WO2014048525A1 - Fuel cell system - Google Patents

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WO2014048525A1
WO2014048525A1 PCT/EP2013/002467 EP2013002467W WO2014048525A1 WO 2014048525 A1 WO2014048525 A1 WO 2014048525A1 EP 2013002467 W EP2013002467 W EP 2013002467W WO 2014048525 A1 WO2014048525 A1 WO 2014048525A1
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WO
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fuel cell
heat
air
cell system
gas
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PCT/EP2013/002467
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Gert Hinsenkamp
Gerhard Konrad
Benjamin Steinhauser
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Daimler Ag
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    • H01M8/04067—Heat exchange or temperature measuring elements, thermal insulation, e.g. heat pipes, heat pumps, fins
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    • Y02T90/40—Application 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.
  • Art also relates to the use of such a fuel cell system.
  • 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
  • the cooling medium of a cooling circuit uses, in particular the cooling circuit, in which the fuel cell is arranged to dissipate heat.
  • Reverse direction come in the gas / gas heat exchanger.
  • the membranes of the fuel cell are heated unnecessarily and thereby burdened.
  • the structure should also be simple and compact feasible.
  • the fuel cell system according to the invention uses a gas / gas intercooler as a charge air cooler comparable to the above-mentioned prior art. Unlike the gas / gas intercoolers used in the prior art, which realize a heat transfer between the gases by means of heat conduction, in particular by a highly thermally conductive metallic material, uses the inventive
  • Fuel cell system a charge air cooler, wherein at least one
  • Heat pipe preferably several heat pipes, the transfer of heat takes place.
  • a heat pipe is known from the general state of the art and is also used under the name "heat pipe.” It consists essentially of a pipe element in which a liquid medium is enclosed, which at one end of the heat pipe of a heat source - the hot supply air At the other end of the tube, the medium then condenses in the area of a heat sink - the colder exhaust air - and thus transfers energy from the heat source to the heat sink to cool the supply air, such heat pipes are capable of doing so Heat transfer rates, for example, to copper as a good heat-conducting material on the order of a hundred times to a thousand times are possible, and the gas / gas intercooler which uses the heat pipes according to the invention can thus be very much transferred more compact than the Ga s / gas intercooler according to the prior art.
  • heat-trapped medium trapped in the heat pipe typically can only vaporize on one side of the heat pipe and flow in a vaporous manner to the other side of the heat pipe. There it condenses and typically travels by gravity in liquid form along the walls of the
  • this construction also prevents heat transfer from the area of the heat sink to the heat source safely and reliably, even if in certain operating situations of
  • the temperatures in the supply air should be below the temperatures in the exhaust air. As a result of this, undesired problems in the operation management are prevented by means of the charge air cooler according to the invention.
  • a turbine is arranged downstream of the charge air cooler in the flow direction of the exhaust air.
  • a turbine which may be part of an electric turbocharger, in particular, so as to make the power available to the turbine directly available to the air conveyor, makes it possible
  • 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 in particular for the provision of electrical drive power.
  • difficult operating conditions such as a start under difficult environmental conditions -.
  • temperatures below freezing - often encountered, so that an adjustment of
  • the structure must be implemented in accordance compact, since in a vehicle typically only very little space is available.
  • the cooling system of the vehicle is correspondingly relieved, since the available radiator surface in vehicle applications of fuel cell systems in general already a critical point in the design of the fuel cell system, since the temperature difference between the fuel cell and the environment is typically much lower than between an internal combustion engine and the environment and the available area of the cooling heat exchanger so that 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 is a schematic diagram of a heat pipe for explaining the principle of operation.
  • 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 it can This preferably involves 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 the intercooler 13 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 partly into mechanical energy.
  • the turbine 16 sits together with the
  • 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
  • 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
  • Proton exchange membranes are very unfavorable, as they dry out easily and can be damaged thereby.
  • the supply air heated by the compression in the air conveyor 12 first flows through the intercooler 13, in the region of which the supply air is cooled.
  • the heat of the heated supply air via heat pipes 15, three of which are indicated by way of example in the intercooler 13, transmitted to the air flowing from the cathode chamber 5 and the humidifier 14 exhaust air of the fuel cell 3.
  • the heat pipes 15 are preferably formed in the manner of a two-phase thermosyphone, which is explained in more detail below with reference to FIG 2.
  • FIG. 2 In the illustration of Figure 2 is a schematic representation of a heat pipe 15 can be seen. About the dot-dash line the center of the heat pipe 15 is indicated in principle.
  • a liquid medium 20 In the intended use lower end 19 is a liquid medium 20, which is in the charge air cooler 13 in heat-conducting contact with the hot supply air. Due to the hot supply air, the medium 20 is vaporized and rises, as shown by the arrow designated 21, within of a single preferably straight pipe constructed heat pipe 15 upwards to condense at the end in the intended use upper end 22 by the heat-conductive contact with the cool exhaust air of the fuel cell 3 on the other side of the charge air cooler 13 and thereby transfer the latent heat to the exhaust air.
  • condensed liquid medium 20 drips or then runs downwards due to the force of gravity along the walls of the heat pipe 15, as indicated by the arrows 23.
  • the process begins again.
  • this structure of the heat pipe 15, which preferably follows gravity in its orientation or is arranged at an angle to gravity such that gravity allows the condensate to flow back into the lower region 19, a very high amount of heat can be transmitted with minimal space become.
  • significantly more heat can be transmitted than by direct heat conduction by means of a good heat-conducting material, such as copper.
  • the intercooler 13 may thus, although it is designed as a gas / gas intercooler 13, extremely small and compact, which is a decisive advantage in terms of total space required. In particular, it can be integrated into the gas / gas humidifier 14 in order to save additional space and to save further line elements and connecting elements.
  • the heat pipe 15 for heat transfer, the principle-related functionality that heat only from the lower end 19 to the upper end 22 of the heat pipe 15 can be transmitted.
  • a reverse heat flow, namely from the exhaust air to the supply air is prevented by the heat pipes 15 principle, since heating of the heat pipes 15 at the upper ends 22 no or only a minimal heat transfer through the material of the pipe walls.

Abstract

The invention relates to a fuel cell system (1) comprising an air conduction device (12) for compressing the intake air for a fuel cell (3), and comprising a charge air cooler (13) for cooling the intake air by means of the exhaust air flowing out of the fuel cell (3). The invention is characterised in that the charge air cooler (13) has at least one heat pipe (15) for transferring heat from the intake air to the exhaust air.

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. Außerdem betriff die Erfindung die Verwendung eines derartigen Brennstoffzellensystems. 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. Art also relates to the use of such a fuel cell system.
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. 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. Mastery of comparatively high temperatures. 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 is so that a charge air cooler, as it is known for example from DE 10 2009 014 743 A1, for cooling the supply air, the cooling medium of a cooling circuit uses, in particular the cooling circuit, in which the fuel cell is arranged to dissipate 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. Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, ein 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. 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
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 8 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 8.
Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem nutzt vergleichbar zu dem eingangs genannten Stand der Technik einen Gas/Gas-Ladeluftkühler als Ladeluftkühler. Anders als bei den im Stand der Technik eingesetzten Gas/Gas-Ladeluftkühlern, welche einen Wärmeübertrag zwischen den Gasen mittels Wärmeleitung, insbesondere durch ein gut wärmeleitendes metallisches Material, realisieren, nutzt das erfindungsgemäße The fuel cell system according to the invention uses a gas / gas intercooler as a charge air cooler comparable to the above-mentioned prior art. Unlike the gas / gas intercoolers used in the prior art, which realize a heat transfer between the gases by means of heat conduction, in particular by a highly thermally conductive metallic material, uses the inventive
Brennstoffzellensystem einen Ladeluftkühler, bei welchem über wenigstens ein Fuel cell system, a charge air cooler, wherein at least one
Wärmerohr, bevorzugt mehrere Wärmerohre, die Übertragung der Wärme stattfindet. Ein solches Wärmerohr ist aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt und wird auch unter der Bezeichnung„Heatpipe" eingesetzt. Es besteht im Wesentlichen aus einem Rohrleitungselement, in welchem ein flüssiges Medium eingeschlossen ist, welches am einen Ende des Wärmerohrs einer Wärmequelle - der heißen Zuluft - ausgesetzt wird, welche das Medium verdampft. Am anderen Ende des Rohrs kondensiert das Medium dann im Bereich einer Wärmesenke - der kälteren Abluft - und überträgt so Energie von der Wärmequelle zur Wärmesenke, um die Zuluft zu kühlen. Derartige Wärmerohre sind dabei in der Lage sehr viel mehr Wärme zu übertragen, als dies durch Wärmeleitung möglich ist. Wärmeübertragungsraten beispielsweise gegenüber Kupfer als gut wärmeleitendem Material in der Größenordnung des Hundertfachen bis Tausendfachen sind möglich. Der Gas/Gas-Ladeluftkühler, welcher die erfindungsgemäßen Wärmerohre einsetzt, lässt sich damit sehr viel kompakter aufbauen als der Gas/Gas-Ladeluftkühler gemäß dem Stand der Technik. Ein weiterer Vorteil der Übertragung der Wärme über Wärmerohre besteht darin, dass das in dem Wärmerohr eingeschlossene zur Wärmeübertragung eingesetzte Medium typischerweise nur auf der einen Seite des Wärmerohrs verdampfen und dampfförmig zur anderen Seite des Wärmerohrs strömen kann. Dort kondensiert es aus und gelangt typischerweise über die Schwerkraft in flüssiger Form entlang den Wänden des Heat pipe, preferably several heat pipes, the transfer of heat takes place. Such a heat pipe is known from the general state of the art and is also used under the name "heat pipe." It consists essentially of a pipe element in which a liquid medium is enclosed, which at one end of the heat pipe of a heat source - the hot supply air At the other end of the tube, the medium then condenses in the area of a heat sink - the colder exhaust air - and thus transfers energy from the heat source to the heat sink to cool the supply air, such heat pipes are capable of doing so Heat transfer rates, for example, to copper as a good heat-conducting material on the order of a hundred times to a thousand times are possible, and the gas / gas intercooler which uses the heat pipes according to the invention can thus be very much transferred more compact than the Ga s / gas intercooler according to the prior art. Another advantage of transferring heat via heat pipes is that the heat-trapped medium trapped in the heat pipe typically can only vaporize on one side of the heat pipe and flow in a vaporous manner to the other side of the heat pipe. There it condenses and typically travels by gravity in liquid form along the walls of the
Leitungselements zurück in den anderen Bereich. Die Wärmeübertragung ist damit in ihrer Richtung fest vorgegeben, nämlich von dem typischerweise im Line element back to the other area. The heat transfer is thus fixed in their direction, namely of the typically in
bestimmungsgemäßen Gebrauch unten angeordneten Bereich in den im Intended use below arranged area in the
bestimmungsgemäßen Gebrauch oben angeordneten Bereich. Dies gilt insbesondere bei der bevorzugten Ausgestaltung des Wärmerohrs in Form eines Zwei-Phasen- Thermosyphons, welcher die Schwerkraft zum Transport des Kondensats nutzt. intended use top arranged area. This is especially true in the preferred embodiment of the heat pipe in the form of a two-phase Thermosyphon, which uses gravity to transport the condensate.
Neben der verbesserten Wärmeübertragung, was einen sehr viel kleineren Ladeluftkühler als bei herkömmlichen Gas/Gas-Anwendungen ermöglicht, wird durch diesen Aufbau zusätzlich ein Wärmeübertrag vom Bereich der Wärmesenke hin zur Wärmequelle sicher und zuverlässig verhindert, auch wenn in bestimmten Betriebssituationen des In addition to the improved heat transfer, which allows a much smaller intercooler than in conventional gas / gas applications, this construction also prevents heat transfer from the area of the heat sink to the heat source safely and reliably, even if in certain operating situations of
Brennstoffzellensystems die Temperaturen im Bereich der Zuluft unter den Temperaturen im Bereich der Abluft liegen sollten. Unerwünschte Probleme in der Betriebsführung werden dadurch mittels des erfindungsgemäßen Ladeluftkühlers prinzipbedingt unterbunden. Fuel cell system, the temperatures in the supply air should be below the temperatures in the exhaust air. As a result of this, undesired problems in the operation management are prevented by means of the charge air cooler according to the invention.
In einer sehr günstigen Weiterbildung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems ist es dabei vorgesehen, dass eine Turbine in Strömungsrichtung der Abluft nach dem Ladeluftkühler 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 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 charge air cooler in the flow direction of the exhaust air. Such a turbine, which may be part of an electric turbocharger, in particular, so as to make the power available to the turbine directly available to the air conveyor, makes it possible
Rückgewinnung von Druck- und Wärmeenergie aus der Abluft der Brennstoffzelle. Wird in Strömungsrichtung der Abluft vor der Turbine über den Ladeluftkühler zusätzliche Wärme in die Abluft eingetragen, so kann die Ausbeute an mechanischer Leistung gesteigert werden, wodurch sich eine Verbesserung des Gesamtwirkungsgrads des Brennstoffzellensystems durch eine erhöhte Energierückgewinnung ergibt. Weiterhin verringert sich durch die erfindungsgemäße Erhöhung der Ablufttemperatur der aus dem Brennstoffzellensystem ausgetragene Flüssigwasseranteil. Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem kann entsprechend kompakt aufgebaut werden und ermöglicht einen sicheren und zuverlässigen Betrieb in allen Recovery of pressure and heat energy from the exhaust air of the fuel cell. If additional heat is introduced into the exhaust air in the flow direction of the exhaust air upstream of the turbine via the intercooler, the yield of mechanical power can be increased, resulting in an improvement in the overall efficiency of the fuel cell system through increased energy recovery. Furthermore, due to the inventive increase in the exhaust air temperature, the proportion of liquid water discharged from the fuel cell system is reduced. 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, insbesondere zur Bereitstellung von elektrischer Antriebsleistung. Hier sind einerseits schwierige Betriebsbedingungen, wie beispielsweise ein Start unter schwierigen Umgebungsbedingungen - z. B. Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts - häufig anzutreffen, sodass eine Anpassung des Fuel cell system in a vehicle, in particular for the provision of electrical drive power. Here are on the one hand difficult operating conditions, such as a start under difficult environmental conditions -. As temperatures below freezing - often encountered, so that an adjustment of
Brennstoffzellensystems auf derartige schwierige Betriebsbedingungen von Fuel cell system to such difficult operating conditions of
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 Fahrzeugsystemen auch entscheidend, dass das Kühlsystem des Fahrzeugs entsprechend entlastet wird, da die zur Verfügung stehende Kühlerfläche bei Fahrzeuganwendungen von Brennstoffzellensystemen im Allgemeinen ohnehin schon ein kritischer Punkt bei der Auslegung des Brennstoffzellensystems ist, da die 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. 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 also crucial, especially in vehicle systems, that the cooling system of the vehicle is correspondingly relieved, since the available radiator surface in vehicle applications of fuel cell systems in general already a critical point in the design of the fuel cell system, since the temperature difference between the fuel cell and the environment is typically much lower than between an internal combustion engine and the environment and the available area of the cooling heat exchanger so that 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; und 1 shows a vehicle with a fuel cell system according to the invention. and
Fig. 2 eine Prinzipdarstellung eines Wärmerohrs zur Erläuterung des Funktionsprinzips. Fig. 2 is a schematic diagram of a heat pipe for explaining the principle of operation.
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. In the vehicle 2 it can This preferably involves 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 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
Kühlmittelfördereinrichtung 7 eingestellt werden oder lässt sich über einen hier nicht dargestellten Bypass parallel zum Kühlwärmetauscher 8 mit einem geeigneten Ventil einstellen. 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 den Ladeluftkühler 13 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 Cathode space 5 in turn passes through the humidifier 14 and the intercooler 13 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 partly into mechanical energy. The turbine 16 sits together with the
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 Air conveyor 12 on a common shaft 17, so that the recovered energy in the region of the turbine 16 for driving the air conveyor 12 can be used directly. 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. 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.
Die Zuluft zu der Brennstoffzelle 3 ist nach der Luftfördereinrichtung 12 entsprechend heiß und trocken. Dies ist für die in der Brennstoffzelle 3 angeordneten 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, durchströmt die durch das Verdichten in der Luftfördereinrichtung 12 aufgeheizte Zuluft daher zuerst den Ladeluftkühler 13, in dessen Bereich die Zuluft abgekühlt wird. Hierzu wird die Wärme der aufgeheizten Zuluft über Wärmerohre 15, von denen drei beispielhaft in dem Ladeluftkühler 13 angedeutet sind, auf die aus dem Kathodenraum 5 bzw. dem Befeuchter 14 strömende Abluft der Brennstoffzelle 3 übertragen. Durch die Proton exchange membranes are very unfavorable, as they dry out easily and can be damaged thereby. To counteract the problem, therefore, the supply air heated by the compression in the air conveyor 12 first flows through the intercooler 13, in the region of which the supply air is cooled. For this purpose, the heat of the heated supply air via heat pipes 15, three of which are indicated by way of example in the intercooler 13, transmitted to the air flowing from the cathode chamber 5 and the humidifier 14 exhaust air of the fuel cell 3. By the
Ausgestaltung des Ladeluftkühlers 13 mit Wärmerohren 15 zur Übertragung der Wärme ist es möglich, diesen außerordentlich kompakt aufzubauen. Die Wärmerohre 15 sind dabei bevorzugt in der Art eines Zwei-Phasen-Thermosyphons ausgebildet, welcher nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figur 2 näher erläutert ist. Design of the intercooler 13 with heat pipes 15 for the transmission of heat, it is possible to build this extremely compact. The heat pipes 15 are preferably formed in the manner of a two-phase thermosyphone, which is explained in more detail below with reference to FIG 2.
In der Darstellung der Figur 2 ist eine Prinzipdarstellung eines Wärmerohrs 15 zu erkennen. Über die strichpunktierte Linie ist die Mitte des Wärmerohrs 15 prinzipmäßig angedeutet. In dem im bestimmungsgemäßen Einsatz unteren Ende 19 befindet sich ein flüssiges Medium 20, welches in den Ladeluftkühler 13 in wärmeleitendem Kontakt mit der heißen Zuluft steht. Durch die heiße Zuluft wird das Medium 20 verdampft und steigt, wie durch den mit 21 bezeichneten Pfeil dargestellt, innerhalb des aus einer einzigen bevorzugt geraden Rohrleitung aufgebauten Wärmerohrs 15 nach oben, um an dem im bestimmungsgemäßen Einsatz oberen Ende 22 durch den wärmeleitenden Kontakt mit der kühlen Abluft der Brennstoffzelle 3 auf der anderen Seite des Ladeluftkühlers 13 zu kondensieren und dabei die latente Wärme an die Abluft zu übertragen. Das In the illustration of Figure 2 is a schematic representation of a heat pipe 15 can be seen. About the dot-dash line the center of the heat pipe 15 is indicated in principle. In the intended use lower end 19 is a liquid medium 20, which is in the charge air cooler 13 in heat-conducting contact with the hot supply air. Due to the hot supply air, the medium 20 is vaporized and rises, as shown by the arrow designated 21, within of a single preferably straight pipe constructed heat pipe 15 upwards to condense at the end in the intended use upper end 22 by the heat-conductive contact with the cool exhaust air of the fuel cell 3 on the other side of the charge air cooler 13 and thereby transfer the latent heat to the exhaust air. The
auskondensierte flüssige Medium 20 tropft bzw. läuft dann aufgrund der Schwerkraft entlang der Wandungen des Wärmerohrs 15, wie durch die Pfeile 23 angedeutet, wieder nach unten. Der Vorgang beginnt von Neuem. Durch diesen Aufbau des Wärmerohrs 15, welches bevorzugt in seiner Ausrichtung der Schwerkraft folgt oder in einem Winkel zur Schwerkraft so angeordnet ist, dass die Schwerkraft das Kondensat zurück in den unteren Bereich 19 fließen lässt, kann eine sehr hohe Menge an Wärme bei minimalem Bauraum übertragen werden. Insbesondere lässt sich deutlich mehr Wärme übertragen als durch direkte Wärmeleitung mittels eines gut wärmeleitenden Materials, wie beispielsweise Kupfer. condensed liquid medium 20 drips or then runs downwards due to the force of gravity along the walls of the heat pipe 15, as indicated by the arrows 23. The process begins again. By virtue of this structure of the heat pipe 15, which preferably follows gravity in its orientation or is arranged at an angle to gravity such that gravity allows the condensate to flow back into the lower region 19, a very high amount of heat can be transmitted with minimal space become. In particular, significantly more heat can be transmitted than by direct heat conduction by means of a good heat-conducting material, such as copper.
Der Ladeluftkühler 13 kann also, obwohl er als Gas/Gas-Ladeluftkühler 13 ausgebildet ist, außerordentlich klein und kompakt aufgebaut werden, was hinsichtlich des insgesamt benötigten Bauraums einen entscheidenden Vorteil darstellt. Er lässt sich insbesondere in den Gas/Gas-Befeuchter 14 mit integrieren, um so zusätzlich Bauraum zu sparen und weitere Leitungselemente und Anschlusselemente einsparen zu können. The intercooler 13 may thus, although it is designed as a gas / gas intercooler 13, extremely small and compact, which is a decisive advantage in terms of total space required. In particular, it can be integrated into the gas / gas humidifier 14 in order to save additional space and to save further line elements and connecting elements.
Neben der gewünschten vorteilhaften Übertragung der Wärme aus der Zuluft auf die Abluft, sodass diese in der Turbine 16 entsprechend genutzt werden kann, hat das Wärmerohr 15 zur Wärmeübertragung die prinzipbedingte Funktionalität, dass Wärme nur von dem unteren Ende 19 zu dem oberen Ende 22 des Wärmerohrs 15 übertragen werden kann. Ein umgekehrter Wärmefluss, nämlich von der Abluft auf die Zuluft, wird durch die Wärmerohre 15 prinzipbedingt verhindert, da eine Erwärmung der Wärmerohre 15 an deren oberen Enden 22 keinen bzw. lediglich einen minimalen Wärmeübertrag durch das Material der Rohrwandungen ermöglicht. In addition to the desired advantageous transfer of heat from the supply air to the exhaust air, so that they can be used in the turbine 16 accordingly, the heat pipe 15 for heat transfer, the principle-related functionality that heat only from the lower end 19 to the upper end 22 of the heat pipe 15 can be transmitted. A reverse heat flow, namely from the exhaust air to the supply air is prevented by the heat pipes 15 principle, since heating of the heat pipes 15 at the upper ends 22 no or only a minimal heat transfer through the material of the pipe walls.

Claims

Patentansprüche claims
1. Brennstoffzellensystem (1 ) mit einer Luftfördereinrichtung (12) zum Verdichten von Zuluft für eine Brennstoffzelle (3), mit einem Ladeluftkühler (13) zum Abkühlen der Zuluft durch von der Brennstoffzelle (3) abströmende Abluft, 1. A fuel cell system (1) with an air conveying device (12) for compressing supply air for a fuel cell (3), with a charge air cooler (13) for cooling the supply air by exhaust air flowing from the fuel cell (3),
dadurch gekennzeichnet, dass  characterized in that
der Ladeluftkühler (13) zur Übertragung von Wärme von der Zuluft auf die Abluft wenigstens ein Wärmerohr (15) aufweist.  the intercooler (13) for transmitting heat from the supply air to the exhaust air has at least one heat pipe (15).
2. Brennstoffzellensystem (1 ) nach Anspruch 1 , 2. Fuel cell system (1) according to claim 1,
dadurch gekennzeichnet, dass  characterized in that
das wenigstens eine Wärmerohr (15) als Zwei-Phasen-Thermosyphon ausgebildet ist.  the at least one heat pipe (15) is designed as a two-phase thermosyphone.
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
das wenigstens eine Wärmerohr (15) aus einer Rohrleitung, welche an beiden Enden (19, 22) verschlossen ist, ausgebildet ist.  the at least one heat pipe (15) is formed from a pipe which is closed at both ends (19, 22).
4. Brennstoffzellensystem (1 ) nach Anspruch 3, 4. Fuel cell system (1) according to claim 3,
dadurch gekennzeichnet, dass  characterized in that
die Rohrleitung im Wesentlichen gerade ausgebildet ist. the pipeline is substantially straight.
5. Brennstoffzellensystem (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, 5. Fuel cell system (1) according to one of claims 1 to 4,
dadurch gekennzeichnet, dass  characterized in that
das wenigstens eine Wärmerohr (15) im bestimmungsgemäßen Gebrauch in seinem oberen Bereich (22) mit der Abluft und in seinem unteren Bereich (19) mit der Zuluft in wärmeleitendem Kontakt steht.  the at least one heat pipe (15) in intended use in its upper region (22) with the exhaust air and in its lower portion (19) is in heat-conducting contact with the supply air.
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
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.
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
der Ladeluftkühler (13) in einen Gas/Gas-Befeuchter (14) integriert ausgebildet ist.  the charge air cooler (13) is integrated in a gas / gas humidifier (14).
8. Verwendung des Brennstoffzellensystems (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 zur Erzeugung von elektrischer Leistung in einem Fahrzeug (2). 8. Use of the fuel cell system (1) according to any one of claims 1 to 7 for the generation of electrical power in a vehicle (2).
9. Verwendung nach Anspruch 8, 9. Use according to claim 8,
dadurch gekennzeichnet, dass  characterized in that
die elektrische Leistung als Antriebsleistung genutzt wird.  the electrical power is used as drive power.
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