DE102011114717A1

DE102011114717A1 - Proton exchange membrane fuel cell for use in fuel cell system for providing electrical driving power to vehicle, has venturi nozzle connected with interior of housing, which is sealed against environment

Info

Publication number: DE102011114717A1
Application number: DE102011114717A
Authority: DE
Inventors: Cosimo Mazzotta
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2011-10-01
Filing date: 2011-10-01
Publication date: 2012-04-26

Abstract

The cell (3) has a stack of individual cells arranged in a housing (6). A supply line (11) supplies air to a cathode compartment (10). A vent pipe (12) exhausts the air from the cathode compartment. A venturi nozzle (13) is provided in a region of the supply line and/or the vent pipe. The venturi nozzle is connected with an interior of the housing in a region of a narrow cross-section over a suction line, where the housing is sealed against the environment. The housing interior stands in a connection with the cathode compartment over an aperture.

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle mit einem Stapel von Einzellzellen, welche in einem Gehäuse angeordnet ist, nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.The invention relates to a fuel cell with a stack of Einzellzellen, which is arranged in a housing, according to the closer defined in the preamble of claim 1.

Brennstoffzellen als Stapel von Einzelzellen aufzubauen ist aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt und üblich. Diese Stapel von Einzelzellen werden dann als Brennstoffzellenstapel oder Brennstoffzellenstack bezeichnet. Aufgrund der Vielzahl von Einzelzellen ist es notwendig, diese alle gegeneinander abzudichten. Insbesondere im Bereich eines Anodenraums der Brennstoffzelle, in welchem Wasserstoff vorliegt, ist dies außerordentlich schwierig. In der Praxis wird sich deshalb kein zu 100% dichter Brennstoffzellenstapel realisieren lassen. Es ist daher aus dem Stand der Technik bekannt, diesen Stapel in ein Gehäuse, in die sogenannte Stackbox, zu integrieren. Eventuelle Undichtheiten werden dann von diesem Gehäuse aufgefangen und können gezielt abgeführt werden.To build fuel cells as a stack of single cells is known and customary from the general state of the art. These stacks of single cells are then referred to as a fuel cell stack or fuel cell stack. Due to the large number of individual cells, it is necessary to seal them all against each other. In particular, in the region of an anode space of the fuel cell in which hydrogen is present, this is extremely difficult. Therefore, in practice, no 100% dense fuel cell stack will be realized. It is therefore known from the prior art to integrate this stack into a housing, in the so-called stack box. Any leaks will then be absorbed by this housing and can be selectively removed.

In der DE 10 2008 016 579 A1 ist eine Brennstoffzelleneinrichtung mit einer Brennstoffzelle in einem Gehäuse beschrieben. Das Gehäuse weist dabei eine Öffnung auf, durch welche, typischerweise über einen Luftfilter, Umgebungsluft eintritt. Über eine Luftfördereinrichtung, welche vorzugsweise als Venturidüse mit einer im Bereich des engsten Querschnitts mündenden Ansaugleitung ausgebildet ist, wird diese Luft dann, vorzugsweise durch den aus dem Kathodenraum der Brennstoffzelle abströmenden Abluftstrom abgesaugt, sodass eine ständige Durchströmung des Gehäuses mit Luft gegeben ist. Dadurch werden eventuelle Leckagen sicher und zuverlässig abgeführt und mit der Abluft der Brennstoffzelle verdünnt.In the DE 10 2008 016 579 A1 a fuel cell device is described with a fuel cell in a housing. The housing in this case has an opening through which, typically via an air filter, ambient air enters. By means of an air conveying device, which is preferably designed as a Venturi nozzle with a suction line opening in the area of the narrowest cross section, this air is then sucked off, preferably through the exhaust air stream flowing out of the cathode space of the fuel cell, so that there is constant air flow through the housing. As a result, any leaks are safely and reliably dissipated and diluted with the exhaust air of the fuel cell.

Aufgrund der entweder permanenten oder über eine Klappe verschließbaren Öffnung zum Ansaugen der Spülluft für das Gehäuse der Brennstoffzelle entsteht ein Aufbau, welcher in bestimmten Betriebssituationen sicherheitskritisch ist. Es ist so, dass beim Abstellen der Brennstoffzelle typischerweise zuerst Luftförderung zur Brennstoffzelle eingestellt wird. Der Abluftstrom versiegt damit und die Funktionsfähigkeit der über die Venturidüse ausgebildeten Absaugung geht verloren. In dieser Situation kann aber durchaus noch Restwasserstoff im Bereich der Brennstoffzelle beziehungsweise des Gehäuses um die Brennstoffzelle vorhanden sein, falls Leckagen der Brennstoffzelle auftreten. Dieser Wasserstoff gelangt dann über die permanente Öffnung an die Umgebung. Auch die über eine Klappe verschließbare Öffnung wird typischerweise nicht so ausgebildet sein, dass diese wasserstoffdicht ist, da dies bei Klappen entsprechend aufwändig und komplex zu realisieren ist. Damit besteht die Gefahr von eventuellen Wasserstoffemissionen an das Äußere des Gehäuses, wodurch gegebenenfalls zündfähige oder gar explosive Gemische in der Umgebung des Gehäuses entstehen können.Due to the either permanent or via a flap closable opening for sucking the scavenging air for the housing of the fuel cell creates a structure which is critical to safety in certain operating situations. It is such that when the fuel cell is shut off, air delivery to the fuel cell is typically first adjusted. The exhaust air flow dries with it and the functionality of the exhaust nozzle formed via the Venturi nozzle is lost. In this situation, however, residual hydrogen may still be present in the region of the fuel cell or of the housing around the fuel cell if leaks of the fuel cell occur. This hydrogen then passes through the permanent opening to the environment. The closable via a flap opening is typically not be designed so that it is hydrogen-tight, since this is correspondingly complex and complex to implement in flaps. There is thus the danger of possible hydrogen emissions to the exterior of the housing, which may possibly give rise to ignitable or even explosive mixtures in the vicinity of the housing.

Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, die oben genannten Nachteile zu vermeiden und eine Brennstoffzelle anzugeben, welche sehr einfach und effizient aufgebaut ist und ein sehr hohes Maß an Sicherheit bietet.The object of the present invention is now to avoid the above-mentioned disadvantages and to provide a fuel cell, which is very simple and efficient and provides a very high level of security.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Brennstoffzelle mit den Merkmalen im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Brennstoffzelle sind in den hiervon abhängigen Unteransprüchen angegeben. Im Anspruch 9 ist außerdem ein Brennstoffzellensystem mit einer solchen Brennstoffzelle angegeben, im Anspruch 10 wird eine bevorzugte Verwendung eines solchen Brennstoffzellensystems beschrieben.According to the invention this object is achieved by a fuel cell having the features in the characterizing part of claim 1. Further advantageous embodiments of the fuel cell are specified in the dependent claims. In claim 9, a fuel cell system is also specified with such a fuel cell, in claim 10, a preferred use of such a fuel cell system is described.

Bei der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle ist es vorgesehen, dass der Stapel in einem Gehäuse angeordnet ist, welches dicht gegenüber der Umgebung ausgebildet ist. Ein solches dicht gegenüber der Umgebung ausgebildetes Gehäuse, ohne Öffnungen, Klappen oder dergleichen, ist insbesondere dann von Vorteil wenn es gilt Wasserstoffleckagen, welche auch außerhalb des regulären Betriebs der Brennstoffzelle auftreten können, zurückzuhalten. In dem Gehäuse kann sich dieser Wasserstoff sowie gegebenenfalls Luft, Kondenswasser und Kühlmedium sammeln. Im Betrieb des Brennstoffzellensystems wird dieses dann über die in der Zuluftleitung oder der Abluftleitung angeordnete Venturidüse mit einer Ansaugleitung angesaugt und aus dem Gehäuse entfernt. Wenn alle Medien aus dem Gehäuse abgesaugt sind, stellt sich in dem nach außen dichten Gehäuse ein Unterdruck ein, eventuell aus dem Stapel der Einzelzellen austretende Leckagen werden aufgenommen und abgesaugt.In the fuel cell according to the invention, it is provided that the stack is arranged in a housing which is formed close to the environment. Such a tightly trained against the environment housing, without openings, flaps or the like, is particularly advantageous if it is important to retain hydrogen leaks, which may occur outside of the regular operation of the fuel cell. In the housing, this hydrogen and possibly air, condensate and cooling medium can collect. During operation of the fuel cell system, this is then sucked in via the venturi nozzle arranged in the supply air line or the exhaust air line with a suction line and removed from the housing. When all the media has been sucked out of the housing, a negative pressure is established in the housing which is sealed to the outside, any leaks emerging from the stack of individual cells are absorbed and extracted.

In einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle kann es ferner vorgesehen sein, dass die Venturidüse im Bereich der Zuluftleitung angeordnet ist. Ein solcher Aufbau mit der Venturidüse im Bereich der Zuluftleitung hat dabei den besonderen Vorteil, dass angesaugte Leckagen dem Kathodenraum der Brennstoffzelle zugeführt werden. Eventueller Wasserstoff in der Leckage wird dann im Bereich des im Kathodenraum vorliegenden Katalysators sicher und zuverlässig umgesetzt. Wasserstoffemissionen an die Umgebung können so vermieden werden.In an advantageous development of the fuel cell according to the invention, it may further be provided that the Venturi nozzle is arranged in the region of the supply air line. Such a construction with the Venturi nozzle in the region of the supply air line has the particular advantage that sucked-in leakages are supplied to the cathode space of the fuel cell. Any hydrogen in the leakage is then safely and reliably converted in the region of the catalyst present in the cathode compartment. Hydrogen emissions to the environment can thus be avoided.

Werden neben Leckagen an Luft und Wasserstoff auch Leckagen des Kühlmediums befürchtet und durch das Ansaugrohr mit angesaugt, dann ist dieser Aufbau nicht zu empfehlen, da in dem Kühlmedium enthaltene Stoffe die Brennstoffzelle schädigen könnten. In diesem Fall kann die Venturidüse vorzugsweise in der Abluftleitung angeordnet sein.If, in addition to leaks in air and hydrogen leaks of the cooling medium and feared sucked through the intake pipe, then this structure is not recommended because in the Coolant contained substances that could damage the fuel cell. In this case, the Venturi nozzle may preferably be arranged in the exhaust air line.

In einer besonders günstigen und vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle ist es außerdem vorgesehen, dass der Kathodenraum der Brennstoffzelle über eine gezielte Öffnung oder eine bewusst eingebrachte Leckage mit dem Inneren des Gehäuses in Verbindung steht. Dieser Aufbau gewährleistet ebenfalls ei an sich dichtes Gehäuse. Über eine gezielte Leckage oder eine Öffnung im Bereich des Kathodenraums kann dennoch in den Kathodenraum geförderte Luft in das Gehäuse eintreten. Dadurch wird eine minimale kontinuierliche Strömung zwischen dieser Öffnung und der Ansaugung der Venturidüse erreicht. Da die Öffnung selbst im Bereich des Stapels der Brennstoffzellen angeordnet ist, besteht nach wie vor keine Verbindung mit der Umgebung, sodass der Aufbau in jedem Fall gegenüber der Umgebung abgedichtet bleibt. Alternativ dazu kann es ferner vorgesehen sein, dass diese Öffnung nicht im Bereich des Stapels der Einzelzellen, sondern im Bereich der zu dem Stapel der Einzelzellen führenden Zuluftleitung angeordnet ist. Der Effekt ist im Endeffekt vergleichbar, das Einbringen einer Öffnung im Bereich der Zuluftleitung kann jedoch konstruktiv einfacher sein als das Einbringen einer Öffnung in den Stapel der Einzelzellen, da dieser mit der konstruktiven Prämisse der Dichtheit aufgebaut wird und eine solche bewusste Leckage eventuell die Verwendung von Gleichteilen im Bereich des Stapels der Einzelzellen nachteilig beeinflusst.In a particularly favorable and advantageous refinement of the fuel cell according to the invention, provision is also made for the cathode space of the fuel cell to communicate with the interior of the housing via a specific opening or a deliberately introduced leakage. This construction also ensures a tight housing. A targeted leakage or an opening in the region of the cathode space can nevertheless convey air conveyed into the cathode space into the housing. Thereby, a minimum continuous flow between this opening and the suction of the Venturi nozzle is achieved. Since the opening itself is arranged in the region of the stack of fuel cells, there is still no connection with the environment, so that the structure in any case remains sealed from the environment. Alternatively, it may further be provided that this opening is not arranged in the region of the stack of the individual cells, but in the region of the air supply line leading to the stack of individual cells. The effect is comparable in the end, but the introduction of an opening in the supply air line can be structurally simpler than the introduction of an opening in the stack of individual cells, since this is constructed with the constructive premise of tightness and such deliberate leakage may be the use of Similar parts in the range of the stack of single cells adversely affected.

Beide gewollten Öffnungen zur Verbindung des Inneren des Gehäuses mit der Luftseite der Brennstoffzelle haben dabei den Vorteil, dass sie einen Unterdruck im Bereich des Gehäuses vermeiden. Ein solcher Unterdruck könnte aufgrund der Vergrößerung des Druckgefälles zwischen dem inneren des Stapels der Einzelzellen und dem Gehäuse Leckagen eventuell begünstigen. Dadurch, dass hier ein Unterdruck aufgrund der Öffnungen in dem Kathodenraum oder in der Zuluftleitung gegenüber dem Gehäuse verhindert wird, kann ein solches Druckgefälle vermieden werden, was letzten Endes die Dichtheit der Brennstoffzelle verbessert.Both intentional openings for connecting the interior of the housing to the air side of the fuel cell have the advantage that they avoid a negative pressure in the region of the housing. Such a vacuum could possibly promote leakage due to the increase in the pressure differential between the interior of the stack of individual cells and the housing. The fact that a negative pressure due to the openings in the cathode space or in the air supply line is prevented from the housing here, such a pressure gradient can be avoided, which ultimately improves the tightness of the fuel cell.

In einer besonders günstigen und vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle kann es ferner vorgesehen sein, dass das Ansaugrohr in einem in Richtung der Schwerkraft unten liegenden Bereich endet. Damit lässt sich beispielsweise Kühlwasser oder im Inneren des Gehäuses kondensiertes Wasser ebenfalls mit ansaugen, sodass eine saubere und zuverlässige Entleerung des Gehäuses gewährleistet ist. In einer vorteilhaften Weiterbildung kann es dabei außerdem vorgesehen sein, dass in Richtung der Schwerkraft unten in dem Gehäuse eine Vertiefung angeordnet ist, wobei das Ansaugrohr im Bereich dieser Vertiefung endet. Eine solche Vertiefung erlaubt das gezielte Sammeln von flüssigen Leckagen, welche dann über das Ansaugrohr und die Venturidüse entsprechend abgesaugt werden können.In a particularly favorable and advantageous development of the fuel cell according to the invention, it can further be provided that the intake pipe ends in a region lying below in the direction of gravity. Thus, for example, cooling water or water condensed inside the housing can also be sucked in, so that a clean and reliable emptying of the housing is ensured. In an advantageous development, it can also be provided that in the direction of gravity down in the housing a recess is arranged, wherein the intake pipe ends in the region of this depression. Such a depression allows the targeted collection of liquid leaks, which can then be sucked off via the intake manifold and the Venturi nozzle accordingly.

In einer weiteren sehr günstigen und vorteilhaften Ausgestaltung der Brennstoffzelle ist es außerdem vorgesehen, dass die Venturidüse im Inneren des Gehäuses angeordnet ist. Ein solcher Aufbau ist hinsichtlich der Dichtheit ideal, da durch das Gehäuse selbst lediglich die Zuluftleitung, die Abluftleitung sowie eine Wasserstoffzuleitung und eine Wasserstoffableitung hindurchgeführt werden müssen. Weitere Leitungen wie beispielsweise die Ansaugleitung müssen nicht durch das Gehäuse geführt werden. Dieses kann daher sehr viel leichter dicht, insbesondere auch gegenüber Wasserstoff ausreichend dicht, realisiert werden.In a further very favorable and advantageous embodiment of the fuel cell, it is also provided that the Venturi nozzle is arranged in the interior of the housing. Such a structure is ideal in terms of tightness, since only the supply air, the exhaust air line and a hydrogen supply and a hydrogen discharge must be passed through the housing itself. Other lines such as the suction line need not be passed through the housing. This can therefore be much easier tight, especially with respect to hydrogen sufficiently dense, realized.

Die eingangs genannte Aufgabe der Erfindung wird außerdem durch ein Brennstoffzellensystem gelöst, welches eine Brennstoffzelle in einer der vorhergehend beschriebenen Ausführungen aufweist.The aforementioned object of the invention is also achieved by a fuel cell system having a fuel cell in one of the previously described embodiments.

Eine besonders bevorzugte Verwendung für ein derartiges Brennstoffzellensystem ist der Einsatz in einem Fahrzeug, in welchem es zur Bereitstellung von elektrischer Antriebsleistung eingesetzt wird. Der beschriebene Aufbau gewährleistet ein sehr sicheres und dichtes Brennstoffzellensystem. Dieses ist insbesondere auch bei häufigen Starts und häufigen Abstellvorgängen ausreichend dicht und verhindert das Entstehen von zündfähigen oder explosionsfähigen Gemischen in der Umgebung der Brennstoffzelle durch das dichte Gehäuse. Der Aufbau eignet sich daher insbesondere für Brennstoffzellensysteme welche häufig abgestellt und wieder gestartet werden müssen. Solche Brennstoffzellensysteme werden vorzugsweise in Fahrzeugen eingesetzt. Da sie dort außerdem mit den das Fahrzeug nutzenden Personen in Kontakt kommen können, spielt die Sicherheit insbesondere bei derartigen Brennstoffzellensystemen eine übergeordnete Rolle. Die bevorzugte Verwendung eines Brennstoffzellensystems mit der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle liegt deshalb beim Einsatz in einem Fahrzeug.A particularly preferred use for such a fuel cell system is the use in a vehicle in which it is used to provide electrical propulsion power. The described construction ensures a very safe and dense fuel cell system. This is in particular sufficiently dense even with frequent starts and frequent shutdowns and prevents the formation of flammable or explosive mixtures in the environment of the fuel cell through the sealed housing. The structure is therefore particularly suitable for fuel cell systems which often have to be turned off and restarted. Such fuel cell systems are preferably used in vehicles. Since they can also come into contact there with the people using the vehicle, safety plays a major role, especially in such fuel cell systems. The preferred use of a fuel cell system with the fuel cell according to the invention is therefore when used in a vehicle.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle ergeben sich aus den restlichen abhängigen Ansprüchen und werden anhand des Ausführungsbeispiels deutlich, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben wird.Further advantageous embodiments of the fuel cell according to the invention will become apparent from the remaining dependent claims and will be apparent from the embodiment, which will be described below with reference to the figures.

Dabei zeigen:Showing:

1 ein prinzipmäßig angedeutetes Brennstoffzellensystem in einem Fahrzeug; 1 a principle indicated fuel cell system in a vehicle;

2 eine erste mögliche Ausführungsform der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle; 2 a first possible embodiment of the fuel cell according to the invention;

3 eine zweite mögliche Ausführungsform der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle; 3 a second possible embodiment of the fuel cell according to the invention;

4 eine dritte mögliche Ausführungsform der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle; und 4 a third possible embodiment of the fuel cell according to the invention; and

5 eine vierte mögliche Ausführungsform der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle. 5 a fourth possible embodiment of the fuel cell according to the invention.

In der Darstellung der 1 ist sehr stark schematisiert ein Brennstoffzellensystem 1 mit den für die Erfindung wichtigen Komponenten dargestellt. Es soll in einem angedeuteten Fahrzeug 2 angeordnet sein. Das Brennstoffzellensystem 1 umfasst eine Brennstoffzelle 3, welche über eine Luftfördereinrichtung 4 mit Luft versorgt wird. Außerdem weist es eine Gasversorgungseinrichtung 5 auf, welche die Brennstoffzelle 3 mit Wasserstoff versorgt. Die Brennstoffzelle 3 selbst ist als Stapel von Einzelzellen, als sogenannter Brennstoffzellenstack, ausgebildet. Der Brennstoffzellenstack 3 ist dabei in einem Gehäuse 6 angeordnet, welches den Brennstoffzellenstack 3 vor mechanischen Beschädigungen schützt und außerdem eventuelle Leckagen, beispielsweise von Wasserstoff, Luft und/oder Kühlmittel, auffängt, um ein Abströmen dieser Leckagen in die Umgebung zu verhindern. Ein Brennstoffzellensystem 1 in einem realen Aufbau wird darüber hinaus viele weitere Komponenten aufweisen. Diese sind für die hier vorliegende Erfindung nicht von Interesse und sind deshalb nicht dargestellt. Sie sind jedoch aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt.In the presentation of the 1 is very highly schematized a fuel cell system 1 represented with the components important to the invention. It should be in an indicated vehicle 2 be arranged. The fuel cell system 1 includes a fuel cell 3 , which via an air conveyor 4 is supplied with air. It also has a gas supply device 5 on which the fuel cell 3 supplied with hydrogen. The fuel cell 3 itself is formed as a stack of single cells, as a so-called fuel cell stack. The fuel cell stack 3 is in a case 6 arranged, which the fuel cell stack 3 protects against mechanical damage and also any leaks, such as hydrogen, air and / or coolant, absorbs to prevent leakage of these leaks into the environment. A fuel cell system 1 in a real design will also have many more components. These are not of interest to the present invention and are therefore not shown. However, they are known from the general state of the art.

Die Brennstoffzelle 3 soll vorzugsweise als PEM-Brennstoffzelle ausgebildet sein. Sie umfasst einen Anodenraum 7, welcher mit Wasserstoff aus der Gasversorgungsvorrichtung 5 versorgt wird. Eine Wasserstoffzuleitung 8 führt deshalb in das Gehäuse 6 zu dem Kathodenraum 7. Eine Wasserstoffableitung 9 für Anodenabgas führt von dem Kathodenraum 7 wieder nach außerhalb des Gehäuses 6. Außerdem umfasst die Brennstoffzelle 3 einen Kathodenraum 10, welcher über eine Zuluftleitung 11 von der Luftfördereinrichtung 4 mit Luft als Sauerstofflieferant versorgt wird. Nicht verbrauchte Abluft gelangt zusammen mit dem größten Teil des in der Brennstoffzelle 3 entstandenen Produktwassers über eine Abluftleitung 12 nach außerhalb der Brennstoffzelle 3 beziehungsweise des Gehäuses 6.The fuel cell 3 should preferably be designed as a PEM fuel cell. It includes an anode compartment 7 which reacts with hydrogen from the gas supply device 5 is supplied. A hydrogen supply line 8th therefore leads into the housing 6 to the cathode compartment 7 , A hydrogen discharge 9 for anode exhaust gas leads from the cathode compartment 7 back outside the case 6 , In addition, the fuel cell includes 3 a cathode compartment 10 , which via an air supply line 11 from the air conveyor 4 supplied with air as an oxygen supplier. Unused exhaust air gets along with most of the fuel cell 3 resulting product water via an exhaust duct 12 to the outside of the fuel cell 3 or of the housing 6 ,

Der Aufbau der Brennstoffzelle 3 als Brennstoffzellenstack aus einer Vielzahl von Einzelzellen stellt enorme Anforderungen an die Abdichtung, da die Einzelzellen gegeneinander abgedichtet werden müssen. Dies führt zu einer sehr großen Anzahl von Dichtungen innerhalb des Brennstoffzellenstacks 3. Diese sind dabei nie zu 100% dicht. Insbesondere ist es außerordentlich schwierig, den Anodenraum 7 der Brennstoffzelle 3 dicht gegen Wasserstoff auszubilden, da eine Abdichtung gegenüber Wasserstoff technisch außerordentlich schwierig zu realisieren ist. Vor allem Leckagen von Wasserstoff aus dem Anodenraum 7 der Brennstoffzelle können jedoch zu einem Sicherheitsrisiko führen, da sie brennbare und zündfähige Gemische mit der die Brennstoffzelle 3 umgebenden Luft ausbilden können.The structure of the fuel cell 3 As fuel cell stack from a variety of single cells makes enormous demands on the seal, since the individual cells must be sealed against each other. This leads to a very large number of seals within the fuel cell stack 3 , These are never 100% tight. In particular, it is extremely difficult, the anode compartment 7 the fuel cell 3 form dense against hydrogen, since a seal against hydrogen is technically extremely difficult to implement. Especially leaks of hydrogen from the anode compartment 7 However, the fuel cell can lead to a security risk, as they flammable and ignitable mixtures with the fuel cell 3 can form ambient air.

In einer ersten möglichen Ausführungsform der Brennstoffzelle 3 ist es daher vorgesehen, im Inneren des Gehäuses 6, insbesondere im Bereich der Abluftleitung 12, eine Venturidüse 13 anzuordnen. Die Venturidüse 13 besteht aus einem ersten Abschnitt mit einem sich verringernden durchströmbaren Querschnitt und einem zweiten sich daran anschließenden Abschnitt mit einem sich erweiternden durchströmbaren Querschnitt. Zwischen den beiden Abschnitten entsteht ein Bereich, in dem der durchströmbare Querschnitt minimal ist. In diesem Bereich mündet eine Ansaugleitung 14. Im Bereich des engsten Querschnitts tritt die höchste Strömungsgeschwindigkeit auf. Dadurch wird ein Unterdruck erzeugt, sodass über die Ansaugleitung 14, welche mit ihrem freien Ende im Inneren des Gehäuses 6 endet, Medien aus dem Gehäuse 6 angesaugt und in den Abluftstrom in der Abluftleitung 12 einbringt. Dies ist in der Darstellung der 2 zu erkennen. Immer wenn die Luftfördereinrichtung 4 in Betrieb ist, kommt es so zu einem Absaugen von eventuell in dem Gehäuse 6 vorliegendem Medium durch die Venturidüse 13 und die Ansaugleitung 14. Neben dem hier beschriebenen Aufbau der Venturidüse 13 und der Ansaugleitung 14 sind auch alternative Aufbauten denkbar, beispielsweise eine in der Mitte der Strömung in einem unveränderten Querschnitt der Abluftleitung 12 angebrachtes in Strömungsrichtung gebogenes Ende der Ansaugleitung 14, sodass sich durch das Anordnen der Ansaugleitung 14 in dem durchströmten Querschnitt der Abluftleitung 12 automatisch eine Querschnittsverengung im Bereich der Ansaugleitung ergibt. Auch dies führt zu einem Unterdruck und stellt einen sehr einfachen Aufbau dar, welcher dem physikalischen Prinzip der Venturidüse ebenfalls entspricht.In a first possible embodiment of the fuel cell 3 It is therefore intended to be inside the case 6 , in particular in the area of the exhaust air line 12 , a Venturi nozzle 13 to arrange. The Venturi nozzle 13 consists of a first section with a decreasing flow-through cross-section and a second adjoining section with an expanding flow-through cross-section. Between the two sections creates an area in which the flow-through cross-section is minimal. In this area opens a suction line 14 , In the area of the narrowest cross section, the highest flow velocity occurs. As a result, a negative pressure is generated, so that via the suction line 14 , which with their free end inside the housing 6 ends, media out of the case 6 sucked and in the exhaust air flow in the exhaust duct 12 brings. This is in the presentation of 2 to recognize. Whenever the air conveyor 4 is in operation, it comes so to a suction of possibly in the housing 6 present medium through the venturi 13 and the suction line 14 , In addition to the structure of the Venturi nozzle described here 13 and the intake pipe 14 are also alternative structures conceivable, for example, in the middle of the flow in an unchanged cross section of the exhaust duct 12 attached in the flow direction bent end of the suction line 14 so that by arranging the suction line 14 in the flow-through cross section of the exhaust duct 12 automatically results in a cross-sectional constriction in the suction line. This also leads to a negative pressure and represents a very simple structure, which also corresponds to the physical principle of the Venturi nozzle.

Da aus der Brennstoffzelle 3 nicht nur gasförmige Leckagen austreten können, sondern gegebenenfalls auch Kühlwasser, und da sich außerdem Kondenswasser im Inneren des Gehäuses 6 sammeln kann, ist es in dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel vorgesehen, dass die Ansaugleitung 14 an ihrem freien Ende in einem im bestimmungsgemäßen Betrieb in Richtung der Schwerkraft unteren Ende des Gehäuses 6 endet. Dies ist in der Darstellung der 2 ebenfalls unten dargestellt. In diesem Bereich sammeln sich flüssiges Kondenswasser und flüssige Leckagen. Dies kann durch eine zusätzliche Vertiefung 15 zum Sammeln von Flüssigkeit im unteren Bereich des Gehäuses 6, welche hier prinzipmäßig angedeutet ist, noch verbessert werden. In diesem Fall endet das freie Ende der Ansaugleitung 14 im Bereich dieser Vertiefung 15 und kann so sicher und zuverlässig zuerst flüssige Leckagen absaugen und mit dem Abluftstrom abführen und kann, nachdem die flüssigen Leckagen abgesaugt sind, gasförmige Leckagen absaugen. Der Aufbau eignet sich also ideal um das ansonsten dicht abgeschlossene Gehäuse 6 zu entleeren.Because out of the fuel cell 3 Not only gaseous leaks can leak, but possibly also cooling water, and there also condensation in the interior of the housing 6 it can be collected in the 2 illustrated embodiment provided that the suction line 14 at its free end in a normal operation in the direction of gravity lower end of the housing 6 ends. This is in the presentation of 2 also shown below. This area collects liquid condensation and liquid leaks. This can be done by an additional recess 15 to collect of liquid in the lower part of the housing 6 , which is indicated here in principle, to be improved. In this case, the free end of the intake pipe ends 14 in the area of this depression 15 and can thus safely and reliably suck off first liquid leaks and dissipate with the exhaust air stream and, after the liquid leaks are sucked off, suck gaseous leaks. The structure is thus ideally suited to the otherwise tightly sealed housing 6 to empty.

In der Darstellung der 3 ist eine weitere alternative Ausführungsform der Brennstoffzelle 3 mit dem Gehäuse 6 beschrieben. Soweit die dargestellten Komponenten den bisher beschriebenen Komponenten entsprechen, sind diese mit denselben Bezugszeichen versehen. Der Unterschied liegt im Bereich des Kathodenraums 10 der Brennstoffzelle 3. Hier ist eine gezielte Leckage beziehungsweise Öffnung 16 vorgesehen. Diese erlaubt einen minimalen Volumenstrom aus dem Kathodenraum 10 der Brennstoffzelle 3 in das Gehäuse 6. Dadurch wird der in 2 auftretende Unterdruck in dem Gehäuse 6 vermindert, wodurch ein nennenswertes Druckgefälle zwischen dem Inneren der Brennstoffzelle 3 und dem Inneren des Gehäuses 6 vermieden wird. Dadurch werden Leckagen aufgrund des Druckgefälles nicht gefördert, wie es eventuell bei dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel der Fall sein könnte. Ansonsten entspricht der Aufbau dem oben bereits beschriebenen Aufbau.In the presentation of the 3 is another alternative embodiment of the fuel cell 3 with the housing 6 described. As far as the illustrated components correspond to the previously described components, they are provided with the same reference numerals. The difference lies in the area of the cathode space 10 the fuel cell 3 , Here is a targeted leak or opening 16 intended. This allows a minimum volume flow from the cathode compartment 10 the fuel cell 3 in the case 6 , This will make the in 2 occurring negative pressure in the housing 6 reduced, creating a significant pressure gradient between the interior of the fuel cell 3 and the interior of the housing 6 is avoided. As a result, leaks due to the pressure gradient are not promoted, as it may be in the in 2 illustrated embodiment could be the case. Otherwise, the structure corresponds to the structure already described above.

In der Darstellung der 4 ist eine weitere alternative Ausführungsform zu erkennen. Anstelle der gezielten Öffnung beziehungsweise Leckage 16 im Bereich des Kathodenraums 10 ist eine Öffnung 17 im Bereich der Zuluftleitung 11 im Inneren des Gehäuses 6 angeordnet. Dies bewirkt im Wesentlichen dasselbe, wie die oben beschriebene Öffnung 16. Das Einbringen einer Öffnung im Bereich der Zuluftleitung 11 kann konstruktiv jedoch gegebenenfalls einfacher sein, als das Einbringen einer Öffnung 16 im Bereich des Kathodenraums 10. Insbesondere beim Einsatz der Öffnung 17 im Bereich der Zuluftleitung 11 kann diese vergleichsweise einfach mit einem optionalen Ventil (nicht dargestellt) verschlossen werden, um beim Abstellen des Systems eine direkte Verbindung zwischen dem Inneren des Gehäuses 6 und der Zuluftleitung 11 zu vermeiden.In the presentation of the 4 a further alternative embodiment can be seen. Instead of the targeted opening or leakage 16 in the area of the cathode compartment 10 is an opening 17 in the area of the supply air line 11 inside the case 6 arranged. This essentially does the same thing as the opening described above 16 , The introduction of an opening in the area of the supply air line 11 However, structurally, it may be simpler than introducing an opening 16 in the region of the cathode space 10 , Especially when using the opening 17 in the area of the supply air line 11 This can be comparatively easily closed with an optional valve (not shown) in order to shut off the system, a direct connection between the interior of the housing 6 and the supply air line 11 to avoid.

Eine weitere alternative Ausführungsform ist in der Darstellung der 5 zu erkennen. Die Venturidüse 13 ist hier nicht im Bereich der Abluftleitung 12, sondern im Bereich der Zuluftleitung 11 angeordnet. Die Ansaugleitung 14 endet in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel nicht im unteren Bereich des Gehäuses 16, sondern im oberen Bereich desselben. Die Venturidüse 13 dient dabei primär nur zur Abfuhr von gasförmigen Leckagen, welche dann dem Kathodenraum 10 zugeführt werden. Dies ist im Falle von Luftleckagen vollkommen unkritisch. Im Falle von Wasserstoffleckagen hat es den entscheidenden Vorteil, dass dieser Wasserstoff an dem im Kathodenraum 10 vorliegenden Katalysator abreagiert, sodass Wasserstoffemissionen, auch sehr stark verdünnte Wasserstoffemissionen, wie sie oben an die Umgebung auftreten können, hier sicher und zuverlässig verhindert werden. Da dem Kathodenraum 10 der Brennstoffzelle 3 kein Kühlmedium zugeführt werden kann, da dieses gegebenenfalls mit einem Frostschutzmittel oder dergleichen versehen ist, und diese Stoffe den Kathodenraum 10 schädigen könnten, ist der Aufbau hier so ausgebildet, dass die Ansaugleitung im oberen Bereich des Gehäuses 6 endet. Sie ist daher insbesondere geeignet um Leckagen an Wasserstoff anzusaugen, welche sich aufgrund der geringen Dichte typischerweise im oberen Bereich des Gehäuses 6 ansammeln würden.Another alternative embodiment is shown in the illustration of 5 to recognize. The Venturi nozzle 13 is not in the area of the exhaust air duct 12 but in the area of the supply air line 11 arranged. The suction line 14 does not end in the embodiment shown here in the lower part of the housing 16 but in the upper part of the same. The Venturi nozzle 13 serves primarily only for the removal of gaseous leaks, which then the cathode compartment 10 be supplied. This is completely uncritical in the case of air leaks. In the case of hydrogen leakage, it has the distinct advantage that this hydrogen at the in the cathode compartment 10 reacted present catalyst, so that hydrogen emissions, even very diluted hydrogen emissions, as they can occur at the top of the environment here safe and reliable prevented. As the cathode compartment 10 the fuel cell 3 no cooling medium can be supplied, since this is optionally provided with an antifreeze or the like, and these substances the cathode space 10 could damage, the structure here is designed so that the suction line in the upper part of the housing 6 ends. It is therefore particularly suitable for sucking leaks in hydrogen, which due to the low density typically in the upper region of the housing 6 would accumulate.

Prinzipiell wäre auch die Kombination des in 5 dargestellten Aufbaus der Brennstoffzelle 3 mit einer der in den 2 bis 4 dargestellten Aufbauten denkbar, sodass über die eine Venturidüse 13 primär gasförmige Leckagen und über die andere Venturidüse 13 primär flüssige Leckagen abgesaugt werden könnten.In principle, the combination of in 5 shown construction of the fuel cell 3 with one of the in the 2 to 4 illustrated constructions conceivable, so that a Venturi nozzle 13 primarily gaseous leaks and over the other venturi 13 primarily liquid leaks could be extracted.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 102008016579 A1 [0003]

Claims

Fuel cell ( 3 ) with a stack of single cells, which in a housing ( 6 ) is arranged, with a cathode space ( 10 ) and an anode compartment ( 7 ), with an air supply line ( 11 ) to the cathode compartment ( 10 ) and an exhaust duct ( 12 ) from the cathode compartment ( 10 ), and with at least one Venturi nozzle ( 13 ) in the region of the supply air line and / or the exhaust air line, which in the region of their narrowest cross-section via a suction line ( 14 ) with the interior of the housing ( 6 ), characterized in that the housing ( 6 ) is formed close to the environment.

Fuel cell ( 3 ) according to claim 1, characterized in that the at least one Venturi nozzle ( 13 ) in the supply air line ( 11 ) is arranged.

Fuel cell ( 3 ) according to claim 1 or 2, characterized in that the at least one Venturi nozzle ( 13 ) is arranged in the exhaust pipe.

Fuel cell ( 3 ) according to claim 1, 2 or 3, characterized in that the interior of the housing ( 6 ) via an opening ( 16 ) with the cathode space ( 10 ).

Fuel cell ( 3 ) according to one of claims 1 to 4, characterized in that the interior of the housing ( 6 ) via an opening ( 17 ) with the supply air line ( 11 ).

Fuel cell ( 3 ) according to claim 4, 5 or 6, characterized in that the suction line ( 14 ) in a gravity-down area of the housing ( 6 ) ends.

Fuel cell ( 3 ) according to one of claims 4 to 6, characterized in that the housing ( 6 ) a recess arranged in the direction of gravity ( 15 ), wherein the suction line ( 14 ) in the area of the depression ( 15 ) ends.

Fuel cell ( 3 ) according to one of claims 1 to 7, characterized in that the at least one Venturi nozzle ( 13 ) inside the housing ( 6 ) is arranged.

Fuel cell system ( 1 ) with a fuel cell ( 3 ) according to one of claims 1 to 8.

Use of a fuel cell system ( 1 ) according to claim 9, for providing electrical drive power in a vehicle ( 2 ).