DE102012000867A1 - Fuel cell system for providing electrical driving power in motor vehicle, has auxiliary cell connected to cathode chamber of fuel cell stack or to inside of housing, and anode chamber of auxiliary cell is connected with hydrogen supply - Google Patents

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Abstract

The system (1) has a fuel cell stack (3) that is made of individual cells i.e. proton exchange membrane fuel cells, an anode chamber (5) and a cathode chamber (4). An auxiliary cell (16) is arranged, where a cathode chamber (17) of the auxiliary cell is connected with the anode chamber of the fuel cell stack. The auxiliary cell is connected to cathode chamber of the fuel cell stack or to an inside of housing that surrounds the fuel cell stack. An anode chamber (18) of the auxiliary cell is connected with hydrogen supply. An independent claim is also included for a method for operating a fuel cell system.

Description

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem mit einem aus Einzelzellen aufgebauten Brennstoffzellenstapel nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Brennstoffzellensystems mit Betriebsphasen und Stillstandsphasen.The invention relates to a fuel cell system having a fuel cell stack composed of individual cells according to the type defined in greater detail in the preamble of claim 1. Furthermore, the invention relates to a method for operating such a fuel cell system with operating phases and standstill phases.

Brennstoffzellersysteme mit Brennstoffzellen, welche aus Einzelzellen aufgestapelt sind und einen sogenannten Brennstoffzellenstapel oder Brennstoffzellenstack ausbilden, sind aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. Sie können beispielsweise in Form von PEM-Brennstoffzellen als Einzelzellen aufgebaut sein. Eine bevorzugte Verwendung von derartigen Brennstoffzellensystemen liegt in der Erzeugung von elektrischer Antriebsleistung in Kraftfahrzeugen.Fuel cell systems with fuel cells, which are stacked from single cells and form a so-called fuel cell stack or fuel cell stack, are known from the general state of the art. They can be constructed, for example, in the form of PEM fuel cells as single cells. A preferred use of such fuel cell systems is in the generation of electric drive power in motor vehicles.

Eine Problematik bei derartigen Brennstoffzellen liegt in der sogenannten Degradation, bei welcher es zu einer Katalysatorschädigung kommt, welche die Lebensdauer der Brennstoffzelle beeinträchtigt. Die zugrundeliegende Problematik ist aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. Wenn eine Brennstoffzelle abgeschaltet wird, dann wird der im Anodenraum der Brennstoffzelle befindliche Wasserstoff entweder aufgebraucht oder diffundiert durch den Aufbau der Brennstoffzelle nach außen. Nach einer gewissen Zeit ist daher im Anodenraum der Brennstoffzelle kein Wasserstoff mehr vorhanden. Zunächst bleibt dabei Stickstoff übrig, welcher während des Betriebs typischerweise durch die Membranen der Brennstoffzelle vom Kathodenraum in den Anodenraum diffundiert ist. Mit der Zeit wird sich auch Luftsauerstoff in dem Anodenraum der Brennstoffzelle sammeln, welcher ebenfalls durch die Membranen diffundiert oder durch Undichtheiten im Aufbau der Brennstoffzelle, auch bei abgesperrtem Anodenraum, in diesen eindringt. Kommt es nun zu einem Start in der Brennstoffzelle, dann liegt in der Startphase sowohl im Kathodenraum als auch im Anodenraum Luft bzw. Sauerstoff vor. Der Vorgang wird daher auch als Air/Air-Start bezeichnet. Am Eingang des Anodenraums der Brennstoffzelle bildet sich mit bei Start einströmendem Wasserstoff eine Wasserstoff/Sauerstofffront aus. Die Brennstoffzelle, welche im korrespondierenden Bereich des Kathodenraums mit Luft bzw. Sauerstoff versorgt ist, beginnt zu arbeiten und bildet in dem Bereich, in dem der Wasserstoff vorhanden ist, das übliche Betriebspotenzial der Brennstoffzelle aus. Nun ist es aber so, dass innerhalb jeder einzelnen Zelle bzw. ihres Anodenraums im Eingangsbereich bereits ein entsprechend hohes elektrisches Potenzial vorliegt, während im Bereich in Strömungsrichtung vor der Wasserstoff/Luft-Front noch kein Potenzial vorliegt. Dieser Potenzialunterschied baut sich innerhalb des Anodenraums der Brennstoffzelle ab und sorgt so für eine Schädigung des Katalysators. Um dieser Degradation entgegenzuwirken, muss eine entsprechend große Menge an teurem Katalysator vorgehalten werden, da sich ansonsten durch die Schädigung des Katalysators die Lebensdauer der Brennstoffzelle drastisch verkürzt.A problem with such fuel cells lies in the so-called degradation, in which there is a catalyst damage, which affects the life of the fuel cell. The underlying problem is known from the general state of the art. When a fuel cell is turned off, the hydrogen in the anode compartment of the fuel cell is either consumed or diffused outwardly by the structure of the fuel cell. After a certain time, therefore, hydrogen is no longer present in the anode compartment of the fuel cell. First of all, nitrogen is left over which, during operation, is typically diffused by the membranes of the fuel cell from the cathode space into the anode space. Over time, atmospheric oxygen will collect in the anode compartment of the fuel cell, which also diffuses through the membranes or penetrates through leaks in the construction of the fuel cell, even when the anode compartment is shut off. If there is a start in the fuel cell, then there is air or oxygen in the starting phase both in the cathode space and in the anode space. The process is therefore also referred to as Air / Air Start. At the entrance to the anode compartment of the fuel cell, a hydrogen / oxygen front is formed with hydrogen flowing in at startup. The fuel cell, which is supplied with air or oxygen in the corresponding region of the cathode space, begins to work and forms the usual operating potential of the fuel cell in the region in which the hydrogen is present. Now, however, there is already a correspondingly high electrical potential within each individual cell or its anode space in the entrance area, while there is still no potential in the area in the flow direction in front of the hydrogen / air front. This potential difference builds up within the anode compartment of the fuel cell, thus causing damage to the catalytic converter. In order to counteract this degradation, a correspondingly large amount of expensive catalyst must be kept, otherwise the life of the fuel cell is drastically shortened due to the damage to the catalyst.

Um nun das Vorhalten einer großen Menge an teurem Katalysator zu vermeiden, wird es im allgemeinen Stand der Technik auch vorgesehen, den Anodenraum der Brennstoffzelle während des Stillstands durchgehend mit Wasserstoff zu versorgen, umso den Sauerstoff am Eindringen zu hindern und gegebenenfalls eingedrungenen Sauerstoff durch eine Reaktion mit dem Wasserstoff zu Wasser aufzubrauchen. Die Problematik dieser „ständigen” Wasserstoffversorgung liegt darin, dass Wasserstoff sehr leicht flüchtig ist und durch den Aufbau der Brennstoffzelle hinausdiffundieren kann. Dadurch kommt es einerseits zu hohen Wasserstoffemissionen und andererseits zu einem unnötig hohen Verbrauch an Wasserstoff, insbesondere da bei abgesperrtem Anodenraum und Kathodenraum die Menge an Sauerstoff, welche in den Anodenraum diffundiert, zwar für den dortigen Katalysator sehr schädlich in ihrer Absolutmenge, jedoch sehr gering ist.In order to prevent the provision of a large amount of expensive catalyst, it is also provided in the general state of the art to provide the anode compartment of the fuel cell continuously during standstill with hydrogen, so as to prevent the oxygen from penetrating and possibly penetrating oxygen by a reaction to use up with the hydrogen to water. The problem of this "constant" hydrogen supply is that hydrogen is very volatile and can diffuse out through the structure of the fuel cell. This results on the one hand in high hydrogen emissions and on the other hand on an unnecessarily high consumption of hydrogen, in particular since the amount of oxygen which diffuses into the anode space when shut off anode space and cathode space, although very harmful for the local catalyst in their absolute amount, but very low ,

Aus der DE 10 2010 053 628 A1 ist es bekannt, den in der Stillstandsphase dem Anodenraum der Brennstoffzelle zugeführten Wasserstoff in Abhängigkeit eines Drucks in einer Anodeneingangsleitung zu dosieren. Dadurch lässt sich, so die Überlegung in diesem Stand der Technik, die Menge an benötigtem Wasserstoff durch eine konkrete Dosierung des Wasserstoffs, wenn Bedarf an Wasserstoff besteht, entsprechend reduzieren. Die Problematik liegt darin, dass der Druck zwar leicht zu messen ist, aber eine für den Bedarf an Wasserstoff sehr unzureichende Größe darstellt.From the DE 10 2010 053 628 A1 It is known to meter the hydrogen supplied in the standstill phase to the anode space of the fuel cell as a function of a pressure in an anode input line. As a result, it is the consideration in this prior art, the amount of hydrogen required by a specific dosage of hydrogen, if there is a need for hydrogen, reduce accordingly. The problem is that although the pressure is easy to measure, it is a very inadequate quantity for hydrogen demand.

Aus der DE 10 2007 052 148 A1 ist ferner ein Verfahren zum Vermeiden von gasförmigen Verunreinigungseinflüssen im Gasraum einer Brennstoffzelle bekannt, welches den Wasserstoff nicht über einen Wasserstofftank zudosiert, sondern durch eine Elektrolyse bei Bedarf erzeugt. Die Elektrolyse kann dabei vorzugsweise durch eine Umkehr des Funktionsprinzips der Brennstoffzelle bzw. des Brennstoffzellenstapels selbst erfolgen. Als Ausgangsbasis für die Elektrolyse dient dabei Wasser. Genau dies ist eines der Probleme bei dem dort genannten Verfahren. Bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts friert dieses Wasser ein. Es lässt sich dann zwar immer noch durch Elektrolyse in Sauerstoff und Wasserstoff aufspalten, allerdings nur wenn es dort ist, wo es gebraucht wird. Eine eventuelle Bevorratung des Wassers außerhalb des Elektrolyseurs bzw. der Brennstoffzelle ist überaus schwierig und erfordert einen erheblichen Energieaufwand zum Aufheizen des Systems, falls dieses eingefroren ist. In einer Stillstandsphase des Brennstoffzellensystems ist dies mit erheblichem Energieaufwand und Nachteilen hinsichtlich des Gesamtwirkungsgrads verbunden.From the DE 10 2007 052 148 A1 Furthermore, a method for avoiding gaseous impurity influences in the gas space of a fuel cell is known, which does not meter the hydrogen via a hydrogen tank, but generates it by an electrolysis as needed. The electrolysis can be carried out preferably by reversing the operating principle of the fuel cell or of the fuel cell stack itself. The starting point for the electrolysis is water. This is exactly one of the problems with the process mentioned there. At temperatures below freezing this water freezes. It can still be split by electrolysis into oxygen and hydrogen, but only if it is where it is needed. A possible storage of water outside of the electrolyzer or the fuel cell is very difficult and requires a considerable amount of energy to heat the System, if it is frozen. In a standstill phase of the fuel cell system, this is associated with considerable energy expenditure and disadvantages in terms of the overall efficiency.

Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, ein Brennstoffzellensystem anzugeben, welches die genannten Nachteile vermeidet und sehr einfach und energieeffizient eine Verminderung der Degradation des Katalysators der Brennstoffzelle ermöglicht.The object of the present invention is now to provide a fuel cell system which avoids the disadvantages mentioned and allows very simple and energy efficient reduction of the degradation of the catalyst of the fuel cell.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Brennstoffzellensystems ergeben sich aus den restlichen abhängigen Unteransprüchen. Ferner löst ein Verfahren zum Betreiben eines solchen Brennstoffzellensystems mit Betriebsphasen und Stillstandsphasen gemäß den Merkmalen im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 8 diese Aufgabe. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind in den hiervon abhängigen Unteransprüchen angegeben.This object is achieved by a fuel cell system having the features in the characterizing part of claim 1. Further advantageous embodiments of the fuel cell system will become apparent from the remaining dependent claims. Furthermore, a method for operating such a fuel cell system with operating phases and standstill phases according to the features in the characterizing part of claim 8 solves this problem. Advantageous embodiments of the method are specified in the dependent claims.

Bei dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem ist wenigstens eine Zusatzbrennstoffzelle vorhanden, welche mit ihrem Kathodenraum mit dem Anodenraum des Brennstoffzellenstapels, dem Kathodenraum des Brennstoffzellenstapels oder dem Inneren eines Gehäuses, welches den Brennstoffzellenstapel umgibt, verbunden ist und deren Anodenraum mit der Wasserstoffversorgung verbunden oder verbindbar ist. Diese Zusatzbrennstoffzelle dient dazu, im Stillstand des Brennstoffzellensystems Sauerstoff aufzubrauchen, welcher in den Anodenraum des Brennstoffzellenstapels eingedrungen ist. Bei weiterhin aufrechterhaltener Wasserstoffversorgung wird dieser an der Zusatzbrennstoffzelle umgesetzt, die entstehende elektrische Energie kann an einem Lastwiderstand aufgebraucht oder in einer Batterie gespeichert werden. Da die Mengen an Sauerstoff, welche in den Anodenraum während der Stillstandsphase eindringen typischerweise eher gering sind, wird ein einfacher Aufbau, bei welchem die entstehende elektrische Energie an einem Lastwiderstand aufgebraucht wird, im Allgemeinen ausreichen.In the fuel cell system according to the invention, at least one additional fuel cell is present, which is connected with its cathode space to the anode space of the fuel cell stack, the cathode space of the fuel cell stack or the interior of a housing which surrounds the fuel cell stack, and whose anode space is connected or connectable to the hydrogen supply. This auxiliary fuel cell serves to consume oxygen at standstill of the fuel cell system, which has penetrated into the anode compartment of the fuel cell stack. If the hydrogen supply continues to be maintained, it is converted at the auxiliary fuel cell, the resulting electrical energy can be used up at a load resistor or stored in a battery. Since the amounts of oxygen entering the anode compartment during the standstill phase are typically rather low, a simple design in which the resulting electrical energy is consumed at a load resistor will generally suffice.

Im Prinzip funktioniert dies analog auch im Kathodenraum, da auch hier durch das Aufbrauchen des Sauerstoffs im Kathodenraum die geschilderte Problematik verhindert wird. Damit wandert zwar eine Wasserstoff/Luft- bzw. Wasserstoff/Sauerstoff-Front durch den Anodenraum, da auf der gegenüberliegenden Seite des Kathodenraums jedoch kein Sauerstoff zur Verfügung steht, bilden sich dennoch keine Bereiche mit arbeitender Einzelzelle und nichtarbeitender Einzelzelle in dem Brennstoffzellenstapel innerhalb jeder Einzelzelle aus. Es muss dann bei der Zufuhr des Sauerstoffs und des Wasserstoffs lediglich auf das sehr gleichmäßige Eindosieren dieser beiden Edukte in den Kathodenraum und Anodenraum des Brennstoffzellenstapels geachtet werden. Anders als beim Einsatz der Zusatzbrennstoffzelle auf der Anodenseite kann während des Betriebs des Brennstoffzellensystems die Wasserstoffversorgung abgesperrt werden, da die Zusatzbrennstoffzelle ansonsten arbeitet. Aber auch dies wäre im Prinzip unkritisch, insbesondere dann, wenn die entstehende elektrische Leistung der Ausgangsleistung beziehungsweise einer Energiespeichereinrichtung zugeführt wird.In principle, this also works analogously in the cathode compartment, since the described problem is prevented here by the consumption of oxygen in the cathode compartment. Although a hydrogen / air or hydrogen / oxygen front wanders through the anode compartment, since there is no oxygen available on the opposite side of the cathode compartment, nevertheless there are no regions with working single cell and non-working single cell in the fuel cell stack within each individual cell out. When supplying the oxygen and the hydrogen, it is then only necessary to pay attention to the very uniform metering of these two educts into the cathode space and anode space of the fuel cell stack. Unlike the use of the auxiliary fuel cell on the anode side, the hydrogen supply can be shut off during operation of the fuel cell system, since the auxiliary fuel cell otherwise works. But even this would not be critical in principle, especially if the resulting electrical power of the output power or an energy storage device is supplied.

Eine dritte Möglichkeit zum Einsatz der Zusatzbrennstoffzelle besteht darin, deren Kathodenraum mit dem Inneren eines Gehäuses um den Brennstoffzellenstapel zu verbinden. In diesem Fall kommt insbesondere in einer Stillstandsphase des Brennstoffzellensystems ein Aufbrauchen von in das Gehäuse eingedrungenem Sauerstoff zum Tragen. Dieser wird damit aufgebraucht, bevor er durch die Dichtungen des Brennstoffzellenstapels in diesen eindiffundieren und in den Anodenraum des Brennstoffzellenstapels gelangen kann. Die Anordnung setzt dabei voraus, dass eine Diffusion von Sauerstoff durch die Membranen der idealerweise als PEM-Brennstoffzelle ausgebildeten Brennstoffzelle typischerweise nicht auftritt und auf diese Art kein Sauerstoff in den Anodenraum eindringt. Ansonsten müsste zusätzlich zu der Zusatzbrennstoffzelle in dem Gehäuse eine weitere in Verbindung mit dem Anodenraum angeordnet werden. Diese Problematik könnte ferner dadurch gelöst werden, dass im Stillstandsfall des Brennstoffzellensystems eine Verbindung zwischen dem Anodenraum und dem Inneren des Gehäuses, welches um den Brennstoffzellenstapel angeordnet ist, hergestellt wird, sodass eine einzige Zusatzbrennstoffzelle, welche dann sowohl mit dem Inneren des Gehäuses als auch mit dem Inneren des Anodenraums mit ihrem Kathodenraum verbunden ist, zur Reduktion eventuell eindringenden Sauerstoffs ausreicht.A third possibility for using the additional fuel cell is to connect the cathode space with the interior of a housing around the fuel cell stack. In this case, in particular in a standstill phase of the fuel cell system, a consumption of oxygen which has penetrated into the housing comes into play. This is thus used up before it can diffuse through the seals of the fuel cell stack in this and get into the anode compartment of the fuel cell stack. The arrangement assumes that a diffusion of oxygen through the membranes of the ideally designed as a fuel cell PEM fuel cell typically does not occur and in this way no oxygen penetrates into the anode compartment. Otherwise, in addition to the additional fuel cell in the housing another should be arranged in conjunction with the anode compartment. This problem could also be solved by the fact that in case of standstill of the fuel cell system, a connection between the anode compartment and the interior of the housing, which is arranged around the fuel cell stack, is produced, so that a single auxiliary fuel cell, which then both with the interior of the housing and with the interior of the anode compartment is connected to its cathode space, sufficient for the reduction of any penetrating oxygen.

Da ein unmittelbares Aufbrauchen von in den Anodenraum eindringendem Sauerstoff durch die Zusatzbrennstoffzelle insbesondere dann erreicht wird, wenn deren Kathodenraum mit dem Anodenraum des Brennstoffzellenstapels verbunden ist, ist es gemäß einer besonders günstigen und vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems vorgesehen, dass genau eine Zusatzbrennstoffzelle vorhanden ist, deren Kathodenraum mit dem Anodenraum des Brennstoffzellenstapels verbunden ist. Dieser Aufbau ist besonders einfach und effizient und kommt mit vergleichsweise geringem Aufwand hinsichtlich der Hardware aus. Eine einzelne Zusatzbrennstoffzelle, welche beispielsweise in dem Anodenraum angeordnet sein kann, reicht dann aus, um eindringenden Sauerstoff sicher und zuverlässig aufzubrauchen. Die eingangs geschilderten Probleme hinsichtlich einer Degradation der Brennstoffzelle durch einen Air/Air-Start können so sicher und zuverlässig eliminiert werden.Since an immediate exhaustion of oxygen entering the anode space is achieved by the additional fuel cell, in particular if its cathode space is connected to the anode space of the fuel cell stack, it is provided according to a particularly favorable and advantageous development of the fuel cell system according to the invention that exactly one additional fuel cell is present. the cathode compartment is connected to the anode compartment of the fuel cell stack. This structure is particularly simple and efficient and comes with comparatively little effort in terms of hardware. A single auxiliary fuel cell, which can be arranged, for example, in the anode compartment, then suffices to use up penetrating oxygen safely and reliably. The entrance As described problems with respect to a degradation of the fuel cell by an air / air start can be safely and reliably eliminated.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems ist es dabei außerdem vorgesehen, dass die Zusatzbrennstoffzelle aus weniger als fünf, vorzugsweise aus einer Einzelzelle ausgebildet ist. Da die Menge an Luft beziehungsweise Sauerstoff aus der Luft, welche in den Anodenraum eindiffundiert, zwar für die Lebensdauer des Brennstoffzellenstapels kritisch sein kann, in der absoluten Menge jedoch sehr gering ist, reicht eine sehr kleine Zusatzbrennstoffzelle in dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem aus, um die eingangs geschilderten besonderen Vorteile zu erzielen. Die Zusatzbrennstoffzelle kann dabei als Einzeller oder als kleine Zusatzbrennstoffzelle mit weniger als fünf Einzelzellen ausgebildet sein. Dies reicht vollkommen aus, um den eingedrungenen Sauerstoff sicher und effizient aufzubrauchen.According to an advantageous embodiment of the fuel cell system according to the invention, it is also provided that the additional fuel cell is formed of less than five, preferably from a single cell. Since the amount of air or oxygen from the air, which diffuses into the anode compartment, although critical for the lifetime of the fuel cell stack, in the absolute amount is very low, a very small additional fuel cell in the fuel cell system according to the invention is sufficient to the to achieve particular advantages. The additional fuel cell can be designed as a single cell or as a small auxiliary fuel cell with less than five individual cells. This is completely sufficient to consume the penetrated oxygen safely and efficiently.

Bei dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem kann es dabei vorgesehen sein, dass die wenigstens eine Zusatzbrennstoffzelle, zumindest mit ihrem Kathodenraum, in dem Kathodenraum und/oder dem Anodenraum des Brennstoffzellenstapels integriert ausgeführt ist, oder dass diese, falls eine Rezirkulationsschleife für Abgas um den Anodenraum und/oder den Kathodenraum vorhanden ist, mit ihrem Kathodenraum im Bereich dieser Rezirkulationsschleife angeordnet ist. Die Integration beziehungsweise die Nähe der Zusatzbrennstoffzelle des Brennstoffzellensystems zum Brennstoffzellenstapel macht Insbesondere die Abdichtung der Wasserstoffversorgung des Anodenraums der Zusatzbrennstoffzelle besonders einfach und effizient. Da der Kathodenraum der Zusatzbrennstoffzelle gleichzeitig zum Beispiel einen Teil des Anodenraums des Brennstoffzellenstapels ausmachen kann, ist auch hier die räumliche Nähe von besonderem Vorteil, da ansonsten der Anodenraum des Brennstoffzellenstapels vergleichsweise aufwändig ausgebildet und gegenüber dem im Betrieb in diesem vorliegenden Wasserstoff abgedichtet werden müsste.In the case of the fuel cell system according to the invention, it may be provided that the at least one additional fuel cell is designed to be integrated, at least with its cathode space, in the cathode space and / or the anode space of the fuel cell stack or, if such, a recirculation loop for exhaust gas around the anode space and / or the cathode space is present, with its cathode space in the region of this recirculation loop is arranged. The integration or the proximity of the additional fuel cell of the fuel cell system to the fuel cell stack makes in particular the sealing of the hydrogen supply of the anode space of the additional fuel cell particularly simple and efficient. Since the cathode compartment of the additional fuel cell can simultaneously make up, for example, a part of the anode compartment of the fuel cell stack, the spatial proximity is also of particular advantage here, since otherwise the anode compartment of the fuel cell stack would have to be comparatively complicated and sealed against the hydrogen present in operation during operation.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems ist es ferner vorgesehen, dass die Wasserstoffversorgung für die Zusatzbrennstoffzelle vor einem Dosierventil für die Wasserstoffversorgung des Brennstoffzellenstapels abzweigt. Eine solche eigene Wasserstoffversorgung unabhängig vom Dosierventil des Brennstoffzellenstapels ist besonders effizient und vorteilhaft, da so insbesondere in einer Stillstandsphase des Brennstoffzellensystems eine zuverlässige Wasserstoffversorgung der Zusatzbrennstoffzelle im Bereich ihres Anodenraums erreicht werden kann, ohne dass das Dosierventil des Brennstoffzellensystems selbst geöffnet werden muss.In an advantageous embodiment of the fuel cell system according to the invention, it is further provided that the hydrogen supply for the additional fuel cell branches off in front of a metering valve for the hydrogen supply of the fuel cell stack. Such a separate hydrogen supply independent of the metering valve of the fuel cell stack is particularly efficient and advantageous, since a reliable hydrogen supply of the auxiliary fuel cell in the region of its anode compartment can be achieved in particular in a standstill phase of the fuel cell system without the metering valve of the fuel cell system itself must be opened.

Die eingangs genannte Aufgabe wird ferner durch ein Verfahren zum Betreiben eines derartigen Brennstoffzellensystems gelöst, wobei dieses Betriebsphasen und Stillstandsphasen aufweist. Erfindungsgemäß wird dabei dem Anodenraum der Zusatzbrennstoffzelle zumindest in den Stillstandsphasen Wasserstoff zugeführt. Hierdurch werden die eingangs bereits geschilderten Vorteile ermöglicht.The object mentioned at the outset is furthermore achieved by a method for operating such a fuel cell system, wherein it has operating phases and standstill phases. According to the invention, hydrogen is supplied to the anode chamber of the additional fuel cell at least in the standstill phases. As a result, the already described advantages are made possible.

In einer weiteren sehr günstigen und vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es dabei ferner vorgesehen, dass die Wasserstoffzufuhr in Abhängigkeit einer Sauerstoffkonzentration in dem Kathodenraum der Zusatzbrennstoffzelle erfolgt. Eine solche Sauerstoffkonzentration, welche im Kathodenraum oder in mit diesem verbundenen Elementen gemessen wird, stellt fest, ob überhaupt Sauerstoff vorhanden ist, welcher in der Zusatzbrennstoffzelle umgesetzt werden kann. Eine anhand der Sauerstoffkonzentration gesteuerte Wasserstoffzufuhr zu der Zusatzbrennstoffzelle minimiert also die Zeit, in der Wasserstoff zugeführt wird, auf ein absolutes Minimum. Da eine Abdichtung gegenüber Wasserstoff vergleichsweise schwierig ist und eine Wasserstoffversorgung der Zusatzbrennstoffzelle immer zu minimalen unvermeidlichen Wasserstoffverlusten führt, kann durch die Messung der Sauerstoffkonzentration im Kathodenraum der Zusatzbrennstoffzelle der Wasserstoffverbrauch und eventuelle Wasserstoffemissionen auf ein absolutes Minimum reduziert werden.In a further very favorable and advantageous embodiment of the method according to the invention, it is further provided that the hydrogen supply takes place as a function of an oxygen concentration in the cathode space of the additional fuel cell. Such an oxygen concentration, which is measured in the cathode compartment or in elements connected to it, determines whether any oxygen is present, which can be reacted in the additional fuel cell. An oxygen concentration-controlled hydrogen supply to the auxiliary fuel cell thus minimizes the time that hydrogen is supplied to an absolute minimum. Since a seal against hydrogen is comparatively difficult and a hydrogen supply of the additional fuel cell always leads to minimal unavoidable hydrogen losses, by measuring the oxygen concentration in the cathode compartment of the additional fuel cell, the hydrogen consumption and any hydrogen emissions can be reduced to an absolute minimum.

In einer weiteren sehr günstigen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es ferner vorgesehen, dass der zeitliche Verlauf der elektrischen Leistungsabgabe der Zusatzbrennstoffzelle überwacht wird. Ab einem Leistungsgradienten und/oder einem Leistungswert oberhalb eines vorgegebenen Grenzwerts wird dann eine Leckage in dem Brennstoffzellensystem angenommen. Bei einer solchen Leckage des Brennstoffzellenstapels selbst oder der den Brennstoffzellenstapel in der Stillstandsphase absperrenden Ventileinrichtungen dringt Luft bzw. Sauerstoff aus der Umgebung in den Brennstoffzellenstapel ein. Bei vorhandenem Wasserstoff im Anodenraum der Zusatzbrennstoffzelle führt dies zu einer elektrischen Aktivität an der Zusatzbrennstoffzelle. Steigt diese unerwartet schnell oder über einen vorgegebenen Grenzwert an, dann kann auf eine solche Leckage und das Eindringen von Sauerstoff in den Brennstoffzellenstapel rückgeschlossen werden. Im Falle einer solchen Leckage können dann bestimmte Maßnahmen ergriffen werden, beispielsweise kann eine Warnlampe eingeschaltet werden, um einen späteren Wiederstart des Brennstoffzellensystems zu verhindern oder diesem eine Überprüfung des Brennstoffzellensystems vorauszuschicken.In a further very advantageous embodiment of the method according to the invention, it is further provided that the time profile of the electrical power output of the additional fuel cell is monitored. From a power gradient and / or a power value above a predetermined threshold value, a leak in the fuel cell system is then assumed. In such a leakage of the fuel cell stack itself or the fuel cell stack in the standstill phase shutting off valve devices, air or oxygen from the environment penetrates into the fuel cell stack. With existing hydrogen in the anode compartment of the additional fuel cell, this leads to an electrical activity at the additional fuel cell. If this increases unexpectedly quickly or above a predetermined limit value, then it is possible to deduce such leakage and the penetration of oxygen into the fuel cell stack. In the event of such a leak, certain measures can be taken, for example, a warning lamp can be turned on to prevent a later restart of the fuel cell system or to send this before a review of the fuel cell system.

In einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es dabei insbesondere vorgesehen, dass im Falle einer Leckage die Wasserstoffdosierung gestoppt wird. Dies dient dazu, zu verhindern, dass ein hoher Wasserstoffverbrauch im Bereich der Zusatzbrennstoffzelle auftritt, wenn Sauerstoff praktisch ungehindert in den Bereich des Kathodenraums der Zusatzbrennstoffzelle nachströmen kann.In an advantageous embodiment of the method according to the invention, it is in particular provided that in the case of leakage, the hydrogen dosage is stopped. This serves to prevent high hydrogen consumption from occurring in the region of the additional fuel cell when oxygen can flow in almost freely into the region of the cathode space of the additional fuel cell.

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

Dabei zeigen:Showing:

1 einen Ausschnitt aus einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem in einer ersten Ausführungsform; und 1 a detail of a fuel cell system according to the invention in a first embodiment; and

2 einen Ausschnitt aus einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem in einer zweiten möglichen Ausführungsform. 2 a section of a fuel cell system according to the invention in a second possible embodiment.

In der Darstellung der 1 ist ein Brennstoffzellensystem 1 in einem für die hier vorliegende Erfindung relevanten Ausschnitt dargestellt. Es soll in einem prinzipmäßig angedeuteten Fahrzeug 2 angeordnet sein und dient dort zur Bereitstellung von elektrischer Leistung, insbesondere von elektrischer Antriebsleistung. Das Brennstoffzellensystem 1 umfasst in dem hier dargestellten Ausschnitt einen Brennstoffzellenstapel 3 bzw. Brennstoffzellenstack, welcher aus gestapelten Einzelzellen ausgebildet ist. Der Brennstoffzellenstapel 3 weist einen Kathodenraum 4 und einen Anodenraum 5 auf. Dem Kathodenraum 4 wird über eine Luftversorgungseinrichtung 6 Luft als Sauerstofflieferant zugeführt. Abluft gelangt über eine Abluftleitung 7 aus dem System. Weitere Komponenten im Bereich der Zuluftstrecke und der Abluftleitung 7, wie beispielsweise Ladeluftkühler, Befeuchter und dergleichen, sind prinzipiell denkbar und aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. Sie sind für die hier vorliegende Erfindung von untergeordneter Bedeutung und wurden deshalb nicht dargestellt.In the presentation of the 1 is a fuel cell system 1 represented in a relevant for the present invention section. It is intended in a vehicle indicated in principle 2 be arranged there and serves to provide electrical power, in particular of electrical drive power. The fuel cell system 1 includes in the section shown here a fuel cell stack 3 or fuel cell stack, which is formed of stacked single cells. The fuel cell stack 3 has a cathode compartment 4 and an anode room 5 on. The cathode compartment 4 is via an air supply device 6 Air supplied as an oxygen supplier. Exhaust air passes through an exhaust air line 7 from the system. Other components in the area of the supply air duct and the exhaust air duct 7 , such as intercooler, humidifier and the like, are in principle conceivable and known from the general state of the art. They are for the present invention of minor importance and were therefore not shown.

Dem Anodenraum 5 des Brennstoffzellenstapels 3 wird Wasserstoff aus einem Druckgasspeicher 8 über einen Druckminderer 9 und ein Dosierventil 10 zugeführt. Der Wasserstoff gelangt dann in den Bereich des Anodenraums 5 und wird in diesem typischerweise zum Teil aufgebraucht. Unverbrauchter Wasserstoff gelangt zusammen mit entstandenem Produktwasser und durch die Membranen des Brennstoffzellenstapels 3 hindurchdiffundiertem Stickstoff über eine Rezirkulationsleitung 11 einer sogenannten Anodenrezirkulationsschleife bzw. eines Anodenloops zurück in den Anodenraum 5 und wird diesem vermischt mit frischem Wasserstoff erneut zugeführt. Zum Ausgleich der Druckverluste ist eine Rezirkulationsfördereinrichtung 12 vorgesehen. Diese ist hier beispielhaft als Rezirkulationsgebläse angedeutet. Sie könnte genauso gut als Gasstrahlpumpe, welche von dem frischen Wasserstoffstrom angetrieben wird oder als Kombination dieser beiden ausgebildet sein. In der Anodenrezirkulationsschleife reichert sich mit der Zeit Wasser und Stickstoff an, sodass die Wasserstoffkonzentration aufgrund des konstanten Volumens der Rezirkulationsschleife sinkt. Über einen Wasserabscheider 13 wird deshalb das flüssige Wasser abgeschieden und über eine Ablassleitung 14 mit einem Ablassventil 15 entweder von Zeit zu Zeit, in Abhängigkeit des Wasserstandes in dem Wasserabscheider 13, in Abhängigkeit des Wasserstands in dem Wasserabscheider 12, in Abhängigkeit der Wasserstoffkonzentration oder auch in Abhängigkeit eines simulierten Wasserstoffverbrauchs oder Produktwasseranfalls im Bereich des Anodenraums 5 abgelassen. Zusammen mit dem Wasser wird über den Wasserabscheider 13 dabei typischerweise auch ein Teil des Gases mit abgelassen, umso den Stickstoff aus dem System zu entfernen und die Wasserstoffkonzentration in der Anodenrezirkulationsschleife auf einem für die Funktionalität des Brennstoffzellenstapels 3 ausreichenden Niveau zu halten.The anode compartment 5 of the fuel cell stack 3 becomes hydrogen from a compressed gas storage 8th via a pressure reducer 9 and a metering valve 10 fed. The hydrogen then enters the area of the anode compartment 5 and is typically used up in part. Unused hydrogen comes together with produced product water and through the membranes of the fuel cell stack 3 diffused nitrogen via a recirculation line 11 a so-called anode recirculation loop or an anode loop back into the anode compartment 5 and is added to this mixed with fresh hydrogen again. To compensate for the pressure losses is a recirculation conveyor 12 intended. This is exemplified here as Rezirkulationsgebläse. It might as well be a gas jet pump driven by the fresh hydrogen flow or a combination of both. In the anode recirculation loop, water and nitrogen accumulate over time, so that the hydrogen concentration decreases due to the constant volume of the recirculation loop. About a water separator 13 Therefore, the liquid water is separated and via a drain line 14 with a drain valve 15 either from time to time, depending on the water level in the water separator 13 , depending on the water level in the water separator 12 , as a function of the hydrogen concentration or depending on a simulated hydrogen consumption or product water attack in the region of the anode compartment 5 drained. Along with the water is over the water separator 13 typically also venting some of the gas so as to remove the nitrogen from the system and the hydrogen concentration in the anode recirculation loop at one for the functionality of the fuel cell stack 3 to maintain sufficient level.

Das bisher beschriebene Brennstoffzellensystem 1 entspricht so den aus dem Stand der Technik bekannten Aufbauten. Es wird auch so wie die im Stand der Technik beschriebenen Aufbauten während einer Betriebsphase des Brennstoffzellensystems 1, in dem elektrische Leistung mit dem Brennstoffzellenstapel 3 erzeugt werden soll, betrieben. Nun ist es so, dass das Fahrzeug 2 natürlich nicht ständig in Betrieb ist, sondern von Zeit zu Zeit auch abgestellt wird. In einer solchen Stillstandsphase des Brennstoffzellensystems 1 ist es dann ideal, wenn im Anodenraum 5 des Brennstoffzellenstapels 3 kein Sauerstoff vorliegt, um bei einem Wiederstart des Systems zu verhindern, dass eine Wasserstoff/Sauerstoff-Front durch den Anodenraum 5 läuft und dadurch die eingangs ausführlich beschriebene Degradation des Katalysators des Anodenraums 5 auftritt.The fuel cell system described so far 1 corresponds to the known from the prior art structures. It also becomes like the structures described in the prior art during an operating phase of the fuel cell system 1 in which electrical power with the fuel cell stack 3 should be generated operated. Now it is like that the vehicle 2 Of course not constantly in operation, but from time to time also turned off. In such a stoppage phase of the fuel cell system 1 is it ideal if in the anode room 5 of the fuel cell stack 3 There is no oxygen to prevent a hydrogen / oxygen front through the anode compartment when the system re-starts 5 runs and thereby the degradation of the catalyst of the anode compartment described in detail above 5 occurs.

Um in einer Stillstandsphase des Brennstoffzellensystems 1 dieser Degradation vorzubeugen ist es vorgesehen, dass beispielsweise direkt im Anodenraum 5 des Brennstoffzellenstapels 3 eine Zusatzbrennstoffzelle 16 angeordnet ist. Diese in dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 in dem Brennstoffzellenstapel 3 integrierte Zusatzbrennstoffzelle 16 ist typischerweise sehr klein ausgebildet, idealerweise aus einer einzigen Einzelzelle. Sie weist ihrerseits einen Kathodenraum 17 sowie einen Anodenraum 18 auf. In dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Kathodenraum 17 der Zusatzbrennstoffzelle 16 mit dem Anodenraum 5 des Brennstoffzellenstapels 3 direkt verbunden. Dem Anodenraum 18 der Zusatzbrennstoffzelle 16 wird über eine Versorgungsleitung 19 und eine darin angeordnete optionale Ventileinrichtung 21 zumindest in der Stillstandsphase des Brennstoffzellensystems 1 idealerweise permanent Wasserstoff zugeführt. Der Wasserstoff wird dabei nach dem Druckminderer 9 und vor dem Dosierventil 10 aus der Wasserstoffversorgung abgezweigt, umso unabhängig vom Dosierventil 10 den Kathodenraum 18 der Zusatzbrennstoffzelle 16 mit Wasserstoff versorgen zu können. Die optionale Ventileinrichtung 21 kann im Prinzip während der Betriebsphase des Brennstoffzellensystems 1 geschlossen werden. Dies ist aber nicht zwingend notwendig, da auch in der Betriebsphase eine Versorgung des Kathodenraums 18 der Zusatzbrennstoffzelle 16 mit Wasserstoff unkritisch ist. In diesem Fall liegt sowohl im Kathodenraum 17 als auch im Anodenraum 18 der Zusatzbrennstoffzelle 16 Wasserstoff vor, sodass diese nicht arbeitet. Erst nachdem das Brennstoffzellensystem 1 in die Stillstandsphase gewechselt ist und der Wasserstoff in dem Anodenraum 5 des Brennstoffzellenstapels 3 aufgebraucht ist, kann Sauerstoff in diesen Anodenraum 5 eindringen und im Bereich der Zusatzbrennstoffzelle 16, welche mit ihrem Kathodenraum 17 mit dem Anodenraum 5 des Brennstoffzellenstapels 3 verbunden ist, reagieren. Die so entstehende elektrische Leistung kann beispielsweise in einer typischerweise ohnehin vorhandenen Batterie des Brennstoffzellensystems 1 eingespeichert oder über einen Lastwiderstand verbraucht werden.To be in a standstill phase of the fuel cell system 1 To prevent this degradation, it is provided that, for example, directly in the anode compartment 5 of the fuel cell stack 3 an auxiliary fuel cell 16 is arranged. These in the embodiment according to 1 in the fuel cell stack 3 integrated additional fuel cell 16 is typically very small, ideally from a single single cell. It in turn has a cathode compartment 17 and an anode compartment 18 on. In the embodiment shown here, the cathode compartment 17 the additional fuel cell 16 with the anode compartment 5 of the fuel cell stack 3 directly connected. The anode compartment 18 of the additional fuel cell 16 is via a supply line 19 and an optional valve means disposed therein 21 at least in the stoppage phase of the fuel cell system 1 ideally supplied with permanent hydrogen. The hydrogen is doing after the pressure reducer 9 and in front of the dosing valve 10 diverted from the hydrogen supply, the more independent of the metering valve 10 the cathode compartment 18 the additional fuel cell 16 be able to supply with hydrogen. The optional valve device 21 can in principle during the operating phase of the fuel cell system 1 getting closed. However, this is not absolutely necessary, since even in the operating phase a supply of the cathode compartment 18 the additional fuel cell 16 is not critical with hydrogen. In this case lies both in the cathode compartment 17 as well as in the anode room 18 the additional fuel cell 16 Hydrogen so that it does not work. Only after the fuel cell system 1 has changed to the standstill phase and the hydrogen in the anode compartment 5 of the fuel cell stack 3 is used up, oxygen can enter this anode compartment 5 penetrate and in the area of the additional fuel cell 16 , which with its cathode space 17 with the anode compartment 5 of the fuel cell stack 3 connected, react. The resulting electric power can, for example, in a typical already existing battery of the fuel cell system 1 stored or consumed via a load resistor.

Bei einem späteren Wiederstart des Brennstoffzellenstapels 1 liegt dann im Bereich des Anodenraums 5 des Brennstoffzellenstapels 3 kein Sauerstoff vor, sodass ein kritischer Air/Air-Start vermieden werden kann. Da Sauerstoff nicht nur durch die Dichtungen des Brennstoffzellenstapels 3 in diesen und damit auch in den Anodenraum 5 desselben eindringt, sondern auch durch die Membranen vom Kathodenraum 4 in den Anodenraum 5 des Brennstoffzellenstapels 3 diffundieren kann, ist es idealerweise vorgesehen, dass über Ventileinrichtungen 22, 23 der Kathodenraum 4 des Brennstoffzellenstapels 3 zuluftseitig und im Bereich der Abluftleitung 7 abgesperrt wird, während das Brennstoffzellensystem 1 in der Stillstandsphase ist.At a later restart of the fuel cell stack 1 then lies in the area of the anode compartment 5 of the fuel cell stack 3 no oxygen, so that a critical air / air start can be avoided. Because oxygen is not just through the seals of the fuel cell stack 3 in these and thus also in the anode compartment 5 the same penetrates, but also through the membranes of the cathode compartment 4 in the anode compartment 5 of the fuel cell stack 3 It is ideally intended that via valve devices 22 . 23 the cathode compartment 4 of the fuel cell stack 3 supply side and in the area of the exhaust air line 7 is shut off while the fuel cell system 1 is in the standstill phase.

Der Anodenraum 5 des Brennstoffzellenstapels 3 ist weiterhin mit der Rezirkulationsleitung 11 verbunden. Diese ist gegenüber der Umgebung über das Ablassventil 15 abgesperrt. Um für einen Ausgleich der Konzentration der Stoffe zwischen dem Anodenraum 5 und der Rezirkulationsleitung 11 sowie der Zusatzbrennstoffzelle 16 bzw. ihrem Kathodenraum 17 zu sorgen, kann die Rezirkulationsfördereinrichtung 12 von Zeit zu Zeit betrieben werden. Dies kann beispielsweise in der Stillstandsphase zeitabhängig oder in Abhängigkeit von Konzentrationen erfolgen. Auch aus anderen Gründen, wie beispielsweise temperaturabhängig, um ein Einfrieren eines eventuellen Gebläses als Rezirkulationsfördereinrichtung 12 zu verhindern, ist der Betrieb der Rezirkulationsfördereinrichtung in der Stillstandsphase beim Erreichen bestimmter Parameter bekannt und üblich. Auch ein solcher Betrieb kann genutzt werden, um Stoffe und Konzentrationen im Anodenraum 5 des Brennstoffzellenstapels 3 und der Rezirkulationsleitung 11 zu homogenisieren.The anode compartment 5 of the fuel cell stack 3 is still with the recirculation line 11 connected. This is opposite the environment via the drain valve 15 shut off. To compensate for the concentration of substances between the anode compartment 5 and the recirculation line 11 and the auxiliary fuel cell 16 or their cathode compartment 17 To ensure the recirculation conveyor 12 be operated from time to time. This can be done, for example, in the standstill phase time-dependent or in dependence on concentrations. Also for other reasons, such as temperature-dependent, to freeze a possible blower as Rezirkulationsfördereinrichtung 12 To prevent the operation of the recirculation conveyor in the standstill phase when certain parameters are known and common. Such an operation can also be used to control substances and concentrations in the anode compartment 5 of the fuel cell stack 3 and the recirculation line 11 to homogenize.

Die Zusatzbrennstoffzelle 16 könnte, wie eingangs bereits geschildert, auch im Bereich des Kathodenraums 4 des Brennstoffzellenstapels 3 oder im Bereich eines um den Brennstoffzellenstapel 3 ausgebildeten Gehäuses angeordnet sein, jeweils so, dass ihr Kathodenraum 17 mit dem Kathodenraum 4 bzw. dem Inneren dieses Gehäuses verbunden ist. In dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel ist lediglich die Variante mit einer Anbindung der Zusatzbrennstoffzelle 16 bzw. ihres Kathodenraums 17 an den Anodenraum 5 gezeigt ist. Der Fachmann kann diesen Aufbau jedoch leicht auf die beiden anderen Varianten übertragen.The additional fuel cell 16 could, as already described, also in the area of the cathode compartment 4 of the fuel cell stack 3 or in the area of one around the fuel cell stack 3 be arranged trained housing, in each case so that their cathode space 17 with the cathode compartment 4 or the interior of this housing is connected. In the embodiment shown here is only the variant with a connection of the additional fuel cell 16 or their cathode compartment 17 to the anode compartment 5 is shown. However, the person skilled in the art can easily transfer this structure to the other two variants.

In der Darstellung der 2 ist ein alternatives Ausführungsbeispiel des Brennstoffzellensystems 1 zu erkennen. Die Zusatzbrennstoffzelle 16 ist hier so angeordnet, dass ihr Kathodenraum 17 Teil der Rezirkulationsleitung 11 ist und so von dem rezirkulierten Gasstrom durchströmt wird. Dadurch wird eine gute Versorgung des Kathodenraums 17 mit gegebenenfalls in den Anodenraum 5 des Brennstoffzellenstapels 3 eingedrungenem und von Zeit zu Zeit über die Rezirkulationsfördereinrichtung 12 durch die Anodenrezirkulationsschleife umgewälzten Sauerstoff erreicht. Der Aufbau ist dabei analog zu dem oben dargestellten Aufbau mit ständig offener Versorgungsleitung 19 oder im Bereich der Versorgungsleitung angeordneter optionaler Ventileinrichtung 21 möglich.In the presentation of the 2 is an alternative embodiment of the fuel cell system 1 to recognize. The additional fuel cell 16 is here arranged so that her cathode compartment 17 Part of the recirculation line 11 is and thus flows through the recirculated gas stream. This will provide a good supply of the cathode compartment 17 with optionally in the anode compartment 5 of the fuel cell stack 3 penetrated and from time to time via the recirculation conveyor 12 achieved by the anode recirculation loop circulated oxygen. The structure is analogous to the structure shown above with constantly open supply line 19 or in the region of the supply line arranged optional valve device 21 possible.

Ergänzend dazu kann es hier, oder auch bei in den Brennstoffzellenstapel 3 integrierter Zusatzbrennstoffzelle 16, vorgesehen sein, dass im Kathodenraum 17 der Zusatzbrennstoffzelle 16 oder einem mit ihm in Verbindung stehenden Bereich ein Sauerstoffkonzentrationssensor 24 angeordnet ist. Über eine Steuerungselektronik 25 können die Werte des Sauerstoffkonzentrationssensors 24 genutzt werden, um die in diesem Fall dann zwingend notwendige Ventileinrichtung 21 anzusteuern. Die Ansteuerung kann so erfolgen, dass lediglich beim Vorliegen von Sauerstoff im Bereich des Kathodenraums 17 der Zusatzbrennstoffzelle 16 eine Versorgung des Anodenraums 18 der Zusatzbrennstoffzelle 16 mit Wasserstoff veranlasst wird, wodurch der Wasserstoffverbrauch abgesenkt wird, da Undichtheiten in Wasserstoffsystemen typischerweise unvermeidlich sind und bei der ständigen Versorgung des Anodenraums 17 der Zusatzbrennstoffzelle 16 mit Wasserstoff zumindest minimale Wasserstoffleckagen unvermeidlich sind.In addition, it can be here, or even in the fuel cell stack 3 integrated additional fuel cell 16 , be provided that in the cathode compartment 17 the additional fuel cell 16 or an area associated with it, an oxygen concentration sensor 24 is arranged. Via a control electronics 25 can be the values of the oxygen concentration sensor 24 be used to the in this case then mandatory valve device 21 head for. The control can be carried out so that only in the presence of oxygen in the region of the cathode space 17 the additional fuel cell 16 a supply of the anode compartment 18 the additional fuel cell 16 is caused by hydrogen, whereby the hydrogen consumption is lowered, since leaks in hydrogen systems are typically inevitable and in the constant supply of the anode space 17 the additional fuel cell 16 with hydrogen at least minimal hydrogen leakage is inevitable.

Die beiden in den 1 und 2 dargestellten Brennstoffzellensysteme 1 haben dabei einen weiteren Vorteil. Über eine einfache und effiziente zeitliche Überwachung der von der Zusatzbrennstoffzelle 16 generierten elektrischen Leistung kann während der Stillstandsphase die Dichtheit des Systems überwacht werden. Kommt es zu einer elektrischen Leistung im Bereich der Zusatzbrennstoffzelle 16 in der Stillstandsphase, dann liegt Sauerstoff in diesem Bereich vor. Dabei ist die Menge an Sauerstoff vergleichsweise klein, da es sich ansonsten nicht um den unvermeidlich in den Anodenraum 5 des Brennstoffzellenstapels 3 eindringenden Sauerstoff handelt, sondern aller Voraussicht nach um eine Leckage. Durch eine zeitliche Überwachung der elektrischen Leistung der Zusatzbrennstoffzelle 16 lässt sich nun durch eine zeitliche Ableitung, also den Gradient dieser Leistung über eine Leckage eindringender Sauerstoff durch einen sehr großen Gradienten, also einen schnellen Anstieg der elektrischen Leistung detektieren. Ergänzend oder alternativ dazu kann ab einem vorgegebenen großen Leistungswert ebenfalls auf eine Leckage rückgeschlossen werden. In einem solchen Fall können geeignete Gegenmaßnahmen ergriffen werden, beispielsweise die Ausgabe einer Warnung, sodass das System beim Wiederstart nicht oder nur unter Notlaufbedingungen anläuft und eine Wartung zur Aufklärung der vermuteten Leckageproblematik erzwingt. Außerdem können sicherheitsrelevante Maßnahmen ergriffen werden, sodass beispielsweise beim Wiederstart des Systems über die Leckage kein Wasserstoff in die Umgebung gelangt.The two in the 1 and 2 illustrated fuel cell systems 1 have another advantage. About a simple and efficient time monitoring of the auxiliary fuel cell 16 generated electrical power can be monitored during the standstill phase, the tightness of the system. Does it come to an electric power in the area of the additional fuel cell 16 in the standstill phase, then oxygen is present in this area. The amount of oxygen is comparatively small, since otherwise it is not inevitable in the anode compartment 5 of the fuel cell stack 3 penetrating oxygen, but in all likelihood a leakage. By a temporal monitoring of the electrical power of the additional fuel cell 16 can now be detected by a time derivative, so the gradient of this power via a leak penetrating oxygen through a very large gradient, so a rapid increase in electrical power. In addition or as an alternative, a leakage can also be deduced from a given large power value. In such a case, appropriate countermeasures can be taken, for example, the issuance of a warning, so that the system does not start when restarting or only under emergency conditions and enforces a maintenance to clarify the suspected leakage problem. In addition, safety-relevant measures can be taken so that, for example, when the system is restarted via the leak, no hydrogen gets into the environment.

Alles in allem entsteht so ein sehr einfaches und sicheres Brennstoffzellensystems, welches Alterungseffekte aufgrund der Problematik des Air/Air-Starts des Brennstoffzellenstapels 3 verhindert und dabei sehr effizient mit dem zur Reduktion des Sauerstoffs benötigten Wasserstoff umgeht. Ferner kann die Gefahr einer unerkannten Undichtheit des Systems während der Stillstandsphase des Brennstoffzellensystems 1 kann so auf ein absolutes Minimum reduziert werden.All in all, this results in a very simple and safe fuel cell system, which has aging effects due to the problem of the air / air start of the fuel cell stack 3 prevented and thereby bypasses very efficiently with the required for the reduction of oxygen hydrogen. Furthermore, the risk of undetected leakage of the system during the stoppage phase of the fuel cell system 1 can be reduced to an absolute minimum.

Die Einzelaspekte der beiden in den 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispiele sind dabei einfach und effizient untereinander kombinierbar.The individual aspects of the two in the 1 and 2 illustrated embodiments are combined with each other easily and efficiently.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 102010053628 A1 [0005] DE 102010053628 A1 [0005]
  • DE 102007052148 A1 [0006] DE 102007052148 A1 [0006]

Claims (10)

Brennstoffzellensystem (1) mit einem aus Einzelzellen aufgebauten Brennstoffzellenstapel (3), welcher einen Anodenraum (5) und einen Kathodenraum (4) aufweist, gekennzeichnet durch wenigstens eine Zusatzbrennstoffzelle (16), deren Kathodenraum (17) mit dem Anodenraum (5) des Brennstoffzellenstapels (3), dem Kathodenraum (4) des Brennstoffzellenstapels (3) oder im Inneren eines Gehäuses, welches den Brennstoffzellenstapel (3) umgibt, verbunden ist, und deren Anodenraum (18) mit der Wasserstoffversorgung verbindbar ist.Fuel cell system ( 1 ) with a fuel cell stack constructed from single cells ( 3 ), which has an anode space ( 5 ) and a cathode compartment ( 4 ), characterized by at least one additional fuel cell ( 16 ), whose cathode space ( 17 ) with the anode space ( 5 ) of the fuel cell stack ( 3 ), the cathode compartment ( 4 ) of the fuel cell stack ( 3 ) or inside a housing, which the fuel cell stack ( 3 ), is connected, and whose anode space ( 18 ) is connectable to the hydrogen supply. Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass genau eine Zusatzbrennstoffzelle (16) vorhanden ist, deren Kathodenraum (17) mit dem Anodenraum (5) des Brennstoffzellenstapels (3) verbunden ist.Fuel cell system ( 1 ) according to claim 1, characterized in that exactly one additional fuel cell ( 16 ) is present, whose cathode space ( 17 ) with the anode space ( 5 ) of the fuel cell stack ( 3 ) connected is. Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 1, oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass der Anodenraum (5) und/oder der Kathodenraum (4) des Brennstoffzellenstapels (3) über Ventile (15, 22, 23) direkt oder zusammen mit diesen zugeordneten Leitungselementen (7, 11) und/oder Komponenten (12, 13) absperrbar istFuel cell system ( 1 ) according to claim 1 or 2, characterized in that the anode space ( 5 ) and / or the cathode compartment ( 4 ) of the fuel cell stack ( 3 ) via valves ( 15 . 22 . 23 ) directly or together with these associated line elements ( 7 . 11 ) and / or components ( 12 . 13 ) can be shut off Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 1,2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusatzbrennstoffzelle (16) aus weniger als fünf, vorzugsweise aus einer, Einzelzelle ausgebildet ist.Fuel cell system ( 1 ) according to claim 1, 2 or 3, characterized in that the auxiliary fuel cell ( 16 ) is formed of less than five, preferably one, single cell. Brennstoffzellensystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass der Anodenraum (5) und/oder der Kathodenraum (4) des Brennstoffzellenstapels (3) jeweils Teil einer Rezirkulationsschleife für Abgase sind, wobei die wenigstens eine Zusatzbrennstoffzelle (16) mit ihrem Kathodenraum (17) in der Rezirkulationsschleife angeordnet ist.Fuel cell system ( 1 ) according to one of claims 1 to 4, characterized in that the anode space ( 5 ) and / or the cathode compartment ( 4 ) of the fuel cell stack ( 3 ) are each part of a recirculation loop for exhaust gases, wherein the at least one additional fuel cell ( 16 ) with its cathode space ( 17 ) is arranged in the recirculation loop. Brennstoffzellensystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Zusatzbrennstoffzelle (16) zumindest mit ihrem Kathodenraum (17) in dem Kathodenraum (4) und/oder dem Anodenraum (5) des Brennstoffzellenstapels (3) integriert ausgeführt ist.Fuel cell system ( 1 ) according to one of claims 1 to 5, characterized in that the at least one additional fuel cell ( 16 ) at least with its cathode space ( 17 ) in the cathode compartment ( 4 ) and / or the anode space ( 5 ) of the fuel cell stack ( 3 ) is integrated. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Wasserstoffversorgung für die Zusatzbrennstoffzelle (16) vor einem Dosierventil (10) für die Wasserstoffversorgung des Brennstoffzellenstapels (3) abzweigt.Fuel cell system according to one of claims 1 to 6, characterized in that the hydrogen supply for the auxiliary fuel cell ( 16 ) in front of a metering valve ( 10 ) for the hydrogen supply of the fuel cell stack ( 3 ) branches off. Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, mit Betriebsphasen und Stillstandsphasen dadurch gekennzeichnet, dass dem Anodenraum (17) der Zusatzbrennstoffzelle (16) zumindest in den Stillstandsphasen Wasserstoff zugeführt wird.Method for operating a fuel cell system ( 1 ) according to one of claims 1 to 7, characterized by operating phases and stoppage phases characterized in that the anode space ( 17 ) of the auxiliary fuel cell ( 16 ) is supplied to hydrogen at least in the standstill phases. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Wasserstoffzufuhr in Abhängigkeit einer Sauerstoffkonzentration in dem Kathodenraum (17) der Zusatzbrennstoffzelle (16) erfolgt.A method according to claim 8, characterized in that the hydrogen supply in dependence of an oxygen concentration in the cathode space ( 17 ) of the auxiliary fuel cell ( 16 ) he follows. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein zeitlicher Verlauf der elektrischen Leistungsabgabe der Zusatzbrennstoffzelle (16) überwacht wird, wobei bei einem Leistungsgradienten und/oder einem Leistungswert oberhalb eines vorgegebenen Grenzwerts eine Leckage angenommen wird.A method according to claim 8 or 9, characterized in that a time profile of the electrical power output of the additional fuel cell ( 16 ) is monitored, wherein a leakage is assumed at a power gradient and / or a power value above a predetermined limit value.
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