DE102012218011B4 - Fuel cell unit with a hydrogen store and method for controlling the hydrogen store - Google Patents

Fuel cell unit with a hydrogen store and method for controlling the hydrogen store Download PDF

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Abstract

Brennstoffzelleneinheit (1) mit einem Wasserstoffspeicher (2), wobei
• die Brennstoffzelleneinheit (1) mindestens eine Brennstoffzelle mit einer Anode (3) und einer Kathode (4) aufweist,
• die Anode (3) über ein Zulaufventil (5) mit einem Wasserstofftank (6) verbindbar ist,
• die Anode (3) über ein Ablaufventil (7) mit einem Wasserstoffspeicher (2) verbunden ist,
wobei die Anode (3) im Betrieb der Brennstoffzelle zu wenigstens einem bestimmten Zeitpunkt mit Wasserstoff gespült wird und ein Spülgas entsteht
dadurch gekennzeichnet, dass
der Wasserstoffspeicher (2) den Wasserstoff aus dem Spülgas filtert, indem der Wasserstoff im Wasserstoffspeicher (2) gespeichert und der Rest des Spülgases an die Umgebung abgegeben wird, wobei der Wasserstoffspeicher (2) Metallhydrid oder eine metallorganische Gerüstverbindung (Metal Organic Framework) enthält.

Figure DE102012218011B4_0000
Fuel cell unit (1) with a hydrogen storage device (2), wherein
• the fuel cell unit (1) has at least one fuel cell with an anode (3) and a cathode (4),
• the anode (3) can be connected to a hydrogen tank (6) via an inlet valve (5),
• the anode (3) is connected to a hydrogen accumulator (2) via a drain valve (7),
wherein the anode (3) is flushed with hydrogen at least at a specific point in time during operation of the fuel cell and a flushing gas is produced
characterized in that
the hydrogen reservoir (2) filters the hydrogen from the purge gas by storing the hydrogen in the hydrogen reservoir (2) and releasing the rest of the purge gas to the environment, the hydrogen reservoir (2) containing metal hydride or a metal organic framework.
Figure DE102012218011B4_0000

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennstoffzelleneinheit mit einer Vorrichtung zur Speicherung von Wasserstoff während eines Spülvorgangs der Brennstoffzelle, sowie ein Verfahren, das die Abgabe des gespeicherten Wasserstoffs im Wasserstoffspeicher steuert.The invention relates to a fuel cell unit with a device for storing hydrogen during a flushing process of the fuel cell, and a method that controls the release of the stored hydrogen in the hydrogen store.

Stand der TechnikState of the art

Die Anode einer Brennstoffzelle muss zu bestimmten Zeitpunkten im Brennstoffzellenbetrieb mit Wasserstoff gespült werden, um Fremdgase auszutragen. Durch Wasserstoffverarmung an der Membran käme es sonst zu Beschädigungen der Brennstoffzelle. Dies gilt vor allem vor dem Systemstart einer Brennstoffzelle, da die Anode zu diesem Zeitpunkt zum Teil mit Wasserstoff und zum Teil mit abgereicherter, aber noch sauerstoffhaltiger Luft gefüllt ist. Der Wasserstoff, der bei der Spülung im Spülgas enthalten ist, muss aus dem Spülgas gefiltert werden, um zu verhindern, dass eine hohe Konzentration von Wasserstoff unkontrolliert in die Umgebung austritt, da Wasserstoffkonzentrationen oberhalb von 4 vol% in Kombination mit Luft brennbar sind.The anode of a fuel cell must be flushed with hydrogen at certain times during fuel cell operation in order to remove foreign gases. Otherwise, hydrogen depletion at the membrane would damage the fuel cell. This applies above all before the system start of a fuel cell, since at this point the anode is partly filled with hydrogen and partly with depleted but still oxygen-containing air. The hydrogen contained in the purge gas during purging must be filtered out of the purge gas to prevent a high concentration of hydrogen from escaping uncontrolled into the environment, since hydrogen concentrations above 4 vol% are combustible in combination with air.

Aus der Schrift DE 10 2005 013 519 A1 ist ein Brennstoffzellensystem bekannt, das ein Spülventil zum Spülen eines brennbaren Anodenabgases, einen Akkumulator zum Sammeln des gespülten Anodenabgases und ein Ablassventil zum langsamen Ablassen des angesammelten Anodenabgases enthält. Das Ablassventil sieht eine gesteuerte Abgabe des Anodenabgases vom Akkumulator vor, wodurch die Konzentration des von dem Akkumulator abgelassenen Wasserstoffs unterhalb seiner Brennbarkeitsgrenze bleibt. Bei einer Ausführungsform wird das gespülte Anodenabgas mit dem Kathodenabgas verbunden.From Scripture DE 10 2005 013 519 A1 a fuel cell system is known that includes a purge valve for purging a combustible anode off-gas, an accumulator for collecting the purged anode off-gas, and a purge valve for slowly discharging the accumulated anode off-gas. The bleed valve provides a controlled release of the anode exhaust gas from the accumulator, thereby keeping the concentration of the hydrogen bled from the accumulator below its combustibility limit. In one embodiment, the purged anode exhaust is combined with the cathode exhaust.

Aus der Schrift DE 10 2008 024 233 A1 ist ein Brennstoffzellensystem bekannt, das eine Wasserstoffpumpe aufweist, die mit dem Anodenauslass und dem Anodeneinlass in Verbindung steht. Die Wasserstoffpumpe ist mit einer PROX-Einrichtung verbunden und dafür ausgelegt, der Brennstoffzelle das Wasserstoffgas zurückzuführen.From Scripture DE 10 2008 024 233 A1 a fuel cell system is known that has a hydrogen pump that communicates with the anode outlet and the anode inlet. The hydrogen pump is connected to a PROX device and is designed to return the hydrogen gas to the fuel cell.

In der Schrift DE 195 33 097 A1 wird ein Brennstoffzellensystem mit einem Elektrolyseur beschrieben, dessen wasserstoffabgebende Seite mit einer Brennstoffzelle verbunden ist. Zwischen der wasserstoffabgebenden Seite des Elektrolyseurs und der Brennstoffzelle kann sich ein Wasserstoffspeicher, z. B. ein Metallhydridspeicher, befinden.In Scripture DE 195 33 097 A1 describes a fuel cell system with an electrolyzer whose hydrogen-emitting side is connected to a fuel cell. A hydrogen storage device, e.g. B. a metal hydride are located.

Die Aufgabe der Erfindung umfasst die Speicherung von Wasserstoff in einem Wasserstoffspeicher nach einem Spülvorgang einer Anode in einer Brennstoffzelle und die gezielte Steuerung der Abgabe des Wasserstoffs aus dem Wasserstoffspeicher.The object of the invention includes the storage of hydrogen in a hydrogen storage device after a flushing process of an anode in a fuel cell and the targeted control of the release of hydrogen from the hydrogen storage device.

In der Schrift DE 699 12 918 T2 wird ein Gasspülverfahren des Gaskreislaufs einer Brennstoffzelle beschrieben. Weiterhin umfasst diese auch die entsprechende Vorrichtung dazu.In Scripture DE 699 12 918 T2 a gas flushing method of the gas circuit of a fuel cell is described. Furthermore, this also includes the corresponding device.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of Invention

Die zugrundeliegende Vorrichtung besteht aus einer Brennstoffzelleneinheit mit einem Wasserstoffspeicher. Während des Betriebs der Brennstoffzelle muss die Anode der Brennstoffzelle zu mindestens einem bestimmten Zeitpunkt mit Wasserstoff gespült werden, insbesondere bei deren Systemstart. Dabei entsteht ein Spülgas, das aus einem Gemisch von Wasserstoff und abgereicherter, aber noch sauerstoffhaltiger Luft besteht. Der Kern der Erfindung besteht darin, dass der Wasserstoffspeicher, der sich im Anodenabgaszweig der Brennstoffzelleneinheit befindet, den Wasserstoff aus dem Spülgas filtert, indem er den Wasserstoff speichert. Der Rest des Spülgases wird an die Umgebung abgegeben. Der Vorteil dieser Erfindung ist, dass der Wasserstoff aus dem Spülgas, während der Spülung durch die Speicherung zurückgehalten wird und somit kein brennbares Gemisch an die Umgebung abgegeben wird.The underlying device consists of a fuel cell unit with a hydrogen storage device. During the operation of the fuel cell, the anode of the fuel cell must be flushed with hydrogen at least at a certain point in time, in particular when the system is started. This creates a flushing gas that consists of a mixture of hydrogen and depleted air that still contains oxygen. The essence of the invention is that the hydrogen storage device, which is located in the anode exhaust branch of the fuel cell unit, filters the hydrogen from the purge gas by storing the hydrogen. The rest of the purge gas is released to the environment. The advantage of this invention is that the hydrogen from the flushing gas is held back by the storage during flushing and thus no combustible mixture is released into the environment.

Des Weiteren ist in der Brennstoffzelleneinheit ein Steuergerät vorhanden, das ein Peltier-Element ansteuert, das die Speicherung und Abgabe des Wasserstoffs im Wasserstoffspeicher reguliert. Der Vorteil dabei ist, dass der im Wasserstoffspeicher gespeicherte Wasserstoff nach dem Spülvorgang kontrolliert an die Umgebung abgegeben werden kann, so dass die Emissionsgrenzwerte für Wasserstoff eingehalten werden.The fuel cell unit also has a control unit that controls a Peltier element that regulates the storage and release of hydrogen in the hydrogen storage tank. The advantage of this is that the hydrogen stored in the hydrogen storage tank can be released into the environment in a controlled manner after the flushing process, so that the emission limits for hydrogen are complied with.

Zweckmäßigerweise kann der Wasserstoffspeicher zur Speicherung des Wasserstoffs gekühlt werden. Dadurch wird die Speicherkapazität beziehungsweise die Effizienz des Wasserstoffspeichers erhöht.The hydrogen store can expediently be cooled for storing the hydrogen. This increases the storage capacity or the efficiency of the hydrogen storage device.

Die Abgabe des Wasserstoffs aus dem Wasserstoffspeicher erfolgt über eine Erwärmung des Wasserstoffspeichers. Zur Temperaturerhöhung des Wasserstoffspeichers kann das Peltier-Element oder eine andere Heizeinrichtung, wie z.B. eine Heizwendel, verwendet werden. Der Vorteil ist, dass die Abgabe des Wasserstoffs aus dem Wasserstoffspeicher kontrolliert erfolgt, da eine bestimmte Temperaturerhöhung eine bekannte Menge an Wasserstoff aus dem Wasserstoffspeicher löst.The hydrogen is released from the hydrogen storage device by heating the hydrogen storage device. The Peltier element or another heating device, such as a heating coil, can be used to increase the temperature of the hydrogen storage device. The advantage is that the release of hydrogen from the hydrogen storage tank is controlled, since a certain increase in temperature releases a known amount of hydrogen from the hydrogen storage tank.

Außerdem kann die Erwärmung des Wasserstoffspeichers über Rückführung, z. B. einem Schlauch oder einem Rohr, einer entstandenen Prozesswärme erfolgen. Die Prozesswärme wird dabei durch den Betrieb eines Verbrauchers erzeugt, der an die Brennstoffzelleneinheit angeschlossen ist. Ebenso kann das Kühlsystem der Brennstoffzelleneinheit die entsprechende Wärme bereitstellen. Der Vorteil ist, dass beide Vorgehensweisen energietechnisch günstig sind.In addition, the heating of the hydrogen storage via recirculation, z. B. a hose or a pipe, a resulting process heat. The process heat is generated by operating a consumer that is connected to the fuel cell unit. The cooling system of the fuel cell unit can also provide the appropriate heat. The advantage is that both approaches are energy-efficient.

Des Weiteren wird der Wasserstoffgehalt der Umgebungsluft von einem Abgassensor erfasst, der sich am Ausgang der Brennstoffzelleneinheit befindet. In Abhängigkeit der erfassten Messgröße, die die Wasserstoffkonzentration repräsentiert, wird das Peltier-Element gesteuert. Liegt der Messwert unterhalb der Emissionsgrenze für Wasserstoff, kann der Wasserstoff kontrolliert an die Umgebung abgegeben werden.Furthermore, the hydrogen content of the ambient air is recorded by an exhaust gas sensor located at the outlet of the fuel cell unit. The Peltier element is controlled depending on the measured variable that represents the hydrogen concentration. If the measured value is below the emission limit for hydrogen, the hydrogen can be released into the environment in a controlled manner.

Besonders vorteilhaft ist, dass der Wasserstoff bei bestimmten Betriebsszenarien abgegeben wird. Befindet sich das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem z. B. in einem Fahrzeug, kann der Wasserstoff z. B. während der Fahrt oder nach längerem Stillstand des Fahrzeugs an die Umgebung abgegeben werden. Außerdem kann der Wasserstoff während einer vorbestimmten Zeitdauer oder in Abhängigkeit des aktuellen Abluftstromes abgegeben werden. Dadurch wird sichergestellt, dass die Konzentration von Wasserstoff in der Umgebungsluft und in der Abluft gering bleibt.It is particularly advantageous that the hydrogen is released in certain operating scenarios. Is the fuel cell system according to the invention z. B. in a vehicle, the hydrogen z. B. while driving or after a longer standstill of the vehicle to the environment. In addition, the hydrogen can be released during a predetermined period of time or depending on the current flow of exhaust air. This ensures that the concentration of hydrogen in the ambient air and in the exhaust air remains low.

Zweckmäßigerweise erfolgt die Abgabe des Wasserstoffs nach wenigstens zwei Spülvorgängen, um die Alterungseffekte des Wasserstoffspeichers durch häufiges Entleeren zu verringern.The hydrogen is expediently released after at least two flushing processes in order to reduce the aging effects of the hydrogen storage device due to frequent emptying.

In der vorgeschlagenen Lösung enthält der Abgasspeicher Metallhydrid oder metallorganische Gerüstverbindung (Metal Organic Frameworks, MOF). Beide Materialien sind besonders gut geeignet, Wasserstoff zu speichern.In the proposed solution, the exhaust gas reservoir contains metal hydride or metal organic frameworks (MOF). Both materials are particularly well suited to storing hydrogen.

Weitere Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen bzw. aus den abhängigen Patentansprüchen.Further advantages result from the following description of exemplary embodiments and from the dependent patent claims.

Figurenlistecharacter list

Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsformen und beigefügter Zeichnungen erläutert.

  • Es zeigen 1 die Anordnung einer Brennstoffzelleneinheit mit einem Wasserstoffspeicher im Anodenstrang der Brennstoffzelle, 2 ein Flussdiagramm einer Anodenspülung mit der Speicherung von Wasserstoff in einem Wasserstoffspeicher und 3 ein Flussdiagramm zur kontrollierten Abgabe des Wasserstoffs aus dem Wasserstoffspeicher.
The present invention is explained below with reference to preferred embodiments and attached drawings.
  • Show it 1 the arrangement of a fuel cell unit with a hydrogen storage device in the anode train of the fuel cell, 2 a flow chart of an anode flushing with the storage of hydrogen in a hydrogen storage tank and 3 a flow chart for the controlled release of hydrogen from the hydrogen storage tank.

Ausführungsform der Erfindungembodiment of the invention

1 zeigt die Darstellung des Brennstoffzellensystems mit einer Brennstoffzelleneinheit 1, einem Wasserstofftank 6, einem Sauerstofftank 11 und einem optionalen Abgassensor 9. Die Brennstoffzelleneinheit 1 enthält einen Wasserstoffspeicher 2 mit einem optionalen Peltier-Element 10 und exemplarisch eine Brennstoffzelle. Die Brennstoffzelle besteht aus einer Anode 3, die über eine Membran mit einer Kathode 4 verbunden ist. Der Wasserstoffspeicher 2 mit Peltier-Element 10 befindet sich im Anodenstrang der Brennstoffzelleneinheit 1. In dem System sind mehrere Ventile enthalten, die den Wasserstoff- und Sauerstoffstrom regulieren und zu diesem Zweck in den einzelnen Prozessphasen des Brennstoffzellenbetriebs geöffnet oder geschlossen werden. Alternativ kann statt des Sauerstofftanks eine Luftversorgungseinheit zum Einsatz kommen. 1 shows the representation of the fuel cell system with a fuel cell unit 1, a hydrogen tank 6, an oxygen tank 11 and an optional exhaust gas sensor 9. The fuel cell unit 1 contains a hydrogen storage device 2 with an optional Peltier element 10 and an example of a fuel cell. The fuel cell consists of an anode 3 which is connected to a cathode 4 via a membrane. The hydrogen storage device 2 with Peltier element 10 is located in the anode string of the fuel cell unit 1. The system contains several valves that regulate the flow of hydrogen and oxygen and are opened or closed for this purpose in the individual process phases of fuel cell operation. Alternatively, an air supply unit can be used instead of the oxygen tank.

Während des Brennstoffzellenbetriebs wird die Brennstoffzelle zu mindestens einem Zeitpunkt mit Wasserstoff gespült. Dies geschieht in der Regel beim Systemstart der Brennstoffzelle, da die Anode 3 zu diesem Zeitpunkt möglichst schnell mit Wasserstoff gefüllt werden muss, um das Auftreten von Potentialdifferenzen in der Anode 3 zu verhindern, die zu Strömen führen, die in der Membran fließen und die Brennstoffzelle schädigen können.During fuel cell operation, the fuel cell is flushed with hydrogen at least at one point in time. This usually happens when the fuel cell is started up, since at this point the anode 3 must be filled with hydrogen as quickly as possible in order to prevent the occurrence of potential differences in the anode 3, which lead to currents flowing in the membrane and the fuel cell can damage.

Die Speicherung des Wasserstoffs im Wasserstoffspeicher 2 erfolgt während des Spülvorgangs. Zur Spülung der Anode 3 wird dabei das Zulaufventil 5 zwischen Wasserstofftank 6 und Anode 3 und das Ablaufventil 7 zwischen Anode 3 und Wasserstoffspeicher 2 geöffnet. Die beiden Ventile 12 und 13 im Kathodenstrang sind geschlossen. Auf diese Weise fließt der Wasserstoffstrom während des Spülvorgangs über das Zulaufventil 5 zur Anode 3 und weiter über das Ablaufventil 7 zum Wasserstoffspeicher 2. Die Dauer des Spülvorgangs ist zeitlich begrenzt. Es wird so lange gespült, bis die Anode 3 nur noch Wasserstoff enthält. Das entstandene Spülgas wird im Wasserstoffspeicher 2 gefiltert und der Wasserstoff im Wasserstoffspeicher 2 gespeichert. Dieser Vorgang kann bei Raumtemperatur erfolgen. Das restliche Spülgas wird an die Umgebung abgegeben.The hydrogen is stored in the hydrogen storage device 2 during the flushing process. To flush the anode 3, the inlet valve 5 between the hydrogen tank 6 and the anode 3 and the outlet valve 7 between the anode 3 and the hydrogen storage tank 2 are opened. The two valves 12 and 13 in the cathode branch are closed. In this way, the hydrogen flow during the scavenging process via the inlet valve 5 to the anode 3 and further via the outlet valve 7 to the hydrogen accumulator 2. The duration of the scavenging process is limited in time. It is flushed until the anode 3 contains only hydrogen. The resulting flushing gas is filtered in the hydrogen storage device 2 and the hydrogen is stored in the hydrogen storage device 2. This process can be done at room temperature. The remaining purge gas is released to the environment.

In einer anderen Ausführungsform ist ein Peltier-Element 10 in der Brennstoffzelleneinheit 1 vorhanden, das die Temperatur des Wasserstoffspeichers 2 regulieren und den Wasserstoffspeicher während des Speichervorgangs kühlen kann, wenn das Brennstoffzellensystem z. B. in einer Umgebung mit hoher Außentemperatur betrieben wird. Die Kühlung kann auch zur Erhöhung der Speicherkapazität verwendet werden, z. B. wenn ein zweiter Spülvorgang stattfindet.In another embodiment, a Peltier element 10 is present in the fuel cell unit 1, which can regulate the temperature of the hydrogen storage device 2 and cool the hydrogen storage device during the storage process when the fuel cell system is e.g. B. is operated in an environment with high outside temperature. the cow tion can also be used to increase storage capacity, e.g. B. if a second flushing process takes place.

Zur Abgabe des Wasserstoffs aus dem Wasserstoffspeicher 2 werden das Ablaufventil 7 geschlossen und das Ablassventil 8 geöffnet. Durch Erwärmung des Wasserstoffspeichers 2 wird der Wasserstoff aus dem Wasserstoffspeicher 2 gelöst. Dies kann zum Beispiel über ein Heizelement, insbesondere das Peltier-Element 10, erfolgen.To discharge the hydrogen from the hydrogen storage device 2, the discharge valve 7 is closed and the discharge valve 8 is opened. The hydrogen is released from the hydrogen storage device 2 by heating the hydrogen storage device 2 . This can be done, for example, via a heating element, in particular the Peltier element 10 .

Alternativ kann die Temperaturerhöhung des Wasserstoffspeichers durch Rückführung einer entstandenen Prozesswärme erfolgen, die durch den Betrieb eines Verbrauchers erzeugt wird, der an die Brennstoffzelleneinheit angeschlossen ist. Ebenso kann die Prozesswärme aus der Kühlung der Brennstoffzelle genutzt werden.Alternatively, the temperature of the hydrogen storage tank can be increased by recirculating process heat that is produced by operating a consumer that is connected to the fuel cell unit. The process heat from cooling the fuel cell can also be used.

Des Weiteren kann der Wasserstoff gezielt an die Umgebung abgegeben werden. Dazu ist ein Abgassensor 9 am Ausgang der Brennstoffzelleneinheit 1 angeordnet, der die Konzentration von Wasserstoff in der Umgebung bzw. am Ausgang der Brennstoffzelleneinheit 1 kontinuierlich misst. Liegt die Wasserstoffkonzentration unterhalb der Emissionsgrenze, wird der Wasserstoff an die Umgebung abgegeben. Sobald die Wasserstoffkonzentration jedoch die Emissionsgrenze überschreitet, wird die Wasserstoffabgabe gestoppt. Es ist auch denkbar, den Wasserstoff während bestimmter Betriebsszenarien des Brennstoffzellensystems abzugeben. Bei stationären Systemen, z. B. zur Hausenergieversorgung, kann der Wasserstoff bei hohen Luftmassenströmen oder zu bestimmten Zeitpunkten, z. B. vorgegebene Uhrzeit, in die Abluft oder Umgebung abgegeben werden. Bei mobilen Systemen, z. B. in einem Fahrzeug kann der Wasserstoff im Fahrbetrieb oder nach längerem Stillstand des Fahrzeugs an die Umgebung abgegeben werden. Der Wasserstoff wird dabei entweder in das Kathodenabgas geleitet oder über eine eigene Leitung ins Freie geführt.Furthermore, the hydrogen can be released into the environment in a targeted manner. For this purpose, an exhaust gas sensor 9 is arranged at the outlet of the fuel cell unit 1, which continuously measures the concentration of hydrogen in the environment or at the outlet of the fuel cell unit 1. If the hydrogen concentration is below the emission limit, the hydrogen is released into the environment. However, as soon as the hydrogen concentration exceeds the emission limit, the hydrogen emission is stopped. It is also conceivable to release the hydrogen during specific operating scenarios of the fuel cell system. In stationary systems, e.g. B. for domestic energy supply, the hydrogen at high air mass flows or at certain times, z. B. given time, are released into the exhaust air or environment. For mobile systems, e.g. B. in a vehicle, the hydrogen can be released into the environment while driving or after a long standstill of the vehicle. The hydrogen is either fed into the cathode exhaust gas or released to the outside via a separate line.

Zur Verringerung von Alterungseffekten sollte die Regeneration, d. h. die vollständige Leerung, des Wasserstoffspeichers 2 nicht nach jedem Anodenspülgang erfolgen. Es ist denkbar, den Wasserstoffspeicher 2 erst nach einer bestimmten Anzahl von Anodenspülgängen zu leeren. Auch möglich wäre eine Leerung des Wasserstoffspeichers 2, wenn dieser seine maximale Speicherkapazität an Wasserstoff erreicht hat. Die Speicherkapazität des Wasserstoffspeichers 2 könnte über einen zusätzlichen Sensor im Wasserstoffspeicher 2 überwacht werden.To reduce the effects of aging, regeneration, i. H. the complete emptying of the hydrogen storage device 2 does not take place after each anode rinsing cycle. It is conceivable to empty the hydrogen accumulator 2 only after a specific number of anode rinsing cycles. It would also be possible to empty the hydrogen store 2 when it has reached its maximum hydrogen storage capacity. The storage capacity of the hydrogen storage device 2 could be monitored via an additional sensor in the hydrogen storage device 2.

2 zeigt den Ablauf einer Anodenspülung mit der Speicherung von Wasserstoff im Wasserstoffspeicher 2. In Schritt 100 werden die Ventile 12 und 13 im Kathodenzweig geschlossen, um das direkte Einfließen von Wasserstoff zur Kathode zu verhindern. In Schritt 110 werden das Zulaufventil 5 und das Ablaufventil 7 geöffnet, damit der Wasserstoff aus Wasserstofftank 6 ungehindert zur Anode 3 fließen kann. In Schritt 120 wird die Anodenspülung gestartet. Optional kann in Schritt 130 der Wasserstoffspeicher 2 gekühlt werden, um z.B. die Speicherkapazität des Wasserstoffspeichers 2 zu erhöhen. Das durch die Anodenspülung entstehende Spülgas wird in Schritt 140 im Wasserstoffspeicher 2 gefiltert und gespeichert. Der Vorgang der Anodenspülung wird im Schritt 150 beendet, wenn die Anode 3 hinreichend mit Wasserstoff gefüllt ist. Dies kann z.B. am Ausgang mit Hilfe von Sensor 9 ermittelt oder durch eine vorbestimmte Anodenspüldauer zeitgesteuert werden. 2 shows the course of an anode rinsing with the storage of hydrogen in the hydrogen storage device 2. In step 100, the valves 12 and 13 in the cathode branch are closed in order to prevent the direct inflow of hydrogen to the cathode. In step 110, the inlet valve 5 and the outlet valve 7 are opened so that the hydrogen from the hydrogen tank 6 can flow unhindered to the anode 3. In step 120 the anode purge is started. In step 130, the hydrogen storage device 2 can optionally be cooled in order to increase the storage capacity of the hydrogen storage device 2, for example. The scavenging gas produced by the anode scavenging is filtered and stored in the hydrogen accumulator 2 in step 140 . The process of anode rinsing is ended in step 150 when the anode 3 is sufficiently filled with hydrogen. This can be determined, for example, at the outlet using sensor 9 or time-controlled by a predetermined anode rinsing time.

3 zeigt das Flussdiagramm der Abgabe des Wasserstoffs aus dem Wasserstoffspeicher 2. Optional wird in Schritt 200 die Höhe der Wasserstoffkonzentration der Umgebung erfasst. Ebenfalls optional wird in Schritt 210 überprüft, ob die Wasserstoffkonzentration der Umgebung unterhalb der Emissionsgrenze liegt. In einem weiteren optionalen Schritt 220 wird geprüft, ob mehr als ein Spülvorgang durchgeführt wurde. Des Weiteren wird in Schritt 230 optional überprüft, ob ein vorgegebenes Betriebsszenario vorliegt, z. B. längerer Stillstand des Fahrzeugs mit einem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem oder hohe Fahrzeuggeschwindigkeit oder hoher Abluftstrom. Sind die vorhergehenden Schritte erfüllt, wird in Schritt 240 das Ablassventil 8 geöffnet ist, falls es noch geschlossen ist, um den Wasserstoff an die Umgebung abzugeben. Der Wasserstoffspeicher wird in Schritt 250 erwärmt, beispielsweise deutlich höher als Raumtemperatur, damit sich der Wasserstoff aus dem Wasserstoffspeicher 2 lösen kann. Der Wasserstoff wird in Schritt 260 kontrolliert an die Umgebung abgegeben. In einem optionalen Schritt 270 wird eine Zeitdauer für die Abgabe festgelegt. Ist die Zeitdauer abgelaufen wird Ablassventil 8 geschlossen und die Temperatur des Wasserstoffspeichers 2 gegebenenfalls gesenkt. 3 shows the flow chart of the release of the hydrogen from the hydrogen storage device 2. Optionally, in step 200, the level of the hydrogen concentration in the environment is recorded. It is also optionally checked in step 210 whether the hydrogen concentration in the environment is below the emission limit. In a further optional step 220 it is checked whether more than one rinsing process has been carried out. Furthermore, in step 230 it is optionally checked whether a specified operating scenario is present, e.g. B. longer standstill of the vehicle with a fuel cell system according to the invention or high vehicle speed or high exhaust air flow. If the previous steps are fulfilled, in step 240 the drain valve 8 is opened, if it is still closed, in order to release the hydrogen to the environment. In step 250, the hydrogen store is heated, for example significantly above room temperature, so that the hydrogen can be released from the hydrogen store 2. In step 260, the hydrogen is released into the environment in a controlled manner. In an optional step 270, a period of time for the delivery is determined. If the period of time has expired, the drain valve 8 is closed and the temperature of the hydrogen accumulator 2 is lowered, if necessary.

Ist die Wasserstoffkonzentration im optionalen Schritt 210 höher als der Emissionsgrenzwert, die Anzahl der Spülvorgänge im optionalen Schritt 220 kleiner gleich 1 oder das vorgegebene Betriebsszenario in Schritt 230 nicht erfüllt, wird die Temperatur des Wasserstoffspeichers 2 in Schritt 290 gegebenenfalls gekühlt, um den Wasserstoff in Schritt 300 im Wasserstoffspeicher 2 zurückzuhalten.If the hydrogen concentration in the optional step 210 is higher than the emission limit value, the number of flushing processes in the optional step 220 is less than or equal to 1, or the specified operating scenario in step 230 is not met, the temperature of the hydrogen storage device 2 is cooled in step 290, if necessary, in order to reduce the hydrogen in step 300 to hold back in hydrogen storage 2.

Claims (16)

Brennstoffzelleneinheit (1) mit einem Wasserstoffspeicher (2), wobei • die Brennstoffzelleneinheit (1) mindestens eine Brennstoffzelle mit einer Anode (3) und einer Kathode (4) aufweist, • die Anode (3) über ein Zulaufventil (5) mit einem Wasserstofftank (6) verbindbar ist, • die Anode (3) über ein Ablaufventil (7) mit einem Wasserstoffspeicher (2) verbunden ist, wobei die Anode (3) im Betrieb der Brennstoffzelle zu wenigstens einem bestimmten Zeitpunkt mit Wasserstoff gespült wird und ein Spülgas entsteht dadurch gekennzeichnet, dass der Wasserstoffspeicher (2) den Wasserstoff aus dem Spülgas filtert, indem der Wasserstoff im Wasserstoffspeicher (2) gespeichert und der Rest des Spülgases an die Umgebung abgegeben wird, wobei der Wasserstoffspeicher (2) Metallhydrid oder eine metallorganische Gerüstverbindung (Metal Organic Framework) enthält.Fuel cell unit (1) with a hydrogen storage device (2), wherein • the fuel cell unit (1) has at least one Fuel cell with an anode (3) and a cathode (4), • the anode (3) via an inlet valve (5) with a hydrogen tank (6) can be connected, • the anode (3) via an outlet valve (7) with a Hydrogen storage (2) is connected, wherein the anode (3) is flushed with hydrogen at least at a certain point in time during operation of the fuel cell and a flushing gas is produced, characterized in that the hydrogen storage (2) filters the hydrogen from the flushing gas by the hydrogen in the Hydrogen storage (2) stored and the rest of the purge gas is released to the environment, wherein the hydrogen storage (2) contains metal hydride or a metal-organic framework compound (Metal Organic Framework). Brennstoffzelleneinheit (1) nach Anspruch 1 mit einem Steuergerät, dadurch gekennzeichnet, dass das Steuergerät ein Peltier-Element (10) ansteuert, das die Speicherung und/oder die Abgabe des Wasserstoffs im Wasserstoffspeicher (2) reguliert.Fuel cell unit (1) after claim 1 with a control device, characterized in that the control device controls a Peltier element (10) which regulates the storage and/or the release of the hydrogen in the hydrogen storage device (2). Brennstoffzelleneinheit (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Peltier-Element (10) die Speicherung des Wasserstoffs aus dem Spülgas im Wasserstoffspeicher (2) reguliert, insbesondere durch Kühlung des Wasserstoffspeichers (2).Fuel cell unit (1) after claim 2 , characterized in that the Peltier element (10) regulates the storage of hydrogen from the purge gas in the hydrogen storage device (2), in particular by cooling the hydrogen storage device (2). Brennstoffzelleneinheit (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Peltier-Element (10) die Abgabe des gespeicherten Wasserstoffs aus dem Wasserstoffspeicher (2) reguliert, insbesondere durch Erwärmung des Wasserstoffspeichers (2).Fuel cell unit (1) after claim 2 , characterized in that the Peltier element (10) regulates the release of the stored hydrogen from the hydrogen storage device (2), in particular by heating the hydrogen storage device (2). Brennstoffzelleneinheit (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 4 mit einem Abgassensor (9), der sich am Ausgang der Brennstoffzelleneinheit (1) befindet und mit dem Steuergerät des Wasserstoffspeichers (2) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgassensor (9) eine Messgröße erfasst, die die Wasserstoffkonzentration in der Umgebungsluft repräsentiert und in Abhängigkeit der Messgröße ein Signal erzeugt, das das Peltier-Element (10) ansteuert.Fuel cell unit (1) according to one of claims 2 until 4 with an exhaust gas sensor (9) which is located at the outlet of the fuel cell unit (1) and is connected to the control unit of the hydrogen storage device (2), characterized in that the exhaust gas sensor (9) detects a measured variable which represents the hydrogen concentration in the ambient air and generates a signal depending on the measured variable, which controls the Peltier element (10). Brennstoffzelleneinheit (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgabe des Wasserstoffs aus dem Wasserstoffspeicher (2) bei bestimmten Betriebsszenarien oder während einer vorgegebenen Zeitdauer erfolgt.Fuel cell unit (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the hydrogen is released from the hydrogen store (2) in certain operating scenarios or during a predetermined period of time. Brennstoffzelleneinheit (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgabe des Wasserstoffs aus dem Wasserstoffspeicher (2) nach mehreren, aber wenigstens zwei Spülvorgängen, erfolgt.Fuel cell unit (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the hydrogen is released from the hydrogen storage device (2) after several, but at least two, flushing processes. Verfahren zur Ansteuerung eines Wasserstoffspeichers (2) einer Brennstoffzelleneinheit (1), nach einem Anodenspülvorgang bei dem ein Spülgas mit Wasserstoff entsteht, wobei • der Wasserstoff im Wasserstoffspeicher (2) aus dem Spülgas gefiltert wird, indem der Wasserstoff im Wasserstoffspeicher (2) gespeichert wird und • der Rest des Spülgases an die Umgebung abgegeben wird dadurch gekennzeichnet, dass mittels Temperatur des Wasserstoffspeichers (2) die Speicherung des Wasserstoffs in den Wasserstoffspeicher und/oder die Abgabe des Wasserstoffs aus dem Wasserstoffspeicher (2) gesteuert wird.Method for controlling a hydrogen store (2) of a fuel cell unit (1) after an anode scavenging process in which a scavenging gas with hydrogen is produced, wherein • the hydrogen in the hydrogen store (2) is filtered out of the scavenging gas by storing the hydrogen in the hydrogen store (2). and • the remainder of the flushing gas is discharged to the environment, characterized in that the storage of hydrogen in the hydrogen reservoir and/or the release of hydrogen from the hydrogen reservoir (2) is controlled by means of the temperature of the hydrogen reservoir (2). Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgabe des Wasserstoffs aus dem Wasserstoffspeicher durch Erwärmung des Wasserstoffspeichers (2) erfolgt.procedure after claim 8 , characterized in that the release of the hydrogen from the hydrogen storage takes place by heating the hydrogen storage (2). Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Speicherung des Wasserstoffs in den Wasserstoffspeicher bei Raumtemperatur des Wasserstoffspeichers (2) erfolgt.procedure after claim 8 , characterized in that the storage of hydrogen in the hydrogen storage device takes place at room temperature of the hydrogen storage device (2). Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Speicherung des Wasserstoffs in den Wasserstoffspeicher durch Kühlung des Wasserstoffspeichers (2) erfolgt.procedure after claim 8 , characterized in that the storage of hydrogen in the hydrogen storage takes place by cooling the hydrogen storage (2). Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des Wasserstoffspeichers mittels eines Peltier-Elements (10) geregelt wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the temperature of the hydrogen store is regulated by means of a Peltier element (10). Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Erwärmung des Wasserstoffspeichers (2) durch eine Rückführung einer entstandenen Prozesswärme erfolgt, die durch den Betrieb eines Verbrauchers, der an die Brennstoffzelleneinheit (1) angeschlossen ist, erzeugt wird.procedure after claim 8 or 9 , characterized in that the heating of the hydrogen accumulator (2) takes place by recirculating a process heat that is produced, which is generated by the operation of a consumer which is connected to the fuel cell unit (1). Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 13, wobei ein Abgassensor (9) am Ausgang der Brennstoffzelleneinheit (1) angeschlossen, dadurch gekennzeichnet, dass die Wasserstoffkonzentration in der Umgebungsluft mittels Abgassensor erfasst wird und in Abhängigkeit der Wasserstoffkonzentration ein Signal erzeugt wird, das das Peltier-Element (10) ansteuert.Procedure according to one of Claims 8 until 13 , wherein an exhaust gas sensor (9) is connected to the outlet of the fuel cell unit (1), characterized in that the hydrogen concentration in the ambient air is detected by means of an exhaust gas sensor and a signal is generated as a function of the hydrogen concentration, which activates the Peltier element (10). Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgabe des Wasserstoffs aus dem Wasserstoffspeicher (2) bei bestimmten Betriebsszenarien oder während einer vorbestimmten Zeitdauer erfolgt.Procedure according to one of Claims 8 until 14 , characterized in that the delivery of hydrogen from the hydrogen storage device (2) takes place in certain operating scenarios or during a predetermined period of time. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgabe des Wasserstoffs aus dem Wasserstoffspeicher (2) nach mehreren, aber wenigstens zwei Spülvorgängen, erfolgt.Procedure according to one of Claims 8 until 15 , characterized in that the release of the hydrogen from the hydrogen storage device (2) takes place after several, but at least two, rinsing processes.
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