WO2014012615A1 - Fuel cell system - Google Patents

Fuel cell system Download PDF

Info

Publication number
WO2014012615A1
WO2014012615A1 PCT/EP2013/001778 EP2013001778W WO2014012615A1 WO 2014012615 A1 WO2014012615 A1 WO 2014012615A1 EP 2013001778 W EP2013001778 W EP 2013001778W WO 2014012615 A1 WO2014012615 A1 WO 2014012615A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
fuel cell
air
heat exchanger
cell system
cooling
Prior art date
Application number
PCT/EP2013/001778
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Gert Hinsenkamp
Gerhard Konrad
Benjamin Steinhauser
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 WO2014012615A1 publication Critical patent/WO2014012615A1/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
    • H01M8/04007Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids related to heat exchange
    • H01M8/04029Heat exchange using liquids
    • 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
    • H01M8/04007Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids related to heat exchange
    • H01M8/04067Heat exchange or temperature measuring elements, thermal insulation, e.g. heat pipes, heat pumps, fins
    • H01M8/04074Heat exchange unit structures specially adapted for fuel cell
    • 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
    • H01M8/04111Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants using a compressor turbine assembly
    • 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
    • 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
    • H01M8/04126Humidifying
    • H01M8/04141Humidifying by water containing exhaust gases
    • 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 an air conveyor for compressing supply air for a fuel cell according to the closer defined in the preamble of claim 1.
  • Fuel cell systems are known from the general state of the art. They typically include a fuel cell, which is designed as a stack of individual cells, as a so-called fuel cell stack or fuel cell stack.
  • This fuel cell is usually supplied with hydrogen or a hydrogen-containing gas on the anode side as fuel and air as an oxygen supplier on the cathode side.
  • the air supplied to the fuel cell is typically compressed, for example via a flow compressor, a piston compressor, a Roots blower or the like.
  • the compressed supply air is then heated after the compressor in most operating situations by the compression and has a relatively high temperature. At least when using PEM fuel cells, this represents a serious disadvantage, since the membranes present in the fuel cell are dried out and damaged by the hot supply air.
  • disadvantageous is the comparatively high temperature of the compressed air affecting further components of the fuel cell system which are arranged in the air-conveying line between the compressor outlet and the stack inlet, such as e.g.
  • Humidifier, valves or flaps Here are the possible disadvantages, especially in the form of formerlystensive expenses in construction and materials for
  • a charge air cooler in order to cool the supply air to the fuel cell accordingly.
  • a charge air cooler uses the cooling medium of a cooling circuit for cooling the supply air, in particular the cooling circuit, in which the fuel cell is arranged to dissipate waste heat.
  • the problem with the construction described therein is that the cooling system is loaded accordingly and, in particular when used in a vehicle, correspondingly large areas of cooling heat exchangers are necessary for removing the heat from the cooling system to the environment.
  • Reverse direction come in the gas / gas heat exchanger.
  • the membranes of the fuel cell are heated unnecessarily and thereby burdened.
  • the object of the present invention is now a
  • the structure should also be simple and compact feasible.
  • the fuel cell system according to the invention uses comparable to the aforementioned prior art, an air / liquid heat exchanger as Ladeiuftkühler, which of the compressed supply air and of a liquid cooling medium of a
  • Cooling circuit is flowed through.
  • the invention uses
  • Fuel cell system an air / liquid heat exchanger in the exhaust air from the fuel cell, which is traversed by the exhaust air and the cooling medium.
  • the structure can be made very compact and guarantees an efficient, safe and reliable cooling of the compressed supply air after the air conveyor.
  • the cooling medium then flows through a heat exchanger, which is flowed through by the cooling medium on the one hand and by the exhaust air on the other hand.
  • the exhaust air can absorb heat from the cooling medium and, for example, with the exhaust air directly to the environment, whereby the cooling medium is cooled again.
  • this structure can be realized according to simple and compact.
  • a turbine is arranged downstream of the air / liquid heat exchanger in the flow direction of the exhaust air.
  • a turbine which in particular may be part of an electric turbocharger, so as to the turbine
  • To provide accumulating power directly the air conveyor available, allows recovery of pressure and heat energy from the exhaust air of the fuel cell. Is in the flow direction of the exhaust air in front of the turbine on the
  • Cooling medium and the air / liquid heat exchanger of the structure according to the invention added additional heat into the exhaust air, the yield of mechanical power can be increased accordingly, resulting in an improvement of
  • the cooling circuit is designed as a standalone cooling circuit between the charge air cooler and the heat exchanger, which has a coolant conveyor.
  • a structure uses its own cooling circuit, which is formed only between the two mentioned heat exchangers, ie the charge air cooler and the heat exchanger, which emits the heat absorbed into the exhaust air of the fuel cell system.
  • a burden on the cooling system for cooling the fuel cell is thereby completely avoided and the fuel cell system in this embodiment can continue to build very compact.
  • the cooling medium is circulated in the cooling circuit between the intercooler and the heat exchanger according to, for example, by a speed of the
  • Coolant conveyor adjustable volume flow of the cooling medium cooling can be controlled specifically. Thus, it is also possible in the operating situations in which no heat transfer is desired, this by turning off the
  • the cooling circuit is part of a cooling system
  • the cooling medium flows through the fuel cell in addition to the charge air cooler, and which has a coolant conveyor and a cooling heat exchanger for cooling the cooling medium.
  • Cooling circuit by a heat transfer to the exhaust air and yet ensures a simple and efficient structure, since a single coolant delivery device is sufficient in this case.
  • Valve device is controllable. In this way it is further ensured that in the operating situations in which a cooling is not desirable or there is a risk of reversal of the effective direction, to a flow through the corresponding
  • the valve device can be designed as a thermostatic valve, so that automatically takes place as a function of the temperature of the cooling medium, a flow through the charge air cooler and the cooling heat exchanger or not.
  • the fuel cell system according to the invention can be constructed correspondingly compact and enables safe and reliable operation in all
  • Fuel cell system in a vehicle Here are on the one hand difficult
  • Temperature difference between the fuel cell and the environment typically is much lower than between an internal combustion engine and the environment and the available area of the cooling heat exchanger thus has a limiting effect on the performance of the fuel cell system.
  • FIG. 1 shows a vehicle with a fuel cell system according to the invention.
  • Fig. 2 shows an alternative embodiment of a fuel cell system according to the
  • FIG. 3 shows a further alternative embodiment of the fuel cell system according to the invention.
  • a fuel cell system 1 can be seen, which is arranged in an indicated vehicle 2, and which is to serve in this vehicle 2 for providing electrical drive power.
  • vehicle 2 may preferably be a motor vehicle, for example a rail-bound or trackless land vehicle, a logistics transporter, a watercraft or the like.
  • Core of the fuel cell system 1 is a fuel cell 3 and a
  • Fuel cell stack 3 which is constructed as a stack of single cells in PEM technology.
  • the individual cells are not visible in the representation of the figure.
  • Each of the individual cells has a cathode space and an anode space, wherein a common anode space 4 and a common cathode space 5 are shown symbolically in the representation of FIG.
  • a heat exchanger 6 for removing waste heat from the fuel cell 3 via a liquid cooling medium is indicated.
  • This liquid cooling medium flows from a coolant conveyor 7 promoted in the circuit between the fuel cell 3 and the heat exchanger 6 of the fuel cell 3 and a
  • Cooling heat exchanger 8 for dissipating the waste heat to the environment of the vehicle 2.
  • the cooling power for example, by influencing the speed of the Coolant conveyor 7 can be adjusted or can be adjusted via a bypass, not shown here parallel to the cooling heat exchanger 8 with a suitable valve.
  • Hydrogen is supplied from a compressed gas reservoir 9 via a pressure regulating and metering valve 10 to the anode compartment 4 of the fuel cell 3. Unconsumed hydrogen passes from the fuel cell via an exhaust pipe 11, for example, to the
  • the cathode chamber 5 of the fuel cell 3 air via an air conveyor 12, a charge air cooler 13 and a humidifier 14 is supplied. Exhaust air from the
  • Cathode space 5 in turn passes through the humidifier 14 and an air / liquid heat exchanger 15 and a turbine 16 to the environment.
  • the turbine 16 serves to use pressure energy and thermal energy in the exhaust air and converts them at least partially into mechanical energy.
  • the turbine 16 is seated together with the air conveyor 12 on a common shaft 17, so that the energy recovered in the region of the turbine 16 can be used directly to drive the air conveyor 12. In the normal case, the power occurring in the region of the turbine 16 will not be sufficient for driving the air conveying device 12. Therefore, an electric machine 18 is provided, which provides the required power difference for driving the air conveyor 12. Should it be in individual
  • Proton exchange membranes are very unfavorable, as they dry out easily and can be damaged thereby. To counteract the problem,
  • the supply air heated by the compression in the air delivery device 12 therefore first flows through the charge air cooler 13, in the region of which the supply air is cooled, for which purpose a liquid cooling medium is used, which is circulated in a cooling circuit 19 by a coolant delivery device 20.
  • the thus cooled but still dry supply air then enters the humidifier 14, which may be designed in particular as a gas / gas humidifier.
  • a typical structure would be, for example, that arranged therein for water vapor-permeable membranes, which are overflowed on one side of the dry supply air to the cathode chamber 5.
  • the membranes are overflowed by the exhaust air laden with the largest part of the product water produced in the fuel cell 3, so that water vapor passes through the membranes from the moist exhaust air into the dry supply air and moisturizes it.
  • the then relatively dry exhaust air then flows through the heat exchanger 15 to the turbine 16.
  • Heat exchanger 15 is now formed so that it is also part of the cooling circuit 19 and thus suitable for heating the exhaust air by the recirculated in the cooling circuit 19 cooling medium.
  • This cooling medium has absorbed heat from the heated supply air in the region of the intercooler 13 and thus now heats the exhaust air of the fuel cell 3.
  • volumetric flow of the coolant conveyor 20 the heat transfer can be adjusted accordingly.
  • the coolant flow can be turned off or reduced accordingly, resulting in a very good controllability and a very good
  • the waste heat introduced into the exhaust air can then at least partially be converted into mechanical power in the turbine 16 and be used to improve the exhaust gas
  • Fuel cell system 1 The coming of the cooling heat exchanger 8 cooling medium flows in the illustrated embodiment in parallel through the heat exchanger 6 of the fuel cell 3 on the one hand and by the intercooler 13 and then by the heat exchanger 15 on the other.
  • a valve device 21 is provided to influence the cooling of the compressed supply air while a valve device 21 is provided.
  • the flow of this branch can be prevented with cooling medium.
  • this valve device 21 is designed as a thermostatic valve. It then opens automatically from a certain preset temperature of the cooling medium in the cooling system and allows so without active activation of the described functionality.
  • Fuel cell system 1 shown. In this embodiment of the
  • Fuel cell system 1 is completely dispensed with the turbine 16 and it is arranged in the flow direction after the heat exchanger 15, only a pressure-maintaining valve 22. Although energy recovery via the turbine can not be achieved in this way, by dissipating the heat via the exhaust air to the environment, a relief of the overall cooling system is achieved in any case. Furthermore, reduced by the inventive increase in the exhaust air temperature in this
  • Flow cross-section for example, must be divided by a plurality of hollow fiber membranes, channels or the like.
  • the Intercooler 13 and the heat exchanger 15 in the humidifier 14 can thus reduce the pressure loss for the supply air and the exhaust air and it can be a total of a very compact design achieve, which is particularly crucial when used in the vehicle 2, as typically here anyway only little space is available.
  • Charge air cooler 13 and / or the heat exchanger 15 in the humidifier 14 make.

Abstract

The invention relates to a fuel cell system (1) having an air conveying device (12) for compressing feed air for a fuel cell (3), having a charge air cooler (13) which is in the form of an air/liquid heat exchanger and through one side of which the compressed feed air flows and through the other side of which a liquid cooling medium of a cooling circuit flows. The invention is characterized in that a further air/liquid heat exchanger (15) is provided in the region of the discharge air from the fuel cell (3), the discharge air flowing through one side and the cooling medium flowing through the other side of said further air/liquid heat exchanger.

Description

Brennstoffzellensystem  The fuel cell system
Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem mit einer Luftfördereinrichtung zum Verdichten von Zuluft für eine Brennstoffzelle nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art. The invention relates to a fuel cell system with an air conveyor for compressing supply air for a fuel cell according to the closer defined in the preamble of claim 1.
Brennstoffzellensysteme sind aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. Sie umfassen typischerweise eine Brennstoffzelle, welche als Stapel von Einzelzellen, als sogenannter Brennstoffzellenstapel bzw. Brennstoffzellenstack, ausgebildet ist. Dieser Brennstoffzelle wird üblicherweise Wasserstoff oder ein wasserstoffhaltiges Gas auf der Anodenseite als Brennstoff und Luft als Sauerstofflieferant auf der Kathodenseite zugeführt. Nun ist es so, dass die der Brennstoffzelle zugeführte Luft typischerweise verdichtet wird, beispielsweise über einen Strömungsverdichter, einen Kolbenkompressor, ein Rootsgebläse oder dergleichen. Die verdichtete Zuluft ist nach dem Verdichter in den meisten Betriebssituationen dann durch die Verdichtung aufgeheizt und weist eine vergleichsweise hohe Temperatur auf. Zumindest beim Einsatz von PEM-Brennstoffzellen stellt dies einen gravierenden Nachteil dar, da die in der Brennstoffzelle vorhandenen Membranen durch die heiße Zuluft ausgetrocknet und geschädigt werden. Ähnlich nachteilig wirkt sich die vergleichsweise hohe Temperatur der verdichteten Luft auf weitere Komponenten des Brennstoffzellensystems aus, welche in der luftführenden Leitung zwischen Verdichteraustritt und Stackeintritt angeordnet sind, wie z.B. Fuel cell systems are known from the general state of the art. They typically include a fuel cell, which is designed as a stack of individual cells, as a so-called fuel cell stack or fuel cell stack. This fuel cell is usually supplied with hydrogen or a hydrogen-containing gas on the anode side as fuel and air as an oxygen supplier on the cathode side. It is then the case that the air supplied to the fuel cell is typically compressed, for example via a flow compressor, a piston compressor, a Roots blower or the like. The compressed supply air is then heated after the compressor in most operating situations by the compression and has a relatively high temperature. At least when using PEM fuel cells, this represents a serious disadvantage, since the membranes present in the fuel cell are dried out and damaged by the hot supply air. Similarly disadvantageous is the comparatively high temperature of the compressed air affecting further components of the fuel cell system which are arranged in the air-conveying line between the compressor outlet and the stack inlet, such as e.g.
Befeuchter, Ventile oder Klappen. Hier bestehen die möglichen Nachteile vor allem in Form von kosteninstensiven Aufwänden in Konstruktion und Werkstoffen zur Humidifier, valves or flaps. Here are the possible disadvantages, especially in the form of kosteninstensive expenses in construction and materials for
Beherrschung der vergleichsweise hohen Temperaturen. Mastery of comparatively high temperatures.
Aus dem allgemeinen Stand der Technik ist es daher bekannt, einen Ladeluftkühler vorzusehen, um die Zuluft zu der Brennstoffzelle entsprechend abzukühlen. Nun ist es so, dass ein Ladeluftkühler, wie er beispielsweise aus der DE 10 2009 014 743 A1 bekannt ist, zur Abkühlung der Zuluft das Kühlmedium eines Kühlkreislaufs nutzt, insbesondere des Kühlkreislaufs, in dem auch die Brennstoffzelle zur Abfuhr von Abwärme angeordnet ist. Die Problematik bei dem dort beschriebenen Aufbau ist nun die, dass das Kühlsystem entsprechend belastet wird und insbesondere bei Anwendung in einem Fahrzeug entsprechend große Flächen von Kühlwärmetauschern zur Abfuhr der Wärme aus dem Kühlsystem an die Umgebung notwendig sind. From the general state of the art it is therefore known to provide a charge air cooler in order to cool the supply air to the fuel cell accordingly. Now it's like this, that a charge air cooler, as is known, for example, from DE 10 2009 014 743 A1, uses the cooling medium of a cooling circuit for cooling the supply air, in particular the cooling circuit, in which the fuel cell is arranged to dissipate waste heat. The problem with the construction described therein is that the cooling system is loaded accordingly and, in particular when used in a vehicle, correspondingly large areas of cooling heat exchangers are necessary for removing the heat from the cooling system to the environment.
Um dieser Problematik entgegenzuwirken sind aus dem Stand der Technik außerdem Gas/Gas-Wärmetauscher anstelle des Gas/Flüssigkeits-Wärmetauschers, wie er oben als Ladeluftkühler eingesetzt worden ist, bekannt. Ein solcher Gas/Gas-Wärmetauscher als Ladeluftkühler ist beispielsweise in der DE 10 2009 043 569 A1 beschrieben. Der dort gezeigte Aufbau entlastet das Kühlsystem des Brennstoffzellensystems und damit eines eventuellen mit dem Brennstoffzellensystem ausgestatteten Fahrzeugs erheblich. To counteract this problem are also known from the prior art gas / gas heat exchanger instead of the gas / liquid heat exchanger, as has been used above as a charge air cooler known. Such a gas / gas heat exchanger as intercooler is described for example in DE 10 2009 043 569 A1. The construction shown there relieves the cooling system of the fuel cell system and thus a possible equipped with the fuel cell system vehicle considerably.
Außerdem ermöglicht er bei Verwendung einer Turbine in Strömungsrichtung der Abluft nach dem Ladeluftkühler das Zurückgewinnen eines Teils der Wärme durch die Turbine in Form von mechanischer Energie. In addition, when using a turbine in the flow direction of the exhaust air to the intercooler, it allows the recovery of a part of the heat through the turbine in the form of mechanical energy.
In der Praxis zeigen sich jedoch beim Einsatz eines Gas/Gas-Wärmetauschers als Ladeluftkühler in einigen Betriebszuständen gravierende Probleme, da es zu In practice, however, the use of a gas / gas heat exchanger as a charge air cooler in some operating conditions serious problems, as it
unerwünschten Kondensationseffekten und damit gegebenenfalls einem Einfrieren bei einem Start bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts kommen kann. Bei sehr kalter Zuluft kann es außerdem zu einer unerwünschten und sehr ungünstigen unwanted condensation effects and thus possibly a freeze at a start at temperatures below freezing point can come. With very cold supply air, it can also be an undesirable and very unfavorable
Wirkrichtungsumkehr in dem Gas/Gas-Wärmetauscher kommen. In diesem Fall entsteht ein Wärmefluss von der warmen Abluft in die in dieser Betriebsituation kältere Zuluft. Hierdurch werden die Membranen der Brennstoffzelle unnötig erwärmt und hierdurch belastet. Reverse direction come in the gas / gas heat exchanger. In this case, there is a heat flow from the warm exhaust air into the colder supply air in this operating situation. As a result, the membranes of the fuel cell are heated unnecessarily and thereby burdened.
Eine weitere Problematik bei dem Gas/Gas-Wärmetauscher als Ladeluftkühler besteht darin, dass dieser vergleichsweise groß aufgebaut werden muss, um die erforderliche Kühlleistung für die verdichtete Zuluft in allen Betriebssituationen, insbesondere also auch unter Volllastbetrieb, zu gewährleisten. Der Aufbau benötigt hierdurch sehr viel Bauraum. Another problem with the gas / gas heat exchanger as intercooler is that it must be constructed comparatively large in order to ensure the required cooling capacity for the compressed supply air in all operating situations, especially under full load operation. The structure thus requires a lot of space.
Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, ein The object of the present invention is now a
Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen im Oberbegriff des Anspruchs 1 anzugeben, welches diesen Problemen entgegenwirkt und einen einfachen, sicheren und Specify fuel cell system with the features in the preamble of claim 1, which counteracts these problems and a simple, safe and secure
zuverlässigen Aufbau gewährleistet, welcher das Kühlsystem entlastet und außerdem kritische und nachteilige Betriebssituationen verhindert. Der Aufbau soll darüber hinaus einfach und kompakt realisierbar sein. Ensures reliable construction, which relieves the cooling system and also prevents critical and adverse operating situations. The structure should also be simple and compact feasible.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Brennstoffzellensystem mit den This object is achieved by a fuel cell system with the
Merkmalen im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Characteristics in the characterizing part of claim 1 solved. advantageous
Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems ergeben sich aus den restlichen abhängigen Ansprüchen. Eine besonders bevorzugte Verwendung eines derartigen Brennstoffzellensystems ist in Anspruch 10 angegeben. Further developments of the fuel cell system according to the invention will become apparent from the remaining dependent claims. A particularly preferred use of such a fuel cell system is specified in claim 10.
Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem nutzt vergleichbar zu dem eingangs genannten Stand der Technik einen Luft/Flüssigkeits-Wärmetauscher als Ladeiuftkühler, welcher von der verdichteten Zuluft und von einem flüssigen Kühlmedium eines The fuel cell system according to the invention uses comparable to the aforementioned prior art, an air / liquid heat exchanger as Ladeiuftkühler, which of the compressed supply air and of a liquid cooling medium of a
Kühlkreislaufs durchströmt ist. Außerdem nutzt das erfindungsgemäße Cooling circuit is flowed through. In addition, the invention uses
Brennstoffzellensystem einen Luft/Flüssigkeits-Wärmetauscher im Bereich der Abluft aus der Brennstoffzelle, welcher von der Abluft und von dem Kühlmedium durchströmt ist. Hierdurch wird eine einfache und kompakte Realisierung des eigentlichen Ladeluftkühlers als Luft/Flüssigkeits-Wärmetauscher ermöglicht. Der Aufbau kann so sehr kompakt ausgeführt werden und garantiert eine effiziente, sichere und zuverlässige Kühlung der verdichteten Zuluft nach der Luftfördereinrichtung. Zusätzlich strömt das Kühlmedium dann durch einen Wärmetauscher, welcher von dem Kühlmedium einerseits und von der Abluft andererseits durchströmt wird. Die Abluft kann so Wärme aus dem Kühlmedium aufnehmen und beispielsweise mit der Abluft direkt an die Umgebung abgeben, wodurch das Kühlmedium wieder abgekühlt wird. Auch dieser Aufbau lässt sich entsprechend einfach und kompakt realisieren. Fuel cell system, an air / liquid heat exchanger in the exhaust air from the fuel cell, which is traversed by the exhaust air and the cooling medium. As a result, a simple and compact realization of the actual charge air cooler is made possible as an air / liquid heat exchanger. The structure can be made very compact and guarantees an efficient, safe and reliable cooling of the compressed supply air after the air conveyor. In addition, the cooling medium then flows through a heat exchanger, which is flowed through by the cooling medium on the one hand and by the exhaust air on the other hand. The exhaust air can absorb heat from the cooling medium and, for example, with the exhaust air directly to the environment, whereby the cooling medium is cooled again. Also, this structure can be realized according to simple and compact.
In einer bevorzugten Ausbildungsform können zur weiteren Kostenreduzierung zumindestens weitgehend baugleiche Luft/Flüssigkeits-Wärmetauscher auf der In a preferred embodiment, for further cost reduction at least largely identical air / liquid heat exchanger on the
Zuluftseite und der Abluftseite zum Einsatz kommen. Supply side and the exhaust side are used.
In einer sehr günstigen Weiterbildung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems ist es dabei vorgesehen, dass eine Turbine in Strömungsrichtung der Abluft nach dem Luft/Flüssigkeits-Wärmetauscher angeordnet ist. Über eine solche Turbine, welche insbesondere Teil eines elektrischen Turboladers sein kann, um so die an der Turbine anfallende Leistung unmittelbar der Luftfördereinrichtung zur Verfügung zu stellen, ermöglicht eine Rückgewinnung von Druck- und Wärmeenergie aus der Abluft der Brennstoffzelle. Wird in Strömungsrichtung der Abluft vor der Turbine über das In a very favorable development of the fuel cell system according to the invention, it is provided that a turbine is arranged downstream of the air / liquid heat exchanger in the flow direction of the exhaust air. About such a turbine, which in particular may be part of an electric turbocharger, so as to the turbine To provide accumulating power directly the air conveyor available, allows recovery of pressure and heat energy from the exhaust air of the fuel cell. Is in the flow direction of the exhaust air in front of the turbine on the
Kühlmedium und den Luft/Flüssigkeits-Wärmetauscher des erfindungsgemäßen Aufbaus zusätzliche Wärme in die Abluft eingetragen, so kann die Ausbeute an mechanischer Leistung entsprechend gesteigert werden, wodurch sich eine Verbesserung des Cooling medium and the air / liquid heat exchanger of the structure according to the invention added additional heat into the exhaust air, the yield of mechanical power can be increased accordingly, resulting in an improvement of
Gesamtwirkungsgrads des Brennstoffzellensystems durch eine erhöhte Total efficiency of the fuel cell system by an increased
Energierückgewinnung ergibt. Weiterhin verringert sich durch die erfindungsgemäße Erhöhung der Ablufttemperatur der aus dem Brennstoffzellensystem ausgetragene Flüssigwasseranteil. Energy recovery results. Furthermore, due to the inventive increase in the exhaust air temperature, the proportion of liquid water discharged from the fuel cell system is reduced.
Gemäß einer besonders günstigen Weiterbildung des erfindungsgemäßen According to a particularly favorable development of the invention
Brennstoffzellensystems kann es darüber hinaus vorgesehen sein, dass der Kühlkreislauf als eigenständiger Kühlkreislauf zwischen dem Ladeluftkühler und dem Wärmetauscher ausgebildet ist, welcher eine Kühlmittelfördereinrichtung aufweist. Ein solcher Aufbau nutzt einen eigenen Kühlkreislauf, welcher lediglich zwischen den beiden genannten Wärmetauschern, also dem Ladeluftkühler und dem Wärmetauscher, welcher die aufgenommene Wärme in die Abluft des Brennstoffzellensystems abgibt, ausgebildet ist. Eine Belastung des Kühlsystems zur Kühlung der Brennstoffzelle wird dadurch gänzlich vermieden und das Brennstoffzellensystem in dieser Ausgestaltung lässt sich weiterhin sehr kompakt aufbauen. Über eine Kühlmittelfördereinrichtung wird das Kühlmedium in dem Kühlkreislauf zwischen dem Ladeluftkühler und dem Wärmetauscher entsprechend umgewälzt, wobei durch den beispielsweise über eine Drehzahl der Fuel cell system, it may also be provided that the cooling circuit is designed as a standalone cooling circuit between the charge air cooler and the heat exchanger, which has a coolant conveyor. Such a structure uses its own cooling circuit, which is formed only between the two mentioned heat exchangers, ie the charge air cooler and the heat exchanger, which emits the heat absorbed into the exhaust air of the fuel cell system. A burden on the cooling system for cooling the fuel cell is thereby completely avoided and the fuel cell system in this embodiment can continue to build very compact. About a coolant conveyor, the cooling medium is circulated in the cooling circuit between the intercooler and the heat exchanger according to, for example, by a speed of the
Kühlmittelfördereinrichtung einstellbaren Volumenstrom des Kühlmediums die Abkühlung gezielt gesteuert werden kann. Somit ist es auch möglich in den Betriebssituationen, in denen kein Wärmetransfer gewünscht ist, diesen durch ein Abstellen der Coolant conveyor adjustable volume flow of the cooling medium cooling can be controlled specifically. Thus, it is also possible in the operating situations in which no heat transfer is desired, this by turning off the
Kühlmittelfördereinrichtung entsprechend zu unterbinden, wodurch ein sehr sicherer und zuverlässiger Betrieb gewährleistet ist, welcher eine gute Funktionalität des Coolant conveyor accordingly to prevent, whereby a very safe and reliable operation is ensured, which has a good functionality of the
Brennstoffzellensystems in allen Betriebssituationen gewährleistet. Ensures fuel cell system in all operating situations.
In einer alternativen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems kann es dagegen vorgesehen sein, dass der Kühlkreislauf Teil eines Kühlsystems ist, dessen Kühlmedium neben dem Ladeluftkühler auch die Brennstoffzelle durchströmt, und welches eine Kühlmittelfördereinrichtung und einen Kühlwärmetauscher zur Abkühlung des Kühlmediums aufweist. Ein solcher Aufbau, bei dem sowohl der Ladeluftkühler als auch der Wärmetauscher zwischen dem Kühlmedium und der Abluft in den eigentlichen Kühlkreislauf eingebunden sind, ermöglicht nach wie vor eine Entlastung des In an alternative embodiment of the fuel cell system according to the invention, however, it may be provided that the cooling circuit is part of a cooling system, the cooling medium flows through the fuel cell in addition to the charge air cooler, and which has a coolant conveyor and a cooling heat exchanger for cooling the cooling medium. Such a construction in which both the intercooler and Also, the heat exchanger between the cooling medium and the exhaust air are integrated into the actual cooling circuit, still allows relief of the
Kühlkreislaufs durch einen Wärmeübertrag auf die Abluft und gewährleistet dennoch einen einfachen und effizienten Aufbau, da eine einzige Kühlmittelfördereinrichtung in diesem Fall ausreicht. Cooling circuit by a heat transfer to the exhaust air and yet ensures a simple and efficient structure, since a single coolant delivery device is sufficient in this case.
Gemäß einer besonders günstigen Weiterbildung kann es dabei vorgesehen sein, dass die Durchströmung des Ladeluftkühlers und des Wärmetauschers durch eine According to a particularly favorable development, it may be provided that the flow through the charge air cooler and the heat exchanger by a
Ventileinrichtung steuerbar ist. Hierdurch wird weiterhin sichergestellt, dass in den Betriebssituationen, in denen eine Abkühlung nicht erwünscht ist oder die Gefahr einer Umkehr der Wirkrichtung besteht, auf eine Durchströmung der entsprechenden Valve device is controllable. In this way it is further ensured that in the operating situations in which a cooling is not desirable or there is a risk of reversal of the effective direction, to a flow through the corresponding
Wärmetauscher verzichtet wird. In einer besonders günstigen Weiterbildung kann die Ventileinrichtung dabei als Thermostatventil ausgebildet sein, sodass selbsttätig in Abhängigkeit der Temperatur des Kühlmediums eine Durchströmung des Ladeluftkühlers und des Kühlwärmetauschers stattfindet oder nicht. Heat exchanger is omitted. In a particularly favorable development, the valve device can be designed as a thermostatic valve, so that automatically takes place as a function of the temperature of the cooling medium, a flow through the charge air cooler and the cooling heat exchanger or not.
Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem kann entsprechend kompakt aufgebaut werden und ermöglicht einen sicheren und zuverlässigen Betrieb in allen The fuel cell system according to the invention can be constructed correspondingly compact and enables safe and reliable operation in all
Betriebssituationen, insbesondere auch beim Start des Brennstoffzellensystems bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts. Zusammen mit der Tatsache, dass das Kühlsystem selbst in dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem durch den Aufbau von der über den Ladeluftkühler eingetragenen Wärme weitgehend entlastet wird, ergibt sich hierdurch die besondere Eignung für die Anwendung in einem Operating situations, especially at the start of the fuel cell system at temperatures below freezing. Together with the fact that the cooling system is largely relieved even in the fuel cell system according to the invention by the structure of the registered via the intercooler heat, this results in the particular suitability for use in one
Brennstoffzellensystem in einem Fahrzeug. Hier sind einerseits schwierige Fuel cell system in a vehicle. Here are on the one hand difficult
Betriebsbedingungen, wie beispielsweise ein Start unter schwierigen Operating conditions, such as a start under difficult
Umgebungsbedingungen - z. B. Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts - häufig anzutreffen, sodass eine Anpassung des Brennstoffzellensystems auf derartige schwierige Betriebsbedingungen von entscheidender Bedeutung ist. Ferner muss der Aufbau entsprechend kompakt realisiert werden, da in einem Fahrzeug typischerweise nur sehr wenig Bauraum zur Verfügung steht. Letztlich ist es vor allem bei Environmental conditions - eg. As temperatures below freezing - often encountered, so that an adjustment of the fuel cell system to such difficult operating conditions is crucial. Furthermore, the structure must be implemented in accordance compact, since in a vehicle typically only very little space is available. Ultimately, it is most of all
Fahrzeugsystemen auch entscheidend, dass das Kühlsystem des Fahrzeugs Vehicle systems also crucial that the cooling system of the vehicle
entsprechend entlastet wird, da die zur Verfügung stehende Kühlerfläche bei is relieved accordingly, since the available radiator surface at
Fahrzeuganwendungen von Brennstoffzellensystemen im Allgemeinen ohnehin schon ein kritischer Punkt bei der Auslegung des Brennstoffzellensystems ist, da die Vehicle applications of fuel cell systems in general already a critical issue in the design of the fuel cell system, since the
Temperaturdifferenz zwischen der Brennstoffzelle und der Umgebung typischerweise sehr viel niedriger ist als zwischen einem Verbrennungsmotor und der Umgebung und die zur Verfügung stehende Fläche des Kühlwärmetauschers damit einen begrenzenden Einfluss auf die Leistung des Brennstoffzellensystems hat. Temperature difference between the fuel cell and the environment typically is much lower than between an internal combustion engine and the environment and the available area of the cooling heat exchanger thus has a limiting effect on the performance of the fuel cell system.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems 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 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 ein Fahrzeug mit einem Brennstoffzellensystem gemäß der Erfindung;  1 shows a vehicle with a fuel cell system according to the invention.
Fig. 2 eine alternative Ausführungsform eines Brennstoffzellensystems gemäß der Fig. 2 shows an alternative embodiment of a fuel cell system according to the
Erfindung; und  Invention; and
Fig. 3 eine weitere alternative Ausführungsform des Brennstoffzellensystems gemäß der Erfindung.  3 shows a further alternative embodiment of the fuel cell system according to the invention.
In der Darstellung der Figur 1 ist ein Brennstoffzellensystem 1 zu erkennen, welches in einem angedeuteten Fahrzeug 2 angeordnet ist, und welches in diesem Fahrzeug 2 zur Bereitstellung von elektrischer Antriebsleistung dienen soll. Bei dem Fahrzeug 2 kann es sich dabei vorzugsweise um ein Kraftfahrzeug, beispielsweise ein schienengebundenes oder ein schienenloses Landfahrzeug, ein Logistiktransporter, ein Wasserfahrzeug oder dergleichen handeln. In the representation of Figure 1, a fuel cell system 1 can be seen, which is arranged in an indicated vehicle 2, and which is to serve in this vehicle 2 for providing electrical drive power. The vehicle 2 may preferably be a motor vehicle, for example a rail-bound or trackless land vehicle, a logistics transporter, a watercraft or the like.
Kern des Brennstoffzellensystems 1 ist eine Brennstoffzelle 3 bzw. ein Core of the fuel cell system 1 is a fuel cell 3 and a
Brennstoffzellenstapel 3, welcher als Stapel von Einzelzellen in PEM-Technologie aufgebaut ist. Die Einzelzellen sind dabei in der Darstellung der Figur nicht zu erkennen. Jede der Einzelzellen weist einen Kathodenraum und einen Anodenraum auf, wobei in der Darstellung der Figur 1 symbolisch ein gemeinsamer Anodenraum 4 und ein gemeinsamer Kathodenraum 5 dargestellt sind. Zwischen dem Anodenraum 4 und dem Kathodenraum 5 ist dabei ein Wärmetauscher 6 zur Abfuhr von Abwärme aus der Brennstoffzelle 3 über ein flüssiges Kühlmedium angedeutet. Dieses flüssige Kühlmedium strömt von einer Kühlmittelfördereinrichtung 7 gefördert im Kreislauf zwischen der Brennstoffzelle 3 bzw. dem Wärmetauscher 6 der Brennstoffzelle 3 und einem Fuel cell stack 3, which is constructed as a stack of single cells in PEM technology. The individual cells are not visible in the representation of the figure. Each of the individual cells has a cathode space and an anode space, wherein a common anode space 4 and a common cathode space 5 are shown symbolically in the representation of FIG. Between the anode compartment 4 and the cathode compartment 5, a heat exchanger 6 for removing waste heat from the fuel cell 3 via a liquid cooling medium is indicated. This liquid cooling medium flows from a coolant conveyor 7 promoted in the circuit between the fuel cell 3 and the heat exchanger 6 of the fuel cell 3 and a
Kühlwärmetauscher 8 zur Abfuhr der Abwärme an die Umgebung des Fahrzeugs 2. Die Kühlleistung kann beispielsweise durch eine Beeinflussung der Drehzahl der Kühlmittelfördereinrichtung 7 eingestellt werden oder lässt sich über einen hier nicht dargestellten Bypass parallel zum Kühlwärmetauscher 8 mit einem geeigneten Ventil einstellen. Cooling heat exchanger 8 for dissipating the waste heat to the environment of the vehicle 2. The cooling power, for example, by influencing the speed of the Coolant conveyor 7 can be adjusted or can be adjusted via a bypass, not shown here parallel to the cooling heat exchanger 8 with a suitable valve.
Dem Anodenraum 4 der Brennstoffzelle 3 wird Wasserstoff aus einem Druckgasspeicher 9 über ein Druckregel- und Dosierventil 10 zugeführt. Unverbrauchter Wasserstoff gelangt aus der Brennstoffzelle über eine Abgasleitung 11 beispielsweise an die Hydrogen is supplied from a compressed gas reservoir 9 via a pressure regulating and metering valve 10 to the anode compartment 4 of the fuel cell 3. Unconsumed hydrogen passes from the fuel cell via an exhaust pipe 11, for example, to the
Umgebung oder in den Bereich eines Brenners, in dem der Restwasserstoff Environment or in the area of a burner in which the residual hydrogen
nachverbrannt wird. Alternative Aufbauten mit einer Anodenrezirkulation zur Rückführung des unverbrauchten Wasserstoffs oder ähnliches sind hier denkbar und aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. Für die Erfindung ist die Anodenseite dabei nicht weiter relevant, sodass auf diesen allgemein bekannten Aufbau hier nicht näher eingegangen wird. is burned. Alternative constructions with an anode recirculation for recycling the unused hydrogen or the like are conceivable here and known from the general state of the art. For the invention, the anode side is not relevant, so that this generally known structure is not discussed here.
Dem Kathodenraum 5 der Brennstoffzelle 3 wird Luft über eine Luftfördereinrichtung 12, einen Ladeluftkühler 13 sowie einen Befeuchter 14 zugeführt. Abluft aus dem The cathode chamber 5 of the fuel cell 3, air via an air conveyor 12, a charge air cooler 13 and a humidifier 14 is supplied. Exhaust air from the
Kathodenraum 5 gelangt wiederum über den Befeuchter 14 sowie einen Luft/Flüssigkeits- Wärmetauscher 15 und eine Turbine 16 an die Umgebung. Die Turbine 16 dient dabei zur Nutzung von Druckenergie und thermischer Energie in der Abluft und wandelt diese zumindest teilweise in mechanische Energie um. Die Turbine 16 sitzt zusammen mit der Luftfördereinrichtung 12 auf einer gemeinsamen Welle 17, sodass die im Bereich der Turbine 16 zurückgewonnene Energie zum Antrieb der Luftfördereinrichtung 12 unmittelbar genutzt werden kann. Im Normalfall wird die im Bereich der Turbine 16 anfallende Leistung zum Antreiben der Luftfördereinrichtung 12 nicht ausreichen. Deshalb ist eine elektrische Maschine 18 vorgesehen, welche die benötigte Leistungsdifferenz zum Antrieb der Luftfördereinrichtung 12 bereitstellt. Sollte es in einzelnen Cathode space 5 in turn passes through the humidifier 14 and an air / liquid heat exchanger 15 and a turbine 16 to the environment. The turbine 16 serves to use pressure energy and thermal energy in the exhaust air and converts them at least partially into mechanical energy. The turbine 16 is seated together with the air conveyor 12 on a common shaft 17, so that the energy recovered in the region of the turbine 16 can be used directly to drive the air conveyor 12. In the normal case, the power occurring in the region of the turbine 16 will not be sufficient for driving the air conveying device 12. Therefore, an electric machine 18 is provided, which provides the required power difference for driving the air conveyor 12. Should it be in individual
Betriebssituationen dazu kommen, dass im Bereich der Turbine 16 mehr Leistung anfällt, als von der Luftfördereinrichtung 12 benötigt wird, dann kann der Aufbau auch so genutzt werden, dass die elektrische Maschine 18 generatorisch betrieben wird, um elektrische Energie zurückzugewinnen. Dieser Aufbau aus Luftfördereinrichtung 12, Turbine 16 und elektrischer Maschine 12 wird auch als ETC oder elektrischer Turbolader bezeichnet. Neben der Turbine 16 wäre selbstverständlich auch die Anwendung eines andersartigen Expanders in diesem Aufbau denkbar und möglich. Die Zuluft zu der Brennstoffzelle 3 ist nach der Luftfördereinrichtung 12 entsprechend heiß und trocken. Dies ist für die in der Brennstoffzelle 3 angeordneten Operational situations happen that in the turbine 16 more power is obtained, as required by the air conveyor 12, then the structure can also be used so that the electric machine 18 is operated as a generator to recover electrical energy. This construction of air conveyor 12, turbine 16 and electric machine 12 is also referred to as ETC or electric turbocharger. In addition to the turbine 16, of course, the application of a different expander in this structure would be conceivable and possible. The supply air to the fuel cell 3 is correspondingly hot and dry after the air conveyor 12. This is arranged for those in the fuel cell 3
Protonenaustauschmembranen sehr ungünstig, da diese leicht austrocknen und hierdurch beschädigt werden können. Um der Problematik entgegenzuwirken, Proton exchange membranes are very unfavorable, as they dry out easily and can be damaged thereby. To counteract the problem,
durchströmt die durch das Verdichten in der Luftfördereinrichtung 12 aufgeheizte Zuluft daher zuerst den Ladeluftkühler 13, in dessen Bereich die Zuluft abgekühlt wird, wozu in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel ein flüssiges Kühlmedium dient, welches in einem Kühlkreislauf 19 von einer Kühlmittelfördereinrichtung 20 umgewälzt wird. Die so abgekühlte aber immer noch trockene Zuluft gelangt dann in den Befeuchter 14, welcher insbesondere als Gas/Gas-Befeuchter ausgebildet sein kann. Ein typischer Aufbau wäre es beispielsweise, dass hierin für Wasserdampf durchlässige Membranen angeordnet sind, welche auf der einen Seite von der trockenen Zuluft zu dem Kathodenraum 5 überströmt werden. Auf der anderen Seite werden die Membranen von der mit dem größten Teil des in der Brennstoffzelle 3 entstandenen Produktwassers beladenen Abluft überströmt, sodass Wasserdampf durch die Membranen hindurch aus der feuchten Abluft in die trockene Zuluft gelangt und diese befeuchtet. Die dann vergleichsweise trockene Abluft strömt danach über den Wärmetauscher 15 zu der Turbine 16. Der The supply air heated by the compression in the air delivery device 12 therefore first flows through the charge air cooler 13, in the region of which the supply air is cooled, for which purpose a liquid cooling medium is used, which is circulated in a cooling circuit 19 by a coolant delivery device 20. The thus cooled but still dry supply air then enters the humidifier 14, which may be designed in particular as a gas / gas humidifier. A typical structure would be, for example, that arranged therein for water vapor-permeable membranes, which are overflowed on one side of the dry supply air to the cathode chamber 5. On the other hand, the membranes are overflowed by the exhaust air laden with the largest part of the product water produced in the fuel cell 3, so that water vapor passes through the membranes from the moist exhaust air into the dry supply air and moisturizes it. The then relatively dry exhaust air then flows through the heat exchanger 15 to the turbine 16. Der
Wärmetauscher 15 ist nun so ausgebildet, dass er ebenfalls Teil des Kühlkreislaufs 19 ist und damit für eine Erwärmung der Abluft durch das in dem Kühlkreislauf 19 umgewälzte Kühlmedium geeignet ist. Dieses Kühlmedium hat Wärme aus der erwärmten Zuluft im Bereich des Ladeluftkühlers 13 aufgenommen und erwärmt somit nun die Abluft der Brennstoffzelle 3. Durch eine entsprechende Beeinflussung beispielsweise des Heat exchanger 15 is now formed so that it is also part of the cooling circuit 19 and thus suitable for heating the exhaust air by the recirculated in the cooling circuit 19 cooling medium. This cooling medium has absorbed heat from the heated supply air in the region of the intercooler 13 and thus now heats the exhaust air of the fuel cell 3. By a corresponding influence, for example, of the
Volumenstroms der Kühlmittelfördereinrichtung 20 lässt sich der Wärmeübertrag entsprechend einstellen. So kann in bestimmten Betriebssituationen, in denen eine Wärmeübertragung nicht gewünscht ist, der Kühlmittelstrom abgestellt oder entsprechend verringert werden, wodurch eine sehr gute Regelbarkeit und eine sehr gute Volumetric flow of the coolant conveyor 20, the heat transfer can be adjusted accordingly. Thus, in certain operating situations in which heat transfer is not desired, the coolant flow can be turned off or reduced accordingly, resulting in a very good controllability and a very good
Anpassbarkeit des Brennstoffzellensystems 1 an verschiedene Betriebssituationen entsteht. Die in die Abluft eingetragene Abwärme kann dann zumindest teilweise in der Turbine 16 in mechanische Leistung umgewandelt und zur Verbesserung des Adaptability of the fuel cell system 1 to different operating situations arises. The waste heat introduced into the exhaust air can then at least partially be converted into mechanical power in the turbine 16 and be used to improve the exhaust gas
Wirkungsgrads des gesamten Brennstoffzellensystems 1 genutzt werden. Efficiency of the entire fuel cell system 1 can be used.
In der Darstellung der Figur 2 ist ein vergleichbarer Aufbau des Brennstoffzellensystems 1 nochmals ohne das Fahrzeug 2 dargestellt. Auch dieser Aufbau ist insbesondere zur Anwendung in einem Fahrzeug 2 geeignet. Anders als bei dem in Figur 1 gezeigten Aufbau ist der Kühlkreislauf 19 hier nicht als eigener Kühlkreislauf mit eigener Kühlmittelfördereinrichtung 20 ausgebildet, sondern der Ladeluftkühler 13 und der Wärmetauscher 15 sind Teil des Kühlsystems des In the illustration of Figure 2, a comparable structure of the fuel cell system 1 is shown again without the vehicle 2. This structure is particularly suitable for use in a vehicle 2. Unlike the construction shown in Figure 1, the cooling circuit 19 is not designed here as a separate cooling circuit with its own coolant conveyor 20, but the intercooler 13 and the heat exchanger 15 are part of the cooling system of the
Brennstoffzellensystems 1. Das vom Kühlwärmetauscher 8 kommende Kühlmedium strömt in dem dargestellten Ausführungsbeispiel parallel durch den Wärmetauscher 6 der Brennstoffzelle 3 einerseits und durch den Ladeluftkühler 13 und anschließend durch den Wärmetauscher 15 anderseits. Zur Beeinflussung der Abkühlung der verdichteten Zuluft ist dabei eine Ventileinrichtung 21 vorgesehen. Über diese Ventileinrichtung 21 kann beispielsweise aktiv in den Betriebssituationen, in denen keine Kühlung der Zuluft erwünscht ist, die Durchströmung dieses Zweigs mit Kühlmedium verhindert werden. Dies sind insbesondere Situationen beim Start des Brennstoffzellensystems 1 , vor allem dann, wenn die Umgebungstemperatur sehr niedrig ist und die Zuluft nach der Fuel cell system 1. The coming of the cooling heat exchanger 8 cooling medium flows in the illustrated embodiment in parallel through the heat exchanger 6 of the fuel cell 3 on the one hand and by the intercooler 13 and then by the heat exchanger 15 on the other. To influence the cooling of the compressed supply air while a valve device 21 is provided. About this valve device 21, for example, active in the operating situations in which no cooling of the supply air is desired, the flow of this branch can be prevented with cooling medium. These are in particular situations when starting the fuel cell system 1, especially when the ambient temperature is very low and the supply air after the
Luftfördereinrichtung damit nur minimal erwärmt ist. Um den Steuerungsaufwand für die Ventileinrichtung 21 weiter zu minimieren kann es ferner vorgesehen sein, dass diese Ventileinrichtung 21 als Thermostatventil ausgebildet ist. Sie öffnet dann selbsttätig ab einer bestimmten voreingestellten Temperatur des Kühlmediums in dem Kühlsystem und ermöglicht so ohne aktive Ansteuerung die beschriebene Funktionalität. Air conveyor so that only minimally heated. In order to further minimize the control effort for the valve device 21, it may further be provided that this valve device 21 is designed as a thermostatic valve. It then opens automatically from a certain preset temperature of the cooling medium in the cooling system and allows so without active activation of the described functionality.
In der Darstellung der Figur 3 ist eine weitere mögliche Ausführungsform des In the illustration of Figure 3 is another possible embodiment of the
Brennstoffzellensystems 1 dargestellt. Bei dieser Ausführungsform des Fuel cell system 1 shown. In this embodiment of the
Brennstoffzellensystems 1 wird auf die Turbine 16 gänzlich verzichtet und es wird in Strömungsrichtung nach dem Wärmtauscher 15 lediglich ein Druckhalteventil 22 angeordnet. Eine Energierückgewinnung über die Turbine lässt sich so zwar nicht erzielen, durch die Abfuhr der Wärme über die Abluft an die Umgebung wird jedoch in jedem Fall eine Entlastung des Kühlsystems insgesamt erreicht. Weiterhin verringert sich durch die erfindungsgemäße Erhöhung der Ablufttemperatur auch in dieser Fuel cell system 1 is completely dispensed with the turbine 16 and it is arranged in the flow direction after the heat exchanger 15, only a pressure-maintaining valve 22. Although energy recovery via the turbine can not be achieved in this way, by dissipating the heat via the exhaust air to the environment, a relief of the overall cooling system is achieved in any case. Furthermore, reduced by the inventive increase in the exhaust air temperature in this
Verschlatungsvariante der aus dem Brennstoffzellensystem ausgetragene Verschlatungsvariante discharged from the fuel cell system
Flüssigwasseranteil. Liquid water content.
Ein weiteres Detail ist in der Ausführungsform der Figur 3 im Bereich des Ladeluftkühlers 13, des Befeuchters 14 und des Wärmetauschers 15 zu erkennen. Diese sind zu einer gemeinsamen Baueinheit integriert ausgebildet. Dies kann von entscheidendem Vorteil sein, da der Gasstrom sowohl für den Ladeluftkühler 13 als auch für den Befeuchter 14 ebenso wie für den Wärmetauscher 15 auf einen entsprechend verteilten  A further detail can be seen in the embodiment of FIG. 3 in the region of the intercooler 13, the humidifier 14 and the heat exchanger 15. These are integrated to form a common unit. This can be of decisive advantage, since the gas flow for both the charge air cooler 13 and for the humidifier 14 as well as for the heat exchanger 15 to a correspondingly distributed
Strömungsquerschnitt beispielsweise durch eine Vielzahl von Hohlfasermembranen, Kanälen oder dergleichen aufgeteilt werden muss. Durch die bauliche Integration des Ladeluftkühlers 13 und des Wärmetauschers 15 in den Befeuchter 14 lässt sich somit der Druckverlust für die Zuluft und die Abluft senken und es lässt sich insgesamt ein sehr kompakter Aufbau erzielen, was insbesondere beim Einsatz in dem Fahrzeug 2 von entscheidender Bedeutung ist, da hier typischerweise ohnehin nur wenig Bauraum zur Verfügung steht. Flow cross-section, for example, must be divided by a plurality of hollow fiber membranes, channels or the like. Through the structural integration of the Intercooler 13 and the heat exchanger 15 in the humidifier 14 can thus reduce the pressure loss for the supply air and the exhaust air and it can be a total of a very compact design achieve, which is particularly crucial when used in the vehicle 2, as typically here anyway only little space is available.
Die beschriebenen Varianten des Brennstoffzellensystems und ihre Ausgestaltungen lassen sich dabei beliebig untereinander kombinieren. So ist es selbstverständlich möglich, bei einem Aufbau des Brennstoffzellensystems 1 analog dem in Figur 1 beispielsweise auf die Turbine 16 zu verzichten und/oder eine Integration des The variants of the fuel cell system described and their embodiments can be combined with each other arbitrarily. So it is of course possible to dispense with a structure of the fuel cell system 1 analogous to that in Figure 1, for example, the turbine 16 and / or an integration of
Ladeluftkühlers 13 und/oder des Wärmetauschers 15 in den Befeuchter 14 vorzunehmen. Vergleichbares gilt auch für eine Kombination der Brennstoffzellensysteme 1 aus den Figuren 2 und 3. Zahlreiche Varianten und Aufbauten sind damit im Rahmen der hier vorliegenden Erfindung möglich. Charge air cooler 13 and / or the heat exchanger 15 in the humidifier 14 make. The same applies to a combination of the fuel cell systems 1 from FIGS. 2 and 3. Numerous variants and configurations are thus possible within the scope of the present invention.

Claims

Daimler AG Patentansprüche Daimler AG claims
1. Brennstoffzellensystem (1 ) mit einer Luftfördereinrichtung (12) zum Verdichten von Zuluft für eine Brennstoffzelle (3), mit einem als Luft/Flüssigkeits-Wärmetauscher ausgebildeten Ladeluftkühler (13), welcher von der verdichteten Zuluft einerseits und von einem flüssigen Kühlmedium eines Kühlkreislaufs andererseits durchströmt ist, 1. A fuel cell system (1) with an air conveyor (12) for compressing supply air for a fuel cell (3), designed as an air / liquid heat exchanger intercooler (13), which of the compressed supply air on the one hand and a liquid cooling medium of a cooling circuit flows through the other hand,
dadurch gekennzeichnet, dass  characterized in that
ein weiterer Luft/Flüssigkeits-Wärmetauscher (15) im Bereich der Abluft aus der Brennstoffzelle (3) vorgesehen ist, welcher von der Abluft auf der einen Seite und von dem Kühlmedium auf der anderen Seite durchströmt ist.  a further air / liquid heat exchanger (15) in the region of the exhaust air from the fuel cell (3) is provided, which is flowed through by the exhaust air on one side and by the cooling medium on the other side.
2. Brennstoffzellensystem (1 ) nach Anspruch 1 , 2. Fuel cell system (1) according to claim 1,
dadurch gekennzeichnet, dass  characterized in that
eine Turbine (16) in Strömungsrichtung der Abluft nach dem Luft/Flüssigkeits- Wärmetauscher angeordnet ist.  a turbine (16) is arranged in the flow direction of the exhaust air after the air / liquid heat exchanger.
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
der Kühlkreislauf als eigenständiger Kühlkreislauf (19) zwischen dem Ladeluftkühler ( 3) und dem Wärmetauscher (15) ausgebildet ist, welcher eine  the cooling circuit is formed as an independent cooling circuit (19) between the charge air cooler (3) and the heat exchanger (15), which is a
Kühlmittelfördereinrichtung (20) aufweist.  Has coolant delivery device (20).
4. Brennstoffzellensystem (1 ) nach Anspruch 1 oder 2, 4. Fuel cell system (1) according to claim 1 or 2,
dadurch gekennzeichnet, dass  characterized in that
der Kühlkreislauf Teil eines Kühlsystems ist, dessen Kühlmedium neben dem Ladeluftkühler (13) auch die Brennstoffzelle (3) durchströmt, und welches eine Kühlmittelfördereinrichtung (7) und/einen Kühlwärmetauscher (8) zur Abkühlung des Kühlmediums aufweist. the cooling circuit is part of a cooling system whose cooling medium, in addition to the charge air cooler (13), also flows through the fuel cell (3), and which one Has coolant delivery device (7) and / a cooling heat exchanger (8) for cooling the cooling medium.
5. Brennstoffzellensystem (1 ) nach Anspruch 4, 5. Fuel cell system (1) according to claim 4,
dadurch gekennzeichnet, dass  characterized in that
der Ladeluftkühler (13) in Strömungsrichtung des Kühlmediums vor dem  the intercooler (13) in the flow direction of the cooling medium before
Wärmetauscher (15) angeordnet ist.  Heat exchanger (15) is arranged.
6. Brennstoffzellensystem ( ) nach Anspruch 4 oder 5, 6. Fuel cell system (10) according to claim 4 or 5,
dadurch gekennzeichnet, dass  characterized in that
der Ladeluftkühler (13) und der Wärmetauscher (15) parallel zur Brennstoffzelle (3) von Kühlmedium durchströmt sind.  the charge air cooler (13) and the heat exchanger (15) are flowed through in parallel to the fuel cell (3) of cooling medium.
7. Brennstoffzellensystem (1 ) nach Anspruch 6, 7. Fuel cell system (1) according to claim 6,
dadurch gekennzeichnet, dass  characterized in that
die Durchströmung von Ladeluftkühler (13) und Wärmetauscher (15) durch eine Ventileinrichtung (21 ) steuerbar ist.  the flow through charge air cooler (13) and heat exchanger (15) by a valve device (21) is controllable.
8. Brennstoffzellensystem (1 ) nach Anspruch 7, 8. Fuel cell system (1) according to claim 7,
dadurch gekennzeichnet, dass  characterized in that
die Ventileinrichtung (21 ) als Thermostatventil ausgebildet ist.  the valve device (21) is designed as a thermostatic valve.
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
der Ladeluftkühler (13) und/oder der Wärmetauscher (15) in einen Gas/Gas- Befeuchter (14) integriert ausgebildet sind.  the charge air cooler (13) and / or the heat exchanger (15) are integrated in a gas / gas humidifier (14).
10. Verwendung des Brennstoffzellensystems (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 zur Erzeugung von elektrischer Antriebsleistung in einem Fahrzeug (2). 10. Use of the fuel cell system (1) according to one of claims 1 to 9 for generating electrical drive power in a vehicle (2).
PCT/EP2013/001778 2012-07-17 2013-06-15 Fuel cell system WO2014012615A1 (en)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102012014110.6A DE102012014110A1 (en) 2012-07-17 2012-07-17 The fuel cell system
DE102012014110.6 2012-07-17

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2014012615A1 true WO2014012615A1 (en) 2014-01-23

Family

ID=48656018

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP2013/001778 WO2014012615A1 (en) 2012-07-17 2013-06-15 Fuel cell system

Country Status (2)

Country Link
DE (1) DE102012014110A1 (en)
WO (1) WO2014012615A1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2016083365A1 (en) * 2014-11-28 2016-06-02 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Method for predictively operating a motor vehicle with a fuel cell system

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102018202906A1 (en) * 2018-02-27 2019-08-29 Robert Bosch Gmbh The fuel cell system
DE102019212398A1 (en) * 2019-08-20 2021-02-25 Audi Ag Charge air cooler and fuel cell system
DE102020207746A1 (en) * 2020-06-23 2021-12-23 Robert Bosch Gesellschaft mit beschränkter Haftung Heat transfer in the cathode path of a fuel cell system by means of evaporation / condensation of product water
DE102022108522B3 (en) 2022-04-08 2023-05-04 Audi Aktiengesellschaft Fuel cell device and method for treating and using the exhaust gas on the cathode side

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
AT502353A1 (en) * 2006-06-29 2007-03-15 Avl List Gmbh METHOD AND DEVICE FOR CONDITIONING AN O2-CONTAINING GAS
DE102006043573A1 (en) * 2006-09-16 2008-03-27 Daimler Ag Liquid water discharge decreasing method for fuel cell system, involves cooling fuel cell by using cooling agent in cooling circuit, and heating damp exhaust gas before discharging from fuel cell system by cooling agent
DE102009014743A1 (en) 2009-03-25 2010-09-30 Daimler Ag Fuel cell system has low-temperature fuel cell, which is operated with compressed air on cathode side, and liquid is partially supplied to side of heat exchanger from liquid separators, where compressed air flows on other side
DE102009043569A1 (en) 2009-09-30 2011-04-07 Daimler Ag Method for operating a fuel cell system
DE102010033772A1 (en) * 2010-08-09 2012-02-09 Daimler Ag Fuel cell i.e. polymer electrolyte membrane fuel cell, system for generating electrical drive energy in e.g. car, has heat exchanger with three regions, where supply air stream, exhaust air stream and coolant flow through respective regions

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
AT502353A1 (en) * 2006-06-29 2007-03-15 Avl List Gmbh METHOD AND DEVICE FOR CONDITIONING AN O2-CONTAINING GAS
DE102006043573A1 (en) * 2006-09-16 2008-03-27 Daimler Ag Liquid water discharge decreasing method for fuel cell system, involves cooling fuel cell by using cooling agent in cooling circuit, and heating damp exhaust gas before discharging from fuel cell system by cooling agent
DE102009014743A1 (en) 2009-03-25 2010-09-30 Daimler Ag Fuel cell system has low-temperature fuel cell, which is operated with compressed air on cathode side, and liquid is partially supplied to side of heat exchanger from liquid separators, where compressed air flows on other side
DE102009043569A1 (en) 2009-09-30 2011-04-07 Daimler Ag Method for operating a fuel cell system
DE102010033772A1 (en) * 2010-08-09 2012-02-09 Daimler Ag Fuel cell i.e. polymer electrolyte membrane fuel cell, system for generating electrical drive energy in e.g. car, has heat exchanger with three regions, where supply air stream, exhaust air stream and coolant flow through respective regions

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2016083365A1 (en) * 2014-11-28 2016-06-02 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Method for predictively operating a motor vehicle with a fuel cell system
CN106716697A (en) * 2014-11-28 2017-05-24 宝马股份公司 Method for predictively operating a motor vehicle with a fuel cell system

Also Published As

Publication number Publication date
DE102012014110A1 (en) 2014-01-23

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP3269002B1 (en) Cooling assembly for cooling a fuel cell
DE102011111742A1 (en) The fuel cell system
DE102004016375B4 (en) Fuel cell system with cooling channels and method for operating a fuel cell system with cooling channels
EP2399313B1 (en) Fuel cell system comprising at least one fuel cell
DE102010011556A1 (en) Device for supplying e.g. natural gas to proton exchange membrane fuel cell for driving of e.g. land vehicle, has heat exchanger arranged between releasing device and drive unit such that relaxed gaseous fuel contacts medium to be cooled
WO2014012615A1 (en) Fuel cell system
DE112009001821T5 (en) Apparatus for supplying a fuel cell in a fuel cell system with fuel gas
WO2019166122A1 (en) Fuel cell system
WO2014048525A1 (en) Fuel cell system
WO2011050916A1 (en) Fuel cell system comprising at least one fuel cell
DE102014219944A1 (en) Charged internal combustion engine
DE102012003922A1 (en) Fuel cell system used for e.g. motor car, has fuel cell stack which is provided with terminals and ports for supply and discharge of reactants
EP2574738A1 (en) Assembly for storing thermal energy
DE102015001352A1 (en) The fuel cell system
DE102010008205A1 (en) Fuel cell system with at least one fuel cell
WO2014173529A2 (en) Device for providing air
DE102012018712A1 (en) Air conveying device for supplying air to fuel cell system in vehicle, has compressor propelled with electric machine and intercooler, where electric machine is cooled by cooling medium in cooling circuit at intercooler
DE102015005978A1 (en) Method for operating a fuel cell system
EP2399314B1 (en) Fuel cell system comprising at least one fuel cell
WO2009010113A1 (en) Device and method for warming up a fuel cell in a start phase
DE102010047523A1 (en) Fuel cell system for use in e.g. ships, has air inlet pipe placed between burner and compressor in flow direction subsequent to compressor components, where hot exhaust gases of burner flow from cathode region of fuel cell
DE102012007382A1 (en) Fuel cell system used in fuel cell vehicle, has expansion unit that is provided between primary fuel cell stack and secondary fuel cell stack so that exhaust gas is passed through expansion unit
DE102012020648A1 (en) Rotary valve
DE102014018444A1 (en) Fuel cell system and gas / gas humidifier
DE102020206162A1 (en) Air supply device for fuel cell systems and fuel cell systems

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: 13729921

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: 13729921

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1