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DE102015117055B4 - Stack housing ventilation, fuel cell system and vehicle - Google Patents

Stack housing ventilation, fuel cell system and vehicle Download PDF

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DE102015117055B4
DE102015117055B4 DE102015117055.8A DE102015117055A DE102015117055B4 DE 102015117055 B4 DE102015117055 B4 DE 102015117055B4 DE 102015117055 A DE102015117055 A DE 102015117055A DE 102015117055 B4 DE102015117055 B4 DE 102015117055B4
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stack housing
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Volkswagen AG
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Abstract

Stapelgehäuse-Belüftung (50) für eine Brennstoffzelle (10) eines Brennstoffzellensystems (1) mit einer durch ein Stapelgehäuse (16) der Brennstoffzelle (10) hindurchführenden Belüftungsstrecke (51) und einem an/in der Belüftungsstrecke (51) angeordneten Stapelgehäuse-Lüfter (52) zum Belüften des Stapelgehäuses (16) der Brennstoffzelle (10), dadurch gekennzeichnet, dass der Stapelgehäuse-Lüfter (52) von einer Lüfterturbine (53) antreibbar ist, die von einem Fluid (3, 4) in einer Anodenversorgung (20) für die Brennstoffzelle (10) und/oder von einem Fluid (5, 6) in einer Kathodenversorgung (30) für die Brennstoffzelle (10) fluidmechanisch antreibbar ist.Stack housing ventilation (50) for a fuel cell (10) of a fuel cell system (1) with a ventilation section (51) leading through a stack housing (16) of the fuel cell (10) and a stack housing fan (52) arranged on/in the ventilation section (51) for ventilating the stack housing (16) of the fuel cell (10), characterized in that the stack housing fan (52) can be driven by a fan turbine (53) which can be fluid-mechanically driven by a fluid (3, 4) in an anode supply (20) for the fuel cell (10) and/or by a fluid (5, 6) in a cathode supply (30) for the fuel cell (10).

Description

Die Erfindung betrifft eine Stapelgehäuse-Belüftung für eine Brennstoffzelle eines Brennstoffzellensystems. Ferner betrifft die Erfindung ein Brennstoffzellensystem für ein Fahrzeug, insbesondere ein Elektrofahrzeug, sowie ein Fahrzeug, insbesondere ein Elektrofahrzeug.The invention relates to a stack housing ventilation for a fuel cell of a fuel cell system. Furthermore, the invention relates to a fuel cell system for a vehicle, in particular an electric vehicle, and to a vehicle, in particular an electric vehicle.

Eine Brennstoffzelle nutzt eine elektrochemische Umsetzung eines Brennstoffs mit Sauerstoff zu Wasser zur Erzeugung elektrischer Energie. Hierfür enthält die Brennstoffzelle als eine Kernkomponente wenigstens eine sogenannte Membran-Elektroden-Einheit (englisch MEA für Membrane Electrode Assembly), welche ein Gefüge aus einer ionenleitenden, oft protonenleitenden, Membran und beidseitig an der Membran angeordneten Elektroden, einer Anodenelektrode und einer Kathodenelektrode, ist. Zudem können Gasdiffusionslagen (GDL) beidseitig der Membran-Elektroden-Einheit an den der Membran abgewandten Seiten der Elektroden angeordnet sein.A fuel cell uses an electrochemical conversion of a fuel with oxygen to form water to generate electrical energy. For this purpose, the fuel cell contains at least one so-called membrane electrode assembly (MEA) as a core component, which is a structure made up of an ion-conducting, often proton-conducting, membrane and electrodes arranged on both sides of the membrane, an anode electrode and a cathode electrode. In addition, gas diffusion layers (GDL) can be arranged on both sides of the membrane electrode assembly on the sides of the electrodes facing away from the membrane.

In der Regel ist die Brennstoffzelle mittels einer Vielzahl von in einem Stapel (englisch Stack) angeordneter Membran-Elektroden-Einheiten ausgebildet, wobei sich deren elektrische Leistungen in einem Betrieb der Brennstoffzelle addieren. Zwischen den einzelnen Membran-Elektroden-Einheiten sind meist Bipolarplatten, auch Flussfeldplatten oder Separatorplatten genannt, angeordnet, welche eine Versorgung der Membran-
Elektroden-Einheiten, also einer Versorgung der Einzelzellen der Brennstoffzelle, mit den Betriebsmedien, den sogenannten Reaktanten, sicherstellen und üblicherweise auch einer Kühlung dienen. Zudem sorgen die Bipolarplatten für einen elektrischen Kontakt zu den Membran-Elektroden-Einheiten.As a rule, the fuel cell is formed by a large number of membrane electrode units arranged in a stack, whereby their electrical output is added up during operation of the fuel cell. Between the individual membrane electrode units, bipolar plates, also called flow field plates or separator plates, are usually arranged, which supply the membrane
Electrode units, i.e. supplying the individual cells of the fuel cell with the operating media, the so-called reactants, and usually also serve for cooling. In addition, the bipolar plates ensure electrical contact with the membrane electrode units.

In einem Betrieb der Einzelzellen der Brennstoffzelle wird der Brennstoff, ein sogenanntes Anoden-Betriebsmedium, insbesondere Wasserstoff (H2) oder ein wasserstoffhaltiges Gasgemisch, über ein anodenseitig offenes Flussfeld der Bipolarplatten den Anodenelektroden zugeführt, wo eine elektrochemische Oxidation von H2 zu H+ unter einer Abgabe von Elektronen (e-) stattfindet (H2 → 2H+ + 2e-). Durch die Membranen beziehungsweise Elektrolyten der Membran-Elektroden-Einheiten hindurch, welche die Reaktionsräume gasdicht voneinander trennen und elektrisch isolieren, erfolgt ein wassergebundener oder wasserfreier Transport von Protonen (H+) von den Anodenelektroden (zusammengesetzte Anode der Brennstoffzelle) in den Anodenräumen der Einzelzellen zu den Kathodenelektroden (zusammengesetzte Kathode der Brennstoffzelle) in den Kathodenräumen der Einzelzellen. Die an der Anode bereitgestellten Elektronen werden über eine elektrische Leitung und einen elektrischen Verbraucher (Elektromotor) der Kathode zugeleitet.When the individual cells of the fuel cell are in operation, the fuel, a so-called anode operating medium, in particular hydrogen (H 2 ) or a hydrogen-containing gas mixture, is fed to the anode electrodes via a flow field of the bipolar plates that is open on the anode side, where an electrochemical oxidation of H 2 to H + takes place with the release of electrons (e - ) (H 2 → 2H + + 2e - ). A water-bound or water-free transport of protons (H + ) takes place through the membranes or electrolytes of the membrane electrode units, which separate the reaction chambers from one another in a gas-tight manner and electrically insulate them, from the anode electrodes (composite anode of the fuel cell) in the anode chambers of the individual cells to the cathode electrodes (composite cathode of the fuel cell) in the cathode chambers of the individual cells. The electrons provided at the anode are fed to the cathode via an electrical line and an electrical consumer (electric motor).

Den Kathodenelektroden wird über ein kathodenseitig offenes Flussfeld der Bipolarplatten, ein sogenanntes Kathoden-Betriebsmedium, insbesondere Sauerstoff (O2) oder ein sauerstoffhaltiges Gasgemisch, zum Beispiel Luft, zugeführt, wobei eine Reduktion von O2 zu O2- unter einer Aufnahme von Elektronen stattfindet (½O2 + 2e- → O2-). Gleichzeitig reagieren an den Kathodenelektroden gebildete Sauerstoffanionen (O2-) mit den durch die Membranen beziehungsweise Elektrolyten hindurch transportierten Protonen unter einer Bildung von Wasser (O2- + 2H+ → H2O).A so-called cathode operating medium, in particular oxygen (O 2 ) or an oxygen-containing gas mixture, for example air, is supplied to the cathode electrodes via a flow field of the bipolar plates that is open on the cathode side, whereby a reduction of O 2 to O 2- takes place with the absorption of electrons (½O 2 + 2e - → O 2- ). At the same time, oxygen anions (O 2- ) formed at the cathode electrodes react with the protons transported through the membranes or electrolytes to form water (O 2- + 2H + → H 2 O).

Um einen Brennstoffzellenstapel, nachfolgend hauptsächlich als Brennstoffzelle bezeichnet, mit Betriebsmedien zu versorgen, weist dieser beziehungsweise diese einerseits eine Anodenversorgung und andererseits eine Kathodenversorgung auf. Die Anodenversorgung weist einen Anoden-Versorgungspfad für ein Zuführen des Anoden-Betriebsmediums in die Anodenräume der Brennstoffzelle hinein und einen Anoden-Abgaspfad für ein Abführen eines Anoden-Abgases aus den Anodenräumen heraus auf. Analog dazu weist die Kathodenversorgung einen Kathoden-Versorgungspfad für ein Zuführen des Kathoden-Betriebsmediums in die Kathodenräume der Brennstoffzelle hinein und einen Kathoden-Abgaspfad für ein Abführen eines Kathoden-Abgases aus den Kathodenräumen heraus auf.In order to supply a fuel cell stack, hereinafter mainly referred to as a fuel cell, with operating media, the latter has an anode supply on the one hand and a cathode supply on the other. The anode supply has an anode supply path for supplying the anode operating medium into the anode chambers of the fuel cell and an anode exhaust gas path for discharging an anode exhaust gas from the anode chambers. Similarly, the cathode supply has a cathode supply path for supplying the cathode operating medium into the cathode chambers of the fuel cell and a cathode exhaust gas path for discharging a cathode exhaust gas from the cathode chambers.

In einem Brennstoffzellensystem kann nicht verhindert werden, dass Wasserstoff aus der Brennstoffzelle oder anderen Wasserstoff führenden Bauteilen in die Umgebung diffundiert. Dies ist grundsätzlich nicht problematisch, solange sich der Wasserstoff nicht an bestimmten Stellen konzentriert und zusammen mit Sauerstoff ein zündfähiges Gemisch bilden könnte. Zum Schutz der Brennstoffzelle und gegebenenfalls weiterer Bauteile ist zusätzlich ein Stapelgehäuse für die Brennstoffzelle notwendig, wodurch sich gegebenenfalls Wasserstoff innerhalb des Stapelgehäuses aufkonzentrieren kann. Zur Vermeidung eines brennbaren Gemischs innerhalb des Stapelgehäuses, muss eine entsprechende Belüftung vorgesehen sein.In a fuel cell system, it is not possible to prevent hydrogen from diffusing from the fuel cell or other hydrogen-carrying components into the environment. This is not fundamentally a problem as long as the hydrogen does not concentrate in certain places and could form an ignitable mixture with oxygen. To protect the fuel cell and possibly other components, a stack housing for the fuel cell is also necessary, which can potentially cause hydrogen to concentrate within the stack housing. To avoid a flammable mixture within the stack housing, appropriate ventilation must be provided.

Es gibt bekannte Konzepte, bei welchen die Belüftung auf unterschiedliche Weisen erfolgt, wobei jedoch zusätzliche elektrische Energie benötigt wird. Ein weiteres Problem dabei ist, dass das Brennstoffzellensystem nach einem Abschalten abkühlt und sich Kondensat bilden kann, was insbesondere in geschlossenen Bereichen wie dem Stapelgehäuse zu Korrosion führen kann. Um dies zu verhindern, muss ebenfalls eine Belüftung vorgesehen sein oder das Stapelgehäuse muss derart ausgebildet sein, dass keine Korrosion auftreten kann.There are known concepts in which ventilation is carried out in different ways, but additional electrical energy is required. Another problem is that the fuel cell system cools down after being switched off and condensate can form, which can lead to corrosion, particularly in closed areas such as the stack housing. To prevent this, ventilation must also be provided or the stack housing must be designed in such a way that no corrosion can occur.

Die DE 10 2006 049 031 B4 beschreibt einen Tragbehälter einer kompakten Energieversorgungseinheit, wobei die Nutzung des Tragbehälters zur Gefährdungsreduzierung erfindungsgemäßer Energieversorgungseinheiten beiträgt.The EN 10 2006 049 031 B4 describes a carrying container of a compact energy supply unit, wherein the use of the carrying container contributes to reducing the risk of energy supply units according to the invention.

Die DE 199 56 376 A1 beschreibt die Anordnung einer Brennstoffzelle, die eine verbesserte Ausnutzung der Kathoden-Abgaswärme erlaubt.The DE 199 56 376 A1 describes the arrangement of a fuel cell that allows improved utilization of the cathode exhaust heat.

Die DE 10 2007 052 831 A1 beschreibt Turbokompressoren sowie Systeme und Verfahren, die Turbokompressoren umfassen und insbesondere auf Turbokompressor-Abschaltmechanismen gerichtet sind um die Lebensdauer eines Turbokompressors zu erhöhen.The EN 10 2007 052 831 A1 describes turbocompressors and systems and methods including turbocompressors and in particular directed to turbocompressor shutdown mechanisms to increase the service life of a turbocompressor.

Die DE 103 06 234 B4 beschreibt ein Verfahren zur Luftversorgung einer Brennstoffzelle mit einem Expander und einem zumindest teilweise davon angetriebenen Verdichter.The DE 103 06 234 B4 describes a method for supplying air to a fuel cell with an expander and a compressor at least partially driven by it.

Die DE 100 24 570 A1 beschreibt ein Brennstoffzellensystem und ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems, bei denen die Kathode-Abgaswärme besser ausgenutzt werden.The DE 100 24 570 A1 describes a fuel cell system and a method for operating a fuel cell system in which the cathode exhaust heat is better utilized.

Die DE 199 55 291 B4 beschreibt ein Brennstoffzellensystem, bei dem die Rückgewinnung von Druckenergie aus einem Abgas durch Expansion des Abgases in einen Regenerator, nachdem Sauerstoff in einer Brennstoffzelle verbraucht wurde, möglich und die zurückgewonnene Energie zur unterstützung des Antriebs eines Kompressors ausnutzbar ist.The DE 199 55 291 B4 describes a fuel cell system in which the recovery of pressure energy from an exhaust gas by expanding the exhaust gas in a regenerator after oxygen has been consumed in a fuel cell is possible and the recovered energy can be used to support the drive of a compressor.

Die DE 10 2012 001 602 A1 beschreibt einen Anodenkreislauf für ein Brennstoffzellensystem mit einer Rezirkulationsfördereinrichtung für das Anodenabgas, welche mittels einer luftbetriebenen Antriebsturbine antreibbar ist.The EN 10 2012 001 602 A1 describes an anode circuit for a fuel cell system with a recirculation conveyor for the anode exhaust gas, which can be driven by means of an air-driven drive turbine.

Für die eben genannten Probleme (Belüftung und Korrosion) gibt es im Stand der Technik folgende Lösungen. Eine Belüftung des Stapelgehäuses erfolgt im Stand der Technik mittels eines elektrisch angetriebenen Stapelgehäuse-Lüfters. Hierdurch ergibt sich ein zusätzlicher elektrischer Energieaufwand mit einer Notwendigkeit einer Regelung und Ansteuerung (Entwicklung aufwändiger Betriebsstrategien) einer zusätzlichen elektrischen Baugruppe (Elektromotor, Elektronik, elektrische Verkabelung et cetera), was letztendlich erhöhte (Betriebs-)Kosten und einen vergleichsweise großen Bauraumbedarf nach sich zieht. Eine weitere Lösung ist ein Einsatz einer Strahlpumpe, welche jedoch aufgrund ihrer passiven Eigenschaften abhängig von einem treibenden Volumenstrom nicht separat regelbar ist und immer eine weitere den Volumenstrom treibende Maschine benötigt. Ein Betrieb bei abgestelltem Brennstoffzellensystem ist somit nicht möglich.The following solutions are available in the state of the art for the problems mentioned above (ventilation and corrosion). In the state of the art, the stack housing is ventilated using an electrically driven stack housing fan. This results in additional electrical energy consumption and the need to regulate and control (development of complex operating strategies) an additional electrical assembly (electric motor, electronics, electrical wiring, etc.), which ultimately results in increased (operating) costs and a comparatively large installation space requirement. Another solution is to use a jet pump, which, however, cannot be regulated separately due to its passive properties, depending on a driving volume flow, and always requires another machine to drive the volume flow. Operation when the fuel cell system is switched off is therefore not possible.

Ferner kann dem Problem einer Korrosion durch einen natürlichen Austrag durch Konvektion, einer Kondensatfalle, einem entsprechenden Korrosionsschutz der betreffenden Bauteile (vergleichsweise kostenintensive entsprechende Werkstoffauswahl) und/oder einem offenen Stapelgehäuse, begegnet werden, sodass Kondensat und Korrosion vermieden werden können. Nachteilig ist hier ein unzureichender Bauteilschutz bei offenen Stapelgehäusen, zusätzliche Maßnahmen zur Korrosionsvermeidung (Werkstoffauswahl, zusätzliche Bauteile, höhere Kosten et cetera) et cetera.Furthermore, the problem of corrosion can be countered by natural discharge through convection, a condensate trap, appropriate corrosion protection of the components concerned (relatively cost-intensive appropriate material selection) and/or an open stacked housing, so that condensate and corrosion can be avoided. The disadvantage here is inadequate component protection in open stacked housings, additional measures to prevent corrosion (material selection, additional components, higher costs, etc.), etc.

Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Belüftung und/oder einen Korrosionsschutz für ein Stapelgehäuse einer Brennstoffzelle
eines Brennstoffzellensystems vorzusehen. Hierbei soll eine erfindungsgemäße Stapelgehäuse-Belüftung wenig Bauraum beanspruchen, eine vergleichsweise einfache Betriebsstrategie besitzen und/oder ohne einen zusätzlichen Energieaufwand betreibbar sein. Ferner soll gegebenenfalls auf zusätzliche Maßnahmen zur Korrosionsvermeidung, wie eine Werkstoffauswahl, eine Kondensatfalle, et cetera verzichtet werden können, wobei ein geschlossenes Stapelgehäuse bei der Brennstoffzelle anwendbar sein soll.It is an object of the invention to provide ventilation and/or corrosion protection for a stack housing of a fuel cell
of a fuel cell system. In this case, a stack housing ventilation according to the invention should take up little installation space, have a comparatively simple operating strategy and/or be operable without additional energy expenditure. Furthermore, additional measures to prevent corrosion, such as material selection, a condensate trap, etc., should be able to be dispensed with, whereby a closed stack housing should be usable for the fuel cell.

Die Aufgabe der Erfindung ist mittels einer Stapelgehäuse-Belüftung für eine Brennstoffzelle eines Brennstoffzellensystems, mittels eines Brennstoffzellensystems, und/oder mittels eines Fahrzeugs, insbesondere eines Elektrofahrzeugs, gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen, zusätzliche Merkmale und/oder Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen und der folgenden Beschreibung.The object of the invention is achieved by means of a stack housing ventilation for a fuel cell of a fuel cell system, by means of a fuel cell system, and/or by means of a vehicle, in particular an electric vehicle, according to the independent claims. Advantageous developments, additional features and/or advantages of the invention emerge from the dependent patent claims and the following description.

Die erfindungsgemäße Stapelgehäuse-Belüftung weist eine durch die Brennstoffzelle beziehungsweise ein Stapelgehäuse der Brennstoffzelle hindurchführende Belüftungsstrecke und einen an und/oder in (nachfolgend: an/in) der Belüftungsstrecke angeordneten Stapelgehäuse-Lüfter zum Belüften des Stapelgehäuses der Brennstoffzelle auf, wobei die Lüfterturbine des Stapelgehäuse-Lüfter von einem Fluid in einer Anodenversorgung für die
Brennstoffzelle und/oder von einem Fluid in einer Kathodenversorgung für die Brennstoffzelle fluidmechanisch antreibbar ist. Das heißt ferner, dass der Stapelgehäuse-Lüfter nicht primär elektrisch antreibbar ist; es ist natürlich möglich, den Stapelgehäuse-Lüfter gegebenenfalls zusätzlich, also sekundär, mechanisch, fluidmechanisch oder elektrisch antreibbar vorzusehen (siehe unten).The stack housing ventilation according to the invention has a ventilation section leading through the fuel cell or a stack housing of the fuel cell and a stack housing fan arranged on and/or in (hereinafter: on/in) the ventilation section for ventilating the stack housing of the fuel cell, wherein the fan turbine of the stack housing fan is driven by a fluid in an anode supply for the
fuel cell and/or by a fluid in a cathode supply for the fuel cell. This also means that the stack housing fan is not primarily electrically driven; it is of course possible to provide the stack housing fan with additional, i.e. secondary, mechanical, fluid-mechanical or electrical drive (see below).

Gemäß der Erfindung wird für die Stapelgehäuse-Belüftung ein separater Stapelgehäuse-Lüfter angewendet, wobei dieser durch eine aus
dem Brennstoffzellensystem zurückgewonnene Energie beziehungsweise Enthalpie (Druck, Temperatur) des Fluids antreibbar ist; der Stapelgehäuse-Lüfter kann daher auch als ein eigengetriebener Stapelgehäuse-Lüfter bezeichnet werden. Die Enthalpie des Fluids setzt sich additiv aus einer inneren Energie und einer Verschiebearbeit des Fluids (Gas oder Gasgemisch gegebenenfalls inklusive flüssigem Wasser) zusammen, welches in der
Anodenversorgung und/oder der Kathodenversorgung vorhanden ist.According to the invention, a separate stack housing fan is used for stack housing ventilation, which is driven by a
The energy recovered from the fuel cell system or the enthalpy (pressure, temperature) of the fluid can be driven; the stacked housing fan can therefore also be referred to as a self-driven stacked housing fan. The enthalpy of the fluid is composed of an internal energy and a displacement work of the fluid (gas or gas mixture, possibly including liquid water), which is in the
anode supply and/or cathode supply is present.

Da es bei einer Belüftung des Stapelgehäuses der Brennstoffzelle nicht darum geht, einen exakten Volumenstrom einzustellen, sondern lediglich darum, Wasserstoff und Feuchtigkeit aus dem Stapelgehäuse auszutragen, wird keine exakte Regelung des Stapelgehäuse-Lüfters benötigt. Da die Energie aus dem Brennstoffzellensystem immer dann zur Verfügung steht, wenn das Brennstoffzellensystem aktiviert ist, und auch während eines Betriebs des Brennstoffzellensystems immer zur Verfügung steht, wird keine zusätzliche Regelung oder Steuerung benötigt. Kabel für eine elektrische Stromversorgung und eine Steuerung können entfallen.Since ventilation of the fuel cell stack housing is not about setting an exact volume flow, but only about removing hydrogen and moisture from the stack housing, no precise control of the stack housing fan is required. Since the energy from the fuel cell system is always available when the fuel cell system is activated, and is also always available during operation of the fuel cell system, no additional control or regulation is required. Cables for an electrical power supply and a control system can be omitted.

In Ausführungsbeispielen ist die Stapelgehäuse-Belüftung derart ausgebildet, dass der Stapelgehäuse-Lüfter mittels eines Anoden- Betriebsmediums, eines Anoden-Abgases, eines Kathoden-Betriebsmediums und/oder eines Kathoden-Abgases fluidmechanisch antreibbar ist. Eine Enthalpie zum Antrieb des Stapelgehäuse-Lüfters ist bevorzugt dem Anoden-Betriebsmedium, bevorzugt dem Kathoden-Abgas oder bevorzugt einem Purgegas (Ablassgas) entnehmbar.In embodiments, the stack housing ventilation is designed such that the stack housing fan can be driven fluid-mechanically by means of an anode operating medium, an anode exhaust gas, a cathode operating medium and/or a cathode exhaust gas. An enthalpy for driving the stack housing fan can preferably be taken from the anode operating medium, preferably the cathode exhaust gas or preferably a purge gas.

Da der Stapelgehäuse-Lüfter lediglich einen geringen Volumenstrom fördern muss und demensprechend nur eine geringe Menge an Energie benötigt, ist eine Energie an den entsprechenden Stellen des Brennstoffzellensystems ausreichend. Es ist natürlich möglich, die Enthalpie zum Antrieb des Stapelgehäuse-Lüfters einer Mehrzahl dieser Gase beziehungsweise Gasgemische zu entnehmen, was zum Beispiel bei einer gemeinsamen Abgaseinrichtung der Anodenversorgung und der Kathodenversorgung der Fall sein kann.Since the stack housing fan only has to convey a small volume flow and therefore only requires a small amount of energy, energy at the corresponding points in the fuel cell system is sufficient. It is of course possible to take the enthalpy for driving the stack housing fan from a number of these gases or gas mixtures, which can be the case, for example, with a common exhaust system for the anode supply and the cathode supply.

In Ausführungsbeispielen ist der Stapelgehäuse-Lüfter mittels einer Lüfterturbine an/in der Anodenversorgung, insbesondere an/in
einem Anoden-Versorgungspfad, oder mittels einer Lüfterturbine an/in der Kathodenversorgung, insbesondere an/in einem Kathoden-Abgaspfad, fluidmechanisch antreibbar. Gemäß der Erfindung ist eine Einrichtung zur eigentlichen Belüftung des Stapelgehäuses als Stapelgehäuse-Lüfter mit Lüfterturbine ausgebildet, wobei der Stapelgehäuse-Lüfter von der Lüfterturbine mechanisch antreibbar ist, welche ihrerseits fluidmechanisch antreibbar ist. Es wird kein zusätzlicher Antrieb benötigt, kann jedoch zusätzlich vorgesehen sein (siehe unten). Bei einer geeigneten Positionierung kann die Lüfterturbine bauraumneutral angeordnet sein.In embodiments, the stack housing fan is connected by means of a fan turbine to/in the anode supply, in particular to/in
an anode supply path, or by means of a fan turbine on/in the cathode supply, in particular on/in a cathode exhaust path, can be driven fluid-mechanically. According to the invention, a device for the actual ventilation of the stack housing is designed as a stack housing fan with a fan turbine, wherein the stack housing fan can be driven mechanically by the fan turbine, which in turn can be driven fluid-mechanically. No additional drive is required, but can be provided additionally (see below). With suitable positioning, the fan turbine can be arranged in a space-neutral manner.

In Ausführungsbeispielen ist die Lüfterturbine stromaufwärts einer Brennstoff-Rezirkulationsleitung im Anoden-Versorgungspfad angeordnet, ist die Lüfterturbine im Kathoden-Abgaspfad fluidmechanisch in Reihe mit einer Kathodenturbine geschaltet, ist die Lüfterturbine am Kathoden-Abgaspfad fluidmechanisch parallel zur Kathodenturbine geschaltet, oder ist die Lüfterturbine in einem Fluidpfad zwischen einer Anode und einer Kathode der Brennstoffzelle angeordnet.In embodiments, the fan turbine is arranged upstream of a fuel recirculation line in the anode supply path, the fan turbine in the cathode exhaust path is fluid-mechanically connected in series with a cathode turbine, the fan turbine on the cathode exhaust path is fluid-mechanically connected in parallel to the cathode turbine, or the fan turbine is arranged in a fluid path between an anode and a cathode of the fuel cell.

In Ausführungsbeispielen wird eine Energie bei einer Druckminderung des Wasserstoffs aus einem Brennstoffspeicher (meistens
etwa 700bar auf ca. 12bar) oder anschließend bei einer Entspannung auf einen Betriebsdruck (also dann von ca. 12bar) genutzt. Ferner wird in Ausführungsbeispielen eine Abgasenthalpie im Kathoden-Abgas stromabwärts oder auch stromaufwärts einer Kathodenturbine genutzt. Da das Kathoden-Abgas in allen Betriebszuständen eine höhere Temperatur und einen höheren Druck als die Umgebung besitzt, lässt sich diese Energie nutzen. Des Weiteren wird in Ausführungsbeispielen eine Purgeenergie von der Anode auf die Kathode genutzt. In einem solchen Fall ist der Lüfter stoßweise betreibbar, was jedoch oft ausreichend sein kann.In embodiments, energy is extracted from a fuel storage tank (usually
about 700 bar to about 12 bar) or subsequently when the pressure is released to an operating pressure (i.e. about 12 bar). Furthermore, in embodiments, an exhaust gas enthalpy in the cathode exhaust gas downstream or upstream of a cathode turbine is used. Since the cathode exhaust gas has a higher temperature and a higher pressure than the environment in all operating states, this energy can be used. Furthermore, in embodiments, a purge energy from the anode to the cathode is used. In such a case, the fan can be operated intermittently, but this can often be sufficient.

Gemäß der Erfindung können der Stapelgehäuse-Lüfter und die Lüfterturbine zusammen oder voneinander getrennt vorgesehen sein. So ist in Ausführungsbeispielen die Lüfterturbine mit dem Stapelgehäuse-Lüfter auf einer gemeinsamen Welle angeordnet. Ferner ist eine mechanische Kopplung der Lüfterturbine mit dem Stapelgehäuse-Lüfter mittels eines Getriebes möglich.
In Ausführungsbeispielen weist die Stapelgehäuse-Belüftung, der Stapelgehäuse-Lüfter oder die Lüfterturbine einen Energiespeicher für ein Antreiben des Stapelgehäuse-Lüfters auf. Dies ermöglicht einen Betrieb des Stapelgehäuse-Lüfters wenn das Brennstoffzellensystem ausgeschaltet ist, z. B. in einer Nachlaufzeit nach einem Ausschalten des Brennstoffzellensystems, im Fall eines Start-Stopp-Betriebs des Brennstoffzellensystems oder bei einem Systemstart, bevor das Brennstoffzellensystem vollständig hochgefahren ist. Der Energiespeicher kann dabei ein mechanischer, ein fluidmechanischer oder ein elektrischer Energiespeicher sein.According to the invention, the stack housing fan and the fan turbine can be provided together or separately from one another. In embodiments, the fan turbine is arranged on a common shaft with the stack housing fan. Furthermore, a mechanical coupling of the fan turbine with the stack housing fan by means of a gear is possible.
In embodiments, the stack housing ventilation, the stack housing fan or the fan turbine has an energy storage device for driving the stack housing fan. This enables the stack housing fan to operate when the fuel cell system is switched off, e.g. in a run-on time after the fuel cell system is switched off, in the case of a start-stop operation of the fuel cell system or when the system is started before the fuel cell system has fully started up. The energy storage device can be a mechanical, a fluid-mechanical or an electrical energy storage device.

In Ausführungsbeispielen ist der Stapelgehäuse-Lüfter ferner elektromechanisch antreibbar, wofür die Stapelgehäuse-Belüftung, der Stapelgehäuse-Lüfter oder die Lüfterturbine einen Elektromotor aufweist und gegebenenfalls eine Einrichtung zur Speicherung von elektrischer Energie umfasst, mittels welcher der Elektromotor antreibbar ist.In embodiments, the stack housing fan can also be driven electromechanically, for which purpose the stack housing ventilation, the stack housing fan or the fan turbine has an electric motor and optionally comprises a device for storing electrical energy, by means of which the electric motor can be driven.

In Ausführungsbeispielen ist die Stapelgehäuse-Belüftung zusätzlich mit der Einrichtung zur Speicherung von überschüssiger Energie
versehen, da es voraussichtlich Betriebszustände gibt, in welchen eine aus dem Brennstoffzellensystem zurückgewonnene Energie größer ist als eine Energie, welche für einen Antrieb der Stapelgehäuse-Belüftung benötigt wird. Diese Speicherung kann beispielsweise mittels eines Akkumulators oder eines Kondensators erfolgen. Hierbei kann der Elektromotor generatorisch betrieben werden, wodurch die Einrichtung zur Speicherung von elektrischer Energie aufladbar ist.In embodiments, the stack housing ventilation is additionally equipped with the device for storing excess energy
because there are likely to be operating states in which the energy recovered from the fuel cell system is greater than the energy required to drive the stack housing ventilation. This storage can be achieved, for example, by means of an accumulator or a capacitor. The electric motor can be operated as a generator, which means that the device for storing electrical energy can be charged.

In Ausführungsbeispielen sind mittels der Stapelgehäuse-Belüftung ferner ein weiteres Bauteil und/oder eine weitere Baugruppe belüftbar oder kühlbar. Das weitere Bauteil oder die weitere Baugruppe ist bevorzugt ein eingehaustes Bauteil beziehungsweise eine eingehauste Baugruppe, welche erfindungsgemäß belüftbar oder kühlbar ist. Eine solche weitere Baugruppe ist zum Beispiel ein Turbolader, ein Elektromotor oder ein Antrieb für einen Kathodenverdichter et cetera. Ein solches weiteres Bauteil ist zum Beispiel ein Wasserstoff führendes Bauteil (abhängig vom System), eine Leistungselektronik et cetera.In embodiments, a further component and/or a further assembly can also be ventilated or cooled by means of the stack housing ventilation. The further component or the further assembly is preferably an enclosed component or an enclosed assembly which can be ventilated or cooled according to the invention. Such a further assembly is, for example, a turbocharger, an electric motor or a drive for a cathode compressor, etc. Such a further component is, for example, a hydrogen-carrying component (depending on the system), power electronics, etc.

In Ausführungsbeispielen ist der Stapelgehäuse-Lüfter direkt am oder im Stapelgehäuse der Brennstoffzelle vorgesehen. Das
erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem für ein Fahrzeug, insbesondere ein Elektrofahrzeug, oder das erfindungsgemäße Fahrzeug, insbesondere das Elektrofahrzeug, weist eine erfindungsgemäße Stapelgehäuse-Belüftung auf.In embodiments, the stack housing fan is provided directly on or in the stack housing of the fuel cell.
The fuel cell system according to the invention for a vehicle, in particular an electric vehicle, or the vehicle according to the invention, in particular the electric vehicle, has a stack housing ventilation according to the invention.

Die Erfindung ist im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügte schematische Zeichnung näher erläutert.The invention is explained in more detail below using embodiments with reference to the attached schematic drawing.

Elemente, Bauteile oder Komponenten, welche eine identische, univoke oder analoge Ausbildung und/oder Funktion besitzen, sind in der Figurenbeschreibung, der Bezugszeichenliste und den Patentansprüchen mit denselben Bezugszeichen versehen und/oder in den Figuren der Zeichnung mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet. Mögliche, in der Beschreibung nicht erläuterte, in der Zeichnung nicht dargestellte und/oder nicht abschließende Alternativen, statische und/oder kinematische Umkehrungen, Kombinationen et cetera zu den erläuterten Ausführungsbeispielen der Erfindung beziehungsweise einzelnen Baugruppen, Teilen oder Abschnitten davon, können der Bezugszeichenliste entnommen werden.Elements, parts or components which have an identical, unique or analogous design and/or function are provided with the same reference symbols in the description of the figures, the list of reference symbols and the patent claims and/or are identified with the same reference symbols in the figures of the drawing. Possible alternatives, static and/or kinematic reversals, combinations etc. to the explained embodiments of the invention or individual assemblies, parts or sections thereof, which are not explained in the description, not shown in the drawing and/or are not exhaustive, can be found in the list of reference symbols.

Sämtliche erläuterten Merkmale, auch die der Bezugszeichenliste, sind nicht nur in der angegebenen Kombination beziehungsweise den angegebenen Kombinationen, sondern auch in einer anderen Kombination beziehungsweise anderen Kombinationen oder in Alleinstellung anwendbar. Insbesondere ist es möglich, anhand der Bezugszeichen und den diesen zugeordneten Merkmalen in der Beschreibung der Erfindung, der Figurenbeschreibung und/oder der Bezugszeichenliste, ein Merkmal oder eine Mehrzahl von Merkmalen in der Beschreibung der Erfindung und/
oder der Figurenbeschreibung zu ersetzen. Ferner kann dadurch ein Merkmal oder können eine Mehrzahl von Merkmalen in den
Patentansprüchen
ausgelegt, näher spezifiziert und/oder substituiert werden. In den Figuren der Zeichnung zeigen:

  • 1 ein vereinfachtes Blockschaltbild einer bevorzugten Ausführungsform eines Brennstoffzellensystems gemäß der Erfindung;
  • 2 ein Blockschaltbild einer separaten Belüftung gemäß dem Stand der Technik für ein Stapelgehäuse einer Brennstoffzelle sowie eine Kathodenversorgung für diese Brennstoffzelle;
  • 3 ein Blockschaltbild einer ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform einer Belüftung für ein Stapelgehäuse einer Brennstoffzelle, wobei eine Belüftungsstrecke an einer Kathodenversorgung der Brennstoffzelle angeschlossen ist;
  • 4 ein Blockschaltbild einer zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsform der Belüftung für das Stapelgehäuse, wobei die Belüftungsstrecke wiederum an der Kathodenversorgung der Brennstoffzelle angeschlossen ist; und
  • 5 ein Blockschaltbild einer dritten erfindungsgemäßen Ausführungsform der Belüftung für das Stapelgehäuse, wobei die Belüftungsstrecke an einer Anodenversorgung der Brennstoffzelle angeschlossen ist.
All of the features explained, including those in the list of reference symbols, are not only applicable in the combination or combinations specified, but also in another combination or combinations or on their own. In particular, it is possible to use the reference symbols and the features assigned to them in the description of the invention, the description of the figures and/or the list of reference symbols to identify a feature or a plurality of features in the description of the invention and/or
or the figure description. Furthermore, a feature or a plurality of features can be replaced in the
Patent claims
interpreted, specified and/or substituted. In the figures of the drawing:
  • 1 a simplified block diagram of a preferred embodiment of a fuel cell system according to the invention;
  • 2 a block diagram of a separate ventilation according to the prior art for a stack housing of a fuel cell and a cathode supply for this fuel cell;
  • 3 a block diagram of a first embodiment of a ventilation system for a stack housing of a fuel cell according to the invention, wherein a ventilation section is connected to a cathode supply of the fuel cell;
  • 4 a block diagram of a second embodiment of the ventilation for the stack housing according to the invention, wherein the ventilation section is in turn connected to the cathode supply of the fuel cell; and
  • 5 a block diagram of a third embodiment of the ventilation for the stack housing according to the invention, wherein the ventilation section is connected to an anode supply of the fuel cell.

Die Erfindung ist anhand von drei Ausführungsformen einer Stapelgehäuse-Belüftung 50 einer Brennstoffzelle 10 eines Brennstoffzellensystems 1 für ein Fahrzeug näher erläutert. Die Erfindung ist jedoch nicht auf solche Ausführungsformen und/oder die nachfolgend erläuterten Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern ist von grundlegenderer Natur, sodass sie auf sämtliche Stapelgehäuse-Belüftungen 50 , zum Beispiel für stationäre Brennstoffzellensysteme, angewendet werden kann. Obwohl die Erfindung im Detail durch bevorzugte Ausführungsbeispiele näher beschrieben und Ausführungsformen näher illustriert ist, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Ausführungsbeispiele eingeschränkt.
Andere Variationen können hieraus abgeleitet werden ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.The invention is explained in more detail using three embodiments of a stack housing ventilation 50 of a fuel cell 10 of a fuel cell system 1 for a vehicle. However, the invention is not limited to such embodiments and/or the exemplary embodiments explained below, but is of a more fundamental nature, so that it can be applied to all stack housing ventilation 50, for example for stationary fuel cell systems. Although the invention is described in detail by preferred Embodiments are described in more detail and embodiments are illustrated in more detail, the invention is not limited by the disclosed embodiments.
Other variations may be derived without departing from the scope of the invention.

Die 1 zeigt ein Brennstoffzellensystem 1 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung. Das Brennstoffzellensystem 1 ist bevorzugt Teil eines nicht weiter dargestellten Fahrzeugs, insbesondere eines Kraftfahrzeugs oder eines Elektrofahrzeugs, welches bevorzugt einen Elektrotraktionsmotor aufweist, das beziehungsweise welcher durch das Brennstoffzellensystem 1 mit elektrischer Energie versorgbar ist.The 1 shows a fuel cell system 1 according to a preferred embodiment of the invention. The fuel cell system 1 is preferably part of a vehicle not shown in detail, in particular a motor vehicle or an electric vehicle, which preferably has an electric traction motor that can be supplied with electrical energy by the fuel cell system 1.

Das Brennstoffzellensystem 1 umfasst als eine Kernkomponente eine Brennstoffzelle 10 beziehungsweise einen Brennstoffzellenstapel 10 , welche beziehungsweise welcher bevorzugt eine Vielzahl von in Stapelform angeordneten Einzel-Brennstoffzellen 11 - nachfolgend als Einzelzellen 11 bezeichnet - aufweist und in einem Stapelgehäuse 16 untergebracht ist. Jede Einzelzelle 11 umfasst einen Anodenraum 12 und einen Kathodenraum 13 , wobei der Anodenraum 12 und der Kathodenraum 13 von einer Membran (Teil einer Membran-Elektroden-Einheit 14 siehe unten), bevorzugt einer ionenleitfähigen Polymerelektrolyt-Membran, räumlich und elektrisch voneinander getrennt sind (siehe Detailausschnitt). Der Brennstoffzellenstapel 10 wird auch einfach als Brennstoffzelle 10 bezeichnet.The fuel cell system 1 comprises as a core component a fuel cell 10 or a fuel cell stack 10, which preferably has a plurality of individual fuel cells 11 arranged in a stack form - hereinafter referred to as individual cells 11 - and is housed in a stack housing 16. Each individual cell 11 comprises an anode chamber 12 and a cathode chamber 13, wherein the anode chamber 12 and the cathode chamber 13 are spatially and electrically separated from one another by a membrane (part of a membrane electrode unit 14 see below), preferably an ion-conductive polymer electrolyte membrane (see detailed section). The fuel cell stack 10 is also simply referred to as fuel cell 10.

Die Anodenräume 12 und die Kathodenräume 13 der Brennstoffzelle 10 weisen begrenzend jeweils eine katalytische Elektrode (Teil der Membran-Elektroden-Einheit 14 siehe im Folgenden), das heißt eine Anodenelektrode und eine Kathodenelektrode, auf, welche jeweils eine Teilreaktion einer Brennstoffzellen-Umsetzung katalysieren. Die Anodenelektrode und die Kathodenelektrode weisen jeweils ein katalytisches Material, beispielsweise Platin, auf, welches auf einem elektrisch leitfähigen Trägermaterial mit einer großen spezifischen Oberfläche, beispielsweise einem kohlenstoffbasierten Material, geträgert vorliegt.The anode chambers 12 and the cathode chambers 13 of the fuel cell 10 each have a catalytic electrode (part of the membrane electrode unit 14, see below), i.e. an anode electrode and a cathode electrode, which each catalyze a partial reaction of a fuel cell conversion. The anode electrode and the cathode electrode each have a catalytic material, for example platinum, which is supported on an electrically conductive carrier material with a large specific surface, for example a carbon-based material.

Ein Gefüge aus einer Membran und dazugehörigen Elektroden wird auch als Membran-Elektroden-Einheit 14 bezeichnet. Zwischen zwei solchen Membran-Elektroden-Einheiten 14 (in der 1 ist lediglich eine einzelne Membran-Elektroden-Einheit 14 angedeutet) ist in der 1 ferner eine Bipolarplatte 15 angedeutet, welche einer Zuführung von Betriebsmedien 3 , 5 in einen betreffenden Anodenraum 12 einer ersten Einzelzelle 11 und einen betreffenden Kathodenraum 13 einer direkt dazu benachbarten zweiten Einzelzelle 11 dient und darüber hinaus eine elektrische Verbindung zwischen den zwei direkt zueinander benachbarten Einzelzellen 11 realisiert.A structure consisting of a membrane and associated electrodes is also referred to as a membrane electrode unit 14. Between two such membrane electrode units 14 (in the 1 only a single membrane electrode unit 14 is indicated) is in the 1 Furthermore, a bipolar plate 15 is indicated, which serves to supply operating media 3, 5 into a respective anode chamber 12 of a first individual cell 11 and a respective cathode chamber 13 of a directly adjacent second individual cell 11 and, moreover, realizes an electrical connection between the two directly adjacent individual cells 11.

Zwischen einer Bipolarplatte 15 und einer direkt dazu benachbarten Anodenelektrode einer Membran-Elektroden-Einheit 14 ist ein Anodenraum 12 und zwischen einer Kathodenelektrode derselben Membran-Elektroden-Einheit 14 und einer direkt dazu benachbarten zweiten Bipolarplatte 15 ist ein Kathodenraum 13 ausgebildet. Optional können Gasdiffusionslagen zwischen den Membran-Elektroden-Einheiten 14 und den Bipolarplatten 15 angeordnet sein. Im Brennstoffzellenstapel 10 beziehungsweise in der Brennstoffzelle 10 sind also Membran-Elektroden-Einheiten 14 und Bipolarplatten 15 abwechselnd angeordnet beziehungsweise gestapelt (Brennstoffzellenstapel 10).An anode chamber 12 is formed between a bipolar plate 15 and an anode electrode of a membrane electrode unit 14 directly adjacent thereto, and a cathode chamber 13 is formed between a cathode electrode of the same membrane electrode unit 14 and a second bipolar plate 15 directly adjacent thereto. Optionally, gas diffusion layers can be arranged between the membrane electrode units 14 and the bipolar plates 15. In the fuel cell stack 10 or in the fuel cell 10, membrane electrode units 14 and bipolar plates 15 are thus arranged or stacked alternately (fuel cell stack 10).

Zur Versorgung des Brennstoffzellenstapels 10 beziehungsweise der Brennstoffzelle 10 mit den Betriebsmedien 3, 5 weist das Brennstoffzellensystem 1 einerseits eine Anodenversorgung 20 und andererseits eine Kathodenversorgung 30 auf.To supply the fuel cell stack 10 or the fuel cell 10 with the operating media 3, 5, the fuel cell system 1 has, on the one hand, an anode supply 20 and, on the other hand, a cathode supply 30.

Die Anodenversorgung 20 umfasst einen Anoden-Versorgungspfad 21 , welcher einer Zuführung eines Anoden-Betriebsmediums 3 , einem Brennstoff 3 , beispielsweise Wasserstoff 3 oder einem wasserstoffhaltigen Gasgemisch 3 , in die Anodenräume 12 der Brennstoffzelle 10 dient. Zu diesem Zweck verbindet der Anoden-Versorgungspfad 21 einen Brennstoffspeicher 23 oder Brennstofftank 23 mit einem Anodeneingang der Brennstoffzelle 10 . Die Anodenversorgung 20 umfasst ferner einen Anoden-Abgaspfad 22 , welcher ein Anoden-Abgas 4 aus den Anodenräumen 12 durch einen Anodenausgang der Brennstoffzelle 10 hindurch abführt. Ein aufgebauter Anoden-Betriebsdruck auf einer Anodenseite der Brennstoffzelle 10 ist bevorzugt mittels eines Stellmittels 24 im Anoden-Versorgungspfad 21 einstellbar.The anode supply 20 comprises an anode supply path 21, which is used to supply an anode operating medium 3, a fuel 3, for example hydrogen 3 or a hydrogen-containing gas mixture 3, into the anode chambers 12 of the fuel cell 10. For this purpose, the anode supply path 21 connects a fuel reservoir 23 or fuel tank 23 to an anode inlet of the fuel cell 10. The anode supply 20 further comprises an anode exhaust gas path 22, which discharges an anode exhaust gas 4 from the anode chambers 12 through an anode outlet of the fuel cell 10. A built-up anode operating pressure on an anode side of the fuel cell 10 can preferably be adjusted by means of an adjusting means 24 in the anode supply path 21.

Darüber hinaus weist die Anodenversorgung 20 bevorzugt eine Brennstoff-Rezirkulationsleitung 25 auf, welche den Anoden-Abgaspfad 22 mit dem Anoden-Versorgungspfad 21 fluidmechanisch verbindet. Eine Rezirkulation des Anoden-Betriebsmediums 3 , also dem eigentlich bevorzugt zu tankenden Brennstoff 3 , ist oft eingerichtet, um das zumeist überstöchiometrisch eingesetzte Anoden-Betriebsmedium 3 der Brennstoffzelle 10 zurückzuführen und zu nutzen. Ferner kann an/in der Brennstoff-Rezirkulationsleitung 25 ein Verdichter vorgesehen sein (nicht dargestellt).In addition, the anode supply 20 preferably has a fuel recirculation line 25, which fluid-mechanically connects the anode exhaust gas path 22 to the anode supply path 21. Recirculation of the anode operating medium 3, i.e. the fuel 3 that is actually preferred for refueling, is often set up in order to return and use the anode operating medium 3 of the fuel cell 10, which is usually used in excess of stoichiometric amounts. Furthermore, a compressor can be provided on/in the fuel recirculation line 25 (not shown).

Die Kathodenversorgung 30 umfasst einen Kathoden-Versorgungspfad 31 , welcher den Kathodenräumen 13 der Brennstoffzelle 10 ein sauerstoffhaltiges Kathoden-Betriebsmedium 5 , bevorzugt Luft 5 , zuführt, welche insbesondere aus der Umgebung 2 angesaugt wird. Die Kathodenversorgung 30 umfasst ferner einen Kathoden-Abgaspfad 32 , welcher ein Kathoden-Abgas 6 , insbesondere eine Abluft 6 , aus den Kathodenräumen 13 der Brennstoffzelle 10 abführt und dieses einer gegebenenfalls vorgesehenen Abgaseinrichtung (nicht dargestellt) zuführt.The cathode supply 30 comprises a cathode supply path 31 which supplies the cathode chambers 13 of the fuel cell 10 with an oxygen-containing cathode operating medium 5, preferably Air 5, which is sucked in in particular from the environment 2. The cathode supply 30 further comprises a cathode exhaust gas path 32, which removes a cathode exhaust gas 6, in particular an exhaust air 6, from the cathode chambers 13 of the fuel cell 10 and supplies it to an exhaust gas device (not shown) that may be provided.

Für eine Förderung und Verdichtung des Kathoden-Betriebsmediums 5 ist am/im Kathoden-Versorgungspfad 31 bevorzugt ein Kathodenverdichter 33 angeordnet. In Ausführungsbeispielen ist der Kathodenverdichter 33 als ein ausschließlich oder auch ein elektromotorisch angetriebener Kathodenverdichter 33 ausgestaltet, dessen Antrieb mittels eines Elektromotors 34 oder eines Antriebs 34 erfolgt, welcher bevorzugt mit einer entsprechenden Leistungselektronik 35 ausgestattet ist. Bevorzugt ist der Kathodenverdichter 33 als ein wenigstens elektrischer Turbolader (englisch ETC für Electric Turbo Charger) ausgebildet. Der Kathodenverdichter 33 kann ferner durch eine im Kathoden-Abgaspfad 32 angeordnete Kathodenturbine 36 mit gegebenenfalls variabler Turbinengeometrie, unterstützend mittels einer gemeinsamen Welle (in 1 nicht dargestellt, siehe die 3 bis 5) antreibbar sein. Die Kathodenturbine 36 stellt einen Expander dar, welcher eine Expansion des Kathoden-Abgases 6 und somit eine Absenkung dessen Fluiddrucks bewirkt (Steigerung eines Wirkungsgrads der Brennstoffzelle 10).For conveying and compressing the cathode operating medium 5, a cathode compressor 33 is preferably arranged on/in the cathode supply path 31. In embodiments, the cathode compressor 33 is designed as an exclusively or also an electric motor-driven cathode compressor 33, which is driven by an electric motor 34 or a drive 34, which is preferably equipped with corresponding power electronics 35. The cathode compressor 33 is preferably designed as at least an electric turbocharger (ETC for Electric Turbo Charger). The cathode compressor 33 can also be driven by a cathode turbine 36 arranged in the cathode exhaust path 32 with optionally variable turbine geometry, supported by a common shaft (in 1 not shown, see the 3 until 5 ). The cathode turbine 36 represents an expander which causes an expansion of the cathode exhaust gas 6 and thus a reduction in its fluid pressure (increasing the efficiency of the fuel cell 10).

Die Kathodenversorgung 30 kann gemäß der dargestellten Ausführungsform ferner ein Wastegate 37 beziehungsweise eine Wastegate-Leitung 37 aufweisen, welches beziehungsweise welche den Kathoden-Versorgungspfad 31 beziehungsweise eine Kathoden-Versorgungsleitung mit dem Kathoden-Abgaspfad 32 beziehungsweise einer Kathoden-Abgasleitung verbindet, also einen Bypass für die Brennstoffzelle 10 darstellt. Das Wastegate 37 erlaubt es, einen Massenstrom des Kathoden-Betriebsmediums 5 kurzfristig in der Brennstoffzelle 10 zu reduzieren, ohne den Kathodenverdichter 33 herunterzufahren oder die Brennstoffzelle 10 mit einem entsprechenden Massenstrom des Kathoden-Betriebsmediums 5 zu versorgen, welcher außerhalb eines Betriebsbereichs des Kathodenverdichters 33 liegt. Ein im Wastegate 37 angeordnetes Stellmittel 38 erlaubt eine Einstellung eines Volumenstroms des die Brennstoffzelle 10 gegebenenfalls umgehenden Kathoden-Betriebsmediums 5.According to the embodiment shown, the cathode supply 30 can also have a wastegate 37 or a wastegate line 37, which connects the cathode supply path 31 or a cathode supply line to the cathode exhaust path 32 or a cathode exhaust line, i.e. represents a bypass for the fuel cell 10. The wastegate 37 makes it possible to briefly reduce a mass flow of the cathode operating medium 5 in the fuel cell 10 without shutting down the cathode compressor 33 or supplying the fuel cell 10 with a corresponding mass flow of the cathode operating medium 5 that lies outside an operating range of the cathode compressor 33. An adjusting means 38 arranged in the wastegate 37 makes it possible to adjust a volume flow of the cathode operating medium 5 that may bypass the fuel cell 10.

Sämtliche Stellmittel 24, 38 , 55 (siehe auch unten) des Brennstoffzellensystems 1 können als regelbare, steuerbare oder nicht regelbare Ventile, Klappen, Drosseln et cetera ausgebildet sein. Zur weiteren Isolierung der Brennstoffzelle 10 von der Umgebung 2 kann wenigstens ein weiteres
entsprechendes Stellmittel (nicht dargestellt) an/in einem Anoden-Pfad 21 , 22 und/oder einem Kathoden-Pfad 31 , 32 beziehungsweise an/in einer Leitung des Anoden-Pfads 21 , 22 und/oder einer Leitung des Kathoden-Pfads 31 , 32 angeordnet sein.All actuating means 24, 38, 55 (see also below) of the fuel cell system 1 can be designed as adjustable, controllable or non-adjustable valves, flaps, throttles, etc. For further isolation of the fuel cell 10 from the environment 2, at least one further
corresponding actuating means (not shown) can be arranged on/in an anode path 21, 22 and/or a cathode path 31, 32 or on/in a line of the anode path 21, 22 and/or a line of the cathode path 31, 32.

Das bevorzugte Brennstoffzellensystem 1 weist ferner einen Feuchteübertrager 39 auf. Der Feuchteübertrager 39 ist einerseits derart im Kathoden-Versorgungspfad 31 angeordnet, dass er vom Kathoden-Betriebsmedium 5 durchströmbar ist. Andererseits ist der Feuchteübertrager derart im Kathoden-Abgaspfad 32 angeordnet, dass er vom Kathoden-Abgas 6 durchströmbar ist. Der Feuchteübertrager 39 ist einerseits im Kathoden-Versorgungspfad 31 bevorzugt zwischen dem Kathodenverdichter 33 und einem Kathodeneingang der Brennstoffzelle 10 und andererseits im Kathoden-Abgaspfad 32 zwischen einem Kathodenausgang der Brennstoffzelle 10 und der gegebenenfalls vorgesehenen Kathodenturbine 36 angeordnet. Ein Feuchteüberträger (nicht dargestellt) des Feuchteübertragers 39 weist bevorzugt eine Mehrzahl von Membranen auf, die oft entweder flächig oder in Form von Hohlfasern ausgebildet sind.The preferred fuel cell system 1 further comprises a moisture exchanger 39. The moisture exchanger 39 is arranged on the one hand in the cathode supply path 31 in such a way that the cathode operating medium 5 can flow through it. On the other hand, the moisture exchanger is arranged in the cathode exhaust gas path 32 in such a way that the cathode exhaust gas 6 can flow through it. The moisture exchanger 39 is arranged on the one hand in the cathode supply path 31, preferably between the cathode compressor 33 and a cathode inlet of the fuel cell 10, and on the other hand in the cathode exhaust gas path 32 between a cathode outlet of the fuel cell 10 and the cathode turbine 36, if provided. A moisture exchanger (not shown) of the moisture exchanger 39 preferably comprises a plurality of membranes, which are often either flat or in the form of hollow fibers.

Verschiedene weitere Einzelheiten des Brennstoffzellensystems 1 beziehungsweise der Brennstoffzelle 10 / des Brennstoffzellenstapels 10, der Anodenversorgung 20 und der Kathodenversorgung 30 sind in der vereinfachten 1 aus Gründen einer Übersichtlichkeit nicht dargestellt. So kann der Feuchteübertrager 39 seitens des Kathoden-Versorgungspfads 31 (siehe einen Feuchteübertrager-Bypass 40 in den 3 bis 5) und/oder seitens des Kathoden-Abgaspfads 32 mittels einer Bypassleitung umgangen werden. Es kann ferner eine Turbinen-Bypassleitung seitens des Kathoden-Abgaspfads 32 vorgesehen sein, welche die Kathodenturbine 36 umgeht (vergleiche die 4).Various further details of the fuel cell system 1 or the fuel cell 10 / the fuel cell stack 10, the anode supply 20 and the cathode supply 30 are shown in the simplified 1 not shown for reasons of clarity. The humidity transmitter 39 can be connected to the cathode supply path 31 (see a humidity transmitter bypass 40 in the 3 until 5 ) and/or by the cathode exhaust path 32 by means of a bypass line. A turbine bypass line can also be provided on the cathode exhaust path 32, which bypasses the cathode turbine 36 (see the 4 ).

Des Weiteren kann im Anoden-Abgaspfad 22 und/oder im Kathoden-Abgaspfad 32 ein Wasserabscheider verbaut sein, mittels welchem ein aus der betreffenden Teilreaktion der Brennstoffzelle 10 entstehendes Produktwasser kondensierbar und/oder abscheidebar und gegebenenfalls in einen Wassersammler ableitbar ist. Des Weiteren kann die Anodenversorgung 20 alternativ oder zusätzlich einen zur Kathodenversorgung 30 analogen Feuchteübertrager 39 aufweisen. Ferner kann der Anoden-Abgaspfad 22 in den Kathoden-Abgaspfad 32 beziehungsweise vice versa münden, wobei das Anoden-Abgas 4 und das Kathoden-Abgas 6 gegebenenfalls über die gemeinsame Abgaseinrichtung abgeführt werden können. Darüber hinaus kann in Ausführungsbeispielen das Kathoden-Betriebsmedium 5 einen am/im Kathoden-Versorgungspfad 31 vorgesehenen Ladeluftkühler 41 (siehe die 3 bis 5) durchströmen.Furthermore, a water separator can be installed in the anode exhaust path 22 and/or in the cathode exhaust path 32, by means of which product water arising from the relevant partial reaction of the fuel cell 10 can be condensed and/or separated and optionally discharged into a water collector. Furthermore, the anode supply 20 can alternatively or additionally have a moisture exchanger 39 analogous to the cathode supply 30. Furthermore, the anode exhaust path 22 can open into the cathode exhaust path 32 or vice versa, wherein the anode exhaust gas 4 and the cathode exhaust gas 6 can optionally be discharged via the common exhaust device. Furthermore, in embodiments, the cathode operating medium 5 can have a charge air cooler 41 provided on/in the cathode supply path 31 (see the 3 until 5 ) flow through.

Für einen Schutz der Brennstoffzelle 10 beziehungsweise des Brennstoffzellenstapels 10 ist zusätzlich deren beziehungsweise dessen Stapelgehäuse 16 notwendig, wodurch sich gegebenenfalls Wasserstoff und/oder Kondensat innerhalb des Stapelgehäuses 16 ansammeln kann. Zur Vermeidung eines brennbaren Gasgemischs innerhalb des Stapelgehäuses 16 , zum Vermeiden einer Bildung von Kondensat im Stapelgehäuse 16 und/oder für ein Austragen von Wasserstoff beziehungsweise Kondensat aus dem Stapelgehäuse 16 heraus ist eine Stapelgehäuse-Belüftung 50 mit einer durch das Stapelgehäuse 16 hindurchgehenden Belüftungsstrecke 51 vorgesehen. Die 2 zeigt solch eine Stapelgehäuse-Belüftung 50 gemäß dem Stand der Technik, mit einer Belüftungsstrecke 51 und einem an/in der Belüftungsstrecke 51 angeordneten Stapelgehäuse-Lüfter 52 , welcher ausschließlich mittels eines Elektromotors antreibbar ist.To protect the fuel cell 10 or the fuel cell stack 10, its or its stack housing 16 is also necessary, whereby hydrogen and/or condensate can possibly accumulate within the stack housing 16. To avoid a combustible gas mixture within the stack housing 16, to avoid the formation of condensate in the stack housing 16 and/or to remove hydrogen or condensate from the stack housing 16, a stack housing ventilation 50 with a ventilation section 51 passing through the stack housing 16 is provided. The 2 shows such a stack housing ventilation 50 according to the prior art, with a ventilation section 51 and a stack housing fan 52 arranged on/in the ventilation section 51, which can be driven exclusively by means of an electric motor.

Gemäß der Erfindung (siehe die 3 bis 5) erfolgt ein Betrieb des Stapelgehäuse-Lüfters 52 durch eine aus dem Brennstoffzellensystem 1 zur Verfügung stehende Energie. Hierbei kann der Stapelgehäuse-Lüfter 52 ohne einen elektrischen Primärantrieb ausgebildet sein. Erfindungsgemäß ist der Stapelgehäuse-Lüfter 52 von einer Lüfterturbine 53 antreibbar. Hierbei kann insbesondere eine Enthalpie des Kathoden-Abgases 6 (3 oder 4), eine Energie bei einer Entspannung des Wasserstoffs (5) und/oder eine Energie für ein Purgen (Gasablassen, nicht dargestellt) für einen Antrieb der Lüfterturbine 53 und somit des Stapelgehäuse-Lüfters 52 genutzt werden. Ferner kann ein Energiespeicher in der Stapelgehäuse-Belüftung 50 für einen bevorzugt vergleichsweise kurzzeitigen Betrieb des Stapelgehäuse-Lüfters 52 bei bevorzugt inaktivem Brennstoffzellensystem 1 vorgesehen sein (Sekundärantrieb).According to the invention (see the 3 until 5 ), the stack housing fan 52 is operated by energy available from the fuel cell system 1. In this case, the stack housing fan 52 can be designed without an electric primary drive. According to the invention, the stack housing fan 52 can be driven by a fan turbine 53. In this case, in particular, an enthalpy of the cathode exhaust gas 6 ( 3 or 4 ), an energy when the hydrogen is relaxed ( 5 ) and/or energy for purging (gas venting, not shown) can be used to drive the fan turbine 53 and thus the stack housing fan 52. Furthermore, an energy storage device can be provided in the stack housing ventilation 50 for a preferably comparatively short-term operation of the stack housing fan 52 when the fuel cell system 1 is preferably inactive (secondary drive).

Bei sämtlichen dargestellten Ausführungsformen der Erfindung saugt der Stapelgehäuse-Lüfter 52 an einem Luftfilter 42 beziehungsweise an einem Luftfilterkasten 42 Luft aus der Umgebung 2 an und transportiert diese durch einen brennstoffzellen-aufwärtigen Abschnitt der Belüftungsstrecke 51 , durch das Stapelgehäuse 16 und durch einen Brennstoffzellenabwärtigen Abschnitt der Belüftungsstrecke 51 hindurch, und spült die Brennstoffzelle 10 mit Luft. Hierbei können die Lüfterturbine 53 und der Stapelgehäuse-Lüfter 52 auf einer gemeinsamen Welle sitzen (siehe die 3 bis 5). Es ist natürlich möglich, zwischen der Lüfterturbine 53 und dem Stapelgehäuse-Lüfter 52 ein Getriebe vorzusehen (nicht dargestellt).In all illustrated embodiments of the invention, the stack housing fan 52 sucks in air from the environment 2 at an air filter 42 or at an air filter box 42 and transports it through a fuel cell-upstream section of the ventilation path 51, through the stack housing 16 and through a fuel cell-downstream section of the ventilation path 51, and flushes the fuel cell 10 with air. In this case, the fan turbine 53 and the stack housing fan 52 can be located on a common shaft (see the 3 until 5 ). It is of course possible to provide a gear between the fan turbine 53 and the stack housing fan 52 (not shown).

Bei der ersten Ausführungsform (3) der Erfindung ist die Lüfterturbine 53 durch das Kathoden-Abgas 6 antreibbar, wobei die Lüfterturbine 53 stromabwärts der Kathodenturbine 36 am/im Kathoden-Abgaspfad 32 angeordnet ist. Es ist natürlich möglich, die Lüfterturbine 53 stromaufwärts der Kathodenturbine 36 anzuordnen (nicht dargestellt). Das heißt, dass die Lüfterturbine 53 und die Kathodenturbine 36 fluidmechanisch in Reihe geschaltet sind.In the first embodiment ( 3 ) of the invention, the fan turbine 53 can be driven by the cathode exhaust gas 6, wherein the fan turbine 53 is arranged downstream of the cathode turbine 36 on/in the cathode exhaust gas path 32. It is of course possible to arrange the fan turbine 53 upstream of the cathode turbine 36 (not shown). This means that the fan turbine 53 and the cathode turbine 36 are fluid-mechanically connected in series.

Bei der zweiten Ausführungsform (4) der Erfindung ist die Lüfterturbine 53 ebenfalls durch das Kathoden-Abgas 6 antreibbar,
wobei die Lüfterturbine 53 an/in einem Kathodenturbinen-Bypass 54 angeordnet ist, mittels welchem die Kathodenturbine 36 im Kathoden-Abgaspfad 32 umgehbar ist. Das heißt, dass die Lüfterturbine 53 und die Kathodenturbine 36 fluidmechanisch parallel geschaltet sind. Bevorzugt ist am/im Kathodenturbinen-Bypass 54 ein Stellmittel 55 zum Einstellen eines Volumenstroms eines Kathoden-Abgases 6 vorgesehen, welches durch den Kathodenturbinen-Bypass 54 hindurchströmbar ist. Hierbei ist das Stellmittel 55 bevorzugt stromaufwärts der Lüfterturbine 53 am/im Kathodenturbinen-Bypass 54 vorgesehen.In the second embodiment ( 4 ) of the invention, the fan turbine 53 can also be driven by the cathode exhaust gas 6,
wherein the fan turbine 53 is arranged on/in a cathode turbine bypass 54, by means of which the cathode turbine 36 can be bypassed in the cathode exhaust gas path 32. This means that the fan turbine 53 and the cathode turbine 36 are connected in parallel fluid-mechanically. Preferably, an adjusting means 55 for adjusting a volume flow of a cathode exhaust gas 6 is provided on/in the cathode turbine bypass 54, which can flow through the cathode turbine bypass 54. In this case, the adjusting means 55 is preferably provided upstream of the fan turbine 53 on/in the cathode turbine bypass 54.

Bei der dritten Ausführungsform (5) der Erfindung ist die Lüfterturbine 53 durch das Anoden-Betriebsmedium 3 antreibbar, wobei die Lüfterturbine 53 stromaufwärts einer Gasstrahlpumpe 27 beziehungsweise stromaufwärts der Rezirkulationsleitung 25 am/im Anoden-Versorgungspfad 31 angeordnet ist. Es ist natürlich möglich, statt der Strahlpumpe 27 eine andere Einrichtung zur Versorgung der Brennstoffzelle 10 mit dem Anoden-Betriebsmedium 3 vorzusehen, wie z. B. ein Stellmittel, eine Druckregel- und Dosiereinrichtung et cetera (nicht dargestellt). Hierbei ist die Lüfterturbine 53 bevorzugt zwischen dem Brennstoffspeicher 23 und dem Stellmittel 24 vorgesehen. Auch ein stromabwärtiges Vorsehen der Lüfterturbine 53 hinter dem Stellmittel 24 ist möglich (nicht dargestellt).In the third embodiment ( 5 ) of the invention, the fan turbine 53 can be driven by the anode operating medium 3, wherein the fan turbine 53 is arranged upstream of a gas jet pump 27 or upstream of the recirculation line 25 on/in the anode supply path 31. It is of course possible to provide another device for supplying the fuel cell 10 with the anode operating medium 3 instead of the jet pump 27, such as an actuating means, a pressure control and metering device, etc. (not shown). In this case, the fan turbine 53 is preferably provided between the fuel reservoir 23 and the actuating means 24. It is also possible to provide the fan turbine 53 downstream behind the actuating means 24 (not shown).

BezugszeichenlisteList of reference symbols

11
Brennstoffzellensystem, Brennstoffzellenaggregat, bevorzugt für ein Fahrzeug mit einem Elektromotor, insbesondere einem ElektrotraktionsmotorFuel cell system, fuel cell unit, preferably for a vehicle with an electric motor, in particular an electric traction motor
22
UmgebungVicinity
33
Fluid, Betriebsmedium, Reaktant, insbesondere Anoden-Betriebsmedium, eigentlicher Brennstoff, bevorzugt Wasserstoff oder wasserstoffhaltiges GasgemischFluid, operating medium, reactant, in particular anode operating medium, actual fuel, preferably hydrogen or hydrogen-containing gas mixture
44
Fluid, Abgas gegebenenfalls inklusive flüssiges Wasser, insbesondere Anoden-AbgasFluid, exhaust gas possibly including liquid water, in particular anode exhaust gas
55
Fluid, Betriebsmedium, Reaktant, insbesondere Kathoden-Betriebsmedium, bevorzugt LuftFluid, operating medium, reactant, especially cathode operating medium, preferably air
66
Fluid, Abgas inklusive gegebenenfalls flüssiges Wasser, insbesondere Kathoden-Abgas, bevorzugt AbluftFluid, exhaust gas including possibly liquid water, in particular cathode exhaust gas, preferably exhaust air
1010
Brennstoffzelle, Brennstoffzellenstapelfuel cell, fuel cell stack
1111
Einzelzelle mit einer Anodenelektrode der Anode der Brennstoffzelle 10 und einer Kathodenelektrode der Kathode der Brennstoffzelle 10 , Einzel-BrennstoffzelleSingle cell with an anode electrode of the anode of the fuel cell 10 and a cathode electrode of the cathode of the fuel cell 10, single fuel cell
1212
Anodenraum einer Einzelzelle 11Anode compartment of a single cell 11
1313
Kathodenraum der Einzelzelle 11Cathode compartment of single cell 11
1414
Membran-Elektroden-Einheit, mit bevorzugt einer Polymerelektrolyt-Membran sowie einer Anodenelektrode und einer KathodenelektrodeMembrane electrode assembly, preferably with a polymer electrolyte membrane and an anode electrode and a cathode electrode
1515
Bipolarplatte, Flussfeldplatte, SeparatorplatteBipolar plate, flow field plate, separator plate
1616
Stapelgehäuse der Brennstoffzelle 10Fuel cell stack housing 10
2020
Brennstoffzellen-Versorgung, Anodenversorgung, Anodenkreislauf der Brennstoffzelle beziehungsweise des Brennstoffzellenstapels 10Fuel cell supply, anode supply, anode circuit of the fuel cell or fuel cell stack 10
2121
Pfad, Versorgungspfad, Strömungspfad, Anoden-VersorgungspfadPath, supply path, flow path, anode supply path
2222
Pfad, Abgaspfad, Strömungspfad, Anoden-AbgaspfadPath, exhaust path, flow path, anode exhaust path
2323
Brennstoffspeicher, Brennstofftank mit Anoden-Betriebsmedium 3Fuel storage, fuel tank with anode operating medium 3
2424
Stellmittel, regelbar, (an)steuerbar, nicht regelbar, insbesondere Ventil, Klappe, Drossel et ceteraActuating means, adjustable, controllable, non-adjustable, in particular valve, flap, throttle, etc.
2525
Brennstoff-RezirkulationsleitungFuel recirculation line
2727
StrahlpumpeJet pump
3030
Brennstoffzellen-Versorgung, Kathodenversorgung, Kathodenkreislauf der Brennstoffzelle 10 beziehungsweise des Brennstoffzellenstapels 10Fuel cell supply, cathode supply, cathode circuit of the fuel cell 10 or the fuel cell stack 10
3131
Pfad, Versorgungspfad, Strömungspfad, Kathoden-VersorgungspfadPath, supply path, flow path, cathode supply path
3232
Pfad, Abgaspfad, Strömungspfad, Kathoden-AbgaspfadPath, exhaust path, flow path, cathode exhaust path
3333
Verdichter, Kathodenverdichter, Kompressor, TurboladerCompressor, cathode compressor, compressor, turbocharger
3434
Motor, insbesondere Elektromotor oder Antrieb (gegebenenfalls inklusive Getriebe)Motor, in particular electric motor or drive (possibly including transmission)
3535
Elektronik, insbesondere Leistungselektronik für den Motor 34Electronics, especially power electronics for the engine 34
3636
Turbine mit gegebenenfalls variabler Turbinengeometrie, Kathodenturbine, ExpanderTurbine with optionally variable turbine geometry, cathode turbine, expander
3737
Wastegate, Wastegate-LeitungWastegate, wastegate line
3838
Stellmittel, regelbar, (an)steuerbar, nicht regelbar, insbesondere Ventil, Klappe, Drossel et ceteraActuating means, adjustable, controllable, non-adjustable, in particular valve, flap, throttle, etc.
3939
Feuchteübertrager, BefeuchterHumidity transmitter, humidifier
4040
Feuchteübertrager-BypassHumidity transmitter bypass
4141
LadeluftkühlerIntercooler
4242
Luftfilter, LuftfilterkastenAir filter, air filter box
5050
Stapelgehäuse-Belüftung der Brennstoffzelle 10 beziehungsweise des Brennstoffzellenstapels 10Stack housing ventilation of the fuel cell 10 or the fuel cell stack 10
5151
BelüftungsstreckeVentilation section
5252
Stapelgehäuse-LüfterStackable case fans
5353
LüfterturbineFan turbine
5454
Kathodenturbinen-BypassCathode turbine bypass
5555
Stellmittel, regelbar, (an)steuerbar, nicht regelbar, insbesondere Ventil, Klappe, Drossel et ceteraActuating means, adjustable, controllable, non-adjustable, in particular valve, flap, throttle, etc.

Claims (10)

Stapelgehäuse-Belüftung (50) für eine Brennstoffzelle (10) eines Brennstoffzellensystems (1) mit einer durch ein Stapelgehäuse (16) der Brennstoffzelle (10) hindurchführenden Belüftungsstrecke (51) und einem an/in der Belüftungsstrecke (51) angeordneten Stapelgehäuse-Lüfter (52) zum Belüften des Stapelgehäuses (16) der Brennstoffzelle (10), dadurch gekennzeichnet, dass der Stapelgehäuse-Lüfter (52) von einer Lüfterturbine (53) antreibbar ist, die von einem Fluid (3, 4) in einer Anodenversorgung (20) für die Brennstoffzelle (10) und/oder von einem Fluid (5, 6) in einer Kathodenversorgung (30) für die Brennstoffzelle (10) fluidmechanisch antreibbar ist.Stack housing ventilation (50) for a fuel cell (10) of a fuel cell system (1) with a ventilation section (51) leading through a stack housing (16) of the fuel cell (10) and a stack housing fan (52) arranged on/in the ventilation section (51) for ventilating the stack housing (16) of the fuel cell (10), characterized in that the stack housing fan (52) can be driven by a fan turbine (53) which can be fluid-mechanically driven by a fluid (3, 4) in an anode supply (20) for the fuel cell (10) and/or by a fluid (5, 6) in a cathode supply (30) for the fuel cell (10). Stapelgehäuse-Belüftung (50) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stapelgehäuse-Belüftung (50) derart ausgebildet ist, dass der Stapelgehäuse-Lüfter (52) mittels eines Anoden-Betriebsmediums (3), eines Anoden-Abgases (4), eines Kathoden-Betriebsmediums (5) und/oder eines Kathoden-Abgases (6) fluidmechanisch antreibbar ist, wobei eine Enthalpie zum Antrieb des Stapelgehäuse-Lüfters (52) dem Anoden-Betriebsmedium (3), dem Kathoden-Abgas (6) oder einem Purgegas entnehmbar ist.Stack housing ventilation (50) according to Claim 1 , characterized in that the stack housing ventilation (50) is designed such that the stack housing fan (52) can be driven fluid-mechanically by means of an anode operating medium (3), an anode exhaust gas (4), a cathode operating medium (5) and/or a cathode exhaust gas (6), wherein an enthalpy for driving the stack housing fan (52) can be taken from the anode operating medium (3), the cathode exhaust gas (6) or a purge gas. Stapelgehäuse-Belüftung (50) gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Stapelgehäuse-Lüfter (52) mittels einer Lüfterturbine (53) an/in einem Anoden-Versorgungspfad (21), oder mittels einer Lüfterturbine (53) an/in einem Kathoden-Abgaspfad (32), fluidmechanisch antreibbar ist.Stack housing ventilation (50) according to Claim 1 or 2 , characterized in that the stack housing fan (52) can be driven fluid-mechanically by means of a fan turbine (53) on/in an anode supply path (21), or by means of a fan turbine (53) on/in a cathode exhaust gas path (32). Stapelgehäuse-Belüftung (50) gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Lüfterturbine (53) stromaufwärts einer Brennstoff-Rezirkulationsleitung (25) im Anoden-Versorgungspfad (21) angeordnet ist, die Lüfterturbine (53) im Kathoden-Abgaspfad (32) fluidmechanisch in Reihe mit einer Kathodenturbine (36) geschaltet ist, die Lüfterturbine (53) am Kathoden-Abgaspfad (32) fluidmechanisch parallel zur Kathodenturbine (36) geschaltet ist, oder die Lüfterturbine (53) in einem Fluidpfad zwischen einer Anode und einer Kathode der Brennstoffzelle (10) angeordnet ist.Stack housing ventilation (50) according to Claim 3 , characterized in that the fan turbine (53) is arranged upstream of a fuel recirculation line (25) in the anode supply path (21), the fan turbine (53) in the cathode exhaust path (32) is fluid-mechanically connected in series with a cathode turbine (36), the fan turbine (53) on the cathode exhaust path (32) is fluid-mechanically connected in parallel to the cathode turbine (36), or the fan turbine (53) is arranged in a fluid path between an anode and a cathode of the fuel cell (10). Stapelgehäuse-Belüftung (50) gemäß Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Stapelgehäuse-Lüfter (52) und die Lüfterturbine (53) zusammen oder voneinander getrennt vorgesehen sind.Stack housing ventilation (50) according to Claim 3 or 4 , characterized in that the stack housing fan (52) and the fan turbine (53) are provided together or separately from each other. Stapelgehäuse-Belüftung (50) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Stapelgehäuse-Belüftung (50), der Stapelgehäuse-Lüfter (52) oder die Lüfterturbine (53) einen Energiespeicher für ein Antreiben des Stapelgehäuse-Lüfters (52) aufweist.Stack housing ventilation (50) according to one of the Claims 1 until 5 , characterized in that the stack housing ventilation (50), the stack housing fan (52) or the fan turbine (53) has an energy storage device for driving the stack housing fan (52). Stapelgehäuse-Belüftung (50) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Stapelgehäuse-Lüfter (52) ferner elektromechanisch antreibbar ist, wofür die Stapelgehäuse-Belüftung (50), der Stapelgehäuse-Lüfter (52) oder die Lüfterturbine (53) einen Elektromotor aufweist und gegebenenfalls eine Einrichtung zur Speicherung von elektrischer Energie umfasst, mittels welcher der Elektromotor antreibbar ist.Stack housing ventilation (50) according to one of the Claims 1 until 6 , characterized in that the stack housing fan (52) can also be driven electromechanically, for which purpose the stack housing ventilation (50), the stack housing fan (52) or the fan turbine (53) has an electric motor and optionally comprises a device for storing electrical energy, by means of which the electric motor can be driven. Stapelgehäuse-Belüftung (50) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Stapelgehäuse-Belüftung (50) ferner ein weiteres Bauteil und/oder eine weitere Baugruppe belüftbar oder kühlbar ist.Stack housing ventilation (50) according to one of the Claims 1 until 7 , characterized in that by means of the stack housing ventilation (50) a further component and/or a further assembly can be ventilated or cooled. Stapelgehäuse-Belüftung (50) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Stapelgehäuse-Lüfter (52) direkt am oder im Stapelgehäuse (16) der Brennstoffzelle (10) vorgesehen ist.Stack housing ventilation (50) according to one of the Claims 1 until 8th , characterized in that the stack housing fan (52) is provided directly on or in the stack housing (16) of the fuel cell (10). Brennstoffzellensystem (1) oder Fahrzeug, insbesondere Elektrofahrzeug, mit einem Brennstoffzellensystem (1), dadurch gekennzeichnet, dass das Brennstoffzellensystem (1) eine Stapelgehäuse-Belüftung (50) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9 aufweist.Fuel cell system (1) or vehicle, in particular electric vehicle, with a fuel cell system (1), characterized in that the fuel cell system (1) has a stack housing ventilation (50) according to one of the Claims 1 until 9 having.
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