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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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:
Elemente mit gleicher Funktion und Wirkungsweise sind in den
Die
Die Anodenleitung
Eine Purge-Leitung
Die Kathodenleitung
Die im Betrieb der Brennstoffzelle
Die
Die
Im Ausführungsbeispiel der
Die
Die
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