DE102014005127A1 - The fuel cell system - Google Patents

The fuel cell system Download PDF

Info

Publication number
DE102014005127A1
DE102014005127A1 DE102014005127.7A DE102014005127A DE102014005127A1 DE 102014005127 A1 DE102014005127 A1 DE 102014005127A1 DE 102014005127 A DE102014005127 A DE 102014005127A DE 102014005127 A1 DE102014005127 A1 DE 102014005127A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
fuel cell
cathode
cell system
oxygen
housing
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
DE102014005127.7A
Other languages
German (de)
Inventor
Hans-Jörg Heidrich
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mercedes Benz Group AG
Original Assignee
Daimler AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Daimler AG filed Critical Daimler AG
Priority to DE102014005127.7A priority Critical patent/DE102014005127A1/en
Priority to PCT/EP2015/000616 priority patent/WO2015154847A1/en
Publication of DE102014005127A1 publication Critical patent/DE102014005127A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04223—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids during start-up or shut-down; Depolarisation or activation, e.g. purging; Means for short-circuiting defective fuel cells
    • H01M8/04231—Purging of the reactants
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H01M8/04097—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with recycling of the reactants
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/2465—Details of groupings of fuel cells
    • H01M8/247—Arrangements for tightening a stack, for accommodation of a stack in a tank or for assembling different tanks
    • H01M8/2475—Enclosures, casings or containers of fuel cell stacks
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem (1) mit wenigstens einer Brennstoffzelle (2), welche einen Anodenraum (4) und einen Kathodenraum (3) umfasst, und welche in einem die Brennstoffzelle (2) umgebenden Gehäuse (18) angeordnet ist, mit einer Kathodenrezirkulationsleitung (14) zum Zurückführen zumindest eines Teils der Kathodenabluft von einem Kathodenausgang (13) zu einem Kathodeneingang (15). Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem ist dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (18) mittels einer Zuleitung (19) mit der Kathodenrezirkulationsleitung (14) verbunden ist.The invention relates to a fuel cell system (1) having at least one fuel cell (2) which comprises an anode space (4) and a cathode space (3) and which is arranged in a housing (18) surrounding the fuel cell (2) with a cathode recirculation line (14) for returning at least a portion of the cathode exhaust air from a cathode outlet (13) to a cathode inlet (15). The fuel cell system according to the invention is characterized in that the housing (18) is connected to the cathode recirculation line (14) by means of a feed line (19).

Description

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art. Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems.The invention relates to a fuel cell system according to the closer defined in the preamble of claim 1. Art Furthermore, the invention relates to a method for operating a fuel cell system.

Brennstoffzellensysteme sind aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. Bei Brennstoffzellensystemen kommen häufig sogenannte PEM-Brennstoffzellen zum Einsatz, welche über Polymerelektrolytmembranen bzw. Protonenaustauschmembranen zwischen den beiden Elektroden verfügen. Sie bestehen im Allgemeinen aus einer Reihenschaltung von vielen Einzelzellen, welche in der Brennstoffzelle zu einem Brennstoffzellenstapel aufgestapelt sind. Die Brennstoffzelle wird in diesem Fall auch häufig als Brennstoffzellenstack bezeichnet. Jede einzelne dieser Brennstoffzellen des Brennstoffzellenstacks enthält eine sogenannte Membranelektrodeneinheit (MEA). Diese Membranelektrodeneinheiten umfassen den eigentlichen Elektrolyten in Form der Membran sowie auf jeder Seite dieser Membran eine Elektrode, welche mit edelmetallhaltigen Katalysatoren beschichtet ist. Diese Katalysatoren sind typischerweise Platin auf der Kathodenseite und Platin oder Platin/Ruthenium auf der Anodenseite. Im Normalbetrieb der Brennstoffzelle helfen diese Katalysatoren den Wasserstoff zu H+-Ionen zu oxidieren und auf der Kathodenseite den Sauerstoff zu reduzieren.Fuel cell systems are known from the general state of the art. In fuel cell systems, so-called PEM fuel cells are often used, which have polymer electrolyte membranes or proton exchange membranes between the two electrodes. They generally consist of a series connection of many individual cells, which are stacked in the fuel cell to form a fuel cell stack. The fuel cell is often referred to in this case as a fuel cell stack. Each of these fuel cells of the fuel cell stack contains a so-called membrane electrode unit (MEA). These membrane electrode units comprise the actual electrolyte in the form of the membrane and on each side of this membrane an electrode which is coated with noble metal-containing catalysts. These catalysts are typically platinum on the cathode side and platinum or platinum / ruthenium on the anode side. During normal operation of the fuel cell, these catalysts help to oxidize hydrogen to H + ions and to reduce oxygen on the cathode side.

Aus dem allgemeinen Stand der Technik ist es nun bekannt, dass während des Abschaltens der Brennstoffzelle eine verstärkte Korrosion dieser Katalysatoren auftreten kann, insbesondere dann, wenn auf der Kathodenseite noch Sauerstoff vorhanden ist und auf der Anodenseite eine ungleichmäßige Gaszusammensetzung vorherrscht, beispielsweise Wasserstoff und Sauerstoff bzw. Luft in verschiedenen Bereichen der Anode. Beim Wiederstart der Brennstoffzelle kann es außerdem dazu kommen, dass eine Wasserstoff/Luftfront durch den Anodenraum der Brennstoffzelle wandert. Falls in dieser Situation im Kathodenraum noch oder schon Sauerstoff vorhanden ist, kommt es während des Startvorgangs ebenfalls zu hohen Kathodenpotenzialen und damit zu einer Korrosion des Kathodenkatalysators. Mit zunehmender Korrosion des Kathodenkatalysators sinkt dessen elektrochemische Aktivität und die Brennstoffzelle verliert an Leistungsfähigkeit und an Betriebslebensdauer. Dieser Degradation aufgrund der Korrosion des Katalysators soll daher vorgebeugt werden.From the general state of the art, it is now known that increased corrosion of these catalysts may occur during shutdown of the fuel cell, in particular when oxygen is still present on the cathode side and an uneven gas composition prevails on the anode side, for example hydrogen and oxygen or Air in different areas of the anode. When restarting the fuel cell, it may also happen that a hydrogen / air front wanders through the anode compartment of the fuel cell. If, in this situation, oxygen is still present or already present in the cathode space, too high cathode potentials occur during the starting process and thus corrosion of the cathode catalyst. With increasing corrosion of the cathode catalyst decreases its electrochemical activity and the fuel cell loses performance and service life. This degradation due to the corrosion of the catalyst should therefore be prevented.

Aus dem allgemeinen Stand der Technik sind aus diesem Grund verschiedene Verfahren bekannt, um den Sauerstoff in der Kathode während der Abschaltprozedur, beim sogenannten Shut-down, abzureichern. Dies kann beispielsweise durch einen Stromfluss an einem Verbraucher oder einer Hilfslast erfolgen. Auf der Anode wird dabei ein Wasserstoffüberschuss belassen. Dies hilft dabei, die Brennstoffzellen-Katalysatoren wirksam vor Korrosion zu schützen. Insbesondere bei der Anwendung von Brennstoffzellensystemen in Fahrzeugen ist es nun so, dass es während des Stillstands des Brennstoffzellensystems und des Fahrzeugs über eine längere Zeit dazu kommen kann, dass Wasserstoff von der Anodenseite durch die Membran auf die Kathodenseite gelangt und mit Sauerstoff zu Wasser reagiert. Ist der Wasserstoff auf der Anodenseite örtlich komplett verbraucht, dann kann das Anodenpotenzial dort wieder ansteigen und auf der Kathodenseite ein Korrosionspotenzial bewirken. Dies wird typischerweise bei Spannungen von mehr als 1,4 V/Zelle erreicht. Dies ist insbesondere dann zu erwarten, wenn auf der Kathodenseite Sauerstoff vorhanden ist. Idealerweise ist dieser während der Abschaltprozedur jedoch verbraucht. Nun ist es aber so, dass es durch Windeffekte und Konvektion während des Stillstands des Brennstoffzellensystems bzw. des Fahrzeugs zu einem erneuten Eindringen von Sauerstoff in den Kathodenraum kommen kann. Dann tritt die oben geschilderte Problematik besonders intensiv auf.For this reason, various methods are known from the general state of the art for depleting the oxygen in the cathode during the shutdown procedure. This can be done for example by a current flow to a consumer or an auxiliary load. An excess of hydrogen is left on the anode. This helps to effectively protect the fuel cell catalysts from corrosion. In particular, in the application of fuel cell systems in vehicles, it is now so that it may happen during the standstill of the fuel cell system and the vehicle over a long time that hydrogen passes from the anode side through the membrane on the cathode side and reacts with oxygen to water. If the hydrogen on the anode side locally completely consumed, then the anode potential can rise there again and cause a corrosion potential on the cathode side. This is typically achieved at voltages greater than 1.4V / cell. This is to be expected in particular if oxygen is present on the cathode side. Ideally, however, it is consumed during the shutdown procedure. Now it is the case that wind effects and convection during standstill of the fuel cell system or the vehicle can lead to renewed penetration of oxygen into the cathode compartment. Then the problem described above occurs particularly intensively.

Die Problematik wird so auch in der DE 10 2007 059 999 A1 beschrieben. Um insbesondere dem Wiedereindringen von Sauerstoff in den Kathodenraum einen wirksamen Hinderungsmechanismus entgegenzusetzen, schlägt diese Schrift vor, dass Ventile verwendet werden können, um die Kathodenseite im Stillstand des Brennstoffzellensystems gegenüber der Umgebung abzusperren.The problem will be so in the DE 10 2007 059 999 A1 described. In order to counteract in particular the reintroduction of oxygen into the cathode compartment an effective inhibiting mechanism, this document proposes that valves can be used to shut off the cathode side from the environment when the fuel cell system is at a standstill.

Ein ähnlicher Aufbau, bei welchem der Sauerstoff in der Kathode abgereichert wird und bei dem die Strömungspfade von zu dem Kathodenraum der Brennstoffzelle entsprechend abgesperrt werden können, ist außerdem in der DE 10 2010 053 632 A1 beschrieben.A similar construction in which the oxygen in the cathode is depleted and in which the flow paths from can be shut off from the cathode space of the fuel cell is also in the DE 10 2010 053 632 A1 described.

Aus der DE 10 2011 083 327 A1 ist es bekannt, einen Anodenraum und einen Kathodenraum einer Brennstoffzelle während des Systemstillstands mit Stickstoff zu befüllen, um der genannten Problematik entgegen zu wirken. Dies ist außerordentlich aufwändig, da der Stickstoff hierfür extra bevorratet werden muss, was zumindest beim Einsatz des Brennstoffzellensystems in einem Fahrzeug mit einem erheblichen zusätzlichen Aufwand hinsichtlich Bauraum, Baugewicht und Kosten einhergeht. Dies stellt einen gravierenden Nachteil dar. Deshalb ist es beispielsweise aus der DE 11 2004 001 783 T5 bekannt, an Stelle des Stickstoffs Abgas eines Brenners, insbesondere eines katalytischen Brenners, zum Befüllen der Brennstoffzelle während des Stillstandes einzusetzen.From the DE 10 2011 083 327 A1 It is known to fill an anode compartment and a cathode compartment of a fuel cell with nitrogen during system standstill in order to counteract the problem mentioned. This is extremely expensive, since the nitrogen must be stored separately for this, which is accompanied at least when using the fuel cell system in a vehicle with a considerable additional effort in terms of space, building weight and costs. This represents a serious disadvantage. Therefore, it is for example from the DE 11 2004 001 783 T5 known to use in place of the nitrogen exhaust gas of a burner, in particular a catalytic burner, for filling the fuel cell during standstill.

Im gesamten Stand der Technik wird dabei nicht bedacht, dass die Dichtheit der Brennstoffstelle selbst, und dies gilt insbesondere, wenn zwischen Ventileinrichtungen Wasserstoff in der Brennstoffzelle eingeschlossen wird, während des Stillstandes außerordentlich begrenzt ist. Der Wasserstoff kann durch Dichtungen aus der typischerweise als Stapel von Einzelzellen aufgebauten Brennstoffzelle nach außen gelangen und aus der Umgebung kann Sauerstoff auf eben diesem Wege in die Brennstoffzelle diffundieren, sodass nach einer Standzeit von beispielsweise einigen Stunden wiederum Sauerstoff im Bereich der Brennstoffzelle vorliegt, welcher dort aus den eingangs genannten Gründen höchst unerwünscht ist. It is not considered in the entire state of the art that the tightness of the fuel location itself, and this applies in particular when hydrogen is included in the fuel cell between valve devices, is extremely limited during standstill. The hydrogen can escape to the outside through gaskets from the fuel cell, which is typically constructed as a stack of individual cells, and oxygen can diffuse into the fuel cell in the same way, so oxygen is again present in the region of the fuel cell after a service life of, for example, a few hours For the reasons mentioned above is highly undesirable.

Es ist nun die Aufgabe, der hier vorliegenden Erfindung ein Brennstoffzellensystem und ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems anzugeben, welches dieser Problematik effizient entgegenwirkt, und welches über einen deutlich längeren Zeitraum, als bei den Systemen im Stand der Technik, einen Zustand mit wenig oder keinem Sauerstoff in der Brennstoffzelle während ihres Stillstandes aufrecht erhält.It is now the object of the present invention to provide a fuel cell system and a method for operating a fuel cell system, which efficiently counteracts this problem, and which over a much longer period of time than in the systems in the prior art, a state with little or no Maintaining oxygen in the fuel cell during its standstill.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des Brennstoffzellensystems ergeben sich aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen. Außerdem löst ein Verfahren mit den Merkmalen im kennzeichnenden Teil des Anspruches 10 diese Aufgabe. Eine vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens ergibt sich aus dem hiervon abhängigen Unteranspruch.This object is achieved by a fuel cell system having the features in the characterizing part of claim 1. Advantageous embodiments and further developments of the fuel cell system resulting from the dependent therefrom dependent claims. In addition, a method with the features in the characterizing part of claim 10 solves this problem. An advantageous embodiment of the method results from the dependent therefrom dependent claim.

Bei dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem ist es vorgesehen, dass die Brennstoffzelle selbst in an sich bekannter Art und Weise in einem Gehäuse angeordnet ist. Ein solches Gehäuse, welches die Brennstoffzelle typischerweise beabstandet umgibt, ist alleine aus Sicherheitsgründen bei annähernd jeder Brennstoffzellenanwendung, insbesondere im Bereich von Brennstoffzellenfahrzeugen allgemein bekannt und üblich. Erfindungsgemäß ist es nun so, dass dieses Gehäuse mittels einer Zuleitung mit einer Kathodenrezirkulationsleitung verbunden ist. Über eine solche Zuleitung kann dafür gesorgt werden, dass im Bereich des Gehäuses ein an Sauerstoff abgereichertes Medium, also ein Medium mit geringem Sauerstoffgehalt vorliegt. Um diesen Medium nicht, wie beispielsweise über Stickstofftanks im Stand der Technik, mitführen zu müssen, kann hier sehr einfach und effizient eine Verbindung des Gehäuses über die Zuleitung mit der Kathodenrezirkulation der Brennstoffzelle geschaffen werden. Als an Sauerstoff abgereichertes Medium kann also dementsprechend die an Sauerstoff abgereicherte Abluft aus der Brennstoffzelle selbst genutzt werden, welche ohnehin zur Verfügung steht.In the fuel cell system according to the invention, it is provided that the fuel cell itself is arranged in a manner known per se in a housing. Such a housing, which typically surrounds the fuel cell at a distance, is generally known and customary for safety reasons alone in virtually every fuel cell application, in particular in the area of fuel cell vehicles. According to the invention, it is now the case that this housing is connected by means of a feed line to a cathode recirculation line. About such a supply can be ensured that in the region of the housing is a depleted in oxygen medium, ie a medium with low oxygen content. In order not to have to carry this medium, such as nitrogen tanks in the prior art, can be very simple and efficient connection of the housing via the supply line with the cathode recirculation of the fuel cell can be created. Accordingly, the depleted oxygen depleted air from the fuel cell itself can be used as a depleted of oxygen medium, which is available anyway.

Durch die Kathodenrezirkulation um den Kathodenraum der Brennstoffzelle kann in an sich bekannter Art und Weise Abluft aus der Brennstoffzelle zusammen mit der in ihr enthaltenen Feuchtigkeit zurückgeführt und zusammen mit frischer Zuluft der Brennstoffzelle zugeführt werden. Dies führt zu einem etwas geringeren Sauerstoffgehalt in der im Kathodenraum vorliegenden Luft, ermöglicht jedoch den Verzicht auf eine zusätzliche Befeuchtung, da die Feuchte entsprechend zurückgeführt werden kann. Nun ist es so, dass in der Kathodenrezirkulationsleitung also ein an Sauerstoff abgereichertes Medium vorliegt, welches sich ideal eignet, um in das Gehäuse der Brennstoffzelle eingebracht zu werden. Insbesondere beim Abschalten des Brennstoffzellensystems ist es nun möglich, bei abgeschalteter Luftversorgung die Kathodenrezirkulation weiterhin aufrecht zu erhalten, sodass die dann im Kathodenraum und der Kathodenrezirkulationsleitung eingeschlossene Luft umgewälzt wird. Gleichzeitig kann weiterhin Wasserstoff im Anodenraum vorliegen bzw. zudosiert werden. Der Sauerstoff in der umgewälzten Luft im Kathodenraum und der Kathodenrezirkulationsleitung wird dann zumindest annähernd vollständig aufgebraucht. Um eine Umpolung einzelner Zellen in den typischerweise als Brennstoffzellenstapel bzw. -stack aufgebauten Brennstoffzelle zu verhindern, kann dabei die Stromentnahme während dieser Phase spannungsgeregelt ablaufen, und zwar insbesondere so, dass die Einzelzellen in einem mittleren Spannungsbereich betrieben werden, welcher hinsichtlich einer Umpolung unkritisch ist, beispielsweise in der Größenordnung von 0,8–0,85 V. Der Strom stellt sich dann entsprechend der vorhandenen restlichen Sauerstoffkonzentration im Kathodenraum und der Kathodenrezirkulationsleitung automatisch ein. Die Stromentnahme kann dabei zeitlich begrenzt sein oder gepulst erfolgen, um eine Umpolung zu vermeiden. Nach einer gewissen Zeit wird dann der Sauerstoff weitgehend aufgebraucht sein, sodass insbesondere im Abschaltvorgang eines derartigen Brennstoffzellensystems in der Kathodenrezirkulationsleitung und in dem Kathodenraum an Sauerstoff abgereicherte Abluft oder vorzugsweise ein weitgehend stickstoffhaltiges Gas vorliegt, in dem der Sauerstoff gänzlich aufgebraucht ist. Ohne Stickstoff in dem Brennstoffzellensystem bevorraten zu müssen ist es so möglich, durch die Verbindung der Kathodenrezirkulationsleitung mit dem Gehäuse über die Zuleitung das Gehäuse und den gesamten Kathodenbereich der Brennstoffzelle bzw. des Brennstoffzellensystems im Stillstand mit diesem überwiegend stickstoffhaltigen Gas befüllt zu halten. Hierdurch wird das Eindringen von Sauerstoff unterbunden und auch nach langer Stillstandszeit besteht nicht die Gefahr, dass Sauerstoff über die Dichtungen oder durch andere Wege in die Brennstoffzelle eingedrungen ist, da der Raum zwischen Brennstoffzelle und Gehäuse ebenso wie der Kathodenraum und die Kathodenrezirkulationsleitung mit dem weitgehend sauerstofffreien Gas befüllt ist.Due to the cathode recirculation around the cathode compartment of the fuel cell, exhaust air from the fuel cell can be returned together with the moisture contained in it in a manner known per se and supplied to the fuel cell together with fresh supply air. This leads to a slightly lower oxygen content in the air present in the cathode space, but allows the waiver of additional humidification, since the moisture can be recycled accordingly. Now it is so that in the cathode recirculation line so there is a depleted of oxygen medium, which is ideally suited to be introduced into the housing of the fuel cell. In particular, when switching off the fuel cell system, it is now possible to continue to maintain the cathode recirculation with the air supply switched off, so that the air then trapped in the cathode compartment and the cathode recirculation line is circulated. At the same time, hydrogen can still be present or added in the anode chamber. The oxygen in the circulated air in the cathode chamber and the cathode recirculation line is then at least approximately completely consumed. In order to prevent polarity reversal of individual cells in the fuel cell stack typically constructed as a fuel cell, the current drain during this phase can be voltage controlled, in particular so that the individual cells are operated in a medium voltage range, which is uncritical with respect to a polarity reversal , For example, in the order of 0.8-0.85 V. The current then adjusts automatically according to the existing residual oxygen concentration in the cathode compartment and the cathode recirculation line. The current drain can be limited in time or pulsed to avoid a polarity reversal. After a certain time, the oxygen will be largely used up, so that particularly in the shutdown of such a fuel cell system in the cathode recirculation line and in the cathode compartment oxygen-depleted exhaust air or preferably a substantially nitrogen-containing gas is present, in which the oxygen is completely used up. Without having to stockpile nitrogen in the fuel cell system, it is thus possible to keep the housing and the entire cathode region of the fuel cell or of the fuel cell system filled with this predominantly nitrogen-containing gas by connecting the cathode recirculation line to the housing via the supply line. This prevents the ingress of oxygen and even after a long downtime, there is no risk that oxygen has penetrated into the fuel cell via the seals or by other means, since the space between the fuel cell and the housing as well as the cathode space and the cathode recirculation line is filled with the largely oxygen-free gas.

In einem später erfolgenden Start des Brennstoffzellensystems kann so verhindert werden, dass eine Sauerstoff/Wasserstoff-Front beim Start durch den Anodenraum läuft und das eine entsprechende Korrosion der Elektroden auftritt, welche die Lebensdauer der Brennstoffzelle nachhaltig schädigt.In a later start of the fuel cell system can be prevented so that an oxygen / hydrogen front at startup passes through the anode compartment and the corresponding corrosion of the electrodes occurs, which permanently damages the life of the fuel cell.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems sowie des Verfahrens zum Abstellen eines derartigen Brennstoffzellensystems ergeben sich ferner aus den restlichen abhängigen Unteransprüchen und werden anhand der Ausführungsbeispiele deutlich, welche nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben sind.Further advantageous embodiments of the fuel cell system according to the invention and of the method for stopping such a fuel cell system further result from the remaining dependent subclaims and become clear from the exemplary embodiments, which are described in more detail below with reference to the figures.

Dabei zeigen:Showing:

1 der für die Erfindung relevante Ausschnitt aus einem prinzipmäßig angedeuteten Brennstoffzellensystem in einer ersten Ausführungsform gemäß der Erfindung; 1 the relevant for the invention section of a fuel cell system indicated in principle in a first embodiment according to the invention;

2 der für die Erfindung relevante Ausschnitt aus einem prinzipmäßig angedeuteten Brennstoffzellensystem in einer zweiten Ausführungsform gemäß der Erfindung; 2 the relevant for the invention section of a fuel cell system indicated in principle in a second embodiment according to the invention;

3 der für die Erfindung relevante Ausschnitt aus einem prinzipmäßig angedeuteten Brennstoffzellensystem in einer dritten Ausführungsform gemäß der Erfindung; 3 the relevant for the invention section of a fuel cell system indicated in principle in a third embodiment according to the invention;

4 der für die Erfindung relevante Ausschnitt aus einem prinzipmäßig angedeuteten Brennstoffzellensystem in einer vierten Ausführungsform gemäß der Erfindung; 4 the relevant for the invention section of a fuel cell system indicated in principle in a fourth embodiment according to the invention;

5 der für die Erfindung relevante Ausschnitt aus einem prinzipmäßig angedeuteten Brennstoffzellensystem in einer fünften Ausführungsform gemäß der Erfindung; und 5 the relevant for the invention section of a fuel cell system indicated in principle in a fifth embodiment according to the invention; and

6 der für die Erfindung relevante Ausschnitt aus einem prinzipmäßig angedeuteten Brennstoffzellensystem in einer sechsten Ausführungsform gemäß der Erfindung. 6 the relevant for the invention section of a fuel cell system indicated in principle in a sixth embodiment according to the invention.

In der Darstellung der 1 ist ein für die Erfindung relevanter Ausschnitt aus einem Brennstoffzellensystem 1 zu erkennen. Das Brennstoffzellensystem 1 kann dabei insbesondere zur Bereitstellung von elektrischer Antriebsleistung in einem hier nicht dargestellten Fahrzeug eingesetzt werden. Den Kern des Brennstoffzellensystems 1 bildet eine Brennstoffzelle 2, welche insbesondere als Stapel von Einzelzellen aufgebaut ist. Diese Brennstoffzelle 2, welche aufgrund ihrer aufgestapelten Bauweise auch als Brennstoffzellenstack 2 bezeichnet wird, soll vorzugsweise in PEM-Technologie realisiert sein. In der Darstellung der 1 ist schematisch ein Kathodenraum 3 sowie ein Anodenraum 4 in dem Brennstoffzellenstack 2 angedeutet. Der Anodenraum 4 wird beispielsweise mit Wasserstoff in an sich bekannter Art und Weise versorgt. Die Anodenseite ist für die hier dargestellte Erfindung von untergeordneter Bedeutung, sodass hierauf nicht weiter eingegangen wird.In the presentation of the 1 is a relevant for the invention section of a fuel cell system 1 to recognize. The fuel cell system 1 can be used in particular for the provision of electrical drive power in a vehicle, not shown here. The core of the fuel cell system 1 forms a fuel cell 2 , which is constructed in particular as a stack of single cells. This fuel cell 2 , which due to their stacked construction as a fuel cell stack 2 is designated, should preferably be implemented in PEM technology. In the presentation of the 1 is schematically a cathode compartment 3 as well as an anode room 4 in the fuel cell stack 2 indicated. The anode compartment 4 For example, it is supplied with hydrogen in a manner known per se. The anode side is of secondary importance for the invention shown here, so that will not be discussed further.

Der Kathodenraum 3 der Brennstoffzelle 2 wird über eine Luftfördereinrichtung 5, welche von einem zugeordneten Elektromotor 6 in dem Ausführungsbeispiel der 1 angetrieben wird, mit Luft als Sauerstofflieferant versorgt. Die Luft gelangt über eine Zuluftleitung 7 in den Kathodenraum 3 der Brennstoffzellensystem 2. Abluft gelangt über eine Abluftleitung 8 aus den Kathodenraum 3 und strömt in einem ersten Strömungszweig über eine Turbine 9 in die Umgebung ab. Gemeinsam mit dem Elektromotor 6 und der Luftfördereinrichtung 5 sitzt die Turbine 9 dabei auf einer Welle 10. Dieser Aufbau ist aus dem allgemeinen Stand der Technik auch als sogenannter elektrischer Turbolader oder ETC (Electric Turbo Charger) bekannt. Die in der Abluft der Brennstoffzelle 2 enthaltene Restenergie in Form von Wärme und Druck wird zumindest teilweise in der Turbine 9 umgesetzt und hilft so beim Antrieb der Luftfördereinrichtung 5. Zusätzlich zu dem bisher beschriebenen Aufbau ist in der Darstellung der 1 ein sogenannter Systembypass 11 mit einem Bypassventil 12 zu erkennen. Über diesen kann beispielsweise bei einem vorübergehenden Stillstand des Brennstoffzellensystems 1 durch ein Öffnen des Systembypassventils 12 geförderte Luft unmittelbar wieder abgeblasen werden, um so die Luftversorgung der Brennstoffzelle schnell zu unterbrechen, auch wenn die Luftfördereinrichtung 5 als Strömungsverdichter ausgebildet ist, welcher aufgrund seiner im Normalbetrieb sehr hohen Drehzahl vergleichsweise lange nachläuft. Andere Einsatzzwecke für das Systembypassventil 12 in dem Systembypass 11 sind dem Fachmann aus dem weiteren allgemeinen Stand der Technik ebenso bekannt, sodass hierauf nicht näher eingegangen werden muss.The cathode compartment 3 the fuel cell 2 is via an air conveyor 5 that of an associated electric motor 6 in the embodiment of 1 powered, supplied with air as an oxygen supplier. The air passes through an air supply line 7 in the cathode compartment 3 the fuel cell system 2 , Exhaust air passes through an exhaust air line 8th from the cathode compartment 3 and flows through a turbine in a first flow branch 9 into the environment. Together with the electric motor 6 and the air conveyor 5 the turbine sits 9 doing it on a wave 10 , This structure is known from the general state of the art as a so-called electric turbocharger or ETC (Electric Turbo Charger). The in the exhaust air of the fuel cell 2 contained residual energy in the form of heat and pressure is at least partially in the turbine 9 implemented and thus helps to drive the air conveyor 5 , In addition to the structure described so far is in the illustration of the 1 a so-called system bypass 11 with a bypass valve 12 to recognize. About this can, for example, in a temporary stoppage of the fuel cell system 1 by opening the system bypass valve 12 funded air are directly blown off again so as to quickly interrupt the air supply of the fuel cell, even if the air conveyor 5 is designed as a flow compressor, which lags comparatively long due to its very high speed during normal operation. Other uses for the system bypass valve 12 in the system bypass 11 are also known to those skilled in the art from the further general state of the art, so that it need not be discussed in detail.

Zusätzlich ist es so, dass von einem Kathodenausgang 13 eine Kathodenrezirkulationsleitung 14, zuerst als Teil der Abluftleitung 8, dann als eigenständige Leitung und am Schluss als Teil der Zuluftleitung 7, den Kathodenausgang 13 mit einem Kathodeneingang 15 verbindet. Innerhalb dieser Kathodenrezirkulationsleitung 14 ist ein Rezirkulationsgebläse 16 als Rezirkulationsfördereinrichtung angedeutet, welches von einem elektrischen Antriebsmotor 17 angetrieben werden kann. Hierdurch ist es möglich, in an sich bekannter Art und Weise Abluft vom Kathodenausgang 13 zum Kathodeneingang 15 zurückzuführen und diese Abluft zusammen und vermischt mit frischer Zuluft aus der Zuluftleitung 7 dem Kathodenraum 3 zur Verfügung zu stellen. Der entscheidende Vorteil ist der, dass hierdurch auch Feuchtigkeit mit zurückgefördert wird, sodass auf aufwändige Aufbauten zur Befeuchtung, beispielsweise einen Gas/Gas-Befeuchter oder ähnliches, gänzlich verzichtet werden kann.In addition, it is that of a cathode output 13 a cathode recirculation line 14 , first as part of the exhaust duct 8th , then as an independent line and at the end as part of the supply air line 7 , the cathode output 13 with a cathode entrance 15 combines. Within this cathode recirculation line 14 is a recirculation fan 16 as Rezirkulationsfördereinrichtung indicated, which of an electric drive motor 17 can be driven. This is it possible, in a conventional manner, exhaust air from the cathode outlet 13 to the cathode entrance 15 and this exhaust air together and mixed with fresh supply air from the supply air line 7 the cathode compartment 3 to provide. The key advantage is that this also moisture is conveyed back so that consuming structures for humidification, such as a gas / gas humidifier or the like, can be completely dispensed with.

Die Brennstoffzelle 2 ist an sich bekannter Art und Weise von einem Gehäuse 18 umgeben. Dieses Gehäuse 18 der Brennstoffzelle 2 schirmt die Brennstoffzelle nach außen hin ab und bietet typischerweise mechanischen Schutz für die Brennstoffzelle und hilft außerdem eventuell im Bereich der Brennstoffzelle 2 austretenden Wasserstoff im Bereich des Gehäuses 18 zurückzuhalten, sodass dieser beispielsweise definiert abreagiert und/oder definiert verdünnt abgeführt werden kann.The fuel cell 2 is a known manner of a housing 18 surround. This case 18 the fuel cell 2 shields the fuel cell to the outside and typically provides mechanical protection for the fuel cell and may also help in the fuel cell area 2 leaking hydrogen in the area of the housing 18 restrain, so that this example, abreacted defined and / or diluted can be removed diluted.

In dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel des Brennstoffzellensystems 1 ist es nun so, dass das die Brennstoffzelle 2 umgebende Gehäuse 18 über eine Zuleitung 19 mit der Kathodenrezirkulationsleitung 14, in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel mit ihrem kathodeneingangseitigen Teil, in Verbindung steht. Das Gehäuse 18 ist dabei drucklos ausgeführt und steht über eine Ableitung 20 in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel unmittelbar mit der Umgebung in Verbindung, was den entscheidenden Vorteil hat, dass geringere mechanische Anforderungen an das Gehäuse 18 gestellt werden müssen, als wenn dieses, wie es in einem späteren Ausführungsbeispiel noch beschreiben sein wird, unter Druck steht. Um das Druckgefälle zwischen der Kathodenrezirkulationsleitung 14 und dem Inneren des Gehäuses 18 entsprechend auszugleichen, ist in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel in der Zuleitung 19 eine Drossel 21 angedeutet.In the embodiment of the fuel cell system shown here 1 is it so that the fuel cell 2 surrounding housing 18 via a supply line 19 with the cathode recirculation line 14 , in the embodiment shown here with its cathode input side part, is in communication. The housing 18 is designed without pressure and is on a derivative 20 in the embodiment shown here directly with the environment in connection, which has the decisive advantage that lower mechanical requirements for the housing 18 must be made as if this, as will be described in a later embodiment, is under pressure. To the pressure drop between the cathode recirculation line 14 and the interior of the housing 18 compensate accordingly is in the embodiment shown here in the supply line 19 a throttle 21 indicated.

Im regulären Betrieb des Brennstoffzellensystems 1 kann dieses nun an sich bekannter Art und Weise so betrieben werden, dass aufgrund der Kathodenrezirkulation auf eine Befeuchtung gänzlich verzichtet werden kann. Durch die Verbindung des Gehäuses 18 über die Zuleitung 19 mit der Kathodenrezirkulationsleitung 14 wird während des Betriebs ein dauerhaftes je nach Einstellung der Drossel 21 geringfügiges Durchspülen des Gehäuses 18 gewährleistet, um so eventuelle Wasserstoffleckagen, welche in dem Gehäuse 18 um den Brennstoffzellenstack 2 herum auftreten können, entsprechend zu verdünnen und abzuführen.In regular operation of the fuel cell system 1 This now known manner can be operated so that due to the cathode recirculation to a moistening can be dispensed with entirely. By the connection of the housing 18 over the supply line 19 with the cathode recirculation line 14 becomes a permanent during operation depending on the throttle setting 21 slight flushing of the housing 18 ensures any potential hydrogen leakage that occurs in the housing 18 around the fuel cell stack 2 around, dilute and dissipate accordingly.

Beim Abstellen des Brennstoffzellensystems 1 kann nun so verfahren werden, dass die Luftfördereinrichtung 5 entsprechend abgestellt wird, um die Versorgung des Kathodenraums 3 mit frischer Luft und damit frischem Sauerstoff zu unterbrechen. Bei weiterhin erfolgender Zudosierung von Wasserstoff in den Anodenraum 4 der Brennstoffzelle 3 kann nun der über das weiterhin betriebene Rezirkulationsgebläse 16 umgewälzte Restluftstrom in der Kathodenrezirkulationsleitung 14 und dem Kathodenraum 3 im Kathodenraum 3 an Sauerstoff abgereichert werden. Insbesondere kann dies spannungsgesteuert so erfolgen, dass die mittlere Spannung je Einzelzelle des Brennstoffzellenstacks 2 in der Größenordnung von 0,8–0,85 V liegt. Die Stromentnahme kann dabei zeitlich begrenzt sein oder gepulst erfolgen, um eine Umpolung zu vermeiden. Entsprechend der Restkonzentration an Sauerstoff wird sich dann ein entsprechender Strom einstellen, bis der Sauerstoff gänzlich aufgebraucht ist, und kein Strom mehr fließt. Ist diese Situation erreicht, dann kann die Wasserstoffzufuhr abgestellt und Kathodenrezirkulationsgebläse 16 gestoppt werden. Im Kathodenraum 3 und in der Kathodenrezirkulationsleitung 14 liegt dann ein Gas vor, welches überwiegend aus Stickstoff besteht und allenfalls noch geringe Reste an Sauerstoff aufweist. Dieses Gas gelangt über die Zuleitung 19 auch in das Gehäuse 18 der Brennstoffzelle 2, sodass eine von Sauerstoff freie Atmosphäre entsteht. Dadurch, dass auch über Undichtheiten im Bereich der Brennstoffzelle 2 kein Sauerstoff in die Brennstoffzelle 2 diffundieren kann, da im Gehäuse 18 ebenfalls das an Sauerstoff abgereicherte Medium, insbesondere das überwiegend aus Stickstoff bestehende Gas vorliegt, kann über eine sehr lange Stillstandszeit der Brennstoffzelle 2 hinweg eine sauerstofffreie Atmosphäre in der Brennstoffzelle 2 sichergestellt werden, was einen für die Brennstoffzelle 2 sehr schonenden Wiederstart, auch nach langer Stillstandszeit, erlaubt.When parking the fuel cell system 1 can now be moved so that the air conveyor 5 is turned off to the supply of the cathode compartment 3 with fresh air and thus fresh oxygen to break. In case of continuing metered addition of hydrogen into the anode compartment 4 the fuel cell 3 can now the on the still operated recirculation fan 16 circulated residual air flow in the cathode recirculation line 14 and the cathode compartment 3 in the cathode compartment 3 be depleted in oxygen. In particular, this can be carried out in a voltage-controlled manner such that the average voltage per individual cell of the fuel cell stack 2 is on the order of 0.8-0.85V. The current drain can be limited in time or pulsed to avoid a polarity reversal. According to the residual concentration of oxygen, a corresponding current will then set until the oxygen is completely used up, and no more current flows. If this situation is reached, then the hydrogen supply can be turned off and the cathode recirculation fan 16 being stopped. In the cathode compartment 3 and in the cathode recirculation line 14 then there is a gas, which consists predominantly of nitrogen and possibly even has small residues of oxygen. This gas passes over the supply line 19 also in the case 18 the fuel cell 2 so that an oxygen-free atmosphere is created. Because of that, too, about leaks in the field of fuel cell 2 no oxygen in the fuel cell 2 can diffuse, since in the housing 18 The oxygen-depleted medium, in particular the gas consisting predominantly of nitrogen, can also be present over a very long downtime of the fuel cell 2 an oxygen-free atmosphere in the fuel cell 2 be assured what a fuel cell 2 very gentle restart, even after a long downtime allowed.

In der 2 ist ein Ausführungsbeispiel zu erkennen, welches weitgehend dem in 1 beschriebenen Ausführungsbeispiel entspricht. Als einziger Unterschied ist in der Ableitung 20 ein Absperrventil 22 angeordnet, welches das sauerstoffarme bzw. -freie-Gas in dem Gehäuse 18 einschließt, um so zu verhindern, dass es sich in diesem durch Konvektion oder Diffusion, beispielsweise durch Windeffekte, mit frischer sauerstoffreicher Luft aus der Umgebung austauscht. Ein weiterer Vorteil des Absperrventils 22 besteht darin, dass für den Fall, dass im Stillstand des Brennstoffzellensystems 1 der Kathodenraum 3 mit Luft durchspült wird, um diesen auszutrocknen und so ein Einfrieren von Wasser zu verhindern, dass Zuströmen von frischer sauerstoffhaltiger Luft in das Gehäuse 18 durch ein Schließen des Absperrventils 22 unterbunden werden kann.In the 2 an embodiment can be seen, which largely corresponds to the in 1 corresponds to described embodiment. The only difference is in the derivation 20 a shut-off valve 22 arranged, which contains the oxygen-free gas in the housing 18 so as to prevent it from being exchanged by convection or diffusion, for example by wind effects, with fresh oxygen-rich air from the environment. Another advantage of the shut-off valve 22 is that in case of stagnation of the fuel cell system 1 the cathode compartment 3 is purged with air to dry it out and thus prevent freezing of water, that inflow of fresh oxygen-containing air into the housing 18 by closing the shut-off valve 22 can be prevented.

Der Aufbau des Brennstoffzellensystems 1 in der Darstellung der 3 entspricht ebenfalls weitgehend dem in der Darstellung der 1 und 2 gezeigten Aufbau. Die Unterschiede bestehen darin, dass einerseits das Gehäuse 18 unter Druck steht, was daran zu erkennen ist, dass die Drossel 21 im Bereich der Ableitung 20 angeordnet ist. Der andere Unterschied besteht darin, dass die Zuleitung 19 ausgangsseitig des Kathodenraums 3 aus der Kathodenrezirkulationsleitung 14 abzweigt. Die an dieser Stelle abgezweigte Luft hat gegenüber der in den vorherigen Figuren kathodeneingangsseitig abgezweigten Luft dabei den geringfügigen Nachteil, dass sie typischerweise feuchter sein wird, als die eingangsseitig abgezweigte Luft, andererseits hat sie den Vorteil, dass sie eine geringfügig geringere Sauerstoffkonzentration hat. Bei ausreichend langem Betrieb der Rezirkulationsgebläses 16 nach dem Abstellen des Brennstoffzellensystems 1 gleichen sich die Bedingungen jedoch weitgehend an, sodass beispielsweise in Abhängigkeit der baulichen Gegebenheiten die in den 1 und 2 oder die in 3 dargestellte Variante zum Abzweigen der Leitung eingesetzt wird. Dabei ist es keinesfalls notwendig bei der in 3 dargestellten Variante das Gehäuse 18 unter Druck zu halten, der Aufbau könnte genauso gut mit der Drossel 21 im Bereich der Zuleitung 19, analog zur Darstellung in 1 und 2, realisiert werden. Auch hier ist ergänzend oder alternativ zu der Drossel 21 in der Ableitung 20 ein Absperrventil 22 möglich.The structure of the fuel cell system 1 in the presentation of the 3 also corresponds largely to that in the presentation of 1 and 2 shown construction. The differences are that on the one hand the housing 18 is under pressure, what can be recognized by the fact that the throttle 21 in the Range of derivative 20 is arranged. The other difference is that the supply line 19 on the output side of the cathode compartment 3 from the cathode recirculation line 14 branches. The air branched off at this point has the slight disadvantage that it will typically be more humid than the air branched off on the inlet side compared with the air branched off at the inlet side in the previous figures, on the other hand it has the advantage that it has a slightly lower oxygen concentration. With sufficiently long operation of the recirculation blower 16 after switching off the fuel cell system 1 However, the conditions are largely the same, so that, for example, depending on the structural conditions in the 1 and 2 or the in 3 shown variant is used for branching the line. It is by no means necessary at the in 3 illustrated variant of the housing 18 Keeping under pressure, the build up might work just as well with the throttle 21 in the area of the supply line 19 , analogous to the representation in 1 and 2 , will be realized. Again, is complementary or alternative to the throttle 21 in the derivation 20 a shut-off valve 22 possible.

In der Darstellung der 4 ist nun eine weitere Ausführungsvariante beschrieben. Auch diese entspricht wiederum weitgehend der Darstellung in den bisherigen Figuren, insbesondere der Darstellung in den 1 und 2. Der einzige Unterschied gegenüber 1 besteht bei dem in 4 gezeigten Aufbau nun darin, dass die Ableitung 20 wieder in die Kathodenrezirkulationsleitung 14 einmündet. Der Strömungszweig durch die Zuleitung, das Gebläse 18 und die Ableitung 20 liegt also parallel zum Kathodenraum 3 und wird bei betriebenem Rezirkulationsgebläse 16 entsprechend mit durchströmt. Der Aufbau hat dabei den entscheidenden Vorteil, dass eventuelle Mechanismen zum Verdünnen und Abreagieren von Wasserstoff im Abluftbereich des Brennstoffzellensystems 1 auch für die Abluft aus dem Gehäuse 18 mitgenutzt werden können.In the presentation of the 4 Now another embodiment is described. Again, this largely corresponds to the representation in the previous figures, in particular the representation in the 1 and 2 , The only difference compared 1 exists at the in 4 now shown construction in that the derivative 20 back into the cathode recirculation line 14 opens. The flow branch through the supply line, the blower 18 and the derivative 20 is thus parallel to the cathode compartment 3 and is operated with recirculation fan 16 flows through accordingly. The design has the decisive advantage that any mechanisms for diluting and reacting hydrogen in the exhaust air of the fuel cell system 1 also for the exhaust air from the housing 18 can be shared.

Die beiden nachfolgenden 5 und 6 sind nun wiederum hinsichtlich der Verbindung zwischen der Kathodenrezirkulationsleitung 14 und dem Gehäuse 18 analog zu den 1 und 2 dargestellt. Auch hier wären alle anderen beschriebenen Ausführungsvarianten, insbesondere die der 3 und 4 sowie entsprechende Kombinationen dieser Varianten denkbar. Der Unterschied in der Darstellung der 5 gegenüber der Darstellung in 1 liegt nun insbesondere im Bereich des Rezirkulationsgebläses 16. Die Luftfördereinrichtung 5 ist wiederum in an sich bekannter Art und Weise mit dem Elektromotor 6 verbunden. Die Abluftturbine 9 existiert ebenfalls, ist jedoch anders als in den Darstellungen der bisherigen Figuren nicht mit der Luftfördereinrichtung 5 verbunden. Über eine Welle 23 ist die Turbine 9 vielmehr mit dem Rezirkulationsgebläse 16 verbunden und treibt dieses in der Art eines Freiläufers, also eines Turboladers, ohne zusätzliche elektrische Maschine, an. Optional wäre auch hier eine zusätzliche elektrische Maschine denkbar. Die in der Turbine 9 freiwerdende Energie wird bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel also zum Antrieb des Rezirkulationsgebläses 16 genutzt.The two following ones 5 and 6 are again in terms of the connection between the cathode recirculation line 14 and the housing 18 analogous to the 1 and 2 shown. Again, all other embodiments described, especially those of 3 and 4 as well as corresponding combinations of these variants conceivable. The difference in the presentation of the 5 opposite to the illustration in 1 now lies especially in the field of recirculation fan 16 , The air conveyor 5 is in turn in a conventional manner with the electric motor 6 connected. The exhaust air turbine 9 also exists, but unlike in the representations of the previous figures is not with the air conveyor 5 connected. About a wave 23 is the turbine 9 rather, with the recirculation fan 16 connected and drives this in the manner of a freewheeler, so a turbocharger, without additional electric machine on. Optionally, an additional electric machine would also be conceivable here. The one in the turbine 9 released energy is in the embodiment shown here to drive the recirculation fan 16 used.

In der Darstellung der 6 ist eine weitere Variante zu erkennen. Die Luftversorgung erfolgt hier so, dass die Luftfördereinrichtung 5 eine erste Stufe der Luftförderung ausmacht. Sie ist analog zur Darstellung in 5 über den Elektromotor 6 unabhängig von der Turbine 9 angetrieben. Dann folgt in Strömungsrichtung der verdichteten Luft nach der Luftfördereinrichtung 5 eine zweite Verdichterstufe 24 auf die Luftfördereinrichtung 5, über welche die Luft dann durch die Zuluftleitung 7 in der Darstellung der 6 von unten in den Kathodenraum 3 strömt. Die Abluftleitung 8 und die Rezirkulationsleitung 14 in ihrem ersten Teilabschnitt sind dabei wieder identisch, wobei von der Abluftleitung 8, bevor diese über die Turbine 9 in die Umgebung führt, wiederum ein Teil als Kathodenrezirkulationsleitung 14 abzweigt und in die zweite Verdichterstufe 24 als Rezirkulationsgebläse 16 zurückführt. Über eine Ventileinrichtung 25 in der Kathodenrezirkulationsleitung 14 lässt sich dann die Rezirkulationsrate entsprechend einstellen und die rezirkulierte Kathodenabluft gelangt zusammen mit der frischen Zuluft nach der Luftfördereinrichtung 5 als erste Verdichterstufe über die zweite Verdichterstufe 24 wieder zurück zum Kathodenraum 3. Der Abzweig der Zuleitung 19 in das Gehäuse 18 entspricht dabei wiederum dem in 1 gezeigten Aufbau, wobei die Drossel 21 hier im Bereich der Ableitung 20 angeordnet ist, um diese bisher in dieser Kombination noch nicht dargestellte Variante ebenfalls noch zu zeigen. Weiterhin ist wieder der Systembypass 11 mit dem Bypassventil 12 in der Darstellung der 6 zu erkennen.In the presentation of the 6 is another variant to recognize. The air supply takes place here so that the air conveyor 5 constitutes a first stage of air extraction. It is analogous to the representation in 5 over the electric motor 6 regardless of the turbine 9 driven. Then follows in the flow direction of the compressed air after the air conveyor 5 a second compressor stage 24 on the air conveyor 5 , through which the air then through the supply air line 7 in the presentation of the 6 from below into the cathode compartment 3 flows. The exhaust duct 8th and the recirculation line 14 in their first section are again identical, being of the exhaust duct 8th before this over the turbine 9 leads into the environment, again a part as a cathode recirculation line 14 branches off and in the second compressor stage 24 as a recirculation fan 16 returns. Via a valve device 25 in the cathode recirculation line 14 can then adjust the recirculation rate accordingly and the recirculated cathode exhaust air passes together with the fresh supply air to the air conveyor 5 as the first compressor stage via the second compressor stage 24 back to the cathode room 3 , The branch of the supply line 19 in the case 18 corresponds again to the in 1 shown construction, wherein the throttle 21 here in the area of the derivative 20 is arranged to also show this variant not yet shown in this combination. Furthermore, the system bypass is again 11 with the bypass valve 12 in the presentation of the 6 to recognize.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.This list of the documents listed by the applicant has been generated automatically and is included solely for the better information of the reader. The list is not part of the German patent or utility model application. The DPMA assumes no liability for any errors or omissions.

Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 102007059999 A1 [0005] DE 102007059999 A1 [0005]
  • DE 102010053632 A1 [0006] DE 102010053632 A1 [0006]
  • DE 102011083327 A1 [0007] DE 102011083327 A1 [0007]
  • DE 112004001783 T5 [0007] DE 112004001783 T5 [0007]

Claims (13)

Brennstoffzellensystem (1) mit wenigstens einer Brennstoffzelle (2), welche einen Anodenraum (4) und einen Kathodenraum (3) umfasst, und welche in einem die Brennstoffzelle (2) umgebenden Gehäuse (18) angeordnet ist, mit einer Kathodenrezirkulationsleitung (14) zum Zurückführen zumindest eines Teils der Kathodenabluft von einem Kathodenausgang (13) zu einem Kathodeneingang (15), dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (18) mittels einer Zuleitung (19) mit der Kathodenrezirkulationsleitung (14) verbunden ist.Fuel cell system ( 1 ) with at least one fuel cell ( 2 ) containing an anode space ( 4 ) and a cathode compartment ( 3 ), and which in a fuel cell ( 2 ) surrounding housing ( 18 ) is arranged with a cathode recirculation line ( 14 ) for returning at least a portion of the cathode exhaust air from a cathode outlet ( 13 ) to a cathode entrance ( 15 ), characterized in that the housing ( 18 ) by means of a supply line ( 19 ) with the cathode recirculation line ( 14 ) connected is. Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuleitung (19) eingangsseitig oder ausgangsseitig des Kathodenraums (3) aus der Kathodenrezirkulationsleitung (14) abzweigt.Fuel cell system ( 1 ) according to claim 1, characterized in that the supply line ( 19 ) on the input side or the output side of the cathode compartment ( 3 ) from the cathode recirculation line ( 14 ) branches off. Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (18) über eine Ableitung (20) zumindest mittelbar mit der Umgebung verbunden ist.Fuel cell system ( 1 ) according to claim 1 or 2, characterized in that the housing ( 18 ) via a derivative ( 20 ) is at least indirectly connected to the environment. Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (18) über eine Ableitung (20) mit der Kathodenrezirkulationsleitung (14) auf der jeweils anderen Seite des Kathodenraums (3) verbunden ist.Fuel cell system ( 1 ) according to claim 1 or 2, characterized in that the housing ( 18 ) via a derivative ( 20 ) with the cathode recirculation line ( 14 ) on the other side of the cathode space ( 3 ) connected is. Brennstoffzellensystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Drossel (21) in der Zuleitung (19) und/oder der Ableitung (20) vorgesehen ist.Fuel cell system ( 1 ) according to one of claims 1 to 4, characterized in that a throttle ( 21 ) in the supply line ( 19 ) and / or the derivative ( 20 ) is provided. Brennstoffzellensystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass in der Zuleitung (19) und/oder der Ableitung (20) ein Absperrventil (22) angeordnet ist.Fuel cell system ( 1 ) according to one of claims 1 to 5, characterized in that in the supply line ( 19 ) and / or the derivative ( 20 ) a shut-off valve ( 22 ) is arranged. Brennstoffzellensystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass in der Kathodenrezirkulationsleitung (14) ein Rezirkulationsgebläse (16) angeordnet ist.Fuel cell system ( 1 ) according to one of claims 1 to 6, characterized in that in the cathode recirculation line ( 14 ) a recirculation fan ( 16 ) is arranged. Brennstoffzellensystem (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Rezirkulationsgebläse (16) von einer Abluftturbine und/oder einem elektrischen Motor (17) angetrieben ist.Fuel cell system ( 1 ) according to claim 7, characterized in that the recirculation fan ( 16 ) from an exhaust air turbine and / or an electric motor ( 17 ) is driven. Brennstoffzellensystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass in der Kathodenrezirkulationsleitung (14) eine Ventileinrichtung (25) zur Beeinflussung der rezirkulierten Gasmenge angeordnet ist.Fuel cell system ( 1 ) according to one of claims 1 to 8, characterized in that in the cathode recirculation line ( 14 ) a valve device ( 25 ) is arranged to influence the recirculated gas amount. Verfahren zum Abstellen eines Brennstoffzellensystems (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathodenrezirkulation bei weiterhin erfolgender Wasserstoffversorgung aufrechterhalten wird, bis der Sauerstoff im Kathodenraum (3) und der Kathodenrezirkulationsleitung (14) weitgehend aufgebraucht ist.Method for parking a fuel cell system ( 1 ) according to one of claims 1 to 9, characterized in that the cathode recirculation is maintained in the continued hydrogen supply until the oxygen in the cathode compartment ( 3 ) and the cathode recirculation line ( 14 ) is largely used up. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufbrauchen des Sauerstoffs durch eine spannungsgeregelte Leistungsentnahme aus der Brennstoffzelle (2) erfolgt, wobei eine mittlere Spannung je Einzelzelle der Brennstoffzelle (2) in der Größenordnung von 0,8–085 V gehalten wird.A method according to claim 10, characterized in that the consumption of oxygen by a voltage-controlled power extraction from the fuel cell ( 2 ), wherein a mean voltage per single cell of the fuel cell ( 2 ) is maintained in the order of 0.8-085V. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistungsentnahme aus der Brennstoffzelle (2) zeitlich begrenzt oder gepulst erfolgt.A method according to claim 11, characterized in that the power extraction from the fuel cell ( 2 ) is temporary or pulsed. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass ein mit Sauerstoff abgereichertes Fluid aus der Kathodenzirkulationsleitung (14) in das Gehäuse (18) der Brennstoffzelle (2) geleitet wird.Method according to one of claims 10 to 12, characterized in that an oxygen-depleted fluid from the cathode circulation line ( 14 ) in the housing ( 18 ) of the fuel cell ( 2 ).
DE102014005127.7A 2014-04-08 2014-04-08 The fuel cell system Withdrawn DE102014005127A1 (en)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102014005127.7A DE102014005127A1 (en) 2014-04-08 2014-04-08 The fuel cell system
PCT/EP2015/000616 WO2015154847A1 (en) 2014-04-08 2015-03-20 Fuel cell system

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102014005127.7A DE102014005127A1 (en) 2014-04-08 2014-04-08 The fuel cell system

Publications (1)

Publication Number Publication Date
DE102014005127A1 true DE102014005127A1 (en) 2015-10-08

Family

ID=52774164

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE102014005127.7A Withdrawn DE102014005127A1 (en) 2014-04-08 2014-04-08 The fuel cell system

Country Status (2)

Country Link
DE (1) DE102014005127A1 (en)
WO (1) WO2015154847A1 (en)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102015220641A1 (en) * 2015-10-22 2017-04-27 Volkswagen Aktiengesellschaft Arrangement for a cathode recirculation of a fuel cell and method for cathode recirculation
FR3054377A1 (en) * 2016-07-25 2018-01-26 Safran Power Units FUEL CELL WITH VENTILATION SYSTEM
DE102018209431A1 (en) 2018-06-13 2019-12-19 Audi Ag Method for switching off a fuel cell device and fuel cell device for carrying out the method

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP6902094B2 (en) 2017-04-06 2021-07-14 パナソニック インテレクチュアル プロパティ コーポレーション オブ アメリカＰａｎａｓｏｎｉｃ Ｉｎｔｅｌｌｅｃｔｕａｌ Ｐｒｏｐｅｒｔｙ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ ｏｆ Ａｍｅｒｉｃａ Coding device and decoding device

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE112004001783T5 (en) 2003-09-24 2006-08-17 Intel Corp., Santa Clara Thermal coupling material with aligned carbon nanotubes
DE102007059999A1 (en) 2006-12-18 2008-07-10 GM Global Technology Operations, Inc., Detroit A method for alleviating fuel cell degradation due to power on and off by hydrogen / nitrogen storage
DE102010053632A1 (en) 2009-12-11 2011-06-22 GM Global Technology Operations LLC, Mich. Fuel cell operation method for deoxygenation at shutdown
DE102011083327A1 (en) 2010-09-24 2012-03-29 Honda Motor Co., Ltd. Method for switching off a fuel cell system

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004022487A (en) * 2002-06-20 2004-01-22 Nissan Motor Co Ltd Fuel cell system
JP2005100846A (en) * 2003-09-25 2005-04-14 Nissan Motor Co Ltd Fuel cell system
JP2007531969A (en) * 2004-04-05 2007-11-08 バラード パワー システムズ インコーポレイティド Fuel release management for fuel cell systems
DE102008016578A1 (en) * 2008-04-01 2009-10-08 Daimler Ag Fuel cell device and method for operating a fuel cell device
DE102008020762A1 (en) * 2008-04-18 2009-10-22 Heliocentris Energiesysteme Gmbh The fuel cell system
DE102012018513A1 (en) * 2012-09-18 2014-03-20 Daimler Ag Fuel cell system for use in vehicle, has fuel cell provided with anode compartment and cathode compartment, where anode and cathode compartments are arranged in housing, and lead connected with output of cathode compartment of fuel cell

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE112004001783T5 (en) 2003-09-24 2006-08-17 Intel Corp., Santa Clara Thermal coupling material with aligned carbon nanotubes
DE102007059999A1 (en) 2006-12-18 2008-07-10 GM Global Technology Operations, Inc., Detroit A method for alleviating fuel cell degradation due to power on and off by hydrogen / nitrogen storage
DE102010053632A1 (en) 2009-12-11 2011-06-22 GM Global Technology Operations LLC, Mich. Fuel cell operation method for deoxygenation at shutdown
DE102011083327A1 (en) 2010-09-24 2012-03-29 Honda Motor Co., Ltd. Method for switching off a fuel cell system

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102015220641A1 (en) * 2015-10-22 2017-04-27 Volkswagen Aktiengesellschaft Arrangement for a cathode recirculation of a fuel cell and method for cathode recirculation
WO2017067966A3 (en) * 2015-10-22 2018-04-19 Volkswagen Ag Arrangement for a cathode recirculation in a fuel cell and method for cathode recirculation
CN108292764A (en) * 2015-10-22 2018-07-17 大众汽车有限公司 The component that cathode for fuel cell recycles and the method for cathode recycling
US10680260B2 (en) 2015-10-22 2020-06-09 Volkswagen Ag Arrangement for a cathode recirculation in a fuel cell and method for cathode recirculation
FR3054377A1 (en) * 2016-07-25 2018-01-26 Safran Power Units FUEL CELL WITH VENTILATION SYSTEM
DE102018209431A1 (en) 2018-06-13 2019-12-19 Audi Ag Method for switching off a fuel cell device and fuel cell device for carrying out the method

Also Published As

Publication number Publication date
WO2015154847A1 (en) 2015-10-15

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE102009036199A1 (en) Method for operating a fuel cell system in a vehicle
EP3378118B1 (en) Method for purging a fuel cell system
WO2015180746A1 (en) Fuel cell system
WO2016062506A1 (en) Fuel cell system and method for switching off a fuel cell stack
DE102015005837A1 (en) The fuel cell system
DE102012001602A1 (en) Anode circuit of fuel cell system mounted in vehicle, has recirculation conveying device for anode gas exhaust, which is provided in form of gas jet pump by which fuel flowing to fuel cell is driven as propellant gas stream
DE102014005127A1 (en) The fuel cell system
WO2021058327A1 (en) Method for optimizing a deactivation procedure of a fuel cell system
DE102014224135A1 (en) Method for switching off a fuel cell stack and fuel cell system
WO2020035407A1 (en) Fuel-cell system and method for shutting down a fuel-cell system
DE102012018513A1 (en) Fuel cell system for use in vehicle, has fuel cell provided with anode compartment and cathode compartment, where anode and cathode compartments are arranged in housing, and lead connected with output of cathode compartment of fuel cell
DE102013003599A1 (en) Fuel cell system used for providing drive power to propelled vehicle, has protection element that is arranged between mouth and water vapor permeable membrane of humidifier by opening line element on downstream side of humidifier
DE102011114720A1 (en) Air supply device for proton exchange membrane fuel cell of vehicle, has two air conveying devices arranged in series, where one of conveying devices is driven at voltage level of fuel cell, and other device is driven at low voltage level
DE102015205508A1 (en) Method for starting a fuel cell system
WO2015036100A1 (en) Method for operating a fuel cell system
DE102009036198A1 (en) Method for stopping fuel cell system of motor vehicle, involves connecting cathode area with environment on supply air-side and exhaust air-side, where connection of cathode area with environment is maintained open
DE102013003470A1 (en) Fuel cell system for use in providing electrical driving power to vehicle, has housing that comprises vent connection having valves, which is connected to surroundings or balancing volume
DE102021214687A1 (en) Method for operating a fuel cell system, fuel cell system
DE102007028296A1 (en) Polymer electrolyte membrane fuel cell system operating device for vehicle, has blocking unit arranged in discharge line that is guided away from cathode space of fuel cell, and another blocking unit arranged in supply line
DE102011120542A1 (en) Fuel cell system for providing driving power to vehicle, has flap designed such that flap is opened automatically against weight force and/or spring force switched by air supply device of fuel cell
DE102016003795A1 (en) Device for supplying air to a fuel cell
DE102014017985A1 (en) Gas / gas humidifier and housing for it
DE102013015397A1 (en) Process for decomposing hydrogen
DE102019001602A1 (en) Anode circuit and operating procedures
DE102014013670A1 (en) The fuel cell system

Legal Events

Date Code Title Description
R119 Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee