DE102015005837A1

DE102015005837A1 - The fuel cell system

Info

Publication number: DE102015005837A1
Application number: DE102015005837.1A
Authority: DE
Inventors: Ralf Nüßle
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Cellcentric GmbH and Co KG
Priority date: 2015-05-06
Filing date: 2015-05-06
Publication date: 2016-11-10

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem (1) mit wenigstes einer Brennstoffzelle (2) mit einem Anodenraum (3) und einem Kathodenraum (4), wobei Abgas aus dem Anodenraum (3) über einen Anodenkreislauf (11) mit wenigstens einer Rezirkulationsfördereinrichtung (14, 14a, 14b) zum Eingang des Anodenraums (3) zurückführbar ist, mit einem Rezirkulationsgebläse (14a) als Rezirkulationsfördereinrichtung (14), welches in Triebverbindung mit einem Expander (15) zum Entspannen von unter Druck stehendem dem Anodenraum (3) zugeführten Wasserstoff steht. Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem ist dadurch gekennzeichnet, dass eine Bypassleitung (21) für den Wasserstoff um den Expander (15) vorgesehen ist.The invention relates to a fuel cell system (1) having at least one fuel cell (2) with an anode space (3) and a cathode space (4), wherein exhaust gas from the anode space (3) via an anode circuit (11) with at least one recirculation conveyor (14, 14a , 14b) to the input of the anode compartment (3) is traceable, with a Rezirkulationsgebläse (14a) as Rezirkulationsfördereinrichtung (14), which is in drive connection with an expander (15) for releasing pressurized hydrogen supplied to the anode compartment (3). The fuel cell system according to the invention is characterized in that a bypass line (21) for the hydrogen is provided around the expander (15).

Description

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem mit wenigstens einer Brennstoffzelle nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.The invention relates to a fuel cell system with at least one fuel cell according to the closer defined in the preamble of claim 1.

Ein gattungsgemäßes Brennstoffzellensystem ist in der DE 10 2006 003 799 A1 der Anmelderin beschrieben. Das dort beschriebene Brennstoffzellensystem weist einen sogenannten Anodenkreislauf auf, in welchem über eine Rezirkulationsleitung Abgas aus einem Anodenraum einer Brennstoffzelle zum Eingang des Anodenraums zurückgeführt wird. Dort wird das Abgas, typischerweise vermischt mit frischem Wasserstoff, dem Anodenraum erneut zugeführt. Um den Energieaufwand für die Rezirkulation des Abgases zu minimieren, sind aus dem allgemeinen Stand der Technik bereits Gasstrahlpumpen anstelle von elektrischen Gebläsen bekannt. In der gattungsgemäßen Schrift ist, gegebenenfalls ergänzend zu einer solchen Gasstrahlpumpe, eine Expansionseinrichtung beschrieben, welche durch den unter Druck stehenden Wasserstoff aus einem Druckgasspeicher angetrieben wird. Diese Expansionseinrichtung, welche beispielsweise als Turbine ausgebildet sein kann, treibt dann eine Rezirkulationsfördereinrichtung in Form eines Gebläses für das Abgas in dem Anodenkreislauf an. Einer der Vorteile ist dabei, dass der Aufbau beispielsweise als einfacher Aufbau in der Art eines Turboladers realisiert werden kann. Er steht lediglich mit Wasserstoff in Verbindung, sodass die Abdichtung zwischen der Turbinenseite und der Verdichterseite des Wasserstoffrezirkulationsgebläses keine so entscheidende Rolle spielt.A generic fuel cell system is in the DE 10 2006 003 799 A1 the applicant described. The fuel cell system described there has a so-called anode circuit in which exhaust gas is recirculated from an anode chamber of a fuel cell to the inlet of the anode chamber via a recirculation line. There, the exhaust gas, typically mixed with fresh hydrogen, is supplied to the anode space again. In order to minimize the energy expenditure for the recirculation of the exhaust gas, gas jet pumps instead of electric fans are already known from the general state of the art. In the generic document, optionally in addition to such a gas jet pump, an expansion device is described, which is driven by the pressurized hydrogen from a compressed gas storage. This expansion device, which may for example be designed as a turbine, then drives a recirculation conveyor in the form of a blower for the exhaust gas in the anode circuit. One of the advantages is that the structure can be realized for example as a simple structure in the manner of a turbocharger. It only communicates with hydrogen, so sealing between the turbine side and the compressor side of the hydrogen recirculation fan is not as crucial.

Der Nachteil des Aufbaus aus dem gattungsgemäßen Stand der Technik liegt in einer eher schlechten Regelbarkeit für die Rezirkulationsrate des Abgases. In der gattungsgemäßen Schrift sind hierfür zwar Möglichkeiten vorgeschlagen. Soll die Regelung jedoch unabhängig vom zugeführten Volumenstrom an Wasserstoff erfolgen, beispielsweise bei großem zugeführtem Volumenstrom an Wasserstoff entsprechend klein sein, dann muss über eine Bypassleitung um die Brennstoffzelle ein Teil der bei der Entspannung anfallenden Energie „vernichtet” werden. Dies stellt einen nicht unerheblichen Nachteil dar. Als Alternative kann eine elektrische Maschine mit eingebaut werden. Dabei ist ein Aufbau mit einer elektrischen Maschine hinsichtlich der Abdichtung und der Explosionssicherheit beim Einsatz in Wasserstoff außerordentlich aufwändig und komplex.The disadvantage of the structure of the generic prior art is a rather poor controllability for the recirculation rate of the exhaust gas. Although in the generic document possibilities are proposed for this purpose. However, if the regulation is to be carried out independently of the supplied volume flow of hydrogen, for example be correspondingly small in the case of a large volume flow of hydrogen supplied, then a portion of the energy arising during the expansion must be "destroyed" via a bypass line around the fuel cell. This represents a not insignificant disadvantage. As an alternative, an electric machine can be installed. In this case, a construction with an electrical machine with regard to sealing and explosion safety when used in hydrogen is extremely complex and complex.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht nun darin, ein Brennstoffzellensystem anzugeben, welches entsprechend dem gattungsgemäßen Brennstoffzellensystem ausgebildet ist, und welches in der Art weitergebildet ist, dass es die genannten Nachteile vermeidet.The object of the present invention is now to provide a fuel cell system which is designed according to the generic fuel cell system, and which is developed in the way that it avoids the disadvantages mentioned.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen im Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen.This object is achieved by a fuel cell system having the features in claim 1. Advantageous embodiments and further developments emerge from the subclaims dependent thereon.

Bei dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem ist es vorgesehen, dass eine Bypassleitung für den Wasserstoff um den Expander, beispielsweise eine Turbine, ausgebildet ist. Hierdurch ist es möglich, Wasserstoff am Expander vorbei zur Brennstoffzelle zu fördern. Beim Bedarf einer entsprechend hohen Menge an Wasserstoff mit geringer Rezirkulationsrate kann so nur ein Teil des Wasserstoffs über den Expander strömen und der Rest am Expander vorbei zur Brennstoffzelle. Hierdurch wird eine verbesserte Regelbarkeit erreicht.In the fuel cell system according to the invention, it is provided that a bypass line for the hydrogen is formed around the expander, for example a turbine. This makes it possible to promote hydrogen on the expander over to the fuel cell. When a correspondingly high amount of hydrogen with a low recirculation rate is required, only part of the hydrogen can flow via the expander and the remainder flows past the expander to the fuel cell. As a result, an improved controllability is achieved.

Insbesondere ist es möglich, dass nur ein Teil des Volumenstroms auf den Expander strömt. Da durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Brennstoffzellensystems der restliche benötigte Volumenstrom an Wasserstoff für den jeweiligen Betriebspunkt der Brennstoffzelle über die Bypassleitung an dem Expander vorbeiströmen kann, stellt dies hinsichtlich der Leistungsregelung der Brennstoffzelle keinen Nachteil dar. Gleichzeitig wird es so aber möglich, die Drehzahl des Rezirkulationsgebläses entsprechend zu verändern. Dies erlaubt einen aktiven Regelungseingriff. Insbesondere für den Einsatz mit einer Einzelzellspannungsüberwachung in der Brennstoffzelle ist dies besonders interessant, da nun auf die Ergebnisse der Einzelzellspannungsüberwachung entsprechend reagiert und die Rezirkulationsrate über einen Eingriff auf den Expander und damit mittelbar auf das Rezirkulationsgebläse, geregelt werden kann. Für den Fall, dass einzelne Einzelzellen der Brennstoffzelle in ihrer Zellspannung abfallen, kann beispielsweise die Rezirkulationsrate, unabhängig von der zudosierten Menge an Wasserstoff, erhöht werden. So kann die Ursache für die abfallenden Einzelzellspannungen, welche typischerweise durch Wasseransammlungen innerhalb der Brennstoffzelle und durch das Wasser blockierte gasführende Kanäle verursacht werden, beseitigt werden.In particular, it is possible that only a part of the volume flow flows on the expander. Since the remaining required volume flow of hydrogen for the respective operating point of the fuel cell can flow past the expander via the bypass line due to the inventive design of the fuel cell system, this represents no disadvantage in terms of power control of the fuel cell. At the same time, however, it is possible, the speed of the recirculation fan change accordingly. This allows an active control intervention. This is particularly interesting for use with a single-cell voltage monitoring in the fuel cell since the results of the individual cell voltage monitoring can now be correspondingly reacted and the recirculation rate can be regulated by engaging the expander and thus indirectly with the recirculation fan. In the event that individual individual cells of the fuel cell fall in their cell voltage, for example, the recirculation rate, regardless of the metered amount of hydrogen, can be increased. Thus, the cause of the decaying single cell stresses, which are typically caused by accumulations of water within the fuel cell and water-blocked gas conducting channels, can be eliminated.

Dadurch, dass, vergleichbar wie im Stand der Technik, nur passive Elemente für die Rezirkulation eingesetzt werden, ist diese weiterhin sehr energieeffizient, ermöglicht aber über die beschriebene Bypassleitung eine sehr gute und exakte Regelung der Rezirkulationsrate beispielsweise in Abhängigkeit der Werte der angesprochenen Einzelzellspannungsüberwachung. Andere Möglichkeiten und andere Steuerungs- bzw. Regelgrößen zur Beeinflussung der Rezirkulationsrate lassen sich selbstverständlich ebenso umsetzen, sodass insgesamt ein hoch effizientes und dabei sehr flexibles und hinsichtlich der zu erzielenden Leistungsfähigkeit der Brennstoffzelle ideal zu regelndes Brennstoffzellensystem darstellbar ist.The fact that, as in the prior art, only passive elements are used for recirculation, this is still very energy efficient, but allows the described bypass line a very good and accurate control of the recirculation rate, for example, depending on the values of the addressed single cell voltage monitoring. Of course, other possibilities and other control variables for influencing the recirculation rate can also be implemented, so that overall a highly efficient and at the same time very flexible and with regard to the performance to be achieved Fuel cell ideal to be regulated fuel cell system can be displayed.

Ein weiterer entscheidender Vorteil, welcher mit dieser Möglichkeit der aktiven Regelung einhergeht, liegt nun darin, dass letzten Endes auch die Brennstoffzelle selbst einfacher und kostengünstiger ausgeführt werden kann. Insbesondere durch das Erkennen und Beseitigen von schädlichen Betriebszuständen, wie beispielsweise die oben beschriebene Wasserblockade, welche nach dem Abstellen des Brennstoffzellensystems auch zu einer Eisblockade führen kann, wenn die Umgebungstemperaturen unterhalb des Gefrierpunkts liegen, kann so vermieden werden. Dadurch ergibt sich das angesprochene Kosteneinsparungspotenzial im Bereich der Brennstoffzelle selbst, da hier der Anteil an Katalysatorbestandteilen, welche eine Spannungsumkehr in den Einzelzellen des Brennstoffzellenstapels tolerieren würden, entsprechend verringert werden kann, was zu einem erheblichen Kostenvorteil führt.Another decisive advantage, which goes hand in hand with this possibility of active control, lies in the fact that ultimately the fuel cell itself can be made simpler and less expensive. In particular, by detecting and eliminating harmful operating conditions, such as the above-described water blockage, which can also lead to an ice blockage after the shutdown of the fuel cell system when the ambient temperatures are below freezing, can be avoided. This results in the mentioned cost-saving potential in the area of the fuel cell itself, since here the proportion of catalyst components which would tolerate a voltage reversal in the individual cells of the fuel cell stack can be correspondingly reduced, which leads to a considerable cost advantage.

Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass eine aktive Regelung der Feuchte der Brennstoffzelle über die aktive Regelung der Rezirkulation des Anodenabgases erfolgen kann. Das Anodenabgas hat immer auch einen Teil der in der Brennstoffzelle entstehenden Produktfeuchte in sich. Wird nun eine erhöhte Befeuchtung der Brennstoffzelle gewünscht, dann kann dies über eine erhöhte Rezirkulationsrate erzielt werden. Für das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem ist dies möglich, ohne dass hierfür die Menge an zudosiertem Wasserstoff verändert werden muss, da der Ausgleich entsprechend über die Bypassleitung erfolgen kann. Diese Möglichkeit kann dann wiederum zu weiteren Einsparungen innerhalb des gesamten Brennstoffzellensystems führen, da beispielsweise die zu installierende Befeuchterfläche auf der Kathodenseite entsprechend verringert oder gegebenenfalls der Befeuchter sogar komplett eingespart werden kann. Dies wiederum hat erhebliche Vorteile hinsichtlich der Kosten, des Gewichts und des Bauraums.Another advantage is that active regulation of the humidity of the fuel cell can take place via the active regulation of the recirculation of the anode exhaust gas. The anode exhaust gas always has a part of the product moisture arising in the fuel cell. If now an increased humidification of the fuel cell is desired, then this can be achieved via an increased recirculation rate. For the fuel cell system according to the invention, this is possible without having to change the amount of metered hydrogen for this, since the compensation can be carried out correspondingly via the bypass line. This possibility can in turn lead to further savings within the entire fuel cell system, since, for example, the humidifier surface to be installed on the cathode side can be correspondingly reduced or, if appropriate, the humidifier can even be completely saved. This in turn has significant advantages in terms of cost, weight and space.

In der Bypassleitung kann dabei gemäß vorteilhafter Weiterbildungen der Erfindung entweder eine Drossel oder eine Gasstrahlpumpe zum Ansaugen eines Teils des Abgases aus dem Anodenraum vorgesehen sein. Der Aufbau nutzt also eine Gasstrahlpumpe oder eine Drossel, um den in der Bypassleitung strömenden Wasserstoff in seinem Druck vergleichbar zu reduzieren, wie es parallel dazu im Expander erfolgt. Hierdurch wird eine zuverlässige Durchströmung des Aufbaus erzielt und der Druck des Wasserstoffs beim Einströmen in die Brennstoffzelle entsprechend ergänzt. Bei der Variante mit der Gasstrahlpumpe kann hier zusätzlich Energie für die Förderung wie beispielweise eines Grundlaststroms von Wasserstoff bereitgestellt werden, während die Regelung der gesamten rezirkulierten Menge an Abgas dann über eine entsprechende Anströmung des Expanders mit Wasserstoff erfolgt. Um eine ideale Regelung zu erreichen, kann es dabei gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Idee vorgesehen sein, dass Ventileinrichtungen zur Beeinflussung der Durchströmung des Expanders und/oder der Bypassleitung vorhanden sind. Über eine oder mehrere derartige Ventileinrichtungen kann insbesondere die Durchströmung der Bypassleitung einerseits und des Expanders andererseits in der gewünschten Art und Weise eingestellt werden, sodass einerseits die benötigte Menge an Wasserstoff im Anodenraum der Brennstoffzelle ankommt und andererseits die gewünschte Rezirkulationsrate eingestellt werden kann.In the bypass line can be provided according to advantageous developments of the invention, either a throttle or a gas jet pump for sucking a portion of the exhaust gas from the anode compartment. The structure thus uses a gas jet pump or a throttle in order to reduce the hydrogen flowing in the bypass line comparable in its pressure, as it takes place in parallel in the expander. As a result, a reliable flow through the structure is achieved and the pressure of the hydrogen as it flows into the fuel cell complements accordingly. In the variant with the gas jet pump, additional energy for the delivery, such as, for example, a base load flow of hydrogen can be provided here, while the regulation of the total recirculated amount of exhaust gas then takes place via a corresponding flow of the expander with hydrogen. In order to achieve an ideal control, it may be provided according to an advantageous development of the idea according to the invention that valve devices for influencing the flow through the expander and / or the bypass line are present. In particular, the flow through the bypass line on the one hand and the expander on the other hand in the desired manner can be adjusted via one or more such valve devices, so that on the one hand the required amount of hydrogen arrives in the anode compartment of the fuel cell and on the other hand, the desired recirculation rate can be adjusted.

Eine zusätzliche sehr vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems sieht es dabei ferner vor, dass der Expander und die Bypassleitung in Strömungsrichtung des Wasserstoffs aus einem Druckgasspeicher nach einem Druckminderer angeordnet sind. Anders als beim Aufbau im gattungsgemäßen Stand der Technik wird also nicht der gesamte Druck in dem Expander bzw. der Drossel und der Gasstrahlpumpe in der Bypassleitung abgebaut, sondern der Aufbau ist nach einem Druckminderer, beispielweise auf einem mittleren Druckniveau, angeordnet. Dies hat den entscheidenden Vorteil, dass die Komponenten nicht den hohen Druck, wie er im Gastank selbst vorliegt, beispielsweise ein Nenndruck von 70 MPa, aushalten müssen. Andererseits besteht die Möglichkeit, hier über die Bypassleitung, ohne dass Gasstrahlpumpe und Drossel so ausgebildet sein müssen, dass sie einen sehr hohen Druck sehr stark heruntersetzen. Dies macht den Aufbau besonders effizient und hinsichtlich der Regelung einfach.An additional very advantageous development of the fuel cell system according to the invention, it also provides that the expander and the bypass line are arranged in the flow direction of the hydrogen from a compressed gas storage after a pressure reducer. Unlike the structure in the generic state of the art, therefore, not the entire pressure in the expander or the throttle and the gas jet pump in the bypass line is reduced, but the structure is arranged after a pressure reducer, for example at a medium pressure level. This has the decisive advantage that the components do not have to withstand the high pressure which is present in the gas tank itself, for example a nominal pressure of 70 MPa. On the other hand, there is the possibility here via the bypass line, without the gas jet pump and throttle must be designed so that they very high pressure drop very high. This makes the structure particularly efficient and easy in terms of control.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems kann es dabei, ähnlich wie im Stand der Technik, vorgesehen sein, dass die Turbine und das Rezirkulationsgebläse auf einer Welle angeordnet sind, welche eine Wasserstofflagerung aufweist. Ähnlich wie im gattungsgemäßen Stand der Technik wird der Wasserstoffstrom für die Lagerung vor dem Expander, und hier der Bypassleitung, aus dem Wasserstoffstrom abgezweigt. Gemäß der vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung strömt der Wasserstoff nach der Lagerung dann direkt in den Anodenkreislauf und kann so effizient genutzt und dem Anodenraum der Brennstoffzelle mit zugeführt werden.According to a further embodiment of the fuel cell system according to the invention, it may be provided, similar to the prior art, that the turbine and the recirculation fan are arranged on a shaft which has a hydrogen storage. Similar to the generic state of the art, the hydrogen stream for the storage before the expander, and here the bypass line, is branched off from the hydrogen stream. According to the advantageous development of the invention, the hydrogen then flows directly into the anode circuit after storage and can thus be used efficiently and supplied to the anode compartment of the fuel cell.

Hierfür kann es gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung vorgesehen sein, dass der Wasserstoffstrom für die Lagerung nach der Lagerung zwischen dem Rezirkulationsgebläse und dem Anodenraum in den Anodenkreislauf einströmt.For this purpose, it can be provided according to an advantageous development that the hydrogen flow flows into the anode circuit for storage after storage between the recirculation fan and the anode compartment.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Idee ergeben sich ferner aus den beiden Ausführungsbeispielen, welche nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben sind. Further advantageous embodiments of the idea will be apparent from the two embodiments, which are described below with reference to the figures.

Dabei zeigen:Showing:

1 die Anodenseite eines prinzipmäßig angedeuteten Brennstoffzellensystems in einer ersten Ausführungsform der Erfindung; und 1 the anode side of a fuel cell system indicated in principle in a first embodiment of the invention; and

2 die Anodenseite in einer alternativen Ausführungsform gemäß der Erfindung. 2 the anode side in an alternative embodiment according to the invention.

In der Darstellung der 1 ist die Anodenseite eines in seiner Gesamtheit nicht dargestellten Brennstoffzellensystems 1 zu erkennen. Das Brennstoffzellensystem 1 soll dabei vorzugsweise in einem nicht dargestellten Fahrzeug zum Einsatz kommen, um in diesem elektrische Antriebsleistung bereitzustellen. Den Kern des Brennstoffzellensystems 1 bildet eine Brennstoffzelle 2. Diese Brennstoffzelle 2 wird typischerweise als Stapel von Einzelzellen aufgebaut sein. Die Einzelzellen können beispielsweise in PEM-Technologie realisiert sein. Jede der Einzelzellen weist dabei einen Anodenbereich und einen Kathodenbereich auf, welche benachbart zu einer protonenleitenden Membran, welche auch als Polymerelektrolytmembran bezeichnet wird, angeordnet sind. Beispielhaft ist in der Darstellung der 1 ein gemeinsamer Anodenraum 3 sowie ein gemeinsamer Kathodenraum 4 gezeigt. Typischerweise sind zwischen den Einzelzellen entsprechende Räume zur Durchströmung der Brennstoffzelle 2 mit Kühlmittel angeordnet. Beispielhaft ist in der Darstellung der 1 ein solcher Kühlwärmetauscher 5 angedeutet. Im weiteren Verlauf der Beschreibung wird dabei ausschließlich auf die Anodenseite des Brennstoffzellensystems 1 eingegangen, die Kathodenseite kann beispielsweise in an sich bekannter Art und Weise aufgebaut sein. Dies spielt für die hier vorliegende Erfindung eine untergeordnete Rolle, sodass auf diesen dem Fachmann bekannten auf Aufbau nicht weiter eingegangen wird.In the presentation of the 1 is the anode side of a fuel cell system, not shown in its entirety 1 to recognize. The fuel cell system 1 should preferably be used in a vehicle, not shown, to provide in this electric drive power. The core of the fuel cell system 1 forms a fuel cell 2 , This fuel cell 2 will typically be constructed as a stack of single cells. The individual cells can be realized for example in PEM technology. Each of the individual cells in this case has an anode region and a cathode region, which are arranged adjacent to a proton-conducting membrane, which is also referred to as a polymer electrolyte membrane. An example is in the representation of 1 a common anode space 3 and a common cathode compartment 4 shown. Typically, between the individual cells corresponding spaces for flow through the fuel cell 2 arranged with coolant. An example is in the representation of 1 such a cooling heat exchanger 5 indicated. In the further course of the description is thereby exclusively on the anode side of the fuel cell system 1 received, the cathode side can be constructed, for example, in a conventional manner. This plays a subordinate role for the present invention, so that it will not be discussed further on this construction known to the person skilled in the art.

Die Anodenseite des Brennstoffzellensystems 1 wird aus einem Wasserstofftank mit Wasserstoff versorgt. Der Wasserstofftank, insbesondere, wenn er in einem Fahrzeug eingesetzt ist, besteht dabei typischerweise aus einem oder vorzugsweise mehreren Druckgasspeichern 6, welche jeweils mit einem Tankventil 7, dem sogenannten OTV (On Tank Valve) ausgestattet sind. In der Darstellung der 1 ist beispielhaft einer der Druckgasspeicher 6 mit seinem OTV 7 dargestellt. Der Wasserstoff gelangt über das OTV 7 zu einem mit 8 bezeichneten Druckminderer, welcher den Tankdruck, welcher beispielsweise bei einem Nenndruck von 70 MPa liegt, auf ein mittleres Druckniveau von beispielsweise ca. 2 MPa reduziert. Der Wasserstoff durchströmt dann ein im Betrieb der Brennstoffzelle 2 typischerweise geöffnetes Systemabsperrventil 9. Anschließend gelangt der Wasserstoff in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel über verschiedene, später noch näher beschriebene Wege, in den Anodenraum 3 und kann dort mit dem Kathodenraum 4 zugeführter Luft bzw. dem Sauerstoff in dieser Luft in der gewünschten Art und Weise umgesetzt werden. Nicht verbrauchter Wasserstoff gelangt zusammen mit im Anodenraum 3 entstandener Produktfeuchte und Inertgasen, welche einerseits durch die Membranen diffundieren und andererseits in dem Wasserstoff, welcher in dem Druckgasspeicher 6 bevorratet wird, vorhanden sind, aus dem Anodenraum 3. Über eine Rezirkulationsleitung 10 wird dieses Abgas in dem sogenannten Anodenkreislauf 11 zum Eingang des Anodenraums 3 zurückgeführt und wird vermischt mit dem frischen Wasserstoff dem Anodenraum 3 erneut zugeführt. Da sich in dem Anodenkreislauf 11 mit der Zeit inerte Gase und Wasser anreichern, ist typischerweise ein hier nicht dargestellter Wasserabscheider in der Rezirkulationsleitung 10 vorgesehen. In jedem Fall ist in dem Anodenkreislauf 11 eine Abblasleitung 12 mit einem Abblasventil 13 vorgesehen, über welches in geöffnetem Zustand Gas und/oder Wasser aus dem Anodenkreislauf 11 abgeblasen werden kann. Hierdurch gelangen die inerten Gase in die Umgebung, sodass anschließend die Wasserstoffkonzentration in dem Anodenkreislauf 11 wieder ansteigen kann. Dies ist soweit aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt.The anode side of the fuel cell system 1 is supplied with hydrogen from a hydrogen tank. The hydrogen tank, in particular when used in a vehicle, typically consists of one or more compressed gas reservoirs 6 , each with a tank valve 7 , the so-called OTV (On Tank Valve) are equipped. In the presentation of the 1 is an example of one of the compressed gas storage 6 with his OTV 7 shown. The hydrogen passes over the OTV 7 to one with 8th designated pressure reducer, which reduces the tank pressure, which is for example at a nominal pressure of 70 MPa, to an average pressure level of, for example, about 2 MPa. The hydrogen then flows through during operation of the fuel cell 2 typically open system shut-off valve 9 , Subsequently, in the exemplary embodiment shown here, the hydrogen reaches the anode space via various paths, which will be described in more detail later 3 and can there with the cathode compartment 4 supplied air or the oxygen in this air are converted in the desired manner. Unconsumed hydrogen gets along with in the anode compartment 3 resulting product moisture and inert gases which diffuse on the one hand through the membranes and on the other hand in the hydrogen, which in the compressed gas storage 6 is stored, are present, from the anode compartment 3 , Via a recirculation line 10 This exhaust gas is in the so-called anode circuit 11 to the entrance of the anode compartment 3 recycled and is mixed with the fresh hydrogen to the anode compartment 3 fed again. Because in the anode circuit 11 Over time, enriching inert gases and water is typically a water trap, not shown here, in the recirculation line 10 intended. In any case, in the anode cycle 11 a blow-off line 12 with a blow-off valve 13 provided, via which in the open state gas and / or water from the anode circuit 11 can be blown off. As a result, the inert gases enter the environment, so that subsequently the hydrogen concentration in the anode circuit 11 can rise again. This is known from the general state of the art.

Um die Druckverluste des Wasserstoffs sowohl in der Rezirkulationsleitung 10 als auch in den gasführenden Kanälen des Anodenraums 3 auszugleichen, weist der Anodenkreislauf 11 eine Rezirkulationsfördereinrichtung 14 auf. Die Rezirkulationsfördereinrichtung 14 im Beispiel der 1 wird durch ein Rezirkulationsgebläse 14a ausgebildet.To the pressure losses of the hydrogen in both the recirculation line 10 as well as in the gas-carrying channels of the anode compartment 3 balance, has the anode circuit 11 a recirculation conveyor fourteen on. The recirculation conveyor fourteen in the example of 1 is through a recirculation fan 14a educated.

Anstelle eines herkömmlichen elektrischen Antriebs des Rezirkulationsgebläses 14a ist in dem hier dargestellten Aufbau in direkter Verbindung zu dem Rezirkulationsgebläse 14a ein Expander 15, beispielsweise in Form einer Turbine, zusammen mit dem Rezirkulationsgebläse 14a auf einer gemeinsamen Welle 16 angeordnet. Dieser Aufbau, welcher im Wesentlichen einem Turbolader entsprechen kann, ist dabei über ein Gaslager 17 im Bereich seiner Welle 16 gelagert. Um das Gaslager 17 mit dem Wasserstoff im Betrieb des Rezirkulationsgebläses 14a zu betreiben, wird Wasserstoff nach dem Systemabsperrventil 9 aus dem Wasserstoffstrom über eine Lagerleitung 18 abgezweigt und durchströmt das Gaslager 17. Über einen weiteren Teil der Lagerleitung 18 nach dem Gaslager 17 strömt dieser Wasserstoff dann in den Anodenkreislauf 11, und zwar idealerweise in Strömungsrichtung zwischen dem Rezirkulationsgebläse 14a und dem Anodenraum 3 ein. Zum Antrieb des Expanders 15 dient nun auch Wasserstoff, welcher nach dem Systemabsperrventil 9 über eine mit 19 bezeichnete Wasserstoffleitung über den Expander 15 in den Anodenkreislauf 11 und damit zum Anodenraum 3 strömt. Der zur Erzeugung von elektrischer Leistung in die Brennstoffzelle 2 dosierte Wasserstoff, welcher aufgrund seiner Speicherung in dem Druckgasspeicher 6, auch nach dem Druckminderer 8, noch eine vergleichsweise hohe Druckenergie aufweist, wird also genutzt, um in Expander 15 entspannt zu werden, wodurch sich der Druck auf den für die Brennstoffzelle 2 passenden Druck absenkt. Typischerweise wird der Vordruck vor dem Expander 15 ca. 2 MPa betragen. Nach dem Expander 15 sind Drücke in der Größenordnung von weniger als 0,3 MPa üblich, sodass eine ausreichend hohe Druckdifferenz in dem Expander 15 zum Antreiben des Rezirkulationsgebläses 14a auftritt. Über ein Regelventil 20 in der Wasserstoffleitung 19 kann dabei die Wasserstoffmenge, welche durch den Expander 15 strömt, sehr fein eingestellt werden. Hierdurch ist beispielsweise eine Regelung in Abhängigkeit verschiedener in dem Brennstoffzellensystem 1 gemessener Größen, beispielsweise in Abhängigkeit von Messwerten einer Einzelzellspannungsüberwachung der Brennstoffzelle 2, in der oben beschriebenen Art möglich. Wird aufgrund der Regelung des Rezirkulationsgebläses 14a über den Expander 15 weniger Wasserstoff zum Anodenraum 3 der Brennstoffzelle 2 geführt, als in dem benötigten Lastpunkt notwendig ist, dann kann die zusätzliche erforderliche Wasserstoffmenge über eine Bypassleitung 21 am Expander 15 vorbei zum Anodenraum 3 der Brennstoffzelle 2 strömen. Auch hier befindet sich ein Regelventil 22 in der Bypassleitung 21, um eine entsprechende Regelung des Volumenstroms bzw. eine entsprechende Aufteilung des Wasserstoffstroms auf die Wasserstoffleitung 19 mit dem Expander 15 einerseits und die Bypassleitung 21 andererseits zu gewährleisten. In der Bypassleitung 21 ist außerdem in dem Ausführungsbeispiel der 1 eine Drossel 23 angeordnet, um auch hier den Druck auf ein für den Anodenraum 3 bzw. die Brennstoffzelle 2 verträgliches Druckniveau zu reduzieren.Instead of a conventional electric drive of the recirculation fan 14a is in direct connection to the recirculation fan in the structure shown here 14a an expander 15 , for example in the form of a turbine, together with the recirculation fan 14a on a common wave 16 arranged. This structure, which can essentially correspond to a turbocharger, is via a gas bearing 17 in the field of his wave 16 stored. To the gas warehouse 17 with the hydrogen in the operation of the recirculation fan 14a to operate, hydrogen is after the Systemabsperrventil 9 from the hydrogen stream via a bearing line 18 diverted and flows through the gas bearing 17 , About another part of the camp management 18 after the gas warehouse 17 then this hydrogen flows into the anode circuit 11 , ideally in the flow direction between the recirculation fan 14a and the anode compartment 3 one. To drive the expander 15 serves now too Hydrogen, which after the system shut-off valve 9 about one with 19 designated hydrogen line via the expander 15 in the anode circuit 11 and thus to the anode space 3 flows. The for generating electrical power in the fuel cell 2 metered hydrogen, which due to its storage in the compressed gas storage 6 , even after the pressure reducer 8th , still has a comparatively high pressure energy, is thus used to expand in 15 to be relaxed, thereby increasing the pressure on the fuel cell 2 lowers the appropriate pressure. Typically, the pre-pressure is before the expander 15 about 2 MPa. After the expander 15 pressures in the order of less than 0.3 MPa are common, so that a sufficiently high pressure difference in the expander 15 for driving the recirculation fan 14a occurs. Via a control valve 20 in the hydrogen line 19 can thereby the amount of hydrogen, which through the expander 15 flows, be very finely adjusted. As a result, for example, a regulation as a function of different in the fuel cell system 1 measured variables, for example, as a function of measured values of a single cell voltage monitoring of the fuel cell 2 , possible in the manner described above. Is due to the regulation of the recirculation fan 14a over the expander 15 less hydrogen to the anode compartment 3 the fuel cell 2 guided, as is necessary in the required load point, then the additional required amount of hydrogen via a bypass line 21 on the expander 15 over to the anode room 3 the fuel cell 2 stream. Also here is a control valve 22 in the bypass line 21 to a corresponding control of the volume flow or a corresponding division of the hydrogen flow to the hydrogen line 19 with the expander 15 on the one hand and the bypass line 21 on the other hand. In the bypass line 21 is also in the embodiment of 1 a throttle 23 arranged here too the pressure on one for the anode compartment 3 or the fuel cell 2 to reduce tolerated pressure level.

Eine Ausführungsform der Anodenseite des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems 1 in einer alternativen Ausführungsvariante ist in der 2 dargestellt. Auf die Darstellung der Wasserstoffversorgung bis einschließlich des Systemabsperrventils 9 wurde dabei verzichtet. Alle weiteren Komponenten, welche so auch in 1 vorhanden sind, wurden mit denselben Bezugszeichen versehen und haben dieselbe Funktionalität. Der Unterschied besteht nun darin, dass in der Bypassleitung 21 anstelle der Drossel 23 eine Gasstrahlpumpe 14b als weiterer Teil der Rezirkulationsfördereinrichtung 14 angeordnet ist. Diese Gasstrahlpumpe 14b ist über eine Zweigleitung der Rezirkulationsleitung 10, welche nachfolgend mit 10' bezeichnet ist, mit der Rezirkulationsleitung 10 bzw. dem Ausgang des Anodenraums 3 verbunden. Über den durch die Bypassleitung 21 strömenden Volumenstrom als Treibgasstrom wird in der Gasstrahlpumpe 14a durch Unterdruck- und Impulsaustauscheffekte ein Teil des Anodenabgases aus der Zweigleitung 10' der Rezirkulationsleitung 10 angesaugt. Parallel und unterstützend zu dem Rezirkulationsgebläse 14a als anderer Teil der Rezirkulationsfördereinrichtung 14 wird also auch durch die Gasstrahlpumpe 14b die Rezirkulation mit unterstützt. Hier wird sich ein entsprechend dem Volumenstrom durch die Bypassleitung 21 konstanter Rezirkulationsstrom einstellen, welcher jedoch an sich bekannt bzw. in Abhängigkeit des über das Regelventil 22 in der Bypassleitung 21 eingestellten Volumenstrom bekannt ist. Dementsprechend kann bei der Regelung des Rezirkulationsgebläses 14 über den Volumenstrom in der Wasserstoffleitung 19 und damit die Drehzahl des Expanders 15 dies mit berücksichtigt werden, sodass auch hier die Regelbarkeit in ähnlichem Maß gegeben ist wie bei dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel. Anstelle der im Bereich der Drossel 23 „vernichteten” Druckenergie in dem Wasserstoffstrom durch die Bypassleitung 21 wird diese Energie zumindest teilweise in der Gasstrahlpumpe 14b genutzt. Darüber hinaus wäre es selbstverständlich auch denkbar, die in 1 und 2 dargestellten Aufbauten untereinander zu kombinieren, also um die Gasstrahlpumpe 14b in der Bypassleitung 21 einen weiteren Bypass in dem in 1 beschriebenen Sinne vorzusehen.An embodiment of the anode side of the fuel cell system according to the invention 1 in an alternative embodiment is in the 2 shown. On the representation of the hydrogen supply up to and including the system shut-off valve 9 was omitted. All other components, which are also in 1 are present, have been given the same reference numerals and have the same functionality. The difference now is that in the bypass line 21 instead of the throttle 23 a gas jet pump 14b as a further part of the recirculation conveyor fourteen is arranged. This gas jet pump 14b is via a branch line of the recirculation line 10 , which subsequently with 10 ' is designated, with the recirculation line 10 or the output of the anode compartment 3 connected. About the through the bypass line 21 flowing volume flow as propellant gas flow is in the gas jet pump 14a by vacuum and momentum exchange effects a part of the anode exhaust gas from the branch line 10 ' the recirculation line 10 sucked. Parallel and supportive to the recirculation fan 14a as another part of the recirculation conveyor fourteen So it is also through the gas jet pump 14b the recirculation with supports. Here is a corresponding to the flow through the bypass line 21 Set constant recirculation flow, which, however, known per se or as a function of the control valve 22 in the bypass line 21 set volume flow is known. Accordingly, in the regulation of the recirculation fan fourteen via the volume flow in the hydrogen line 19 and thus the speed of the expander 15 This should be taken into account, so that here too the controllability is given to a similar extent as in the embodiment described above. Instead of in the area of the throttle 23 "Annihilated" pressure energy in the hydrogen flow through the bypass line 21 This energy is at least partially in the gas jet pump 14b used. In addition, it would of course also be conceivable that in 1 and 2 assemblies to be combined with each other, ie to the gas jet pump 14b in the bypass line 21 another bypass in the in 1 to be provided.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 102006003799 A1 [0002]

Claims

Fuel cell system ( 1 ) with at least one fuel cell ( 2 ) with an anode space ( 3 ) and a cathode compartment ( 4 ), wherein exhaust gas from the anode compartment ( 3 ) via an anode circuit ( 11 ) with at least one recirculation conveyor ( fourteen . 14a . 14b ) to the entrance of the anode compartment ( 3 ) is traceable, with a recirculation fan ( 14a ) as a recirculation conveyor ( fourteen ), which in drive connection with an expander ( 15 ) for depressurization of the anode space ( 3 ) supplied hydrogen, characterized in that a bypass line ( 21 ) for the hydrogen around the expander ( 15 ) is provided.

Fuel cell system ( 1 ) according to claim 1, characterized in that the bypass line ( 21 ) a throttle ( 23 ) having.

Fuel cell system ( 1 ) according to claim 1 or 2, characterized in that the bypass line ( 21 ) a gas jet pump ( 14b ) as a further part of the recirculation conveyor ( fourteen ) having.

Fuel cell system ( 1 ) according to claim 1, 2 or 3, characterized in that at least one valve device ( 20 . 22 ) for influencing the flow through the expander ( 15 ) and / or the bypass line ( 21 ) is provided.

Fuel cell system ( 1 ) according to one of claims 1 to 4, characterized in that the expander ( 15 ) and the bypass line ( 21 ) in the flow direction of the hydrogen from a compressed gas storage ( 6 ) after a pressure reducer ( 7 ) are arranged.

Fuel cell system ( 1 ) according to one of claims 1 to 5, characterized in that the expander ( 15 ) is designed as a turbine.

Fuel cell system ( 1 ) according to one of claims 1 to 6, characterized in that the expander ( 15 ) and the recirculation fan ( 14a ) on a wave ( 16 ) are arranged, which a hydrogen storage ( 17 ), wherein the hydrogen stream for storage ( 17 ) in front of the expander ( 15 ) and the bypass line ( 21 ) branches off from the hydrogen stream, and wherein the hydrogen for storage ( 17 ) after storage ( 17 ) into the anode circuit ( 11 ) flows.

Fuel cell system ( 1 ) according to claim 7, characterized in that the hydrogen stream for storage ( 17 ) after the recirculation fan ( 14a ) and in front of the anode compartment ( 3 ) into the anode circuit ( 11 ) flows.