DE102007024162A1

DE102007024162A1 - fuel cell device

Info

Publication number: DE102007024162A1
Application number: DE102007024162A
Authority: DE
Inventors: Thomas Baur; Matthias Dipl.-Ing. Jesse; Cosimo S. Dipl.-Ing. Mazzotta; Klaus Dipl.-Ing. Scherrbacher (Fh)
Original assignee: Daimler AG; Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2007-05-24
Filing date: 2007-05-24
Publication date: 2008-11-27
Also published as: WO2008141711A3; WO2008141711A2

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzellenvorrichtung, enthaltend eine Anodengasversorgungsanordnung 2 mit einem Anodengaseingang 13 in einen Anodenraum 6 eines aus mehreren Brennstoffzellen bestehenden Brennstoffzellenstapels 1 und enthaltend eine Kathodengasversorgungsanordnung 4 mit einem Kathodengaseingang 18 in einen Kathodenraum 5 des Brennstoffzellenstapels 1, wobei die Anodengasversorgungsanordnung 2 eine Anodenabgaseinrichtung 3 mit einer Anodenabgasleitung 20 aufweist, mittels der ein Anodenabgasstrom mit einem Kathodengasstrom in Verbindung steht. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Funktion einer Anodenabgaseinrichtung einer Brennstoffzellenvorrichtung zum Zwecke der Abführung und Reinigung des Anodenabgases zu verbessern. Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die Anodenabgasleitung 20 einen Abgaseingang 21 in den Kathodenraum 5 aufweist, wobei der Abgaseingang 21 stromabwärts des Kathodengaseinganges 18 und beabstandet zu diesem in den Kathodenraum 5 mündet.The invention relates to a fuel cell apparatus comprising an anode gas supply arrangement 2 with an anode gas inlet 13 into an anode compartment 6 of a fuel cell stack 1 comprising a plurality of fuel cells and comprising a cathode gas supply arrangement 4 with a cathode gas inlet 18 into a cathode compartment 5 of the fuel cell stack 1, wherein the anode gas supply arrangement 2 comprises an anode exhaust apparatus 3 an anode exhaust gas line 20, by means of which an anode exhaust gas stream is in communication with a cathode gas stream. The invention has for its object to improve the function of an anode exhaust device of a fuel cell device for the purpose of removal and purification of the anode exhaust gas. The object is achieved in that the anode exhaust gas line 20 has an exhaust gas inlet 21 into the cathode chamber 5, wherein the exhaust gas inlet 21 downstream of the cathode gas inlet 18 and at a distance to this opens into the cathode chamber 5.

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzellenvorrichtung, enthaltend eine Anodengasversorgungsanordnung mit einem Anodengaseingang in einen Anodenraum eines aus mehreren Brennstoffzellen bestehenden Brennstoffzellenstapels und enthaltend eine Kathodengasversorgungsanordnung mit einem Kathodengaseingang in einen Kathodenraum des Brennstoffzellenstapels, wobei die Anodengasversorgungsanordnung eine Anodenabgaseinrichtung mit einer Anodenabgasleitung aufweist, mittels der ein Anodenabgasstrom mit einem Kathodengasstrom in Verbindung steht.The The invention relates to a fuel cell device containing an anode gas supply arrangement with an anode gas inlet in an anode compartment of a multi-fuel cell Fuel cell stack and containing a cathode gas supply arrangement with a cathode gas inlet into a cathode compartment of the fuel cell stack, wherein the anode gas supply arrangement comprises an anode exhaust device comprising an anode exhaust gas line by means of which an anode exhaust gas stream is in communication with a cathode gas stream.

Bekanntermaßen wird in einer Brennstoffzellenvorrichtung eine Vielzahl von Brennstoffzellen, in denen jeweils ein elektrochemischer Prozess zur Erzeugung von Strom stattfindet, zu einem Brennstoffzellenstapel aneinandergereiht, um mit der Gesamtheit der Brennstoffzellen die gewünschten elektrischen Leistungsparameter, zum Beispiel die Antriebsleistung für ein Fahrzeug, bereitstellen zu können.As is known, In a fuel cell device, a plurality of fuel cells, in each of which an electrochemical process for the production of Current takes place, strung together into a fuel cell stack, around with the totality of fuel cells the desired electrical performance parameters, for example the drive power for a vehicle to be able to provide.

Bei der Entwicklung alternativer Elektroantriebskonzepte, hat die Anwendung der Niedertemperatur-Brennstoffzelle PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell) besonders an Bedeutung gewonnen. Bei diesem Brennstoffzellentyp wird der Elektrolyt, der von dem Elektrodenpaar (Anode und Kathode) umfasst wird, von einer protonenleitenden Festpolymermembran gebildet. An der porösen Anode werden Brennstoffgasmoleküle, z. B. Wasserstoffmoleküle aufgenommen und katalytisch in Wasserstoffionen und Elektronen aufgespaltet. Die Wasserstoffionen wandern durch die Membran zur Kathode. Die Elektronen werden über einen elektrischen Leiter an die Kathode geführt. Dabei wird elektrische Energie an einen Verbraucher abgegeben. An der porösen Kathode treffen Sauerstoffmoleküle auf, die durch Aufnahme von Elektronen katalytisch zu Sauerstoffionen zerfallen, die sich wiederum mit den übergewanderten Wasserstoffionen verbinden, wobei sich Wasser bildet. Die Kombination aus katalytischer Anode, katalytischer Katode und Polymermembran definiert die Membranelektrodenanordnung (MEA) der Brennstoffzelle.at the development of alternative electric propulsion concepts, has the application the low-temperature fuel cell PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell) has gained in importance. In this type of fuel cell becomes the electrolyte coming from the pair of electrodes (anode and cathode) is formed by a proton-conducting solid polymer membrane. At the porous anode are fuel gas molecules, z. B. hydrogen molecules and catalytically in Hydrogen ions and electrons split. The hydrogen ions migrate through the membrane to the cathode. The electrons are over passed an electrical conductor to the cathode. there electrical energy is delivered to a consumer. At the porous cathodes encounter oxygen molecules, the catalytically by addition of electrons to oxygen ions disintegrate, in turn, with the over-migrated hydrogen ions connect, forming water. The combination of catalytic Anode, catalytic cathode and polymer membrane define the membrane electrode assembly (MEA) of the fuel cell.

Separatorplatten, auch Bipolar- oder Verteilerplatten genannt, umschließen die Brennstoffzelle beidseitig der MEA und dienen sowohl der Stromableitung des in der Brennstoffzelle erzeugten Stromes als auch der Wärmeabfuhr und der Gasleitung und -verteilung über die katalytisch aktive Fläche der Anode und der Kathode. Zur Realisierung der Gasleitung und -verteilung innerhalb der Brennstoffzelle schließen die Separatorplatten beidseitig der Elektroden je eine Gasführungskammer, den Anoden- bzw. Kathodenraum, ein.separator, also called bipolar or distribution plates, enclose the fuel cell on both sides of the MEA and serve both the power dissipation the electricity generated in the fuel cell and the heat dissipation and the gas line and distribution over the catalytic active area of the anode and the cathode. For realization close the gas line and distribution inside the fuel cell the Separatorplatten on both sides of the electrodes per a gas guide chamber, the anode or cathode compartment, a.

Eine Kathodengasversorgungsanordnung versorgt die Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels mit Kathodengas. Das Kathodengas enthält den für den elektrochemischen Prozess notwendigen Sauerstoff oder ein sauerstoffhaltiges Gas, z. B. Luft. Das meist aus der Umgebung entnommene Kathodengas wird mittels einer Fördereinrichtung und einer Zuleitung in den Kathodenraum der Brennstoffzellen gefördert, wobei das Kathodengas über einen oder mehrere Kathodengaseingänge in den jeweiligen Kathodenraum mündet. Nach der Durchleitung durch den Kathodenraum wird das anfallende Kathodenabgas über eine Kathodenabgasleitung an die Umgebung abgegeben. Eine Anodengasversorgungsanordnung versorgt den Anodenraum der Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels mit dem Anodengas, das den für den elektrochemischen Prozess notwendigen gasförmigen Brennstoff, wie zum Beispiel Wasserstoff, enthält. Dabei fördert eine Fördereinrichtung das Anodengas über eine Zuleitung in den Anodenraum der Brennstoffzellen, wobei das Anodengas über einen oder mehrere Anodengaseingänge in den jeweiligen Anodenraum mündet. Häufig wird zur Erhöhung der Effizienz der Anodengasversorgung ein Rezirkulationskreislauf vorgesehen, um das nach der Durchleitung durch den Anodenraum anfallende, noch brennstoffhaltige Anodenabgas, zumindest teilweise dem Anodengaseingang wieder zuzuführen und gleichzeitig mit frischem Brennstoffgas anzureichern.A Cathode gas supply arrangement supplies the fuel cells of the Fuel cell stack with cathode gas. The cathode gas contains the necessary for the electrochemical process oxygen or an oxygen-containing gas, e.g. For example, air. Mostly from the environment removed cathode gas is by means of a conveyor and a supply line in the cathode compartment of the fuel cells promoted, wherein the cathode gas is via one or more cathode gas inlets opens into the respective cathode compartment. After the passage through the cathode space, the resulting cathode exhaust gas is over discharged a cathode exhaust gas to the environment. An anode gas supply arrangement supplies the anode compartment of the fuel cells of the fuel cell stack with the anode gas, the one for the electrochemical process necessary gaseous fuel, such as hydrogen, contains. It promotes a conveyor the anode gas via a supply line in the anode compartment of the Fuel cells, wherein the anode gas via one or more Anodengaseingänge opens into the respective anode compartment. Frequently, to increase the efficiency of the anode gas supply a recirculation circuit provided to the after passage by the anode compartment accumulating, still fuel-containing anode exhaust gas, at least partially feed the anode gas inlet again and at the same time enrich with fresh fuel gas.

Der im Verhältnis zur zugeführten Brennstoffgasmenge zu entsorgende Teil des Anodenabgases enthält neben Edelgas und Wasserdampf auch unverbrauchte Wasserstoffanteile, die unter den bestehenden Emissionsschutzanforderungen nicht in die Umwelt entlassen werden dürfen. Im Stand der Technik sind Anodenabgaseinrichtungen bekannt, die zur Reinigung des Anodenabgases diese über eine Anodenabgasleitung der Kathodengasversorgungsanordnung zuführen, um dort das Anodenabgas mit dem Kathodengas zu mischen und abzubauen. Der Brennstoffanteil des Anodenabgases setzt sich mit dem Sauerstoff des Kathodengases an Katalysatorelementen, wie z. B. an der Kathode, katalytisch zu Wasser um, welches nachfolgend mit dem Kathodenabgas aus der Brennstoffzelle zumindest emissionsarm abgeschieden wird.Of the in relation to the amount of fuel gas supplied to be disposed of part of the anode exhaust gas contains in addition to noble gas and water vapor also unconsumed hydrogen fractions under the existing emission requirements are not released into the environment may be dismissed. In the prior art are anode exhaust devices known for cleaning the anode exhaust gas over this supplying an anode exhaust gas line to the cathode gas supply device, There to mix the anode exhaust gas with the cathode gas and degrade. The fuel portion of the anode exhaust gas settles with the oxygen the cathode gas to catalyst elements, such. At the cathode, catalytically to water, which subsequently with the cathode exhaust gas is deposited from the fuel cell at least low emission.

Brennstoffzellenvorrichtung der eingangs beschriebenen Art sind beispielsweise aus der Offenlegungsschrift DE 101 15 336 A1 bekannt. Das Brennstoffzellensystem besteht aus einem aus mehreren Brennstoffzellen zusammengesetzten Brennstoffzellenstapel, der kathodenseitig einen Kathodengaseingang und -ausgang aufweist, wobei Sauerstoff oder ein sauerstoffhaltiges Gas, wie z. B. Luft, dem Kathodengaseingang zugeführt wird. Anodenseitig weist der Brennstoffzellenstapel ein Anodengaseingang und -ausgang auf, wobei Wasserstoff oder ein wasserstoffreiches Gas dem Anodengaseingang zugeführt wird. Ein Rezirkulationskreislauf führt die am Anodengasausgang anfallenden wasserstoffhaltigen Anodenabgase teilweise den Anodengaseingang wieder zu.Fuel cell device of the type described above are for example from the published patent application DE 101 15 336 A1 known. The fuel cell system consists of a composite of several fuel cell fuel cell stack, the cathode side has a cathode gas inlet and outlet, wherein oxygen or an oxygen-containing gas such. As air, the cathode gas inlet is supplied. On the anode side, the fuel cell stack on an anode gas inlet and outlet, wherein hydrogen or a hydrogen-rich gas is supplied to the anode gas inlet. A recirculation loop partially recirculates the anode anode gas-borne hydrogen-containing anode exhaust gases to the anode gas inlet.

Außerdem ist eine Anodenabgaseinrichtung zwischen der Gasversorgungsanordnung der Anodenseite und der Gasversorgungsanordnung der Kathodenseite vorgesehen, welche mittels einer Anodenabgasleitung einen Teil der am Anodengasausgang anfallenden Anodenabgase stromaufwärts des Kathodengasstromes dem Kathodengaseingang zuführt. Dort wird das Anodenabgas mit dem Kathodengas (Luft) gemischt und der Wasserstoffanteil des Anodenabgases mit dem in der Luft vorhandenen Sauerstoff katalytisch unter Freisetzung von Reaktionswärme zu Wasser umgesetzt. Die katalytische Verbrennung des Wasserstoffanteils des Anodenabgases erfolgt entweder stromabwärts des Kathodeneinganges an dem an der Kathode ohnehin vorhandenen katalytisch aktiven Katalysatormaterial oder in einer dem Kathodengaseingang vorgeschalteten, mit Katalysatormaterial versehenen Einrichtung. Nach der Umsetzung des Anodenabgases verlässt dieses mit dem Wasser und den Kathodenabgasen das Brennstoffzellensystem über den Kathodenausgang.Furthermore is an anode exhaust device between the gas supply arrangement the anode side and the gas supply arrangement of the cathode side provided, which by means of an anode exhaust gas line part of the at the anode gas outlet accumulating anode exhaust upstream the cathode gas stream feeds the cathode gas inlet. There the anode exhaust gas is mixed with the cathode gas (air) and the hydrogen content of the anode exhaust gas with the oxygen present in the air catalytically with release of heat of reaction to water implemented. The catalytic combustion of the hydrogen content of the Anode exhaust is either downstream of the cathode inlet at the catalytically active catalyst material already present at the cathode or in an upstream of the cathode gas inlet, with catalyst material provided facility. After the reaction of the anode exhaust gas leaves this with the water and the cathode exhaust the fuel cell system over the cathode output.

Nach den in der DE 101 15 336 A1 beschriebenen Ausführungsformen ist der Mischpunkt der Anodenabgase mit der Luft stromaufwärts des Kathodengaseinganges verschoben, um zwischen dem Mischpunkt und dem Kathodengaseingang eine zusätzliche Katalysatorfläche vorzusehen, welche keinen direkten Kontakt zu den Brennstoffzellenmembranen hat. An dieser Katalysatorfläche findet dann bereits eine katalytische Vorverbrennung des Wasserstoffanteils statt, wodurch die bei der katalytischen Umsetzung des Wasserstoffes erzeugte Wärme an der Brennstoffzellenmembran reduziert wird und lokale Überhitzungen, die die Membrane schädigen können, vermieden werden sollen. Als zusätzliche Katalysatorfläche ist zum Beispiel eine rohrinnenseitig katalysatorbeschichtete Kathodenzuleitung stromauf des Kathodengaseinganges vorgesehen. Alternativ werden vorhandene Leitungseinbauten, so z. B. ein Wärmetauscher, mit Katalysatormaterial beschichtet oder zusätzliche Leitungseinbauten, z. B. ein Gehäuse, gefüllt mit großflächigem Katalysatorträger, stromauf des Kathodengaseinganges angeordnet.After the in the DE 101 15 336 A1 described embodiments, the mixing point of the anode exhaust gases is displaced with the air upstream of the cathode gas inlet to provide an additional catalyst surface between the mixing point and the cathode gas inlet, which has no direct contact with the fuel cell membranes. At this catalyst surface then already takes place a catalytic pre-combustion of the hydrogen content, whereby the heat generated in the catalytic conversion of hydrogen is reduced at the fuel cell membrane and local overheating, which can damage the membrane should be avoided. As an additional catalyst surface, for example, a catalyst-coated cathode feed line is provided upstream of the cathode gas inlet. Alternatively, existing line installations, such. As a heat exchanger, coated with catalyst material or additional line installations, eg. B. a housing filled with large-area catalyst carrier, upstream of the cathode gas inlet.

In einer weiteren Ausführungsvariante nach der DE 101 15 336 A1 ist neben der Anodenabgasleitung, die einen Teil der Anodenabgase dem Kathodengaseingang zuführt, eine weitere Anodenabgasleitung vorgesehen, die einen weiteren Teil der Anodenabgase stromabwärts des Kathodengasausganges mit dem Kathodenabgas mischt und einer dem Kathodengasausgang nachgeschalteten Abgasmischeinrichtung zuführt. Damit vermindert sich die Wasserstoffmenge des Anodenabgases, welches in den Kathodengaseingang geleitet wird und folglich die an den Membranen entstehende Reaktionswärme. In der Abgasmischeinrichtung wird das Kathodenabgas und das Anodenabgas so gemischt, dass der Wasserstoffanteil im Gasgemisch deutlich unter der Zündgrenze liegt, jedoch gelangt dieser Wasserstoffanteil unverbraucht in die Umgebung. Zudem sind die vorgeschlagenen alternativen Ausstattungslösungen zum Schutz der MEA vor lokaler Überhitzung mit erheblichem technischem Aufwand verbunden.In a further embodiment according to the DE 101 15 336 A1 In addition to the anode exhaust gas line, which supplies a portion of the anode exhaust gases to the cathode gas inlet, another anode exhaust gas line is provided which mixes a further portion of the anode exhaust gases downstream of the cathode gas outlet with the cathode exhaust gas and supplies an exhaust gas mixing device downstream of the cathode gas outlet. This reduces the amount of hydrogen of the anode exhaust gas, which is passed into the cathode gas inlet and consequently the resulting heat of reaction at the membranes. In the exhaust gas mixing device, the cathode exhaust gas and the anode exhaust gas are mixed so that the hydrogen content in the gas mixture is well below the ignition limit, but this hydrogen content reaches the environment unused. In addition, the proposed alternative equipment solutions to protect the MEA from local overheating associated with considerable technical effort.

In der Druckschrift DE 10 2005 045 319 A1 wird ein Brennstoffzellensystem mit einem Brennstoffzellenstapel beschrieben, welches eine Strömung von Anodenabgas innerhalb der Brennstoffzellen vom Anodenraum zum Kathodenraum der Brennstoffzellen vorsieht, um den überschüssigen Wasserstoffgehalt im Anodenabgas im katalytischen Bereich der MEA unter Wärmeabgabe zu verbrennen. Bei einer Ausführungsform umfasst die MEA eine oder mehrere kleine Öffnungen, so dass das Anodenabgas aus dem Anodenraum in der Nähe des Kathodengaseinganges in den Kathodenraum überströmen kann. Bei einer alternativen Ausführungsform sind kleine Öffnungen in den Separatorplatten (bipolare Platten) der aneinander liegenden Brennstoffzellen vorgesehen, die ermöglichen, dass Anodenabgas aus dem Anodenraum der einen Brennstoffzelle nahe dem Kathodengaseingang in den Kathodenraum der benachbarten Brennstoffzelle strömen kann. Bei beiden Ausführungsformen werden jedoch nur geringe Mengen an Anodenabgas mit dem Kathodengas gemischt, um durch die marginale, katalytische Verbrennung des geringfügigen Wasserstoffgehaltes im Kathodenraum eine Selbsterwärmung der Brennstoffzellen des Brennstoffzellensystems während der Startphase oder des Betriebes bei niedriger Umgebungstemperatur zu realisieren, ohne die Brennstoffzellen zu überhitzen. Das Mischungsverhältnis mit sehr kleinem Wasserstoffanteil minimiert zwar die Gefahr einer unkontrollierten Verbrennung des Wasserstoffanteils im Kathodenraum, die konstruktive Gestaltung und das Funktionsprinzip dieser Lösung aus dem Stand der Technik ist jedoch nicht geeignet, um den Wasserstoffanteil im Anodenabgas des Brennstoffzellenstapels vollständig zu verbrauchen und das Anodenabgas emissionsfrei in die Umgebung abzuleiten.In the publication DE 10 2005 045 319 A1 [0006] A fuel cell system including a fuel cell stack is described which provides flow of anode exhaust gas within the fuel cells from the anode compartment to the cathode compartment of the fuel cells to burn off the excess hydrogen content in the anode exhaust gas in the catalytic region of the MEA with heat release. In one embodiment, the MEA includes one or more small openings so that the anode exhaust gas from the anode compartment near the cathode gas inlet may overflow into the cathode compartment. In an alternative embodiment, small openings are provided in the separator plates (bipolar plates) of the adjacent fuel cells that allow anode exhaust gas from the anode compartment of one fuel cell near the cathode gas inlet to flow into the cathode compartment of the adjacent fuel cell. In both embodiments, however, only small amounts of anode exhaust gas are mixed with the cathode gas to realize self-heating of the fuel cells of the fuel cell system during start-up or low ambient temperature operation by the marginal, catalytic combustion of the negligible hydrogen content in the cathode compartment without overheating the fuel cells , Although the mixing ratio with very small hydrogen content minimizes the risk of uncontrolled combustion of the hydrogen content in the cathode compartment, however, the structural design and the operating principle of this prior art solution is not suitable for completely consuming the hydrogen content in the anode exhaust gas of the fuel cell stack and the anode exhaust gas is emission-free to divert into the environment.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Funktion der Anodenabgaseinrichtung einer Brennstoffzellenvorrichtung der vorgenannten Art zum Zwecke der Abführung und Reinigung des Anodenabgases zu verbessern.Of the The invention is therefore based on the object, the function of the anode exhaust device a fuel cell device of the aforementioned type for the purpose to improve the removal and purification of the anode exhaust gas.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Brennstoffzellenvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind durch die abhängigen Unteransprüche, die nachfolgende Beschreibung und die beigefügte Zeichnung offenbart.The object is achieved by a fuel cell device having the features of claim 1. Advantageous embodiments and further developments of the invention are disclosed by the dependent subclaims, the following description and the accompanying drawings.

Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, dass die Anodenabgasleitung einen Abgaseingang in den Kathodenraum aufweist, wobei der Abgaseingang stromabwärts des Kathodengaseinganges und beabstandet zu diesem in den Kathodenraum mündet.According to the invention proposed that the anode exhaust gas line in an exhaust gas inlet having the cathode compartment, the exhaust gas inlet downstream the cathode gas inlet and spaced to this in the cathode compartment empties.

Dabei geht die Erfindung u. a. von der Überlegung aus, dass die MEA für einen effektiven Betrieb der Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels bestimmte Bedingungen erfordert, insbesondere ein gesteuertes Gasversorgungs- und Wassermanagement, u. a. zum Schutz der Katalysatoren und der Membran vor Beschädigung und zur optimalen Befeuchtung der Membran.there does the invention u. a. from the consideration that the MEA for effective operation of fuel cells of the Fuel cell stack requires certain conditions, in particular a controlled gas supply and water management, u. a. to the Protection of the catalysts and the membrane from damage and for optimum humidification of the membrane.

Im Gegensatz zu den im Stand der Technik vorhandenen Bestrebungen den Mischpunkt des Anodenabgases mit dem Kathodengas sowie die katalytische Verbrennung des Brennstoffrestgehaltes im Anodenabgas abseits der katalytisch aktiven Kathode zu verlagern bzw. die anfallende Menge des Brennstoffgases im Kathodenraum zu minimieren, um die Kathode wie die komplette MEA vor zu hoher thermischer Belastung zu schützen, sieht die Erfindung eine direkte Einmündung des Anodenabgases aus der Anodenabgasleitung in den Kathodenraum vor, wobei das Anodenabgas mit dem unverbrauchten Restgehalt an Brennstoffgas, z. B. Wasserstoffgas, separat vom Kathodengaseingang in den Kathodenraum eingeleitet wird.in the Contrary to the efforts existing in the state of the art Mixing point of the anode exhaust gas with the cathode gas and the catalytic Burning of the fuel residue content in the anode off-gas off the to shift catalytically active cathode or the amount accumulating of the fuel gas in the cathode compartment to minimize the cathode how to protect the complete MEA from excessive thermal stress, the invention provides a direct confluence of the anode exhaust gas the anode exhaust gas line into the cathode space, wherein the anode exhaust gas with the unused residual content of fuel gas, eg. For example, hydrogen gas, is introduced separately from the cathode gas inlet into the cathode compartment.

Es wird davon ausgegangen, dass am Eintritt des Kathodengases, wie zum Beispiel Umgebungsluft, in den Kathodenraum der zur Verfügung stehende Sauerstoffgehalt im Kathodengas noch sehr hoch ist, bevor der Kathodengasstrom den katalytisch aktiven Bereich der Kathode durchströmt, wobei beim Durchströmen der Kathode der Sauerstoff sich sukzessiv mit den Elektronen und den durch die Membran diffundierten Wasserstoffionen zu Wasser verbinden. Somit befindet sich wegen der hohen Konzentration des Sauerstoffes und des Wasserstoffgasanteils am Kathodengaseingang in diesem Bereich des Kathodenraumes die Hauptzone der Umsetzung des Brennstoffüberschusses, welche insbesondere zu einer problematischen, thermischen Überbelastung der MEA führt. Tritt nun erfindungsgemäß das Anodenabgas stromabwärts und beabstandet zum Kathodengaseingang in den Kathodenraum ein, erfolgt eine dosierte und kontrollierte Umsetzung des Wasserstoffgehaltes mit dem verbliebenen Restanteil des Sauerstoffes verteilt über den weiteren Verlauf des katalytischen Bereiches der Kathode. Eine die Membran beschädigende lokale Überhitzung der MEA wird somit vermieden. Gesonderte, technisch aufwändige Katalysatoreinrichtungen zur Vorumsetzung des Brennstoffgehaltes vor dem Eintritt des Kathodengas-Anodenabgas-Gemisches in den Kathodenraum erübrigen sich. Die Austrittskonzentration des unverbrauchten Wasserstoffes aus dem Kathodenraum in die Umgebung ist auf einen vorbestimmten zulässigen Wert reduziert.It It is assumed that at the entrance of the cathode gas, such as For example, ambient air, in the cathode compartment of the available standing oxygen content in the cathode gas is still very high before the cathode gas flow the catalytically active region of the cathode flows through, wherein when flowing through the cathode the oxygen successively with the electrons and by the Membrane diffused hydrogen ions connect to water. Consequently is because of the high concentration of oxygen and the hydrogen gas content at the cathode gas inlet in this area the cathode compartment the main zone of the implementation of the excess fuel, which in particular to a problematic, thermal overload of the MEA leads. Now occurs according to the invention Anode exhaust downstream and spaced from the cathode gas inlet in the cathode compartment, a metered and controlled Implementation of the hydrogen content with the remaining portion the oxygen is distributed over the further course of the catalytic Area of the cathode. A local overheating damaging the diaphragm the MEA is thus avoided. Separate, technically complex Catalyst means for pre-conversion of the fuel content before the cathode gas-anode exhaust gas mixture enters the cathode compartment are unnecessary. The exit concentration of the unused Hydrogen from the cathode compartment into the environment is at one reduced predetermined allowable value.

Darüber hinaus ergibt sich hierbei auch eine Verbesserung des Befeuchtungsmanagements für die MEA, da mit der Verteilung der katalytischen Verbrennung entlang des katalytischen Bereiches der Kathode auch die Wasserbildung homogenisiert wird. Einer Überkonzentration an Wasser am Anfangsbereich der katalytischen Kathode in der Nähe des Kathodengaseintrittes sowie Trocknungserscheinungen im weiteren Verlauf der MEA kann so entgegengewirkt werden.About that This also results in an improvement of the humidification management for the MEA, as with the distribution of catalytic combustion along the catalytic region of the cathode also the formation of water is homogenized. An over-concentration of water at Initial area of the catalytic cathode near the Kathodengaseintrittes and drying phenomena further Course of the MEA can be counteracted.

Eine besonders gute Verteilung des Anodenabgases mit dem unverbrauchten Brennstoffgas wird erreicht, wenn der Abgaseingang zentral in und/oder im Wesentlichen mittig zu einem Katalysatorbereich der Kathode in den Kathodenraum mündet.A Particularly good distribution of the anode exhaust gas with the unused Fuel gas is achieved when the exhaust gas inlet is centrally in and / or in the Essentially centered to a catalyst region of the cathode in the Cathode room opens.

In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung besteht der Kathodenraum aus einer Summe identischer Kathodenraumabschnitte einer jeden Brennstoffzelle, wobei der Abgaseingang in jeden der Kathodenraumabschnitte, vorzugsweise ebenfalls zentral und/oder im wesentlichen mittig, mündet. Damit wird der Anodenabgasstrom mit dem unverbrauchten Brennstoffgas in einer Parallelverteilung gleichmäßig auf die einzelnen Kathodenraumabschnitte verteilt.In a particularly advantageous embodiment of the cathode compartment from a sum of identical cathode space sections of each fuel cell, wherein the exhaust gas inlet into each of the cathode space sections, preferably also centrally and / or substantially centrally, flows. Thus, the anode exhaust gas stream with the unused fuel gas in a parallel distribution evenly on the distributed over individual cathode compartment sections.

In einer weiteren besonders vorteilhaften Ausführung kann der Anodenabgasstrom auch über zwei oder mehr Eindosierpunkte über die Lauflänge des Kathodenraums bzw. der einzelnen Kathodenraumabschnitte münden. Auch dies führt zu einer homogeneren Verteilung des Anodenabgases in der Kathode.In a further particularly advantageous embodiment the anode exhaust stream over two or more dosing over the run length of the cathode space or the individual cathode space sections lead. This too leads to a more homogeneous distribution the anode exhaust gas in the cathode.

Optional können die Eindosierpunkte in Strömungsrichtung des Kathodengases deckungsgleich bzw. überlappend oder zueinander versetzt bzw. deckungsfrei angeordnet sein.optional can the dosing points in the flow direction the cathode gas congruent or overlapping or be offset from each other or arranged without cover.

In einer konstruktiv günstigen Ausgestaltung weist der Abgaseingang einen Verzweigungskanal auf, der den aus der Anodenabgasleitung heran geförderten Anodenabgasstrom strömungsverlustarm in die einzelnen Kathodenraumabschnitte leitet.In a structurally favorable embodiment, the exhaust gas inlet a branching channel, which from the anode exhaust gas line flowed anode low flow stream in the individual cathode compartment sections conducts.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist die Anodenabgasleitung eine Absperrvorrichtung auf. Mit dieser Absperrvorrichtung kann eine Sicherheitsabschaltung des Anodenabgasstromes, z. B. bei Fehlfunktionen der Anodenabgaseinrichtung, vorgenommen werden.In a further advantageous embodiment, the anode exhaust gas line has a shut-off device. With this shut-off device, a safety shutdown of the anode exhaust stream, z. B. in case of malfunction of the anode exhaust device can be made.

Weist die Absperrvorrichtung ergänzend ein Stellventil auf, das von einer Steuereinheit ansteuerbar ist, kann zusätzlich die Menge des Anodenabgasstromes in den Kathodenraum dosiert werden, so dass darüber beispielsweise die Umsetzung des Wasserstoffgases im Kathodenraum kontrolliert werden kann und das Luft- Wasserstoffgas-Gemisches im Kathodenraum in einer nicht zündfähigen Konzentration gehalten werden kann.has the shut-off additionally on a control valve, the can be controlled by a control unit, in addition the amount of anode exhaust gas stream is metered into the cathode compartment, so that, for example, the implementation of the hydrogen gas can be controlled in the cathode compartment and the air-hydrogen gas mixture in the Cathode space in a non-ignitable concentration can be held.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels und der zugehörigen Zeichnung: Dabei zeigt:Further Features and advantages of the invention will become apparent from the following Description of a preferred embodiment and the accompanying drawing:

1 ein Blockschaltbild einer Brennstoffzellenvorrichtung als ein Ausführungsbeispiel der Erfindung. 1 a block diagram of a fuel cell device as an embodiment of the invention.

Ein Blockschaltbild in 1 zeigt in schematischer Darstellung eine erfindungsgemäße Brennstoffzellenvorrichtung mit einem Brennstoffzellenstapel 1, einer Anodengasversorgungsanordnung 2 mit einer Anodenabgaseinrichtung 3 und einer Kathodengasversorgungsanordnung 4.A block diagram in 1 shows a schematic representation of a fuel cell device according to the invention with a fuel cell stack 1 an anode gas supply arrangement 2 with an anode exhaust device 3 and a cathode gas supply assembly 4 ,

Der Brennstoffzellenstapel 1, der mehrere, nicht näher dargestellte Brennstoffzellen umfasst, ist in 1 der Einfachheit halber als Rechteck dargestellt, wobei mittels der Strichlinie ein Kathodenraum 5 und ein Anodenraum 6 des Brennstoffzellenstapels 1 und eine zwischen Kathoden- und Anodenraum 5, 6 befindliche Membran-Elektroden-Anordnung (MEA) 7 andeutungsweise dargestellt ist.The fuel cell stack 1 , which comprises several fuel cells, not shown, is in 1 represented for convenience as a rectangle, wherein by means of the dashed line, a cathode compartment 5 and an anode room 6 of the fuel cell stack 1 and one between cathode and anode space 5 . 6 located membrane electrode assembly (MEA) 7 is hinted at.

Eine Anodengasversorgungsanordnung 2 weist im Wesentlichen eine Rezirkulationsleitung 8, einen Wasserabscheider 9, eine Förderpumpe 10 und ein Mischventil 11 auf, welches das Brennstoffgas aus einem Brennstofftank 12 in die Rezirkulationsleitung 8 zuführt.An anode gas supply arrangement 2 essentially has a recirculation line 8th , a water separator 9 , a pump 10 and a mixing valve 11 on which the fuel gas from a fuel tank 12 in the recirculation line 8th supplies.

In der Rezirkulationsleitung 8 wird ein Anodengas, das beispielsweise aus einem Gemisch von Wasserstoffgas, Intertgas und Wasserdampf besteht, in einem Rezirkulationskreislauf zum Anodengaseingang 13 des Anodenraumes 6 hingefördert und verlässt den Brennstoffzellenstapel 1 nach dem Durchströmen des Anodenraumes 6 am Anodengasausgang 14 als Anodenabgas. Das Anodenabgas enthält neben dem Wasserdampf und dem Inertgas, einen noch unverbrauchten Wasserstoffanteil. Der im Anodenraum 6 verbrauchte Wasserstoffanteil wird am Mischventil 11 durch frisches Wasserstoffgas aus dem Brennstofftank 12 ergänzt; nachfolgend wird das Anodengas mit dem unverbrauchtem Wasserstoffanteil dem Brennstoffzellenstapel 1 erneut zugeführt.In the recirculation line 8th is an anode gas, which consists for example of a mixture of hydrogen gas, inert gas and water vapor, in a recirculation circuit to the anode gas inlet 13 of the anode compartment 6 transported and leaves the fuel cell stack 1 after flowing through the anode compartment 6 at the anode gas outlet 14 as anode exhaust gas. The anode exhaust gas contains, in addition to the water vapor and the inert gas, a still unused hydrogen content. The one in the anode room 6 consumed hydrogen content is at the mixing valve 11 by fresh hydrogen gas from the fuel tank 12 added; Subsequently, the anode gas with the unused hydrogen content of the fuel cell stack 1 fed again.

Die Kathodengasversorgungsanordnung 4 weist im Wesentlichen eine Kathodengaszuleitung 15, eine Kathodenabgasleitung 16 und eine Kompressionspumpe 17 auf, die ein Kathodengas, beispielsweise aus der Umgebung aufgenommene Luft, komprimiert und über die Kathodengaszuleitung 15 einem Kathodengaseingang 18 des Kathodenraumes 5 zufördert. Nach Durchströmen des Kathodenraumes 5 wird das am Kathodengasaungang 19 anfallende Kathodenabgas, nämlich die Luft mit dem teilweise verbrauchten Sauerstoff und dem Reaktionsprodukt Wasser, über die Kathodenabgasleitung 16 z. B. an die Umgebung abgegeben.The cathode gas supply arrangement 4 essentially has a cathode gas supply line 15 , a cathode exhaust gas line 16 and a compression pump 17 on, the cathode gas, for example, from the surrounding air taken compressed, and the cathode gas supply line 15 a cathode gas inlet 18 of the cathode compartment 5 zufördert. After flowing through the cathode compartment 5 this will be at the cathode gas sweep 19 accumulating cathode exhaust gas, namely the air with the partially consumed oxygen and the reaction product water, via the cathode exhaust gas line 16 z. B. delivered to the environment.

Eine Anodenabgaseinrichtung 3 für den sogenannten Anoden-Purge dient zur Abführung und damit Reinigung des Anodenabgases und weist eine Anodenabgasleitung 20 auf, die mit einem Abgaseingang 21, welcher in dem Kathodenraum 5 mündet, strömungstechnisch verbunden ist. Der Abgaseingang 21 ist vom Kathodengaseingang 18 separat angeordnet und mündet beabstandet zu diesem stromabwärts in den Kathodenraum 5.An anode exhaust device 3 for the so-called anode purge is used for removal and thus purification of the anode exhaust gas and has an anode exhaust gas line 20 on that with an exhaust inlet 21 which is in the cathode compartment 5 opens, fluidly connected. The exhaust inlet 21 is from the cathode gas entrance 18 arranged separately and opens spaced to this downstream in the cathode compartment 5 ,

Ein Teil des am Anodengasausgangs 14 anfallenden Anodenabgases wird von der Rezirkulationsleitung 8 in die Anodenabgasleitung 20 abgezweigt und getrennt von der Kathodengaszuleitung 15 dem Kathodenraum 5 direkt zugeführt. Erst innerhalb des Kathodenraumes 5 mischt sich der Anodenabgasstrom mit der Luft, wobei sich der Wasserstoffanteil des Anodenabgases mit dem Sauerstoff der Luft an der nicht näher dargestellten Kathode katalytisch zu Wasser umsetzt. Dabei erfolgt die katalytische Umsetzung nicht konzentriert an einem dem Kathodengaseingang 18 nächstgelegenen, katalytisch aktiven Randbereich der Kathode, sondern gleichmäßig verteilt entlang des gesamten Katalysatorbereiches der Kathode, ohne eine lokale Überhitzung der Kathode bzw. der Membran der MEA zu erzeugen. So wird der katalytisch aktive Bereich der Kathode für die katalytisch Verbrennung des Wasserstoffes effizient nutzbar gemacht, ohne die MEA zu schädigen. Die ortsverlagerte, randbereichfreie Zuführung des Anodenabgases in den Kathodenraum 5 fördert gleichsam eine gleichmäßigere Befeuchtung der MEA.Part of the anode gas outlet 14 resulting anode exhaust gas is from the recirculation line 8th into the anode exhaust gas line 20 branched off and separated from the cathode gas supply line 15 the cathode compartment 5 fed directly. Only within the cathode compartment 5 the anode exhaust gas stream mixes with the air, wherein the hydrogen content of the anode exhaust gas is catalytically converted to water with the oxygen of the air at the cathode, not shown. The catalytic conversion is not concentrated at a cathode gas inlet 18 proximate, catalytically active edge region of the cathode, but evenly distributed along the entire catalyst region of the cathode, without generating a local overheating of the cathode or the membrane of the MEA. Thus, the catalytically active region of the cathode for the catalytic combustion of hydrogen is efficiently utilized without damaging the MEA. The localized, edge area-free feeding of the anode exhaust gas in the cathode compartment 5 promotes a more even humidification of the MEA.

Über den Kathodengasausgang 19 wird die Luft mit dem abgebauten Anodenabgas und dem Reaktionsprodukt Wasser z. B. in die Umgebung entlassen. Der Wasserstoffgehalt des Anodenabgases wird in der erfindungsgemäßen Anordnung so weit abgebaut, dass die Austrittskonzentration des am Kathodengasausgang 19 austretenden restlichen Wasserstoffes in der Luft unter dem vorgegebenen Emissionsgrenzwert liegt.About the cathode gas outlet 19 is the air with the degraded anode exhaust gas and the reaction product water z. B. discharged into the environment. The hydrogen content of the anode exhaust gas is reduced so far in the inventive arrangement that the outlet concentration of the cathode gas outlet 19 exiting residual hydrogen in the air below the specified emission limit.

Mittels einer Absperrvorrichtung 22 mit Stellventil, die in der Anodenabgasleitung 20 angeordnet ist, ist der Anodenabgasstrom in Abhängigkeit eines Steuersignals einer Steuereinheit steuerbar und auch absperrbar, so dass die katalytische Umsetzung und die Befeuchtungsrate der MEA im Kathodenraum 5 kontrolliert werden kann.By means of a shut-off device 22 with control valve in the anode exhaust gas line 20 disposed is, the anode exhaust gas flow in response to a control signal of a control unit is controllable and also lockable, so that the catalytic conversion and the humidification of the MEA in the cathode compartment 5 can be controlled.

Um den Restwasserstoffgehalt nach der Durchleitung des Luft-Anodenabgas-Gemisches durch den Kathodenraum 5 noch effizienter zu senken, ist es denkbar, die Kathodengasversorgungsanordnung 4 mit einer Rezirkulationsleitung analog der Rezirkulationsleitung 8 in der Anodenversorgungsanordnung 2 auszuführen, um das Kathodenabgas zumindest teilweise in einem Rezirkulationskreislauf unter Beimischung von Frischluft dem Kathodengaseingang wieder zuzuführen.To the residual hydrogen content after the passage of the air-anode exhaust gas mixture through the cathode space 5 Even more efficient, it is conceivable, the cathode gas supply arrangement 4 with a recirculation line analogous to the recirculation line 8th in the anode supply arrangement 2 perform to at least partially return the cathode exhaust gas in a recirculation circuit with the addition of fresh air to the cathode gas inlet.

Die vereinfachte schematische Darstellung des aus mehreren Brennstoffzellen bestehenden Brennstoffzellenstapels 1 bedingt eine ebenso vereinfachte Darstellung der Gasversorgungsanbindungen an den Brennstoffzellenstapel 1. Es ist der Vollständigkeit halber anzumerken, dass sich der Anodenraum 6 bzw. der Kathodenraum 5 des Brennstoffzellenstapels 1 aus einer Anzahl identischer Anodenraumabschnitte bzw. Kathodenraumabschnitte, wie sie jeweils in jeder der Brennstoffzellen vorhanden sind, zusammensetzt. Bei einer parallelen Gasversorgung aller Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstapels 1, wie sie dem Ausführungsbeispiel zugrunde gelegt wird, sind die Gasein- und Ausgänge des Brennstoffzellenstapels dementsprechend als Gasverteiler- bzw. Gassammelkanäle ausgebildet. So verfügt der Kathodengaseingang 18 und der Abgaseingang 21 über einen nicht näher dargestellten Verteilerkanal, der das Kathodengas bzw. das Anodenabgas in die jeweiligen Kathodenraumabschnitte der Brennstoffzellen strömungstechnisch parallel verteilt. Ebenso verfügt der Anodengaseingang 13 über einen nicht dargestellten Verteilerkanal, der das Anodengas in die jeweiligen Anodenraumabschnitte der Brennstoffzellen leitet. Analog verfügen der Kathodenabgasausgang 19 und der Anodenabgasausgang 14 über einen nicht dargestellten Sammelkanal, der das Kathodenabgas aus den Kathodenraumabschnitten bzw. das Anodenabgas aus den Anodenraumabschnitten sammelt.The simplified schematic representation of the multi-fuel cell fuel cell stack 1 requires an equally simplified representation of the gas supply connections to the fuel cell stack 1 , It is to be noted for the sake of completeness that the anode space 6 or the cathode compartment 5 of the fuel cell stack 1 of a number of identical anode space portions and cathode space portions, respectively, as present in each of the fuel cells, composed. With a parallel gas supply to all fuel cells of the fuel cell stack 1 , as it is based on the embodiment, the gas inlets and outlets of the fuel cell stack are accordingly designed as a gas distributor or gas collection channels. So has the cathode gas inlet 18 and the exhaust inlet 21 via a distribution channel, not shown, which distributes the cathode gas and the anode exhaust gas into the respective cathode chamber sections of the fuel cell in terms of flow in parallel. Likewise, the anode gas inlet has 13 via a distribution channel, not shown, which conducts the anode gas into the respective anode compartment sections of the fuel cell. Analog have the cathode exhaust outlet 19 and the anode exhaust outlet 14 via a collection channel, not shown, which collects the cathode exhaust gas from the cathode compartment sections and the anode exhaust gas from the anode compartment sections.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

- DE 10115336 A1 [0007, 0009, 0010]
- DE 102005045319 A1 [0011]

Claims

Fuel cell device comprising an anode gas supply arrangement ( 2 ) with an anode gas inlet ( 13 ) in an anode compartment ( 6 ) of a multi-fuel cell fuel cell stack ( 1 ) and containing a cathode gas supply arrangement ( 4 ) with a cathode gas inlet ( 18 ) in a cathode compartment ( 5 ) of the fuel cell stack ( 1 ), wherein the anode gas supply arrangement ( 2 ) an anode exhaust device ( 3 ) with an anode exhaust gas line ( 20 ), by means of which an anode exhaust gas stream is in communication with a cathode gas stream, characterized in that the anode exhaust gas line ( 20 ) an exhaust gas inlet ( 21 ) in the cathode compartment ( 5 ), wherein the exhaust gas inlet ( 21 ) downstream of the cathode gas inlet ( 18 ) and spaced to this in the cathode compartment ( 5 ) opens.

Fuel cell device according to claim 1, characterized in that the cathode space ( 5 ) has a cathode with a catalyst region, wherein the exhaust gas inlet in a ( 21 ) centrally in and / or substantially centrally to the catalyst area in the cathode space ( 5 ) opens.

Fuel cell device according to claim 1 or 2, characterized in that the cathode space ( 5 ) consists of a sum of identical cathode space sections of each fuel cell, wherein the exhaust gas inlet ( 21 ) opens into each of the cathode compartment sections.

Fuel cell device according to 3, characterized in that the exhaust gas inlet ( 21 ) has a distribution channel.

Fuel cell device according to one of the preceding claims, that the anode exhaust gas line ( 20 ) a shut-off device ( 22 ) having.

Fuel cell device according to claim 5, that the shut-off device ( 22 ) has a control valve which is controllable by a control unit.

Fuel cell device according to one of the preceding claims, characterized in that the exhaust gas inlet ( 21 ) opens at two or more metering points over the run length of the cathode space or the individual cathode space sections.