DE102015222237A1

DE102015222237A1 - Brennstoffzelle

Info

Publication number: DE102015222237A1
Application number: DE102015222237.3A
Authority: DE
Inventors: Benedikt Glins; Christian Mielke; Helerson Kemmer
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2015-11-11
Filing date: 2015-11-11
Publication date: 2017-05-11
Also published as: WO2017080713A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle (1), insbesondere eine Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle, zur Anwendung in einem Kraftfahrzeug, mit einem Kathodenluft führenden Kathodensystem (10), einem Brennstoff führenden Anodensystem (20), und einem Kühlluft führenden Thermalsystem (30). Hierzu ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass das Kathodensystem (10) und das Thermalsystem (30) funktional miteinander verbunden sind, um die Kathodenluft, insbesondere am Ausgang, des Kathodensystems (10) mit der Kühlluft des Thermalsystems (30) zu vermischen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle, insbesondere eine Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle, zur Anwendung in einem Kraftfahrzeug nach Anspruch 1 sowie ein Verfahren zum Betrieb einer Brennstoffzelle, insbesondere einer Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle, nach Anspruch 6.
Stand der Technik
Brennstoffzellen sind als elektrische Energiequellen bekannt. Gegenüber insbesondere Verbrennungsmotoren weisen elektrische Energiequellen den Vorteil auf, dass sie normalerweise keine, insbesondere gesundheitsschädlichen Abgase beim Betrieb produzieren. Beim Betrieb der Brennstoffzellen kann gasförmiger Wasserstoff austreten. Bei Brennstoffzellensystemen, die mit Wasserstoff betrieben werden (Polymerelektrolyt- bzw. PEM-Brennstoffzelle), kann dies beispielsweise durch ein Leck in einem der Bauteile des Brennstoffzellensystems oder durch eine gewollte Spülung einer Anode geschehen. Die Wasserstoffdichtheit der Brennstoffzellen ist jedoch besonders relevant für die Sicherheit und die Lebensdauer der Brennstoffzellen. In bekannten Brennstoffzellen kann der Wasserstoff durch natürliche Konvektion und/oder Lüftung verdünnt werden. Wenn die Wasserstoffkonzentration in der Umgebung der Brennstoffzelle einen kritischen Wert übersteigt, kann es zur Bildung eines explosiven Gasgemisches führen. In diesem Falle müssen Sicherheitsmaßnahmen eingeleitet werden, bspw. die Wasserstoffversorgung muss abgeschaltet werden, die Brennstoffzelle muss repariert werden oder dergleichen.
Die US 2006/0083963 A1 zeigt beispielsweise eine Brennstoffzelle, bei der im Abschaltvorgang Anode und Kathode mit einem inerten Gas gespült werden, um die Möglichkeit einer Gasexplosion zu verhindern bzw. entflammbare Gasgemische zu verhindern.
Außerdem kann als Abfallprodukt der Brennstoffzelle flüssiges Wasser austreten, welches nachteiligerweise zur Pfützen- bzw. Eisbildung, beispielsweise auf der Fahrbahn, führen kann. Dies kann ein erhöhtes Risiko, beispielsweise für andere Verkehrsteilnehmer, darstellen.
Aufgabe ist somit, eine Brennstoffzelle zur Verfügung zu stellen, die sicherer und sicherer betrieben werden kann.
Offenbarung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung sieht eine Brennstoffzelle vor, insbesondere eine Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle, mit den Merkmalen des Anspruches 1 und ein Verfahren zum Betrieb einer Brennstoffzelle, insbesondere einer Polymer-elektrolyt-Brennstoffzelle, mit den Merkmalen des Anspruches 6. Hierdurch kann eine verbesserte Brennstoffzelle, insbesondere eine Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle, sowie ein sicheres und zuverlässiges Verfahren zum Betrieb einer Brennstoffzelle, insbesondere einer Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle, erreicht werden. Dabei kann insbesondere sichergestellt werden, dass die Brennstoffkonzentration beim Starten der Brennstoffzelle reduziert wird und ggf. im Normalbetrieb der Brennstoffzelle ein Wasserausstoß weitestgehend eliminierbar ist. Weitere Vorteile, Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann.
Die Erfindung stellt eine Brennstoffzelle, insbesondere eine Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle, zur Anwendung in einem Kraftfahrzeug bereit, die mit einem Kathodenluft führenden Kathodensystem, einem Brennstoff führenden Anodensystem, und einem Kühlluft führenden Thermalsystem ausgebildet ist, wobei das Kathodensystem und das Thermalsystem funktional miteinander verbunden sind, um die Kathodenluft, insbesondere am Ausgang, des Kathodensystems mit der Kühlluft des Thermalsystems zu vermischen. Unter der Brennstoffzelle wird hierbei auch eine Reihe an mehreren Brennstoffzellen verstanden, die in einem Stapel bzw. in einem so genannten „Stack“ in Reihe geschaltet werden können. Im Kathodensystem fließt ein Sauerstoff führendes Fluid, meistens Luft, so dass das Kathodensystem als ein Kathodenpfad oder als ein Luftpfad bezeichnet werden kann. Im Anodensystem fließt ein Brennstoff führendes Fluid, insbesondere Wasserstoff, so dass das Anodensystem als ein Anodenpfad oder als ein Wasserstoffpfad genannt werden kann. Ferner können das Kathodensystem, das Anodensystem und das Thermalsystem Leitungen, bspw. Rohrleitungen, zum Führen der entsprechenden Fluide umfassen.
Der Erfindungsgedanke liegt dabei darin, das Kathodensystem an das Thermalsystem funktional anzubinden. Funktional anzubinden bedeutet im Sinne der Erfindung, dass die Kühlluft des Thermalsystems zur Verdünnung der Kathodenluft am Ausgang des Kathodensystems genutzt wird. Die Kathodenluft am Ausgang des Kathodensystems, oder mit anderen Worten die Abluft, kann Brennstoff und/oder Abwasser enthalten, wobei die Erfindung sicherstellt, dass die Abluft mit der Kühlluft ausreichend verdünnt wird, um kritische Konzentrationen von Brennstoff und Wasserausstoß zu vermeiden. Die Erfindungsidee liegt somit darin, die bereits vorhandene Kühlluft des Thermalsystems multifunktional auszunutzen, d.h. nicht nur für den primären Zweck zum Wärmeabtransport, sondern auch für die vorteilhaften Zwecke der Erfindung, wie die Verdünnung der Abluft der Brennstoffzelle.
Im Rahmen der Erfindung kann eine Purge-Leitung vorgesehen sein, die das Anodensystem mit dem Kathodensystem verbinden kann. Die Purge-Leitung kann vorteilhafterweise dazu genutzt werden, um eine Anode im Anodenpfad von einem Luft führenden Fluid zu entleeren und/oder mit einem Brennstoff führenden Fluid zu füllen. Somit kann dadurch die Effizienz der Brennstoffzelle bei Inbetriebnahme aber auch beim laufenden Betrieb verbessert werden.
Ferner kann es im Rahmen der Erfindung vorgesehen sein, dass das Kathodensystem am Ausgang vor einem Kühler des Thermalsystems enden kann. Mit anderen Worten kann der Ausgang des Kathodensystems zum Thermalsystem vor dem Kühler führen. Dort kann die Abluft des Kathodensystems abgelassen werden. Hierbei kann die Abluft vor dem Kühler der Kühlluft zugeführt werden. Dadurch kann die Abluft des Kathodensystems mindestens um 100-fache, insbesondere um 1000-fache, mit der Kühlluft verdünnt werden. Beispielsweise kann die Abluft mit einem Massenstrom von ca. 15 g/s mit einem Massenstrom von bis 1200g/s der Kühlluft verdünnt werden. Hierbei können auch sehr hohe Mengen von Brennstoff, bspw. von ca. 1 g/s, schnell bis zu einer unkritischen Konzentration mit der Kühlluft vermischt werden. Das in der Abluft befindliche Wasser kann dabei durch die Erhöhung der Luftmenge und der steigenden Temperatur der Kühlluft leicht verdampfen. Mithin kann Wasseraustritt beim Betrieb der Brennstoffzelle beinahe eliminiert werden. Vorteilhaft ist dabei außerdem, dass die Wirkung des Thermalsystems durch Verdampfung des Wassers erhöht werden kann, wenn flüssiges Wasser in der Abluft enthalten ist. Dies kann je nach der Umgebung bzw. der Umgebungstemperatur, insbesondere im Laufe des Betriebes, von Nutzen sein. Warme Abluft kann wiederum helfen, schnell eine Betriebstemperatur zu erreichen, was bspw. zu Beginn des Betriebes der Brennstoffzelle vorteilhaft sein kann. Außerdem ist es vorteilhaft, dass die Abluft bis zum Erreichen eines Kühlgebläses bzw. eines Saugers zuverlässig verdünnt werden kann. Dadurch können kritische Konzentrationen des Brennstoffes, insbesondere des Wasserstoffes, in der Nähe des Kühlgebläses vermieden werden. Folglich kann das Kühlgebläse des Thermalsystems einfach ausgeführt werden, weil es nicht als ein explosionsgeschützes Gebläse ausgebildet werden muss.
Weiterhin kann es im Rahmen der Erfindung vorgesehen sein, dass das Kathodensystem am Ausgang nach einem Kühler und vor einem Kühlgebläse des Thermalsystems enden kann. Hierbei kann der Ausgang des Kathodensystems zum Thermalsystem nach einem Kühler und vor einem Kühlgebläse führen. Dort kann die Abluft des Kathodensystems mit der bereits warmen Kühlluft durchmisch werden. Dadurch kann die Abluft schnell und effizient mit der warmen Kühlluft vermischt werden. Das in der Abluft befindliche Wasser kann dabei durch die warme Kühlluft erwärmt werden und danach schnell verdampfen. Ein Wasseraustritt beim Betrieb der Brennstoffzelle kann somit nahezu komplett vermieden werden. Dabei kann es vorteilhaft sein, dass die Abluft den Kühleffekt nicht verändert. Dies kann je nach der Umgebung bzw. der Umgebungstemperatur, bspw. in warmen Gegenden, oder je nach der Betriebstemperatur der Brennstoffzelle vorteilhaft sein. Zudem ist es von Vorteil, dass die Abluft bis zum Erreichen eines Kühlgebläses bzw. eines Saugers ausreichend verdünnt werden kann, um zu vermeiden, dass sämtliche Explosionsgemische das Kühlgebläse erreichen. Somit ist es vorteilhafterweise entbehrlich, das Kühlgebläse als ein explosionsgeschütztes Gebläse auszuführen.
Des Weiteren kann es im Rahmen der Erfindung vorgesehen sein, dass das Kathodensystem am Ausgang nach einem Kühler und nach einem Kühlgebläse des Thermalsystems enden kann. Hierbei kann der Ausgang des Kathodensystems zum Thermalsystem nach einem Kühler und nach einem Kühlgebläse führen. Dabei kann es vorteilhaft sein, dass die Abluft die Wirkung des Thermalsystems nicht beeinflusst. Dadurch kann die Abluft mit einer schnell nach außen fließenden Kühlluft durchmischt werden, die außerhalb des Kraftfahrzeuges zudem mit der Umgebungsluft durchmischt werden kann. Dadurch kann der Effekt der Verdünnung verbessert werden.
Allen Ausführungsvarianten ist gemein, dass die Erfindung mit vorhandenen Thermalsystemen in bekannten Brennstoffzellen eingesetzt werden kann. Hierzu müsste das Kathodensystem entsprechend der Erfindung verlängert werden, um an einer bestimmten Stelle, vor dem Kühler, nach dem Kühler und vor dem Kühlgebläse oder nach dem Kühlgebläse zu enden. Dies kann gemäß der Erfindung mit Hilfe mindestens eines Ventils oder mehrerer Ventile erreicht werden. Das Ventil oder die Ventile können je nach Einsatzort und/oder je nach Umgebungsverhältnissen und/oder je nach Betriebstemperatur der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle an einer entsprechenden Stelle, vor dem Kühler, nach dem Kühler und vor dem Kühlgebläse bzw. nach dem Kühlgebläse den Ausgang des Kathodensystems bestimmen. Dabei ist es denkbar, dass ein einziges Ventil den Weg für die Kathodenluft am Ausgang des Kathodensystems öffnen kann, um vor dem Kühler, nach dem Kühler und vor dem Kühlgebläse oder nach dem Kühlgebläse auszuströmen. Dieses Ventil kann bspw. in Abhängigkeit von der Temperatur, insbesondere von der Betriebstemperatur der Brennstoffzelle, bevorzugt von der Temperaturdifferenz zwischen der Betriebstemperatur der Brennstoffzelle und der Umgebungstemperatur, angesteuert werden. Alternativ ist es aber auch denkbar, dass mehrere, bspw. drei, Ventile am Ausgang des Kathodensystems vorgesehen sein können, die den Ausgang des Kathodensystems verzweigen können, so dass die Abluft nach Bedarf vor dem Kühler, nach dem Kühler und vor dem Kühlgebläse oder nach dem Kühlgebläse abgelassen werden kann.
Ferner wird die erfindungsgemäße Aufgabe durch ein Verfahren zum Betrieb einer Brennstoffzelle, insbesondere einer Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle, zur Anwendung in einem Kraftfahrzeug gelöst, wobei die Brennstoffzelle mit einem Kathodenluft führenden Kathodensystem, einem Brennstoff führenden Anodensystem, und einem Kühlluft führenden Thermalsystem ausgeführt ist. Erfindungsgemäß ist das Verfahren durch einen folgenden Schritt gekennzeichnet:

a) Vermischen der Kathodenluft, insbesondere am Ausgang, des Kathodensystems, d. h. einer Abluft, mit der Kühlluft des Thermalsystems.

Das erfindungsgemäße Verfahren dient vorteilhafterweise dazu, um die Sicherheit beim Betrieb der Brennstoffzelle zu gewährleisten. Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird auf eine einfache Weise und mit einfachen Mitteln erreicht, dass Brennstoffkonzentration reduziert wird, und dass flüssiges Wasser im Ausgang der Brennstoffzelle vermieden wird. Außerdem werden mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens die gleichen Vorteile erreicht, die zuvor anhand der Beschreibung der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle beschrieben wurden. Zur Vermeidung von Wiederholungen wird hierbei vollumfänglich darauf Bezug genommen.
Ferner kann es im Rahmen der Erfindung vorgesehen sein, dass das Verfahren mindestens einen weiteren Schritt aufweisen kann:

b) Vermischen, oder mit anderen Worten Purgen, eines Brennstoff führenden Fluides des Anodensystems mit einem Kathodenluft führenden Fluid des Kathodensystems, insbesondere vor dem Schritt a), zu Beginn des Betriebes der Brennstoffzelle.

Zu Beginn des Betriebes der Brennstoffzelle kann durch Betätigung eines Purge-Ventils bewirkt werden, dass ein in der Anode der Brennstoffzelle befindliche Gasgemisch in das Kathodensystem abgelassen wird, ein so genanntes Purgen der Brennstoffzelle. Es kann im Startfall zwecks Entleerung der in der Anode befindlichen Luft und zur Befüllung der Anode mit Brennstoff, bspw. Wasserstoff, genutzt werden. Der Schritt b) kann somit zu Beginn des Betriebes der Brennstoffzelle durchgeführt werden, wobei im darauffolgenden Schritt a) dafür gesorgt werden kann, dass das in der Kathodenluft befindliche Brennstoff, bspw. Wasserstoff, schnell und effizient zu einer unkritischen Konzentration verdünnt werden kann. Somit kann die Sicherheit zu Beginn des Betriebes der Brennstoffzelle erhöht werden.
Weiterhin kann die Erfindung vorsehen, dass das Verfahren mindestens einen weiteren Schritt aufweisen kann:

c) Vermischen bzw. Purgen eines Brennstoff führenden Fluides des Anodensystems mit einem Kathodenluft führenden Fluid des Kathodensystems, bevorzugt gleichzeitig mit dem Schritt a), im Laufe des Betriebes der Brennstoffzelle.

Im Laufe des Betriebes kann es vorteilhaft sein, das in der Anode befindliche Gasgemisch, was auch Luft und andere Gase umfassen kann, abzulassen und die Anode mit einem brennstoffführenden Gasgemisch zu füllen. Dabei kann im Rahmen der Erfindung gleichzeitig zum Purge-Vorgang der Schritt a) ausgeführt werden, um sicherzustellen, dass möglicherweise mit Brennstoff angereichertes Gasgemisch in der Abluft der Brennstoffzelle ausreichend verdünnt werden kann. Somit kann Sicherheit im Laufe des Betriebes der Brennstoffzelle erhöht werden.
Des Weiteren kann das erfindungsgemäße Verfahren mindestens einen weiteren Schritt aufweisen:

d) Vermischen eines Abwassers der Brennstoffzelle mit der Kühlluft des Thermalsystems.

Dadurch kann, insbesondere im Laufe des Betriebes sichergestellt werden, dass flüssiges Wasser als Abfallprodukt der Brennstoffzelle vermieden wird. Die Erfindung ermöglicht es dabei, dass das Wasser ausreichend verdünnt werden und verdampfen kann. Hierbei ist es denkbar, dass die Verfahrensschritte a) bis d) nacheinander verlaufen können. Vorteilhafterweise können die Verfahrensschritte, insbesondere die Schritte a), c) und d), aber auch gleichzeitig ablaufen, um die Sicherheit der Brennstoffzelle während des gesamten Betriebes sicherzustellen.
Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt.
BEVORZUGTE AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
Die erfindungsgemäße Brennstoffzelle und deren Weiterbildungen sowie deren Vorteile und das erfindungsgemäße Verfahren und seine Weiterbildungen sowie seine Vorteile werden nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen jeweils schematisch:
1 eine erste Ausgestaltungsform einer erfindungsgemäßen Brennstoffzelle,
2 eine zweite Ausgestaltungsform der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle,
3 eine dritte Ausgestaltungsform der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle,
4 eine Betriebsstrategie für den Start der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle,
5 eine Betriebsstrategie zum Vermeiden von Brennstoff-Emissionen, insbesondere Wasserstoff-Emissionen, für den Normalbetrieb der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle, und
6 eine Betriebsstrategie zum Vermeiden eines Austrittes vom flüssigen Wasser für den Normalbetrieb der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle.
Elemente mit gleicher Funktion und Wirkungsweise sind in den 1 bis 6 jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.
1 bis 3 zeigen jeweils eine Ausgestaltungsform einer erfindungsgemäßen Brennstoffzelle 1, beispielsweise für mobile Anwendungen, d. h. für Anwendungen in einem Kraftfahrzeug. In der Brennstoffzelle 1 findet eine kalte Verbrennung von Brennstoff, insbesondere von Wasserstoff, durch Verbinden mit Sauerstoff, beispielsweise aus der normalen Umgebungsluft, statt. Die elektrische Leistung wird dabei über elektrische Leitungen 40 abgegriffen und an ein elektrisches Bordnetzt 41 des Kraftfahrzeuges bereitgestellt. Dafür wird einer Anode der Brennstoffzelle 1 über ein Anodensystem 20 Brennstoff, insbesondere Wasserstoff H2, zugeführt, während einer Kathode der Brennstoffzelle 1 über ein Kathodensystem 10 Kathodenluft, insbesondere gefilterte Umgebungsluft, zugeführt wird.
Das Anodensystem 20 weist dabei einen Brennstoff- bzw. einen Wasserstofftank 21 auf, welches über ein Ventil 22 als Druckminderer und über ein Absperrventil 23, welches die Brennstoffversorgung, bspw. im Fehlerfall, unterbinden kann, Brennstoff an die Brennstoffzelle 1 bereitstellt. Das Anodensystem kann zudem eine Drosselklappe 25 aufweisen.
Eine Purge-Leitung 12 ist vorgesehen, die das Anodensystem 20 und das Kathodensystem 10 verbindet. Zum Start des Betriebes der Brennstoffzelle 1 kann durch eine entsprechende Betätigung eines Purge-Ventils 12.1 und einer Rezirkulationspumpe 24 bewirkt werden, dass ein in der Anode der Brennstoffzelle 1 befindliche Gasgemisch in das Kathodensystem 10 abgelassen wird, um die Anode von Luft zu leeren und mit Brennstoff, insbesondere Wasserstoff, zu füllen. Dabei spricht man von einem Purgen der Brennstoffzelle 1. Außerdem kann die Brennstoffzelle im Normalbetrieb gepurgt werden, um die Effizienz der Brennstoffzelle zu erhöhen.
Das Kathodensystem 10 weist an seinem Eingang einen Luftfilter 11 auf, um die Umgebungsluft entsprechend den Erfordernissen der Brennstoffzelle 1 zu filtern. Ein Verdichter 13 bzw. ein Sauger sorgt dafür, dass ausreichend Luft zur Kathode der Brennstoffzelle 1 gelangt. Ein Wärmetauscher 14 sorgt dafür, dass die verdichtete Luft nach Durchgang des Verdichters 13 auf eine geeignete Temperatur abgekühlt wird. Ein Befeuchter 16, bspw. in Form einer Membran, die Wasser durchlässt aber die Luft stoppt, sorgt dafür, dass unverbrauchte Kathodenluft zurück an die Kathode geschickt wird. Mit Hilfe von Ventilen 15, 17 in Form von Drosselklappen kann ein geeigneter Druck im Kathodensystem eingestellt werden. Am Eingang des Kathodensystems 10 kann außerdem ein Temperatursensor 18 zum Messen der Umgebungstemperatur vorgesehen sein.
Die im Betrieb der Brennstoffzelle 1 entwickelte Wärme wird über ein Kühlluft führendes Thermalsystem 30 abgeführt. Zu Anfang kann das Thermalsystem 30 wiederum dienen, um die Brennstoffzelle 1 auf ein bevorzugte Betriebstemperatur zu erwärmen. Das Thermalsystem 30 weist einen Kühler 31 mit einem Kühlfluid auf, welches die überschüssige Wärme beim Betrieb des Brennstoffzelle 1 aufnehmen und abtransportieren kann. Ein Kühlgebläse 32 bzw. ein Sauger dient außerdem dazu, dass eine Kühlluft, die aus der Umgebung angesaugt werden kann, am Kühlfluid vorbeifließt und die aufgenommene Wärme aufnehmen kann.
In dem Ausführungsbeispiel der 1 endet das Kathodensystem 10 vor dem Kühler 31 des Thermalsystems 30. Hierbei wird die Abluft des Kathodensystems 10 vor dem Kühler 31 der Kühlluft des Thermalsystems 30 zugefügt. Die Abluft des Kathodensystems 10, sei es mit dem darin enthaltenen Brennstoff und/oder flüssigen Wasser, wird mit der Kühlluft des Thermalsystems 30 verdünnt. Dabei kann die Wirkung des Thermalsystems 30 durch Verdampfung des Wassers bzw. das Abwassers unterstützt werden. Warme Abluft kann ihrerseits helfen, schnell eine bevorzugte Betriebstemperatur der Brennstoffzelle 1 zu erreichen, bspw. zu Beginn des Betriebes der Brennstoffzelle 1. Im Ausführungsbeispiel der 1 wird die Abluft bis zum Erreichen des Kühlgebläses 32 bzw. des Saugers zuverlässig verdünnt. Dadurch können kritische Konzentrationen des Brennstoffes, insbesondere des Wasserstoffes H2, in der Nähe des Kühlgebläses 32 vermieden werden, so dass das Kühlgebläse 32 einfach als ein nicht explosionsgeschützes Gebläse ausgeführt werden kann.
In dem Ausführungsbeispiel der 2 endet das Kathodensystem 10 nach dem Kühler 31 und vor dem Kühlgebläse 32 des Thermalsystems 30. Hierbei wird die Abluft des Kathodensystems 10 mit der bereits warmen Kühlluft des Thermalsystems 30 nach dem durchlaufen des Kühlers 31 durchmischt. Dadurch kann die Abluft schnell erwärmt und durchmischt werden. Das in der Abluft befindliche Wasser kann dabei schnell verdampfen und mögliche Explosionsgemische schnell verdünnt werden. Die Abluft trägt hierbei nicht zur Arbeit des Kühlers 31 bei. Dies kann insbesondere in warmen Regionen oder im laufenden Betrieb der Brennstoffzelle 1 von Vorteil sein, dass die warme Abluft nicht zur Kühlung genutzt wird. Auch gemäß dieses Ausführungsbeispiels ist es entbehrlich, das Kühlgebläse 32 als ein explosionsgeschütztes Gebläse auszuführen.
In dem Ausführungsbeispiel der 3 endet das Kathodensystem 10 nach dem Kühler 31 und nach dem Kühlgebläse 32 des Thermalsystems 30. Hierbei wird die Abluft mit einer schnell nach außen fließenden Kühlluft nach dem Verlassen des Kühlgebläses 32 durchmischt, wobei die Abluft außerhalb mit der Umgebungsluft durchmischt wird. Dabei kann die Abluft ebenfalls nicht die Wirkung des Kühlers 31 beeinflussen. Außerdem kann dadurch vermieden werden, dass die Abluft das Kühlgebläse 32 passiert.
Die 4 beschreibt die Betriebsstrategie zu Beginn des Betriebes der Brennstoffzelle 1. Im Schritt 100 wird der Betrieb begonnen. Im Schritt 101 wird der Verdichter 13 am Eingang des Kathodensystems 10, bspw. bis zu einer maximalen Drehzahl, hochgedreht. Da die Kathodenluft mit der Kühlluft gemischt wird, wird ein mögliches Brennstoffgemisch in der Nähe des Kühlgebläses 32 zu einer ungefährlichen Konzentration verdünnt. Erst dann wird im Schritt 102 das Kühlgebläse 32 eingeschaltet und, bspw. bis zu einer maximalen Drehzahl, hochgedreht, um eine weitere Verdünnung zu erreichen. Im Schritt 102 wird also ein größerer Massenstrom der Kathodenluft durch einen größeren Massenstrom der Kühlluft durchmischt. Im Schritt 103 wird der Purge-Vorgang ausgeführt, um die Anode zu befüllen. Hierzu werden das Absperrventil 23 und das Purge-Ventil 12.1 geöffnet. Im Schritt 104 wird überprüft, ob die Anode ausreichend mit Brennstoff befüllt ist. Wenn ja, wird im Schritt 105 mit der Startprozedur fortgesetzt. Hierbei können der Verdichter 13 und das Kühlgebläse 32 auf eine normale Drehzahl gebracht.
Die 5 beschreibt die erfindungsgemäße Strategie zur Vermeidung von kritischen Brennstoff-Emissionen im Normalbetrieb der Brennstoffzelle 1. Hierbei wird der Schritt 200 als Normalbetrieb bezeichnet. Beim Feststellen eines Purge-Bedarfes im Schritt 201, kann im Schritt 202 beim normal weiter arbeitenden Verdichter 13 das Kühlgebläse 32 hochgedreht werden. Danach kann im Schritt 203 das Purge-Ventil 12.1 geöffnet und nach einer bestimmten Zeit Δt wieder geschlossen werden. Im Schritt 204 wird der Normalbetrieb fortgesetzt.
Die 6 beschreibt die erfindungsgemäße Strategie zur Vermeidung von Wasseraustritt im Normalbetrieb der Brennstoffzelle 1, also im Schritt 300. Hierzu wird im Schritt 301 die erforderliche Luftmenge zur Verdampfung der flüssigen Wassermenge bei der jeweiligen Betriebstemperatur der Brennstoffzelle und/oder der Umgebungstemperatur berechnet oder aus einem Kennfeld bzw. einer Tabelle abgelesen. Die Berechnung bzw. Ablesung kann durch eine Steuereinheit der Brennstoffzelle 1 durchgeführt werden. Daraufhin kann im Schritt 302 eine entsprechende Drehzahl des Kühlgebläses 32 eingestellt werden. Im Schritt 303 kann der Normalbetrieb fortgesetzt werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2006/0083963 A1 [0003]

Claims

Brennstoffzelle (1), insbesondere eine Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle, zur Anwendung in einem Kraftfahrzeug, mit einem Kathodenluft führenden Kathodensystem (10), einem Brennstoff führenden Anodensystem (20), und einem Kühlluft führenden Thermalsystem (30), dadurch gekennzeichnet, dass das Kathodensystem (10) und das Thermalsystem (30) funktional miteinander verbunden sind, um die Kathodenluft, insbesondere am Ausgang, des Kathodensystems (10) mit der Kühlluft des Thermalsystems (30) zu vermischen.
Brennstoffzelle (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Purge-Leitung (12) vorgesehen ist, die das Anodensystem (20) mit dem Kathodensystem (10) verbindet.
Brennstoffzelle (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Kathodensystem (10) am Ausgang vor einem Kühler (31) des Thermalsystems (30) endet.
Brennstoffzelle (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kathodensystem (10) am Ausgang nach einem Kühler (31) und vor einem Kühlgebläse (32) des Thermalsystems (30) endet.
Brennstoffzelle (1) nach einem der vorangegangenen Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Kathodensystem (10) am Ausgang nach einem Kühler (31) und nach einem Kühlgebläse (32) des Thermalsystems (30) endet.
Verfahren zum Betrieb einer Brennstoffzelle (1), insbesondere einer Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle, zur Anwendung in einem Kraftfahrzeug, mit einem Kathodenluft führenden Kathodensystem (10), einem Brennstoff führenden Anodensystem (20), und einem Kühlluft führenden Thermalsystem (30), gekennzeichnet durch einen folgenden Schritt: a) Vermischen der Kathodenluft am Ausgang des Kathodensystems (10 mit der Kühlluft des Thermalsystems (30).
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren mindestens einen weiteren Schritt aufweist: b) Vermischen eines Brennstoff führenden Fluides des Anodensystems (20) mit einem Kathodenluft führenden Fluid des Kathodensystems (10), insbesondere vor dem Schritt a), zu Beginn des Betriebes der Brennstoffzelle (1).
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren mindestens einen weiteren Schritt aufweist: c) Vermischen eines Brennstoff führenden Fluides des Anodensystems (20) mit einem Kathodenluft führenden Fluid des Kathodensystems (10), bevorzugt gleichzeitig mit dem Schritt a), im Laufe des Betriebes der Brennstoffzelle (1).
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren mindestens einen weiteren Schritt aufweist: d) Vermischen eines Abwassers der Brennstoffzelle (1) mit einem Kathodenluft führenden Fluid des Kathodensystems (10) und/oder der Kühlluft des Thermalsystems (30), bevorzugt gleichzeitig mit dem Schritt a).
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren durch eine Brennstoffzelle (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5 durchgeführt wird.