DE102016118346A1 - Cathode supply for a fuel cell - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Kathodenversorgung (30) für eine Brennstoffzelle (10) eines Brennstoffzellenaggregats (1), mit einem Kathoden-Versorgungspfad (31) und einem Kathoden-Abgaspfad (32), wobei an/in den Kathoden-Versorgungspfad (31) ein Kathodenverdichter (33) fluidmechanisch an-/eingekoppelt ist, und die Kathodenversorgung (30) eine Kathoden-Rezirkulationsleitung (110) aufweist, mittels welcher der Kathoden-Versorgungspfad (31) mit dem Kathoden-Abgaspfad (32) fluidmechanisch koppelbar ist, wobei an/in die Kathoden-Rezirkulationsleitung (110) ein Rezirkulations-Wasserabscheider (121) fluidmechanisch an-/eingekoppelt ist. Das fluidmechanische Koppeln des Kathoden-Abgaspfads (32) mit dem Kathoden-Versorgungspfad (31) durch die Kathoden-Rezirkulationsleitung (110) hindurch ist mittels eines Abgasrückführ-Stellmittels (111) an/in der Kathodenversorgung (30), insbesondere der Kathoden-Rezirkulationsleitung (110) stromabwärts oder stromaufwärts des Rezirkulations-Wasserabscheiders (121), realisierbar. Die Kathoden-Rezirkulationsleitung (110) ist dabei frei von einer Strömungsmaschine und/oder die Kathodenversorgung (30) weist als einzigen Verdichter den Kathodenverdichter (33) am/im Kathoden-Versorgungspfad (31) auf.The invention relates to a cathode supply (30) for a fuel cell (10) of a fuel cell assembly (1), comprising a cathode supply path (31) and a cathode exhaust path (32), to / on the cathode supply path (31) a cathode compressor (33) is fluid-mechanically coupled / coupled, and the cathode supply (30) comprises a cathode recirculation line (110), by means of which the cathode supply path (31) with the cathode exhaust path (32) is fluid-mechanically coupled, wherein on / in the cathode recirculation line (110) is fluidically coupled / uncoupled to a recirculation water separator (121). The fluid-mechanical coupling of the cathode exhaust path (32) with the cathode supply path (31) through the cathode recirculation line (110) is by means of an exhaust gas recirculation actuator (111) on / in the cathode supply (30), in particular the cathode recirculation line (110) downstream or upstream of the recirculation water separator (121). The cathode recirculation line (110) is free from a turbomachine and / or the cathode supply (30) has the cathode compressor (33) as the only compressor on / in the cathode supply path (31).
Description
Die Erfindung betrifft eine Kathodenversorgung für eine Brennstoffzelle eines Brennstoffzellenaggregats, mit einem Kathoden-Abgaspfad und einem Kathoden-Versorgungspfad, wobei an/in den Kathoden-Versorgungspfad ein Kathodenverdichter fluidmechanisch an-/eingekoppelt ist. Ferner betrifft die Erfindung ein Brennstoffzellenaggregat, ein Brennstoffzellensystem und/oder ein Brennstoffzellenfahrzeug mit einer daran fluidmechanisch anschließbaren oder angeschlossenen erfindungsgemäßen Kathodenversorgung. The invention relates to a cathode supply for a fuel cell of a fuel cell assembly, comprising a cathode exhaust path and a cathode supply path, wherein on / in the cathode supply path, a cathode compressor fluid-mechanically coupled / coupled. Furthermore, the invention relates to a fuel cell assembly, a fuel cell system and / or a fuel cell vehicle with a fluid supply to this connected or connected according to the invention cathode supply.
Eine Brennstoffzelle eines Brennstoffzellenaggregats eines Brennstoffzellensystems nutzt eine elektrochemische Umsetzung eines wasserstoffhaltigen (H, H2) Brennstoffs mit Sauerstoff (O, O2) zu Wasser zur Erzeugung elektrischer Energie. Hierfür enthält die Brennstoffzelle als eine Kernkomponente wenigstens eine sogenannte Membran-Elektroden-Einheit (englisch MEA, Membrane Electrode Assembly), welche ein Gefüge aus einer ionenleitenden beziehungsweise 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 of a fuel cell assembly of a fuel cell system uses an electrochemical reaction of a hydrogen-containing (H, H 2 ) fuel with oxygen (O, O 2 ) to form water for generating electrical energy. For this purpose, the fuel cell contains as a core component at least one so-called membrane electrode assembly (MEA, Membrane Electrode Assembly), which is a structure of an ion-conducting or 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 der Brennstoffzelle dienen. Zudem sorgen die Bipolarplatten für eine jeweilige elektrisch leitende Verbindung zu den jeweilig benachbarten Membran-Elektroden-Einheiten. In general, the fuel cell is formed by means of a plurality of arranged in a stack (English stack) membrane electrode assemblies, wherein add their electrical power in an operation of the fuel cell. Bipolar plates, also called flux field plates or separator plates, are usually arranged between the individual membrane electrode units, which supply and usually also supply the membrane electrode units, ie a supply of the individual cells of the fuel cell, with the operating media, the so-called reactants serve a cooling of the fuel cell. In addition, the bipolar plates provide for a respective electrically conductive connection to the respective adjacent membrane-electrode units.
In einem Betrieb der Einzelzellen der Brennstoffzelle (Einzelzelle: Membran-Elektroden-Einheit sowie ein zugehöriger Anodenraum begrenzt von einer Bipolarplatte und ein zugehöriger Kathodenraum begrenzt von einer zweiten Bipolarplatte) wird der Brennstoff, ein sogenanntes Anoden-Betriebsmedium, über ein anodenseitig offenes Flussfeld der Bipolarplatten den Anodenelektroden zugeführt, wo eine elektrochemische Oxidation von H2 zu 2H+ unter einer Abgabe von Elektronen (2e–) stattfindet (H2 => 2H+ + 2e–). Durch die Membranen beziehungsweise Elektrolyten der Membran-Elektroden-Einheiten hindurch, welche die betreffenden Reaktionsräume (Anodenraum-Kathodenraum-Paare der Einzelzellen) gasdicht voneinander trennen und elektrisch isolieren, erfolgt ein wassergebundener oder wasserfreier Transport der gebildeten 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. In an operation of the individual cells of the fuel cell (single cell: membrane electrode assembly and an associated anode space bounded by a bipolar plate and an associated cathode space bounded by a second bipolar plate), the fuel, a so-called anode operating medium, via an anode side open flow field of the bipolar plates supplied to the anode electrodes, where an electrochemical oxidation of H 2 to 2H + occurs with a release of electrons (2e - ) (H 2 => 2H + + 2e - ). Through the membranes or electrolytes of the membrane-electrode units, which gas-tightly separate and electrically isolate the respective reaction spaces (anode space-cathode space pairs of the individual cells), a water-bound or anhydrous transport of the protons (H + ) formed by the anode electrodes ( (composite) anode of the fuel cell) in the anode spaces of the single cells to the cathode electrodes ((composite) cathode of the fuel cell) in the cathode spaces of the single cells.
Die an der Anode bereitgestellten Elektronen werden über elektrische Leitungen und einen elektrischen Verbraucher (Elektrotraktionsmotor, Verdichter, Klimaanlage et cetera) der Kathode zugeleitet. Den Kathodenelektroden der Kathode wird über ein kathodenseitig offenes Flussfeld der Bipolarplatten ein sauerstoffhaltiges Kathoden-Betriebsmedium zugeführt, wobei eine elektrochemische Reduktion von O2 zu 2O2– unter einer Aufnahme von Elektronen stattfindet (½O2 + 2e– => O2–). Gleichzeitig reagieren die an den Kathodenelektroden gebildeten Sauerstoffanionen (O2–) mit den durch die Membranen beziehungsweise Elektrolyten hindurch transportierten Protonen unter einer Bildung von Wasser (O2– + 2H+ => H2O). The electrons provided at the anode are fed via electrical lines and an electrical load (electric traction motor, compressor, air conditioning et cetera) of the cathode. An oxygen-containing cathode operating medium is supplied to the cathode electrodes of the cathode via a cathode field open flow field of the bipolar plates, wherein an electrochemical reduction of O 2 to 2O 2- takes place under a recording of electrons (½O 2 + 2e - => O 2- ). At the same time, the oxygen anions (O 2- ) formed on the cathode electrodes react with the protons transported through the membranes or electrolytes to form water (O 2- + 2H + => H 2 O).
Ein Brennstoffzellenfahrzeug beschreibt ein Fahrzeug, welches zu einem großen Teil durch eine elektrische Energie einer Brennstoffzelle beziehungsweise eines Brennstoffzellenstapels der Brennstoffzelle eines Brennstoffzellenaggregats des Fahrzeugs betreibbar ist beziehungsweise betrieben wird. Optional kann ein Energiespeicher, insbesondere eine wiederaufladbare Batterie, das Brennstoffzellenaggregat unterstützen, um einen Elektro(-traktions-)motor des Fahrzeugs, welcher ein Drehmoment für einen Antrieb des Fahrzeugs generiert, und gegebenenfalls einen elektrischen Verbraucher mit elektrischer Energie zu versorgen. Ferner ist es möglich, dass die Brennstoffzelle die Batterie beim Antrieb des Brennstoffzellenfahrzeugs unterstützt. A fuel cell vehicle describes a vehicle, which is operated or operated to a large extent by an electrical energy of a fuel cell or a fuel cell stack of the fuel cell of a fuel cell assembly of the vehicle. Optionally, an energy store, in particular a rechargeable battery, may assist the fuel cell assembly to provide an electrical (traction) motor of the vehicle which generates torque for propulsion of the vehicle and, optionally, an electrical consumer with electrical energy. Further, it is possible for the fuel cell to assist the battery in driving the fuel cell vehicle.
Eine elektrische Spannung einer Einzelzelle soll bei einem Start und in einem Betrieb der Brennstoffzelle einen Grenzwert nicht übersteigen, da ansonsten Schädigungen an den Einzelzellen auftreten. Bei bestimmten Startzuständen und/oder niedrigen Lastpunkten kann die Spannung jedoch über dem Grenzwert liegen, weshalb eine elektrische Leistung der Einzelzellen beziehungsweise der Brennstoffzelle begrenzt werden sollte. Ferner sollte eine Kathodenluft beim Abstellen der Brennstoffzelle sauerstoffarm sein. Ein Verfahren die Brennstoffzelle auch bei geringen Lastpunkten betreiben zu können und deren Kathode möglichst sauerstoffarm abstellen zu können, ist eine sogenannte Kathoden-Rezirkulation. Dabei wird sauerstoffarmes Kathoden-Abgas aus einem Kathodenauslass der Brennstoffzelle einem Kathodeneinlass der Brennstoffzelle zugeführt. Durch die Rückführung des Kathoden-Abgases wird auch flüssiges Wasser rezirkuliert. Dieses Wasser stellt eine Gefahr für einen Verdichter dar (Wasserschlag). An electrical voltage of a single cell should not exceed a limit value at a start and during operation of the fuel cell, since otherwise damage to the individual cells occurs. However, at certain starting states and / or low load points, the voltage may be above the limit, which is why an electric power of the individual cells or the fuel cell should be limited. Furthermore, a cathode air should be low in oxygen when parking the fuel cell. A method of being able to operate the fuel cell even at low load points and to be able to turn off its cathode with as little oxygen as possible is a so-called cathode recirculation. In this case, oxygen-poor cathode exhaust gas is supplied from a cathode outlet of the fuel cell to a cathode inlet of the fuel cell. By the return of the cathode exhaust gas is also recirculated liquid water. This water is a danger to a compressor (water hammer).
Die
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Brennstoffzelle auch bei geringen Lastpunkten betreiben zu können, wobei eine elektrische Spannung einer Einzelzelle der Brennstoffzelle einen Grenzwert nicht übersteigen soll. Ferner soll es möglich sein, eine Kathode der Brennstoffzelle sauerstoffarm abstellen zu können. Hierbei soll eine Strömungsmaschine in einer Kathodenversorgung der Brennstoffzelle sicher betreibbar sein. Insbesondere soll die Strömungsmaschine vor einem Wasserschlag geschützt sein. Des Weiteren soll ein entsprechendes Brennstoffzellenaggregat, ein entsprechendes Brennstoffzellensystem und/oder ein entsprechendes Brennstoffzellenfahrzeug angegeben werden. It is an object of the invention to be able to operate a fuel cell even at low load points, wherein an electrical voltage of an individual cell of the fuel cell should not exceed a limit value. Furthermore, it should be possible to turn off a cathode of the fuel cell oxygen poor. In this case, a turbomachine in a cathode supply of the fuel cell should be safe to operate. In particular, the turbomachine should be protected from a water hammer. Furthermore, a corresponding fuel cell assembly, a corresponding fuel cell system and / or a corresponding fuel cell vehicle should be specified.
Die Aufgabe der Erfindung ist mittels einer Kathodenversorgung für eine Brennstoffzelle eines Brennstoffzellenaggregats, mit einem Kathoden-Versorgungspfad und einem Kathoden-Abgaspfad, wobei an/in den Kathoden-Versorgungspfad ein Kathodenverdichter fluidmechanisch an-/eingekoppelt ist; und mittels eines Brennstoffzellenaggregats, eines Brennstoffzellensystems und/oder eines Brennstoffzellenfahrzeugs; 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 by means of a cathode supply for a fuel cell of a fuel cell assembly, with a cathode supply path and a cathode exhaust path, wherein on / in the cathode supply path, a cathode compressor fluid-mechanically coupled / coupled; and by means of a fuel cell assembly, a fuel cell system and / or a fuel cell vehicle; solved according to the independent claims. Advantageous developments, additional features and / or advantages of the invention will become apparent from the dependent claims and the following description.
Die erfindungsgemäße Kathodenversorgung weist eine Kathoden-Rezirkulationsleitung auf, mittels welcher der Kathoden-Versorgungspfad mit dem Kathoden-Abgaspfad fluidmechanisch koppelbar ist, wobei gemäß der Erfindung an/in die Kathoden-Rezirkulationsleitung ein Rezirkulations-Wasserabscheider fluidmechanisch an-/eingekoppelt ist. Das heißt einerseits mündet der Kathoden-Abgaspfad unter anderem an/in der Kathoden-Rezirkulationsleitung und die Kathoden-Rezirkulationsleitung andererseits an/in dem Kathoden-Versorgungspfad, wobei die Kathoden-Rezirkulationsleitung zwischen dem Kathoden-Abgaspfad und dem Kathoden-Versorgungspfad an/in die Kathodenversorgung fluidmechanisch an-/eingekoppelt ist. Ein Austritt eines Kathoden-Abgases in die Umgebung kann durch eine Abgasleitung hindurch erfolgen. The cathode supply according to the invention has a cathode recirculation line, by means of which the cathode supply path can be coupled in a fluid-mechanical manner to the cathode exhaust gas path, and according to the invention, a recirculation water separator is fluid-mechanically coupled to / in the cathode recirculation line. That is, on the one hand, the cathode exhaust path among other things opens on / in the cathode recirculation line and the cathode recirculation line on the other hand on / in the cathode supply path, with the cathode recirculation line between the cathode exhaust path and the cathode supply path to / into the Cathode supply is fluid-mechanically coupled / coupled. A discharge of a cathode exhaust gas into the environment can take place through an exhaust pipe.
In Ausführungsformen ist das fluidmechanische Koppeln des Kathoden-Abgaspfads mit dem Kathoden-Versorgungspfad durch die Kathoden-Rezirkulationsleitung hindurch mittels eines Abgasrückführ-Stellmittels (siehe unten) an/in der Kathodenversorgung, insbesondere der Kathoden-Rezirkulationsleitung stromabwärts oder stromaufwärts des Rezirkulations-Wasserabscheiders, realisierbar. Gemäß der Erfindung ergibt sich gegenüber einem herkömmlichen Kathoden-Wasserabscheider beziehungsweise gegenüber einem herkömmlichen Kathoden-Wasserabscheidemodul ein deutlich verkleinerter Rezirkulations-Wasserabscheider beziehungsweise ein deutlich verkleinertes Rezirkulations-Wasserabscheidemodul in der Kathoden-Rezirkulationsleitung. Dies spart Bauraum ein und reduziert die Kosten. In embodiments, the fluid-mechanical coupling of the cathode exhaust path to the cathode supply path through the cathode recirculation line is achievable by means of an exhaust gas recirculation actuator (see below) at the cathode supply, in particular the cathode recirculation line downstream or upstream of the recirculation water separator , According to the invention, in comparison with a conventional cathode water separator or with respect to a conventional cathode water separation module, a significantly reduced recirculation water separator or a significantly smaller recirculation water separation module in the cathode recirculation line results. This saves space and reduces costs.
In Ausführungsformen ist die Kathodenversorgung derart ausgebildet, dass lediglich bei einer aktiven Kathoden-Rezirkulation mittels des Rezirkulations-Wasserabscheiders eine signifikante Menge flüssiges Wasser abscheidbar ist, und/oder bei inaktiver Kathoden-Rezirkulation mittels des Rezirkulations-Wasserabscheiders keine oder eine vergleichsweise geringe Menge flüssiges Wasser abscheidbar ist. Unter einer aktiven Kathoden-Rezirkulation ist zu verstehen, dass ein aus dem Kathoden-Abgaspfad stammendes Kathoden-Abgas durch die Kathoden-Rezirkulationsleitung hindurch in den Kathoden-Versorgungspfad strömt (Abgasrückführ-Stellmittel offen), also Kathoden-Abgas rezirkuliert. Im Umkehrschluss dazu ist unter einer inaktiven Kathoden-Rezirkulation zu verstehen, dass das Kathoden-Abgas nicht rezirkuliert (Abgasrückführ-Stellmittel geschlossen), wobei gegebenenfalls ein geringer Volumenstrom durch einen Teil der Kathoden-Rezirkulationsleitung hindurchströmt (Leckage über ein Druckregel-Stellmittel am/im Kathoden-Abgaspfad durch eine Blende an/in einer Kathoden-Wasserabscheideleitung etc.). In embodiments, the cathode supply is designed such that only in an active cathode recirculation by means of the recirculation water separator, a significant amount of liquid water is deposited, and / or in inactive cathode recirculation by means of the recirculation water separator no or a relatively small amount of liquid water is separable. Active cathode recirculation means that a cathode exhaust gas originating from the cathode exhaust path flows through the cathode recirculation line into the cathode supply path (exhaust gas recirculation actuator open), ie recirculates cathode exhaust gas. Conversely, by an inactive cathode recirculation is meant that the cathode exhaust gas is not recirculated (exhaust gas recirculation actuator closed), where appropriate, a small volume flow through a portion of the cathode recirculation line flows (leakage via a pressure control actuator on / in Cathode exhaust path through an aperture on / in a cathode water separation line, etc.).
In Ausführungsformen weist die Kathodenversorgung als einen einzigen Wasserabscheider den Rezirkulations-Wasserabscheider an/in der Kathoden-Rezirkulationsleitung auf. Das heißt, die Kathodenversorgung weist neben dem Rezirkulations-Wasserabscheider bevorzugt keinen weiteren Wasserabscheider mehr auf. Das heißt auch, dass die Kathodenversorgung insbesondere im/am eigentlichen Kathoden-Abgaspfad keinen Wasserabscheider aufweist. Dieser Kathoden-Abgaspfad führt gegebenenfalls über eine Abgaseinrichtung beziehungsweise eine Abgasanlage in die Umgebung. In Ausführungsformen ist die Kathoden-Rezirkulationsleitung frei von einer Strömungsmaschine, wie zum Beispiel einem Verdichter oder einer Turbine. In embodiments, the cathode supply as a single water separator has the recirculation water separator on / in the cathode recirculation line. That is, the cathode supply preferably has no further water separator in addition to the recirculation water separator. This also means that the cathode supply in particular in / on the actual cathode exhaust path no Has water separator. If necessary, this cathode exhaust path leads into the environment via an exhaust device or an exhaust system. In embodiments, the cathode recirculation line is free of a turbomachine, such as a compressor or a turbine.
In Ausführungsformen ist die Kathoden-Rezirkulationsleitung stromaufwärts oder stromabwärts eines Druckregel-Stellmittels mit dem Kathoden-Abgaspfad fluidmechanisch gekoppelt; ist die Kathoden-Rezirkulationsleitung stromaufwärts des Kathodenverdichters mit dem Kathoden-Versorgungspfad fluidmechanisch gekoppelt; und/oder ist die Kathoden-Rezirkulationsleitung abgasseitig stromabwärts eines Befeuchters der Kathodenversorgung an/in die Kathodenversorgung fluidmechanisch an-/eingekoppelt. In embodiments, the cathode recirculation line is fluid mechanically coupled to the cathode exhaust path upstream or downstream of a pressure regulating actuator; the cathode recirculation line is fluid mechanically coupled to the cathode supply path upstream of the cathode compressor; and / or the cathode recirculation line is fluid-mechanically coupled on the exhaust side downstream of a humidifier of the cathode supply to / in the cathode supply.
In Ausführungsformen ist an/in die Kathoden-Rezirkulationsleitung ein Abgasrückführ-Stellmittel fluidmechanisch an-/eingekoppelt. Es ist möglich, das Abgasrückführ-Stellmittel an/in einem Mündungsbereich zwischen dem Kathoden-Abgaspfad beziehungsweise dem Kathoden-Versorgungspfad und der Kathoden-Rezirkulationsleitung einzurichten. Hierbei ist dann das Abgasrückführ-Stellmittel am/im Kathoden-Abgaspfad und/oder an/in der Kathoden-Rezirkulationsleitung, beziehungsweise am/im Kathoden-Versorgungspfad und/oder an/in der Kathoden-Rezirkulationsleitung vorgesehen. In embodiments, an exhaust gas recirculation actuator is fluid mechanically coupled / coupled to the cathode recirculation line. It is possible to set the exhaust gas recirculation actuator at an opening area between the cathode exhaust path and the cathode supply path and the cathode recirculation line, respectively. In this case, the exhaust gas recirculation actuating means is then provided on / in the cathode exhaust gas path and / or on / in the cathode recirculation line, or on / in the cathode supply path and / or on / in the cathode recirculation line.
In Ausführungsformen ist das/ein Abgasrückführ-Stellmittel stromaufwärts oder stromabwärts des Rezirkulations-Wasserabscheiders an/in die Kathoden-Rezirkulationsleitung fluidmechanisch an-/eingekoppelt. Ein Abgasrückführ-Stellmittel stromabwärts des Rezirkulations-Wasserabscheiders ermöglicht den Einsatz eines fixen, geringfügig geöffneten Stellmittels (zum Beispiel eine Blende), wodurch auf einen Aktuator für das Stellmittel, sowie dessen hardwareseitige und softwareseitige Peripherie verzichtet werden kann. In Ausführungsformen ist an den Rezirkulations-Wasserabscheider mittelbar oder unmittelbar eine Kathoden-Wasserabscheideleitung fluidmechanisch angekoppelt; und/oder stromabwärts des Rezirkulations-Wasserabscheiders ist ein Wasserabscheide-Stellmittel an/in die Kathoden-Wasserabscheideleitung fluidmechanisch an-/eingekoppelt. In embodiments, the exhaust gas recirculation actuator means is fluidly coupled / coupled to the cathode recirculation line upstream or downstream of the recirculation water separator. An exhaust gas recirculation actuator downstream of the recirculation water separator allows the use of a fixed, slightly open actuator (for example, a shutter), which can be dispensed with an actuator for the actuating means, as well as its hardware and software peripherals. In embodiments, directly or indirectly, a cathode water separation line is fluid mechanically coupled to the recirculation water separator; and / or downstream of the recirculation water separator, a water separation actuator is fluidly coupled to / coupled to the cathode water separation conduit.
In Ausführungsformen ist der Rezirkulations-Wasserabscheider an oder in die Kathoden-Wasserabscheideleitung fluidmechanisch an-/eingekoppelt. In Ausführungsformen ist der Rezirkulations-Wasserabscheider Bestandteil eines Rezirkulations-Wasserabscheidemoduls, das ferner einen Rezirkulations-Wassersammler, gegebenenfalls das Wasserabscheide-Stellmittel, gegebenenfalls wenigstens einen Abschnitt der Kathoden-Wasserabscheideleitung und gegebenenfalls einen Rezirkulations-Wasserablass aufweist. Je nach dem, wie das Wasserabscheidemodul konstituiert ist, kann dieser den obigen Rezirkulations-Wasserabscheider an/in der Kathoden-Wasserabscheideleitung substituieren. In Ausführungsformen mündet eine stromabwärtige Mündung der Kathoden-Wasserabscheideleitung stromabwärts oder stromaufwärts des Druckregel-Stellmittels an/in der Kathodenversorgung; und/oder die Kathoden-Wasserabscheideleitung mündet im Kathoden-Abgaspfad, in einer Abgaseinrichtung oder dem Rezirkulations-Wasserablass. In embodiments, the recirculation water separator is fluidly coupled / coupled to or into the cathode water separation line. In embodiments, the recirculation water separator is part of a recirculation Wasserabscheidemoduls, further comprising a recirculation water collector, optionally the Wasserabscheide-adjusting means, optionally at least a portion of the cathode Wasserabscheideleitung and optionally a recirculation water drain. Depending on how the water separation module is constituted, it may substitute the above recirculation water separator on the cathode water separation line. In embodiments, a downstream orifice of the cathode water separation conduit opens downstream or upstream of the pressure regulator actuator at the cathode supply; and / or the cathode water separation line opens in the cathode exhaust path, in an exhaust device or the recirculation water drain.
In Ausführungsformen ist das Wasserabscheide-Stellmittel als ein im Wesentlichen dauerhaft fest eingestelltes, offenes Stellmittel mit einem vergleichsweise kleinen Durchflussquerschnitt ausgebildet. In Ausführungsformen ist solch ein Wasserabscheide-Stellmittel als eine fixe Blende, eine fixe Drossel, eine fix eingestellte Klappe et cetera ausgebildet, wobei das Wasserabscheide-Stellmittel als eine Dauerleckageeinrichtung der Kathodenversorgung ausgebildet ist. Die Dauerleckageeinrichtung weist dabei eine Fluiddrosselwirkung auf, welche ein Hindurchströmen eines Fluids (Wasser, Kathoden-Abgas) derart begrenzt, dass weiterhin eine Drucksteuerung oder Druckregelung der Kathodenversorgung mit einem Stellmittel, insbesondere einem Druckregel-Stellmittel am/im Kathoden-Abgaspfad, möglich ist. In embodiments, the water separation adjusting means is designed as an essentially permanently fixed, open adjusting means with a comparatively small flow cross section. In embodiments, such a Wasserabscheide-adjusting means as a fixed orifice, a fixed throttle, a fixed set flap et cetera is formed, wherein the Wasserabscheide-adjusting means is designed as a permanent leakage device of the cathode supply. The permanent leakage device in this case has a fluid throttling effect, which limits the passage of a fluid (water, cathode exhaust gas) such that further pressure control or pressure regulation of the cathode supply with an actuating means, in particular a pressure control actuating means on / in the cathode exhaust path, is possible.
In Ausführungsformen ist der Rezirkulations-Wasserabscheider ein Bestandteil eines Rezirkulations-Wasserabscheidemoduls; weist das Rezirkulations-Wasserabscheidemodul einen Rezirkulations-Wassersammler; und/oder weist das Rezirkulations-Wasserabscheidemodul die Kathoden-Wasserabscheideleitung, die Abgaseinrichtung oder der Rezirkulations-Wasserablass das Wasserabscheide-Stellmittel auf. – Durch eine Aufzählung ist in Ausführungsformen ein Aufzählungspunkt (meist nach einem Semikolon beginnend und/oder mit einem Semikolon endend), ist eine beliebige Mehrzahl von Aufzählungspunkten oder sind alle Aufzählungspunkte realisierbar. In embodiments, the recirculation water separator is part of a recirculation water separation module; the recirculation water separation module has a recirculation water collector; and / or the recirculation water separation module comprises the cathode water separation line, the exhaust device or the recirculation water drain the water separation actuator. By an enumeration is in embodiments a bullet point (usually after a semicolon beginning and / or ending with a semicolon), is any plurality of bullet points or all bullet points are feasible.
Die Erfindung ist im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügte schematische und nicht maßstabsgetreue Zeichnung näher erläutert. Abschnitte, Elemente, Bauteile, Einheiten, Schemata und/oder Komponenten, welche eine identische, univoke oder analoge Ausbildung und/oder Funktion besitzen, sind in der Figurenbeschreibung (siehe unten), der Bezugszeichenliste, den Patentansprüchen und in den Figuren der Zeichnung mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet. Eine mögliche, in der Beschreibung (Erfindungsbeschreibung (siehe oben), Figurenbeschreibung) nicht erläuterte, in der Zeichnung nicht dargestellte und/oder nicht abschließende Alternative, eine statische und/oder kinematische Umkehrung, eine Kombination et cetera zu den Ausführungsbeispielen der Erfindung beziehungsweise einer Komponente, einem Schema, einer Einheit, einem Bauteil, einem Element oder einem Abschnitt davon, kann ferner der Bezugszeichenliste entnommen werden. The invention is explained in more detail below with reference to exemplary embodiments with reference to the attached schematic and not to scale drawing. Sections, elements, components, units, schemes and / or components that have identical, univocal or analogous training and / or function are in the description of the figures (see below), the list of reference numerals, the patent claims and in the figures of the drawing with the same Reference number marked. A possible, in the description (description of the invention (see above), figure description) not explained, not shown in the drawing and / or not final alternative, a static and / or kinematic Inversion, a combination et cetera to the embodiments of the invention or a component, a scheme, a unit, a component, an element or a portion thereof can be further taken from the list of reference numerals.
Bei der Erfindung kann ein Merkmal (Einheit, Komponente, Abschnitt, Element, Bauteil, Funktion et cetera) positiv, das heißt vorhanden, oder negativ, das heißt abwesend, ausgestaltet sein, wobei ein negatives Merkmal als Merkmal nicht explizit erläutert ist, wenn nicht Wert darauf gelegt ist, dass es abwesend ist. Ein Merkmal dieser Spezifikation kann nicht nur in einer angegebenen Art und/oder Weise, sondern auch in einer anderen Art und/oder Weise angewendet sein (Isolierung, Zusammenfassung, Ersetzung, Hinzufügung, Alleinstellung, Weglassung et cetera). Insbesondere ist es möglich, anhand eines Bezugszeichens und einem diesen zugeordneten Merkmal, beziehungsweise vice versa, in der Beschreibung, der Bezugszeichenliste, den Patentansprüchen und/oder der Zeichnung, ein Merkmal in den Patentansprüchen und/oder der Beschreibung zu ersetzen, hinzuzufügen oder wegzulassen. Darüber hinaus kann dadurch ein Merkmal in einem Patentanspruch ausgelegt und/oder näher spezifiziert werden. In the invention, a feature (unit, component, section, element, component, function, etc.) may be positively, that is, present, or negative, that is, absent, with a negative feature not explicitly explained as a feature, if not It is important that it is absent. A feature of this specification may be applied not only in a specified manner and / or manner, but also in a different manner and / or manner (isolation, summary, substitution, addition, isolation, et cetera). In particular, it is possible to replace, add or omit a feature in the claims and / or the description based on a reference numeral and a feature assigned thereto, or vice versa, in the description, the list of reference numerals, the patent claims and / or the drawing. In addition, a feature in a claim can be interpreted and / or specified in more detail.
Die Merkmale dieser Spezifikation sind (angesichts des (meist unbekannten) Stands der Technik) auch als optionale Merkmale interpretierbar; das heißt jedes Merkmal kann als ein fakultatives, arbiträres oder bevorzugtes, also als ein nicht verbindliches, Merkmal aufgefasst werden. So ist eine Herauslösung eines Merkmals, gegebenenfalls inklusive seiner Peripherie, aus einem Ausführungsbeispiel möglich, wobei dieses Merkmal dann auf einen verallgemeinerten Erfindungsgedanken übertragbar ist. Das Fehlen eines Merkmals (negatives Merkmal) in einem Ausführungsbeispiel zeigt, dass das Merkmal in Bezug auf die Erfindung optional ist. Ferner ist bei einem Artbegriff für ein Merkmal auch ein Gattungsbegriff für das Merkmal mitlesbar (gegebenenfalls weitere hierarchische Gliederung in Untergattung, Sektion et cetera), wodurch, zum Beispiel unter Beachtung von Gleichwirkung und/oder Gleichwertigkeit, eine Verallgemeinerung eines oder diesen Merkmals möglich ist. – In den lediglich beispielhaften Figuren zeigen: The features of this specification are also interpretable as optional features (given the (mostly unknown) state of the art); that is, each feature can be considered as an optional, arbitrary, or preferred, that is, as a non-binding, feature. Thus, a detachment of a feature, possibly including its periphery, from an embodiment possible, this feature is then transferable to a generalized inventive concept. The absence of a feature (negative feature) in one embodiment demonstrates that the feature is optional with respect to the invention. Furthermore, in the case of a type term for a feature, a generic term for the feature is also readable (possibly further hierarchical structure into subgenus, section et cetera), whereby, for example, taking into account equality and / or equivalence, a generalization of one or this feature is possible. - In the merely exemplary figures show:
Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen einer Kathodenversorgung
In der Zeichnung sind nur diejenigen Abschnitte des Brennstoffzellenaggregats
Insbesondere ist auf eine Darstellung einer Peripherie des Brennstoffzellenaggregats
Die
Das Brennstoffzellenaggregat
Die Anodenräume
Ein Gefüge aus einer Membran und den dazugehörigen Elektroden wird auch als Membran-Elektroden-Einheit
Zwischen einer Bipolarplatte
Zur Versorgung der Brennstoffzelle
Die Anodenversorgung
Darüber hinaus weist die Anodenversorgung
Die Kathodenversorgung
Für eine Förderung und Verdichtung des Kathoden-Betriebsmediums
Die Kathodenversorgung
Sämtliche Stellmittel
Das Brennstoffzellenaggregat
Verschiedene weitere Einzelheiten des Brennstoffzellensystems beziehungsweise des Brennstoffzellenaggregats
Des Weiteren kann am/im Anoden-Abgaspfad
Das Brennstoffzellenaggregat
Gemäß der Erfindung (siehe ferner die
Die Kathoden-Rezirkulationsleitung
An den Rezirkulations-Wasserabscheider
Ein Fluidauslass des Rezirkulations-Wasserabscheidemoduls
Der Rezirkulations-Wasserabscheider
Zur Steuerung oder Regelung eines Massenstroms von Wasser und gegebenenfalls Kathoden-Abgas
Das Wasserabscheide-Stellmittel
Gemäß der Erfindung ist ein Rezirkulations-Wasserabscheider
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 1 1
- Brennstoffzellenaggregat des Brennstoffzellensystems Fuel cell aggregate of the fuel cell system
- 2 2
- Umgebung, Luft Environment, air
- 3 3
- Fluid, Betriebsmedium, Reaktant, insbesondere Anoden-Betriebsmedium, eigentlicher Brennstoff, bevorzugt Wasserstoff oder wasserstoffhaltiges Gasgemisch, hinströmendFluid, operating medium, reactant, in particular anode operating medium, actual fuel, preferably hydrogen or hydrogen-containing gas mixture, inflowing
- 4 4
- Fluid, Abgas gegebenenfalls inklusive flüssiges Wasser, insbesondere Anoden-Abgas, abströmendFluid, exhaust possibly including liquid water, in particular anode exhaust, outflowing
- 5 5
- Fluid, Betriebsmedium, Reaktant, insbesondere Kathoden-Betriebsmedium, bevorzugt (Umgebungs-)Luft, hinströmendFluid, operating medium, reactant, in particular cathode operating medium, preferably (ambient) air, flowing
- 6 6
- Fluid, Abgas gegebenenfalls inklusive flüssiges Wasser, insbesondere Kathoden-Abgas, bevorzugt Abluft, abströmend Fluid, exhaust gas optionally including liquid water, in particular cathode exhaust gas, preferably exhaust air, outflowing
- 7 7
- Fluid, Kühlmedium, Kühlwasser (Wasser, Wasser-Alkohol-Gemisch, Wasser-Ethylenglykol-Gemisch), wasserfreie Kühlflüssigkeit, hinströmend, vergleichsweise kühlFluid, cooling medium, cooling water (water, water-alcohol mixture, water-ethylene glycol mixture), anhydrous cooling liquid, inflowing, comparatively cool
- 8 8th
- Fluid, Kühlmedium, Kühlwasser, abströmend, vergleichsweise warm Fluid, cooling medium, cooling water, outflowing, comparatively warm
- 10 10
-
Brennstoffzelle des Brennstoffzellenaggregats
1 beziehungsweise des BrennstoffzellensystemsFuel cell of thefuel cell unit 1 or the fuel cell system - 11 11
-
Einzelzelle mit einer Anodenelektrode der Anode der Brennstoffzelle
10 und einer Kathodenelektrode der Kathode der Brennstoffzelle10 , Einzel-BrennstoffzelleSingle cell with an anode electrode of the anode of thefuel cell 10 and a cathode electrode of the cathode of thefuel cell 10 , Single fuel cell - 12 12
-
Anodenraum einer Einzelzelle
11 Anode compartment of asingle cell 11 - 13 13
-
Kathodenraum einer Einzelzelle
11 Cathode space of asingle cell 11 - 14 14
- Membran-Elektroden-Einheit mit bevorzugt einer Polymerelektrolyt-Membran sowie einer Anodenelektrode und einer Kathodenelektrode und gegebenenfalls jeweils einem Träger dafürMembrane electrode unit with preferably a polymer electrolyte membrane and an anode electrode and a cathode electrode and optionally in each case a carrier therefor
- 15 15
- Bipolarplatte, Flussfeldplatte, Separatorplatte Bipolar plate, flow field plate, separator plate
- 16 16
-
Stapelgehäuse der Brennstoffzelle
10 Stack housing of thefuel cell 10 - 17 17
-
Brennstoffzellenstapel der Brennstoffzelle
10 Fuel cell stack of thefuel cell 10 - 20 20
- Brennstoffzellen-Versorgung, Anodenversorgung, Anodenkreislauf der Brennstoffzelle Fuel cell supply, anode supply, anode circuit of the fuel cell
- 1010
-
beziehungsweise des Brennstoffzellenstapels
10 or thefuel cell stack 10 - 21 21
- Pfad, Versorgungspfad, Strömungspfad, Anoden-Versorgungspfad Path, supply path, flow path, anode supply path
- 22 22
- Pfad, Abgaspfad, Strömungspfad, Anoden-Abgaspfad Path, exhaust path, flow path, anode exhaust path
- 23 23
-
Brennstoffspeicher, Brennstofftank mit Anoden-Betriebsmedium
3 Fuel storage, fuel tank withanode operating medium 3 - 24 24
- Stellmittel, (ein)regelbar, (an)steuerbar, nicht regelbar, insbesondere Ventil, Klappe, Drossel, Blende et ceteraAdjusting means, (on) controllable, (controllable), not controllable, in particular valve, flap, throttle, aperture et cetera
- 25 25
- Brennstoff-Rezirkulationsleitung Fuel recirculation line
- 26 26
-
Fluid-Fördereinrichtung, (Strömungs-)Verdichter, Rezirkulationsverdichter, Kompressor, Pumpe mit dem Motor
27 , Rootsgebläse et ceteraFluid conveyor, (flow) compressor, recirculation compressor, compressor, pump with themotor 27 , Roots blower et cetera - 27 27
- (Elektro-)Motor, Antrieb mit Elektromotor, gegebenenfalls inklusive Getriebe (Electric) engine, drive with electric motor, if necessary including gearbox
- 28 28
-
Elektronik, insbesondere Leistungselektronik für den Motor
27 Electronics, in particular power electronics for themotor 27 - 29 29
- (Gas-)Strahlpumpe, Ejektor (Gas) jet pump, ejector
- 30 30
-
Brennstoffzellen-Versorgung, Kathodenversorgung, Kathodenkreislauf der Brennstoffzelle
10 beziehungsweise des Brennstoffzellenstapels10 Fuel cell supply, cathode supply, cathode circuit of thefuel cell 10 or thefuel cell stack 10 - 31 31
- Pfad, Versorgungspfad, Strömungspfad, Kathoden-Versorgungspfad Path, supply path, flow path, cathode supply path
- 32 32
- Pfad, Abgaspfad, Strömungspfad, Kathoden-Abgaspfad Path, exhaust path, flow path, cathode exhaust path
- 33 33
-
Fluid-/Luft-Fördereinrichtung, (Strömungs-)Verdichter, Kathodenverdichter, Kompressor, Pumpe mit dem Motor
34 , Rootsgebläse et ceteraFluid / air conveyor, (flow) compressor, cathode compressor, compressor, pump with the motor34 , Roots blower et cetera - 34 34
- Motor, Elektromotor, Antrieb mit Elektromotor, gegebenenfalls inklusive Getriebe Motor, electric motor, drive with electric motor, possibly including gearbox
- 35 35
-
Elektronik, insbesondere Leistungselektronik für den Motor
34 Electronics, in particular power electronics for the motor34 - 37 37
- Wastegate, Wasteleitung Wastegate, Waste Management
- 38 38
- Stellmittel, (ein)regelbar, (an)steuerbar, nicht regelbar, insbesondere Ventil, Klappe, Drossel, Blende et ceteraAdjusting means, (on) controllable, (controllable), not controllable, in particular valve, flap, throttle, aperture et cetera
- 39 39
- Befeuchter, Feuchteübertrager mit Feuchteüberträger Humidifier, humidity transmitter with humidity transmitter
- 40 40
- Brennstoffzellen-Versorgung, Kühlmediumversorgung, Kühlkreislauf der Brennstoffzelle Fuel cell supply, cooling medium supply, cooling circuit of the fuel cell
- 1010
-
beziehungsweise des Brennstoffzellenstapels
10 or thefuel cell stack 10 - 41 41
- Pfad, Zulaufpfad, Strömungspfad, Kühlmedium-Zulaufpfad Path, inlet path, flow path, cooling medium inlet path
- 42 42
- Pfad, Ablaufpfad, Strömungspfad, Kühlmedium-Ablaufpfad Path, drain path, flow path, cooling medium drain path
- 43 43
- Kühlmediumpumpe Coolant pump
- 100 100
- Kathoden-Rezirkulationskreislauf Cathode recirculation
- 110 110
- Kathoden-Rezirkulationsleitung Cathode recirculation
- 111 111
- Stellmittel, (ein)regelbar, (an)steuerbar, nicht regelbar, insbesondere Ventil, Klappe, Drossel, Blende et cetera, Abgasrückführ-StellmittelAdjusting means, (on) controllable, (controllable), not controllable, in particular valve, flap, throttle, aperture et cetera, exhaust gas recirculation actuating means
- 120 120
- Rezirkulations-Wasserabscheidemodul Recirculation Wasserabscheidemodul
- 121 121
- Rezirkulations-Wasserabscheider Recirculation water
- 122 122
- Rezirkulations-Wassersammler Recirculation water collector
- 123 123
- Stellmittel, (ein)regelbar, (an)steuerbar, nicht regelbar, insbesondere Ventil, Klappe, Drossel, Blende et cetera, Wasserabscheide-StellmittelAdjusting means, (on) controllable, (controllable), not controllable, in particular valve, flap, throttle, aperture et cetera, Wasserabscheide-adjusting means
- 130 130
- Stellmittel, (ein)regelbar, (an)steuerbar, nicht regelbar, insbesondere Ventil, Klappe, Drossel, Blende et cetera, Druckregel-StellmittelAdjusting means, (on) controllable, (controllable), not controllable, in particular valve, flap, throttle, aperture et cetera, pressure regulating actuating means
- 140 140
- Kathoden-Wasserabscheideleitung Cathode Wasserabscheideleitung
- 142 142
- Rezirkulations-Wasserablass Recirculation water drain
- 150 150
- Abgaseinrichtung, Abgasanlage Exhaust system, exhaust system
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- DE 102014002323 A1 [0008] DE 102014002323 A1 [0008]
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