EP4150689A2 - Fuel cell system - Google Patents

Fuel cell system

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Publication number
EP4150689A2
EP4150689A2 EP21726616.2A EP21726616A EP4150689A2 EP 4150689 A2 EP4150689 A2 EP 4150689A2 EP 21726616 A EP21726616 A EP 21726616A EP 4150689 A2 EP4150689 A2 EP 4150689A2
Authority
EP
European Patent Office
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fuel cell
air
cathode
cell system
line
Prior art date
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Pending
Application number
EP21726616.2A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Oliver Harr
Philipp Hausmann
Benjamin Pieck
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Cellcentric GmbH and Co KG
Original Assignee
Cellcentric GmbH and Co KG
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Filing date
Publication date
Application filed by Cellcentric GmbH and Co KG filed Critical Cellcentric GmbH and Co KG
Publication of EP4150689A2 publication Critical patent/EP4150689A2/en
Pending legal-status Critical Current

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    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Definitions

  • the invention relates to a fuel cell system according to the preamble of claim 1. It also relates to a method for operating such a fuel cell system.
  • Fuel cell systems with at least one fuel cell stack are known so far from the prior art. For example, they can be used to generate electrical drive power in vehicles.
  • the fuel cells in particular for this purpose, are typically so-called PEM fuel cells, that is to say low-temperature fuel cells with a membrane that is permeable to protons.
  • PEM fuel cells that is to say low-temperature fuel cells with a membrane that is permeable to protons.
  • This type of fuel cell is now relatively common. However, it has two serious problems with regard to its service life in regular operation. On the one hand, this is the constant need to keep the membranes sufficiently moist during operation, since drying out of the membranes can significantly shorten the service life of the fuel cells.
  • Another problem is primarily associated with the supply of fuel and oxygen, typically hydrogen and atmospheric oxygen, to the fuel cells during start-up.
  • An exemplary fuel cell system can be found in DE 102009 043 569 A1.
  • This system provides on the one hand a system bypass for connecting the pressure side with the exhaust air side on the one hand and on the other hand a connection between the anode side and the cathode side via a blow-off line with a so-called blow-off or purge valve.
  • a gas / gas humidifier that is customary in such fuel cell systems is indicated, which is used to humidify the supply air flow to the cathode compartment of the fuel cell by means of its humid exhaust air flow.
  • these components are relatively large, complex and expensive.
  • the object of the present invention is to provide an improved fuel cell system which, due to its structure, can dispense with a gas / gas humidifier and avoid numerous operating situations that impair the safety and service life of the fuel cell.
  • the fuel cell system comprises at least one fuel cell stack, which in turn comprises an anode compartment and a cathode compartment.
  • the fuel cell stack can preferably be constructed as a PEM fuel cell stack from a multiplicity of individual cells. It is also known collectively as a fuel cell or fuel cell stack.
  • the cathode compartment of this fuel cell is supplied with air via a supply air line via at least one air delivery device. The air then escapes through an exhaust duct the cathode compartment, for example, into the environment.
  • at least one fuel supply device is provided for supplying the anode space with fuel. This can, for example, be a compressed gas storage device for hydrogen as fuel.
  • the structure of the fuel cell system will also typically have what is known as an anode circuit, which is used to recirculate unused fuel, in particular hydrogen. This is recirculated around the anode compartment, i.e. returned from the exit of the anode compartment to the entrance. In most operating situations, it is mixed with fresh hydrogen and fed back into the anode compartment.
  • the fuel cell system also includes a cathode bypass, that is to say, for example, a line which is formed parallel to the cathode.
  • this cathode bypass branches off in front of or in the area of a valve device in the supply air line and opens into the exhaust air line after or in the area of a further valve device. All of this can be built up on the system side around the cathode compartment or the fuel cell. However, it can also be fully or partially integrated into the fuel cell and / or its housing.
  • the cathode compartment can thus be shut off and the air actually flowing into the cathode compartment and flowing through it can be guided through the cathode bypass.
  • Mixed forms of these two operating states are conceivable, possible and often also useful.
  • a gas jet pump driven by the air flowing around the cathode space is arranged in the cathode bypass.
  • the gas jet pump is thus driven by this air as a propulsion jet in the event that air is passed around the cathode space.
  • the gas jet pump is connected to both the anode compartment and the cathode compartment in a switchable manner on the suction side.
  • a fan in the anode circuit is driven as a recirculation conveying device by an exhaust air turbine in the exhaust air line.
  • energy in the exhaust air can thus be used.
  • this energy should not be used in an electric turbocharger to support the compression of the supply air, but rather to recirculate the anode exhaust gases in the anode circuit. This then enables, for example, an efficient exhaust gas recirculation despite the use of the energy contained in the exhaust air, which will be explained in more detail later.
  • valve devices in the supply air line and / or exhaust air line, in the area of which the cathode bypass branches off can, according to a very advantageous embodiment, each be designed as 3/2-way valves. In principle, a different design or just a 3/2-way valve and a shut-off valve in the other line would also be conceivable. In principle, it should only be ensured that the volume contained in the cathode space can be shut off while the air flows through the cathode bypass with the gas jet pump.
  • the air delivery device used in the fuel cell system according to the invention can preferably be designed in two stages.
  • a sufficiently high pressure can be achieved in order to be able to operate the gas jet pump in the cathode bypass very efficiently.
  • any type of two-stage compression is conceivable, for example by means of two electrically driven flow compressors connected in series.
  • the two-stage air delivery device is designed in the form of a free-running turbocharger, which is connected on the turbine side to the pressure side of a first compressor wheel of an air compressor, and which on the compressor side is connected to the pressure side of a second compressor wheel of the same air compressor is.
  • the air compressor in the fuel cell system according to the invention according to this embodiment thus has two compressor wheels which, according to an extremely favorable further development of this embodiment, are symmetrical and are arranged on a shaft with a common electric motor. This enables a structure in which the symmetrical arrangement of the compressor wheels and the electrical drive arranged in between enables a very good compensation of axial forces. This increases the efficiency, since the friction can be minimized.
  • the electrically driven flow compressor provides a pressure level of 1.5 to 2.5 bar on the first compressor wheel, then this pressure can be increased further via the freewheel, for example up to 4.5 bar to supply the fuel cell.
  • the structure also makes it possible to supply the fuel cell system with very humid gases, since the structure of the freewheel can be designed in such a way that, in the event that it freezes, it still allows sufficient air from the first electrically driven compressor wheel to pass through, as does the fuel cell system to be able to start in adverse weather conditions.
  • a water separator is arranged in the exhaust air line in the flow direction of the exhaust air after the opening of the cathode bypass into the exhaust air line. In this way, the water that occurs in the area of the cathode compartment during regular operation can be separated and collected in this water separator. Since most of the product water accumulates in the area of the cathode compartment, this is the primary amount of water accumulated in the fuel cell system.
  • the water from this area of the fuel cell system reaches the cathode bypass and from here into the Water separator in the exhaust line. This therefore collects all of the water in the fuel cell system.
  • a turbine for driving a fan as a recirculation conveying device is arranged in the exhaust air line, it can also be provided that the water separator is located in the flow direction in front of this exhaust air turbine. In this way, it can protect the exhaust air turbine from droplets that are potentially contained in the exhaust air and which could possibly damage the high-speed turbine.
  • An extremely favorable embodiment of the fuel cell system according to the invention can also provide that an exhaust gas recirculation line connects the exhaust air line after the opening of the cathode bypass and, if an exhaust air turbine is provided, also after this with a register line between the two compression stages.
  • This structure allows exhaust gas recirculation in order to return exhaust air and in particular the moisture contained in the exhaust air to the cathode compartment.
  • the second compressor stage in particular the free-running turbocharger, can thus be used for the recirculation of exhaust air, which is now wholly or preferably partially recirculated and circulated through the second compressor stage, in particular the free rotor.
  • the moisture which is carried along in the cathode exhaust air as a product of the reaction in the fuel cell and which has not already been separated out in the form of liquid water, if a water separator is provided, can be returned.
  • the supply air to the cathode compartment can be humidified and, on the other hand, the oxygen content in the supply air to the cathode compartment can be reduced, in particular adjusted.
  • the oxygen content in the cathode can be reduced. In this way, excessively high cell voltages and thus damage to the individual cells of the fuel cell can be prevented. This procedure is also known as oxygen depletion or air starvation.
  • the fuel cell system according to the invention can have a liquid water system. At least one water separator is connected to a water tank or forms it directly. The water tank itself is then connected to a pressure water distributor, for example a common rail, via a water pump. Branch lines to consumption points for the liquid water then branch off from this pressurized water distributor.
  • the liquid water can advantageously be heated, for example by means of waste heat from the fuel cell system or also by means of electrical heating.
  • Such components are also used in the Combustion engines are used so that they are easily and cost-effectively available on the market.
  • the consumption points include hydrodynamic bearings of the free-running turbocharger and / or at least one humidifier in the supply air.
  • This humidifier can in particular be designed in the form of a one-fluid or two-fluid nozzle.
  • the liquid water system therefore allows the freewheeler, if it is available, to be stored hydrodynamically.
  • the humidifiers can now be designed in a particularly simple manner in the form of a one-fluid or two-fluid nozzle. These humidifiers can be arranged in the supply air before and / or after the second compressor stage. As a result, the compression by the injected water, for example finely atomized water from a two-substance nozzle, is correspondingly moist and is atomized in the two-substance nozzle by the air flowing around the actual water nozzle. This atomized water helps to cool the air that becomes hot during compression and is evaporated in the air so that it is ideally humidified. In particular with an electric drive of the corresponding humidifier, humidification can take place independently of the operation of the fuel cell, which is another very decisive advantage compared to a much more complex, larger and more expensive gas / gas humidifier, which can be saved by this structure.
  • the fuel cell system in one or the other embodiment according to the invention now shows its particular advantages when it comes to achieving corresponding advantages by operating the gas jet pump in the cathode bypass and in particular to avoid adverse operating conditions for the service life of the fuel cell.
  • the method according to the invention therefore provides that, if necessary, the cathode compartment and / or the anode compartment are connected to the gas jet pump and gases are thus sucked out of these areas.
  • this can be used, for example, to support air starvation, which can be initiated primarily via the exhaust gas or exhaust air recirculation, if necessary, especially in system states in which there is no sufficient oxygen-depleted exhaust air available for recirculation.
  • Another aspect can be used, for example, to increase the safety of the fuel cell system when it is used in a vehicle.
  • the anode compartment is still filled with hydrogen and the cathode compartment is still filled with oxygen, a correspondingly high voltage will be applied to the fuel cell, which can be problematic for both the occupants and any rescue workers.
  • the compressor and turbocharger if present, are still active at the time of the accident. If the vehicle's crash sensors detect an accident, the hydrogen supply can be interrupted and the flow through the cathode compartment blocked via the valves.
  • Another very favorable possibility of using the fuel cell system according to the invention is when preparing for a later start of freezing. Because the anode and the cathode can be sucked off via the gas jet pump in the cathode bypass, the pressure in the fuel cell stack can be lowered, preferably evenly, both in the anode compartment and in the cathode compartment. A pressure reduction to, for example, up to 100 mbar is possible. In practice, this means that water, which is in liquid form in the fuel cell and there, due to the risk of later freezing if the Temperatures dropping below freezing point, is not desirable, is already vaporized at very low temperatures of 20 to 40 °, in particular 25 to 30 ° C.
  • the membranes can also be humidified at a standstill if required.
  • liquid water available in the fuel cell system is metered into the fuel cell system via the humidifier, which can be designed, for example, in the form of an electrically driven injector with a single-fluid nozzle, and is brought to the membranes by inflowing air into the cathode compartment, which is (re) humidified as a result can.
  • Another procedural advantage is that the initially mentioned harmful air / air starts of the fuel cell can be prevented.
  • One possible solution with the fuel cell system according to the invention provides that a vacuum is drawn at least for the cathode compartment and possibly also wholly or partially on the anode, so that the pressure difference typically remains less than 500 mbar. As a result, oxygen is sucked out in the area of the cathode. This process can be repeated from time to time, for example every 10 hours, or at least again when it has been recognized that the start of the fuel cell system is now imminent, similar to the previously customary and now no longer required replenishment of hydrogen . If the temperatures are above freezing point, this would in the long run dry out the membranes very much, since the water contained in them evaporates due to the negative pressure.
  • the above-mentioned moistening of the membranes can be carried out from time to time, which has an advantageous effect on the overall service life of the fuel cell system or its fuel cell.
  • circulation around the cathode is also possible. This enables the air in this circuit to be reduced to 0% oxygen.
  • hydrogen can be introduced into the circuit around the cathode until the oxygen is completely consumed. This metering in of hydrogen can take place, for example, via the anode compartment, into which a certain amount of hydrogen is metered and then sucked out again via the gas jet pump in the cathode bypass.
  • the hydrogen is then mixed with the oxygen in the air and can, for example, react on the catalyst of the cathode until the oxygen is completely consumed.
  • this oxygen-depleted air which essentially consists of nitrogen, can flow into the area of the anode space by opening the purge valve.
  • flow can flow through the cathode compartment parallel to the cathode bypass and is then also filled with nitrogen. This enables an extremely gentle start, in which both the anode compartment and the cathode compartment are filled with nitrogen, without the nitrogen having to be carried along and / or (temporarily) stored. Rather, the special configuration of the fuel cell system according to the invention makes it possible to generate this nitrogen in the fuel cell system when required.
  • Another aspect of fuel cell systems is the poisoning of the anode-side catalytic converter with carbon monoxide that occurs during regular operation and increases with the operating time. So far, this has required an occasional air / air start in order to oxidize the carbon monoxide to carbon dioxide with the oxygen introduced and to remove it from the system.
  • the reduction in the service life of the fuel cell must be accepted. As already mentioned several times above, however, such an air / air start should be avoided as far as possible due to the risk of a reduction in the service life of the fuel cell.
  • the fuel cell system constructed according to the invention now enables an extremely gentle procedure here.
  • the fuel cell itself and thus also its anode compartment, which is susceptible to poisoning the catalyst, is, as already described above, via the Using the cathode bypass with the gas jet pump evacuated.
  • oxygen-containing air flows backwards through the gas jet pump into the anode. This can now remain there passively or, preferably, if a recirculation fan is available, can be circulated by this.
  • the catalytic converter can be refreshed and freed from CO impurities, even without an air / air start being necessary.
  • oxygen and carbon dioxide are then sucked out of the anode compartment or the anode circuit.
  • a simple modification in the structure of the fuel cell system results in numerous advantages in terms of process management, so that an extremely efficient and long-lasting fuel cell system can be made available which enables the fuel cell to be operated very gently.
  • the only attached figure shows a possible embodiment of a fuel cell system according to the invention.
  • an air compressor 1 for a fuel cell system 2 is shown.
  • the air compressor 1 essentially consists of an electric drive motor 4, which is arranged on a common shaft 5 with two compressor wheels 6, 7.
  • the compressor wheels 6, 7 are driven by the electric drive motor 4 arranged centrally between them on the shaft 5 and are designed essentially symmetrically. In this way, forces which act on the common shaft 5 in the axial direction are minimized. On the one hand, this helps to reduce friction losses and, on the other hand, allows a simple and efficient design of axial bearings. Air is sucked in by the compressor wheels 6, 7 via two separate or, optionally, a common suction path 8.
  • the air filters that are typically present are not shown here.
  • a common shaft 12 connects the compressor side 10 with a turbine side 13, which is connected to the pressure side of the compressor wheel 7 of the air compressor 1 and is accordingly driven by the air flow from this compressor wheel 7.
  • the turbine side 13 or its turbine After the turbine side 13 or its turbine, the expanded air, which had previously passed from the compressor wheel 7 to the turbine side 13 of the freewheel 11 via a turbine line 14, flows away again.
  • the turbine-side discharge leads via the compressed gas reservoir 26 for hydrogen into the environment.
  • a bypass line 15 with a valve 16 is provided, which enables part of the air that has been compressed via the compressor wheel 7 of the air compressor 1 to be conducted from the turbine line 14 into the register line 9.
  • a higher volume flow of air to the fuel cell system 2 can be achieved.
  • the air flow through the turbine side 13 of the freewheel 11 is correspondingly reduced, so that although a higher volume flow, but a lower pressure in the Fuel cell system 2 is present.
  • the power on the turbine side 13 and thus also the compressor power on the compressor side 10 of the freewheel 11 increases accordingly, while at the same time the volume flow becomes smaller.
  • the direction of flow can also be such that more air flows to the turbine side 13 of the freewheel 11 via the bypass line.
  • all of the air in the air compressor 1 can be used to drive the freewheel 11.
  • the air supply can therefore be controlled via the valve 16 in the bypass line 15. Even if the bypass line 15 with the valve 16 offers particular advantages, it is to be understood here as being purely optional and can in principle also be omitted.
  • the fuel cell system 2 comprises a fuel cell 19, which is typically a stack of individual cells.
  • a fuel cell stack 19 an anode space 20 and a cathode space 21 are indicated by way of example.
  • the cathode chamber 21 is now supplied with air via a supply air line 22 via the air compressor 1 and the free rotor 11.
  • Exhaust air arrives via an exhaust air line 23 to a valve device labeled 24, wherein this valve device 24 could also be referred to as an exhaust gas recirculation valve 24.
  • the exhaust air from the exhaust air line 23 can be wholly or partially returned via an exhaust air return line 25 to the register line 9 via this valve device 24, or via the section of the exhaust air line 23 labeled 23 ‘into the environment.
  • the exhaust air no longer flows through an exhaust air turbine in section 23 ‘.
  • the anode space 20 is supplied with hydrogen from a compressed gas store 26.
  • a compressed gas storage device 26 As an alternative to such a compressed gas storage device 26, other storage possibilities for the hydrogen would also be conceivable, for example cryogenic storage or hydride storage.
  • this hydrogen reaches the anode compartment 20.
  • an anode circuit 28 with a recirculation line labeled 29, in which a water separator 30 can be arranged exhaust gas then returns from the outlet of the anode compartment 20 to its inlet and flows, in most operating states mixed with fresh hydrogen back into the anode compartment 20.
  • the recirculation line 29 can be known per se
  • a recirculation fan 31 can be arranged.
  • a blow-off line 17 with a so-called blow-off valve or purge valve 18 or purge valve is arranged, via which, for example, depending on the time, depending on the hydrogen concentration in the recirculation line 29 or, depending on other parameters, gas is drained from the recirculation line 29, optionally together with water from the water separator 30.
  • the structure with the combination of air compressor 1 and freewheel 11 thus enables optimal operation with a high degree of controllability of pressure and volume flow of the supplied air - especially in combination with the liquid system 34 - a dispensing with a conventional gas / gas humidifier, since the exhaust gas recirculation becomes possible without the risk of the entire air delivery device 1 freezing in the case of temperatures below freezing point.
  • this pressure cannot be used here for the air delivery device 3.
  • valve device 35 in the flow direction upstream of the cathode compartment 21 and a valve device 36 in both the supply air line 22 and the exhaust air line 23, namely here in each case relatively close to the cathode chamber 21 is arranged after the cathode chamber 21 in the flow direction.
  • These valve devices 35, 36 can preferably, and this is how it is shown here, be designed as 3/2-way valves. However, they could essentially also be implemented by independent valve devices which are arranged both in the supply air line 22 and in the exhaust air line 23, and which would also be arranged in a cathode bypass 37.
  • the cathode bypass 37 can be switched via the valve devices 35, 36, to be precise when the cathode compartment 21 is closed or the volume comprising the cathode compartment 21 is closed.
  • the cathode bypass 37 is provided with a gas jet pump 38 which, for example, can be designed in the manner of a Venturi tube.
  • gas jet pump 38 any other type of gas jet pump or ejector or jet pump is also conceivable, as long as through negative pressure effects and / or Pulse exchange can be sucked in by the air flowing around the cathode chamber 21.
  • the gas jet pump 38 On the suction side, the gas jet pump 38 is connected to the blow-off line 17, which can be switched via the purge valve 18 in order to connect the blow-off line 17 to the gas jet pump 38. In this way, liquid and in particular gas can be sucked out of the anode circuit 28 and thus also out of the anode space 20.
  • anode circuit 28 Since the anode circuit 28 is otherwise tight and forms a closed volume when the hydrogen supply is switched off, a negative pressure can be achieved in the anode circuit 28, which is very favorable for the reasons explained below.
  • the gas jet pump 38 is also connected on the suction side via a cathode stub 39 and a cathode suction valve 40 arranged therein to the cathode compartment 21 or to the volume comprising the cathode compartment 21 located between valve devices 35 and 36.
  • the cathode branch line 39 can be arranged both before and after the cathode space 21, that is to say with an opening into the supply air line 22 or the exhaust air line 23. In principle, a direct connection to the fuel cell stack 19 would also be conceivable, but this is technically far more complex than branching off from the corresponding line 22, 23.
  • gas can now be extracted from the cathode compartment with the cathode bypass 37 flowed through by the gas jet pump 38 with the cathode suction valve 40 open 21, which, when the valve devices 35 and 36 are closed, means that a negative pressure can also be generated in the cathode of the fuel cell 19. This will also be explained in more detail later with regard to the particularly advantageous use.
  • the already mentioned liquid water system 34 is shown in dashed lines in the figure. It can preferably be filled with water which is recovered from the fuel cell system 2.
  • the fuel cell system 2 typically has the water separator 30 in the recirculation line 29 and another water separator 41 in the area of the exhaust air line 23, and here, if possible, upstream of the exhaust air turbine 32.
  • the water from the water separator 30 arrives via the gas jet pump 38 and the cathode bypass 37 also into the water separator 41.
  • a parallel line from the water separator 30, for example into the water separator 41 or directly into a water tank 42 of the Liquid water system 34 conceivable, in which the entire water of all water separators 30, 41 of the fuel cell system 2 then collects.
  • this water tank 42 is now supplied with heat. In principle, this can involve electrical heating, as is generally known and customary for such water tanks in the area of vehicles with internal combustion engines.
  • waste heat from the fuel cell system 2 can also be used, for example waste heat from the fuel cell 19 itself, or waste heat in the exhaust air, in particular in the exhaust air flowing out of the turbine side 13 of the freewheel 11, which, however, can alternatively be used to heat the compressed gas reservoir 26 could.
  • the water stored in the water tank 42 ideally has a temperature of approx. 80 ° C., the water tank 42 therefore has thermal insulation 44 in order to prevent the water tank 42 from cooling down unnecessarily and quickly.
  • the water from the water tank 42 is then passed via a water pump 45 into a pressurized water distributor 50, for example in the form of a so-called common rail.
  • Individual branch lines then branch off from this pressurized water distributor 50.
  • a first branch line 46 leads to a first humidifier 47. This is designed as a simple humidifier 47 which atomizes the water with a single-fluid nozzle or a two-fluid nozzle.
  • a further humidifier 48 which is constructed in a comparable manner, is optionally provided. This is located in the register line 9 and is supplied with the pressurized water of the pressurized water distributor 50 via a second branch line 49.
  • this previous structure of the liquid water system 34 is also used in internal combustion engine drives, in particular internal combustion engines with gasoline injection.
  • the components such as the water pump 45, the heatable water tank 42 and the humidifiers 47, 48 are therefore available on the market as adequately tested parts in large numbers and accordingly inexpensively.
  • the 54 of the free-running turbocharger 11 is supplied with water so that it is mounted on water.
  • the hydrogen supply can be stopped. With the remaining volume flow when the air compressor 1 and the freewheel 11 are coasting down, gas can then be sucked out of the shut-off cathode space 21 and the anode circuit 28 and thus the anode space 20.
  • the (no-load) voltage of the fuel cell 19 can be reduced very quickly when the load is dropped and the current of the fuel cell 19 is reduced to zero, so as to prevent the occupants of the vehicle and rescue workers from being endangered.
  • the oxygen content in the fuel cell 19 can be reduced in order to limit the cell voltage, for which a corresponding amount of oxygen-depleted exhaust air is returned via the exhaust gas recirculation valve 24 and the exhaust gas recirculation line 25 and also supports the humidification of the supply air. If this is not sufficient, oxygen can also be actively sucked out of the cathode compartment 21 with the cathode suction valve 40 open by leading part of the supply air via the cathode bypass 37 and the gas jet pump 38 in order to reduce the voltage in the individual cells or the voltage of the entire cell To limit fuel cell stack 19 further and more reliably controllable.
  • Two very decisive points for the operation of the fuel cell system 2 relate to a preparation for a freeze start, a so-called FSU (Freeze Start Up) preparation. Because it is possible to lower the pressure in the anode compartment 20 and in the cathode compartment 21, for example to up to 100 mbar, it is possible to evaporate water present in both the anode compartment 20 and in the cathode compartment 21 and to actively suck it off via the gas jet pump 38. This can take place, for example, in a temperature window of 25 to 35 ° C. of the fuel cell 19. In contrast to higher temperatures, the membranes are largely prevented from drying out, so that the fuel cell 19 can be dried very gently.
  • FSU Freeze Start Up
  • the fuel cell can be prevented from freezing beyond an intended or tolerable level. If the temperatures rise again above freezing point, active humidification can be carried out even without the fuel cell 19 being actively started, since liquid water is available via the liquid water system 34 and, for example, via the humidifier 47, which in particular is an electrically operated humidifier can be designed with a single-fluid nozzle, can be easily and efficiently introduced into the supply air. As already mentioned, this can be circulated via the exhaust gas recirculation valve 24, on the one hand to keep the membranes sufficiently moist and on the other hand to be prepared for a freeze start at any time.
  • a previously common strategy for preparing for the freezing start provides for the longest possible time to be achieved in which an air / hydrogen front is prevented in the anode compartment when the fuel cell system is started. This always occurs when the hydrogen has diffused from the anode space 20 and air has penetrated. If fresh hydrogen is now replenished, this dreaded front occurs, which correspondingly damages the cathode and has an extremely disadvantageous and strong effect on the service life of the fuel cell 19.
  • the fuel cell system 2 in the embodiment variant shown here now has several options for preventing such an air / air start.
  • the first possibility is that the cathode space 21 can be evacuated accordingly. If there is no oxygen in this, the front cannot develop its damaging effect even if oxygen is present on the anode side and is displaced by the hydrogen flowing in at start-up.
  • This simple possibility can, for example, provide for the cathode to be kept permanently free of oxygen, which, given the tightness that usually occurs in the system, requires the cathode compartment 21 to be evacuated again, for example every 10 hours or the like. Since such a recurring evacuation is relatively risky for the membranes, since they can dry out, this procedure can be accompanied in particular with the moistening of the membranes described above if the temperatures are above freezing point and a safe and reliable start even with a certain residual moisture in the fuel cell 19 is possible.
  • a second possibility of avoiding an air / air start of the fuel cell 19 is that the air, which also entered the anode compartment 20 while the fuel cell system 2 was at a standstill, is sucked out of the anode compartment 20 again before the fuel cell 19 is started to evacuate it.
  • air is conveyed and flows via the cathode bypass 37 and the gas jet pump 38.
  • the purge valve 18 When the purge valve 18 is open, the air which has penetrated into the anode space 20 during the standstill can be sucked off. This makes it possible to at least significantly reduce the oxygen content in the volume of the anode space 20 and ultimately also of the anode circuit 28 before the start of the Fuel cell 19 is metered in hydrogen. This also enables a gentle start to be achieved and the service life of the fuel cell 19 to be extended.
  • the third option uses the generation of nitrogen or oxygen-depleted air, in particular air with an oxygen content of 0%, in order to achieve a very gentle start.
  • the circulation around the cathode space 21 is used for this. Hydrogen metered into the anode circuit 28 or residual hydrogen still present in it is sucked in via the gas jet pump 38 when the purge valve is open and thus enters the circuit together with the oxygen-containing air, which is caused by operation of the air compressor 1, which flows against the turbine side 13 of the freewheel 11 and so that the compressor side 10 moves, maintained.
  • the air then flows in a circle around the cathode compartment 21. It flows partly through the cathode compartment 21 and partly through the cathode bypass 37.
  • the fourth possibility to avoid an air / air start represents a combination of the second and the third possibility.
  • a hydrogen metering line 56 is required, via which hydrogen can be metered onto the cathode side. Similar to or as an alternative to the purge line 17, this hydrogen metering line 56 is connected to the gas jet pump 38 in the cathode bypass 37, as can be seen in the illustration of the figure. This makes it possible to supply hydrogen via the hydrogen metering line 56 to the To meter the cathode side of the fuel cell system 2 without this hydrogen having to flow through the anode space 20 beforehand.
  • the above-mentioned catalytic converter 55 which is connected downstream of the gas jet pump 38 in the circuit around the cathode chamber 21, can thus consume oxygen in the air. This is then autarkically recirculated in this circuit with the aid of the valve devices 35, 36, the valve 16 and the exhaust gas recirculation valve 24 and through the operation of the freewheel 11. This takes place until the oxygen content in the original air with the aid of the catalyst and the hydrogen entering the circuit via the hydrogen metering line 56 in the area of the mixing point in the gas jet pump 38 is less than 1 percent by volume, in particular to about 0 percent by volume is reduced. The then recirculated gas is thus virtually free of oxygen and essentially consists of nitrogen.
  • this gas is heated at the same time, which promotes the catalytic reaction in the catalytic converter 55 in order to efficiently convert oxygen and hydrogen.
  • a temperature range of approx. +60 to + 80 ° C is ideal for this. This allows the catalytic conversion to be regulated very well in order to avoid undesired nitrogen oxides within the closed volume. These nitrogen oxides as a by-product are undesirable because of the emissions of the same which occur later, but would not further impair the handling of the fuel cell 19, which is gentle on the service life.
  • the purge valve 18 can be opened, the freewheel 11 and thus ultimately the air compressor 1 can be switched off.
  • the cathode suction valve 40 and / or the valve devices 35, 36 are opened.
  • the nitrogen then flows back into the fuel cell 19 via the purge line and the cathode stub line and / or supply air line, so that it is filled with nitrogen. This enables an extremely gentle start of the fuel cell during next start process without the damaging mechanisms of the air / air start occurring.
  • a fifth possibility, in combination with the previously customary way of keeping the hydrogen in the system, can also be ideally used in the construction of the fuel cell system according to the invention.
  • the volumes of both the anode compartment 20 and the cathode compartment 21 are filled with hydrogen and kept under a slight overpressure in order to completely inert the volume through a hydrogen concentration of approximately 100 percent realize.
  • the residual hydrogen present in the cathode compartment 21 can now be removed again via the gas jet pump 38 and its operation through the supply air that has already been pumped but not flowing into the cathode compartment 21, in that the hydrogen is completely sucked out of the cathode compartment 21 before the cathode compartment 21 by opening the valve device 35 in the direction of the cathode chamber 21, oxygen or the air containing the oxygen is then acted upon in order to be able to start the fuel cell system 2 or its fuel cell 19.
  • the fuel cell 19 can be evacuated again using the gas jet pump 38 in the cathode bypass 37. With the purge valve 18 open, air can then be used with the air compressor switched off or oxygen-containing gas reach the area of the anode space 20.
  • the passive oxidation of carbon monoxide to carbon dioxide is conceivable. It becomes more efficient if the recirculation conveying device 31 is operated, for example by operating the air compressor 1 again with the purge valve 18 closed after air has flowed over into the anode circuit 28, in order to shape the recirculation conveying device 31 via the exhaust air turbine 32 in the exemplary embodiment shown here to drive the fan.
  • the refresh of the catalytic converter is then completed after a short time, for example on the order of less than a minute.
  • the oxygen-containing gas can then be sucked out of the anode circuit again by opening the purge valve 18 again and the system can be filled with nitrogen in the manner described above, for example, in order to prepare it for the next start.
  • Air compressor 28 Anode circuit, fuel cell system 29 Recirculation line, air delivery device 30 Water separator, electric motor 31 Recirculation delivery device, shaft 32 Exhaust air turbine, second compressor wheel 33 Shaft, first compressor wheel 34 Liquid water system, suction path 35 Valve device, register line 36 Valve device, compressor side 37 Cathode bypass, Free-running turbocharger, water separator, cathode line, 41, Turbocharger, cathode tank line, 42, Turbocharger, cathode tank line, 40, Turbocharger, gas jet pump, shaft 43 Arrow blow-off line 44 thermal insulation purge valve 45 water pump fuel cell stack 46 branch line anode compartment 47 humidifier cathode compartment 48 humidifier supply air line 49 branch line exhaust air line 50 pressure water distributor exhaust gas recirculation valve 51 branch exhaust gas recirculation line 52 branch line fuel 53 hydrodynamic bearing supply device 54 hydrodynamic bearing pressure control and 55 catalyst dos i device 56 hydrogen metering line

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Abstract

The invention relates to a fuel cell system (2) with at least one fuel cell stack (19) which comprises an anode chamber (20) and a cathode chamber (21), with at least one air conveying device (3) for the supply of the cathode chamber (21) with air via a feed air line (22), with an outlet air line (23) from the cathode chamber (21), with at least one fuel supply device (26) for the supply of the anode chamber (20) with fuel, with at least one anode circuit (28) for the recirculation of unused fuel around the anode chamber (20), furthermore with a cathode bypass (37). The fuel cell system according to the invention is characterized in that the cathode bypass line (37) branches off from the feed air line (22) upstream of or in the region of a valve device (35) in said feed air line (22), and opens into the outlet air line (23) downstream of or in the region of a further valve device (36) in said outlet air line (23), wherein a gas jet pump (38) which can be driven by the air which flows around the cathode chamber (21) is arranged in the cathode bypass (37), which gas jet pump (38) is connected switchably on the suction side to the anode chamber (20) and/or the cathode chamber (21).

Description

Brennstoffzellensystem Fuel cell system
Die Erfindung betrifft ein Brennstoffzellensystem gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1. Außerdem betrifft sei eine Verfahren zum Betrieben eines solchen Brennstoffzellensystems. The invention relates to a fuel cell system according to the preamble of claim 1. It also relates to a method for operating such a fuel cell system.
Brennstoffzellensysteme mit wenigstens einem Brennstoffzellenstapel sind soweit aus dem Stand der Technik bekannt. Sie können beispielsweise zur Erzeugung von elektrischer Antriebsleistung in Fahrzeugen eingesetzt werden. Bei den Brennstoffzellen handelt es sich, insbesondere bei diesem Verwendungszweck, typischerweise um sogenannte PEM-Brennstoffzellen, also Niedertemperaturbrennstoffzellen mit einer für Protonen durchlässigen Membran. Diese Art der Brennstoffzellen ist mittlerweile relativ verbreitet. Sie hat jedoch zwei gravierende Probleme hinsichtlich ihrer Lebensdauer im regulären Betrieb. Dies ist einerseits die ständige Notwendigkeit, während des Betriebs die Membranen ausreichend feucht zu halten, da ein Austrocknen der Membranen die Lebensdauer der Brennstoffzellen deutlich verkürzen kann. Ein anderes Problem ist vor allem mit der Versorgung der Brennstoffzellen mit Brennstoff und Sauerstoff, typischerweise Wasserstoff und Luftsauerstoff, während des Starts verbunden. Nach einer längeren Stillstandszeit des Brennstoffzellensystems ist der Wasserstoff häufig aus dem Anodenraum der Brennstoffzelle herausdiffundiert und Luft bzw. Sauerstoff ist dort eingedrungen. Wird die Brennstoffzelle nun gestartet, läuft eine Wasserstoff/Sauerstoff- Front über den Katalysator des Anodenraums. Dies führt zu einer erhöhten Oxidation desselben, was die Lebensdauer der Brennstoffzelle nachhaltig verkürzt. Bei der oben beschriebenen Anwendung von Brennstoffzellensystemen in Fahrzeugen ist es nun so, dass ein Start jedoch relativ häufig stattfindet. Sehr häufig findet dieser nach einer längeren Stillstandszeit, beispielsweise einem Abstellen des Fahrzeugs über Nacht, statt. In dieser Situation kommt es daher häufig zu dieser ungewünschten Art des Startens der Brennstoffzelle, welche auch als Luft/Luft-Start oder Air/Air-Start bezeichnet wird. Zahlreiche Maßnahmen versuchen deshalb dieser Problematik entgegenzuwirken, beispielsweise indem von Zeit zu Zeit Wasserstoff nachdosiert wird oder indem Stickstoff in Druckgasspeichern mitgeführt wird, um das System mit Stickstoff zu spülen, bevor es gestartet wird. All dies mag im Testbetrieb funktionieren. Für die reguläre Anwendung in einer großen Fahrzeugflotte sind diese Techniken allesamt zu aufwändig, zu teuer oder mit zu vielen Emissionen verbunden. Fuel cell systems with at least one fuel cell stack are known so far from the prior art. For example, they can be used to generate electrical drive power in vehicles. The fuel cells, in particular for this purpose, are typically so-called PEM fuel cells, that is to say low-temperature fuel cells with a membrane that is permeable to protons. This type of fuel cell is now relatively common. However, it has two serious problems with regard to its service life in regular operation. On the one hand, this is the constant need to keep the membranes sufficiently moist during operation, since drying out of the membranes can significantly shorten the service life of the fuel cells. Another problem is primarily associated with the supply of fuel and oxygen, typically hydrogen and atmospheric oxygen, to the fuel cells during start-up. After the fuel cell system has been idle for a long time, the hydrogen has often diffused out of the anode compartment of the fuel cell and air or oxygen has penetrated there. If the fuel cell is now started, a hydrogen / oxygen front runs over the catalyst in the anode compartment. This leads to increased oxidation of the same, which significantly shortens the service life of the fuel cell. With the above-described use of fuel cell systems in vehicles, however, it is now the case that a start takes place relatively frequently. This very often takes place after a long period of downtime, for example after the vehicle has been parked overnight. In this situation, therefore, this undesired type of starting of the fuel cell, which is also referred to as air / air start or air / air start, often occurs. Numerous measures therefore try to counteract this problem, for example by adding more hydrogen from time to time or by carrying nitrogen into compressed gas storage tanks in order to flush the system with nitrogen before it is started. All of this may work in test mode. All of these technologies are too complex, too expensive or have too many emissions for regular use in a large vehicle fleet.
Ein beispielhaftes Brennstoffzellensystem lässt sich aus der DE 102009 043 569 A1 entnehmen. Dieses System sieht einerseits einen Systembypass zum Verbinden der Druckseite mit der Abluftseite einerseits und andererseits eine Verbindung zwischen der Anodenseite und der Kathodenseite über eine Abblasleitung mit einem sogenannten Abblas- oder Purgeventil vor. Außerdem ist ein in derartigen Brennstoffzellensystemen üblicher Gas/Gas-Befeuchter angedeutet, welcher zur Befeuchtung des Zuluftstroms zu dem Kathodenraum der Brennstoffzelle durch dessen feuchten Abluftstrom dient. Diese Bauteile sind in der Praxis jedoch relativ groß, aufwändig und teuer. An exemplary fuel cell system can be found in DE 102009 043 569 A1. This system provides on the one hand a system bypass for connecting the pressure side with the exhaust air side on the one hand and on the other hand a connection between the anode side and the cathode side via a blow-off line with a so-called blow-off or purge valve. In addition, a gas / gas humidifier that is customary in such fuel cell systems is indicated, which is used to humidify the supply air flow to the cathode compartment of the fuel cell by means of its humid exhaust air flow. In practice, however, these components are relatively large, complex and expensive.
Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, ein verbessertes Brennstoffzellensystem anzugeben, welches durch seinen Aufbau auf einen Gas/Gas- Befeuchter verzichten und zahlreiche die Sicherheit und Lebensdauer der Brennstoffzelle beeinträchtigende Betriebssituationen vermeiden kann. The object of the present invention is to provide an improved fuel cell system which, due to its structure, can dispense with a gas / gas humidifier and avoid numerous operating situations that impair the safety and service life of the fuel cell.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen im Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des Brennstoffzellensystems ergeben sich aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen. Im Anspruch 12 ist außerdem ein besonders bevorzugtes Verfahren zum Betreiben eines derartigen Brennstoffzellensystems angegeben. According to the invention, this object is achieved by a fuel cell system having the features in claim 1. Advantageous refinements and developments of the fuel cell system result from the dependent claims. Claim 12 also specifies a particularly preferred method for operating such a fuel cell system.
Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem umfasst wenigstens einen Brennstoffzellenstapel, welcher seinerseits einen Anodenraum und einen Kathodenraum umfasst. Der Brennstoffzellenstapel kann vorzugsweise als PEM-Brennstoffzellenstapel aus einer Vielzahl von Einzelzellen aufgebaut sein. Er wird insgesamt auch als Brennstoffzelle oder Brennstoffzellenstack bezeichnet. Über wenigstens eine Luftfördereinrichtung wird der Kathodenraum dieser Brennstoffzelle über eine Zuluftleitung mit Luft versorgt. Über eine Abluftleitung gelangt die Luft dann wieder aus dem Kathodenraum beispielsweise in die Umgebung. Außerdem ist wenigstens eine Brennstoffversorgungseinrichtung zur Versorgung des Anodenraums mit Brennstoff vorgesehen. Diese kann beispielsweise ein Druckgasspeicher für Wasserstoff als Brennstoff sein. Der Aufbau des Brennstoffzellensystems wird außerdem typischerweise einen sogenannten Anodenkreislauf aufweisen, welcher zur Rezirkulation von unverbrauchtem Brennstoff, insbesondere Wasserstoff, dient. Dieser wird um den Anodenraum rezirkuliert, also vom Ausgang des Anodenraums zum Eingang zurückgeführt. In den meisten Betriebssituationen wird er dort mit frischem Wasserstoff vermischt dem Anodenraum erneut zugeführt. Das Brennstoffzellensystem umfasst außerdem einen Kathodenbypass, also z.B. eine Leitung, welche parallel zur Kathode ausgebildet ist. The fuel cell system according to the invention comprises at least one fuel cell stack, which in turn comprises an anode compartment and a cathode compartment. The fuel cell stack can preferably be constructed as a PEM fuel cell stack from a multiplicity of individual cells. It is also known collectively as a fuel cell or fuel cell stack. The cathode compartment of this fuel cell is supplied with air via a supply air line via at least one air delivery device. The air then escapes through an exhaust duct the cathode compartment, for example, into the environment. In addition, at least one fuel supply device is provided for supplying the anode space with fuel. This can, for example, be a compressed gas storage device for hydrogen as fuel. The structure of the fuel cell system will also typically have what is known as an anode circuit, which is used to recirculate unused fuel, in particular hydrogen. This is recirculated around the anode compartment, i.e. returned from the exit of the anode compartment to the entrance. In most operating situations, it is mixed with fresh hydrogen and fed back into the anode compartment. The fuel cell system also includes a cathode bypass, that is to say, for example, a line which is formed parallel to the cathode.
Erfindungsgemäß ist es nun so, dass dieser Kathodenbypass vor oder im Bereich einer Ventileinrichtung in der Zuluftleitung aus dieser abzweigt und nach oder im Bereich einer weiteren Ventileinrichtung in die Abluftleitung mündet. All dies kann dabei systemseitig um den Kathodenraum bzw. die Brennstoffzelle aufgebaut sein. Es kann jedoch auch ganz oder teilweise in die Brennstoffzelle und/oder deren Gehäuse integriert werden.According to the invention, this cathode bypass branches off in front of or in the area of a valve device in the supply air line and opens into the exhaust air line after or in the area of a further valve device. All of this can be built up on the system side around the cathode compartment or the fuel cell. However, it can also be fully or partially integrated into the fuel cell and / or its housing.
Der Kathodenraum lässt sich damit absperren und die eigentlich dem Kathodenraum zuströmende und ihn durchströmende Luft lässt sich durch den Kathodenbypass leiten. Mischformen dieser beiden Betriebszustände sind denkbar, möglich und häufig auch sinnvoll. Dabei ist bei dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem in dem Kathodenbypass eine von der um den Kathodenraum strömenden Luft angetriebene Gasstrahlpumpe angeordnet. Die Gasstrahlpumpe wird also für den Fall, dass Luft um den Kathodenraum herumgeleitet wird, von dieser Luft als Treibstrahl angetrieben. Die Gasstrahlpumpe ist saugseitig jeweils schaltbar sowohl mit dem Anodenraum als auch mit dem Kathodenraum verbunden. Damit lassen sich Gase sowie gegebenenfalls Flüssigkeit aus dem Volumen des Anodenraum oder den Anodenkreislauf ebenso absaugen wie aus dem Volumen des Kathodenraums. Im Idealfall erfolgt die Absaugung dabei relativ gleichmäßig, um zu hohe Druckdifferenzen zwischen dem Kathodenraum und dem Anodenraum zu vermeiden und damit die Membranen zu schonen. Alleine die Möglichkeit, über den erfindungsgemäßen Kathodenbypass mit der Gasstrahlpumpe Gas sowohl aus dem Anodenraum als auch aus dem Kathodenraum, jeweils wahlweise oder gemeinsam, absaugen zu können, schafft eine Vielzahl von neuen Anwendungsmöglichkeiten. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren, welches in Anspruch 12 beansprucht ist, wird dies beschrieben. Bei Bedarf kann eine Absaugung von Gasen aus dem Anodenraum und/oder dem Kathodenraum erfolgen. Hierauf wird später noch näher eingegangen und es werden die damit erzielbaren Möglichkeiten und Vorteile im Detail erläutert. The cathode compartment can thus be shut off and the air actually flowing into the cathode compartment and flowing through it can be guided through the cathode bypass. Mixed forms of these two operating states are conceivable, possible and often also useful. In the case of the fuel cell system according to the invention, a gas jet pump driven by the air flowing around the cathode space is arranged in the cathode bypass. The gas jet pump is thus driven by this air as a propulsion jet in the event that air is passed around the cathode space. The gas jet pump is connected to both the anode compartment and the cathode compartment in a switchable manner on the suction side. In this way, gases and, if necessary, liquid can be sucked off from the volume of the anode space or the anode circuit as well as from the volume of the cathode space. In the ideal case, the suction takes place relatively evenly in order to avoid excessively high pressure differences between the cathode compartment and the anode compartment and thus to protect the membranes. Alone the possibility of being able to suck off gas both from the anode compartment and from the cathode compartment, optionally or jointly, via the cathode bypass according to the invention with the gas jet pump, creates a multitude of new application possibilities. In the method according to the invention, which is claimed in claim 12, this is described. If necessary, gases can be extracted from the anode compartment and / or the cathode compartment. This will be discussed in greater detail later and the possibilities and advantages that can be achieved with it will be explained in detail.
Hinsichtlich des konstruktiven Aufbaus des Brennstoffzellensystems kann es gemäß einer sehr vorteilhaften Ausgestaltung der Idee ferner vorgesehen sein, dass in dem Anodenkreislauf ein Gebläse als Rezirkulationsfördereinrichtung von einer Abluftturbine in der Abluftleitung angetrieben ist. Bei dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem kann so Energie in der Abluft genutzt werden. Anders als bei vielen herkömmlichen Brennstoffzellensystemen soll diese Energie dabei nicht in einem elektrischen Turbolader zum Unterstützen der Verdichtung der Zuluft genutzt werden, sondern zur Rezirkulation der Anodenabgase in dem Anodenkreislauf. Dies ermöglicht dann beispielsweise trotz der Nutzung der in der Abluft enthaltenen Energie eine effiziente Abgasrückführung, was später noch im Detail näher erläutert werden wird. With regard to the structural design of the fuel cell system, it can also be provided according to a very advantageous embodiment of the idea that a fan in the anode circuit is driven as a recirculation conveying device by an exhaust air turbine in the exhaust air line. In the fuel cell system according to the invention, energy in the exhaust air can thus be used. In contrast to many conventional fuel cell systems, this energy should not be used in an electric turbocharger to support the compression of the supply air, but rather to recirculate the anode exhaust gases in the anode circuit. This then enables, for example, an efficient exhaust gas recirculation despite the use of the energy contained in the exhaust air, which will be explained in more detail later.
Die Ventileinrichtungen in der Zuluftleitung und/oder Abluftleitung, in deren Bereich der Kathodenbypass abzweigt, können gemäß einer sehr vorteilhaften Ausgestaltung jeweils als 3/2-Wegevetntile ausgebildet sein. Prinzipiell wäre auch ein anderer Aufbau oder lediglich ein 3/2-Wegeventil sowie ein Absperrventil in der anderen Leitung denkbar. Prinzipiell soll nur sichergestellt werden, dass das dem Kathodenraum enthaltene Volumen abgesperrt werden kann, während die Luft durch den Kathodenbypass mit der Gasstrahlpumpe strömt. The valve devices in the supply air line and / or exhaust air line, in the area of which the cathode bypass branches off, can, according to a very advantageous embodiment, each be designed as 3/2-way valves. In principle, a different design or just a 3/2-way valve and a shut-off valve in the other line would also be conceivable. In principle, it should only be ensured that the volume contained in the cathode space can be shut off while the air flows through the cathode bypass with the gas jet pump.
Vorzugsweise kann die in dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem eingesetzte Luftfördereinrichtung zweistufig ausgebildet sein. Insbesondere mit einer solchen zweistufigen Luftfördereinrichtung, welche gemäß einer sehr vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems in diesem vorgesehen ist, lässt sich ein ausreichend hoher Druck erreichen, um die Gasstrahlpumpe in dem Kathodenbypass sehr effizient betreiben zu können. Prinzipiell ist dabei jede Art von zweitstufiger Verdichtung denkbar, beispielsweise durch zwei hintereinander geschaltete elektrisch angetriebene Strömungsverdichter. Gemäß einer außerordentlich günstigen Weiterbildung dieser Idee kann es jedoch vorgesehen sein, dass die zweistufige Luftfördereinrichtung in Form eines freilaufenden Turboladers ausgebildet ist, welcher turbinenseitig mit der Druckseite eines ersten Verdichterrads eines Luftverdichters verbunden ist, und welcher verdichterseitig mit der Druckseite eines zweiten Verdichterrads desselben Luftverdichters verbunden ist. Der Luftverdichter in dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem gemäß dieser Ausgestaltung weist also zwei Verdichterräder auf, welche gemäß einer außerordentlich günstigen Weiterbildung dieser Ausgestaltung symmetrisch ausgebildet und auf einer Welle mit einem gemeinsamen Elektromotor angeordnet sind. Dies ermöglicht einen Aufbau, bei dem durch die symmetrische Anordnung der Verdichterräder und den dazwischen angeordneten elektrischen Antrieb ein sehr guter Ausgleich von Axialkräften möglich ist. Damit lässt sich der Wirkungsgrad steigern, da die Reibung minimiert werden kann. Außerdem sind einfachere und kleinere Axiallager möglich, was ein weiterer Vorteil ist. Mit diesem Aufbau lässt sich nun die Verdichterseite und die Turbinenseite eines freilaufenden Turboladers anströmen. Der Verdichter mit den beiden symmetrischen Verdichterrädern versorgt also die Verdichterseite des Freiläufers, um so eine Registeraufladung zu realisieren. Gleichzeitig wird über das andere Verdichterrad die Turbine des Freiläufers angeströmt, sodass dieses zweite Verdichterrad für den Antrieb des Freiläufers sorgt. The air delivery device used in the fuel cell system according to the invention can preferably be designed in two stages. In particular with such a two-stage air delivery device, which is provided in this according to a very advantageous development of the fuel cell system according to the invention, a sufficiently high pressure can be achieved in order to be able to operate the gas jet pump in the cathode bypass very efficiently. In principle, any type of two-stage compression is conceivable, for example by means of two electrically driven flow compressors connected in series. According to an extremely favorable development of this idea, it can be provided that the two-stage air delivery device is designed in the form of a free-running turbocharger, which is connected on the turbine side to the pressure side of a first compressor wheel of an air compressor, and which on the compressor side is connected to the pressure side of a second compressor wheel of the same air compressor is. The air compressor in the fuel cell system according to the invention according to this embodiment thus has two compressor wheels which, according to an extremely favorable further development of this embodiment, are symmetrical and are arranged on a shaft with a common electric motor. This enables a structure in which the symmetrical arrangement of the compressor wheels and the electrical drive arranged in between enables a very good compensation of axial forces. This increases the efficiency, since the friction can be minimized. In addition, simpler and smaller axial bearings are possible, which is a further advantage. With this structure, the compressor side and the turbine side of a free-running turbocharger can now flow to. The compressor with the two symmetrical compressor wheels thus supplies the compressor side of the freewheel in order to implement register charging. At the same time, the turbine of the freewheel is flown through the other compressor wheel, so that this second compressor wheel drives the freewheel.
Dies ist außerordentlich einfach und effizient und erlaubt einige weitere Vorteile neben der Möglichkeit, einen entsprechend hohen Druck zu erzeugen, was für den Betrieb der Gasstrahlpumpe im Kathodenbypass von entscheidendem Vorteil ist. Stellt beispielsweise der elektrisch angetriebene Strömungsverdichter am ersten Verdichterrad ein Druckniveau von 1 ,5 bis 2,5 bar zur Verfügung, dann kann über den Freiläufer dieser Druck weiter angehoben werden, beispielsweise auf bis zu 4,5 bar zur Versorgung der Brennstoffzelle. Der Aufbau ermöglicht es außerdem das Brennstoffzellensystem mit sehr feuchten Gasen zu versorgen, da der Aufbau des Freiläufers so gestaltet werden kann, dass er für den Fall, dass er festfriert, immer noch ausreichend Luft des ersten elektrisch angetriebenen Verdichterrads durchlässt, um so das Brennstoffzellensystem auch bei widrigen Witterungsbedingungen starten zu können. Die ermöglicht z.B. die Rückführung von feuchtem Abgas, worauf später noch näher eingegangen wird. Gemäß einer weiteren sehr günstigen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems kann es ferner vorgesehen sein, dass ein Wasserabscheider in Strömungsrichtung der Abluft nach der Mündung des Kathodenbypass in die Abluftleitung in dieser angeordnet ist. Damit lässt sich in diesem Wasserabscheider das im regulären Betrieb im Bereich des Kathodenraums anfallende Wasser abscheiden und sammeln. Da im Bereich des Kathodenraums das meiste Produktwasser anfällt, ist dies die primäre Menge an in dem Brennstoffzellensystem anfallenden Wasser. Durch die Verbindung des Anodenkreislaufs bzw. des Anodenraums, vorzugsweise über den Anodenkreislauf und seine Abblas- bzw. Purge-Leitung oder auch Purge/Drain-Leitung, gelangt über die Gasstrahlpumpe das Wasser aus diesem Bereich des Brennstoffzellensystems in den Kathodenbypass und von hier in den Wasserabscheider in der Abluftleitung. Dieser sammelt also das gesamte Wasser des Brennstoffzellensystems. Bei der Variante, bei welcher in der Abluftleitung eine Turbine zum Antreiben eines Gebläses als Rezirkulationsfördereinrichtung angeordnet ist, kann es außerdem vorgesehen sein, dass der Wasserabscheider in Strömungsrichtung vor dieser Abluftturbine sitzt. Dadurch kann er die Abluftturbine vor potenziell in der Abluft enthaltenen Tröpfchen schützen, welche die schnelllaufende Turbine gegebenenfalls schädigen könnten. This is extremely simple and efficient and allows a few other advantages in addition to the possibility of generating a correspondingly high pressure, which is a decisive advantage for the operation of the gas jet pump in the cathode bypass. For example, if the electrically driven flow compressor provides a pressure level of 1.5 to 2.5 bar on the first compressor wheel, then this pressure can be increased further via the freewheel, for example up to 4.5 bar to supply the fuel cell. The structure also makes it possible to supply the fuel cell system with very humid gases, since the structure of the freewheel can be designed in such a way that, in the event that it freezes, it still allows sufficient air from the first electrically driven compressor wheel to pass through, as does the fuel cell system to be able to start in adverse weather conditions. This enables, for example, the recirculation of moist exhaust gas, which will be discussed in more detail later. According to a further very favorable embodiment of the fuel cell system according to the invention, it can furthermore be provided that a water separator is arranged in the exhaust air line in the flow direction of the exhaust air after the opening of the cathode bypass into the exhaust air line. In this way, the water that occurs in the area of the cathode compartment during regular operation can be separated and collected in this water separator. Since most of the product water accumulates in the area of the cathode compartment, this is the primary amount of water accumulated in the fuel cell system. By connecting the anode circuit or the anode compartment, preferably via the anode circuit and its blow-off or purge line or also purge / drain line, the water from this area of the fuel cell system reaches the cathode bypass and from here into the Water separator in the exhaust line. This therefore collects all of the water in the fuel cell system. In the variant in which a turbine for driving a fan as a recirculation conveying device is arranged in the exhaust air line, it can also be provided that the water separator is located in the flow direction in front of this exhaust air turbine. In this way, it can protect the exhaust air turbine from droplets that are potentially contained in the exhaust air and which could possibly damage the high-speed turbine.
Eine außerordentlich günstige Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems kann es ferner vorsehen, dass eine Abgasrückführleitung die Abluftleitung nach der Mündung des Kathodenbypass und, falls eine Abluftturbine vorgesehen ist, auch nach dieser mit einer Registerleitung zwischen den beiden Stufen der Verdichtung schaltbar verbindet. Dieser Aufbau erlaubt eine Abgasrückführung, um so Abluft und insbesondere die in der Abluft enthaltene Feuchte in den Kathodenraum zurückzuführen. Die zweite Verdichterstufe, insbesondere der freilaufende Turbolader, kann somit für die Rezirkulation von Abluft eingesetzt werden, welche nun ganz oder vorzugsweise teilweise rezirkuliert und durch die zweite Verdichterstufe, insbesondere den Freiläufer, umgewälzt wird. Hierdurch kann die Feuchtigkeit, welche in der Kathodenabluft als Produkt der Reaktion in der Brennstoffzelle mitgeführt wird und nicht in Form von flüssigem Wasser bereits abgeschieden wurde, falls ein Wasserabscheider vorgesehen ist, zurückgeführt werden. Damit lässt sich einerseits eine Befeuchtung der Zuluft zu dem Kathodenraum erreichen und andererseits kann der Sauerstoffgehalt in der Zuluft zu dem Kathodenraum verringert, insbesondere eingestellt werden. Dadurch kann beispielsweise bei wenig elektrischer Last der Brennstoffzelle der Sauerstoffgehalt in der Kathode abgesenkt werden. Damit lassen sich zu hohe Zellspannungen und damit eine Schädigung der Einzelzellen der Brennstoffzelle verhindern. Diese Vorgehensweise wird auch als Sauerstoffabreicherung oder Air Starvation bezeichnet. Sie erlaubt es, die Spannung einer Einzelzelle beispielsweise unter 0,9 V zu halten und damit einerseits die Zellen zu schonen und andererseits die Gesamtspannung eines Brennstoffzellenstapels letztlich zu begrenzen. Dies ermöglicht vor allem bei großen Brennstoffzellenstapeln, wie sie beispielsweise in Nutzfahrzeugen eingesetzt werden, ein zuverlässiges Unterschreiten einer vorgegebenen Grenzgröße für die maximale Spannung des Brennstoffzellenstapels, was wiederum dazu führt, dass bei einer entsprechenden Klassifikation in einer vorgegebenen Hochvoltklasse der für diese HV-Klasse vorgegebene Spannungsgrenzwert auch bei einer größeren Anzahl an Einzelzellen zuverlässig eingehalten werden kann. Innerhalb der HV-Klasse lässt sich so die Zahl der Einzelzellen und damit letztlich die Leistung der Brennstoffzelle steigern. Sollte die Rückführung der Abluft nicht ausreichen, um den Sauerstoffgehalt ausreichend stark abzusenken, damit eine entsprechend niedrige Spannung der Einzelzellen garantiert werden kann, könnte bei dem erfindungsgemäßen Aufbau des Brennstoffzellensystems in dieser Situation auch ein Teil der Luft durch den Kathodenbypass und die Gasstrahlpumpe geführt werden. Bei geöffneter Verbindung zur Kathode würde Sauerstoff dann aktiv aus dem Kathodenraum abgesaugt, was die Begrenzung der Einzelzellspannungen nochmals unterstützt, um so noch zuverlässiger das Einhalten der Grenzwerte für die Einzelspannungen und des Grenzwerts für den gesamten Brennstoffzellenstapel zu gewährleisten. An extremely favorable embodiment of the fuel cell system according to the invention can also provide that an exhaust gas recirculation line connects the exhaust air line after the opening of the cathode bypass and, if an exhaust air turbine is provided, also after this with a register line between the two compression stages. This structure allows exhaust gas recirculation in order to return exhaust air and in particular the moisture contained in the exhaust air to the cathode compartment. The second compressor stage, in particular the free-running turbocharger, can thus be used for the recirculation of exhaust air, which is now wholly or preferably partially recirculated and circulated through the second compressor stage, in particular the free rotor. As a result, the moisture which is carried along in the cathode exhaust air as a product of the reaction in the fuel cell and which has not already been separated out in the form of liquid water, if a water separator is provided, can be returned. In this way, on the one hand, the supply air to the cathode compartment can be humidified and, on the other hand, the oxygen content in the supply air to the cathode compartment can be reduced, in particular adjusted. Through this For example, when the electrical load on the fuel cell is low, the oxygen content in the cathode can be reduced. In this way, excessively high cell voltages and thus damage to the individual cells of the fuel cell can be prevented. This procedure is also known as oxygen depletion or air starvation. It allows the voltage of an individual cell to be kept below 0.9 V, for example, and thus on the one hand to protect the cells and on the other hand to ultimately limit the total voltage of a fuel cell stack. In the case of large fuel cell stacks in particular, such as those used in commercial vehicles, this enables the maximum voltage of the fuel cell stack to be reliably below a given limit value, which in turn means that, with a corresponding classification in a given high-voltage class, the given high-voltage class for this high-voltage class Voltage limit value can be reliably adhered to even with a larger number of individual cells. In this way, the number of individual cells and thus ultimately the performance of the fuel cell can be increased within the HV class. If the return of the exhaust air is not sufficient to lower the oxygen content sufficiently so that a correspondingly low voltage of the individual cells can be guaranteed, part of the air could also be led through the cathode bypass and the gas jet pump in this situation with the structure of the fuel cell system according to the invention. When the connection to the cathode is open, oxygen would then be actively sucked out of the cathode compartment, which further supports the limitation of the individual cell voltages in order to ensure compliance with the limit values for the individual voltages and the limit value for the entire fuel cell stack even more reliably.
Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem kann gemäß einer außerordentlich vorteilhaften Ausgestaltung über ein Flüssigwassersystem verfügen. Der wenigstes eine Wasserabscheider ist dafür mit einem Wassertank verbunden oder bildet diesen direkt aus. Der Wassertank selbst ist dann über eine Wasserpumpe mit einem Druckwasserverteiler verbunden, beispielsweise einer Common Rail. Von diesem Druckwasserverteiler zweigen dann Zweigleitungen zu Verbrauchstellen für das Flüssigwasser ab. Das Flüssigwasser kann dabei vorteilhafterweise beheizt werden, beispielsweise über Abwärme aus dem Brennstoffzellensystem oder auch über eine elektrische Beheizung. Derartige Komponenten werden auch im Bereich der Verbrennungsmotoren eingesetzt, sodass diese am Markt einfach und kosteneffizient verfügbar sind. According to an extremely advantageous embodiment, the fuel cell system according to the invention can have a liquid water system. At least one water separator is connected to a water tank or forms it directly. The water tank itself is then connected to a pressure water distributor, for example a common rail, via a water pump. Branch lines to consumption points for the liquid water then branch off from this pressurized water distributor. The liquid water can advantageously be heated, for example by means of waste heat from the fuel cell system or also by means of electrical heating. Such components are also used in the Combustion engines are used so that they are easily and cost-effectively available on the market.
Gemäß einerweiteren sehr günstigen Ausgestaltung dieser Idee kann es vorgesehen sein, dass die Verbrauchsstellen hydrodynamische Lager des freilaufenden Turboladers und/oder wenigstens einen Befeuchter in der Zuluft umfassen. Dieser Befeuchter kann dabei insbesondere in Form einer Ein- oder Zweistoffdüse ausgebildet sein. Das Flüssigwassersystem erlaubt es also den Freiläufer, sofern dieser vorhanden ist, hydrodynamisch zu lagern. According to a further very favorable embodiment of this idea, it can be provided that the consumption points include hydrodynamic bearings of the free-running turbocharger and / or at least one humidifier in the supply air. This humidifier can in particular be designed in the form of a one-fluid or two-fluid nozzle. The liquid water system therefore allows the freewheeler, if it is available, to be stored hydrodynamically.
Dies führt zu einer außerordentlich einfachen und effizienten Lagerung dieses Bauteils, welche einen Betrieb des Freiläufers mit sehr wenig Reibung gewährleistet. Dabei ist es, anders als bei einem elektrisch angetriebenen Turbolader, völlig unkritisch, wenn Feuchtigkeit oder Wasser aus dem Bereich der hydrodynamischen Lager austritt, da dieses allenfalls in die Abluft oder in die Zuluft zu der Brennstoffzelle gelangt. In beiden Luftströmen spielt zusätzliches Wasser oder zusätzliche Feuchtigkeit keine Rolle bzw. stellt keinen Nachteil dar. Bei der Zuluft wäre diese Feuchtigkeit sogar eher ein Vorteil. This leads to an extremely simple and efficient mounting of this component, which ensures that the freewheel runs with very little friction. In contrast to an electrically driven turbocharger, it is completely uncritical if moisture or water escapes from the area of the hydrodynamic bearings, since this only gets into the exhaust air or into the supply air to the fuel cell. In both air currents, additional water or additional moisture does not play a role or does not represent a disadvantage. In the case of the supply air, this moisture would actually be an advantage.
Die Befeuchter können jetzt besonders einfach in Form einer Ein- oder Zweistoffdüse ausgebildet sein. Diese Befeuchter können dabei in der Zuluft vor und/oder nach der zweiten Verdichterstufe angeordnet sein. Hierdurch wird auch die Verdichtung durch das eingespritzte Wasser, beispielsweise fein zerstäubtes Wasser aus einer Zweistoffdüse, entsprechend feucht und durch die die eigentliche Wasserdüse umströmende Luft in der Zweistoffdüse zerstäubt. Dieses zerstäubte Wasser hilft dabei die beim Verdichten heiß werdende Luft abzukühlen und wird dabei in der Luft verdampft, sodass diese ideal befeuchtet ist. Insbesondere bei einem elektrischen Antrieb der entsprechenden Befeuchter kann eine Befeuchtung unabhängig vom Betrieb der Brennstoffzelle erfolgen, was ein weiterer ganz entscheidender Vorteil gegenüber einem viel aufwändigeren, größeren und teureren Gas/Gas-Befeuchter ist, welcher durch diesen Aufbau eingespart werden kann. The humidifiers can now be designed in a particularly simple manner in the form of a one-fluid or two-fluid nozzle. These humidifiers can be arranged in the supply air before and / or after the second compressor stage. As a result, the compression by the injected water, for example finely atomized water from a two-substance nozzle, is correspondingly moist and is atomized in the two-substance nozzle by the air flowing around the actual water nozzle. This atomized water helps to cool the air that becomes hot during compression and is evaporated in the air so that it is ideally humidified. In particular with an electric drive of the corresponding humidifier, humidification can take place independently of the operation of the fuel cell, which is another very decisive advantage compared to a much more complex, larger and more expensive gas / gas humidifier, which can be saved by this structure.
Das Brennstoffzellensystem in der einen oder anderen erfindungsgemäßen Ausgestaltung spielt nun seine besonderen Vorteile dann aus, wenn es darum geht, über den Betrieb der Gasstrahlpumpe im Kathodenbypass entsprechende Vorteile zu erzielen und insbesondere nachteilige Betriebszustände für die Lebensdauer der Brennstoffzelle zu vermeiden. Das erfindungsgemäße Verfahren sieht es deshalb vor, dass bei Bedarf der Kathodenraum und/oder der Anodenraum mit der Gasstrahlpumpe verbunden und damit Gase aus diesen Bereichen abgesaugt werden. The fuel cell system in one or the other embodiment according to the invention now shows its particular advantages when it comes to achieving corresponding advantages by operating the gas jet pump in the cathode bypass and in particular to avoid adverse operating conditions for the service life of the fuel cell. The method according to the invention therefore provides that, if necessary, the cathode compartment and / or the anode compartment are connected to the gas jet pump and gases are thus sucked out of these areas.
Wie bereits erwähnt kann dies beispielsweise dazu eingesetzt werden, die Air Starvation, welche primär über die Abgas- bzw. Abluftrückführung initiiert werden kann, bei Bedarf zu unterstützen, insbesondere in Systemzuständen, in denen keine ausreichende an Sauerstoff abgereicherte Abluft zum Rückführen zur Verfügung steht. As already mentioned, this can be used, for example, to support air starvation, which can be initiated primarily via the exhaust gas or exhaust air recirculation, if necessary, especially in system states in which there is no sufficient oxygen-depleted exhaust air available for recirculation.
Ein weiterer Aspekt kann beispielsweise zur Erhöhung der Sicherheit des Brennstoffzellensystems bei einem Fahrzeugeinsatz dienen. Kommt es zu einem Unfall des Fahrzeugs, besteht immer die Gefahr, dass bei weiterhin mit Wasserstoff befülltem Anodenraum und mit Sauerstoff befülltem Kathodenraum eine entsprechend hohe Spannung an der Brennstoffzelle anliegt, welche sowohl für die Insassen als auch für eventuelle Rettungskräfte problematisch sein kann. Typischerweise sind der Verdichter und der Turbolader, wenn dieser vorhanden ist, zum Zeitpunkt des Unfalls jedoch noch aktiv. Stellen die Crashsensoren des Fahrzeugs einen Unfall fest, dann kann die Wasserstoffversorgung unterbrochen und die Durchströmung des Kathodenraums über die Ventile blockiert werden. Beim Austrudeln des im Betrieb sehr schnell laufenden Verdichters und/oder Turboladers entsteht ein immer noch ein ausreichender Volumenstrom, sodass die Kathode und die Anode über die Gasstrahlpumpe im Kathodenbypass abgesaugt werden können, um so schnellstmöglich das Spannungspotenzial der Brennstoffzelle zu reduzieren und die Gefährdung von Insassen und Rettungskräften zu minimieren. Another aspect can be used, for example, to increase the safety of the fuel cell system when it is used in a vehicle. In the event of an accident in the vehicle, there is always the risk that if the anode compartment is still filled with hydrogen and the cathode compartment is still filled with oxygen, a correspondingly high voltage will be applied to the fuel cell, which can be problematic for both the occupants and any rescue workers. Typically, however, the compressor and turbocharger, if present, are still active at the time of the accident. If the vehicle's crash sensors detect an accident, the hydrogen supply can be interrupted and the flow through the cathode compartment blocked via the valves. When the compressor and / or turbocharger, which runs very quickly during operation, coasts to a stop, there is still a sufficient volume flow so that the cathode and the anode can be sucked off via the gas jet pump in the cathode bypass in order to reduce the voltage potential of the fuel cell as quickly as possible and the risk to occupants and to minimize rescue workers.
Eine weitere sehr günstige Möglichkeit, das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem einzusetzen, besteht bei der Vorbereitung eines späteren Gefrierstarts. Dadurch, dass über die Gasstrahlpumpe im Kathodenbypass die Anode und die Kathode abgesaugt werden können, kann der Druck in dem Brennstoffzellenstapel, und zwar vorzugsweise gleichmäßig, sowohl im Anodenraum als auch im Kathodenraum abgesenkt werden. Dabei ist eine Druckabsenkung auf beispielsweise bis zu 100 mbar möglich. In der Praxis führt dies dazu, dass Wasser, welches in der Brennstoffzelle in flüssiger Form vorliegt und dort aufgrund der Gefahr eines späteren Einfrierens, wenn die Temperaturen unter den Gefrierpunkt fallen, nicht erwünscht ist, bereits bei sehr niedrigen Temperaturen von 20 bis 40°, insbesondere 25 bis 30° C verdampft wird. Dies ermöglicht ein Trocknen des Brennstoffzellenstapels, wobei aufgrund der relativ niedrigen Temperatur das Trocknen für die Membranen desselben relativ schonend erreicht werden kann. Ein Trocknen bei entsprechend höheren Temperaturen, insbesondere bei den Betriebstemperaturen des Brennstoffzellenstapels von ca. 80° C, würde die Membranen sehr stark austrocknen und dadurch extrem belasten. Another very favorable possibility of using the fuel cell system according to the invention is when preparing for a later start of freezing. Because the anode and the cathode can be sucked off via the gas jet pump in the cathode bypass, the pressure in the fuel cell stack can be lowered, preferably evenly, both in the anode compartment and in the cathode compartment. A pressure reduction to, for example, up to 100 mbar is possible. In practice, this means that water, which is in liquid form in the fuel cell and there, due to the risk of later freezing if the Temperatures dropping below freezing point, is not desirable, is already vaporized at very low temperatures of 20 to 40 °, in particular 25 to 30 ° C. This enables the fuel cell stack to be dried, with the membrane being able to be dried relatively gently because of the relatively low temperature. Drying at correspondingly higher temperatures, in particular at the operating temperatures of the fuel cell stack of approx. 80 ° C., would dry out the membranes very severely and thereby put them under extreme stress.
Beim bevorzugten erfindungsgemäßen Aufbau mit dem Flüssigwassersystem und den Befeuchtern ist bei Bedarf auch eine Befeuchtung der Membranen im Stillstand möglich. Kathodenseitig wird dabei über den Befeuchter, welcher beispielsweise in Form eines elektrisch angetriebenen Injektors mit Einstoffdüse ausgebildet sein kann, im Brennstoffzellensystem vorrätiges Flüssigwasser eindosiert und durch ein Einströmen von Zuluft in den Kathodenraum zu den Membranen gebracht, welche hierdurch bei Bedarf (nach-)befeuchtet werden können. In the case of the preferred structure according to the invention with the liquid water system and the humidifiers, the membranes can also be humidified at a standstill if required. On the cathode side, liquid water available in the fuel cell system is metered into the fuel cell system via the humidifier, which can be designed, for example, in the form of an electrically driven injector with a single-fluid nozzle, and is brought to the membranes by inflowing air into the cathode compartment, which is (re) humidified as a result can.
Ein weiterer verfahrenstechnischer Vorteil besteht darin, dass die eingangs angesprochenen schädlicher Air/Air-Starts der Brennstoffzelle verhindert werden können. Eine mögliche Lösung mit dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem sieht es vor, dass ein Vakuum zumindest für den Kathodenraum sowie gegebenenfalls auch ganz oder teilweise auf der Anode gezogen wird, sodass die Druckdifferenz typischerweise kleiner als 500 mbar bleibt. Dadurch wird Sauerstoff im Bereich der Kathode abgesaugt. Dieser Vorgang kann ähnlich einem bisher üblichen und jetzt nicht mehr erforderlichen Nachdosieren von Wasserstoff beispielsweise entsprechend eines vorgegebenen Zeitrasters von Zeit zu Zeit wiederholt werden, beispielsweise alle 10 Stunden, oder zumindest dann nochmals, wenn erkannt worden ist, dass der Start des Brennstoffzellensystems nun unmittelbar bevorsteht. Sind die Temperaturen dabei oberhalb des Gefrierpunkts, dann würde dies auf Dauer die Membranen sehr stark austrocknen, da aufgrund des Unterdrucks das in ihnen enthaltene Wasser verdampft. Aus diesem Grund kann die oben bereits angesprochene Befeuchtung der Membranen, vorzugsweise bei Temperaturen oberhalb des Gefrierpunkts, von Zeit zu Zeit vorgenommen werden, was sich vorteilhaft auf die Gesamtlebensdauer des Brennstoffzellensystems bzw. seiner Brennstoffzelle auswirkt. Bei der Ausgestaltung des Brennstoffzellensystems mit der Abgasrückführleitung, welche zwischen die beiden Stufen des Verdichters mündet, ist auch eine Kreislaufführung um die Kathode möglich. Dies ermöglicht es, die Luft in diesem Kreislauf auf 0% Sauerstoff abzureichern. Dafür kann Wasserstoff in den Kreislauf um die Kathode eingebracht werden, bis der Sauerstoff vollständig verbraucht ist. Dieses Eindosieren von Wasserstoff kann beispielsweise über den Anodenraum erfolgen, in welchen eine gewisse Menge an Wasserstoff dosiert und dann über die Gasstrahlpumpe im Kathodenbypass aus diesem wieder abgesaugt wird. Der Wasserstoff wird dann mit dem Sauerstoff in der Luft vermischt und kann beispielsweise am Katalysator der Kathode abreagieren, bis der Sauerstoff vollständig verbraucht ist. Alternativ dazu wäre es auch denkbar, einen zusätzlichen Katalysator, insbesondere in Strömungsrichtung nach der Gasstrahlpumpe, vorzusehen. Wird im Anschluss daran ein Unterdrück in der Brennstoffzelle erzeugt, dann kann durch das Öffnen des Purgeventils diese an Sauerstoff abgereicherte Luft, welche im Wesentlichen also aus Stickstoff besteht, in den Bereich des Anodenraums einströmen. Der Kathodenraum kann in dieser Phase parallel zum Kathodenbypass durchströmt werden und ist dann ebenfalls mit Stickstoff befüllt. Dies ermöglicht einen außerordentlich schonenden Start, bei dem sowohl der Anodenraum als auch der Kathodenraum mit Stickstoff befüllt sind, und zwar ohne das Stickstoff aufwändig mitgeführt und/oder (zwischen-)gespeichert werden muss. Durch die spezielle Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem besteht vielmehr die Möglichkeit, diesen Stickstoff bei Bedarf in dem Brennstoffzellensystem zu erzeugen. Another procedural advantage is that the initially mentioned harmful air / air starts of the fuel cell can be prevented. One possible solution with the fuel cell system according to the invention provides that a vacuum is drawn at least for the cathode compartment and possibly also wholly or partially on the anode, so that the pressure difference typically remains less than 500 mbar. As a result, oxygen is sucked out in the area of the cathode. This process can be repeated from time to time, for example every 10 hours, or at least again when it has been recognized that the start of the fuel cell system is now imminent, similar to the previously customary and now no longer required replenishment of hydrogen . If the temperatures are above freezing point, this would in the long run dry out the membranes very much, since the water contained in them evaporates due to the negative pressure. For this reason, the above-mentioned moistening of the membranes, preferably at temperatures above freezing point, can be carried out from time to time, which has an advantageous effect on the overall service life of the fuel cell system or its fuel cell. In the embodiment of the fuel cell system with the exhaust gas recirculation line, which opens between the two stages of the compressor, circulation around the cathode is also possible. This enables the air in this circuit to be reduced to 0% oxygen. To do this, hydrogen can be introduced into the circuit around the cathode until the oxygen is completely consumed. This metering in of hydrogen can take place, for example, via the anode compartment, into which a certain amount of hydrogen is metered and then sucked out again via the gas jet pump in the cathode bypass. The hydrogen is then mixed with the oxygen in the air and can, for example, react on the catalyst of the cathode until the oxygen is completely consumed. As an alternative to this, it would also be conceivable to provide an additional catalyst, in particular after the gas jet pump in the direction of flow. If a negative pressure is then generated in the fuel cell, this oxygen-depleted air, which essentially consists of nitrogen, can flow into the area of the anode space by opening the purge valve. In this phase, flow can flow through the cathode compartment parallel to the cathode bypass and is then also filled with nitrogen. This enables an extremely gentle start, in which both the anode compartment and the cathode compartment are filled with nitrogen, without the nitrogen having to be carried along and / or (temporarily) stored. Rather, the special configuration of the fuel cell system according to the invention makes it possible to generate this nitrogen in the fuel cell system when required.
Ein weiterer Aspekt bei Brennstoffzellensystemen ist die im regulären Betrieb auftretende und mit der Betriebsdauer zunehmende Vergiftung des anodenseitigen Katalysators mit Kohlenmonoxid. Dies erfordert bisher einen gelegentlichen Air/Air-Start, um durch den eingebrachten Sauerstoff das Kohlenmonoxid zu Kohlendioxid zu oxidieren und aus dem System abzuführen. Die Lebensdauerverringerung der Brennstoffzelle muss dabei in Kauf genommen werden. Wie oben bereits mehrfach erwähnt, soll ein solcher Air/Air-Start jedoch aufgrund der Gefahr einer Verringerung der Lebensdauer der Brennstoffzelle möglichst vermieden werden. Das erfindungsgemäße aufgebaute Brennstoffzellensystem ermöglicht hier nun eine außerordentlich schonende Vorgehensweise. Die Brennstoffzelle selbst und damit auch ihr für die Vergiftung des Katalysators anfälliger Anodenraum wird, wie oben bereits beschrieben, über die Verwendung des Kathodenbypass mit der Gasstrahlpumpe evakuiert. Durch ein Öffnen des Purgeventils gelangt nun quasi rückwärts durch die Gasstrahlpumpe sauerstoffhaltige Luft in die Anode. Diese kann nun passiv dort bleiben oder vorzugsweise, wenn ein Rezirkulationsgebläse vorhanden ist, durch dieses umgewälzt werden. Dadurch kann, auch ohne dass ein Air/Air-Start notwendig ist, der Katalysator aufgefrischt und von CO-Verunreinigungen befreit werden. Vor dem nächsten Start werden Sauerstoff und Kohlendioxid dann wieder aus dem Anodenraum bzw. dem Anodenkreislauf abgesaugt. Another aspect of fuel cell systems is the poisoning of the anode-side catalytic converter with carbon monoxide that occurs during regular operation and increases with the operating time. So far, this has required an occasional air / air start in order to oxidize the carbon monoxide to carbon dioxide with the oxygen introduced and to remove it from the system. The reduction in the service life of the fuel cell must be accepted. As already mentioned several times above, however, such an air / air start should be avoided as far as possible due to the risk of a reduction in the service life of the fuel cell. The fuel cell system constructed according to the invention now enables an extremely gentle procedure here. The fuel cell itself and thus also its anode compartment, which is susceptible to poisoning the catalyst, is, as already described above, via the Using the cathode bypass with the gas jet pump evacuated. By opening the purge valve, oxygen-containing air flows backwards through the gas jet pump into the anode. This can now remain there passively or, preferably, if a recirculation fan is available, can be circulated by this. As a result, the catalytic converter can be refreshed and freed from CO impurities, even without an air / air start being necessary. Before the next start, oxygen and carbon dioxide are then sucked out of the anode compartment or the anode circuit.
Durch eine einfache Modifikation im Aufbau des Brennstoffzellensystems ergeben sich so zahlreiche Vorteile hinsichtlich der Verfahrensführung, sodass ein außerordentlich effizientes und langlebiges Brennstoffzellensystem zur Verfügung gestellt werden kann, welches einen sehr schonenden Betrieb der Brennstoffzelle ermöglicht. A simple modification in the structure of the fuel cell system results in numerous advantages in terms of process management, so that an extremely efficient and long-lasting fuel cell system can be made available which enables the fuel cell to be operated very gently.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystems sowie seiner Betriebsverfahren ergeben sich auch aus dem Ausführungsbeispiel, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figur näher dargestellt ist. Further advantageous refinements of the fuel cell system according to the invention and its operating method also result from the exemplary embodiment, which is shown in more detail below with reference to the figure.
Die einzige beigefügte Figur zeigt dabei eine mögliche Ausführungsform eines Brennstoffzellensystems gemäß der Erfindung. The only attached figure shows a possible embodiment of a fuel cell system according to the invention.
In der Darstellung der Figur 1 ist ein Luftverdichter 1 für ein Brennstoffzellensystem 2 gezeigt. Der Luftverdichter 1 besteht im Wesentlichen aus einem elektrischen Antriebsmotor 4, welcher auf einer gemeinsamen Welle 5 mit zwei Verdichterrädern 6, 7 angeordnet ist. Die Verdichterräder 6, 7 werden durch den zentral zwischen ihnen auf der Welle 5 angeordneten elektrischen Antriebsmotor 4 angetrieben und sind im Wesentlichen symmetrisch ausgestaltet. Hierdurch werden Kräfte, welche in Axialrichtung auf die gemeinsame Welle 5 wirken, minimiert. Dies hilft einerseits zur Reduzierung von Reibleistungsverlusten und erlaubt andererseits eine einfache und effiziente Ausgestaltung von Axiallagern. Über zwei getrennte oder optional einen gemeinsamen Ansaugweg 8 wird von den Verdichterrädern 6, 7 Luft angesaugt. Auf die Darstellung der typischerweise vorhandenen Luftfilter wurde hier verzichtet. Vom Verdichterrad 6 gelangt die verdichtete Luft über eine Registerleitung 9 zu einer Verdichterseite 10 eines freilaufenden Turboladers 11, weicher auch als Freiläufer 11 bezeichnet wird. In diesem Freiläufer 11 verbindet eine gemeinsamen Welle 12 die Verdichterseite 10 mit einer Turbinenseite 13, welche mit der Druckseite des Verdichterrads 7 des Luftverdichters 1 in Verbindung steht und dementsprechend über den Luftstrom von diesem Verdichterrad 7 angetrieben wird. Nach der Turbinenseite 13 bzw. ihrer Turbine strömt die expandierte Luft, welche zuvor über eine Turbinenleitung 14 von dem Verdichterrad 7 zur Turbinenseite 13 des Freiläufers 11 gelangt war, wieder ab. In der Darstellung der Figur führt die turbinenseitige Ableitung über den Druckgasspeicher 26 für Wasserstoff in die Umgebung. In der Praxis ist es typischerweise so, dass dieser bei der Entnahme von Wasserstoff sehr stark auskühlt, sodass er mit der Abwärme in der Abluft der T urbinenseite 13 ideal warmgehalten werden kann. Die Luft kann außerdem eventuelle Leckagen ausspülen, indem sie beispielsweise durch ein um den Druckgasspeicher 26 angeordnetes Gehäuse strömt oder dergleichen. Auch eine anderweitige Verwendung der in der aus Turbinenseite stammenden Abluft wäre denkbar, beispielsweise die Erwärmung anderer in dem Brennstoffzellensystem 2 befindlicher wärmebenötigender Komponenten, beispielsweise eine Erwärmung des Wassertanks 42, welcher später noch näher beschrieben wird. In the illustration in FIG. 1, an air compressor 1 for a fuel cell system 2 is shown. The air compressor 1 essentially consists of an electric drive motor 4, which is arranged on a common shaft 5 with two compressor wheels 6, 7. The compressor wheels 6, 7 are driven by the electric drive motor 4 arranged centrally between them on the shaft 5 and are designed essentially symmetrically. In this way, forces which act on the common shaft 5 in the axial direction are minimized. On the one hand, this helps to reduce friction losses and, on the other hand, allows a simple and efficient design of axial bearings. Air is sucked in by the compressor wheels 6, 7 via two separate or, optionally, a common suction path 8. The air filters that are typically present are not shown here. From the compressor wheel 6, the compressed air passes via a register line 9 to a compressor side 10 of a free-running turbocharger 11, which is also referred to as a free-wheel 11. In this freewheel 11, a common shaft 12 connects the compressor side 10 with a turbine side 13, which is connected to the pressure side of the compressor wheel 7 of the air compressor 1 and is accordingly driven by the air flow from this compressor wheel 7. After the turbine side 13 or its turbine, the expanded air, which had previously passed from the compressor wheel 7 to the turbine side 13 of the freewheel 11 via a turbine line 14, flows away again. In the illustration of the figure, the turbine-side discharge leads via the compressed gas reservoir 26 for hydrogen into the environment. In practice it is typically the case that this cools down very strongly when hydrogen is withdrawn, so that it can be kept ideally warm with the waste heat in the exhaust air of the turbine side 13. The air can also flush out any leaks by flowing, for example, through a housing arranged around the compressed gas reservoir 26 or the like. Another use of the exhaust air coming from the turbine side would also be conceivable, for example the heating of other heat-requiring components located in the fuel cell system 2, for example heating the water tank 42, which will be described in more detail later.
Von der Verdichterseite 10 des Freiläufers 11 aus gelangt die nun noch stärker verdichtete Zuluft zu dem Brennstoffzellensystem 2. Dieser Aufbau ermöglicht es so, dass ein Freiläufer 11 eingesetzt wird, um, ausgehend von Druck den das Verdichterrad 6 als erste Verdichterstufe erzeugt, den für das Brennstoffzellensystem 2 benötigten Druck auf der Verdichterseite 10 des Freiläufers 11 zu erzeugen. Es handelt sich also um eine Art Registeraufladung. Der Freiläufer 11 und der Luftverdichter 1 bilden zusammen also eine zweistufige Luftfördereinrichtung 3. From the compressor side 10 of the freewheel 11, the now even more strongly compressed supply air reaches the fuel cell system 2. This structure enables a freewheel 11 to be used, based on the pressure generated by the compressor wheel 6 as the first compressor stage, for the Fuel cell system 2 required to generate pressure on the compressor side 10 of the freewheel 11. So it is a kind of register charging. The freewheel 11 and the air compressor 1 together thus form a two-stage air delivery device 3.
Zusätzlich ist eine Bypassleitung 15 mit einem Ventil 16 vorgesehen, welche es ermöglicht, einen Teil der Luft, welche über das Verdichterrad 7 des Luftverdichters 1 verdichtet worden ist, von der Turbinenleitung 14 in die Registerleitung 9 zu leiten. Hierdurch lässt sich beispielsweise bei ganz oder teilweise geöffnetem Ventil 16 ein höherer Volumenstrom an Luft zu dem Brennstoffzellensystem 2 realisieren. Gleichzeitig wird der Luftstrom durch die Turbinenseite 13 des Freiläufers 11 entsprechend reduziert, sodass zwar ein höherer Volumenstrom, aber ein niedrigerer Druck im Brennstoffzellensystem 2 vorliegt. Mit zunehmendem Schließen des Ventils 16 in der Bypassleitung 15 steigt die Leistung auf der Turbinenseite 13 und damit auch die Verdichterleistung auf der Verdichterseite 10 des Freiläufers 11 entsprechend an, während gleichzeitig der Volumenstrom kleiner wird. Hierdurch lässt sich ein höherer Druck bei geringerem Volumenstrom realisieren. Außerdem kann die Strömungsrichtung auch so sein, dass über die Bypassleitung mehr Luft zu der T urbinenseite 13 des Freiläufers 11 strömt. Im Extremfall kann die gesamte Luft des Luftverdichters 1 zum Antrieb des Freiläufers 11 genutzt werden. Über das Ventil 16 in der Bypassleitung 15 ist die Luftversorgung also steuerbar. Auch wenn die Bypassleitung 15 mit dem Ventil 16 besondere Vorteile bietet, ist sie hier rein optional zu verstehen und kann im Prinzip auch weggelassen werden. In addition, a bypass line 15 with a valve 16 is provided, which enables part of the air that has been compressed via the compressor wheel 7 of the air compressor 1 to be conducted from the turbine line 14 into the register line 9. In this way, for example, when the valve 16 is completely or partially open, a higher volume flow of air to the fuel cell system 2 can be achieved. At the same time, the air flow through the turbine side 13 of the freewheel 11 is correspondingly reduced, so that although a higher volume flow, but a lower pressure in the Fuel cell system 2 is present. With increasing closure of the valve 16 in the bypass line 15, the power on the turbine side 13 and thus also the compressor power on the compressor side 10 of the freewheel 11 increases accordingly, while at the same time the volume flow becomes smaller. This makes it possible to achieve a higher pressure with a lower volume flow. In addition, the direction of flow can also be such that more air flows to the turbine side 13 of the freewheel 11 via the bypass line. In the extreme case, all of the air in the air compressor 1 can be used to drive the freewheel 11. The air supply can therefore be controlled via the valve 16 in the bypass line 15. Even if the bypass line 15 with the valve 16 offers particular advantages, it is to be understood here as being purely optional and can in principle also be omitted.
Das Brennstoffzellensystem 2 umfasst eine Brennstoffzelle 19, welche typischerweise ein Stapel von Einzelzellen ist. In diesem Brennstoffzellenstapel bzw. -stack 19 ist beispielhaft ein Anodenraum 20 und ein Kathodenraum 21 angedeutet. Über den Luftverdichter 1 und den Freiläufer 11 wird nun der Kathodenraum 21 über eine Zuluftleitung 22 mit Luft versorgt. Abluft gelangt über eine Abluftleitung 23 zu einer mit 24 bezeichneten Ventileinrichtung, wobei diese Ventileinrichtung 24 auch als Abgasrückführventil 24 bezeichnet werden könnte. Wahlweise kann über diese Ventileinrichtung 24 die Abluft aus der Abluftleitung 23 ganz oder teilweise über eine Abluftrückführleitung 25 in die Registerleitung 9 zurückgeleitet werden, oder über den mit 23‘ bezeichneten Abschnitt der Abluftleitung 23 in die Umgebung. Anders als in vielen herkömmlichen Systemen durchströmt die Abluft dabei im Abschnitt 23‘ keine Abluftturbine mehr. The fuel cell system 2 comprises a fuel cell 19, which is typically a stack of individual cells. In this fuel cell stack 19, an anode space 20 and a cathode space 21 are indicated by way of example. The cathode chamber 21 is now supplied with air via a supply air line 22 via the air compressor 1 and the free rotor 11. Exhaust air arrives via an exhaust air line 23 to a valve device labeled 24, wherein this valve device 24 could also be referred to as an exhaust gas recirculation valve 24. Optionally, the exhaust air from the exhaust air line 23 can be wholly or partially returned via an exhaust air return line 25 to the register line 9 via this valve device 24, or via the section of the exhaust air line 23 labeled 23 ‘into the environment. In contrast to many conventional systems, the exhaust air no longer flows through an exhaust air turbine in section 23 ‘.
Der Anodenraum 20 wird mit Wasserstoff aus einem Druckgasspeicher 26 versorgt. Als Alternative zu einem solchen Druckgasspeicher 26 wären auch andere Speichermöglichkeiten für den Wasserstoff denkbar, z.B. Cryospeicher oder Hydridspeicher. Über eine Druckregel- und Dosiereinrichtung 27 gelangt dieser Wasserstoff in den Anodenraum 20. Über einen Anodenkreislauf 28 mit einer mit 29 bezeichneten Rezirkulationsleitung, in welcher ein Wasserabscheider 30 angeordnet sein kann, gelangt Abgas vom Ausgang des Anodenraum 20 dann zu dessen Eingang zurück und strömt, in den meisten Betriebszuständen vermischt mit frischem Wasserstoff in den Anodenraum 20 zurück. In der Rezirkulationsleitung 29 kann in an sich bekannter Art und Weise alternativ oder ergänzend zu einer - nicht dargestellten - Gasstrahlpumpe ein Rezirkulationsgebläse 31 angeordnet sein. In den Wasserabscheider 30 oder auch alternativ in einem anderen Bereich der Rezirkulationsleitung 29 ist dabei eine Abblasleitung 17 mit einem ein sogenanntes Abblasventil oder Purgeventil 18 bzw. Purge-/Darinventil angeordnet, über welches beispielsweise in Abhängigkeit der Zeit, in Abhängigkeit der Wasserstoffkonzentration in der Rezirkulationsleitung 29 oder auch in Abhängigkeit anderer Parameter Gas aus der Rezirkulationsleitung 29, gegebenenfalls zusammen mit Wasser aus dem Wasserabscheider 30, abgelassen wird. The anode space 20 is supplied with hydrogen from a compressed gas store 26. As an alternative to such a compressed gas storage device 26, other storage possibilities for the hydrogen would also be conceivable, for example cryogenic storage or hydride storage. Via a pressure regulating and metering device 27, this hydrogen reaches the anode compartment 20. Via an anode circuit 28 with a recirculation line labeled 29, in which a water separator 30 can be arranged, exhaust gas then returns from the outlet of the anode compartment 20 to its inlet and flows, in most operating states mixed with fresh hydrogen back into the anode compartment 20. In the recirculation line 29 can be known per se As an alternative or in addition to a gas jet pump (not shown), a recirculation fan 31 can be arranged. In the water separator 30 or alternatively in another area of the recirculation line 29, a blow-off line 17 with a so-called blow-off valve or purge valve 18 or purge valve is arranged, via which, for example, depending on the time, depending on the hydrogen concentration in the recirculation line 29 or, depending on other parameters, gas is drained from the recirculation line 29, optionally together with water from the water separator 30.
In diesem Aufbau des Brennstoffzellensystems 2 ist es nun möglich, über die Abgasrückführleitung 25 bei entsprechender Stellung der Ventileinrichtung 24 Abluft ganz oder teilweise zurückzuführen, sodass die Befeuchtung der Zuluft in der Zuluftleitung 22 zu der Kathodenseite 21 der Brennstoffzelle 19 unterstützt wird. Dies kann alternativ oder insbesondere ergänzend zu der Verwendung eines Flüssigwassersystems 34, wie es in der Darstellung der Figur gestrichelt angedeutet und später noch näher erläutert ist, dazu beitragen, dass auf einen herkömmlichen Gas/Gas- Befeuchter verzichtet werden kann. Zwar besteht hier nun das Risiko, dass Feuchtigkeit in den Bereich des Freiläufers 11 gelangt. Im Falle eines Stillstands des Systems bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts kann dies zu einem Festfrieren des Freiläufers 11 führen. Anders als ein Festfrieren der Verdichterräder 6, 7 im Luftverdichter 1 ist dies aber relativ unkritisch, da für den Start des Brennstoffzellensystems 2 die Luft, welche über das Verdichterrad 6 sowie gegebenenfalls bei geöffnetem Bypassventil 16 über das Verdichterrad 7 gefördert und durch die Verdichterseite 10 des Freiläufers 11 in die Zuluftleitung 22 geblasen wird, bei weitem ausreicht. Damit genügt es, wenn der Freiläufer 11 dann wieder seinen Betrieb aufnimmt, wenn er ausreichend aufgetaut ist. Der Aufbau mit der Kombination aus Luftverdichter 1 und Freiläufer 11 ermöglicht so neben einem optimalen Betrieb mit einer hohen Steuerbarkeit von Druck und Volumenstrom der zugeführten Luft außerdem - insbesondere in Kombination mit dem Flüssigkeitssystem 34 - einen Verzicht auf einen herkömmlichen Gas/Gas-Befeuchter, da die Abgasrückführung möglich wird, ohne das Risiko eines Einfrierens der gesamten Luftfördereinrichtung 1 im Falle von Temperaturen unterhalb des Gefrierpunkts. Anders als bei herkömmlichen elektrischen Turboladern, bei denen die Druckenergie aus dem Brennstoffzellensystem 2 entspannt wird und zusätzlich zur Unterstützung des Antriebs des Luftverdichters 1 dient, kann dieser Druck hier nicht für die Luftfördereinrichtung 3 genutzt werden. Anstelle eines elektrischen Antriebs des Rezirkulationsgebläses 31, wie es typischerweise vorgesehen ist, ist es hier nun so, dass die Abluft aus dem Kathodenraum 21 der Brennstoffzelle 19 über eine in der Abluftleitung 23 angeordnete Abluftturbine 32 strömt, welche mit dem Rezirkulationsgebläse 31 leistungsübertragend gekoppelt ist, was hier in Form einer gemeinsamen Welle 33 angedeutet ist. Hierdurch ist es möglich, über die in der Abluft des Kathodenraums 21 der Brennstoffzelle 19 enthaltene Energie das Rezirkulationsgebläse 31 anzutreiben, um so diese Energie wieder zurückzugewinnen und damit das Gesamtsystem energieeffizienter zu machen. Besonders günstig ist es dabei wenn die Kopplung zwischen der Abluftturbine 32 und dem Rezirkulationsgebläse 31 magnetisch erfolgt. Dadurch können die beiden Volumen, welche ja einerseits Wasserstoff bzw. wasserstoffhaltiges Gas und andererseits Luft führen leicht hermetisch gegeneinander abgedichtet werden. In der Figur ist dies durch die beiden Striche im Bereich der Welle 33 angedeutet. In this structure of the fuel cell system 2, it is now possible to recirculate exhaust air in whole or in part via the exhaust gas recirculation line 25 with the appropriate position of the valve device 24, so that the humidification of the supply air in the supply air line 22 to the cathode side 21 of the fuel cell 19 is supported. As an alternative or in addition to the use of a liquid water system 34, as indicated by dashed lines in the illustration of the figure and explained in greater detail later, this can contribute to the fact that a conventional gas / gas humidifier can be dispensed with. It is true that there is now the risk that moisture will get into the area of the freewheel 11. If the system comes to a standstill at temperatures below freezing point, this can lead to the freewheel 11 freezing. Unlike a freezing of the compressor wheels 6, 7 in the air compressor 1, this is relatively uncritical, since for the start of the fuel cell system 2 the air that is conveyed via the compressor wheel 6 and possibly via the compressor wheel 7 with the bypass valve 16 open and through the compressor side 10 of the Freewheel 11 is blown into the air supply line 22, is by far sufficient. It is thus sufficient if the freewheel 11 then resumes its operation when it is sufficiently thawed. The structure with the combination of air compressor 1 and freewheel 11 thus enables optimal operation with a high degree of controllability of pressure and volume flow of the supplied air - especially in combination with the liquid system 34 - a dispensing with a conventional gas / gas humidifier, since the exhaust gas recirculation becomes possible without the risk of the entire air delivery device 1 freezing in the case of temperatures below freezing point. In contrast to conventional electric turbochargers, in which the pressure energy from the fuel cell system 2 is relaxed and also serves to support the drive of the air compressor 1, this pressure cannot be used here for the air delivery device 3. Instead of an electrical drive for the recirculation fan 31, as is typically provided, it is now the case here that the exhaust air flows from the cathode chamber 21 of the fuel cell 19 via an exhaust air turbine 32 which is arranged in the exhaust air line 23 and which is coupled to the recirculation fan 31 in a power-transmitting manner, which is indicated here in the form of a common shaft 33. This makes it possible to use the energy contained in the exhaust air of the cathode chamber 21 of the fuel cell 19 to drive the recirculation fan 31 in order to recover this energy and thus make the overall system more energy-efficient. It is particularly favorable here if the coupling between the exhaust air turbine 32 and the recirculation fan 31 takes place magnetically. As a result, the two volumes, which on the one hand carry hydrogen or hydrogen-containing gas and on the other hand air, can easily be hermetically sealed against one another. This is indicated in the figure by the two lines in the area of the shaft 33.
Entscheidend für den hier beschriebenen Aufbau des Brennstoffzellensystems 2 ist es nun, dass sowohl in der Zuluftleitung 22 als auch in der Abluftleitung 23, und zwar hier jeweils relativ dicht an dem Kathodenraum 21, eine Ventileinrichtung 35 in Strömungsrichtung vor dem Kathodenraum 21 und eine Ventileinrichtung 36 in Strömungsrichtung nach dem Kathodenraum 21 angeordnet ist. Diese Ventileinrichtungen 35, 36 können vorzugsweise, und so ist es hier dargestellt, als 3/2- Wege-Ventile ausgebildet sein. Im Wesentlichen könnten sie jedoch auch durch eigenständige Ventileinrichtungen realisiert werden, welche sowohl in der Zuluftleitung 22 als auch in der Abluftleitung 23 angeordnet sind, und welche außerdem in einem Kathodenbypass 37 angeordnet wären. Im Wesentlichen geht es darum, dass über die Ventileinrichtungen 35, 36 der Kathodenbypass 37 schaltbar wird, und zwar bei abgeschlossenem Kathodenraum 21 bzw. abgeschlossenem den Kathodenraum 21 umfassenden Volumen. Der Kathodenbypass 37 ist anders als ein reiner Systembypass mit einer Gasstrahlpumpe 38 versehen, welche beispielsweise in der Art eines Venturi- Rohrs ausgebildet sein kann. Jede andere Art von Gasstrahlpumpe bzw. Ejektor oder Jet-Pump ist jedoch ebenso denkbar, so lange durch Unterdruckeffekte und/oder Impulsaustausch von der um den Kathodenraum 21 strömenden Luft Gase angesaugt werden können. Saugseitig ist die Gasstrahlpumpe 38 dafür mit der Abblasleitung 17 verbunden, welche über das Purgeventil 18 schaltbar ist, um die Abblasleitung 17 mit der Gasstrahlpumpe 38 zu verbinden. Damit kann Flüssigkeit und insbesondere Gas aus dem Anodenkreislauf 28 und damit auch aus dem Anodenraum 20 abgesaugt werden.It is now decisive for the structure of the fuel cell system 2 described here that a valve device 35 in the flow direction upstream of the cathode compartment 21 and a valve device 36 in both the supply air line 22 and the exhaust air line 23, namely here in each case relatively close to the cathode chamber 21 is arranged after the cathode chamber 21 in the flow direction. These valve devices 35, 36 can preferably, and this is how it is shown here, be designed as 3/2-way valves. However, they could essentially also be implemented by independent valve devices which are arranged both in the supply air line 22 and in the exhaust air line 23, and which would also be arranged in a cathode bypass 37. Essentially, the point is that the cathode bypass 37 can be switched via the valve devices 35, 36, to be precise when the cathode compartment 21 is closed or the volume comprising the cathode compartment 21 is closed. Unlike a pure system bypass, the cathode bypass 37 is provided with a gas jet pump 38 which, for example, can be designed in the manner of a Venturi tube. However, any other type of gas jet pump or ejector or jet pump is also conceivable, as long as through negative pressure effects and / or Pulse exchange can be sucked in by the air flowing around the cathode chamber 21. On the suction side, the gas jet pump 38 is connected to the blow-off line 17, which can be switched via the purge valve 18 in order to connect the blow-off line 17 to the gas jet pump 38. In this way, liquid and in particular gas can be sucked out of the anode circuit 28 and thus also out of the anode space 20.
Da der Anodenkreislauf 28 ansonsten dicht ausgebildet ist und bei abgestellter Wasserstoffversorgung ein geschlossenes Volumen ausbildet, lässt sich hierdurch ein Unterdrück in dem Anodenkreislauf 28 erreichen, was aus den später noch erläuterten Gründen sehr günstig ist. Since the anode circuit 28 is otherwise tight and forms a closed volume when the hydrogen supply is switched off, a negative pressure can be achieved in the anode circuit 28, which is very favorable for the reasons explained below.
Die Gasstrahlpumpe 38 ist außerdem saugseitig über eine Kathodenstichleitung 39 und ein darin angeordnetes Kathodenabsaugventil 40 mit dem Kathodenraum 21 bzw. dem zwischen Ventileinrichtungen 35 und 36 liegenden den Kathodenraum 21 umfassenden Volumen verbunden. Die Kathodenstichleitung 39 kann dabei sowohl vor als auch nach dem Kathodenraum 21 , also mit Mündung in die Zuluftleitung 22 oder die Abluftleitung 23, angeordnet sein. Prinzipiell wäre auch ein direkter Anschluss an dem Brennstoffzellenstapel 19 denkbar, dieser ist technisch jedoch weitaus aufwändiger als ein Abzweigen aus der entsprechenden Leitung 22, 23. Auch hier lässt sich nun bei durchströmtem Kathodenbypass 37 durch die Gasstrahlpumpe 38 bei geöffnetem Kathodenabsaugventil 40 Gas aus dem Kathodenraum 21 absaugen, was bei geschlossenen Ventileinrichtungen 35 und 36 dazu führt, dass auch in der Kathode der Brennstoffzelle 19 ein Unterdrück erzeugt werden kann. Auch dies wird später hinsichtlich der besonders vorteilhaften Nutzung noch näher erläutert. The gas jet pump 38 is also connected on the suction side via a cathode stub 39 and a cathode suction valve 40 arranged therein to the cathode compartment 21 or to the volume comprising the cathode compartment 21 located between valve devices 35 and 36. The cathode branch line 39 can be arranged both before and after the cathode space 21, that is to say with an opening into the supply air line 22 or the exhaust air line 23. In principle, a direct connection to the fuel cell stack 19 would also be conceivable, but this is technically far more complex than branching off from the corresponding line 22, 23. Here, too, gas can now be extracted from the cathode compartment with the cathode bypass 37 flowed through by the gas jet pump 38 with the cathode suction valve 40 open 21, which, when the valve devices 35 and 36 are closed, means that a negative pressure can also be generated in the cathode of the fuel cell 19. This will also be explained in more detail later with regard to the particularly advantageous use.
Das bereits angesprochene Flüssigwassersystem 34 ist in der Figur gestrichelt dargestellt. Es kann vorzugsweise mit Wasser befüllt werden, welches aus dem Brennstoffzellensystem 2 zurückgewonnen wird. Das Brennstoffzellensystem 2 verfügt typischerweise über den Wasserabscheider 30 in der Rezirkulationsleitung 29 sowie einen weiteren Wasserabscheider 41 im Bereich der Abluftleitung 23, und hier möglichst vor der Abluftturbine 32. Im hier dargestellten Ausführungsbeispiel des Brennstoffzellensystems 2 gelangt dabei das Wasser des Wasserabscheiders 30 über die Gasstrahlpumpe 38 und den Kathodenbypass 37 ebenfalls in den Wasserabscheider 41. Alternativ dazu wäre auch eine parallele Leitung vom Wasserabscheider 30 beispielsweise in den Wasserabscheider 41 oder direkt in einen Wassertank 42 des Flüssigwasserssystems 34 denkbar, in welchem sich dann das gesamte Wasser aller Wasserabscheider 30, 41 des Brennstoffzellensystems 2 sammelt. Wie es durch den mit 43 bezeichneten Pfeil angedeutet ist, wird diesem Wassertank 42 nun Wärme zugeführt. Prinzipiell kann es sich dabei um eine elektrische Beheizung handeln, wie sie bei derartigen Wassertanks im Bereich von Fahrzeugen mit Verbrennungsmotoren allgemein bekannt und üblich ist. Alternativ oder ergänzend hierzu lässt sich auch Abwärme des Brennstoffzellensystems 2 nutzen, beispielsweise Abwärme der Brennstoffzelle 19 selbst, oder Abwärme in der Abluft, insbesondere in der aus der Turbinenseite 13 des Freiläufers 11 abströmenden Abluft, welche alternativ jedoch auch zur Erwärmung des Druckgasspeichers 26 herangezogen werden könnte. The already mentioned liquid water system 34 is shown in dashed lines in the figure. It can preferably be filled with water which is recovered from the fuel cell system 2. The fuel cell system 2 typically has the water separator 30 in the recirculation line 29 and another water separator 41 in the area of the exhaust air line 23, and here, if possible, upstream of the exhaust air turbine 32. In the exemplary embodiment of the fuel cell system 2 shown here, the water from the water separator 30 arrives via the gas jet pump 38 and the cathode bypass 37 also into the water separator 41. Alternatively, a parallel line from the water separator 30, for example into the water separator 41 or directly into a water tank 42 of the Liquid water system 34 conceivable, in which the entire water of all water separators 30, 41 of the fuel cell system 2 then collects. As indicated by the arrow labeled 43, this water tank 42 is now supplied with heat. In principle, this can involve electrical heating, as is generally known and customary for such water tanks in the area of vehicles with internal combustion engines. Alternatively or in addition to this, waste heat from the fuel cell system 2 can also be used, for example waste heat from the fuel cell 19 itself, or waste heat in the exhaust air, in particular in the exhaust air flowing out of the turbine side 13 of the freewheel 11, which, however, can alternatively be used to heat the compressed gas reservoir 26 could.
Das in dem Wassertank 42 gespeicherte Wasser hat im Idealfall eine Temperatur von ca. 80° C, der Wassertank 42 verfügt daher über eine thermische Isolierung 44, um ein unnötiges und schnelles Auskühlen des Wassertanks 42 zu verhindern. Das Wasser aus dem Wassertank 42 wird dann über eine Wasserpumpe 45 in einen Druckwasserverteiler 50, beispielsweise in Form einer sogenannten Common Rail, geleitet. Von diesem unter Druck stehenden Druckwasserverteiler 50 zweigen dann einzelne Zweigleitungen ab. Eine erste Zweigleitung 46 führt zu einem ersten Befeuchter 47. Dieser ist als einfacher das Wasser mit einem Einstoffdüse oder einer Zweistoffdüse zerstäubender Befeuchter 47 ausgebildet. Er kann beispielsweise mit elektrischer Energie, und damit unabhängig vom Betrieb der Brennstoffzelle 19 betrieben und hinsichtlich der Befeuchtung gesteuert werden. Damit kann nun zusammen mit der Abgasrückführung im Betrieb in jedem Fall auf einen aufwändigen herkömmlichen Gas/Gas-Befeuchter verzichtet werden. Optional ist ein weiterer Befeuchter 48 vorgesehen, welcher vergleichbar aufgebaut ist. Dieser befindet sich in der Registerleitung 9 und wird über eine zweite Zweigleitung 49 mit den unter Druck stehendem Wasser des Druckwasserverteilers 50 versorgt. Dieser bisherige Aufbau des Flüssigwassersystems 34 wird so, wie bereits erwähnt, auch bei verbrennungsmotorischen Antrieben, insbesondere Verbrennungsmotoren mit Benzineinspritzung, eingesetzt. Die Komponenten wie die Wasserpumpe 45, der beheizbare Wassertank 42 sowie die Befeuchter 47, 48 sind daher am Markt als ausreichend erprobte Teile in großer Stückzahl und dementsprechend kostengünstig verfügbar. Über zwei weitere Zweigleitungen 51 und 52 werden zwei hydrodynamische Lager 53,The water stored in the water tank 42 ideally has a temperature of approx. 80 ° C., the water tank 42 therefore has thermal insulation 44 in order to prevent the water tank 42 from cooling down unnecessarily and quickly. The water from the water tank 42 is then passed via a water pump 45 into a pressurized water distributor 50, for example in the form of a so-called common rail. Individual branch lines then branch off from this pressurized water distributor 50. A first branch line 46 leads to a first humidifier 47. This is designed as a simple humidifier 47 which atomizes the water with a single-fluid nozzle or a two-fluid nozzle. It can be operated, for example, with electrical energy, and thus independently of the operation of the fuel cell 19, and controlled with regard to the humidification. In this way, together with the exhaust gas recirculation during operation, an expensive conventional gas / gas humidifier can be dispensed with in any case. A further humidifier 48, which is constructed in a comparable manner, is optionally provided. This is located in the register line 9 and is supplied with the pressurized water of the pressurized water distributor 50 via a second branch line 49. As already mentioned, this previous structure of the liquid water system 34 is also used in internal combustion engine drives, in particular internal combustion engines with gasoline injection. The components such as the water pump 45, the heatable water tank 42 and the humidifiers 47, 48 are therefore available on the market as adequately tested parts in large numbers and accordingly inexpensively. Via two further branch lines 51 and 52, two hydrodynamic bearings 53,
54 des freilaufenden Turboladers 11 mit Wasser versorgt, sodass dieser wassergelagert ist. In dem Brennstoffzellensystem 2 wird dabei typischerweise ausreichend Wasser anfallen, um sowohl die Befeuchtung des Zuluftstroms als auch die Lagerung des freilaufenden Turboladers 11 zu bewerkstelligen, sodass die Wasserversorgung ohne externe Zufuhr von Wasser erfolgen kann. 54 of the free-running turbocharger 11 is supplied with water so that it is mounted on water. In the fuel cell system 2, there will typically be sufficient water to manage both the humidification of the supply air flow and the storage of the free-running turbocharger 11 so that the water can be supplied without an external supply of water.
Ein solches Brennstoffzellensystem 2 mit dem Kathodenbypass 37 und der darin angeordneten von der parallel zum Kathodenraum 21 strömenden Luft angetriebenen Gasstrahlpumpe 38, welche schaltbar sowohl den Kathodenraum 21 als auch den Anodenraum 20 absaugen kann, ermöglicht nun zahlreiche vorteilhafte Möglichkeiten, über welche einige Probleme gelöst werden können, welche bei bisherigen Brennstoffzellensystemen nicht oder nicht vergleichbar zu lösen waren und die Sicherheit und insbesondere die Langlebigkeit der Einzelzellen in dem Brennstoffzellenstapel 19 nachteilig beeinflusst haben. Such a fuel cell system 2 with the cathode bypass 37 and the gas jet pump 38 arranged therein, driven by the air flowing parallel to the cathode chamber 21, which can switchably suck out both the cathode chamber 21 and the anode chamber 20, now enables numerous advantageous options, via which some problems are solved which could not be solved in previous fuel cell systems or which could not be solved in a comparable manner and which have adversely affected the safety and in particular the longevity of the individual cells in the fuel cell stack 19.
Wie bereits erwähnt, erlaubt ein solches Brennstoffzellensystem nun besondere Vorteile bei der Betriebsführung. Bei entsprechend eingestelltem Abgasrückführventil 24 lässt sich beim Betrieb des Freiläufers 11 dessen Verdichterseite 10 nutzen, um eine Rezirkulation von Abluft um den Kathodenraum 21 zu realisieren. Dabei kann gleichzeitig ein Teil dieser rezirkulierten Luft durch den Kathodenbypass 37 und damit durch die Gasstrahlpumpe 38 strömen. Dies ermöglicht es beispielsweise Gase aus dem Anodenraum 20 und/oder dem Kathodenraum 21 abzusaugen, wenn dementsprechend das Purgeventil 18 bzw. das Kathodenabsaugventil 40 geöffnet sind. Verschiedene Anwendungszwecke sind dabei denkbar. Beispielsweise kann im Falle eines Unfalls, wenn Crashsensoren eines hier nicht dargestellten das Brennstoffzellensystem 2 vorzugsweise aufweisenden Fahrzeugs diesen Unfall erkennen, die Wasserstoffversorgung gestoppt werden. Mit dem restlichen Volumenstrom beim Austrudeln des Luftverdichters 1 und des Freiläufers 11 kann dann Gas aus dem abgesperrten Kathodenraum 21 und dem Anodenkreislauf 28 und damit dem Anodenraum 20 abgesaugt werden. Dadurch lässt sich die (Leerlauf-)Spannung der Brennstoffzelle 19 bei abgeworfener Last und auf Null reduziertem Strom der Brennstoffzelle 19 sehr schnell reduzieren, um so eine Gefährdung von Insassen des Fahrzeugs und Rettungskräften zu verhindern. Vergleichbares gilt auch für die Reaktion auf das Betätigen eines Not-Aus Schalters oder eines erkannten Notfalls in dem Brennstoffzellensystem 2 selbst. Auch bei stationären Brennstoffzellensystemen kann dies analog angewandt werden. As already mentioned, such a fuel cell system now allows particular advantages in terms of operational management. With an appropriately set exhaust gas recirculation valve 24, when the freewheel 11 is in operation, its compressor side 10 can be used to recirculate exhaust air around the cathode space 21. At the same time, some of this recirculated air can flow through the cathode bypass 37 and thus through the gas jet pump 38. This makes it possible, for example, to suck out gases from the anode space 20 and / or the cathode space 21 when the purge valve 18 or the cathode suction valve 40 are accordingly open. Different purposes are conceivable. For example, in the event of an accident, if crash sensors of a vehicle, not shown here, preferably having the fuel cell system 2, detect this accident, the hydrogen supply can be stopped. With the remaining volume flow when the air compressor 1 and the freewheel 11 are coasting down, gas can then be sucked out of the shut-off cathode space 21 and the anode circuit 28 and thus the anode space 20. As a result, the (no-load) voltage of the fuel cell 19 can be reduced very quickly when the load is dropped and the current of the fuel cell 19 is reduced to zero, so as to prevent the occupants of the vehicle and rescue workers from being endangered. The same applies to the reaction to the actuation of an emergency stop switch or a recognized emergency in the fuel cell system 2 itself. This can also be applied analogously to stationary fuel cell systems.
Ferner kann der Sauerstoffgehalt in der Brennstoffzelle 19 reduziert werden, um die Zellspannung zu begrenzen, wofür eine entsprechende Menge an an Sauerstoff abgereicherter Abluft über das Abgasrückführventil 24 und die Abgasrückführleitung 25 zurückgeführt wird und dabei außerdem die Befeuchtung der Zuluft unterstützt. Reicht dies nicht aus, kann bei Bedarf auch, indem ein Teil der Zuluft über den Kathodenbypass 37 und die Gasstrahlpumpe 38 geführt wird, bei geöffnetem Kathodenabsaugventil 40 Sauerstoff aktiv aus dem Kathodenraum 21 abgesaugt werden, um die Spannung in den Einzelzellen oder die Spannung des gesamten Brennstoffzellenstapels 19 weiter und noch zuverlässiger steuerbar zu beschränken. Furthermore, the oxygen content in the fuel cell 19 can be reduced in order to limit the cell voltage, for which a corresponding amount of oxygen-depleted exhaust air is returned via the exhaust gas recirculation valve 24 and the exhaust gas recirculation line 25 and also supports the humidification of the supply air. If this is not sufficient, oxygen can also be actively sucked out of the cathode compartment 21 with the cathode suction valve 40 open by leading part of the supply air via the cathode bypass 37 and the gas jet pump 38 in order to reduce the voltage in the individual cells or the voltage of the entire cell To limit fuel cell stack 19 further and more reliably controllable.
Zwei ganz entscheidende Punkte zum Betrieb des Brennstoffzellensystems 2 beziehen sich dabei auf eine Vorbereitung eines Gefrierstarts, eine sogenannte FSU (Freeze Start Up) Preparation. Dadurch, dass es möglich ist, den Druck im Anodenraum 20 und im Kathodenraum 21 abzusenken, beispielsweise auf bis zu 100 mbar, ist es möglich, sowohl im Anodenraum 20 als auch im Kathodenraum 21 vorhandenes Wasser zu verdampfen und über die Gasstrahlpumpe 38 aktiv abzusaugen. Dies kann beispielsweise in einem Temperaturfenster von 25 bis 35° C der Brennstoffzelle 19 erfolgen. Anders als bei höheren Temperaturen wird dabei ein Austrocknen der Membranen weitgehend verhindert, sodass die Brennstoffzelle 19 sehr schonend getrocknet werden kann. Fallen die Temperaturen später unter den Gefrierpunkt, kann ein Einfrieren der Brennstoffzelle über ein gewolltes oder tolerierbares Maß hinaus verhindert werden. Steigen die Temperaturen wieder über den Gefrierpunkt, dann kann, auch ohne dass die Brennstoffzelle 19 aktiv gestartet wird, eine aktive Befeuchtung vorgenommen werden, da über das Flüssigwassersystem 34 flüssiges Wasser zur Verfügung steht und beispielsweise über den Befeuchter 47, welcher insbesondere als elektrisch betriebener Befeuchter mit Einstoffdüse ausgebildet sein kann, einfach und effizient in die Zuluft eingebracht werden kann. Diese kann, wie bereits erwähnt, über die Abgasrückführventil 24 im Kreislauf geführt werden, um so die Membranen einerseits ausreichend feucht zu halten und andererseits jederzeit auf einen Gefrierstart vorbereitet zu sein. Eine bisher übliche Strategie, um die Vorbereitung auf den Gefrierstart vorzunehmen, sieht es vor, eine möglichst lange Zeit zu erreichen, in der eine Luft/Wasserstoff-Front beim Start des Brennstoffzellensystems im Anodenraum verhindert wird. Diese tritt immer dann auf, wenn der Wasserstoff aus dem Anodenraum 20 diffundiert ist und Luft eingedrungen ist. Wird nun frischer Wasserstoff nachdosiert, kommt es zu dieser gefürchteten Front, welche die Kathode entsprechend schädigt und die Lebensdauer der Brennstoffzelle 19 außerordentlich nachteilig und stark beeinflusst. Das Brennstoffzellensystem 2 in der hier dargestellten Ausführungsvariante hat nun mehrere Möglichkeiten einen solchen Air/Air-Start zu verhindern. Two very decisive points for the operation of the fuel cell system 2 relate to a preparation for a freeze start, a so-called FSU (Freeze Start Up) preparation. Because it is possible to lower the pressure in the anode compartment 20 and in the cathode compartment 21, for example to up to 100 mbar, it is possible to evaporate water present in both the anode compartment 20 and in the cathode compartment 21 and to actively suck it off via the gas jet pump 38. This can take place, for example, in a temperature window of 25 to 35 ° C. of the fuel cell 19. In contrast to higher temperatures, the membranes are largely prevented from drying out, so that the fuel cell 19 can be dried very gently. If the temperatures later drop below freezing point, the fuel cell can be prevented from freezing beyond an intended or tolerable level. If the temperatures rise again above freezing point, active humidification can be carried out even without the fuel cell 19 being actively started, since liquid water is available via the liquid water system 34 and, for example, via the humidifier 47, which in particular is an electrically operated humidifier can be designed with a single-fluid nozzle, can be easily and efficiently introduced into the supply air. As already mentioned, this can be circulated via the exhaust gas recirculation valve 24, on the one hand to keep the membranes sufficiently moist and on the other hand to be prepared for a freeze start at any time. A previously common strategy for preparing for the freezing start provides for the longest possible time to be achieved in which an air / hydrogen front is prevented in the anode compartment when the fuel cell system is started. This always occurs when the hydrogen has diffused from the anode space 20 and air has penetrated. If fresh hydrogen is now replenished, this dreaded front occurs, which correspondingly damages the cathode and has an extremely disadvantageous and strong effect on the service life of the fuel cell 19. The fuel cell system 2 in the embodiment variant shown here now has several options for preventing such an air / air start.
Die erste Möglichkeit besteht darin, dass der Kathodenraum 21 entsprechend evakuiert werden kann. Liegt in diesem kein Sauerstoff vor, kann die Front ihre schädigende Wirkung auch dann nicht entfalten, wenn auf der Anodenseite Sauerstoff vorliegt und durch beim Start einströmenden Wasserstoff verdrängt wird. Diese einfache Möglichkeit kann es beispielsweise vorsehen, die Kathode dauerhaft von Sauerstoff freizuhalten, was bei der üblicherweise auftretenden Dichtheit in dem System ein erneutes Evakuieren des Kathodenraums 21 beispielsweise alle 10 Stunden oder dergleichen erfordert. Da eine solche immer wieder auftretende Evakuierung für die Membranen relativ riskant ist, da diese austrocknen können, kann diese Vorgehensweise insbesondere mit der oben beschriebenen Befeuchtung der Membranen einhergehen, wenn die Temperaturen oberhalb des Gefrierpunkts liegen und ein sicherer und zuverlässiger Start auch mit einer gewissen Restfeuchte in der Brennstoffzelle 19 möglich ist. The first possibility is that the cathode space 21 can be evacuated accordingly. If there is no oxygen in this, the front cannot develop its damaging effect even if oxygen is present on the anode side and is displaced by the hydrogen flowing in at start-up. This simple possibility can, for example, provide for the cathode to be kept permanently free of oxygen, which, given the tightness that usually occurs in the system, requires the cathode compartment 21 to be evacuated again, for example every 10 hours or the like. Since such a recurring evacuation is relatively risky for the membranes, since they can dry out, this procedure can be accompanied in particular with the moistening of the membranes described above if the temperatures are above freezing point and a safe and reliable start even with a certain residual moisture in the fuel cell 19 is possible.
Eine zweite Möglichkeit, einen Air/Air-Start der Brennstoffzelle 19 zu vermeiden, besteht darin, dass die Luft, welche während des Stillstands des Brennstoffzellensystems 2 auch in den Anodenraum 20 eingedrungen ist, vor dem Start der Brennstoffzelle 19 aus dem Anodenraum 20 wieder abzusaugen, diesen also zu evakuieren. Hierfür wird Luft gefördert und strömt über den Kathodenbypass 37 und die Gasstrahlpumpe 38. Bei geöffnetem Purgeventil 18 kann so die Luft, welche während des Stillstands in den Anodenraum 20 eingedrungen ist, abgesaugt werden. Dadurch ist es möglich, den Sauerstoffgehalt im Volumen des Anodenraums 20 und letztlich auch des Anodenkreislaufs 28 zumindest deutlich zu reduzieren, bevor beim Start der Brennstoffzelle 19 Wasserstoff zudosiert wird. Auch hierdurch lässt sich ein schonender Start realisieren und die Lebensdauer der Brennstoffzelle 19 verlängern. A second possibility of avoiding an air / air start of the fuel cell 19 is that the air, which also entered the anode compartment 20 while the fuel cell system 2 was at a standstill, is sucked out of the anode compartment 20 again before the fuel cell 19 is started to evacuate it. For this purpose, air is conveyed and flows via the cathode bypass 37 and the gas jet pump 38. When the purge valve 18 is open, the air which has penetrated into the anode space 20 during the standstill can be sucked off. This makes it possible to at least significantly reduce the oxygen content in the volume of the anode space 20 and ultimately also of the anode circuit 28 before the start of the Fuel cell 19 is metered in hydrogen. This also enables a gentle start to be achieved and the service life of the fuel cell 19 to be extended.
Die dritte Möglichkeit nutzt die Erzeugung von Stickstoff bzw. an Sauerstoff abgereicherter Luft, insbesondere Luft mit einem Sauerstoffgehalt von 0%, um einen sehr schonenden Start zu realisieren. Hierfür wird die Kreislaufführung um den Kathodenraum 21 genutzt. In den Anodenkreislauf 28 eindosierter Wasserstoff oder in diesem noch befindlicher Restwasserstoff wird bei geöffnetem Purgeventil über die Gasstrahlpumpe 38 angesaugt und gelangt so zusammen mit der sauerstoffhaltigen Luft in den Kreislauf, welcher durch einen Betrieb des Luftverdichters 1, welcher die Turbinenseite 13 des Freiläufers 11 anströmt und damit die Verdichterseite 10 bewegt, aufrechterhalten. Die Luft strömt dann im Kreis um den Kathodenraum 21. Sie strömt dabei teilweise durch den Kathodenraum 21 und teilweise durch den Kathodenbypass 37. Dann strömt sie über die Abluftleitung 23 und das Abgasrückführventil 24 sowie die Abgasrückführleitung 25 zurück in die Registerleitung 9 und von dort durch die Verdichterseite 10 des Freiläufers angetrieben wieder zurück zur Ventileinrichtung 35 in der Zuluftleitung 22. Durch die Vermischung von Wasserstoff und Luft in diesem Betrieb kommt es nun zu einer Reaktion des Wasserstoffs und des Sauerstoffs beispielsweise an den Katalysatoren des Anodenraums 21 oder im Bereich eines hierfür speziell vorgesehen Katalysators 55, welcher beispielsweise in dem Kathodenbypass 37 nach der Gasstrahlpumpe 38 angeordnet sein kann, wie es hier dargestellt ist. Im Falle des zusätzlichen Katalysators 55 muss der Kathodenraum 21 nicht ständig durchströmt werden, um den Sticksoff zu erzeugen. Dies verringert die Austrocknung der Membranen und schont diese. Bei Bedarf könnten sie jedoch auch nachbefeuchtet werden, wie oben ausgeführt. The third option uses the generation of nitrogen or oxygen-depleted air, in particular air with an oxygen content of 0%, in order to achieve a very gentle start. The circulation around the cathode space 21 is used for this. Hydrogen metered into the anode circuit 28 or residual hydrogen still present in it is sucked in via the gas jet pump 38 when the purge valve is open and thus enters the circuit together with the oxygen-containing air, which is caused by operation of the air compressor 1, which flows against the turbine side 13 of the freewheel 11 and so that the compressor side 10 moves, maintained. The air then flows in a circle around the cathode compartment 21. It flows partly through the cathode compartment 21 and partly through the cathode bypass 37. Then it flows via the exhaust air line 23 and the exhaust gas recirculation valve 24 as well as the exhaust gas recirculation line 25 back into the register line 9 and through there the compressor side 10 of the freewheel driven back to the valve device 35 in the air supply line 22. The mixing of hydrogen and air in this operation now leads to a reaction of the hydrogen and the oxygen, for example on the catalysts of the anode compartment 21 or in the area of a special one provided catalyst 55, which can be arranged for example in the cathode bypass 37 after the gas jet pump 38, as shown here. In the case of the additional catalytic converter 55, the cathode chamber 21 does not have to be flowed through constantly in order to generate the nitrogen. This reduces the dehydration of the membranes and protects them. If necessary, however, they could also be re-moistened, as explained above.
Die vierte Möglichkeit, um einen Air/Air-Start zu vermeiden, stellt gewissermaßen eine Kombination aus der zweiten und der dritten Möglichkeit dar. Zusätzlich ist dafür neben dem nun im jeden Fall mehrstufig schaltbaren Ventil der Druckregel- und Dosiereinrichtung 27 eine Wasserstoffdosierleitung 56 erforderlich, über welche Wasserstoff auf die Kathodenseite dosiert werden kann. Diese Wasserstoffdosierleitung 56 ist ähnlich wie oder alternativ zur Purgeleitung 17 an die Gasstrahlpumpe 38 im Kathodenbypass 37 angeschlossen, wie es in der Darstellung der Figur zu erkennen ist. Damit ist es möglich, Wasserstoff über die Wasserstoffdosierleitung 56 auf die Kathodenseite des Brennstoffzellensystems 2 zu dosieren, ohne dass dieser Wasserstoff zuvor durch den Anodenraum 20 hindurchströmen muss. Durch den der Gasstrahlpumpe 38 im Kreislauf um den Kathodenraum 21 nachgeschalteten oben schon angesprochenen Katalysator 55 lässt sich so Sauerstoff in der Luft verbrauchen. Diese wird dann mit Hilfe der Ventileinrichtungen 35, 36, dem Ventil 16 sowie dem Abgasrückführventil 24 und durch den Betrieb des Freiläufers 11 in diesem Kreislauf autark rezirkuliert. Dies erfolgt solange, bis der Sauerstoffgehalt in der ursprünglichen Luft mit Hilfe des Katalysators und des über die Wasserstoffdosierleitung 56 in den Kreislauf gelangenden Wasserstoffs im Bereich der Mischstelle in der Gasstrahlpumpe 38 auf weniger als 1 Volumen-Prozent, insbesondere auf ca. 0 Volumen-Prozent reduziert wird. Das dann rezirkulierte Gas ist somit quasi frei von Sauerstoff und besteht im Wesentlichen aus Stickstoff. The fourth possibility to avoid an air / air start represents a combination of the second and the third possibility. In addition to the valve of the pressure regulating and metering device 27, which is now in each case multi-stage switchable, a hydrogen metering line 56 is required, via which hydrogen can be metered onto the cathode side. Similar to or as an alternative to the purge line 17, this hydrogen metering line 56 is connected to the gas jet pump 38 in the cathode bypass 37, as can be seen in the illustration of the figure. This makes it possible to supply hydrogen via the hydrogen metering line 56 to the To meter the cathode side of the fuel cell system 2 without this hydrogen having to flow through the anode space 20 beforehand. The above-mentioned catalytic converter 55, which is connected downstream of the gas jet pump 38 in the circuit around the cathode chamber 21, can thus consume oxygen in the air. This is then autarkically recirculated in this circuit with the aid of the valve devices 35, 36, the valve 16 and the exhaust gas recirculation valve 24 and through the operation of the freewheel 11. This takes place until the oxygen content in the original air with the aid of the catalyst and the hydrogen entering the circuit via the hydrogen metering line 56 in the area of the mixing point in the gas jet pump 38 is less than 1 percent by volume, in particular to about 0 percent by volume is reduced. The then recirculated gas is thus virtually free of oxygen and essentially consists of nitrogen.
Durch die Rezirkulation über den Freiläufer 11 wird dieses Gas gleichzeitig erwärmt, was die katalytische Reaktion im Katalysator 55 begünstigt, um so Sauerstoff und Wasserstoff effizient umzusetzen. Ideal ist dafür ein Tempertaturbereich von ca. +60 bis +80° C. Damit lässt sich die katalytische Umsetzung sehr gut regeln, um so unerwünschte Stickoxide innerhalb des geschlossenen Volumens zu vermeiden. Diese Stickoxide als Nebenprodukt sind dabei aufgrund der später anfallenden Emissionen derselben unerwünscht, würden aber den bezüglich der Lebensdauer schonenden Umgang mit der Brennstoffzelle 19 nicht weiter beeinträchtigen. As a result of the recirculation via the freewheel 11, this gas is heated at the same time, which promotes the catalytic reaction in the catalytic converter 55 in order to efficiently convert oxygen and hydrogen. A temperature range of approx. +60 to + 80 ° C is ideal for this. This allows the catalytic conversion to be regulated very well in order to avoid undesired nitrogen oxides within the closed volume. These nitrogen oxides as a by-product are undesirable because of the emissions of the same which occur later, but would not further impair the handling of the fuel cell 19, which is gentle on the service life.
Nach einiger Zeit ist der gesamte Sauerstoff verbraucht, wenn ausreichend Wasserstoff zur Verfügung steht oder entsprechend nachdosiert worden ist. In dem gesamten Kreislauf liegt nun also Gas vor, welches auf 0% Sauerstoff abgereichert ist. Dabei handelt es sich im Wesentlichen um Stickstoff, wenn von Kohlendioxid und einigen Edelgasen, welche das Verfahren jedoch nicht nachteilig beeinflussen, abgesehen wird. Nachdem nun in dem Kreislauf Stickstoff vorliegt, kann das Purgeventil 18 geöffnet werden, der Freiläufer 11 und damit letztlich der Luftverdichter 1 können abgeschaltet werden. Das Kathodenabsaugventil 40 und oder die Ventileinrichtungen 35, 36 werden geöffnet. Der Stickstoff strömt dann über die Purge-Leitung und die Kathodenstichleitung und/oder Zuluftleitung zurück in die Brennstoffzelle 19, sodass diese mit Stickstoff gefüllt ist. Dies ermöglicht einen außerordentlich schonenden Start der Brennstoffzelle beim nächsten Startvorgang, ohne dass es zu den Schädigungsmechanismen des Air/Air- Starts kommt. After a while, all of the oxygen is used up if sufficient hydrogen is available or if it has been appropriately replenished. In the entire circuit there is now gas that has been depleted to 0% oxygen. This is essentially nitrogen, if carbon dioxide and some noble gases, which however do not adversely affect the process, are disregarded. Now that there is nitrogen in the circuit, the purge valve 18 can be opened, the freewheel 11 and thus ultimately the air compressor 1 can be switched off. The cathode suction valve 40 and / or the valve devices 35, 36 are opened. The nitrogen then flows back into the fuel cell 19 via the purge line and the cathode stub line and / or supply air line, so that it is filled with nitrogen. This enables an extremely gentle start of the fuel cell during next start process without the damaging mechanisms of the air / air start occurring.
Eine fünfte Möglichkeit kann in Kombination mit der bisher üblichen Art und Weise, den Wasserstoff in dem System zu halten, auch bei dem erfindungsgemäßen Aufbau des Brennstoffzellensystems ideal eingesetzt werden. Idealerweise unter Anwendung eines geringen statischen Überdrucks gegenüber dem Luftdruck in der umgebenden Atmosphäre werden dabei die Volumen sowohl des Anodenraums 20 als auch des Kathodenraums 21 mit Wasserstoff befüllt und unter geringem Überdruck gehalten, um eine vollständige Inertisierung der Volumen durch eine Wasserstoffkonzentration von annähernd 100 Prozent zu realisieren. Vor dem regulären Start kann nun der vorhandene Restwasserstoff im Kathodenraum 21 über die Gasstrahlpumpe 38 und ihren Betrieb durch die bereits geförderte nicht jedoch in den Kathodenraum 21 einströmende Zuluft wieder entfernt werden, indem der Wasserstoff aus dem Kathodenraum 21 vollständig abgesaugt wird, bevor der Kathodenraum 21 durch das Öffnen der Ventileinrichtung 35 in Richtung des Kathodenraums 21 dann mit Sauerstoff bzw. der den Sauerstoff enthaltenden Luft beaufschlagt wird, um das Brennstoffzellensystem 2 bzw. seine Brennstoffzelle 19 starten zu können. A fifth possibility, in combination with the previously customary way of keeping the hydrogen in the system, can also be ideally used in the construction of the fuel cell system according to the invention. Ideally, using a slight static overpressure compared to the air pressure in the surrounding atmosphere, the volumes of both the anode compartment 20 and the cathode compartment 21 are filled with hydrogen and kept under a slight overpressure in order to completely inert the volume through a hydrogen concentration of approximately 100 percent realize. Before the regular start, the residual hydrogen present in the cathode compartment 21 can now be removed again via the gas jet pump 38 and its operation through the supply air that has already been pumped but not flowing into the cathode compartment 21, in that the hydrogen is completely sucked out of the cathode compartment 21 before the cathode compartment 21 by opening the valve device 35 in the direction of the cathode chamber 21, oxygen or the air containing the oxygen is then acted upon in order to be able to start the fuel cell system 2 or its fuel cell 19.
Um nun dennoch von Zeit zu Zeit Sauerstoff in den Anodenraum 20 zu bekommen, um dort angelagerte CO-Vergiftungen abzuoxidieren, kann die Brennstoffzelle 19 wieder evakuiert werden, unter Einsatz der Gasstrahlpumpe 38 im Kathodenbypass 37. Bei geöffnetem Purgeventil 18 kann dann bei abgeschaltetem Luftverdichter Luft bzw. sauerstoffhaltiges Gas in den Bereich des Anodenraums 20 gelangen. Prinzipiell ist die Oxidation von Kohlenmonoxid zu Kohlendioxid dabei passiv denkbar. Effizienter wird es, wenn die Rezirkulationsfördereinrichtung 31 betrieben wird, beispielsweise indem nach dem Überströmen von Luft in den Anodenkreislauf 28 der Luftverdichter 1 bei zuerst einmal geschlossenem Purgeventil 18 wieder betrieben wird, um in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel über die Abluftturbine 32 die Rezirkulationsfördereinrichtung 31 in Form des Gebläses anzutreiben. Der Refresh des Katalysators ist dann nach kurzer Zeit, beispielsweise in der Größenordnung von weniger als einer Minute, abgeschlossen. Das sauerstoffhaltige Gas kann dann durch ein erneutes Öffnen des Purgeventils 18 wieder aus dem Anodenkreislauf abgesaugt werden und das System kann beispielsweise in der oben beschriebenen Art und Weise mit Stickstoff befüllt werden, um es auf den nächsten Start vorzubereiten. In order to get oxygen into the anode chamber 20 from time to time in order to oxidize the accumulated CO poisoning there, the fuel cell 19 can be evacuated again using the gas jet pump 38 in the cathode bypass 37. With the purge valve 18 open, air can then be used with the air compressor switched off or oxygen-containing gas reach the area of the anode space 20. In principle, the passive oxidation of carbon monoxide to carbon dioxide is conceivable. It becomes more efficient if the recirculation conveying device 31 is operated, for example by operating the air compressor 1 again with the purge valve 18 closed after air has flowed over into the anode circuit 28, in order to shape the recirculation conveying device 31 via the exhaust air turbine 32 in the exemplary embodiment shown here to drive the fan. The refresh of the catalytic converter is then completed after a short time, for example on the order of less than a minute. The oxygen-containing gas can then be sucked out of the anode circuit again by opening the purge valve 18 again and the system can be filled with nitrogen in the manner described above, for example, in order to prepare it for the next start.
Bezugszeichenliste Luftverdichter 28 Anodenkreislauf Brennstoffzellensystem 29 Rezirkulationsleitung Luftfördereinrichtung 30 Wasserabscheider Elektromotor 31 Rezirkulationsfördereinrichtung Welle 32 Abluftturbine zweites Verdichterrad 33 Welle erstes Verdichterrad 34 Flüssigwassersystem Ansaugweg 35 Ventileinrichtung Registerleitung 36 Ventileinrichtung Verdichterseite 37 Kathodenbypass freilaufender Turbolader 38 Gasstrahlpumpe Welle 39 Kathodenstichleitung Turbinenseite 40 Kathodenabsaugventil Turbinenleitung 41 Wasserabscheider Bypassleitung 42 Wassertank Ventil 43 Pfeil Abblasleitung 44 thermische Isolierung Purgeventil 45 Wasserpumpe Brennstoffzellenstapel 46 Zweigleitung Anodenraum 47 Befeuchter Kathodenraum 48 Befeuchter Zuluftleitung 49 Zweigleitung Abluftleitung 50 Druckwasserverteiler Abgasrückführventil 51 Zweigleitung Abgasrückführleitung 52 Zweigleitung Brennstoff 53 hydrodynamisches Lager versorgungseinrichtung 54 hydrodynamisches Lager Druckregel- und 55 Katalysator Dosiereinrichtung 56 Wasserstoffdosierleitung LIST OF REFERENCE NUMERALS Air compressor 28 Anode circuit, fuel cell system 29 Recirculation line, air delivery device 30 Water separator, electric motor 31 Recirculation delivery device, shaft 32 Exhaust air turbine, second compressor wheel 33 Shaft, first compressor wheel 34 Liquid water system, suction path 35 Valve device, register line 36 Valve device, compressor side 37 Cathode bypass, Free-running turbocharger, water separator, cathode line, 41, Turbocharger, cathode tank line, 42, Turbocharger, cathode tank line, 40, Turbocharger, gas jet pump, shaft 43 Arrow blow-off line 44 thermal insulation purge valve 45 water pump fuel cell stack 46 branch line anode compartment 47 humidifier cathode compartment 48 humidifier supply air line 49 branch line exhaust air line 50 pressure water distributor exhaust gas recirculation valve 51 branch exhaust gas recirculation line 52 branch line fuel 53 hydrodynamic bearing supply device 54 hydrodynamic bearing pressure control and 55 catalyst dos i device 56 hydrogen metering line

Claims

Patentansprüche Claims
1. Brennstoffzellensystem (2) mit wenigstens einem Brennstoffzellenstapel (19), welcher einen Anodenraum (20) und einen Kathodenraum (21) umfasst, mit wenigstens einer Luftfördereinrichtung (3) zur Versorgung des Kathodenraums (21) mit Luft über eine Zuluftleitung (22), mit einer Abluftleitung (23) aus dem Kathodenraum (21), mit wenigstens einer Brennstoffversorgungseinrichtung (26) zur Versorgung des Anodenraums (20) mit Brennstoff, mit wenigstens einem Anodenkreislauf (28) zur Rezirkulation von unverbrauchtem Brennstoff um den Anodenraum (20), ferner mit einem Kathodenbypass (37), dadurch gekennzeichnet, dass der Kathodenbypass (37) vor oder im Bereich einer Ventileinrichtung (35) in der Zuluftleitung (22) aus dieser abzweigt und nach oder im Bereich einerweiteren Ventileinrichtung (36) in der Abluftleitung (23) in diese mündet, wobei in dem Kathodenbypass (37) eine von der um den Kathodenraum (21) strömenden Luft antreibbare Gasstrahlpumpe (38) angeordnet ist, welche saugseitig mit dem Anodenraum (20) und/oder dem Kathodenraum (21) schaltbar verbunden ist. 1. Fuel cell system (2) with at least one fuel cell stack (19) which comprises an anode space (20) and a cathode space (21), with at least one air delivery device (3) for supplying the cathode space (21) with air via an air supply line (22) , with an exhaust air line (23) from the cathode space (21), with at least one fuel supply device (26) for supplying the anode space (20) with fuel, with at least one anode circuit (28) for the recirculation of unused fuel around the anode space (20), furthermore with a cathode bypass (37), characterized in that the cathode bypass (37) branches off in front of or in the area of a valve device (35) in the supply air line (22) and after or in the area of another valve device (36) in the exhaust air line (23) ) opens into this, with a gas jet pump (38) which can be driven by the air flowing around the cathode space (21) and which is also arranged on the suction side in the cathode bypass (37) the anode compartment (20) and / or the cathode compartment (21) is switchably connected.
2. Brennstoffzellensystem (2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Anodenkreislauf (28) ein Gebläse als Rezirkulationsfördereinrichtung (31) von einer Abluftturbine (32) in der Abluftleitung (23) angetrieben ist. 2. Fuel cell system (2) according to claim 1, characterized in that in the anode circuit (28) a fan as a recirculation conveyor (31) is driven by an exhaust air turbine (32) in the exhaust air line (23).
3. Brennstoffzellensystem (2) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine der Ventileinrichtungen (35, 36) in der Zuluftleitung (22) und/oder der Abluftleitung (23) als 3/2-Wege-Ventil ausgebildet ist. 3. Fuel cell system (2) according to claim 1 or 2, characterized in that at least one of the valve devices (35, 36) in the supply air line (22) and / or the exhaust air line (23) is designed as a 3/2-way valve.
4. Brennstoffzellensystem (2) nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftfördereinrichtung (3) zweistufig ausgebildet ist. 4. Fuel cell system (2) according to claim 1, 2 or 3, characterized in that the air delivery device (3) is designed in two stages.
5. Brennstoffzellensystem (2) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die zweistufige Luftfördereinrichtung (3) in Form eines freilaufenden Turboladers (11) ausgebildet ist, welcher turbinenseitig mit der Druckseite eines ersten Verdichterrads (7) eines Luftverdichters (1) verbunden ist, und welcher verdichterseitig mit der Druckseite eines zweiten Verdichterrads (6) des selben Luftverdichters (1) verbunden ist. 5. Fuel cell system (2) according to claim 4, characterized in that the two-stage air delivery device (3) is designed in the form of a free-running turbocharger (11) which is connected on the turbine side to the pressure side of a first compressor wheel (7) of an air compressor (1), and which on the compressor side is connected to the pressure side of a second compressor wheel (6) of the same air compressor (1).
6. Brennstoffzellensystem (2) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und das zweite Verdichterrad (6, 7) symmetrisch ausgebildet und auf einer Welle (5) mit einem gemeinsamen Elektromotor (4) angeordnet sind. 6. Fuel cell system (2) according to claim 5, characterized in that the first and the second compressor wheel (6, 7) are symmetrical and are arranged on a shaft (5) with a common electric motor (4).
7. Brennstoffzellensystem (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Wasserabscheider (41) in Strömungsrichtung der Abluft nach der Mündung des Kathodenbypass (37) in die Abluftleitung (23) in dieser angeordnet ist, und bei der Ausführung gemäß Anspruch 2 insbesondere in Strömungsrichtung der Abluft vor der Abluftturbine (32). 7. Fuel cell system (2) according to one of claims 1 to 6, characterized in that a water separator (41) is arranged in the flow direction of the exhaust air after the mouth of the cathode bypass (37) in the exhaust air line (23), and in the execution according to claim 2 in particular in the flow direction of the exhaust air upstream of the exhaust air turbine (32).
8. Brennstoffzellensystem (2) nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Abgasrückführleitung (25) die Abluftleitung (23) nach der Mündung des Kathodenbypass (37), und bei einer Ausführung gemäß Anspruch 2 insbesondere nach der Abluftturbine (32), mit einer Registerleitung (9) zwischen den beiden Stufen der Verdichtung schaltbar verbindet. 8. Fuel cell system (2) according to one of claims 4 to 7, characterized in that an exhaust gas recirculation line (25), the exhaust air line (23) after the mouth of the cathode bypass (37), and in an embodiment according to claim 2 in particular after the exhaust air turbine (32 ), with a register line (9) switchably connects between the two stages of compression.
9. Brennstoffzellensystem (2) nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Wasserabscheider (30, 41) mit einem Wassertank (42) verbunden ist oder bildet, wobei der Wassertank (42) über eine Wasserpumpe (45) mit einem Druckwasserverteiler (50) verbunden ist, von welchem Zweigleitungen (46. 49, 51, 52) zu Verbrauchsstellen abzweigen. 9. Fuel cell system (2) according to claim 7 or 8, characterized in that the at least one water separator (30, 41) with a water tank (42) is connected or forms, wherein the water tank (42) is connected via a water pump (45) to a pressure water distributor (50), from which branch lines (46, 49, 51, 52) branch off to consumption points.
10. Brennstoffzellensystem (2) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbrauchsstellen hydrodynamische Lager (53, 54) des freilaufenden Turboladers (11) und/oder wenigstens einen Befeuchter (47, 48) in der Zuluft, insbesondere in Form einer Ein- oder Zwei-Stoffdüse, umfassen. 10. Fuel cell system (2) according to claim 9, characterized in that the consumption points hydrodynamic bearings (53, 54) of the free-running turbocharger (11) and / or at least one humidifier (47, 48) in the supply air, in particular in the form of a or two-fluid nozzle.
11. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 10 und nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Befeuchter (47, 48) in der Zuluft vor und/oder nach der zweiten Verdichterstufe angeordnet ist. 11. Fuel cell system according to claim 10 and according to one of claims 4 to 8, characterized in that the at least one humidifier (47, 48) is arranged in the supply air before and / or after the second compressor stage.
12. Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass bei Bedarf über die Gasstrahlpumpe (38) in der Kathodenbypassleitung (37) Gase aus dem Kathodenraum (31) und/oder dem Anodenkreislauf (28) abgesaugt werden. 12. The method for operating a fuel cell system according to one of claims 1 to 11, characterized in that, if required, gases from the cathode compartment (31) and / or the anode circuit (28) are sucked off via the gas jet pump (38) in the cathode bypass line (37) .
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