WO2009121463A1 - Brennstoffzellensystem und verfahren zum betreiben eines brennstoffzellensystems mit speicherung und rückführung der kathodenabluft - Google Patents

Brennstoffzellensystem und verfahren zum betreiben eines brennstoffzellensystems mit speicherung und rückführung der kathodenabluft Download PDF

Info

Publication number
WO2009121463A1
WO2009121463A1 PCT/EP2009/001648 EP2009001648W WO2009121463A1 WO 2009121463 A1 WO2009121463 A1 WO 2009121463A1 EP 2009001648 W EP2009001648 W EP 2009001648W WO 2009121463 A1 WO2009121463 A1 WO 2009121463A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
fuel cell
cell system
medium
cathode
storage unit
Prior art date
Application number
PCT/EP2009/001648
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Hans-Frieder Walz
Original Assignee
Daimler Ag
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Daimler Ag filed Critical Daimler Ag
Publication of WO2009121463A1 publication Critical patent/WO2009121463A1/de

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H01M8/04097—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with recycling of the reactants
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04201—Reactant storage and supply, e.g. means for feeding, pipes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04223—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids during start-up or shut-down; Depolarisation or activation, e.g. purging; Means for short-circuiting defective fuel cells
    • H01M8/04231—Purging of the reactants
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the invention relates to a fuel cell system with an anode compartment comprising an anode branch, which can be acted upon by a medium containing reducing agent and with a cathode compartment comprising a cathode compartment.
  • the cathode branch has supply means for supplying an oxygen-containing medium to the cathode space and outlet means for discharging the medium emerging from the cathode space.
  • the anode space and the cathode space are usually formed in a fuel cell stack, which has a plurality of individual fuel cells.
  • JP 2004 022 487 A describes a fuel cell system with an anode compartment comprising an anode branch, which can be charged with hydrogen gas.
  • a cathode space of a cathode branch of the fuel cell system has a supply line for supplying atmospheric air to the cathode space.
  • the cathode chamber is associated with a return line, by means of which emerging from the cathode chamber air this can be fed again.
  • a storage unit for storing inert gas is provided in the return line.
  • the storage unit is followed by an oxygen sensor, by means of which a concentration of oxygen in the return line can be determined.
  • a disadvantage of such a fuel cell system is the fact that a plurality of shut-off valves is to be provided, which allow a recirculation of the fuel cell system to recirculate the atmospheric air until it reaches the desired oxygen concentration.
  • the provision of the plurality of shut-off valves impairs the suitability of the fuel cell system for use at temperatures below 0 ° C, since by freezing the shut-off valves a functionality of the
  • Fuel cell system may be limited. Furthermore, the circumstance in such a fuel cell system is to be regarded as disadvantageous in that an oxygen sensor is to be provided.
  • Object of the present invention is therefore to provide a fuel cell system, which is particularly simple and reliable. This object is achieved by a
  • the fuel cell system according to the invention has an anode branch, which can be acted upon by a medium containing reducing agent.
  • the anode branch comprises an anode compartment.
  • a cathode branch of the fuel cell system comprises a cathode compartment, supply means for supplying an oxygen-containing medium to the cathode compartment, and discharge means for discharging the medium exiting the cathode compartment.
  • a storage unit is provided for storing the medium emerging from the cathode space, by means of which the cathode space can be acted upon by the medium stored in the storage unit in a working phase-dependent manner, the storage unit being arranged on the outlet middle side of the cathode space. The storage unit is thus arranged in the flow direction of the oxygen-containing medium downstream of the cathode space.
  • the fuel cell system may include a return device which branches off from the outlet means for discharging the medium emerging from the cathode compartment and discharges into the supply means.
  • a return device is not to be understood as a component of the cathode branch.
  • the outlet means thus serve for discharging the medium emerging from the cathode space and not for returning the medium by means of the return means.
  • the outlet side of the cathode compartment arranged storage unit is the operation of the Fuel cell system for providing electrical energy as exhaust gas from the cathode chamber escaping medium storable. If atmospheric air is supplied to the cathode space as the oxygen-containing medium, then the air leaving the cathode space during operation of the fuel cell system for providing electrical energy has a reduced oxygen content.
  • This depleted in oxygen air can be supplied to the cathode compartment during operation of the fuel cell system in the shutdown and thus ensures that in the cathode compartment after switching off a comparatively inert medium is present.
  • the oxygen content of the medium stored in the storage unit is due to the operation of the
  • Fuel cell system for generating electrical energy so low that existing in the anode compartment hydrogen gas is not completely implemented after switching off the fuel cell system. This avoids the emergence of overpotentials when restarting the fuel cell system in a structurally particularly simple manner. After switching off the fuel cell system are present in the cathode space at most so low concentrations of oxygen that a diffusion of oxygen is avoided in the anode compartment.
  • the memory unit can thus be embodied as a passive component during operation of the fuel cell system for providing electrical energy.
  • the supply means comprise a compressor, by means of which a pressure of the medium in the storage unit to change, in particular to increase, is.
  • the compressor can ensure that, when the fuel cell system is operated in the cathode branch and thus in the outlet means of the cathode space and in the storage unit, there is a pressure above the atmospheric pressure.
  • the compressor may be configured to reverse the flow direction of the medium in the cathode branch when operating the fuel cell system to generate electrical energy.
  • the storage unit when switching off the fuel cell system, the storage unit can be subjected to a suction pressure and the pressure of the medium in the storage unit can be reduced. This can be acted upon in a particularly simple and safe way, the cathode compartment with oxygen depleted gas when the fuel cell system is transferred to an operating phase of the shutdown.
  • the storage unit has a control element for setting a flow when the medium is being removed from the storage unit.
  • a blow-off behavior of the medium during the removal of the medium from the storage unit following the switching off of the fuel cell system can be controlled.
  • the control element may comprise a, in particular at least partially closable, passage opening.
  • particularly large pressure can be stored by closing the passage opening. This is particularly possible when operating the fuel cell system under high load.
  • By closing the passage opening of the particularly high pressure of the medium can be stored in the storage unit and used when switching off the fuel cell system for discharging the medium from the storage unit and for charging the cathode compartment with the stored medium in countercurrent.
  • control element comprise a, in particular controllable, valve.
  • the valve By controlling the valve, it can thus be decided whether the memory unit is to serve as a passive component in the cathode branch for storing the medium.
  • the valve can also be controlled so that it allows storage of the medium in the storage unit only in certain operating phases of the fuel cell system, especially at elevated load.
  • the outlet means downstream of the storage unit have a shut-off device by means of which a removal of the medium from the cathode branch can be reduced, in particular prevented.
  • a blow-off behavior during the removal of the medium from the storage unit can be set so that the stored medium can be used to a large extent to inertize the cathode compartment.
  • the anode branch comprises a return device by means of which the medium discharged from the anode chamber can be fed back to the anode chamber.
  • the return device may in this case comprise a fan.
  • the fuel cell system can be rendered inert in a particularly simple and reliable manner for switching off.
  • the fuel cell system is designed for degradation not susceptible.
  • the figure shows a schematic and fragmentary arranged in a motor vehicle fuel cell system 10 for supplying a power train of the motor vehicle with electrical energy.
  • the fuel cell system 10 includes a fuel cell stack 12 having a plurality of individual fuel cells.
  • Fuel cell stack 12 is a cathode compartment 14 separated from an anode compartment 16 by means of a membrane 18.
  • the membrane 18 in the fuel cell stack 12 may be formed as a polymer electrolyte membrane (PEM) or proton exchange membrane (PEM).
  • the anode compartment 16 is part of an anode branch 20 and can be acted upon by a medium containing a reducing agent, for example hydrogen gas.
  • a shut-off valve 22 arranged in a supply line to the anode space 16 can be opened, thus allowing hydrogen gas to flow from a tank (not shown) to the anode space 16.
  • shut-off valve 28 is arranged in an exhaust pipe of the anode branch 20.
  • a cathode branch 30 of the fuel cell system 10 comprising the cathode compartment 14 has in the present case a supply line 32 as a supply means for supplying an oxygen-containing medium to the cathode compartment 14.
  • a supply line 32 as a supply means for supplying an oxygen-containing medium to the cathode compartment 14.
  • atmospheric air may be used as the oxygen-containing medium supplied to the cathode compartment 14.
  • the atmospheric air can by means of a arranged in the supply line 32 compressor 34 are compressed to a pressure of 0.2 bar to 1.8 bar above the atmospheric pressure of the air.
  • the cathode branch 30 further comprises an outlet means designed, for example, as an outlet line 36 for discharging the medium emerging from the cathode space 14.
  • a return means not shown here for returning from the cathode chamber 14 exiting medium, ie of cathode exhaust gas may be provided.
  • a return device may comprise a line which branches off from the outlet line 36 downstream of a storage unit 38 and opens into the supply line 32 upstream of the cathode chamber 14.
  • the storage unit 38 is arranged on the outlet center side of the cathode compartment 14.
  • the memory unit 38 is in this case connected to the outlet line 36 in such a way that it is in the anode space 14 during operation of the
  • Fuel cell system for generating electrical energy to oxygen depleted atmospheric air can store. Not stored in the memory unit 38, emerging from the cathode chamber 14 and depleted in oxygen air can be removed by means of the outlet line 36 from the fuel cell system 10.
  • a shut-off device 40 is arranged in the outlet line 36, by means of which a discharge of the oxygen-depleted air from the cathode branch 30 can be prevented.
  • the storage unit 38 has a control element 42, by means of which a flow when discharging the oxygen-depleted air from the storage unit is adjustable.
  • the control element 42 may be formed as a passage opening in the form of a diaphragm or the like and / or comprise a controllable valve.
  • the cathode space 14 When operating the fuel cell system 10 for generating electrical energy for the drive train of the motor vehicle, the cathode space 14 can be acted upon by compressed atmospheric air, and the anode space 16 with hydrogen gas.
  • the oxygen-depleted atmospheric air is stored in the discharge means side of the cathode compartment 14 storage unit 38, wherein by closing the control element 42 is a pressure above the atmospheric pressure of the oxygen-depleted air in the storage unit 38 is adjustable.
  • the compressor 34 When switching off the fuel cell system 10, the compressor 34 is taken out of service, so that the cathode chamber 14 supply side is no longer subjected to compressed atmospheric air.
  • the shut-off device 40 By closing the shut-off device 40 and opening the control element 42, the oxygen-depleted, oxygen-depleted air stored in the storage unit 38 flows to the cathode space 14 under elevated pressure.
  • the cathode chamber 14 is thus acted upon in countercurrent with oxygen-depleted air.
  • An oxygen content of the oxygen-depleted air may here be about 8% to 9%, in contrast to the oxygen content of 21% of atmospheric air.
  • Fuel cell system 10 present in the cathode chamber 14 comparatively low oxygen content is not completely implemented in the anode compartment 16 after switching off still existing hydrogen gas.
  • primarily nitrogen and hydrogen gas remain in the fuel cell stack 12. This prevents the diffusion of excess oxygen from the cathode chamber 14 into the anode chamber 16.
  • An increase of a potential in the anode chamber 16 to values that could lead to damage of components of the fuel cell system 10 when restarting the fuel cell system 10 is thus avoided.
  • the fuel cell system 10 may be designed to be passive, wherein the memory unit 38 flows through the control element 42 formed as a diaphragm when operating the fuel cell system for generating electrical energy, the oxygen-depleted air.
  • the storage unit 38 releases passively the oxygen-depleted air during operation of the fuel cell system 10 in the switch-off process.

Landscapes

  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Brennstoff zellensystem (10) mit einem einen Anodenraum (16) umfassenden Anodenzweig (20), welcher mit einem reduktionsmittelhaltigen Medium beaufschlagbar ist, und mit einem einen Kathodenraum (14) umfassenden Kathodenzweig (30), welcher zu Mittel (32) zum Zuführen eines sauerstoffhaltigen Mediums zu dem Kathodenraum (14) und Auslassmittel (36) zum Abführen des aus dem Kathodenraum (14) austretenden Mediums aufweist, wobei eine Speichereinheit (38) zum Speichern des Mediums vorgesehen ist, mittels welcher der Kathodenraum (14) betriebsphasenabhängig mit dem gespeicherten Medium beaufschlagbar ist, wobei die Speichereinheit (38) auslassmittelseitig des Kathodenraums (14) angeordnet ist. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines Brennstoff zellensystems (10).

Description

BRENNSTOFFZELLENSYSTEM UND VERFAHREN ZUM BETREIBEN
EINES BRENNSTOFFZELLENSYSTEMS MIT SPEICHERUNG
UND RÜCKFÜHRUNG DER KATHODENABLUFT
Die Erfindung betrifft ein BrennstoffZeilensystem mit einem einen Anodenraum umfassenden Anodenzweig, welcher mit einem reduktionsmittelhaltigen Medium beaufschlagbar ist und mit einem einen Kathodenraum umfassenden Kathodenzweig. Der Kathodenzweig weist Zuführmittel zum Zuführen eines sauerstoffhaltigen Mediums zu dem Kathodenraum und Auslassmittel zum Abführen des aus dem Kathodenraum austretenden Mediums auf. Der Anodenraum und der Kathodenraum sind hierbei üblicherweise in einem Brennstoffzellenstapel ausgebildet, welcher eine Vielzahl von einzelnen Brennstoffzellen aufweist.
Die JP 2004 022 487 A beschreibt ein Brennstoffzellensystem mit einem einen Anodenraum umfassenden Anodenzweig, welcher mit Wasserstoffgas beaufschlagbar ist. Ein Kathodenraum eines Kathodenzweigs des Brennstoffzellensystems weist eine Zufuhrleitung zum Zuführen von atmosphärischer Luft zu dem Kathodenraum auf. Dem Kathodenraum ist eine Rückführleitung zugeordnet, mittels welcher aus dem Kathodenraum austretende Luft diesem wieder zuführbar ist. In der Rückführleitung ist eine Speichereinheit zum Speichern von Inertgas vorgesehen. Der Speichereinheit ist ein Sauerstoffsensor nachgeschaltet, mittels welchem eine Konzentration an Sauerstoff in der Rückführleitung ermittelt werden kann. Beim Abschalten des Brennstoffzellensystems werden der Anodenzweig und der Kathodenzweig mittels Absperrventilen abgeriegelt und der in dem Kathodenraum vorhandene Sauerstoff wird mit in dem Anodenzweig vorhandenem Wasserstoffgas umgesetzt. Hierbei wird die Sauerstoffkonzentration in dem Kathodenraum auf einen Wert verringert, welcher beim Wiederanfahren des BrennstoffZeilensystems keine Schädigung des Brennstoffzellensystems erwarten lässt. Ist in dem Anodenzweig keine ausreichende Menge an Wasserstoffgas vorhanden, um in dem Kathodenraum den angestrebten Wert der Sauerstoffkonzentration einzustellen, so wird dem Anodenzweig bei abgeschaltetem Brennstoffzellensystem weiteres Wasserstoffgas zugeführt. Das im Abschaltvorgang des Brennstoffzellensystems gebildete Inertgas wird mittels einer von der Rückführleitung abzweigenden Spülleitung dem Anodenzweig zugeführt. Hierbei wird der Anodenraum mit dem Inertgas aus der Speichereinrichtung entgegen der beim Betreiben des Brennstoffzellensystems im Anodenraum vorherrschenden Strömungsrichtung des Wasserstoffgases durchströmt .
Als nachteilig bei einem derartigen Brennstoffzellensystem ist der Umstand anzusehen, dass eine Vielzahl von Absperrventilen vorzusehen ist, welche im Abschaltvorgang des Brennstoffzellensystems ein Rezirkulieren der atmosphärischen Luft bis zum Erreichen der gewünschten Sauerstoffkonzentration ermöglichen. Das Vorsehen der Vielzahl an Absperrventilen beeinträchtigt eine Tauglichkeit des Brennstoffzellensystems für einen Einsatz bei Temperaturen unter 0° C, da durch Einfrieren der Absperrventile eine Funktionsfähigkeit des
Brennstoffzellensystems eingeschränkt sein kann. Des Weiteren ist bei einem derartigen Brennstoffzellensystem der Umstand als nachteilig anzusehen, dass ein Sauerstoffsensor vorzusehen ist.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Brennstoffzellensystem zu schaffen, welches besonders einfach aufgebaut und betriebssicher ist. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein
Brennstoffzellensystem mit den Merkmalen des Patentanspruchs
1 und durch ein Verfahren zum Betreiben eines
Brennstoffzellensystems mit den Merkmalen des Patentanspruchs
8 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen
Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen
Patentansprüchen angegeben.
Das erfindungsgemäße Brennstoffzellensystem weist einen Anodenzweig auf, welcher mit einem reduktionsmittelhaltigen Medium beaufschlagbar ist. Der Anodenzweig umfasst einen Anodenraum. Ein Kathodenzweig des Brennstoffzellensystems umfasst einen Kathodenraum, Zuführmittel zum Zuführen eines sauerstoffhaltigen Mediums zu dem Kathodenraum und Auslassmittel zum Abführen des aus dem Kathodenraum austretenden Mediums. Des Weiteren ist eine Speichereinheit zum Speichern des aus dem Kathodenraum austretenden Mediums vorgesehen, mittels welcher der Kathodenraum betriebsphasenabhängig mit dem in der Speichereinheit gespeicherten Medium beaufschlagbar ist, wobei die Speichereinheit auslassmittelseitig des Kathodenraums angeordnet ist. Die Speichereinheit ist also in Strömungsrichtung des- sauerstoffhaltigen Mediums stromabwärts des Kathodenraums angeordnet.
Das Brennstoffzellensystem kann eine Rückführeinrichtung umfassen, welche von den Auslassmitteln zum Abführen des aus dem Kathodenraum austretenden Mediums abzweigt und in die Zuführmittel einmündet. Vorliegend ist eine derartige Rückführeinrichtung nicht als Komponente des Kathodenzweigs aufzufassen. Die Auslassmittel dienen also zum Abführen des aus dem Kathodenraum austretenden Mediums und nicht zum Rückführen des Mediums mittels der Rückführeinrichtung.
Durch die auslassmittelseitig des Kathodenraums angeordnete Speichereinheit ist das beim Betreiben des BrennstoffZeilensystems zum Bereitstellen von elektrischer Energie als Abgas aus dem Kathodenraum austretende Medium speicherbar. Wird als sauerstoffhaltiges Medium dem Kathodenraum atmosphärische Luft zugeführt, so weist die beim Betreiben des Brennstoffzellensystems zum Bereitstellen von elektrischer Energie aus dem Kathodenraum austretende Luft einen verringerten Sauerstoffgehalt auf.
Diese an Sauerstoff abgereicherte Luft kann dem Kathodenraum beim Betreiben des Brennstoffzellensystems im Abschaltvorgang zugeführt werden und sorgt so dafür, dass in dem Kathodenraum nach dem Abschalten ein vergleichsweise inertes Medium vorliegt .
Der Sauerstoffgehalt des in der Speichereinheit gespeicherten Mediums ist infolge des Betreibens des
Brennstoffzellensystems zum Erzeugen von elektrischer Energie so niedrig, dass im Anodenraum vorhandenes Wasserstoffgas nach dem Abschalten des Brennstoffzellensystems nicht komplett umgesetzt wird. Dadurch ist auf baulich besonders einfache Art und Weise ein Entstehen von Überpotentialen beim Wiederanfahren des Brennstoffzellensystems vermieden. Nach dem Abschalten des Brennstoffzellensystems liegen in dem Kathodenraum allenfalls so geringe Konzentrationen an Sauerstoff vor, dass ein Diffundieren von Sauerstoff in den Anodenraum vermieden ist. Die Speichereinheit ist somit als beim Betreiben des Brennstoffzellensystems zum Bereitstellen von elektrischer Energie passives Bauteil ausbildbar.
Dadurch, dass im Abschaltvorgang des Brennstoffzellensystems kein Abriegeln des Brennstoffzellensystems mittels einer Vielzahl von in der JP 2004 022 487 A beschriebenen Absperrventilen vorgesehen ist, ist das vorliegend beschriebene Brennstoffzellensystem besonders betriebssicher, insbesondere beim Betreiben des Brennstoffzellensystems bei Temperaturen von weniger als 0° C, bei welchen ansonsten ein Einfrieren von Ventilen zu befürchten wäre. In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfassen die Zuführmittel einen Verdichter, mittels welchem ein Druck des Mediums in der Speichereinheit zu verändern, insbesondere zu vergrößern, ist. Wird der Kathodenraum mit atmosphärischer Luft als sauerstoffhaltigem Medium beaufschlagt, so kann der Verdichter dafür sorgen, dass beim Betreiben des Brennstoffzellensystems in dem Kathodenzweig und somit in den Auslassmitteln des Kathodenraums sowie in der Speichereinheit ein über dem atmosphärischen Druck liegender Druck vorliegt.
Mit Abschalten des Verdichters beim Abschalten des Brennstoffzellensystems strömt das in der Speichereinheit unter erhöhtem Druck stehende Medium im Gegenstrom durch den Kathodenraum.
Der Verdichter kann dazu ausgelegt sein, die beim Betreiben des Brennstoffzellensystems zum Erzeugen von elektrischer Energie vorliegende Strömungsrichtung des sich in dem Kathodenzweig befindenden Mediums umzukehren. So kann beim Abschalten des Brennstoffzellensystems die Speichereinheit mit einem Saugdruck beaufschlagt und der Druck des Mediums in der Speichereinheit verringert werden. Dadurch kann auf besonders einfache und sichere Weise der Kathodenraum mit an Sauerstoff abgereichertem Gas beaufschlagt werden, wenn das Brennstoffzellensystem in eine Betriebsphase des Abschaltens überführt wird.
Von Vorteil ist es weiterhin, wenn die Speichereinheit ein Kontrollelement zum Einstellen eines Durchflusses beim Abführen des Mediums aus der Speichereinheit aufweist. Dadurch kann ein Ausblasverhalten des Mediums beim Abführen des Mediums aus der Speichereinheit im Anschluss an das Abschalten des Brennstoffzellensystems kontrolliert werden.
Das Kontrollelement kann eine, insbesondere zumindest teilweise verschließbare, Durchlassöffnung umfassen. Dadurch ist ein besonders einfaches und betriebssicheres Kontrollelement geschaffen, mittels welchem eine Dynamik des Ausblasverhaltens anpassbar ist.
Insbesondere kann beim Betreiben des BrennstoffZeilensystems zum Erzeugen elektrischer Energie in dem Kathodenzweig und somit in der Speichereinheit vorliegender, besonders großer Druck durch Verschließen der Durchlassöffnung gespeichert werden. Dies ist insbesondere beim Betreiben des Brennstoffzellensystems unter hoher Last ermöglicht. Durch das Verschließen der Durchlassöffnung kann der besonders hohe Druck des Mediums in der Speichereinheit gespeichert und beim Abschalten des Brennstoffzellensystems für das Abführen des Mediums aus der Speichereinheit und für das Beaufschlagen des Kathodenraums mit dem gespeicherten Medium im Gegenstrom genutzt werden.
Ergänzend oder alternativ kann das Kontrollelement ein, insbesondere ansteuerbares, Ventil umfassen. Durch Ansteuern des Ventils kann so entschieden werden, ob die Speichereinheit als passives Bauteil in dem Kathodenzweig zum Speichern des Mediums dienen soll. Das Ventil kann jedoch auch so angesteuert werden, dass es nur bei bestimmten Betriebsphasen des Brennstoffzellensystems, insbesondere bei erhöhter Last, ein Speichern des Mediums in der Speichereinheit ermöglicht.
Von Vorteil ist es weiterhin, wenn die Auslassmittel stromabwärts der Speichereinheit eine Absperreinrichtung aufweisen, mittels welcher ein Abführen des Mediums aus dem Kathodenzweig zu verringern, insbesondere zu unterbinden, ist. Dadurch kann ein Ausblasverhalten beim Abführen des Mediums aus der Speichereinheit so eingestellt werden, dass das gespeicherte Medium in besonders weitgehendem Ausmaß zum Inertisieren des Kathodenraums nutzbar ist. Schließlich hat es sich als vorteilhaft gezeigt, wenn der Anodenzweig eine Rückführeinrichtung umfasst, mittels welcher das aus dem Anodenraum abgeführte Medium dem Anodenraum wieder zuführbar ist. Die Rückführeinrichtung kann hierbei ein Gebläse umfassen. Durch ein Führen des reduktionsmittelhaltigen Mediums im Kreislauf der Rückführeinrichtung kann nicht genutztes Wasserstoffgas dem Anodenraum wieder zugeführt und somit ein Umsatz des Wasserstoffgases erhöht werden. Dies ist insbesondere beim Abschalten des Brennstoffzellensystems von Vorteil. Dadurch ist ein besonders weitgehendes Umsetzen von Sauerstoff ermöglicht ist, welcher beim Abschalten des Brennstoffzellensystems abgereichert in dem in der Speichereinheit gespeicherten Medium vorliegen kann.
Mittels des Verfahrens zum Betreiben des Brennstoffzellensystems, bei welchem der Kathodenraum betriebsphasenabhängig mit dem in der Speichereinheit gespeicherten Medium beaufschlagt wird, kann somit das Brennstoffzellensystem auf besonders einfache und betriebssichere Weise für das Abschalten inertisiert werden. Dadurch ist das Brennstoffzellensystem für eine Degradation unanfällig ausgebildet. Durch das Inertisieren des Kathodenraums mit gebrauchter Restluft lässt sich eine Verlängerung einer Lebensdauer des Brennstoffzellensystems realisieren.
Die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Brennstoffzellensystem beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen und Vorteile gelten auch für das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems .
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung. Diese zeigt einen schematisierten Ausschnitt eines Brennstoffzellensystems für einen Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs .
Die Figur zeigt schematisiert und ausschnittsweise ein in einem Kraftfahrzeug angeordnetes Brennstoffzellensystem 10 zum Versorgen eines Antriebsstrangs des Kraftfahrzeugs mit elektrischer Energie. Das Brennstoffzellensystem 10 umfasst einen Brennstoffzellenstapel 12, welcher eine Vielzahl von einzelnen Brennstoffzellen aufweist. In dem
Brennstoffzellenstapel 12 ist ein Kathodenraum 14 von einem Anodenraum 16 mittels einer Membran 18 getrennt. Die Membran 18 in dem Brennstoffzellenstapel 12 kann als Polymer- Elektrolyt-Membran (PEM) oder Protonenaustauschmembran (Proton Exchange Membran, PEM) ausgebildet sein.
Der Anodenraum 16 ist Teil eines Anodenzweigs 20 und ist mit einem reduktionsmittelhaltigen Medium, beispielsweise mit Wasserstoffgas, beaufschlagbar. Zum Beaufschlagen des Anodenraums 16 mit dem Wasserstoffgas kann ein in einer Zuleitung zu dem Anodenraum 16 angeordnetes Absperrventil 22 geöffnet und so ein Zuströmen von Wasserstoffgas aus einem vorliegend nicht gezeigten Tank zu dem Anodenraum 16 ermöglicht werden.
Mittels einer ein Gebläse 24 aufweisenden Rückführeinrichtung 26 ist aus dem Anodenraum 16 abgeführtes Abgas durch den Anodenraum 16 im Kreislauf zu führen. Ein weiteres Absperrventil 28 ist in einer Abgasleitung des Anodenzweigs 20 angeordnet.
Ein den Kathodenraum 14 umfassender Kathodenzweig 30 des Brennstoffzellensystems 10 weist vorliegend als Zuführmittel zum Zuführen eines sauerstoffhaltigen Mediums zu dem Kathodenraum 14 eine Zuleitung 32 auf. Als dem Kathodenraum 14 zugeführtes sauerstoffhaltiges Medium kann atmosphärische Luft verwendet werden. Die atmosphärische Luft kann mittels eines in der Zuleitung 32 angeordneten Verdichters 34 auf einen Druck von 0,2 bar bis 1,8 bar über dem atmosphärischen Druck der Luft verdichtet werden.
Der Kathodenzweig 30 umfasst des Weiteren ein beispielsweise als Auslassleitung 36 ausgebildetes Auslassmittel zum Abführen des aus dem Kathodenraum 14 austretenden Mediums.
Separat von dem Kathodenzweig 30 und dem Kathodenzweig 30 nicht zugeordnet kann auch eine vorliegend nicht gezeigte Rückführeinrichtung zum Rückführen von aus dem Kathodenraum 14 austretendem Medium, also von Kathodenabgas, vorgesehen sein. Eine derartige Rückführeinrichtung kann eine Leitung umfassen, welche stromabwärts einer Speichereinheit 38 von der Auslassleitung 36 abzweigt und stromaufwärts des Kathodenraums 14 in die Zuleitung 32 einmündet.
Die Speichereinheit 38 ist auslassmittelseitig des Kathodenraums 14 angeordnet. Die Speichereinheit 38 ist hierbei so an die Auslassleitung 36 angeschlossen, dass sie in dem Anodenraum 14 beim Betreiben des
Brennstoffzellensystems zum Erzeugen von elektrischer Energie an Sauerstoff abgereicherte atmosphärische Luft speichern kann. Nicht in der Speichereinheit 38 gespeicherte, aus dem Kathodenraum 14 austretende und an Sauerstoff abgereicherte Luft kann mittels der Auslassleitung 36 aus dem BrennstoffZeilensystem 10 abgeführt werden.
Stromabwärts der Speichereinheit 38 ist eine Absperreinrichtung 40 in der Auslassleitung 36 angeordnet, mittels welcher ein Abführen der an Sauerstoff abgereicherten Luft aus dem Kathodenzweig 30 unterbunden werden kann.
Des Weiteren ist in der Figur erkennbar, dass die Speichereinheit 38 ein Kontrollelement 42 aufweist, mittels welchem ein Durchfluss beim Abführen der an Sauerstoff abgereicherten Luft aus der Speichereinheit einstellbar ist. Das Kontrollelement 42 kann als Durchlassöffnung in Form einer Blende oder dergleichen ausgebildet sein und/oder ein ansteuerbares Ventil umfassen.
Beim Betreiben des Brennstoffzellensystems 10 zum Erzeugen von elektrischer Energie für den Antriebsstrang des Kraftfahrzeugs kann der Kathodenraum 14 mit verdichteter atmosphärischer Luft beaufschlagt werden, und der Anodenraum 16 mit Wasserstoffgas. Die an Sauerstoff abgereicherte atmosphärische Luft wird in der auslassmittelseitig des Kathodenraums 14 angeordneten Speichereinheit 38 gespeichert, wobei durch Verschließen des Kontrollelements 42 ein über dem atmosphärischen Druck liegender Druck der an Sauerstoff abgereicherten Luft in der Speichereinheit 38 einstellbar ist .
Beim Abschalten des Brennstoffzellensystems 10 wird der Verdichter 34 außer Betrieb genommen, so dass der Kathodenraum 14 zuleitungsseitig nicht mehr mit verdichteter atmosphärischer Luft beaufschlagt wird. Durch Schließen der Absperreinrichtung 40 und Öffnen des Kontrollelements 42 strömt die unter erhöhtem Druck stehende, an Sauerstoff abgereicherte und in der Speichereinheit 38 gespeicherte Luft dem Kathodenraum 14 zu. Der Kathodenraum 14 wird somit im Gegenstrom mit an Sauerstoff abgereicherter Luft beaufschlagt. Ein Sauerstoffgehalt der an Sauerstoff abgereicherten Luft kann hierbei etwa 8 % bis 9 % betragen, im Gegensatz zu dem Sauerstoffgehalt von 21 % von atmosphärischer Luft.
Durch den nunmehr nach dem Abschalten des
BrennstoffZeilensystem 10 in dem Kathodenraum 14 vorliegenden vergleichsweise geringen Sauerstoffgehalt wird in dem Anodenraum 16 nach dem Abschalten noch vorhandenes Wasserstoffgas nicht mehr komplett umgesetzt. Es verbleiben somit nach dem Abschalten des Brennstoffzellensystems 10 vorwiegend Luftstickstoff und Wasserstoffgas in dem Brennstoffzellenstapel 12. Dadurch ist ein Diffundieren von überschüssigem Sauerstoff aus dem Kathodenraum 14 in den Anodenraum 16 vermieden. Ein Ansteigen eines Potentials in dem Anodenraum 16 auf Werte, welche beim Wiederanfahren des Brennstoffzellensystems 10 zu einem Schädigen von Komponenten des Brennstoffzellensystems 10 führen könnten, ist somit vermieden.
Dadurch ist auf besonders einfache Weise ein Schädigen des Brennstoffzellensystems 10 vermieden und entsprechend eine Verlängerung einer Lebensdauer des Brennstoffzellensystems 10 durch Inertisieren des Kathodenzweigs 30 mittels beim Betreiben des Brennstoffzellensystems 10 verbrauchter atmosphärischer Luft ermöglicht.
Selbstverständlich kann das Brennstoffzellensystem 10 passiv ausgelegt sein, wobei der Speichereinheit 38 über das als Blende ausgebildete Kontrollelement 42 beim Betreiben des Brennstoffzellensystems zum Erzeugen von elektrischer Energie die an Sauerstoff abgereicherte Luft zuströmt. Die Speichereinheit 38 gibt hierbei die an Sauerstoff abgereicherte Luft beim Betreiben des Brennstoffzellensystems 10 im Abschaltvorgang passiv wieder frei.
Bezugszeichenliste
10 Brennstoffzellensystem
12 Brennstoffzellenstapel
14 Kathodenraum
16 Anodenraum
18 Membran
20 Anodenzweig
22 Absperrventil
24 Gebläse
26 Rückführeinrichtung
28 Absperrventil
30 Kathodenzweig
32 Zuleitung
34 Verdichter
36 Auslassleitung
38 Speichereinheit
40 Absperreinrichtung
42 Kontrollelement

Claims

Patentansprüche
1. Brennstoffzellensystem mit einem einen Anodenraum (16) umfassenden Anodenzweig (20) , welcher mit einem reduktionsmittelhaltigen Medium beaufschlagbar ist, und mit einem einen Kathodenraum (14) umfassenden Kathodenzweig (30), welcher Zuführmittel (32) zum Zuführen eines sauerstoffhaltigen Mediums zu dem Kathodenraum (14) und Auslassmittel (36) zum Abführen des aus dem Kathodenraum (14) austretenden Mediums aufweist, wobei eine Speichereinheit (38) zum Speichern des Mediums vorgesehen ist, mittels welcher der Kathodenraum (14) betriebsphasenabhängig mit dem gespeicherten Medium beaufschlagbar ist, wobei die Speichereinheit (38) auslassmittelseitig des Kathodenraums (14) angeordnet ist.
2. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1, wobei die Zuführmittel (32) einen Verdichter (34) umfassen, mittels welchem ein Druck des Mediums in der Speichereinheit (38) zu verändern, insbesondere zu vergrößern ist.
3. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Speichereinheit (38) ein Kontrollelement (42) zum Einstellen eines Durchflusses beim Abführen des Mediums aus der Speichereinheit (38) aufweist.
4. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 3, wobei das Kontrollelement (42) eine, insbesondere zumindest teilweise verschließbare, Durchlassöffnung umfasst .
5. Brennstoffzellensystem nach Anspruch 3 oder 4, wobei das Kontrollelement (42) ein, insbesondere ansteuerbares, Ventil umfasst.
6. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Auslassmittel (36) stromabwärts der Speichereinheit (38) eine Absperreinrichtung (40) aufweisen, mittels welcher ein Abführen des Mediums aus dem Kathodenzweig (30) zu verringern, insbesondere zu unterbinden, ist.
7. Brennstoffzellensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Anodenzweig (20) eine Rückführeinrichtung (26) umfasst, mittels welcher das aus dem Anodenraum (16) abgeführte Medium dem Anodenraum (16) wieder zuführbar ist.
8. Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems (10), bei welchem ein einen Anodenraum (16) umfassender
Anodenzweig (20) mit einem reduktionsmittelhaltigen Medium beaufschlagt wird, und bei welchem einem Kathodenraum (14) eines Kathodenzweigs (30) ein sauerstoffhaltiges Medium zugeführt wird, und bei welchem das aus dem Kathodenraum (14) austretende Medium mittels Auslassmitteln (36) aus dem Kathodenraum (14) abgeführt wird, und bei welchem eine auslassmittelseitig des Kathodenraums (14) angeordnete Speichereinheit (38) das Medium speichert, und bei welchem der Kathodenraum (14) betriebsphasenabhängig mit dem in der Speichereinheit (38) gespeicherten Medium beaufschlagt wird.
PCT/EP2009/001648 2008-04-04 2009-03-07 Brennstoffzellensystem und verfahren zum betreiben eines brennstoffzellensystems mit speicherung und rückführung der kathodenabluft WO2009121463A1 (de)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102008017333.9 2008-04-04
DE102008017333A DE102008017333A1 (de) 2008-04-04 2008-04-04 Brennstoffzellensystem und Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2009121463A1 true WO2009121463A1 (de) 2009-10-08

Family

ID=40670997

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP2009/001648 WO2009121463A1 (de) 2008-04-04 2009-03-07 Brennstoffzellensystem und verfahren zum betreiben eines brennstoffzellensystems mit speicherung und rückführung der kathodenabluft

Country Status (2)

Country Link
DE (1) DE102008017333A1 (de)
WO (1) WO2009121463A1 (de)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109478664A (zh) * 2016-06-27 2019-03-15 盖尔森基兴博霍尔特雷克灵豪森威斯特伐利亚高校 用于能量转换的装置、尤其是燃料电池单体或电解装置

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102021214689A1 (de) * 2021-12-20 2023-06-22 Robert Bosch Gesellschaft mit beschränkter Haftung Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems, Brennstoffzellensystem

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004022487A (ja) * 2002-06-20 2004-01-22 Nissan Motor Co Ltd 燃料電池システム
JP2005100846A (ja) * 2003-09-25 2005-04-14 Nissan Motor Co Ltd 燃料電池システム
DE102005054885A1 (de) * 2005-11-17 2007-05-31 Airbus Deutschland Gmbh Sicherheitssystem zur Verminderung der Explosionsgefahr eines Treibstofftanks

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004022487A (ja) * 2002-06-20 2004-01-22 Nissan Motor Co Ltd 燃料電池システム
JP2005100846A (ja) * 2003-09-25 2005-04-14 Nissan Motor Co Ltd 燃料電池システム
DE102005054885A1 (de) * 2005-11-17 2007-05-31 Airbus Deutschland Gmbh Sicherheitssystem zur Verminderung der Explosionsgefahr eines Treibstofftanks

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109478664A (zh) * 2016-06-27 2019-03-15 盖尔森基兴博霍尔特雷克灵豪森威斯特伐利亚高校 用于能量转换的装置、尤其是燃料电池单体或电解装置

Also Published As

Publication number Publication date
DE102008017333A1 (de) 2009-10-08

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE112006000802B4 (de) Brennstoffzellensystem
DE102005038927B4 (de) Verfahren zum Abschalten eines Brennstoffzellensystems durch Verwendung einer Luftspülung bei niedriger Zellentemperatur sowie ein Brennstoffzellensystem zur Durchführung des Verfahrens
WO2016062506A1 (de) Brennstoffzellensystem sowie verfahren zum abschalten eines brennstoffzellenstapels
DE102008047393B4 (de) Verfahren zum schnellen und zuverlässigen Starten von Brennstoffzellensystemen
DE102011083327A1 (de) Verfahren zum Abschalten eines Brennstoffzellensystems
WO2017067966A2 (de) Anordnung für eine kathoden-rezirkulation einer brennstoffzelle sowie verfahren zur kathoden-rezirkulation
DE112007002278T5 (de) Brennstoffzellensystem und Verfahren zur Steuerung des Wasseraustrags für das System
DE102016110451A1 (de) Verfahren zum Starten eines Brennstoffzellensystems und Brennstoffzellensystem
DE102006050182A1 (de) Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems
WO2006007940A1 (de) Abschaltprozedur für brennstoffzellensysteme
DE102012218555A1 (de) Brennstoffzellensystem und stoppverfahren davon
DE102015200473A1 (de) Verfahren zum Überführen eines Brennstoffzellensystems in einen Stand-by-Modus sowie entsprechendes Brennstoffzellensystem
DE102010063016A1 (de) Rekuperationselektrolyse
WO2015154847A1 (de) Brennstoffzellensystem
EP2754197A1 (de) Verfahren zum betreiben eines brennstoffzellensystems
WO2009121463A1 (de) Brennstoffzellensystem und verfahren zum betreiben eines brennstoffzellensystems mit speicherung und rückführung der kathodenabluft
DE102021214687A1 (de) Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems, Brennstoffzellensystem
DE102019209767A1 (de) Verfahren zum Abstellen einer Brennstoffzellenvorrichtung, Brennstoffzellenvorrichtung sowie Kraftfahrzeug
WO2023169813A1 (de) Brennstoffzellensystem mit mehreren inertisierbaren brennstoffzellenstapeln sowie verfahren zum betreiben eines solchen brennstoffzellensystems
DE102012018513A1 (de) Brennstoffzellensystem
WO2023117382A1 (de) Verfahren zum betreiben eines brennstoffzellensystems, brennstoffzellensystem
DE102010030152A1 (de) Verfahren zum Sicherstellen einer Versorgung einer Anode mindestens einer Brennstoffzelle mit Brennstoff
DE102015216343A1 (de) Anoden-Kathoden-Versorgungseinrichtung
DE102019214288A1 (de) Verfahren zum Betreiben eines Brennstoffzellensystems, Brennstoffzellensystem
WO2024104771A1 (de) Verfahren zum trocknen eines brennstoffzellensystems

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 09726884

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 09726884

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1