DE102019214738A1 - Method for operating a fuel cell system, fuel cell system - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems, insbesondere eines PEM-Brennstoffzellensystems, mit mindestens einer eine Anode (1) und eine Kathode (2) aufweisenden Brennstoffzelle (3), bei dem der Anode (1) über einen Anodenpfad (4) ein Anodengas und der Kathode (2) über einen Kathodenpfad (5) ein Kathodengas zugeführt wird. Erfindungsgemäß wird der Kathode (2) mit Sauerstoff angereicherte Luft oder reiner Sauerstoff als Kathodengas zugeführt, wobei zur Sauerstoffanreicherung und/oder Sauerstoffversorgung mit Hilfe einer lonenpumpe (6) Sauerstoffionen aus einem Luftversorgungspfad (7) in den Kathodenpfad (5) transportiert werden.Die Erfindung betrifft ferner ein Brennstoffzellensystem zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.The invention relates to a method for operating a fuel cell system, in particular a PEM fuel cell system, with at least one fuel cell (3) having an anode (1) and a cathode (2), in which the anode (1) is connected via an anode path (4) Anode gas and a cathode gas is fed to the cathode (2) via a cathode path (5). According to the invention, the cathode (2) is supplied with oxygen-enriched air or pure oxygen as cathode gas, with oxygen ions being transported from an air supply path (7) into the cathode path (5) using an ion pump (6) for oxygen enrichment and / or oxygen supply also relates to a fuel cell system for carrying out the method according to the invention.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems, insbesondere eines PEM-Brennstoffzellensystems, mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Brennstoffzellensystem, insbesondere ein PEM-Brennstoffzellensystem, das zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet bzw. nach dem erfindungsgemäßen Verfahren betreibbar ist.The invention relates to a method for operating a fuel cell system, in particular a PEM fuel cell system, with the features of the preamble of claim 1. In addition, the invention relates to a fuel cell system, in particular a PEM fuel cell system, which is suitable for performing the method according to the invention or according to the The method according to the invention can be operated.

Stand der TechnikState of the art

Mit Hilfe eines Brennstoffzellensystems der vorstehend genannten Art kann unter Verwendung von Wasserstoff und Sauerstoff chemische in elektrische Energie umgewandelt werden. Das Brennstoffzellensystem umfasst hierzu mindestens eine Brennstoffzelle mit einer Anode, einer Kathode und einem zwischen der Anode und der Kathode angeordneten Elektrolyt. Wird eine Polymermembran (PEM = „Proton Exchange Membran“) als Elektrolyt verwendet, handelt es sich um eine PEM-Brennstoffzelle bzw. um ein PEM-Brennstoffzellensystem.With the aid of a fuel cell system of the type mentioned above, chemical energy can be converted into electrical energy using hydrogen and oxygen. For this purpose, the fuel cell system comprises at least one fuel cell with an anode, a cathode and an electrolyte arranged between the anode and the cathode. If a polymer membrane (PEM = "Proton Exchange Membrane") is used as the electrolyte, it is a PEM fuel cell or a PEM fuel cell system.

Elektrische Energie, die mit Hilfe eines Brennstoffzellensystems gewonnen wird, kann als Antriebsenergie, beispielsweise zum Antreiben eines Fahrzeugs, genutzt werden. Der benötigte Wasserstoff wird in diesem Fall in einem geeigneten Tank an Bord des Fahrzeugs mitgeführt. Der ferner benötigte Sauerstoff wird der Umgebungsluft entnommen. Um eine möglichst hohe Effizienz und Leistungsdichte zu erreichen sowie den Aufwand der Wärmeabfuhr zu minimieren, werden PEM-Systeme üblicherweise bei Betriebstemperaturen zwischen 65°C und 85°C betrieben. Dies erfordert eine externe Befeuchtung des Elektrolyten sowie einen Betriebsdruck von etwa 2-3 bar. Der erforderliche Betriebsdruck wird kathodenseitig in der Regel mittels eines Verdichters erzeugt. Da die Anforderungen hinsichtlich Druck und Durchsatzverhältnis im Bereich der Kathode besonders hoch sind, nimmt der Verdichter einen nennenswerten Anteil an den Systemkosten ein. Je nach Auslegung des Systems kann der elektrische Leistungsbedarf des Verdichters etwa 10-20% der elektrischen Ausgangsleistung des Systems entsprechen. Diese verfahrenstechnischen Zwänge führen nicht nur zu hohen Systemkosten, sondern ferner zu einer aufwändigen Systemkonfiguration.Electrical energy that is obtained with the aid of a fuel cell system can be used as drive energy, for example to drive a vehicle. In this case, the required hydrogen is carried in a suitable tank on board the vehicle. The oxygen that is also required is taken from the ambient air. In order to achieve the highest possible efficiency and power density and to minimize the cost of heat dissipation, PEM systems are usually operated at operating temperatures between 65 ° C and 85 ° C. This requires external moistening of the electrolyte and an operating pressure of around 2-3 bar. The required operating pressure is usually generated on the cathode side by means of a compressor. Since the requirements in terms of pressure and throughput ratio in the area of the cathode are particularly high, the compressor takes a noteworthy share of the system costs. Depending on the design of the system, the electrical power requirement of the compressor can correspond to around 10-20% of the electrical output power of the system. These procedural constraints not only lead to high system costs, but also to a complex system configuration.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Systemkonfiguration zu vereinfachen.The present invention is therefore based on the object of simplifying the system configuration.

Zur Lösung der Aufgabe werden das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie das Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Anspruchs 6 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den jeweiligen Unteransprüchen zu entnehmen.To achieve the object, the method with the features of claim 1 and the fuel cell system with the features of claim 6 are proposed. Advantageous further developments of the invention can be found in the respective subclaims.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Bei dem vorgeschlagenen Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems, insbesondere eines PEM-Brennstoffzellensystems, das mindestens eine Brennstoffzelle mit einer Anode und einer Kathode umfasst, wird der Anode über einen Anodenpfad ein Anodengas und der Kathode über einen Kathodenpfad ein Kathodengas zugeführt. Erfindungsgemäß wird der Kathode mit Sauerstoff angereicherte Luft oder reiner Sauerstoff als Kathodengas zugeführt, wobei zur Sauerstoffanreicherung und/oder Sauerstoffversorgung mit Hilfe einer lonenpumpe Sauerstoffionen aus einem Luftversorgungspfad in den Kathodenpfad transportiert werden.In the proposed method for operating a fuel cell system, in particular a PEM fuel cell system, which comprises at least one fuel cell with an anode and a cathode, an anode gas is supplied to the anode via an anode path and a cathode gas is supplied to the cathode via a cathode path. According to the invention, the cathode is supplied with oxygen-enriched air or pure oxygen as cathode gas, with oxygen ions being transported from an air supply path into the cathode path with the aid of an ion pump for oxygen enrichment and / or oxygen supply.

Das bei der Durchführung des vorgeschlagenen Verfahrens eingesetzte Kathodengas weist aufgrund der Sauerstoffanreicherung und/oder der Verwendung von reinem Sauerstoff als Kathodengas einen gegenüber der Umgebungsluft erhöhten Sauerstoffanteil auf. Vorzugsweise beträgt der Sauerstoffanteil mindestens 25 Vol.-%, weiterhin vorzugsweise mindestens 35 Vol.-% und besonders bevorzugt mindestens 45 Vol.-%. Wird das Kathodengas lediglich mit Sauerstoff angereichert, kann der Sauerstoffanteil beispielsweise 50 Vol.-% betragen. The cathode gas used when carrying out the proposed method has an increased oxygen content compared to the ambient air due to the oxygen enrichment and / or the use of pure oxygen as cathode gas. The oxygen content is preferably at least 25% by volume, further preferably at least 35% by volume and particularly preferably at least 45% by volume. If the cathode gas is only enriched with oxygen, the proportion of oxygen can be, for example, 50% by volume.

Durch die vorgeschlagene Sauerstoffanreicherung bzw. durch die vorgeschlagene Verwendung reinen Sauerstoffs als Kathodengas kann der Systemdruck auch bei hohen Betriebstemperaturen auf niedrigem Niveau gehalten werden. Die parasitären Verluste aus der Verdichtungsarbeit bleiben moderat und die Komponentenanforderungen des Verdichters sind zu vertretbarem Aufwand bzw. zu vertretbaren Kosten umsetzbar. Die Luftzufuhr und/oder Zirkulation des Kathodengases kann mit Hilfe eines einfachen Gebläses realisiert werden, da lediglich der Strömungswiderstand überwunden werden muss.Due to the proposed oxygen enrichment or the proposed use of pure oxygen as cathode gas, the system pressure can be kept at a low level even at high operating temperatures. The parasitic losses from the compression work remain moderate and the component requirements of the compressor can be implemented at a reasonable expense or cost. The air supply and / or circulation of the cathode gas can be implemented with the aid of a simple fan, since only the flow resistance has to be overcome.

Bevorzugt wird bei der Durchführung des vorgeschlagenen Verfahrens der Volumenstrom im Kathodenpfad reduziert. Der reduzierte Volumenstrom führt zu einer Reduzierung der Wasserabfuhr an der Kathode. Das heißt, dass auf eine externe Befeuchtung verzichtet und das Brennstoffzellensystem im Eigenbefeuchtungsmodus betrieben werden kann. Auf diese Weise wird die Systemkonfiguration weiter vereinfacht, da die üblicherweise vorgesehene Komponente zur Befeuchtung entfallen kann.When carrying out the proposed method, the volume flow in the cathode path is preferably reduced. The reduced volume flow leads to a reduction in the drainage of water at the cathode. This means that there is no need for external humidification and the fuel cell system can be operated in self-humidification mode. In this way, the system configuration is further simplified, since the components usually provided for humidification can be omitted.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird das Kathodengas im Kathodenpfad in einem geschlossenen Kreis geführt. Dies bietet sich insbesondere bei der Verwendung von reinem Sauerstoff als Kathodengas an, da dies ein geschlossenes bzw. dichtes System voraussetzt. Der Betrieb mit reinem Sauerstoff führt zu einem zusätzlichen Leistungsanstieg. Im Betrieb anfallendes Produktwasser muss ggf. durch eine geeignete Abscheidevorrichtung aus dem geschlossenen System entfernt werden.According to a preferred embodiment of the invention, the cathode gas is guided in the cathode path in a closed circuit. This is particularly useful when using pure oxygen as the cathode gas, since this is a requires a closed or tight system. Operation with pure oxygen leads to an additional increase in performance. Any product water that occurs during operation must be removed from the closed system using a suitable separation device.

Vorteilhafterweise wird eine lonenpumpe mit mindestens einer lonenpumpzelle verwendet, die eine Anode, eine Kathode und eine Oxidkeramik, beispielsweise yttriumstabilisiertes Zirconium(IV)-oxid, als Elektrolyt umfasst. Oxidkeramiken besitzen die Eigenschaft, leitfähig für Sauerstoffionen (O2-) zu sein. Die Leitfähigkeit ist temperaturabhängig, wobei die Leitfähigkeit mit zunehmender Temperatur steigt. Idealerweise liegt die Temperatur oberhalb von 500°C. Derartige lonenpumpzellen werden daher auch als Hochtemperaturzellen bezeichnet. Durch die unterschiedliche Gaskonzentration der Produkte und Edukte auf beiden Seiten des Elektrolyts entsteht ein elektrisches Spannungspotential („Nernst-Spannung“), das den Ionentransport antreibt. Alternativ kann von außen eine Spannung aufgeprägt werden.Advantageously, an ion pump with at least one ion pump cell is used which comprises an anode, a cathode and an oxide ceramic, for example yttrium-stabilized zirconium (IV) oxide, as the electrolyte. Oxide ceramics have the property of being conductive for oxygen ions (O 2- ). The conductivity is temperature-dependent, the conductivity increasing with increasing temperature. Ideally, the temperature is above 500 ° C. Such ion pump cells are therefore also referred to as high-temperature cells. The different gas concentrations of the products and educts on both sides of the electrolyte create an electrical voltage potential (“Nernst voltage”) that drives the ion transport. Alternatively, a voltage can be impressed from the outside.

In Weiterbildung der Erfindung wird daher vorgeschlagen, dass an die lonenpumpe eine elektrische Spannung angelegt wird. Die angelegte elektrische Spannung wirkt in diesem Fall als treibende Kraft beim Ionentransport. Der lonentransport kann somit über die angelegte elektrische Spannung gezielt beeinflusst werden.In a further development of the invention, it is therefore proposed that an electrical voltage be applied to the ion pump. In this case, the applied electrical voltage acts as a driving force in the transport of ions. The ion transport can thus be influenced in a targeted manner via the applied electrical voltage.

Da die Leitfähigkeit der lonenpumpe mit zunehmender Temperatur steigt, wird ferner vorgeschlagen, dass über die lonenpumpe in den Kathodenpfad und/oder Luftversorgungspfad eingebrachte Energie in Form von Wärme mit Hilfe mindestens eines Rekuperators zurückgewonnen wird. Die Energierückgewinnung wirkt sich positiv auf die Energiebilanz des Systems aus.Since the conductivity of the ion pump increases with increasing temperature, it is also proposed that energy introduced into the cathode path and / or air supply path via the ion pump is recovered in the form of heat with the aid of at least one recuperator. The energy recovery has a positive effect on the energy balance of the system.

Zur Lösung der eingangs genannten Aufgabe wird ferner ein Brennstoffzellensystem, insbesondere PEM-Brennstoffzellensystem, vorgeschlagen. Das Brennstoffzellensystem umfasst mindestens eine Brennstoffzelle mit einer Anode, der über einen Anodenpfad ein Anodengas zuführbar ist, und einer Kathode, der über einen Kathodenpfad ein Kathodengas zuführbar ist. Erfindungsgemäß ist stromaufwärts der Kathode eine lonenpumpe im Kathodenpfad angeordnet, mittels welcher Sauerstoffionen aus einem Luftversorgungspfad in den Kathodenpfad transportierbar sind.A fuel cell system, in particular a PEM fuel cell system, is also proposed to achieve the object mentioned at the beginning. The fuel cell system comprises at least one fuel cell with an anode, to which an anode gas can be supplied via an anode path, and a cathode, to which a cathode gas can be supplied via a cathode path. According to the invention, an ion pump is arranged in the cathode path upstream of the cathode, by means of which oxygen ions can be transported from an air supply path into the cathode path.

Das vorgeschlagene Brennstoffzellensystem ermöglicht somit eine Sauerstoffanreicherung des Kathodengases oder die Verwendung von reinem Sauerstoff als Kathodengas. Das vorgeschlagene Brennstoffzellensystem ist demnach insbesondere zur Durchführung des zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet bzw. nach dem zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren betreibbar. Mit Hilfe des Brennstoffzellensystems sind folglich die gleichen Vorteile erzielbar. Das heißt, dass das vorgeschlagene Brennstoffzellensystem eine vereinfachte Systemkonfiguration aufweisen kann, da die Notwendigkeit der Druckerhöhung und des damit verbundenen Aufwands entfällt. Ferner kann die üblicherweise vorgesehene Komponente zur Befeuchtung des Kathodengases entfallen.The proposed fuel cell system thus enables the cathode gas to be enriched with oxygen or to use pure oxygen as the cathode gas. The proposed fuel cell system is therefore particularly suitable for carrying out the method according to the invention described above or can be operated according to the method according to the invention described above. The same advantages can consequently be achieved with the aid of the fuel cell system. This means that the proposed fuel cell system can have a simplified system configuration, since the need to increase the pressure and the expense associated therewith are eliminated. Furthermore, the component usually provided for humidifying the cathode gas can be omitted.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Kathodenpfad als geschlossener Kreis ausgeführt. Dies ermöglicht insbesondere die Verwendung von reinem Sauerstoff als Kathodengas, da dies ein geschlossenes bzw. dichtes System voraussetzt. Durch die Verwendung von reinem Sauerstoff als Kathodengas kann ein zusätzlicher Leistungsanstieg erzielt werden.According to a preferred embodiment of the invention, the cathode path is designed as a closed circuit. This enables in particular the use of pure oxygen as cathode gas, since this requires a closed or leak-proof system. By using pure oxygen as cathode gas, an additional increase in output can be achieved.

Ferner wird vorgeschlagen, dass stromabwärts der Kathode ein Wasserabscheider im Kathodenpfad angeordnet ist. Dies ist insbesondere von Vorteil, wenn der Kathodenpfad als geschlossener Kreis ausgeführt ist, so dass im Betrieb anfallendes Produktwasser aus dem geschlossenen System entfernt werden kann. Der Wasserabscheider ist vorzugsweise stromabwärts der Kathode bzw. auf der Austrittsseite der Kathode im Kathodenpfad angeordnet, so dass im Betrieb anfallendes Produktwasser unmittelbar abgeführt wird.It is also proposed that a water separator be arranged in the cathode path downstream of the cathode. This is particularly advantageous if the cathode path is designed as a closed circuit, so that product water occurring during operation can be removed from the closed system. The water separator is preferably arranged downstream of the cathode or on the exit side of the cathode in the cathode path, so that product water occurring during operation is discharged directly.

Vorteilhafterweise weist die lonenpumpe mindestens eine lonenpumpzelle mir einer Anode, einer Kathode und einer Oxidkeramik, beispielsweise yttriumstabilisiertes Zirconium(IV)-oxid, als Elektrolyt auf. Wie bereits erwähnt besitzen Oxidkeramiken die Eigenschaft, leitfähig für Sauerstoffionen (O2-) zu sein. Die Leitfähigkeit ist dabei temperaturabhängig und steigt mit zunehmender Temperatur. Idealerweise handelt es sich bei der lonenpumpzelle um eine Hochtemperaturzelle, die bei einer Temperatur oberhalb von 500°C betrieben wird.The ion pump advantageously has at least one ion pump cell with an anode, a cathode and an oxide ceramic, for example yttrium-stabilized zirconium (IV) oxide, as the electrolyte. As already mentioned, oxide ceramics have the property of being conductive for oxygen ions (O 2- ). The conductivity is temperature-dependent and increases with increasing temperature. Ideally, the ion pump cell is a high-temperature cell that is operated at a temperature above 500 ° C.

In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass im Kathodenpfad und/oder im Luftversorgungspfad mindestens ein Rekuperator zur Energierückgewinnung angeordnet ist. Die über die lonenpumpe in das System eingetragene Energie in Form von Wärme kann mit Hilfe des mindestens einen Rekuperators zurückgewonnen werden, was sich positiv auf die Energiebilanz des Systems auswirkt.In a further development of the invention, it is proposed that at least one recuperator for energy recovery is arranged in the cathode path and / or in the air supply path. The energy introduced into the system via the ion pump in the form of heat can be recovered with the help of the at least one recuperator, which has a positive effect on the energy balance of the system.

Ferner wird vorgeschlagen, dass im Kathodenpfad und/oder im Luftversorgungspfad mindestens ein Gebläse angeordnet ist. Das Gebläse ersetzt den zur Druckerhöhung üblicherweise eingesetzten Verdichter. Denn eine Druckerhöhung ist aufgrund der Sauerstoffanreicherung bzw. aufgrund der Verwendung von reinem Sauerstoff als Kathodengas entbehrlich, so dass ein einfaches Gebläse zur Überwindung des Strömungswiderstands im Kathodenpfad und/oder im Luftversorgungspfad ausreicht. Mit Hilfe des mindestens einen Gebläses kann dem Kathodenpfad und/oder dem Luftversorgungspfad Luft zugeführt werden, die beispielsweise der Umgebung entnommen wird. Alternativ oder ergänzend kann mit Hilfe des Gebläses Kathodengas im Kathodengaspfad zirkuliert werden. Dies gilt insbesondere, wenn der Kathodengaspfad als geschlossener Kreis ausgeführt ist.It is also proposed that at least one fan is arranged in the cathode path and / or in the air supply path. The fan replaces the compressor usually used to increase the pressure. Because a pressure increase is due to the oxygen enrichment or due to the The use of pure oxygen as cathode gas is unnecessary, so that a simple fan is sufficient to overcome the flow resistance in the cathode path and / or in the air supply path. With the aid of the at least one fan, air can be supplied to the cathode path and / or the air supply path, which air is taken from the surroundings, for example. Alternatively or in addition, cathode gas can be circulated in the cathode gas path with the aid of the fan. This is especially true when the cathode gas path is designed as a closed circuit.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen:

  • 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform,
  • 2 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform,
  • 3 eine schematische Darstellung einer lonenpumpe für ein erfindungsgemäßes Brennstoffzellensystem,
  • 4 ein Diagramm zur Darstellung der Feuchteverläufe im Bereich der Anode und im Bereich der Kathode,
  • 5 ein Diagramm zur Darstellung der Feuchteverläufe im Bereich der Anode und im Bereich der Kathode bei modifizierten Betriebsbedingungen (erhöhter Betriebstemperatur) und
  • 6 ein Diagramm zur Darstellung der Feuchteverläufe im Bereich der Anode und im Bereich der Kathode bei modifizierten Betriebsbedingungen (erhöhter Betriebstemperatur und Sauerstoffanreicherung des Kathodengases).
The invention is explained in more detail below with reference to the accompanying drawings. These show:
  • 1 a schematic representation of a fuel cell system according to the invention according to a first preferred embodiment,
  • 2 a schematic representation of a fuel cell system according to the invention according to a second preferred embodiment,
  • 3 a schematic representation of an ion pump for a fuel cell system according to the invention,
  • 4th a diagram to show the moisture gradients in the area of the anode and in the area of the cathode,
  • 5 a diagram showing the moisture curves in the area of the anode and in the area of the cathode under modified operating conditions (increased operating temperature) and
  • 6th a diagram showing the moisture curves in the area of the anode and in the area of the cathode under modified operating conditions (increased operating temperature and oxygen enrichment of the cathode gas).

Ausführliche Beschreibung der ZeichnungenDetailed description of the drawings

Das in der 1 schematisch dargestellte Brennstoffzellensystem kann beispielsweise in einem Fahrzeug zum Einsatz gelangen. Die mit Hilfe des Brennstoffzellensystems gewonnene elektrische Energie kann in dem Fahrzeug als Antriebsenergie genutzt werden. Das dargestellte Brennstoffzellensystem umfasst hierzu mindestens eine Brennstoffzelle 3 mit einer Anode 1 und einer Kathode 2, zwischen denen eine Polymermembran 17 als Elektrolyt angeordnet ist.That in the 1 The fuel cell system shown schematically can be used, for example, in a vehicle. The electrical energy obtained with the aid of the fuel cell system can be used as drive energy in the vehicle. For this purpose, the fuel cell system shown comprises at least one fuel cell 3 with an anode 1 and a cathode 2 , between which a polymer membrane 17th is arranged as an electrolyte.

Die Anode 1 wird über einen Anodenpfad 4 mit einem Anodengas versorgt, wobei es sich bei dem Anodengas um Wasserstoff handelt. Aus der Anode 1 austretendes Anodenrestgas wird über eine Rezirkulationspfad 18 mit Gebläse 19 rückgeführt, so dass es dem System nicht verloren geht. Da sich im Betrieb das Anodengas bzw. Anodenrestgas mit Stickstoff anreichern kann, ist austrittsseitig im Anodenpfad 4 ein Spülventil 20 angeordnet, mit dessen Hilfe der Anodenbereich gespült werden kann.The anode 1 is via an anode path 4th supplied with an anode gas, the anode gas being hydrogen. From the anode 1 Exiting anode residual gas is via a recirculation path 18th with fan 19th returned so that it is not lost to the system. Since the anode gas or residual anode gas can be enriched with nitrogen during operation, it is in the anode path on the outlet side 4th a flush valve 20th arranged, with the help of which the anode area can be rinsed.

Die Kathode 2 wird über einen Kathodenpfad 5 mit einem Kathodengas versorgt, wobei es sich vorliegend um mit Sauerstoff angereicherte Luft handelt. Die Luft, die zuvor der Umgebung entnommen worden ist, wird hierzu einer im Kathodenpfad 5 angeordneten lonenpumpe 6 zugeführt. Die lonenpumpe 6 umfasst mindestens eine lonenpumpzelle 16, die ebenfalls eine Anode 8, eine Kathode 9 und einen Elektrolyten 10 aufweist. Der Elektrolyt 10 besitzt die Eigenschaft leitfähig für Sauerstoffionen O2- zu sein. Während die Anode 8 dem Kathodenpfad 5 zugeordnet ist, ist die Kathode 9 an einem Luftversorgungspfad 7 angeordnet, so dass der Kathode 9 der lonenpumpzelle 16 über den Luftversorgungspfad 7 Luft zuführbar ist. Wird an die lonenpumpzelle 16 eine elektrische Spannung angelegt, wandern Sauerstoffionen O2- von der Kathode 9 zur Anode 8, wobei die Sauerstoffionen O2- der im Luftversorgungspfad 7 vorhandenen Luft entnommen wird. Dieser Prozess ist beispielhaft in der 3 dargestellt. Der Prozess wird idealerweise bei einer Temperatur über 500°C durchgeführt, wobei die Temperatur insbesondere zwischen 500 und 850°C liegen kann. Im Kathodenpfad 5 stromabwärts der lonenpumpe 6 herrschen demnach sehr hohe Temperaturen. Um die in Form von Wärme eingetragene Energie rückzugewinnen, ist im Kathodenpfad 5 ein Rekuperator 11 angeordnet. Ein weiterer Rekuperator 12 kann - wie in der 1 dargestellt - im Luftversorgungspfad 7 angeordnet sein. Zur Überwindung des Strömungswiderstands ist sowohl im Kathodenpfad 5 als auch im Luftversorgungspfad 7 jeweils ein Gebläse 14, 15 angeordnet. Das Gebläse 14 im Kathodenpfad 5 ersetzt einen Verdichter, da eine Druckanhebung im Kathodenpfad 5 nicht erforderlich ist. Mit Wegfall des Verdichters sinkt auch der Leistungsbedarf des Systems, was sich günstig auf die Systemkosten auswirkt. Ferner kann aufgrund der Sauerstoffanreicherung der Volumenstrom im Kathodenpfad 5 reduziert werden, so dass zusätzlich auf eine externe Befeuchtung des Kathodengases verzichtet werden kann. Ein Befeuchter 22 ist daher entbehrlich bzw. optional. Wird auf den Befeuchter 22 verzichtet, kann die feuchte Abluft auf der Austrittsseite - wie in der 1 dargestellt - einfach an die Umgebung abgeführt werden. Damit sinken die Anforderungen an die Systemkonfiguration weiter, so dass es sich einfach umsetzen lässt. Wie in der 1 angedeutet, kann optional an der Kathode 2 eine Kühleinrichtung 21 vorgesehen werden.The cathode 2 is via a cathode path 5 supplied with a cathode gas, which in the present case is oxygen-enriched air. The air that was previously removed from the environment becomes one in the cathode path for this purpose 5 arranged ion pump 6th fed. The ion pump 6th comprises at least one ion pump cell 16 who also have an anode 8th , a cathode 9 and an electrolyte 10 having. The electrolyte 10 has the property of being conductive for oxygen ions O 2- . While the anode 8th the cathode path 5 is assigned is the cathode 9 on an air supply path 7th arranged so that the cathode 9 the ion pump cell 16 via the air supply path 7th Air can be supplied. Is attached to the ion pump cell 16 When an electrical voltage is applied, oxygen ions O 2- migrate from the cathode 9 to the anode 8th , where the oxygen ions O 2- the in the air supply path 7th existing air is taken. This process is exemplified in the 3 shown. The process is ideally carried out at a temperature above 500.degree. C., the temperature in particular being between 500 and 850.degree. In the cathode path 5 downstream of the ion pump 6th the temperatures are therefore very high. In order to recover the energy introduced in the form of heat, it is in the cathode path 5 a recuperator 11 arranged. Another recuperator 12th can - as in the 1 shown - in the air supply path 7th be arranged. To overcome the flow resistance is both in the cathode path 5 as well as in the air supply path 7th one fan each 14th , 15th arranged. The blower 14th in the cathode path 5 replaces a compressor, as there is a pressure increase in the cathode path 5 is not required. With the omission of the compressor, the power requirement of the system also decreases, which has a positive effect on the system costs. Furthermore, due to the oxygen enrichment, the volume flow in the cathode path 5 can be reduced so that external humidification of the cathode gas can also be dispensed with. A humidifier 22nd is therefore not necessary or optional. Will be on the humidifier 22nd dispensed with, the humid exhaust air can be on the outlet side - as in the 1 shown - simply dissipated to the environment. This further reduces the system configuration requirements, making it easy to implement. Like in the 1 indicated, can optionally at the cathode 2 a cooling device 21 are provided.

Der 2 ist eine Abwandlung des Systems der 1 zu entnehmen. Der Anodenbereich ist unverändert. Auch der Aufbau und die Anordnung der lonenpumpe 6 sind gleich. Im Unterschied zur Ausführungsform der 1 wird das Kathodengas im Kreis geführt. Das heißt, dass der Kathodenpfad 5 als geschlossener Kreis ausgebildet ist. Dies ermöglicht die Verwendung von reinem Sauerstoff als Kathodengas. Um im Betrieb des Systems anfallendes Produktwasser aus dem System zu entfernen, ist auf der Austrittsseite der Kathode 2 ein Wasserabscheider 13 angeordnet. Die Verluste über den Wasserabscheider 13 werden durch die mit Hilfe der lonenpumpe 6 zugeführten Sauerstoffionen O2- wieder ausgeglichen. Die Verwendung von reinem Sauerstoff als Kathodengas führt zu einem weiteren Leistungsanstieg.Of the 2 is a modification of the system of 1 refer to. The anode area is unchanged. Also the structure and the arrangement of the ion pump 6th are equal. In contrast to the embodiment of the 1 the cathode gas is circulated. That is, the cathode path 5 is designed as a closed circle. This enables pure oxygen to be used as the cathode gas. In order to remove product water from the system during operation of the system, the cathode is on the outlet side 2 a water separator 13th arranged. The losses through the water separator 13th are made by using the ion pump 6th supplied oxygen ions O 2- balanced again. The use of pure oxygen as cathode gas leads to a further increase in performance.

Die mit der Erfindung einhergehenden Vorteile umfassen unter anderem die Möglichkeit, das Brennstoffzellensystem im Eigenbefeuchtungsmodus zu betreiben, so dass eine Einrichtung zur Befeuchtung entbehrlich ist. Dies wird nachfolgend anhand der 4 bis 6 verdeutlicht, denen jeweils Feuchtverläufe im Bereich der Anode 1 (Kurve A) und der Kathode 2 (Kurve B) zu entnehmen sind. Relevant ist hier der Bereich der Kathode 2 (Kurve B).The advantages associated with the invention include, among other things, the possibility of operating the fuel cell system in self-humidification mode, so that a device for humidification is dispensable. This is explained below using the 4th to 6th illustrates which moisture gradients in the area of the anode 1 (Curve A) and the cathode 2 (Curve B). The cathode area is relevant here 2 (Curve B).

Um die Feuchteverläufe gemäß der 4 zu erhalten, wurde Luft als Kathodengas verwendet, die 79 Vol.-% Stickstoff und etwa 21 Vol.-% Sauerstoff enthielt. Die Betriebstemperatur betrug 65°C und der Betriebsdruck 2,5 bara. Die relative Feuchte φ des Kathodengases (Kurve B) steigt bis zur Sättigung kontinuierlich an.To determine the moisture profiles according to the 4th to obtain air was used as the cathode gas, which contained 79% by volume of nitrogen and about 21% by volume of oxygen. The operating temperature was 65 ° C and the operating pressure 2.5 bara. The relative humidity φ of the cathode gas (curve B) increases continuously until it is saturated.

Anschließend wurde die Betriebstemperatur von 65°C auf 85°C angehoben, während der Betriebsdruck und die Zusammensetzung des Kathodengases beibehalten wurden. Die zugehörigen Feuchteverläufe sind der 5 zu entnehmen. Die relative Feuchte φ des Kathodengases (Kurve B) ist deutlich geringer und steigt zudem weniger steil an. Die Sättigung wird nicht erreicht. Bei diesen Betriebsparametern kann demnach auf eine externe Befeuchtung des Kathodengases nicht verzichtet werden.The operating temperature was then increased from 65 ° C. to 85 ° C. while the operating pressure and the composition of the cathode gas were maintained. The associated moisture curves are the 5 refer to. The relative humidity φ of the cathode gas (curve B) is significantly lower and also increases less steeply. The saturation is not reached. With these operating parameters, it is therefore not possible to dispense with external humidification of the cathode gas.

Wied jedoch das Kathodengas mit Sauerstoff angereichert, während alle anderen Betriebsparameter beibehalten werden, erhält man einen Feuchteverlauf ähnlich dem der 4. Eine externe Befeuchtung ist in diesem Fall nicht erforderlich, so dass eine Einrichtung zur Befeuchtung entfallen kann.However, once the cathode gas is enriched with oxygen, while all other operating parameters are retained, a humidity curve similar to that obtained is obtained 4th . External humidification is not required in this case, so that a device for humidification can be dispensed with.

Claims (10)

Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems, insbesondere eines PEM-Brennstoffzellensystems, mit mindestens einer eine Anode (1) und eine Kathode (2) aufweisenden Brennstoffzelle (3), bei dem der Anode (1) über einen Anodenpfad (4) ein Anodengas und der Kathode (2) über einen Kathodenpfad (5) ein Kathodengas zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Kathode (2) mit Sauerstoff angereicherte Luft oder reiner Sauerstoff als Kathodengas zugeführt wird, wobei zur Sauerstoffanreicherung und/oder Sauerstoffversorgung mit Hilfe einer lonenpumpe (6) Sauerstoffionen aus einem Luftversorgungspfad (7) in den Kathodenpfad (5) transportiert werden.Method for operating a fuel cell system, in particular a PEM fuel cell system, with at least one fuel cell (3) having an anode (1) and a cathode (2), in which the anode (1) has an anode gas and the cathode via an anode path (4) (2) a cathode gas is supplied via a cathode path (5), characterized in that air enriched with oxygen or pure oxygen is supplied as cathode gas to the cathode (2), with oxygen ions for oxygen enrichment and / or oxygen supply using an ion pump (6) be transported from an air supply path (7) into the cathode path (5). Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Volumenstrom im Kathodenpfad (5) reduziert wird und/oder das Kathodengas im Kathodenpfad (5) in einem geschlossenen Kreis geführt wird.Procedure according to Claim 1 , characterized in that the volume flow in the cathode path (5) is reduced and / or the cathode gas is guided in a closed circuit in the cathode path (5). Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine lonenpumpe (6) mit mindestens einer lonenpumpzelle (16) verwendet wird, die eine Anode (8), eine Kathode (9) und eine Oxidkeramik, beispielsweise yttriumstabilisiertes Zirconium(IV)-oxid, als Elektrolyt (10) umfasst.Procedure according to Claim 1 or 2 , characterized in that an ion pump (6) with at least one ion pump cell (16) is used which has an anode (8), a cathode (9) and an oxide ceramic, for example yttrium-stabilized zirconium (IV) oxide, as the electrolyte (10) includes. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an die lonenpumpe (6) eine elektrische Spannung angelegt wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that an electrical voltage is applied to the ion pump (6). Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass über die lonenpumpe (6) in den Kathodenpfad (5) und/oder Luftversorgungspfad (7) eingebrachte Energie in Form von Wärme mit Hilfe mindestens eines Rekuperators (11, 12) zurückgewonnen wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that energy introduced into the cathode path (5) and / or air supply path (7) via the ion pump (6) is recovered in the form of heat with the aid of at least one recuperator (11, 12). Brennstoffzellensystem, insbesondere PEM-Brennstoffzellensystem, umfassend mindestens eine Brennstoffzelle (3) mit einer Anode (1), der über einen Anodenpfad (4) ein Anodengas zuführbar ist, und einer Kathode (2), der über einen Kathodenpfad (5) ein Kathodengas zuführbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass stromaufwärts der Kathode (2) eine lonenpumpe (6) im Kathodenpfad (5) angeordnet ist, mittels welcher Sauerstoffionen aus einem Luftversorgungspfad (7) in den Kathodenpfad (5) transportierbar sind.Fuel cell system, in particular PEM fuel cell system, comprising at least one fuel cell (3) with an anode (1) to which an anode gas can be supplied via an anode path (4) and a cathode (2) which can be supplied with a cathode gas via a cathode path (5) is, characterized in that upstream of the cathode (2) an ion pump (6) is arranged in the cathode path (5), by means of which oxygen ions can be transported from an air supply path (7) into the cathode path (5). Brennstoffzellensystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Kathodenpfad (5) als geschlossener Kreis ausgeführt ist und/oder stromabwärts der Kathode (2) ein Wasserabscheider (13) im Kathodenpfad (5) angeordnet ist.Fuel cell system according to Claim 6 , characterized in that the cathode path (5) is designed as a closed circuit and / or a water separator (13) is arranged in the cathode path (5) downstream of the cathode (2). Brennstoffzellensystem nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die lonenpumpe (6) mindestens eine lonenpumpzelle (16) mit einer Anode (8), einer Kathode (9) und eine Oxidkeramik, beispielsweise yttriumstabilisiertes Zirconium(IV)-oxid, als Elektrolyt (10) aufweist.Fuel cell system according to Claim 6 or 7th , characterized in that the ion pump (6) has at least one ion pump cell (16) with an anode (8), a cathode (9) and an oxide ceramic, for example yttrium-stabilized zirconium (IV) oxide, as the electrolyte (10). Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Kathodenpfad (5) und/oder im Luftversorgungspfad (7) mindestens ein Rekuperator (11, 12) zur Energierückgewinnung angeordnet ist.Fuel cell system according to one of the preceding claims, characterized in that at least one recuperator (11, 12) for energy recovery is arranged in the cathode path (5) and / or in the air supply path (7). Brennstoffzellensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Kathodenpfad (5) und/oder im Luftversorgungspfad (7) mindestens ein Gebläse (14, 15) angeordnet ist.Fuel cell system according to one of the preceding claims, characterized in that at least one fan (14, 15) is arranged in the cathode path (5) and / or in the air supply path (7).
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