DE102015220641A1 - Anordnung für eine Kathoden-Rezirkulation einer Brennstoffzelle sowie Verfahren zur Kathoden-Rezirkulation - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung für eine Kathoden-Rezirkulation einer Brennstoffzelle (10) eines Brennstoffzellensystems (1) mit einer Kathodenversorgung (30) für die Brennstoffzelle (10), aufweisend einen Kathoden-Versorgungspfad (31) und einen Kathoden-Abgaspfad (32), und an die Kathodenversorgung (30) ein Spülkreis (50) eines Stapelgehäuses (16) der Brennstoffzelle (10) fluidmechanisch angeschlossen ist, wobei mittels eines Rezirkulations-Fluiddruckerzeugers (33, 53) in der Kathodenversorgung (30) und/oder im Spülkreis (50), ein Rezirkulationsfluid (7) in der Kathodenversorgung (30) und im Spülkreis (50) zirkulierbar ist. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Kathoden-Rezirkulation einer Brennstoffzelle (10) eines Brennstoffzellensystems (1) eines Fahrzeugs, insbesondere eines Elektrofahrzeugs, wobei ein Rezirkulationsfluid (7) durch einen Kathoden-Versorgungspfad (31), durch die Kathodenräume der Brennstoffzelle (10) und durch einen Kathoden-Abgaspfad (32) hindurchgefördert wird, und das Rezirkulationsfluid (7) ferner durch einen Spülkreis (50) für ein Stapelgehäuse (16) der Brennstoffzelle (10) sowie das Stapelgehäuse (16) hindurchgefördert wird.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Anordnung für eine Kathoden-Rezirkulation einer Brennstoffzelle eines Brennstoffzellensystems. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Kathoden-Rezirkulation sowie ein Verfahren zum Stapelgehäuse-Spülen einer Brennstoffzelle eines Brennstoffzellensystems. Ferner betrifft die Erfindung ein Brennstoffzellensystem und/oder ein Fahrzeug, insbesondere ein Elektrofahrzeug, mit einem solchen Brennstoffzellensystem.
• Eine Brennstoffzelle nutzt eine elektrochemische Umsetzung eines Brennstoffs mit Sauerstoff zu Wasser zur Erzeugung elektrischer Energie. Hierfür enthält die Brennstoffzelle als eine Kernkomponente wenigstens eine sogenannte Membran-Elektroden-Einheit (englisch MEA für Membrane Electrode Assembly), welche ein Gefüge aus einer ionenleitenden, oft protonenleitenden, Membran und beidseitig an der Membran angeordneten Elektroden, einer Anodenelektrode und einer Kathodenelektrode, ist. Zudem können Gasdiffusionslagen (GDL) beidseitig der Membran-Elektroden-Einheit an den der Membran abgewandten Seiten der Elektroden angeordnet sein.
• In der Regel ist die Brennstoffzelle mittels einer Vielzahl von in einem Stapel (englisch Stack) angeordneter Membran-Elektroden-Einheiten ausgebildet, wobei sich deren elektrische Leistungen in einem Betrieb der Brennstoffzelle addieren. Zwischen den einzelnen Membran-Elektroden-Einheiten sind meist Bipolarplatten, auch Flussfeldplatten oder Separatorplatten genannt, angeordnet, welche eine Versorgung der Membran-Elektroden-Einheiten, also einer Versorgung der Einzelzellen der Brennstoffzelle, mit den Betriebsmedien, den sogenannten Reaktanten, sicherstellen und üblicherweise auch einer Kühlung dienen. Zudem sorgen die Bipolarplatten für einen elektrischen Kontakt zu den Membran-Elektroden-Einheiten.
• In einem Betrieb der Einzelzellen der Brennstoffzelle wird der Brennstoff, ein sogenanntes Anoden-Betriebsmedium, insbesondere Wasserstoff (H₂) oder ein wasserstoffhaltiges Gasgemisch, über ein anodenseitig offenes Flussfeld der Bipolarplatten den Anodenelektroden zugeführt, wo eine elektrochemische Oxidation von H₂ zu H⁺ unter einer Abgabe von Elektronen (e^–) stattfindet (H₂ → 2H⁺ + 2e^–). Durch die Membranen beziehungsweise Elektrolyten der Membran-Elektroden-Einheiten hindurch, welche die Reaktionsräume gasdicht voneinander trennen und elektrisch isolieren, erfolgt ein wassergebundener oder wasserfreier Transport von Protonen (H⁺) von den Anodenelektroden (zusammengesetzte Anode der Brennstoffzelle) in den Anodenräumen der Einzelzellen zu den Kathodenelektroden (zusammengesetzte Kathode der Brennstoffzelle) in den Kathodenräumen der Einzelzellen. Die an der Anode bereitgestellten Elektronen werden über eine elektrische Leitung und einen elektrischen Verbraucher (Elektromotor) der Kathode zugeleitet.
• Den Kathodenelektroden wird über ein kathodenseitig offenes Flussfeld der Bipolarplatten, ein sogenanntes Kathoden-Betriebsmedium, insbesondere Sauerstoff (O₂) oder ein sauerstoffhaltiges Gasgemisch, zum Beispiel Luft, zugeführt, wobei eine Reduktion von O₂ zu O^2– unter einer Aufnahme von Elektronen stattfindet (½O₂ + 2e^– → O^2–). Gleichzeitig reagieren an den Kathodenelektroden gebildete Sauerstoffanionen (O^2–) mit den durch die Membranen beziehungsweise Elektrolyten hindurch transportierten Protonen unter einer Bildung von Wasser (O^2– + 2H⁺ → H₂O).
• Um einen Brennstoffzellenstapel, nachfolgend hauptsächlich als Brennstoffzelle bezeichnet, mit Betriebsmedien zu versorgen, weist dieser beziehungsweise diese einerseits eine Anodenversorgung und andererseits eine Kathodenversorgung auf. Die Anodenversorgung weist einen Anoden-Versorgungspfad für ein Zuführen des Anoden-Betriebsmediums in die Anodenräume der Brennstoffzelle hinein und einen Anoden-Abgaspfad für ein Abführen eines Anoden-Abgases aus den Anodenräumen heraus auf. Analog weist die Kathodenversorgung einen Kathoden-Versorgungspfad für ein Zuführen des Kathoden-Betriebsmediums in die Kathodenräume der Brennstoffzelle hinein und einen Kathoden-Abgaspfad für ein Abführen eines Kathoden-Abgases aus den Kathodenräumen heraus auf.
• Maßgeblich für eine Lebensdauer eines Brennstoffzellensystems 1, siehe auch den Stand der Technik in der 2, ist eine Vermeidung von Zuständen, welche die Brennstoffzelle 10 selbst schädigen. Solch eine Schädigung, insbesondere eine Degradation, tritt unter anderem dann auf, wenn sich bei einem Start der Brennstoffzelle 10 anodenseitig wie kathodenseitig der Membranen der Einzelzellen 11 Sauerstoff befindet (Problem eines Luft-Luft-Starts). Aus diesem Grund sollte vonseiten des Brennstoffzellensystems 1 und einer Betriebsstrategie gewährleistet sein, dass derartige Zustände lediglich selten auftreten. Unter anderem entscheidend dafür ist, wie das Brennstoffzellensystem 1 heruntergefahren wird. Hierbei wird beim Herunterfahren des Brennstoffzellensystems 1 die Kathodenversorgung 30 so gut es geht von einem Sauerstoff evakuiert. Dies erfolgt meist durch eine Kathoden-Rezirkulation für ein Abreagieren des restlichen, vorhandenen Sauerstoffs, sodass sich wenigstens an der Brennstoffzelle 10 in der Kathodenversorgung 30 im Wesentlichen nur noch Stickstoff in einem Kathodenfluid befindet.
• Im Zuge einer Weiterentwicklung einer Brennstoffzelle 10 wird angestrebt, ein Platingehalt der Elektroden weiter signifikant zu verringern, um Kosten zu sparen. In der Folge ist es umso wichtiger, schädliche Betriebszustände zu vermeiden, um eine angestrebte Lebensdauer der Brennstoffzelle 10 zu erreichen. Ferner kann nicht verhindert werden, dass Wasserstoff aus der Brennstoffzelle 10 in die Umgebung diffundiert. Zum Schutz der Brennstoffzelle 10 ist zusätzlich ein Stapelgehäuse 16 notwendig, wodurch sich gegebenenfalls Wasserstoff innerhalb des Stapelgehäuses 16 ansammeln kann. Zur Vermeidung eines brennbaren Gemischs innerhalb des Stapelgehäuses 16 ist eine Gehäusebelüftungsstrecke 51 durch das Stapelgehäuse 16 hindurchgehend vorgesehen. Darüber hinaus können zum Nachweis der Einhaltung von gesetzlichen Emissionsvorschriften an den Fluidausgängen sowohl des Kathoden-Abgaspfads 32 als auch des Stapelgehäuses 16 Wasserstoffsensoren 44, 54 angewendet sein, mittels welchen ein gegebenenfalls in die Umgebung entweichender Wasserstoff sensierbar ist.
• Im Stand der Technik erfolgt ein Schutz der Brennstoffzelle 10 ferner mittels Verwendung von vergleichsweise fluiddichten Absperrventilen 45, 46 in der Kathodenversorgung 30 vergleichsweise nah an der Kathode für ein Abschotten der Brennstoffzelle 10 von der Umgebung 2. Darüber hinaus ist meist eine Kathoden-Rezirkulation mittels eines Kathodenverdichters 33 eingerichtet. Des Weiteren kann ein erhöhter Gehalt an Platin in den Elektroden zur Kompensation der Degradation angewendet werden. Eine zur Kathoden-Rezirkulation parallele Belüftung des Stapelgehäuses 16 erfolgt im Stand der Technik mittels eines Gehäuselüfters 53. Alternativ kann die Belüftung mittels einer Strahlpumpe realisiert sein. All dies erfordert einen vergleichsweise großen Bauraumbedarf, zusätzliche Bauteile und hohe Anforderungen an die Absperrventile 45, 46 hinsichtlich Dichtigkeit, wobei eine wünschenswerte vollständige Dichtheit nicht erreicht werden kann. Ferner können sich im Frostfall Probleme beim Öffnen der Absperrventile 45, 46 ergeben. Neben einem erhöhten Aufwand bei einer Herstellung, Montage und Wartung des Brennstoffzellensystems ergeben sich erhöhte Kosten.
• Es ist eine Aufgabe der Erfindung, einer Degradation der Brennstoffzelle zu begegnen, ohne dabei einen erhöhten Edelmetallgehalt in den Elektroden für eine Kompensation der Degradation anzuwenden, sondern den Edelmetallgehalt in den Elektroden beizubehalten oder senken zu können. Das heißt vonseiten eines Brennstoffzellensystems und einer Betriebsstrategie soll erfindungsgemäß gewährleistet sein, dass Luft-Luft-Starts der Brennstoffzelle höchstens selten auftreten. Dies soll mit einfachen und kostengünstigen Mitteln realisierbar und durchführbar sein.
• Die Aufgabe der Erfindung ist mittels einer Anordnung für eine Kathoden-Rezirkulation einer Brennstoffzelle eines Brennstoffzellensystems, durch ein Verfahren zur Kathoden-Rezirkulation einer Brennstoffzelle, durch ein Verfahren zum Stapelgehäuse-Spülen einer Brennstoffzelle, mittels eines Brennstoffzellensystems und/oder mittels eines Fahrzeugs, insbesondere eines Elektrofahrzeugs, gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen, zusätzliche Merkmale und/oder Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen und der folgenden Beschreibung.
• Die erfindungsgemäße Anordnung für eine Kathoden-Rezirkulation umfasst eine Kathodenversorgung für die Brennstoffzelle, mit einem Kathoden-Versorgungspfad und einem Kathoden-Abgaspfad, wobei an die Kathodenversorgung ein Spülkreis eines Stapelgehäuses der Brennstoffzelle fluidmechanisch angeschlossen ist, und mittels eines Rezirkulations-Fluiddruckerzeugers in der Kathodenversorgung und/oder im Spülkreis, ein Rezirkulationsfluid in der Kathodenversorgung und im Spülkreis zirkulierbar ist. Hierbei können die Kathodenräume der Brennstoffzelle einen Abschnitt der Anordnung bilden, wobei die Kathodenräume fluidmechanisch zwischen den Kathoden-Versorgungspfad und den Kathoden-Abgaspfad geschaltet sind.
• Gemäß der Erfindung erfolgt eine Kombination einer Funktionalität einer herkömmlichen Gehäusebelüftung der Brennstoffzelle mit einer Funktionalität einer herkömmlichen Rezirkulation an der Kathode des Brennstoffzellensystems. Bei der erfindungsgemäßen Kathoden-Rezirkulation erfolgt die Gehäusebelüftung durch den Spülkreis und die Rezirkulation an der Kathode durch die Kathodenversorgung hindurch gemeinsam beziehungsweise gleichzeitig mittels eines verbleibenden Fluids in der Kathodenversorgung sowie im Spülkreis (Rezirkulationsfluid). Das Rezirkulationsfluid setzt sich dabei aus einem Fluid im Kathoden-Versorgungspfad, meistens also Luft, einem Fluid im Kathoden-Abgaspfad, also einem Kathoden-Abgas, und einem Fluid im Spülkreis, meistens ebenfalls Luft, zusammen.
• Da im Brennstoffzellensystem eine Belüftung des Stapelgehäuses der Brennstoffzelle ohnehin benötigt wird, wird gemäß der Erfindung kein zusätzliches Bauteil benötigt. Das heißt, es können aktuell verfügbare und kostengünstige Komponenten verwendet werden. Es muss lediglich ein Fluidauslass der Gehäusebelüftungsstrecke aus dem Stand der Technik an den Kathoden-Abgaspfad fluidmechanisch angeschlossen werden. Hierdurch kann ein Wasserstoffsensor eingespart werden, da sich der Spülkreis und die Kathodenversorgung denselben Fluidausgang im/am Kathoden-Abgaspfad teilen, welcher zum Zweck des Nachweises der Einhaltung der gesetzlichen Emissionsvorgaben einen Wasserstoffsensor aufweist.
• In Ausführungsbeispielen ist der Spülkreis einerseits mit dem Kathoden-Versorgungspfad und andererseits mit dem Kathoden-Abgaspfad fluidmechanisch gekoppelt. Hierbei ist der Spülkreis bevorzugt stromaufwärts eines Kathodenverdichters, insbesondere an einem Luftfilter, an den Kathoden-Versorgungspfad fluidmechanisch angeschlossen. Ferner ist der Spülkreis bevorzugt stromabwärts einer Kathodenturbine, insbesondere stromaufwärts des Wasserstoffsensors, an den Kathoden-Abgaspfad fluidmechanisch angeschlossen.
• Mittels eines vergleichsweise großen, von Sauerstoff evakuierbaren Volumens (Kathodenversorgung plus vergleichsweise voluminöser Spülkreis) ergibt sich ein zeitlich langer Schutz vor einem kathodenseitigen Sauerstoffeintrag in die Brennstoffzelle und von dort über die Membranen der Membran-Elektroden-Einheiten der Brennstoffzelle auf eine Anodenseite der Brennstoffzelle. Gegebenenfalls kann gemäß der Erfindung ein Absperrventil entfallen, falls der Luftfilter diese Funktionalität übernehmen kann.
• In Ausführungsbeispielen ist der Rezirkulations-Fluiddruckerzeuger als ein Kathodenverdichter am/im Kathoden-Versorgungspfad oder als ein Gehäuselüfter am/im Spülkreis ausgebildet. Bei der Verwendung des Gehäuselüfters als Rezirkulations-Fluiddruckerzeuger ergibt sich gemäß der Erfindung ein Energieeinsprung, da der Gehäuselüfter im Vergleich mit dem Kathodenverdichter eine vergleichsweise geringe Leistungsaufnahme besitzt. In Ausführungsbeispielen ist am/im Kathoden-Abgaspfad stromabwärts eines fluidmechanischen Anschlusses des Spülkreises an den Kathoden-Abgaspfad ein Stellmittel, insbesondere ein Absperrventil, vorgesehen. Die Spezifizierung ‚stromabwärts’ bezieht sich hier auf eine Fluidflussrichtung eines Kathoden-Abgases in einem normalen Betriebszustand der Brennstoffzelle.
• Gemäß der Erfindung sind für die Kathoden-Rezirkulation der Kathoden-Versorgungspfad, der Kathoden-Abgaspfad und der Spülkreis fluidmechanisch in Reihe geschaltet. Mit dem Kathodenverdichter als Rezirkulations-Fluiddruckerzeuger sind ausgehend vom Kathodenverdichter der Kathoden-Versorgungspfad, die Kathodenräume der Brennstoffzelle, der Kathoden-Abgaspfad (also die Kathodenversorgung) und der Spülkreis (inklusive des Stapelgehäuses der Brennstoffzelle) vom Rezirkulationsfluid durchströmbar. Mit dem Gehäuselüfter als Rezirkulations-Fluiddruckerzeuger ist ausgehend vom Gehäuselüfter ein Teil des Spülkreises (bevorzugt inklusive des Stapelgehäuses der Brennstoffzelle), der Kathoden-Abgaspfad, die Kathodenräume der Brennstoffzelle, der Kathoden-Versorgungspfad (also die Kathodenversorgung) und wiederum ein Teil des Spülkreises (gegebenenfalls inklusive des Stapelgehäuses der Brennstoffzelle) vom Rezirkulationsfluid durchströmbar.
• Gemäß der Erfindung kann ferner ein einfaches Stapelgehäuse-Spülen erfolgen, wobei eine aus der Umgebung angesaugte Luft mittels des Gehäuselüfters einmal durch den Gehäusebelüftungskreis als Spülstrecke und von dort über einen fluidmechanischen Anschluss des Gehäusebelüftungskreises an den Kathoden-Abgaspfad durch den diesbezüglich stromabwärtigen Kathoden-Abgaspfad hindurch in die Umgebung transportierbar beziehungsweise förderbar ist.
• Bei dem erfindungsgemäßen Rezirkulations-Verfahren wird ein Rezirkulationsfluid durch einen Kathoden-Versorgungspfad, durch die Kathodenräume der Brennstoffzelle und durch einen Kathoden-Abgaspfad hindurchtransportiert beziehungsweise gefördert, wobei das Rezirkulationsfluid ferner durch einen Spülkreis für ein Stapelgehäuse der Brennstoffzelle sowie das Stapelgehäuse hindurchtransportiert beziehungsweise gefördert wird. Hierbei ergeben sich, auch bei den nachfolgend genannten Ausführungsbeispielen, wiederum oben genannte Vorteile.
• In Ausführungsbeispielen wird mittels des Rezirkulations-Fluiddruckerzeugers das Rezirkulationsfluid durch den Kathoden-Versorgungspfad, die Kathodenräume der Brennstoffzelle, den Kathoden-Abgaspfad und den Spülkreis inklusive des Stapelgehäuses, beziehungsweise vice versa, derart lange zirkuliert, bis im Wesentlichen ein gesamter Sauerstoff im Rezirkulationsfluid abreagiert ist. Ferner kann das Rezirkulationsfluid mittels eines Rezirkulations-Fluiddruckerzeugers transportiert beziehungsweise gefördert werden, wobei der Rezirkulations-Fluiddruckerzeuger bevorzugt als ein Kathodenverdichter am/im Kathoden-Versorgungspfad und/oder bevorzugt als ein Gehäuselüfter am/im Spülkreis ausgebildet ist.
• In Ausführungsbeispielen wird für den Fall, dass mittels des Kathodenverdichters als Rezirkulations-Fluiddruckerzeuger das Rezirkulationsfluid transportiert beziehungsweise gefördert wird, der Gehäuselüfter inaktiv geschaltet beziehungsweise der Gehäuselüfter ist inaktiv geschaltet. Ferner kann für den Fall, dass mittels des Gehäuselüfters als Rezirkulations-Fluiddruckerzeuger das Rezirkulationsfluid transportiert beziehungsweise gefördert wird, der Kathodenverdichter inaktiv geschaltet sein beziehungsweise der Kathodenverdichter wird inaktiv geschaltet.
• Bei dem erfindungsgemäßen Stapelgehäuse-Spülverfahren wird mittels eines Gehäuselüfters ein Spülfluid durch eine Spülstrecke und ein Stapelgehäuse einer Brennstoffzelle hindurchgespült, wobei das Spülfluid ferner durch einen stromabwärtigen Abschnitt eines Kathoden-Abgaspfads hindurchgespült und von dort in die Umgebung entlassen wird. Das heißt eine eigentliche Spülstrecke umfasst die Spülstrecke durch das Stapelgehäuse, einen fluidmechanischen Anschluss der Spülstrecke an den Kathoden-Abgaspfad stromaufwärts des Wasserstoffsensors sowie einen diesbezüglich stromabwärtigen Kathoden-Abgaspfad bis an die Umgebung. Hierbei wird das Spülfluid, meist Luft aus der Umgebung bevorzugt direkt an einem Luftfilter beziehungsweise einem Luftfilterkasten angesaugt.
• Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem für ein Fahrzeug, insbesondere ein Elektrofahrzeug, oder das erfindungsgemäße Fahrzeug, insbesondere das Elektrofahrzeug, kann eine erfindungsgemäße Anordnung für eine Kathoden-Rezirkulation aufweisen. Ferner sind durch das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem oder das erfindungsgemäße Fahrzeug ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Kathoden-Rezirkulation (Rezirkulations-Verfahren) und/oder ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Stapelgehäuse-Spülen (Stapelgehäuse-Spülverfahren) durchführbar.
• Die Erfindung ist im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügte schematische Zeichnung näher erläutert. Elemente, Bauteile oder Komponenten, welche eine identische, univoke oder analoge Ausbildung und/oder Funktion besitzen, sind in der Figurenbeschreibung, der Bezugszeichenliste und den Patentansprüchen mit denselben Bezugszeichen versehen und/oder in den Figuren der Zeichnung mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet. Mögliche, in der Beschreibung nicht erläuterte, in der Zeichnung nicht dargestellte und/oder nicht abschließende Alternativen, statische und/oder kinematische Umkehrungen, Kombinationen et cetera zu den erläuterten Ausführungsbeispielen der Erfindung beziehungsweise einzelnen Baugruppen, Teilen oder Abschnitten davon, können der Bezugszeichenliste entnommen werden.
• Sämtliche erläuterten Merkmale, auch die der Bezugszeichenliste, sind nicht nur in der angegebenen Kombination beziehungsweise den angegebenen Kombinationen, sondern auch in einer anderen Kombination beziehungsweise anderen Kombinationen oder in Alleinstellung anwendbar. Insbesondere ist es möglich, anhand der Bezugszeichen und den diesen zugeordneten Merkmalen in der Beschreibung der Erfindung, der Figurenbeschreibung und/oder der Bezugszeichenliste, ein Merkmal oder eine Mehrzahl von Merkmalen in der Beschreibung der Erfindung und/oder der Figurenbeschreibung zu ersetzen. Ferner kann dadurch ein Merkmal oder können eine Mehrzahl von Merkmalen in den Patentansprüchen ausgelegt, näher spezifiziert und/oder substituiert werden. In den Figuren der Zeichnung zeigen:
• 1 ein vereinfachtes Blockschaltbild einer bevorzugten Ausführungsform eines Brennstoffzellensystems gemäß der Erfindung;
• 2 ein Blockschaltbild einer Kathodenversorgung sowie einer Gehäusebelüftungsstrecke für eine Brennstoffzelle gemäß dem Stand der Technik;
• 3 ein Blockschaltbild einer ersten Ausführungsform einer Kathodenversorgung sowie eines Spülkreises für eine erfindungsgemäße Brennstoffzelle, mit einem Gehäuselüfter als einen Rezirkulations-Fluiddruckerzeuger;
• 4 ein Blockschaltbild, welches verdeutlicht, wo der Spülkreis an die Kathodenversorgung als Anordnung zur Kathoden-Rezirkulation der Brennstoffzelle fluidmechanisch ankoppelbar ist; und
• 5 ein Blockschaltbild einer zweiten Ausführungsform einer Kathodenversorgung sowie eines Spülkreises für eine erfindungsgemäße Brennstoffzelle, mit einem Kathodenverdichter als einen Rezirkulations-Fluiddruckerzeuger.
• Die Erfindung ist anhand zweier Ausführungsformen einer Anordnung für eine Kathoden-Rezirkulation für eine Brennstoffzelle 10 eines Brennstoffzellensystems 1 für ein Fahrzeug sowie ein Verfahren zur Kathoden-Rezirkulation und einem Verfahren zum Stapelgehäuse-Spülen einer Brennstoffzelle 10 eines Brennstoffzellensystems 1 eines Fahrzeugs näher erläutert. Die Erfindung ist jedoch nicht auf solche Ausführungsformen und/oder die nachfolgend erläuterten Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern ist von grundlegenderer Natur, sodass sie auf sämtliche Anordnungen für eine Kathoden-Rezirkulation sowie Verfahren zur Kathoden-Rezirkulation und/oder zum Stapelgehäuse-Spülen, zum Beispiel für stationäre Brennstoffzellensysteme, angewendet werden kann. Obwohl die Erfindung im Detail durch bevorzugte Ausführungsbeispiele näher beschrieben und illustriert ist, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Ausführungsbeispiele eingeschränkt. Andere Variationen können hieraus abgeleitet werden ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
• Die 1 zeigt ein Brennstoffzellensystem 1 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung. Das Brennstoffzellensystem 1 ist bevorzugt Teil eines nicht weiter dargestellten Fahrzeugs, insbesondere eines Kraftfahrzeugs oder eines Elektrofahrzeugs, welches bevorzugt einen Elektrotraktionsmotor aufweist, das beziehungsweise welcher durch das Brennstoffzellensystem 1 mit elektrischer Energie versorgbar ist.
• Das Brennstoffzellensystem 1 umfasst als eine Kernkomponente eine Brennstoffzelle 10 beziehungsweise einen Brennstoffzellenstapel 10, welche beziehungsweise welcher bevorzugt eine Vielzahl von in Stapelform angeordneten Brennstoffzellen – nachfolgend als Einzelzellen 11 bezeichnet – aufweist und in einem fluiddichten Stapelgehäuse 16 untergebracht ist. Jede Einzelzelle 11 umfasst einen Anodenraum 12 und einen Kathodenraum 13, wobei der Anodenraum 12 und der Kathodenraum 13 von einer Membran (Teil einer Membran-Elektroden-Einheit 14 siehe unten), bevorzugt einer ionenleitfähigen Polymerelektrolyt-Membran, räumlich und elektrisch voneinander getrennt sind (siehe Detailausschnitt). Der Brennstoffzellenstapel 10 wird auch einfach als Brennstoffzelle 10 bezeichnet.
• Die Anodenräume 12 und die Kathodenräume 13 der Brennstoffzelle 10 weisen begrenzend jeweils eine katalytische Elektrode (Teil der Membran-Elektroden-Einheit 14, siehe im Folgenden), das heißt eine Anodenelektrode und eine Kathodenelektrode, auf, welche jeweils eine Teilreaktion einer Brennstoffzellen-Umsetzung katalysieren. Die Anodenelektrode und die Kathodenelektrode weisen jeweils ein katalytisches Material, beispielsweise Platin, auf, welches auf einem elektrisch leitfähigen Trägermaterial mit einer großen spezifischen Oberfläche, beispielsweise einem kohlenstoffbasierten Material, geträgert vorliegt.
• Ein Gefüge aus einer Membran und dazugehörigen Elektroden wird auch als eine Membran-Elektroden-Einheit 14 bezeichnet. Zwischen zwei solchen Membran-Elektroden-Einheiten 14 (in der 1 ist lediglich eine einzelne Membran-Elektroden-Einheit 14 angedeutet) ist ferner eine angedeutete Bipolarplatte 15 angeordnet, welche einer Zuführung von Betriebsmedien 3, 5 in einen betreffenden Anodenraum 12 einer ersten Einzelzelle 11 und einen betreffenden Kathodenraum 13 einer direkt dazu benachbarten zweiten Einzelzelle 11 dient und darüber hinaus eine elektrische Verbindung zwischen den zwei direkt zueinander benachbarten Einzelzellen 11 realisiert.
• Zwischen einer Bipolarplatte 15 und einer direkt dazu benachbarten Anodenelektrode einer Membran-Elektroden-Einheit 14 ist ein Anodenraum 12 und zwischen einer Kathodenelektrode derselben Membran-Elektroden-Einheit 14 und einer direkt dazu benachbarten zweiten Bipolarplatte 15 ist ein Kathodenraum 13 ausgebildet. Optional können Gasdiffusionslagen zwischen den Membran-Elektroden-Einheiten 14 und den Bipolarplatten 15 angeordnet sein. Im Brennstoffzellenstapel 10 beziehungsweise in der Brennstoffzelle 10 sind also Membran-Elektroden-Einheiten 14 und Bipolarplatten 15 abwechselnd angeordnet beziehungsweise gestapelt.
• Zur Versorgung des Brennstoffzellenstapels 10 beziehungsweise der Brennstoffzelle 10 mit den Betriebsmedien 3, 5 weist das Brennstoffzellensystem 1 einerseits eine Anodenversorgung 20 und andererseits eine Kathodenversorgung 30 auf.
• Die Anodenversorgung 20 umfasst einen Anoden-Versorgungspfad 21, welcher einer Zuführung eines Anoden-Betriebsmediums 3, einem Brennstoff 3, beispielsweise Wasserstoff 3 oder einem wasserstoffhaltigen Gasgemisch 3, in die Anodenräume 12 der Brennstoffzelle 10 dient. Zu diesem Zweck verbindet der Anoden-Versorgungspfad 21 einen Brennstoffspeicher 23 oder Brennstofftank 23 mit einem Anodeneingang der Brennstoffzelle 10. Die Anodenversorgung 20 umfasst ferner einen Anoden-Abgaspfad 22, welcher ein Anoden-Abgas 4 aus den Anodenräumen 12 durch einen Anodenausgang der Brennstoffzelle 10 hindurch abführt. Ein aufgebauter Anoden-Betriebsdruck auf einer Anodenseite der Brennstoffzelle 10 ist bevorzugt mittels eines Stellmittels 24 im Anoden-Versorgungspfad 21 einstellbar.
• Darüber hinaus weist die Anodenversorgung 20 bevorzugt eine Brennstoff-Rezirkulationsleitung 25 auf, welche den Anoden-Abgaspfad 22 mit dem Anoden-Versorgungspfad 21 fluidmechanisch verbindet. Eine Rezirkulation des Anoden-Betriebsmediums 3, also dem eigentlich bevorzugt zu tankenden Brennstoff 3, ist oft eingerichtet, um das zumeist überstöchiometrisch eingesetzte Anoden-Betriebsmedium 3 der Brennstoffzelle 10 zurückzuführen und zu nutzen. In der Brennstoff-Rezirkulationsleitung 25 ist bevorzugt ein weiteres Stellmittel 26 angeordnet, mittels welchem eine Rezirkulationsrate einstellbar ist. Ferner kann an/in der Brennstoff-Rezirkulationsleitung 25 ein Verdichter vorgesehen sein (nicht dargestellt).
• Die Kathodenversorgung 30 umfasst einen Kathoden-Versorgungspfad 31, welcher den Kathodenräumen 13 der Brennstoffzelle 10 ein sauerstoffhaltiges Kathoden-Betriebsmedium 5, bevorzugt Luft 5, zuführt, welche insbesondere aus der Umgebung 2 angesaugt wird. Die Kathodenversorgung 30 umfasst ferner einen Kathoden-Abgaspfad 32, welcher ein Kathoden-Abgas 6, insbesondere eine Abluft 6, aus den Kathodenräumen 13 der Brennstoffzelle 10 abführt und dieses einer gegebenenfalls vorgesehenen Abgaseinrichtung 43 (in 1 nicht dargestellt, siehe die 2 bis 5) zuführt.
• Für eine Förderung und Verdichtung des Kathoden-Betriebsmediums 5 ist/am im Kathoden-Versorgungspfad 31 bevorzugt ein Kathodenverdichter 33 angeordnet. In der dargestellten Ausführungsform ist der Kathodenverdichter 33 als ein ausschließlich oder auch elektromotorisch angetriebener Kathodenverdichter 33 ausgestaltet, dessen Antrieb mittels eines Elektromotors 34 oder eines Antriebs 34 erfolgt, welcher bevorzugt mit einer entsprechenden Leistungselektronik 35 ausgestattet ist. Bevorzugt ist der Kathodenverdichter 33 als ein elektrischer Turbolader (englisch ETC für Electric Turbo Charger) ausgebildet. Der Kathodenverdichter 33 kann ferner durch eine im Kathoden-Abgaspfad 32 angeordnete Kathodenturbine 36 mit gegebenenfalls variabler Turbinengeometrie, unterstützend mittels einer gemeinsamen Welle (in 1 nicht dargestellt, siehe die 2 bis 5) antreibbar sein. Die Kathodenturbine 36 stellt einen Expander dar, welcher eine Expansion des Kathoden-Abgases 6 und somit eine Absenkung dessen Fluiddrucks bewirkt (Steigerung eines Wirkungsgrads des Brennstoffzellensystems 1).
• Die Kathodenversorgung 30 kann gemäß der dargestellten Ausführungsform ferner ein Wastegate 37 beziehungsweise eine Wastegate-Leitung 37 aufweisen, welches beziehungsweise welche den Kathoden-Versorgungspfad 31 beziehungsweise eine Kathoden-Versorgungsleitung mit dem Kathoden-Abgaspfad 32 beziehungsweise einer Kathoden-Abgasleitung verbindet, also einen Bypass für die Brennstoffzelle 10 darstellt. Das Wastegate 37 erlaubt es, einen Massenstrom des Kathoden-Betriebsmediums 5 kurzfristig in der Brennstoffzelle 10 zu reduzieren, ohne den Kathodenverdichter 33 herunterzufahren oder die Brennstoffzelle 10 mit einem entsprechenden Massenstrom des Kathoden-Betriebsmediums 5 zu versorgen, welcher außerhalb eines Betriebsbereichs des Kathodenverdichters 33 liegt. Ein im Wastegate 37 angeordnetes Stellmittel 38 erlaubt eine Einstellung eines Volumenstroms des die Brennstoffzelle 10 gegebenenfalls umgehenden Kathoden-Betriebsmediums 5.
• Sämtliche Stellmittel 24, 26, 38, 47, 48 (siehe auch unten) des Brennstoffzellensystems 1 können als regelbare, steuerbare oder nicht regelbare Ventile, Klappen, Drosseln et cetera ausgebildet sein. Zur weiteren Isolierung (vergleiche die 2) der Brennstoffzelle 10 von der Umgebung 2 kann wenigstens ein weiteres entsprechendes Stellmittel (45), (46) in einem Anoden-Pfad (21), (22) und/oder einem Kathoden-Pfad 31, 32 beziehungsweise einer Leitung des Anoden-Pfads (21), (22) und/oder einer Leitung des Kathoden-Pfads 31, 32 angeordnet sein.
• Das bevorzugte Brennstoffzellensystem 1 weist ferner einen Feuchteübertrager 39 auf. Der Feuchteübertrager 39 ist einerseits derart im Kathoden-Versorgungspfad 31 angeordnet, dass er vom Kathoden-Betriebsmedium 5 durchströmbar ist. Andererseits ist der Feuchteübertrager derart im Kathoden-Abgaspfad 32 angeordnet, dass er vom Kathoden-Abgas 6 durchströmbar ist. Der Feuchteübertrager 39 ist einerseits im Kathoden-Versorgungspfad 31 bevorzugt zwischen dem Kathodenverdichter 33 und einem Kathodeneingang der Brennstoffzelle 10 und andererseits im Kathoden-Abgaspfad 32 zwischen einem Kathodenausgang der Brennstoffzelle 10 und der gegebenenfalls vorgesehenen Kathodenturbine 36 angeordnet. Ein Feuchteüberträger des Feuchteübertragers 39 weist bevorzugt eine Mehrzahl von Membranen auf, die oft entweder flächig (siehe 3) oder in Form von Hohlfasern (nicht dargestellt) ausgebildet sind.
• Verschiedene weitere Einzelheiten des Brennstoffzellensystems 1 beziehungsweise der Brennstoffzelle 10 / des Brennstoffzellenstapels 10, der Anodenversorgung 20 und der Kathodenversorgung 30 sind in der vereinfachten 1 aus Gründen einer Übersichtlichkeit nicht dargestellt. So kann der Feuchteübertrager 39 seitens des Kathoden-Versorgungspfads 31 (siehe einen Feuchteübertrager-Bypass 40 in den 3 bis 5) und/oder seitens des Kathoden-Abgaspfads 32 mittels einer Bypassleitung umgangen werden. Es kann ferner eine Turbinen-Bypassleitung seitens des Kathoden-Abgaspfads 32 vorgesehen sein, welche die Kathodenturbine 36 umgeht.
• Des Weiteren kann im Anoden-Abgaspfad 22 und/oder im Kathoden-Abgaspfad 32 ein Wasserabscheider verbaut sein, mittels welchem ein aus der betreffenden Teilreaktion der Brennstoffzelle 10 entstehendes Produktwasser kondensierbar und/oder abscheidebar und gegebenenfalls in einen Wassersammler ableitbar ist. Des Weiteren kann die Anodenversorgung 20 alternativ oder zusätzlich einen zur Kathodenversorgung 30 analogen Feuchteübertrager 39 aufweisen. Ferner kann der Anoden-Abgaspfad 22 in den Kathoden-Abgaspfad 32 beziehungsweise vice versa münden, wobei das Anoden-Abgas 4 und das Kathoden-Abgas 6 gegebenenfalls über die gemeinsame Abgaseinrichtung 43 (2 bis 5) abgeführt werden können.
• Eine Kathoden-(Re-)Zirkulation (siehe auch die gekrümmten Pfeile 30 in den 3 und 5) ist eine effektive Maßnahme, um eine vergleichsweise lange Zeitdauer zu verhindern, dass es in einem abgestellten Zustand der Brennstoffzelle 10 zu keinem Sauerstoffeintrag in die Kathodenräume 13 der Brennstoffzelle 10 und somit zu keinem Luft-Luft-Start bei einem erneuten Starten der Brennstoffzelle 10 kommt. Dabei wird ein in der Kathodenversorgung 30 verbleibendes Rezirkulationsfluid 7, meist eine Luft/Abgas-Mischung, derart lange in einem Kreislauf in der Kathodenversorgung 30 gefördert, bis im Wesentlichen sämtlicher Sauerstoff im Rezirkulationsfluid 7 kontrolliert abreagiert ist und nur noch Restbestandteile des Rezirkulationsfluids 7, also hauptsächlich Stickstoff, verbleiben.
• Die Erfindung besteht darin, dass eine aus dem Stand der Technik bekannte Gehäusebelüftungsstrecke 51 mit einem Fluidauslass 52 stromabwärts des Stapelgehäuses 16 der Brennstoffzelle 10 (siehe 2 und den eingangs genannten Stand der Technik) in die Kathoden-Rezirkulation miteinbezogen wird, wobei aus der Gehäusebelüftungsstrecke 51 ein gegebenenfalls temporärer Spülkreis 50 (siehe gekrümmte Pfeile 50 in den 3 und 5) der Brennstoffzelle 10 wird. Hierbei kann auf einen Wasserstoffsensor 54 am/im Fluidauslass 52 sowie den Fluidauslass 52 verzichtet werden (vergleiche 2). Gemäß der Erfindung mündet dabei der Spülkreis 50 einerseits am/im Kathoden-Versorgungspfad 31 sowie andererseits am/im Kathoden-Abgaspfad 32 beziehungsweise ist sowohl an den Kathoden-Versorgungspfad 31 sowie an den Kathoden-Abgaspfad 32 fluidmechanisch angeschlossen.
• Ferner besteht die Erfindung darin, dass für die Rezirkulation an der Kathode und auch ein gleichzeitiges Spülen des Spülkreises 50 – beides zusammen wird hier als Kathoden-Rezirkulation bezeichnet – ein Lüfter 53 als ein Rezirkulations-Fluiddruckerzeuger 53 anwendbar ist, der auch für eine Belüftung des Stapelgehäuses 16 angewendet wird. Gemäß der Erfindung kann solch ein Gehäuselüfter 53 das Rezirkulationsfluid 7 aus dem Kathoden-Versorgungspfad 31 direkt an einem Luftfilter 42 beziehungsweise einem Luftfilterkasten 42 ansaugen (siehe 3), das Rezirkulationsfluid 7 durch das Stapelgehäuse 16 fördern, dem Kathoden-Abgaspfad 32 zuführen, von wo aus das Rezirkulationsfluid 7 die Kathodenräume 13 der Brennstoffzelle 10 und den Kathoden-Versorgungspfad 31 bis zum Luftfilter 42 passiert, von wo aus das Rezirkulationsfluid 7 wieder in den Spülkreis 50 eintritt (gestrichelte Pfeile in der 3).
• Damit in einem abgestellten Zustand der Brennstoffzelle 10 die Kathodenversorgung 30 vom Rezirkulationsfluid 7 durchströmbar ist, ist ein zusätzliches Stellmittel 47, 48 (Stellmittel 48 ist in 4 lediglich angedeutet), insbesondere ein Absperrventil 47, 48, an/bei wenigstens einer der beiden Öffnungen der Kathodenversorgung 30 notwendig. Da im Kathoden-Abgaspfad 32 gegebenenfalls ohnehin zur Steuerung/Regelung eines Massenstroms beziehungsweise eines Fluiddrucks ein Stellmittel 47, zum Beispiel eine Klappe 47 oder das Absperrventil 47, benötigt wird, kann dieses dazu verwendet werden. Wenn im abgestellten Zustand der Brennstoffzelle 10 der Kathodenverdichter 33 ausgestellt und das Stellmittel 47 geschlossen ist, wird die Kathodenversorgung 30, zwischen einem fluidmechanischen Anschluss des Spülkreises 50 an den Kathoden-Abgaspfad 32 und einer Ansaugung des Spülkreises 50 am Kathoden-Versorgungspfad 3, in einer in einem Vergleich mit einem Normalbetrieb der Brennstoffzelle 10 umgekehrten Reihenfolge durchströmt.
• Nachdem kein Sauerstoff mehr in der Kathodenversorgung 30 und im Spülkreis 50 vorhanden ist, was an einer von der Brennstoffzelle 10 gelieferten elektrischen Spannung ersichtlich ist, kann das Brennstoffzellensystem 10 komplett ausgeschaltet werden. Optional kann die Kathode der Brennstoffzelle 10 zusätzlich zur Verringerung einer Sauerstoffdiffusion durch gegebenenfalls zusätzliche Ventile 47, 48 (siehe auch die 4) verschlossen werden, welche jedoch nicht zwingend notwendig hohe Anforderungen an eine Dichtigkeit besitzen. Hier können Standardklappen 47, 48 verwendet werden.
• Die 4 zeigt alternative Anschlussmöglichkeiten (gestrichelt) des Spülkreises 50 an die Kathodenversorgung 30. Grundsätzlich kann ein erster Fluidanschluss des Spülkreises 50 an der gesamten Strecke des Kathoden-Versorgungspfads 31 erfolgen. So kann der erste Fluidanschluss, in Bezug auf eine herkömmliche Strömungsrichtung im Kathoden-Versorgungspfad 31 beim Normalbetrieb der Brennstoffzelle 10, zum Beispiel stromaufwärts des Luftfilters 42, stromaufwärts des Kathodenverdichters 33, stromaufwärts oder stromabwärts eines Ladeluftkühlers 41, am/im Wastegate 37 (versorgungspfadseitig vor dem Stellmittel 38) oder stromabwärts des Feuchteübertragers 39 beziehungsweise des versorgungspfadseitigen Feuchteübertrager-Bypasses 40 erfolgen.
• Grundsätzlich kann ein zweiter Fluidanschluss des Spülkreises 50 an der gesamten Strecke des Kathoden-Abgaspfads 32 erfolgen. So kann der zweite Fluidanschluss, in Bezug auf eine herkömmliche Strömungsrichtung im Kathoden-Abgaspfad 32 beim Normalbetrieb der Brennstoffzelle 10, stromaufwärts oder stromabwärts des Feuchteübertragers 39 beziehungsweise eines abgaspfadseitigen Feuchteübertrager-Bypasses (nicht dargestellt), am/im Wastegate 37 (abgaspfadseitig vor dem Stellmittel 38), oder stromaufwärts oder stromabwärts der Kathodenturbine 36 erfolgen. Ferner kann ein Stellmittel (vergleiche 4) am/im Spülkreis 50 vorgesehen sein.
• Gemäß der Erfindung können sowohl der Gehäuselüfter 53 als auch der Kathodenverdichter 33 als Rezirkulation-Fluiddruckerzeuger 53, 33 für die Kathoden-Rezirkulation verwendet werden. Bevorzugt ist es, den Gehäuselüfter 53 zu verwenden, da dieser energetisch günstiger zu betreiben ist (siehe oben). Die 5 zeigt eine Kathoden-Rezirkulation mittels des Kathodenverdichters 33 als Rezirkulation-Fluiddruckerzeuger 33, wobei hier die Kathoden-Rezirkulation in einer zur Kathoden-Rezirkulation mittels des Gehäuselüfters 53 umgekehrten Reihenfolge erfolgt. Das heißt, dass ausgehend vom Kathodenverdichter 33 zunächst der Kathoden-Versorgungspfad 31 (abschnittsweise), die Kathodenräume 13 der Brennstoffzelle 10, der Kathoden-Abgaspfad 32, ein erster Abschnitt des Spülkreises 50, das Stapelgehäuse 16, ein zweiter Abschnitt des Spülkreises 50 und wieder der Kathoden-Versorgungspfad 31 (abschnittsweise) bis zum Kathodenverdichter 33 vom Rezirkulationsfluid 7 durchströmt werden (gestrichelte Pfeile in der 5).
• Auch lediglich ein Spülen des Stapelgehäuses 16 ist möglich (Funktionalität Stapelgehäuse-Spülen), wobei hierfür das Stellmittel 47 geöffnet ist. Gegebenenfalls ist das Stellmittel 48 geschlossen (nicht Ausführungsbeispiel gemäß 4). Hierbei saugt der Gehäuselüfter 53 Spülluft zum Beispiel am Luftfilter 42 beziehungsweise am Luftfilterkasten 42 an, transportiert diese durch den Spülkreis 50 inklusive des Stapelgehäuses 16 in den Kathoden-Abgaspfad 32 stromaufwärts des Wasserstoffsensors 44, von wo aus die Spülluft das offene Stellmittel 47 und gegebenenfalls eine Abgaseinrichtung 43 beziehungsweise einen Schalldämpfer 43 passiert und in die Umgebung 2 austritt.
• Bezugszeichenliste

1

Brennstoffzellensystem, Brennstoffzellenaggregat, bevorzugt für ein Fahrzeug mit einem Elektromotor, insbesondere einem Elektrotraktionsmotor

2

Umgebung

3

Betriebsmedium, Reaktant, insbesondere Anoden-Betriebsmedium, eigentlicher Brennstoff, bevorzugt Wasserstoff oder wasserstoffhaltiges Gasgemisch

4

Abgas inklusive flüssiges Wasser, insbesondere Anoden-Abgas

5

Betriebsmedium, Reaktant, insbesondere Kathoden-Betriebsmedium, bevorzugt Luft

6

Abgas inklusive flüssiges Wasser, insbesondere Kathoden-Abgas, bevorzugt Abluft

7

Rezirkulationsfluid: verbleibendes Fluid in der Kathodenversorgung 30 (inklusive der Kathodenräume 13) sowie des Spülkreises 50 (inklusive des Stapelgehäuses 16), Luft-Abgas-Mischung

10

Brennstoffzelle, Brennstoffzellenstapel

11

Einzelzelle mit Anodenelektrode der Anode der Brennstoffzelle 10 und Kathodenelektrode der Kathode der Brennstoffzelle 10, einzelne Brennstoffzelle

12

Anodenraum einer Einzelzelle 11

13

Kathodenraum einer Einzelzelle 11

14

Membran-Elektroden-Einheit, mit bevorzugt Polymerelektrolyt-Membran sowie einer Anodenelektrode und einer Kathodenelektrode

15

Bipolarplatte, Flussfeldplatte, Separatorplatte

16

Stapelgehäuse der Brennstoffzelle 10

20

Brennstoffzellen-Versorgung, Anodenversorgung, Anodenkreislauf der Brennstoffzelle

10

beziehungsweise des Brennstoffzellenstapels 10

21

Pfad, Versorgungspfad, Strömungspfad, Anoden-Versorgungspfad

22

Pfad, Abgaspfad, Strömungspfad, Anoden-Abgaspfad

23

Brennstoffspeicher, Brennstofftank mit Anoden-Betriebsmedium 3

24

Stellmittel, regelbar, (an)steuerbar, nicht regelbar, insbesondere Ventil, Klappe, Drossel

et

cetera

25

Brennstoff-Rezirkulationsleitung

26

Stellmittel, regelbar, (an)steuerbar, nicht regelbar, insbesondere Ventil, Klappe, Drossel et cetera

30

Brennstoffzellen-Versorgung, Kathodenversorgung, Kathodenkreislauf der Brennstoffzelle 10 beziehungsweise des Brennstoffzellenstapels 10

31

Pfad, Versorgungspfad, Strömungspfad, Kathoden-Versorgungspfad

32

Pfad, Abgaspfad, Strömungspfad, Kathoden-Abgaspfad

33

Verdichter, Kathodenverdichter, Kompressor, Turbolader

34

Motor, insbesondere Elektromotor oder Antrieb (gegebenenfalls inklusive Getriebe)

35

Elektronik, insbesondere Leistungselektronik für den Motor 34

36

Turbine mit gegebenenfalls variabler Turbinengeometrie, Kathodenturbine, Rezirkulations-Fluiddruckerzeuger, Expander

37

Wastegate, Wastegate-Leitung

38

Stellmittel, regelbar, (an)steuerbar, nicht regelbar, insbesondere Ventil, Klappe, Drossel et cetera

39

Feuchteübertrager, Befeuchter

40

Feuchteübertrager-Bypass

41

Ladeluftkühler

42

Luftfilter, Luftfilterkasten

43

Abgaseinrichtung, Schalldämpfer

44

Wasserstoffsensor

45

Absperrventil für Kathoden-Versorgungspfad 31 (Stand der Technik)

46

Absperrventil für Kathoden-Abgaspfad 32 (Stand der Technik)

47

Stellmittel, regelbar, (an)steuerbar, nicht regelbar, insbesondere Absperrventil für Kathoden-Abgaspfad 32

48

Stellmittel, regelbar, (an)steuerbar, nicht regelbar, insbesondere Absperrventil für Kathoden-Versorgungspfad 31

50

Spül-/Gehäusebelüftungskreis der Brennstoffzelle 10, Spülstrecke für Funktionalität Stapelgehäuse-Spülen

51

Gehäusebelüftungsstrecke (Stand der Technik)

52

Fluidauslass der Gehäusebelüftungsstrecke (Stand der Technik)

53

Gehäuselüfter, Rezirkulations-Fluiddruckerzeuger

54

Wasserstoffsensor (Stand der Technik)

Claims (10)

1. Anordnung für eine Kathoden-Rezirkulation einer Brennstoffzelle (10) eines Brennstoffzellensystems (1), mit einer Kathodenversorgung (30) für die Brennstoffzelle (10), aufweisend einen Kathoden-Versorgungspfad (31) und einen Kathoden-Abgaspfad (32), dadurch gekennzeichnet, dass an die Kathodenversorgung (30) ein Spülkreis (50) eines Stapelgehäuses (16) der Brennstoffzelle (10) fluidmechanisch angeschlossen ist, wobei mittels eines Rezirkulations-Fluiddruckerzeugers (33, 53) in der Kathodenversorgung (30) und/oder im Spülkreis (50), ein Rezirkulationsfluid (7) in der Kathodenversorgung (30) und im Spülkreis (50) zirkulierbar ist.
2. Anordnung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Spülkreis (50) einerseits mit dem Kathoden-Versorgungspfad (31) und andererseits mit dem Kathoden-Abgaspfad (32) fluidmechanisch gekoppelt ist, wobei der Spülkreis (50) bevorzugt stromaufwärts eines Kathodenverdichters (33), insbesondere an einem Luftfilter (42), an den Kathoden-Versorgungspfad (31) fluidmechanisch angeschlossen ist, und der Spülkreis (50) bevorzugt stromabwärts einer Kathodenturbine (36), insbesondere stromaufwärts eines Wasserstoffsensors (44), an den Kathoden-Abgaspfad (32) fluidmechanisch angeschlossen ist.
3. Anordnung gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Rezirkulations-Fluiddruckerzeuger (33, 53) als ein Kathodenverdichter (33) am/im Kathoden-Versorgungspfad (31) oder als ein Gehäuselüfter (53) am/im Spülkreis (50) ausgebildet ist.
4. Anordnung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass am/im Kathoden-Abgaspfad (32) stromabwärts eines fluidmechanischen Anschlusses des Spülkreises (50) an den Kathoden-Abgaspfad (32) ein Stellmittel (47), insbesondere ein Absperrventil (47), vorgesehen ist.
5. Verfahren zur Kathoden-Rezirkulation einer Brennstoffzelle (10) eines Brennstoffzellensystems (1), wobei ein Rezirkulationsfluid (7) durch einen Kathoden-Versorgungspfad (31), durch die Kathodenräume der Brennstoffzelle (10) und durch einen Kathoden-Abgaspfad (32) hindurchgefördert wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Rezirkulationsfluid (7) ferner durch einen Spülkreis (50) für ein Stapelgehäuse (16) der Brennstoffzelle (10) sowie das Stapelgehäuse (16) hindurchgefördert wird.
6. Verfahren gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Rezirkulationsfluid (7) mittels eines Rezirkulations-Fluiddruckerzeugers (33, 53) gefördert wird, wobei der Rezirkulations-Fluiddruckerzeuger (33, 53) bevorzugt als ein Kathodenverdichter (33) am/im Kathoden-Versorgungspfad (31) und/oder bevorzugt als ein Gehäuselüfter (53) am/im Spülkreis (50) ausgebildet ist.
7. Verfahren gemäß Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass für den Fall, dass mittels des Kathodenverdichters (33) als Rezirkulations-Fluiddruckerzeuger (33, 53) das Rezirkulationsfluid (7) gefördert wird, der Gehäuselüfter (53) inaktiv geschaltet ist, oder für den Fall, dass mittels des Gehäuselüfters (53) als Rezirkulations-Fluiddruckerzeuger (33, 53) das Rezirkulationsfluid (7) gefördert wird, der Kathodenverdichter (33) inaktiv geschaltet ist.
8. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass mittels des Rezirkulations-Fluiddruckerzeugers (33, 53) das Rezirkulationsfluid (7) durch den Kathoden-Versorgungspfad (31), die Kathodenräume (13) der Brennstoffzelle (10), den Kathoden-Abgaspfad (32) und den Spülkreis (50) inklusive des Stapelgehäuses (16), beziehungsweise vice versa, derart lange zirkuliert wird, bis im Wesentlichen ein gesamter Sauerstoff im Rezirkulationsfluid (7) abreagiert ist.
9. Verfahren zum Stapelgehäuse-Spülen einer Brennstoffzelle (10) eines Brennstoffzellensystems (1) eines Fahrzeugs, insbesondere eines Elektrofahrzeugs, wobei mittels eines Gehäuselüfters (53) ein Spülfluid durch eine Spülstrecke (50) und ein Stapelgehäuse (16) der Brennstoffzelle (10) hindurchgespült wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Spülfluid ferner durch einen stromabwärtigen Abschnitt eines Kathoden-Abgaspfads (32) hindurchgespült und von dort in die Umgebung (2) entlassen wird.
10. Brennstoffzellensystem (1) oder Fahrzeug, insbesondere Elektrofahrzeug, mit einem Brennstoffzellensystem (1), dadurch gekennzeichnet, dass das Brennstoffzellensystem (1) eine Anordnung für eine Kathoden-Rezirkulation gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4 aufweist, durch das Brennstoffzellensystem (1) ein Verfahren zur Kathoden-Rezirkulation gemäß einem der Ansprüche 5 bis 8 durchführbar ist, und/oder durch das Brennstoffzellensystem (1) ein Verfahren zum Stapelgehäuse-Spülen gemäß Anspruch 9 durchführbar ist.

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