DE10311785A1

DE10311785A1 - Providing reagent to be reduced to anode region of fuel cell, involves increasing pressure in anode region to discharge medium, reducing pressure to introduce oxidation medium into anode region

Info

Publication number: DE10311785A1
Application number: DE10311785A
Authority: DE
Inventors: Rainer Dipl.-Ing. Autenrieth; Thomas Dr.-Ing. Poschmann
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2003-03-18
Filing date: 2003-03-18
Publication date: 2004-09-30

Abstract

The method involves increasing the pressure in the anode region (2) to discharge medium from the anode region and reducing the pressure of the medium in the anode region to introduce the oxidation medium into the anode region. Air originating from the air supply (8) to the cathode region (3) and/or to a gas generation system is used as the oxidation medium. An independent claim is also included for: (a) an arrangement for implementing the inventive method.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bereitstellung von zu reduzierendem Reaktionsstoff, insbesondere auf der Basis von Wasserstoff, für einen Anodenbereich einer Brennstoffzelle, mit Mitteln zum Ablassen von Medium aus dem Anodenbereich sowie mit Mitteln zum Einbringen eines Oxidationsmittels in den Anodenbereich. Außerdem betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Bereitstellung von zu reduzierendem Reaktionsstoff, insbesondere auf der Basis von Wasserstoff, für einen Anodenbereich einer Brennstoffzelle, mit Mitteln zum Ablassen von Medium aus dem Anodenbereich sowie mit Mitteln zum Einbringen eines Oxidationsmittels in den Anodenbereich.The invention relates to a method for providing reactant to be reduced, in particular based on hydrogen, for an anode region of a fuel cell, with means for discharging of medium from the anode area and with means for introducing an oxidizing agent in the anode region. Moreover, the invention relates a device for providing reactant to be reduced, in particular based on hydrogen, for an anode region of a Fuel cell, with means for discharging medium from the anode area and means for introducing an oxidizing agent into the Anode region.

Aus der US 6,210,820 B1 ist es bekannt, dem Brennstoffzustrom einer Brennstoffzelle Sauerstoff oder Luft als Oxidationsmittel einzubringen um, in dem Brennstoff enthaltene Verunreinigungen, insbesondere Kohlenmonoxid (CO), zu oxidieren. Durch diesen sogenannten „Airbleed" wird vermieden, dass sich die Verunreinigungen Katalysatoren im Bereich der Elektroden der Brennstoffzelle, und hier insbesondere die Katalysatoren im Bereich der Anode von PEM-Brennstoffzellen, vergiften. Die Leistungsfähigkeit der Brennstoffzelle kann damit auch bei vergleichsweise hohen Konzentrationen an Kohlenmonoxid, beispielsweise von 1000 bis 5000 parts per million (ppm) aufrecht erhalten werden.From the US 6,210,820 B1 It is known to introduce oxygen or air as an oxidant into the fuel flow of a fuel cell in order to oxidize impurities contained in the fuel, in particular carbon monoxide (CO). This so-called "air-bleed" prevents the contaminants from poisoning catalysts in the region of the electrodes of the fuel cell, and in particular the catalysts in the region of the anode of PEM fuel cells, thus enabling the fuel cell to perform at comparatively high concentrations of carbon monoxide For example, from 1000 to 5000 parts per million (ppm) are maintained.

Durch diesen Airbleed erkauft man sich allerdings die Anwesenheit von inerten und anderen durch die Brennstoffzelle nicht umzusetzenden Gasbestandteilen im Brennstoff, so dass der Wirkungsgrad der Brennstoffzelle mit höherem Airbleed sinkt. Die oben genannte US-Schrift bedient sich daher eines Airbleeds, welcher in Abhängigkeit von der Verschmutzung des Brennstoffes erfolgt, und durch welchen möglichst kleine Sauerstoff- oder Luftmengen in den Brennstoff dosiert werden. Als Sensor für die Verschmutzung des Brenngases bedient man sich einer speziellen Brennstoffzelle als Sensorzelle unter vielen anderen Brennstoffzellen eines Brennstoffzellenstapels bzw. -stacks, welche entsprechend empfindlicher als die anderen Brennstoffzellen auf die Vergiftung ihrer Katalysatoren mit Kohlenmonoxid reagiert. Wird an dieser einen Sensorzelle ein Leistungseinbruch verzeichnet, so dient dieser als Maß für den Start des Airbleeds.With this airbleed you buy However, the presence of inert and other by the Fuel cell unreacted gas constituents in the fuel, so that the efficiency of the fuel cell with higher airbleed sinks. The above US document therefore uses an airbleed, which depending from the pollution of the fuel, and by which preferably small amounts of oxygen or air are metered into the fuel. As a sensor for The pollution of the fuel gas is used to a special Fuel cell as a sensor cell among many other fuel cells a fuel cell stack or stacks, which accordingly more sensitive than the other fuel cells to the poisoning reacts their catalysts with carbon monoxide. Will this one Sensor cell recorded a power dip, it serves as Measure for the start of the airbleed.

Betreibt man ein Brennstoffzellensystem anodenseitig im Dead-End-Betrieb oder mit einer Rückführung des nach der Anode noch vorliegenden Brenngases in den Bereich vor die Anode, einem sogenannten Anodenkreislauf, so werden sich aufgrund des Airbleeds im Bereich der Anode mit zunehmender Betriebsdauer inerte Gase, wie z.B. entstehendes Kohlendioxid, Stickstoff etc. anreichern. Die Konzentration des Brennstoffes sinkt. Um wieder eine ausreichend hohe Brennstoffkonzentration für den Betrieb der Brennstoffzelle zu erhalten, muss in regelmäßigen Abständen „gepurged", d. h. die Gase aus der Rückführung bzw. dem Bereich der Anode abgelassen, werden.Do you operate a fuel cell system on the anode side in the dead-end mode or with a return of the after the anode still existing fuel gas in the area in front of the Anode, a so-called Anodenkreislauf, so are due Airbleeds in the anode area with increasing operating time inert gases, e.g. resulting carbon dioxide, nitrogen etc. accumulate. The concentration of fuel decreases. To return one sufficiently high fuel concentration for the operation of the fuel cell to receive, must be "purged" at regular intervals, ie the gases from the return or drained to the area of the anode.

Sowohl dieses sogenannte Purging, als auch der Airbleed erfordern dabei gemäß dem Stand der Technik, wie er neben der oben genannten US-Schrift z.B. auch in den beiden Patentabstracts of Japan 10-284098 und 08-241726 beschreiben ist eine entsprechende Sensorik und mehrere davon angesteuerte aktive Ventile, meist Magnetventile, zur Durchführung sowohl des Purgings, also des Ablassens der Mediums aus dem Bereich der Anode, als auch des Airbleeds, also des Einbringens von Oxidationsmittel in den Bereich der Anode.Both this so-called purging, as well as the airbleed require according to the prior art, such as he next to the above-mentioned US font e.g. also in the two patent abstracts of Japan 10-284098 and 08-241726 is an equivalent Sensors and several active valves activated, mostly solenoid valves, to carry out both the purgings, ie the discharge of the medium from the area of Anode, as well as the Airbleeds, so the introduction of oxidizing agent in the area of the anode.

Der Nachteil von derartigen Aufbauten zum Purge und Airbleed ist sicherlich darin zu sehen, dass vergleichsweise aufwändige Anordnungen mit mehreren Ventilen benötigt werden, welche über entsprechende Leitungslängen mit den geeigneten Bereichen verbunden sind, aus denen das Oxidationsmittel stammt oder in die das abgeblasene Gas aus dem Bereich des Anodenraums gefahrlos eingebracht werden kann. Die unterschiedlichen Ventile und Verbindungsleitungen sind außerdem mit entsprechender Sensorik und entsprechenden Steuerleitungen zu versehen. Im Bereich einer derartigen Anordnung, insbesondere, wenn diese zusammen mit einem Gaserzeugungssystem zum Erzeugen eines wasserstoffreichen Gases aus einem kohlenwasserstoffhaltigen Ausgangsgemisch betrieben wird, sind die im Bereich der Brennstoffzelle vorliegenden Temperaturen meist sehr hoch, so dass, selbst bei ausreichend vorhandenem Raum, dieser nicht immer frei und ohne entsprechende Isolationsmaßnahmen oder mit temperaturbeständigen Ausführungen der entsprechenden Bauteile belegt werden kann. Der benötigte Raum ist also immer mit einem zusätzlichen Aufwand verbunden.The disadvantage of such structures to purge and airbleed is certainly to be seen in that comparatively complex Arrangements with several valves are required, which have corresponding cable lengths associated with the appropriate areas that make up the oxidant originates or in which the blown off gas from the area of the anode compartment can be safely introduced. The different valves and connecting lines are also equipped with appropriate sensors and corresponding control lines. In the area of one Such arrangement, in particular, if this together with a gas generating system for producing a hydrogen-rich gas from a hydrocarbon-containing gas Starting mixture is operated in the field of fuel cell present temperatures are usually very high, so that, even with sufficient existing Space, this not always free and without appropriate isolation measures or with temperature resistant versions the corresponding components can be occupied. The required space is always with an additional Effort connected.

Insbesondere bei Anwendungen, welche auf kleinstem Raum angeordnet werden sollen, wie dies beispielsweise bei Anwendungen in Kraftfahrzeugen, und hier insbesondere bei sogenannten Hilfsenergieerzeugern (APU – Auxiliary Power Unit) der Fall ist, stellen diese Einschränkungen hinsichtlich des Packagings gravierende Nachteile dar.Especially in applications which be arranged in the smallest space, such as this in applications in motor vehicles, and in particular in so-called Power Generators (APU - Auxiliary Power Unit), these are limitations in terms of packaging serious disadvantages.

Daher ist es die Aufgabe der Erfindung, diese Nachteile zu vermeiden und ein entsprechendes Verfahren zur Bereitstellung von zu reduzierendem Reaktionsstoff, insbesondere auf der Basis von Wasserstoff, für einen Anodenbereich einer Brennstoffzelle, mit Mitteln zum Ablassen von Medium aus dem Anodenbereich sowie mit Mitteln zum Einbringen eines Oxidationsmittels in den Anodenbereich sowie eine Vorrichtung zur Ver wendung mit dem Verfahren zu schaffen, welche einen einfachen, wenig Bauraum benötigenden, robusten und kostengünstigen Betrieb ermöglichen.Therefore, it is the object of the invention to avoid these disadvantages and a corresponding method for the provision of reducing reagent, in particular based on hydrogen, for an anode region of a fuel cell, with means for discharging medium from the anode region and with means for introducing an oxidizing agent in the anode region and a device for use with the method Ver to create, which allow a simple, low installation space, robust and cost-effective operation.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 genannten Merkmale gelöst.According to the invention this object is achieved by the solved in the characterizing part of claim 1 features.

Durch die Variation des Drucks im Anodenbereich einerseits zum Ablassen von Medium und andererseits zum Einbringen des Oxidationsmittels wird ein sehr einfacher Aufbau erreicht, welcher es ermöglicht, dass mit lediglich einer einzigen Ventileinrichtung sowohl das Purging als auch das Airbleed durchgeführt werden kann. Diese Ventileinrichtung muss dabei nicht eine steuerbare Ventileinrichtung sein, sondern es ist prinzipiell auch ausreichen, eine einfache Bohrung bzw. Öffnung zu verwenden, durch welche einerseits Oxidationsmittel in den Bereich der Anoden einströmen und andererseits das im Bereich der Anode befindliche Medium ausströmt.By varying the pressure in the Anode area on the one hand for draining medium and on the other for introducing the oxidizing agent becomes a very simple structure achieved, which makes it possible that with only a single valve device both the purging as well as the airbleed performed can be. This valve device does not have to be a controllable Valve device but it is in principle also sufficient a simple hole or opening to use, by which on the one hand oxidizing agent in the area the anodes flow in and on the other hand, the medium located in the region of the anode flows out.

Gemäß einer besonders günstigen Weiterbildung der Erfindung ist es vorgesehen, dass als Oxidationsmittel Luft verwendet wird, welche aus dem Bereich einer Luftversorgung für den Kathodenbereich der Brennstoffzelle und/oder für ein den zu reduzierenden Reaktionsstoff bereitstellendes Gaserzeugungssystem stammt.According to a particularly favorable Further development of the invention it is provided that as the oxidizing agent Air is used, which is from the area of an air supply for the Cathode area of the fuel cell and / or for a to be reduced Reagent providing gas generating system is derived.

Da aufgrund der Belastbarkeit der Trennungen zwischen dem Anodenraum und dem Kathodenraum einer Brennstoffzelle, im Falle einer PEM-Brennstoffzelle beispielsweise der Membran, die Drücke im Bereich sowohl des Anodenraums als auch des Kathodenraums ohnehin in ähnlichen Größenordnungen liegen, reicht eine kleine Variation des Drucks, z.B. um wenige 10 mbar, im Anodenbereich um seinen üblicherweise vorgegebenen Betriebsdruck aus, die Luft, welche dem Kathodenbereich zugeführt wird und damit auf einem ähnlichen Druckniveau liegt, für den Airbleed in den Bereich der Anode einzubringen oder das Medi um im Bereich des Anodenraums in den Bereich der Luftversorgung abzublasen.Because of the resilience of the Separations between the anode compartment and the cathode compartment of a fuel cell, in the case of a PEM fuel cell, for example, the membrane, the pressures in the area of both the anode compartment and the cathode compartment anyway in similar orders of magnitude If a small variation of the pressure, e.g. by a few 10 mbar, in the anode area around its usually specified operating pressure out, the air which is supplied to the cathode region and thus on a similar Pressure level is, for bring the airbleed into the area of the anode or the medi um In the area of the anode compartment, blow off into the area of the air supply.

Dieses Abblasen des Mediums aus dem Anodenbereich ist bei einer derartigen Anordnung problemlos möglich, da die Luft aus dem Bereich der Luftversorgung dann in den Kathodenbereich weiterströmt, in welchem eine ausreichend hohe Menge an Katalysatoren vorhanden ist, so dass Reste des zu reduzierenden Reaktionsstoffs aus dem abgeblasenen Medium aus dem Bereich des Anodenraums hierin abgebaut werden können. Vergleichbar ist dies, wenn Luftversorgung die eines Gaserzeugungssystems ist, da auch hier die Luft üblicherweise einer Verbrennung, einer autothermen Reformierung oder dergleichen zugeführt wird, so dass auch hier Reste des zu reduzierenden Reaktionsstoffs aus dem Bereich des Anodenraums zu unkritischen Stoffen umgesetzt werden.This blowing off of the medium from the Anode area is easily possible in such an arrangement, since the air from the air supply then into the cathode area continues to flow, in which a sufficiently high amount of catalysts present is, so that residues of the reducing reagent from the vented medium from the region of the anode compartment degraded therein can be. Comparable this is when air supply that of a gas generating system is, since here too the air usually one Combustion, an autothermal reforming or the like is supplied, so that here too residues of the reducing agent from the Area of the anode compartment to uncritical substances are implemented.

Gemäß einer sehr vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird der Druck im Anodenbereich über ein Druckregelventil in einem Anodenkreislauf geregelt.According to a very advantageous Embodiment of the method, the pressure in the anode region over Pressure control valve regulated in an anode circuit.

Der Vorteil dieser einfachen Möglichkeit zur Druckregelung liegt vor allem darin, dass derartige Druckregelventile allgemein bekannt und üblich sind. Sie sich daher in großen Stückzahlen kostengünstig verfügbar. Sie sind robust und zuverlässig. Außerdem spielt der Ort, an welchem sie in den Bereich des Anodenraums, insbesondere dann, wenn einen Anodenkreislauf Verwendung findet, praktisch keine Rolle, so dass hinsichtlich der räumlichen Optimierung des Aufbaus wenig Einschränkungen zu erwarten sind.The advantage of this easy way for pressure control is mainly in that such pressure control valves generally known and customary are. You are therefore in big numbers available at low cost. she are robust and reliable. In addition plays the place where it enters the area of the anode space, in particular then, if an anode cycle is used, it is practically irrelevant so that in terms of spatial Optimization of the construction little restrictions are expected.

Eine günstige Weiterbildung des Verfahrens zum Betreiben der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor, dass der Druck im Anodenbereich über die Menge an zu reduzierendem Reaktionsstoff variiert wird.A favorable development of the method for Operating the device according to the invention sees suggest that the pressure in the anode region over the amount of to be reduced Reactant is varied.

Auf diese Art und Weise wird ohne einen weiteren aufwändigen und Bauraum benötigenden Aufbau im Anodenbereich eine effektive und einfache Art der Druckregelung geschaffen. Die Menge an zu reduzierendem Reaktionsstoff, welche in Abhängigkeit der Last der Brennstoffzelle meist ohnehin variiert wird, kann so sehr einfach für eine Druckvariation zwecks Airbleed bzw. Purging genutzt werden.In this way, without another elaborate one and space required Construction in the anode area an effective and simple way of pressure control created. The amount of reducing reagent, which in dependency of Load of the fuel cell is usually varied anyway, so much easy for a pressure variation for the purpose of Airbleed or Purging be used.

Zur Variation des Drucks kann sowohl die Menge an zugeführtem Reaktionsstoff, als auch die Menge an im Anodenbereich verbrauchtem Reaktionsstoff entsprechend variiert werden. Im Fall der Menge an zugeführtem Reaktionsstoff würde die einer Variation des Gaserzeugungssystems bzw. eines Ventils in der Zuleitung von einer Speichereinrichtung zu der Brennstoffzelle gleichkommen. Im Falle der Variation des verbrauchten Reaktionsstoffs entspräche dies der Variation der erzeugten elektrischen Energie durch die Brennstoffzelle, z.B. durch ein getaktetes, z.B. pulsweitenmoduliertes, elektrisches an und ausschalten der Brennstoffzelle. Ausführungen hierzu finden sich z.B. in der DE 100 56 429 A1 oder der DE 101 25 106 A1 .In order to vary the pressure, both the amount of reactant fed in and the amount of reactant consumed in the anode region can be varied accordingly. In the case of the amount of reactant supplied, this would equate to a variation of the gas generating system or valve in the supply line from a storage device to the fuel cell. In the case of the variation of the consumed reaction substance, this would correspond to the variation of the generated electrical energy by the fuel cell, eg by a pulsed, eg pulse width modulated, electrical switching on and off of the fuel cell. Explanations can be found eg in the DE 100 56 429 A1 or the DE 101 25 106 A1 ,

Das Verfahren sieht gemäß einer weiteren sehr günstigen Ausgestaltung vor, dass die Variation des Drucks im Anodenbereich in einem sich periodisch wiederholenden zeitlichen Ablauf erfolgt.The method provides according to a other very cheap Embodiment before that the variation of the pressure in the anode region takes place in a periodically recurring time sequence.

Üblicherweise sind die Reinheiten des Reaktionsstoffes etc. bekannt und bleiben meist konstant. Es kann daher mit einer vorgegebnen Menge an Oxidationsmittel für den Airbleed gearbeitet werden. Diese erzwingt dann wieder eine bestimmte Menge an abzublasendem Medium aus dem Anodenbereich. Es kann daher sehr einfach und effektiv mit einer periodischen Wiederholung eines zeitlichen zyklischen Ablaufs für die Druckänderungen gearbeitet werden, ohne das eine aufwändige Sensorik, z.B. für den CO-Gehalt im Anodenraum oder dergleichen, notwendig wäre.Usually the purities of the reactant etc. are known and remain mostly constant. It may therefore contain a predetermined amount of oxidizing agent for the Airbleed to be worked. This enforces a certain one again Amount of medium to be discharged from the anode area. It can therefore very simple and effective with a periodic repetition of a temporal cyclic process for the pressure changes be worked without a complex sensor, e.g. for the CO content in the anode compartment or the like, would be necessary.

In der Kombination mit der zuvor genannten Ausgestaltung könnte so z.B. der Regelmechanismus für die lastabhängige Zugabe der Menge an zu reduzierendem Reaktionsstoff von einem zyklisch periodischen Profil für die Druckänderungen für Purging und Airbleed überlagert werden.In combination with the aforementioned embodiment, for example, the control mechanism for the load-dependent addition of the amount of reducing reaction substance of a cyclic periodic profile for the pressure changes for purging and airbleed are superimposed.

Eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird durch den kennzeichnenden Teil des Anspruchs 8 beschrieben.A device for carrying out the inventive method is described by the characterizing part of claim 8.

Die Vorrichtung gemäß Anspruch 8 ist dabei ausgesprochen einfach und effektiv aufgebaut. Da die eigentliche Variation zwischen Purge und Airbleed durch die Variation des Drucks im Anodenbereich der Brennstoffzelle erfolgt, reicht es aus, wenn die Vorrichtung über genau eine Ventileinrichtung verfügt. Diese eine Ventileinrichtung, welche entweder als aktiv angesteuerte Ventileinrichtung oder als passive Ventileinrichtung ausgebildet sein kann, wird entsprechend genutzt, um den Purge und den Airbleed auszuführen.The device according to claim 8 is very simple and effective. Because the actual variation between Purge and Airbleed through the variation the pressure in the anode region of the fuel cell is sufficient it off when the device over exactly one valve device has. This one valve device, which either as actively activated valve device or as passive valve device may be formed, is accordingly used to perform the purge and the airbleed.

Gemäß einer sehr vorteilhaften Ausgestaltungsform dieser Vorrichtung ist nun vorgesehen, dass durch die genau eine Ventileinrichtung eine Verbindung zwischen einer Luftversorgung und wenigstens einem in Strömungsrichtung der Luft nach der Verbindung angeordneten Bereich ausgebildet ist, wobei dieser Bereich zumindest einen Katalysator zur Umsetzung des zu reduzierenden Brennstoffs aufweist.According to a very advantageous Embodiment of this device is now provided that by the exactly one valve means a connection between a Air supply and at least one in the flow direction of the air the compound arranged area is formed, this Area at least one catalyst for the implementation of the reducing Fuel has.

Bei dieser Ausgestaltungsvariante kann erreicht werden, dass sowohl der Airbleed über die genau eine Ventileinrichtung als auch das Purging über die genau eine Ventileinrichtung in idealer Weise erfolgen kann. Beim Airbleed wird die Luft aus dem Bereich der Luftversorgung angesaugt. Beim Purging wird das aus dem Anodenbereich stammende Medium, welches auch Reste eines zu reduzierenden Reaktionsstoffs aufweist, entsprechend in diesen, nach der Zusammenführung weiterströmenden Luftstrom der Luftversorgungseinrichtung eingebracht. Zusam men mit diesem Luftstrom gelangt es dann in einen Bereich, welcher einen Katalysator aufweist, an welchem der Rest des zu reduzierenden Reaktionsstoffes umgesetzt werden kann.In this embodiment variant can be achieved that both the airbleed on the exact one valve device as well as the purging over the exactly one valve device can be done in an ideal manner. At the Airbleed, the air is sucked in from the area of the air supply. During purging, the originating from the anode area medium, which also has residues of a reactant to be reduced, correspondingly in these, after the merger continue flowing Air flow of the air supply device introduced. Along with This air flow then passes into an area which has a Catalyst on which the remainder of the reactant to be reduced can be implemented.

Damit erfolgt mit einer einzigen Verbindung ein vollständiger Umsatz des zu reduzierenden Reaktionsstoffs, so dass dieser nicht an die Umgebung und in Bereiche gelangt, in welchen eine unkontrollierte Verbrennung, eine Explosion oder dergleichen, erfolgen könnte.This is done with a single Connection a more complete Turnover of the reactant to be reduced, so this is not gets to the environment and into areas where an uncontrolled Combustion, an explosion or the like, could take place.

Gemäß einer sehr vorteilhaften Weiterbildung dieser Idee ist der Bereich, welcher den zumindest einen Katalysator aufweist, der Kathodenraum der Brennstoffzelle.According to a very advantageous Development of this idea is the area which at least having a catalyst, the cathode space of the fuel cell.

In diesem Kathodenraum befinden sich entsprechende Katalysatoren, beispielsweise Platin, ohnehin als Elektrokatalysatoren, welche für die Funktionsweise der Brennstoffzelle unerlässlich sind. In diesen Katalysatoren kann dann der in den Bereich des Kathodenraums eingeleitete Rest an zu reduzierendem Reaktionsstoff umgesetzt werden, so dass dieser mit der Abluft aus der Kathode an die Umgebung abgegeben werden kann, ohne dass dadurch Sicherheitsrisiken oder Risiken hinsichtlich von Emissionen entstehen.In this cathode room are corresponding catalysts, such as platinum, anyway as Electrocatalysts which are suitable for the functioning of the fuel cell is essential. In these catalysts can then be introduced into the region of the cathode compartment rest be reacted to be reduced to the reactant, so that this be discharged with the exhaust air from the cathode to the environment can, without thereby increasing security risks or risks of emissions.

In einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung kann die Luftversorgung auch die Luftversorgung für eine Komponente im Bereich eines Gaserzeugungssystems sein.In an alternative embodiment the invention, the air supply and the air supply for a component be in the range of a gas generating system.

Bei derartigen Komponenten in Gaserzeugungssystemen, welche Luft als eines der ihr zugeführten Edukte benötigen, handelt es sich im allgemeinen um Flammbrenner, katalytische Brenner, partielle Oxidationsstufen, Reformer, selektive Oxidationsstufen oder dergleichen, in denen ein Umsatz der zugeführten Edukte stattfindet. Dieser Umsatz der zugeführten Edukte wird in dem hier dargestellten Fall jedoch auch zu einem Umsetzen des aus dem Bereich des Anodenraums stammenden Mediums führen, so dass auch hier ein Umsatz des Mediums erfolgt, ohne dass diese in die Sicherheit gefährdender Weise in die Umgebung gelangt.In such components in gas generating systems, which air is required as one of the educts fed to it acts They are generally flame burners, catalytic burners, partial Oxidation states, reformers, selective oxidation states or the like, in which a turnover of the supplied Edukte takes place. This conversion of the supplied educts is in the here However, also shown in a case of converting the out of the area lead the anode space originating medium, so that here, too Sales of the medium takes place, without these in the safety of endangered Way into the environment.

Außerdem kann bei einer derartigen Ausgestaltung das aus dem Anodenbereich stammende Medium effektiv umgesetzt werden, so dass die in ihm enthaltene Restenergie dem Gesamtsystem zu Gute kommt, was letztendlich wiederum zu einer Steigerung der Energieeffizienz bzw. des Wirkungsgrads und/oder der Ausbeute an Reaktionsstoff in dem Gaserzeugungssystem führt.In addition, in such a Design the originating from the anode area medium effectively be implemented so that the residual energy contained in it the Whole system, which ultimately leads to an increase the energy efficiency or the efficiency and / or the yield to reactant in the gas generating system leads.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann, ebenso wie die korrespondierend genutzte Vorrichtung, mit praktisch jeder Art einer Brennstoffzelle, welche Purge und Airbleed benötigt, eingesetzt werden. Der bevorzugte Einsatz kann z.B. im Bereich des Anodenraums einer PEM-Brennstoffzelle liegen, wobei dann der zu reduzierende Reaktionsstoff üblicherweise Wasserstoff mit geringfügigen Verunreinigungen, z.B. durch Kohlenmonoxid, sein wird.The inventive method can, as well as the correspondingly used device, with virtually any kind a fuel cell, which requires purge and Airbleed used become. The preferred use may e.g. in the area of the anode compartment a PEM fuel cell lie, in which case the to be reduced Reactant usually Hydrogen with minor Impurities, e.g. by carbon monoxide, will be.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Unteransprüchen und aus dem anhand einer Zeichnung nachfolgend dargestellten Ausführungsbeispiel.Further advantageous embodiments The invention will become apparent from the further subclaims and from the embodiment shown below with reference to a drawing.

Dabei zeigen:Showing:

1 eine Ausgestaltung der Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens; 1 an embodiment of the apparatus for performing the method according to the invention;

2 eine alternative Ausführungsform der Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens; 2 an alternative embodiment of the apparatus for performing the method according to the invention;

3a) bis c) verschiedene mögliche Ausgestaltung der Mittel; 3a) to c) different possible design of the funds;

4a) bis c) ein möglicher Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben einer entsprechenden Vorrichtung. 4a) to c) a possible sequence of the method according to the invention for operating a corresponding device.

5 eine weitere alternative Ausgestaltung der Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. 5 a further alternative embodiment of the apparatus for performing the method according to the invention.

1 zeigt eine Brennstoffzelle 1, welche beispielhaft als PEM-Brennstoffzelle aufgebaut sein soll. Dementsprechend sind ein Anodenraum 2 und ein Kathodenraum 3 durch eine protonenleitfähige Membran 4, welche z.B. Bestandteil einer sogenannten MEA (Membran Elektroden Anordnung/membrane electrode assembly) sein kann, voneinander getrennt. Dem Kathodenraum 3 der Brennstoffzelle 1 wird in bekannter Weise ein zu oxidierender Reaktionsstoff, beispielsweise Sauerstoff, insbesondere jedoch Luft, zugeführt. Dieser Reaktionsstoff wird nach dem Kathodenraum 3 wieder abgeführt und kann dann z.B. noch als Oxidationsstoff für eine Verbrennung oder dergleichen dienen. 1 shows a fuel cell 1 , which is to be constructed by way of example as a PEM fuel cell. Accordingly, there is an anode compartment 2 and a cathode compartment 3 by a proton-conductive membrane 4 , which may be part of a so-called MEA (membrane electrode assembly / membrane electrode assembly), for example, separated from each other. The cathode compartment 3 the fuel cell 1 A reactant to be oxidized, for example oxygen, but in particular air, is supplied in a known manner. This reactant is after the cathode compartment 3 discharged again and can then serve, for example, as an oxidizing agent for combustion or the like.

Auf der Seite des Anodenraums 2 wird ebenfalls ein Reaktionsstoff zugeführt, wobei dieser jedoch zu reduzieren ist. In üblicher, nicht jedoch zwingender Weise handelt es ich bei diesem zu reduzierenden Reaktionsstoff um Wasserstoff. Bei anderen Brennstoffzellentypen, wie z.B. DMFC, SOFC etc., kann es sich dabei auch um Methanol, Methan oder dergleichen handeln. Der Reaktionsstoff kann dabei aus vielfältigen Quellen stammen und entweder unmittelbar für die – und im Bereich der – Brennstoffzelle 1 erzeugt oder in Speichereinrichtungen, z.B. Drucktanks, Metallhydriden, oder dergleichen bevorratet werden.On the side of the anode compartment 2 also a reactant is fed, but this is to be reduced. In a usual, but not compelling way, I am dealing with hydrogen in this reaction substance to be reduced. In other fuel cell types, such as DMFC, SOFC, etc., this may also be methanol, methane or the like. The reactant can come from a variety of sources and either directly for - and in the field of - fuel cell 1 be stored or stored in storage facilities, such as pressure tanks, metal hydrides, or the like.

Der Wasserstoff, wie er in der hier dargestellten PEM-Brennstoffzelle 1 Verwendung finden soll, ist relativ rein und weist nur einen geringen Anteil (üblicherweise wenige hundert bis einige tausend ppm) an Verunreinigungen, z.B. CO oder dergleichen und inerten Stoffen, wie H₂O, CO₂, etc. auf. Wird der Wasserstoff, z.B. im Bereich der Brennstoffzelle 1, durch ein Gaserzeugungssystem aus einem kohlenwasserstoff- oder kohlenwasserstoffderivathaltigen Einsatzstoff erzeugt, so können derartige Reinheiten über in bekannter Weise über Membranreinigungsverfahren oder Druckwechseladsorption erzielt werden.The hydrogen, as in the PEM fuel cell shown here 1 Use is relatively pure and has only a small proportion (usually a few hundred to several thousand ppm) of impurities, such as CO or the like and inert substances, such as H ₂ O, CO ₂ , etc. on. Is the hydrogen, eg in the area of the fuel cell 1 produced by a gas generating system from a hydrocarbon or hydrocarbon derivate-containing feedstock, such purities can be achieved in a known manner via membrane cleaning process or pressure swing adsorption.

Wird die Brennstoffzelle 1 mit einem derartigen, nahezu reinen Wasserstoff betreiben, so ist ein sogenannter Dead-End-Betrieb möglich, wie er in 1 und 2 beispielhaft dargestellt ist. Das bedeutet, dass der in den Bereich des Anodenraums 2 gelangende Wasserstoff dort komplett umgesetzt wird, ohne das Abgas abgeführt werden müsste.Will the fuel cell 1 operate with such, almost pure hydrogen, so a so-called dead-end operation is possible, as in 1 and 2 is shown by way of example. That means that in the area of the anode compartment 2 reaching hydrogen is completely implemented there, without the exhaust gas would have to be dissipated.

Da sich im Bereich des Anodenraums 2 über längere Betreibezeiten dennoch die Verunreinigungen und inerten Stoffe ansammeln, ist von Zeit zu Zeit ein sogenanntes Purging notwendig. Dabei wird das in dem Anodenraum 2 befindliche Medium aus dem Bereich des Anodenraums 2 abgelassen. Dazu soll in der Darstellung gemäß 1 eine Ventileinrichtung 5 dienen.Because in the area of the anode compartment 2 Nevertheless, over a longer period of operation the impurities and inert substances accumulate, so-called purging is necessary from time to time. This is the in the anode compartment 2 located medium from the area of the anode compartment 2 drained. For this purpose, in the illustration according to 1 a valve device 5 serve.

Neben dem Ablassen von Medium aus dem Bereich des Anodenraums 2 kann über die Ventileinrichtung 5 auch ein Oxidationsmittel in den Bereich des Anodenraums 2 eingebracht werden. Dieser Vorgang des sogenannten Airbleeds bewirkt die Vermischung des Wasserstoffs mit dem Oxidationsmittel, z.B. Luft. Durch die Luft bzw. den in ihr enthaltenen Sauerstoff werden dann oxidierbare Verunreinigungen, insbesondere CO, in dem Wasserstoff und im Bereich der Katalysatoren des Anodenraums 2, an welche sich derartige Verunreinigungen anlagern können, zu inerten Bestandteilen aufoxidiert. Im speziell kritischen Fall des Kohlenmonoxids, kann dadurch die Anlagerung des Kohlenmonoxids an den Elektrokatalysatoren des Anodenraums 2 vermieden und/oder rückgängig gemacht werden. Durch den Airbleed lässt sich also eine mit einer Leistungsverringerung verbundene sogenannte "Vergiftung" der Brennstoffzelle 1 bzw. der Katalysatoren im Anodenraum 2 verhindern bzw. regenerieren. Um die sich dabei ansammelnden inerten Gasbestandteile aus dem Anodenraum 2 zu entfernen, bedient man sich dann wieder des oben bereits beschriebenen Purgings.In addition to the draining of medium from the area of the anode compartment 2 can via the valve device 5 also an oxidizing agent in the region of the anode compartment 2 be introduced. This process of so-called Airbleeds causes the mixing of the hydrogen with the oxidizing agent, eg air. Oxidable impurities, in particular CO, in the hydrogen and in the region of the catalysts of the anode compartment are then oxidized by the air or the oxygen contained in it 2 to which such impurities can accumulate, oxidized to inert constituents. In the especially critical case of carbon monoxide, this can cause the addition of carbon monoxide to the electrocatalysts of the anode compartment 2 avoided and / or reversed. The airbleed can therefore be associated with a reduction in performance so-called "poisoning" of the fuel cell 1 or the catalysts in the anode compartment 2 prevent or regenerate. To the accumulating inert gas components from the anode compartment 2 To remove, one then uses again the purgings already described above.

Die Ventileinrichtung 5 gemäß der Ausgestaltung in 1 ist über eine Leitung 6 mit einer Luftversorgungsleitung 7 verbunden, welche von einer hier als Turbine dargestellten Luftversorgungseinrichtung 8 komprimierte Luft in den Bereich des Kathodenraums 3 der Brennstoffzelle 1 fördert. Über die Ventileinrichtung 5 kann also die Verbindung zwischen dem Anodenraum 2 der Brennstoffzelle 1 und der zu dem Kathodenraum 3 geförderten Luft hergestellt werden. Je nach Druckdifferenz zwischen dem Anodenraum 2 und der Luft im Bereich der Leitung 7 wird sich bei geöffneter Ventileinrichtung 5 dann entweder ein Purging, also ein Eindringen des Mediums aus dem Anodenraum in den Bereich der Luftversorgung 8 für den Kathodenraum 3, oder ein Airbleed, also ein Eindringen der Luft aus dem Bereich der Luftversorgung 8 in den Anodenraum 2, erfolgen.The valve device 5 according to the embodiment in 1 is over a line 6 with an air supply line 7 connected, which from an air supply device shown here as a turbine 8th compressed air in the region of the cathode compartment 3 the fuel cell 1 promotes. About the valve device 5 So can the connection between the anode compartment 2 the fuel cell 1 and the to the cathode compartment 3 produced air to be produced. Depending on the pressure difference between the anode compartment 2 and the air in the area of the pipe 7 will occur when the valve device is open 5 then either a purging, ie an ingress of the medium from the anode compartment in the area of the air supply 8th for the cathode compartment 3 , or an airbleed, so the air from the area of the air supply 8th in the anode compartment 2 , respectively.

Zur Steuerung des Purges oder des Airbleeds ist dazu ein symbolisch angedeuteter Drucksensor 9 im Bereich des Anodenraums 2 vorgesehen. Dieser Drucksensor 9 ist mit einer entsprechenden Steuereinrichtung 10 verbunden, welche einerseits die Betätigung der Ventileinrichtung 5, welche beispielsweise als Magnetventil oder dergleichen ausgebildet sein kann, und andererseits die Beeinflussung des Drucks im Bereich des Anodenraums steuert bzw. regelt. In dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel wirkt die Steuereinrichtung 10 dazu auf eine Wasserstoffspeichereinrichtung 11 in der Art ein, dass sie den zu dem Anodenraum 2 gelangenden Wasserstoff in seiner Menge so beeinflusst, dass sich die gewünschten Druckverhältnisse entweder für ein Purging oder einen Airbleed einstellen.To control the Purge or Airbleeds is a symbolically indicated pressure sensor 9 in the area of the anode compartment 2 intended. This pressure sensor 9 is with a corresponding control device 10 connected, on the one hand, the actuation of the valve device 5 , which may be formed, for example, as a solenoid valve or the like, and on the other hand controls the influence of the pressure in the region of the anode chamber or regulates. In the embodiment shown here, the control device acts 10 to a hydrogen storage device 11 in the way that they go to the anode room 2 amount of hydrogen is influenced in such a way that set the desired pressure conditions for either a purging or an airbleed.

Die Ausgestaltung der Brennstoffzelle gemäß 2 ist analog zu der in 1 zu verstehen. Lediglich erfolgt hier die Variation des Drucks im Bereich des Anodenraums 2, welche über den Sensor 9 und die Steuereinrichtung 10 erfasst wird, nicht in der oben beschriebenen Art, sondern es wird die Menge an verbrauchtem Wasserstoff im Bereich des Anodenraums 2 anhand der bereitgestellten elektrischen Leistung der Brennstoffzelle 1 variiert, so dass hier hierdurch der Druck im Bereich des Anodenraums 2 ändert. Zur Variation der Menge an verbrauchtem Wasserstoff bzw. der elektrischen Energie aus der Brennstoffzelle 1 dient eine Schalteinrichtung 12, welche hier im Bereich einer symbolisch angedeuteten elektrischen Verbindung 13 der Brennstoffzelle 1 mit einem Verbraucher 14 angedeutet ist. Die Variation des Drucks im Bereich des Anodenraums in der hier angedachten Art ist dabei hinreichend aus den Anmeldungen DE 100 56 429 A1 und DE 101 25 106 A1 bekannt.The embodiment of the fuel cell according to 2 is analogous to the one in 1 to understand. Only here is the variation of the pressure in the region of the anode space 2 which over the sensor 9 and the controller 10 is detected, not in the manner described above, but it is the amount of hydrogen consumed in the anode space 2 based on the provided electrical power of the fuel cell 1 varies, so that hereby the pressure in the region of the anode compartment 2 changes. To vary the amount of hydrogen consumed or the electrical energy from the fuel cell 1 serves a switching device 12 , which here in the range of a symbolically indicated electrical connection 13 the fuel cell 1 with a consumer 14 is indicated. The variation of the pressure in the region of the anode space in the manner contemplated here is sufficient from the applications DE 100 56 429 A1 and DE 101 25 106 A1 known.

Eine weitere Besonderheit der Ausgestaltung gemäß 2 gegenüber der bereits erläuterten Ausgestaltung gemäß 1 ist im Bereich der Ventileinrichtung 5 zu sehen. Diese Ventileinrichtung 5 ist hier nicht als aktives ansteuerbares Ventil ausgebildet, sondern in Form einer passiven Ventileinrichtung 5' realisiert.Another special feature of the embodiment according to 2 compared to the already explained embodiment according to 1 is in the range of the valve device 5 to see. This valve device 5 is not designed here as an active controllable valve, but in the form of a passive valve device 5 ' realized.

Die einfachste Ausgestaltung der passiven Ventileinrichtung 5' ist eine einfache Öffnung bzw. Bohrung 15, wie sie in einer ersten möglichen Ausgestaltung der passiven Ventileinrichtung 5' in 3a dargestellt ist. Eine ebenfalls recht einfache und robuste Alternative zu der Öffnung 15 kann beispielsweise auch eine Querschnittsverengung 16 sein, wie sie in der alternativen Ausgestaltung der passiven Ventileinrichtung 5' in 3b zu erkennen ist.The simplest embodiment of the passive valve device 5 ' is a simple opening or hole 15 as in a first possible embodiment of the passive valve device 5 ' in 3a is shown. An equally simple and robust alternative to the opening 15 can also be a cross-sectional constriction, for example 16 be, as in the alternative embodiment of the passive valve device 5 ' in 3b can be seen.

Zum Durchführen eines Purges oder eines Airbleeds reicht es bei einer derartigen Ausgestaltung der Ventileinrichtung 5' als passive Öffnung 15 bzw. Querschnittsverengung 16, ohne eine Ansteuerung der Ventileinrichtung 5' zu benötigen, aus, den Druck im Bereich des Anodenraums 2 bzw. in der oben genannten Art entsprechend zu variieren, um zum jeweiligen Zeitpunkt einen Airbleed oder einen Purge zu bewirken. Eine derartige Variation des Anodendrucks p_A über der Zeit t ist in 4 exemplarisch dargestellt. Der Druck p_A im Bereich des Anodenraums 2 wird dabei um einen vorgegebenen Standardbetriebsdruck (Zustand 0) variiert, wie dies in 4a dargestellt ist. Wird der Druck p_A im Bereich des Anodenraums 2 über einen Druck im Bereich der Leitung 7 erhöht, so kommt es zu einem Abblasen von Medium aus dem Bereich des Anodenraums 2, also einem Purge. Dieser Purge ist in 4b prinzipmäßig angedeutet. Er wird so lange andauern, wie sich der Druck p_A im Bereich des Anodenraums 2 oberhalb des den Umgebungsdruck symbolisierenden Zustands I in 4a befindet. Analog dazu wird durch ein Absenken des Drucks p_A unter einen Zustand II und damit unter den Druck im Bereich der Leitung 7 ein Ansaugen von Luft aus dem Bereich der Luftversorgung 8 erreicht. Dieser Airbleed ist in 4c prinzipmäßig dargestellt und wird ebenfalls so lange andauern, wie sich der Druck p_A im Bereich des Anodenraums 2 unterhalb des Zustands II befindet.For carrying out a purge or an air bleed, it is sufficient in such an embodiment of the valve device 5 ' as a passive opening 15 or cross-sectional constriction 16 , without a control of the valve device 5 ' to need, out, the pressure in the area of the anode compartment 2 or to vary accordingly in the above-mentioned manner in order to effect an airbleed or a purge at the respective time. Such a variation of the anode pressure p _A over time t is in 4 exemplified. The pressure p _A in the region of the anode space 2 is thereby a predetermined standard operating pressure (state 0 ) varies, as in 4a is shown. If the pressure p _A in the region of the anode compartment 2 via a pressure in the area of the line 7 increases, it comes to a blow-off medium from the area of the anode compartment 2 So a purge. This purge is in 4b indicated in principle. It will last as long as the pressure p _A in the area of the anode compartment 2 above the state symbolizing the ambient pressure I in 4a located. Analogously, by lowering the pressure p _A below a state II and thus below the pressure in the region of the line 7 an intake of air from the area of the air supply 8th reached. This airbleed is in 4c shown in principle and will also last as long as the pressure p _A in the region of the anode compartment 2 is located below the state II.

Die Menge an abgeblasenem Medium bzw. an eingebrachter Luft lässt sich dabei, wie aus den Diagrammen der 4 erkennbar ist, entweder anhand er zeitlichen Länge des Auftretens des entsprechenden Ereignisses oder mittels des Niveaus des Drucks p_A im Bereich des Anodenraums 2 entsprechend variieren.The amount of blown off medium or on introduced air can be, as from the diagrams of 4 is recognizable, either on the basis of the time length of the occurrence of the corresponding event or by means of the level of the pressure p _A in the region of the anode space 2 vary accordingly.

Bei den in den 3a und 3b beschriebenen einfachen Ausgestaltungen der Ventileinrichtung 5' als Öffnung 15 bzw. Querschnittsverengung 16 wird der Abstand der Zustände 2 und II um den Zustand 0 minimal bzw. verschwindend klein sein. Ein derartig aufgebautes System wird sich damit also immer entweder im Purge oder im Airbleed befinden.In the in the 3a and 3b described simple embodiments of the valve device 5 ' as an opening 15 or cross-sectional constriction 16 becomes the distance of the states 2 and II to the state 0 be minimal or vanishingly small. A system constructed in this way will therefore always be either in purge or in airbleed.

Um die Variabilität des Systems und letztendlich den Wirkungsgrad zu steigern, so dass nicht immer Luft eingebracht oder Medium abgeblasen wird, wäre es wünschenswert, zwischen den beiden Zuständen I und II eine entsprechende Bandbreite für einen Standardbetrieb ohne Purge bzw. Airbleed zu gewin nen, wie dies in den Diagrammen der 4 dargestellt ist. Einen derartigen Abstand zwischen den Zuständen I und II kann man, neben der Ausgestaltung gemäß 1 mit der aktiv angesteuerten Ventileinrichtung 5, z.B. auch erzielen, wenn eine entsprechende passive Ventileinrichtung 5' eingesetzt wird, welche in Abhängigkeit des Drucks selbsttätig öffnet bzw. schließt.In order to increase the variability of the system and ultimately the efficiency so that air is not always introduced or medium is blown off, it would be desirable to obtain a corresponding bandwidth between the two states I and II for a standard operation without purge or airbleed this in the diagrams of 4 is shown. Such a distance between the states I and II can, in addition to the embodiment according to 1 with the actively controlled valve device 5 , For example, also achieve, if a corresponding passive valve device 5 ' is used, which automatically opens or closes depending on the pressure.

In 3c ist eine beispielhafte Möglichkeit einer derartigen Ausgestaltung der passiven Ventileinrichtung 5' angedeutet. Die passive Ventileinrichtung 5' besitzt bei dieser Ausgestaltung eine Membran 17 oder dergleichen mit einer darin befindlichen Öffnung 18. Bei geeigneter Ausgestaltung der Dicke der Membran 17 kann nun erreicht werden, dass in einem Ruhezustand, in welchem die Membran 11 in 3c durchgezogen dargestellt ist, die Öffnung 18 einen sehr kleinen bis verschwindenden Querschnitt aufweist. Wird die Membran 17 nun aufgrund einer Änderung des Drucks ausgelenkt, in 3c ist dies gestrichelt beispielhaft für eine Erhöhung des Drucks p_A im Bereich des Anodenraums 2 dargestellt, so wird die Oberfläche der Membran 17 durch elastische Dehnung vergrößert und die Öffnung 18 vergrößert bzw. öffnet sich dadurch. Nun kann es entsprechend dem vorliegenden Druck p_A in dem in 3c dargestellten Fall, zu einem Purge kommen. Bei einer Absenkung des Drucks wird sich die Membran 17 wieder entspannen und die Öffnung 18 wird verkleinert bzw. geschlossen. Analog zu der in 3c dargestellten Variante würde bei einer Absenkung des Drucks p_A im Bereich des Anodenraums 2, also einem geplanten Airbleed, die Auslenkung der Membran 17 in der entgegengesetzten Richtung erfolgen, was, analog zu dem oben beschriebenen, ebenfalls mit dem Vergrößern bzw. Öffnen der Öffnung 18 verbunden wäre.In 3c is an exemplary way of such an embodiment of the passive valve device 5 ' indicated. The passive valve device 5 ' has in this embodiment, a membrane 17 or the like with an opening therein 18 , With a suitable embodiment of the thickness of the membrane 17 can now be achieved that in a resting state in which the membrane 11 in 3c is shown through the opening 18 has a very small to vanishing cross-section. Will the membrane 17 now deflected due to a change in pressure, in 3c this is dashed by way of example for an increase in the pressure p _A in the region of the anode space 2 shown, the surface of the membrane 17 increased by elastic elongation and the opening 18 increases or opens thereby. Now, according to the present pressure p _A in the in 3c case, come to a purge. When the pressure drops, the membrane becomes 17 relax again and the opening 18 is reduced or closed. Analogous to the in 3c variant shown would be at a lowering of the pressure p _A in the region of the anode compartment 2 , so a planned Airbleed, the deflection of the membrane 17 in the opposite direction, which, analogous to that described above, also with the enlargement or opening of the opening 18 would be connected.

In 5 ist nun eine alternative Ausgestaltung der Brennstoffzelle 1 dargestellt. Anstatt des in 1 und 2 beschriebenen Dead-End-Betriebs weist die Brennstoffzelle 1 bzw. der im Bereich des Anodenraums 2 einen sogenannten Ano denkreislauf 19 auf. Dieser Anodenkreislauf 19 bewirkt dabei, dass der Wasserstoff, welcher aus dem Bereich des Anodenraums 2 austritt, über den Anodenkreislauf 19 und eine optionale Kreislaufpumpe, welche z.B. auch als Jetpump 20 ausgebildet sein kann, in den Bereich des in den Anodenraum 2 eintretenden Wasserstoffs zurückgeführt wird. Ein derartiger Aufbau der Brennstoffzelle 1 bzw. des Anodenbereichs mit einem solchen Anodenkreislauf 19 ist dabei an sich bekannt, so dass hier nicht näher auf dessen Funktionsweise eingegangen werden muss.In 5 is now an alternative embodiment of the fuel cell 1 shown. Instead of the in 1 and 2 described dead-end operation, the fuel cell 1 or in the region of the anode compartment 2 a so-called Ano denkreislauf 19 on. This anode circuit 19 causes the hydrogen, which from the region of the anode compartment 2 exit, via the anode circuit 19 and an optional circulation pump, which eg also as a jet pump 20 may be formed in the region of the anode compartment 2 incoming hydrogen is recycled. Such a structure of the fuel cell 1 or the anode region with such an anode circuit 19 is known per se, so that it does not have to be discussed in more detail here on its operation.

Ein weiterer Unterschied liegt in der Gestaltung der Druckregelung des Drucks p_A im Bereich des Anodenraums 2 bzw. bei der Ausgestaltung gemäß 5 im Bereich des mit dem Anodenraum 2 kommunizierenden Anodenkreislaufs 19. Der Drucksensor 9' in 5 ist hier nicht im Bereich des Anodenraums 2 selbst, sondern im Bereich des Anodenkreislaufs 19 angeordnet. Die von dem Sensor 9' erfassten Signale, wie in 1 die Menge an zugeführtem Wasserstoff, sondern über ein prinzipmäßig angedeutetes Druckregelventil 21, dessen Bestandteil der Sensor 9' üblicherweise sein wird, den Druck im Anodenkreislauf 19 und damit auch im Bereich des Anodenraums 2 unmittelbar.Another difference lies in the design of the pressure regulation of the pressure p _A in the region of the anode chamber 2 or in the embodiment according to 5 in the area of the anode space 2 communicating anode circuit 19 , The pressure sensor 9 ' in 5 is not in the area of the anode space here 2 itself, but in the area of the anode circuit 19 arranged. The from the sensor 9 ' detected signals, as in 1 the amount of hydrogen supplied, but via a principle indicated pressure control valve 21 which includes the sensor 9 ' will usually be the pressure in the anode circuit 19 and thus also in the area of the anode space 2 immediate.

Die Anordnung eines derartigen Druckregelventils 21 kann dabei im Prinzip auch bei der Ausgestaltung gemäß 1 und 2 in der Zuleitung erfolgen, während der Einsatz der Regelung des Drucks p_A im Bereich des Anodenraums 2 über die Menge an zugeführtem Wasserstoff selbstverständlich auch bei der Ausgestaltung gemäß 5 unter Verzicht auf das Druckregelventil 21 oder gegebenenfalls auch gemeinsam mit dem Druckregelventil 21 erfolgen kann.The arrangement of such a pressure control valve 21 can in principle also in the embodiment according to 1 and 2 in the supply line, while the use of the regulation of the pressure p _A in the region of the anode compartment 2 Of course, in the embodiment according to the amount of hydrogen supplied 5 waiving the pressure control valve 21 or optionally together with the pressure control valve 21 can be done.

Daneben weist die Ausgestaltung gemäß 5 ein Gaserzeugungssystem 22 als Quelle für den Wasserstoff auf. Die hier dargestellte Ventileinrichtung 5 soll wiederum als steuerbare Ventileinrichtung 5, beispielsweise als Magnetventil, ausge bildet. Die Ansteuerung dieses Magnetventils, welche hier nicht explizit dargestellt ist, kann entweder wieder anhand des Drucks im Bereich des Anodenraums 2 bzw. des Anodenkreislaufs 19 erfolgen, es ist jedoch auch eine Ansteuerung von einer entsprechenden Steuerung oder Regelung aus dem Bereich der Elektrik des Brennstoffzellensystems oder dergleichen denkbar. Da die Reinheiten des eingesetzten Wasserstoffs üblicherweise auf bekanntem Niveau konstant sind, wird sich für den Purge- und den Airbleedvorgang im allgemeinen ein periodischer Ablauf anbieten. Dieser wäre dann problemlos mit anderen gesteuerten oder geregelten Abläufen, z.B. solchen zur Variation der von der Brennstoffzelle 1 abgegeben Leistung zu überlagern. Hinsichtlich des Aufwands ist es dabei natürlich sehr günstig, wenn diese anderen Abläufe ebenfalls auf den Druck im Bereich der Brennstoffzelle 1 Einfluss nehmen, wie z.B. die periodische, pulsweitenmodulierte Variation des Drucks gemäß der DE 100 56 429 A1 oder DE 101 25 106 A1 .In addition, the embodiment according to 5 a gas generating system 22 as a source of hydrogen. The valve device shown here 5 should turn as a controllable valve device 5 , for example, as a solenoid valve, out forms. The control of this solenoid valve, which is not explicitly shown here, can either again based on the pressure in the region of the anode compartment 2 or the anode circuit 19 take place, but it is also a control of a corresponding control or regulation from the field of the electrical system of the fuel cell system or the like conceivable. Since the purities of the hydrogen used are usually constant at a known level, a periodic sequence will generally be available for the purge and airbleed operations. This would then be easily with other controlled or regulated processes, such as those for the variation of the fuel cell 1 to superimpose performance. In terms of effort, it is of course very beneficial if these other processes also on the pressure in the field of fuel cell 1 Influence, such as the periodic, pulse width modulated variation of the pressure according to the DE 100 56 429 A1 or DE 101 25 106 A1 ,

Im Unterschied zu den oben genannten Ausführungsformen ist die Verbindung zwischen dem Anodenraum 2 bzw. dem Anodenkreislauf 19 und der Luftversorgung 8 hier so ausgeführt, dass über die Leitung 6 eine Verbindung zwischen der Luftversorgung 8 und einer von ihr in den Bereich des Gaserzeugungssystems 22 führenden Leitung 23 erfolgt. Im Bereich dieser Leitung 23 liegt ebenfalls unter Druck stehende Luft vor, welche zusammen mit anderen, hier exemplarisch angedeuteten Edukten A, B dem Gaserzeugungssystem zugeführt wird. Je nach Druckverhältnissen zwischen der Leitung 23 und dem Anodenkreislauf 19 wird sich auch hier bei geöffneter Ventileinrichtung 5 wieder ein Purging oder ein Airbleed, analog zu den oben gemachten Ausführungen, einstellen. Im Falle des Airbleeds ändert sich die Funktionsweise dabei gegenüber den oben gemachten Ausführungsbeispielen nicht bzw. lediglich dadurch, dass das eingebrachte Oxidationsmittel in den Anodenkreislauf 19 strömt und zusammen mit dem unverbrauchten Teil des Wasserstoffs zurückgeführt wird.In contrast to the above-mentioned embodiments, the connection between the anode compartment 2 or the anode circuit 19 and the air supply 8th here running that over the line 6 a connection between the air supply 8th and one of them in the area of the gas generating system 22 leading line 23 he follows. In the area of this line 23 is also pressurized air, which is supplied to the gas generating system together with other, exemplified here educts A, B. Depending on the pressure conditions between the line 23 and the anode circuit 19 will also be here with open valve device 5 again a purging or an airbleed, analogous to the above statements, set. In the case of air bleed, the mode of operation does not change with respect to the exemplary embodiments described above, or merely in that the oxidant introduced into the anode circuit 19 flows and is recycled together with the unused portion of the hydrogen.

Im Falle des Purgings gelangt das Medium aus dem Bereich des Anodenraums 2 bzw. des Anodenkreislaufs 19 in den Bereich der Leitung 23 und von dort zusammen mit der dem Gaserzeugungssystem 22 zugeführten Luft in den Bereich des Gaserzeugungssystems 22. Im Bereich des Gaserzeugungssystems 22 kann Luft nun an verschiedenen Stellen und in verschiedenen der hier exemplarisch angedeuteten Komponenten 24, 25, 26 Verwendung finden. Üblicherweise wird die Luft und in diesem Fall auch das mit ihr vermischte Medium aus dem Purging jedoch immer einer katalytischen Umsetzung oder thermischen Verbrennung zugeführt, sei dies im Bereich eines Reformers, eines katalytischen Brenners zum Beheizen von weiteren Komponenten, wie z.B. Verdampfern, einer selektiven Oxidationsstufe oder dergleichen. Es ist also auch hier sichergestellt, dass das aus dem Bereich des Anodenraums 2 kommende Medium, welches Reste an Wasserstoff, CO und dergleichen aufweisen kann, entsprechend umgesetzt wird und nach dem Durchströmen des Gaserzeugungssystems ohne Sicherheitsbedenken an die Umgebung abgegeben werden kann. Außerdem wird in dem Medium aus dem Bereich des Anodenraums 2 enthaltener Restwasserstoff und gegebenenfalls andere brennbare Reste im Bereich des Gaserzeugungssystems 22 umgesetzt, so dass deren Energieinhalt dem Gesamtsystem zu Gute kommt.In the case of purgings, the medium comes out of the area of the anode compartment 2 or the anode circuit 19 in the area of the line 23 and from there together with the gas generating system 22 supplied air in the region of the gas generating system 22 , In the area of the gas generation system 22 Air can now be in different places and in various of the components indicated here by way of example 24 . 25 . 26 Find use. Usually, however, the air, and in this case also the medium mixed with it from the purging, is always fed to catalytic conversion or thermal combustion, be it in the region of a reformer, a catalytic burner for heating further components, such as evaporators, for a selective oxidation stage or similar. It is therefore also ensured here that from the area of the anode compartment 2 coming medium, which may have radicals of hydrogen, CO and the like, is reacted accordingly and can be discharged after passing through the gas generating system without any safety concerns to the environment. In addition, in the medium from the region of the anode compartment 2 contained residual hydrogen and optionally other combustible radicals in the region of the gas generating system 22 implemented, so that their energy content benefits the overall system.

Die oben dargestellten Ausführungsformen, welche sich in diversen Einzelheiten unterscheiden, lassen sich selbstverständlich nicht nur in den hier dargestellten Varianten, sondern auch in allen anderen denkbaren und möglichen Kombinationen untereinander, beispielsweise also der Dead-End-Betrieb in Verbindung mit dem Gaserzeugungssystem 22 oder der Betrieb mit Anodenkreislauf 19 in Kombination mit der passiven Ventileinrichtung 5' und/oder einer Wasserstoffspeichereinrichtung 11, sowie in allen denkbaren anderen Kombinationen untereinander betreiben.The embodiments shown above, which differ in various details, can of course not only in the variants shown here, but in all other conceivable and possible combinations with each other, for example, the dead-end operation in conjunction with the gas generating system 22 or the operation with anode circuit 19 in combination with the passive valve device 5 ' and / or a hydrogen storage device 11 , as well as in any other possible combinations with each other.

Claims

Method of providing a reducing agent, in particular based on hydrogen, for an anode region of a fuel cell, with means for discharging medium from the anode region and with means for introducing an oxidizing agent into the anode region, characterized in that for discharging medium the anode area ( 2 ) the pressure (p _A ) of the medium in the anode region ( 2 ) while introducing the oxidant into the anode region (FIG. 2 ) the pressure (p _A ) of the medium in the anode region ( 2 ) is lowered.

A method according to claim 1, characterized in that as the oxidizing agent air is used, which from the region of an air supply ( 8th ) for the cathode region ( 3 ) of the fuel cell ( 1 ) and / or for a gas generating system providing the reactant to be reduced ( 22 ).

Method according to claim 1 or 2, characterized in that the pressure (p _A ) in the anode region ( 2 ) via a pressure regulating valve ( 21 ) is regulated.

Method according to claim 1, 2 or 3, characterized in that the pressure (p _A ) in the anode region ( 2 ) is varied over the amount of reactant to be reduced.

Method according to one of claims 1 to 4, characterized in that the variation of the pressure (p _A ) in the anode region ( 2 ) takes place in a periodically recurring time sequence.

Method according to one of claims 1 to 5, characterized in that the amount of medium which is discharged and the amount of oxidizing agent, which is introduced, above the level of pressure (p _A ) in the anode region ( 2 ) is varied.

Method according to one of claims 1 to 6, characterized in that the drained medium to a catalyst, for the reaction of the reactant to be reduced, having region ( 3 . 22 ) is supplied.

Device for carrying out the method according to one of claims 1 to 7, characterized in that the means as exactly one valve device ( 5 . 5 ' ) are formed.

Apparatus according to claim 8, characterized in that by exactly one valve device ( 5 . 5 ' ) a connection between the region of the anode space ( 2 ) of the fuel cell ( 1 ) and an air supply ( 8th ) and at least one in the flow direction of the air from the air supply ( 8th ) arranged after the connection ( 3 . 22 ), which has at least one catalyst for reacting the reactant to be reduced, is formed.

Apparatus according to claim 9, characterized in that by exactly one valve device ( 5 . 5 ' ) a connection between the area of an air supply ( 8th ) of the cathode compartment ( 3 ) of the fuel cell ( 1 ) and the area of the anode space ( 2 ) of the fuel cell ( 1 ) is trained.

Apparatus according to claim 8 or 9, characterized in that by exactly one valve device ( 5 . 5 ' ) a connection between the area of an air supply ( 8th ) for at least one component ( 24 . 25 . 26 ) in the region of a gas generating system ( 22 ) and the area of the anode space ( 2 ) of the fuel cell ( 1 ) is trained.

Device according to one of claims 8 to 11, characterized in that the valve device as an actively controllable valve device ( 5 ) is trained.

Apparatus according to claim 12, characterized in that the valve device ( 5 ) is designed as a solenoid valve.

Device according to one of claims 8 to 11, characterized in that the valve device as a passive valve device ( 5 ' ) is trained.

Apparatus according to claim 14, characterized in that the passive valve device ( 5 ' ) as opening ( 15 . 18 ) is trained.

Apparatus according to claim 14, characterized in that the passive valve device ( 5 ' ) as a cross-sectional constriction ( 16 ) is trained.

Apparatus according to claim 15, characterized in that the opening as an opening ( 18 ) in a flexible material (membrane 17 ), wherein the opening cross-section of the opening ( 18 ) of the current form of the flexible material ( 17 ) depends.