bevorzugte Verwendung der Erfindung angegeben. ' The invention relates to a fuel cell system with at least one fuel cell according to the manner defined in greater detail in the preamble of claim 1. In addition, a preferred use of the invention is given. '
Brennstoffzellensysteme sind aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. Sie nutzen Brennstoffzellen, beispielsweise Brennstoffzellen in PEM- Brennstoffzellentechnologie, um aus Sauerstoff und Wasserstoff elektrische Leistung bereitzustellen. Eines der Probleme bei Brennstoffzellen ist dabei die Abfuhr von unverbrauchtem Wasserstoff aus dem Bereich des Anodenraums. Dieser wird Fuel cell systems are known from the general state of the art. They use fuel cells, such as fuel cells in PEM fuel cell technology, to provide electrical power from oxygen and hydrogen. One of the problems with fuel cells is the removal of unconsumed hydrogen from the area of the anode compartment. This one will
typischerweise mit einer kleinen Menge des in der Brennstoffzelle entstehenden typically with a small amount of fuel cell resulting
Produktwassers aus dem Anodenraum abgeführt. Bei einem sogenannten Near-Dead- End-Aufbau der Brennstoffzelle handelt es sich dabei um einen kontinuierlichen Strom einer vergleichsweise geringen Menge an Wasser und Wasserstoff. Bei einem Product water discharged from the anode compartment. In a so-called near-dead-end design of the fuel cell, this is a continuous stream of a comparatively small amount of water and hydrogen. At a
alternativen Aufbau mit einer sogenannten Anodenrezirkulation wird das Abgas in den Anodenraum zurückgeführt. In der Anodenrezirkulation reichert sich mit der Zeit ebenfalls Wasser und inertes Gas, welches durch die Membranen der Brennstoffzelle in den Anodenraum diffundiert ist, an. Um die Wasserstoffkonzentration auf einem so hohen Niveau aufrechtzuerhalten, dass die Brennstoffzelle weiterhin gut arbeitet, ist es auch hier beispielsweise von Zeit zu Zeit oder in Abhängigkeit der anfallenden Wassermenge und/oder der Wasserstoffkonzentration notwendig, Wasser und/oder Gas aus der Anodenrezirkulation abzulassen. Auch dieses Gas enthält eine gewisse Restmenge an Wasserstoff. alternative construction with a so-called anode recirculation, the exhaust gas is returned to the anode compartment. In the anode recirculation, water and inert gas, which has diffused through the membranes of the fuel cell into the anode space, also accumulate over time. In order to maintain the hydrogen concentration at such a high level that the fuel cell continues to work well, it is also necessary here, for example from time to time or depending on the amount of water and / or hydrogen concentration, to drain water and / or gas from the anode recirculation. This gas also contains a certain amount of residual hydrogen.
Aus der WO 2008/052578 A1 ist ein Aufbau bekannt, bei welchem ein kombiniertes Ablassen von Wasser und Gas aus einer Anodenrezirkulation beschrieben ist. Dafür wird ein Wasserabscheider eingesetzt, welcher über eine Ventileinrichtung mit einer From WO 2008/052578 A1 a structure is known in which a combined discharge of water and gas from an anode recirculation is described. For that will be a water separator is used, which has a valve device with a
Ablassleitung verbunden ist. Die Ventileinrichtung wird solange geöffnet, bis zuerst das Wasser und dann die gewünschte Menge an Gas durch die Ablassleitung abgeströmt ist. Die Ablassleitung mündet dabei vorzugsweise in den Kathodeneingang, also den zu einem Kathodenraum der Brennstoffzelle strömenden Zuluftstrom. Optional dazu kann sie auch in den Kathodenausgang, also einen von der Brennstoffzelle abströmenden Drain line is connected. The valve device is opened until first the water and then the desired amount of gas has flowed through the discharge line. In this case, the discharge line preferably opens into the cathode inlet, that is to say the supply air flow flowing to a cathode space of the fuel cell. Optionally, it can also be in the cathode output, so one flowing from the fuel cell
Kathodenabluftstrom münden. Cathode exhaust flow open.
Beide Vorgehensweisen haben dabei aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannte Vor- und Nachteile. Das Abgeben des Abgases in den Bereich der aus dem Both approaches have advantages and disadvantages known from the general state of the art. The discharge of the exhaust gas in the area of the
Kathodenraum abströmenden Abluft hat dabei den Vorteil, dass es sehr einfach . Cathode space effluent exhaust has the advantage that it is very easy.
umzusetzen ist. Der Nachteil besteht darin, dass es zu unerwünscht hohen is to implement. The disadvantage is that it is undesirably high
Wasserstoffemissionen im Abgas kommen kann, da das Abgas aus dem Anodenraum immer zumindest eine gewisse Restmenge an Wasserstoff enthalten wird. Die Abgabe von Wasser- und/oder Gas auf den Kathodeneingang hat den entscheidenden Vorteil, dass eventueller Restwasserstoff am Kathodenkatalysator umgesetzt wird. Dadurch können keine Wasserstoffemissionen auftreten. Der Nachteil ist, dass sich durch die Wasserstoffzufuhr in den Kathodenraum eine zusätzliche Degradation des Hydrogen emissions may occur in the exhaust gas, since the exhaust gas from the anode compartment will always contain at least a certain residual amount of hydrogen. The delivery of water and / or gas to the cathode inlet has the decisive advantage that any residual hydrogen is reacted at the cathode catalyst. As a result, no hydrogen emissions can occur. The disadvantage is that an additional degradation of the. By the addition of hydrogen into the cathode compartment
Elektrokatalysators in dem Kathodenraum ergibt. Der Katalysator wird damit belastet und die Brennstoffzelle altert schneller. Außerdem entsteht bei diesem Vorgang Wärme, welche im regulären Betrieb der Brennstoffzelle nicht erwünscht ist. Diese zusätzliche Wärme belastet vielmehr das Kühlsystem der Brennstoffzelle und muss aufwändig abgeführt werden. Electrocatalyst in the cathode compartment results. The catalyst is loaded with it and the fuel cell ages faster. In addition, heat is generated in this process, which is not desirable in regular operation of the fuel cell. Rather, this additional heat stresses the cooling system of the fuel cell and must be expensively dissipated.
Um dieser Kombination aus Vor- und Nachteilen der beiden Möglichkeiten möglichst ideal zu begegnen, ist es aus der US 2001/0048837 A1 bekannt, dass eine Aufteilung der Ablassleitung in zwei Strömungszweige erfolgen kann. Jeder der Strömungszweige hat dabei eine eigene Ventileinrichtung. Je nach Situation, insbesondere je nach In order to ideally meet this combination of advantages and disadvantages of the two possibilities, it is known from US 2001/0048837 A1 that a division of the discharge line into two flow branches can take place. Each of the flow branches has its own valve device. Depending on the situation, especially depending on
Fahrgeschwindigkeit des mit dem Brennstoffzellensystem ausgerüsteten Fahrzeugs, der von der Brennstoffzelle abgegebenen Leistung und des Wasserstands an Driving speed of the equipped with the fuel cell system vehicle, the power output from the fuel cell and the water level
abgeschiedenem Wasser, wird dann jeweils das eine oder das andere Ventil geöffnet, sodass das Abgas einmal in den Kathodeneingang und einmal in den Kathodenausgang abgegeben wird, je nachdem, welche Situation vorliegt und in welcher Situation die Vorteile überwiegen beziehungsweise die Nachteile eher zu tolerieren sind. Der Aufbau ist dabei vergleichsweise aufwändig, benötigt für jeden einzelnen separated water, then each one or the other valve is opened, so that the exhaust gas is discharged once in the cathode input and once in the cathode output, depending on which situation exists and in which situation outweigh the benefits or the disadvantages are more tolerable. The structure is comparatively complex, needed for each individual
Strömungszweig ein eigenes Ventil und benötigt eine Ansteuerung, welche zuverlässige Vorhersagen über die Wirkung der Vor- und Nachteile ermöglichen muss, um so entscheiden zu können, ob in der jeweiligen Situation die eine oder die andere Lösung die bessere ist. Flow branch its own valve and requires a control, which must allow reliable predictions about the effect of the advantages and disadvantages, so as to decide whether the one or the other solution is the better in the particular situation.
Aus dem weiteren allgemeinen Stand der Technik in Form der DE 10 2009 057 573 A1 ist es außerdem bekannt, einen ähnlichen Aufbau vorzusehen, um so für eine Beheizung der Brennstoffzelle im Kaltstartfall wasserstoffhaltiges Abgas oder Wasserstoff in den Bereich der Kathodenzuluft einzudosieren. Die Brennstoffzelle wird so schneller aufgeheizt. From the further general state of the art in the form of DE 10 2009 057 573 A1, it is also known to provide a similar construction so as to meter hydrogen-containing offgas or hydrogen into the region of the cathode feed for heating the fuel cell in a cold start. The fuel cell is heated up faster.
Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, die eingangs genannten Nachteile des Standes der Technik zu verhindern und ein Brennstoffzellensystem anzugeben, welches einfach und effizient aufgebaut ist. The object of the present invention is now to prevent the aforementioned disadvantages of the prior art and to provide a fuel cell system, which is simple and efficient.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen hiervon sind in den abhängigen Unteransprüchen angegeben. Eine besonders bevorzugte Verwendung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems ist ferner im Anspruch 12 angegeben. According to the invention this object is achieved by the features in the characterizing part of claim 1. Advantageous embodiments and further developments thereof are specified in the dependent subclaims. A particularly preferred use of the fuel cell system according to the invention is further specified in claim 12.
Die erfindungsgemäße Lösung sieht es in einem einfachen und sehr effizienten Aufbau vor, die Ableitung für Abgas und/oder Wasser aus dem Anodenraum wie beim Stand der Technik in zwei Strömungszweige aufzuteilen. Einer der Strömungszweige ist dabei mit dem Eingang des Kathodenraums und einer mit dem Ausgang des Kathodenraums verbunden. Bei der erfindungsgemäßen Lösung ist es jedoch vorgesehen, dass beide Strömungszweige einen ständig offenen durchströmbaren Querschnitt aufweisen. Der Erfinder hat nämlich erkannt, dass es zum Verringern der eingangs genannten Nachteile ausreicht, wenn der Volumenstrom reduziert wird. Eine aufwändige Umschaltung des Volumenstroms über entsprechende Ventile einmal auf den Eingang des Kathodenraums und einmal auf den Ausgang des Kathodenraums ist damit nicht notwendig. Es reicht vielmehr aus, über eine einfache Aufteilung der Strömungszweige und deren ständig offene Strömungsverbindung einmal zum Kathodenraum und einmal zum Anodenraum den Volumenstrom in zwei Teilströme aufzuteilen. Jeder der Teilströme ist dann kleiner als der gesamte Volumenstrom, sodass auch hierdurch bereits die oben beschriebenen Nachteile deutlich minimiert werden können. Die Brennstoffzelle erhält so eine längere Lebensdauer und die Menge an eventuell kritischen Wasserstoffemissionen wird verringert. Der Aufbau ist dabei sehr einfach und effizient, da er ohne zusätzliche Ventile und ohne eine Ansteuerung auskommt, welche beispielsweise die Leistungssituation des Brennstoffzellensystems oder, falls dieses in einem Fahrzeug verbaut worden ist, dessen Fahrsituation erfassen und in der Steuerung berücksichtigen muss. The solution according to the invention provides, in a simple and very efficient design, for diverting the discharge for exhaust gas and / or water from the anode compartment into two flow branches as in the prior art. One of the flow branches is connected to the inlet of the cathode compartment and one to the outlet of the cathode compartment. In the solution according to the invention, however, it is provided that both flow branches have a constantly open flow-through cross-section. The inventor has in fact recognized that it is sufficient to reduce the aforementioned disadvantages when the volume flow is reduced. An elaborate switching of the volume flow via corresponding valves once on the input of the cathode compartment and once on the output of the cathode compartment is therefore not necessary. Rather, it is sufficient to divide the volume flow into two partial streams via a simple division of the flow branches and their constantly open flow connection once to the cathode compartment and once to the anode compartment. Each of the partial flows is then smaller than the total volume flow, so that even the disadvantages described above can be significantly minimized. The fuel cell gets so a longer Life and the amount of any critical hydrogen emissions is reduced. The structure is very simple and efficient, since it manages without additional valves and without a control, which for example, the performance of the fuel cell system or, if this has been installed in a vehicle, detect the driving situation and must take into account in the control.
In einer besonders günstigen und vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems kann es ferner vorgesehen sein, dass die beiden In a particularly favorable and advantageous embodiment of the fuel cell system according to the invention, it may further be provided that the two
Strömungszweige unterschiedliche Druckverluste aufweisen. Eine solche Ausgestaltung der beiden Strömungszweige so, dass diese unterschiedliche Druckverluste aufweisen, beispielsweise aufgrund von unterschiedlichen Leitungsdurchmessern und/oder Flow branches have different pressure losses. Such an embodiment of the two flow branches so that they have different pressure losses, for example due to different pipe diameters and / or
Leitungslängen, kann sehr einfach und effizient eine feste durch die Konstruktion vorgegebene Aufteilung der Volumenströme auf den Ausgang des Kathodenraums einerseits und auf den Eingang des Kathodenraums andererseits bewerkstelligen. Line lengths, can very easily and efficiently accomplish a fixed predetermined by the construction division of the volume flows on the output of the cathode compartment on the one hand and on the input of the cathode compartment on the other.
Ergänzend oder alternativ hierzu könnte auch in wenigstens einem der beiden Additionally or alternatively, could also in at least one of the two
Strömungszweige eine Strömungsblende beziehungsweise Drossel vorgesehen sein. Flow branches may be provided a flow aperture or throttle.
In einer weiteren sehr günstigen Ausbildung hiervon ist es ferner vorgesehen, dass die Druckverluste der beiden Strömungszweige so ausgelegt sind, dass sich eine Aufteilung des Volumenstroms einstellt, sodass 40 bis 60 %, vorzugsweise ca. 50 %, des gesamten Volumenstroms durch den mit dem Eingang des Kathodenraums verbundenen In a further very favorable embodiment of this, it is further provided that the pressure losses of the two flow branches are designed so that adjusts a distribution of the volume flow, so that 40 to 60%, preferably about 50%, of the total volume flow through the with the input connected to the cathode compartment
Strömungszweig strömen. Diese Aufteilung hat dabei den besonderen Vorteil, dass die Wasserstoffemissionswerte im Abgas damit immer unterhalb der gesetzlichen Flow branch flow. This division has the particular advantage that the hydrogen emission values in the exhaust gas thus always below the legal
Anforderungen bleiben. Requirements remain.
Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem kann dabei als Brennstoffzellensystem ausgebildet sein, welches mit einer sogenannten Near-Dead-End-Brennstoffzelle ausgerüstet ist. Eine solche Brennstoffzelle weist typischerweise eine kaskadierte Flächenverteilung innerhalb des Anodenraums auf, um so ein Maximum des zugeführten Wasserstoffs in dem Anodenraum umzusetzen. Um im Bereich des Anodenraums entstehendes Produktwasser abführen zu können und um eine vollständige Versorgung der Fläche des Anodenraums mit Wasserstoff gewährleisten zu können, ist jedoch ein gewisser Überschuss an Wasserstoff beim Betrieb einer solchen Near-Dead-End- Brennstoffzelle notwendig. Dieser Überschuss gelangt dann zusammen mit dem im Anodenraum entstandenen Produktwasser an die Umgebung. Er kann im Sinne der Erfindung in den Luftstrom zum Eingang des Kathodenraums und den Abluftstrom aus dem Kathodenraum aufgeteilt werden. The fuel cell system according to the invention can be designed as a fuel cell system, which is equipped with a so-called near-dead-end fuel cell. Such a fuel cell typically has a cascaded area distribution within the anode space, so as to implement a maximum of the supplied hydrogen in the anode space. However, in order to be able to remove product water arising in the area of the anode space and to be able to ensure complete supply of the area of the anode space with hydrogen, a certain excess of hydrogen is necessary in the operation of such a near-dead-end fuel cell. This excess then passes to the environment together with the product water produced in the anode compartment. He can in the sense of Invention are divided into the air flow to the inlet of the cathode compartment and the exhaust air flow from the cathode compartment.
In einer besonders bevorzugten Weiterbildung des Brennstoffzellensystems ist es jedoch vorgesehen, dass Abgas und/oder Wasser über eine Rezirkulationsleitung von einem Ausgang des Anodenraums zu einem Eingang des Anodenraums zurückgeführt sind, wobei die Ableitung aus der Rezirkulationsleitung abzweigt. Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem kann also nicht nur mit einer Near-Dead-End-Brennstoffzelle aufgebaut sein, sondern insbesondere auch mit der sehr verbreiteten Ausgestaltung mit einer Anodenrezirkulation. In einer solchen Anodenrezirkulation ist ein kontinuierlicher oder ein diskontinuierlicher Abstrom von Wasser und/oder Gas notwendig. Da dieses Gas ebenfalls Wasserstoff enthalten kann, gelten hier im Wesentlichen dieselben In a particularly preferred embodiment of the fuel cell system, however, it is provided that exhaust gas and / or water are recirculated via a recirculation line from an output of the anode compartment to an input of the anode compartment, wherein the derivative branches off from the recirculation line. The fuel cell system according to the invention can thus be constructed not only with a near-dead-end fuel cell, but in particular also with the very common design with an anode recirculation. In such an anode recirculation, a continuous or a discontinuous outflow of water and / or gas is necessary. Since this gas can also contain hydrogen, essentially the same apply here
Bedingungen. Conditions.
Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem kann sehr einfach aufgebaut werden. Es kann auf zusätzliche Ventile und eine aufwändige und störanfällige Steuerungselektronik mit entsprechender Sensorik zum Erfassen beispielsweise des Leistungszustands des Brennstoffzellensystems verzichten. Es lässt sich daher entsprechend robust realisieren. Es eignet sich daher insbesondere für die Verwendung in einem Fahrzeug, wo durch das Brennstoffzellensystem elektrische Antriebsleistung bereitgestellt wird. The fuel cell system according to the invention can be constructed very simply. It may dispense with additional valves and a complex and trouble-prone control electronics with appropriate sensors for detecting, for example, the power state of the fuel cell system. It can therefore be implemented robust accordingly. It is therefore particularly suitable for use in a vehicle where electrical drive power is provided by the fuel cell system.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems ergeben sich außerdem aus den restlichen abhängigen Unteransprüchen und werden anhand der Ausführungsbeispiele deutlich, welche nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben sind. Further advantageous embodiments of the fuel cell system according to the invention also emerge from the remaining dependent subclaims and become clear from the exemplary embodiments, which are described in more detail below with reference to the figures.
Dabei zeigen: Showing:
Fig. 1 ein prinzipmäßig angedeutetes Brennstoffzellensystem in einer ersten Fig. 1 is a principle indicated fuel cell system in a first
Ausführungsform gemäß der Erfindung in einem Fahrzeug; und  Embodiment according to the invention in a vehicle; and
Fig. 2 ein prinzipmäßig angedeutetes Brennstoffzellensystem in einer zweiten  Fig. 2 is a principle indicated fuel cell system in a second
Ausführungsform gemäß der Erfindung in einem Fahrzeug.  Embodiment according to the invention in a vehicle.
In der Darstellung der Figur 1 ist rein beispielhaft und sehr stark schematisiert ein Brennstoffzellensystem 1 in einem angedeuteten Fahrzeug 2 zu erkennen. Das Brennstoffzellensystem 1 weist im Wesentlichen eine Brennstoffzelle 3 auf, welche ihrerseits einen Anodenraum 4 und einen Kathodenraum 5 zeigt. Die Brennstoffzelle 3 soll als Stapel von PEM-Brennstoffzellen ausgebildet sein. Der Kathodenraum 5 der Brennstoffzelle 3 wird über eine Luftfördereinrichtung 6 mit Luft als Sauerstofflieferant versorgt. Die Luft gelangt über eine Zuluftleitung 7 zum Eingang des Kathodenraums 5. Die Abluft aus dem Kathodenraum 5 gelangt über eine Abluftleitung 8 in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel direkt in die Umgebung. Hier könnte prinzipiell auch eine Nachbereitung, beispielsweise eine Nachverbrennung, eine Turbine und/oder dergleichen, angeordnet sein. In the representation of FIG. 1, a fuel cell system 1 in an indicated vehicle 2 can be seen purely by way of example and in a very highly schematic manner. The Fuel cell system 1 essentially has a fuel cell 3, which in turn has an anode compartment 4 and a cathode compartment 5. The fuel cell 3 should be designed as a stack of PEM fuel cells. The cathode compartment 5 of the fuel cell 3 is supplied via an air conveyor 6 with air as an oxygen supplier. The air passes through an air supply line 7 to the input of the cathode compartment 5. The exhaust air from the cathode compartment 5 passes through an exhaust duct 8 in the embodiment shown here directly into the environment. Here, in principle, a post-processing, such as an afterburner, a turbine and / or the like could be arranged.
Dem Anodenraum 4 der Brennstoffzelle 3 wird Wasserstoff aus einem Druckgasspeicher 9 zugeführt. Diese gelangt über eine Druckregeleinrichtung 10 und eine später noch näher erläuterte Rezirkulationsfördereinrichtung 11 zum Eingang des Anodenraums 4. Abgas aus dem Anodenraum 4 gelangt in dem in Figur 1 dargestellten The anode chamber 4 of the fuel cell 3, hydrogen is supplied from a compressed gas storage 9. This passes through a pressure control device 10 and a recirculation conveyor 11 explained in more detail later to the entrance of the anode compartment 4. Exhaust gas from the anode compartment 4 arrives in the recirculation conveyor shown in FIG
Ausführungsbeispiel des Brennstoffzellensystems 1 über eine Rezirkulationsleitung 12 zurück in den Bereich der Rezirkulationsfördereinrichtung 11 und kann von dort zusammen mit frischem Wasserstoff aus dem Druckgasspeicher 9 dem Anodenraum 4 erneut zugeführt werden. Dieser Aufbau einer sogenannten Anodenrezirkulation ist dabei aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. Um die im Anodenraum 4 und in der Rezirkulationsleitung 12 aufgetretenen Druckverluste auszugleichen, ist es notwendig, die Rezirkulationsfördereinrichtung 11 vorzusehen. Diese kann entweder als Embodiment of the fuel cell system 1 via a recirculation line 12 back into the region of the recirculation conveyor 11 and can be supplied from there together with fresh hydrogen from the compressed gas storage 9 to the anode compartment 4 again. This structure of a so-called anode recirculation is known from the general state of the art. In order to compensate for the pressure losses which have occurred in the anode chamber 4 and in the recirculation line 12, it is necessary to provide the recirculation conveyor 11. This can be either as
Rezirkulationsgebläse und/oder als eine oder mehrere Gasstrahlpumpen Recirculation fan and / or as one or more gas jet pumps
beziehungsweise Ejektoren ausgebildet sein. Dies ist für die hier vorliegende Erfindung von untergeordneter Bedeutung, sodass hierauf nicht näher eingegangen wird. or ejectors be formed. This is for the present invention of minor importance, so it will not be discussed further.
Im Bereich der Rezirkulationsleitung 12 ist nun ein Wasserabscheider 13 angeordnet. Dieser ist über ein Ablassventil 14 mit einer Ableitung 15 verbunden. Im Bereich der Anodenrezirkulation reichert sich mit der Zeit Wasser und inertes Gas, welches durch die Membranen der Brennstoffzelle 3 hindurchdiffundiert ist, an. Um die In the area of the recirculation line 12, a water separator 13 is now arranged. This is connected via a drain valve 14 with a discharge line 15. In the area of the anode recirculation, water and inert gas, which has diffused through the membranes of the fuel cell 3, accumulate over time. To the
Wasserstoffkonzentration in der Anodenrezirkulation aufrechtzuerhalten ist es notwendig, Wasser und/oder Gas von Zeit zu Zeit aus der Anodenrezirkulation abzulassen. Rein beispielhaft ist hierfür der Wasserabscheider 13 mit der Ventileinrichtung 14 ausgebildet. Dieser Aufbau ermöglicht es, das Ablassen von Wasser und Gas gleichzeitig über den Wasserabscheider 13 - wie im Eingangs beschriebenen Stand der Technik dargelegt - zu realisieren. Vergleichbare Aufbauten, welche Wasser und Gas getrennt abführen, sind aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. Auch diese wären für den hier beschriebenen Aufbau des Brennstoffzellensystems 1 analog denkbar. To maintain hydrogen concentration in the anode recirculation, it is necessary to discharge water and / or gas from the anode recirculation from time to time. Purely by way of example, the water separator 13 with the valve device 14 is formed for this purpose. This construction makes it possible to simultaneously realize the discharge of water and gas via the water separator 13 as set forth in the prior art described in the introduction. Comparable structures, which dissipate water and gas separately, are known from the general state of the art. These too would be analogously conceivable for the structure of the fuel cell system 1 described here.
Der Kern des hier dargestellten Aufbaus liegt nun darin, dass die Ableitung 15 in zwei Strömungszweige 16, 17 aufgeteilt ist. Der erste Strömungszweig 16 mündet in die Abluftleitung 8, der zweite Strömungszweig 17 mündet in die Zuluftleitung 7. Der erste Strömungszweig 16 ist damit mit dem Ausgang des Kathodenraums 5 verbunden und erlaubt es, einen Teil des über die Abluftleitung 15 abgeführten Volumenstroms in den Abluftstrom der Brennstoffzelle 3 einzudüsen. Ein anderer Teil gelangt über den zweiten Strömungszweig 17 in die zu der Brennstoffzelle 3 strömende Zuluft. Da in dem in der Ableitung 15 befindlichen Gas immer auch eine Menge an Restwasserstoff enthalten ist, kann zumindest ein Teil des Restwasserstoffs, nämlich der Teil, der über den zweiten Strömungszweig 17 strömt, im Bereich des Kathodenraums 5 am dortigen Katalysator zusammen mit Sauerstoff entsprechend umgesetzt werden. Die Wasserstoffemissionen an die Umgebung werden so vermindert. Der in den Bereich der Abluftleitung 8 abgelassene Restwasserstoff wird dann typischerweise so weit verdünnt, dass auch hier keine Gefahr von dem Wasserstoff mehr ausgeht. The core of the construction shown here is now that the discharge line 15 is divided into two flow branches 16, 17. The first flow branch 16 opens into the exhaust air line 8, the second flow branch 17 opens into the supply air line 7. The first flow branch 16 is thus connected to the output of the cathode chamber 5 and allows a portion of the discharged via the exhaust duct 15 volume flow in the exhaust air flow Inject fuel cell 3. Another part passes via the second flow branch 17 into the supply air flowing to the fuel cell 3. Since there is always also a quantity of residual hydrogen in the gas located in the discharge line 15, at least part of the residual hydrogen, namely the part which flows via the second flow branch 17, can be correspondingly reacted together with oxygen in the region of the cathode space 5 on the local catalyst become. The hydrogen emissions to the environment are thus reduced. The discharged in the region of the exhaust duct 8 residual hydrogen is then typically diluted so much that even here no danger from the hydrogen more.
Um zu verhindern, dass über die Luftfördereinrichtung 6 verdichtete Luft in den Bereich des zweiten Strömungszweigs 17 einströmt, kann im Bereich des zweiten In order to prevent that compressed air flows into the region of the second flow branch 17 via the air conveying device 6, in the region of the second
Strömungszweigs 17, und hier insbesondere in unmittelbarer Nähe zu seiner Einmündung in die Zuluftleitung 7 eine Rückströmsicherung 21 vorgesehen sein. Eine weitere derartige Rückströmsicherung 21 kann außerdem im Bereich des ersten Flow branch 17, and here in particular in the immediate vicinity of its confluence with the supply air line 7 a backflow 21 may be provided. Another such Rückströmsicherung 21 may also in the region of the first
Strömungszweigs 16, hier ebenfalls bevorzugt möglichst nahe an seiner Einmündung in die Abluftleitung 8 vorgesehen werden. Die eine, oder falls vorhanden beide, Flow branch 16, here also preferably be provided as close to its confluence with the exhaust duct 8. The one, or if available both,
Rückströmsicherungen 16 sollten dabei möglichst dicht an der Einmündung in die Zuluftleitung 7 bzw. Abluftleitung 8 angeordnet sein, um im Bereich der Zuluftleitung 7 und gegebenenfalls der Abluftleitung 8 keine unnötigen Luftfallen zu bekommen, was insbesondere im Bereich der Zuluftleitung 7 hinsichtlich der Regelung der Luftversorgung unerwünscht ist. Rückströmsicherungen 16 should be as close to the confluence with the supply air line 7 and exhaust duct 8 arranged to get in the supply air line 7 and possibly the exhaust duct 8 no unnecessary air traps, which is undesirable in particular in the supply air line 7 in terms of control of the air supply is.
Die Druckverluste in den beiden Strömungszweigen 16, 17 lassen sich beispielsweise durch die Leitungslängen und Leitungsquerschnitte so einstellen, dass eine gewünschte konstruktiv fest vorgegebene Aufteilung des in der Ableitung 15 vorliegenden The pressure losses in the two flow branches 16, 17 can be adjusted for example by the line lengths and line cross sections so that a desired structurally fixed division of the present in the derivative 15
Volumenstroms auf die beiden Strömungszweige 16, 17 erfolgt. Daneben ist es auch möglich, über entsprechende feste Blenden beziehungsweise Drosselstellen 18, 19 diese Einstellung der Teilvolumenströme vorzunehmen. Volumetric flow to the two flow branches 16, 17 takes place. It's the same possible to make this adjustment of the partial volume flows via appropriate fixed orifices or throttling points 18, 19.
Um zu verhindern, dass Wasser über die Strömungszweige 16, 17 insbesondere jedoch über den Strömungszweig 17 in den Kathodenraum 5 gelangt, kann es außerdem vorgesehen sein, dass die Strömungszweige 16, 17 und hier insbesondere der In order to prevent water from passing via the flow branches 16, 17 but in particular via the flow branch 17 into the cathode space 5, it can also be provided that the flow branches 16, 17 and here in particular the
Strömungszweig 17 aus der Ableitung 15 möglichst senkrecht und nach oben verlaufend abzweigt. Insbesondere in Kombination mit einem etwas größeren Durchmesser der Strömungszweige 16, 17, insbesondere jedoch des Strömungszweigs 17, gegenüber dem durchströmbaren Durchmesser der Ableitung 15 wird so erreicht, dass das Wasser weitgehend in die Abluftleitung 8 und eben nicht in die Zuluftleitung 7 gelangt. Flow branch 17 branches off from the discharge line 15 as vertically as possible and upwards. In particular, in combination with a slightly larger diameter of the flow branches 16, 17, but in particular of the flow branch 17, compared to the diameter of the discharge line 15, it is achieved that the water largely enters the exhaust air line 8 and not into the supply air line 7.
Zusätzlich ist im Bereich der Verbindung des Strömungszweigs 16 mit der Abluftleitung 8 eine Verdünnungskammer 20 vorgesehen. Diese besteht beispielsweise aus einer Volumenvergrößerung im Bereich der Abluftleitung 8 oder im Bereich des In addition, a dilution chamber 20 is provided in the region of the connection of the flow branch 16 to the exhaust air line 8. This consists for example of an increase in volume in the region of the exhaust duct 8 or in the region of
Strömungszweigs 16, welche mit der Abluftleitung 8 verbunden ist. In diesem Bereich strömt dann neben der Abluft aus der Abluftleitung 8 das Gas aus der Ablassleitung 15 ein. Dieses wird entsprechend verdünnt. Insbesondere bei einer diskontinuierlichen Abgabe von Gas über den Strömungszweig 16 hat die solche Verdünnungskammer 20 den entscheidenden Vorteil, dass sie das Auftreten von hohen Flow branch 16, which is connected to the exhaust duct 8. In this area then flows in addition to the exhaust air from the exhaust duct 8, the gas from the drain line 15 a. This is diluted accordingly. In particular, in the case of a discontinuous discharge of gas via the flow branch 16, such a dilution chamber 20 has the decisive advantage that it prevents the occurrence of high
Wasserstoffkonzentrationen in der Abluft vergleichmäßigt und für eine gleichmäßig hohe Verdünnung des abgegebenen Wasserstoffs sorgt. Hohe Emissionen an unverdünnten Wasserstoff, welche schlagartig an die Umgebung gelangen, können so verhindert werden. Wasserstoffsensoren, welche ab bestimmten Wasserstoffkonzentrationen in der Abluft ansprechen und auf eine sicherheitskritische Problematik hinweisen, können dadurch weiterhin ausreichend empfindlich eingestellt werden und sprechen dennoch nicht bei jedem Ablassen von Gas in die Abluftleitung 8 an. Ergänzend dazu wäre eine Verdünnungskammer 20 auch in der Zusammenführung zwischen dem Strömungszweig 17 und der Zuluftleitung 7 denkbar.  Equalizes hydrogen concentrations in the exhaust air and ensures a uniformly high dilution of the released hydrogen. High emissions of undiluted hydrogen, which suddenly reach the environment, can thus be prevented. Hydrogen sensors, which respond from certain hydrogen concentrations in the exhaust air and indicate a safety-critical problem, can continue to be set sufficiently sensitive and still do not respond to each discharge of gas in the exhaust duct 8. In addition to this, a dilution chamber 20 would also be conceivable in the junction between the flow branch 17 and the supply air line 7.
Neben dem in Figur 1 beschriebenen Aufbau eines Brennstoffzellensystems 1 mit einer Brennstoffzelle 3 mit Anodenrezirkulation ist es selbstverständlich auch denkbar, diesen Aufbau bei einer Brennstoffzelle 3 ohne Anodenrezirkulation zu realisieren. Eine solche Brennstoffzelle 3 wird typischerweise als sogenannte Near-Dead-End-Brennstoffzelle ausgebildet sein. Eine solche ist in der Darstellung der Figur 2 zu erkennen. Der einzige Unterschied besteht darin, dass die Anodenrezirkulation nicht vorhanden ist. In addition to the structure of a fuel cell system 1 with a fuel cell 3 with anode recirculation described in Figure 1, it is of course also conceivable to realize this structure in a fuel cell 3 without anode recirculation. Such a fuel cell 3 will typically be designed as a so-called near-dead-end fuel cell. Such a can be seen in the illustration of FIG. One and only The difference is that the anode recirculation is absent.
Typischerweise ist die in dem Anodenraum 4 vorliegende Fläche kaskadiert ausgebildet, sodass der in dem Anodenraum 4 eingebrachte Wasserstoff weitgehend umgesetzt wird. Lediglich eine geringe Menge an Restwasserstoff, typischerweise ca. 3 - 5 %, verlassen den Anodenraum 4 zusammen mit entstandenem Produktwasser. Diese werden analog zur Darstellung in Figur 1 über die Ableitung 15 abgeleitet, welche dann in zwei Typically, the area present in the anode space 4 is formed in a cascade, so that the hydrogen introduced into the anode space 4 is largely converted. Only a small amount of residual hydrogen, typically about 3 - 5%, leave the anode compartment 4 together with resulting product water. These are derived analogously to the illustration in Figure 1 via the derivative 15, which then in two
Strömungszweige aufgeteilt wird. Auf das Ablassventil 14 und den Wasserabscheider 13 kann hier verzichtet werden, ansonsten ist die Funktionalität des in Figur 2 dargestellten Brennstoffzellensystems 1 im Wesentlichen dieselbe wie die des oben bereits Flow branches is divided. The drain valve 14 and the water separator 13 can be dispensed with here, otherwise the functionality of the fuel cell system 1 shown in FIG. 2 is essentially the same as that of the one already described above
beschriebenen Ausführungsbeispiels. Prinzipiell wäre auch hier der Einsatz einer Verdünnungskammer 20 denkbar. described embodiment. In principle, the use of a dilution chamber 20 would also be conceivable here.

Claims

Patentansprüche claims
1. Brennstoffzellensystem (1) mit wenigstens einer Brennstoffzelle (3), welche einen Kathodenraum (5) und einen Anodenraum (4) aufweist, wobei eine Ableitung (15) für Abgas und/oder Wasser aus dem Anodenraum (4) der Brennstoffzelle (3) in zwei Strömungszweige (16, 17) aufgeteilt ist, wobei einer der Strömungszweige (16) mit dem Ausgang des Kathodenraums (5) und einer der Strömungszweige (17) mit dem Eingang des Kathodenraums (5) verbunden ist, 1. A fuel cell system (1) having at least one fuel cell (3) which has a cathode space (5) and an anode space (4), wherein a discharge (15) for exhaust gas and / or water from the anode space (4) of the fuel cell (3 ) is divided into two flow branches (16, 17), wherein one of the flow branches (16) with the output of the cathode space (5) and one of the flow branches (17) is connected to the input of the cathode space (5),
dadurch gekennzeichnet, dass  characterized in that
beide Strömungszweige (16, 17) einen ständig offenen durchströmbaren  Both flow branches (16, 17) has a constantly open through-flow
Querschnitt aufweisen.  Have cross-section.
2. Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 1 , 2. Fuel cell system (1) according to claim 1,
dadurch gekennzeichnet, dass  characterized in that
die beiden Strömungszweige (16, 17) unterschiedliche Druckverluste aufweisen.  the two flow branches (16, 17) have different pressure losses.
3. Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 1 oder 2, 3. Fuel cell system (1) according to claim 1 or 2,
dadurch gekennzeichnet, dass  characterized in that
wenigstens einer der beiden Strömungszweige (16, 17) eine Strömungsblende (18, 19) aufweist.  at least one of the two flow branches (16, 17) has a flow aperture (18, 19).
4. Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 3 oder 4, 4. Fuel cell system (1) according to claim 3 or 4,
dadurch gekennzeichnet, dass  characterized in that
die Druckverluste der beiden Strömungszweige (16, 17) so ausgelegt sind, dass eine Aufteilung der Teilvolumenströme so erfolgt, dass 40 bis 60 %, vorzugsweise ca. 50 %, des gesamten Volumenstroms durch den mit dem Eingang des  the pressure losses of the two flow branches (16, 17) are designed so that a division of the partial volume flows is such that 40 to 60%, preferably about 50%, of the total volume flow through the with the input of the
Kathodenraums (5) verbundenen Strömungszweig (17) strömen. Cathode space (5) connected flow branch (17) flow.
5. Brennstoffzellensystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass 5. Fuel cell system (1) according to one of claims 1 to 4, characterized in that
eine Ventileinrichtung (14) zur Beeinflussung des Volumenstroms an Abgas und/oder Wasser in einer Ableitung (15) vor der Verzweigung in die zwei  a valve device (14) for influencing the volume flow of exhaust gas and / or water in a discharge line (15) before the branching into the two
Strömungszweige (16, 17) angeordnet ist.  Flow branches (16, 17) is arranged.
6. Brennstoffzellensystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, 6. Fuel cell system (1) according to one of claims 1 to 5,
dadurch gekennzeichnet, dass  characterized in that
wenigstens einer der Strömungszweige (16, 17) vor seiner Verbindung mit dem Ausgang oder Eingang des Kathodenraums (5) oder im Bereich der Verbindung mit dem Ausgang oder Eingang des Kathodenraums (5) eine Verdünnungskammer (20) aufweist.  at least one of the flow branches (16, 17) has a dilution chamber (20) before it is connected to the outlet or inlet of the cathode compartment (5) or in the region of the connection to the outlet or inlet of the cathode compartment (5).
7. Brennstoffzellensystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, 7. Fuel cell system (1) according to one of claims 1 to 6,
dadurch gekennzeichnet, dass  characterized in that
Abgas und/oder Wasser über eine Rezirkulationsleitung (12) von einem Ausgang des Anodenraums (4) zu einem Eingang des Anodenraums (4) zurückgeführt ist, wobei eine Ableitung (15) vor der Verzweigung in die zwei Strömungszweige (16, 17) aus der Rezirkulationsleitung (12) abzweigt.  Exhaust gas and / or water via a recirculation line (12) from an output of the anode chamber (4) is returned to an input of the anode chamber (4), wherein a derivative (15) before the branching into the two flow branches (16, 17) of the Recirculation line (12) branches off.
8. Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 7, 8. Fuel cell system (1) according to claim 7,
dadurch gekennzeichnet, dass  characterized in that
im Bereich der Abzweigung ein Wasserabscheider (13) vorgesehen ist.  in the region of the branch a water separator (13) is provided.
9. Brennstoffzellensystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, 9. Fuel cell system (1) according to one of claims 1 to 8,
dadurch gekennzeichnet, dass  characterized in that
wenigstens einer der Strömungszweige (16, 17), insbesondere der mit dem  at least one of the flow branches (16, 17), in particular that with the
Eingang des Kathodenraums (5) verbundene Strömungszweig (17), eine  Entrance of the cathode compartment (5) connected flow branch (17), a
Rückströmsicherung (21) aufweist, welche nur in Richtung zur Kathodenseite hin durchströmbar ist.  Backflow (21), which can be flowed through only in the direction of the cathode side.
10. Brennstoffzellensystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, 10. Fuel cell system (1) according to one of claims 1 to 9,
dadurch gekennzeichnet, dass  characterized in that
der Strömungszweig (17), welcher mit dem Eingang des Kathodenraums (5) verbunden ist, im Bereich der Abzweigung einen größeren durchströmbaren Querschnitt als eine Ableitung (15) vor der Verzweigung in die beiden the flow branch (17), which is connected to the input of the cathode chamber (5), in the region of the branch a larger permeable Cross section as a derivative (15) before branching into the two
Strömungszweige (16, 17) aufweist.  Has flow branches (16, 17).
11. Brennstoffzellensystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, 11. Fuel cell system (1) according to one of claims 1 to 10,
dadurch gekennzeichnet, dass  characterized in that
der mit dem Eingang des Kathodenraums (5) verbundene Strömungszweig (17) in etwa senkrecht, insbesondere im bestimmungsgemäßen Einsatz senkrecht nach oben, aus einer Ableitung (15) vor der Verzweigung in die beiden Strömungszweige (16, 17) abzweigt.  the flow branch (17) connected to the inlet of the cathode space (5) branches off approximately vertically, in particular in the intended use vertically upward, from a discharge (15) before the branch into the two flow branches (16, 17).
12. Verwendung eines Brennstoffzellensystems nach einem der Ansprüche 1 bis 1 1 , zur Bereitstellung von elektrischer Antriebsenergie in einem Fahrzeug (2). 12. Use of a fuel cell system according to one of claims 1 to 1 1, for the provision of electrical drive energy in a vehicle (2).
PCT/EP2012/005370 2012-01-21 2012-12-22 Fuel cell system WO2013107492A1 (en)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102012001155.5 2012-01-21
DE102012001155A DE102012001155A1 (en) 2012-01-21 2012-01-21 The fuel cell system

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2013107492A1 true WO2013107492A1 (en) 2013-07-25

Family

ID=47563337

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP2012/005370 WO2013107492A1 (en) 2012-01-21 2012-12-22 Fuel cell system

Country Status (2)

Country Link
DE (1) DE102012001155A1 (en)
WO (1) WO2013107492A1 (en)

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20010048837A1 (en) 2000-01-21 2001-12-06 Parkinson John Victor Keyboard improvements that can be implemented
US20020142200A1 (en) * 2001-03-28 2002-10-03 Volker Formanski Fuel cell system and method of operating a fuel cell system
WO2008052578A1 (en) 2006-10-31 2008-05-08 Daimler Ag Fuel cycle of a fuel cell system and method for operating a fuel cell system
DE102009057573A1 (en) 2008-12-12 2010-07-01 GM Global Technology Operations, Inc., Detroit Methods and controls for hydrogen to a cathode inlet of a fuel cell system
WO2010108606A1 (en) * 2009-03-24 2010-09-30 Daimler Ag Fuel cell system comprising an outlet on the side of the anode
US20110048837A1 (en) * 2009-08-31 2011-03-03 Hyundai Motor Company Hydrogen exhaust system for fuel cell vehicle
WO2011098279A1 (en) * 2010-02-15 2011-08-18 Daimler Ag Fuel cell system comprising at least one fuel cell

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20010048837A1 (en) 2000-01-21 2001-12-06 Parkinson John Victor Keyboard improvements that can be implemented
US20020142200A1 (en) * 2001-03-28 2002-10-03 Volker Formanski Fuel cell system and method of operating a fuel cell system
WO2008052578A1 (en) 2006-10-31 2008-05-08 Daimler Ag Fuel cycle of a fuel cell system and method for operating a fuel cell system
DE102009057573A1 (en) 2008-12-12 2010-07-01 GM Global Technology Operations, Inc., Detroit Methods and controls for hydrogen to a cathode inlet of a fuel cell system
WO2010108606A1 (en) * 2009-03-24 2010-09-30 Daimler Ag Fuel cell system comprising an outlet on the side of the anode
US20110048837A1 (en) * 2009-08-31 2011-03-03 Hyundai Motor Company Hydrogen exhaust system for fuel cell vehicle
WO2011098279A1 (en) * 2010-02-15 2011-08-18 Daimler Ag Fuel cell system comprising at least one fuel cell

Also Published As

Publication number Publication date
DE102012001155A1 (en) 2013-07-25

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP2502300B1 (en) Fuel cell system with gas-liquid separator in anode recirculation path
WO2013152836A1 (en) Anode circuit for a fuel cell
WO2009121560A1 (en) Fuel cell system and method for operating a fuel cell system
DE102012001602A1 (en) Anode circuit of fuel cell system mounted in vehicle, has recirculation conveying device for anode gas exhaust, which is provided in form of gas jet pump by which fuel flowing to fuel cell is driven as propellant gas stream
WO2017084736A1 (en) Method for flushing a fuel cell system
DE102012023682A1 (en) Liquid separators for use in fuel cell system of vehicle, have guide element arranged in region for distributing mixture on cross section area of droplet separator, and separator body arranged between inflowing region and collection area
DE102014018141A1 (en) fuel cell stack
DE102013003599A1 (en) Fuel cell system used for providing drive power to propelled vehicle, has protection element that is arranged between mouth and water vapor permeable membrane of humidifier by opening line element on downstream side of humidifier
WO2010108606A1 (en) Fuel cell system comprising an outlet on the side of the anode
DE102017011720A1 (en) Device for hydrogen supply to an anode
WO2010108605A2 (en) Fuel cell system having at least one fuel cell
DE102007028296A1 (en) Polymer electrolyte membrane fuel cell system operating device for vehicle, has blocking unit arranged in discharge line that is guided away from cathode space of fuel cell, and another blocking unit arranged in supply line
WO2013072026A2 (en) Flow-driven device
WO2013107492A1 (en) Fuel cell system
DE102012012636A1 (en) Method for fuel supply of fuel cell system for e.g. omni bus, involves pulsating fuel subflow relative to volume flow and/or pressure, and adding pulsations of subflows so that common fuel flow is not pulsated before division into subflows
DE102013005802A1 (en) Device for processing supply air flowing to fuel cell system for providing electrical driving power to vehicle, has mixer arranged in air inlet at flow direction between humidifier and opening of bypass pipe
WO2014060100A1 (en) Rotary disk valve for a fuel cell system
WO2013045050A1 (en) Gas jet pump with at least one nozzle
DE102012017567A1 (en) Fuel cell system for vehicle, has gas jet pump as recirculation conveyor that is formed in recirculation line for ideal operating point at partial load
DE102011114716A1 (en) Gas jet pump for conveying a main gas flow
DE102009048247A1 (en) Method for operating fuel cell system of e.g. ship in water, involves operating valve device in opened condition when pressure within anode area of valve device is larger or equal to pressure in cathode area of valve device
DE102007028743A1 (en) Fuel e.g. hydrogen, cell e.g. polymer electrolyte membrane fuel cell, arrangement, has diffuser provided as ejector to suck reaction product flowing into reefed such as cathode exhaust gas and influx and mix gas in oxidizing agent
WO2013045051A1 (en) Gas jet pump for conveying a main gas stream
DE102014018444A1 (en) Fuel cell system and gas / gas humidifier
DE102016011135A1 (en) Liquid separator for a fuel cell system

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 12816247

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 12816247

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1