DE102015218751A1 - Heat-moisture transmission device for fuel cell, and fuel cell system and vehicle with such - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Wärme-Feuchte-Übertragungseinrichtung (100) für eine Brennstoffzelle (10) eines Brennstoffzellensystems (1) eines Fahrzeugs, insbesondere eines Elektrofahrzeugs, wobei die Wärme-Feuchte-Übertragungseinrichtung (100) zur Übertragung von Wärme einen hochtemperaturbeständigen sowie zur Übertragung von Wasser einen wasserdampfpermeablen Wärme-Feuchte-Überträger (110) aufweist. Ferner betrifft die Erfindung ein Brennstoffzellensystem (1) für ein Fahrzeug, insbesondere ein Elektrofahrzeug, oder ein Fahrzeug, insbesondere ein Elektrofahrzeug, wobei das Brennstoffzellensystem (1) oder das Fahrzeug eine erfindungsgemäße Wärme-Feuchte-Übertragungseinrichtung (100) aufweist.The invention relates to a heat-moisture transmission device (100) for a fuel cell (10) of a fuel cell system (1) of a vehicle, in particular an electric vehicle, wherein the heat-moisture transmission device (100) for transmitting heat, a high temperature resistant and for the transmission of Water has a water vapor permeable heat-moisture transmitter (110). Furthermore, the invention relates to a fuel cell system (1) for a vehicle, in particular an electric vehicle, or a vehicle, in particular an electric vehicle, wherein the fuel cell system (1) or the vehicle has a heat-moisture transmission device (100) according to the invention.

Description

Die Erfindung betrifft eine Wärme-Feuchte-Übertragungseinrichtung für eine Brennstoffzelle eines Brennstoffzellensystems. Ferner betrifft die Erfindung ein Brennstoffzellensystem sowie ein Fahrzeug, insbesondere ein Elektrofahrzeug, mit einer solchen Übertragungseinrichtung. The invention relates to a heat-moisture transmission device for a fuel cell of a fuel cell system. Furthermore, the invention relates to a fuel cell system and a vehicle, in particular an electric vehicle, with such a transmission device.

Eine Brennstoffzelle nutzt eine chemische Umsetzung eines Brennstoffs mit Sauerstoff zu Wasser zur Erzeugung elektrischer Energie. Hierfür enthält die Brennstoffzelle als eine Kernkomponente wenigstens eine sogenannte Membran-Elektroden-Einheit (englisch MEA für Membrane Electrode Assembly), welche ein Gefüge aus einer ionenleitenden, oft protonenleitenden, Membran und beidseitig an der Membran angeordneten Elektroden, einer Anodenelektrode und einer Kathodenelektrode, ist. Zudem können Gasdiffusionslagen (GDL) beidseitig der Membran-Elektroden-Einheit an den der Membran abgewandten Seiten der Elektroden angeordnet sein. A fuel cell uses a chemical reaction of a fuel with oxygen to water to generate electrical energy. For this purpose, the fuel cell contains as a core component at least one so-called membrane electrode assembly (MEA for Membrane Electrode Assembly), which is a structure of an ion-conducting, often proton-conducting, membrane and on both sides of the membrane arranged electrodes, 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 genannt, angeordnet, welche eine Versorgung der Membran-Elektroden-Einheiten, also einer Versorgung der Einzelzellen der Brennstoffzelle, mit den Betriebsmedien, den sogenannten Reaktanten, sicherstellen und üblicherweise auch einer Kühlung dienen. Zudem sorgen die Bipolarplatten für einen elektrisch leitfähigen Kontakt zu den 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 flow field plates, are usually arranged between the individual membrane-electrode units, which ensure supply of the membrane-electrode units, ie a supply of the individual cells of the fuel cell, with the operating media, the so-called reactants, and usually also a cooling serve. In addition, the bipolar plates provide an electrically conductive contact to the membrane-electrode assemblies.

In einem Betrieb der Einzelzellen der Brennstoffzelle wird der Brennstoff, ein sogenanntes Anoden-Betriebsmedium, insbesondere Wasserstoff (H2) oder ein wasserstoffhaltiges Gasgemisch, über ein anodenseitig offenes Flussfeld den Bipolarplatten der Anodenelektroden zugeführt, wo eine elektrochemische Oxidation von H2 zu H+ unter einer Abgabe von Elektronen (e–) stattfindet (H2 → 2H+ + 2e–). Durch die Membranen beziehungsweise Elektrolyten der Membran-Elektroden-Einheiten hindurch, welche die Reaktionsräume gasdicht voneinander trennt und elektrisch isoliert, erfolgt ein wassergebundener oder wasserfreier Transport von Protonen (H+) von den Anodenelektroden (Anode der Brennstoffzelle) in den Anodenräumen der Einzelzellen zu den Kathodenelektroden (Katode der Brennstoffzelle) in den Kathodenräumen der Einzelzellen. Die an der Anode bereitgestellten Elektronen werden über eine elektrische Leitung und einen elektrischen Verbraucher (Elektromotor) der Kathode zugeleitet. In an operation of the single cells of the fuel cell, the fuel, a so-called anode operating medium, in particular hydrogen (H 2 ) or a hydrogen-containing gas mixture, fed via an anode-side open flow field bipolar plates of the anode electrodes, where an electrochemical oxidation of H 2 to H + under a release of electrons (e - ) takes place (H 2 → 2H + + 2e - ). Through the membranes or electrolytes of the membrane-electrode units, which gas-tightly separates the reaction spaces from each other and electrically isolated, there is a water-bound or anhydrous transport of protons (H + ) from the anode electrodes (anode of the fuel cell) in the anode chambers of the individual cells to the Cathode electrodes (cathode of the fuel cell) in the cathode compartments of the single cells. The electrons provided at the anode are fed via an electrical line and an electrical load (electric motor) of the cathode.

Den Kathodenelektroden wird über ein kathodenseitig offenes Flussfeld der Bipolarplatten, ein sogenanntes Kathoden-Betriebsmedium, insbesondere Sauerstoff (O2) oder ein sauerstoffhaltiges Gasgemisch, zum Beispiel Luft, zugeführt, sodass eine Reduktion von O2 zu O2– unter einer Aufnahme von Elektronen stattfindet (1/2O2 + 2e– → O2–). Gleichzeitig reagieren an den Kathodenelektroden gebildete Sauerstoffanionen (O2–) mit den durch die Membranen beziehungsweise Elektrolyten hindurch transportierten Protonen unter einer Bildung von Wasser (2H+ + O2– → H2O). The cathode electrodes are supplied via a cathode field open flow field of the bipolar plates, a so-called cathode operating medium, in particular oxygen (O 2 ) or an oxygen-containing gas mixture, for example air, so that a reduction of O 2 to O 2- takes place under a recording of electrons (1 / 2O 2 + 2e - → O 2- ). At the same time, oxygen anions (O 2- ) formed on the cathode electrodes react with the protons transported through the membranes or electrolytes to form water (2H + + O 2- > H 2 O).

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

Das Brennstoffzellensystem besitzt für eine Befeuchtung eines trockenen Kathoden-Betriebsmediums (Zuluft) an die Brennstoffzelle einen Befeuchter, welcher einen Teil einer Feuchte in einem aus der Brennstoffzelle stammenden Kathoden-Abgas (Abluft) an das Kathoden-Betriebsmedium überträgt, um eine Leistungsdichte und eine Lebensdauer der Brennstoffzelle in einem Betrieb der Brennstoffzelle bei hohen Temperaturen zu steigern. Ferner wird zur Steigerung der Leistungsdichte das trockene Kathoden-Betriebsmedium auf ca. 3 bar Druck absolut komprimiert, was eine Temperatur des Kathoden-Betriebsmediums auf etwa 200°C steigen lässt. The fuel cell system has a humidifier for humidifying a dry cathode operating medium (supply air) to the fuel cell, which transfers a part of a humidity in a cathode exhaust gas (exhaust air) from the fuel cell to the cathode operating medium to have a power density and a life increase the fuel cell in an operation of the fuel cell at high temperatures. Further, to increase the power density, the dry cathode operating medium is absolutely compressed to about 3 bar pressure, causing a temperature of the cathode operating medium to rise to about 200 ° C.

Für eine Befeuchtung des komprimierten, heißen und trockenen Kathoden-Betriebsmediums mittels des Befeuchters muss das Kathoden-Betriebsmedium gekühlt werden, da die für eine Feuchtigkeitsübertragung im Befeuchter eingesetzten Polymer-Membranen nur bis zu einer Temperatur von etwa 100°C einsetzbar sind. Das hat einen Einsatz eines Ladeluftkühlers zur Folge, wobei eine im Ladeluftkühler aufgenommene Wärme eines durch den Ladeluftkühler hindurchströmenden Kühlmittels über eine Kühleinrichtung des Brennstoffzellensystems an die Umgebung abgegeben werden muss. Hierdurch ergibt sich ein vergleichsweise großer Vorderwagen-Kühler zum Abführen dieser und anderer Wärmemengen, welche das Brennstoffzellensystem produziert. For moistening the compressed, hot and dry cathode operating medium by means of the humidifier, the cathode operating medium must be cooled, since the polymer membranes used for a moisture transfer in the humidifier can only be used up to a temperature of about 100 ° C. This results in the use of a charge air cooler, wherein a heat absorbed in the intercooler heat of a flowing through the intercooler coolant must be discharged through a cooling device of the fuel cell system to the environment. This results in a comparatively large front-end radiator for discharging these and other amounts of heat which the fuel cell system produces.

Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine über eine Kühleinrichtung eines Brennstoffzellensystems abzutransportierende Wärmemenge zu verringern, damit einerseits weniger Aufwand getrieben werden muss, diese Wärmemenge abzutransportieren und andererseits ein Wirkungsgrad des Brennstoffzellensystems erhöht wird. Insbesondere soll in Ausführungsbeispielen der Erfindung auf einen Ladeluftkühler und dessen Schnittstellen im Brennstoffzellensystem verzichtet werden können. Dies soll mit einfachen und kostengünstigen Mitteln durchführbar sein. It is an object of the invention to reduce a heat to be removed via a cooling device of a fuel cell system, so that on the one hand less effort must be driven to remove this amount of heat and on the other hand, an efficiency of the fuel cell system is increased. In particular, should be dispensed with in embodiments of the invention to a charge air cooler and its interfaces in the fuel cell system. This should be feasible with simple and inexpensive means.

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

Die erfindungsgemäße Wärme-Feuchte-Übertragungseinrichtung weist zur Übertragung von Wärme einen hochtemperaturbeständigen sowie/und zur Übertragung von Wasser einen wasserdampfpermeablen Wärme-Feuchte-Überträger auf. Hierbei ist der Wärme-Feuchte-Überträger als ein integrierter Wärme-Feuchte-Überträger konzipiert, das heißt mittels des Wärme-Feuchte-Überträgers ist sowohl Wärme als auch Feuchte übertragbar. Dies betrifft natürlich auch die übergeordnete Wärme-Feuchte-Übertragungseinrichtung selbst. The heat-moisture transmission device according to the invention has a high-temperature-resistant and / or water-vapor permeable heat-moisture transmitter for the transmission of heat. Here, the heat-moisture transmitter is designed as an integrated heat-moisture transmitter, that is, by means of the heat-moisture transmitter is both heat and moisture transferable. Of course, this also applies to the higher-level heat-moisture transmission device itself.

Der eigentliche Wärme-Feuchte-Überträger selbst weist zur Übertragung von Wärme ein hochtemperaturbeständiges Material und zur Übertragung von Wasser ein wasserdampfpermeables Material auf, wobei die beiden Materialien bevorzugt identisch sind. Es sind jedoch auch unterschiedliche Materialien anwendbar, wobei dann das eine Material im Wesentlichen für einen Wärmeübertrag und das andere Material im Wesentlichen für einen Feuchteübertrag verantwortlich ist. The actual heat-moisture transmitter itself has a high temperature resistant material for the transfer of heat and a water vapor permeable material for the transfer of water, wherein the two materials are preferably identical. However, it is also different materials applicable, in which case the one material is essentially responsible for a heat transfer and the other material substantially for a moisture transfer.

Im Stand der Technik werden Feuchte-Übertragungseinrichtungen (Befeuchter) lediglich mit niedertemperaturbeständigen Feuchte-Überträgern ausgestattet, welche Wärme vergleichsweise schlecht leiten. Gemäß der Erfindung wird ein Material für einen Wärme-Feuchte-Überträger angewendet, das sowohl Wärme wenigstens vergleichsweise gut leitet als auch fähig ist, Feuchte auszutauschen. In the prior art, moisture transmission devices (humidifiers) are only equipped with low-temperature-resistant moisture transducers, which conduct heat comparatively poorly. According to the invention, a material for a heat-moisture transmitter is used, which conducts both heat at least comparatively well and is able to exchange moisture.

Das kann zum Beispiel heißen, dass durch den Wärme-Feuchte-Überträger Wärme wenigstens derart übertragbar ist, dass eine stromabwärts nachgeschaltete Feuchte-Übertragungseinrichtung, z. B. eine Feuchte-Übertragungseinrichtung aus dem Stand der Technik, in Bezug auf eine Temperatur nicht zu stark belastet wird. Das kann zum Beispiel ferner heißen, dass durch den Wärme-Feuchte-Überträger Wärme wenigstens derart übertragbar ist, dass stromabwärts des Wärme-Feuchte-Überträgers eine erwünschte Temperatur vorliegt, die bevorzugt kleiner als 110°C ist (ohne Ladeluftkühler). This may mean, for example, that heat can be transmitted by the heat-moisture transmitter at least in such a way that a downstream downstream moisture transmission device, for. B. a moisture transmission device of the prior art, is not loaded too heavily in relation to a temperature. This can also mean, for example, that heat is at least transferable by the heat-moisture transmitter so that a desired temperature is present downstream of the heat-moisture transmitter, which is preferably less than 110 ° C (without intercooler).

Bevorzugt weist der Wärme-Feuchte-Überträger eine Mehrzahl von hochtemperaturbeständigen und wasserdampfpermeablen Membranen auf, welche beispielsweise als Polymer-Membranen ausgebildet sein können und welche beispielsweise flächig oder in Form von Hohlfasern ausgebildet sind. Unter einem hochtemperaturbeständigen Wärme-Feuchte-Überträger soll dabei ein Wärme-Feuchte-Überträger verstanden sein, welcher Temperaturen von bis über 200°C widerstehen kann. Insbesondere soll unter einem hochtemperaturbeständigen Wärme-Feuchte-Überträger ein Wärme-Feuchte-Überträger verstanden sein, dessen Material Temperaturen von ca.: 120°C, 130°C, 140°C, 150°C, 160°C, 170°C, 180°C, 190°C, 200°C, 210°C, 220°C, 230°C, 240°C oder 250°C jeweils ±2,5–5°C dauerhaft widersteht. Preferably, the heat-moisture transmitter on a plurality of high-temperature resistant and water vapor permeable membranes, which may be formed, for example, as a polymer membranes and which are formed, for example, flat or in the form of hollow fibers. Under a high-temperature-resistant heat-moisture transmitter is to be understood a heat-humidity transmitter, which can withstand temperatures of up to over 200 ° C. In particular, should be understood by a high-temperature resistant heat-moisture transmitter, a heat-moisture transmitter whose material temperatures of about: 120 ° C, 130 ° C, 140 ° C, 150 ° C, 160 ° C, 170 ° C, 180 ° C, 190 ° C, 200 ° C, 210 ° C, 220 ° C, 230 ° C, 240 ° C or 250 ° C each permanently resistant to ± 2.5-5 ° C.

Gemäß der Erfindung ergibt sich ein geringerer Komponentenaufwand, da auf einen Ladeluftkühler (Kühlmittel-Ladeluft-Wärme-Übertragungseinrichtung) und dessen Schnittstellen im Brennstoffzellensystem verzichtet werden kann. Natürlich ist es trotzdem möglich, einen gegebenenfalls kleineren Ladeluftkühler anzuwenden. Eine Wärme, welche bei einem Komprimieren eines zuzuführenden Betriebsmediums entsteht ist gemäß der Erfindung über ein Abgas an die Umgebung abführbar. Hierdurch kann eine Kühleinrichtung kleiner ausgelegt sein. Ferner kann eine Turbine in einem Abgaspfad aufgrund des wärmeren Abgases effektiver genutzt werden, wodurch ein Teil einer elektrischen Antriebsleistung eines mit der Turbine gekoppelten Verdichters einsparbar ist, was zu einem höheren Wirkungsgrad des Brennstoffzellensystems führt. According to the invention results in a lower component complexity, since it can be dispensed with a charge air cooler (coolant charge air heat transfer device) and its interfaces in the fuel cell system. Of course, it is still possible to use an optionally smaller intercooler. A heat which arises when compressing a supplied operating medium is discharged according to the invention via an exhaust gas to the environment. As a result, a cooling device can be made smaller. Further, a turbine in an exhaust path due to the warmer exhaust gas can be used more effectively, whereby a part of an electric drive power of a compressor coupled to the turbine can be saved, resulting in a higher efficiency of the fuel cell system.

Der Wärme-Feuchte-Überträger ist vorzugsweise geeignet und eigerichtet, in einem selben Bereich des Wärme-Feuchte-Überträgers einen gleichzeitigen Transport von Wärme und Wasser durchzuführen. Hierbei kann insbesondere ein Betriebsmedium an die Brennstoffzelle und ein Abgas von der Brennstoffzelle untereinander im selben Bereich des Wärme-Feuchte-Überträgers gleichzeitig sowohl Wärme als auch Wasser austauschen. Unter einem selben Bereich des Wärme-Feuchte-Überträgers soll in Bezug auf die Dimensionen des Wärme-Feuchte-Überträgers ein vergleichsweise kleiner bis sehr kleiner Volumenbereich verstanden sein, der beispielsweise mesoskopisch bis mikroskopisch sein kann, wobei zur Auflösung eines mikroskopischen Volumenbereichs ein Lichtmikroskop ausreichend sein kann. The heat-moisture transmitter is preferably suitable and eigerichtet to carry out in a same region of the heat-moisture transmitter, a simultaneous transport of heat and water. Here, in particular, a working medium to the fuel cell and an exhaust gas from the fuel cell to each other in the same area of the heat-moisture transmitter simultaneously exchange both heat and water. A same range of the heat-moisture transmitter is to be understood in relation to the dimensions of the heat-moisture transmitter, a comparatively small to very small volume range, which may be mesoscopic to microscopic, for example, wherein the resolution of a microscopic Volume range of a light microscope may be sufficient.

In Ausführungsbeispielen ist mittels des Wärme-Feuchte-Überträgers eine Wärme von einem vergleichsweise heißen und vergleichsweise trockenen Betriebsmedium an ein vergleichsweise kaltes und vergleichsweise feuchtes Abgas übertragbar. Ferner ist dabei mittels des Wärme-Feuchte-Überträgers Wasser von dem vergleichsweise kalten und vergleichsweise feuchten Abgas an das vergleichsweise heiße und vergleichsweise trockene Betriebsmedium übertragbar. Dies findet bevorzugt in einer Kathodenversorgung für die Brennstoffzelle statt. Hierbei ist das Betriebsmedium bevorzugt eine Zuluft zur Brennstoffzelle und das Abgas bevorzugt eine Abluft von der Brennstoffzelle. Es ist natürlich möglich, dies auf eine Anodenversorgung der Brennstoffzelle anzuwenden. Auch ein Vorsehen der Wärme-Feuchte-Übertragungseinrichtung zwischen der Kathodenversorgung und der Anodenversorgung ist möglich. In embodiments, by means of the heat-moisture transmitter, heat from a comparatively hot and relatively dry operating medium to a comparatively cold and relatively humid exhaust gas can be transmitted. Furthermore, by means of the heat-moisture transmitter, water can be transferred from the comparatively cold and comparatively moist exhaust gas to the comparatively hot and comparatively dry operating medium. This preferably takes place in a cathode supply for the fuel cell. Here, the operating medium is preferably a supply air to the fuel cell and the exhaust preferably a waste air from the fuel cell. It is of course possible to apply this to an anode supply of the fuel cell. It is also possible to provide the heat-moisture transmission device between the cathode supply and the anode supply.

An einer Seite des Wärme-Feuchte-Überträgers ist vergleichsweise heißes und vergleichsweise trockenes Betriebsmedium in den Wärme-Feuchte-Überträger einströmbar, wobei an einer anderen Seite des Wärme-Feuchte-Überträgers vergleichsweise kühles und vergleichsweise feuchtes Betriebsmedium aus dem Wärme-Feuchte-Überträger ausströmbar ist. Ferner ist an einem Ende des Wärme-Feuchte-Überträgers vergleichsweise kaltes und vergleichsweise feuchtes Abgas in der Wärme-Feuchte-Übertragungseinrichtung einströmbar, wobei an einem anderen Ende des Wärme-Feuchte-Überträgers vergleichsweise warmes und vergleichsweise feuchtes Abgas aus dem Wärme-Feuchte-Überträger ausströmbar ist. Dies gilt natürlich analog für die Wärme-Feuchte-Übertragungseinrichtung. On one side of the heat-moisture transmitter comparatively hot and relatively dry operating medium in the heat-moisture transmitter can be flowed, wherein on another side of the heat-moisture transmitter comparatively cool and relatively humid operating medium from the heat-moisture transmitter flowed out is. Furthermore, at one end of the heat-moisture transmitter comparatively cold and relatively humid exhaust gas in the heat-moisture transmission device can be flowed, wherein at another end of the heat-moisture transmitter relatively warm and relatively humid exhaust gas from the heat-moisture transmitter can be flowed out. Of course, this applies analogously to the heat-moisture transmission device.

In Ausführungsbeispielen der Erfindung ist die Wärme-Feuchte-Übertragungseinrichtung derart ausgebildet, dass ein Gleichstrom, ein Gegenstrom oder ein Kreuzstrom zwischen dem Betriebsmedium und dem Abgas einrichtbar ist. Mischformen davon sind für die Wärme-Feuchte-Übertragungseinrichtung natürlich anwendbar. Hierbei kann für einen Betrieb der Brennstoffzelle das Betriebsmedium und/oder das Abgas horizontal, vertikal oder sowohl horizontal als auch vertikal durch den Wärme-Feuchte-Überträger hindurchströmbar vorgesehen sein. In embodiments of the invention, the heat-moisture transmission device is designed such that a direct current, a countercurrent or a cross flow between the operating medium and the exhaust gas can be established. Mixed forms thereof are naturally applicable to the heat-moisture transmission device. In this case, for operation of the fuel cell, the operating medium and / or the exhaust gas can be provided horizontally, vertically or horizontally as well as vertically through the heat-moisture transmitter.

In Ausführungsbeispielen weist die Wärme-Feuchte-Übertragungseinrichtung oder der Wärme-Feuchte-Überträger einen Hochtemperatur-Wärme-Feuchte-Überträger und einen damit fluidmechanisch in Reihe geschalteten Niedertemperatur-Wärme-Feuchte-Überträger auf. Nachfolgend – auch in der Figurenbeschreibung, aber abgesehen von den Patentansprüchen – steht ‚HT’ für ‚Hochtemperatur’ und ‚NT’ für ‚Niedertemperatur’. Der HT-Wärme-Feuchte-Überträger weist zur Übertragung von Wärme und Wasser ein hochtemperaturbeständiges sowie wasserdampfpermeables Material auf. Hierbei sind oben genannte Temperaturen anwendbar. Ferner weist der NT-Wärme-Feuchte-Überträger zur Übertragung von Wärme und Wasser ein niedertemperaturbeständiges sowie wasserdampfpermeables Material auf. In exemplary embodiments, the heat-moisture transmission device or the heat-moisture transmitter has a high-temperature heat-moisture transmitter and a fluid-mechanically connected in series low-temperature heat-humidity transmitter. Hereinafter - also in the description of the figures, but apart from the claims - 'HT' stands for 'high temperature' and 'NT' for 'low temperature'. The HT heat-moisture transmitter has a high temperature resistant and water vapor permeable material for the transmission of heat and water. Here, the above temperatures are applicable. Furthermore, the NT heat-moisture transmitter for transmitting heat and water on a low-temperature resistant and water vapor permeable material.

Unter einem NT-Wärme-Feuchte-Überträger soll dabei ein Wärme-Feuchte-Überträger verstanden sein, welcher Temperaturen von bis über 130°C widerstehen kann. Insbesondere soll unter einem NT-Wärme-Feuchte-Überträger ein Wärme-Feuchte-Überträger verstanden sein, dessen Material, Temperaturen von ca.: 70°C, 80°C, 90°C, 100°C, 110°C, 120°C oder 130°C jeweils ±2,5–5°C dauerhaft widersteht. Under a NT heat-moisture transmitter is to be understood a heat-humidity transmitter, which can withstand temperatures of up to 130 ° C. In particular, should be understood by a NT-heat-moisture-carrier a heat-moisture transmitter whose material, temperatures of about: 70 ° C, 80 ° C, 90 ° C, 100 ° C, 110 ° C, 120 ° C or 130 ° C each permanently resistant to ± 2.5-5 ° C.

Ein Vorteil einer Kombination eines HT-Wärme-Feuchte-Überträgers mit einem NT-Wärme-Feuchte-Überträger ist, dass der HT-Wärme-Feuchte-Überträger Wärme oft vergleichsweise gut überträgt und der NT-Wärme-Feuchte-Überträger Feuchte oft vergleichsweise gut überträgt. Ferner kann der NT-Wärme-Feuchte-Überträger kleiner als im Stand der Technik ausgelegt sein, da der HT-Wärme-Feuchte-Überträger bereits einen Anteil an Feuchte übertragen kann. In Ausführungsbeispielen ist es möglich, den NT-Wärme-Feuchte-Überträger als einen herkömmlichen Befeuchter auszubilden. Ferner ist es in Ausführungsbeispielen möglich, den HT-Wärme-Feuchte-Überträger separat vom NT-Wärme-Feuchte-Überträger vorzusehen, wobei die beiden Wärme-Feuchte-Überträger zum Beispiel mittels Leitungen fluidmechanisch miteinander gekoppelt sind. An advantage of combining a HT heat-moisture transmitter with a NT heat-moisture transmitter is that the HT heat-moisture transmitter often transfers heat comparatively well and the NT heat-moisture transmitter moisture often comparatively good transfers. Furthermore, the NT heat-moisture transmitter can be designed smaller than in the prior art, since the HT heat-moisture transmitter can already transmit a proportion of moisture. In embodiments, it is possible to form the NT heat-moisture transmitter as a conventional humidifier. Furthermore, it is possible in embodiments to provide the HT heat-moisture transmitter separately from the NT heat-moisture transmitter, wherein the two heat-moisture transmitter are coupled fluid-mechanically, for example by means of lines.

Eine Wärmeleitfähigkeit des HT-Wärme-Feuchte-Überträgers oder eine Temperaturleitfähigkeit (instationär) der Wärme-Feuchte-Übertragungseinrichtung im Bereich des HT-Wärme-Feuchte-Überträgers ist in Ausführungsbeispielen derart gewählt, dass der NT-Wärme-Feuchte-Überträger sicher betreibbar ist. Hierbei ist natürlich obig Gesagtes wiederum anwendbar. In Ausführungsbeispielen weist der HT-Wärme-Feuchte-Überträger ein größeres Volumen auf und/oder ist länger ausgebildet, als der NT-Wärme-Feuchte-Überträger. A thermal conductivity of the HT heat-moisture transmitter or a thermal conductivity (transient) of the heat-moisture transmission device in the region of the HT heat-moisture transmitter is selected in embodiments such that the NT heat-moisture transmitter is safe to operate , Of course, what has been said above is applicable again. In embodiments, the HT heat-moisture transmitter has a larger volume and / or is formed longer than the NT heat-moisture transmitter.

In Ausführungsbeispielen ist zwischen dem HT-Wärme-Feuchte-Überträger und dem NT-Wärme-Feuchte-Überträger ein Bypassanschluss für eine Entnahme des Betriebsmediums eingerichtet. Hierbei kann der Bypassanschluss an einer Bypasskammer in einem Gehäuse der Wärme-Feuchte-Übertragungseinrichtung eingerichtet sein, in welchem bevorzugt sowohl der HT-Wärme-Feuchte-Überträger als auch der Niedertemperatur-Wärme-Feuchte-Überträger untergebracht sind. In einem Ausführungsbeispiel ist die Bypasskammer als ein Hohlraum im Gehäuse der Wärme-Feuchte-Übertragungseinrichtung eingerichtet. In embodiments, a bypass connection for removal of the operating medium is set up between the HT heat-moisture transmitter and the NT heat-moisture transmitter. In this case, the bypass connection may be arranged on a bypass chamber in a housing of the heat-moisture transmission device, in which preferably both the HT heat-moisture transmitter and the low-temperature heat-moisture transmitter are housed. In one Embodiment, the bypass chamber is set up as a cavity in the housing of the heat-moisture transmission device.

Gemäß der Erfindung kann die Bypasskammer ferner zu einem Homogenisieren des weiterhin zu befeuchtenden und gegebenenfalls weiterhin abzukühlenden Betriebsmediums dienen. In Ausführungsbeispielen ist das Gehäuse der Wärme-Feuchte-Übertragungseinrichtung lediglich das Gehäuse des HT-Wärme-Feuchte-Überträgers. Ebenso ist die Bypasskammer auch in ein Gehäuse des NT-Wärme-Feuchte-Überträgers implementierbar. Ferner ist in Ausführungsbeispielen das Gehäuse, gegebenenfalls abgesehen von wenigstens einem Deckel und/oder wenigstens einem Anschluss einteilig, einstückig, stofflich einstückig, adhäsiv einstückig oder integral ausgebildet. According to the invention, the bypass chamber can also serve to homogenize the operating medium to be further moistened and, if appropriate, to be further cooled. In embodiments, the housing of the heat-moisture transmission device is only the housing of the HT heat-moisture transmitter. Likewise, the bypass chamber can also be implemented in a housing of the NT heat-moisture transmitter. Further, in embodiments, the housing, optionally apart from at least one cover and / or at least one terminal in one piece, integrally, materially integral, adhesive integrally or integrally formed.

In Ausführungsbeispielen weist die Wärme-Feuchte-Übertragungseinrichtung, der Wärme-Feuchte-Überträger, der HT-Wärme-Feuchte-Überträger und/oder der NT-Wärme-Feuchte-Überträger wenigstens einen Kühlmittelkanal auf. In Ausführungsbeispielen mit Kühlmittelkanälen ist die Wärme-Feuchte-Übertragungseinrichtung partiell als ein Ladeluftkühler ausgebildet. Hierdurch kann wiederum auf einen separaten Ladeluftkühler verzichtet werden. Das heißt auch, dass unter einem Kühler eine Entität verstanden wird, welche von einem zirkulierenden Kühlmittel, wie Wasser, einem Wasser-Alkohol-Gemisch oder einem Wasser-Ethylenglykol-Gemisch, durchströmbar ist. In exemplary embodiments, the heat-moisture transmission device, the heat-moisture transmitter, the HT heat-moisture transmitter and / or the NT heat-moisture transmitter has at least one coolant channel. In embodiments with coolant channels, the heat-moisture transmission device is partially designed as a charge air cooler. This in turn makes it possible to dispense with a separate intercooler. This also means that a cooler is understood to mean an entity which can be flowed through by a circulating coolant, such as water, a water-alcohol mixture or a water-ethylene glycol mixture.

In Ausführungsbeispielen weist die Wärme-Feuchte-Übertragungseinrichtung, der Wärme-Feuchte-Überträger, der HT-Wärme-Feuchte-Überträger und/oder der NT-Wärme-Feuchte-Überträger wenigstens ein Heizelement auf. In Ausführungsbeispielen mit Heizelementen kann eine Vereisung beseitigt beziehungsweise einer Vereisung vorgebeugt werden. Ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem oder ein erfindungsgemäßes Fahrzeug weisen eine erfindungsgemäße Wärme-Feuchte-Übertragungseinrichtung auf. In exemplary embodiments, the heat-moisture transmission device, the heat-moisture transmitter, the HT heat-moisture transmitter and / or the NT heat-moisture transmitter has at least one heating element. In embodiments with heating elements, icing can be eliminated or icing prevented. An inventive fuel cell system or a vehicle according to the invention have a heat-moisture transmission device according to the invention.

Die Erfindung ist im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügte schematische Zeichnung näher erläutert. Elemente, Bauteile oder Komponenten, welche eine identische, univoke oder analoge Ausbildung und/oder Funktion besitzen, sind in der Figurenbeschreibung, der Bezugszeichenliste und den Patentansprüchen mit denselben Bezugszeichen versehen und/oder in den Figuren der Zeichnung mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet. Mögliche, in der Beschreibung nicht erläuterte, in der Zeichnung nicht dargestellte und/oder nicht abschließende Alternativen, statische und/oder kinematische Umkehrungen, Kombinationen et cetera zu den erläuterten Ausführungsbeispielen der Erfindung beziehungsweise einzelnen Baugruppen, Teilen oder Abschnitten davon, können der Bezugszeichenliste entnommen werden. The invention is explained in more detail below with reference to exemplary embodiments with reference to the accompanying schematic drawing. Elements, components or components which have an identical, univocal or analogous design and / or function are provided with the same reference symbols in the description of the figures, the list of reference numerals and the claims and / or are identified by the same reference symbols in the figures of the drawing. Possible, not explained in the description, not shown in the drawing and / or non-exhaustive alternatives, static and / or kinematic reversals, combinations et cetera to the illustrated embodiments of the invention or individual modules, parts or portions thereof, the list of reference numerals can be found ,

Sämtliche erläuterten Merkmale, auch die der Bezugszeichenliste, sind nicht nur in der angegebenen Kombination beziehungsweise den angegebenen Kombinationen, sondern auch in einer anderen Kombination beziehungsweise anderen Kombinationen oder in Alleinstellung anwendbar. Insbesondere ist es möglich, anhand der Bezugszeichen und den diesen zugeordneten Merkmalen in der Beschreibung der Erfindung, der Figurenbeschreibung und/oder der Bezugszeichenliste, ein Merkmal oder eine Mehrzahl von Merkmalen in der Beschreibung der Erfindung und/oder der Figurenbeschreibung zu ersetzen. Ferner kann dadurch ein Merkmal oder können eine Mehrzahl von Merkmalen in den Patentansprüchen ausgelegt, näher spezifiziert und/oder substituiert werden. In den Figuren der Zeichnung zeigen: All explained features, including those of the list of reference numerals, are applicable not only in the specified combination or the specified combinations, but also in a different combination or other combinations or in isolation. In particular, it is possible on the basis of the reference symbols and their associated features in the description of the invention, the description of the figures and / or the list of reference numerals, to replace a feature or a plurality of features in the description of the invention and / or the description of the figures. Furthermore, a feature or a plurality of features in the patent claims can thereby be designed, specified and / or substituted. In the figures of the drawing show:

1 ein vereinfachtes Blockschaltbild einer bevorzugten Ausführungsform eines Brennstoffzellensystems gemäß der Erfindung; 1 a simplified block diagram of a preferred embodiment of a fuel cell system according to the invention;

2 eine schematische Abbildung einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Wärme-Feuchte-Übertragungseinrichtung; 2 a schematic illustration of a first embodiment of a heat-moisture transmission device according to the invention;

3 eine schematische Abbildung einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Wärme-Feuchte-Übertragungseinrichtung; 3 a schematic illustration of a second embodiment of the heat-moisture transmission device according to the invention;

4 eine schematische Abbildung einer dritten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Wärme-Feuchte-Übertragungseinrichtung; und 4 a schematic illustration of a third embodiment of the heat-moisture transmission device according to the invention; and

5 ein vereinfachtes Blockschaltbild einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Brennstoffzellen-Versorgung. 5 a simplified block diagram of an embodiment of a fuel cell supply according to the invention.

Die Erfindung ist anhand von drei Ausführungsformen einer Wärme-Feuchte-Übertragungseinrichtung 100 und anhand einer Ausführungsform einer Kathodenversorgung 30 (Brennstoffzellen-Versorgung 30) für eine Brennstoffzelle 10 eines Brennstoffzellensystems 1 für ein Fahrzeug näher erläutert. Die Erfindung ist jedoch nicht auf solche Ausführungsformen und/oder die nachfolgend erläuterten Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern ist von grundlegenderer Natur, sodass sie auf sämtliche Wärme-Feuchte-Übertragungseinrichtungen, Brennstoffzellen-Versorgungen sowie Anoden-Kathodenversorgungen, zum Beispiel für stationäre Brennstoffzellensysteme, angewendet werden kann. Obwohl die Erfindung im Detail durch bevorzugte Ausführungsbeispiele näher beschrieben und illustriert ist, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Ausführungsbeispiele eingeschränkt. Andere Variationen können hieraus abgeleitet werden ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen. The invention is based on three embodiments of a heat-moisture transmission device 100 and based on an embodiment of a cathode supply 30 (Fuel Supply 30 ) for a fuel cell 10 a fuel cell system 1 explained in more detail for a vehicle. However, the invention is not limited to such embodiments and / or the embodiments explained below, but is of a more fundamental nature, so that it can be applied to all heat-moisture transmission devices, fuel cell supplies and anode cathode supplies, for example for stationary fuel cell systems , Although the invention has been described and illustrated in detail by preferred embodiments, the invention is not limited by the disclosed embodiments. Other variations can be derived therefrom without departing from the scope of the invention.

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

Das Brennstoffzellensystem 1 umfasst als eine Kernkomponente eine Brennstoffzelle 10 beziehungsweise einen Brennstoffzellenstapel 10, welche beziehungsweise welcher eine Vielzahl von in Stapelform angeordneten Brennstoffzellen, im Folgenden als Einzelzellen 11 bezeichnet, aufweist. Jede Einzelzelle 11 umfasst einen Anodenraum 12 und einen Kathodenraum 13, welche bevorzugt von einer ionenleitfähigen Polymerelektrolyt-Membran 14 räumlich und elektrisch voneinander getrennt sind (siehe Detailausschnitt der 1). Der Brennstoffzellenstapel 10 wird auch einfach als Brennstoffzelle 10 bezeichnet. The fuel cell system 1 includes as a core component a fuel cell 10 or a fuel cell stack 10 , Which or which a plurality of stacked fuel cells, hereinafter referred to as single cells 11 designated. Every single cell 11 includes an anode compartment 12 and a cathode compartment 13 , which preferably of an ion-conductive polymer electrolyte membrane 14 spatially and electrically separated from each other (see detail of the 1 ). The fuel cell stack 10 is also easy as a fuel cell 10 designated.

Die Anodenräume 12 und die Kathodenräume 13 der Brennstoffzelle 10 weisen jeweils eine katalytische Elektrode (beide nicht dargestellt), das heißt eine Anodenelektrode und eine Kathodenelektrode, auf, welche jeweils eine Teilreaktion einer Brennstoffzellen-Umsetzung katalysieren. Die jeweilige Anodenelektrode und die jeweilige Kathodenelektrode weisen jeweils ein katalytisches Material, beispielsweise Platin, auf, welches auf einem elektrisch leitfähigen Trägermaterial mit einer großen spezifischen Oberfläche, beispielsweise einem kohlenstoffbasierten Material, geträgert vorliegt. The anode rooms 12 and the cathode rooms 13 the fuel cell 10 each have a catalytic electrode (both not shown), that is, an anode electrode and a cathode electrode, each catalyzing a partial reaction of a fuel cell reaction. The respective anode electrode and the respective cathode electrode each comprise a catalytic material, for example platinum, which is supported on an electrically conductive carrier material with a large specific surface, for example a carbon-based material.

Ein Gefüge aus einer Membran 14 und Elektroden wird auch als eine Membran-Elektroden-Einheit bezeichnet. Zwischen zwei solchen Membran-Elektroden-Einheiten ist ferner jeweils eine angedeutete Bipolarplatte 15 angeordnet, welche einer Zuführung von Betriebsmedien in den betreffenden Anodenraum 12 und den betreffenden Kathodenraum 13 dient und darüber hinaus eine elektrische Verbindung zwischen Einzelzellen 11 realisiert. A structure of a membrane 14 and electrodes are also referred to as a membrane-electrode assembly. Between two such membrane-electrode assemblies is further each an indicated bipolar plate 15 arranged, which a supply of operating media in the respective anode compartment 12 and the relevant cathode compartment 13 serves and beyond an electrical connection between individual cells 11 realized.

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

Die Anodenversorgung 20 umfasst einen Anoden-Versorgungspfad 21, welcher einer Zuführung eines Anoden-Betriebsmediums 3, einem Brennstoff 3, beispielsweise Wasserstoff 3 oder einem wasserstoffhaltigen Gasgemisch 3, in die Anodenräume 12 der Brennstoffzelle 10 dient. Zu diesem Zweck verbindet der Anoden-Versorgungspfad 21 einen Brennstoffspeicher 23 oder Brennstofftank 23 mit einem Anodeneinlass der Brennstoffzelle 10. Die Anodenversorgung 20 umfasst ferner einen Anoden-Abgaspfad 22, welcher ein Anoden-Abgas 4 aus den Anodenräumen 12 durch einen Anodenauslass der Brennstoffzelle 10 hindurch abführt. Ein aufgebauter Anoden-Betriebsdruck auf den Anodenseiten der Brennstoffzelle 10 ist bevorzugt mittels eines Stellmittels 24 im Anoden-Versorgungspfad 21 einstellbar. The anode supply 20 includes an anode supply path 21 , which is a supply of an anode operating medium 3 , a fuel 3 , for example hydrogen 3 or a hydrogen-containing gas mixture 3 , in the anode rooms 12 the fuel cell 10 serves. For this purpose, the anode supply path connects 21 a fuel storage 23 or fuel tank 23 with an anode inlet of the fuel cell 10 , The anode supply 20 further includes an anode exhaust path 22 , which is an anode exhaust 4 from the anode chambers 12 through an anode outlet of the fuel cell 10 through. An established anode operating pressure on the anode side of the fuel cell 10 is preferably by means of an actuating means 24 in the anode supply path 21 adjustable.

Darüber hinaus weist die Anodenversorgung 20 bevorzugt eine Brennstoff-Rezirkulationsleitung 25 auf, welche den Anoden-Abgaspfad 22 mit dem Anoden-Versorgungspfad 21 fluidmechanisch verbindet. Eine Rezirkulation des Anoden-Betriebsmediums 3, also dem eigentlich bevorzugt zu tankenden Brennstoff 3, ist oft eingerichtet, um das zumeist überstöchiometrisch eingesetzte Anoden-Betriebsmedium 3 der Brennstoffzelle 10 zurückzuführen und zu nutzen. In der Brennstoff-Rezirkulationsleitung 25 ist bevorzugt ein weiteres Stellmittel 26 angeordnet, mit welchem eine Rezirkulationsrate einstellbar ist. Ferner kann zusätzlich oder alternativ in der Brennstoff-Rezirkulationsleitung 25 ein Verdichter vorgesehen sein (nicht dargestellt). In addition, the anode supply points 20 preferably a fuel recirculation line 25 on which the anode exhaust path 22 with the anode supply path 21 fluid mechanically connects. A recirculation of the anode operating medium 3 , that is, the actually preferred to be fueled fuel 3 , is often set up, the most over-stoichiometric anode operating medium 3 the fuel cell 10 to be returned and used. In the fuel recirculation line 25 is preferably a further adjusting agent 26 arranged, with which a recirculation rate is adjustable. Further, additionally or alternatively, in the fuel recirculation line 25 a compressor may be provided (not shown).

Die Kathodenversorgung 30 umfasst einen Kathoden-Versorgungspfad 31, welcher den Kathodenräumen 13 der Brennstoffzelle 10 ein sauerstoffhaltiges Kathoden-Betriebsmedium 5, bevorzugt Luft 5, zuführt, welche insbesondere aus der Umgebung 2 angesaugt wird. Die Kathodenversorgung 30 umfasst ferner einen Kathoden-Abgaspfad 32, welcher ein Kathoden-Abgas 6, insbesondere eine Abluft 6, aus den Kathodenräumen 13 der Brennstoffzelle 10 abführt und dieses einer gegebenenfalls vorgesehenen Abgasanlage (nicht dargestellt) zuführt. The cathode supply 30 includes a cathode supply path 31 which is the cathode spaces 13 the fuel cell 10 an oxygen-containing cathode operating medium 5 , preferably air 5 , feeds, which in particular from the environment 2 is sucked. The cathode supply 30 further includes a cathode exhaust path 32 , which is a cathode exhaust 6 , in particular an exhaust air 6 , from the cathode rooms 13 the fuel cell 10 dissipates and feeds this optionally provided exhaust system (not shown).

Für eine Förderung und Verdichtung des Kathoden-Betriebsmediums 5 ist/am im Kathoden-Versorgungspfad 31 bevorzugt ein Verdichter 33 angeordnet. In der dargestellten Ausführungsform ist der Verdichter 33 als ein (auch) elektromotorisch angetriebener Verdichter 33 ausgestaltet, dessen Antrieb mittels eines Elektromotors 34 oder eines Antriebs 34 erfolgt, der bevorzugt mit einer entsprechenden Leistungselektronik 35 ausgestattet ist. Bevorzugt ist der Verdichter 33 als ein elektrischer Turbolader (englisch ETC für Electric Turbo Charger) ausgebildet. Der Verdichter 33 kann ferner durch eine im Kathoden-Abgaspfad 32 angeordnete Turbine 36 mit gegebenenfalls variabler Turbinengeometrie, unterstützend mittels einer gemeinsamen Welle (nicht dargestellt) angetrieben werden. Die Turbine 36 stellt einen Expander dar, welcher eine Expansion des Kathoden-Abgases 6 und somit eine Absenkung dessen Fluiddrucks bewirkt (Steigerung eines Wirkungsgrads der Brennstoffzelle 10). For a promotion and compression of the cathode operating medium 5 is / am in the cathode supply path 31 preferably a compressor 33 arranged. In the illustrated embodiment, the compressor 33 as a (also) electric motor driven compressor 33 designed, the drive by means of an electric motor 34 or a drive 34 takes place, preferably with a corresponding power electronics 35 Is provided. The compressor is preferred 33 as an electric turbocharger (English ETC for Electric Turbo Charger) formed. The compressor 33 can also be characterized by a in the cathode exhaust path 32 arranged turbine 36 optionally with variable turbine geometry, supported by means of a common shaft (not shown) are driven. The turbine 36 represents an expander, which is an expansion of the cathode exhaust gas 6 and thus a lowering causes its fluid pressure (increasing the efficiency of the fuel cell 10 ).

Die Kathodenversorgung 30 kann gemäß der dargestellten Ausführungsform ferner ein Wastegate 37 beziehungsweise eine Wastegate-Leitung 37 aufweisen, welches beziehungsweise welche den Kathoden-Versorgungspfad 31 beziehungsweise eine Kathoden-Versorgungsleitung mit dem Kathoden-Abgaspfad 32 beziehungsweise einer Kathoden-Abgasleitung verbindet, also einen kathodenseitigen Bypass für die Brennstoffzelle 10 darstellt. Das Wastegate 37 erlaubt es, einen Betriebsdruck des Kathoden-Betriebsmediums 5 kurzfristig in der Brennstoffzelle 10 zu reduzieren, ohne den Verdichter 33 herunterzufahren. Ein im Wastegate 37 angeordnetes Stellmittel 38 erlaubt eine Einstellung eines Volumenstroms des die Brennstoffzelle 10 gegebenenfalls umgehenden Kathoden-Betriebsmediums 5. The cathode supply 30 may also according to the illustrated embodiment, a wastegate 37 or a wastegate line 37 which or which the cathode supply path 31 or a cathode supply line with the cathode exhaust path 32 or a cathode exhaust pipe connects, so a cathode-side bypass for the fuel cell 10 represents. The wastegate 37 allows an operating pressure of the cathode operating medium 5 short term in the fuel cell 10 reduce without the compressor 33 shut down. One in the wastegate 37 arranged adjusting means 38 allows adjustment of a volume flow of the fuel cell 10 optionally immediate cathode operating medium 5 ,

Sämtliche Stellmittel 24, 26, 38, 210, 220, 312, 322 (siehe auch unten) des Brennstoffzellensystems 1 können als regelbare, steuerbare oder nicht regelbare Ventile, Klappen, Drosseln et cetera ausgebildet sein. Zur weiteren Isolierung (siehe auch die 5) der Brennstoffzelle 10 von der Umgebung 2 kann wenigstens ein entsprechendes weiteres Stellmittel 210, 220 in einem Pfad (21), (22), 31, 32 beziehungsweise einer Leitung des Pfads (21), (22), 31, 32 angeordnet sein. All adjusting means 24 . 26 . 38 . 210 . 220 . 312 . 322 (see also below) of the fuel cell system 1 can be designed as controllable, controllable or non-controllable valves, flaps, throttles et cetera. For further isolation (see also the 5 ) of the fuel cell 10 from the surroundings 2 can at least one corresponding further actuating means 210 . 220 in a path ( 21 ) 22 ) 31 . 32 or a line of the path ( 21 ) 22 ) 31 . 32 be arranged.

Das bevorzugte Brennstoffzellensystem 1 weist ferner eine erfindungsgemäße Wärme-Feuchte-Übertragungseinrichtung 100 auf (siehe auch die 2 bis 5). Die Wärme-Feuchte-Übertragungseinrichtung 100 ist einerseits derart im Kathoden-Versorgungspfad 31 angeordnet, dass sie vom Kathoden-Betriebsmedium 5 durchströmbar ist. Andererseits ist die Wärme-Feuchte-Übertragungseinrichtung 100 derart im Kathoden-Abgaspfad 32 angeordnet, dass sie vom Kathoden-Abgas 6 durchströmbar ist. The preferred fuel cell system 1 further comprises a heat-moisture transmission device according to the invention 100 on (see also the 2 to 5 ). The heat-moisture transmission device 100 On the one hand, this is the case in the cathode supply path 31 arranged that they are from the cathode operating medium 5 can be flowed through. On the other hand, the heat-moisture transmission device 100 such in the cathode exhaust path 32 arranged that they are from the cathode exhaust 6 can be flowed through.

Die Wärme-Feuchte-Übertragungseinrichtung 100 ist ferner einerseits im Kathoden-Versorgungspfad 31 bevorzugt zwischen dem Verdichter 33 und einem Kathodeneingang und andererseits im Kathoden-Abgaspfad 32 zwischen einem Kathodenausgang der Brennstoffzelle 10 und der gegebenenfalls vorgesehenen Turbine 36 angeordnet. Ein Wärme-Feuchte-Überträger 110 der Wärme-Feuchte-Übertragungseinrichtung 100 weist bevorzugt eine Mehrzahl von Membranen auf, die oft entweder flächig oder in Form von Hohlfasern ausgebildet sind. The heat-moisture transmission device 100 is also on the one hand in the cathode supply path 31 preferably between the compressor 33 and a cathode input and, on the other hand, the cathode exhaust path 32 between a cathode output of the fuel cell 10 and the optionally provided turbine 36 arranged. A heat-humidity transmitter 110 the heat-moisture transmission device 100 preferably has a plurality of membranes, which are often formed either flat or in the form of hollow fibers.

In einem Betrieb des Brennstoffzellensystems 1 wird eine Seite der Membranen von einem zunächst vergleichsweise trockenen Kathoden-Betriebsmedium 5 durch- oder überströmt, und eine andere Seite der Membran wird von einem zunächst vergleichsweise feuchten Kathoden-Abgas 6 über- oder durchströmt, beziehungsweise vice versa. Hierbei wird ein Teil eines gasförmigen Wassers (Wasserdampf) von dem vergleichsweise feuchten Kathoden-Abgas 6 des Kathodenausgangs auf das vergleichsweise trockene Kathoden-Betriebsmedium 5 des Kathodeneingangs in der Wärme-Feuchte-Übertragungseinrichtung 100 übergeführt. In an operation of the fuel cell system 1 becomes one side of the membranes of a first comparatively dry cathode operating medium 5 through or overflowed, and another side of the membrane is from a first relatively humid cathode exhaust gas 6 flows over or through, or vice versa. Here, a part of a gaseous water (water vapor) from the relatively humid cathode exhaust gas 6 the cathode output to the relatively dry cathode operating medium 5 the cathode input in the heat-moisture transmission device 100 converted.

Verschiedene weitere Einzelheiten des Brennstoffzellensystems 1 beziehungsweise der Brennstoffzelle 10 / des Brennstoffzellenstapels 10, der Anodenversorgung 20 und der Kathodenversorgung 30 sind in der vereinfachten 1 aus Gründen einer Übersichtlichkeit nicht dargestellt. So kann die Wärme-Feuchte-Übertragungseinrichtung 100 seitens des Kathoden-Versorgungspfads 31 und/oder seitens des Kathoden-Abgaspfads 32 (siehe auch 5) mittels einer Bypassleitung 310, 320 umgangen werden. Es kann ferner eine Turbinen-Bypassleitung seitens des Kathoden-Abgaspfads 32 vorgesehen sein, welche die Turbine 36 umgeht. Various other details of the fuel cell system 1 or the fuel cell 10 / of the fuel cell stack 10 , the anode supply 20 and the cathode supply 30 are in the simplified 1 not shown for reasons of clarity. So can the heat-moisture transmission device 100 from the cathode supply path 31 and / or the cathode exhaust path 32 (see also 5 ) by means of a bypass line 310 . 320 to be bypassed. There may also be a turbine bypass line from the cathode exhaust path 32 be provided, which is the turbine 36 bypasses.

Ferner kann im Anoden-Abgaspfad 22 und/oder im Kathoden-Abgaspfad 32 ein Wasserabscheider verbaut sein, mittels welchem ein aus der betreffenden Teilreaktion der Brennstoffzelle 10 entstehendes Produktwasser kondensierbar und/oder abscheidebar und gegebenenfalls in einen Wassersammler ableitbar ist. Des Weiteren kann die Anodenversorgung 20 ein Befeuchtermodul oder eine erfindungsgemäße Wärme-Feuchte-Übertragungseinrichtung 100 aufweisen. Ferner kann der Anoden-Abgaspfad 22 in den Kathoden-Abgaspfad 32 beziehungsweise vice versa münden, wobei das Anoden-Abgas 4 und das Kathoden-Abgas 6 gegebenenfalls über eine gemeinsame Abgasanlage abgeführt werden können. Further, in the anode exhaust path 22 and / or in the cathode exhaust path 32 a water separator be installed, by means of which a from the relevant partial reaction of the fuel cell 10 resulting product water is condensable and / or separable and optionally derivable into a water collector. Furthermore, the anode supply 20 a humidifier module or a heat-moisture transmission device according to the invention 100 exhibit. Furthermore, the anode exhaust path 22 in the cathode exhaust path 32 or vice versa, the anode exhaust gas 4 and the cathode off-gas 6 optionally can be removed via a common exhaust system.

Die 2 bis 4 zeigen drei mögliche Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Wärme-Feuchte-Übertragungseinrichtung 100. Die Wärme-Feuchte-Übertragungseinrichtung 100 dient einer gleichzeitigen sowie gleichortigen Wärme-Feuchte-Übertragung zwischen einem vergleichsweise heißen/warmen und vergleichsweise trockenen Betriebsmedium 5, 101, insbesondere einem Kathoden-Betriebsmedium 5, 101, z. B. einer Zuluft 5, 101 vom Verdichter 33, und einem vergleichsweise kalten/kühlen und vergleichsweise feuchten Abgas 6, 102, insbesondere einem Kathoden-Abgas 6, 102, z. B. einer Abluft 6, 102 von der Brennstoffzelle 10. Das vergleichsweise heiße und vergleichsweise trockene Betriebsmedium 5, 101 besitzt aufgrund eines Verdichtungsprozesses einen Überdruck in Bezug auf den Umgebungsdruck (beispielsweise etwa 2bar), wobei sich das Betriebsmedium 5, 101b erhitzt hat (beispielsweise etwa 200°C) The 2 to 4 show three possible embodiments of the heat-moisture transmission device according to the invention 100 , The heat-moisture transmission device 100 serves a simultaneous and gleichortigen heat-moisture transmission between a comparatively hot / warm and relatively dry operating medium 5 . 101 , in particular a cathode operating medium 5 . 101 , z. B. a supply air 5 . 101 from the compressor 33 , and a comparatively cold / cool and relatively humid exhaust 6 . 102 , in particular a cathode exhaust 6 . 102 , z. B. an exhaust air 6 . 102 from the fuel cell 10 , The comparatively hot and comparatively dry operating medium 5 . 101 has a positive pressure relative to the ambient pressure (for example, about 2 bar) due to a compression process, wherein the operating medium 5 . 101b has heated (for example, about 200 ° C)

Diese beiden Fluide 5, 101; 6, 102 treten an unterschiedlichen Stellen in die Wärme-Feuchte-Übertragungseinrichtung 100 ein (siehe Pfeile in den 2 bis 4) und verlassen die Wärme-Feuchte-Übertragungseinrichtung 100 wiederum an unterschiedlichen Stellen (siehe wiederum Pfeile in den 2 bis 4) als ein vergleichsweise kühles/kaltes und vergleichsweise feuchtes Betriebsmedium 5, 103 zur Brennstoffzelle 10 sowie als ein vergleichsweise warmes/heißes und vergleichsweise trockenes Abgas 6, 104 zur gegebenenfalls vorgesehenen Turbine 36. These two fluids 5 . 101 ; 6 . 102 occur at different locations in the heat-moisture transmission device 100 a (see arrows in the 2 to 4 ) and leave the heat-moisture transmission device 100 again in different places (see again arrows in the 2 to 4 ) as a comparatively cool / cold and relatively humid operating medium 5 . 103 to the fuel cell 10 as well as a comparatively warm / hot and relatively dry exhaust 6 . 104 for optionally provided turbine 36 ,

Die jeweilige Wärme-Feuchte-Übertragungseinrichtung 100 der 2 bis 4 umfasst einen in einem Gehäuse 140 untergebrachten Wärme-Feuchte-Überträger 110, welcher für einen eigentlichen Wärmeübergang und einen eigentlichen Feuchteübergang zwischen dem vergleichsweise heißen und vergleichsweise trockenen Betriebsmedium 5, 101 und dem vergleichsweise kalten und vergleichsweise feuchten Abgas 6, 102 verantwortlich ist. The respective heat-moisture transmission device 100 of the 2 to 4 includes one in a housing 140 accommodated heat-humidity transmitter 110 , which for an actual heat transfer and an actual moisture transfer between the relatively hot and relatively dry operating medium 5 . 101 and the comparatively cold and relatively humid exhaust gas 6 . 102 responsible for.

Bei der in der 2 dargestellten Ausführungsform weist die Wärme-Feuchte-Übertragungseinrichtung 100 lediglich einen als Wärme-Feuchte-Überträger 110 ausgebildeten HT-Wärme-Feuchte-Überträger 112 auf. Der HT-Wärme-Feuchte-Überträger 112 dient einem Wärme-Feuchte-Übergang zwischen dem vergleichsweise heißen und vergleichsweise trockenen Kathoden-Betriebsmedium 5, 101 und dem vergleichsweise kalten und vergleichsweise feuchten Kathoden-Abgas 6, 102. Der Wärme-Feuchte-Übergang erfolgt dabei im Wesentlichen gleichzeitig in sämtlichen Stellen des HT-Wärme-Feuchte-Überträger 112, wobei Wärme und Feuchte simultan übertragbar sind. When in the 2 illustrated embodiment, the heat-moisture transmission device 100 only one as a heat-moisture transmitter 110 trained HT heat-moisture transmitter 112 on. The HT heat-moisture transmitter 112 serves a heat-moisture transition between the comparatively hot and relatively dry cathode operating medium 5 . 101 and the comparatively cold and relatively humid cathode exhaust gas 6 . 102 , The heat-moisture transition takes place substantially simultaneously in all places of the HT heat-moisture transmitter 112 where heat and humidity are simultaneously transferable.

Die Ausführungsform der 3 weist als Wärme-Feuchte-Überträger 110 sowohl einen HT-Wärme-Feuchte-Überträger 112 als auch einen NT-Wärme-Feuchte-Überträger 116 auf, wobei der NT-Wärme-Feuchte-Überträger 116 in Bezug auf eine Strömungsrichtung des vergleichsweise heißen und vergleichsweise trockenen Kathoden-Betriebsmediums 5, 101 stromabwärts des HT-Wärme-Feuchte-Überträgers 112 vorgesehen ist. Hierbei können der HT-Wärme-Feuchte-Überträger 112 und der NT-Wärme-Feuchte-Überträger 116 wie dargestellt in einem gemeinsamen Gehäuse 140 untergebracht sein. Ferner ist auch jeweils ein Gehäuse für den HT-Wärme-Feuchte-Überträger 112 den NT-Wärme-Feuchte-Überträger 116 (nicht dargestellt) anwendbar, welche mittels einer Fluidleitung fluidmechanisch miteinander verbunden sind. The embodiment of the 3 has as a heat-moisture transmitter 110 both an HT heat-moisture transmitter 112 as well as an NT heat-moisture transmitter 116 on, with the NT heat-moisture transmitter 116 with respect to a flow direction of the comparatively hot and comparatively dry cathode operating medium 5 . 101 downstream of the HT heat-moisture transmitter 112 is provided. Here, the HT heat-moisture transmitter 112 and the NT heat-moisture transmitter 116 as shown in a common housing 140 be housed. Furthermore, each case is a housing for the HT heat-moisture transmitter 112 the NT heat-moisture transmitter 116 (not shown) applicable, which are fluid-mechanically connected to each other by means of a fluid line.

Bevorzugt ist zwischen dem HT-Wärme-Feuchte-Überträger 112 und dem NT-Wärme-Feuchte-Überträger 116 ein Bypassanschluss 114 (siehe 5) für eine Entnahme des Betriebsmediums 5, 101/103 vorgesehen. Sollten der HT-Wärme-Feuchte-Überträger 112 und der NT-Wärme-Feuchte-Überträger 116 in einem gemeinsamen Gehäuse 140 untergebracht sein, so kann zwischen dem HT-Wärme-Feuchte-Überträger 112 und dem NT-Wärme-Feuchte-Überträger 116 eine Bypasskammer 115 eingerichtet sein, an welcher der Bypassanschluss 114 mündet. Ansonsten mündet der Bypassanschluss 114 in der eben genannten Fluidleitung. It is preferred between the HT heat-moisture transmitter 112 and the NT heat-moisture transmitter 116 a bypass connection 114 (please refer 5 ) for a removal of the working medium 5 . 101 / 103 intended. Should the HT heat-moisture transmitter 112 and the NT heat-moisture transmitter 116 in a common housing 140 be housed, so can between the HT heat-moisture transmitter 112 and the NT heat-moisture transmitter 116 a bypass chamber 115 be set up, at which the bypass connection 114 empties. Otherwise, the bypass connection opens 114 in the aforementioned fluid line.

Die Ausführungsform der 4 zeigt drei Ausführungsbeispiele der Wärme-Feuchte-Übertragungseinrichtung 100 basierend auf den Ausführungsbeispielen gemäß den Ausführungen zur 3, wobei die Wärme-Feuchte-Übertragungseinrichtung 100 wenigstens einen Kühlmittelkanal 120 (Funktionalität Ladeluftkühler) und/oder wenigstens ein Heizelement 130 aufweist. Der beziehungsweise die Kühlmittelkanäle 120 können dabei am/im HT-Wärme-Feuchte-Überträger 112 (nicht dargestellt) und/oder am/im NT-Wärme-Feuchte-Überträger 116 verlaufen. Das beziehungsweise die Heizelemente 130 können am/im HT-Wärme-Feuchte-Überträger 112 (nicht dargestellt) und/oder am/im NT-Wärme-Feuchte-Überträger 116 vorgesehen sein. The embodiment of the 4 shows three embodiments of the heat-moisture transmission device 100 based on the embodiments according to the comments on 3 , wherein the heat-moisture transmission device 100 at least one coolant channel 120 (Functionality intercooler) and / or at least one heating element 130 having. The or the coolant channels 120 can thereby on / in the HT heat-moisture transmitter 112 (not shown) and / or on / in the NT heat-moisture transmitter 116 run. The or the heating elements 130 can on / in the HT heat-moisture transmitter 112 (not shown) and / or on / in the NT heat-moisture transmitter 116 be provided.

Eine in der 5 dargestellte erfindungsgemäße Brennstoffzellen-Versorgung 30, (20) für eine Brennstoffzelle 10 eines Brennstoffzellensystems 1 eines Fahrzeugs, insbesondere eines Elektrofahrzeugs, weist eine Wärme-Feuchte-Übertragungseinrichtung 100, beziehungsweise einen HT-Wärme-Feuchte-Überträger 112 und bevorzugt einen NT-Wärme-Feuchte-Überträger 116 auf. Hierbei besitzt die Brennstoffzellen-Versorgung 30, (20) bevorzugt die eingangs genannten Vorteile. One in the 5 illustrated fuel cell supply according to the invention 30 , ( 20 ) for a fuel cell 10 a fuel cell system 1 a vehicle, in particular an electric vehicle, has a heat-moisture transmission device 100 , or an HT heat-moisture transmitter 112 and preferably an NT heat-moisture transmitter 116 on. This has the fuel cell supply 30 , ( 20 ) prefers the advantages mentioned above.

In Ausführungsbeispielen der Brennstoffzellen-Versorgung 30, (20) (vergleiche die 5) ist der Abgaspfad 32, (22) der Brennstoffzellen-Versorgung 30, (20) durch den HT-Wärme-Feuchte-Überträger 112 und gegebenenfalls einen NT-Wärme-Feuchte-Überträger 116 hindurch mittels eines Abgaspfad-Bypasses 320 umgehbar. Ferner ist in Ausführungsbeispielen der Brennstoffzellen-Versorgung 30, (20) der Versorgungspfad 31, (21) der Brennstoffzellen-Versorgung 30, (20) durch den NT-Wärme-Feuchte-Überträger 116 hindurch mittels eines Versorgungspfad-Bypasses 310 umgehbar. Hierbei ist für ein Öffnen/Schließen des Abgaspfad-Bypasses 320, am/im Abgaspfad-Bypass 320 ein Stellmittel 322, insbesondere ein Abgaspfad-Bypassventil 322, und/oder für ein Öffnen/Schließen des Versorgungspfad-Bypasses 310, am/im Versorgungspfad-Bypass 310 ein Stellmittel 312, insbesondere ein Versorgungspfad-Bypassventil 312 vorgesehen. In exemplary embodiments of the fuel cell supply 30 , ( 20 ) (compare the 5 ) is the exhaust path 32 , ( 22 ) of the fuel cell supply 30 , ( 20 ) through the HT heat-moisture transmitter 112 and optionally an NT heat-moisture transmitter 116 through an exhaust path bypass 320 bypassed. Further, in embodiments, the fuel cell supply 30 , ( 20 ) the supply path 31 , ( 21 ) of the fuel cell supply 30 , ( 20 ) through the NT heat-moisture transmitter 116 through a supply path bypass 310 bypassed. Here is for opening / closing the exhaust path bypass 320 , on / in the exhaust path bypass 320 an actuating agent 322 , in particular an exhaust gas path bypass valve 322 , and / or for opening / closing the supply path bypass 310 , on / in the supply path bypass 310 an actuating agent 312 , in particular a supply path bypass valve 312 intended.

Ein Ende des Abgaspfad-Bypasses 320 mündet bevorzugt in einem fluidmechanisch absperrbaren Teil der Brennstoffzellen-Versorgung 30, (20). Das heißt für den Kathoden-Abgaspfad 32 mündet der Abgaspfad-Bypass 320 stromaufwärts eines Stellmittels 220, insbesondere eines Absperrventils 220, am/im Kathoden-Abgaspfad 32. Ein anderes Ende des Abgaspfad-Bypasses 320 mündet dabei bevorzugt stromabwärts der Wärme-Feuchte-Übertragungseinrichtung 100 beziehungsweise des HT-Wärme-Feuchte-Überträgers 112 im Kathoden-Abgaspfad 32. One end of the exhaust path bypass 320 opens preferably in a fluid-mechanically shut-off part of the fuel cell supply 30 , ( 20 ). That is, for the cathode exhaust path 32 opens the exhaust path bypass 320 upstream of an actuator 220 , in particular a shut-off valve 220 , on / in the cathode exhaust path 32 , Another end of the exhaust path bypass 320 preferably discharges downstream of the heat-moisture transmission device 100 or the HT heat-moisture transmitter 112 in the cathode exhaust path 32 ,

Ein Ende des Versorgungspfad-Bypasses 310 mündet bevorzugt ebenfalls im fluidmechanisch absperrbaren Teil der Brennstoffzellen-Versorgung 30, (20). Das heißt für den Kathoden-Versorgungspfad 31 mündet der Versorgungspfad-Bypass 310 stromabwärts eines Stellmittels 210, insbesondere eines Absperrventils 210, am/im Kathoden-Versorgungspfad 31. Ein anderes Ende des Versorgungspfad-Bypasses 310 mündet dabei bevorzugt zwischen dem HT-Wärme-Feuchte-Überträger 112 und dem NT-Wärme-Feuchte-Überträger 116 im Kathoden-Versorgungspfad 31 am Bypassanschluss 114, bevorzugt an der Bypasskammer 115 der Wärme-Feuchte-Übertragungseinrichtung 100. Ist lediglich der HT-Wärme-Feuchte-Überträger 112 vorgesehen, so mündet das andere Ende des Versorgungspfad-Bypasses 310 stromaufwärts des HT-Wärme-Feuchte-Überträgers 112 im Kathoden-Versorgungspfad 31. One end of the supply path bypass 310 also preferably opens in the fluid-mechanically shut-off part of the fuel cell supply 30 , ( 20 ). That is, for the cathode supply path 31 opens the supply path bypass 310 downstream of an actuating means 210 , in particular a shut-off valve 210 , on / in the cathode supply path 31 , Another end of the supply path bypass 310 opens preferably between the HT heat-moisture transmitter 112 and the NT heat-moisture transmitter 116 in the cathode supply path 31 at the bypass connection 114 , preferably at the bypass chamber 115 the heat-moisture transmission device 100 , Is only the HT heat-moisture transmitter 112 provided, the other end of the supply path bypass opens 310 upstream of the HT heat-moisture transmitter 112 in the cathode supply path 31 ,

In Ausführungsbeispielen der Brennstoffzellen-Versorgung 30, (20) ist die Brennstoffzellen-Versorgung 30, (20) frei von einem Ladeluftkühler. Die Brennstoffzellen-Versorgung 30, (20) kann jedoch auch einen Ladeluftkühler aufweisen. In Ausführungsbeispielen der Brennstoffzellen-Versorgung 30, (20) weist die Brennstoffzellen-Versorgung 30, (20) eine erfindungsgemäße Wärme-Feuchte-Übertragungseinrichtung 100 (siehe oben) auf. In exemplary embodiments of the fuel cell supply 30 , ( 20 ) is the fuel cell supply 30 , ( 20 ) free from a charge air cooler. The fuel cell supply 30 , ( 20 ) may, however, also have a charge air cooler. In exemplary embodiments of the fuel cell supply 30 , ( 20 ) indicates the fuel cell supply 30 , ( 20 ) a heat-moisture transmission device according to the invention 100 (see above).

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

1 1
Brennstoffzellensystem, Brennstoffzellenaggregat, bevorzugt für ein Fahrzeug mit einem Elektromotor, insbesondere einem ElektrotraktionsmotorFuel cell system, fuel cell assembly, preferably for a vehicle with an electric motor, in particular an electric traction motor
2 2
Umgebung Surroundings
3 3
Betriebsmedium, Reaktant, insbesondere Anoden-Betriebsmedium, eigentlicher Brennstoff, bevorzugt Wasserstoff oder wasserstoffhaltiges GasgemischOperating medium, reactant, in particular anode operating medium, actual fuel, preferably hydrogen or hydrogen-containing gas mixture
4 4
Abgas inklusive flüssiges Wasser, insbesondere Anoden-Abgas Exhaust gas including liquid water, in particular anode exhaust gas
5 5
Betriebsmedium, Reaktant, insbesondere Kathoden-Betriebsmedium, bevorzugt Luft Operating medium, reactant, in particular cathode operating medium, preferably air
6 6
Abgas inklusive flüssiges Wasser, insbesondere Kathoden-Abgas, bevorzugt Abluft Exhaust gas including liquid water, in particular cathode exhaust gas, preferably exhaust air
10 10
Brennstoffzelle, Brennstoffzellenstapel Fuel cell, fuel cell stack
11 11
Einzelzelle mit Anodenelektrode und Kathodenelektrode, einzelne Brennstoffzelle Single cell with anode electrode and cathode electrode, single fuel cell
12 12
Anodenraum für Einzelzelle 11 Anode space for single cell 11
13 13
Kathodenraum für Einzelzelle 11 Cathode compartment for single cell 11
14 14
Membran, bevorzugt Polymerelektrolyt-Membran der Einzelzelle 11 Membrane, preferably polymer electrolyte membrane of the single cell 11
15 15
Bipolarplatte, Flussfeldplatte zwischen zwei Einzelzellen 11 Bipolar plate, flow field plate between two single cells 11
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 the fuel 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 with anode operating medium 3
24 24
Stellmittel, regelbar, (an)steuerbar, nicht regelbar, insbesondere Ventil, Klappe, Drossel et ceteraAdjusting means, controllable, (controllable), not adjustable, in particular valve, flap, throttle et cetera
25 25
Brennstoff-Rezirkulationsleitung Fuel recirculation line
26 26
Stellmittel, regelbar, (an)steuerbar, nicht regelbar, insbesondere Ventil, Klappe, Drossel et ceteraAdjusting means, controllable, (controllable), not adjustable, in particular valve, flap, throttle et cetera
30 30
Brennstoffzellen-Versorgung, Kathodenversorgung, Kathodenkreislauf der Brennstoffzelle 10 beziehungsweise des Brennstoffzellenstapels 10 Fuel cell supply, cathode supply, cathode circuit of the fuel cell 10 or the fuel 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
Verdichter, Kompressor, Turbolader Compressor, compressor, turbocharger
34 34
Motor, insbesondere Elektromotor oder Antrieb (gegebenenfalls inklusive Getriebe) Motor, in particular electric motor or drive (if necessary including gear)
35 35
Elektronik, insbesondere Leistungselektronik für den Motor 34 Electronics, in particular power electronics for the motor 34
36 36
Turbine mit gegebenenfalls variabler Turbinengeometrie, Expander Turbine with possibly variable turbine geometry, expander
37 37
Wastegate, Wastegate-Leitung Wastegate, Wastegate pipe
38 38
Stellmittel, regelbar, (an)steuerbar, nicht regelbar, insbesondere Ventil, Klappe, Drossel et ceteraAdjusting means, controllable, (controllable), not adjustable, in particular valve, flap, throttle et cetera
100 100
(integrierte) Wärme-Feuchte-Übertragungseinrichtung mit zum Beispiel flächiger oder in Form von Hohlfasern ausgebildeter Membran (eigentlich Membranen) zur gleichzeitigen sowie -ortigen Wärme-Feuchte-Übertragung, Wärme-Feuchte-Übertragungsmodul, Wärme-Stoff-Übertragungseinrichtung(integrated) heat-moisture transmission device with, for example, flat or in the form of hollow fibers formed membrane (actually membranes) for simultaneous and -ortigen heat-moisture transmission, heat-moisture transmission module, heat-transfer device
101 101
vergleichsweise heißes/warmes und vergleichsweise trockenes Betriebsmedium, insbesondere Kathoden-Betriebsmedium (5), bevorzugt sauerstoffhaltiges Gasgemisch (5), z. B. Zuluft (5), vom Verdichter 33 comparatively hot / warm and comparatively dry operating medium, in particular cathode operating medium ( 5 ), preferably oxygen-containing gas mixture ( 5 ), z. B. Supply air ( 5 ), from the compressor 33
102 102
vergleichsweise kaltes/kühles und vergleichsweise feuchtes Abgas, insbesondere Kathoden-Abgas (6), z. B. Abluft (6), von der Brennstoffzelle 10 bzw. den Kathodenräumen 13 comparatively cold / cool and comparatively moist exhaust gas, in particular cathode exhaust gas ( 6 ), z. B. exhaust air ( 6 ), from the fuel cell 10 or the cathode compartments 13
103 103
vergleichsweise kühles/kaltes und vergleichsweise feuchtes Betriebsmedium, insbesondere Kathoden-Betriebsmedium (5), bevorzugt sauerstoffhaltiges Gasgemisch (5), z. B. Zuluft (5), zur Brennstoffzelle 10 bzw. den Kathodenräumen 13 comparatively cool / cold and comparatively moist operating medium, in particular cathode operating medium ( 5 ), preferably oxygen-containing gas mixture ( 5 ), z. B. Supply air ( 5 ), to the fuel cell 10 or the cathode compartments 13
104 104
vergleichsweise warmes/heißes und vergleichsweise trockenes Abgas, insbesondere Kathoden-Abgas (6), z. B. Abluft (6), zur Turbine 36 comparatively warm / hot and comparatively dry exhaust gas, in particular cathode exhaust gas ( 6 ), z. B. exhaust air ( 6 ), to the turbine 36
110 110
Wärme-Feuchte-Überträger (112; 112, 116) der Wärme-Feuchte-Übertragungseinrichtung 100 Heat-moisture transmitter ( 112 ; 112 . 116 ) of the heat-moisture transmission device 100
112 112
Hochtemperatur-Wärme-Feuchte-Überträger (HT: Hochtemperatur) High-temperature heat-humidity transmitter (HT: high temperature)
114 114
Bypassanschluss für Entnahme des Betriebsmediums (5), 101/103 Bypass connection for removal of the operating medium ( 5 ) 101 / 103
115 115
Bypasskammer bypass chamber
116 116
Niedertemperatur-Wärme-Feuchte-Überträger (NT: Niedertemperatur) Low-temperature heat-humidity transmitter (NT: low temperature)
120 120
Kühlmittelkanal für Funktionalität Ladeluftkühler Coolant channel for functionality intercooler
130 130
Heizelement heating element
140 140
Gehäuse, insbesondere einteilig, einstückig, stofflich einstückig, adhäsiv einstückig, integralHousing, in particular one-piece, one-piece, materially integral, adhesive one-piece, integral
210 210
Stellmittel, regelbar, (an)steuerbar, nicht regelbar, insbesondere Absperrventil für Kathoden-Versorgungspfad 31 Adjusting means, controllable, (controllable), not adjustable, in particular shut-off valve for cathode supply path 31
220 220
Stellmittel, regelbar, (an)steuerbar, nicht regelbar, insbesondere Absperrventil für Kathoden-Abgaspfad 32 Adjusting means, controllable, (controllable), not adjustable, in particular shut-off valve for cathode exhaust path 32
310 310
Versorgungspfad-Bypass Supply path bypass
312 312
Stellmittel, regelbar, (an)steuerbar, nicht regelbar, insbesondere Versorgungspfad-BypassventilAdjusting means, controllable, (controllable), not adjustable, in particular supply path bypass valve
320 320
Abgaspfad-Bypass Exhaust bypass path
322 322
Stellmittel, regelbar, (an)steuerbar, nicht regelbar, insbesondere Abgaspfad-Bypassventil Adjusting means, controllable, (controllable), not controllable, in particular exhaust gas path bypass valve

Claims (10)

Wärme-Feuchte-Übertragungseinrichtung (100) für eine Brennstoffzelle (10) eines Brennstoffzellensystems (1), dadurch gekennzeichnet, dass die Wärme-Feuchte-Übertragungseinrichtung (100) zur Übertragung von Wärme einen hochtemperaturbeständigen sowie zur Übertragung von Wasser einen wasserdampfpermeablen Wärme-Feuchte-Überträger (110) aufweist. Heat-moisture transmission device ( 100 ) for a fuel cell ( 10 ) of a fuel cell system ( 1 ), characterized in that the heat-moisture transmission device ( 100 ) for the transmission of heat, a high temperature resistant and for the transmission of water a water vapor permeable heat-moisture transmitter ( 110 ) having. Wärme-Feuchte-Übertragungseinrichtung (100) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärme-Feuchte-Überträger (110) geeignet und eingerichtet ist, in einem selben Bereich des Wärme-Feuchte-Überträgers (110) einen gleichzeitigen Transport von Wärme und Wasser durchzuführen, wobei insbesondere ein Betriebsmedium (5) für die Brennstoffzelle (10) und ein Abgas (6) von der Brennstoffzelle (10) untereinander im selben Bereich des Wärme-Feuchte-Überträgers (110) gleichzeitig sowohl Wärme als auch Wasser austauschen. Heat-moisture transmission device ( 100 ) according to claim 1, characterized in that the heat-moisture transmitter ( 110 ) is suitable and arranged in a same region of the heat-moisture transmitter ( 110 ) carry out a simultaneous transport of heat and water, in particular a working medium ( 5 ) for the fuel cell ( 10 ) and an exhaust gas ( 6 ) from the fuel cell ( 10 ) with each other in the same area of the heat-moisture transmitter ( 110 ) simultaneously exchange both heat and water. Wärme-Feuchte-Übertragungseinrichtung (100) gemäß einem der Anspruche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärme-Feuchte-Übertragungseinrichtung (100) oder der Wärme-Feuchte-Überträger (110; 112, 116) einen Hochtemperatur-Wärme-Feuchte-Überträger (112) und einen damit fluidmechanisch in Reihe geschalteten Niedertemperatur-Wärme-Feuchte-Überträger (116) aufweist. Heat-moisture transmission device ( 100 ) according to one of claims 1 or 2, characterized in that the heat-moisture transmission device ( 100 ) or the heat-moisture transmitter ( 110 ; 112 . 116 ) a high-temperature heat-moisture transmitter ( 112 ) and a fluid-mechanically connected in series low-temperature heat-moisture transmitter ( 116 ) having. Wärme-Feuchte-Übertragungseinrichtung (100) gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Wärmeleitfähigkeit des Hochtemperatur-Wärme-Feuchte-Überträgers (112) oder eine Temperaturleitfähigkeit der Wärme-Feuchte-Übertragungseinrichtung (100) im Bereich des Hochtemperatur-Wärme-Feuchte-Überträgers (112) derart gewählt ist, dass der Niedertemperatur-Wärme-Feuchte-Überträger (116) sicher betreibbar ist. Heat-moisture transmission device ( 100 ) according to claim 3, characterized in that a thermal conductivity of the high-temperature heat-moisture transmitter ( 112 ) or a thermal conductivity of the heat-moisture transmission device ( 100 ) in the region of the high-temperature heat-moisture transmitter ( 112 ) is selected such that the low-temperature heat-moisture transmitter ( 116 ) is safe to operate. Wärme-Feuchte-Übertragungseinrichtung (100) gemäß Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Hochtemperatur-Wärme-Feuchte-Überträger (112) ein größeres Volumen umfasst und/oder länger ausgebildet ist als der Niedertemperatur-Wärme-Feuchte-Überträger (116). Heat-moisture transmission device ( 100 ) according to claim 3 or 4, characterized in that the high-temperature heat-moisture transmitter ( 112 ) comprises a larger volume and / or is designed to be longer than the low-temperature heat-moisture transmitter ( 116 ). Wärme-Feuchte-Übertragungseinrichtung (100) gemäß einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Hochtemperatur-Wärme-Feuchte-Überträger (112) und dem Niedertemperatur-Wärme-Feuchte-Überträger (116) ein Bypassanschluss (114) für eine Entnahme des Betriebsmediums (5, 101/103) eingerichtet ist. Heat-moisture transmission device ( 100 ) according to one of claims 3 to 5, characterized in that between the high-temperature heat-moisture transmitter ( 112 ) and the low-temperature heat-moisture transmitter ( 116 ) a bypass connection ( 114 ) for a removal of the operating medium ( 5 . 101 / 103 ) is set up. Wärme-Feuchte-Übertragungseinrichtung (100) gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Bypassanschluss (114) an einer Bypasskammer (115) in einem Gehäuse (140) der Wärme-Feuchte-Übertragungseinrichtung (100) eingerichtet ist, in welchem bevorzugt sowohl der Hochtemperatur-Wärme-Feuchte-Überträger (112) als auch der Niedertemperatur-Wärme-Feuchte-Überträger (116) untergebracht sind. Heat-moisture transmission device ( 100 ) according to claim 6, characterized in that the bypass connection ( 114 ) at a bypass chamber ( 115 ) in a housing ( 140 ) of the heat-moisture transmission device ( 100 ), in which preferably both the high-temperature heat-moisture transmitter ( 112 ) as well as the low-temperature heat-moisture transmitter ( 116 ) are housed. Wärme-Feuchte-Übertragungseinrichtung (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärme-Feuchte-Übertragungseinrichtung (100), der Wärme-Feuchte-Überträger (110), der Hochtemperatur-Wärme-Feuchte-Überträger (112) und/oder der Niedertemperatur-Wärme-Feuchte-Überträger (116) wenigstens einen Kühlmittelkanal (120) aufweist. Heat-moisture transmission device ( 100 ) according to one of claims 1 to 7, characterized in that the heat-moisture transmission device ( 100 ), the heat-moisture transmitter ( 110 ), the high-temperature heat-moisture transmitter ( 112 ) and / or the low-temperature heat-moisture transmitter ( 116 ) at least one coolant channel ( 120 ) having. Wärme-Feuchte-Übertragungseinrichtung (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärme-Feuchte-Übertragungseinrichtung (100), der Wärme-Feuchte-Überträger (110), der Hochtemperatur-Wärme-Feuchte-Überträger (112) und/oder der Niedertemperatur-Wärme-Feuchte-Überträger (116) wenigstens ein Heizelement (130) aufweist. Heat-moisture transmission device ( 100 ) according to one of claims 1 to 8, characterized in that the heat-moisture transmission device ( 100 ), the heat-moisture transmitter ( 110 ), the high-temperature heat-moisture transmitter ( 112 ) and / or the low-temperature heat-moisture transmitter ( 116 ) at least one heating element ( 130 ) having. Brennstoffzellensystem (1) oder Fahrzeug, insbesondere Elektrofahrzeug, mit einem solchen Brennstoffzellensystem (1), dadurch gekennzeichnet, dass das Brennstoffzellensystem (1) eine Wärme-Feuchte-Übertragungseinrichtung (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9 aufweist. Fuel cell system ( 1 ) or vehicle, in particular electric vehicle, with such a fuel cell system ( 1 ), characterized in that the fuel cell system ( 1 ) a heat-moisture transmission device ( 100 ) according to one of claims 1 to 9.
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