DE102010030152A1

DE102010030152A1 - Method for ensuring supply of fuel to anode of fuel cell, involves increasing partial pressure of fuel at anode so that pressure at anode and cathode is equalized if supply of fuel to anode is insufficient due to accumulation of inert gas

Info

Publication number: DE102010030152A1
Application number: DE102010030152A
Authority: DE
Inventors: Ulrich Gottwick
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2010-06-16
Filing date: 2010-06-16
Publication date: 2011-12-22

Abstract

The method involves feeding back the unconverted fuel of an anode (12) of a fuel cell (11). An inert gas is supplied without a countermeasure at the anode. The nitrogen is diffused from a cathode (13) to the anode. The partial pressure of the fuel at the anode is increased according to increase of pressure at the anode and cathode so that pressure at the anode and cathode is equalized if the supply of fuel to anode is insufficient due to accumulation of inert gas. An independent claim is included for fuel cell system.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Sicherstellen einer Versorgung einer Anode mindestens einer Brennstoffzelle mit Brennstoff, wobei nicht in der Brennstoffzelle umgesetzter Brennstoff der Anode erneut zuführbar ist, wodurch sich mindestens ein Inertgas ohne eine Gegenmaßnahme an der Anode der Brennstoffzelle anreichert, wobei insbesondere Stickstoff von einer Kathode der Brennstoffzelle zu der Anode diffundiert, gemäß des Oberbegriffs von Anspruch 1. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Brennstoffzellensystem gemäß des Oberbegriffs von Anspruch 7.The invention relates to a method for ensuring a supply of an anode of at least one fuel cell with fuel, wherein not converted into the fuel cell fuel of the anode can be fed again, whereby at least one inert gas accumulates without a countermeasure at the anode of the fuel cell, in particular nitrogen from a Diffused cathode of the fuel cell to the anode, according to the preamble of claim 1. Furthermore, the invention relates to a fuel cell system according to the preamble of claim 7.

Stand der TechnikState of the art

Bei Brennstoffzellen sind in der Regel eine Anode und eine Kathode durch eine Membran voneinander getrennt. Hierbei können Moleküle entsprechend ihres Konzentrationsgefälles durch die Membran diffundieren. Im Folgenden wird unter Diffusion verstanden, dass makroskopisch ein Stofftransport in eine Richtung aufgrund eines Konzentrationsgefälles erfolgt.In fuel cells, an anode and a cathode are usually separated by a membrane. Here, molecules can diffuse through the membrane according to their concentration gradient. In the following, diffusion is understood to mean that mass transport in one direction occurs macroscopically because of a concentration gradient.

Wird der Kathode der Brennstoffzelle Sauerstoff enthaltene Luft zugeführt, so diffundiert zunächst Inertgase, insbesondere Stickstoff, aus der Luft von der Kathode durch die Membran zur Anode. Insbesondere wenn ein Anodenmassenstrom erneut der Anode zugeführt, d. h. rezirkuliert, wird, damit auch zunächst nicht umgesetzter Brennstoff an der Anode reagieren kann, können sich Inertgase ansammeln. Hierbei kann es zu einer Unterversorgung der Anode der Brennstoffzelle mit Brennstoff, z. B. Wasserstoff, kommen. Um eine Unterversorgung zu vermeiden, wird im Stand der Technik in gewissen Abständen ein sogenanntes Purge-Ventil geöffnet, wobei der Anodenmassenstrom das Brennstoffzellensystem verlässt. Hierbei können die Inertgase, insbesondere der Stickstoff, von der Anode entfernt werden. Nachteilig ist, dass dadurch dem System auch Brennstoff, beispielsweise Wasserstoff, verloren geht, so dass der Wirkungsgrad der Brennstoffzelle sinkt. Auch ist ein Entweichen von Wasserstoff in die Umgebung auch aus Sicherheitsgründen problematisch, da ein Knallgasgemisch entstehen kann. Hierdurch sind zusätzliche Maßnahmen nötig, um den durch das Purge-Ventil austretenden Anodenmassenstrom sicher zu entsorgen.If the air supplied to the cathode of the fuel cell is supplied with oxygen, inert gases, in particular nitrogen, initially diffuse from the air from the cathode through the membrane to the anode. In particular, when an anode mass flow is again supplied to the anode, i. H. is recirculated, so that initially unreacted fuel can react at the anode, inert gases can accumulate. This can lead to an undersupply of the anode of the fuel cell with fuel, eg. As hydrogen, come. To avoid an undersupply, a so-called purge valve is opened in the prior art at certain intervals, the anode mass flow leaving the fuel cell system. In this case, the inert gases, in particular the nitrogen, can be removed from the anode. The disadvantage is that thereby the system also fuel, such as hydrogen, is lost, so that the efficiency of the fuel cell decreases. Also escape of hydrogen into the environment is also problematic for safety reasons, since a blast gas mixture can arise. As a result, additional measures are necessary to dispose of the passing through the purge valve anode mass flow safely.

Die Druckschrift JP 2006331671 A offenbart ein Brennstoffzellensystem, in dem auf ein Purge-Ventil verzichtet werden kann. Hierzu wird ein hohes Druckgefälle von beispielsweise ca. 2 bar zwischen einer Anodenseite und einer Kathodenseite der Brennstoffzelle zugelassen. Während der Partialdruck des Stickstoffs auf Anoden- und Kathodenseite gleich hoch ist, wird durch einen hohen Wasserstoffdruck auf der Anodenseite die Versorgung der Anode mit Wasserstoff sichergestellt. Wird die Druckdifferenz zwischen der Anoden- und der Kathodenseite zu hoch, wird die Leistung der Brennstoffzelle reduziert. Hierbei ist nachteilig, dass durch die benötigte Druckdifferenz die Membran geschädigt werden und im Extremfall reißen kann, so dass ein Knallgasgemisch in der Brennstoffzelle entsteht. Zudem muss die Membran dick ausgestaltet werden, was den für die elektrochemische Reaktion notwendigen Transport von Ionen durch die Membran erschwert und die Kosten zur Herstellung der Membran erhöht.The publication JP 2006331671 A discloses a fuel cell system in which a purge valve can be dispensed with. For this purpose, a high pressure drop of, for example, about 2 bar between an anode side and a cathode side of the fuel cell is allowed. While the partial pressure of the nitrogen on the anode and cathode side is the same, the supply of hydrogen to the anode is ensured by a high hydrogen pressure on the anode side. If the pressure difference between the anode and the cathode side becomes too high, the performance of the fuel cell is reduced. In this case, it is disadvantageous that the membrane can be damaged by the required pressure difference and, in extreme cases, can break, so that a blast gas mixture is formed in the fuel cell. In addition, the membrane must be made thick, which complicates the necessary for the electrochemical reaction transport of ions through the membrane and increases the cost of producing the membrane.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und ein Brennstoffzellensystem bereitzustellen, mit dem eine Versorgung einer Anode mindestens einer Brennstoffzelle mit Brennstoff sichergestellt wird, wobei Kosten beim Betrieb und/oder Herstellung des Brennstoffzellensystem eingespart werden sollen und/oder die Sicherheit des Brennstoffzellensystems erhöht werden soll.It is therefore the object of the invention to provide a method and a fuel cell system with which a supply of an anode of at least one fuel cell with fuel is ensured, whereby costs for operation and / or production of the fuel cell system are to be saved and / or the safety of the fuel cell system is increased should.

Zur Lösung der Aufgabe wird ein Verfahren mit sämtlichen Merkmalen des Anspruches 1, insbesondere des kennzeichnenden Teils, vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen des Verfahrens sind in den abhängigen Verfahrensansprüchen angegeben. Die Aufgabe wird weiterhin gelöst durch ein Brennstoffzellensystem mit sämtlichen Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 7, insbesondere des kennzeichnenden Teils. Vorteilhafte Weiterbildungen des Brennstoffzellensystems sind in den abhängigen Vorrichtungsansprüchen angegeben. Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben sind, gelten dabei auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem und umgekehrt. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in Kombination erfindungswesentlich sein.To solve the problem, a method with all features of claim 1, in particular the characterizing part proposed. Advantageous developments of the method are specified in the dependent method claims. The object is further achieved by a fuel cell system having all the features of independent claim 7, in particular the characterizing part. Advantageous developments of the fuel cell system are given in the dependent device claims. Features and details described in connection with the method according to the invention also apply in connection with the fuel cell system according to the invention and vice versa. The features mentioned in the claims and in the description may each be essential to the invention individually or in combination.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass, wenn eine Unterversorgung der Anode mit Brennstoff durch eine Anreicherung des Inertgases droht, der Druck an der Anode und an der Kathode im Wesentlichen übereinstimmend an der Anode und der Kathode erhöht wird, so dass der Partialdruck des Brennstoffs an der Anode erhöht wird.According to the invention it is provided that, if a shortage of the anode threatens fuel by an enrichment of the inert gas, the pressure at the anode and at the cathode substantially is increased coincident to the anode and the cathode, so that the partial pressure of the fuel is increased at the anode.

Wird eine drohende Unterversorgung der Anode mit Brennstoff detektiert, so wird der Partialdruck des Brennstoffes an der Anode soweit erhöht, dass eine Versorgung der Anode mit Brennstoff sichergestellt wird. Ein Purge-Ventil wird gleichzeitig nicht geöffnet. Durch die Erhöhung des Partialdrucks des Brennstoffes an der Anode steigt der gesamte Druck an der Anode an. Um eine die Membran schädigende oder zerstörende, zu hohe Druckdifferenz zu vermeiden, wird ebenfalls der Druck an der Kathode erhöht. Der Druck an der Kathode entspricht während des gesamten Brennstoffzellenbetriebes im Wesentlichen dem Druck an der Anode. Kleine Druckdifferenzen zwischen Anode und Kathode, die nicht die Membran schädigen, können jedoch zugelassen werden, wobei die Druckdifferenz x bevorzugt 0 < x < 500 mbar, besonders bevorzugt 0 < x < 200 mbar ist. Eine im Wesentlichen übereinstimmende Druckerhöhung an der Kathode und der Anode beinhaltet auch, dass der Druck zunächst nur an der Kathode oder bevorzugt zunächst nur an der Anode innerhalb der erlaubten geringen Druckdifferenz erhöht werden kann. Dadurch, dass eine nur geringe oder keine Druckdifferenz vorgesehen ist, kann eine dünne, kostengünstige Membran zwischen der Anode und der Kathode eingesetzt werden, die zugleich einen hohen Transport von Ionen durch die Membran ermöglicht. Der Ionenleitwiderstand der Membran ist gering. Eine Beschädigung oder ein Zerreißen der Membran kann wirksam verhindert werden, so dass ein Knallgasgemisch in der Brennstoffzelle vermieden wird. Zudem kann auf ein Purgen, d. h. ein Öffnen eines Ventils, um den die Brennstoffzelle verlassenden Anodenmassenstrom aus dem Brennstoffzellensystem entweichen zu lassen, – zumindest weitgehend – verzichtet werden. Hierdurch Werden die Kosten für den Betrieb der Brennstoffzelle gesenkt, da ohne Purgen kein Brennstoff unverbraucht das Brennstoffzellensystem verlässt. Ebenfalls kann ohne Purgen kein Knallgasgemisch außerhalb der Brennstoffzelle entstehen. Hierdurch können auch Kosten für Maßnahmen zur Entsorgung des durch das Purge-Ventil austretenden Anodenmassenstroms entfallen. Durch eine sichergestellte Versorgung der Anode mit Brennstoff kann eine elektrische Leistung der Brennstoffzelle sichergestellt und/oder eine Schädigung der Brennstoffzelle vermieden werden.If an imminent undersupply of the anode with fuel is detected, the partial pressure of the fuel at the anode is increased to such an extent that supply of the anode with fuel is ensured. A purge valve will not open at the same time. By increasing the partial pressure of the fuel at the anode, the total pressure at the anode increases. In order to avoid damaging or destroying the membrane, too high a pressure difference, the pressure at the cathode is also increased. The pressure at the cathode during the entire fuel cell operation substantially corresponds to the pressure at the anode. However, small pressure differences between the anode and cathode, which do not damage the membrane, may be allowed, the pressure difference x preferably being 0 <x <500 mbar, particularly preferably 0 <x <200 mbar. A substantially coincident pressure increase at the cathode and the anode also implies that the pressure can initially be increased only at the cathode or preferably initially only at the anode within the permitted low pressure difference. The fact that only little or no pressure difference is provided, a thin, inexpensive membrane between the anode and the cathode can be used, which also allows a high transport of ions through the membrane. The ionic conductivity of the membrane is low. Damage or tearing of the membrane can be effectively prevented, so that a blast gas mixture is avoided in the fuel cell. In addition, a purge, i. H. opening a valve to allow the fuel cell leaving the anode mass flow to escape from the fuel cell system, are - at least largely - omitted. As a result, the costs for the operation of the fuel cell are reduced because without purges, no fuel leaves the fuel cell system unused. Likewise, no purging gas mixture can arise outside the fuel cell without purges. As a result, costs for measures to dispose of the exiting through the purge valve anode mass flow can be omitted. By ensuring supply of the anode with fuel, electrical power of the fuel cell can be ensured and / or damage to the fuel cell can be avoided.

Kann eine drohende Unterversorgung der Anode durch eine Erhöhung des Drucks an der Anode innerhalb der oben erwähnten, geringen Druckdifferenz verhindert werden, so kann alternativ auf eine Druckerhöhung an der Kathode verzichtet werden.If an imminent undersupply of the anode can be prevented by increasing the pressure at the anode within the above-mentioned low pressure difference, then alternatively an increase in pressure at the cathode can be dispensed with.

Es kann sein, dass der Brennstoff in einem Brennstoffzellentank gespeichert wird, bevor der Brennstoff an der Anode der Brennstoffzelle umgesetzt wird. Zur Erhöhung des Partialdrucks des Brennstoffes kann ein Einlassventil des Brennstofftankes weiter geöffnet werden. Bei dem Brennstoff kann es sich um Wasserstoff handeln.It may be that the fuel is stored in a fuel cell tank before the fuel is reacted at the anode of the fuel cell. To increase the partial pressure of the fuel, an inlet valve of the fuel tank can be opened further. The fuel may be hydrogen.

Es kann sein, dass der Kathode als Oxidationsmittel Sauerstoff enthaltene Luft zugeführt wird. Hierbei kann es sein, dass durch einen Kompressor die Luft auf den gewünschten Druck vor der Kathode komprimiert wird. Die in der Luft enthaltenen Inertgase, wie Stickstoff oder Argon, diffundieren aufgrund des zunächst vorhandenen Konzentrationsgefälles zur Anode, so dass es sich bei den Inertgasen an der Anode um die von der Kathode diffundierten Inertgase der Luft handeln kann. Weitere Inertgase, die sich an der Anode ansammeln können, sind Verunreinigungen des Brennstoffes selber. Zusätzlich kann es sich bei den Inertgasen um Wasser handeln, das ebenfalls von der Kathode zur Anode diffundiert. Durch die Rezirkulation des Anodenmassenstroms werden die Inertgase angesammelt. Eine Diffusion der Inertgase der Luft zur Anode erlischt, wenn die Partialdrücke der Inertgase an der kathode und an der Anode gleich hoch sind. Inertgase aus Verunreinigungen des Brennstoffs weisen immer ein Konzentrationsgefälle zur Kathode auf und können so an der Anode abgereichert werden.It may be that the cathode is supplied as an oxidant oxygen-containing air. In this case it may be that the air is compressed by a compressor to the desired pressure in front of the cathode. The inert gases contained in the air, such as nitrogen or argon, diffuse to the anode due to the initially present concentration gradient, so that the inert gases at the anode can be the inert gases of the air diffused by the cathode. Other inert gases that can accumulate at the anode are impurities of the fuel itself. In addition, the inert gases may be water that also diffuses from the cathode to the anode. By recirculating the anode mass flow, the inert gases are accumulated. Diffusion of the inert gases of the air to the anode expires when the partial pressures of the inert gases at the cathode and at the anode are the same. Inert gases from impurities of the fuel always have a concentration gradient to the cathode and can thus be depleted at the anode.

Um den Druck an der Kathode erfindungsgemäß zu erhöhen, kann es sein, dass die elektrische Leistung des Kompressors erhöht werden muss, wodurch der Wirkungsgrad des Brennstoffzellensystems verringert wird. Vorzugsweise wird daher das Brennstoffzellensystem bei möglichst geringem Druck betrieben und so die elektrische Leistung des Kompressors gering gehalten. Um bei gleich hoher Last der Brennstoffzelle die Brennstoffzelle nach einer erfindungsgemäßen Erhöhung des Drucks wieder bei einem geringeren Druck betreiben zu können, müssen die Inertgase, insbesondere der Stickstoff, jedoch zwischenzeitlich an der Anode wieder abgereichert werden. Hierzu kann der Druck an der Kathode und an der Anode im Wesentlichen gleichmäßig gesenkt werden. Der Druck an der Anode wird dadurch gesenkt, dass der Partialdruck des Brennstoffes erniedrigt wird, z. B. indem das Einlassventil weiter geschlossen wird und Brennstoff elektrochemisch an der Anode umgesetzt wird. Der Druck kann daher nur in einem Zustand des Brennstoffzellensystems gesenkt, an dem selbst bei einer Erniedrigung des Partialdrucks die Versorgung der Anode mit Brennstoff ausreichend ist. Ein solcher Zustand des Brennstoffzellensystems kann insbesondere dann vorliegen, wenn eine Last des Brennstoffzellensystems gesenkt wird oder entfällt. Dies kann bei einem Einsatz des Brennstoffzellensystems in einem Fahrzeug bei einer Verringerung der Fahrzeuggeschwindigkeit oder einem Halt des Fahrzeuges vorliegen. Durch die Senkung des Drucks auch an der Kathode verringert sich der Partialdruck des Stickstoffs an der Kathode. Hierbei kann es sein, dass dadurch der Partialdruck des Stickstoffs an der Anode höher ist als an der Kathode. Dies ist insbesondere der Fall, wenn die Partialdrücke des Stickstoffs an der Kathode und an der Anode sich vorher zumindest nahezu im Gleichgewicht befanden. Durch die Partialdruckdifferenz diffundiert Stickstoff nun von der Anode zur Kathode, so dass sich Stickstoff an der Anode abreichert. Der Stickstoff wird mit einem Kathodenmassenstrom aus dem Brennstoffzellensystem ausgetragen, da eine Rezirkulation des Kathodenmassenstroms nicht vorgesehen ist. Eine Senkung des Drucks dient somit als Gegenmaßnahme zur Anreicherung der Inertgase an der Anode. Ein Öffnen eines Purge-Ventils zur Abreicherung der Inertgase an der Anode ist damit nicht mehr notwendig. Vorzugsweise wird der Druck auch dann gesenkt werden, wenn die ausreichende Versorgung der Anode mit Brennstoff auch bei gesunkenem Druck sichergestellt ist, sich aber kein Konzentrationsgefälle des Stickstoffs von der Anode zur Kathode bei dem gesunkenen Druck ergibt. Dies ist vorteilhaft, weil eine Senkung des Drucks zu einer verringerten Leistung des Kompressors führt.In order to increase the pressure at the cathode according to the invention, it may be necessary to increase the electrical power of the compressor, thereby reducing the efficiency of the fuel cell system. Preferably, therefore, the fuel cell system is operated at the lowest possible pressure and thus kept low the electric power of the compressor. In order to be able to operate the fuel cell again at a lower pressure at the same high load of the fuel cell after increasing the pressure according to the invention, however, the inert gases, in particular the nitrogen, must in the meantime be depleted again at the anode. For this purpose, the pressure at the cathode and at the anode can be lowered substantially uniformly. The pressure at the anode is lowered by lowering the partial pressure of the fuel, e.g. B. by the inlet valve is further closed and fuel is electrochemically reacted at the anode. Therefore, the pressure can be lowered only in a state of the fuel cell system to which the supply of the anode with fuel is sufficient even if the partial pressure is lowered. Such a state of the fuel cell system may be present in particular when a load of the fuel cell system is lowered or eliminated. This can be the case when using the fuel cell system in a vehicle with a reduction in vehicle speed or a stop of the vehicle. By lowering the pressure also at the cathode, the partial pressure of the nitrogen at the cathode decreases. In this case, it may be that the partial pressure of nitrogen at the anode is higher than at the cathode. This is particularly the case when the partial pressures of the nitrogen at the cathode and at the anode were previously at least nearly in equilibrium. Due to the partial pressure difference, nitrogen now diffuses from the anode to the cathode, so that nitrogen depletes at the anode. The nitrogen is discharged with a cathode mass flow from the fuel cell system, since a recirculation of the cathode mass flow is not provided. A reduction of the pressure thus serves as a countermeasure for the enrichment of the inert gases at the anode. Opening a purge valve to deplete the inert gases at the anode is therefore no longer necessary. Preferably, the pressure will be lowered even if the adequate supply of fuel to the anode is ensured even with reduced pressure, but there is no concentration gradient of the nitrogen from the anode to the cathode at the reduced pressure. This is advantageous because lowering the pressure results in reduced compressor performance.

Beim Absenken des Drucks kann es sein, dass nur oder zunächst nur der Druck an der Kathode innerhalb der erlaubten, oben erwähnten, geringen Druckdifferenz von vorzugsweise kleiner als 500 mbar, besonders bevorzugt kleiner als 200 mbar, gesenkt wird. Dies ist insbesondere sinnvoll, wenn kein oder wenig Brennstoff an der Anode verbraucht wird. Durch eine Druckabsenkung an der Kathode und der dadurch resultierenden Absenkung der Partialdrücke der Inertgase an der Kathode können die Inertgase zur Kathode zurück diffundieren und so eine Druckverminderung an der Anode hervorrufen, auch wenn kein Brennstoff an der Anode umgesetzt wird.When lowering the pressure, it may be that only or initially only the pressure at the cathode within the allowed, mentioned above, low pressure difference of preferably less than 500 mbar, more preferably less than 200 mbar, is lowered. This is particularly useful when no or little fuel is consumed at the anode. By lowering the pressure at the cathode and thereby reducing the partial pressures of the inert gases at the cathode, the inert gases can diffuse back to the cathode, thus causing a pressure reduction at the anode, even if no fuel is reacted at the anode.

Alternativ oder zusätzlich kann der Partialdruck des Brennstoffs am Austritt des Anodenmassenstroms aus der Brennstoffzelle durch eine Geschwindigkeitserhöhung des Anodenmassenstroms erhöht und durch eine Geschwindigkeitserniedrigung des Anodenmassenstroms verringert werden. Hierzu kann auf die elektrische Leistung eines Rezirkulationsmittels, das den Anodenmassenstrom vor die Brennstoffzelle zurückbefördert und insbesondere als eine Pumpe oder ein Kompressor ausgebildet ist, Einfluss genommen werden.Alternatively or additionally, the partial pressure of the fuel at the outlet of the anode mass flow from the fuel cell can be increased by an increase in the speed of the anode mass flow and reduced by a decrease in the speed of the anode mass flow. For this purpose, the electric power of a recirculation means, which conveys the anode mass flow in front of the fuel cell and in particular as a pump or a compressor, can be influenced.

Eine drohende Unterversorgung und/oder eine für eine Senkung des Drucks ausreichende Versorgung der Anode mit Brennstoff kann durch eine Partialdruck- oder Konzentrationsbestimmung des Brennstoffs ermittelt werden, wobei die Konzentration bei gasförmigen Stoffen proportional zu dem Partialdruck ist. Hierbei ist insbesondere der Partialdruck beim oder nach Austritt des Anodenmassenstroms aus der Brennstoffzelle entscheidend. Eine drohende Unterversorgung der Anode ist beispielsweise gegeben, wenn der Partialdruck des Brennstoffes bei Austritt des Anodenmassenstroms aus der Brennstoffzelle unter einem vorgegebenen Grenzwert liegt. Bevorzugt liegt der Grenzwert in einem Bereich, an dem noch keine Schädigung der Brennstoffzelle durch eine Unterversorgung mit Brennstoff vorliegt. Eine ausreichende Versorgung der Anode mit Brennstoff liegt vor, wenn der Partialdruck des Brennstoffes bei Austritt aus der Brennstoffzelle über dem Grenzwert hegt. Liegt der Partialdruck des Brennstoffes am Austritt der Brennstoffzelle um einen Differenzbetrag über dem Grenzwert, so kann der Partialdruck des Brennstoffs am Austritt um höchstens den Differenzbetrag verringert werden.An imminent undersupply and / or a sufficient supply of fuel to the anode to reduce the pressure can be determined by a partial pressure or concentration determination of the fuel, the concentration of gaseous substances being proportional to the partial pressure. Here, in particular, the partial pressure during or after exit of the anode mass flow from the fuel cell is crucial. An imminent undersupply of the anode is given, for example, if the partial pressure of the fuel at the outlet of the anode mass flow from the fuel cell is below a predetermined limit. The limit value is preferably in a range at which there is still no damage to the fuel cell due to an undersupply of fuel. An adequate supply of fuel to the anode is present if the partial pressure of the fuel at the exit from the fuel cell is above the limit value. If the partial pressure of the fuel at the outlet of the fuel cell is above the limit by a difference, the partial pressure of the fuel at the outlet can be reduced by at most the difference.

Anstelle eines Partialdrucks des Brennstoffs beim Austritt aus der Anode kann auch ein Partialdruck eines Brennstoffs beim Eintritt in die Brennstoffzelle oder auf einem Rezirkulationspfad ermittelt werden. Wird der Partialdruck des Brennstoffs vor der Brennstoffzelle ermittelt, so lässt sich anhand der in der Brennstoffzelle produzierten Strommenge auf den Partialdruck des Brennstoffs beim Austritt aus der Brennstoffzelle schließen. Wird anstelle des Partialdrucks des Brennstoffes der Partialdruck des oder der Inertgase ermittelt, so lässt sich durch den gesamten Druck auf den Partialdruck des Brennstoffes schließen.Instead of a partial pressure of the fuel at the exit from the anode, it is also possible to determine a partial pressure of a fuel when it enters the fuel cell or on a recirculation path. If the partial pressure of the fuel in front of the fuel cell is determined, it is possible to deduce the partial pressure of the fuel when it leaves the fuel cell on the basis of the amount of electricity produced in the fuel cell. If, instead of the partial pressure of the fuel, the partial pressure of the inert gas (s) is determined, the total pressure can be used to deduce the partial pressure of the fuel.

Der Partialdruck des Brennstoffes kann anhand einer elektrischen Leistungsaufnahme des Rezirkulationsmittels in Zusammenhang mit einem Massenstromsensor ermittelt werden. Da Stickstoff ein deutlich höheres Molekulargewicht als Wasserstoff hat, hängt die elektrische Leistungsaufnahme des Rezirkulationsmittels bei einer gemessenen oder vorgegebenen Geschwindigkeit des Anodenmassenstroms von der Zusammensetzung des Anodenmassenstroms ab. Alternativ kann, insbesondere hinter der Brennstoffzelle in Strömungsrichtung gesehen, ein Wasserstoffkonzentrationssensor angeordnet sein, um die Konzentration des Wasserstoffs zu bestimmen. Eine weitere Alternative ist die Bestimmung der Partialdrücke des Wasserstoffs und der Inertgase durch Messen des Drucks vor und nach der Brennstoffzelle durch entsprechende Drucksensoren, Aufstellung von Bilanzgleichungen in einem Volumen vor und nach der Brennstoffzelle, und Berechnung der Partialdrücke unter Einsatz von Zustandsbeobachtern.The partial pressure of the fuel can be determined on the basis of an electrical power consumption of the recirculation means in conjunction with a mass flow sensor. Since nitrogen has a significantly higher molecular weight than hydrogen, the electrical power consumption of the recirculating agent at a measured or predetermined rate of anode mass flow depends on the composition of the anode mass flow. Alternatively, in particular seen behind the fuel cell in the flow direction, a hydrogen concentration sensor may be arranged to determine the concentration of hydrogen. Another alternative is to determine the partial pressures of hydrogen and inert gases by measuring the pressure before and after the fuel cell through appropriate pressure sensors, establishing balance equations in a volume before and after the fuel cell, and calculating the partial pressures using state observers.

Vorzugsweise wird in dem erfindungsgemäßen Verfahren der Druck alternierend, insbesondere im Wesentlichen zyklisch, erhöht und gesenkt. Das heißt, dass, wenn eine Unterversorgung der Anode mit Brennstoff droht, der Druck erhöht wird. Ist der Partialdruck des Wasserstoffs hoch genug, dass auch bei einer Senkung des Partialdruck des Wasserstoffs eine Unterversorgung der Anode nicht eintritt, so wird der Druck wieder gesenkt und dadurch Inertgase an der Anode abgereichert. Um einen langen Betrieb der Brennstoffzelle selbst bei einer konstant hohen Last zu ermöglichen, muss die Brennstoffzelle so ausgelegt sein, dass selbst, wenn sich soviel Stickstoff an der Anode angereichert hat, dass sich die Partialdrücke des Stickstoffs an der Kathode und an der Anode gleichen, bei Volllast der Brennstoffzelle ein genügend hoher Partialdruck des Brennstoffs zugeführt wird. In diesem Fall ist der Anteil des Partialdrucks des Wasserstoffs am Gesamtdruck zwar gering, aber seine absolute Höhe ist für eine sichere Versorgung der Anode ausreichend. Bei einem Einsatz der Brennstoffzelle in einem Fahrzeug kann dieser Fall beispielsweise bei einer langen Autobahnfahrt eintreten. Der hierfür benötigte Druck entspricht einem Maximaldruck, für den das Brennstoffzellensystem ausgelegt werden muss. Weiterhin ist bei der Auslegung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems zu berücksichtigen, dass selbst bei geringeren Drücken der Inertgasanteil an der Anode im Vergleich zu einem Brennstoffzellensystem, in dem regelmäßig das Purge-Ventil geöffnet wird, höher ist. Daher kann es in dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem im Vergleich mit einem Brennstoffzellensystem, in dem regelmäßig das Purge-Ventil geöffnet wird, vorgesehen sein, dass der Durchmesser von Zufuhrkanälen erhöht ist. Hierzu kann insbesondere ein Anodenraum, der insbesondere als Flow Field ausgebildet sein kann, Kanäle mit größerem Durchmesser aufweisen. Weiterhin kann die Porengröße in einer Gasdiffusionsschicht an der Anode erhöht sein. Auch das Rezirkulationsmittel kann so ausgelegt werden, dass ein Anodenmassenstrom mit einer höheren Geschwindigkeit erzeugbar ist. Alle aufgeführten Maßnahmen dienen einzeln oder in Kombination dazu, die lokale Konzentration des Brennstoffes an der Anode zu erhöhen. Der Druck kann stufenweise oder kontinuierlich erhöht und/oder gesenkt werden. Die Geschwindigkeit der Senkung wird an die Permeationseigenschaften der Membran angepasst, d. h. bei einer langsamen Diffusion des Stickstoffs von der Anode zur Kathode kann der Druck auch nur langsam gesenkt werden. Hierbei ist zusätzlich darauf zu achten, dass der Partialdruck des Wasserstoffs nie auf den Grenzwert absinkt. Preferably, in the method according to the invention, the pressure is increased and decreased alternately, in particular substantially cyclically. That is, if there is a threat of fuel under-supply to the anode, the pressure is increased. If the partial pressure of the hydrogen is high enough that, even if the partial pressure of the hydrogen is reduced, the anode is not supplied with water, the pressure is lowered again and thus inert gases are depleted at the anode. To allow for long-term operation of the fuel cell even at a constant high load, the fuel cell must be designed so that even if so much nitrogen has accumulated at the anode that the partial pressures of nitrogen at the cathode and at the anode are equal, at full load of the fuel cell, a sufficiently high partial pressure of the fuel is supplied. In this case, the proportion of the partial pressure of hydrogen in the total pressure is low, but its absolute height is sufficient for a reliable supply of the anode. When using the fuel cell in a vehicle, this case may occur, for example, during a long highway drive. The pressure required for this corresponds to a maximum pressure for which the fuel cell system must be designed. Furthermore, in the design of the fuel cell system according to the invention to take into account that even at lower pressures of the inert gas at the anode compared to a fuel cell system in which the purge valve is opened regularly, is higher. Therefore, in the fuel cell system of the present invention, as compared with a fuel cell system in which the purge valve is regularly opened, it may be provided that the diameter of supply passages is increased. For this purpose, in particular an anode space, which can be designed in particular as a flow field, have channels with a larger diameter. Furthermore, the pore size may be increased in a gas diffusion layer at the anode. Also, the recirculation means can be designed so that an anode mass flow can be generated at a higher speed. All of the listed measures, individually or in combination, serve to increase the local concentration of the fuel at the anode. The pressure can be increased and / or decreased gradually or continuously. The speed of the reduction is adapted to the permeation properties of the membrane, ie with a slow diffusion of the nitrogen from the anode to the cathode, the pressure can be lowered only slowly. In addition, it must be ensured that the partial pressure of the hydrogen never drops to the limit value.

Die Aufgabe der Erfindung wird ebenfalls gelöst durch ein Brennstoffzellensystem mit mindestens einer Brennstoffzelle, wobei die Brennstoffzelle eine Anode, an der Brennstoff umsetzbar ist, und eine Kathode, an der ein Oxidationsmittel umsetzbar ist, aufweist, mit einem Rezirkulationsmittel, womit nicht an der Anode umgesetzter Brennstoff der Anode erneut zuführbar ist, wodurch mindestens ein Inertgas an der Anode anreicherbar ist. Bei dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem ist vorgesehen, dass das Brennstoffzellensystem eine Steuer- und/oder Regeleinheit aufweist, das eine drohende Unterversorgung der Anode mit Brennstoff aufgrund einer Anreicherung des Inertgases detektiert und eine im Wesentlichen übereinstimmende Erhöhung des Drucks an der Anode und an der Kathode veranlasst, wobei die Steuer- und/oder Regeleinheit zur Erhöhung des Drucks an der Anode eine Erhöhung des Partialdrucks des Brennstoffs an der Anode veranlasst.The object of the invention is likewise achieved by a fuel cell system having at least one fuel cell, wherein the fuel cell has an anode, can be reacted to the fuel, and a cathode, to which an oxidizing agent is reacted, with a recirculation means, which is not reacted at the anode Fuel of the anode can be fed again, whereby at least one inert gas is enriched at the anode. In the fuel cell system according to the invention, it is provided that the fuel cell system has a control and / or regulating unit which detects a threatening undersupply of the anode with fuel due to an enrichment of the inert gas and causes a substantially coincident increase in the pressure at the anode and at the cathode, wherein the control and / or regulating unit for increasing the pressure at the anode causes an increase of the partial pressure of the fuel at the anode.

Es kann sein, dass das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem kein Purge-Ventil aufweist, sondern ausschließlich das erfindungsgemäße Verfahren anwendet. Alternativ kann das Brennstoffzellensystem ein Purge-Ventil aufweisen, das nur in Ausnahmefällen geöffnet wird. Bei der Brennstoffzelle kann es sich um eine Polymer-Elektrolyt-Membran-(PEM)-Brennstoffzelle handeln. Anstelle einer einzelnen Brennstoffzelle kann auch ein Stapel aus Brennstoffzellen verwendet werden. Die Brennstoffzelle kann in einem Fahrzeug . eingebaut sein.It may be that the fuel cell system according to the invention has no purge valve, but exclusively applies the inventive method. Alternatively, the fuel cell system may include a purge valve, which is opened only in exceptional cases. The fuel cell may be a polymer electrolyte membrane (PEM) fuel cell. Instead of a single fuel cell, a stack of fuel cells may also be used. The fuel cell can be in a vehicle. be installed.

Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung zu einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, welche in den Figuren schematisch dargestellt ist. Sämtliche aus den Ansprüchen, der Beschreibung oder der Zeichnung hervorgehende Merkmale und/oder Vorteile, einschließlich konstruktiver Einzelheiten, räumlicher Anordnung und Verfahrensschritte, können sowohl für sich als auch in den verschiedensten Kombinationen erfindungswesentlich sein. Es zeigen:Further, measures improving the invention will become apparent from the following description of an embodiment of the invention, which is shown schematically in the figures. All of the claims, the description or the drawing resulting features and / or advantages, including design details, spatial arrangement and method steps may be essential to the invention both in itself and in various combinations. Show it:

1 Eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem, 1 A schematic representation of a fuel cell system according to the invention,

2 Ein Schema eines erfindungsgemäßen Verfahrens und 2 A diagram of a method according to the invention and

3 eine schematische Auftragung des Drucks und von Partialdrücken über der Zeit. 3 a schematic plot of pressure and partial pressures over time.

In 1 ist ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem 10 mit einer Brennstoffzelle 11, die in diesem Ausführungsbeispiel als PEM-Brenstoffzelle ausgestaltet ist, dargestellt. Aus einem Brennstofftank 20 wird Wasserstoff als Brennstoff entlang eines Strömungspfades 22 gemäß dem Pfeil 40 einem Anodenraum 17 der Brennstoffzelle 11 zugeführt. Der Anodenraum 17 kann als ein Flow Field ausgestaltet sein. Von dem Anodenraum 17 wird der Wasserstoff durch eine erste Gasdiffusionsschicht 15 einer Anode 12 zugeführt, an der der Wasserstoff teilweise elektrochemisch umgesetzt wird. Der Partialdruck des Wasserstoffs in der Brennstoffzelle 11 ist durch ein steuer- oder regelbares Einlassventil 21 einstellbar. Ein Anodenmassenstrom, der nicht in der Brennstoffzelle 11 umgesetzten Wasserstoff enthält, verlässt die Brennstoffzelle 11 und wird in einem Rezirkulationspfad 23 gemäß den Pfeilen 41 der Brennstoffzelle 11 erneut zugeführt, d. h. rezirkuliert. Hierbei wird der Anodenmassenstrom durch ein Rezirkulationsmittel 24 gefördert. Durch einen Kondensatabscheider 42 wird ein Teil des Wassers des Anodenmassenstroms abgeschieden. Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem 10 weist kein Purge-Ventil auf.In 1 is a fuel cell system according to the invention 10 with a fuel cell 11 , which is designed in this embodiment as a PEM fuel cell, shown. From a fuel tank 20 Hydrogen is used as fuel along a flow path 22 according to the arrow 40 an anode room 17 the fuel cell 11 fed. The anode compartment 17 can be configured as a flow field. Of the anode chamber 17 the hydrogen is passed through a first gas diffusion layer 15 an anode 12 fed, at which the hydrogen is partially reacted electrochemically. The partial pressure of hydrogen in the fuel cell 11 is through a controllable inlet valve 21 adjustable. An anode mass flow that is not in the fuel cell 11 contains converted hydrogen leaves the fuel cell 11 and will be in a recirculation path 23 according to the arrows 41 the fuel cell 11 fed again, ie recirculated. Here, the anode mass flow through a recirculation 24 promoted. Through a condensate separator 42 a part of the water of the anode mass flow is separated. The fuel cell system according to the invention 10 has no purge valve.

Luft, die Sauerstoff als Oxidationsmittel und Inertgase wie Stickstoff und Argon enthält, wird aus einer Umgebung 25 durch einen Kompressor 26 komprimiert und einem Kathodenraum 18 gemäß dem Pfeil 43 zugeführt. Der Kathodenraum 18 kann als Flow Field ausgestaltet sein. Von dem Kathodenraum 18 gelangt die Luft durch eine zweite Gasdiffusionsschicht 16 zu einer Kathode 13, an der der Sauerstoff zumindest teilweise elektrochemisch umgesetzt wird. Nicht umgesetzter Sauerstoff verlässt zusammen mit den Inertgasen das Brennstoffzellensystem 10 gemäß dem Pfeil 44 und wird an die Umgebung 25 abgegeben. Durch ein Staudruckventil 27 und durch die elektrische Leistung des Kompressors 26 kann der Druck und ein Kathodenmassenstrom durch den Kathodenraum 18 eingestellt werden. Die Luft kann vor Eintritt in den Kathodenraum 18 durch einen nicht dargestellten Befeuchter befeuchtet werden.Air that contains oxygen as the oxidant and inert gases such as nitrogen and argon is released from an environment 25 through a compressor 26 compressed and a cathode compartment 18 according to the arrow 43 fed. The cathode compartment 18 can be configured as a flow field. From the cathode room 18 the air passes through a second gas diffusion layer 16 to a cathode 13 at which the oxygen is at least partially converted electrochemically. Unreacted oxygen leaves the fuel cell system together with the inert gases 10 according to the arrow 44 and gets to the environment 25 issued. Through a back pressure valve 27 and by the electrical power of the compressor 26 can the pressure and a cathode mass flow through the cathode compartment 18 be set. The air can enter before entering the cathode compartment 18 be moistened by a humidifier, not shown.

Die Anode 12 und die Kathode 13 sind durch eine Membran 14 voneinander getrennt. Durch die protonenleitende Membran 14 werden Protonentransportiert, die an der Anode 12 entstanden sind und an der Kathode 13 zu Wasser umgesetzt werden. Weiterhin können die Inertgase der Luft durch die Membran 14 diffundieren, wobei im Folgenden vereinfacht nur Stickstoff als Inertgas betrachtet wird. Durch die Rezirkulation des Anodenmassenstroms kann sich Stickstoff im Anodenmassenstrom und damit an der Anode 12 anreichern. Die Anreicherung wird erst dann beendet, wenn die Partialdrücke des Stickstoffs an der Anode 12 und an der Kathode 13 gleich hoch sind.The anode 12 and the cathode 13 are through a membrane 14 separated from each other. Through the proton-conducting membrane 14 protons are transported at the anode 12 have arisen and at the cathode 13 be converted to water. Furthermore, the inert gases of the air through the membrane 14 In the following, only nitrogen will be considered as an inert gas. As a result of the recirculation of the anode mass flow, nitrogen can be present in the anode mass flow and thus at the anode 12 accumulate. The enrichment is terminated only when the partial pressures of the nitrogen at the anode 12 and at the cathode 13 are the same.

Durch die Stickstoffanreicherung an der Anode 12 kann es zu einer Unterversorgung der Anode 12 mit Wasserstoff und damit zu einer ungenügenden elektrischen Leistung und/oder Schädigung der Brennstoffzelle kommen. Um eine Unterversorgung der Anode 12 zu vermeiden, ist eine Steuerund/oder Regeleinheit 30 in dem Brennstoffzellensystem 10 angeordnet, die den Partialdruck des Wasserstoffs so einstellt, dass eine Unterversorgung vermieden wird. Hierzu ist die Steuer- und/oder Regeleinheit 30 durch eine Kommunikationsleitung 31 mit dem Einlassventil 21 verbunden. Da der Druck erfindungsgemäß an der Kathode 13 und an der Anode 12 eine eingeregelte oder gesteuerte, geringe Druckdifferenz hat oder insbesondere gleich hoch ist, ist die Steuer- und/oder Regeleinheit 30 ebenfalls über eine Kommunikationsleitung 32 mit dem Kompressor 26 und über eine Kommunikationsleitung 33 mit dem Staudruckventil 27 verbunden. Die Versorgung der Anode 12 mit Wasserstoff kann weiterhin durch eine Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit des Anodenmassenstroms verbessert werden. Hierzu kann eine elektrische Leistung des Rezirkulationsmittels 24 erhöht werden. Dies kann über eine Kommunikationsleitung 34 durch Steuer- und/oder Regeleinheit 30 veranlasst werden. Ein Drucksensor 28 ist im Strömungspfad 22 vor der Brennstoffzelle 11 angeordnet, um den eingestellten Druck p des in den Anodenraum 17 eintretenden Anodenmassenstroms überprüfen zu können. Ebenso überprüft ein Drucksensor 29 den Druck p der in den Kathodenraum 18 eintretenden Luft. Die Drucksensoren 28, 29 übermitteln die gemessenen Werte durch Kommunikationsleitungen 35, 36 an die Steuer- und/oder Regeleinheit 30. Eine drohende Unterversorgung der Anode 12 mit Wasserstoff kann anhand des Partialdrucks des Wasserstoffs p(H₂) nach Austritt aus der Brennstoffzelle 11 bestimmt werden. Der Partialdruck des Wasserstoffs p(H₂) wird durch eine elektrische Leistungsaufnahme des Rezirkulationsmittels 24 in Verbindung mit der durch das Rezirkulationsmittel 24 erzeugten Strömungsgeschwindigkeit, die durch einen Massenstromsensor 19 gemessen und durch eine Kommunikationsleitung 37 an die Steuer- und/oder Regeleinheit 30 übermittelt wird, bestimmt.By nitrogen enrichment at the anode 12 it can lead to an undersupply of the anode 12 come with hydrogen and thus to an insufficient electrical performance and / or damage to the fuel cell. To a shortage of the anode 12 to avoid is a control unit 30 in the fuel cell system 10 arranged, which adjusts the partial pressure of the hydrogen so that a shortage is avoided. For this purpose, the control and / or regulating unit 30 through a communication line 31 with the inlet valve 21 connected. Since the pressure according to the invention at the cathode 13 and at the anode 12 an adjusted or controlled, low pressure difference or is in particular the same, is the control and / or regulating unit 30 also via a communication line 32 with the compressor 26 and via a communication line 33 with the back pressure valve 27 connected. The supply of the anode 12 with hydrogen can be further improved by increasing the flow rate of the anode mass flow. For this purpose, an electrical power of the recirculation means 24 increase. This can be done over a communication line 34 by control and / or regulating unit 30 be initiated. A pressure sensor 28 is in the flow path 22 in front of the fuel cell 11 arranged to set the set pressure p of the anode compartment 17 To be able to check incoming anode mass flow. Likewise, a pressure sensor checks 29 the pressure p in the cathode compartment 18 entering air. The pressure sensors 28 . 29 transmit the measured values through communication lines 35 . 36 to the control and / or regulating unit 30 , A threatening undersupply of the anode 12 with hydrogen can be based on the partial pressure of the hydrogen p (H ₂ ) after exiting the fuel cell 11 be determined. The partial pressure of the hydrogen p (H ₂ ) is determined by an electrical power consumption of the recirculating agent 24 in conjunction with by the recirculating agent 24 flow rate generated by a mass flow sensor 19 measured and through a communication line 37 to the control and / or regulating unit 30 is transmitted.

Die Steuer- und/oder Regeleinheit 30 führt das in 2 dargestellte Verfahren durch, wobei beispielhaft sowohl in 2 als auch in 3 von einem gleich hohen Druck an der Anode und an der Kathode ausgegangen wird. In 2 wird ”nein” durch ein ”–”-Symbol und ”ja” durch ”+”-Symbol dargestellt. Zunächst wird in Schritt 50 geprüft, ob der ermittelte Partialdruck des Wasserstoffs p(H₂) größer als ein Grenzwert Gr ist. Wird dies verneint, wird der Sollwert des Drucks p' gegenüber dem Druck p in der Brennstoffzelle 11 in Schritt 51 erhöht. Die Steuerund/oder Regeleinheit 30 veranlasst, dass das Einlassventil 21 weiter geöffnet wird und die elektrische Leistung des Kompressors 26 erhöht wird, so dass eine Versorgung der Anode 12 mit Wasserstoff sichergestellt wird. Es wird danach zu Schritt 50 zurückgekehrt und überprüft, ob der ermittelte Partialdruck des Wasserstoffs p(H₂) nun bei dem veränderten Sollwert p' größer als der Grenzwert Gr ist. Wird dies bejaht, so wird in Schritt 52 überprüft, ob der ermittelte Partialdruck des Wasserstoffs p(H₂) sogar um einen Betrag Δp größer als der Grenzwert Gr ist. Wird dies verneint, so wird in Schritt 54 der Sollwert des Drucks p' unverändert gelassen und zu Schritt 50 zurückgekehrt. Wird dies bejaht, so wird in Schritt 53 der Sollwert p' gesenkt, bevor zu Schritt 50 zurückgekehrt wird. Dies hat folgenden Grund: Liegt der ermittelte Partialdruck p(H₂) deutlich, d. h. um einen Betrag Δp, über dem Grenzwert Gr, so ist die Versorgung der Anode 12 mit Wasserstoff so ausreichend, dass die Anode 12 auch bei einem geringeren Partialdruck p(H₂) ausreichend versorgt ist. Eine Senkung des Sollwerts p' führt zu einer geringere elektrischen Leistungsaufnahme des Kompressors 26. Eine Verringerung des Drucks p führt zu einem verringerten Partialdruck des Stickstoffs an der Kathode 13. Hierdurch kann es sein, dass der Partialdruck des Stickstoffs p(N₂) an der Anode 12 höher als an der Kathode 13 ist, so dass der Stickstoff von der Anode 12 zur Kathode 13 diffundiert. Hierdurch wird der Stickstoff an der Anode 12 abgereichert.The control and / or regulating unit 30 leads that in 2 represented by method, wherein by way of example both in 2 as well as in 3 is assumed by an equal pressure at the anode and at the cathode. In 2 "no" is represented by a "-" symbol and "yes" by a "+" symbol. First, in step 50 tested whether the determined partial pressure of the hydrogen p (H ₂ ) is greater than a limit value Gr. If this is negated, the setpoint of the pressure p 'with respect to the pressure p in the fuel cell 11 in step 51 elevated. The control and / or regulating unit 30 causes the inlet valve 21 continues to open and the electric power of the compressor 26 is increased, leaving a supply to the anode 12 is ensured with hydrogen. It then becomes step 50 returned and checked whether the determined partial pressure of the hydrogen p (H ₂ ) now at the changed setpoint p ' is greater than the threshold Gr. If so, then it will be in step 52 checks whether the determined partial pressure of the hydrogen p (H ₂ ) is even greater than the limit value Gr by an amount Δp. If this is negated, then in step 54 the setpoint of the pressure p 'left unchanged and go to step 50 returned. If so, then it will be in step 53 the setpoint p 'lowered before going to step 50 is returned. This has the following reason: If the determined partial pressure p (H ₂ ) is clearly, ie by an amount Δp, above the limit value Gr, the supply to the anode is 12 with hydrogen so sufficient that the anode 12 is sufficiently supplied even at a lower partial pressure p (H ₂ ). A reduction of the setpoint value p 'leads to a lower electrical power consumption of the compressor 26 , A decrease in the pressure p leads to a reduced partial pressure of the nitrogen at the cathode 13 , As a result, it may be that the partial pressure of the nitrogen p (N ₂ ) at the anode 12 higher than at the cathode 13 is, so that the nitrogen from the anode 12 to the cathode 13 diffused. This causes the nitrogen at the anode 12 depleted.

3 zeigt einen möglichen schematischen Verlauf für den gesamten Druck p des Anodenmassenstroms, den Partialdruck des Wasserstoffs p'(H₂) und des Stickstoffs p_A(N₂) des Anodenmassenstroms vor Eintritt in den Anodenraum 17 über der Zeit t. Zusätzlich ist der Partialdruck des Stickstoffs an der Kathode 13 p_K(N₂) in 3 eingetragen, der jeweils bei ca. 80% des gesamten Drucks p liegt, da die Luft ca. 80% Stickstoff aufweist. In dem Anodenmassenstrom sind üblicherweise weitere Inertgase und Wasserdampf vorhanden, welche aber nicht dargestellt sind. Am Zeitpunkt t = 0 ist der Partialdruck des Stickstoffs an der Anode 12 p_A(N₂) kleiner als der Partialdruck des Stickstoffs an der Kathode 13 p_K(N₂). Daher diffundiert Stickstoff in den Anodenraum 17 bei t = 0. Der Partialdruck des Stickstoffs an der Anode 12 p_A(N₂) steigt ausgehend von t = 0 an. Da der gesamte Druck p als konstant vorgegeben ist, sinkt der Partialdruck des Wasserstoffs p'(H₂) entsprechend. Am Zeitpunkt t = A wird ein zu geringer Partialdruck des Wasserstoffs p(H₂) am Austritt aus dem Anodenraum 17 festgestellt, bevor die Partialdrücke des Stickstoffs an der Anode 12 und der Kathode 13 p_A(N₂), p_K(N₂) im Gleichgewicht sind. Darauf erhöht die Steuerund/oder Regeleinheit 30 den Sollwert p'. Der Partialdruck p'(H₂) vor Eintritt in die Brennstoffzelle 11 und der Partialdruck des Stickstoffs an der Kathode 13 p_K(N₂) steigen sprunghaft an. Der Partialdruck des Stickstoffs p_A(N₂) steigt durch Diffusion weiter an, bis er am Zeitpunkt t = B im Gleichgewicht mit dem Partialdruck des Stickstoffs an der Kathode 13 p_K(N₂) ist. Der Partialdruck des Wasserstoffs p'(H₂) sinkt bei konstant gehaltenem Druck p zwischen A und B erneut b. Zwischen B und C bleiben die Partialdrücke p_A(N₂) und p'(H₂) konstant, weil sich der Stickstoff an der Anode 12 im Gleichgewicht mit der Kathode 13 befindet und der Wasserstoffpartialdruck p'(H₂) ausreicht, um eine Versorgung der Anode 12 mit Wasserstoff zu gewährleisten. 3 shows a possible schematic course for the total pressure p of the anode mass flow, the partial pressure of the hydrogen p '(H ₂ ) and the nitrogen p _A (N ₂ ) of the anode mass flow before entering the anode compartment 17 over time t. In addition, the partial pressure of the nitrogen is at the cathode 13 p _K (N ₂ ) in 3 registered, which is in each case at about 80% of the total pressure p, since the air has about 80% nitrogen. In the anode mass flow usually more inert gases and water vapor are present, which are not shown. At time t = 0, the partial pressure of nitrogen at the anode is 12 p _A (N ₂ ) is less than the partial pressure of the nitrogen at the cathode 13 p _K (N ₂ ). Therefore, nitrogen diffuses into the anode compartment 17 at t = 0. The partial pressure of the nitrogen at the anode 12 p _A (N ₂ ) increases starting from t = 0. Since the total pressure p is given as constant, the partial pressure of the hydrogen p '(H ₂ ) decreases accordingly. At time t = A too low a partial pressure of hydrogen p (H ₂ ) at the exit from the anode compartment 17 detected before the partial pressures of nitrogen at the anode 12 and the cathode 13 p _A (N ₂ ), p _K (N ₂ ) are in equilibrium. Thereupon the control and / or regulating unit increases 30 the setpoint p '. The partial pressure p '(H ₂ ) before entering the fuel cell 11 and the partial pressure of the nitrogen at the cathode 13 p _K (N ₂ ) increase abruptly. The partial pressure of the nitrogen p _A (N ₂ ) continues to increase by diffusion until it is in equilibrium with the partial pressure of the nitrogen at the cathode at time t = B 13 p is _K (N ₂ ). The partial pressure of the hydrogen p '(H ₂ ) decreases again at a constant pressure p between A and B. Between B and C, the partial pressures p _A (N ₂ ) and p '(H ₂ ) remain constant because of the nitrogen at the anode 12 in equilibrium with the cathode 13 and the hydrogen partial pressure p '(H ₂ ) is sufficient to supply the anode 12 to ensure with hydrogen.

Am Zeitpunkt t = C steigen die Lastanforderungen an die Brennstoffzelle 11, so dass der Sollwert p' weiter erhöht wird. Hierdurch steigt auch der Partialdruck des Stickstoffs an der Kathode 13 p_K(N₂), so dass erneut Stickstoff an die Anode 12 diffundiert und der Partialdruck des Wasserstoffs p'(H₂) entsprechend sinkt. Am Zeitpunkt t = D sinken die Lastanforderungen an die Brennstoffzelle 11 so stark (Schritt 52), dass der Solldruck p' in Schritt 53 daraufhin erniedrigt wird. Das Einlassventil 21 wird weiter geschlossen. Da aber kein Wasserstoff das Brennstoffzellensystem 10 verlassen kann, sinkt der Druck p nur in dem Maße, wie Wasserstoff an der Anode 12 elektrochemisch umgesetzt wird, so dass der bei D vorgegebene Solldruck p erst im Punkt E erreicht wird. Mit sinkendem Druck p ist der Partialdruck des Stickstoffs an der Anode 12 p_A(N₂) größer als der an der Kathode 13 p_K(N₂), so dass eine Rückdiffusion des Stickstoffs zur Kathode 13 beginnt.At time t = C, the load requirements to the fuel cell increase 11 so that the set point p 'is further increased. This also increases the partial pressure of the nitrogen at the cathode 13 p _K (N ₂ ), allowing nitrogen again to the anode 12 diffuses and the partial pressure of the hydrogen p '(H ₂ ) decreases accordingly. At time t = D, the load requirements to the fuel cell decrease 11 so strong (step 52 ), that the target pressure p 'in step 53 is then lowered. The inlet valve 21 will be closed further. But no hydrogen is the fuel cell system 10 can leave, the pressure p only decreases to the extent that hydrogen at the anode 12 is implemented electrochemically, so that the setpoint pressure P given at D is reached only at point E. With decreasing pressure p is the partial pressure of nitrogen at the anode 12 p _A (N ₂ ) greater than that at the cathode 13 p _K (N ₂ ), allowing a back diffusion of the nitrogen to the cathode 13 starts.

Auch zwischen Punkt E und F diffundiert Stickstoff zur Kathode 13 aufgrund des Konzentrationsgefälles und reichert sich an der Anode 12 ab. Der Partialdruck des Stickstoffs an der Anode 12 p_A(N₂) sinkt. Gleichzeitig kann der Partialdruck des Wasserstoffs p'(H₂) wieder ansteigen, wobei gegebenenfalls das Einlassventil 21 weiter geöffnet wird. Zwischen F und G befindet sich der Stickstoffpartialdruck an der Kathode 13 und der Anode 12 p_A(N₂), p_K(N₂) erneut im Gleichgewicht. Da zwischen G und M erneut die Lastanforderungen an die Brennstoffzelle 11 sinken, kann der Druck weiter gesenkt werden. Hierbei finden zwischen t = G und t = H und zwischen t = J und t = K dieselben Vorgänge wie zwischen t = D und t = E statt. Gleiches gilt auch für die Zeiträume zwischen t = H und t = J und zwischen t = K und t = L, die dem Zeitraum zwischen t = E und t = F ähneln. Zwischen t = L und t = M haben sich ein Gleichgewichtspartialdruck p_A(N₂) = p_K(N₂) und ein entsprechender Partialdruck des Wasserstoffs p'(H₂) eingestellt. Am Zeitpunkt M steigt wieder die Lastanforderung an die Brennstoffzelle 11 und der Druck p wird, ähnlich wie am Zeitpunkt A, entsprechend erhöht.Also between point E and F nitrogen diffuses to the cathode 13 due to the concentration gradient and accumulates at the anode 12 from. The partial pressure of nitrogen at the anode 12 p _A (N ₂ ) decreases. At the same time, the partial pressure of the hydrogen p '(H ₂ ) may rise again, where appropriate, the inlet valve 21 continues to open. Between F and G is the nitrogen partial pressure at the cathode 13 and the anode 12 p _A (N ₂ ), p _K (N ₂ ) again in equilibrium. Since between G and M again the load requirements to the fuel cell 11 fall, the pressure can be further lowered. Here, between t = G and t = H and between t = J and t = K, the same processes as between t = D and t = E take place. The same applies to the periods between t = H and t = J and between t = K and t = L, which are similar to the period between t = E and t = F. Between t = L and t = M, an equilibrium partial pressure p _A (N ₂ ) = p _K (N ₂ ) and a corresponding partial pressure of the hydrogen p '(H ₂ ) have been established. At time M, the load request to the fuel cell rises again 11 and the pressure p is increased, similarly as at time A, accordingly.

Tabelle 1 zeigt beispielhaft die Partialdrücke p'(H₂), p_A(N₂) p_K(N₂), den Partialdruck des Sauerstoffs p(O₂) im Kathodenmassenstrom und den Partialdruck des Wassers im Anoden- und Kathodenmassenstrom p_A(H₂O), p_K(H₂O) vor Eintritt in die Brennstoffzelle 11 bei verschiedenen Drücken p. p/bar Anode Kathode p'(H₂)/bar p_A(N₂)/bar p_A(H₂O)/bar p(O₂)/bar p_K(N₂)/bar p_K(H₂O)/bar 1,5 0,9–0,18 0–0,72 0,6 0,18 0,72 0,6 2,0 1,4–0,3 0–1,1 0,6 0,3 1,1 0,6 Tabelle 1 Table 1 shows by way of example the partial pressures p '(H ₂ ), p _A (N ₂ ) p _K (N ₂ ), the partial pressure of the oxygen p (O ₂ ) in the cathode mass flow and the partial pressure of the water in the anode and cathode mass flow p _A ( H ₂ O), p _K (H ₂ O) before entering the fuel cell 11 at different pressures p. p / bar anode cathode p '(H ₂ ) / bar p _A (N ₂ ) / bar p _A (H ₂ O) / bar p (O ₂ ) / bar p _K (N ₂ ) / bar p _K (H ₂ O) / bar 1.5 0.9 to 0.18 0 to 0.72 0.6 0.18 0.72 0.6 2.0 1.4 to 0.3 0-1.1 0.6 0.3 1.1 0.6 Table 1

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

JP 2006331671 A [0004]

Claims

Method for ensuring a supply to an anode ( 12 ) at least one fuel cell ( 11 ) with fuel, but not in the fuel cell ( 11 ) converted fuel of the anode ( 12 ) is fed again, whereby at least one inert gas without a countermeasure at the anode ( 12 ) of the fuel cell ( 11 ), in particular nitrogen from a cathode ( 13 ) of the fuel cell ( 11 ) to the anode ( 12 ) diffused, characterized in that, if an undersupply of the anode ( 12 ) threatens fuel by an enrichment of the inert gas, the pressure at the anode ( 12 ) and at the cathode ( 13 ) substantially coinciding at the anode ( 12 ) and the cathode ( 13 ) is increased so that the partial pressure of the fuel at the anode ( 12 ) is increased.

Method according to Claim 1, characterized in that, as a countermeasure, the pressure at the cathode ( 13 ) and the anode ( 12 ) is substantially coincidentally lowered as soon as the supply of fuel at the anode ( 12 ) is sufficient so that, despite a lowering of the partial pressure of the fuel at the anode ( 12 ) the supply of the anode ( 12 ) is ensured with fuel, in particular nitrogen from the anode ( 12 ) to the cathode ( 13 ) diffuses and thereby at the anode ( 12 ) depletes.

A method according to claim 1 or 2, characterized in that an imminent undersupply by an enrichment of the inert gas and / or an adequate supply of the anode ( 12 ) with fuel by the level of the partial pressure of the inert gas and / or of the hydrogen in an anode mass flow (p (H ₂ ), p '(H ₂ ), p _A (N ₂ )), in particular at the exit from the fuel cell ( 11 ).

A method according to claim 3, characterized in that the height of the partial pressure of the inert gas and / or the hydrogen in the anode mass flow (p (H ₂ ), p '(H ₂ ), p _A (N ₂ )) by an electrical power consumption of a recirculating agent ( 24 ), through which the fuel of the anode ( 12 ) is supplied again, at a predetermined anode mass flow and / or by determining two pressures (p) before and after the anode ( 12 ) and / or at least estimated by a hydrogen concentration sensor.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the pressure, in particular gradually, can be increased up to a maximum pressure, wherein at the maximum pressure, the supply of the anode ( 12 ) with fuel even at a high partial pressure of nitrogen at the anode ( 12 ) (p _A (N ₂ )), especially if the partial pressure of the nitrogen at the anode ( 12 ) and the cathode ( 13 ) (p _A (N ₂ ), (p _K (N ₂ )) are the same.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the partial pressure of the fuel (p (H ₂ )) through an inlet valve ( 21 ) from a fuel tank ( 20 ) and / or the pressure at the cathode ( 13 ) by adjusting an electric power of a compressor ( 26 ) and / or a dynamic pressure valve ( 27 ) is changed.

Fuel cell system ( 10 ) with at least one fuel cell ( 11 ), wherein the fuel cell ( 11 ) an anode ( 12 ) to which fuel is convertible, and a cathode ( 13 ), to which an oxidizing agent is convertible, with a recirculating agent ( 24 ), thus not at the anode ( 12 ) converted fuel of the anode ( 12 ) can be fed again, whereby at least one inert gas at the anode ( 12 ), characterized in that, the fuel cell system ( 10 ) a control and / or regulating unit ( 30 ), which has a threatening undersupply of the anode ( 12 ) is detected with fuel due to an enrichment of the inert gas and a substantially coincident increase in the pressure at the anode ( 12 ) and at the cathode ( 13 ), the control and / or regulating unit ( 30 ) to increase the pressure at the anode ( 12 ) an increase of the partial pressure of the fuel at the anode ( 12 ).

Fuel cell system ( 10 ) according to claim 7, characterized in that the fuel cell system ( 10 ) Means for determining the partial pressure of the inert gas and / or the fuel (p (H ₂ ), p '(H ₂ ), p _A (N ₂ )), in particular a pressure sensor ( 28 ) in front of the anode ( 12 ) and a pressure sensor after the anode ( 12 ) and / or a hydrogen concentration sensor and / or an electrical current and voltage meter of the recirculation agent ( 24 ) and a mass flow sensor ( 19 ).

Fuel cell system ( 10 ) according to claim 7 or 8, characterized in that the fuel cell system ( 10 ) is designed so that even at high partial pressures of the inert gas, the supply of the anode ( 12 ) is ensured with fuel, in particular supply paths ( 17 . 15 ) of the fuel to the anode ( 12 ) have a sufficiently large cross-section.

Fuel cell system ( 10 ) according to one of claims 7 to 9, characterized in that the fuel cell system ( 10 ) is operable by a method according to any one of claims 1 to 6.