DE102008035897A1 - Fuel cell system and method for operating such - Google Patents

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Abstract

In einem Brennstoffzellensystem (10, 10'), in dem Brennstoff aus einem Tank (14) für einen Brennstoffzellenstapel (12) bereitgestellt wird, und in dem nicht verbrauchter Brennstoff rezirkuliert wird, wird vor dem Zusammenführen des Brennstoffs aus dem Tank (14) und dem rezirkulierten Brennstoff an einer Eintrittsstelle (26) der Brennstoff aus dem Tank erwärmt. Hierzu wird ein Leitungsabschnitt (30, 30') zur Zufuhr von Wasserstoff vor der Eintrittsstelle (26) thermisch mit einem Abscheider (22) bzw. einem Startheizergehäuse (32) gekoppelt.In a fuel cell system (10, 10 ') in which fuel is provided from a tank (14) for a fuel cell stack (12) and in which unconsumed fuel is recirculated, prior to merging the fuel from the tank (14) and the recirculated fuel at an entry point (26) heats the fuel from the tank. For this purpose, a line section (30, 30 ') for supplying hydrogen upstream of the entry point (26) is thermally coupled to a separator (22) or a start heater housing (32).

Description

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem sowie ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Brennstoffzellensystems.The The invention relates to a fuel cell system and a method for operating such a fuel cell system.

Ein Brennstoffzellensystem weist bekanntlich zumindest eine Brennstoffzelle, typischerweise einen Brennstoffzellenstapel (auch als Brennstoffzellen-Stack bezeichnet) aus einer Mehrzahl von Brennstoffzellen auf. In der Brennstoffzelle bzw. dem Brennstoffzellenstapel wird Brennstoff, typischerweise Wasserstoff, unter Gewinnung von Energie mit einem Oxidationsmittel, typischerweise Luftsauerstoff, umgesetzt. Der Brennstoff wird aus einem Brennstofftank bereitgestellt, der über eine Leitung mit der Brennstoffzelle bzw. dem Brennstoffzellenstapel verbunden ist, so dass über diese Leitung Brennstoff aus dem Brennstofftank der Brennstoffzelle bzw. dem Brennstoffzellenstapel zugeführt werden kann. In einem Brennstoffzellenstapel wird nicht sämtlicher Brennstoff auf einmal umgesetzt. Brennstoffzellensysteme geben den nicht verbrauchten Brennstoff nicht unmittelbar an die Umwelt ab, sondern dieser wird über einen Ausgang aus der Brennstoffzelle bzw. dem Brennstoffzellenstapel abgeführt und dann wieder zugeführt. Die Zufuhr erfolgt über dieselbe Leitung, über die der Brennstoff aus dem Brennstofftank zugeführt wird, und zwar wird der Brennstoff aus dem Brennstofftank an einer Eintrittsstelle mit dem zurückgeführten nicht verbrauchten Brennstoff zusammengeführt (gemischt). Der aus der Brennstoffzelle gelangende nicht verbrauchte Brennstoff enthält Anteile an Wasser. Es wird häufig ein Abscheider bereitgestellt, der zum Abscheiden des Wassers aus dem Brennstoff dient, bevor er an der Eintrittsstelle wieder in die Zufuhrleitung geleitet wird. Dennoch kann auch der zurückgeführte nicht verbrauchte Brennstoff noch an der Eintrittsstelle eine nicht unerhebliche Menge an Wasser, insbesondere dampfförmig, enthalten. Wird bei niedrigen Umgebungstemperaturen eine besonders große Menge von Wasserstoff aus dem Tank entnommen, wird der entnommene Wasserstoff durch die Expansion gegenüber dem verdichteten Zustand im Wasserstofftank auf ca. –50°C abgekühlt. Große Wasserstoffentnahmeströme gibt es insbesondere bei Hoch- oder Volllastbetrieb der Brennstoffzelle bzw. des Brennstoffzellenstapels. Ist gleichzeitig die Umgebungstemperatur niedrig, wird der Wasserstoff in der Leitung zwischen Tank und dem Anodenmodul praktisch nicht erwärmt. Wird dieser Frischwasserstoff mit dem zurückgeführten, in der Brennstoffzelle bzw. im Brennstoffzellenstapel nicht verbrauchten Wasserstoff zusammengeführt, wird das im zurückgeführten Wasserstoff vorhandene Wasser zumindest teilweise auskondensiert, im schlimmsten Fall kann es sogar gefrieren. Durch die Auskondensation kann es im Brennstoffzellenstapel durch Ungleichverteilung des Wassers zu lokalen Austrocknungserscheinungen kommen.One Fuel cell system is known to have at least one fuel cell, typically a fuel cell stack (also called a fuel cell stack designated) from a plurality of fuel cells. In the Fuel cell or the fuel cell stack becomes fuel, typically hydrogen, generating energy with one Oxidizing agent, typically atmospheric oxygen reacted. Of the Fuel is provided from a fuel tank over a line with the fuel cell or the fuel cell stack is connected so that fuel from this line the fuel tank of the fuel cell or the fuel cell stack can be supplied. In a fuel cell stack Not all fuel is put into action at once. Fuel cell systems do not give the unused fuel directly to the environment, but this is about an output from the fuel cell or the fuel cell stack discharged and then fed again. The feed takes place via the same conduit, over which the fuel is supplied from the fuel tank, and that is the Fuel from the fuel tank at an entry point with the recirculated Unused fuel merged (mixed). The unused fuel from the fuel cell contains proportions of water. It is often a Separator provided for separating the water from the Fuel is used before returning to the entry point Supply line is passed. Nevertheless, also the returned Unused fuel still not at the entry point one insignificant amount of water, especially vapor, contain. Will be a special at low ambient temperatures large amount of hydrogen is taken from the tank the withdrawn hydrogen through the expansion opposite the compressed state in the hydrogen tank to about -50 ° C. cooled. Large hydrogen withdrawal streams There are especially in high or full load operation of the fuel cell or the fuel cell stack. At the same time the ambient temperature is low, The hydrogen in the line between the tank and the anode module practically not heated. Will this fresh hydrogen with the recirculated, in the fuel cell or unused hydrogen in the fuel cell stack, is the existing in the recirculated hydrogen Water condenses at least partially, in the worst case it even freezes. Due to the condensation, it may be in the fuel cell stack by unequal distribution of water to local dehydration phenomena come.

Aus der EP 1 860 715 A1 ist es bekannt, die Leitung, über die Brennstoff einem Brennstoffzellenstapel zugeführt wird, hinter einer Eintrittsstelle, an der Brennstoff aus einem Brennstofftank mit zurückgeführtem Brennstoff zusammengeführt wird, mit einem Kühlwasserkanal zu koppeln. Es handelt sich hierbei um den Bereich des Kühlwasserkanals, den das Kühlwasser für den Brennstoffzellenstapel durchläuft, nachdem es aus dem Brennstoffzellenstapel austritt, also Wärme von diesem aufgenommen hat. Dadurch wird die Leitung zum Brennstoffzellenstapel warm gehalten oder erwärmt und ein Gefrieren von Wasser in dieser verhindert.From the EP 1 860 715 A1 It is known to couple the conduit, via which fuel is supplied to a fuel cell stack, behind an entry point, at which fuel from a fuel tank with recirculated fuel is combined, with a cooling water channel. This is the area of the cooling water channel that the cooling water for the fuel cell stack passes through after it emerges from the fuel cell stack, ie absorbs heat from it. As a result, the line to the fuel cell stack is kept warm or heated and prevents freezing of water in this.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Brennstoffzellensystem bereitzustellen, das auch bei Entnahme von großen Brennstoffmengen aus dem Brennstofftank innerhalb von kurzer Zeit z. B. Hoch- oder Volllastbetrieb der zumindest einen Brennstoffzelle, zuverlässig arbeitet, und dies auch bei niedrigen Umgebungstemperaturen.It Object of the present invention, an improved fuel cell system provide, even with removal of large quantities of fuel from the fuel tank within a short time z. B. high or Full load operation of at least one fuel cell, reliable works, even at low ambient temperatures.

Die Aufgabe wird durch ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1 sowie ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 7 gelöst.The Task is by a fuel cell system with the features according to claim 1 and a method with the features solved according to claim 7.

Erfindungsgemäß ist die Leitung in Zufuhrrichtung des Brennstoffs aus dem Brennstofftank vor der Eintrittsstelle mit einem weiteren Bauteil des Brennstoffzellensystems thermisch gekoppelt. Weil praktisch jedes Bauteil des Brennstoffzellensystems wärmer ist als die Zufuhrleitung, wenn sich der Brennstoff aufgrund der Expansion nach Entnahme aus dem Brennstofftank abkühlt, wird aufgrund der thermischen Kopplung Wärme von dem weiteren Bauteil auf die Leitung und damit auf den Brennstoff übertragen. Der Brennstoff wird dadurch erwärmt, bevor er mit dem nicht verbrauchten, auch als unverbraucht bezeichneten, und zurückgeführten Brennstoff zusammengeführt wird, so dass es auch nicht kurzfristig zu einer Auskondensation von Wasser kommen kann. Der Bereich der thermischen Kopplung kann insbesondere im Bereich vor einem Ventil angeordnet sein, über das die Menge an aus der Brennstoffzelle zu entnehmenden Brennstoff gesteuert wird.According to the invention the line in the feed direction of the fuel from the fuel tank before the entry point with another component of the fuel cell system thermally coupled. Because virtually every component of the fuel cell system is warmer is as the supply line when the fuel due to the Cooling expansion after removal from the fuel tank, Due to the thermal coupling, heat from the other component transferred to the line and thus to the fuel. The fuel is warmed up by that before it does not consumed, also known as unconsumed, and returned Fuel is merged, so it's not short term can come to a condensation of water. The area of Thermal coupling can be arranged in particular in the area in front of a valve Beyond that the amount of fuel cell out too controlling fuel is controlled.

Je wärmer das Bauteil des Brennstoffzellensystems im Betrieb des Brennstoffzellensystems ist, desto mehr wird der Brennstoff erwärmt. Daher ist es vorteilhaft, wenn als weiteres Bauteil solche Bauteile ausgewählt werden, die sich im Betrieb beträchtlich erwärmen. Wegen der Entnahme von Wärme von diesen Bauteilen kann dann gegebenenfalls sogar auf eine zusätzliche Kühlung derselben verzichtet werden. Gleichzeitig kann auf ein zusätzliches Heizelement für den Brennstoff verzichtet werden.ever warmer the component of the fuel cell system in operation of the fuel cell system, the more the fuel becomes heated. Therefore, it is advantageous if as another component Such components are selected that are in operation considerably warm. Because of the removal of Heat from these components may then possibly even on an additional cooling of the same can be dispensed with. At the same time can be an additional heating element for the fuel is dispensed with.

Das weitere Bauteil kann insbesondere das so genannte Anodengehäuse sein, also das Gehäuse, in dem zur Anodenseite der Brennstoffzelle bzw. des Brennstoffzellenstapels zugehörige Bauelemente angeordnet sind.The further component can in particular the be so-called anode housing, so the housing in which the anode side of the fuel cell or the fuel cell stack associated components are arranged.

Neben dem Anodengehäuse ist es jedoch besonders vorteilhaft, wenn das weitere Bauteil zum Durchleiten von Kühlmittel dient, insbesondere an einer solchen Stelle, an der das Kühlmittel die zumindest eine Brennstoffzelle gerade verlässt. Das Kühlmittel nimmt Wärme von der Brennstoffzelle auf und wird im Kühlkreislauf dann wieder abgekühlt. Es ist dann vorteilhaft, wenn das Abkühlen des Kühlmittels gleichzeitig mit dem Erwärmen des Brennstoffs zum Zwecke der Vermeidung von Auskondensation von Wasser einhergeht, denn beide Effekte sind gleichzeitig erwünscht.Next However, the anode housing, it is particularly advantageous if the other component for passing coolant serves, in particular at such a point where the coolant which leaves at least one fuel cell. The Coolant takes heat from the fuel cell then it is cooled down again in the cooling circuit. It is advantageous if the cooling of the coolant at the same time with the heating of the fuel for the purpose of avoidance from condensation of water, because both are effects desired at the same time.

Grundsätzlich soll das Kühlmittel im Kühlkreislauf abgekühlt werden, weil es sich im Brennstoffzellenstapel ohnehin erwärmt. Häufig ist in Brennstoffzellensystemen jedoch ein gesonderter Heizer für das Kühlmittel vorgesehen. Dieser Heizer wird insbesondere dann eingesetzt, wenn die Umgebungstemperaturen niedrig sind und das Brennstoffzellensystem in Betrieb genommen wird. Dann kann sich das Kühlmittel als zu stark durch die Umgebungstemperaturen abgekühlt erweisen und wird mit Hilfe eines Heizers auf eine passende Betriebstemperatur erwärmt. Es kann nun dieser Heizer gleichzeitig auch den Brennstoff aufheizen. Da bei Inbetriebnahme des Brennstoffzellensystems besonders viel Brennstoff dem Brennstofftank entnommen wird, weil besonders wenig Brennstoff zurückgeführt wird, ist bei Betrieb des Heizers für das Kühlmittel gleichzeitig auch das Erwärmen des Brennstoffs besonders erwünscht. Der Heizer zum Heizen des Kühlmittels kann daher Teil des weiteren Bauteils sein. Das weitere Bauteil, das mit der Leitung gekoppelt ist, kann jedoch auch seinerseits mit dem Heizer gekoppelt sein.in principle the coolant should be cooled in the cooling circuit because it heats up in the fuel cell stack anyway. However, fuel cell systems often have a separate heater intended for the coolant. This heater will especially used when the ambient temperatures are low and the fuel cell system is put into operation. Then The coolant may be too strong due to ambient temperatures cooled and turn on with the help of a heater heated a suitable operating temperature. It can be this one now Heater at the same time also heat up the fuel. Because at commissioning of the fuel cell system especially much fuel the fuel tank is taken, because returned particularly little fuel is during operation of the heater for the coolant At the same time, the heating of the fuel is particularly desirable. The heater for heating the coolant may therefore be part of the be another component. The other component, with the line coupled, but may in turn be coupled to the heater.

Ein anderes Bauteil, bei dem eine Wärmeabfuhr erwünscht ist, ist ein Abscheider im Rückführkreislauf: Dieser ist zwischen dem Ausgang der zumindest einen Brennstoffzelle und der Eintrittsstelle in die Leitung angeordnet und dient zum Abscheiden von mit dem nicht verbrauchten Brennstoff mitgeführtem Wasser. Umfasst nun das weitere Bauteil den Abscheider, so wird Wärme dem Abscheider entnommen. Dadurch kann der Abscheidungswirkungsgrad gesteigert werden, so dass neben dem erwünschten Effekt des Erwärmens des Brennstoffs gleichzeitig ein weiterer positiver Effekt erzielt wird.One another component in which a heat dissipation desired is a separator in the recirculation loop: This is between the output of the at least one fuel cell and the entry point arranged in the conduit and is used for Separating with the unused fuel entrained Water. If the further component now includes the separator, then Heat taken from the separator. This can increase the deposition efficiency so that in addition to the desired effect of heating the fuel simultaneously achieved another positive effect becomes.

Das weitere Bauteil des Brennstoffzellensystems kann selbstverständlich auch ein gesonderter Heizer sein. Die bisher beschriebenen Ausführungsformen beziehen sich jedoch auf ein solches weiteres Bauteil, das ohnehin in einem Brennstoffzellensystem vorhanden ist, so dass das Gewicht des Brennstoffzellensystems durch die erfindungsgemäße Maßnahme nicht oder nicht wesentlich erhöht ist, möglicherweise gegenüber herkömmlichen Brennstoffzellensystemen sogar erniedrigt werden kann, weil der zugeführte Brennstoff aus dem Brennstofftank das weitere Bauteil gleichzeitig abkühlt und daher auf gesonderte Mechanismen zum Abkühlen des weiteren Bauteils verzichtet werden kann oder diese weniger aufwendig ausgestaltet werden müssen.The further component of the fuel cell system can of course also be a separate heater. The embodiments described so far However, refer to such a further component, anyway is present in a fuel cell system, so the weight of the fuel cell system by the measure according to the invention not or not significantly increased, possibly compared to conventional fuel cell systems can even be degraded because of the fuel supplied from the fuel tank cools the other component at the same time and therefore separate mechanisms for cooling the other Component can be omitted or designed this less expensive Need to become.

Die thermische Kopplung soll dergestalt sein, dass der Übergang von Wärme zum Brennstoff besonders effizient ist. Hierzu kann vorgesehen sein, dass die Leitung im Bereich, in dem sie thermisch mit einem weiteren Bauteil gekoppelt ist, zumindest abschnittsweise mäanderförmig ausgebildet ist. Dadurch wird die Oberfläche der Leitung im Vergleich zu einer geradlinigen Leitung erhöht, d. h. die Oberfläche, über die die Kopplung erfolgt, wird vergrößert, so dass mehr Wärme von dem weiteren Bauteil auf die Leitung und damit den Brennstoff aus dem Brennstofftank übertragen werden kann. Die Fläche zur Wärmeübertragung kann auch auf andere, geeignete Weise als mäanderförmig vergrößert sein.The thermal coupling should be such that the transition from heat to fuel is particularly efficient. For this can be provided that the line in the area in which they are thermal coupled with another component, at least in sections is meander-shaped. This will be the Surface of the line compared to a straight line Line increased, d. H. the surface, over the coupling takes place is increased, so that more heat from the other component on the line and thus transfer the fuel from the fuel tank can be. The area for heat transfer may also be in other suitable manner as meandering be enlarged.

Die Leitung kann in dem Bereich, in dem sie thermisch mit einem weiteren Bauteil gekoppelt ist, auch zumindest abschnittsweise als Kanal in dem weiteren Bauteil ausgebildet sein. Bei geeigneter Gestaltung kann durch das Bereitstellen des Kanals sogar wegen der Entnahme von Material aus dem weiteren Bauteil Gewicht im Brennstoffzellensystem eingespart werden. Die Leitung muss nicht als gesondertes Rohr bereitgestellt werden, wenn die Wände des Kanals Teil des weiteren Bauteils sind. Ein solcher Kanal kann z. B. in dem Startheizerkörper, also dem Körper, in dem der Heizer zum Heizen des Kühlmittels bei Inbetriebnahme des Brennstoffzellensystems angeordnet ist, bereitgestellt sein. Der Kanal kann auch in dem so genannten Anodenblock bereitgestellt sein, also in einer Einheit des Brennstoffzellensystems, in dem zur Anode der zumindest einen Brennstoffzelle zugehörige Bauteile angeordnet sind.The Conduction can be in the area where they thermally with another Component is coupled, even at least in sections as a channel be formed in the further component. With suitable design can by providing the channel even because of the removal of material from the other component weight in the fuel cell system be saved. The pipe does not have to be provided as a separate pipe when the walls of the channel become part of the other component are. Such a channel can, for. In the starting heater body, So the body in which the heater for heating the coolant is arranged at startup of the fuel cell system provided be. The channel may also be provided in the so-called anode block be, so in a unit of the fuel cell system in which associated with the anode of the at least one fuel cell Components are arranged.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems wird in an sich bekannter Weise einer Brennstoffzelle oder einem Brennstoffzellenstapel aus einem Brennstofftank Brennstoff zugeführt, und dieser Brennstoff wird mit aus der Brennstoffzelle/dem Brennstoffzellenstapel kommendem nicht verbrauchten Brennstoff zusammengeführt. Erfindungsgemäß wird dem Brennstoff aus dem Brennstofftank vor seinem Zusammengeführtwerden mit dem aus der Brennstoffzelle kommenden nicht verbrauchten Brennstoff Wärme zugeführt, und zwar zumindest, wenn die Bedingung erfüllt ist, dass eine Mindestmenge von Brennstoff pro Zeiteinheit aus dem Brennstofftank entnommen wird.at the method of operation according to the invention a fuel cell system is in a conventional manner a Fuel cell or a fuel cell stack from a fuel tank Fuel is supplied, and this fuel is out with the fuel cell / fuel cell stack was not exhausted Fuel merged. According to the invention the fuel from the fuel tank before it is merged with the unused fuel coming from the fuel cell Heat is supplied, at least when the Condition is satisfied that a minimum amount of fuel is taken from the fuel tank per unit time.

Das Zuführen von Wärme kann dadurch erfolgen, dass ein Heizer zum Heizen von Kühlmittel betrieben wird und von dem Heizer erzeugte Wärme dem Brennstoff aus dem Brennstofftank vor dem Zusammenführen zugeführt wird, so dass der ohnehin bereitgestellte Heizer in vorteilhafter Weise zur Zufuhr von Wärme zum aus dem Brennstofftank kommenden Brennstoff eingesetzt werden kann und auf einen gesonderten Heizer für den Brennstoff aus dem Brennstofftank verzichtet werden kann. Allerdings wäre es auch möglich, einen solchen gesonderten Heizer bereitzustellen.The Applying heat can be done by that a heater is operated for heating coolant and Heat generated by the heater fuel from the fuel tank is fed before merging, so that the already provided heater in an advantageous manner for the supply from heat to fuel coming out of the fuel tank can be used and on a separate heater for the fuel can be dispensed from the fuel tank. Indeed it would also be possible to have such a separate one To provide heaters.

Bei einer zweiten Alternative, die auch zusätzlich zur oben genannten Alternative verwirklicht sein kann, wird der aus der Brennstoffzelle kommende nicht verbrauchte Brennstoff über einen Abscheider geleitet und Wärme aus dem Abscheider dem Brennstoff aus dem Brennstofftank vor seinem Zusammengeführtwerden mit dem nicht verbrauchten Brennstoff zugeführt, so dass der Wirkungsgrad des Abscheiders in positiver Weise erhöht wird, also Wärme an einer Stelle abgeführt wird, an der sie ohnehin nicht erwünscht ist und einer Stelle zugeführt ist, an der sie sinnvoll eingesetzt wird.at a second alternative, in addition to the above mentioned alternative can be realized, which is from the fuel cell coming unused fuel via a separator passed and heat from the separator to the fuel the fuel tank prior to its merging supplied to the unused fuel, so that the Increases the efficiency of the separator in a positive manner is, so heat is dissipated at one point, at which she is not welcome anyway and a job is supplied, on which it is used meaningfully.

Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung unter Bezug auf die Zeichnung beschrieben, wobeifollowing preferred embodiments of the invention below With reference to the drawing, wherein

1 schematisch den Aufbau der zur Beschreibung der Erfindung wesentlichen Teile eines Brennstoffzellensystems gemäß einer ersten Ausführungsform zeigt und 1 schematically shows the structure of the description of the invention essential parts of a fuel cell system according to a first embodiment, and

2 schematisch den Aufbau der zur Beschreibung der Erfindung wesentlichen Bauteile eines Brennstoffzellensystems gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung zeigt. 2 schematically shows the structure of essential for the description of the invention components of a fuel cell system according to a second embodiment of the invention.

Ein in 1 schematisch, zum Teil dargestelltes und als solches mit 10 bezeichnetes Brennstoffzellensystem und ein ebensolches in 2 zum Teil dargestelltes Brennstoffzellensystem umfasst einen Brennstoffzellenstapel 12 mit einer Mehrzahl von Brennstoffzellen, in denen Wasserstoff aus einem Wasserstofftank 14 umgesetzt wird. 1 zeigt die Anodenseite des Brennstoffzellensystems 10. Die Menge an aus dem Wasserstofftank 14 zu dem Brennstoffzellenstapel 12 gelangenden Wasserstoff wird durch ein Dosierventil 16 bestimmt. Der Wasserstoff wird über einen Eingang 18 dem Brennstoffzellenstapel 12 zugeführt. Im Brennstoffzellenstapel 12 nicht umgesetzter Wasserstoff wird über einen Ausgang 20 abgegeben. Dieser nicht verbrauchte Brennstoff enthält Wasser. Dieses Wasser kann den Betrieb des Brennstoffzellensystems 10 stören. Aus diesem Grund wird der aus dem Ausgang 20 austretende, vom Brennstoffzellenstapel 12 nicht verbrauchte Wasserstoff mit Wasser über einen Abscheider 22 geleitet, der die Aufgabe hat, das Flüssigwasser zumindest teilweise aus dem Wasserstoff abzuscheiden. Der zunächst nicht verbrauchte Brennstoff wird nun wieder zurückgeführt. In diesem so genannten Anodenrezirkulationssystem ist hierzu eine Pumpe 24 (auch als Anodenrezirkulationsgebläse bezeichenbar) bereitgestellt, die den nicht verbrauchten Brennstoff aus dem Ausgang 20 zu einer Eintrittsstelle 26 fördert, an der der nicht verbrauchte Wasserstoff mit dem Wasserstoff aus dem Tank 14 zusammengeführt wird. Es handelt sich um eine Eintrittsstelle in die Leitung oder das Leitungssystem zwischen Tank 14 und Eingang 18 des Brennstoffzellenstapels 12.An in 1 schematically, partially shown and as such with 10 designated fuel cell system and a similar in 2 partially illustrated fuel cell system includes a fuel cell stack 12 with a plurality of fuel cells containing hydrogen from a hydrogen tank 14 is implemented. 1 shows the anode side of the fuel cell system 10 , The amount of out of the hydrogen tank 14 to the fuel cell stack 12 passing hydrogen is passed through a metering valve 16 certainly. The hydrogen is via an input 18 the fuel cell stack 12 fed. In the fuel cell stack 12 unreacted hydrogen is via an outlet 20 issued. This unused fuel contains water. This water can stop the operation of the fuel cell system 10 to disturb. Because of this, the one out of the exit 20 exiting, from the fuel cell stack 12 Unused hydrogen with water through a separator 22 directed, which has the task to separate the liquid water at least partially from the hydrogen. The initially unused fuel will now be returned. In this so-called Anodenrezirkulationssystem this is a pump 24 (also referred to as anode recirculation blower) which supplies the unused fuel from the outlet 20 to an entry point 26 promotes the unused hydrogen with the hydrogen from the tank 14 is merged. It is an entry point into the pipe or piping between the tank 14 and entrance 18 of the fuel cell stack 12 ,

In dem der Eintrittsstelle 26 in Strömungsrichtung des Wasserstoffs folgenden Leitungsabschnitt 28 bestünde nun ohne weitere Maßnahme die Gefahr, dass der durch Expansion nach seinem Austreten aus dem Tank 14 abgekühlte und über das Dosierventil 16 zur Eintrittsstelle 26 gelangte Wasserstoff auch den nicht verbrauchten Wasserstoff, der aus dem Ausgang 20 durch die Pumpe 24 zur Eintrittsstelle 26 gefördert wurde, abkühlt und ein Auskondensieren von Wasser im Leitungsabschnitt 28 bewirkt.In the entry point 26 in the flow direction of the hydrogen following line section 28 Now, without any further action, there would be a risk of expansion due to its escape from the tank 14 cooled and over the metering valve 16 to the entry point 26 Hydrogen also got the unused hydrogen coming out of the outlet 20 through the pump 24 to the entry point 26 was promoted, cooled and a condensation of water in the line section 28 causes.

Dies ist bei dem Brennstoffzellensystem 10 gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung jedoch dadurch verhindert oder unterdrückt, dass der aus dem Tank 14 gelangende Wasserstoff vor der Eintrittsstelle 26, und vorliegend bevor er das Dosierventil 16 passiert, Wärme von dem Abscheider 22 aufnimmt. Dies wird dadurch ermöglicht, dass ein Leitungsabschnitt 30 in der Leitung oder dem Leitungssystem zwischen Tank 14 und Eingang 18 des Brennstoffzellenstapels thermisch mit dem Abscheider 22 gekoppelt ist. Diese Koppelung kann so ausgestaltet sein, dass der Leitungsabschnitt 30 durch Kanäle in dem Abscheider 22, die insbesondere mäandrisch verlaufen können, bereitgestellt ist.This is in the fuel cell system 10 However, according to the first embodiment of the invention prevents or suppresses that from the tank 14 reaching hydrogen in front of the entry point 26 , and in this case before he the metering valve 16 happens, heat from the separator 22 receives. This is made possible by a line section 30 in the pipe or piping between tank 14 and entrance 18 the fuel cell stack thermally with the separator 22 is coupled. This coupling can be designed so that the line section 30 through channels in the separator 22 , which in particular may be meandering, is provided.

Dadurch, dass der Abscheider 22 Wärme an den Wasserstoff abgibt, wird gleichzeitig der Wirkungsgrad des Abscheiders 22 erhöht.Because of the separator 22 Heat gives off to the hydrogen, at the same time the efficiency of the separator 22 elevated.

Eine Alternative der vorliegenden Erfindung ist anhand von 2 dargestellt: Das dort mit 10' bezeichnete Brennstoffzellensystem (gezeigt ist lediglich die Anodenseite) weist grundsätzlich die gleichen Bauteile auf wie das Brennstoffzellensystem 10, so dass diese mit den gleichen Bezugszahlen wie in 1 bezeichnet sind. Auch hier besteht im Leitungsabschnitt 28 die Gefahr eines Auskondensierens von Wasser. Beim Brennstoffzellensystem 10' wird jedoch ein Leitungsabschnitt 30' in der Leitung zwischen Tank 14 und Eingang 18 des Brennstoffzellenstapels 12 durch ein Startheizergehäuse 32 geführt. Das Startheizergehäuse 32 umfasst den so genannten Startheizer. Es handelt sich hierbei um einen Heizer, der Teil eines Kühlkreislaufs ist. Beim Kühlkreislauf wird Kühlmittel an einem Eingang 34 dem Brennstoffstapel 12 zugeführt und über einen Ausgang 36 aus diesem abgeführt. Der Startheizer dient dazu, bei Inbetriebnahme des Brennstoffzellensystems unter den Bedingungen kalter Umgebungstemperaturen das Kühlmittel im Kühlkreislauf zu erwärmen. Bei dem Brennstoffzellensystem 10' wird nun genau dieser Heizer dazu genutzt, auch den Wasserstoff aus dem Tank 14 zu erwärmen, bevor er die Eintrittsstelle 26 erreicht, vorliegend bevor er das Dosierventil 16 passiert. Auch der Leitungsabschnitt 30' kann als Kanal in dem Startheizergehäuse 32 ausgebildet sein, wobei dieser Kanal bevorzugt mäandrisch ausgebildet ist, so dass die Wirkfläche erhöht ist und besonders viel Wärme von dem Startheizer auf den Wasserstoff übertragen werden kann.An alternative of the present invention is based on 2 shown: That there with 10 ' designated fuel cell system (shown only the anode side) basically has the same components as the fuel cell system 10 so these with the same reference numbers as in 1 are designated. Again, there is the line section 28 the risk of condensation of water. At the fuel cell system 10 ' but becomes a line section 30 ' in the pipe between tank 14 and entrance 18 of the fuel cell stack 12 through a start heater housing 32 guided. The start heater housing 32 includes the so-called start heater. This is a Heater that is part of a refrigeration cycle. In the cooling circuit, coolant is at an input 34 the fuel stack 12 fed and via an output 36 removed from this. The starting heater serves to heat the coolant in the cooling circuit when the fuel cell system is put into operation under conditions of cold ambient temperatures. In the fuel cell system 10 ' Now exactly this heater is used, including the hydrogen from the tank 14 to warm up before entering the entry point 26 achieved, in this case before he the metering valve 16 happens. Also the line section 30 ' can act as a channel in the boot heater housing 32 be formed, this channel is preferably formed meandering, so that the effective area is increased and a lot of heat from the starting heater can be transferred to the hydrogen.

Die oben zu den Brennstoffzellensystemen 10 und 10' beschriebenen Erfindungsideen sind auch in Kombination miteinander verwirklichbar, es kann also der Wasserstoff aus dem Tank 14 sowohl durch den Abscheider 22 als auch das Startheizergehäuse 32 geführt werden und gegebenenfalls dort erwärmt werden. Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, einen Leitungsabschnitt in der Leitung zwischen Tank 14 und Eingang 18, insbesondere im Bereich vor dem Dosierventil 16, durch das Anodengehäuse zu führen, also ein Gehäuse, das zumindest das Rezirkulationssystem mit Abscheider 22 und Pumpe 24, gegebenenfalls auch den Leitungsabschnitt 28, umgibt oder umfasst.The above to the fuel cell systems 10 and 10 ' Invention ideas described are also feasible in combination with each other, so it can be the hydrogen from the tank 14 both through the separator 22 as well as the start heater housing 32 be guided and optionally heated there. Alternatively or additionally, it is possible to have a line section in the line between the tank 14 and entrance 18 , in particular in the area in front of the metering valve 16 to lead through the anode housing, so a housing that at least the recirculation system with separator 22 and pump 24 , optionally also the line section 28 , surrounds or encompasses.

10, 10'10 10 '
BrennstoffzellensystemeFuel cell systems
1212
Brennstoffzellenstapelfuel cell stack
1414
WasserstofftankHydrogen tank
1616
Dosierventilmetering valve
18,3418.34
Eingängeinputs
20,3620.36
Ausgängeoutputs
2222
Abscheiderseparators
2424
Pumpepump
2626
Eintrittsstelleentry point
28, 30, 30'28 30, 30 '
Leitungsabschnitteline sections
3232
StartheizergehäuseStart the heater case

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

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Claims (9)

Brennstoffzellensystem (10, 10') mit zumindest einer Brennstoffzelle und einem Brennstofftank (14), der über eine Leitung mit der zumindest einen Brennstoffzelle zum Zuführen von Brennstoff aus dem Brennstofftank zu dieser verbunden ist, wobei nicht von der zumindest einen Brennstoffzelle verbrauchter und aus einem Ausgang (20) der zumindest einen Brennstoffzelle austretender Brennstoff an einer Eintrittsstelle (26) der Leitung in diese zurückgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitung in Zufuhrrichtung des Brennstoffs aus dem Brennstofftank (14) vor der Eintrittsstelle (26) mit einem weiteren Bauteil (22, 32) des Brennstoffzellensystems (10, 10') thermisch gekoppelt ist.Fuel cell system ( 10 . 10 ' ) with at least one fuel cell and a fuel tank ( 14 ), which is connected via a line to the at least one fuel cell for supplying fuel from the fuel tank to the latter, which is not consumed by the at least one fuel cell and from an output ( 20 ) the fuel leaving at least one fuel cell at an entry point ( 26 ) is returned to the line, characterized in that the line in the supply direction of the fuel from the fuel tank ( 14 ) before the entry point ( 26 ) with another component ( 22 . 32 ) of the fuel cell system ( 10 . 10 ' ) is thermally coupled. Brennstoffzellensystem (10') nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das weitere Bauteil (32) zum Durchleiten von Kühlmittel dient.Fuel cell system ( 10 ' ) according to claim 1, characterized in that the further component ( 32 ) serves for the passage of coolant. Brennstoffzellensystem (10') nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das weitere Bauteil einen Heizer zum Heizen des Kühlmittels umfasst oder mit diesem thermisch gekoppelt ist.Fuel cell system ( 10 ' ) according to claim 2, characterized in that the further component comprises a heater for heating the coolant or is thermally coupled thereto. Brennstoffzellensystem (10) nach Anspruch 1, bei dem zwischen dem Ausgang (20) der zumindest einen Brennstoffzelle und der Eintrittsstelle (26) ein Abscheider (22) zum Abscheiden von Wasser angeordnet ist, und dass das weitere Bauteil den Abscheider (22) umfasst.Fuel cell system ( 10 ) according to claim 1, wherein between the output ( 20 ) of the at least one fuel cell and the entry point ( 26 ) a separator ( 22 ) is arranged for separating water, and that the further component of the separator ( 22 ). Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitung (30, 30') in dem Bereich, in dem sie thermisch mit einem weiteren Bauteil (22, 32) gekoppelt ist, zumindest abschnittsweise mäanderförmig ausgebildet ist.Fuel cell system according to claim 1, characterized in that the line ( 30 . 30 ' ) in the area in which it is thermally insulated with another component ( 22 . 32 ) is coupled, at least partially formed meander-shaped. Brennstoffzellensystem (10, 10') nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitung (30, 30') in dem Bereich, in dem sie thermisch mit einem weiteren Bauteil (22, 32) gekoppelt ist, zumindest abschnittsweise als Kanal in dem weiteren Bauteil (22, 32) ausgebildet ist.Fuel cell system ( 10 . 10 ' ) according to claim 1, characterized in that the line ( 30 . 30 ' ) in the area in which it is thermally insulated with another component ( 22 . 32 ) is coupled, at least in sections, as a channel in the further component ( 22 . 32 ) is trained. Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensytems (10, 10'), bei dem zumindest einer Brennstoffzelle aus einem Brennstofftank (14) Brennstoff zugeführt wird, wobei der Brennstoff aus dem Brennstofftank (14) mit aus der Brennstoffzelle kommendem nicht verbrauchten Brennstoff zusammengeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass dem Brennstoff aus dem Brennstofftank (14) vor dem Zusammenführen zumindest ab Überschreiten einer vorbestimmten Menge an aus dem Brennstofftank (14) entnommenem Brennstoff pro Zeit Wärme zuführt wird.Method for operating a fuel cell system ( 10 . 10 ' ), in which at least one fuel cell from a fuel tank ( 14 ) Fuel is supplied, the fuel from the fuel tank ( 14 ) is combined with coming from the fuel cell unused fuel, characterized in that the fuel from the fuel tank ( 14 ) before merging at least when a predetermined amount of fuel is exceeded ( 14 ) is supplied with heat extracted fuel per time. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Heizer zum Heizen von Kühlmittel betrieben wird und von dem Heizer erzeugte Wärme dem Brennstoff aus dem Brennstofftank (14) vor dem Zusammenführen zugeführt wird.A method according to claim 7, characterized in that a heater is operated for heating coolant and heat generated by the heater to the fuel from the fuel tank ( 14 ) is supplied before merging. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der aus der Brennstoffzelle kommende, nicht verbrauchte Brennstoff über einen Abscheider (22) geleitet wird und Wärme aus dem Abscheider (22) dem Brennstoff aus dem Brennstoffzellentank (14) vor dem Zusammenführen zugeführt wird.A method according to claim 7, characterized in that the coming from the fuel cell, unused fuel via a separator ( 22 ) and heat from the separator ( 22 ) the fuel from the fuel cell tank ( 14 ) is supplied before merging.
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