EP-4569557-B1 - FUEL CELL DEVICE FOR A VEHICLE, AND METHOD FOR OPERATING A FUEL CELL DEVICE FOR A VEHICLE

Inventors

• Deinert, Matthias

Dates

Publication Date

20260506

Application Date

20230704

Claims (10)

1. Fuel cell device (10) for a vehicle (F), comprising: - a fuel cell (BZ) with an anode side (A) and a cathode side (K); - a hydrogen supply line (H) connected to the anode side (A) of the fuel cell (BZ); - a recirculation line (RL) with a blower device (ARB) attached to the anode side (A) of the fuel cell (BZ), connected to the anode side (A), and designed to circulate a residual hydrogen content in a hydrogen backflow from the anode side back to the anode side; - a water separator (WA) connected to the recirculation line (RL) and designed to discharge water from the hydrogen backflow from the anode side (A); - a water reservoir (WR) connected to the water separator (WA) and designed to receive the water from the water separator (WA); - a metering device (DE) connected to the water reservoir (WR) and to the recirculation line (RL) and designed to introduce a predetermined quantity of water from the water reservoir (WR) into the recirculation line (RL) and to the blower device (ARB).
2. Fuel cell device (10) according to Claim 1, in which the hydrogen supply line (H) is connected to the recirculation line (RL).
3. Fuel cell device (10) according to Claim 1 or 2, in which the water separator (WA) is integrated into the blower device (ARB).
4. Fuel cell device (10) according to any one of Claims 1 to 3, in which the water reservoir (WR) holds a predetermined minimum volume of water.
5. Fuel cell device (10) according to any one of Claims 1 to 4, wherein the metering device (DE) is mounted on an inlet of the blower device (ARB) in order to load a hydrogen backflow in the recirculation line (RL) with a predetermined quantity of water per unit time.
6. Fuel cell device (10) according to any one of Claims 1 to 5, wherein the metering device (DE) comprises a Venturi nozzle or a metering pump or a drop nozzle.
7. Fuel cell device (10) according to any one of Claims 1 to 6, in which the predetermined quantity of water is at least, less than or equal to 0.2 g/s and can be provided constantly throughout operation of the fuel cell (BZ).
8. Fuel cell device (10) according to any one of Claims 1 to 7, in which the metering device (DE) is connected to the water reservoir (WR) via a first supply line and is connected to the water separator (WA) via a second supply line.
9. Method for operating a fuel cell device (10) for a vehicle (F), comprising the steps: - providing (S1) a fuel cell device (10) according to any one of Claims 1 to 8; - determining (S2) a load range of operation of the fuel cell (BZ), and extrapolating (S3) a predetermined quantity of water in the recirculation line (RL) for a predetermined cooling effect on the blower device (ARB) in a manner corresponding to the determined load range; - introducing (S4) the predetermined quantity of water into the recirculation line (RL) by the metering device (DE), and generating (S5) the predetermined cooling effect on the blower device (ARB).
10. Method according to Claim 9, in which the water reservoir (WR) is filled in a high performance regime of the fuel cell (Z) and the predetermined amount of water in a low performance regime of the fuel cell (Z) is taken from the water reservoir (WR), wherein the high performance regime and the low performance regime can be determined according to a predetermined limit value.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennstoffzelleneinrichtung für ein Fahrzeug und ein Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzelleneinrichtung für ein Fahrzeug. Stand der Technik In einem Brennstoffzellensystem wird im Anodenkreis der Wasserstoff aus dem Mitteldruckbereich der Brennstoffzelle zugeführt. Dabei wird typischerweise ein Regelventil zur bedarfsgerechten Dosierung des Wasserstoffes und eine Gebläsevorrichtung verwendet. Ein Rezirkulationsgebläse, nachfolgend ARB (Anode Recirculation Blower) genannt, im Brennstoffzellensystem dient dazu, den unverbrauchten Wasserstoff, aus dem Auslass der Brennstoffzelle (Stack) wieder in den Zulauf zurückzuführen. Er ist Teil des Anodensubsystems bei dem in der Regel ein vorgelagerter Wasserabscheider integriert ist. Da der vorgelagerte Wasserabscheider das Prozesswasser meist nicht vollständig abscheiden kann, werden ARBs eingesetzt, die einen integrierten Wasserabscheider aufweisen. Die Menge des Prozesswassers aus der Brennstoffzelle entsteht insbesondere im Betrieb mit hohen Stackleistungen oder hohen Stack-Strömen. Damit ergeben sich niedrige Wassermengen am ARB-Einlass, wenn das Brennstoffzellensystem im niedrigen Last bzw. Teillastbereich arbeitet bzw. hohe im Vollastbereich. Die Last des ARBs in einem Brennstoffzellensystem, mit einer Kombination aus ARB und Saugstrahlpumpe im Rezirkulationspfad kann für niedrige Stack-Leistungen/Ströme am höchsten sein. Wird eine hohe Leistung der Brennstoffzelle gefordert, wird genügend Wasserstoff aus dem Tanksystem entnommen, dass als Treibmenge für die Saugstrahlpumpe dient und diese dann die Rezirkulation des unverbrauchten Wasserstoffs übernimmt. In diesem Betriebsbereich braucht der ARB keine bzw. kaum Leistung aufbringen. Beim Betrieb des ARBs entsteht Abwärme. Zur Kühlung des ARBs werden üblicherweise aktive Kühlkonzepte eingesetzt in dem z.B. das Gehäuse mit Kühlmittel durchströmt wird. Diese Art von Kühlkonzept erfordert jedoch einen erheblichen Mehraufwand in Form von zusätzlichen Kühlkanälen, Dichtstellen und Anschlussstutzen. Wird der ARB mit freiem Prozesswasser durchströmt bzw. durch den integrierten Wasserabscheider abgeschieden, ergibt sich gegenüber einem wasserfreien Gasgemisch eine Kühlwirkung. US6117577A beschreibt ein Brennstoffzellensystem mit einem Brennstoffzellenstapel, einem Wasserstoff-Rezirkulationspfad und einem Wasserabscheider, der auch als Wasserreservoir dient. Nach dem Stapel wird der Wasserstoff zunächst durch den Wasserabscheider und dann zur Wasserstoffpumpe geleitet. DE102020212178A1 offenbart ein System, bei dem das aus dem Brennstoffzellenstapel austretende Anodengas zunächst einem Wasserabscheider zugeführt wird, bevor es rezirkuliert wird. Das abgeschiedene Wasser wird gesammelt und über ein Drainventil entfernt, während ein Gebläse und eine Saugstrahlpumpe die Rezirkulation und Mischung mit frischem Wasserstoff ermöglichen. US5366818A zeigt ein Brennstoffzellensystem, bei dem der Ausgangsbrennstoffstrom zu einem Wasserabscheider geleitet wird, der Wasser kondensiert und Gas trennt. Das entfeuchtete Gas wird anschließend über einen Wasserstoffrückführkompressor rezirkuliert und durch einen Entionisierungsfilter gereinigt. US2022093943A1 beschreibt ein Brennstoffzellensystem mit einer Fördereinheit, die ein Rezirkulationsgebläse, eine Strahlpumpe und ein Dosierventil umfasst. Wasser wird im Anodenkreislauf mithilfe eines Separators und/oder des Gebläses abgeschieden und über ein Ablassventil aus dem System entfernt. Offenbarung der Erfindung Die vorliegende Erfindung schafft eine Brennstoffzelleneinrichtung für ein Fahrzeug nach Anspruch 1 und ein Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzelleneinrichtung für ein Fahrzeug nach Anspruch 9. Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche. Vorteile der Erfindung Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Idee besteht darin, eine Brennstoffzelleneinrichtung für ein Fahrzeug und ein Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzelleneinrichtung für ein Fahrzeug anzugeben, wobei eine Kühlung des Gebläses in der Rezirkulation durch das Prozesswasser aus der Brennstoffzelle verbessert werden kann. Erfindungsgemäß umfasst die Brennstoffzelleneinrichtung für ein Fahrzeug eine Brennstoffzelle mit einer Anodenseite und einer Kathodenseite; eine Wasserstoffzufuhrleitung, welche mit der Anodenseite der Brennstoffzelle verbunden ist; eine Rezirkulationsleitung mit einer Gebläsevorrichtung, welche an der Anodenseite der Brennstoffzelle angebracht ist und mit der Anodenseite verbunden ist und dazu eingerichtet ist, einen Restgehalt an Wasserstoff in einem Wasserstoffrückfluss von der Anodenseite zu dieser zurück zu zirkulieren; einen Wasserabscheider, welcher mit der Rezirkulationsleitung verbunden ist und welcher dazu eingerichtet ist, Wasser aus dem Wasserstoffrückfluss von der Anodenseite herauszuleiten; ein Wasserreservoir, welches mit dem Wasserabscheider verbunden ist und dazu eingerichtet ist, das Wasser vom Wasserab