DE102014018846A1 - fuel cell device - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzellenvorrichtung (1), umfassend – mindestens eine Brennstoffzelle, die mit einer Befeuchtungseinheit (2) und/oder einem Wärmetauscher über wenigstens einen Strömungskanal verbunden ist, und – eine Absperrvorrichtung (3) zum Verschließen des wenigstens einen Strömungskanals, wenn die Brennstoffzellenvorrichtung (1) außer Betrieb ist. Erfindungsgemäß ist die Absperrvorrichtung (3) zumindest teilweise in die Befeuchtungseinheit (2) und/oder in den Wärmetauscher integriert angeordnet.The invention relates to a fuel cell device (1), comprising - at least one fuel cell, which is connected to a humidification unit (2) and / or a heat exchanger via at least one flow channel, and - a shut-off device (3) for closing the at least one flow channel, if the Fuel cell device (1) is out of operation. According to the invention, the shut-off device (3) is at least partially integrated in the moistening unit (2) and / or in the heat exchanger.

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzellenvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a fuel cell device according to the preamble of claim 1.

In der DE 10 2008 034 406 A1 ist eine Befeuchtereinrichtung zum Befeuchten eines Fluids in einem Brennstoffzellensystem eines Kraftwagens beschrieben, mit einem Gehäuse, in welchem wenigstens eine Membran angeordnet ist, und mit einem Umgehungskanal zum Umgehen der wenigstens einen Membran, wobei der Umgehungskanal einen von einem Kreis abweichenden Querschnitt aufweist.In the DE 10 2008 034 406 A1 a humidifying device for humidifying a fluid in a fuel cell system of a motor vehicle is described, with a housing in which at least one membrane is arranged, and with a bypass channel for bypassing the at least one membrane, wherein the bypass channel has a different cross-section from a circle.

Weiterhin sind in der DE 10 2006 041 762 A1 eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Befeuchten eines zu einer Brennstoffzelle strömenden Gasstromes beschrieben. Dabei sind ein Befeuchter und eine um den Befeuchter führende Bypass-Leitung vorhanden. Der Gasstrom wird teilweise um den Befeuchter und teilweise durch die Bypass-Leitung geführt, so dass sich in dem wieder gemischten Gasstrom eine entsprechende Feuchte einstellt. Dazu ist entweder in der Bypass-Leitung und/oder im Bereich des Befeuchters wenigstens ein Ventil angeordnet. Dieses Ventil ist getaktet zwischen zwei Stellungen, insbesondere einer Offenstellung und einer Geschlossenstellung, schaltbar.Furthermore, in the DE 10 2006 041 762 A1 an apparatus and method for moistening a gas stream flowing to a fuel cell is described. There is a humidifier and a bypass line leading to the humidifier. The gas flow is partially guided around the humidifier and partly through the bypass line, so that a corresponding humidity is established in the mixed gas flow again. For this purpose, at least one valve is arranged either in the bypass line and / or in the area of the humidifier. This valve is clocked between two positions, in particular an open position and a closed position, switchable.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Brennstoffzellenvorrichtung anzugeben.The invention is based on the object to provide a comparison with the prior art improved fuel cell device.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst.The object is achieved with the features specified in claim 1.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.Advantageous embodiments of the invention are the subject of the dependent claims.

Eine Brennstoffzellenvorrichtung umfasst mindestens eine Brennstoffzelle, die mit einer Befeuchtungseinheit und einem Wärmetauscher über wenigstens einen Strömungskanal verbunden ist, und eine Absperrvorrichtung zum Verschließen des wenigstens einen Strömungskanals, wenn das Brennstoffzellensystem außer Betrieb ist. Erfindungsgemäß ist die Absperrvorrichtung zumindest teilweise in die Befeuchtungseinheit und/oder in den Wärmetauscher integriert angeordnet.A fuel cell device comprises at least one fuel cell connected to a humidification unit and a heat exchanger via at least one flow channel, and a shut-off device for closing the at least one flow channel when the fuel cell system is out of operation. According to the invention, the shut-off device is at least partially integrated in the moistening unit and / or in the heat exchanger.

Bei der derart ausgebildeten Brennstoffzellenvorrichtung wird zur Anordnung der Absperrvorrichtung ein bereits vorhandener Bauraum genutzt, so dass gegenüber dem Stand der Technik, in dem die Absperrvorrichtung üblicherweise als separate Komponente in einem Strömungskreislauf eingebunden ist, Kosten und Bauraum eingespart werden. Hierbei sind separate Schnittstellen, erforderliche Dichtungselemente und Verbindungselemente im Bereich des Strömungskanals sowie die dazu erforderlichen Montageschritte gegenüber dem Stand der Technik verringert. Die Absperrvorrichtung ist dabei dazu vorgesehen, den Strömungskanal zu verschließen, wenn das Brennstoffzellensystem außer Betrieb ist, so dass die Zufuhr von Reaktanten zur Brennstoffzelle, insbesondere die Zufuhr von Luft zu einer Kathode der Brennstoffzelle, außerhalb des Betriebs vermieden wird.In the case of the fuel cell device designed in this way, an already existing installation space is used for the arrangement of the shut-off device, so that costs and installation space are saved compared to the prior art, in which the shut-off device is usually incorporated as a separate component in a flow circuit. In this case, separate interfaces, required sealing elements and connecting elements in the region of the flow channel as well as the necessary assembly steps compared to the prior art are reduced. The shut-off device is intended to close the flow channel when the fuel cell system is out of operation, so that the supply of reactants to the fuel cell, in particular the supply of air to a cathode of the fuel cell, is avoided outside of the operation.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand einer Zeichnung näher erläutert.Embodiments of the invention will be explained in more detail below with reference to a drawing.

Dabei zeigt:Showing:

1 schematisch eine Schnittdarstellung eines Teils einer erfindungsgemäßen Brennstoffzellenvorrichtung mit einer Absperrvorrichtung. 1 schematically a sectional view of a portion of a fuel cell device according to the invention with a shut-off device.

Die einzige 1 zeigt einen Teil eines möglichen Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Brennstoffzellenvorrichtung 1 mit einer teilweise in einer Befeuchtungseinheit 2 angeordneten Absperrvorrichtung 3 in einer Schnittdarstellung, insbesondere in einem Längsschnitt.The only 1 shows a part of a possible embodiment of a fuel cell device according to the invention 1 with a partial in a humidification unit 2 arranged shut-off device 3 in a sectional view, in particular in a longitudinal section.

Die Brennstoffzellenvorrichtung 1 umfasst weiterhin nicht gezeigte Komponenten, die zum besseren Verständnis im Folgenden kurz erläutert werden.The fuel cell device 1 further comprises components not shown, which are briefly explained below for better understanding.

Dies ist insbesondere wenigstens eine Brennstoffzelle, welche eine Anzahl von Einzelzellen aufweist, die zu einem Brennstoffzellenstapel zusammengefasst sind. Die Einzelzellen umfassen jeweils eine Kathode und eine Anode, zwischen denen eine protonenleitende Membran angeordnet ist. Die Brennstoffzelle umfasst somit einen Anodenraum und einen Kathodenraum, wobei dem Kathodenraum ein Oxidationsmittel, insbesondere Luft, und dem Anodenraum ein Brennstoff, insbesondere Wasserstoff, über Medienleitungen zugeführt wird, die jeweils einen Strömungskanal bilden.This is in particular at least one fuel cell, which has a number of individual cells, which are combined to form a fuel cell stack. The individual cells each comprise a cathode and an anode, between which a proton-conducting membrane is arranged. The fuel cell thus comprises an anode space and a cathode space, wherein the cathode space an oxidant, in particular air, and the anode space, a fuel, in particular hydrogen, is supplied via media lines, each forming a flow channel.

Für eine zuverlässige Funktionsfähigkeit der Brennstoffzelle, welche aus den ihr zugeführten Edukten elektrische Leistung generiert, ist eine entsprechende Befeuchtung der zuströmenden Medien erforderlich. Die Befeuchtung erfolgt mittels der Befeuchtungseinheit 2, welche im vorliegenden Ausführungsbeispiel zur Befeuchtung der Luft vorgesehen ist, die dem Kathodenraum zugeführt wird. Denkbar ist aber auch, dass die Befeuchtungseinheit 2 zur Befeuchtung des Brennstoffs vorgesehen ist, welcher dem Anodenraum zugeführt wird, worauf hier allerdings nicht näher eingegangen wird.For a reliable functioning of the fuel cell, which generates electrical power from the educts supplied to it, a corresponding humidification of the inflowing media is required. The moistening takes place by means of the moistening unit 2 which is provided in the present embodiment for humidifying the air which is supplied to the cathode space. It is also conceivable that the moistening unit 2 is provided for humidifying the fuel, which is supplied to the anode compartment, which is not discussed here in detail.

Die Befeuchtungseinheit 2 weist im vorliegenden Ausführungsbeispiel ein Gehäuse 2.1 auf, welches einen ersten Abschnitt 2.1.1, einen zweiten Abschnitt 2.1.2 und einen dritten Abschnitt 2.1.3 umfasst. Ein Querschnitt des Gehäuses 2.1 nimmt dabei vom ersten Abschnitt 2.1.1 zum dritten Abschnitt 2.1.3 ab, wobei der erste Abschnitt 2.1.1 und der dritte Abschnitt 2.1.3 einen konstanten Querschnitt aufweisen. Der Querschnitt des zweiten Abschnitts 2.1.2 verjüngt sich in Richtung des dritten Abschnitts 2.1.3 konisch.The humidification unit 2 has a housing in the present embodiment 2.1 on, which is a first section 2.1.1 , a second section 2.1.2 and a third section 2.1.3 includes. A cross section of the housing 2.1 takes it from the first section 2.1.1 to the third section 2.1.3 from, the first section 2.1.1 and the third section 2.1.3 have a constant cross-section. The cross section of the second section 2.1.2 tapers towards the third section 2.1.3 conical.

Der erste Abschnitt 2.1.1 umgibt einen Befeuchter. Der Befeuchter ist beispielsweise ein Flüssigkeitstank oder einen poröser, feuchter Schwamm, welcher von der Luft durchströmt wird. Weiterhin kann der Befeuchter auch als ein sogenannter Membranbefeuchter ausgebildet sein, wie es in der eingangs genannten DE 10 2006 041 762 A1 beispielhaft beschrieben ist.The first paragraph 2.1.1 surrounds a humidifier. The humidifier is, for example, a liquid tank or a porous, moist sponge, through which the air flows. Furthermore, the humidifier can also be designed as a so-called membrane humidifier, as in the aforementioned DE 10 2006 041 762 A1 is described by way of example.

Durch die Befeuchtungseinheit 2 hindurch verläuft ein Strömungskanal zur Beförderung eines Mediums im Betrieb der Brennstoffzellenvorrichtung 1, insbesondere zur Beförderung der Luft in Richtung des Kathodenraums, wobei eine Strömungsrichtung s der Luft vom ersten Abschnitt 2.1.1 zum dritten Abschnitt 2.1.3 verläuft. Wird die Brennstoffzellenvorrichtung 1 nicht betrieben, ist eine Beförderung von Luft zum Kathodenraum nicht erwünscht. Um dies sicherzustellen, ist die Absperrvorrichtung 3 vorgesehen.Through the humidification unit 2 A flow channel for conveying a medium passes during operation of the fuel cell device 1 , in particular for conveying the air in the direction of the cathode space, wherein a flow direction s of the air from the first section 2.1.1 to the third section 2.1.3 runs. Will the fuel cell device 1 not operated, a transport of air to the cathode compartment is not desirable. To ensure this is the shut-off device 3 intended.

Die Absperrvorrichtung 3 umfasst im gezeigten Ausführungsbeispiel ein Absperrelement 3.1 und ein Stellelement 3.2., wobei das Absperrelement 3.1 innerhalb des dritten Abschnitts 2.1.3 des Gehäuses 2.1 der Befeuchtungseinheit 2 und das Stellelement 3.2 außerhalb des Gehäuses 2.1 der Befeuchtungseinheit 2 angeordnet ist. Die Absperrvorrichtung 3 ist somit dem Befeuchter in Richtung des Kathodenraums nachgeordnet.The shut-off device 3 includes in the illustrated embodiment, a shut-off 3.1 and an actuator 3.2 ., Where the shut-off 3.1 within the third section 2.1.3 of the housing 2.1 the humidification unit 2 and the actuator 3.2 outside the case 2.1 the humidification unit 2 is arranged. The shut-off device 3 is thus downstream of the humidifier in the direction of the cathode compartment.

Das Absperrelement 3.1 dient dem Verschließen des Strömungskanals außerhalb des Betriebs der Brennstoffzellenvorrichtung 1. Dazu ist das Absperrelement 3.1 im vorliegenden Ausführungsbeispiel als ein aktives Ventil ausgebildet, welches mittels des Stellelements 3.2 in zwei Zustände, insbesondere in einen geöffneten und in einen geschlossenen Zustand, schaltbar ist.The shut-off element 3.1 serves to close the flow channel outside the operation of the fuel cell device 1 , This is the shut-off 3.1 formed in the present embodiment as an active valve, which by means of the actuating element 3.2 in two states, in particular in an open and in a closed state, is switchable.

Das Absperrelement 3.1 ist beispielsweise als eine Drosselklappe ausgebildet, die üblicherweise ein kreisrundes Element umfasst, welches senkrecht auf einer Achse drehbar gelagert innerhalb des Strömungskanals angeordnet ist und im geschlossenen Zustand den Strömungskanal vollständig verschließt. Das Stellelement 3.2 bildet einen elektromechanischen Antrieb zum aktiven Schalten des Absperrelements 3.1, wobei das Stellelement 3.2 beispielsweise als ein Elektromotor ausgebildet ist.The shut-off element 3.1 For example, it is designed as a throttle valve, which usually comprises a circular element which is arranged rotatably mounted perpendicular to an axis within the flow channel and completely closes the flow channel in the closed state. The actuator 3.2 forms an electromechanical drive for active switching of the shut-off element 3.1 , where the actuator 3.2 for example, is designed as an electric motor.

Alternativ kann das Absperrelement 3.1 auch als ein passives Ventil ausgebildet sein, welches strömungsabhängig in einen geöffneten oder geschlossenen Zustand geführt wird. Dabei öffnet das passive Ventil vorzugsweise erst ab einer vorgegebenen Strömungsgeschwindigkeit und/oder ab einem vorgegebenen Strömungsdruck, so dass auch hier eine unerwünschte Luftzufuhr in den Kathodenraum außerhalb des Betriebs der Brennstoffzellenvorrichtung 1 vermieden oder zumindest verringert wird.Alternatively, the shut-off element 3.1 Also be designed as a passive valve, which is guided flow-dependent in an open or closed state. In this case, the passive valve opens preferably only from a predetermined flow rate and / or from a predetermined flow pressure, so that here also an undesirable air supply into the cathode compartment outside the operation of the fuel cell device 1 avoided or at least reduced.

Alternativ kann die gezeigte Befeuchtungseinheit 2 auch einen Wärmetauscher darstellen, so dass die Absperrvorrichtung 3 innerhalb des Wärmetauschers angeordnet ist. Ein Wärmetauscher innerhalb der Brennstoffzellenvorrichtung 1 dient der Vorwärmung der Luft und/oder der Vorwärmung des Brennstoffs.Alternatively, the moistening unit shown 2 also represent a heat exchanger, so that the shut-off 3 is disposed within the heat exchanger. A heat exchanger within the fuel cell device 1 serves to preheat the air and / or the preheating of the fuel.

Darüber hinaus ist es auch möglich, dass sowohl in der Befeuchtungseinheit 2 als auch im Wärmetauscher der Brennstoffzelleneinrichtung 1 jeweils eine Absperrvorrichtung 3 angeordnet ist.In addition, it is also possible that both in the humidification unit 2 as well as in the heat exchanger of the fuel cell device 1 each a shut-off device 3 is arranged.

Zur Anordnung der Absperrvorrichtung 3 wird ein bereits in der Brennstoffzellenvorrichtung 1 vorhandener Bauraum genutzt, so dass die Brennstoffzellenvorrichtung 1 kosten- und bauraumeffizient ausgebildet ist.For the arrangement of the shut-off device 3 becomes already in the fuel cell device 1 used existing space, so that the fuel cell device 1 is designed cost and space efficient.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
Brennstoffzellenvorrichtungfuel cell device
22
Befeuchtungseinheithumidification
2.12.1
Gehäusecasing
2.1.12.1.1
erster Abschnittfirst section
2.1.22.1.2
zweiter Abschnittsecond part
2.1.32.1.3
dritter Abschnittthird section
33
AbsperrvorrichtungShut-off
3.13.1
Absperrelementshut-off
3.23.2
Stellelementactuator
ss
Strömungsrichtungflow direction

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 102008034406 A1 [0002] DE 102008034406 A1 [0002]
  • DE 102006041762 A1 [0003, 0017] DE 102006041762 A1 [0003, 0017]

Claims (7)

Brennstoffzellenvorrichtung (1), umfassend – mindestens eine Brennstoffzelle, die mit einer Befeuchtungseinheit (2) und/oder einem Wärmetauscher über wenigstens einen Strömungskanal verbunden ist, und – eine Absperrvorrichtung (3) zum Verschließen des wenigstens einen Strömungskanals, wenn die Brennstoffzellenvorrichtung (1) außer Betrieb ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Absperrvorrichtung (3) zumindest teilweise in die Befeuchtungseinheit (2) und/oder in den Wärmetauscher integriert angeordnet ist.Fuel cell device ( 1 ), comprising - at least one fuel cell connected to a moistening unit ( 2 ) and / or a heat exchanger via at least one flow channel is connected, and - a shut-off device ( 3 ) for closing the at least one flow channel when the fuel cell device ( 1 ) is out of service, characterized in that the shut-off device ( 3 ) at least partially into the moistening unit ( 2 ) and / or is arranged integrated in the heat exchanger. Brennstoffzellenvorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Absperrvorrichtung (3) mindestens ein Absperrelement (3.1) aufweist, welches innerhalb eines Gehäuses (2.1) der Befeuchtungseinheit (2) oder innerhalb eines Gehäuses des Wärmetauschers angeordnet ist.Fuel cell device ( 1 ) according to claim 1, characterized in that the shut-off device ( 3 ) at least one shut-off element ( 3.1 ), which within a housing ( 2.1 ) of the moistening unit ( 2 ) or disposed within a housing of the heat exchanger. Brennstoffzellenvorrichtung (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Absperrvorrichtung (3) zwei Absperrelemente (3.1) aufweist, wobei eines der Absperrelemente (3.1) innerhalb des Gehäuses (2.1) der Befeuchtungseinheit (2) und das andere Absperrelement (3.1) innerhalb des Gehäuses des Wärmetauschers angeordnet ist.Fuel cell device ( 1 ) according to claim 2, characterized in that the shut-off device ( 3 ) two shut-off elements ( 3.1 ), wherein one of the shut-off elements ( 3.1 ) within the housing ( 2.1 ) of the moistening unit ( 2 ) and the other shut-off element ( 3.1 ) is disposed within the housing of the heat exchanger. Brennstoffzellenvorrichtung (1) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Absperrelement (3.1) mit einem Stellelement (3.2) in Wirkverbindung steht, mittels welchem das Absperrelement (3.1) zwischen zwei Zuständen schaltbar ist.Fuel cell device ( 1 ) according to claim 2 or 3, characterized in that the at least one shut-off element ( 3.1 ) with an actuating element ( 3.2 ) is in operative connection, by means of which the shut-off element ( 3.1 ) is switchable between two states. Brennstoffzellenvorrichtung (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Absperrelement (3.1) zwischen einem geöffneten Zustand, in welchem der Strömungskanal freigegeben ist, und einem geschlossenen Zustand, in welchem der Strömungskanal verschlossen ist, schaltbar ist.Fuel cell device ( 1 ) according to claim 4, characterized in that the at least one shut-off element ( 3.1 ) between an open state, in which the flow channel is released, and a closed state, in which the flow channel is closed, is switchable. Brennstoffzellenvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Absperrelement (3.1) als eine Drosselklappe ausgebildet ist.Fuel cell device ( 1 ) according to one of claims 2 to 5, characterized in that the at least one shut-off element ( 3.1 ) is designed as a throttle valve. Brennstoffzellenvorrichtung (1) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Absperrelement (3.1) als ein passives Ventil ausgebildet ist.Fuel cell device ( 1 ) according to claim 2 or 3, characterized in that the shut-off element ( 3.1 ) is formed as a passive valve.
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