WO2022033812A1 - Method for operating a fuel cell system, and fuel cell system - Google Patents

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WO2022033812A1
WO2022033812A1 PCT/EP2021/070119 EP2021070119W WO2022033812A1 WO 2022033812 A1 WO2022033812 A1 WO 2022033812A1 EP 2021070119 W EP2021070119 W EP 2021070119W WO 2022033812 A1 WO2022033812 A1 WO 2022033812A1
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heat exchanger
hydrogen
cell system
anode
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Helerson Kemmer
Friedrich Muehleder
Markus BRENK
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Robert Bosch Gmbh
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    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the invention relates to a method for operating a fuel cell system having the features of the preamble of claim 1.
  • the invention also relates to a fuel cell system which is suitable for carrying out the method according to the invention or can be operated using the method according to the invention.
  • hydrogen-based fuel cells hydrogen is converted into electrical energy with the help of oxygen.
  • the individual fuel cell has a membrane-electrode assembly with an anode and a cathode.
  • hydrogen is supplied to the anode via an anode path and oxygen is supplied to the cathode via a cathode path.
  • ambient air serves as the oxygen supplier.
  • the hydrogen that is also required must be stored and carried in a suitable tank. Due to faster refueling times and low and harmless emissions, since they consist only of water, hydrogen-based fuel cells are considered the mobility concept of the future.
  • the refueling process is standardized by internationally valid standards, for example by the SAE TIR J2601 standard. This stipulates that the filling stations must pre-cool hydrogen to -40°C. Because it heats up when you fill up hydrogen increases significantly due to expansion or relaxation and the "reverse" Joule-Thomson effect. Pre-cooling prevents the gas from overheating during the fueling process. Nevertheless, when refueling, temperatures of 85°C or more are often reached. The hydrogen is heated further if it is removed from the tank while driving and fed to a pressure reducer in order to reduce the storage pressure to a so-called medium pressure. This can lead to temperatures that can damage not only the pressure regulator, but also subsequent components, including the anode of a fuel cell stack.
  • the temperature and pressure range of hydrogen in a fuel cell system is therefore very wide. This must be taken into account when designing the fuel cell system, especially when designing the components that are used to provide hydrogen. The thermal demands on these components increase accordingly.
  • a method for operating a fuel cell system in which hydrogen is stored in a compressed gas tank and is supplied to an anode of a fuel cell stack via an anode path, and in which the gas pressure of the hydrogen taken from the compressed gas tank is reduced with the aid of a pressure reducer arranged in the anode path.
  • the hydrogen taken from the compressed gas tank is Thermally conditioned using at least one heat exchanger arranged in the anode path.
  • the very wide temperature range mentioned at the outset can be made narrower. In this way, the thermal requirements placed on the components present in the hydrogen path are reduced. At the same time, the costs for these components can be reduced. For example, alternative materials that are less expensive can be used.
  • the proposed method also offers an additional degree of freedom for both the refueling process and the operation of the fuel cell system.
  • the proposed thermal conditioning using the at least one heat exchanger can be used both for cooling and for heating the hydrogen.
  • the normal case will be that the temperature of the hydrogen is reduced with the help of the heat exchanger. At very low outside temperatures, however, the process can also be used to heat the hydrogen.
  • the hydrogen is thermally conditioned upstream of the pressure reducer, ie still in the high-pressure area of the anode path.
  • the pressure reducer is also protected from hydrogen temperatures that are too high.
  • the at least one heat exchanger or at least one heat exchanger can also be arranged downstream of the pressure reducer.
  • the heat exchanger or at least one heat exchanger—is operated passively using ambient air. This means that ambient air is used as the heat-transfer medium, so that no additional medium has to be kept available. Furthermore, additional costs can be saved through passive operation.
  • the heat exchanger or at least one heat exchanger—is actively operated using a circulated fluid. This only requires an additional media circuit if the heat exchanger is not connected to an existing media circuit, for example to a cooling circuit for cooling the fuel cell stack. can be connected. With the help of an actively circulated fluid, the hydrogen can be thermally conditioned in a targeted manner, regardless of the prevailing ambient temperatures.
  • a heat pump can also be used as a heat exchanger.
  • the heat transfer at the heat exchanger is preferably regulated to a temperature relevant to the operation of the fuel cell stack, for example to the inlet temperature of the hydrogen in the fuel cell stack.
  • the heat exchanger or at least one heat exchanger—is preferably arranged in the area where the hydrogen enters the fuel cell stack.
  • a pressure reducer is arranged in the anode path.
  • at least one heat exchanger for thermal conditioning of the hydrogen taken from the compressed gas tank is also arranged in the anode path.
  • the fuel cell system is suitable for carrying out the method according to the invention described above or can be operated according to this method. This means that the thermal demands on the components provided in the hydrogen path are reduced, so that more cost-effective components can be installed. Furthermore, the energy conversion process in the fuel cell stack can be optimized by thermal conditioning of the hydrogen.
  • the hydrogen taken from the compressed gas tank can preferably be both cooled and heated with the aid of the at least one heat exchanger arranged in the anode path.
  • the heat exchanger or at least one heat exchanger—is arranged downstream of the pressure reducer in the anode path. This makes it easier to adjust the heat transfer at the heat exchanger to a temperature relevant to the operation of the fuel cell stack, for example the temperature at which the hydrogen enters the fuel cell stack.
  • the heat exchanger can be designed as a passive or active heat exchanger.
  • the passive design can be implemented particularly cost-effectively, for example by supplying ambient air.
  • the active execution for example with the help of a circulating fluid, enables targeted thermal conditioning.
  • the heat exchanger - or at least one heat exchanger - can also be designed as a heat pump.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a first fuel cell system according to the invention
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a second fuel cell system according to the invention.
  • the fuel cell system shown in FIG. 1 includes a fuel cell stack 5 with a multiplicity of fuel cells in a stacked arrangement.
  • the representation of FIG. 1 is limited to the area of a Anode 4 of the fuel cell stack 5 and the components for supplying the anode 4 with hydrogen.
  • the hydrogen required is stored in a plurality of compressed gas tanks 2 which are connected to the anode 4 of the fuel cell stack 5 via an anode path 3 .
  • the compressed gas tanks 2 each have a valve 8 for switching on and off. Since the storage pressure in the compressed gas tanks 2 is usually very high, a pressure reducer 6 is arranged in the anode path 3, with the aid of which the storage pressure can be reduced to the so-called medium pressure. This in turn causes the hydrogen to heat up.
  • a heat exchanger 7 is therefore arranged in the anode path 3 downstream of the pressure reducer 6, which heat exchanger cools the hydrogen and thus thermally conditions it.
  • the thermal conditioning with the help of the heat exchanger 7 does not necessarily have to lead to cooling of the hydrogen. At very low outside temperatures, for example, it may be necessary to heat the hydrogen taken from the compressed gas tanks 2 . This can also be implemented using the heat exchanger 7 .
  • the heat exchanger 7 is arranged upstream of a hydrogen injector 9 and a suction jet pump 10 of the anode path 3 .
  • the hydrogen injector 9 can be used to control the quantity of fresh hydrogen that is admixed in the area of the ejector pump 10 to an anode exhaust gas flow that is recirculated via a recirculation path 12 with the aid of a blower 11 .
  • the cooling of the hydrogen effected beforehand reduces the thermal load on the components arranged downstream of the heat exchanger 7 in the anode path 3 . This means that the thermal requirements for these components are reduced, making them more cost-effective.
  • the hydrogen temperature can be adjusted to a value that leads to an optimization of the energy conversion process in the fuel cell stack 5.
  • the fuel cell system 1 shown in FIG. 2 differs from that of FIG. 1 in that the heat exchanger 7 is not arranged downstream but upstream of the pressure reducer 6 in the anode path 3 .
  • This arrangement has the advantage that the temperature of the hydrogen is already lowered before the pressure reducer 6, so that this is also protected from excessive temperatures. The thermal demands on the pressure reducer 6 can thus also be reduced.

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Abstract

The invention relates to a method for operating a fuel cell system (1), in which hydrogen is stored in a pressurised gas container (2) and is fed via an anode path (3) to an anode (4) of a fuel cell stack (5), and in which method the gas pressure of the hydrogen drawn from the pressurised gas container (2) is reduced with the aid of a pressure reducer (6) arranged in the anode path (3). In accordance with the invention, the hydrogen drawn from the pressurised gas container (2) is thermally conditioned with the aid of at least one heat exchanger (7) arranged in the anode path (3). The invention further relates to a fuel cell system (1) that is suitable for carrying out the method.

Description

Beschreibung description
Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems, Brennstoffzellensystem Method for operating a fuel cell system, fuel cell system
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Brennstoffzellensystem, das zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist bzw. nach dem erfindungsgemäßen Verfahren betreibbar ist. The invention relates to a method for operating a fuel cell system having the features of the preamble of claim 1. The invention also relates to a fuel cell system which is suitable for carrying out the method according to the invention or can be operated using the method according to the invention.
Stand der Technik State of the art
In wasserstoffbasierten Brennstoffzellen wird Wasserstoff mit Hilfe von Sauerstoff in elektrische Energie gewandelt. Die einzelne Brennstoffzelle weist hierzu eine Membran-Elektroden-Anordnung mit einer Anode und einer Kathode auf. Im Betrieb eines Brennstoffzellensystems wird der Anode über einen Anodenpfad Wasserstoff und der Kathode über einen Kathodenpfad Sauerstoff zugeführt. In mobilen Anwendungen dient Umgebungsluft als Sauerstofflieferant. Der ferner benötigte Wasserstoff muss in einem geeigneten Tank bevorratet und mitgeführt werden. Aufgrund schneller Betankungszeiten sowie geringen und zudem unschädlichen Emissionen, da diese nur aus Wasser bestehen, gelten wasserstoffbasierte Brennstoffzellen als Mobilitätskonzept der Zukunft. In hydrogen-based fuel cells, hydrogen is converted into electrical energy with the help of oxygen. For this purpose, the individual fuel cell has a membrane-electrode assembly with an anode and a cathode. During operation of a fuel cell system, hydrogen is supplied to the anode via an anode path and oxygen is supplied to the cathode via a cathode path. In mobile applications, ambient air serves as the oxygen supplier. The hydrogen that is also required must be stored and carried in a suitable tank. Due to faster refueling times and low and harmless emissions, since they consist only of water, hydrogen-based fuel cells are considered the mobility concept of the future.
Die Bevorratung von Wasserstoff an Bord eines Fahrzeugs stellt jedoch aufgrund der geringen Dichte von Wasserstoff eine Herausforderung dar. Zur gasförmigen Bevorratung bzw. Speicherung haben sich verschiedene Tanktypen etabliert, die sich im Wesentlichen hinsichtlich ihres Materials und des maximal zulässigen Speicherdrucks unterscheiden. In mobilen Anwendungen hat sich ein Speicherdruck von 350 bar oder 700 bar durchgesetzt. However, storing hydrogen on board a vehicle poses a challenge due to the low density of hydrogen. Various tank types have become established for gaseous storage or storage, which differ essentially in terms of their material and the maximum permissible storage pressure. In mobile applications, a storage pressure of 350 bar or 700 bar has prevailed.
Der Betankungsvorgang ist durch international gültige Normen standardisiert, beispielsweise durch die Norm SAE TIR J2601. Diese gibt den Tankstellen vor, dass Wasserstoff auf -40°C vorgekühlt werden muss. Denn beim Tanken heizt sich Wasserstoff aufgrund Expansion bzw. Entspannung und des „umgekehrten“ Joule-Thomson- Effekts stark auf. Die Vorkühlung verhindert eine Überhitzung des Gases während des Tankvorgangs. Dennoch werden beim Tanken oftmals Temperaturen von 85°C oder mehr erreicht. Eine weitere Erwärmung erfährt der Wasserstoff, wenn er während der Fahrt dem Tank entnommen und einem Druckminderer zugeführt wird, um den Speicherdruck auf einen sogenannten Mitteldruck zu reduzieren. Dies kann zu Temperaturen führen, die nicht nur den Druckminderer, sondern auch nachfolgende Komponenten bis hin zur Anode eines Brennstoffzellenstapels schädigen können. Weitere die Temperatur und/oder den Druck des Wasserstoffs beeinflussende Faktoren sind die aktuellen Umgebungsbedingungen, der zeitliche Abstand vom Tankzeitpunkt, der Tankfüllstand, der kalibrierte Druck nach dem Druckminderer sowie der geforderte Wasserstoffmassenstrom. Der Temperatur- und Druckbereich von Wasserstoff in einem Brennstoffzellensystem ist somit sehr breit. Dies muss bei der Auslegung des Brennstoffzellensystems, insbesondere bei der Auslegung der Komponenten, die der Bereitstellung von Wasserstoff dienen, berücksichtigt werden. Entsprechend steigen die thermischen Anforderungen an diese Komponenten. The refueling process is standardized by internationally valid standards, for example by the SAE TIR J2601 standard. This stipulates that the filling stations must pre-cool hydrogen to -40°C. Because it heats up when you fill up hydrogen increases significantly due to expansion or relaxation and the "reverse" Joule-Thomson effect. Pre-cooling prevents the gas from overheating during the fueling process. Nevertheless, when refueling, temperatures of 85°C or more are often reached. The hydrogen is heated further if it is removed from the tank while driving and fed to a pressure reducer in order to reduce the storage pressure to a so-called medium pressure. This can lead to temperatures that can damage not only the pressure regulator, but also subsequent components, including the anode of a fuel cell stack. Other factors influencing the temperature and/or the pressure of the hydrogen are the current environmental conditions, the time interval from when the tank was filled, the tank fill level, the calibrated pressure after the pressure reducer and the required hydrogen mass flow. The temperature and pressure range of hydrogen in a fuel cell system is therefore very wide. This must be taken into account when designing the fuel cell system, especially when designing the components that are used to provide hydrogen. The thermal demands on these components increase accordingly.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die thermischen Anforderungen zu senken, um auf diese Weise die Kosten für diese Komponenten reduziert werden. It is an object of the present invention to reduce the thermal requirements, thereby reducing the cost of these components.
Zur Lösung der Aufgabe werden das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie das Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Anspruchs 7 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den jeweiligen Unteransprüchen zu entnehmen. To solve the problem, the method with the features of claim 1 and the fuel cell system with the features of claim 7 are proposed. Advantageous developments of the invention can be found in the respective dependent claims.
Offenbarung der Erfindung Disclosure of Invention
Vorgeschlagen wird ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems, bei dem Wasserstoff in einem Druckgasbehälter bevorratet und über einen Anodenpfad einer Anode eines Brennstoffzellenstapels zugeführt wird, und bei dem mit Hilfe eines im Anodenpfad angeordneten Druckminderers der Gasdruck des dem Druckgasbehälter entnommenen Wasserstoffs reduziert wird. Erfindungsgemäß wird der dem Druckgasbehälter entnommene Wasserstoff mit Hilfe mindestens eines im Anodenpfad angeordneten Wärmeübertragers thermisch konditioniert. A method for operating a fuel cell system is proposed, in which hydrogen is stored in a compressed gas tank and is supplied to an anode of a fuel cell stack via an anode path, and in which the gas pressure of the hydrogen taken from the compressed gas tank is reduced with the aid of a pressure reducer arranged in the anode path. According to the invention, the hydrogen taken from the compressed gas tank is Thermally conditioned using at least one heat exchanger arranged in the anode path.
Mit Hilfe der vorgeschlagenen thermischen Konditionierung kann der eingangs erwähnte sehr breite Temperaturbereich enger gestaltet werden. Auf diese Weise sinken die thermischen Anforderungen, die an die im Wasserstoffpfad vorhandenen Komponenten gestellt werden. Gleichzeitig können die Kosten für diese Komponenten gesenkt werden. Beispielsweise können alternative Materialien eingesetzt werden, die kostengünstiger sind. Das vorgeschlagene Verfahren bietet zudem einen zusätzlichen Freiheitsgrad sowohl für den Tankvorgang als auch den Betrieb des Brennstoffzellensystems. With the help of the proposed thermal conditioning, the very wide temperature range mentioned at the outset can be made narrower. In this way, the thermal requirements placed on the components present in the hydrogen path are reduced. At the same time, the costs for these components can be reduced. For example, alternative materials that are less expensive can be used. The proposed method also offers an additional degree of freedom for both the refueling process and the operation of the fuel cell system.
Die vorgeschlagene thermische Konditionierung mit Hilfe des mindestens einen Wärmeübertragers kann sowohl zum Kühlen als auch zum Erwärmen des Wasserstoffs genutzt werden. Der Normalfall wird sein, dass mit Hilfe des Wärmeübertragers die Temperatur des Wasserstoffs herabgesetzt wird. Bei sehr niedrigen Außentemperaturen kann jedoch das Verfahren auch zum Erwärmen des Wasserstoffs genutzt werden. The proposed thermal conditioning using the at least one heat exchanger can be used both for cooling and for heating the hydrogen. The normal case will be that the temperature of the hydrogen is reduced with the help of the heat exchanger. At very low outside temperatures, however, the process can also be used to heat the hydrogen.
Vorteilhafterweise wird der Wasserstoff stromaufwärts des Druckminderers thermisch konditioniert, das heißt noch im Hochdruckbereich des Anodenpfads. Auf diese Weise ist auch der Druckminderer vor zu hohen Temperaturen des Wasserstoffs geschützt. Grundsätzlich kann der mindestens eine Wärmeübertrager oder zumindest ein Wärmeübertrager auch stromabwärts des Druckminderers angeordnet sein. Advantageously, the hydrogen is thermally conditioned upstream of the pressure reducer, ie still in the high-pressure area of the anode path. In this way, the pressure reducer is also protected from hydrogen temperatures that are too high. In principle, the at least one heat exchanger or at least one heat exchanger can also be arranged downstream of the pressure reducer.
Des Weiteren wird vorgeschlagen, dass der Wärmeübertrager - oder zumindest ein Wärmeübertrager - passiv mit Hilfe von Umgebungsluft betrieben wird. Das heißt, dass Umgebungsluft als wärmeübertragendes Medium verwendet wird, so dass kein zusätzliches Medium vorgehalten werden muss. Ferner können durch den passiven Betrieb weitere Kosten eingespart werden. Furthermore, it is proposed that the heat exchanger—or at least one heat exchanger—is operated passively using ambient air. This means that ambient air is used as the heat-transfer medium, so that no additional medium has to be kept available. Furthermore, additional costs can be saved through passive operation.
Alternativ oder ergänzend wird vorgeschlagen, dass der Wärmeübertrager - oder zumindest ein Wärmeübertrager - aktiv mit Hilfe eines im Kreis geführten Fluids betrieben wird. Dies erfordert nur dann einen zusätzlichen Medienkreislauf, wenn der Wärmeübertrager nicht an einen bereits vorhandenen Medienkreislauf, beispielsweise an einen Kühlkreis zum Kühlen des Brennstoffzellenstapels, angeschlossen werden kann. Mit Hilfe eines aktiv im Kreis geführten Fluids kann der Wasserstoff gezielt thermisch konditioniert werden, und zwar unabhängig von den jeweils herrschenden Umgebungstemperaturen. Alternatively or additionally, it is proposed that the heat exchanger—or at least one heat exchanger—is actively operated using a circulated fluid. This only requires an additional media circuit if the heat exchanger is not connected to an existing media circuit, for example to a cooling circuit for cooling the fuel cell stack. can be connected. With the help of an actively circulated fluid, the hydrogen can be thermally conditioned in a targeted manner, regardless of the prevailing ambient temperatures.
Darüber hinaus kann auch eine Wärmepumpe als Wärmeübertrager verwendet werden. A heat pump can also be used as a heat exchanger.
Bevorzugt wird der Wärmeübergang am Wärmeübertrager auf eine für den Betrieb des Brennstoffzellenstapels relevante Temperatur geregelt, beispielsweise auf die Eintrittstemperatur des Wasserstoffs in den Brennstoffzellenstapel. Auf diese Weise kann mit Hilfe des vorgeschlagenen Verfahrens zugleich der Betrieb des Brennstoffzellenstapels bzw. der im Brennstoffzellenstapel stattfindende Energiewandlungsprozess optimiert werden. Der Wärmeübertrager - oder zumindest ein Wärmeübertrager - ist in diesem Fall bevorzugt im Bereich des Eintritts des Wasserstoffs in den Brennstoffzellenstapel angeordnet. The heat transfer at the heat exchanger is preferably regulated to a temperature relevant to the operation of the fuel cell stack, for example to the inlet temperature of the hydrogen in the fuel cell stack. In this way, the operation of the fuel cell stack or the energy conversion process taking place in the fuel cell stack can be optimized at the same time with the aid of the proposed method. In this case, the heat exchanger—or at least one heat exchanger—is preferably arranged in the area where the hydrogen enters the fuel cell stack.
Das ferner zur Lösung der eingangs genannten Aufgabe vorgeschlagene Brennstoffzellensystem umfasst einen Druckgasbehälter zum Bevorraten von Wasserstoff, der über einen Anodenpfad mit einer Anode eines Brennstoffzellenstapels verbunden ist. Im Anodenpfad ist dabei ein Druckminderer angeordnet. Erfindungsgemäß ist zudem im Anodenpfad mindestens ein Wärmeübertrager zur thermischen Konditionierung des dem Druckgasbehälter entnommenen Wasserstoffs angeordnet. The fuel cell system also proposed to solve the problem mentioned at the outset comprises a compressed gas tank for storing hydrogen, which is connected to an anode of a fuel cell stack via an anode path. A pressure reducer is arranged in the anode path. According to the invention, at least one heat exchanger for thermal conditioning of the hydrogen taken from the compressed gas tank is also arranged in the anode path.
Durch die Implementierung des mindestens einen Wärmeübertragers ist das Brennstoffzellensystem zur Durchführung des zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet bzw. nach diesem Verfahren betreibbar. Das heißt, dass die thermischen Anforderungen an die im Wasserstoffpfad vorgesehenen Komponenten sinken, so dass kostengünstigere Komponenten verbaut werden können. Ferner kann durch thermische Konditionierung des Wasserstoffs der Energiewandlungsprozess im Brennstoffzellenstapel optimiert werden. By implementing the at least one heat exchanger, the fuel cell system is suitable for carrying out the method according to the invention described above or can be operated according to this method. This means that the thermal demands on the components provided in the hydrogen path are reduced, so that more cost-effective components can be installed. Furthermore, the energy conversion process in the fuel cell stack can be optimized by thermal conditioning of the hydrogen.
Vorzugsweise kann der dem Druckgasbehälter entnommene Wasserstoff mit Hilfe des mindestens einen im Anodenpfad angeordneten Wärmeübertragers sowohl gekühlt, als auch erwärmt werden. Der Wärmeübertrager - oder zumindest ein Wärmeübertrager - ist bevorzugt stromaufwärts des Druckminderers im Anodenpfad angeordnet. Auf diese Weise kann die Temperatur des Wasserstoffs bereits vor dem Druckminderer gesenkt werden, so dass der Druckminderer vor Schäden durch zu hohe Wasserstofftemperaturen geschützt ist. The hydrogen taken from the compressed gas tank can preferably be both cooled and heated with the aid of the at least one heat exchanger arranged in the anode path. The heat exchanger—or at least one heat exchanger—is preferably arranged upstream of the pressure reducer in the anode path. In this way, the temperature of the hydrogen can already be lowered in front of the pressure reducer, so that the pressure reducer is protected from damage caused by excessively high hydrogen temperatures.
Alternativ oder ergänzend wird vorgeschlagen, dass der Wärmeübertrager - oder zumindest ein Wärmeübertrager - stromabwärts des Druckminderers im Anodenpfad angeordnet ist. Dies erleichtert das Einregeln des Wärmeübergangs am Wärmeübertrager auf eine für den Betrieb des Brennstoffzellenstapels relevante Temperatur, beispielsweise die Eintrittstemperatur des Wasserstoffs in den Brennstoffzellenstapel. Alternatively or additionally, it is proposed that the heat exchanger—or at least one heat exchanger—is arranged downstream of the pressure reducer in the anode path. This makes it easier to adjust the heat transfer at the heat exchanger to a temperature relevant to the operation of the fuel cell stack, for example the temperature at which the hydrogen enters the fuel cell stack.
Der Wärmeübertrager kann als passiver oder als aktiver Wärmeübertrager ausgeführt sein. Die passive Ausführung kann besonders kostengünstig realisiert werden, beispielsweise durch Zuführung von Umgebungsluft. Die aktive Ausführung, beispielsweise mit Hilfe eines im Kreis geführten Fluids, ermöglicht eine gezielte thermische Konditionierung. The heat exchanger can be designed as a passive or active heat exchanger. The passive design can be implemented particularly cost-effectively, for example by supplying ambient air. The active execution, for example with the help of a circulating fluid, enables targeted thermal conditioning.
Der Wärmeübertrager - oder zumindest ein Wärmeübertrager - kann zudem als Wärmepumpe ausgeführt sein. The heat exchanger - or at least one heat exchanger - can also be designed as a heat pump.
Die Erfindung und ihre Vorteile werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen: The invention and its advantages are explained in more detail below with reference to the accompanying drawings. These show:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines ersten erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems und 1 shows a schematic representation of a first fuel cell system according to the invention and
Fig. 2 eine schematische Darstellung eines zweiten erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems. 2 shows a schematic representation of a second fuel cell system according to the invention.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen Detailed description of the drawings
Das in der Fig. 1 dargestellte Brennstoffzellensystem umfasst einen Brennstoffzellenstapel 5 mit einer Vielzahl von Brennstoffzellen in gestapelter Anordnung. Die Darstellung der Fig. 1 beschränkt sich auf den Bereich einer Anode 4 des Brennstoffzellenstapels 5 sowie die Komponenten zur Versorgung der Anode 4 mit Wasserstoff. The fuel cell system shown in FIG. 1 includes a fuel cell stack 5 with a multiplicity of fuel cells in a stacked arrangement. The representation of FIG. 1 is limited to the area of a Anode 4 of the fuel cell stack 5 and the components for supplying the anode 4 with hydrogen.
Der benötigte Wasserstoff wird in mehreren Druckgasbehältern 2 bevorratet, die über einen Anodenpfad 3 mit der Anode 4 des Brennstoffzellenstapels 5 verbunden sind. Die Druckgasbehälter 2 weisen jeweils ein Ventil 8 zum Zu- und Abschalten auf. Da der Speicherdruck in den Druckgasbehältern 2 üblicherweise sehr hoch ist, ist im Anodenpfad 3 ein Druckminderer 6 angeordnet, mit dessen Hilfe der Speicherdruck auf den sogenannten Mitteldruck gesenkt werden kann. Dies wiederum hat zur Folge, dass sich der Wasserstoff erwärmt. Stromabwärts des Druckminderers 6 ist daher ein Wärmeübertrager 7 im Anodenpfad 3 angeordnet, der den Wasserstoff kühlt und damit thermisch konditioniert. The hydrogen required is stored in a plurality of compressed gas tanks 2 which are connected to the anode 4 of the fuel cell stack 5 via an anode path 3 . The compressed gas tanks 2 each have a valve 8 for switching on and off. Since the storage pressure in the compressed gas tanks 2 is usually very high, a pressure reducer 6 is arranged in the anode path 3, with the aid of which the storage pressure can be reduced to the so-called medium pressure. This in turn causes the hydrogen to heat up. A heat exchanger 7 is therefore arranged in the anode path 3 downstream of the pressure reducer 6, which heat exchanger cools the hydrogen and thus thermally conditions it.
Die thermische Konditionierung mit Hilfe des Wärmeübertragers 7 muss nicht zwingend zu einer Kühlung des Wasserstoffs führen. Beispielsweise bei sehr tiefen Außentemperaturen kann es erforderlich sein, den aus den Druckgasbehältern 2 entnommenen Wasserstoff zu erwärmen. Auch dies kann mit Hilfe des Wärmeübertragers 7 realisiert werden. The thermal conditioning with the help of the heat exchanger 7 does not necessarily have to lead to cooling of the hydrogen. At very low outside temperatures, for example, it may be necessary to heat the hydrogen taken from the compressed gas tanks 2 . This can also be implemented using the heat exchanger 7 .
Bei dem in der Fig. 1 dargestellten Brennstoffzellensystem ist der Wärmeübertrager 7 stromaufwärts eines Wasserstoffinjektors 9 und einer Saugstrahlpumpe 10 des Anodenpfads 3 angeordnet. Mit Hilfe des Wasserstoffinjektors 9 kann die Menge von frischem Wasserstoff gesteuert werden, die im Bereich der Saugstrahlpumpe 10 einem Anodenabgasstrom beigemischt wird, der über einen Rezirkulationspfad 12 mit Hilfe eines Gebläses 11 rezirkuliert wird. Durch die zuvor bewirkte Kühlung des Wasserstoffs sinkt die thermische Belastung der stromabwärts des Wärmeübertragers 7 im Anodenpfad 3 angeordneten Komponenten. Das heißt, dass die thermischen Anforderungen an diese Komponenten sinken, so dass diese kostengünstiger werden. Ferner kann mit Hilfe des Wärmeübertragers 7 die Wasserstofftemperatur auf einen Wert eingestellt werden, der zu einer Optimierung des Energiewandlungsprozesses im Brennstoffzellenstapel 5 führt. In the fuel cell system shown in FIG. 1 , the heat exchanger 7 is arranged upstream of a hydrogen injector 9 and a suction jet pump 10 of the anode path 3 . The hydrogen injector 9 can be used to control the quantity of fresh hydrogen that is admixed in the area of the ejector pump 10 to an anode exhaust gas flow that is recirculated via a recirculation path 12 with the aid of a blower 11 . The cooling of the hydrogen effected beforehand reduces the thermal load on the components arranged downstream of the heat exchanger 7 in the anode path 3 . This means that the thermal requirements for these components are reduced, making them more cost-effective. Furthermore, with the help of the heat exchanger 7, the hydrogen temperature can be adjusted to a value that leads to an optimization of the energy conversion process in the fuel cell stack 5.
Das in der Fig. 2 dargestellte Brennstoffzellensystem 1 unterscheidet sich von dem der Fig. 1 dadurch, dass der Wärmeübertrager 7 nicht stromabwärts, sondern stromaufwärts des Druckminderers 6 im Anodenpfad 3 angeordnet ist. Diese Anordnung besitzt den Vorteil, dass die Temperatur des Wasserstoffs bereits vor dem Druckminderer 6 gesenkt wird, so dass auch dieser vor zu hohen Temperaturen geschützt ist. Somit können auch die thermischen Anforderungen an den Druckminderer 6 gesenkt werden. The fuel cell system 1 shown in FIG. 2 differs from that of FIG. 1 in that the heat exchanger 7 is not arranged downstream but upstream of the pressure reducer 6 in the anode path 3 . This arrangement has the advantage that the temperature of the hydrogen is already lowered before the pressure reducer 6, so that this is also protected from excessive temperatures. The thermal demands on the pressure reducer 6 can thus also be reduced.

Claims

- 8 - Ansprüche - 8 - Claims
1. Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems (1), bei dem Wasserstoff in einem Druckgasbehälter (2) bevorratet und über einen Anodenpfad (3) einer Anode (4) eines Brennstoffzellenstapels (5) zugeführt wird, und bei dem mit Hilfe eines im Anodenpfad (3) angeordneten Druckminderers (6) der Gasdruck des dem Druckgasbehälter (2) entnommenen Wasserstoffs reduziert wird, dadurch gekennzeichnet, dass der dem Druckgasbehälter (2) entnommene Wasserstoff mit Hilfe mindestens eines im Anodenpfad (3) angeordneten Wärmeübertragers (7) thermisch konditioniert wird. 1. A method for operating a fuel cell system (1), in which hydrogen is stored in a compressed gas tank (2) and is supplied via an anode path (3) to an anode (4) of a fuel cell stack (5), and in which an anode path ( 3) arranged pressure reducer (6), the gas pressure of the hydrogen taken from the compressed gas tank (2) is reduced, characterized in that the hydrogen taken from the compressed gas tank (2) is thermally conditioned with the aid of at least one heat exchanger (7) arranged in the anode path (3).
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wasserstoff stromaufwärts des Druckminderers (6) thermisch konditioniert wird. 2. The method according to claim 1, characterized in that the hydrogen is thermally conditioned upstream of the pressure reducer (6).
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeübertrager (7) passiv mit Hilfe von Umgebungsluft betrieben wird. 3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the heat exchanger (7) is operated passively with the help of ambient air.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeübertrager (7) aktiv mit Hilfe eines im Kreis geführten Fluids betrieben wird. 4. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the heat exchanger (7) is actively operated with the aid of a circulated fluid.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Wärmepumpe als Wärmeübertrager (7) verwendet wird. 5. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that a heat pump is used as the heat exchanger (7).
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeübergang am Wärmeübertrager (7) auf eine für den Betrieb des Brennstoffzellenstapels (5) relevante Temperatur geregelt wird, beispielsweise auf die Eintrittstemperatur des Wasserstoffs in den Brennstoffzellenstapel (5). - 9 - 6. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the heat transfer at the heat exchanger (7) is regulated to a temperature relevant to the operation of the fuel cell stack (5), for example to the inlet temperature of the hydrogen in the fuel cell stack (5). - 9 -
7. Brennstoffzellensystem (1), umfassend einen Druckgasbehälter (2) zum Bevorraten von Wasserstoff, der über einen Anodenpfad (3) mit einer Anode (4) eines Brennstoffzellenstapels (5) verbunden ist, wobei im Anodenpfad (3) ein Druckminderer (6) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass im Anodenpfad (3) mindestens ein Wärmeübertrager (7) zur thermischen Konditionierung des dem Druckgasbehälter (2) entnommenen Wasserstoffs angeordnet ist. 7. Fuel cell system (1), comprising a compressed gas tank (2) for storing hydrogen, which is connected via an anode path (3) to an anode (4) of a fuel cell stack (5), in the anode path (3) a pressure reducer (6) is arranged, characterized in that in the anode path (3) at least one heat exchanger (7) for thermal conditioning of the compressed gas tank (2) removed hydrogen is arranged.
8. Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeübertrager (7) stromaufwärts des Druckminderers (6) im Anodenpfad (3) angeordnet ist. 8. Fuel cell system (1) according to claim 7, characterized in that the heat exchanger (7) is arranged upstream of the pressure reducer (6) in the anode path (3).
9. Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeübertrager (7) stromabwärts des Druckminderers (6) im Anodenpfad (3) angeordnet ist. 9. Fuel cell system (1) according to claim 7 or 8, characterized in that the heat exchanger (7) is arranged downstream of the pressure reducer (6) in the anode path (3).
10. Brennstoffzellensystem (1) nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeübertrager (7) als passiver Wärmeübertrager ausgeführt ist. 10. Fuel cell system (1) according to any one of claims 7 to 9, characterized in that the heat exchanger (7) is designed as a passive heat exchanger.
11. Brennstoffzellensystem (1) nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeübertrager (7) als aktiver Wärmeübertrager ausgeführt ist. 11. Fuel cell system (1) according to any one of claims 7 to 10, characterized in that the heat exchanger (7) is designed as an active heat exchanger.
12. Brennstoffzellensystem (1) nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeübertrager (7) als Wärmepumpe ausgeführt ist. 12. Fuel cell system (1) according to any one of claims 7 to 11, characterized in that the heat exchanger (7) is designed as a heat pump.
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