DE102014221976A1 - Fuel cell system and operating method of a fuel cell system - Google Patents

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Abstract

Brennstoffzellensystems 100, umfassend: 1 mindestens eine Brennstoffzelle 110 mit einem Anodenraum 112; 2) einen Kühlmittelkreis 140, der den Anodenraum 112 kühlt; und 3) ein Mittel, welches den Kühlmitteldruck Pk im Kühlmittelkreis 140 immer über dem Druck PBmax im Anodenraum 112 hält, sowie Betriebsverfahren für ein Brennstoffzellensystem.A fuel cell system 100 comprising: 1 at least one fuel cell 110 having an anode space 112; 2) a coolant circuit 140 which cools the anode compartment 112; and 3) a means which keeps the refrigerant pressure Pk in the coolant circuit 140 always above the pressure PBmax in the anode chamber 112, and operating methods for a fuel cell system.

Description

Die hier offenbarte Technologie betrifft ein Brennstoffzellensystem und ein Betriebsverfahren eines Brennstoffzellensystems. Brennstoffzellensysteme an sich sind aus dem Stand der Technik bekannt. In der einfachsten Ausgestaltung umfasst ein Brennstoffzellensystem in der Regel mehrere Brennstoffzellen, die jeweils einen Anodenraum und einen Kathodenraum aufweisen. Die Brennstoffzellen werden meistens zu einem Brennstoffzellenstapel oder Stack zusammengefasst, wobei der Anodenraum und der Kathodenraum in der Regel durch einen ionenselektiven Separator und durch Bipolarplatten begrenzt werden. Beispielsweise offenbart die DE 10323646 B4 eine Bipolarplatte für eine solche Brennstoffzellenanordnung.The technology disclosed herein relates to a fuel cell system and an operating method of a fuel cell system. Fuel cell systems per se are known from the prior art. In the simplest embodiment, a fuel cell system generally comprises a plurality of fuel cells, each having an anode space and a cathode space. The fuel cells are usually combined to form a fuel cell stack or stack, wherein the anode space and the cathode space are generally limited by an ion-selective separator and by bipolar plates. For example, the DE 10323646 B4 a bipolar plate for such a fuel cell assembly.

Für die im Brennstoffzellensystem eingesetzten Brenngase müssen in der Regel besondere Vorkehrungen getroffen werden, um Brennstoff-Leckagen schnell und sicher erkennen zu können. Falls bspw. innerhalb eines Brennstoffzellenstapels eine Leckage im Kühlsystem auftritt, kann Brennstoff (z. B. Wasserstoff) aus dem Anodenraum in den Kühlkreislauf gelangen. Das Kühlsystem transportiert dann den Wasserstoff in andere Bereiche des Fahrzeugs. Da das Kühlwasser auch zur Temperierung des Innenraums verwendet wird, könnte ein solches Leckage-Gas auch über den Kühlkreislauf in den Fahrgastinnenraum transportiert werden.For the fuel gases used in the fuel cell system special precautions must be taken usually to be able to detect fuel leaks quickly and safely. If, for example, leakage occurs in the cooling system within a fuel cell stack, fuel (eg, hydrogen) may enter the cooling circuit from the anode compartment. The cooling system then transports the hydrogen to other areas of the vehicle. Since the cooling water is also used for temperature control of the interior, such a leakage gas could also be transported via the cooling circuit in the passenger compartment.

Je nach Aufbau des Brennstoffzellenstapels kann es an bestimmten Stellen, insbesondere an der Katalysatorschicht bzw. an den angrenzenden Bauteilen, zu lokal erhitzten Bereichen bzw. Hot-Spots kommen. In solchen Bereichen besteht die Gefahr, dass das Kühlwasser siedet, wodurch die Bipolarplatte und somit die Brennstoffzelle beschädigt werden kann. Durch eine solche Beschädigung könnte dann bspw. Wasserstoff in den Kühlreislauf übertreten.Depending on the design of the fuel cell stack, locally heated areas or hot spots may occur at certain locations, in particular at the catalyst layer or at the adjacent components. In such areas, there is a risk that the cooling water will boil, whereby the bipolar plate and thus the fuel cell may be damaged. By such damage could then, for example, hydrogen into the cooling circuit.

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die vorgenannten Nachteile zu verringern oder zu beheben. Die aus dem Stand der Technik resultierende(n) Aufgabe(n) wird/werden gelöst durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche. Die abhängigen Patentansprüche stellen bevorzugte Ausgestaltungen dar.It is an object of the present invention to reduce or remedy the aforementioned disadvantages. The object (s) resulting from the prior art is / are solved by the subject matter of the independent patent claims. The dependent claims represent preferred embodiments.

Die hier offenbarte Technologie betrifft ein Brennstoffzellensystem mit mindestens einer Brennstoffzelle. Das Brennstoffzellensystem ist beispielsweise für mobile Anwendungen wie Kraftfahrzeuge gedacht. In ihrer einfachsten Form ist eine Brennstoffzelle ein elektrochemischer Energiewandler, der Brennstoff und Oxidationsmittel in Reaktionsprodukte umwandelt und dabei Elektrizität und Wärme produziert. Beispielsweise wird in einer solchen Brennstoffzelle Wasserstoff als Brennstoff und Luft oder Sauerstoff als Oxidationsmittel verwendet. Das Reaktionsprodukt der Reaktion in der Brennstoffzelle ist beispielsweise Wasser. Die Gase werden dabei in entsprechende Diffusionselektroden gespeist, die durch einen festen oder flüssigen Elektrolyten voneinander getrennt werden. Der Elektrolyt transportiert geladene Ionen zwischen den beiden Elektroden. Die Brennstoffzelle umfasst eine Anode in einem Anodenraum und eine Kathode in einem Kathodenraum, die durch einen ionenselektiven Separator voneinander getrennt sind. Der Anodenraum weist eine Zufuhr bzw. Anodenzuleitung für einen Brennstoff zur Anode auf. Bevorzugte Brennstoffe sind: Wasserstoff, niedrigmolekularer Alkohol, Biokraftstoffe, oder verflüssigtes Erdgas. Der Kathodenraum weist beispielsweise eine Zufuhr für Oxidationsmittel auf. Bevorzugte Oxidationsmittel sind bspw. Luft, Wasserstoff und Peroxide. Der ionenselektive Separator kann bspw. als Protonenaustauschmembran (proton exchange membrane, PEM) ausgebildet sein. Bevorzugt kommt eine kationenselektive Polymerelektrolytmembran zum Einsatz. Materialien für eine solche Membran sind beispielsweise: Nafion®, Flemion® und Aciplex®. Ein Brennstoffzellensystem umfasst mindestens eine Brennstoffzelle sowie periphere Systemkomponenten (auch Balance-of-Plant Komponenten oder BOP-Komponenten genannt), die beim Betrieb der mindestens einen Brennstoffzelle zum Einsatz kommen können. In der Regel sind mehrere Brennstoffzellen zu einem Brennstoffzellenstapel bzw. Stack zusammengefasst. Die weiteren Balance-of-Plant Komponenten, die beim Betrieb einer Brennstoffzelle verwendet werden, wie beispielsweise der Verdichter, Ladeluftkühler, Brennstofftank, etc., entsprechen im Wesentlichen den vorbekannten Komponenten und werden daher nur diskutiert, sofern sich Abweichungen ergeben. Alle Balance-of-Plant Komponenten, die sich im selben Kühlkreislauf wie die Brennstoffzelle befinden, sind somit in einem ähnlichen Kühlmitteldruckbereich. Ferner kann die hier offenbarte Technologie bei Redox-Brennstoffzellen Anwendung finden, wie sie beispielsweise in der WO 07122431 A1 gezeigt ist. Da bei dieser Verwendung mehrere elektrochemische Reaktionen gleichzeitig an verschiedenen Orten bzw. in verschiedenen Bauteilen (z. B. der Regenerator) stattfinden können, kann diese Erfindung auf zu kühlende Bauteile im gesamten Redoxshuttlekreislauf angewendet werden.The technology disclosed herein relates to a fuel cell system having at least one fuel cell. The fuel cell system is intended for example for mobile applications such as motor vehicles. In its simplest form, a fuel cell is an electrochemical energy converter that converts fuel and oxidant into reaction products, producing electricity and heat. For example, hydrogen is used as the fuel and air or oxygen as the oxidizing agent in such a fuel cell. The reaction product of the reaction in the fuel cell is, for example, water. The gases are fed into corresponding diffusion electrodes, which are separated by a solid or liquid electrolyte. The electrolyte transports charged ions between the two electrodes. The fuel cell comprises an anode in an anode space and a cathode in a cathode space separated by an ion selective separator. The anode compartment has a supply or anode supply line for a fuel to the anode. Preferred fuels are: hydrogen, low molecular weight alcohol, biofuels, or liquefied natural gas. The cathode compartment has, for example, a supply for oxidizing agent. Preferred oxidizing agents are, for example, air, hydrogen and peroxides. The ion-selective separator can be designed, for example, as a proton exchange membrane (PEM). Preferably, a cation-selective polymer electrolyte membrane is used. Materials for such a membrane are, for example: Nafion ®, Flemion ® and Aciplex ®. A fuel cell system comprises at least one fuel cell and peripheral system components (also called balance-of-plant components or BOP components) that can be used during operation of the at least one fuel cell. As a rule, several fuel cells are combined to form a fuel cell stack or stack. The other balance-of-plant components that are used in the operation of a fuel cell, such as the compressor, intercooler, fuel tank, etc., essentially correspond to the previously known components and are therefore discussed only if deviations arise. All balance-of-plant components that are in the same cooling circuit as the fuel cell are therefore in a similar coolant pressure range. Furthermore, the technology disclosed herein can be applied to redox fuel cells, as used for example in the WO 07122431 A1 is shown. Since several electrochemical reactions can take place simultaneously at different locations or in different components (eg the regenerator) during this use, this invention can be applied to components to be cooled in the entire redox shuttle circuit.

Das hier offenbarte Brennstoffzellensystem umfasst ferner ein Kühlsystem mit einem Kühlmittelkreis, der die mindestens eine Brennstoffzelle kühlt. Es kann bspw. mindestens ein Kühlmittelströmungspfad benachbart zum Anoden- bzw. Kathodenraum der mindestens einen Brennstoffzelle angeordnet sein. Insbesondere kann der Kühlmittelströmungspfad derart angeordnet und ausgebildet sein, dass es zu einem Wärmeaustausch bzw. Wärmeübergang zwischen dem Anoden- bzw. Kathodenraum und dem Kühlmittelströmungspfad kommt. Der Kühlmittelströmungspfad ist Teil eines Kühlmittelkreises. Der Kühlmittelströmungspfad kann bspw. im Brennstoffzellenstapel, bevorzugt in einer brennstoffundurchlässigen Bipolarplatte, integriert sein.The fuel cell system disclosed herein further includes a cooling system having a coolant loop that cools the at least one fuel cell. For example, at least one coolant flow path may be arranged adjacent to the anode or cathode space of the at least one fuel cell. In particular, the coolant flow path may be arranged and configured in such a way that a heat exchange or heat transfer occurs between the anode or cathode space and the coolant flow path. Of the Coolant flow path is part of a coolant circuit. The coolant flow path may, for example, be integrated in the fuel cell stack, preferably in a fuel-impermeable bipolar plate.

In einer bevorzugten Ausgestaltung bildet eine Bipolarplatte eine Wand des Anodenraums und/oder des Kathodenraums aus. Zweckmäßig fungiert die Bipolarplatte als Wärmetauscher bzw. Wärmeübertrager, in dem Wärmeenergie zwischen dem durch die Bipolarplatte fließenden Kühlmittelstrom und dem Anodenraum und/oder dem Kathodenraum ausgetauscht wird. Insbesondere kann das Brennstoffzellensystem mehrere Brennstoffzellen mit mehreren Anoden- bzw. Kathodenräumen umfassen, die durch mehrere Bipolarplatten jeweils begrenzt sind. Eine Bipolarplatte kann vorteilhaft einen oder mehrere Kühlmittelströmungspfade aufweisen.In a preferred embodiment, a bipolar plate forms a wall of the anode space and / or the cathode space. The bipolar plate expediently functions as a heat exchanger or heat exchanger, in which heat energy is exchanged between the coolant flow flowing through the bipolar plate and the anode compartment and / or the cathode compartment. In particular, the fuel cell system may include a plurality of fuel cells having a plurality of anode and cathode compartments, each bounded by a plurality of bipolar plates. A bipolar plate may advantageously have one or more coolant flow paths.

Das Brennstoffzellensystem umfasst ferner ein Mittel bzw. eine Einrichtung, welche(s) den Kühlmitteldruck im Kühlmittelkreis, insbesondere zumindest den Kühlmitteldruck im Kühlmittelströmungspfad, immer bzw. fortwährend bzw. kontinuierlich bzw. dauerhaft über dem Druck zumindest im Anodenraum hält. Besonders bevorzugt umfasst das Brennstoffzellensystem ein Mittel, welches den Kühlmitteldruck im Kühlmittelkreis, insbesondere zumindest den Kühlmitteldruck im Kühlmittelströmungspfad, immer bzw. fortwährend bzw. kontinuierlich bzw. dauerhaft über den Druck aller brennstoffführenden Strömungspfade im Brennstoffzellenstapel hält. Der Kühlmitteldruck im Kühlmittelströmungspfad innerhalb des Brennstoffzellenstapels ist also bevorzugt immer höher als der Druck, der in den brennstoffführenden Strömungspfaden im Brennstoffzellenstapel auftritt.The fuel cell system furthermore comprises a means or device which keeps the coolant pressure in the coolant circuit, in particular at least the coolant pressure in the coolant flow path, always or continuously or permanently above the pressure at least in the anode chamber. The fuel cell system particularly preferably comprises a means which keeps the coolant pressure in the coolant circuit, in particular at least the coolant pressure in the coolant flow path, always or continuously or permanently above the pressure of all fuel-carrying flow paths in the fuel cell stack. The coolant pressure in the coolant flow path within the fuel cell stack is thus preferably always higher than the pressure that occurs in the fuel-carrying flow paths in the fuel cell stack.

Bevorzugt ist das Mittel dergestalt, dass auch im abgekühlten bzw. nicht aktiv kühlenden Zustand das Mittel den Kühlkreislauf bzw. das Kühlsystem im bedruckten Zustand derart hält, dass der Kühlmitteldruck über dem Druck im Anodenraum liegt. Also auch in dem Fall, in dem das Kühlsystem augenblicklich keine „Kühl- bzw. Temperierarbeit” verrichten muss, ist der Kühlkreislauf bedruckt. Es kann dann beispielsweise möglich sein, dass das Kühlmittel in einem solchen inaktiven Zustand nicht oder kaum fließt, obwohl die Brennstoffzelle aktiv ist.Preferably, the means is such that even in the cooled or not actively cooling state, the agent keeps the cooling circuit or the cooling system in the printed state such that the coolant pressure is above the pressure in the anode chamber. So even in the case in which the cooling system does not have to do any "cooling or tempering" immediately, the cooling circuit is printed. It may then be possible, for example, that the coolant does not flow or hardly flows in such an inactive state, even though the fuel cell is active.

Bei eingeschalteter Brennstoffzelle liegt der Kühlmitteldruck des Kühlmittels bevorzugt immer über dem maximalen Betriebsdruck im Anodenraum, auch im nicht aktiv kühlenden Zustand des Kühlsystems.When the fuel cell is switched on, the coolant pressure of the coolant is preferably always above the maximum operating pressure in the anode chamber, even in the non-actively cooling state of the cooling system.

Ferner bevorzugt liegt auch bei nicht eingeschalteter Brennstoffzelle der Kühlmitteldruck des Kühlmittels immer über dem im abgeschalteten Zustand der Brennstoffzelle im Anodenraum maximal auftretenden Druck, insbesondere auch im nicht aktiv kühlenden Zustand des Kühlsystems. Es können für die eingeschaltete Brennstoffzelle und für die nicht eingeschaltete Brennstoffzelle unterschiedliche maximale (Betriebs)drücke als Mindestdrücke im Kühlmittelströmungspfad vorgesehen sein. Bevorzugt wird jedoch ein einziger maximaler (Betriebs)druck für die eingeschaltete und für die nicht eingeschaltete Brennstoffzelle ausgewählt und das Mittel wird auf diesen maximalen (Betriebs)druck hin ausgelegt.Further preferably, even when the fuel cell is not switched on, the coolant pressure of the coolant is always above the maximum pressure which occurs in the anode chamber when the fuel cell is switched off, in particular also in the non-actively cooling state of the cooling system. Different maximum operating pressures may be provided as minimum pressures in the coolant flow path for the fuel cell being turned on and the fuel cell not being turned on. Preferably, however, a single maximum (operating) pressure is selected for the switched-on and for the fuel cell not switched on and the means is designed for this maximum (operating) pressure out.

Die hier offenbarte Technologie umfasst ferner ein Betriebsverfahren (Verfahren zum Betrieb) für ein Brennstoffzellensystem. Das Betriebsverfahren umfasst die Schritte:

  • – Bereitstellen eines Brennstoffes in einem Anodenraum von mindestens einer Brennstoffzelle des Brennstoffzellensystems; und
  • – Kühlen der Brennstoffzelle durch ein Kühlmittel;
  • – wobei der Kühlmitteldruck des Kühlmittels, insbesondere zumindest der Kühlmitteldruck im Kühlmittelströmungspfad, immer über dem Druck im Anodenraum liegt.
The technology disclosed herein further includes an operating method (method of operation) for a fuel cell system. The operating procedure comprises the steps:
  • - Providing a fuel in an anode compartment of at least one fuel cell of the fuel cell system; and
  • - Cooling of the fuel cell by a coolant;
  • - Wherein the coolant pressure of the coolant, in particular at least the coolant pressure in the coolant flow path, always above the pressure in the anode chamber.

Die weiteren Schritte zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems, wie bspw. das Bereitstellen eines Oxidationsmittels im Kathodenraum sowie die elektrochemischen Reaktionen in der Brennstoffzelle sind hier nicht angeführt. Diese sind aus der Literatur bekannt. Gemäß dem hier offenbarten Verfahren wird also der Kühlmitteldruck des Kühlmittels, welches durch einen separaten Kühlmittelströmungspfad durch bzw. benachbart zum Anodenraum den Brennstoffzellenstapel durchströmt, immer auf einem Kühlmitteldruck gehalten, der immer über dem Druck im Anodenraum, und besonders bevorzugt immer über dem Druck aller wasserstoffführenden Leitung im Brennstoffzellenstapel liegt.The further steps for operating a fuel cell system, such as, for example, the provision of an oxidizing agent in the cathode chamber and the electrochemical reactions in the fuel cell are not listed here. These are known from the literature. Thus, according to the method disclosed herein, the coolant pressure of the coolant flowing through or adjacent the anode chamber through a separate coolant flow path through the fuel cell stack is always maintained at a coolant pressure which is always above the pressure in the anode chamber, and most preferably always above the pressure of all hydrogen-bearing ones Line is located in the fuel cell stack.

Mit der hier offenbarten Technologie wird sicher vermieden, dass im Falle einer Leckage der Brennstoff nicht in den Kühlmittelkreis übertreten kann, Stattdessen dringt Kühlmittel aus dem Kühlmittelkreis aufgrund des Überdrucks in die wasserstoffführenden Teilbereiche ein. Somit kann mit einfachen Mitteln sicher vermieden werden, dass sich Brennstoff im Kühlmittelkreis anreichert.With the technology disclosed here, it is reliably avoided that in the event of a leak the fuel can not enter the coolant circuit. Instead, coolant from the coolant circuit penetrates into the hydrogen-carrying subregions because of the overpressure. Thus, it can be safely avoided by simple means that fuel accumulates in the coolant circuit.

Dadurch, dass der Kühlmittelkreis, insbesondere zumindest der Kühlmittelströmungspfad benachbart zur Anode, immer mit einem Kühlmitteldruck PK betrieben wird, der über dem Druck liegt, verschiebt sich auch der Siedepunkt des Kühlmittels hin zu höheren Siedepunkten. Somit kann mit der hier offenbarten Technologie eine Beschädigung der Brennstoffzelle bzw. des Brennstoffzellenstapels durch siedendes Kühlmittel verringert bzw. vermieden werden.Because the coolant circuit, in particular at least the coolant flow path adjacent to the anode, is always operated with a coolant pressure P K which is above the pressure, the boiling point of the coolant also shifts toward higher boiling points. Thus, with the technology disclosed herein, damage to the fuel cell or fuel cell stack by boiling coolant can be reduced or avoided.

Die hier offenbarte Technologie betrifft ferner ein Brennstoffzellensystem und ein Betriebsverfahren, bei dem der Kühlmitteldruck größer ist als der Auslösedruck eines Sicherheits-Auslöseventils, welches beispielsweise stromaufwärts vom Anodenraum in der Anodenzuleitung angeordnet sein kann. Solche Sicherheits-Auslöseventile, auch Pressure-Relief-Valves genannt, sind bereits bekannt. Diese Sicherheitsventile öffnen, sobald ein kritischer Auslösedruck überschritten wird. The technology disclosed herein further relates to a fuel cell system and an operating method in which the coolant pressure is greater than the trigger pressure of a safety trigger valve, which may be arranged, for example, upstream of the anode space in the anode feed line. Such safety release valves, also called pressure relief valves, are already known. These safety valves will open as soon as a critical release pressure is exceeded.

Ist der Kühlmitteldruck im Kühlmittelkreis fortwährend höher als der Auslösedruck, sind zusätzliche Kontrollmaßnahmen zur Detektion von Brennstoff im Kühlmittelstromkreis nicht mehr notwendig. Denn in allen denkbaren Betriebszuständen der Brennstoffzelle ist sichergestellt, dass der Druck im Kühlmittelkreis immer größer ist, als der Druck im Anodenraum. Falls im Anodenraum erhöhte Arbeitsdrücke auftreten würden, so würde das Sicherheits-Auslöseventil auslösen noch bevor der Arbeitsdruck im Anodenraum den Kühlmitteldruck übersteigt.If the coolant pressure in the coolant circuit is constantly higher than the trigger pressure, additional control measures for the detection of fuel in the coolant circuit are no longer necessary. Because in all conceivable operating states of the fuel cell ensures that the pressure in the coolant circuit is always greater than the pressure in the anode compartment. If increased working pressures would occur in the anode compartment, the safety release valve would trigger even before the working pressure in the anode compartment exceeds the coolant pressure.

Die offenbarte Technologie umfasst ferner ein Betriebsverfahren und ein Brennstoffzellensystem, bei dem der Kühlmitteldruck um den Faktor 1,01 bis 2 oder 3, ferner bevorzugt um den Faktor 1,03 bis 1,5, und besonders bevorzugt um den Faktor 1,05 bis 1,25 größer ist als der (maximale) Druck im Anodenraum oder als der Auslösedruck eines Sicherheits-Auslöseventils.The disclosed technology further includes an operating method and a fuel cell system in which the refrigerant pressure is increased by a factor of 1.01 to 2 or 3, further preferably by a factor of 1.03 to 1.5, and more preferably by a factor of 1.05 to 1 , 25 is greater than the (maximum) pressure in the anode compartment or as the trigger pressure of a safety trip valve.

Im Kühlmittelkreis, der den Anodenraum kühlt, kann ein Drucksensor angeordnet sein. Der Drucksensor ist bevorzugt geeignet, Leckagen im Kühlmittelkreis zu detektieren, insbesondere Leckagen von dem Teil des Kühlmittelkreises, der im Brennstoffzellenstapel angeordnet ist.In the coolant circuit, which cools the anode compartment, a pressure sensor can be arranged. The pressure sensor is preferably suitable for detecting leaks in the coolant circuit, in particular for leaks from the part of the coolant circuit which is arranged in the fuel cell stack.

Der Drucksensor kann also geeignet sein, etwaige Leckagen im Kühlmittelkreis sicher zu erkennen, die auf einen Schaden an der Brennstoffzelle bzw. an dem Brennstoffzellenstapel, oder gegebenenfalls auch an anderen Bauteilen des Kühlmittelkreises hinweisen. Auf diese Weise ist es mit vergleichsweise günstigen Komponenten möglich, etwaige Brennstoff-Leckagen sicher zu erkennen. Kostspielige Wasserstoffsensoren, die um ein Vielfaches teurer sind als der Drucksensor und das Bedruckungsmittel zusammen, können entfallen.The pressure sensor may therefore be suitable for reliably detecting any leaks in the coolant circuit which indicate damage to the fuel cell or to the fuel cell stack, or possibly also to other components of the coolant circuit. In this way it is possible with relatively low-cost components to reliably detect any fuel leaks. Expensive hydrogen sensors, which are many times more expensive than the pressure sensor and the printing means together, can be omitted.

Bevorzugt umfasst das Brennstoffzellensystem bzw. das Betriebsverfahren eine Anordnung, bei der der Drucksensor im Kühlmittelkreis benachbart zur Brennstoffzelle bzw. zum Brennstoffzellenstapel angeordnet ist. Mit einer solchen Ausgestaltung ist es möglich, auch kleine Undichtigkeiten im Kühlmittelströmungspfad sicher zu erfassen, die nur kleine Druckmittelverluste erzeugen.The fuel cell system or the operating method preferably comprises an arrangement in which the pressure sensor in the coolant circuit is arranged adjacent to the fuel cell or to the fuel cell stack. With such a configuration, it is possible to reliably detect even small leaks in the coolant flow path, which only generate small pressure medium losses.

Das Brennstoffzellensystem kann ferner im Kühlmittelkreis ein Druckvorspannmittel bzw. Bedruckungsmittel aufweisen, bevorzugt ein mechanisches, pneumatisches oder hydraulisches Druckvorspannmittel. Das Druckvorspannmittel ist insbesondere ausgebildet, den Kühlmittelkreis immer bzw. kontinuierlich bzw. fortwährend mit einem Druck zu beaufschlagen, so dass der Kühlmitteldruck immer über dem Druck im Anodenraum bzw. in den wasserstoffführenden Teilen des Brennstoffzellenstapels liegt. Das Druckvorspannmittel kann bspw. eine elastische Membran und/oder ein Federmittel umfassen, welches einen Kühlflüssigkeitsspeicher vorspannt. Als Federmittel sind mechanische und/oder pneumatische Federmittel denkbar. Ein solches Druckvorspannmittel ist vergleichsweise einfach aufgebaut, kostengünstig und energieeffizient betreibbar, wobei vorteilhaft auch nur wenig Bauraum benötigt wird. Auch andere Druckvorspannmittel sind denkbar, die geeignet sind, energieeffizient kontinuierlich einen Kühlmitteldruck im Kühlkreis aufzubauen.The fuel cell system may further comprise a pressure biasing means or pressure means in the coolant circuit, preferably a mechanical, pneumatic or hydraulic pressure biasing means. The pressure biasing means is designed in particular to apply a pressure to the coolant circuit always or continuously, so that the coolant pressure is always above the pressure in the anode chamber or in the hydrogen-carrying parts of the fuel cell stack. The pressure biasing means may include, for example, an elastic membrane and / or a spring means biasing a cooling liquid reservoir. As spring means mechanical and / or pneumatic spring means are conceivable. Such a pressure biasing means is comparatively simple, inexpensive and energy-efficient operable, with advantageously only little space is needed. Other pressure biasing means are conceivable, which are suitable to build energy-efficient continuously a coolant pressure in the cooling circuit.

Die hier offenbarte Technologie wird nun anhand der Figuren näher erläutert, wobei die Ausführungsbeispiele der Figuren nicht einschränkend auszulegen sind.The technology disclosed here will now be explained in more detail with reference to the figures, wherein the embodiments of the figures are not to be interpreted as limiting.

Es zeigen:Show it:

1 eine schematische Ansicht von Teilen des hier offenbarten Brennstoffzellensystems 100, 1 a schematic view of parts of the fuel cell system disclosed here 100 .

2 eine schematische Detailansicht eines Brennstoffzellenstapels, 2 a schematic detail view of a fuel cell stack,

3 eine weitere Detailansicht eines Brennstoffzellenstapels, und 3 another detail view of a fuel cell stack, and

4 ein Diagramm, in dem der auftretende Druck und der Kühlmitteldruck dargestellt sind. 4 a diagram in which the pressure occurring and the coolant pressure are shown.

1 zeigt ein Brennstoffzellensystem 100 mit einer Brennstoffzelle 110. Eine solche Brennstoffzelle 110 ist bspw. Bestandteil eines Brennstoffzellenstapels (vgl. 2). Benachbarte Brennstoffzellen 110 wurden der Einfachheit halber weggelassen. Der Anodenraum 112 sowie der Kathodenraum 116 werden hier von einem ionenselektiven Separator 115, bspw. einer Polymerelektrolytmembran (PEM) voneinander getrennt. In den Kathodenraum 116 strömt Oxidationsmittel O ein, welches zusammen mit dem in den Anodenraum 112 einströmenden Brennstoff B, bspw. Wasserstoff, in der Brennstoffzelle 110 reagiert. Stromaufwärts des Anodenraumes 112 ist in der Anodenzuleitung 130 das Sicherheits-Auslöseventil 120 angeordnet. Der Anodenraum 112 wird hier begrenzt durch die Polymerelektrolytmembran 115 und der Bipolarplatte 119, die hier von einem Kühlmittel bzw. Kühlflüssigkeit K durchströmt wird. Die Bipolarplatte 119 ist unmittelbar benachbart bzw. angrenzend zum Anodenraum 112 angeordnet. Es ist denkbar, dass zwischen der Bipolarplatte 119 und dem Anodenraum 112 eine zusätzliche Materialschicht vorgesehen ist. Bevorzugt bildet jedoch die Bipolarplatte 119 eine Wand des Anodenraums 112 aus. Die Bipolarplatte 119 bzw. der in der Bipolarplatte 119 angeordnete Kühlmittelströmungspfad (hier nicht gezeigt) ist Bestandteil des Kühlmittelkreises bzw. Fluidstromkreises 140. Der Kühlmittelkreis 140 umfasst hier ferner einen Kühlflüssigkeitsspeicher 160, in dem durch ein Federmittel 164 das Kühlmittel K dauerhaft mit einem gewissen Druck vorgespannt wird, so dass der Kühlmitteldruck PK immer über dem Druck PBmax liegt. In einer weiteren Ausgestaltung umfasst das Druckvorspannmittel 160 nicht eine Feder, sondern eine elastische Membran, die irgendwo innerhalb des Fluidstromkreises 140 angeordnet sein kann und durch ihre elastische Verformung fortwährend einen Kühlmitteldruck PK erzeugt, der über dem maximalen Druck PBmax liegt. 1 shows a fuel cell system 100 with a fuel cell 110 , Such a fuel cell 110 is, for example, part of a fuel cell stack (cf. 2 ). Neighboring fuel cells 110 have been omitted for the sake of simplicity. The anode compartment 112 as well as the cathode compartment 116 are here by an ion-selective separator 115 , For example, a polymer electrolyte membrane (PEM) separated from each other. In the cathode compartment 116 enters oxidant O, which together with the in the anode compartment 112 incoming fuel B, for example. Hydrogen, in the fuel cell 110 responding. Upstream of the anode compartment 112 is in the anode lead 130 the safety release valve 120 arranged. The anode compartment 112 is limited here by the polymer electrolyte membrane 115 and the bipolar plate 119 , which is traversed by a coolant or cooling liquid K here. The bipolar plate 119 is immediate adjacent or adjacent to the anode compartment 112 arranged. It is conceivable that between the bipolar plate 119 and the anode compartment 112 an additional layer of material is provided. However, the bipolar plate preferably forms 119 a wall of the anode compartment 112 out. The bipolar plate 119 or in the bipolar plate 119 arranged coolant flow path (not shown here) is part of the coolant circuit or fluid circuit 140 , The coolant circuit 140 here further comprises a coolant reservoir 160 in which by a spring means 164 the coolant K is permanently biased with a certain pressure, so that the coolant pressure P K is always above the pressure P Bmax . In a further embodiment, the pressure biasing means comprises 160 not a spring, but an elastic membrane located somewhere inside the fluid circuit 140 may be arranged and continuously generated by their elastic deformation a refrigerant pressure P K , which is above the maximum pressure P Bmax .

Ferner können im Kühlmittelkreis 140 eine Pumpe 170 sowie ein Drucksensor 150 vorgesehen sein. Der Drucksensor 150 ist hier benachbart zur Brennstoffzelle vorgesehen.Furthermore, in the coolant circuit 140 a pump 170 as well as a pressure sensor 150 be provided. The pressure sensor 150 is provided adjacent to the fuel cell.

2 zeigt eine vergrößerte Darstellung eines Brennstoffzellenstapels mit mehreren benachbarten Brennstoffzellen 110. Zwei benachbarte Bipolarplatten 119, 119', 119'' begrenzen jeweils eine Brennstoffzelle 110. In den Bipolarplatten 119, 119', 119'' sind jeweils Kühlmittelströmungspfade 144 angeordnet, durch die Kühlmittel K fließt. Diese Strömungspfade 144 sind Bestandteil des Kühlmittelkreises 140. Die Zu- und Ableitung des Kühlmittelkreises wurden vereinfachend weggelassen. Die Aussparung 113 der Bipolarplatte 119' sowie der benachbarte Raum 114 u. a. mit der Gasdiffusionsschicht bildet hier den Anodenraum 112 aus, der durch die Bipolarplatte 119' und der Polymerelektrolytmembran 115 begrenzt wird. In diesem Anodenraum 112 führt die Brennstoffzelle bzw. der Brennstoffzellenstapel Brenngas B, bspw. Wasserstoff. 2 shows an enlarged view of a fuel cell stack with a plurality of adjacent fuel cells 110 , Two adjacent bipolar plates 119 . 119 ' . 119 '' each limit a fuel cell 110 , In the bipolar plates 119 . 119 ' . 119 '' are each coolant flow paths 144 arranged, through which coolant K flows. These flow paths 144 are part of the coolant circuit 140 , The supply and discharge of the coolant circuit have been omitted for simplicity. The recess 113 the bipolar plate 119 ' as well as the neighboring room 114 with the gas diffusion layer forms here the anode space 112 out through the bipolar plate 119 ' and the polymer electrolyte membrane 115 is limited. In this anode room 112 leads the fuel cell or the fuel cell stack fuel gas B, for example. Hydrogen.

Die Aussparung 118 bildet zusammen mit dem Raum 117 den Kathodenraum 116 aus, durch den der Oxidationsmittelstrom O fließt. Seitlich begrenzt wird der hier gezeigte Brennstoffzellenstapel durch Endplatten, die hier nicht weiter erörtert werden.The recess 118 forms together with the room 117 the cathode compartment 116 through which the oxidant stream O flows. The side of the fuel cell stack shown here is bounded by end plates, which will not be discussed further here.

3 zeigt eine vergrößerte Detailansicht des Brennstoffzellenstapels der 2. Durch die Bipolarplatte 119 strömt das Kühlmittel K entlang des Kühlmittelströmungspfades 144. An bestimmten Stellen der Katalysatorschicht bzw. an angrenzenden Bauteilen kann es zur Ausbildung von Hot-Spot HS kommen. Liegt die Temperatur des Hot-Spots HS oberhalb der Siedetemperatur des Kühlmittels, so kann es zum Sieden des Kühlmittels K kommen. Ein in die Gasphase überführtes Kühlmittel hat eine geringere Wärmekapazität und Wärmeleitfähigkeit als flüssiges Kühlmittel. Folglich würde sich der Wärmeübergang bzw. der Wärmeabtransport verschlechtern. Das Gas könnte zudem den Kühlmittelströmungspfad blockieren. Als Kühlmittel K wird in der Regel Wasser eingesetzt. Dadurch, dass der Kühlmittelkreis 140 immer mit einem Kühlmitteldruck PK betrieben wird, der über dem Druck PBmax liegt, verschiebt sich auch der Siedepunkt des Wassers zu höheren Siedepunkten. Somit kann mit der hier offenbarten Technologie eine Beschädigung der Brennstoffzelle bzw. des Brennstoffzellenstapels durch siedendes Kühlwasser verringert bzw. vermieden werden. 3 shows an enlarged detail view of the fuel cell stack of 2 , Through the bipolar plate 119 the coolant K flows along the coolant flow path 144 , At certain points of the catalyst layer or adjacent components, it may come to the formation of hot-spot HS. If the temperature of the hot spot HS is above the boiling point of the coolant, the coolant K may boil. A vaporized refrigerant has a lower heat capacity and thermal conductivity than liquid refrigerant. Consequently, the heat transfer or heat dissipation would deteriorate. The gas could also block the coolant flow path. As coolant K water is usually used. Due to the fact that the coolant circuit 140 is always operated with a coolant pressure P K, which is above the pressure P Bmax , also shifts the boiling point of the water to higher boiling points. Thus, with the technology disclosed herein, damage to the fuel cell or fuel cell stack by boiling cooling water can be reduced or avoided.

4 zeigt den Druckverlauf vom Betriebsdruck PB(t) (gestrichelte Linie) und dem Kühlmitteldruck PK(t) (strichpunktierte Linie). Der Betriebsdruck PB(t) im Anodenraum 112 nimmt bspw. Werte an, die zwischen einem minimalen Betriebsdruck PBmin und einem maximalen Betriebsdruck PBmax liegen. Diese Betriebsgrenzdrücke PBmin, PBmax hängen von der Auslegung der Brennstoffzelle ab und variieren zwischen bspw. 1,0 bis 4 bar, bevorzugt zwischen 1,1 und 2,8 bar. Der Auslösedruck PPRV des Sicherheits-Auslöseventils 120 ist in der Regel so gewählt, dass ein gewisser Sicherheitsabstand zwischen dem Auslösedruck PPRV und dem maximalen Betriebsdruck PBmax gewährleistet ist. Der Kühlmitteldruck PK(t) im Kühlmittelstromkreis 140, insbesondere zumindest im Kühlmittelströmungspfad 144, ist immer größer als der Auslösedruck PPRV des Sicherheits-Auslöseventils 120. Somit kann zu keiner Zeit Brennstoff B in den Kühlmittelkreis 140 gelangen und die Siedetemperatur des Kühlmittels K steigt aufgrund des erhöhten Kühlmitteldrucks PK(t) an. Zusätzliche Maßnahmen zur Brennstoffdetektion im Kühlmittel K können entfallen. Die Gefahr von Beschädigung aufgrund von Hot-Spots ist weiter reduziert und es besteht auch nicht die Gefahr, dass Brennstoff, bspw. Wasserstoff, über den Kühlmittelkreis 140 in den Fahrgastinnenraum gelangt. 4 shows the pressure curve of the operating pressure P B (t) (dashed line) and the refrigerant pressure P K (t) (dashed line). The operating pressure P B (t) in the anode compartment 112 For example, it assumes values between a minimum operating pressure P Bmin and a maximum operating pressure P Bmax . These operating limit pressures P Bmin , P Bmax depend on the design of the fuel cell and vary between, for example, 1.0 to 4 bar, preferably between 1.1 and 2.8 bar. The release pressure P PRV of the safety release valve 120 is usually chosen so that a certain safety distance between the trigger pressure P PRV and the maximum operating pressure P Bmax is guaranteed. The coolant pressure P K (t) in the coolant circuit 140 , in particular at least in the coolant flow path 144 , is always greater than the release pressure P PRV of the safety release valve 120 , Thus, at no time fuel B in the coolant circuit 140 reach and the boiling point of the coolant K increases due to the increased refrigerant pressure P K (t) . Additional measures for fuel detection in the coolant K may be omitted. The risk of damage due to hot spots is further reduced and there is also no risk that fuel, for example. Hydrogen, on the coolant circuit 140 gets into the passenger compartment.

Die vorhergehende Beschreibung der vorliegenden Erfindung dient nur zu illustrativen Zwecken und nicht zum Zwecke der Beschränkung der Erfindung. Im Rahmen der Erfindung sind verschiedene Änderungen und Modifikationen möglich, ohne den Umfang der Erfindung sowie ihrer Äquivalente zu verlassen.The foregoing description of the present invention is for illustrative purposes only, and not for the purpose of limiting the invention. Various changes and modifications are possible within the scope of the invention without departing from the scope of the invention and its equivalents.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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  • DE 10323646 B4 [0001] DE 10323646 B4 [0001]
  • WO 07122431 A1 [0005] WO 07122431 A1 [0005]

Claims (10)

Betriebsverfahren für ein Brennstoffzellensystem (100), umfassend die Schritte: – Bereitstellen eines Brennstoffes (B) in einem Anodenraum (112) von mindestens einer Brennstoffzelle (110) des Brennstoffzellensystems (100), und – Kühlen der Brennstoffzelle (110) durch ein Kühlmittel (K), wobei der Kühlmitteldruck (Pk) des Kühlmittels (K) immer über dem Druck (PBmax) im Anodenraum (112) liegt.Operating method for a fuel cell system ( 100 ), comprising the steps: - providing a fuel (B) in an anode compartment ( 112 ) of at least one fuel cell ( 110 ) of the fuel cell system ( 100 ), and - cooling the fuel cell ( 110 ) by a coolant (K), wherein the coolant pressure (P k ) of the coolant (K) always above the pressure (P Bmax ) in the anode space ( 112 ) lies. Betriebsverfahren nach Anspruch 1, wobei der Kühlmitteldruck (Pk) immer größer ist als der Auslösedruck (PPRV) eines Sicherheits-Auslöseventils (120).Operating method according to claim 1, wherein the coolant pressure (P k ) is always greater than the trigger pressure (P PRV ) of a safety trigger valve ( 120 ). Betriebsverfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Kühlmitteldruck (Pk) um den Faktor 1,01 bis 2,0 bevorzugt um den Faktor 1,03 bis 1,5 und besonders bevorzugt um den Faktor 1,05 bis 1,25 größer ist als der Druck (PBmax) im Anodenraum (112) oder als der Auslösedruck (PPRV) des Sicherheits-Auslöseventils (120).Operating method according to claim 1 or 2, wherein the refrigerant pressure (Pk) is greater by a factor of 1.01 to 2.0, preferably by a factor of 1.03 to 1.5 and particularly preferably by a factor of 1.05 to 1.25 the pressure (P Bmax ) in the anode compartment ( 112 ) or the release pressure (P PRV ) of the safety release valve ( 120 ). Betriebsverfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei im Kühlmittelkreis (140), der den Anodenraum (112) kühlt, ein Drucksensor (150) angeordnet ist, wobei der Drucksensor (150) Leckagen im Kühlmittelkreis (140) detektiert.Operating method according to one of the preceding claims, wherein in the coolant circuit ( 140 ) containing the anode compartment ( 112 ), a pressure sensor ( 150 ), wherein the pressure sensor ( 150 ) Leaks in the coolant circuit ( 140 ) detected. Brennstoffzellensystem (100), umfassend: – mindestens eine Brennstoffzelle (110) mit einem Anodenraum (112); – einen Kühlmittelkreis (140), der den Anodenraum (112) kühlt; und – ein Mittel, welches den Kühlmitteldruck (Pk) im Kühlmittelkreis (140) immer über den Druck (PBmax) im Anodenraum (112) hält.Fuel cell system ( 100 ), comprising: - at least one fuel cell ( 110 ) with an anode space ( 112 ); A coolant circuit ( 140 ) containing the anode compartment ( 112 ) cools; and - a means which determines the coolant pressure (P k ) in the coolant circuit ( 140 ) always above the pressure (P Bmax ) in the anode compartment ( 112 ) holds. Brennstoffzellensystem (100) nach Anspruch 5, wobei der Kühlmitteldruck (Pk) immer größer ist als der Auslösedruck (PPRV) eines Sicherheits-Auslöseventils (120).Fuel cell system ( 100 ) according to claim 5, wherein the coolant pressure (P k ) is always greater than the trigger pressure (P PRV ) of a safety trigger valve ( 120 ). Brennstoffzellensystem (100) nach Anspruch 5 oder 6, wobei im Kühlmittelkreis (140) ein Drucksensor (150) angeordnet ist, wobei der Drucksensor (150) geeignet ist, Leckagen im Kühlmittelkreis (140) zu detektieren.Fuel cell system ( 100 ) according to claim 5 or 6, wherein in the coolant circuit ( 140 ) a pressure sensor ( 150 ), wherein the pressure sensor ( 150 ) is suitable, leaks in the coolant circuit ( 140 ) to detect. Brennstoffzellensystem (100) nach einem der vorherigen Ansprüche 5 bis 7, wobei der Drucksensor (150) im Kühlmittelkreis (140) benachbart zur Brennstoffzelle (150) angeordnet ist.Fuel cell system ( 100 ) according to one of the preceding claims 5 to 7, wherein the pressure sensor ( 150 ) in the coolant circuit ( 140 ) adjacent to the fuel cell ( 150 ) is arranged. Brennstoffzellensystem (100) nach einem der vorherigen Ansprüche 5 bis 8, wobei im Kühlmittelkreis (140) ein Druckvorspannmittel (160) vorgesehen ist, welches den Kühlmittelkreis (140) kontinuierlich mit einem Druck beaufschlagt, so dass der Kühlmitteldruck (Pk) immer über den Druck (PBmax) im Anodenraum (112) liegt.Fuel cell system ( 100 ) according to one of the preceding claims 5 to 8, wherein in the coolant circuit ( 140 ) a pressure biasing means ( 160 ) is provided, which the coolant circuit ( 140 ) is continuously supplied with a pressure, so that the coolant pressure (P k ) always above the pressure (P Bmax ) in the anode space ( 112 ) lies. Brennstoffzellensystem (100), wobei das Druckvorspannmittel (160) ein durch eine Membran (162) und/oder mit einem Federmittel (164) vorgespannter Kühlflüssigkeitsspeicher (140) ist.Fuel cell system ( 100 ), the pressure biasing means ( 160 ) through a membrane ( 162 ) and / or with a spring means ( 164 ) prestressed coolant reservoir ( 140 ).
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