DE102011109409A1

DE102011109409A1 - Method for operating fuel cell system that is utilized in mobile system e.g. watercraft, to generate electric power, involves supplying exhaust air from storage device to anode chamber during starting of fuel cell

Info

Publication number: DE102011109409A1
Application number: DE102011109409A
Authority: DE
Inventors: Ralf Nüßle; Benedikt Sator
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2011-08-04
Filing date: 2011-08-04
Publication date: 2013-02-07

Abstract

The method involves supplying air and fuel to a fuel cell (3) to perform starting process, where the fuel cell is provided with a cathode chamber (5) and an anode chamber (4). Exhaust air from the cathode chamber is stored in a storage device i.e. reservoir, during operation of a fuel cell system (1). The exhaust air from the storage device is supplied to the anode chamber during starting of the fuel cell, where the fuel is supplied together with the stored air to the anode chamber. The stored air is supplied to the fuel cell during the start-up phase. The fuel cells are designed as polymer electrolyte membrane (PEM) fuel cells. An independent claim is also included for a fuel cell system.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art. Außerdem betrifft die Erfindung ein Brennstoffzellensystem zur Durchführung dieses Verfahrens und die Verwendung eines solchen Verfahrens und/oder Brennstoffzellensystems.The invention relates to a method for operating a fuel cell system according to the closer defined in the preamble of claim 1. The invention also relates to a fuel cell system for carrying out this method and the use of such a method and / or fuel cell system.

Brennstoffzellen beziehungsweise Brennstoffzellensysteme sind aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. Sie können beispielsweise zur Erzeugung von elektrischer Leistung zum Antrieb von Fahrzeugen und/oder in stationären Systemen zur Erzeugung von elektrischer Leistung eingesetzt werden.Fuel cells or fuel cell systems are known from the general state of the art. They can be used, for example, to generate electric power for driving vehicles and / or in stationary systems for generating electrical power.

Aktuelle Entwicklungsziele bei der Herstellung von Brennstoffzellensystemen bei der Entwicklung einer zuverlässigen, kostengünstigen und langlebigen Brennstoffzellentechnologie konzentrieren sich derzeit auf verschiedene Aspekte der Brennstoffzelle und des Brennstoffzellensystems. Einer dieser Aspekte ist eine vergleichsweise starke Degradation der Brennstoffzelle in Systemen, bei denen die Brennstoffzelle häufig abgestellt und wieder gestartet wird. Dies ist insbesondere bei Fahrzeugsystemen der Fall, bei denen häufig ein Abschalten des Brennstoffzellensystems und ein Wiederstart desselben realisiert werden muss. Die Problematik liegt nach aktuellen Erkenntnissen darin, dass nach einer bestimmten Zeit die Anodenräume und Kathodenräume der Brennstoffzelle mit Umgebungsluft gefüllt sind. Wird das Brennstoffzellensystem dann wieder gestartet, so werden die Anode und die Kathode zur Erzeugung der elektrischen Energie mit den hierfür benötigten Medien, im Kathodenraum Sauerstoff beziehungsweise Luft als Sauerstofflieferant, und im Anodenraum Wasserstoff, versorgt. Bei der Beaufschlagung der Anode mit Wasserstoff wandert eine Wasserstofffront vom Medieneingang des Anodenraums zum Mediensausgang und schiebt die in den Anodenraum eingedrungene Umgebungsluft vor sich her. Sobald dabei Wasserstoff auf die aktive Fläche der Anode trifft und gleichzeitig Luftsauerstoff im Bereich der Kathode vorliegt, beginnt die Brennstoffzelle zu arbeiten und wandelt chemische Bindungsenergie des Wasserstoffs in elektrische Energie um. Die Bereiche des Anodenraums, die bereits mit Wasserstoff beaufschlagt sind, weisen dann ein elektrochemisches Potenzial von 0–0,4 V auf. Bereiche, die noch mit in den Anodenraum eingedrungener Luft beaufschlagt sind, weisen dahingegen ein elektrochemisches Potenzial von ca. 1,0 V auf. Entlang der Wasserstoff-Luft-Front kommt es so in dem Anodenraum zu einem Potenzialsprung, welcher letztlich zu einer Potenzialüberhöhung im Bereich der Kathode führt und eine Korrosion von Kohlenstoff und/oder Katalysator im Bereich der Brennstoffzelle auslöst. Dieser Mechanismus ist bekannt und wird beispielsweise in der DE 11 2004 001 726 T5 beschrieben. Die Problematik einer Degradation aufgrund einer beim Starten der Brennstoffzelle durch den Anodenraum verlaufenden Wasserstoff-/Sauerstofffront wird hier dadurch umgangen, dass ein an Sauerstoff abgereichertes Gas im Bereich einer Kathodenrezirkulation um den Kathodenraum der Brennstoffzelle erzeugt wird. Hierfür wird Brennstoff in den Luftstrom um die Kathode eindosiert. An den Katalysatoren des Kathodenraums reagieren dann Sauerstoff und Brennstoff, typischerweise Wasserstoff, miteinander. Die an Sauerstoff abgereicherte Restluft enthält im Wesentlichen Stickstoff und keinen oder nur noch einen minimalen Anteil an Sauerstoff. Diese an Sauerstoff abgereicherte Luft wird dann zum Spülen des Anodenraums verwendet, um darin befindliche Gase, insbesondere sauerstoffhaltige Luft, aus dem Anodenraum auszuspülen.Current development goals in the manufacture of fuel cell systems in the development of reliable, low cost, and durable fuel cell technology are currently focused on various aspects of the fuel cell and fuel cell system. One of these aspects is a comparatively strong degradation of the fuel cell in systems where the fuel cell is often shut down and restarted. This is the case in particular in vehicle systems in which a shutdown of the fuel cell system and a restart of the same must often be realized. The problem lies, according to current findings, in the fact that after a certain time the anode chambers and cathode chambers of the fuel cell are filled with ambient air. If the fuel cell system is then started again, then the anode and the cathode are supplied with the media required for generating the electrical energy, oxygen or air as the oxygen supplier in the cathode space, and hydrogen in the anode space. When the anode is charged with hydrogen, a hydrogen front migrates from the media inlet of the anode chamber to the media outlet and pushes the ambient air which has penetrated into the anode chamber in front of it. As soon as hydrogen hits the active surface of the anode and atmospheric oxygen is present in the region of the cathode, the fuel cell starts to work and converts the chemical binding energy of the hydrogen into electrical energy. The areas of the anode space that are already exposed to hydrogen then have an electrochemical potential of 0-0.4 V. In contrast, areas that are still exposed to air that has penetrated into the anode space have an electrochemical potential of approximately 1.0 V. Along the hydrogen-air front, a potential jump occurs in the anode space, which ultimately leads to a potential increase in the region of the cathode and triggers corrosion of carbon and / or catalyst in the region of the fuel cell. This mechanism is known and used for example in the DE 11 2004 001 726 T5 described. The problem of degradation due to a hydrogen / oxygen front running through the anode compartment when the fuel cell is started is thereby avoided by generating a gas depleted of oxygen in the region of a cathode recirculation around the cathode compartment of the fuel cell. For this purpose, fuel is metered into the air flow around the cathode. Then oxygen and fuel, typically hydrogen, react with one another on the catalysts of the cathode compartment. The oxygen depleted residual air contains essentially nitrogen and no or only a minimal amount of oxygen. This oxygen-depleted air is then used to purge the anode compartment to purge gases therein, particularly oxygen-containing air, from the anode compartment.

Die Problematik bei diesem genannten Stand der Technik liegt in einem vergleichsweise aufwändigen System. Heutige Brennstoffzellensysteme versuchen auf eine Kathodenrezirkulation zu verzichten, da diese, früher typischerweise aufgrund der notwendigen Befeuchtung, in heutigen PEM-Brennstoffzellensystemen nicht mehr notwendig ist. Eine Kathodenrezirkulation ausschließlich zur Erzeugung von an Sauerstoff abgereicherter Luft zu realisieren, ist bei heutigen Brennstoffzellen dementsprechend aufwändig und teuer. Neben dem zusätzlichen Steuerungsaufwand wird außerdem zusätzlicher Bauraum benötigt und die Masse des Brennstoffzellensystems erhöht.The problem with this cited prior art lies in a comparatively complex system. Today's fuel cell systems attempt to dispense with a cathode recirculation, since these, in the past typically due to the necessary humidification, in today's PEM fuel cell systems is no longer necessary. To realize a cathode recirculation exclusively for the production of oxygen-depleted air is correspondingly complicated and expensive in today's fuel cells. In addition to the additional control effort additional space is required and increases the mass of the fuel cell system.

Ein anderer Nachteil, welcher mit dem genannten Stand der Technik verbunden ist, liegt darin, dass bei der Durchführung des entsprechenden Verfahrens beim Wiederstart der Brennstoffzelle nach einer längeren Stillstandszeit der Wiederstart sehr lang dauert, da zuerst im Bereich der Kathodenrezirkulation eine an Sauerstoff abgereicherte Luft erzeugt werden muss, welche darin zum Spülen des Anodenraums verwendet werden kann.Another disadvantage associated with the cited prior art is that in the implementation of the corresponding method when the fuel cell is restarted after a longer standstill, the restart takes a very long time, since first an oxygen-depleted air is generated in the region of the cathode recirculation must be, which can be used therein for rinsing the anode compartment.

Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, diese Nachteile zu vermeiden und ein Verfahren beziehungsweise eine Brennstoffzelle zur Durchführung des Verfahrens anzugeben, welche einfach und effizient aufgebaut ist, sehr schnell starten kann und dennoch die Problematik der Degradation deutlich verringert.The object of the present invention is now to avoid these disadvantages and to provide a method or a fuel cell for carrying out the method, which is simple and efficient, can start very quickly and yet significantly reduces the problem of degradation.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch das Verfahren mit den Merkmalen im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen hiervon sind in den abhängigen Unteransprüchen beschrieben.According to the invention, this object is achieved by the method having the features in the characterizing part of claim 1. Advantageous embodiments and further developments thereof are described in the dependent subclaims.

Das erfindungsgemäße Verfahren sieht es vor, dass während des Betriebs des Brennstoffzellensystems Abluft aus dem Kathodenraum zwischengespeichert wird, und dass beim Starten der Brennstoffzelle die Abluft aus der Speichereinrichtung dem Anodenraum zugeführt wird, wobei der Brennstoff zusammen mit oder nach der gespeicherten Abluft dem Anodenraum zugeführt wird. Die Abluft aus dem Kathodenraum des Brennstoffzellensystems ist aufgrund der elektrochemischen Reaktion in der Brennstoffzelle selbst typischerweise an Sauerstoff abgereichert und weist, wenn überhaupt, lediglich einen geringen Anteil an Restsauerstoff auf. Diese an Sauerstoff abgereicherte Restluft kann dann einfach und effizient zwischengespeichert werden, wobei hier der typischerweise auftretende Druck der Abluft ausreicht, um das benötigte vergleichsweise kleine Volumen an Abluft einzuspeichern. Mit dieser Abluft kann dann beim Starten der Brennstoffzelle des Brennstoffzellensystems entweder der Anodenraum vor der Dosierung von Brennstoff durchgespült werden, wofür eine Abluftmenge in der Größenordnung von in etwa dem Volumen des Anodenraums notwendig ist, oder die an Sauerstoff abgereicherte zwischengespeicherte Abluft wird dem in den Anodenraum dosierten Brennstoff zugegeben, wodurch, so hat es sich den Erfindern gezeigt, ein „Verwischen” der Front zwischen Wasserstoff und Sauerstoff stattfindet. Auch hierdurch wird die Degradation bereits deutlich reduziert. The inventive method provides that during operation of the fuel cell system exhaust air from the cathode space is cached, and that when starting the fuel cell, the exhaust air from the storage device is supplied to the anode compartment, wherein the fuel is supplied together with or after the stored exhaust air to the anode compartment , The exhaust air from the cathode compartment of the fuel cell system is typically depleted in oxygen due to the electrochemical reaction in the fuel cell itself and has, if anything, only a small proportion of residual oxygen. This depleted of oxygen residual air can then be cached easily and efficiently, in which case the typically occurring pressure of the exhaust air is sufficient to store the required relatively small volume of exhaust air. With this exhaust air can then be rinsed when starting the fuel cell of the fuel cell either the anode compartment before the metering of fuel, for which an amount of exhaust air in the order of about the volume of the anode compartment is necessary, or the oxygen-depleted cached exhaust air is in the anode compartment added dosed fuel, which, it has been shown the inventors, a "blurring" of the front between hydrogen and oxygen takes place. This also already significantly reduces the degradation.

Das Verfahren hat gegenüber dem Stand der Technik dabei den Vorteil, dass die Brennstoffzelle unmittelbar gestartet werden kann, und dass so unmittelbar elektrische Leistung zur Verfügung steht. Außerdem ist es möglich, dass auf einen Kathodenkreislauf, wie er beim oben genannten Stand der Technik zwingend notwendig ist, verzichtet werden kann. Stattdessen ist lediglich ein Speichervolumen notwendig. Dieses ist jedoch in der Funktionalität und dem Aufbau typischerweise deutlich einfacher als ein Kathodenkreislauf, welcher neben dem benötigten Bauvolumen in jedem Fall auch eine Rezirkulationsfördereinrichtung benötigt, welche wiederum Energie verbraucht.The method has the advantage over the prior art that the fuel cell can be started directly, and that so immediately electric power is available. It is also possible that can be dispensed with a cathode circuit, as it is absolutely necessary in the above-mentioned prior art. Instead, only one storage volume is necessary. However, this is typically much simpler in terms of functionality and design than a cathode circuit which, in addition to the required construction volume, always requires a recirculation conveyor, which in turn consumes energy.

Das Verfahren gemäß der Erfindung ermöglicht also einen einfachen effizienten Aufbau des Brennstoffzellensystems und erlaubt einen sehr schnellen Start mit einer sehr schnellen elektrischen Leistungsentnahme aus der Brennstoffzelle. Dennoch kann es die Degradation der Brennstoffzelle massiv reduzieren, sodass die Lebensdauer der Brennstoffzelle verlängert wird.Thus, the method according to the invention allows a simple efficient design of the fuel cell system and allows a very fast start with a very fast electrical power extraction from the fuel cell. However, it can massively reduce the degradation of the fuel cell, extending the life of the fuel cell.

In einer besonders günstigen und vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es vorgesehen, dass die gespeicherte Abluft während der Startphase den zur Brennstoffzelle strömenden Brennstoff zugeführt wird. Die Abluft, welche zwischengespeichert worden ist, kann so eingesetzt werden, um in dem oben genannten Sinn die Wasserstoff-/Sauerstoff-Front in dem Anodenraum zu „verwischen”. Dies führt bereits zu einer deutlichen Reduzierung der Degradation bei. Der Vorteil gegenüber einem Spülen liegt darin, dass ein kleineres Volumen notwendig ist und damit ein geringeres Speichervolumen der Speichereinrichtung benötigt wird. Dies spart Bauraum und Gewicht.In a particularly favorable and advantageous development of the method according to the invention, it is provided that the stored exhaust air is supplied to the fuel flowing to the fuel cell during the starting phase. The exhaust air that has been temporarily stored can be used to "blur" the hydrogen / oxygen front in the anode compartment in the above sense. This already leads to a significant reduction in degradation. The advantage over rinsing is that a smaller volume is required and thus a lower storage volume of the storage device is needed. This saves space and weight.

Die Abluft kann während des Betriebs dabei gemäß einer besonders günstigen Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens zu einem Zeitpunkt gespeichert werden, zu dem eine geringe Kathodenstöchiometrie vorliegt. Zu einem Zeitpunkt, in dem ein vergleichsweise geringer Überschuss an Sauerstoff in die Brennstoffzelle gefördert wird, kann davon ausgegangen werden, dass der in der geförderten Zuluft enthaltene Sauerstoff annähernd vollständig aufgebraucht wird. Ein solcher Zeitpunkt ist dann zum Speichern der Abluft ideal, da die so gespeicherte Abluft dann ein Minimum an Restsauerstoff enthält und so der Degradation bei der Beimischung zum Brennstoff oder beim Spülen des Anodenraums maximal entgegenwirkt.The exhaust air can be stored during operation in accordance with a particularly favorable development of the method according to the invention at a time at which there is a low cathode stoichiometry. At a point in time in which a comparatively small excess of oxygen is conveyed into the fuel cell, it can be assumed that the oxygen contained in the delivered supply air is used up almost completely. Such a time is then ideal for storing the exhaust air, since the stored exhaust air then contains a minimum of residual oxygen and thus the maximum counteracts the degradation in the admixture to the fuel or when rinsing the anode compartment.

Die Zufuhr der gespeicherten Abluft kann gemäß einer weiteren sehr günstigen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens dabei in Abhängigkeit einer im Anodenbereich vor dem Start vorliegenden Wasserstoffkonzentration erfolgen. Im Anodenbereich, also im Anodenraum und gegebenenfalls in einem um die im Anodenraum angeordneten Rezirkulation, kann gegebenenfalls noch Restwasserstoff vorhanden sein. Insbesondere wenn eine Anodenrezirkulation vorhanden ist, wird der Wasserstoffgehalt sehr häufig ohnehin gemessen, um feststellen zu können, wann Wasser und/oder Gas aus dem Anodenbereich abgelassen werden müssen. Ist ein solcher Wasserstoffsensor ohnehin vorhanden, kann dieser ideal genutzt werden, um festzustellen, ob in diesem Bereich noch Wasserstoff vorhanden ist. Dementsprechend kann die Dosierung der gespeicherten an Sauerstoff abgereicherten Restluft entsprechend dosiert und der dort noch vorhandenen Wasserstoffkonzentration angepasst werden. Ist ein Wasserstoffsensor nicht ohnehin vorhanden, kann ein solcher prinzipiell installiert werden, um eine Restwasserstoffkonzentration im Anodenraum beziehungsweise im Anodenbereich, also dem Anodenraum und einer Rezirkulationsleitung um den Anodenraum, falls diese vorhanden ist, zu erfassen.The supply of the stored exhaust air can take place in accordance with a further very favorable embodiment of the method according to the invention in dependence of a hydrogen concentration present in the anode region before starting. In the anode region, that is to say in the anode space and, if appropriate, in a recirculation arranged around the anode space, residual hydrogen may possibly still be present. In particular, if an anode recirculation is present, the hydrogen content is very often measured anyway to determine when water and / or gas must be discharged from the anode area. If such a hydrogen sensor is present anyway, it can be used ideally to determine whether hydrogen is still present in this area. Accordingly, the dosage of the stored oxygen-depleted residual air can be dosed accordingly and adapted to the hydrogen concentration still present there. If a hydrogen sensor is not present in any case, such can in principle be installed in order to detect a residual hydrogen concentration in the anode chamber or in the anode region, ie the anode chamber and a recirculation line around the anode chamber, if present.

In einer weiteren sehr günstigen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann es außerdem vorgesehen sein, dass die gespeicherte Abluft vor dem Speichern vorbehandelt wird, wobei die Vorbehandlung zumindest einen der folgenden Schritte umfasst:

– Abscheiden von flüssigem Wasser
– Trocknen
– Oxidieren von Restsauerstoff.

In a further, very favorable embodiment of the method according to the invention, it can also be provided that the stored exhaust air is pretreated before being stored, the pretreatment comprising at least one of the following steps:

- Separation of liquid water
- Dry
- Oxidizing residual oxygen.

Die Abluft kann entsprechend aufbereitet werden, insbesondere kann diese von flüssigem Wasser befreit und gegebenenfalls getrocknet werden. Damit wird ein eventuelles Fluten des Anodenbereichs durch in der gespeicherten Abluft enthaltenem Wasser verhindert. Außerdem kann neben dem Abscheiden von flüssigem Wasser und dem Trocknen ein Oxidieren von Restsauerstoff erfolgen, beispielsweise in einer Oxidationspatrone, welche von Zeit zu Zeit ausgetauscht wird. Ein solches Oxidieren reduziert den Gehalt an Restsauerstoff weiter, sodass die gespeicherte und so vorbehandelte Abluft noch besser geeignet ist, um die Mechanismen der Degradation zu reduzieren.The exhaust air can be treated accordingly, in particular it can be freed from liquid water and optionally dried. This prevents possible flooding of the anode region by water contained in the stored exhaust air. In addition, in addition to the separation of liquid water and the drying of an oxidation of residual oxygen can take place, for example in an oxidation cartridge, which is replaced from time to time. Such oxidation further reduces the level of residual oxygen, so that the stored and thus pretreated exhaust air is even better suited to reduce the mechanisms of degradation.

In einer weiteren sehr günstigen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann es außerdem vorgesehen sein, dass die Sauerstoffkonzentration der Abluft erfasst wird, wobei die Abluft jeweils dann erneut gespeichert wird, wenn die Sauerstoffkonzentration geringer ist, als die zuvor während derselben Betriebsphase des Brennstoffzellensystems gemessene Sauerstoffkonzentration. Typischerweise wird man so vorgehen, dass man vergleichsweise früh nach dem Start der Brennstoffzelle bei gegebenenfalls leerer Speichereinrichtung sofort Abluft aus der Brennstoffzelle speichert, um auch bei kurzer Laufzeit auf einen Wiederstart vorbereitet zu sein. Diese Abluft ist dann gegebenenfalls noch mit mehr Restsauerstoff versehen, als später während des Betriebs anfallende Abluft. Über eine einfache Messung der Sauerstoffkonzentration in der Abluft und ein zeitliches Abspeichern dieser Messungen kann festgestellt werden, ob aktuell eine Sauerstoffkonzentration vorliegt, welche geringer ist, als es alle zuvor gemessenen Sauerstoffkonzentrationen während dieser Betriebsphase sind. In diesem Fall wird die gespeicherte Abluft an die Umgebung abgelassen und die aktuell mit der geringeren Sauerstoffkonzentration vorliegende Abluft wird erneut gespeichert.In a further very advantageous embodiment of the method according to the invention, it can also be provided that the oxygen concentration of the exhaust air is detected, wherein the exhaust air is stored again when the oxygen concentration is lower than the previously measured during the same phase of operation of the fuel cell system oxygen concentration. Typically, one will proceed so that comparatively early after the start of the fuel cell in optionally empty storage device immediately stores exhaust air from the fuel cell in order to be prepared for a restart even at a short time. This exhaust air is then optionally provided with more residual oxygen, as later during operation accumulating exhaust air. A simple measurement of the oxygen concentration in the exhaust air and a temporal storage of these measurements can be used to determine whether there is currently an oxygen concentration which is lower than all previously measured oxygen concentrations during this phase of operation. In this case, the stored exhaust air is discharged to the environment and the exhaust air currently present with the lower oxygen concentration is stored again.

In einer alternativen Ausgestaltung hiervon kann es bei der Verwendung von zwei Wasserstoffsensoren selbstverständlich auch so gestaltet werden, dass der Sauerstoffgehalt sowohl in der aktuellen Abluft als auch in der gespeicherten Abluft entsprechend gemessen wird, und die Abluft jeweils erneut gespeichert wird, wenn die Sauerstoffkonzentration in der aktuellen Abluft geringer ist als in der bereits gespeicherten Abluft. Gegenüber dem zuvor beschriebenen Verfahren wird der Steuerungsaufwand hier reduziert, dafür ist ein zweiter Sensor notwendig.In an alternative embodiment of this, it can of course also be designed with the use of two hydrogen sensors, that the oxygen content is measured accordingly both in the current exhaust air and in the stored exhaust air, and the exhaust air is stored again when the oxygen concentration in the current exhaust air is lower than in the already stored exhaust air. Compared to the method described above, the control effort is reduced here, but a second sensor is necessary.

Die Erfindung beschreibt ferner ein Brennstoffzellensystem zur Durchführung eines Verfahrens nach einer der oben beschriebenen Ausgestaltungen.The invention further describes a fuel cell system for carrying out a method according to one of the embodiments described above.

Das Brennstoffzellensystem weist eine mit einer Abluftleitung aus einem Kathodenraum einer Brennstoffzelle und einer Brennstoffzuleitung zu einem Anodenraum der Brennstoffzelle jeweils schaltbar verbundene Speichereinrichtung auf. Ein Brennstoffzellensystem, welches ansonsten annähernd beliebig aufgebaut werden kann, muss zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens also jeweils nur eine zusätzliche Speichereinrichtung beziehungsweise ein Speichervolumen aufweisen, welches schaltbar sowohl mit der Abluftleitung aus dem Kathodenraum als auch der Brennstoffzuleitung zu dem Anodenraum verbindbar ist.The fuel cell system has a storage device connected to an exhaust duct from a cathode space of a fuel cell and a fuel supply line to an anode space of the fuel cell, respectively. A fuel cell system, which otherwise can be constructed almost arbitrarily, must therefore each have only an additional storage device or a storage volume, which can be connected to both the exhaust duct from the cathode compartment and the fuel supply to the anode compartment switchable to carry out the method according to the invention.

Wie bereits erwähnt dient das erfindungsgemäße Verfahren und die Brennstoffzelle zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens insbesondere dazu, die Problematik der Degradation aufgrund einer durch den Anodenraum der Brennstoffzelle verlaufenden Wasserstoff/Sauerstoff-Front beim Starten der Brennstoffzelle zu reduzieren. Damit lässt sich eine längere Lebensdauer der Brennstoffzelle erreichen.As already mentioned, the method according to the invention and the fuel cell for carrying out the method according to the invention are used in particular to reduce the problem of degradation due to a hydrogen / oxygen front passing through the anode compartment of the fuel cell when starting the fuel cell. This allows a longer life of the fuel cell can be achieved.

Dieser Vorteil kommt insbesondere dann zum Tragen, wenn die Brennstoffzelle häufig abgestellt und wieder gestartet wird, da insbesondere beim Starten der Brennstoffzelle die Problematik auftritt. Das erfindungsgemäße Verfahren und die zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignete Brennstoffzelle kann dabei insbesondere in mobilen Systemen zur Erzeugung von elektrischer Leistung eingesetzt werden, da für derartige Systeme ein häufiges Starten, Anhalten und Wiederstarten typisch ist. Bei derartigen mobilen Systemen kann es sich beispielsweise um Landfahrzeuge oder Wasserfahrzeuge handeln, bei denen die Brennstoffzelle typischerweise zur Erzeugung von elektrischer Antriebsenergie und/oder zur Erzeugung von elektrischer Bordenergie eingesetzt wird. Eine weitere Verwendung in einem mobilen System ist auch in Flugzeugen denkbar, in denen die Brennstoffzelle als elektrische Energieversorgungseinheit für ein elektrisches Bordnetz zunehmend an Bedeutung gewinnt, und ähnlich wie in anderen Fahrzeugen vergleichsweise häufig abgestellt und wieder gestartet wird.This advantage is particularly useful if the fuel cell is often turned off and restarted, since in particular when starting the fuel cell, the problem occurs. The method according to the invention and the fuel cell which is suitable for carrying out the method according to the invention can be used in particular in mobile systems for generating electrical power, since frequent starting, stopping and restarting are typical of such systems. Such mobile systems may be, for example, land vehicles or watercraft, in which the fuel cell is typically used for generating electrical drive energy and / or for generating electrical energy. Another use in a mobile system is also conceivable in aircraft, in which the fuel cell as electrical power supply unit for an electrical vehicle electrical system is becoming increasingly important, and similar to other vehicles turned off and restarted comparatively often.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie der zur Durchführung des Verfahrens geeigneten Brennstoffzelle ergeben sich aus dem Ausführungsbeispiel und aus den restlichen abhängigen Ansprüchen. Das Ausführungsbeispiel wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben.Further advantageous embodiments of the method according to the invention and suitable for carrying out the method fuel cell resulting from the embodiment and from the remaining dependent claims. The embodiment will be described below with reference to the figures.

Dabei zeigen:Showing:

1 ein beispielhaftes Brennstoffzellensystem in einem Fahrzeug; 1 an exemplary fuel cell system in a vehicle;

2 eine erste mögliche Ausführungsform des Brennstoffzellensystems zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens; 2 a first possible embodiment of the fuel cell system for carrying out the method according to the invention;

3 eine zweite mögliche Ausführungsform des Brennstoffzellensystems zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens; und 3 a second possible embodiment of the fuel cell system for carrying out the method according to the invention; and

4 eine dritte mögliche Ausführungsform des Brennstoffzellensysteme zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. 4 a third possible embodiment of the fuel cell systems for carrying out the method according to the invention.

In der 1 ist ein Brennstoffzellensystem 1 in einer stark schematisierten Darstellung zu erkennen, welches in einem Fahrzeug 2 installiert sein soll. Das Brennstoffzellensystem 1 umfasst im Wesentlichen eine Brennstoffzelle 3, welche hier als PEM-Brennstoffzelle ausgebildet sein soll. Protonendurchlässige Membranen trennen dabei einen Anodenraum 4 von einem Kathodenraum 5 der Brennstoffzelle 3. Dem Kathodenraum 5 wird in an sich bekannter Art und Weise Luft über eine Luftfördereinrichtung 6, beispielsweise einen Strömungsverdichter, ein Roots-Gebläse oder dergleichen, zugeführt. Die Luft gelangt dann über einen Befeuchter 7, in dessen Bereich sie befeuchtet wird, in den Kathodenraum 5 der Brennstoffzelle 3. Die an Sauerstoff abgereicherte Abluft aus dem Kathodenraum 5 strömt wiederum durch den Befeuchter 7 und gibt die in der Brennstoffzelle 3 in Form des dampfförmigen Produktwassers aufgenommene Feuchtigkeit an den Zuluftstrom in dem Befeuchter 7 ab. Anschließend kann die Abluft zur Rückgewinnung von Druckenergie über eine Turbine 8 an die Umgebung entspannt werden. Die Turbine 8 sitzt in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel mit der Luftfördereinrichtung 6 gemeinsam auf einer Welle. Die im Bereich der Turbine 8 zurückgewonnene Energie kann damit die Luftfördereinrichtung 6 antreiben. Da diese Energie typischerweise nicht ausreichen wird, ist außerdem eine elektrische Maschine 9 auf der Welle vorgesehen, welche die zusätzliche für die Luftfördereinrichtung 6 benötigte Energie bereitstellt. Kommt es zu einem Energieüberschuss im Bereich der Turbine 8, so kann über die elektrische Maschine 9 außerdem elektrische Energie zur anderweitigen Verwendung erzeugt werden.In the 1 is a fuel cell system 1 to recognize in a highly schematic representation, which in a vehicle 2 should be installed. The fuel cell system 1 essentially comprises a fuel cell 3 , which should be designed here as a PEM fuel cell. Proton-permeable membranes separate an anode space 4 from a cathode compartment 5 the fuel cell 3 , The cathode compartment 5 Air is in a conventional manner via an air conveyor 6 , For example, a flow compressor, a Roots blower or the like supplied. The air then passes through a humidifier 7 , in the area of which it is moistened, into the cathode compartment 5 the fuel cell 3 , The oxygen depleted exhaust air from the cathode compartment 5 flows in turn through the humidifier 7 and gives those in the fuel cell 3 in the form of the vaporous product water absorbed moisture to the supply air flow in the humidifier 7 from. Subsequently, the exhaust air for the recovery of pressure energy via a turbine 8th be relaxed to the environment. The turbine 8th sits in the embodiment shown here with the air conveyor 6 together on a wave. The in the area of the turbine 8th recovered energy can thus the air conveyor 6 drive. Since this energy will typically not be sufficient, is also an electrical machine 9 provided on the shaft, which is the additional for the air conveyor 6 provides needed energy. If there is an excess of energy in the area of the turbine 8th so can about the electric machine 9 In addition, electrical energy can be generated for other use.

Dem Anodenraum 4 der Brennstoffzelle 3 wird Wasserstoff aus einem Druckgasspeicher 10 zugeführt. Der Wasserstoff gelangt von dem Druckgasspeicher 10 über eine mit 11 bezeichnete Druckregel- und Dosiereinheit in den Anoderaum 4. Typischerweise wird der Anodenraum 4 dabei mit mehr Wasserstoff versorgt, als in diesem elektrochemisch umgesetzt wird. Der Restwasserstoff wird dann über eine Rezirkulationsleitung 12 und eine Rezirkulationsfördereinrichtung 13, beispielsweise ein Rezirkulationsgebläse, in den Bereich des Eingangs des Anodenraums 4 zurückgefördert und strömt, vermischt mit dem frischen Wasserstoff aus der Druckregel- und Dosiereinheit 11, dem Anodenraum 4 erneut zu. In diesem sogenannten Anodenkreislauf beziehungsweise Anodenloop reichert sich mit der Zeit Produktwasser an, da ein kleiner Teil des Produktwassers der Brennstoffzelle 3 auch im Bereich des Anodenraums 4 entsteht. Außerdem diffundieren inerte Gase wie beispielsweise Stickstoff durch die Membranen hindurch in den Anodenraum 4. Dies führt letzten Endes im Bereich der Rezirkulationsleitung 12 zu einer sich mit der Zeit verringernden Wasserstoffkonzentration. Um diesem entgegenzuwirken, wird typischerweise von Zeit zu Zeit Gas und/oder Wasser aus dem Bereich der Rezirkulationsleitung 12 abgelassen. Hierfür dient ein Ablassventil 14, welches in einer nicht näher bezeichneten Ablassleitung angeordnet ist.The anode compartment 4 the fuel cell 3 becomes hydrogen from a compressed gas storage 10 fed. The hydrogen passes from the compressed gas storage 10 about one with 11 designated pressure control and dosing in the Anoderaum 4 , Typically, the anode compartment becomes 4 supplied with more hydrogen than is converted in this electrochemically. The residual hydrogen is then passed through a recirculation line 12 and a recirculation conveyor 13 , For example, a recirculation fan, in the region of the entrance of the anode compartment 4 fed back and flows, mixed with the fresh hydrogen from the pressure control and metering unit 11 , the anode compartment 4 again. Product water accumulates over time in this so-called anode circuit or anode loop, since a small part of the product water of the fuel cell 3 also in the area of the anode compartment 4 arises. In addition, inert gases such as nitrogen diffuse through the membranes into the anode compartment 4 , This ultimately leads to the area of the recirculation line 12 to a decreasing hydrogen concentration over time. To counteract this, gas and / or water from the area of the recirculation line is typically from time to time 12 drained. For this purpose, a drain valve is used 14 which is arranged in an unspecified drain line.

Da das abgelassene Gemisch aus Wasser und Gas immer auch eine gewisse Menge an Restwasserstoff enthält, wird dieses typischerweise in den Bereich einer katalytischen Einheit abgelassen, in dem dieser Wasserstoff umgesetzt wird. Dies kann beispielsweise ein Katbrenner sein, welcher insbesondere in dem Abluftstrom in Strömungsrichtung vor der Turbine 8 angeordnet ist, oder es kann sich bei der katalytischen Einheit um einen eigenen Katalysator oder den im Kathodenraum 5 vorhandenen Katalysator handeln.Since the deflated mixture of water and gas also always contains a certain amount of residual hydrogen, this is typically discharged into the region of a catalytic unit in which this hydrogen is reacted. This may be, for example, a cat burner, which in particular in the exhaust air flow in the flow direction in front of the turbine 8th is arranged, or it may be in the catalytic unit to a separate catalyst or in the cathode compartment 5 act existing catalyst.

Das bisher beschriebene Brennstoffzellensystem 1 in dem Fahrzeug 2 ist so aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. Es ist rein beispielhaft zu verstehen. So ist es klar, dass neben den beschrieben Komponenten wie Befeuchter, elektrischem Turbolader, Anodenrezirkulation auch Alternativen hierzu ausgeführt werden können. Für die Erfindung ist lediglich die Brennstoffzelle 3 selbst von Bedeutung, sodass zur Erläuterung in den nachfolgenden Figuren jeweils nur ein vergrößerter Ausschnitt der relevanten Bauteile dargestellt ist.The fuel cell system described so far 1 in the vehicle 2 is known from the general state of the art. It is purely exemplary to understand. So it is clear that in addition to the described components such as humidifier, electric turbocharger, anode recirculation also alternatives can be carried out. For the invention, only the fuel cell 3 itself important, so that only an enlarged section of the relevant components is shown for explanation in the following figures.

In 2 ist ein möglicher Aufbau der für das erfindungsgemäße Verfahren relevanten Bauteile des Brennstoffzellensystems 1 dargestellt. Neben der bereits in der Darstellung der 1 dargestellten Brennstoffzelle 3 mit ihrem Anodenraum 4 und ihrem Kathodenraum 5 weist der in den 2 bis 4 dargestellte Aufbau jeweils noch eine Speichereinrichtung 15 in Form eines Vorratsbehälters beziehungsweise Speichervolumens auf. Eine Wasserstoffzuleitung zu dem Anodenraum 4 der Brennstoffzelle 3 ist in der Darstellung der 2 mit 16 bezeichnet. Die Ableitung aus dem Anodenraum 4 der Brennstoffzelle 3 soll die in 1 bereits dargestellte Rezirkulationsleitung 12 sein, wobei an dieser Stelle angemerkt werden soll, dass das Verfahren selbstverständlich auch bei Brennstoffzellen ohne Rezirkulation von Anodenabgasen entsprechend funktioniert.In 2 is a possible structure of the components of the fuel cell system that are relevant for the method according to the invention 1 shown. In addition to the already in the presentation of 1 illustrated fuel cell 3 with her anode room 4 and her cathode room 5 points in the 2 to 4 shown construction each still a memory device 15 in the form of a storage container or storage volume. A hydrogen supply line to the anode compartment 4 the fuel cell 3 is in the representation of 2 With 16 designated. The derivative from the anode compartment 4 the fuel cell 3 should the in 1 already shown recirculation line 12 It should be noted at this point that the method of course also works properly for fuel cells without recirculation of anode exhaust gases.

Die von der Luftfördereinrichtung 6 beziehungsweise dem Befeuchter kommende Zuluftleitung zu dem Kathodenraum 5 der Brennstoffzelle ist in der Darstellung der 2 mit 17 bezeichnet, eine Abluftleitung aus dem Kathodenraum 5 trägt das Bezugszeichen 18. Nun befindet sich im Bereich der Abluftleitung 18 eine Ventileinrichtung 19, welche vorzugsweise als 3-Wegeventil oder Mischventil ausgebildet ist. Sie ist so schaltbar, dass die gesamte aus dem Kathodenraum 5 der Brennstoffzelle 3 stammende Abluft oder ein Teil dieser Abluft aus dem Bereich der Abluftleitung 18 in eine Leitung 20 zu dem Vorratsbehälter 15 geleitet werden kann. Dort wird die Abluft aus dem Kathodenraum 5 der Brennstoffzelle 3 entsprechend zwischengespeichert, beispielsweise indem die Ventileinrichtung 19 nach dem Befüllen der Speichereinrichtung 15 geschlossen wird. Über eine Leitung 21 ist die Speichereinrichtung 15 außerdem über eine weitere Ventileinrichtung 22 mit der Brennstoffzuleitung 16 verbunden. Die Ventileinrichtung 23 kann vorzugsweise ebenfalls als 3-Wegeventil oder Mischventil ausgebildet sein. So kann bei Bedarf die in der Speichereinrichtung 15 gespeicherte Abluft, welche an Sauerstoff abgereichert ist, zum Spülen des Anodenraums 4 der Brennstoffzelle 3 verwendet werden. Dies wird typischerweise vor einem Start der Brennstoffzelle 3 erfolgen. Ergänzend oder alternativ hierzu ist es möglich, über die Ventileinrichtung 22 gespeicherte an Sauerstoff abgereicherte Abluft dem Brennstoffstrom in der Brennstoffzuleitung 16 zu dem Anodenraum 4 der Brennstoffzelle zuzuführen und so die kritische Sauerstoff/Wasserstoff-Front im Anodenraum beim Start zu verwischen, um so nachhaltig der Degradation der Brennstoffzelle 3 entgegenzuwirken.The of the air conveyor 6 or the humidifier coming supply air to the cathode compartment 5 the fuel cell is in the representation of 2 With 17 denotes an exhaust duct from the cathode compartment 5 bears the reference number 18 , Now it is located in the area of the exhaust air line 18 a valve device 19 , which is preferably designed as a 3-way valve or mixing valve. It is so switchable that the entire out of the cathode compartment 5 the fuel cell 3 originating exhaust air or a part of this exhaust air from the area of the exhaust air line 18 in a line 20 to the reservoir 15 can be directed. There, the exhaust air from the cathode compartment 5 the fuel cell 3 cached accordingly, for example by the valve device 19 after filling the storage device 15 is closed. About a line 21 is the storage device 15 also via a further valve device 22 with the fuel supply line 16 connected. The valve device 23 may preferably also be designed as a 3-way valve or mixing valve. Thus, if necessary, in the storage device 15 stored exhaust air, which is depleted in oxygen, for purging the anode compartment 4 the fuel cell 3 be used. This will typically be prior to a start of the fuel cell 3 respectively. In addition or alternatively, it is possible via the valve device 22 Stored oxygen depleted exhaust air to the fuel flow in the fuel supply line 16 to the anode compartment 4 To supply the fuel cell and so to blur the critical oxygen / hydrogen front in the anode compartment at start, as sustainable the degradation of the fuel cell 3 counteract.

Je nach Druckbedingungen kann es notwendig sein, dass entweder im Bereich der Leitung 20 oder der Leitung 21 eine Fördereinrichtung vorgesehen ist, um eventuelle Druckunterschiede auszugleichen. Die Fördereinrichtung könnte beispielweise in Form einer Gasstrahlpumpe ausgebildet sein, welche an der Stelle der Ventileinrichtung 22 angeordnet wird. Je nach gewünschtem Betriebszustand müssten dann vor- oder nachgeschaltet entsprechende Ventile angeordnet werden. Alternativ dazu ist auch der Verzicht auf eine Fördereinrichtung möglich. Dann sollte die Speicherung der Abluft in der Speichereinrichtung 15 während des Betriebs in einer Phase erfolgen, in der in der Speichereinrichtung 15 ein ausreichender Druck aufgebaut werden kann, um mit der gespeicherten Abluft die Druckverluste zwischen der Speichereinrichtung 15 und der Umgebung überwinden zu können, sodass ein Spülen des Anodenraums 4 mit der gespeicherten Abluft möglich ist. Dies ließe sich beispielsweise durch ein in der Startphase der Brennstoffzelle 3 anderes Druckniveau realisieren, als im regulären Betrieb.Depending on the pressure conditions, it may be necessary either in the area of the line 20 or the line 21 a conveyor is provided to compensate for any pressure differences. The conveyor could be designed, for example, in the form of a gas jet pump, which at the location of the valve device 22 is arranged. Depending on the desired operating state then appropriate upstream or downstream valves should be arranged. Alternatively, the waiver of a conveyor is possible. Then the storage of the exhaust air in the storage device should be 15 during operation in a phase in which in the memory device 15 sufficient pressure can be built up with the stored exhaust air, the pressure losses between the storage device 15 and the environment to be overcome, so that rinsing the anode compartment 4 with the stored exhaust air is possible. This could be done, for example, by a in the starting phase of the fuel cell 3 to achieve a different pressure level than in normal operation.

Im gewünschten bevorzugten Betriebszustand, bei welchem die an Sauerstoff abgereicherte in der Speichereinrichtung 15 gespeicherte Luft jeweils dem frischen zu dem Anodenraum 4 der Brennstoffzelle strömenden Brennstoff während der Startphase der Brennstoffzelle 3 zugemischt wird, würde anstelle der Ventileinrichtung 22 eine Gasstrahlpumpe bzw. eine Jetpump ausreichen, welche im Bereich der sie mit der gespeicherten Abluft versorgenden Leitung 21 eine Ventileinrichtung aufweist, um so während des regulären Betriebs den Zustrom von Abluft in den zu dem Anoderaum 4 strömenden Wasserstoffstrom zu verhindern.In the desired preferred operating state, in which the oxygen-depleted in the storage device 15 stored air in each case the fresh to the anode compartment 4 the fuel cell flowing fuel during the startup phase of the fuel cell 3 would be added instead of the valve device 22 suffice a gas jet pump or a jet pump, which in the area of the supply with the stored exhaust air line 21 a valve means, so as to during normal operation, the influx of exhaust air in the Anoderaum 4 prevent flowing hydrogen flow.

In der Darstellung der 3 ist eine alternative Ausführungsform dargestellt, welche im Wesentlichen der in 2 gezeigten Ausführungsform entspricht. Der einzige Unterschied besteht in der Einrichtung 23 zur Luftaufbereitung, welche im Bereich des Leitungselements 20 angeordnet ist. Diese Einrichtung 23 zur Luftaufbereitung kann dabei insbesondere einen Flüssigkeitsabscheider und/oder Trockner aufweisen, um die in der Speichereinrichtung 15 eingespeicherte Abluft möglichst trocken speichern zu können. Dadurch wird, insbesondere für den Fall, dass Abluft und System sich seit der letzten Betriebsphase entsprechend abgekühlt haben, die Auskondensation von Feuchtigkeit im Bereich der gespeicherten Abluft verhindert. Dadurch kann keine Feuchtigkeit auf diesem Weg in den Anodenraum 4 eingetragen werden und, im Falle eines Ausharrens des Brennstoffzellensystems 1 bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts bis zum Wiederstart kann ein Einfrieren der Speichereinrichtung und in diesem Bereich gegebenenfalls vorhandener Ventile sicher und zuverlässig verhindert werden.In the presentation of the 3 an alternative embodiment is shown which essentially corresponds to that in 2 shown embodiment corresponds. The only difference is in the decor 23 for air treatment, which in the area of the line element 20 is arranged. This device 23 for air treatment may in particular have a liquid separator and / or dryer to those in the storage device 15 to store stored exhaust air as dry as possible. As a result, in particular in the event that the exhaust air and the system have cooled down correspondingly since the last operating phase, the condensation of moisture in the area of the stored exhaust air is prevented. This prevents moisture from entering the anode compartment on this path 4 be registered and, in the case of a ceasing of the fuel cell system 1 At temperatures below the freezing point until restarting a freezing of the storage device and optionally existing in this area valves can be safely and reliably prevented.

Alternativ oder ergänzend zum Abscheiden von flüssigem Wasser und dem Trocknen beziehungsweise Entfeuchten der Abluft kann außerdem eine Oxidation der Abluft erfolgen. Bei einer solchen Oxidation wird der vergleichsweise geringe Restsauerstoffgehalt noch weiter reduziert. Die gespeicherte Abluft ist damit noch besser für eine Verminderung der Degradation der Brennstoffzelle 3 geeignet. Die Oxidation kann beispielsweise über einen Oxidator erfolgen, welcher in Form einer Kartusche beziehungsweise Wechselpatrone im Bereich der Einrichtung 23 angeordnet ist, und von Zeit zu Zeit, beispielsweise bei Wartungsintervallen, entsprechend ausgetauscht wird.As an alternative or in addition to the separation of liquid water and the drying or dehumidifying of the exhaust air can also be carried out oxidation of the exhaust air. With such an oxidation, the comparatively low residual oxygen content is reduced even further. The stored exhaust air is thus even better for a reduction of the degradation of the fuel cell 3 suitable. The oxidation can take place, for example, via an oxidizer which is in the form of a cartridge or replacement cartridge in the region of the device 23 is arranged, and is replaced from time to time, for example at maintenance intervals, accordingly.

In der Darstellung der 4 ist eine weitere alternative Ausgestaltung des Aufbaus zu erkennen. Der Aufbau kann dabei mit der Einrichtung 23 oder auch ohne diese ausgeführt sein. Die Darstellung wählt dabei rein beispielhaft den Aufbau mit der Einrichtung 23. Als weiterer Unterschied gegenüber den vorhergehenden Figuren befindet sich ein Sauerstoffsensor 24 im Bereich der Abluftleitung 18. Ein zweiter optionaler Sauerstoffsensor 25 ist im Bereich der Speichereinrichtung 15 vorhanden. Zusätzlich weist der Aufbau eine Ablassleitung 26 mit einem Ablassventil 27 für die in der Speichereinrichtung 15 gespeicherte Luft auf.In the presentation of the 4 is another alternative embodiment of the structure to recognize. The structure can with the device 23 or even run without them. The representation chooses purely by way of example the structure with the Facility 23 , Another difference compared to the previous figures is an oxygen sensor 24 in the area of the exhaust air line 18 , A second optional oxygen sensor 25 is in the area of the storage facility 15 available. In addition, the structure has a drain line 26 with a drain valve 27 for those in the storage device 15 stored air on.

Eine erste mögliche Verfahrensführung sieht nun so aus, dass über den Sauerstoffsensor 24 die Sauerstoffkonzentration in der Abluft aus dem Kathodenraum 5 der Brennstoffzelle 3 fortlaufend überwacht und protokolliert wird. Hierfür kann beispielsweise eine über eine Signalleitung mit dem Sauerstoffsensor 24 verbundene Steuereinrichtung 28 dienen. Im Bereich der Steuereinrichtung 28 kann so erkannt werden, ob die aktuell vorliegende Sauerstoffkonzentration in der Abluftleitung 18 niedriger oder höher als die zuvor gemessenen Sauerstoffkonzentrationen ist. Immer dann, wenn diese niedriger als alle bisher während derselben Betriebsphase der Brennstoffzelle 3 gemessenen Sauerstoffkonzentrationen ist, wird das Ablassventil 27 geöffnet, die im Vorratsbehälter 15 befindliche Abluft abgelassen und durch Abluft mit der niedrigeren Sauerstoffkonzentration ersetzt.A first possible procedure now looks like that via the oxygen sensor 24 the oxygen concentration in the exhaust air from the cathode compartment 5 the fuel cell 3 is continuously monitored and logged. For this example, one via a signal line to the oxygen sensor 24 connected control device 28 serve. In the area of the control device 28 can be recognized, whether the currently existing oxygen concentration in the exhaust duct 18 is lower or higher than the previously measured oxygen concentrations. Whenever this is lower than all previously during the same phase of operation of the fuel cell 3 measured oxygen concentrations, the drain valve 27 opened in the storage container 15 discharged exhaust air and replaced by exhaust air with the lower oxygen concentration.

Dieser Vorgang lässt sich noch weiter optimieren, wenn der optionale Sauerstoffsensor 25 ebenfalls vorhanden ist. Im Bereich der Steuereinrichtung 28 kann dann ein Vergleich der Sauerstoffkonzentrationen erfolgen. Ein Ablassen der bereits gespeicherten Abluft und ein Ersetzen derselben durch aktuell aus dem Kathodenraum 5 der Brennstoffzelle 3 austretende Abluft kann immer dann erfolgen, wenn die Sauerstoffkonzentration der aktuellen Abluft kleiner als die der bereits gespeicherten Abluft ist.This process can be further optimized if the optional oxygen sensor 25 is also available. In the area of the control device 28 then a comparison of the oxygen concentrations can be made. Discharging the already stored exhaust air and replacing it with currently from the cathode compartment 5 the fuel cell 3 escaping exhaust air can always take place when the oxygen concentration of the current exhaust air is smaller than that of the already stored exhaust air.

Beide Verfahren ermöglichen mit minimalem Aufwand eine minimale Konzentration an Restsauerstoff in der gespeicherten Abluft in der Speichereinrichtung 15, welche gegebenenfalls durch einen Oxidator im Bereich der Einrichtung 23 zur Aufbereitung der Abluft weiter reduziert werden kann. Die so eingespeicherte und bis zum Wiederstart der Brennstoffzelle 3 zwischengespeicherte Abluft weist immer einen minimalen Sauerstoffgehalt auf. Sie ist ideal geeignet, um durch Spülen den Anodenraums 4 oder durch Beimischung zum Brennstoff die Mechanismen der Degradation in der Brennstoffzelle 3 zu verhindern oder zumindest stark zu reduzieren.Both methods allow with minimal effort a minimum concentration of residual oxygen in the stored exhaust air in the storage device 15 optionally by an oxidizer in the region of the device 23 for the treatment of the exhaust air can be further reduced. The so stored and until the restart of the fuel cell 3 cached exhaust air always has a minimum oxygen content. It is ideally suited to rinse the anode compartment 4 or by admixture to fuel the mechanisms of degradation in the fuel cell 3 to prevent or at least greatly reduce.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 112004001726 T5 [0003]

Claims

Method for operating a fuel cell system ( 1 ) with at least one fuel cell ( 3 ) with a cathode compartment ( 5 ) and an anode compartment ( 4 ), which is supplied for starting air and fuel, characterized in that during operation of the fuel cell system ( 1 ) Exhaust air from the cathode compartment ( 5 ) in a storage device ( 15 ) and that when starting the fuel cell ( 3 ) the exhaust air from the storage device ( 15 ) the anode space ( 4 ), wherein the fuel together with or after the stored exhaust air to the anode compartment ( 4 ) is supplied.

A method according to claim 1, characterized in that the stored exhaust air during a start phase to the fuel cell ( 3 ) is supplied to flowing fuel.

A method according to claim 1, characterized in that the exhaust air is stored during operation at a time when there is a low cathode stoichiometry.

A method according to claim 1, 2 or 3, characterized in that the supply of the stored exhaust air in dependence on a in the anode region ( 4 . 12 ) takes place before starting hydrogen concentration present.

Method according to one of claims 1 to 4. characterized in that the stored exhaust air is pretreated prior to storage, the pretreatment comprising at least one of the following steps: - Separation of liquid water; - Dry; - Oxidizing residual oxygen.

Method according to one of claims 1 to 5, characterized in that the oxygen concentration is detected, wherein the exhaust air is respectively stored again when the oxygen concentration is less than the previously measured during the same phase of operation oxygen concentration.

Method according to one of claims 1 to 5, characterized in that the oxygen concentration of the current and the stored exhaust air is measured, wherein the exhaust air is respectively stored again when the oxygen concentration of the current exhaust air is less than the oxygen concentration of the stored exhaust air.

Fuel cell system ( 1 ) for carrying out the method according to one of claims 1 to 7, characterized in that one with an exhaust duct ( 18 ) from a cathode compartment ( 5 ) a fuel cell ( 3 ) and a fuel supply line ( 16 ) to an anode compartment ( 4 ) of the fuel cell ( 3 ) each switchably connected storage device ( 15 ) having.

Fuel cell system ( 1 ) according to claim 8, characterized in that between the exhaust duct ( 18 ) and the memory device ( 15 ) An institution ( 23 ) is arranged for air treatment.

Use of the method according to one of claims 1 to 7 and / or the fuel cell system according to one of claims 8 or 9 in a mobile system ( 2 ) for generating electrical power.