CN108292764B - 用于燃料电池的阴极再循环的组件以及用于阴极再循环的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于燃料电池系统(1)的燃料电池(10)的阴极再循环的组件，其具有用于燃料电池(10)的阴极供给部(30)，该阴极供给部(30)具有阴极供给路径(31)和阴极废气路径(32)，并且，燃料电池(10)的堆垛壳体(16)的冲洗循环(50)流体机械地联接到阴极供给部(30)处，其中，借助于在阴极供给部(30)和/或冲洗循环(50)中的再循环流体压力生成器(33,53)可使再循环流体(7)在阴极供给部(30)和冲洗循环(50)中再循环。此外，本发明涉及一种用于车辆、尤其电动车的燃料电池系统(1)的燃料电池(10)的阴极再循环的方法，其中，输送再循环流体(7)通过阴极供给路径(31)、通过燃料电池(10)的阴极腔并且通过阴极废气路径(32)，并且，此外输送再循环流体(7)通过用于燃料电池(10)的堆垛壳体(16)的冲洗循环(50)以及堆垛壳体(16)。

Description

用于燃料电池的阴极再循环的组件以及用于阴极再循环的 方法
技术领域
本发明涉及一种用于燃料电池系统的燃料电池的阴极再循环的组件。此外，本发明涉及一种用于阴极再循环的方法以及一种用于燃料电池系统的燃料电池的堆垛壳体冲洗的方法。此外，本发明涉及一种燃料电池系统和/或具有这种燃料电池系统的车辆、尤其电动车。
背景技术
燃料电池利用燃料与氧气电化学转化成水用于生成电能。为此，作为核心部件，燃料电池包含至少一个所谓的膜片电极单元(英文Membrane Electrode Assembly，缩写MEA)，其为由起引导离子作用的、常常起引导质子作用的膜片和布置在膜片两侧的电极(阳极电极和阴极电极)组成的组织(Gefüge)。此外，气体扩散层(GDL)可在膜片电极单元两侧布置在电极的背离膜片的侧处。
通常，燃料电池借助于多个布置成堆垛(英文Stack)的膜片电极单元构造，其中，在燃料电池的运行时其电功率累加。在单个膜片电极单元之间大多布置双极板，也称为流场板(Flussfeldplatte)或隔离板，其保证利用运行介质、所谓的反应物供给膜片电极单元、即供给燃料电池的单电池，并且通常也用于冷却。此外，双极板负责至膜片电极单元的电接触。
在燃料电池的单电池的运行中，燃料、所谓的阳极运行介质、尤其氢气(H2)或含氢气的气体混合物经由双极板的在阳极侧敞开的流场被输送给阳极电极，在该阳极电极处，在释放电子(e-)的情况下进行从H2到H+的电化学的氧化(H2→2H++2e-)。穿过使反应腔气体密封地彼此分离且电隔离的膜片电极单元的膜片或电解质，以含水或无水的方式将质子(H+)从在单电池的阳极腔中的阳极电极(燃料电池的已组合而成的阳极)输送到在单电池的阴极腔中的阴极电极(燃料电池的已组合而成的阴极)处。在阳极处提供的电子通过电导线和电消耗器(电动机)引向阴极。
经由双极板的在阴极侧敞开的流场将所谓的阴极运行介质、尤其氧气(O2)或含氧气的气体混合物、例如空气输送给阴极电极，其中，在吸收电子的情况下进行从O2到O2-的还原(½O2+2e-→O2-)。同时，在阴极电极处形成的氧离子(O2-)在形成水的情况下与被输送穿过膜片或电解质的质子反应(2H++O2-→H2O)。
为了利用运行介质供给燃料电池堆垛、以下主要称为燃料电池，该燃料电池堆垛或燃料电池一方面具有阳极供给部并且另一方面具有阴极供给部。阳极供给部具有用于将阳极运行介质输送到燃料电池的阳极腔中的阳极供给路径和用于将阳极废气从阳极腔中导出的阳极废气路径。相似地，阴极供给部具有用于将阴极运行介质输送到燃料电池的阴极腔中的阴极供给路径和用于将阴极废气从阴极腔中导出的阴极废气路径。
同样见图2中的现有技术，对于燃料电池系统1的使用寿命来说重要的是，避免损坏燃料电池10自身的状态。当在燃料电池10起动时在单电池11的膜片的阳极侧以及阴极侧存在氧气时(空气-空气-起动的问题)，这种损坏、尤其退化那么尤其出现。由于该原因，从燃料电池系统1和运行策略方面应确保，仅仅很少出现这种状态。为此尤其重要的是，如何关闭燃料电池系统1。在此，在关闭燃料电池系统1时，尽可能好地将阴极供给部30排空氧气。这大多通过用于消除剩余存在的氧气的阴极再循环实现，从而至少在燃料电池10处在阴极供给部30中基本上仅在阴极流体中还存在氮气。
在燃料电池10继续发展的进程中，力求的是，进一步显著地减小电极的铂含量，以节省成本。由此，为了实现燃料电池10的力求的使用寿命，避免有害的运行状态越发重要。此外不能防止，氢气从燃料电池10中扩散到环境中。为了保护燃料电池10，附加地需要堆垛壳体16，由此，若有可能氢气可聚集在堆垛壳体16之内。为了避免在堆垛壳体16之内的可燃混合物，设置穿过堆垛壳体16的壳体通风区间51。此外，为了证明遵守了法律规定的排放标准，在不仅阴极废气路径32的而且堆垛壳体16的流体输出部处使用氢气传感器44,45，借助于该氢气传感器可感测若有可能逸出到环境中的氢气。
在现有技术中，此外借助于使用相对在阴极附近的在阴极供给部30中的相对流体密封的锁止阀45,46用于使燃料电池10与环境2分隔，进行燃料电池10的保护。此外，阴极再循环大多借助于阴极压缩机33来设立。此外，可在电极中使用提高含量的铂以补偿退化。在现有技术中，借助于壳体通风机53，进行堆垛壳体16的与阴极再循环平行的通风。备选地，可借助于喷射泵实现通风。所有这需要相对大的结构空间需求、附加的构件、以及在密封性方面对锁止阀45,46的高要求，其中，不能实现值得期望的完全的密封性。此外，在霜冻的情况中，在锁止阀45,46打开时可能得出问题。除了在燃料电池系统的制造、装配和维护时提高的消耗，得出提高的成本。
发明内容
本发明的目标是，克服燃料电池的退化，而在此在电极中不使用提高的贵金属含量以补偿退化，而是可保持或降低在电极中的贵金属含量。也就是说，在燃料电池系统和运行策略方面，根据本发明应保证，最多较少地出现燃料电池的空气-空气-起动(Luft-Luft-Start)。这应可利用简单且成本适宜的手段实现和执行。
本发明的任务借助于根据独立权利要求所述的用于燃料电池系统的燃料电池的阴极再循环的组件、通过用于燃料电池的阴极再循环的方法、通过用于燃料电池的堆垛壳体冲洗的方法、借助于燃料电池系统和/或借助于车辆、尤其电动车实现。从从属专利权利要求和以下描述中得出本发明的有利的改进方案、附加的特征和/或优点。
根据本发明的用于阴极再循环的组件包括用于燃料电池的阴极供给部，该阴极供给部具有阴极供给路径和阴极废气路径，其中，燃料电池的堆垛壳体的冲洗循环流体机械地联接到该阴极供给部处，并且借助于在阴极供给部中和/或在冲洗循环中的再循环流体压力生成器可使再循环流体在阴极供给部中和在冲洗循环中再循环。在此，燃料电池的阴极腔可形成组件的区段，其中，阴极腔流体机械地接通在阴极供给路径和阴极废气路径之间。
根据本发明，实现燃料电池的传统的壳体通风的功能性与在燃料电池系统的阴极处的传统的再循环的功能性的组合。在根据本发明的阴极再循环中，壳体通风通过冲洗循环实现，并且在阴极处穿过阴极供给部的再循环共同或同时借助于保留在阴极供给部中以及冲洗循环中的流体(再循环流体)实现。在此，再循环流体由在阴极供给路径中的流体(主要地即为空气)、在阴极废气路径中的流体(即为阴极废气)、以及在冲洗循环中的流体(主要地同样为空气)组成。
因为在燃料电池系统中总归需要对燃料电池的堆垛壳体通风，根据本发明不需要附加的构件。也就是说，可使用当前可用的且成本适宜的部件。仅仅必须将来自现有技术的壳体通风区间的流体出口流体机械地联接到阴极废气路径处。由此，可节省氢气传感器，因为，冲洗循环和阴极供给部共享在阴极废气路径中/处的共同的流体输出部，为了证明遵守了法律规定的排放标准的目的，其具有氢气传感器。
在实施例中，冲洗循环一方面与阴极供给路径并且另一方面与阴极废气路径流体机械地相联结。在此，冲洗循环优选地在阴极压缩机的上游、尤其在空气过滤器处流体机械地联接到阴极供给路径处。此外，冲洗循环优选地在阴极涡轮的下游、尤其在氢气传感器的上游流体机械地联接到阴极废气路径处。
借助于相对大的、可排空氧气的体积(阴极供给部加上相对大体积的冲洗循环)，得出长时间保护在阴极侧的氧气不进入到燃料电池中并且从该处经由燃料电池的膜片电极单元的膜片到燃料电池的阳极侧上。若有可能，根据本发明，可省去锁止阀，只要空气过滤器可承担该功能性。
在实施例中，再循环流体压力生成器构造成在阴极供给路径处/中的阴极压缩机或者构造为在冲洗循环处/中的壳体通风机。在壳体通风机用作再循环流体压力生成器时，根据本发明得出能量节省，因为壳体通风机与阴极压缩机相比具有相对小的功率消耗。在实施例中，在阴极废气路径处/中，在冲洗循环到阴极废气路径处的流体机械的联接部下游，设置调整器件，尤其锁止阀。术语“下游”在此针对在燃料电池的正常运行状态中阴极废气的流体流动方向。
根据本发明，为了阴极再循环，阴极供给路径、阴极废气路径和冲洗循环流体机械地串联。利用阴极压缩机作为再循环流体压力生成器，从阴极压缩机出发，可由再循环流体穿流阴极供给路径、燃料电池的阴极腔、阴极废气路径(即阴极供给部)和冲洗循环(包括燃料电池的堆垛壳体)。利用壳体通风机作为再循环流体压力生成器，从壳体通风机出发，可由再循环流体穿流冲洗循环的一部分(优选地包括燃料电池的堆垛壳体)、阴极废气路径、燃料电池的阴极腔、阴极供给路径(即阴极供给部)并且又穿流冲洗循环的一部分(若有可能包括燃料电池的堆垛壳体)。
根据本发明，此外可实现简单的堆垛壳体冲洗，其中，从环境中吸入的空气借助于壳体通风机可被运输或输送通过作为冲洗区间的壳体通风循环一次，并且从此处经由壳体通风循环到阴极废气路径处的流体机械的联接部穿过与此有关下游的阴极废气路径到环境中。
在根据本发明的再循环方法中，穿过运输或输送再循环流体通过阴极供给路径、通过燃料电池的阴极腔并且通过阴极废气路径，其中，此外穿过运输或输送再循环流体通过用于燃料电池的堆垛壳体的冲洗循环以及堆垛壳体。在此，在以下提到的实施例中同样又得出上面提到优点。
在实施例中，借助于再循环流体压力生成器使再循环流体通过阴极供给路径、燃料电池的阴极腔、阴极废气路径和冲洗循环包括堆垛壳体循环或者反过来，如此长地循环，直至基本上消除在再循环流体中的全部氧气。此外，再循环流体可借助于再循环流体压力生成器运输或输送，其中，再循环流体压力生成器优选地构造成在阴极供给路径处/中的阴极压缩机，和/或优选地构造成在冲洗循环处/中的壳体通风机。
在实施例中，对于借助于阴极压缩机作为再循环流体压力生成器运输或输送再循环流体的情况，壳体通风机是被动接通的或壳体通风机被动接通。此外，对于借助于壳体通风机作为再循环流体压力生成器运输或输送再循环流体时，阴极压缩机可为被动接通的或阴极压缩机被动接通。
在根据本发明的堆垛壳体冲洗方法中，借助于壳体通风机使冲洗流体冲洗穿过冲洗区间和燃料电池的堆垛壳体，其中，冲洗流体此外冲洗穿过阴极废气路径的下游的区段并且从该处被释放到环境中。也就是说，实际的冲洗区间包括通过堆垛壳体、在氢气传感器上游冲洗区间到阴极废气路径处的流体机械的联接部以及与此有关下游的阴极废气路径直至环境的冲洗区间。在此，冲洗流体、大多来自环境的空气优选地直接在空气过滤器或空气过滤器箱处被吸入。
用于车辆、尤其电动车的根据本发明的燃料电池系统或根据本发明的车辆、尤其电动车，可具有根据本发明的用于阴极再循环的组件。此外，通过根据本发明的燃料电池系统或根据本发明的车辆可执行根据本发明的用于阴极再循环的方法(再循环方法)和/或根据本发明的用于堆垛壳体冲洗的方法(堆垛壳体冲洗方法)。
附图说明
下面参考所附示意图根据实施例更详细地解释本发明。具有相同的、非引用的或相似的构造和/或功能的元件、构件或部件在附图描述、参考符号列表和权利要求中设有相同的参考符号和/或在图纸的图中以相同的参考符号标记。从参考符号列表中可得知对于本发明的所解释的实施例的可能的在描述中未解释的、在图纸中未示出的和/或未确定的备选方案、静态的和/或动态的反转、组合等等或其单个组合件、零件或区段。
所有所解释的特征、还有参考符号列表的特征不仅可以以一种或多种说明的组合应用，而且可以以一种或多种其它组合或者单独地应用。尤其可行的是，根据在本发明的描述、附图描述和/或参考符号列表中的参考符号以及与其相关联的特征，替换在本发明的描述和/或附图描述中的一个特征或多个特征。此外，由此一个特征或多个特征可在专利权利要求中设计、更详细地指定和/或替代。在图纸的图中：
图1示出了根据本发明的燃料电池系统的一种优选的实施方式的简化框形图；
图2示出了根据现有技术的用于燃料电池的阴极供给部以及壳体通风区间的框形图；
图3示出了用于根据本发明的燃料电池的阴极供给部以及冲洗循环的第一实施方式的框形图，具有壳体通风机作为再循环流体压力生成器；
图4示出了框形图，其说明，冲洗循环可在何处流体机械地联结到作为用于燃料电池的阴极再循环的组件的阴极供给部处；以及
图5示出了用于根据本发明的燃料电池的阴极供给部以及冲洗循环的第二实施方式的框形图，带有阴极压缩机作为再循环流体压力生成器。
具体实施方式
根据用于车辆所用的燃料电池系统1的燃料电池10的阴极再循环所用的组件的两种实施方式以及用于阴极再循环的方法和用于车辆的燃料电池系统1的燃料电池10的堆垛壳体冲洗的方法详细解释本发明。然而，本发明不限于这种实施方式和/或以下解释的实施例，而是具有基本的性质，从而其可用于阴极再循环的所有组件以及用于(例如用于静态燃料电池系统的)阴极再循环和/或用于堆垛壳体冲洗的方法。尽管通过优选的实施例更详细地描述和说明本发明，本发明不受公开的实施例限制。由此可在不离开本发明的保护范围的情况下推导出其它变型方案。
图1示出了根据本发明的一种优选的实施方式的燃料电池系统1。燃料电池系统1优选地是未另外示出的车辆、尤其机动车或电动车的一部分，该车辆优选地具有电牵引马达，该电牵引马达可通过燃料电池系统1供给以电能。
燃料电池系统1包括燃料电池10或燃料电池堆垛10作为核心部件，该燃料电池10或燃料电池堆垛10优选地具有多个布置成堆垛形式的燃料电池(以下被称为单电池11)并且安装在流体密封的堆垛壳体16中。每个单电池11包括阳极腔12和阴极腔13，其中，阳极腔12和阴极腔13由膜片(膜片电极单元14的一部分，见以下)、优选地由有传导离子能力的聚合电解质膜片空间上且电地彼此分离(见细节局部图)。燃料电池堆垛10也简单地被称为燃料电池10。
燃料电池10的阳极腔12和阴极腔13以受限的方式分别具有催化电极(膜片电极单元14的一部分，见以下)、也就是说阳极电极和阴极电极，该阳极电极和阴极电极分别催化燃料电池转化的部分反应。阳极电极和阴极电极分别具有催化材料、例如铂，其以承载的方式存在于具有较大的特殊表面、例如以碳为基础的材料的导电的载体材料上。
由膜片和对此从属的电极组成的组织也被称为膜片电极单元14。在两个这种膜片电极单元14(在图1中仅仅指出单个膜片电极单元14)之间，此外布置有指出的双极板15，其用于将运行介质3,5输送到第一单电池11的相关的阳极腔12中以及直接与其邻近的第二单电池11的相关的阴极腔13中，并且此外实现在两个直接彼此邻近的单电池11之间的电连接。
在双极板15和膜片电极单元14的直接与其邻近的阳极电极之间构造阳极腔12，并且在相同的膜片电极单元14的阴极电极和直接与其邻近的第二双极板15之间构造阴极腔13。可选地，在膜片电极单元14和双极板15之间可布置气体扩散层。即，在燃料电池堆垛10中或在燃料电池10中，交替地布置或堆垛膜片电极单元14和双极板15。
为了利用运行介质3,5供给燃料电池堆垛10或燃料电池10，燃料电池系统1一方面具有阳极供给部20并且另一方面具有阴极供给部30。
阳极供给部20包括阳极供给路径21，其用于将阳极运行介质3、燃料3、例如氢气3或含氢气的气体混合物3输送到燃料电池10的阳极腔12中。为了该目的，阳极供给路径21使燃料储存器23或燃料箱23与燃料电池10的阳极输入部相连接。阳极供给部20此外包括阳极废气路径22，其通过燃料电池10的阳极输出部将阳极废气4从阳极腔12中穿过导出。优选地，可借助于在阳极供给路径21中的调整器件24调整在燃料电池10的阳极侧上构建的阳极运行压力。
此外，阳极供给部20优选地具有燃料再循环管路25，该燃料再循环管路25使阳极废气路径22与阳极供给路径21流体机械地相连接。(即实际上优选地待装载的燃料3)阳极运行介质3的再循环常常设立成用于引回并利用燃料电池10的多半燃料贫乏地应用的阳极运行介质3。在燃料再循环管路25中，优选地布置另一调整器件26，借助于该调整器件26可调整再循环率。此外，在燃料电池再循环管路25处/中可设置压缩机(未示出)。
阴极供给部30包括阴极供给路径31，其将含氧气的阴极运行介质5、优选地空气5输送给燃料电池10的阴极腔13，该空气5尤其从环境2中被吸入。阴极供给部30此外包括阴极废气路径32，其将阴极废气6、尤其排出空气6从燃料电池10的阴极腔13中导出，并且将其输送给若有可能设置的废气设备43(在图1中未示出，见图2至5)。
为了输送和压缩阴极运行介质5，优选地在阴极供给路径31处/中布置阴极压缩机33。在所示出的实施方式中，阴极压缩机33设计成仅仅或者同样电动驱动的阴极压缩机33，其驱动借助于电动机34或驱动器34进行，该电动机34或驱动器34优选地装备有相应的功率电子装置35。优选地，阴极压缩机33构造成电涡轮增压器(英文Electric Turbo Charger，缩写ETC)。阴极压缩机33此外可通过布置在阴极废气路径32中的具有若有可能可变的涡轮几何结构的阴极涡轮36以借助于共同的轴(在图1中未示出，见图2至5)支持的方式来驱动。阴极涡轮36是膨胀器，其引起阴极废气6的膨胀并且由此引起其流体压力的下降(燃料电池系统1的效率的提高)。
根据所示出的实施方式，阴极供给部30此外可具有废气门37或废气门管路37，该废气门37或废气门管路37使阴极供给路径31或阴极供给管路与阴极废气路径32或阴极废气管路相连接，即为用于燃料电池10的旁路。废气门37允许，暂时减小在燃料电池10中的阴极运行介质5的质量流，而不关闭阴极压缩机33或利用阴极运行介质5的相应的质量流供给燃料电池10，该质量流位于阴极压缩机33的运行区域之外。布置在废气门37中的调整器件38允许调整可能包围燃料电池10的阴极运行介质5的体积流。
燃料电池系统1的所有调整器件24,26,38,47,48(也见以下)可构造成可调节的、可控制的或不可调节的阀、阀门、节流件等。为了进一步使燃料电池10与环境2隔离(见图2)，可在阳极路径(21),(22)和/或阴极路径31,32或阳极路径(21),(22)的管路和/或阴极路径31,32的管路中布置至少一个另外的相应的调整器件(45),(46)。
优选的燃料电池系统1此外具有湿气传输器39。湿气传输器39一方面如此布置在阴极供给路径31中，使得其可由阴极运行介质5穿流。另一方面，湿气传输器如此布置在阴极废气路径32中，使得其可由阴极废气6穿流。湿气传输器39一方面在阴极供给路径31中优选地布置在阴极压缩机33和燃料电池10的阴极输入部之间，并且另一方面在阴极废气路径32中布置在燃料电池10的阴极输出部和若有可能设置的阴极涡轮36之间。湿气传输器39的湿气传输器优选地具有多个膜片，其常常或者面型地(见图3)或者以空心纤维的形式(未示出)构造。
在简化的图1中，出于可见性原因，未示出燃料电池系统1或燃料电池10/燃料电池堆垛10、阳极供给部20和阴极供给部30的不同的另外的细节。因此，湿气传输器39可在阴极供给路径31(见图3至5中的湿气传输器旁路40)方面和/或在阴极废气路径32方面借助于旁路管路被绕开。此外，在阴极废气路径32方面可设置涡轮旁路管路，该涡轮旁路管路绕开阴极涡轮36。
此外，在阳极废气路径22和/或阴极废气路径32中可安装水分离器，借助于该水分离器可凝结和/或可分离从燃料电池10的相关的部分反应中产生的产物水并且如有必要可将其导出到水收集器中。此外，阳极供给部20备选地或附加地可具有与阴极供给部30相似的湿气传输器39。此外，阳极废气路径22可通到阴极废气路径32中或者反过来，其中，阳极废气4和阴极废气6若有可能可经由共同的废气设备43(图2至5)被导出。
阴极(再)循环(也见在图3和5中的弯曲的箭头30)是有效的措施以用于防止相对长的持续时间，即，在燃料电池10的切断状态中不出现氧气进入到燃料电池10的阴极腔13中并且由此不导致在燃料电池10重新起动时的空气-空气-起动。在此，保留在阴极供给部30中的再循环流体7(大多为空气/废气混合物)如此长地在阴极供给部30的循环中被输送，直至基本上以控制的方式消除所有在再循环流体7中的氧气，并且仅还保留再循环流体7的剩余组成部分、即主要为氮气。
本发明在于，从现有技术中已知的具有在燃料电池10的堆垛壳体16下游的流体出口52的壳体通风区间51(见图2和开头提到的现有技术)被包含到阴极再循环中，其中，燃料电池10的若有可能暂时的冲洗循环50(见图3和5中的弯曲的箭头50)是来自壳体通风区间51。在此，可省去在流体出口52处/中的氢气传感器54以及流体出口52(见图2)。根据本发明，在此一方面在阴极供给路径51处/中的以及另一方面在阴极废气路径32处/中的冲洗循环50流体机械地或者不仅联接到阴极供给路径31处而且联接到阴极废气路径32处。
此外，本发明在于，为了在阴极处的再循环以及同样冲洗循环50的同时冲洗(两者在此共同地被称为阴极再循环)，可使用通风机53作为再循环流体压力生成器53，其也用于堆垛壳体16的通风。根据本发明，这种壳体通风机53可直接在空气过滤器42处或空气过滤器箱42处从阴极供给路径31中吸入再循环流体7(见图3)，输送再循环流体7通过堆垛壳体16，输送给阴极废气路径32，从该处开始，再循环流体7经过燃料电池10的阴极腔13和阴极供给路径31直至空气过滤器42，从该处开始，再循环流体7又进入到冲洗循环50中(在图3中的虚线箭头)。
为了在燃料电池10的切断状态中阴极供给部30可由再循环流体7穿流，在阴极供给部30的两个孔中的至少一个处/中需要附加的调整器件47,48(仅仅在图4中指出了调整器件48)、尤其锁止阀47,48。因为在阴极废气路径32中若有可能无论如何需要调整器件47、例如阀门47或锁止阀47用于控制/调节质量流或流体压力，其可对此被使用。如果在燃料电池10的切断状态中断开阴极压缩机33并且闭合调整器件47，阴极供给部30在冲洗循环50到阴极废气路径32处的流体机械的联接部和冲洗循环50在阴极供给路径3处的吸入部之间以相比于燃料电池10的正常运行相反的顺序被穿流。
在阴极供给部30中和在冲洗循环50中不再存在氧气之后，在由燃料电池10提供的电压处显而易见的是，可完全关掉燃料电池系统10。可选地，燃料电池10的阴极附加地为了减小氧气扩散可通过若有可能附加的阀47,48(也见图4)封闭，然而其非强制性地具有对密封性的必要地较高要求。在此，可使用标准阀门47,48。
图4示出了冲洗循环50到阴极供给部30处的备选的联接可能性(虚线)。原则上，可在阴极供给路径31的整个区间处进行冲洗循环50的第一流体联接。因此，关于在燃料电池10的正常运行中在阴极供给路径31中的传统的流动方向，可例如在空气过滤器42上游、阴极压缩机33上游、压缩空气冷却器41上游或下游、在废气门37处/中(在调整器件38之前的供给路径侧)、或者在湿气传输器39或供给路径侧的湿气传输器旁路40下游，进行第一流体联接。
原则上，冲洗循环50的第二流体联接可在阴极废气路径32的整个区间上进行。因此，关于在燃料电池10的正常运行中在阴极废气路径32中的传统的流动方向，在湿气传输器39或废气路径侧的湿气传输器旁路(未示出)的上游或下游、在废气门37处/中(在调整器件38之前的废气路径侧)、或者在阴极涡轮36上游或下游，进行第二流体联接。此外，调整器件(对比图4)可设置在冲洗循环50处/中。
根据本发明，不仅壳体通风机53而且阴极压缩机33可用作用于阴极再循环的再循环流体压力生成器53,33。优选的是，使用壳体通风机53，因为其可能量上更适宜地运行(见以上)。图5示出了借助于阴极压缩机33作为再循环流体压力生成器33的阴极再循环，其中，在此阴极再循环以相对借助于壳体通风机53的阴极再循环相反的顺序进行。也就是说，从阴极压缩机33开始，由再循环流体7首先穿流阴极供给路径31(部分区段地)、燃料电池10的阴极腔13、阴极废气路径32、冲洗循环50的第一区段、堆垛壳体16、冲洗循环50的第二区段以及再次穿流阴极供给路径31(部分区段地)直至阴极压缩机33(在图5中的虚线箭头)。
仅仅堆垛壳体16的冲洗也是可行的(功能性，堆垛壳体冲洗)，其中，为此打开调整器件47。若有可能，闭合调整器件48(非根据图4的实施例)。在此，壳体通风机53例如在空气过滤器42处或在空气过滤器箱42处吸入冲洗空气，将该冲洗空气通过冲洗循环50包括堆垛壳体16输送到在氢气传感器44上游的阴极废气路径32中，从该处开始，冲洗空气经过打开的调整器件47并且若有可能经过废气设备43或消声器43且逸出到环境2中。
参考符号清单
1 优选地用于具有电动机、尤其电牵引马达的车辆的燃料电池系统，燃料电池机组
2 环境
3 运行介质，反应物，尤其阳极运行介质，实际的燃料，优选地氢气或含氢气的气体混合物
4 废气，包括液态的水，尤其阳极废气
5 运行介质，反应物，尤其阴极运行介质，优选地空气
6 废气，包括液态的水，尤其阴极废气，优选地排出空气
7 再循环流体：在阴极供给部30(包括阴极腔13)以及冲洗循环50(包括堆垛壳体16)中保留的流体，空气废气混合物
10 燃料电池，燃料电池堆垛
11 具有燃料电池10的阳极的阳极电极和燃料电池10的阴极的阴极电极的单电池，单个燃料电池
12 单电池11的阳极腔
13 单电池11的阴极腔
14 具有优选的聚合电解质膜片以及阳极电极和阴极电极的膜片电极单元
15 双极板，流场板，隔离板
16 燃料电池10的堆垛壳体
20 燃料电池供给部，阳极供给部，燃料电池10或燃料电池堆垛10的阳极循环
21 路径，供给路径，流动路径，阳极供给路径
22 路径，废气路径，流动路径，阳极废气路径
23 燃料储存器，具有阳极运行介质3的燃料箱
24 调整器件，可调节的、可控制(操控)的、不可调节的、尤其阀、阀门、节流件等
25 燃料再循环管路
26 调整器件，可调节的、可控制(操控)的、不可调节的、尤其阀、阀门、节流件等
30 燃料电池供给部，阴极供给部，燃料电池10或燃料电池堆垛10的阴极循环
31 路径，供给路径，流动路径，阴极供给路径
32 路径，废气路径，流动路径，阴极废气路径
33 压缩机，阴极压缩机，压缩器，涡轮增压器，
34 马达，尤其电动机或驱动器(若有可能包括传动机构)
35 电子装置，尤其用于马达34的功率电子装置
36 具有若有可能可变的涡轮几何结构的涡轮，阴极涡轮，再循环流体压力生成器，膨胀器
37 废气门，废气门管路
38 调整器件，可调节的、可控制(操控)的、不可调节的、尤其阀、阀门、节流件等
39 湿气传输器，加湿器
40 湿气传输器旁路
41 压缩空气冷却器
42 空气过滤器，空气过滤器箱
43 废气设备，消声器
44 氢气传感器
45 用于阴极供给路径31的锁止阀(现有技术)
46 用于阴极废气路径32的锁止阀(现有技术)
47 调整器件，可调节的、可控制(操控)的、不可调节的、尤其用于阴极废气路径32的锁止阀
48 调整器件，可调节的、可控制(操控)的、不可调节的、尤其用于阴极供给路径31的锁止阀
50 燃料电池10的冲洗/壳体通风循环，用于功能性堆垛壳体冲洗的冲洗区间
51 壳体通风区间(现有技术)
52 壳体通风区间的流体出口(现有技术)
53 壳体通风机，再循环流体压力生成器
54 氢气传感器(现有技术)。

Claims (19)

1.一种用于燃料电池系统(1)的燃料电池(10)的阴极再循环的组件，其具有用于所述燃料电池(10)的阴极供给部(30)，所述阴极供给部(30)具有阴极供给路径(31)和阴极废气路径(32)，其特征在于，所述燃料电池(10)的堆垛壳体(16)的冲洗循环(50)不同于所述阴极供给部(30)并且流体机械地联接到所述阴极供给部(30)处，其中，借助于在所述阴极供给部(30)中和/或在所述冲洗循环(50)中的再循环流体压力生成器(33,53)可使再循环流体(7)在所述阴极供给部(30)和在所述冲洗循环(50)中再循环。
2.根据权利要求1所述的组件，其特征在于，所述冲洗循环(50)一方面与所述阴极供给路径(31)并且另一方面与所述阴极废气路径(32)流体机械地相联结，其中，所述冲洗循环(50)流体机械地联接到所述阴极供给路径(31)处，并且，所述冲洗循环(50)流体机械地联接到所述阴极废气路径(32)处。
3.根据权利要求2所述的组件，其特征在于，所述冲洗循环(50)在阴极压缩机的上游流体机械地联接到所述阴极供给路径(31)处。
4.根据权利要求2所述的组件，其特征在于，所述冲洗循环(50)在空气过滤器(42)处流体机械地联接到所述阴极供给路径(31)处。
5.根据权利要求2所述的组件，其特征在于，所述冲洗循环(50)在阴极涡轮(36)的下游流体机械地联接到所述阴极废气路径(32)处。
6.根据权利要求2所述的组件，其特征在于，所述冲洗循环(50)在氢气传感器(44)的上游流体机械地联接到所述阴极废气路径(32)处。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的组件，其特征在于，所述再循环流体压力生成器(33,53)构造为在所述阴极供给路径(31)处/中的阴极压缩机或者构造为在所述冲洗循环(50)处/中的壳体通风机。
8.根据权利要求1至6中任一项所述的组件，其特征在于，在所述阴极废气路径(32)处/中，在所述冲洗循环(50)到所述阴极废气路径(32)处的流体机械的联接部下游，设置有调整器件(47)。
9.根据权利要求8所述的组件，其特征在于，所述调整器件(47)是锁止阀。
10.一种用于燃料电池系统(1)的燃料电池(10)的阴极再循环的方法，其中，穿过输送再循环流体(7)通过阴极供给路径(31)、通过所述燃料电池(10)的阴极腔并且通过阴极废气路径(32)，其特征在于，此外穿过输送所述再循环流体(7)通过用于所述燃料电池(10)的堆垛壳体(16)的冲洗循环(50)以及所述堆垛壳体(16)。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，借助于再循环流体压力生成器(33,53)输送所述再循环流体(7)，其中，所述再循环流体压力生成器(33,53)构造在所述阴极供给路径(31)处/中，和/或构造在所述冲洗循环(50)处/中。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述再循环流体压力生成器(33,53)构造为在所述阴极供给路径(31)处/中的阴极压缩机，和/或构造为在所述冲洗循环(50)处/中的壳体通风机。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，对于借助于所述阴极压缩机作为再循环流体压力生成器(33,53)输送所述再循环流体(7)的情况，所述壳体通风机是被动接通的，或者对于借助于所述壳体通风机作为再循环流体压力生成器(33,53)输送所述再循环流体(7)的情况，所述阴极压缩机是被动接通的。
14.根据权利要求10至13中任一项所述的方法，其特征在于，借助于所述再循环流体压力生成器(33,53)使所述再循环流体(7)通过所述阴极供给路径(31)、所述燃料电池(10)的阴极腔(13)、所述阴极废气路径(32)和所述冲洗循环(50)包括堆垛壳体(16)或者反过来，如此长地循环，直至基本上消除在所述再循环流体(7)中的全部氧气。
15.一种用于车辆的燃料电池系统(1)的燃料电池(10)的堆垛壳体冲洗的方法，其中，借助于壳体通风机使冲洗流体冲洗穿过冲洗区间(50)和所述燃料电池(10)的堆垛壳体(16)，其特征在于，所述冲洗流体此外冲洗穿过阴极废气路径(32)的下游的区段并且从该处被释放到环境(2)中。
16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述车辆是电动车。
17.一种燃料电池系统(1)，其特征在于，所述燃料电池系统(1)具有根据权利要求1至9中任一项所述的用于阴极再循环的组件，通过所述燃料电池系统(1)可执行根据权利要求10至14中任一项所述的用于阴极再循环的方法，和/或通过所述燃料电池系统(1)可执行根据权利要求15或16所述的用于堆垛壳体冲洗的方法。
18.一种具有燃料电池系统(1)的车辆，其特征在于，所述燃料电池系统(1)具有根据权利要求1至9中任一项所述的用于阴极再循环的组件，通过所述燃料电池系统(1)可执行根据权利要求10至14中任一项所述的用于阴极再循环的方法，和/或通过所述燃料电池系统(1)可执行根据权利要求15或16所述的用于堆垛壳体冲洗的方法。
19.根据权利要求18所述的车辆，其特征在于，所述车辆是电动车。
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