DE102015223039A1 - fuel cell - Google Patents

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Abstract

Brennstoffzelle (1), insbesondere eine Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle, mit einer Kathodenluft führenden Kathodenleitung (10), einer Brennstoff führenden Anodenleitung (20), und einer Purge-Leitung (30), die die Anodenleitung (20) mit der Kathodenleitung (10) verbindet, wobei die Purge-Leitung (10) derart mit der Kathodenleitung (10) verbunden ist, um je nach Betriebszustand der Brennstoffzelle (1) ein gepurgtes Gasgemisch wahlweise zu der Brennstoffzelle (1), zumindest zum Teil an der Brennstoffzelle (1) vorbei oder im Wesentlichen an der Brennstoffzelle (1) vorbei zu leiten.Fuel cell (1), in particular a polymer electrolyte fuel cell, with a cathode air leading cathode line (10), a fuel-carrying anode line (20), and a purge line (30) connecting the anode line (20) with the cathode line (10) wherein the purge line (10) is so connected to the cathode line (10), depending on the operating state of the fuel cell (1) a gasified purged mixture optionally to the fuel cell (1), at least partially past the fuel cell (1) or essentially to pass the fuel cell (1) over.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Brennstoffzelle, insbesondere eine Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle, nach Anspruch 1 sowie ein Verfahren zum Betrieb einer Brennstoffzelle, insbesondere einer Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle, nach Anspruch 5.The present invention relates to a fuel cell, in particular a polymer electrolyte fuel cell, according to claim 1 and a method for operating a fuel cell, in particular a polymer electrolyte fuel cell, according to claim 5.

Stand der TechnikState of the art

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. Am Anfang des Betriebes der Brennstoffzellen wird eine gewollte Spülung einer Anode, ein sogenannter Purge-Vorgang, angeleitet, um die Anode von Luft zu befreien und mit Wasserstoff zu füllen. Dadurch kann das gepurgte Gasgemisch, welches Luft und Wasserstoff enthalten kann, in eine Kathodenleitung gelangen. Im Startfall kann das Wasserstoff enthaltene gepurgte Gasgemisch Luft zu einer Kathode der Brennstoffzelle bringen. Im Startfall ist jedoch Luft in der Kathode nicht wünschenswert. Im Normalbetrieb kann ebenfalls gepurgt werden, wobei das gepurgte Gasgemisch Wasserstoffmengen enthalten kann, die durch natürliche Konvektion und Lüftung nicht ausreichend verdünnt werden können.Fuel cells are known as electrical energy sources. Compared with internal combustion engines in particular, electrical energy sources have the advantage that they normally do not produce any, in particular harmful exhaust gases during operation. At the beginning of the operation of the fuel cells, a deliberate purge of an anode, a so-called purge process, is instructed to free the anode of air and to fill it with hydrogen. As a result, the purged gas mixture, which may contain air and hydrogen, pass into a cathode conduit. In the starting case, the hydrogen-containing purged gas mixture can bring air to a cathode of the fuel cell. In the starting case, however, air in the cathode is not desirable. In normal operation can also be gepurgt, wherein the purged gas mixture may contain amounts of hydrogen that can not be sufficiently diluted by natural convection and ventilation.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Brennstoffzelle, insbesondere eine Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle, und ein sicheres Verfahren zum Betrieb einer Brennstoffzelle, insbesondere einer Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle, bereitzustellen.It is an object of the present invention to provide an improved fuel cell, in particular a polymer electrolyte fuel cell, and a safe method for operating a fuel cell, in particular a polymer electrolyte fuel cell.

Die vorliegende Erfindung sieht eine Brennstoffzelle vor, insbesondere eine Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle, mit den Merkmalen des Anspruches 1 und durch ein Verfahren zum Betrieb einer Brennstoffzelle, insbesondere einer Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle, mit den Merkmalen des Anspruches 5. Hierdurch wird eine verbesserte Brennstoffzelle, insbesondere eine Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle, sowie ein sicheres Verfahren zum Betrieb einer Brennstoffzelle, insbesondere einer Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle, erzielt. Außerdem kann die Nutzungsdauer der Stacks der Brennstoffzellen deutlich erhöht werden. 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.The present invention provides a fuel cell, in particular a polymer electrolyte fuel cell, with the features of claim 1 and by a method for operating a fuel cell, in particular a polymer electrolyte fuel cell, with the features of claim 5. This is an improved fuel cell, in particular a Polymer electrolyte fuel cell, and a safe method for operating a fuel cell, in particular a polymer electrolyte fuel cell achieved. In addition, the useful life of the stacks of fuel cells can be significantly increased. Further advantages, features and details of the invention will become apparent from the dependent claims, the description and the drawings. In this case, features and details that are described in connection with the fuel cell according to the invention apply, of course, also in connection with the inventive method and in each case vice versa, so with respect to the disclosure of the individual aspects of the invention always reciprocal reference is or may be.

Die Erfindung stellt eine Brennstoffzelle, insbesondere eine Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle, bereit, die mit einer Kathodenluft führenden Kathodenleitung, einer Brennstoff bzw. Wasserstoff, führenden Anodenleitung, und einer Purge-Leitung, die die Anodenleitung mit der Kathodenleitung verbindet, ausgebildet ist, wobei die Purge-Leitung derart mit der Kathodenleitung verbunden ist, um je nach Betriebszustand der Brennstoffzelle ein gepurgtes Gasgemisch wahlweise zu der Brennstoffzelle, zumindest zum Teil an der Brennstoffzelle vorbei oder im Wesentlichen an der Brennstoffzelle vorbei zu leiten. 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. Die erfindungsgemäße Brennstoffzelle kann dabei für mobile Anwendungen, wie bspw. in Kraftfahrzeugen, oder für stationäre Anwendungen, wie bspw. in Notstromversorgung und/oder als ein Generator, verwendet werden.The invention provides a fuel cell, in particular a polymer electrolyte fuel cell, which is formed with a cathode air leading cathode line, a fuel, hydrogen, leading anode line, and a purge line connecting the anode line to the cathode line, wherein the purge -Leitung is so connected to the cathode line, depending on the operating condition of the fuel cell, a purged gas mixture optionally to the fuel cell, at least partially to the fuel cell over or substantially to pass the fuel cell over. In this case, the fuel cell is also understood to mean a series of a plurality of fuel cells which can be connected in series in a stack or in a so-called "stack". The fuel cell according to the invention can be used for mobile applications, such as in motor vehicles, or for stationary applications, such as in emergency power supply and / or as a generator.

Der Erfindungsgedanke liegt dabei darin, den Lauf des gepurgten Gasgemisches je nach Betriebszustand der Brennstoffzelle gezielt zu bestimmen, um eine verbesserte Verarbeitung und einen Betriebszustand gemäßen Abtransport des gepurgten Gasgemisches sicherzustellen. Je nach Betriebszustand der Brennstoffzelle sind unterschiedliche Konzentrationen der Kathodenluft und/oder des Brennstoffs und/oder der in der Brennstoffzelle befindlichen Feuchte wünschenswert. Um die gewünschten Konzentration zu erzielen, sieht die Erfindung vor, durch den Lauf des gepurgten Gasgemisches eine optimale Verteilung der Fluide in der Brennstoffzelle sicherzustellen.The idea of the invention lies in determining the course of the purged gas mixture in a targeted manner, depending on the operating state of the fuel cell, in order to ensure improved processing and an operating state of proper removal of the purged gas mixture. Depending on the operating state of the fuel cell, different concentrations of the cathode air and / or the fuel and / or the moisture present in the fuel cell are desirable. In order to achieve the desired concentration, the invention provides for ensuring an optimal distribution of the fluids in the fuel cell through the passage of the purged gas mixture.

Als erster Betriebszustand im Sinne der Erfindung kann ein Start-Betriebszustand der Brennstoffzelle genannt werden, in welchem eine Befüllung der Anode stattfinden kann. Dabei kann ein Purge-Vorgang eingeleitet werden, indem bspw. ein Purge-Ventil geöffnet wird, um die Purge-Leitung zum Abführen eines in der Anode befindlichen Gasgemisches bzw. Fluides in die Kathodenleitung zu öffnen, und indem ein Absperrventil eines Wasserstofftankes geöffnet wird, um Brennstoff, insbesondere Wasserstoff, der Brennstoffzelle bereitzustellen. Im Start-Betriebszustand bei der Befüllung der Anode ist es wünschenswert, dass sich in einer Kathode der Brennstoffzelle keine Luft befindet. Dies kann nachteiligerweise zu einer Degradation der Brennstoffzelle führen. Insbesondere bei einem Kurzschlussstart der Brennstoffzelle, ist es wichtig, dass sich in der Kathode keine Luft befindet, um zu hohe Ströme zu vermeiden und eine effektive Befüllung der Anode zu ermöglichen. Erfindungsgemäß ist für den Start-Betriebszustand vorgesehen, dass die Purge-Leitung derart mit der Kathodenleitung verbunden sein kann, dass das gepurgte Gasgemisch im Wesentlichen an der Brennstoffzelle vorbeigeleitet, insbesondere im Rücklauf der Kathodenleitung mit einer Abluft der Kathodenleitung abtransportiert wird. Somit kann vorteilhafterweise sichergestellt werden, dass das gepurgte Gasgemisch bzw. Fluid nicht zur Kathode gelangt und keine Luft in die Kathode eindringt. Leerlaufspannungszustände können dadurch vermieden werden. Auch ein Kurzschlussstart kann dadurch sicher eingeleitet werden. Somit kann vorteilhafterweise die Anode effektiv und effizient befüllt werden. Die Lebensdauer der Brennstoffzelle kann mithin erheblich erhöht werden. Gleichzeitig können zudem Maßnahmen getroffen werden, wie z. B. Hochdrehen eines Verdichters, um genügend Luft durch die Kathodenleitung fließen zu lassen, und um das gepurgte Gasgemisch ausreichend zu verdünnen. Folglich ist es erfindungsgemäß möglich, dass im Startfall der Brennstoffzelle die Neutralisierungsmöglichkeit des Brennstoffes bzw. des Wasserstoffes durch die Kathodenluft beibehalten wird.As a first operating state in the context of the invention, a start operating state of the fuel cell may be mentioned, in which a filling of the anode can take place. In this case, a purge process may be initiated by, for example, opening a purge valve to open the purge line for discharging a gas mixture or fluid in the anode into the cathode line and opening a shut-off valve of a hydrogen tank, to provide fuel, in particular hydrogen, to the fuel cell. In the starting operating state in the filling of the anode, it is desirable that there is no air in a cathode of the fuel cell. This can disadvantageously lead to a degradation of the fuel cell. In particular, in the case of a short-circuit start of the fuel cell, it is important that there is no air in the cathode in order to avoid excessive currents and an effective filling of the anode to enable. According to the invention, it is provided for the starting operating state that the purge line can be connected to the cathode line in such a way that the purged gas mixture essentially bypasses the fuel cell, in particular is transported away in the return line of the cathode line with an exhaust air of the cathode line. Thus, it can advantageously be ensured that the purged gas mixture or fluid does not reach the cathode and that no air penetrates into the cathode. Open circuit voltage conditions can be avoided. Even a short-circuit start can be safely initiated. Thus, advantageously, the anode can be filled effectively and efficiently. The lifetime of the fuel cell can therefore be significantly increased. At the same time measures can also be taken, such. B. turning up a compressor to allow enough air to flow through the cathode conduit and to sufficiently dilute the purged gas mixture. Consequently, it is possible according to the invention that, in the start-up of the fuel cell, the neutralization possibility of the fuel or of the hydrogen is maintained by the cathode air.

Im Normalbetrieb der Brennstoffzelle kann sich ein Purge-Bedarf ergeben, wobei dieser zweite Betriebszustand im Sinne der Erfindung als ein Purge-Betriebszustand genannt werden kann. Dabei ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Purge-Leitung derart mit der Kathodenleitung verbunden sein kann, dass das gepurgte Gasgemisch zu der Brennstoffzelle, insbesondere im Zulauf der Kathodenleitung mit einer Zuluft der Kathodenleitung zu der Brennstoffzelle, abgeleitet wird. Hierbei kann es vorteilhaft sein, wenn der im gepurgten Gasgemisch befindliche Brennstoff, insbesondere der Wasserstoff, in der Kathode der Brennstoffzelle abreagieren kann. Dies kann insbesondere vorteilhaft sein, wenn der Brennstoff, bzw. der Wasserstoff, Konzentrationen erreicht, die durch natürliche Konvektion und Lüftung nicht ausreichend verdünnt werden können. Dadurch kann sichergestellt werden, dass kritische Konzentrationen des Brennstoffes bzw. des Wasserstoffes zuversichtlich vermieden werden. In normal operation of the fuel cell, a purge demand may arise, this second operating state in the context of the invention may be referred to as a purge operating state. It is inventively provided that the purge line may be connected to the cathode line such that the purged gas mixture to the fuel cell, in particular in the inlet of the cathode line with a supply air of the cathode line to the fuel cell, is derived. It may be advantageous if the fuel in the purged gas mixture, in particular the hydrogen, can react in the cathode of the fuel cell. This can be particularly advantageous when the fuel, or the hydrogen, reaches concentrations that can not be sufficiently diluted by natural convection and ventilation. This can ensure that critical concentrations of the fuel or hydrogen are confidently avoided.

Ferner kann sich im Normalbetrieb der Brennstoffzelle ein Drain-Bedarf ergeben, wobei dieser dritte Betriebszustand im Sinne der Erfindung als ein Drain-Betriebszustand genannt werden kann. In der Purge-Leitung kann erfindungsgemäß eine parallele Drain-Leitung vorgesehen sein, die mit einem Wasser-Abscheider und einem Wasser-Tank ausgeführt werden kann. Der Wasserhaushalt in der Brennstoffzelle ist sehr wichtig und muss zuverlässig auf einem bestimmten Niveau aufrechterhalten werden. Dabei muss eine Membran der Brennstoffzelle ausreichend aber nicht zu viel Feuchtigkeit aufweisen, um zuverlässig Brennstoff- bzw. Wasserstoff-Ionen von der Anoden zu der Kathode durchzulassen. Um den Wasserhaushalt zu kontrollieren, kann es notwendig sein, das überschüssige Wasser abzuleiten. Wenn der Wasser-Tank voll ist, muss das Wasser abgelassen werden. Dazu dient die Drain-Leitung. Die Drain-Leitung kann dabei am Ende der Purge-Leitung mit der Purge-Leitung zusammenlaufen. Erfindungsgemäß ist für den Drain-Betriebszustand vorgesehen, dass die Purge-Leitung derart mit der Kathodenleitung verbunden ist, dass das gepurgte Gasgemisch, welches am Ende der Purge-Leitung Wasser aus der Drain-Leitung umfasst, zumindest zum Teil, der durch das Wasser bestimmt sein kann, an der Brennstoffzelle vorbeigeleitet wird, insbesondere im Rücklauf der Kathodenleitung mit der Abluft der Kathodenleitung abtransportiert wird. Der andere Teil, der durch den Brennstoff- bzw. Wasserstoff und Luft bestimmt sein kann, kann wiederum zu der Brennstoffzelle geleitet werden. Hierbei ist es erfindungsgemäß vorteilhaft, dass im Normalbetrieb der Brennstoffzelle die Neutralisierungsmöglichkeit des Brennstoffes bzw. des Wasserstoffes in der Kathode zumindest zum Teil beibehalten wird. Ferner kann durch die Erfindung im Normalbetrieb der Brennstoffzelle vorteilhafterweise sichergestellt werden, dass das Wasser zumindest zum Teil an der Brennstoffzelle vorbeigeführt werden kann, um eine Störung eines Wassermanagements der Brennstoffzelle zu vermeiden. Ferner ist es für den Normalbetrieb vorteilhaft, dass während des Drain-Vorganges Wassereindringung in die Kathode reduziert werden kann, wobei gleichzeitig die Purge-Möglichkeit aufrechterhalten wird. Furthermore, during normal operation of the fuel cell, a drain demand may arise, wherein this third operating state in the sense of the invention may be referred to as a drain operating state. In the purge line according to the invention may be provided a parallel drain line, which can be performed with a water separator and a water tank. The water balance in the fuel cell is very important and must be reliably maintained at a certain level. In this case, a membrane of the fuel cell must have sufficient but not too much moisture to reliably pass fuel or hydrogen ions from the anodes to the cathode. In order to control the water balance, it may be necessary to drain off excess water. When the water tank is full, the water must be drained. This is done by the drain line. The drain line can converge at the end of the purge line with the purge line. According to the invention, it is provided for the drain operating state that the purge line is connected to the cathode line in such a way that the purged gas mixture, which at the end of the purge line comprises water from the drain line, at least in part, which is determined by the water may be passed past the fuel cell, in particular in the return of the cathode line with the exhaust air of the cathode line is removed. The other part, which may be determined by the fuel or hydrogen and air, may in turn be directed to the fuel cell. In this case, it is advantageous according to the invention that the neutralization possibility of the fuel or of the hydrogen in the cathode is maintained at least in part during normal operation of the fuel cell. Furthermore, it can be advantageously ensured by the invention in normal operation of the fuel cell, that the water can be passed at least partially past the fuel cell to avoid disturbing a water management of the fuel cell. Furthermore, it is advantageous for normal operation that during the drain process, water penetration into the cathode can be reduced, while at the same time maintaining the purge capability.

Des Weiteren kann als ein vierter Betriebszustand im Sinne der Erfindung ein Shutdown-Betriebszustand der Brennstoffzelle genannt werden, in welchem sämtliches Wasser aus der Brennstoffzelle abgelassen wird, sämtliche Rückstände an Reaktanten aus der Brennstoffzelle abgelassen werden und/oder sämtliche Leitungen der Brennstoffzelle freigeblasen werden. Hierbei ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Purge-Leitung derart mit der Kathodenleitung verbunden sein kann, dass das gepurgte Gasgemisch, welches am Ende der Purge-Leitung Wasser aus der Drain-Leitung umfasst, im Wesentlichen an der Brennstoffzelle vorbei geführt wird, insbesondere im Rücklauf der Kathodenleitung mit der Abluft der Kathodenleitung abtransportiert wird. Hierbei kann vorteilhafterweise ein in der Anode befindliches Wasser, insbesondere bis der Wasser-Tank leer ist, ausgespült werden, auch kann dabei das in der Anode befindliche Gasgemisch abtransportiert werden, was alles an der Brennstoffzelle vorbei geschehen kann. Vorteilhafterweise kann währenddessen vermieden werden, dass die an der Purge- und Drain-Stelle vorbeiströmende Kathodenluft in die Brennstoffzelle eindringt. Nach dem Leeren des Wasser-Tanks kann der Shutdown-Vorgang wie gewohnt fortgesetzt werden, insbesondere kann mit dem Freiblasen der Leitungen fortgefahren werden. Somit kann der Vorteil erreicht werden, dass ein Trockenblasen der Brennstoffzelle optimal ausgeführt werden kann. Der Shutdown-Betriebszustand kann somit optimiert werden. Der Shutdown-Betriebszustand kann dabei wesentlich verkürzt werden und seine Effizienz kann erheblich gesteigert werden. Auch können dabei Wasserrückstände in der Brennstoffzelle eliminiert werden, was insbesondere bei einem Gefrier-Start von Vorteil ist. Furthermore, as a fourth operating state in the context of the invention, a shutdown operating state of the fuel cell may be mentioned, in which all water is discharged from the fuel cell, all residues of reactants are discharged from the fuel cell and / or all lines of the fuel cell are blown free. In this case, it is provided according to the invention that the purge line can be connected to the cathode line in such a way that the purged gas mixture, which comprises water from the drain line at the end of the purge line, is led substantially past the fuel cell, in particular in FIG Return of the cathode line with the exhaust air of the cathode line is removed. In this case, advantageously, a water located in the anode, in particular until the water tank is empty, are flushed out, and also the gas mixture in the anode can be transported away, which can happen all the way past the fuel cell. Advantageously, it can be avoided in the meantime that the cathode air flowing past the purge and drain point penetrates into the fuel cell. After emptying the water tank, the shutdown process can continue as usual, in particular, it can be continued with the blowing out of the lines. Thus, the advantage can be achieved that a dry blowing the Fuel cell can be optimally executed. The shutdown operating state can thus be optimized. The shutdown mode can be significantly shortened and its efficiency can be significantly increased. Also water residues can be eliminated in the fuel cell, which is particularly advantageous for a freeze-start.

Ferner kann es im Rahmen der Erfindung vorgesehen sein, dass die Kathodenleitung einen Zulauf zu der Brennstoffzelle und einen Rücklauf von der Brennstoffzelle aufweisen kann, wobei der Zulauf und der Rücklauf über eine Bypass-Leitung mit einem Bypass-Ventil, insbesondere in Form einer Drosselklappe, verbunden sein können. Hierbei kann es vorteilhaft sein, dass das Bypass-Ventil in Form einer Drosselklappe eine einfache Steuerung aufweisen und zuversichtlich den Lauf der Kathodenluft und/oder des gepurgten Gasgemisches und/oder des gedrainten Fluides bestimmen kann. Die Bypass-Leitung kann dabei dazu dienen, die Kathodenluft, sei es mit oder ohne des gepurgten Gasgemisches und/oder eines Wasser enthaltenen Fluides der Drain-Leitung, an der Kathode vorbei zu führen. Dies kann insbesondere im Start-Betriebszustand und/oder im Shutdown-Betriebszustand besonders vorteilhaft sein, wenn keine Luft in die Kathode, geschweige denn vom Brennstoff oder von Wasser, gelangen darf. Vorteilhafterweise können dabei unerwünschte Ströme durch die Brennstoffzelle vermieden werden. Furthermore, it can be provided in the context of the invention that the cathode line can have an inlet to the fuel cell and a return from the fuel cell, wherein the inlet and the return via a bypass line with a bypass valve, in particular in the form of a throttle valve, can be connected. It may be advantageous that the bypass valve in the form of a throttle valve have a simple control and can confidently determine the course of the cathode air and / or the purged gas mixture and / or the gedrainten fluid. The bypass line can serve to lead the cathode air, with or without the purged gas mixture and / or a fluid of the drain line containing water, past the cathode. This may be particularly advantageous, especially in the start operating state and / or in the shutdown operating state, when no air is allowed to enter the cathode, let alone the fuel or water. Advantageously, unwanted currents can be avoided by the fuel cell.

Weiterhin kann es im Rahmen der Erfindung vorgesehen sein, dass die Purge-Leitung vor der Bypass-Leitung, insbesondere innerhalb der Bypass-Leitung, enden kann. Dadurch kann der Vorteil erreicht werden, dass auf eine einfache Weise und mit einfachen Mitteln, insbesondere ohne zusätzliche Ventile oder dergleichen, die Purge-Leitung derart mit der Kathodenleitung verbunden werden kann, dass je nach dem Betriebszustand der Brennstoffzelle das gepurgte Gasgemisch wahlweise zu der Brennstoffzelle, zumindest zum Teil an der Brennstoffzelle vorbei oder im Wesentlichen an der Brennstoffzelle vorbeigeleitet werden kann. Alternativ ist jedoch ebenfalls denkbar, dass ein extra vorgesehenes Ventil in der Purge-Leitung vorgesehen sein kann, um das gepurgte Gasgemisch wahlweise in den Zulauf oder in den Rücklauf der Kathodenleitung abzulassen.Furthermore, it can be provided within the scope of the invention that the purge line can end before the bypass line, in particular within the bypass line. Thereby, the advantage can be achieved that in a simple manner and with simple means, in particular without additional valves or the like, the purge line can be connected to the cathode line such that, depending on the operating condition of the fuel cell, the purged gas mixture optionally to the fuel cell , At least partially past the fuel cell or can be passed substantially past the fuel cell. Alternatively, however, it is also conceivable that an extra valve provided in the purge line may be provided to discharge the purged gas mixture either in the inlet or in the return line of the cathode line.

Nach einem besonderen Vorteil kann die Purge-Leitung eine Drain-Leitung aufweisen. Wie bereits oben beschrieben ist, kann die Drain-Leitung dazu dienen, das Wassermanagement in der Brennstoffzelle zu optimieren und insbesondere überschüssiges Wasser aus der Anode abzuführen. According to a particular advantage, the purge line may have a drain line. As already described above, the drain line can serve to optimize the water management in the fuel cell and in particular to remove excess water from the anode.

Ferner wird die erfindungsgemäße Aufgabe durch ein Verfahren zum Betrieb einer Brennstoffzelle, insbesondere einer Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle, gelöst, wobei die Brennstoffzelle mit einer Kathodenluft führenden Kathodenleitung, wobei die Kathodenleitung zwischen einem Zulauf zur und einem Rücklauf von der Brennstoffzelle eine Bypass-Leitung aufweist, einer Brennstoff führenden Anodenleitung, und einer Purge-Leitung, die die Anodenleitung mit der Kathodenleitung verbindet, wobei die Purge-Leitung vor der Bypass-Leitung, insbesondere innerhalb der Bypass-Leitung, endet. Erfindungsgemäß ist es hierzu vorgesehen, dass das Verfahren mindestens einen Schritt aufweist:

  • a) Leiten eines gepurgten Gasgemisches in einem Start-Betriebszustand der Brennstoffzelle im Wesentlichen an der Brennstoffzelle vorbei.
Furthermore, the object according to the invention is achieved by a method for operating a fuel cell, in particular a polymer electrolyte fuel cell, the fuel cell having a cathode air-conducting cathode line, wherein the cathode line has a bypass line between an inlet to and a return from the fuel cell Fuel leading anode line, and a purge line connecting the anode line to the cathode line, the purge line before the bypass line, in particular within the bypass line ends. According to the invention, it is provided for this purpose that the method has at least one step:
  • a) passing a purged gas mixture in a start-up operating state of the fuel cell substantially past the fuel cell.

Vorteilhafterweise kann dadurch im Start-Betriebszustand der Brennstoffzelle das Eindringen des gepurgten Gasgemisches in die Brennstoffzelle, insbesondere in eine Kathode der Brennstoffzelle, vermieden werden. Folglich kann nach einem besonderen Vorteil der Erfindung die Degradation der Brennstoffzelle vermieden werden und die Lebensdauer der Brennstoffzelle erhöht werden.Advantageously, the penetration of the purged gas mixture into the fuel cell, in particular into a cathode of the fuel cell, can thereby be avoided in the starting operating state of the fuel cell. Consequently, according to a particular advantage of the invention, the degradation of the fuel cell can be avoided and the lifetime of the fuel cell can be increased.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann weiterhin mindestens einen weiteren Schritt aufweisen:

  • b) Leiten eines gepurgten Gasgemisches in einem Purge-Betriebszustand der Brennstoffzelle zu der Brennstoffzelle.
The method according to the invention can furthermore have at least one further step:
  • b) passing a purged gas mixture in a purge operating state of the fuel cell to the fuel cell.

Hierbei kann der Normalbetrieb der Brennstoffzelle, insbesondere der Purge-Betriebszustand der Brennstoffzelle, optimiert werden. Vorteilhafterweise kann dabei der Umstand genutzt werden, dass im Normalbetrieb der Brennstoffzelle Luft mit Überfluss in die Kathode hineingepumpt wird, wobei diese Luft zudem zum Abreagieren des im gepurgten Gasgemisch enthaltenen Brennstoffes bzw. Wasserstoffes genutzt werden kann. Somit kann vorteilhafterweise sichergestellt werden, dass der in der Brennstoffzelle bzw. in den Leitungen der Brennstoffzelle überflüssige Wasserstoff zuversichtlich beseitigt werden kann, um gefährliche Ansammlungen von Wasserstoff zu vermeiden.In this case, the normal operation of the fuel cell, in particular the purge operating state of the fuel cell, can be optimized. Advantageously, the fact can be used that during normal operation of the fuel cell air is pumped into the cathode with abundance, and this air can also be used to Abreagieren contained in the purged gas mixture fuel or hydrogen. Thus, it can be advantageously ensured that the superfluous in the fuel cell or in the lines of the fuel cell hydrogen can be confidently eliminated to avoid dangerous accumulations of hydrogen.

Des Weiteren kann das erfindungsgemäße Verfahren mindestens einen weiteren Schritt aufweisen:

  • c) Leiten eines Wasser enthaltenen Fluides einer Drain-Leitung der Purge-leitung in einem Drain-Betriebszustand der Brennstoffzelle zu einem Teil an der Brennstoffzelle vorbei und zu einem anderen Teil zu der Brennstoffzelle.
Furthermore, the method according to the invention can have at least one further step:
  • c) passing a fluid containing water a drain line of the purge line in a drain operating state of the fuel cell to a part of the fuel cell over and to another part of the fuel cell.

Somit kann vorteilhafterweise der Normalbetrieb der Brennstoffzelle, insbesondere der Drain-Betriebszustand der Brennstoffzelle, verbessert werden. Hierzu kann die Erfindung vorsehen, dass das überschüssige Wasser an der Brennstoffzelle vorbei geführt werden kann, um eine Störung eines Wassermanagements der Brennstoffzelle zu vermeiden, wobei gleichzeitig der Brennstoff bzw. der Wasserstoff zu der Kathode der Brennstoffzelle gelangen kann, um dort mit Sauerstoff abzureagieren.Thus, the normal operation of the fuel cell, in particular the drain operating state of the fuel cell, can advantageously be improved. For this purpose, the invention can provide that the excess water past the fuel cell can be performed in order to avoid a disturbance of a water management of the fuel cell, at the same time the fuel or the hydrogen can reach the cathode of the fuel cell, there to react with oxygen.

Ferner kann es im Rahmen der Erfindung vorteilhaft sein, wenn das Verfahren mindestens einen weiteren Schritt aufweisen kann:

  • d) Ablassen des gepurgten Gasgemisches der Purge-Leitung und eines Wasser enthaltenen Fluides einer Drain-Leitung der Purge-leitung in einem Shutdown-Betriebszustand der Brennstoffzelle an der Brennstoffzelle vorbei.
Furthermore, it may be advantageous within the scope of the invention if the method can have at least one further step:
  • d) discharging the purged gas mixture of the purge line and a water-containing fluid of a drain line of the purge line in a shutdown operating state of the fuel cell to the fuel cell over.

Dabei kann beim Shutdown-Betriebszustand der Brennstoffzelle vorteilhafterweise sichergestellt werden, dass das Brennstoff enthaltene Fluid und/oder Anodenwasser zuverlässig aus der Brennstoffzelle abtransportiert werden.In this case, during the shutdown operating state of the fuel cell, it can advantageously be ensured that the fluid and / or anode water contained in the fuel are reliably removed from the fuel cell.

Zudem kann es im Rahmen der Erfindung vorgesehen sein, dass das Verfahren mindestens einen weiteren Schritt aufweisen kann:

  • e) Freiblasen der Kathodenleitung und/oder der Anodenleitung in einem Shutdown-Betriebszustand der Brennstoffzelle.
Moreover, it can be provided within the scope of the invention that the method can have at least one further step:
  • e) blowing the cathode line and / or the anode line in a shutdown operating state of the fuel cell.

Hiermit kann beim Shutdown-Betriebszustand der Brennstoffzelle der Vorteil erreicht werden, dass nach dem Ausschalten der Brennstoffzelle keine Reststoffe in der Brennstoffzelle verbleiben, um zum einen ungewollte Reaktionen in der Brennstoffzelle zu vermeiden, und um zum anderen eine Eisbildung in der Brennstoffzelle bei kalten Temperaturen zu vermeiden.This can be achieved in the shutdown operating state of the fuel cell, the advantage that remain after switching off the fuel cell no residues in the fuel cell to avoid unwanted reactions in the fuel cell, and on the other ice formation in the fuel cell at cold temperatures avoid.

Erfindungsgemäß ist es dabei denkbar, dass die Verfahrensschritte a) bis e) nacheinander und/oder die Schritte b) und c) gleichzeitig ausgeführt werden können. Der Vorteil liegt dabei darin, dass vom Start bis zum Shutdown der Brennstoffzelle ein verbessertes Verteilen des gepurgten Gasgemisches und der Kathodenluft gemäß der Erfindung im jedem Betriebszustand der Brennstoffzelle ermöglicht werden kann. Zudem kann der Normalbetrieb der Brennstoffzelle zusätzlich dadurch verbessert werden, dass der Purge-Vorgang und der Drain-Vorgang zusammen ausgeführt werden können, wobei das teilweise Durchlassen des gepurgten Gasgemisches und des Wasser enthaltenes Fluides des Anodenwassers vorgeschlagen wird.According to the invention, it is conceivable that the method steps a) to e) can be carried out in succession and / or the steps b) and c) simultaneously. The advantage lies in the fact that an improved distribution of the purged gas mixture and the cathode air according to the invention in each operating state of the fuel cell can be made possible from the start to the shutdown of the fuel cell. In addition, the normal operation of the fuel cell can be further improved by allowing the purge operation and the drain operation to be carried out together, suggesting the partial passage of the purged gas mixture and the water-containing fluid of the anode water.

Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Further measures which improve the invention are described in more detail below with the description of the preferred exemplary embodiments of the invention with reference to the figures.

Bevorzugte AusführungsbeispielePreferred embodiments

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:The fuel cell according to the invention and its developments and their advantages and the method according to the invention and its developments and its advantages are explained in more detail below with reference to drawings. Each show schematically:

1 eine erfindungsgemäße Brennstoffzelle, 1 a fuel cell according to the invention,

2 eine Betriebsstrategie für einen Start-Betriebszustand der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle, 2 an operating strategy for a starting operating state of the fuel cell according to the invention,

3 eine Betriebsstrategie zum Vermeiden von Brennstoff-Emissionen, insbesondere Wasserstoff-Emissionen, für einen Normalbetrieb der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle, insbesondere für einen Purge-Betriebszustand der Brennstoffzelle, 3 an operating strategy for avoiding fuel emissions, in particular hydrogen emissions, for normal operation of the fuel cell according to the invention, in particular for a purge operating state of the fuel cell,

4 eine weitere Ausgestaltungsform der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle, 4 a further embodiment of the fuel cell according to the invention,

5 eine Betriebsstrategie zum Vermeiden vom Rückführen von flüssigem Wasser zu der Brennstoffzelle zurück, nach einem Drain-Vorgang für den Normalbetrieb der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle, insbesondere für einen Drain-Betriebszustand der Brennstoffzelle, und 5 an operating strategy for avoiding the return of liquid water to the fuel cell, after a drain operation for the normal operation of the fuel cell according to the invention, in particular for a drain operating state of the fuel cell, and

6 eine Betriebsstrategie für einen Shutdown-Betriebszustand der erfindungsgemäßen Brennstoffzelle. 6 an operating strategy for a shutdown operating state of the fuel cell according to the invention.

Elemente mit gleicher Funktion und Wirkungsweise sind in den 1 bis 6 jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen. Elements with the same function and mode of action are in the 1 to 6 each provided with the same reference numerals.

Die 1 und die 3 zeigen jeweils eine Ausgestaltungsform einer erfindungsgemäßen Brennstoffzelle 1, bspw. für mobile Anwendungen, d. h. für Anwendungen in Kraftfahrzeugen, oder für stationäre Anwendungen, bspw. in Generatoren oder als Notstromversorgung. In der Brennstoffzelle 1 findet eine kalte Verbrennung von Brennstoff, insbesondere von Wasserstoff, durch Verbinden mit Sauerstoff, bspw. aus der normalen Umgebungsluft, statt. Die elektrische Leistung wird dabei über elektrische Leitungen 40 abgegriffen und an ein elektrisches Bordnetzt 41, bspw. in einem Kraftfahrzeug, bereitgestellt. Dafür wird einer Anode 2 der Brennstoffzelle 1 über eine Anodenleitung 20 Brennstoff, insbesondere Wasserstoff, zugeführt, während einer Kathode 4 der Brennstoffzelle 1 über eine Kathodenleitung 10 Kathodenluft, insbesondere gefilterte Umgebungsluft, zugeführt wird. The 1 and the 3 each show an embodiment of a fuel cell according to the invention 1 , eg for mobile applications, ie for applications in motor vehicles, or for stationary applications, for example in generators or as an emergency power supply. In the fuel cell 1 takes place a cold combustion of fuel, in particular of hydrogen, by connecting with oxygen, for example. From the normal ambient air instead. The electrical power is via electrical lines 40 tapped and to an electric on-board network 41 , for example in a motor vehicle. This is an anode 2 the fuel cell 1 via an anode lead 20 Fuel, in particular hydrogen, fed during a cathode 4 the fuel cell 1 via a cathode line 10 Cathode air, in particular filtered ambient air, is supplied.

Die Anodenleitung 20 weist dabei einen Brennstoff- bzw. einen Wasserstofftank 21 auf, welches über ein Ventil 22 zum Mindern des Druckes und über ein Absperrventil 23 zum Abschalten der Brennstoffversorgung, bspw. in einem Fehlerfall, Brennstoff an die Brennstoffzelle 1 bereitstellt. Die Anodenleitung 20 kann zudem eine Drosselklappe 24 aufweisen, um den Druck in der Anodenleitung 20 zu kontrollieren. The anode lead 20 has a fuel or a hydrogen tank 21 on which via a valve 22 to reduce the pressure and a shut-off valve 23 For switching off the fuel supply, eg. In case of failure, fuel to the fuel cell 1 provides. The anode lead 20 can also have a throttle 24 exhibit the pressure in the anode lead 20 to control.

Eine Purge-Leitung 30 ist vorgesehen, die die Anodenleitung 20 und die Kathodenleitung 10 verbindet. Im Startfall der Brennstoffzelle 1 kann durch eine entsprechende Betätigung eines Purge-Ventils 31 und einer Rezirkulationspumpe 32 bzw. eines Saugers 32 bewirkt werden, dass ein in der Anode 2 der Brennstoffzelle 1 befindliches Gasgemisch in die Kathodenleitung 10 abgelassen wird, um die Anode 2 von Luft zu befreien und mit Brennstoff, insbesondere Wasserstoff, zu füllen. Dabei spricht man von einem Purgen der Brennstoffzelle 1 im Startfall bzw. im Start-Betriebszustand der Brennstoffzelle 1. Die 2 gibt im Nachfolgenden eine Betriebsstrategie für den Start-Betriebszustand. Außerdem kann die Brennstoffzelle im Normalbetrieb gepurgt werden, um die Effizienz der Brennstoffzelle zu erhöhen, wobei im diesem Falle von einem Purge-Betriebszustand gesprochen wird. Die 3 gibt im Nachfolgenden eine Betriebsstrategie für den Purge-Betriebszustand.A purge pipe 30 is provided, which is the anode lead 20 and the cathode line 10 combines. In the start of the fuel cell 1 can by a corresponding actuation of a purge valve 31 and a recirculation pump 32 or a nipple 32 causes one in the anode 2 the fuel cell 1 located gas mixture in the cathode line 10 is drained to the anode 2 to be cleared of air and filled with fuel, in particular hydrogen. This is called a purge of the fuel cell 1 in the starting case or in the starting operating state of the fuel cell 1 , The 2 gives below an operating strategy for the starting operating state. In addition, the fuel cell may be purged in normal operation to increase the efficiency of the fuel cell, in which case a purge operating condition is discussed. The 3 gives below an operating strategy for the purge operating state.

Die Kathodenleitung 10 weist erfindungsgemäß einen Zulauf 11 zu der Brennstoffzelle 1, insbesondere zur der Kathode 4 der Brennstoffzelle 1, und einen Rücklauf 12 von der Brennstoffzelle 1, insbesondere von der Kathode 4 der Brennstoffzelle 1, auf. Zwischen dem Zulauf 11 und dem Rücklauf 12 ist eine Bypass-Leitung mit einem Bypass-Ventil 13, z. B. in Form einer Drosselklappe, vorgesehen, um den Druck in der Kathodenleitung 10 zu kontrollieren. Erfindungsgemäß kann das Bypass-Ventil 13 dazu genutzt werden, um den Lauf eines gepurgten Gasgemisches gemäß der 1 und eines Wasser enthaltenen, gepurgten und gedrainten Gemisches gemäß der 4 zu bestimmen. Im Zulauf 11 am Eingang der Kathodenleitung 10 ist ein Luftfilter 19 vorgesehen, um die Umgebungsluft entsprechend den Erfordernissen der Brennstoffzelle 1 zu filtern. Am Eingang der Kathodenleitung 10 kann außerdem ein Temperatursensor 18 zum Messen der Umgebungstemperatur vorgesehen sein, um die anfängliche Temperatur der Umgebungsluft zu überprüfen. Ein Verdichter 14 bzw. ein Sauger 14 sorgt dafür, dass ausreichend Luft zur Kathode 4 der Brennstoffzelle 1 gelangt. Ein Wärmetauscher 15 ist vorgesehen, um die verdichtete Luft bzw. Kathodenluft nach Durchgang des Verdichters 14 auf eine geeignete Temperatur abzukühlen. Ein Befeuchter 16, bspw. in Form einer Membran, die Wasser durchlässt aber die Luft stoppt, sorgt dafür, dass unverbrauchte Kathodenluft zurück an die Kathode 4 geschickt wird. Mit Hilfe von Ventilen 13, 17 in Form von Drosselklappen kann ein geeigneter Druck in der Kathodenleitung 10 eingestellt werden.The cathode line 10 has an inlet according to the invention 11 to the fuel cell 1 , in particular to the cathode 4 the fuel cell 1 , and a return 12 from the fuel cell 1 , especially from the cathode 4 the fuel cell 1 , on. Between the inlet 11 and the return 12 is a bypass line with a bypass valve 13 , z. B. in the form of a throttle valve, provided to the pressure in the cathode line 10 to control. According to the invention, the bypass valve 13 be used to the run of a purged gas mixture according to the 1 and a water containing, purged and gedrained mixture according to the 4 to determine. In the inflow 11 at the entrance of the cathode line 10 is an air filter 19 provided to the ambient air according to the requirements of the fuel cell 1 to filter. At the entrance of the cathode line 10 can also have a temperature sensor 18 be provided for measuring the ambient temperature to check the initial temperature of the ambient air. A compressor 14 or a sucker 14 Ensures that enough air to the cathode 4 the fuel cell 1 arrives. A heat exchanger 15 is provided to the compressed air or cathode air after passage of the compressor 14 to cool to a suitable temperature. A humidifier 16 For example, in the form of a membrane that lets water through but stops the air, ensures that unused cathode air is returned to the cathode 4 is sent. With the help of valves 13 . 17 in the form of throttle valves may be a suitable pressure in the cathode line 10 be set.

Die im Betrieb der Brennstoffzelle 1 entwickelte Wärme wird über eine Kühlfluid führende Thermalleitung 50 abgeführt. Im Startfall kann die Thermalleitung 50 wiederum dazu dienen, um die Brennstoffzelle 1 auf eine bevorzugte Betriebstemperatur zu erwärmen. Die Thermalleitung 50 weist dabei einen Kühler 51 und eine Rezirkulationspumpe 52 auf, um die überschüssige Wärme beim Betrieb des Brennstoffzelle 1 aufzunehmen und abzutransportieren.The operation of the fuel cell 1 developed heat is transmitted through a cooling fluid leading thermal line 50 dissipated. In the starting event, the thermal line 50 turn serve to the fuel cell 1 to heat to a preferred operating temperature. The thermal line 50 has a cooler 51 and a recirculation pump 52 on to the excess heat during operation of the fuel cell 1 to pick up and remove.

Die 2 zeigt die Betriebsstrategie für den Start-Betriebszustand der Brennstoffzelle 1, wobei im Schritt 100 mit der Startprozedur begonnen wird. Erfindungsgemäß werden im Schritt 101 zunächst Maßnahmen getroffen, damit das gepurgte Gasgemisch in den Rücklauf 12 der Kathodenleitung 10 abgelassen werden kann. Hierzu wird zum einen der Verdichter 14, z. B. bis zur maximalen Drehzahl, hochgedreht, um eine optimale Verdünnung des gepurgten Gasgemisches, welches Brennstoff bzw. Wasserstoff enthalten kann, zu ermöglichen. Und zum anderen wird hierzu das Bypass-Ventil 13 völlig geöffnet, um zu vermeiden, dass das gepurgte Gasgemisch, welches Luft enthalten kann, während der Befüllung der Anode 2 zu der Kathode 4 gelangt. Im Schritt 102 wird anschließend mit der Befüllung der Anode 2 begonnen, indem das Absperrventil 23 und das Purge-Ventil 31 geöffnet werden. Im Start-Betriebszustand ist es erfindungsgemäß wünschenswert, dass bei der Befüllung der Anode 2 in der Kathode 4 keine Luft enthalten ist, um eine Degradation der Brennstoffzelle 1 zu vermeiden. Insbesondere bei einem Kurzschlussstart der Brennstoffzelle 1, ist es wichtig, dass in der Kathode 4 sich keine Luft befindet, um eine effektive Befüllung der Anode 2 zu ermöglichen und Degradation der Brennstoffzelle 1 zu verhindern. Auch ohne eine Möglichkeit der Neutralisierung des Wasserstoffes in der Kathode 4, wird durch das hochdrehen des Verdichters 14 sichergestellt, dass das gepurgte Gasgemisch ausreichend verdünnt wird. Im Schritt 103 wird überprüft, ob die Anode 2 vollständig mit Brennstoff bzw. Wasserstoff gefüllt ist. Im Schritt 104 kann dann mit der Startprozedur fortgefahren werden.The 2 shows the operating strategy for the starting operating state of the fuel cell 1 , where in step 100 is started with the startup procedure. According to the invention in step 101 First, measures are taken so that the purged gas mixture in the return 12 the cathode line 10 can be drained. For this purpose, on the one hand, the compressor 14 , z. B. up to the maximum speed, turned up to allow optimal dilution of the purged gas mixture, which may contain fuel or hydrogen. And second, this is the bypass valve 13 completely open, to avoid that the purged gas mixture, which may contain air, during the filling of the anode 2 to the cathode 4 arrives. In step 102 is subsequently filled with the anode 2 started by the shut-off valve 23 and the purge valve 31 be opened. In the starting operating state, it is inventively desirable that when filling the anode 2 in the cathode 4 no air is contained, to a degradation of the fuel cell 1 to avoid. In particular, at a short-circuit start of the fuel cell 1 , it is important that in the cathode 4 there is no air to effectively fill the anode 2 to allow and degradation of the fuel cell 1 to prevent. Even without a possibility of neutralization of the hydrogen in the cathode 4 , is made by turning up the compressor 14 ensure that the purged gas mixture is sufficiently diluted. In step 103 it checks if the anode 2 completely filled with fuel or hydrogen. In step 104 can then proceed with the startup procedure.

Die 3 zeigt die Betriebsstrategie für den Normalbetrieb der Brennstoffzelle 1 bei einem Purge-Bedarf, wobei in diesem Falle der Purge-Betriebszustand gemeint ist. Im Schritt 200 läuft der Normalbetrieb wie gewohnt. Im Schritt 201 wird entschieden, ob ein Purge-Bedarf besteht. Wenn ja, wird im Schritt 202 das Bypass-Ventil 13 völlig geschlossen bei einem normal weiterarbeitendem Verdichter 14. Anschließend kann das Purge-Ventil 31 für eine bestimmte Zeit Δt geöffnet und danach wieder geschlossen werden. Somit kann das gepurgte Gasgemisch in den Zulauf 11 der Kathodenleitung 10 gelangen und somit zu der Kathode 4 der Brennstoffzelle 1, wo der im gepurgten Gasgemisch befindliche Brennstoff, insbesondere der Wasserstoff, insbesondere mit Sauerstoff der Kathode, abreagieren kann. Somit können kritische Konzentrationen des Brennstoffes bzw. des Wasserstoffes im Normalbetrieb der Brennstoffzelle 1 zuversichtlich vermieden werden. Im Schritt 204 wird mit dem Normalbetrieb der Brennstoffzelle 1 fortgesetzt. The 3 shows the operating strategy for the normal operation of the fuel cell 1 in a purge requirement, in which case the purge operating condition is meant. In step 200 normal operation is running as usual. In step 201 a decision is made as to whether a purge requirement exists. If yes, it will be in step 202 the bypass valve 13 completely closed with a normally continuing working compressor 14 , Subsequently, the purge valve 31 be opened for a certain time .DELTA.t and then closed again. Thus, the purged gas mixture in the inlet 11 the cathode line 10 arrive and thus to the cathode 4 the fuel cell 1 where the fuel in the purged gas mixture, in particular the hydrogen, in particular with oxygen of the cathode, can react. Thus, critical concentrations of the fuel or hydrogen in normal operation of the fuel cell 1 be avoided confidently. In step 204 becomes normal operation of the fuel cell 1 continued.

Im Ausführungsbeispiel der 4 weist die Brennstoffzelle 1, insbesondere die Purge-Leitung 30, zudem eine parallele Drain-Leitung 33 auf, die zum Abführen von überschüssiger Feuchtigkeit, insbesondere überschüssigen Wassers, aus der Brennstoffzelle 1 vorgesehen ist. Die Drain-Leitung 33 ist mit einem Wasser-Abscheider 34 und einem Wasser-Tank 35 ausgeführt. Der Wasserhaushalt in der Brennstoffzelle 1 muss zuverlässig auf einem bestimmten Niveau gehalten werden. Dabei muss eine Membran 3 der Brennstoffzelle 1 genügend Feuchtigkeit aufweisen, um zuverlässig Brennstoff- bzw. Wasserstoff-Ionen von der Anode 2 zu der Kathode 4 der Brennstoffzelle 1 durchzulassen. Zu viel Wasser darf sich aber in der Brennstoffzelle 1 ebenfalls nicht sammeln, damit die Funktionsweise der Brennstoffzelle 1, insbesondere der Membran 3 nicht gestört wird. Die Drain-Leitung 33 sorgt dabei für das ausgewogene Wassermanagement, um das überschüssige Wasser abzuleiten. Die Drain-Leitung 33 kann erfindungsgemäß am Anfang und am Ende mit der Purge-Leitung 30 zusammen auslaufen. Bei einem Bedarf, überschüssiges Wasser im Normalbetrieb der Brennstoffzelle 1 abzuleiten, spricht man erfindungsgemäß von einem Drain-Betriebszustand. Eine erfindungsgemäße Strategie für den Drain-Betriebszustand ist in der 5 dargestellt. Zudem kann es sich am Ende des Betriebes im Shutdown der Brennstoffzelle 1 sinnvoll sein, sämtliches Wasser aus der Brennstoffzelle abzutransportieren, um keine Rückstände in der Brennstoffzelle 1 zu hinterlassen und um Gefrieren des Restwassers in der Brennstoffzelle 1 zu vermeiden. Hierbei kann man im Sinne der Erfindung von einem Shutdown-Betriebszustand der Brennstoffzelle 1 sprechen. Eine erfindungsgemäße Strategie für den Shutdown-Betriebszustand ist in der 6 dargestellt.In the embodiment of 4 shows the fuel cell 1 , especially the purge line 30 , also a parallel drain line 33 on, for the removal of excess moisture, in particular excess water, from the fuel cell 1 is provided. The drain line 33 is with a water separator 34 and a water tank 35 executed. The water balance in the fuel cell 1 must be reliably maintained at a certain level. There must be a membrane 3 the fuel cell 1 Have enough moisture to reliably fuel or hydrogen ions from the anode 2 to the cathode 4 the fuel cell 1 pass. Too much water is allowed in the fuel cell 1 also do not collect, hence the functioning of the fuel cell 1 , in particular the membrane 3 not disturbed. The drain line 33 ensures the balanced water management to dissipate the excess water. The drain line 33 can according to the invention at the beginning and at the end with the purge line 30 leak together. In a need, excess water during normal operation of the fuel cell 1 derive, is called according to the invention of a drain operating state. An inventive strategy for the drain operating state is in the 5 shown. In addition, it can shut down the fuel cell at the end of the operation 1 make sense to remove all the water from the fuel cell to no residues in the fuel cell 1 to leave behind and to freeze the residual water in the fuel cell 1 to avoid. Here, in the sense of the invention, a shutdown operating state of the fuel cell can be used 1 speak. An inventive strategy for the shutdown operating state is in the 6 shown.

Die 5 zeigt die Betriebsstrategie im Drain-Betriebszustand, um das überschüssige Wasser im Normalbetrieb der Brennstoffzelle 1 abzuleiten. Im Schritt 200 läuft der Normalbetrieb, wie es auch gemäß der 3 der Fall sein kann. Im Schritt 205 wird überprüft, ob ein Drain-Bedarf besteht. Wenn ja, wird im Schritt 206 bei dem normal weiterarbeitenden Verdichter 14 das Bypass-Ventil 13 halb geöffnet. Anschließend wird im Schritt 207 das Drain-Ventil 36 für eine bestimmte Zeit Δt geöffnet und danach wieder geschlossen. Das gepurgte Gasgemisch, welches am Ende der Purge-Leitung 30 Wasser aus der Drain-Leitung 33 umfasst, kann dann zum Teil an der Brennstoffzelle 1 über die Bypass-Leitung in den Rücklauf 12 der Kathodenleitung 10 abgelassen werden. Gleichzeitig fließt zumindest ein Teil des gepurgten Gasgemisches in den Zulauf 11 der Kathodenleitung 10. Dadurch kann im Normalbetrieb der Brennstoffzelle 1 sichergestellt werden, dass das Wasser zumindest zum Teil an der Brennstoffzelle 1 vorbeigeführt wird. Im Schritt 208 wird mit dem Normalbetrieb der Brennstoffzelle 1 fortgesetzt. Hierbei ist es erfindungsgemäß denkbar, dass die Betriebsstrategie für den Drain-Betriebszustand gemäß der 5 und die Betriebsstrategie für den Purge-Betriebszustand gemäß der 3 nacheinander oder zumindest zum Teil gleichzeitig ausgeführt werden können. In diesem Falle ist es denkbar, dass das Bypass-Ventil 13 zumindest zu einem Teil, insbesondere halb, geöffnet sein kann. Ferner ist es aber auch denkbar, dass das Bypass-Ventil 13 zu einem größeren Teil geöffnet werden kann, wenn der Purge-Vorgang und der Drain-Vorgang gleichzeitig ausgeführt werden.The 5 shows the operating strategy in the drain operating state to the excess water during normal operation of the fuel cell 1 derive. In step 200 runs the normal operation, as it also according to the 3 the case may be. In step 205 it is checked if there is a drain demand. If yes, it will be in step 206 at the normal continuing working compressor 14 the bypass valve 13 half open. Subsequently, in step 207 the drain valve 36 opened for a certain time .DELTA.t and then closed again. The purged gas mixture, which at the end of the purge line 30 Water from the drain pipe 33 can then be partly to the fuel cell 1 via the bypass line in the return line 12 the cathode line 10 be drained. At the same time, at least part of the purged gas mixture flows into the inlet 11 the cathode line 10 , As a result, during normal operation of the fuel cell 1 be sure that the water is at least partially connected to the fuel cell 1 is passed. In step 208 becomes normal operation of the fuel cell 1 continued. It is conceivable according to the invention that the operating strategy for the drain operating state according to the 5 and the operating strategy for the purge operating state according to the 3 one after the other or at least partly simultaneously. In this case, it is conceivable that the bypass valve 13 at least in part, in particular half, can be open. Furthermore, it is also conceivable that the bypass valve 13 can be opened to a greater extent when the purge process and the drain process are performed simultaneously.

Die 6 zeigt die Betriebsstrategie für den Shutdown-Betriebszustand der Brennstoffzelle 1, in welchem sämtliches Wasser aus der Brennstoffzelle 1 abgelassen wird. Im Schritt 300 wird mit der Shutdownprozedur begonnen. Im Schritt 301 wird der Verdichter 14 hochgedreht und unter hohem Luftmassenstrom das Bypass-Ventil 13 geöffnet. Anschließend werden im Schritt 302 das Drain-Ventil 36 und das Purge-Ventil 31 geöffnet. Das Anoden-Wasser strömt nicht zu der Brennstoffzelle 1 zurück, sondern nach dem Druckgefälle über die Bypass-Leitung in den Rücklauf 12 der Kathodenleitung 10. Währenddessen kann vorteilhafterweise vermieden werden, dass das gepurgte Gasgemisch und die gedrainte Flüssigkeit zurück zu der Brennstoffzelle 1 gelangt. Im Schritt 303 wir überprüft, ob der Wasser-Tank 35 leer ist. Danach wird im Schritt 304 mit der Shutdownprozedur fortgefahren und bspw. ein Trockenblasen der Leitungen 10, 13, 20, 30, 33 eingeleitet. The 6 shows the operating strategy for the shutdown operating state of the fuel cell 1 in which all the water from the fuel cell 1 is drained. In step 300 is started with the shutdown procedure. In step 301 becomes the compressor 14 turned high and high mass air flow the bypass valve 13 open. Subsequently, in the step 302 the drain valve 36 and the purge valve 31 open. The anode water does not flow to the fuel cell 1 back, but after the pressure drop across the bypass line in the return 12 the cathode line 10 , Meanwhile, it can be advantageously avoided that the purged gas mixture and the liquid being drawn back to the fuel cell 1 arrives. In step 303 we checked if the water tank 35 is empty. After that, in step 304 continued with the shutdown procedure and, for example, a dry blowing of the lines 10 . 13 . 20 . 30 . 33 initiated.

Claims (10)

Brennstoffzelle (1), insbesondere eine Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle, mit einer Kathodenluft führenden Kathodenleitung (10), einer Brennstoff führenden Anodenleitung (20), und einer Purge-Leitung (30), die die Anodenleitung (20) mit der Kathodenleitung (10) verbindet, dadurch gekennzeichnet, dass die Purge-Leitung (30) derart mit der Kathodenleitung (10) verbunden ist, um je nach Betriebszustand der Brennstoffzelle (1) ein gepurgtes Gasgemisch wahlweise zu der Brennstoffzellenkathode (4), zumindest zum Teil an der Brennstoffzellenkathode (1) vorbei oder im Wesentlichen an der Brennstoffzellenkathode (1) vorbei zu leiten.Fuel cell ( 1 ), in particular a polymer electrolyte fuel cell, with a cathode air leading cathode line ( 10 ), a fuel-carrying anode lead ( 20 ), and a purge line ( 30 ), the anode lead ( 20 ) with the cathode line ( 10 ), characterized in that the purge line ( 30 ) in such a way with the cathode line ( 10 ) is connected, depending on the operating state of the fuel cell ( 1 ) a purged gas mixture optionally to the fuel cell cathode ( 4 ), at least in part on the fuel cell cathode ( 1 ) past or substantially at the fuel cell cathode ( 1 ) to pass by. Brennstoffzelle (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathodenleitung (10) einen Zulauf (11) zu der Brennstoffzelle (1) und einen Rücklauf (12) von der Brennstoffzelle (1) aufweist, wobei der Zulauf (11) und der Rücklauf (12) über eine Bypass-Leitung mit einem Bypass-Ventil (13), insbesondere in Form einer Drosselklappe, verbunden sind. Fuel cell ( 1 ) according to claim 1, characterized in that the cathode line ( 10 ) an inlet ( 11 ) to the fuel cell ( 1 ) and a return ( 12 ) from the fuel cell ( 1 ), wherein the feed ( 11 ) and the return ( 12 ) via a bypass line with a bypass valve ( 13 ), in particular in the form of a throttle valve, are connected. Brennstoffzelle (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Purge-Leitung (30) vor der Bypass-Leitung, insbesondere innerhalb der Bypass-Leitung, endet.Fuel cell ( 1 ) according to claim 1 or 2, characterized in that the purge line ( 30 ) in front of the bypass line, especially within the bypass line, ends. Brennstoffzelle (1) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Purge-Leitung (30) eine Drain-Leitung (33) aufweist. Fuel cell ( 1 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the purge line ( 30 ) a drain line ( 33 ) having. Verfahren zum Betrieb einer Brennstoffzelle (1), insbesondere einer Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle, mit einer Kathodenluft führenden Kathodenleitung (10), wobei die Kathodenleitung (10) zwischen einem Zulauf (11) zur und einem Rücklauf (12) von der Brennstoffzelle (1) eine Bypass-Leitung aufweist, einer Brennstoff führenden Anodenleitung (20), und einer Purge-Leitung (30), die die Anodenleitung (20) mit der Kathodenleitung (10) verbindet, wobei die Purge-Leitung (30) vor der Bypass-Leitung, insbesondere innerhalb der Bypass-Leitung, endet, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren mindestens einen Schritt aufweist: a) Leiten eines gepurgten Gasgemisches in einem Start-Betriebszustand der Brennstoffzelle (1) im Wesentlichen an der Brennstoffzelle (1) vorbei.Method for operating a fuel cell ( 1 ), in particular a polymer electrolyte fuel cell, with a cathode air leading cathode line ( 10 ), wherein the cathode line ( 10 ) between an inlet ( 11 ) to and a return ( 12 ) from the fuel cell ( 1 ) has a bypass line, a fuel-carrying anode lead ( 20 ), and a purge line ( 30 ), the anode lead ( 20 ) with the cathode line ( 10 ), whereby the purge line ( 30 ) in front of the bypass line, in particular within the bypass line, ends, characterized in that the method comprises at least one step: a) passing a purged gas mixture in a starting operating state of the fuel cell ( 1 ) substantially at the fuel cell ( 1 ) past. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren mindestens einen weiteren Schritt aufweist: b) Leiten eines gepurgten Gasgemisches in einem Purge-Betriebszustand der Brennstoffzelle (1) zu der Brennstoffzelle (1).A method according to claim 5, characterized in that the method comprises at least one further step: b) passing a purged gas mixture in a purge operating state of the fuel cell ( 1 ) to the fuel cell ( 1 ). Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren mindestens einen weiteren Schritt aufweist: c) Leiten eines Wasser enthaltenen Fluides einer Drain-Leitung (33) in der Purge-leitung (30) in einem Drain-Betriebszustand der Brennstoffzelle (1) zu einem Teil an der Brennstoffzelle (1) vorbei und zu einem anderen Teil zu der Brennstoffzelle (1). A method according to claim 5 or 6, characterized in that the method comprises at least one further step: c) passing a water-containing fluid of a drain line ( 33 ) in the purge line ( 30 ) in a drain operating state of the fuel cell ( 1 ) to a part of the fuel cell ( 1 ) over and to another part to the fuel cell ( 1 ). Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren mindestens einen weiteren Schritt aufweist: d) Freiblasen der Kathodenleitung (10) und/oder der Anodenleitung (20) in einem Shutdown-Betriebszustand der Brennstoffzelle (1).Method according to one of claims 5 to 7, characterized in that the method comprises at least one further step: d) blowing the cathode line ( 10 ) and / or the anode line ( 20 ) in a shutdown operating state of the fuel cell ( 1 ). Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren mindestens einen weiteren Schritt aufweist: e) Ablassen des gepurgten Gasgemisches der Purge-Leitung (30) und eines Wasser enthaltenen Fluides einer Drain-Leitung (31) in der Purge-leitung (30) in einem Shutdown-Betriebszustand der Brennstoffzelle (1) im Wesentlichen an der Brennstoffzelle (1) vorbei.Method according to one of claims 5 to 8, characterized in that the method comprises at least one further step: e) discharging the purged gas mixture of the purge line ( 30 ) and a water-containing fluid of a drain line ( 31 ) in the purge line ( 30 ) in a shutdown operating state of the fuel cell ( 1 ) substantially at the fuel cell ( 1 ) past. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren durch eine Brennstoffzelle (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5 durchgeführt wird, und dass insbesondere die Schritte a) bis e) nacheinander und/oder die Schritte b) und c) gleichzeitig ausgeführt werden.Method according to one of claims 5 to 9, characterized in that the method by a fuel cell ( 1 ) is carried out according to one of claims 1 to 5, and that in particular the steps a) to e) are carried out successively and / or the steps b) and c) simultaneously.
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