DE102015209115A1

DE102015209115A1 - The fuel cell system

Info

Publication number: DE102015209115A1
Application number: DE102015209115.5A
Authority: DE
Inventors: Konstantin Jonas
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Audi AG; Volkswagen AG
Priority date: 2015-05-19
Filing date: 2015-05-19
Publication date: 2016-11-24

Abstract

Die Erfindung stellt ein Brennstoffzellensystem (10) mit einer Brennstoffzelle (12), einem Anodenversorgungspfad (24), einem Anodenabgaspfad (26), in dem ein Ablassventil (36) angeordnet ist, einem Kathodenversorgungspfad (28) und einem Kathodenabgaspfad (30), wobei in dem Anodenabgaspfad (26) des Brennstoffzellensystems (10) stromab des Ablassventils (36) eine Brennstoffauffangvorrichtung (38) angeordnet ist, die mit dem Anodenabgaspfad (26) verschaltet ist und die dazu ausgebildet ist, temporär Anodenabgas aufzunehmen, bereit, das eine wirtschaftliche und sichere Handhabe von abgeführtem Wasserstoff ermöglicht, indem die Brennstoffauffangvorrichtung (38) Mittel zur Trennung von Wasserstoff vom Anodenabgas aufweist.The invention provides a fuel cell system (10) having a fuel cell (12), an anode supply path (24), an anode exhaust path (26) in which a bleed valve (36) is disposed, a cathode supply path (28), and a cathode exhaust path (30) in the anode exhaust path (26) of the fuel cell system (10), downstream of the drain valve (36), there is disposed a fuel trap (38) connected to the anode exhaust path (26) and adapted to temporarily receive anode exhaust gas having an economical and safe handling of discharged hydrogen by the fuel catcher (38) has means for separating hydrogen from the anode exhaust gas.

Description

Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem mit einer Brennstoffzelle, einem Anodenversorgungspfad, einem Anodenabgaspfad, in dem ein Ablassventil angeordnet ist, einem Kathodenversorgungspfad und einem Kathodenabgaspfad, wobei in dem Anodenabgaspfad des Brennstoffzellensystems stromab des Ablassventils eine Brennstoffauffangvorrichtung angeordnet ist, die mit dem Anodenversorgungspfad verschaltet ist und die dazu ausgebildet ist, temporär Anodenabgas aufzunehmen. The invention relates to a fuel cell system having a fuel cell, an anode supply path, an anode exhaust path in which a drain valve is disposed, a cathode supply path and a cathode exhaust path, wherein in the anode exhaust path of the fuel cell system downstream of the drain valve, a fuel trap is arranged, which is connected to the anode supply path and the is designed to temporarily absorb anode exhaust gas.

Brennstoffzellen nutzen die chemische Umsetzung eines Brennstoffs mit Sauerstoff zu Wasser, um elektrische Energie zu erzeugen. Hierfür enthalten Brennstoffzellen als Kernkomponente die sogenannte Membran-Elektroden-Einheit (MEA für membrane electrode assembly), die ein Verbund aus einer protonenleitenden Membran und jeweils einer beidseitig an der Membran angeordneten Elektrode (Anode und Kathode) ist. Zudem können Gasdiffusionslagen (GDL) beidseitig der Membran-Elektroden-Einheit an den der Membran abgewandten Seiten der Elektroden angeordnet sein. In der Regel wird die Brennstoffzelle durch eine Vielzahl, im Stapel (englisch: stack) angeordneter MEA gebildet, deren elektrische Leistungen sich addieren. Im Betrieb der Brennstoffzelle wird der Brennstoff, insbesondere Wasserstoff H₂ oder ein wasserstoffhaltiges Gasgemisch der Anode zugeführt, wo eine elektrochemische Oxidation von H₂ zu H⁺ unter Abgabe von Elektronen stattfindet. Über den Elektrolyten oder die Membran, welche die Reaktionsräume gasdicht voneinander trennt und elektrisch isoliert, erfolgt ein (wassergebundener oder wasserfreier) Transport der Protonen H⁺ aus dem Anodenraum in den Kathodenraum. Die an der Anode bereitgestellten Elektronen werden über eine elektrische Leitung der Kathode zugeleitet. Der Kathode wird Sauerstoff oder ein sauerstoffhaltiges Gasgemisch zugeführt, sodass eine Reduktion von O₂ zu O^2– unter Aufnahme der Elektronen stattfindet. Gleichzeitig reagieren im Kathodenraum diese Sauerstoffanionen mit den über die Membran transportierten Protonen unter Bildung von Wasser. Durch die direkte Umsetzung von chemischer in elektrische Energie erzielen Brennstoffzellen gegenüber anderen Elektrizitätsgeneratoren aufgrund der Umgehung des Carnot-Faktors einen verbesserten Wirkungsgrad. Fuel cells use the chemical transformation of a fuel with oxygen to water to generate electrical energy. For this purpose, fuel cells contain as core component the so-called membrane electrode assembly (MEA for membrane electrode assembly), which is a composite of a proton-conducting membrane and in each case one on both sides of the membrane arranged electrode (anode and cathode). In addition, gas diffusion layers (GDL) can be arranged on both sides of the membrane-electrode assembly on the sides of the electrodes facing away from the membrane. As a rule, the fuel cell is formed by a large number of stacked MEAs whose electrical powers are added together. During operation of the fuel cell, the fuel, in particular hydrogen H ₂ or a hydrogen-containing gas mixture is fed to the anode, where an electrochemical oxidation of H ₂ to H ⁺ takes place with release of electrons. Via the electrolyte or the membrane, which separates the reaction spaces gas-tight from each other and electrically isolated, takes place (water-bound or anhydrous) transport of protons H ⁺ from the anode compartment in the cathode compartment. The electrons provided at the anode are supplied to the cathode via an electrical line. The cathode is supplied with oxygen or an oxygen-containing gas mixture, so that a reduction of O ₂ to O ^2- taking place of the electrons takes place. At the same time, these oxygen anions in the cathode compartment react with the protons transported via the membrane to form water. The direct conversion of chemical to electrical energy fuel cells achieve over other electricity generators due to the circumvention of the Carnot factor improved efficiency.

Die derzeit am weitesten entwickelte Brennstoffzellentechnologie basiert auf Polymerelektrolytmembranen (PEM), bei denen die Membran selbst aus einem Polymerelektrolyt besteht. Hierbei werden oft säuremodifizierte Polymere, insbesondere perfluorierte Polymere, eingesetzt. Der am weitesten verbreitete Vertreter dieser Klasse von Polymerelektrolyten ist eine Membran aus einem sulfonierten Polytetrafluorethylen-Copolymer (Handelsname: Nafion; Copolymer aus Tetrafluorethylen und einem Sulfonylsäurefluorid-Derivat eines Perfluoralkylvinylethers). Die elektrolytische Leitung findet dabei über hydratisierte Protonen statt, weshalb für die Protonenleitfähigkeit das Vorhandensein von Wasser Bedingung ist und im Betrieb der PEM-Brennstoffzelle ein Anfeuchten der Betriebsgase erforderlich ist. Aufgrund der Notwendigkeit des Wassers ist die maximale Betriebstemperatur dieser Brennstoffzellen bei Normdruck auf unter 100 °C beschränkt. In Abgrenzung von Hochtemperatur-Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzellen (HT-PEM-Brennstoffzellen), deren elektrolytische Leitfähigkeit auf einen durch elektrostatische Komplexbindung an ein Polymergerüst der Polymerelektrolytmembran gebundenen Elektrolyten beruht (beispielsweise Phosphorsäure-dotierte Polybenzimidazol(PBI)-Membrane) und die bei Temperaturen von 160 °C betrieben werden, wird dieser Brennstoffzellentyp auch als Niedertemperatur-Polymerelektrolytmembran-Brennstoffzelle (NT-PEM-Brennstoffzelle) bezeichnet. Currently the most advanced fuel cell technology is based on polymer electrolyte membranes (PEMs), where the membrane itself consists of a polymer electrolyte. In this case, acid-modified polymers, in particular perfluorinated polymers, are often used. The most common representative of this class of polymer electrolytes is a membrane of a sulfonated polytetrafluoroethylene copolymer (trade name: Nafion; copolymer of tetrafluoroethylene and a sulfonyl fluoride derivative of a perfluoroalkyl vinyl ether). The electrolytic conduction takes place via hydrated protons, which is why the presence of water is a prerequisite for the proton conductivity and moistening of the operating gases is required during operation of the PEM fuel cell. Due to the necessity of the water, the maximum operating temperature of these fuel cells is limited to below 100 ° C at standard pressure. In contrast to high-temperature polymer electrolyte membrane fuel cells (HT-PEM fuel cells) whose electrolytic conductivity is based on an electrode bound by electrostatic complexation to a polymer backbone of the polymer electrolyte membrane electrolyte (for example, phosphoric acid-doped polybenzimidazole (PBI) membranes) and at temperatures of 160 ° C, this type of fuel cell is also referred to as a low-temperature polymer electrolyte membrane fuel cell (NT-PEM fuel cell).

Der Anode wird im Betrieb der Brennstoffzelle wie bereits erwähnt Wasserstoff als Anodengas zugeführt. Um die Effizienz hinsichtlich des Wasserstoffverbrauchs zu verbessern, kann ein Anodengas-Rezirkulationssystem vorgesehen sein. Dieses sorgt dafür, dass aus der Anode ausströmendes Anodengas, das noch Wasserstoff enthält, wieder in die Anode rückgeführt wird. Bei Bedarf wird das Anodengas mit Brennstoff aus einem Brennstofftank angereichert. Von Zeit zu Zeit muss jedoch das rückgeführte Anodengas ersetzt werden, da sich das Anodengas, wie allgemein bekannt, zum Beispiel mit Stickstoff anreichert. Zu diesem Zweck wird das Anodengas aus dem Anodengas-Rezirkulationssystem abgeführt, und kann fortan als Anodenabgas bezeichnet werden. Der Vorgang dieses Abführens oder Ablassens wird oft auch als „purgen“ (englisch: „to purge“) bezeichnet. The anode is supplied during operation of the fuel cell as already mentioned hydrogen as anode gas. In order to improve the hydrogen consumption efficiency, an anode gas recirculation system may be provided. This ensures that out of the anode effluent anode gas, which still contains hydrogen, is returned to the anode. If necessary, the anode gas is enriched with fuel from a fuel tank. From time to time, however, the recycled anode gas must be replaced because the anode gas, as is well known, for example, enriched with nitrogen. For this purpose, the anode gas is discharged from the anode gas recirculation system, and henceforth may be referred to as anode exhaust gas. The process of this removal or discharge is often referred to as "purgen" (English: "to purge").

Da das Anodenabgas auch einen Anteil an Brennstoff enthält, und insbesondere bei einer Verwendung von Wasserstoff als Brennstoff ein zündfähiges Gemisch vorliegen kann, wurden in der Vergangenheit bereits Maßnahmen ergriffen, um den Wasserstoff kontrolliert abzubauen. Since the anode exhaust gas also contains a proportion of fuel, and in particular when using hydrogen as fuel, an ignitable mixture may be present, measures have already been taken in the past to remove the hydrogen in a controlled manner.

Je nach verwendetem Konzept wird Wasserstoff zum Beispiel auf die Kathode abgelassen. Dadurch können kurzzeitig hohe Wasserstoffkonzentrationen auf der Kathode entstehen. Somit müssten einzelne Komponenten eines Brennstoffzellensystems, wie zum Beispiel ein Verdichter, Schläuche etc., aus Sicherheitsgründen explosionssicher ausgeführt und auch hinsichtlich einer möglichen, durch Wasserstoff begünstigten, Korrosion (Wasserstoffkorrosion) geprüft und ausgelegt werden. Depending on the concept used, hydrogen is discharged to the cathode, for example. As a result, high levels of hydrogen can be generated on the cathode for a short time. Thus, individual components of a fuel cell system, such as a compressor, hoses, etc., would have to be designed explosion-proof for safety reasons and should also be tested and designed with regard to possible hydrogen-assisted corrosion (hydrogen corrosion).

Es sind deshalb verschiedenste Lösungsansätze bekannt. Ein Ansatz beinhaltet dabei ein Abführen des Anodenabgases in ein Kathodenabgas, woraufhin die beiden Abgase mitsamt dem darin enthaltenen Wasserstoff der Umgebung zugeführt werden. Um eine Explosionsgefahr im Abgas zu reduzieren, kann eine Verdünnung des Wasserstoffs durch einen erhöhten Luftstrom im Abgas erfolgen. Dies kann insbesondere beim Startvorgang der Brennstoffzelle erfolgen. Der erhöhte Luftstrom ist jedoch mit einem höheren Energieverbrauch durch eine Zuluftfördereinrichtung (zum Beispiel ein Turbo-Verdichter oder ein Gebläse) verbunden. Zudem wird ein Gesamtwirkungsgrad des Brennstoffzellensystems dadurch verringert, dass Wasserstoff ohne energetische Nutzung der Umgebung zugeführt wird. There are therefore a variety of approaches known. One approach involves discharging the anode exhaust gas into a cathode exhaust gas, whereupon the two exhaust gases together with the hydrogen contained therein are supplied to the environment. In order to reduce the risk of explosion in the exhaust gas, a dilution of the hydrogen by an increased air flow in the exhaust gas can take place. This can be done in particular during the starting process of the fuel cell. However, the increased airflow is associated with higher energy consumption by a supply air conveyor (eg, a turbo-compressor or a blower). In addition, an overall efficiency of the fuel cell system is reduced by supplying hydrogen to the environment without using energy.

Ferner existieren Ideen zur energetischen Verwertung des Wasserstoffs, zum Beispiel in Form einer katalytischen Verbrennung im Abgas. Jedoch ist kein System auf dem Markt bekannt, welches dieses einsetzt, da hiermit einige Herausforderungen verbunden sind. Beispielsweise sind Zündprobleme aufgrund des Wasseranteils im Kathodenabgas bekannt. Furthermore, there are ideas for the energetic utilization of hydrogen, for example in the form of a catalytic combustion in the exhaust gas. However, no system is known in the market which uses this, since this involves some challenges. For example, ignition problems due to the water content in the cathode exhaust gas are known.

Auch ist es möglich, die Wasserstoffverluste anodenseitig so weit wie möglich mittels einer optimierten Betriebsstrategie zu reduzieren. Eine vollständige Vermeidung der Verluste ist jedoch nicht bekannt. It is also possible to reduce the hydrogen losses on the anode side as far as possible by means of an optimized operating strategy. However, a complete avoidance of losses is not known.

Aufgrund der bisher relativ hohen Wasserstoffkonzentration im Kathodenabgas wurden aus Sicherheitsgründen bisher Flammenfilter verwendet. Due to the hitherto relatively high hydrogen concentration in the cathode exhaust gas flame filters have been used for safety reasons.

Die DE 10 2009 009 675 A1 offenbart ein Brennstoffzellensystem, dessen Brennstoffzelle anodenseitig ein Rezirkulationssystem für Wasserstoff aufweist. Über ein Ablassventil wird Anodenabgas aus dem Anodenbereich, welches Restwasserstoff enthält, einer Zuluft der Brennstoffzelle zugeführt. Ferner werden katalytische Einheiten mit einem katalytischen Material zur Umsetzung eines brennstoffhaltigen Gases offenbart. Einer ersten, zuluftseitigen, katalytischen Einheit wird das aus dem Anodenbereich stammende Abgas zugeführt. Der in dem Abgas enthaltene Wasserstoff reagiert dort mit Sauerstoff aus der Zuluft. Es wird außerdem vorgeschlagen, die erste katalytische Einheit in einen Wärmetauscher zu integrieren, welcher die in der katalytischen Einheit erzeugte Abwärme auf einen Abgasstrom der Kathode überträgt. The DE 10 2009 009 675 A1 discloses a fuel cell system whose fuel cell on the anode side has a recirculation system for hydrogen. Anode exhaust gas is supplied from the anode region, which contains residual hydrogen, to a supply air of the fuel cell via a discharge valve. Further, catalytic units with a catalytic material for reacting a fuel-containing gas are disclosed. A first exhaust-side catalytic unit is supplied with the exhaust gas originating from the anode region. The hydrogen contained in the exhaust gas reacts there with oxygen from the supply air. It is also proposed to integrate the first catalytic unit into a heat exchanger which transfers the waste heat generated in the catalytic unit to an exhaust gas stream of the cathode.

Ferner beschreibt die DE 10 2009 039 445 A1 eine Steuerung eines Ventils für das Ablassen von Wasser und Stickstoff aus einer anodenseitigen Zirkulationsleitung einer Brennstoffzelle, wobei auch Wasserstoff abgelassen wird. Ein Abströmbereich des Wassers, Stickstoffs und Wasserstoffs, innerhalb welchem die Zuführung zur Kathodenseite erfolgt, befindet sich entweder stromauf oder stromab eines Kathodenbereichs der Brennstoffzelle. Das Ventil wird unter anderem derart gesteuert, dass eine Wasserstoffkonzentration im Kathodenabgas unterhalb eines Grenzwerts bleibt. Zudem wird bei einer Überschreitung eines zulässigen Konzentrationswerts im Kathodenabgas das Ventil geschlossen. Furthermore, the describes DE 10 2009 039 445 A1 a controller of a valve for discharging water and nitrogen from an anode-side circulation line of a fuel cell, wherein also hydrogen is discharged. An outflow region of the water, nitrogen and hydrogen within which the supply to the cathode side takes place is located either upstream or downstream of a cathode region of the fuel cell. Among other things, the valve is controlled such that a hydrogen concentration in the cathode exhaust gas remains below a threshold. In addition, when an allowable concentration value in the cathode exhaust gas is exceeded, the valve is closed.

Die DE 10 2005 013 519 A1 beschreibt einen Akkumulator, beispielsweise einen geeigneten Tank, der gespültes Anodenabgas sammelt, sodass es mit relativ niedrigen Wasserstoffkonzentrationen abgegeben werden kann. Ein Ventil ist mit einer aus der Anode führenden Austragsleitung gekoppelt. Das Ventil wird selektiv geöffnet, um zu ermöglichen, dass das Anodenabgas von dem Akkumulator gesammelt werden kann. Ein stromab des Akkumulators angeordnetes weiteres Ventil wird so betätigt, dass nur eine minimale Menge des Anodenabgases zu einem gegebenen Zeitpunkt von dem Akkumulator austreten kann. Durch selektives Steuern der Menge an Abgas, die von dem Akkumulator austritt, kann die Menge des Gases unterhalb der Brennbarkeitsgrenzen des Wasserstoffs darin gehalten werden. Das Anodenabgas wird mit dem Kathodenabgas oder mit dem Lufteingangsgas an der Kathodeneingangsleitung gemischt. The DE 10 2005 013 519 A1 describes an accumulator, for example a suitable tank, which collects purged anode exhaust gas so that it can be delivered at relatively low hydrogen concentrations. A valve is coupled to a discharge line leading from the anode. The valve is selectively opened to allow the anode exhaust gas from the accumulator to be collected. A further valve disposed downstream of the accumulator is operated so that only a minimum amount of the anode exhaust gas can exit the accumulator at a given time. By selectively controlling the amount of exhaust gas exiting the accumulator, the amount of gas below the combustibility limits of the hydrogen can be maintained therein. The anode exhaust gas is mixed with the cathode exhaust gas or with the air input gas at the cathode input line.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Brennstoffzellensystem zur Verfügung zu stellen, welches eine wirtschaftliche und sichere Handhabe von abgeführtem Wasserstoff ermöglicht. The invention is based on the object of providing a fuel cell system which enables an economical and safe handling of discharged hydrogen.

Erfindungsgemäß wird ein Brennstoffzellensystem mit einer Brennstoffzelle, einem Anodenversorgungspfad, einem Anodenabgaspfad, in dem ein Ablassventil angeordnet ist, einem Kathodenversorgungspfad und einem Kathodenabgaspfad zur Verfügung gestellt, wobei in dem Anodenabgaspfad des Brennstoffzellensystems stromab des Ablassventils eine Brennstoffauffangvorrichtung angeordnet ist, die mit dem Anodenversorgungspfad verschaltet ist und die dazu ausgebildet ist, temporär Anodenabgas aufzunehmen. Kennzeichnend ist vorgesehen, dass die Brennstoffauffangvorrichtung Mittel zur Trennung von Wasserstoff vom Abgas aufweist. According to the invention, a fuel cell system including a fuel cell, an anode supply path, an anode exhaust path in which a purge valve is disposed, a cathode supply path, and a cathode exhaust path is provided, wherein in the anode exhaust path of the fuel cell system downstream of the purge valve, a fuel trapping device connected to the anode supply path is disposed and which is adapted to temporarily receive anode exhaust gas. It is characteristically provided that the fuel collecting device has means for separating hydrogen from the exhaust gas.

Vorzugsweise ist die Brennstoffauffangvorrichtung über eine Rezirkulationsleitung mit dem Anodenversorgungspfad verschaltet, da eine Rezirkulationsleitung in der Regel ohnehin vorgesehen ist und sich somit der konstruktive Aufwand reduziert. Preferably, the fuel collecting device is connected via a recirculation line with the anode supply path, since a recirculation line is usually provided anyway and thus reduces the design effort.

Durch das Einbringen von Anodenabgas in die Brennstoffauffangvorrichtung mit dem Mittel zur Trennung kann vorteilhafterweise problemlos Wasserstoff aus dem Anodenabgas abgetrennt und über die Rezirkulationsleitung dem Anodenversorgungspfad wieder zugeführt werden. By introducing anode exhaust gas into the fuel collecting device with the means for separation can advantageously be easily separated hydrogen from the anode exhaust gas and fed back to the anode supply path via the recirculation line.

Vorteilhafterweise kann durch diese erfindungsgemäße Ausgestaltung eines Brennstoffzellensystems dessen Effizienz deutlich gesteigert werden, da der als Brennstoff eingesetzte Wasserstoff restlos umgesetzt werden kann und keine Restmengen, wie sonst üblich, über den Abgaspfad verloren gehen müssen. Daher können auch erhöhte Wasserstoffkonzentrationen im Abgas sicher vermieden werden. Advantageously, its efficiency can be significantly increased by this inventive design of a fuel cell system, since the hydrogen used as fuel can be completely implemented and no residual amounts, as usual, must be lost through the exhaust path. Therefore, increased hydrogen concentrations in the exhaust gas can be safely avoided.

Vorzugsweise ist der Anodenabgaspfad mit dem Kathodenabgaspfad verbunden, um den konstruktiven Aufwand geringer zu halten. Zudem besteht ohnehin keine Gefahr einer erhöhten Wasserstoffkonzentration in den vereinigten Anoden- und Kathodenabgasen. Preferably, the anode exhaust path is connected to the cathode exhaust path to reduce the design effort. In addition, there is no danger of an increased hydrogen concentration in the combined anode and cathode exhaust gas anyway.

Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann die Brennstoffauffangvorrichtung auch derart verschaltet sein, dass der abgetrennte Wasserstoff zumindest teilweise und zeitlich gesteuert wieder dem Anodenabgas und/oder Kathodenabgas zugeführt werden kann, um eine möglichst geringe Wasserstoffkonzentration in den vereinigten Anoden- und Kathodenabgasen zu gewährleisten. According to a further embodiment of the invention, the fuel collecting device can also be connected in such a way that the separated hydrogen can be fed back to the anode exhaust gas and / or cathode exhaust gas at least partially and in time to ensure the lowest possible hydrogen concentration in the combined anode and cathode exhaust gases.

Vorzugsweise wird das Mittel zur Trennung von Wasserstoff vom Abgas durch eine Membran ausgebildet, die im Innenraum der Brennstoffauffangvorrichtung angeordnet ist. Geeignete Membranen sind beispielsweise Metallfolien, vorzugsweise aus Palladium oder Palladiumhaltigen Legierungen, da diese unter aggressiven Bedingungen eine gute Standzeit aufweisen. Gegebenenfalls können diese Membranen beispielsweise auf keramischen Trägermaterialien stabilisiert werden. Preferably, the means for separating hydrogen from the exhaust gas is formed by a membrane which is arranged in the interior of the fuel collecting device. Suitable membranes are, for example, metal foils, preferably of palladium or palladium-containing alloys, since these have a good service life under aggressive conditions. Optionally, these membranes can be stabilized, for example on ceramic substrates.

Stromab der Brennstoffauffangvorrichtung wird vorzugsweise ein Ventil angeordnet, um ein Ablassen von Abgasen beziehungsweise eine Druckabsenkung steuern zu können. Downstream of the fuel collecting device, a valve is preferably arranged in order to be able to control a discharge of exhaust gases or a pressure reduction.

Das Brennstoffzellensystem weist bevorzugter Weise Mittel zur aktiven oder passiven Druckabsenkung in der Brennstoffauffangvorrichtung auf, sodass vorteilhafterweise, insbesondere bei aktiver Druckabsenkung eine zeitliche Verkürzung des Ablassen von Abgasen in den Anodenabgaspfad (Purgevorgang) ermöglicht wird. The fuel cell system preferably has means for active or passive pressure reduction in the fuel collecting device, so that advantageously, in particular during active pressure reduction, a shortening of the discharge of exhaust gases into the anode exhaust path (purge process) is made possible.

Als ein bevorzugtes Mittel zur aktiven Druckabsenkung ist eine Unterdruckpumpe vorgesehen, die vorzugsweise stromab der Brennstoffauffangvorrichtung im Anodenabgaspfad angeordnet ist. As a preferred means for active pressure reduction, a vacuum pump is provided, which is preferably arranged downstream of the fuel collecting device in the anode exhaust gas path.

Alternativ kann die Druckabsenkung auch passiv durch Ausnutzung des Venturi-Effekts erfolgen. Dazu wird die Brennstoffauffangvorrichtung mittels einer Venturi-Düse mit dem Anodenversorgungspfad oder dem Kathodenabgaspfad verschaltet. Vorteilhafterweise entfällt durch diese einfachere Lösung eine Steuerung einer Unterdruckpumpe wie bei vorgenannter Ausführungsform. Alternatively, the pressure reduction can also be done passively by utilizing the Venturi effect. For this purpose, the fuel collecting device is connected by means of a Venturi nozzle with the anode supply path or the cathode exhaust gas path. Advantageously eliminated by this simpler solution, a control of a vacuum pump as in the aforementioned embodiment.

Vorzugsweise besitzt die Brennstoffauffangvorrichtung einen Auslass zur Rezirkulationsleitung und einen Auslass zum Anodenabgaspfad, wobei die Brennstoffauffangvorrichtung zur Abgabe von abgetrenntem Wasserstoff über den Auslass zur Rezirkulationsleitung ausgebildet ist. Dazu ist die Brennstoffauffangvorrichtung vorzugsweise in zwei Kammern unterteilt, die durch das Mittel zur Trennung unterteilt ist. Die eine Kammer dient zur Aufnahme des Wasserstoffs und zur Abgabe desselben in die Rezirkulationsleitung, während die andere Kammer dementsprechend zur Aufnahme des Abgases und zur Weiterleitung des verbleibenden Restes des Abgases ausgestaltet ist. Preferably, the fuel collector has an outlet to the recirculation line and an outlet to the anode exhaust path, the fuel collector being configured to deliver separated hydrogen via the outlet to the recirculation line. For this purpose, the fuel collecting device is preferably divided into two chambers, which is divided by the means for separation. The one chamber serves to receive the hydrogen and to deliver it into the recirculation line, while the other chamber is configured accordingly for receiving the exhaust gas and for forwarding the remainder of the exhaust gas.

Ferner wird ein Kraftfahrzeug umfassend ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem zur Verfügung gestellt. Das Kraftfahrzeug zeichnet sich durch seine erhöhte Betriebssicherheit, verringerte Betriebskosten und eine verringerte Brennstoffemission aus. Furthermore, a motor vehicle comprising a fuel cell system according to the invention is provided. The motor vehicle is characterized by its increased reliability, reduced operating costs and a reduced fuel emission.

Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen. Further preferred embodiments of the invention will become apparent from the remaining, mentioned in the dependent claims characteristics.

Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar. The various embodiments of the invention mentioned in this application are, unless otherwise stated in the individual case, advantageously combinable with each other.

Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigt: The invention will be explained below in embodiments with reference to the accompanying drawings. It shows:

1 ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem. 1 an inventive fuel cell system.

1 zeigt ein stark vereinfachtes Brennstoffzellensystem 10 gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung in einer schematischen Ansicht. Es wurden bewusst nur Komponenten dargestellt, welche für ein Verständnis der Erfindung von Belang sind. 1 shows a greatly simplified fuel cell system 10 according to a preferred embodiment of the invention in a schematic view. Only components that are relevant for an understanding of the invention have been deliberately presented.

Das Brennstoffzellensystem 10 umfasst eine Brennstoffzelle 12, zum Beispiel einen Brennstoffzellenstapel mit mehreren aufeinandergestapelten Einzelzellen 14. Die Einzelzellen können jeweils eine Polymerelektrolytmembran (PEM) umfassen, wodurch eine Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle gebildet wird. Die Brennstoffzelle 12 weist einen Anodeneingang 16, einen Anodenausgang 18, einen Kathodeneingang 20 und einen Kathodenausgang 22 zur Versorgung der Brennstoffzelle 12 mit Reaktanten auf. Zudem sind ein Anodenversorgungspfad 24, ein Anodenabgaspfad 26, ein Kathodenversorgungspfad 28 und ein Kathodenabgaspfad 30 vorgesehen. Das Brennstoffzellensystem 10 weist eine Rezirkulationsleitung 32 auf, die mit einem Fördermittel 34 (zum Beispiel ein Gebläse oder ein Verdichter) versehen sein kann, welche den Anodenabgaspfad 26 mit dem Anodenversorgungspfad 24 verbindet. Im Anodenabgaspfad 26 ist ein schalt- oder regelbares Ventil, das Ablassventil 36, vorgesehen. Im Anodenabgaspfad 26 ist eine Brennstoffauffangvorrichtung 38 angeordnet, die über einen Einlass 40 und einen Auslass 42 jeweils für den Abgaspfad 32 sowie einen Auslass 44 zur Rezirkulationsleitung 32 verfügt. In der Brennstoffauffangvorrichtung 38 ist eine Wasserstoff-durchlässige Membran 46 angeordnet, die die Brennstoffauffangvorrichtung 38 in zwei Kammern 48, 50 unterteilt, wobei die eine Kammer 48 den Auslass 44 zur Rezirkulationsleitung 32 aufweist und die andere Kammer 50 den Einlass 40 und den Auslass 42 für den Anodenabgaspfad 26 besitzt. Im Anodenabgaspfad 26 stromab der Brennstoffauffangvorrichtung 38 ist ein zweites schalt- oder regelbares Ventil 52 angeordnet, dem zudem eine Unterdruckpumpe 54 nachgeordnet sein kann. Als Alternative zur Unterdruckpumpe 54, hier jedoch nicht dargestellt, kann die Brennstoffauffangvorrichtung 38 mittels einer Venturi-Düse mit dem Anodenversorgungspfad 24 oder dem Kathodenabgaspfad 30 verschaltet sein. Stromab der Unterdruckpumpe 54 werden der Anodenabgaspfad 26 und der Kathodenabgaspfad 30 vereinigt. Die einzelnen Gaspfade können zum Beispiel mittels Kanälen, Leitungen und/oder gasleitenden Komponenten realisiert sein. The fuel cell system 10 includes a fuel cell 12 , For example, a fuel cell stack with several stacked single cells 14 , The single cells may each comprise a polymer electrolyte membrane (PEM), thereby forming a polymer electrolyte fuel cell. The fuel cell 12 has an anode entrance 16 , an anode output 18 , a cathode entrance 20 and a cathode output 22 to supply the fuel cell 12 with reactants. In addition, an anode supply path 24 , one Anode exhaust gas path 26 , a cathode supply path 28 and a cathode exhaust path 30 intended. The fuel cell system 10 has a recirculation line 32 on that with a grant 34 (For example, a blower or a compressor) may be provided, which the anode exhaust path 26 with the anode supply path 24 combines. In the anode exhaust path 26 is a switchable or adjustable valve, the drain valve 36 , intended. In the anode exhaust path 26 is a fuel catcher 38 arranged over an inlet 40 and an outlet 42 each for the exhaust path 32 as well as an outlet 44 to the recirculation line 32 features. In the fuel catcher 38 is a hydrogen-permeable membrane 46 arranged, which the fuel catcher 38 in two chambers 48 . 50 divided, with the one chamber 48 the outlet 44 to the recirculation line 32 and the other chamber 50 the inlet 40 and the outlet 42 for the anode exhaust path 26 has. In the anode exhaust path 26 downstream of the fuel collector 38 is a second switchable or controllable valve 52 arranged, in addition to a vacuum pump 54 can be subordinate. As an alternative to the vacuum pump 54 , but not shown here, the fuel collector 38 by means of a Venturi nozzle with the anode supply path 24 or the cathode exhaust path 30 be interconnected. Downstream of the vacuum pump 54 become the anode exhaust path 26 and the cathode exhaust path 30 united. The individual gas paths can be realized, for example, by means of channels, lines and / or gas-conducting components.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

10 10: Brennstoffzellensystem The fuel cell system
12 12: Brennstoffzelle fuel cell
14 14: Einzelzelle single cell
16 16: Anodeneingang anode input
18 18: Anodenausgang anode output
20 20: Kathodeneingang cathode input
22 22: Kathodenausgang cathode output
24 24: Anodenversorgungspfad Anode supply path
26 26: Anodenabgaspfad Anode exhaust gas path
28 28: Kathodenversorgungspfad Cathode supply path
30 30: Kathodenabgaspfad Cathode exhaust path
32 32: Rezirkulationsleitung recirculation
34 34: Fördermittel funding
36 36: Ablassventil drain valve
38 38: Brennstoffauffangvorrichtung Fuel catcher
40 40: Einlass inlet
42 42: Auslass outlet
44 44: Auslass outlet
46 46: Membran membrane
48 48: Kammer chamber
50 50: Kammer chamber
52 52: Ventil Valve
54 54: Unterdruckpumpe Vacuum pump

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 102009009675 A1 [0011]
DE 102009039445 A1 [0012]
DE 102005013519 A1 [0013]

Claims

Fuel cell system ( 10 ) with a fuel cell ( 12 ), an anode supply path ( 24 ), an anode exhaust path ( 26 ), in which a drain valve ( 36 ), a cathode supply path ( 28 ) and a cathode exhaust path ( 30 ), wherein in the anode exhaust gas path ( 26 ) of the fuel cell system ( 10 ) downstream of the drain valve ( 36 ) a fuel collecting device ( 38 ) which is connected to the anode supply path ( 24 ) and is adapted to temporarily receive anode exhaust gas, characterized in that the fuel collecting device ( 38 ) Has means for separating hydrogen from the anode exhaust gas.

Fuel cell system ( 10 ) according to claim 1, characterized in that the fuel collecting device ( 38 ) via a recirculation line ( 32 ) with the anode supply path ( 24 ) is interconnected.

Fuel cell system ( 10 ) according to claim 1 or 2, characterized in that the means for separating hydrogen from the exhaust gas is a membrane ( 46 ).

Fuel cell system ( 10 ) according to one of the preceding claims, characterized in that downstream of the fuel collecting device ( 38 ) a valve ( 52 ) is arranged.

Fuel cell system ( 10 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the anode exhaust gas path ( 26 ) with the cathode exhaust path ( 30 ) connected is.

Fuel cell system ( 10 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the fuel cell system ( 10 ) Means for active or passive pressure reduction in the fuel collecting device ( 38 ) having.

Fuel cell system ( 10 ) according to claim 6, characterized in that as means for active pressure reduction in the anode exhaust gas path ( 26 ) downstream of the fuel collector ( 38 ) a vacuum pump ( 54 ) is arranged.

Fuel cell system ( 10 ) according to claim 6, characterized in that as a means for passive pressure reduction, the fuel collecting device ( 38 ) by means of a Venturi nozzle with the anode supply path ( 24 ) or the cathode exhaust path ( 30 ) is interconnected.

Fuel cell system ( 10 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the recirculation line ( 32 ) with the fuel collecting device ( 38 ) is interconnected.

Fuel cell system ( 10 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the fuel collecting device ( 38 ) an outlet ( 44 ) to the recirculation line ( 32 ) and an outlet ( 42 ) to the anode exhaust path ( 26 ), wherein the fuel collecting device ( 38 ) for the delivery of separated hydrogen through the outlet ( 44 ) to the recirculation line ( 32 ) is trained.