DE102014209506A1

DE102014209506A1 - Brennstoffzellenvorrichtung mit Wärmeübertragungseinrichtung sowie Kraftfahrzeug mit Brennstoffzellenvorrichtung

Info

Publication number: DE102014209506A1
Application number: DE102014209506.9A
Authority: DE
Inventors: Daniel Grundei; Oliver Berger; Martin ARENDT; Jan-Philipp Brinkmeier
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2014-05-20
Filing date: 2014-05-20
Publication date: 2015-11-26

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzellenvorrichtung (1) sowie ein Kraftfahrzeug mit einer Brennstoffzellenvorrichtung (1). Um die Brennstoffzellenvorrichtung (1) effizient betreiben zu können, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Brennstoffzellenvorrichtung (1) eine Wärmeübertragungseinrichtung (8) aufweist, die einen Kathodengaszuflusspfad (4) der Brennstoffzellenvorrichtung (1) mit einem Kathodengasabflusspfad (5) der Brennstoffzellenvorrichtung (1) Wärme übertragend verbindet.

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzellenvorrichtung mit einer eine Anode und eine Kathode aufweisenden Brennstoffzelle, einem einen Kathodengaszuflusspfad und einem Kathodengasabflusspfad aufweisenden Kathodengaspfad, und einer Befeuchtungseinrichtung, die den Kathodengasabflusspfad Feuchtigkeit übertragend mit dem Kathodengaszuflusspfad verbindet. Ferner betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug mit einem Antriebssystem und einer Brennstoffzellenvorrichtung, die Antriebsenergie übertragend mit dem Antriebssystem verbunden ist.
Brennstoffzellenvorrichtungen sind beispielsweise aus der DE 197 01 560 A1 , DE 11 2009 005 151 T5 , US 2006/0099469 A1 und WO 2008/000001 A1 bekannt. Um die Brennstoffzelle mit einem hohen Wirkungsgrad betreiben zu können, ist ein der Brennstoffzelle durch den Kathodengaszuflusspfad zugeführtes Kathodengas auf einen optimalen Temperaturbereich hin zu temperieren. Um das Kathodengas zu kühlen, weisen bekannte Brennstoffzellenvorrichtungen Kühlsysteme auf. Die Kühlleistung dieser Kühlsysteme reicht jedoch oftmals nicht aus, um das Kathodengas beispielsweise bei einem Hochlastbetrieb der Brennstoffzelle ausreichend zu kühlen. Folglich wird bei bekannten Brennstoffzellenvorrichtungen die mit der Brennstoffzelle bereitstellbare Leistung und somit die maximale Kühllast für das Kühlsystem begrenzt. Ferner können zur Verringerung der Kühllast Betriebsparameter der Brennstoffzelle geändert werden, was jedoch zu einem weniger effizienten Betrieb der Brennstoffzelle führt. Um die maximale Kühlleistung des Kühlsystems zu erhöhen, können Kühlflächen vergrößert oder Zusatzkühler verwendet werden. Diese erfordern jedoch zusätzlichen Bauraum, der insbesondere in Kraftfahrzeugen nur beschränkt zur Verfügung steht.
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Brennstoffzellenvorrichtung und ein Kraftfahrzeug mit einer Brennstoffzellenvorrichtung bereitzustellen, mit welcher der Brennstoffzelle optimal temperiertes Kathodengas zuführbar ist, wobei die Brennstoffzellenvorrichtung mit einem hohen Wirkungsgrad betreibbar und kompakt aufbaubar ist.
Für die eingangs genannte Brennstoffzellenvorrichtung ist die Aufgabe dadurch gelöst, dass die Brennstoffzellenvorrichtung eine Wärmeübertragungseinrichtung aufweist, die den Kathodengasabflusspfad Wärme übertragend mit dem Kathodengaszuflusspfad verbindet, wobei die Wärmeübertragungseinrichtung und die Befeuchtungseinrichtung entlang des Kathodengaszuflusspfades nacheinander angeordnet sind. Für das eingangs genannte Kraftfahrzeug ist die Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Brennstoffzellenvorrichtung eine erfindungsgemäße Brennstoffzellenvorrichtung ist.
Wird die Brennstoffzellenvorrichtung bei einem sogenannten Kaltstart, bei dem die Temperatur der Brennstoffzelle im Wesentlichen der Umgebungstemperatur entspricht, gestartet, und ist die Umgebungstemperatur niedriger als die optimale Betriebstemperatur der Brennstoffzelle, so ist nach einer kurzen Betriebsdauer der Brennstoffzelle das Kathodenabgas im Kathodengasabflusspfad wärmer, als die Umgebungstemperatur. Das beispielsweise aus der Umgebung entnommene Kathodengas kann durch die Wärmeübertragungseinrichtung mit aus dem aus der Brennstoffzelle ausgetretenen Kathodenabgas entnommener Wärmeenergie erwärmt werden, sodass die Brennstoffzelle schneller ihre optimale Betriebstemperatur erreicht.
Oftmals wird das der Brennstoffzelle zugeführte Kathodengas komprimiert, um die Brennstoffzelle mit einem optimalen Betriebsdruck betreiben zu können. Das womöglich aus der Umgebung entnommene Kathodengas wird bei dessen Komprimierung allerdings so stark erwärmt, dass es vor der Verwendung in der Brennstoffzelle abzukühlen ist. Um das Kathodengas abzukühlen, bevor es die Brennstoffzelle erreicht, kann diesem mit der Wärmeübertragungseinrichtung Wärmeenergie entnommen werden, die dem Kathodengasabflusspfad zugeführt wird. Zusätzlich kann ein Kühlsystem vorgesehen sein, dass zumindest das durch den Kathodengaszuflusspfad fließende Kathodengas alternativ oder zusätzlich zur Wärmeübertragungseinrichtung kühlt.
Die erfindungsgemäße Lösung kann durch verschiedene, jeweils für sich vorteilhafte und, sofern nicht anders ausgeführt, beliebig miteinander kombinierbare Ausgestaltungen weiter verbessert werden. Auf diese Ausgestaltungsformen und die mit ihnen verbundenen Vorteile ist im Folgenden eingegangen.
So kann durch die Wärmeübertragungseinrichtung das gesamte durch den Kathodengaszuflusspfad im Betrieb strömende Kathodengas leitbar sein. Erstreckt sich der Kathodengaszuflusspfad vollständig durch die Wärmeübertragungseinrichtung, so kann das Kathodengas vollständig und effizient temperiert werden. Wird das Kathodengas nur teilweise durch die Wärmeübertragungseinrichtung geleitet, kann ein Vermischen dieses Teils des Kathodengases mit einem anderen Teil des Kathodengases, der beispielsweise an der Wärmeübertragungseinrichtung vorbeigeleitet wird, ein genaues Erreichen einer Zieltemperatur erschweren.
Um das Kathodengas einfach und gezielt befeuchten zu können, kann die Wärmeübertragungseinrichtung in einer Zuflussrichtung des Kathodengases stromaufwärts der Befeuchtungseinrichtung im Kathodengaszuflusspfad angeordnet sein. Wird die Temperatur des bereits befeuchteten Kathodengases geändert, so ändert sich durch die Temperaturänderung dessen relative Feuchte. Ist die Wärmeübertragungseinrichtung der Befeuchtungseinrichtung im Kathodengaszuflusspfad jedoch vorgeschaltet, so kann zunächst das Kathodengas auf eine vorgegebene Temperatur temperiert und im Anschluss ohne Weiteres gezielt befeuchtet werden.
Soll die Brennstoffzelle mit komprimiertem Kathodengas betrieben werden, ist die Wärmeübertragungseinrichtung vorzugsweise zwischen einem Kathodengasverdichter und der Befeuchtungseinrichtung im Kathodengaszuflusspfad angeordnet. Die dem Kathodengas bei dessen Verdichtung hinzugefügte Wärmeenergie kann somit einfach über die Wärmeübertragungseinrichtung abgeführt werden. Zwar könnte die Wärmeübertragungseinrichtung auch vor dem Kathodengasverdichter angeordnet sein, um diesem gekühltes Kathodengas zuzuführen, dessen Temperatur nach dem Verdichten einer Zieltemperatur entspricht. Allerdings ist die nachträgliche Ableitung der Wärmeenergie aus dem bereits komprimierten Kathodengas einfacher, als das Kathodengas vor dessen Komprimierung womöglich stark abkühlen zu müssen.
Der Kathodengaspfad kann einen Umleitungspfad aufweisen, der zum Beispiel Teil des Kathodengaszuflusspfades sein kann. Mit dem Umleitungspfad kann das Kathodengas an der Wärmeübertragungseinrichtung zumindest teilweise vorbeileitbar sein. Das Kathodengas wird vorzugsweise wahlweise und/oder automatisch an der Wärmeübertragungseinrichtung vorbeigeleitet. Wird die Brennstoffzelle etwa in einem Betriebszustand betrieben, in dem das Kathodengas durch dessen Komprimierung nicht so stark erhitzt wird, dass ein eventuell vorhandenes Kühlsystem das komprimierte Kathodengas nicht ausreichend kühlen kann, kann das komprimierte Kathodengas zumindest teilweise oder sogar vollständig an der Wärmeübertragungseinrichtung vorbeigeleitet werden. Strömt das Kathodengas zumindest teilweise oder sogar vollständig durch den Umleitungspfad, so braucht es nicht durch die Wärmeübertragungseinrichtung geleitet werden, die dem Kathodengas womöglich einen hohen Strömungswiderstand entgegensetzt. Die Brennstoffzellenvorrichtung kann also mit weniger Energie betrieben werden, da das Kathodengas nicht durch die Wärmeübertragungseinrichtung geleitet werden muss.
Um Wärmeenergie besonders effektiv oder auch dann vom Kathodengaszuflusspfad zum Kathodengasabflusspfad übertragen zu können, wenn die Temperatur des komprimierten Kathodengases unterhalb der Temperatur des durch den Kathodengasabflusspfad strömenden Kathodengases liegt, kann die Wärmeübertragungseinrichtung eine Wärmepumpe aufweisen oder sogar aus dieser bestehen. Dadurch, dass die Wärmeübertragungseinrichtung die Wärmepumpe aufweist oder aus dieser besteht, kann die Brennstoffzellenvorrichtung flexibler betrieben werden.
Ein Kondensator der Wärmepumpe ist vorzugsweise vom Kathodengasabflusspfad und ein Verdampfer der Wärmepumpe ist vorzugsweise vom Kathodengaszuflusspfad durchsetzt, um eine möglichst große Wärmeübertragungsfläche zwischen dem Kathodengaspfad und der Wärmepumpe bereitzustellen. Alternativ können der Verdampfer und der Kondensator jeweils über einen Wärmetauscher mit dem Kathodengaspfad verbunden sein.
Entlang einer Abflussrichtung des Kathodenabgases kann die Wärmeübertragungseinrichtung stromabwärts der Befeuchtungseinrichtung im Kathodengasabflusspfad angeordnet sein. Dadurch, dass die Wärmeübertragungseinrichtung der Befeuchtungseinrichtung nachgeschaltet ist, wird vermieden, dass, falls Wärmeenergie vom Kathodengasabflusspfad zum Kathodengaszuflusspfad geleitet wird, Wasser im Kathodengasabflusspfad aus dem Kathodenabgas auskondensiert und somit nicht mehr zur Befeuchtung des durch den Kathodengaszuflusspfad zur Brennstoffzelle strömenden Kathodengases zur Verfügung steht. Besteht das Risiko der unzureichenden Befeuchtung des zur Brennstoffzelle geleiteten Kathodengases nicht, kann die Wärmeübertragungseinrichtung der Befeuchtungseinrichtung optional auch vorgeschaltet sein. Hierdurch kann Wärmeenergie effizienter mit dem Kathodengaspfad ausgetauscht werden, da Kathodenabgas mit einer hohen relativen Feuchte Wärme besser leitet, als trockneres Kathodenabgas, wobei das im Kathodenabgas enthaltene Wasser dem von der Brennstoffzelle weg strömenden Kathodenabgas erst nach dem Durchströmen der Wärmeübertragungseinrichtung in der Befeuchtungseinrichtung entnommen wird.
Die im durch den Kathodengasabflusspfad strömenden Kathodenabgas enthaltene Wärmeenergie kann einfach an die Umgebung abgegeben werden. Soll die im Kathodenabgas enthaltene Energie jedoch zum Betrieb der Brennstoffzellenvorrichtung verwendet werden, kann im Kathodengasabflusspfad der Wärmeübertragungseinrichtung in der Abflussrichtung des Kathodenabgases eine Turbine, beispielsweise eine Kondensationsturbine, nachgeschaltet sein. Die Turbine wandelt im Kathodenabgas enthaltene Energie beispielsweise in elektrische Energie, die etwa zum Betrieb des Kathodengasverdichters verwendet werden kann. Die Brennstoffzellenvorrichtung ist bei Verwendung der Turbine also effizienter betreibbar.
Damit das Kathodengas im Kathodengaszuflusspfad zusätzlich oder alternativ zur Wärmeübertragungseinrichtung temperiert werden kann, kann die Brennstoffzellenvorrichtung einen Ladeluftkühler aufweisen, der vorzugsweise zwischen der Wärmeübertragungseinrichtung und der Befeuchtungseinrichtung im Kathodengaszuflusspfad angeordnet ist.
Die Erfindung ist nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Brennstoffzellenvorrichtung,
2 eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Brennstoffzellenvorrichtung, und
3 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeuges.
Im Folgenden ist die Erfindung beispielhaft anhand von Ausführungsformen mit Bezug auf die Zeichnungen erläutert. Die unterschiedlichen Merkmale der Ausführungsformen können dabei unabhängig voneinander kombiniert werden, wie es bei den einzelnen vorteilhaften Ausgestaltungen bereits dargelegt wurde.
Zunächst sind Aufbau und Funktion einer erfindungsgemäßen Brennstoffzellenvorrichtung mit Bezug auf das Ausführungsbeispiel der 1 beschrieben.
1 zeigt die Brennstoffzellenvorrichtung 1 schematisch mit einer Brennstoffzelle 2 und einem Kathodengaspfad 3. Im Folgenden sind ein sich zur Brennstoffzelle 2 hin erstreckender Abschnitt des Kathodengaspfades 3 als ein Kathodengaszuflusspfad 4 und ein sich von der Brennstoffzelle 2 weg erstreckender Abschnitt des Kathodengaspfades 3 als ein Kathodengasabflusspfad 5 bezeichnet. Zwischen dem Kathodengaszuflusspfad 4 und dem Kathodengasabflusspfad 5 erstreckt sich der Kathodengaspfad 3 kathodenseitig durch die Brennstoffzelle 2. Ferner weist die Brennstoffzellenvorrichtung 1 einen in der 1 nur angedeuteten Anodengaspfad 6 auf, der sich anodenseitig durch die Brennstoffzelle 2 erstreckt.
Entlang des Kathodengaspfades 3 kann Kathodengas zunächst einem Kathodengasverdichter 7 zugeführt sein. Ausgangsseitig des Kathodengasverdichters 7 weist das Kathodengas im Kathodengaszuflusspfad 4 einen höheren Druck auf als eingangsseitig des Kathodengasverdichters 7. Der Kathodengasverdichter 7 erhöht den Druck des Kathodengases so, dass dieser einem vorgegebenen Betriebsdruck der Brennstoffzelle 2 entspricht. Durch das Verdichten des Kathodengases steigt dessen Temperatur an.
In einer Zuflussrichtung Z, in der das Kathodengas in Richtung auf die Brennstoffzelle 2 durch den Kathodengaszuflusspfad 4 strömen kann, ist dem optionalen Kathodengasverdichter 7 eine Wärmeübertragungseinrichtung 8 nachgeschaltet beziehungsweise nachschaltbar. Der Kathodengaszuflusspfad 4 kann sich durch die Wärmeübertragungseinrichtung 8 hindurch erstrecken. Soll das Kathodengas jedoch zumindest teilweise oder sogar vollständig an der Wärmeübertragungseinrichtung 8 vorbeigeleitet werden, kann die Brennstoffzellenvorrichtung 1 einen wahlweise zu öffnenden Umleitungspfad 9 aufweisen, der an der Wärmeübertragungseinrichtung 8 vorbeiführt. Um das Kathodengas wahlweise durch die Wärmeübertragungseinrichtung 8 oder durch den Umleitungspfad 9 leiten zu können, kann die Brennstoffzellenvorrichtung 1 ein Ventil 10, zum Beispiel ein Drosselventil, aufweisen, das im Kathodengaspfad 4 parallel zur Wärmeübertragungseinrichtung 8 geschaltet sein kann.
In der Zuflussrichtung Z hinter der Wärmeübertragungseinrichtung 8 und/oder hinter dem Ventil 10 kann ein Ladeluftkühler 11 einer Temperiereinrichtung 12 der Brennstoffzellenvorrichtung 1 vom Kathodengaszuflusspfad 4 durchsetzt sein. Die Temperiereinrichtung 12 kann alternativ oder zusätzlich zur Wärmeübertragungseinrichtung 8 das durch den Kathodengaszuflusspfad 4 strömende Kathodengas temperieren und insbesondere kühlen.
Auf die Wärmeübertragungseinrichtung 8 und insbesondere auf den Ladeluftkühler 11 kann entlang des Kathodengaszuflusspfades 4 eine Befeuchtungseinrichtung 13 folgen, die den Kathodengasabflusspfad 5 Feuchtigkeit übertragend mit dem Kathodengaszuflusspfad 4 verbindet. Insbesondere kann im durch den Kathodengasabflusspfad 5 strömenden Kathodenabgas enthaltene Feuchtigkeit an den Kathodengaszuflusspfad 4 leitbar sein. Das temperierte, befeuchtete und optional verdichtete Kathodengas kann nun von der Befeuchtungseinrichtung 13 zur Brennstoffzelle 2 leitbar sein.
Hinter der Brennstoffzelle 2 kann sich der Kathodengasabflusspfad 5 in einer Abflussrichtung A zunächst durch die Befeuchtungseinrichtung 13 erstrecken. Im Betrieb der Brennstoffzellenvorrichtung 1 kann dem durch den Kathodengasabflusspfad 5 strömenden Kathodenabgas Feuchtigkeit entzogen werden, die dem durch den Kathodengaszuflusspfad 4 strömenden Kathodengas hinzugefügt werden kann.
Im Ausführungsbeispiel der 1 erstreckt sich der Kathodengasabflusspfad 5 in der Abflussrichtung A hinter der Befeuchtungseinrichtung 13 durch die Wärmeübertragungseinrichtung 8. In der Wärmeübertragungseinrichtung 8 kann dem durch den Kathodengasabflusspfad 5 strömenden Kathodengas Wärmeenergie hinzugefügt oder entzogen werden. Insbesondere ermöglicht die Wärmeübertragungseinrichtung 8 einen Austausch von Wärmeenergie zwischen dem Kathodenzuflusspfad 4 und dem Kathodengasabflusspfad 5. Bei einem Start der Brennstoffzellenvorrichtung 1 kann Wärmeenergie vom Kathodengasabflusspfad 5 zum Kathodengaszuflusspfad 4 geleitet werden, um das Kathodengas und hierdurch die Brennstoffzelle 2 aufzuwärmen. Soll das zur Brennstoffzelle 2 geleitete Kathodengas aber beispielsweise nach dem Kathodengasverdichter 7 gekühlt werden, kann die Wärmeenergie auch vom Kathodengaszuflusspfad 4 zum Kathodengasabflusspfad 5 geleitet werden. Soll keine Wärmeenergie zwischen dem Kathodengaszuflusspfad 4 und dem Kathodengasabflusspfad 5 ausgetauscht werden, kann das Ventil 10 geöffnet und das durch den Kathodengaszuflusspfad 4 strömende Kathodengas zumindest teilweise oder sogar vollständig an der Wärmeübertragungseinrichtung 8 vorbeigeleitet werden.
Alternativ kann in der Abflussrichtung A das Kathodengas entlang des Kathodengasabflusspfades 5 zunächst durch die Wärmeübertragungseinrichtung 8 und erst danach durch die Befeuchtungseinrichtung 13 geleitet werden. Insbesondere, wenn dem Kathodenabgas von der Befeuchtungseinrichtung 13 Feuchtigkeit entzogen wird, kann ein Austausch von Wärmeenergie mit der Wärmeübertragungseinrichtung 8 effizienter sein, als wenn die Wärmeübertragungseinrichtung 8 der Befeuchtungseinrichtung 13 nachgeschaltet ist. Allerdings kann das Kathodenabgas, nachdem es die Wärmeübertragungseinrichtung 8 durchströmt hat, womöglich nicht mehr ausreichend Feuchtigkeit zur Befeuchtung des durch den Kathodengaszuflusspfad 4 strömenden Kathodengases bereitstellen, etwa, weil diese in der Wärmeübertragungseinrichtung 8 auskondensiert.
Der Wärmeübertragungseinrichtung 8 ist im Ausführungsbeispiel der 1 eine optionale Turbine 14 nachgeschaltet. Im Kathodenabgas gespeicherte Energie kann mithilfe der Turbine 14 zumindest teilweise in elektrische Energie gewandelt und zum Beispiel zum Betrieb des Kathodengasverdichters 7 verwendet werden.
Die wahlweise vorsehbare Temperiereinrichtung 12 kann einen Temperiermittelkreislauf 15 aufweisen, der Wärme übertragend beispielsweise mit dem Kathodengaszuflusspfad 4 und/oder der Brennstoffzelle 2 verbunden sein kann. Die Temperiereinrichtung 12 kann eine Temperiermittelpumpe 16 aufweisen, mit der ein Temperiermittel, insbesondere ein flüssiges Temperiermittel, wie etwa ein Wasser-Alkohol-Gemisch, durch den Temperiermittelkreislauf 15 transportierbar ist. Ferner kann die Temperiereinrichtung 12 eine Heizeinrichtung 17 aufweisen, mit der zur Brennstoffzelle 2 leitbares Temperiermittel erwärmbar ist. Um das Temperiermittel kühlen zu können, kann die Temperiereinrichtung 12 einen Kühler 18 aufweisen, der im Ausführungsbeispiel der 1 als ein Luftkühler ausgebildet ist. Soll das Temperiermittel am Kühler 18 vorbeigeleitet werden, weist die Temperiereinrichtung 12 einen Überbrückungspfad 19 auf, durch den das Temperiermittel wahlweise am Kühler 18 vorbeileitbar ist.
2 zeigt schematisch ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Brennstoffzellenvorrichtung 1. Für Elemente, die in Funktion und/oder Aufbau Elementen des Ausführungsbeispiels der 1 entsprechen, sind dieselben Bezugszeichen verwendet. Der Kürze halber ist im Folgenden lediglich auf die Unterschiede zum Ausführungsbeispiel der 1 eingegangen.
Im Gegensatz zum Ausführungsbeispiel der 1 ist die Wärmeübertragungseinrichtung 8 der 2 nicht als ein Wärmetauscher, sondern als eine Wärmepumpe 8' ausgebildet. Mithilfe der Wärmepumpe 8' kann Wärmeenergie besonders effizient und auch dann vom Kathodengaszuflusspfad 4 zum Kathodengasabflusspfad 5 geleitet werden, wenn die Temperatur des durch den Kathodengaszuflusspfad 4 strömenden Kathodengases unterhalb des durch den Kathodenabflusspfad 5 strömenden Kathodenabgases liegt.
Auch das Ausführungsbeispiel der 2 zeigt die Brennstoffzellenvorrichtung 1 mit der optionalen Turbine 14.
3 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeuges schematisch mit einer Brennstoffzellenvorrichtung 1. Für Elemente, die in Funktion und/oder Aufbau Elementen des Ausführungsbeispiels der bisherigen Figuren entsprechen, sind dieselben Bezugszeichen verwendet. Der Kürze halber ist im Folgenden lediglich auf die Unterschiede zu den Ausführungsbeispielen der 1 und 2 eingegangen.
3 zeigt das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug 20 mit der Brennstoffzellenvorrichtung 1, die Antriebsenergie übertragend mit einem Antriebssystem des Kraftfahrzeuges 20 verbunden ist.
Bezugszeichenliste

1: Brennstoffzellenvorrichtung
2: Brennstoffzelle
3: Kathodengaspfad
4: Kathodengaszuflusspfad
5: Kathodengasabflusspfad
6: Anodengaspfad
7: Kathodengasverdichter
8: Wärmeübertragungseinrichtung
8': Wärmepumpe
9: Umleitungspfad
10: Ventil
11: Ladeluftkühlung
12: Temperiereinrichtung
13: Befeuchtungseinrichtung
14: Turbine
15: Temperiermittelkreislauf
16: Temperiermittelpumpe
17: Heizeinrichtung
18: Kühler
19: Überbrückungspfad
20: Kraftfahrzeug
A: Abflussrichtung
Z: Zuflussrichtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 19701560 A1 [0002]
DE 112009005151 T5 [0002]
US 2006/0099469 A1 [0002]
WO 2008/000001 A1 [0002]

Claims

Brennstoffzellenvorrichtung (1) mit einer eine Anode und eine Kathode aufweisenden Brennstoffzelle (2), einem einen Kathodengaszuflusspfad (4) und einen Kathodengasabflusspfad (5) aufweisenden Kathodengaspfad (3), und einer Befeuchtungseinrichtung (13), die den Kathodengasabflusspfad (5) Feuchtigkeit übertragend mit dem Kathodengaszuflusspfad (4) verbindet, gekennzeichnet durch eine Wärmeübertragungseinrichtung (8), die den Kathodengasabflusspfad (5) Wärme übertragend mit dem Kathodengaszuflusspfad (4) verbindet, wobei die Wärmeübertragungseinrichtung (8) und die Befeuchtungseinrichtung (13) entlang des Kathodengaszuflusspfades (4) nacheinander angeordnet sind.
Brennstoffzellenvorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Wärmeübertragungseinrichtung (8) das gesamte durch den Kathodengaszuflusspfad (4) im Betrieb strömende Kathodengas leitbar ist.
Brennstoffzellenvorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeübertragungseinrichtung (8) in einer Zuflussrichtung (Z) des Kathodengases stromaufwärts der Befeuchtungseinrichtung (13) im Kathodengaszuflusspfad (4) angeordnet ist.
Brennstoffzellenvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeübertragungseinrichtung (8) zwischen einem Kathodengasverdichter (7) und der Befeuchtungseinrichtung (13) im Kathodengaszuflusspfad (4) angeordnet ist.
Brennstoffzellenvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Kathodengaspfad (3) einen Umleitungspfad (9) aufweist, mit dem das Kathodengas zumindest teilweise an der Wärmeübertragungseinrichtung (8) vorbeileitbar ist.
Brennstoffzellenvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeübertragungseinrichtung (8) eine Wärmepumpe (8') aufweist.
Brennstoffzellenvorrichtung (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kondensator der Wärmepumpe (8') vom Kathodengasabflusspfad (5) und ein Verdampfer der Wärmepumpe (8') vom Kathodengaszuflusspfad (4) durchsetzt sind.
Brennstoffzellenvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass im Kathodengasabflusspfad (5) der Wärmeübertragungseinrichtung (8) in einer Abflussrichtung (A) eine Turbine (14) nachgeschaltet ist.
Brennstoffzellenvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch einen Ladeluftkühler (11), der zwischen der Wärmeübertragungseinrichtung (8) und der Befeuchtungseinrichtung (13) im Kathodengaszuflusspfad (4) angeordnet ist.
Kraftfahrzeug (20) mit einem Antriebssystem und einer Brennstoffzellenvorrichtung (1), die Antriebsenergie übertragend mit dem Antriebssystem verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Brennstoffzellenvorrichtung (1) eine Brennstoffzellenvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 ist.